(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素含有ガスと酸化剤とを用いて発電する燃料電池と、
前記燃料電池において用いられる前記水素含有ガスを原燃料と水とを用いて生成する燃料処理器と、
前記燃料処理器に水を供給する水供給器と、
前記燃料処理器の内部の圧力を検知する圧力検知器と、
制御器と、を備える燃料電池システムであって、
前記制御器は、前記燃料処理器に前記水が供給されるよう前記水供給器を制御している場合において、前記水供給器による前記水の供給時に前記圧力検知器により検知される第１の圧力と前記水供給器による前記水の非供給時に前記圧力検知器により検知される第２の圧力との圧力差が所定の差圧閾値以下である場合に前記燃料電池システムの運転を停止させる、燃料電池システム。
【請求項２】
水素含有ガスと酸化剤とを用いて発電する燃料電池と、
前記燃料電池において用いられる前記水素含有ガスを原燃料と水とを用いて生成する燃料処理器と、
前記燃料処理器に水を供給する水供給器と、
前記燃料処理器の内部の圧力を検知する圧力検知器と、
制御器と、を備える燃料電池システムであって、
前記制御器は、前記燃料処理器に前記水が供給されるよう前記水供給器を制御している場合において、前記燃料電池システムの運転時間が所定の時間閾値以上であるときの前記圧力検知器により検知される前記燃料処理器の内部の圧力に基づき前記燃料電池システムの運転を停止させる、燃料電池システム。
【請求項３】
水素含有ガスと酸化剤とを用いて発電する燃料電池と、
前記燃料電池において用いられる前記水素含有ガスを原燃料と水とを用いて生成する燃料処理器と、
前記燃料処理器に水を供給する水供給器と、
前記燃料処理器の内部の圧力を検知する圧力検知器と、
制御器と、を備える燃料電池システムであって、
前記制御器は、前記燃料処理器に前記水が供給されるよう前記水供給器を制御してから所定時間経過後の前記圧力検知器により検知される前記燃料処理器の内部の圧力に基づき前記燃料電池システムの運転を停止させる、燃料電池システム。
【請求項４】
前記所定の差圧閾値は、前記水供給器から前記燃料処理器への前記水の供給量と相関する所定の物理量に応じて設定されている、請求項１記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素含有ガスを用いて発電する燃料電池システムに関し、特に、燃料処理器が水を利用して生成した水素含有ガスを用いて発電する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、エネルギーを有効に利用することが可能である分散型の発電装置として、発電効率及び総合効率が高い燃料電池コージェネレーションシステム（以下、単に「燃料電池システム」という）が注目されている。
【０００３】
燃料電池システムは、その発電部の本体として、燃料電池を備えている。この燃料電池としては、例えば、固体高分子型燃料電池やリン酸型燃料電池が用いられる。ところで、これらの燃料電池は、水素と酸素とを利用して発電する。しかし、これらの燃料電池において、発電運転の際に必要となる水素の供給手段は、通常、インフラストラクチャーとして整備されてはいない。従って、燃料電池システムにより電力を得るためには、その燃料電池システムの設置場所において水素を生成する必要がある。そのため、従来の燃料電池システムでは、燃料電池と共に、燃料処理器が併設されていることが多い。この燃料処理器では、天然ガス、プロパンガス、ナフサ、ガソリン、灯油等の炭化水素系の原燃料、又は、メタノール等のアルコール系の原燃料と水とが用いられて、改質触媒により所定の水素生成反応が進行することによって、水素を含む水素含有ガスが生成される。この水素含有ガスと、酸素を含む空気等の酸化剤とが各々燃料電池に供給されて、燃料電池システムは所定の電力を出力する。
【０００４】
ところで、燃料電池システムの発電運転の際、燃料処理器には、原燃料の供給量に応じた適切な供給量で水が供給される必要がある。具体的には、燃料電池システムの発電運転の際、燃料処理器には、原燃料の供給量に応じて設定された所定の供給量以上で水が供給される必要がある。その理由は、原燃料の供給量に対して水の供給量が不足すると、燃料処理器の内部において原燃料の炭化現象が進行して、改質触媒の表面に炭素が析出することにより、燃料処理器の性能が著しく低下するからである。そして、その結果、燃料電池システムの寿命が悪化するからである。
【０００５】
そこで、原燃料の供給量に応じた適切な供給量で燃料処理器に水を供給することが可能な燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
以下、提案された従来の燃料電池システムの構成及びその動作について概説する。
【０００７】
図１０は、従来の燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【０００８】
図１０に示すように、従来の燃料電池システム３００は、天然ガス等の原燃料及び水の供給量を各々適切に調節する原燃料調節器２０と、原燃料調節器２０により供給量が各々適切に調節された原燃料及び水を用い、原燃料に水を添加して所定の水素生成反応を進行させることにより水素含有ガスを生成する燃料処理器２１と、燃料処理器２１で生成された水素含有ガスと酸化剤とを用いて発電する燃料電池２２とを備えている。又、図１０に示すように、この従来の燃料電池システム３００は、燃料処理器２１において所定の水素生成反応が好適に進行するよう、燃焼用燃料及び燃料電池２２から排出される残余水素含有ガス（燃焼用燃料）と酸化剤とを用いて燃料処理器２１に熱エネルギーを供給する燃焼器２３と、燃焼器２３に供給する燃焼用燃料の供給量を適切に調節する燃焼用燃料調節器２４及び燃焼器２３に酸化剤を供給するブロア２５とを備えている。更に、図１０に示すように、この従来の燃料電池システム３００は、燃料電池２２に酸化剤を供給するブロア２６を備えている。
【０００９】
かかる従来の燃料電池システム３００では、発電運転の際、燃焼用燃料調節器２４は燃焼器２３に供給する燃焼用燃料の供給量を適切に調節する。例えば、燃焼用燃料調節器２４は、燃料処理器２１が有する改質触媒（Ｒｕ系遷移金属触媒）の温度が原燃料及び水を用いて水素含有ガスを生成するための所定の水素生成反応が好適に進行する温度（約７００℃）で維持されるように、燃焼器２３に供給する燃焼用燃料の供給量を調節する。この際、ブロア２５は、燃焼器２３において燃焼用燃料及び残余水素含有ガスの完全燃焼が進行するように、燃焼用燃料及び残余水素含有ガスの供給量に応じた供給量で酸化剤を供給する。
【００１０】
一方、原燃料調節器２０は、燃料処理器２１に供給する原燃料及び水の供給量を各々適切に調節する。例えば、原燃料調節器２０は、標準状態の天然ガスを１０ＮＬ／分の割合で供給する場合、水が３０ｇ／分程度の割合で供給されるよう、燃料処理器２１に供給する原燃料及び水の供給量を各々適切に調節する。この際、原燃料調節器２０は、その原燃料調節器２０を流れる原燃料及び水の流量を所定の検出器により各々逐次検出することによって、原燃料と水との混合比率が所定の混合比率となるよう、燃料処理器２１に供給する原燃料及び水の供給量を各々適切に調節する。
【００１１】
燃料処理器２１は、原燃料調節器２０により供給量が各々適切に調節された原燃料及び水を用いて、原燃料に水を添加しながら所定の水素生成反応を進行させることにより、水素を含む水素含有ガスを生成する。そして、燃料処理器２１は、その生成された水素含有ガスを燃料電池２２のアノード側に供給する。この際、ブロア２６は、発電運転のために必要となる酸化剤を燃料電池２２のカソード側に供給する。
【００１２】
すると、燃料電池２２は、燃料処理器２１で生成された水素含有ガスとブロア２６により供給される酸化剤とを用いて発電する。これにより、燃料電池システム３００は所定の電力を出力する。尚、燃料電池システム３００の発電運転の際、燃料電池２２のアノード側から排出された残余水素含有ガスは、その後、燃焼用燃料として燃焼器２３に供給される。又、燃料電池２２のカソード側から排出された残余酸化剤は、その後、燃料電池システム３００の外部に排気される。
【００１３】
このように、従来の燃料電池システム３００の構成によれば、発電運転の際、燃料処理器２１に向けて原燃料の供給量に応じた適切な供給量で水が供給されるので、燃料処理器２１の性能が低下することはない。つまり、燃料処理器２１の性能が長期間に渡り確保されるので、燃料電池システム３００の発電性能が長期間に渡り確保される。
【特許文献１】特開２００２−１５８０１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上述した従来の燃料電池システムの構成では、燃料処理器に水を３０ｇ／分程度の比較的高い割合で精度良く供給することは可能であるが、燃料処理器に水を数ｇ／分程度の比較的低い割合で精度良く供給することは非常に困難である。何故ならば、通常、数ｇ／分程度の比較的低い割合で供給される水の流量を検出器により精度良く検出することは非常に難しいからである。そのため、上述した従来の燃料電池システムの構成では、例えば、燃料電池の出力電力が比較的小さくなるよう制御されている場合、即ち、燃料処理器への水の供給量が比較的少なくなるよう制御されている場合には、水の流量の検出精度が悪化することにより燃料処理器に供給される水の供給量が不足して、燃料処理器の性能が著しく低下することがあった。
【００１５】
又、上述した従来の燃料電池システムにおいて、一般家庭用の燃料電池システムの定格発電電力は１ｋｗ程度であって、その最小発電電力は３００ｗ程度であることが多い。かかる一般家庭用の燃料電池システムでは、発電運転の際に燃料処理器に供給される原燃料の供給量は、原燃料として天然ガスが用いられる場合、１．５ＮＬ／分〜４．０ＮＬ／分程度である。この場合、発電運転の際に燃料処理器に供給される水の供給量は、４．５ｇ／分〜１２ｇ／分程度である。そのため、一般家庭用の燃料電池システムでは、発電運転の際、水の流量の検出精度が悪化することにより燃料処理器への水の供給量が不足して、燃料処理器の性能が著しく低下することがあった。
【００１６】
つまり、上述した従来の燃料電池システムの構成では、燃料処理器に供給する水の供給量を適切に調節することができない場合があったため、燃料処理器の性能低下を回避することができない場合があった。そして、そのため、燃料電池システムの発電性能を長期間に渡り確保することができない場合があった。
【００１７】
尚、高精度の検出器を用いれば、燃料処理器に供給する水の供給量を常に適切に調節することが可能な燃料電池システムを構築することができる。しかし、高精度の検出器は非常に高価であるため、燃料電池システムを安価に提供することができない。
【００１８】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料処理器の性能低下を確実に回避して所定の発電性能を長期間に渡り確実に確保することが可能である、長期信頼性に優れた燃料電池システムを安価に提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記従来の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、水素含有ガスと酸化剤とを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池において用いられる前記水素含有ガスを原燃料と水とを用いて生成する燃料処理器と、前記燃料処理器に水を供給する水供給器と、前記燃料処理器の内部の圧力を検知する圧力検知器と、制御器と、を備える燃料電池システムであって、前記制御器は、前記燃料処理器に前記水が供給されるよう前記水供給器を制御しているときの前記圧力検知器により検知される前記燃料処理器の内部の圧力に基づき前記燃料電池システムの運転を停止させる。
【００２０】
かかる構成とすると、水の供給経路に異常が発生して燃料処理器に水を供給することができなくなった場合や、燃料処理器への水の供給量が不足する場合に、燃料電池システムの運転を停止させることが可能になる。これにより、燃料処理器の性能低下を確実に回避することができるので、所定の発電性能を長期間に渡り確実に確保することが可能な長期信頼性に優れた燃料電池システムを提供することが可能になる。
【００２１】
この場合、前記原燃料から前記水素含有ガスが生成する割合としての転化率を検知する転化率検知器を更に備え、前記制御器は、前記転化率検知器により検知される前記転化率が所定の転化率閾値以上であるときの前記圧力検知器により検知される前記燃料処理器の内部の圧力に基づき前記燃料電池システムの運転を停止させる。
【００２２】
かかる構成とすると、転化率検知器により検知される転化率が所定の転化率閾値以上である場合には、燃料処理器の内部の圧力を圧力検知器により正確に検知することができるので、燃料電池システムの運転を停止させるか否かを正確に判断することが可能になる。
【００２３】
上記の場合、前記転化率検知器として前記燃料処理器の温度を検知する温度検知器を備え、前記制御器は、前記温度検知器により検知される前記温度が所定の温度閾値以上であるときの前記圧力検知器により検知される前記燃料処理器の内部の圧力に基づき前記燃料電池システムの運転を停止させる。
【００２４】
かかる構成とすると、温度検知器により検知される温度が所定の温度閾値以上である場合には、転化率が所定の転化率閾値以上であると判断することができるので、燃料電池システムの運転を停止させるか否かを簡易な構成により正確に判断することが可能になる。
【００２５】
又、上記の場合、前記転化率検知器として前記水素含有ガス中の水素濃度を検知する濃度検知器を備え、前記制御器は、前記濃度検知器により検知される前記水素濃度が所定の濃度閾値以上であるときの前記圧力検知器により検知される前記燃料処理器の内部の圧力に基づき前記燃料電池システムの運転を停止させる。
【００２６】
かかる構成とすると、濃度検知器により検知される水素濃度が所定の濃度閾値以上である場合には、転化率が所定の転化率閾値以上であると判断することができるので、燃料電池システムの運転を停止させるか否かを簡易な構成により正確に判断することが可能になる。
【００２７】
又、上記の場合、前記転化率検知器として前記水素含有ガス中の二酸化炭素濃度を検知する濃度検知器を備え、前記制御器は、前記濃度検知器により検知される前記二酸化炭素濃度が所定の濃度閾値以上であるときの前記圧力検知器により検知される前記燃料処理器の内部の圧力に基づき前記燃料電池システムの運転を停止させる。
【００２８】
かかる構成とすると、濃度検知器により検知される二酸化炭素濃度が所定の濃度閾値以上である場合には、転化率が所定の転化率閾値以上であると判断することができるので、燃料電池システムの運転を停止させるか否かを簡易な構成により正確に判断することが可能になる。
【００２９】
又、上記の場合、前記制御器は、前記燃料電池システムの運転時間が所定の時間閾値以上であるときの前記圧力検知器により検知される前記燃料処理器の内部の圧力に基づき前記燃料電池システムの運転を停止させる。
【００３０】
かかる構成とすると、燃料電池システムの運転時間が所定の時間閾値以上である場合には、転化率が所定の転化率閾値以上であると判断することができるので、燃料電池システムの運転を停止させるか否かを簡易な構成により正確に判断することが可能になる。
【００３１】
この場合、前記制御器は、前記燃料処理器に前記水が供給されるよう前記水供給器を制御してから所定時間経過後の前記圧力検知器により検知される前記燃料処理器の内部の圧力に基づき前記燃料電池システムの運転を停止させる。
【００３２】
かかる構成とすると、燃料処理器に水が供給されるよう水供給器が制御されてから所定時間経過後、圧力検知器により検知される燃料処理器の内部の圧力に基づき燃料電池システムの運転を停止させるか否かの判断が行われるので、燃料電池システムの運転を停止させるか否かの判断を、簡易な構成により、より一層正確に行うことが可能になる。
【００３３】
又、上記の場合、前記制御器は、前記圧力検知器により検知される前記燃料処理器の内部の圧力が所定の圧力閾値以下である場合に前記燃料電池システムの運転を停止させる。
【００３４】
かかる構成とすると、圧力検知器により検知される燃料処理器の内部の圧力が所定の圧力閾値以下である場合に、燃料電池システムの運転を停止させるので、燃料処理器に水が供給されない場合や、燃料処理器への水の供給量が適切ではない場合に、燃料電池システムの運転を確実に停止させることが可能になる。
【００３５】
又、上記の場合、前記制御器は、前記水供給器による前記水の供給時に前記圧力検知器により検知される第１の圧力と前記水供給器による前記水の非供給時に前記圧力検知器により検知される第２の圧力との圧力差が所定の差圧閾値以下である場合に前記燃料電池システムの運転を停止させる。
【００３６】
かかる構成とすると、第１の圧力と第２の圧力との圧力差が所定の差圧閾値以下である場合に、燃料電池システムの運転を停止させるので、燃料処理器に水が供給されない場合や、燃料処理器への水の供給量が適切ではない場合に、燃料電池システムの運転を確実に停止させることが可能になる。
【００３７】
又、上記の場合、前記所定の圧力閾値及び前記所定の差圧閾値は、前記水供給器から前記燃料処理器への前記水の供給量と相関する所定の物理量に応じて設定されている。
【００３８】
かかる構成とすると、所定の圧力閾値及び所定の差圧閾値が、水供給器から燃料処理器への水の供給量と相関する所定の物理量、例えば、水供給器から燃料処理器に水を供給するためのプランジャーポンプへの出力指令値に応じて設定されるので、所定の圧力閾値及び所定の差圧閾値を容易に設定することができると共に、燃料電池システムの運転状況に応じてその運転を停止させるか否かを正確に判断することが可能になる。
【発明の効果】
【００３９】
本発明は、以上に述べたような手段において実施され、燃料処理器への水の供給量を精度良く検出するための高価な検出器を用いることなく、燃料処理器の性能を長期間に渡り確実に確保することができるので、長期信頼性に優れた燃料電池システムを安価に提供することが可能になる。そして、これにより、燃料電池システムを一般家庭に向けて幅広く普及させることが可能になる。
【００４０】
又、本発明では、原燃料から水素含有ガスが生成する割合としての転化率が所定の閾値以上であるとき、燃料処理器の内部の圧力に基づき、燃料電池システムの運転を停止させるか否かを判断する。これにより、燃料処理器への水の供給が好適である場合の圧力と好適ではない場合の圧力との圧力差（差圧）が拡大して検知されるので、誤判断等による燃料電池システムの不要な停止を確実に回避することが可能になる。
【００４１】
更に、本発明では、燃料処理器へ水を供給する前後の圧力差に基づき、燃料電池システムの運転を停止させるか否かを判断する。これにより、圧力検知器の特性に経時変化が生じた場合であっても、燃料処理器への水の供給状態を正確に認識することができるので、誤判断等による燃料電池システムの不要な停止を確実に回避することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００４３】
（実施の形態１）
先ず、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００４４】
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。尚、図１では、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを示し、その他の構成要素については図示を省略している。
【００４５】
図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、天然ガス等の原燃料を導入してこれを後述する燃料処理器３に供給する原燃料供給器１を備えている。この原燃料供給器１は、図１では特に図示しないが、例えばベローズポンプを備えており、このベローズポンプの動作により原燃料の供給量を適宜調整しながら、燃料処理器３に向けて原燃料を供給する。尚、ベローズポンプの動作は、後述する制御器１１により適宜制御される。これにより、原燃料供給器１から燃料処理器３への原燃料の供給量が調整される。
【００４６】
又、図１に示すように、この燃料電池システム１００は、水蒸気を発生させるための水を導入して、これを燃料処理器３に供給する、水供給器２を備えている。この水供給器２は、図１では特に図示しないが、例えばプランジャーポンプを備えており、このプランジャーポンプの動作により水の供給量を適宜調整しながら、燃料処理器３に向けて水を供給する。尚、プランジャーポンプの動作は、制御器１１によって適宜制御される。これにより、水供給器２から燃料処理器３への水の供給量が調整される。
【００４７】
又、図１に示すように、この燃料電池システム１００は、原燃料供給器１及び水供給器２から供給される原燃料及び水を用いて水素を含有する水素含有ガスを生成する燃料処理器３を備えている。この燃料処理器３は、所定の改質触媒を備え、原燃料供給器１から天然ガス等の原燃料が供給されると共に、水供給器２から水蒸気を発生させるための水が供給されて、その所定の改質触媒によって原燃料及び水を用いる水蒸気改質反応を進行させることにより、水素を含有する水素含有ガスを生成する。
【００４８】
水素含有ガスが生成される際、燃料処理器３が有する所定の改質触媒は、水蒸気改質反応の進行に適した温度において維持される。例えば、所定の改質触媒としてＲｕ系遷移金属触媒が用いられる場合、約７００℃の温度で維持されるよう、所定の改質触媒が加熱される。この所定の改質触媒の加熱は、本実施の形態では、燃焼用燃料の燃焼により発生する熱エネルギーが用いられて行われる。そのため、図１に示すように、本実施の形態に係る燃料処理器３は、燃焼器５を備えている。この燃焼器５は、原燃料として供給される天然ガスや、後述する燃料電池４から排出される発電に用いられなかった残余水素含有ガス等の燃焼用燃料を燃焼させることにより、熱エネルギーを発生させる。この燃焼器５が発生させる熱エネルギーにより、燃料処理器３が備える所定の改質触媒が水蒸気改質反応の進行に適した温度において維持される。これにより、燃料処理器３は、水素含有ガスを効率良く生成する。
【００４９】
ここで、本実施の形態では、燃料処理器３が備える所定の改質触媒の温度は、燃焼器５に供給される燃焼用燃料としての天然ガスの供給量が調整されることにより、適切に制御される。そのため、図１に示すように、燃料電池システム１００は燃焼用燃料調節器６を備えている。この燃焼用燃料調節器６は、図１では特に図示しないが、流量調整弁を備えており、この流量調整弁の動作により燃焼用燃料の供給量を適宜調整しながら、燃焼器５に向けて燃焼用燃料を供給する。尚、流量調整弁の動作は、制御器１１により適宜制御される。これにより、燃焼用燃料調節器６から燃焼器５への燃焼用燃料の供給量が適切に調整される。
【００５０】
又、燃焼器５においては、原燃料として供給される天然ガスや、燃料電池４から排出される残余水素含有ガス等の燃焼用燃料を燃焼させる際、所望量の空気が必要となる。そのため、図１に示すように、燃料電池システム１００はブロア７を備えている。このブロア７は、例えばブラシレスＤＣモーターを備えており、このブラシレスＤＣモーターの動作により空気の供給量を適宜調整しながら、燃焼器５に向けて空気を供給する。尚、ブラシレスＤＣモーターの動作は、制御器１１により燃焼用燃料の供給量に応じて適宜制御される。これにより、大気中から燃焼器５への空気の供給量が適切に調整される。
【００５１】
加えて、図１に示すように、本実施の形態に係る燃料処理器３は、圧力検知器９及び温度検知器１０を備えている。ここで、圧力検知器９は、所定の圧力センサを備えており、この所定の圧力センサが燃料処理器３の内部における所定の位置に配設されて、燃料処理器３の内部の圧力を検知する。そして、圧力検知器９は、燃料処理器３の内部の圧力に応じた電気信号を制御器１１に向けて出力する。一方、温度検知器１０は、所定の温度センサを備えており、この所定の温度センサが燃料処理器３の筐体における所定の位置、その内部における所定の位置、及び、燃料処理器３が備える所定の改質触媒の表面又はその内部における所定の位置の少なくとも何れかの箇所に配設されて、燃料処理器３における少なくとも何れかの箇所の温度を検知する。そして、温度検知器１０は、燃料処理器３における少なくとも何れかの箇所の温度に応じた電気信号を制御器１１に向けて出力する。
【００５２】
尚、本実施の形態では、燃料処理器３が備える所定の改質触媒としてＲｕ系遷移金属触媒を使用する形態について例示しているが、この形態に限定されることはなく、例えばＮｉ系遷移金属触媒やその他の改質触媒を使用する形態としてもよい。かかる形態であっても、本発明を実施することが可能である。
【００５３】
又、本実施の形態では、図１では特に図示しないが、燃料処理器３は、所定の改質触媒に加えて、所定の変成触媒（水素含有ガス中の一酸化炭素濃度を低減させるための水性ガスシフト反応を進行させるＰｔ系遷移金属触媒やＣｕ−Ｚｎ系合金触媒等）や、所定の酸化触媒又はメタン化触媒（水素含有ガス中の一酸化炭素濃度を更に低減させるための酸化反応又はメタン化反応を進行させるＲｕ系遷移金属触媒やＰｔ系遷移金属触媒やＲｈ系遷移金属触媒等）を備えている。
【００５４】
一方、図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、ブロア８を備えている。このブロア８は、例えばブラシレスＤＣモーターを備えており、このブラシレスＤＣモーターの動作により空気の供給量を適宜調整しながら、燃料電池４に向けて空気に代表される酸化剤を供給する。尚、ブラシレスＤＣモーターの動作は、制御器１１により水素含有ガスの生成量に応じて適宜制御される。これにより、大気中から燃料電池４への酸化剤の供給量が適切に調整される。
【００５５】
そして、この燃料電池システム１００は、その発電部の本体としての燃料電池４を備えている。この燃料電池４としては、本実施の形態では、例えば、固体高分子型燃料電池が用いられている。この固体高分子型燃料電池は、燃料処理器３で生成された水素含有ガスがそのアノード側に供給されると共に、酸化剤がそのカソード側に供給されて、各々の電極触媒上で所定の電気化学反応が進行することにより、所定の電力を出力する。尚、この燃料電池４としては、固体高分子型燃料電池の他に、例えば、リン酸型燃料電池を用いることも可能である。このリン酸型燃料電池は、発電運転の際の動作温度がその他の燃料電池の場合と比較して低温であるため、固体高分子型燃料電池と共に、燃料電池システム１００を構成する燃料電池４として好適に用いられる。
【００５６】
更に、図１に示すように、この燃料電池システム１００は、燃料電池システム１００を構成する各構成要素の動作を適宜制御する制御器１１を備えている。そして、この制御器１１は、図１では特に図示しないが、中央演算処理装置や記憶部等の構成要素を備えている。又、この制御器１１は、図１に示すように、計時部１１ａを備えている。ここで、この計時部１１ａは、燃料電池システム１００や水供給器２等の構成要素の運転時間や、予め記憶部に記憶されている処理命令が実行された場合の経過時間等を必要に応じて計測する。更に、この制御器１１は、圧力検知器９及び温度検知器１０に代表される検知器の出力信号に基づき、燃料電池システム１００やそれを構成する各構成要素の動作を制御することが可能に構成されている。尚、燃料電池システム１００の各構成要素の動作に係るプログラムは、予め制御器１１の記憶部に記憶されている。そして、この記憶部に記憶されているプログラムに基づいて、制御器１１の中央演算処理装置が燃料電池システム１００の動作及びそれを構成する各構成要素の動作を適宜制御する。
【００５７】
尚、図１に示すように、燃料電池システム１００を構成する各構成要素は、所定の接続配管や配線材料等によって相互に接続されている。
【００５８】
次に、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの特徴的な動作及びその基礎となる本発明の原理について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００５９】
先ず、以下に記載する本実施の形態に係る燃料電池システムの特徴的な動作の基礎となる本発明の原理について、模式的に説明する。
【００６０】
本発明は、図１に示す制御器１１が、燃料処理器３に水が供給されるよう水供給器２が制御されているときの圧力検知器９により検知される燃料処理器３の内部の圧力に基づいて、燃料電池システム１００の運転を継続又は停止させることを特徴としている。
【００６１】
具体的に説明すると、本発明では、水供給器２から燃料処理器３に原燃料の供給割合に応じた適切な供給割合以上で水が供給されている場合には燃料電池システム１００の運転を継続させ、それとは反対に、水供給器２から燃料処理器３に原燃料の供給割合に応じた適切な供給割合以上で水が供給されてはいない場合には、燃料電池システム１００の運転を強制的に停止させる。そして、本発明では、水供給器２から燃料処理器３に原燃料の供給割合に応じた適切な供給割合以上で水が供給されているか否かを、水の供給量を検出器により検出するのではなく、燃料処理器３の内部の圧力に基づいて判断する。
【００６２】
例えば、制御器１１が燃料処理器３に水が供給されるよう水供給器２を制御しているとき、燃料処理器３に水が全く供給されていない場合には、水蒸気改質反応が全く進行しないため、燃料処理器３の内部の圧力は概ね大気圧と等しい圧力となっている。一方、制御器１１が燃料処理器３に水が供給されるよう水供給器２を制御しているとき、燃料処理器３に水が原燃料の供給割合に応じた適切な供給割合以上で供給され、水蒸気改質反応が好適に進行している場合、即ち、水素含有ガスの生成に係る転化率が所定の転化率閾値以上である場合には、水蒸気改質反応により大量の水素が生成されるため、燃料処理器３の内部の圧力が大幅に上昇している。従って、転化率が所定の転化率閾値以上のときに燃料処理器３の内部の圧力を検知すれば、水供給器２から燃料処理器３に原燃料の供給割合に応じた適切な供給割合以上で水が供給されているか否かを正確に判断することができる。
【００６３】
本実施の形態では、水供給器２から燃料処理器３に原燃料の供給割合に応じた適切な供給割合以上で水が供給されているか否かを判断する場合、水素含有ガスの生成に係る転化率が所定の転化率閾値以上となっているか否かを、温度検知器１０により検知される所定の改質触媒等の温度が所定の温度閾値以上となっているか否かにより見極める。そして、温度検知器１０により検知される所定の改質触媒等の温度が所定の温度閾値以上となっている場合、水素含有ガスの生成に係る転化率が所定の転化率閾値以上となっているとみなし、圧力検知器９により燃料処理器３の内部の圧力を検知する。そして、圧力検知器９により検知される圧力が所定の圧力閾値以上である場合には、燃料処理器３に水が原燃料の供給割合に応じた適切な供給割合以上で供給されていると判断する。しかし、圧力検知器９により検知される圧力が所定の圧力閾値以上ではない場合には、燃料処理器３に水が原燃料の供給割合に応じた適切な供給割合以上で供給されてはいないと判断する。
【００６４】
燃料処理器３の内部の圧力を検知するタイミングを決定付ける所定の温度閾値は、以下の概念において適切に設定される。
【００６５】
図２（ａ）は、温度検知器が検知する温度と燃料処理器における転化率及び気体の体積との関係を模式的に示す相関図である。尚、図２（ａ）において、曲線ａは転化率の変化を模式的に示している。又、曲線ｂは、気体の体積の変化を模式的に示している。又、図２（ａ）では、水供給器から燃料処理器に正常な供給量で水が供給されている場合における相互関係を模式的に示している。
【００６６】
又、図２（ｂ）は、温度検知器が検知する温度と燃料処理器における改質触媒上への炭素の析出量との関係を模式的に示す相関図である。尚、図２（ｂ）において、曲線ｃは水供給器から燃料処理器に水が供給されてはいない場合における炭素の析出量の変化を模式的に示している。又、便宜上、図２（ｂ）では、図２（ａ）に示す転化率の変化についても記載している。
【００６７】
図２（ａ）に示すように、燃料処理器に原燃料及び水が各々正常な供給量で供給されている場合、温度検知器により検知される所定の改質触媒等の温度が上昇するにつれて、水素含有ガスの生成に係る転化率は上昇する。例えば、図２（ａ）に示すように、温度検知器により検知される温度がＴ１である場合、水素含有ガスの生成に係る転化率は０％である。しかし、温度検知器により検知される温度がＴ２（Ｔ２＞Ｔ１）である場合には、水素含有ガスの生成に係る転化率は１００％となる。そして、温度検知器により検知される温度が上昇するにつれて、転化率が上昇して水素が大量に生成されるようになるので、燃料処理器における気体の体積も上昇する。例えば、図２（ａ）に示すように、温度検知器により検知される温度がＴ１である場合には、転化率が０％であるので、燃料処理器の内部には原燃料及び水（水蒸気）のみが存在して、その燃料処理器における気体の体積はＶ１となる。しかし、温度検知器により検知される温度がＴ２である場合には、転化率が１００％となり、従って、燃料処理器の内部には水蒸気改質反応により大量に生成された水素と副生成物としての二酸化炭素とが存在するようになるので、その燃料処理器における気体の体積はＶ２（Ｖ２＞Ｖ１）となる。
【００６８】
化学式を用いて説明すると、原燃料としての天然ガスと水とが燃料処理器に各々正常な供給量で供給され、かつ転化率が１００％である場合の水素生成反応は、化学式（１）のように示される。
【００６９】
Ｃ1.2Ｈ4.4＋２．４Ｈ2Ｏ→１．２ＣＯ2＋４．６Ｈ2  ・・・（１）
即ち、原燃料としての天然ガスと水とが燃料処理器に各々正常な供給量で供給され、かつ転化率が１００％である場合には、燃料処理器に１ＮＬＭの供給量で天然ガスが供給されると、水蒸気改質反応により、水素と二酸化炭素とが混合した水素含有ガスが５．８ＮＬＭの生成量で生成される。しかし、原燃料としての天然ガスと水とが燃料処理器に各々正常な供給量で供給されていても、転化率が０％である場合には、水蒸気改質反応は全く進行しない。従って、燃料処理器の内部には、化学式（１）の左辺に示すように、天然ガスと水とが混合した混合気体が３．４ＮＬＭの残存量で残存する。つまり、燃料処理器における気体の体積は、燃料処理器に１ＮＬＭの供給量で天然ガスが供給される場合、転化率が０％のときの３．４ＮＬＭを最小として、転化率が上昇するにつれて水素含有ガスの体積が増大して、転化率が１００％のときの５．８ＮＬＭが最大となる。
【００７０】
このように、原燃料と水とが燃料処理器に各々正常な供給量で供給される場合、燃料処理器における転化率が上昇するにつれて、燃料処理器において生成される水素含有ガスの体積が増大する。つまり、温度検知器により検知される燃料処理器における所定の改質触媒等の温度が上昇するにつれて、燃料処理器において生成される水素含有ガスの体積が増大する。そして、燃料処理器において生成される水素含有ガスの体積が増大すると、それに応じて、圧力検知器が検知する燃料処理器の内部の圧力が上昇する。そのため、水供給器から燃料処理器に原燃料の供給割合に応じた適切な供給割合以上で水が供給されているか否かの判断を圧力検知器が検知する燃料処理器の内部の圧力に基づいて正確に行うためには、所定の温度閾値が図２（ａ）に示す温度Ｔ２又はそれに近い温度であることが望ましい。
【００７１】
しかしながら、図２（ｂ）に示すように、水供給器から燃料処理器に水が供給されてはいない場合、原燃料としての天然ガスのみを燃料処理器に供給しながらその燃料処理器の温度を上昇させると、温度検知器により検知される所定の改質触媒等の温度がＴ３を超える温度領域では、燃料処理器における所定の改質触媒の表面に炭素が析出する。この炭素の析出は、燃料処理器が有する所定の改質触媒の性能を著しく劣化させる。そのため、図２（ｂ）に示すように、転化率が１００％となる温度であるＴ２は、燃料処理器が有する所定の改質触媒を保護する観点から、所定の温度閾値としては適切ではない。
【００７２】
そこで、本実施の形態では、燃料処理器の内部の圧力を検知するタイミングを決定付ける所定の温度閾値としては、水素含有ガスの生成に係る転化率と所定の改質触媒上への炭素の析出量との双方を考慮して、図２（ｂ）に示す温度Ｔ３を採用する。この図２（ｂ）に示す温度Ｔ３は、転化率が十分に高くなりかつ所定の改質触媒上に炭素が析出しない温度であるので、所定の温度閾値として好適である。
【００７３】
次に、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの特徴的な動作について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００７４】
図３は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの起動時における特徴的な動作を模式的に示すタイミングチャートである。
【００７５】
又、図５は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの起動時における特徴的な動作を模式的に示すフローチャートである。
【００７６】
燃料電池システム１００を起動する場合、制御器１１は、燃焼用燃料調節器６が燃焼用燃料を燃焼器５に供給すると共に、ブロア７が燃焼用燃料を燃焼させるために必要となる空気を燃焼器５に供給するよう制御する。又、制御器１１は、燃焼器５が燃焼用燃料の燃焼を開始するよう制御する。これにより、燃料電池システム１００において、燃料処理器３の昇温動作が行われる。
【００７７】
燃料処理器３における例えば所定の酸化触媒の温度が１００℃程度にまで上昇した時点で、制御器１１は、原燃料供給器１が燃料処理器３に原燃料としての天然ガスの供給を開始するよう制御する（図３の時刻ｔ１、及び、図５のステップＳ１）。ここで、この１００℃という温度は、所定の酸化触媒としてＰｔ系遷移金属触媒が用いられる場合に、燃料処理器３から排出される水素含有ガス中の一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ以下にまで低下することが可能な温度である。
【００７８】
そして、制御器１１は、燃料処理器３における水の供給を受けてその水を蒸発させる蒸発部の温度Ｔｖが１００℃に到達したと判定すると（図５のステップＳ２でＹＥＳ）、圧力検知器９により燃料処理器３の内部の圧力値Ｐ０を検知して、その検知した圧力値Ｐ０を制御器１１の記憶部に記憶する（図３の時刻ｔ２、及び、図５のステップＳ３）。尚、制御器１１は、蒸発部の温度Ｔｖが１００℃に到達してはいないと判定すると（図５のステップＳ２でＮＯ）、蒸発部の温度Ｔｖの監視を継続する。
【００７９】
その後、制御器１１は、燃料処理器３の内部の圧力値Ｐ０を記憶すると、水供給器２から燃料処理器３に向けて所定の供給量で水の供給が開始されるよう制御する（図３の時刻ｔ３、及び、図５のステップＳ４）。
【００８０】
次いで、制御器１１は、水供給器２から燃料処理器３に向けて水の供給を開始してからの経過時間が２分間に到達して（図５のステップＳ５でＹＥＳ）、更に温度検知器１０により検知される燃料処理器３が備える所定の改質触媒の温度Ｔｒが５００℃に到達したと判定すると（図５のステップＳ６でＹＥＳ）、圧力検知器９により燃料処理器３の内部の圧力値Ｐ１を検知して、その検知した圧力値Ｐ１を制御器１１の記憶部に記憶する（図３の時刻ｔ５、及び、図５のステップＳ７）。尚、制御器１１は、水供給器２から燃料処理器３に水の供給を開始してからの経過時間が２分間に到達してはいないと判定すると（図５のステップＳ５でＮＯ）、水供給器２から燃料処理器３に水の供給を開始してからの経過時間の監視を継続する。又、制御器１１は、温度検知器１０により検知される燃料処理器３が備える所定の改質触媒の温度Ｔｒが５００℃に到達してはいないと判定すると（図５のステップＳ６でＮＯ）、燃料処理器３が備える所定の改質触媒の温度Ｔｒを継続して監視する。
【００８１】
次いで、制御器１１は、数式（１）に示す圧力値Ｐ０と圧力値Ｐ１との差圧である差圧値ΔＰを計算して、その差圧値ΔＰと予め実験的に求められ記憶部に記憶されている所定の差圧閾値Ｐｓｔｄとの比較を行う。そして、制御器１１は、差圧値ΔＰが所定の差圧閾値Ｐｓｔｄ以上であると判定すると（図５のステップＳ８でＹＥＳ）、燃料電池システム１００の運転を継続させる（図５のステップＳ９ａ）。しかし、制御器１１は、差圧値ΔＰが所定の差圧閾値Ｐｓｔｄ未満であると判定すると（図５のステップＳ８でＮＯ）、燃料電池システム１００の運転を強制的に停止させる（図５のステップＳ９ｂ）。
【００８２】
ΔＰ＝Ｐ１−Ｐ０  ・・・（１）
図５のステップＳ５において、水供給器２から燃料処理器３に水の供給を開始から２分間以上経過したか否かを判断する理由は、以下の通りである。即ち、燃料電池システム１００においては、水供給器２から燃料処理器３への水の供給開始直後はその水の供給量が安定せず、従って、蒸発部における水蒸気の発生量も安定しない。そのため、水供給器２から燃料処理器３に水が正常な供給量で供給されていても、圧力検知器９が検知する燃料処理器３の内部の圧力は、水が正常な供給量で供給されていない場合と同じ圧力を示す場合がある。そこで、本実施の形態では、水供給器２から燃料処理器３に正常な供給量で水が供給されているか否かを正確に判断するために、燃料処理器３への水の供給を開始してから２分間以上経過した後に、燃料処理器３の内部の圧力を検知する。
【００８３】
又、本実施の形態では、温度検知器１０により検知される所定の改質触媒の温度Ｔｒが所定の温度閾値としての５００℃に到達したと判定されると、圧力検知器９により燃料処理器３の内部の圧力が検知される。ここで、所定の温度閾値は、図２（ａ）及び（ｂ）を用いて既に説明した概念に基づいて適切に設定される。
【００８４】
又、図５のステップＳ８において用いられる所定の差圧閾値Ｐｓｔｄは、例えば、以下のように設定することができる。即ち、燃料電池システム１００を起動して、温度検知器１０により検知される所定の改質触媒の温度が５００℃に到達した際、圧力検知器９により検知される燃料処理器３の内部の圧力値をＰａとする。一方、燃料電池システム１００を起動して、水供給器２から燃料処理器３への水の供給を行わない状況下で温度検知器１０により検知される所定の改質触媒の温度が５００℃に到達した際、圧力検知器９により検知される燃料処理器３の内部の圧力値をＰｂとする。そして、数式（２）に基づき、これらの圧力値Ｐａ及び圧力値Ｐｂを用いて所定の差圧閾値Ｐｓｔｄを設定する。
【００８５】
Ｐｓｔｄ＝（Ｐａ＋Ｐｂ）÷２  ・・・（２）
図３に示す時刻ｔ６以降、制御器１１は、圧力検知器９により燃料処理器３の内部の圧力が所定の周期で検知されかつ記憶されるよう制御する。例えば、図３の時刻ｔ６〜時刻ｔ１０に示すように、制御器１１は、燃料処理器３の内部の圧力を所定の周期で検知してこれを圧力値Ｐ２〜圧力値Ｐ６として記憶する。そして、制御器１１は、所定の周期で図５のステップＳ８に示す判定を行い、差圧値ΔＰが所定の差圧閾値Ｐｓｔｄ以上である場合には燃料電池システム１００の運転を継続させ、差圧値ΔＰが所定の差圧閾値Ｐｓｔｄ未満である場合には燃料電池システム１００の運転を停止させる。
【００８６】
尚、燃料電池４の発電運転を開始した後は、燃料電池システム１００の出力電力の増減に応じて、燃料電池４への水素含有ガスの供給量、つまりは、燃料処理器３への原燃料及び水の供給量を増減させる必要がある。そこで、燃料電池４の発電運転の開始後は、燃料処理器３への原燃料の供給量に応じて、所定の差圧閾値を適宜変更させる。例えば、燃料処理器３に天然ガスがαＮＬＭの供給量で供給されて燃料電池４が発電運転している際の圧力検知器９により検知される燃料処理器３の内部の圧力値Ｐｃ（α）を予め実験的に計測しておくことにより、所定の差圧閾値Ｐｓｔｄ（α）は数式（３）で求められる。かかる所定の差圧閾値Ｐｓｔｄを予め制御器１１の記憶部に複数記憶させておくことにより、燃料処理器３への原燃料の供給量に応じて、所定の差圧閾値を適宜変更させることが可能になる。
【００８７】
Ｐｓｔｄ（α）＝（Ｐｃ（α）＋Ｐｂ）÷２  ・・・（３）
以上、本実施の形態によれば、圧力検知器９により検知される燃料処理器３の内部の圧力に基づき、その圧力が予め定められた所定の閾値未満である場合には制御器１１が燃料電池システム１００の運転を停止させるので、水の供給量を精度良く検出するための高価な検出器を用いることなく、燃料電池システム１００のコストを低く抑えながら、燃料処理器３の性能を長期間に渡り確実に確保することができる、長期信頼性に優れた燃料電池システム１００を安価に提供することが可能になる。
【００８８】
又、本実施の形態によれば、原燃料から水素含有ガスが生成する割合としての転化率が所定の閾値以上であるとき、燃料処理器３の内部の圧力に基づき、燃料電池システム１００の運転を停止させるか否かを判断する。これにより、燃料処理器３への水の供給が好適である場合の圧力と好適ではない場合の圧力との圧力差が拡大して検知されるので、誤判断等による燃料電池システム１００の不要な停止を確実に回避することが可能になる。
【００８９】
又、本実施の形態によれば、燃料処理器３への水の供給を開始してから一定時間経過後から、圧力検知器９による燃料処理器３の内部の圧力の検知が開始されるので、水蒸気の発生量の不足に起因する誤判断等を確実に回避することができる。これにより、燃料電池システム１００の不要な停止を確実に回避することが可能になる。
【００９０】
更に、本実施の形態によれば、燃料処理器３へ水を供給する前後の圧力差に基づき、燃料電池システム１００の運転を停止させるか否かを判断する。これにより、圧力検知器９の特性に経時変化が生じた場合であっても、燃料処理器３への水の供給状態を正確に認識することができるので、誤判断等による燃料電池システム１００の不要な停止を確実に回避することが可能になる。
【００９１】
ところで、本実施の形態では、圧力検知器９により検知される燃料処理器３の内部の圧力が比較的大きな圧力になるよう、温度検知器１０により検知される所定の改質触媒の温度が５００℃に到達した時点で、圧力値Ｐ１を検知してこれを制御器１１の記憶部に記憶する形態を示している。しかし、燃料電池システム１００において、水素含有ガスの流路における圧力損失が大きい場合は、温度検知器１０により検知される所定の改質触媒の温度が５００℃に到達してはいない場合であっても、燃料処理器３への水の供給開始前後における差圧ΔＰは比較的大きな差圧になる。そのため、水素含有ガスの流路における圧力損失が大きい燃料電池システム１００では、燃料処理器３における転化率が比較的低い場合であっても、水供給器２から燃料処理器３に原燃料の供給割合に応じた適切な供給割合以上で水が供給されているか否かの判断を正確に行うことができる。例えば、温度検知器１０により検知される所定の改質触媒の温度が４００℃に到達した時点で、圧力検知器９により圧力値Ｐ１の検知を開始してもよい。
【００９２】
〔変形例〕
図４は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの変形例の起動時における特徴的な動作を模式的に示すタイミングチャートである。
【００９３】
図４に示すように、制御器１１は、燃料処理器３における蒸発部の温度Ｔｖが１００℃に到達したと判定すると、圧力検知器９により燃料処理器３の内部の圧力値Ｐ０を検知して、その検知した圧力値Ｐ０を制御器１１の記憶部に記憶する（図４の時刻ｔ２）。
【００９４】
その後、制御器１１は、水供給器２から燃料処理器３に向けて所定の供給量で水の供給が開始されるよう制御する（図４の時刻ｔ３）。
【００９５】
そして、制御器１１は、温度検知器１０により検知される所定の改質触媒の温度Ｔｒが４００℃に到達したと判定して、その後、水供給器２から燃料処理器３に水の供給を開始してからの経過時間が２分間に到達したと判定すると、温度Ｔｒが５００℃未満であっても、圧力検知器９により燃料処理器３の内部の圧力値Ｐ１を検知する。そして、その検知した圧力値Ｐ１を、制御器１１の記憶部に記憶する（図４の時刻ｔ４）。
【００９６】
このように、本実施の形態における図３に示すタイミングチャートと、図４に示すタイミングチャートとの相違点は、温度検知器１０により検知される所定の改質触媒の温度が５００℃に到達していない場合であっても、燃料処理器３への水の供給を開始してから２分以上経過した時点で、圧力検知器９による燃料処理器３の内部の圧力値Ｐ１の検知を開始する点である。尚、その他の点については、図３に示す燃料電池システム１００の動作と図４に示す燃料電池システム１００の動作とは同様である。
【００９７】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムのハードウェア上の構成は、実施の形態１で示した燃料電池システム１００のハードウェア上の構成と基本的に同様である。従って、本実施の形態では、実施の形態１で示した燃料電池システム１００のハードウェア上の構成と同様の構成に関する詳細な説明は省略する。
【００９８】
図６は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【００９９】
図６に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム２００は、図１に示す温度検知器１０に代えて、濃度検知器１２を備えている。この濃度検知器１２は、燃料処理器３で生成された水素含有ガス中の水素濃度、又は、二酸化炭素濃度を検知する。そして、この濃度検知器１２は、所定のガスセンサを備えており、この所定のガスセンサが燃料処理器３の内部における所定の位置に配設されて、燃料処理器３の内部における水素濃度又は二酸化炭素濃度を検知する。尚、その他の点については、図１に示す燃料電池システム１００の構成と図６に示す燃料電池システム２００の構成とは同様である。
【０１００】
次に、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの特徴的な動作について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【０１０１】
図７は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの起動時における特徴的な動作を模式的に示すタイミングチャートである。
【０１０２】
又、図９は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの起動時における特徴的な動作を模式的に示すフローチャートである。
【０１０３】
実施の形態１の場合と同様、燃料電池システム２００を起動する場合、制御器１１は、燃焼用燃料調節器６が燃焼用燃料を燃焼器５に供給すると共に、ブロア７が燃焼用燃料を燃焼させるために必要となる空気を燃焼器５に供給するよう制御する。そして、制御器１１は、燃焼器５が燃焼用燃料の燃焼を開始するよう制御する。これにより、燃料電池システム２００において、燃料処理器３の昇温動作が行われる。
【０１０４】
燃料処理器３における例えば所定の酸化触媒の温度が１００℃程度にまで上昇した時点で、制御器１１は、原燃料供給器１が燃料処理器３に原燃料としての天然ガスの供給を開始するよう制御する（図７の時刻ｔ１、及び、図９のステップＳ１）。
【０１０５】
次いで、制御器１１は、燃料処理器３における蒸発部の温度Ｔｖが１００℃に到達したと判定すると（図９のステップＳ２でＹＥＳ）、圧力検知器９により燃料処理器３の内部の圧力値Ｐ０を検知して、その検知した圧力値Ｐ０を制御器１１の記憶部に記憶する（図７の時刻ｔ２、及び、図９のステップＳ３）。
【０１０６】
次いで、制御器１１は、燃料処理器３の内部の圧力値Ｐ０を記憶すると、水供給器２から燃料処理器３に向けて所定の供給量で水の供給が開始されるよう制御する（図７の時刻ｔ３、及び、図９のステップＳ４）。
【０１０７】
次いで、制御器１１は、水供給器２から燃料処理器３に向けて水の供給を開始してからの経過時間が２分間に到達して（図９のステップＳ５でＹＥＳ）、更に、濃度検知器１２により検知される燃料処理器３における水素濃度Ｃｈが所定の濃度閾値Ｃａに到達したと判定すると（図９のステップＳ６でＹＥＳ）、圧力検知器９により燃料処理器３の内部の圧力値Ｐ１を検知して、その検知した圧力値Ｐ１を制御器１１の記憶部に記憶する（図７の時刻ｔ５、及び、図９のステップＳ７）。尚、制御器１１は、濃度検知器１２により検知される燃料処理器３における水素濃度Ｃｈが所定の濃度閾値Ｃａに到達してはいないと判定すると（図９のステップＳ６でＮＯ）、燃料処理器３における水素濃度Ｃｈを継続して監視する。
【０１０８】
そして、制御器１１は、数式（１）に示す圧力値Ｐ０と圧力値Ｐ１との差圧である差圧値ΔＰを計算して、その差圧値ΔＰと所定の差圧閾値Ｐｓｔｄとの比較を行う。制御器１１は、差圧値ΔＰが所定の差圧閾値Ｐｓｔｄ以上であると判定すると（図９のステップＳ８でＹＥＳ）、燃料電池システム１００の運転を継続させる（図９のステップＳ９ａ）。しかしながら、制御器１１は、差圧値ΔＰが所定の差圧閾値Ｐｓｔｄ未満であると判定すると（図９のステップＳ８でＮＯ）、燃料電池システム１００の運転を強制的に停止させる（図９のステップＳ９ｂ）。
【０１０９】
ΔＰ＝Ｐ１−Ｐ０  ・・・（１）
このように、本実施の形態では、濃度検知器１２により検知される燃料処理器３における水素濃度Ｃｈが所定の濃度閾値以上となっている場合、水素含有ガスの生成に係る転化率が所定の転化率閾値以上となっているとみなし、圧力検知器９により燃料処理器３の内部の圧力を検知する。尚、その他の点については、図１に示す燃料電池システム１００の動作と図６に示す燃料電池システム２００の動作とは同様である。
【０１１０】
ところで、本実施の形態では、濃度検知器１２により検知される燃料処理器３における水素濃度Ｃｈが所定の濃度閾値Ｃａに到達した時点で、圧力値Ｐ１を検知してこれを制御器１１の記憶部に記憶する形態を示している。しかし、水素濃度Ｃｈに代えて、濃度検知器１２により検知される燃料処理器３における二酸化炭素濃度Ｃｄが所定の濃度閾値Ｃｂに到達した時点で、圧力値Ｐ１を検知してこれを制御器１１の記憶部に記憶する形態としてもよい。
【０１１１】
〔変形例〕
図８は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの変形例の起動時における特徴的な動作を模式的に示すタイミングチャートである。
【０１１２】
図８に示すように、制御器１１は、燃料処理器３における蒸発部の温度Ｔｖが１００℃に到達したと判定すると、圧力検知器９により燃料処理器３の内部の圧力値Ｐ０を検知して、その検知した圧力値Ｐ０を制御器１１の記憶部に記憶する（図８の時刻ｔ２）。
【０１１３】
次いで、制御器１１は、水供給器２から燃料処理器３に向けて所定の供給量で水の供給が開始されるよう制御する（図８の時刻ｔ３）。
【０１１４】
次いで、制御器１１は、水供給器２から燃料処理器３に向けて水の供給を開始してからの経過時間が２分間に到達して（図８の時刻ｔ４）、更に、濃度検知器１２により検知される燃料処理器３における二酸化炭素濃度Ｃｄが所定の濃度閾値Ｃｂに到達したと判定すると、圧力検知器９により燃料処理器３の内部の圧力値Ｐ１を検知して、その検知した圧力値Ｐ１を制御器１１の記憶部に記憶する（図８の時刻ｔ５）。尚、制御器１１は、濃度検知器１２により検知される燃料処理器３における二酸化炭素濃度Ｃｄが所定の濃度閾値Ｃｂに到達してはいないと判定すると、燃料処理器３における二酸化炭素濃度Ｃｄを継続して監視する。
【０１１５】
このように、本実施の形態における図７に示すタイミングチャートと、図８に示すタイミングチャートとの相違点は、濃度検知器１２により燃料処理器３における水素濃度を検知することに代えて、濃度検知器１２により燃料処理器３における二酸化炭素濃度を検知する点である。尚、その他の点については、図７に示す燃料電池システム２００の動作と図８に示す燃料電池システム２００の動作とは同様である。
【０１１６】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムのハードウェア上の構成は、実施の形態１で示した燃料電池システム１００のハードウェア上の構成と同様である。従って、本実施の形態では、燃料電池システムの構成に関する詳細な説明は省略する。
【０１１７】
燃料電池システムの構成が適切である場合には、燃料電池システムが起動されてから、又は、燃料処理器に水が供給されるよう制御されてから燃料処理器における転化率が所定の転化率閾値に到達するまでの時間は、概ね一定の時間となる。そこで、本実施の形態では、燃料電池システムが起動されてからの経過時間や、燃料処理器に水が供給されるよう制御されてからの経過時間が所定の時間閾値に到達したとき、所定の改質触媒の温度や水素含有ガス中の水素濃度を検知することなく、燃料処理器における転化率が所定の転化率閾値に到達したとみなして、圧力検知器により燃料処理器の内部の圧力を検知する。そして、圧力検知器により検知される燃料処理器の内部の圧力に基づく差圧値ΔＰが所定の差圧閾値以下である場合に、燃料電池システムの運転を停止させる。かかる構成としても、水供給器から燃料処理器に原燃料の供給割合に応じた適切な供給割合以上で水が供給されているか否かを正確に判断することができる。
【０１１８】
又、燃料電池システムの構成が適切である場合には、圧力検知器により検知される燃料処理器の内部の圧力は再現性良く経時的に変動する。そこで、本実施の形態では、所定の改質触媒の温度が所定の温度閾値に到達した場合や、水素含有ガス中の水素濃度が所定の濃度閾値に到達した場合、差圧値ΔＰを求めることなく、圧力検知器により検知される燃料処理器の内部の圧力値のみに基づき、水供給器から燃料処理器に原燃料の供給割合に応じた適切な供給割合以上で水が供給されているか否かを判断する。そして、圧力検知器により検知される燃料処理器の内部の圧力が所定の圧力閾値以下である場合には、燃料電池システムの運転を停止させる。かかる構成としても、燃料電池システムの運転を継続させるか、又は、その運転を停止させるかの判断を正確に行うことができる。
【０１１９】
尚、以上に説明したように、本発明を実施するための最良の形態では、燃料処理器における蒸発部の温度Ｔｖが１００℃に到達した時点で圧力値Ｐ０を検知して、水供給器２から燃料処理器３への水の供給を開始してから２分以上経過した後、温度検知器１０により検知される所定の改質触媒等の温度Ｔｒが５００℃又は４００℃に到達した時点で圧力値Ｐ１を検知するよう制御しているが、このような形態に限定されることはない。即ち、水供給器２から燃料処理器３に原燃料の供給割合に応じた適切な供給割合以上で水が供給されているか否かを正確に判断することが可能な構成であれば、上述した所定の時間閾値や所定の温度閾値を、燃料電池システムの仕様に応じて任意に設定することが可能である。尚、原燃料として炭化水素系の原燃料を使用する場合、所定の温度閾値は３５０℃〜５００℃の範囲内の温度が適当である。
【０１２０】
又、本発明を実施するための最良の形態では、所定の圧力閾値及び所定の差圧閾値は、水供給器２から燃料処理器３への水の供給量と相関する所定の物理量に応じて設定されている。ここで、本発明では、水供給器２から燃料処理器３への水の供給量と相関する所定の物理量からは、水供給器２から燃料処理器３への水の流量値は除外される。即ち、水供給器２から燃料処理器３への水の供給量と相関する所定の物理量としては、例えば、水供給器２が備えるプランジャーポンプの出力指令値等が挙げられる。
【０１２１】
更に、本発明を実施するための最良の形態では、燃料電池４の発電運転の際、燃料処理器３への原燃料の供給量に応じて所定の差圧閾値（所定の圧力閾値）を適宜変更させることとしているが、このような形態に限定されることはない。例えば、原燃料供給器１から燃料処理器３への原燃料の供給量と相関する、原燃料供給器１が備えるベローズポンプの出力指令値等に代表される所定の物理量に応じて所定の差圧閾値が適宜変更される形態としてもよい。但し、この場合においても、原燃料供給器１から燃料処理器３への原燃料の供給量と相関する所定の物理量からは、水供給器２から燃料処理器３への水の流量値は除外される。かかる構成としても、本発明を実施するための最良の形態において得られる効果と同様の効果を得ることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１２２】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料処理器の性能低下を確実に回避して所定の発電性能を長期間に渡り確実に確保することが可能である、長期信頼性に優れた燃料電池システムとして、産業上の利用可能性を備えている。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【図２】図２（ａ）は、温度検知器が検知する温度と燃料処理器における転化率及び気体の体積との関係を模式的に示す相関図である。又、図２（ｂ）は、温度検知器が検知する温度と燃料処理器における改質触媒上への炭素の析出量との関係を模式的に示す相関図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの起動時における特徴的な動作を模式的に示すタイミングチャートである。
【図４】図４は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの変形例の起動時における特徴的な動作を模式的に示すタイミングチャートである。
【図５】図５は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの起動時における特徴的な動作を模式的に示すフローチャートである。
【図６】図６は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの起動時における特徴的な動作を模式的に示すタイミングチャートである。
【図８】図８は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの変形例の起動時における特徴的な動作を模式的に示すタイミングチャートである。
【図９】図９は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの起動時における特徴的な動作を模式的に示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、従来の燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１２４】
１  原燃料供給器
２  水供給器
３  燃料処理器
４  燃料電池
５  燃焼器
６  燃焼用燃料調節器
７  ブロア
８  ブロア
９  圧力検知器
１０  温度検知器
１１  制御器
１１ａ  計時部
１２  濃度検知器
２０  原燃料調節器
２１  燃料処理器
２２  燃料電池
２３  燃焼器
２４  燃焼用燃料調節器
２５  ブロア
２６  ブロア
１００〜３００  燃料電池システム
【図１】
0005147198.tif 000002
【図２】
0005147198.tif 000003
【図３】
0005147198.tif 000004
【図４】
0005147198.tif 000005
【図５】
0005147198.tif 000006
【図６】
0005147198.tif 000007
【図７】
0005147198.tif 000008
【図８】
0005147198.tif 000009
【図９】
0005147198.tif 000010
【図１０】
0005147198.tif 000011