JP2020031007A

JP2020031007A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2020031007A
Application number: JP2018157044A
Authority: JP
Inventors: 大河村上; Taiga Murakami
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2018-08-24
Filing date: 2018-08-24
Publication date: 2020-02-27
Anticipated expiration: 2038-08-24
Also published as: JP7127427B2

Abstract

【課題】システム停止する際に改質器でのコーキングや燃料電池スタックの浸水、アノードの酸化劣化の促進が生じるのを抑制する。
【解決手段】システム停止する際に、温度検出器により検出される温度が第１閾値以上のときに気化器温度センサにより検出される気化器の温度が第２閾値未満に至ると、原料ガス供給装置からの原料ガスの供給と改質水供給装置からの改質水の供給と酸化剤ガス供給装置からの酸化剤ガスの供給との全てが停止するように原料ガス供給装置と改質水供給装置と酸化剤ガス供給装置とを制御する異常時停止処理を実行する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、この種の燃料電池システムとしては、アノードに供給される水素含有ガスとカソードに供給される酸化剤ガス（空気）とに基づいて発電する燃料電池スタックと、水を気化させて炭化水素ガスと混合する気化器と、気化器からの炭化水素ガスを水素含有ガスに改質してアノードに供給する改質器と、気化器に炭化水素ガスを供給するための燃料ポンプと、気化器に水を供給するための水供給ポンプと、カソードに酸化剤ガスを供給するための空気ポンプと、空気および燃料ガスの供給を受けて燃料電池スタックを加熱する加熱バーナと、燃料電池スタックや気化器、改質器、ガスバーナを収容する断熱容器と、を備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムでは、システム停止する際には、燃料電池スタックに酸化剤ガスの供給を行なうと共に加熱バーナに空気のみを供給しつつ、燃料電池スタックに供給する炭化水素ガスの供給量を低減させる。そして、改質器の温度が２００℃〜５５０℃に降温すると、炭化水素ガスの供給を停止し、水蒸気の供給を継続しながら気化器の温度が１００℃に達すると、気化器に一定量の水を供給してから水の供給を停止する。

特開２０１０−８０１９２号公報

上述の燃料電池システムでは、システム停止する際に、断熱容器内の温度が不均一なときなどに、気化器の温度が燃料電池スタックや改質器の温度に比して急低下する場合がある。この場合、気化器で水蒸気が生成されにくくなり、改質器でコーキング（燃料の炭化現象）が生じたり燃料電池スタックが浸水したりする懸念がある。しかも、上述の燃料電池システムのように、気化器に一定量の水を供給してから水の供給を停止すると、気化器での吸熱反応の進行により、水蒸気の生成がより阻害され、改質器でのコーキングや燃料電池スタックの浸水が生じやすくなる。改質器でのコーキングや燃料電池スタックの浸水を抑制するために、気化器の温度が急低下したときに炭化水素ガスの供給を停止することも考えられるが、燃料電池スタックの温度が高いと、アノードが高温下で酸素雰囲気に晒され、アノードの酸化劣化が促進される懸念がある。

本発明の燃料電池システムは、システム停止する際に改質器でのコーキングや燃料電池スタックの浸水、アノードの酸化劣化の促進が生じるのを抑制することを主目的とする。

本発明の燃料電池システムは、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の燃料電池システムは、
アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化剤ガスとに基づいて発電する燃料電池と、
改質水を蒸発させて水蒸気を生成する気化器と、
前記水蒸気および原料ガスの混合ガスを前記燃料ガスに改質して前記アノードに供給する改質器と、
前記燃料電池を通過したオフガスを燃焼させて前記気化器と前記改質器とを加熱する燃焼部と、
前記改質器に前記原料ガスを供給する原料ガス供給装置と、
前記気化器に前記改質水を供給する改質水供給装置と、
前記カソードに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池と前記気化器と前記改質器と前記燃焼部とを有する燃料電池モジュール内に設けられ、前記気化器の温度を検出する気化器温度センサと、
前記燃料電池モジュール内の前記気化器温度センサとは異なる位置に設けられた温度検出器と、
システム停止する際には、前記温度検出器により検出される温度が第１閾値未満に至ると、前記原料ガス供給装置からの前記原料ガスの供給が停止するように前記原料ガス供給装置を制御すると共にまたは制御してから前記改質水供給装置からの前記改質水の供給が停止するように前記改質水供給装置を制御し、その後に、前記酸化剤ガス供給装置からの前記酸化剤ガスの供給が停止するように前記酸化剤ガス供給装置を制御する通常時停止処理を実行する制御装置と、
を備える燃料電池ステムであって、
前記制御装置は、前記システム停止する際に、前記温度検出器により検出される温度が前記第１閾値以上のときに前記気化器温度センサにより検出される前記気化器の温度が第２閾値未満に至ると、前記原料ガス供給装置からの前記原料ガスの供給と前記改質水供給装置からの前記改質水の供給と前記酸化剤ガス供給装置からの前記酸化剤ガスの供給との全てが停止するように前記原料ガス供給装置と前記改質水供給装置と前記酸化剤ガス供給装置とを制御する異常時停止処理を実行する、
ことを要旨とする。

この本発明の燃料電池システムでは、システム停止する際には、温度検出器により検出される温度が第１閾値未満に至ると、原料ガス供給装置からの原料ガスの供給が停止するように原料ガス供給装置を制御すると共にまたは制御してから改質水供給装置からの改質水の供給が停止するように改質水供給装置を制御し、その後に、酸化剤ガス供給装置からの酸化剤ガスの供給が停止するように酸化剤ガス供給装置を制御する通常時停止処理を実行する。そして、システム停止する際に、温度検出器により検出される温度が第１閾値以上で気化器温度センサにより検出される気化器の温度が第２閾値未満に至ると、原料ガス供給装置からの原料ガスの供給と改質水供給装置からの改質水の供給と酸化剤ガス供給装置からの酸化剤ガスの供給との全てが停止するように原料ガス供給装置と改質水供給装置と酸化剤ガス供給装置とを制御する異常時停止処理を実行する。これにより、改質器でのコーキングや燃料電池スタックの浸水を抑制することができると共に、アノードが高温下で酸素雰囲気に晒されるのを抑制してアノードの酸化劣化の促進を抑制することができる。

こうした本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記異常時停止処理によりシステム停止したときには、ユーザによる次回のシステム起動の指示の禁止、システム異常の旨の記憶処理、システム異常の旨の報知、サービスセンタへの連絡のうちの少なくとも１つを行なうものとしてもよい。こうすれば、二次故障の防止や安全性の向上、サービスセンタの作業者によるメンテナンスの作業性の向上を図ることができる。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記温度検出器は、前記燃料電池の温度を検出する電池温度センサ、前記改質器の温度を検出する改質器温度センサ、前記燃焼部の温度を検出する燃焼部温度センサのうちの少なくとも１つを有するものとしてもよい。ここで、前記温度検出器が前記電池温度センサおよび前記改質器温度センサを有する場合、前記制御装置は、前記電池温度センサにより検出される前記燃料電池の温度および前記改質器温度センサにより検出される前記改質器の温度がそれぞれの閾値未満に至ったときに、前記温度検出器により検出される温度が前記第１閾値未満に至ったと判定するものとしてもよい。また、前記温度検出器が前記電池温度センサおよび前記燃焼部温度センサを有する場合、前記制御装置は、前記電池温度センサにより検出される前記燃料電池の温度および前記燃焼部温度センサにより検出される前記燃焼部の温度がそれぞれの閾値未満に至ったときに、前記温度検出器により検出される温度が前記第１閾値未満に至ったと判定するものとしてもよい。

本実施形態の燃料電池システム１０の構成の概略を示す構成図である。制御装置８０のＣＰＵ８１により実行される停止制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。システム停止する際の燃焼部温度Ｔｃとスタック温度Ｔｓと気化器温度Ｔｖとの時間変化の様子の一例を示す説明図である。変形例の停止制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。

次に、本発明を実施するための形態について説明する。

図１は、本実施形態の燃料電池システム１０の構成の概略を示す構成図である。本実施形態の燃料電池システム１０は、図１に示すように、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガス（エア）との供給を受けて発電する燃料電池スタック３６を有する発電ユニット２０と、発電ユニット２０の発電に伴って発生する熱を回収して給湯する貯湯タンク１０１を有する給湯ユニット１００と、システム全体を制御する制御装置８０と、を備える。

発電ユニット２０は、気化器３２、改質器３３、燃料電池スタック３６を含む燃料電池モジュール３０と、気化器３２に原料ガス（例えば天然ガスやＬＰガス）を供給する原料ガス供給装置４０と、燃料電池スタック３６にエアを供給するエア供給装置５０と、気化器３２に改質水を供給する改質水供給装置５５と、燃料電池モジュール３０で発生した排熱を回収する排熱回収装置６０と、を備える。これらは、筐体２２に収容されている。なお、筐体２２には、吸気口２２ａと排気口２２ｂとが設けられ、吸気口２２ａ付近には、外気を取り込んで筐体２２の内部を換気するための換気ファン２４が設けられている。

気化器３２は、改質水供給装置５５からの改質水を蒸発させて水蒸気を生成すると共に原料ガス供給装置４０からの原料ガスを予熱する。改質器３３は、セラミックなどの担体に改質触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が担持されて構成され、気化器３２から供給された原料ガスと水蒸気との混合ガスを水蒸気改質反応によって燃料ガス（改質ガス）に改質する。改質器３３の入口付近には、気化器３２の温度（気化器温度Ｔｖ）を検出するための温度センサ９１が設けられている。

気化器３２、改質器３３、燃料電池スタック３６は、断熱性材料により形成された箱型のモジュールケース３１内に収容されている。モジュールケース３１内には、燃料電池スタック３６の起動や、気化器３２における水蒸気の生成、改質器３３における水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼部３４が設けられている。燃焼部３４には燃料電池スタック３６を通過した燃料オフガス（アノードオフガス）と酸化剤オフガス（カソードオフガス）とが供給され、これらの混合ガスを点火ヒータ３５により点火して燃焼させることにより、燃料電池スタック３６や気化器３２、改質器３３を加熱する。燃焼部３４には、燃焼部３４の温度を検出するための温度センサ９２が設けられている。燃料オフガスおよび酸化剤オフガスの燃焼により生成される燃焼排ガスは、燃焼触媒３７を介して熱交換器６２へ供給される。燃焼触媒３７は、燃焼部３４で燃え残った燃料ガスを触媒によって再燃焼させる酸化触媒である。

排熱回収装置６０は、燃料電池モジュール３０から燃焼排ガスが供給される熱交換器６２と貯湯水を貯蔵する貯湯タンク１０１とを接続して貯湯水の循環路を形成する循環配管６１を有する。循環配管６１には、循環ポンプ６３が設けられており、循環ポンプ６３を駆動することにより、熱交換器６２における貯湯水と燃焼排ガスとの熱交換により貯湯水を加温すると共に加温した貯湯水を貯湯タンク１０１へ貯湯する。熱交換器６２は、凝縮水供給管６６を介して改質水タンク５７に接続されると共に排気ガス排出管６７を介して外気と接続されている。熱交換器６２に供給された燃焼排ガスは、貯湯水との熱交換により水蒸気成分が凝縮され、凝縮された水（凝縮水）が図示しない水精製器によって浄化されて改質水タンク５７に回収される。また、残りの排気ガス（ガス成分）は、排気ガス排出管６７を介して外気へ排出される。

原料ガス供給装置４０は、ガス供給源１と気化器３２とを接続する原料ガス供給管４１を有する。原料ガス供給管４１には、ガス供給源１側から順に、原料ガス供給弁（電磁弁）４２，４３、オリフィス４４、原料ガスポンプ４５、脱硫器４６が設けられており、原料ガス供給弁４２，４３を開弁した状態で原料ガスポンプ４５を駆動することにより、ガス供給源１からの原料ガスを脱硫器４６を通過させて気化器３２へ供給する。気化器３２へ供給された原料ガスは、気化器３２を経由して改質器３３へ供給され、燃料ガスへと改質される。原料ガス供給弁４２，４３は、直列に接続された２連弁である。脱硫器４６は、原料ガスに含まれる硫黄分を除去するものであり、例えば、硫黄化合物をゼオライトなどの吸着剤に吸着させて除去する常温脱硫方式などを採用することができる。なお、脱硫方式は、常温脱硫方式に限られず、種々の方式を採用し得る。また、原料ガス供給管４１の原料ガス供給弁４３とオリフィス４４との間には、原料ガス供給管４１内の原料ガスの圧力を検出する圧力センサ４７が設けられ、オリフィス４４と原料ガスポンプ４５との間には、原料ガス供給管４１を流れる原料ガスの単位時間当たりの流量（ガス流量Ｆｇ）を検出する流量センサ４８が設けられている。

エア供給装置５０は、外気と連通するフィルタ５２と燃料電池スタック３６とを接続するエア供給管５１を有する。エア供給管５１には、エアブロワ５３が設けられており、エアブロワ５３を駆動することにより、フィルタ５２を介して吸入したエアを燃料電池スタック３６へ供給する。また、エア供給管５１には、エアブロワ５３の下流側に、エア供給管５１を流れるエアの単位時間当たりの流量（エア流量Ｆａ）を検出する流量センサ５４が設けられている。

改質水供給装置５５は、改質水を貯蔵する改質水タンク５７と気化器３２とを接続する改質水供給管５６を有する。改質水供給管５６には、改質水ポンプ５８が設けられており、改質水ポンプ５８を駆動することにより、改質水タンク５７の改質水を気化器３２へ供給する。気化器３２へ供給された改質水は、気化器３２で水蒸気とされ、改質器３３における水蒸気改質反応に利用される。また、改質水タンク５７には、貯蔵される改質水を精製するための図示しない水精製器が設けられている。

燃料電池スタック３６は、酸素イオン伝導体からなる固体電解質と、固体電解質の一方の面に設けられたアノードと、固体電解質の他方の面に設けられたカソードとを備える固体酸化物燃料電池セルが積層されたものである。燃料電池スタック３６は、アノードに供給される燃料ガス中の水素とカソードに供給されるエア中の酸素とによる電気化学反応によって発電する。燃料電池スタック３６の近傍または内部には、燃料電池スタック３６の温度（スタック温度Ｔｓ）を検出する温度センサ９３が設けられている。燃料電池スタック３６の出力端子にはパワーコンディショナ７０を介して商用電源２から負荷４への電力ライン３が接続されている。

パワーコンディショナ７０は、燃料電池スタック３６から出力された直流電圧を所定電圧（例えば、ＤＣ２５０Ｖ〜３００Ｖ）まで昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータや、昇圧された直流電圧を商用電力系統２と連系可能な交流電圧（例えば、ＡＣ２００Ｖ）に変換するインバータを有する。パワーコンディショナ７０から分岐した電力ラインには電源基板７８が接続されている。電源基板７８は、燃料電池スタック３６から出力された直流電圧や商用電力系統２からの交流電圧を補機類の作動に適した直流電圧に変換して補機類に供給するものである。実施形態では、補機類としては、原料ガス供給弁４２，４３や原料ガスポンプ４５、エアブロワ５３、改質水ポンプ５８、循環ポンプ６３などがある。

制御装置８０は、ＣＰＵ８１を中心としたマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ８１の他に、処理プログラムを記憶するＲＯＭ８２と、データを一時的に記憶するＲＡＭ８３と、データを記憶保持する不揮発性のＥＥＰＲＯＭ８４と、計時を行なう図示しないタイマと、図示しない入出力ポートと、を備える。制御装置８０には、圧力センサ４７や流量センサ４８，５４、温度センサ９１〜９３などからの各種検出信号が入力ポートを介して入力されている。また、制御装置８０からは、換気ファン２４のファンモータへの駆動信号や原料ガス供給弁４２，４３のソレノイドへの駆動信号、原料ガスポンプ４５のポンプモータへの駆動信号、エアブロワ５３のブロワモータへの駆動信号、改質水ポンプ５８のポンプモータへの駆動信号、循環ポンプ６３のポンプモータへの駆動信号、パワーコンディショナ７０（ＤＣ／ＤＣコンバータやインバータ）への制御信号、電源基板７８への制御信号、点火ヒータ３５への駆動信号、各種情報を表示する表示パネル９０への表示制御信号などが出力ポートを介して出力されている。

こうして構成された燃料電池システム１０では、負荷４が要求する要求出力に基づくシステム要求値（システム要求出力）を入力し、入力したシステム要求値に基づいて燃料電池スタック３６の目標スタック電流Ｉｏｕｔ＊を設定し、設定した目標スタック電流Ｉｏｕｔ＊に応じて原料ガス供給装置４０と改質水供給装置５５とエア供給装置５０とを制御する発電制御を実行する。具体的には、原料ガス供給装置４０の制御は、目標スタック電流Ｉｏｕｔ＊に基づいて原料ガス供給装置４０が供給すべき目標ガス流量Ｆｇ＊を設定し、目標ガス流量Ｆｇ＊と流量センサ４８により検出されるガス流量Ｆｇとの偏差に基づくフィードバック制御によりデューティＤｇを設定し、設定したデューティＤｇに基づいて原料ガスポンプ４５のポンプモータを制御することにより行なわれる。改質水供給装置５５の制御は、改質器３３に供給される原料ガスの単位時間当たりの流量に対する水蒸気の単位時間当たりの流量の比率であるスチームカーボン比（Ｓ／Ｃ）が原料ガスの種類に応じて予め定められた所定の比率となるように目標改質水流量Ｆｗ＊を設定し、設定した目標改質水流量Ｆｗ＊に基づいてデューティＤｗを設定し、設定したデューティＤｗに基づいて改質水ポンプ５８のポンプモータを制御することにより行なわれる。エア供給装置５０の制御は、原料ガスの目標ガス流量Ｆｇ＊に対して所定の比率（空燃比）となるようにエア供給装置５０が供給すべき目標エア流量Ｆａ＊を設定し、設定した目標エア流量Ｆａ＊と流量センサ５４により検出されるエア流量Ｆａとの偏差に基づくフィードバック制御によりデューティＤａを設定し、設定したデューティＤａに基づいてエアブロワ５３のブロワモータを制御することにより行なわれる。

また、燃料電池システム１０では、システム起動する際には、対応する補機類を順次制御して、脱硫器４６に燃料成分を吸着させて混合ガスの空燃比ずれを抑制する燃料吸着処理、燃焼部３４のパージ処理、燃焼部３４におけるオフガスの着火処理、水蒸気改質処理等を実行する。燃料電池システム１０は、これらの処理の実行によりシステム起動すると、燃料電池スタック３６での発電や給湯ユニット１００による給湯が可能となる。なお、上述の起動処理は、あくまで一例であり、燃料電池システム１０の構成や補機類の状態等によっては、一部の処理を省略してもよい。

次に、燃料電池システム１０においてシステム停止する際の動作について説明する。図２は、制御装置８０のＣＰＵ８１により実行される停止制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、システム停止が指示されたときに実行される。

図２の停止制御ルーチンが実行されると、制御装置８０のＣＰＵ８１は、燃料電池スタック３６での発電を停止させるために原料ガス供給装置４０と改質水供給装置５５とからそれぞれ原料ガスと改質水とが少量供給されるように原料ガスポンプ４５と改質水ポンプ５８とを制御すると共に燃料電池スタック３６を冷却するためにエア供給装置５０からエアが最大量供給されるようにエアブロワ５３を制御して、システム停止処理を開始する（ステップＳ１００）。燃料電池スタック３６は、高温下においてアノードが酸素雰囲気に曝されると、アノードが酸化して発電性能の低下を招く。このため、システム停止する際に、燃料電池スタック３６が十分に冷却されるまでアノードへの燃料ガスの供給が継続されるように、原料ガス供給装置４０と改質水供給装置５５とからそれぞれ必要最小限の原料ガスと改質水とを供給するのである。

続いて、温度センサ９１からの気化器温度Ｔｖや温度センサ９２からの燃焼部温度Ｔｃ、温度センサ９３からのスタック温度Ｔｓを入力し（ステップＳ１１０）、入力した燃焼部温度Ｔｃを閾値Ｔｃｒｅｆ１と比較すると共に（ステップＳ１２０）、スタック温度Ｔｓを閾値Ｔｓｒｅｆ１と比較する（ステップＳ１３０）。ここで、閾値Ｔｃｒｅｆ１および閾値Ｔｓｒｅｆ１は、燃料電池スタック３６のアノードが酸化しにくい温度まで燃焼部温度Ｔｃやスタック温度Ｔｓが低下したか否かを判定するのに用いられる閾値であり、閾値Ｔｃｒｅｆ１としては、例えば３１０℃や３２０℃、３３０℃などが用いられ、閾値Ｔｓｒｅｆとしては、例えば２４０℃や２５０℃、２６０℃などが用いられる。

ステップＳ１２０で燃焼部温度Ｔｃが閾値Ｔｃｒｅｆ１以上のときやステップＳ１３０でスタック温度Ｔｓが閾値Ｔｓｒｅｆ１以上のときには、気化器温度Ｔｖを閾値Ｔｖｒｅｆと比較し（ステップＳ１４０）、気化器温度Ｔｖが閾値Ｔｖｒｅｆ以上のときには、ステップＳ１１０に戻る。ここで、閾値Ｔｖｒｅｆは、気化器３２で水蒸気が生成されにくい温度まで気化器温度Ｔｖが低下したか否かを判定するのに用いられる閾値であり、例えば、１０５℃や１１０℃、１１５℃などが用いられる。

図３は、システム停止する際の燃焼部温度Ｔｃとスタック温度Ｔｓと気化器温度Ｔｖとの時間変化の様子の一例を示す説明図である。システム停止する際には、基本的には、図３（Ａ）に示すように、燃焼部温度Ｔｃとスタック温度Ｔｓと気化器温度Ｔｖとがそれぞれ同様の傾向で低下し、図示していないが、気化器温度Ｔｖが閾値Ｔｖｒｅｆ以上のときに燃焼部温度Ｔｃが閾値Ｔｃｒｅｆ１未満で且つスタック温度Ｔｓが閾値Ｔｓｒｅｆ１未満に至る。しかし、図３（Ｂ）に示すように、過剰な改質水の供給（吸熱反応の進行による水蒸気の生成の阻害）等により燃焼部温度Ｔｃおよびスタック温度Ｔｓに比して気化器温度Ｔｖが急低下し、燃焼部温度Ｔｃが閾値Ｔｃｒｅｆ１以上のときやスタック温度Ｔｓが閾値Ｔｓｒｅｆ１以上のときに気化器温度Ｔｖが閾値Ｔｖｒｅｆ未満に至る場合もある。ステップＳ１１０〜Ｓ１４０の処理は、図３（Ａ）のような正常時であるか図３（Ｂ）のような異常時であるかを判別する処理である。なお、システム停止する際に燃料電池モジュール３０（モジュールケース３１）内の温度が不均一なとき、例えば、システム起動中や燃料電池スタック３６での発電開始直後などにシステム停止する際に、図３（Ｂ）のような異常時になりやすい。

ステップＳ１１０〜Ｓ１４０の処理の繰り返し実行している最中にステップＳ１２０で燃焼部温度Ｔｃが閾値Ｔｃｒｅｆ１未満で且つステップＳ１３０でスタック温度Ｔｓが閾値Ｔｓｒｅｆ１未満に至ったときには、図３（Ａ）のような正常時であると判断し、通常時停止処理を実行して（ステップＳ１５０〜Ｓ１９０）、本ルーチンを終了する（システム停止処理を終了する）。

通常停止処理では、最初に、原料ガス供給装置４０からの原料ガスの供給と改質水供給装置５５からの改質水の供給とが停止されるように原料ガスポンプ４５と改質水ポンプ５８とを制御する（ステップＳ１５０）。このとき、燃料電池スタック３６を継続して冷却するために、エア供給装置５０からのエアの最大量供給は継続される。

続いて、温度センサ９２からの燃焼部温度Ｔｃや温度センサ９３からのスタック温度Ｔｓを入力し（ステップＳ１６０）、入力した燃焼部温度Ｔｃを閾値Ｔｃｒｅｆ１よりも低い閾値Ｔｃｒｅｆ２と比較すると共に（ステップＳ１７０）、スタック温度Ｔｓを閾値Ｔｓｒｅｆ１よりも低い閾値Ｔｓｒｅｆ２と比較する（ステップＳ１８０）。ここで、閾値Ｔｃｒｅｆ２および閾値Ｔｓｒｅｆ２は、エア供給装置５０からのエアの供給を停止してよいか否かを判定するのに用いられる閾値であり、例えば、１４０℃や１５０℃、１６０℃などが用いられる。

ステップＳ１７０で燃焼部温度Ｔｃが閾値Ｔｃｒｅｆ２以上のときやステップＳ１８０でスタック温度Ｔｓが閾値Ｔｓｒｅｆ２以上のときには、ステップＳ１６０に戻る。こうしてステップＳ１６０〜Ｓ１８０の処理を繰り返し実行して、ステップＳ１７０で燃焼部温度Ｔｃが閾値Ｔｃｒｅｆ２未満で且つステップＳ１８０でスタック温度Ｔｓが閾値Ｔｓｒｅｆ２未満に至ると、エア供給装置５０からのエアの供給が停止されるようにエアブロア５３を制御して（ステップＳ１９０）、通常停止処理を終了する。

ステップＳ１１０〜Ｓ１４０の処理の繰り返し実行している最中にステップＳ１４０で気化器温度Ｔｖが閾値Ｔｖｒｅｆ未満に至ったときには、図３（Ｂ）のような異常時であると判断し、異常時停止処理として、原料ガス供給装置４０からの原料ガスの供給と改質水供給装置５５からの改質水の供給とエア供給装置５０からのエアの供給との全てが停止されるように原料ガスポンプ４５と改質水ポンプ５８とエアブロワ５３とを制御して（ステップＳ２００）、本ルーチンを終了する。なお、異常時停止処理は、実施形態では、システムをシャットダウンする処理であり、これらに加えて、他の補機（例えば、原料ガス供給弁４２，４３や循環ポンプ６３など）も停止する。

燃焼部温度Ｔｃが閾値Ｔｃｒｅｆ１以上のときやスタック温度Ｔｓが閾値Ｔｓｒｅｆ１以上のときに気化器温度Ｔｖが閾値Ｔｖｒｅｆ未満に至ると、気化器３２で水蒸気が十分に生成されにくくなり、改質器３３に供給される水蒸気が不足し、改質器３３でコーキング（燃料の炭化現象）が生じたり燃料電池スタック３６が浸水したりする懸念がある。これに対して、改質器３３でのコーキングや燃料電池スタック３６の浸水を抑制するために、気化器温度Ｔｖが閾値Ｔｖｒｅｆ未満に至ったときに原料ガスの供給を停止すると、燃焼部温度Ｔｃやスタック温度Ｔｓが比較的高いために、燃料電池スタック３６のアノードが高温下で酸素雰囲気に晒され、アノードの酸化劣化が促進される懸念がある。これらを踏まえて、本実施形態では、燃焼部温度Ｔｃが閾値Ｔｃｒｅｆ１以上のときやスタック温度Ｔｓが閾値Ｔｓｒｅｆ１以上のときに気化器温度Ｔｖが閾値Ｔｖｒｅｆ未満に至ると、原料ガス供給装置４０からの原料ガスの供給と改質水供給装置５５からの改質水の供給とエア供給装置５０からのエアの供給との全てを停止するものとした。改質水の供給を停止することにより、燃料電池スタック３６の浸水を抑制することができ、改質水の供給の停止と共に原料ガスの供給を停止することにより、改質器３３でのコーキングを抑制することができ、原料ガスおよび改質水の供給の停止と共にエアの供給を停止することにより、燃料電池スタック３６のアノードが高温下で酸素雰囲気に晒されるのを抑制してアノードの酸化劣化が促進されるのを抑制することができる。即ち、システム停止する際に改質器３３でのコーキングや燃料電池スタック３６の浸水、アノードの酸化劣化の促進が生じるのを抑制することができるのである。

本実施形態では、異常時停止処理を実行したときには、ユーザによる次回のシステム起動の指示を禁止（リジェクト）したり、異常時である旨や異常時停止処理を実行した旨をＥＥＰＲＯＭ８４に記憶したり、これらの旨をサービスセンタに自動で連絡したり、これらの旨およびサービスセンタへの連絡を促す旨を表示パネル９０に表示したりする。こうすれば、二次故障の防止や安全性の向上、サービスセンタの作業者によるメンテナンスの作業性の向上を図ることができる。

以上説明した本実施形態の燃料電池システム１０では、システム停止する際に、燃焼部温度Ｔｃが閾値Ｔｃｒｅｆ１以上のときやスタック温度Ｔｓが閾値Ｔｓｒｅｆ１以上のときに気化器温度Ｔｖが閾値Ｔｖｒｅｆ未満に至ると、異常時停止処理として、原料ガス供給装置４０からの原料ガスの供給と改質水供給装置５５からの改質水の供給とエア供給装置５０からのエアの供給との全てを停止する。これにより、システム停止する際に改質器３３でのコーキングや燃料電池スタック３６の浸水、アノードの酸化劣化の促進が生じるのを抑制することができる。

上述の実施形態では、気化器温度Ｔｖが閾値Ｔｖｒｅｆ以上のときに燃焼部温度Ｔｃが閾値Ｔｃｒｅｆ１未満で且つスタック温度Ｔｓが閾値Ｔｓｒｅｆ１未満に至ると、原料ガス供給装置４０からの原料ガスの供給と改質水供給装置５５からの改質水の供給とを同時に停止するものとしたが、原料ガス供給装置４０からの原料ガスの供給を停止してから改質水供給装置５５からの改質水の供給を停止するものとしてもよい。

上述の実施形態では、燃焼部温度Ｔｃを検出する温度センサ９２およびスタック温度Ｔｓを検出する温度センサ９３を設けるものとしたが、温度センサ９２，９３のうちの１つを設けない（省略する）ものとしてもよい。温度センサ９２を省略する場合、図２の停止制御ルーチンのステップＳ１２０，Ｓ１７０の処理を省略し、温度センサ９３を省略する場合、図２の停止制御ルーチンのステップＳ１３０，Ｓ１８０の処理を省略すればよい。

上述の実施形態では、温度センサ９２，９３を設けるものとしたが、これらに加えてまたはこれらのうちの少なくとも１つに代えて、改質器３３内に、改質器３３の温度（改質器温度Ｔｒ）を検出する改質器温度センサを設けるものとしてもよい。

例えば、温度センサ９２に代えて改質器温度センサを設ける場合、図２の停止制御ルーチンに代えて、図４の停止制御ルーチンを実行するものとしてもよい。図４の停止制御ルーチンは、ステップＳ１１０，Ｓ１２０，Ｓ１６０，Ｓ１７０の処理に代えてステップＳ１１０ｂ，Ｓ１２０ｂ，Ｓ１６０ｂ，Ｓ１７０ｂの処理を実行する点を除いて、図２の停止制御ルーチンと同一である。したがって、同一の処理については同一のステップ番号を付し、その詳細な説明を省略する。

図４の停止制御ルーチンでは、温度センサ９１からの気化器温度Ｔｖや温度センサ９３からのスタック温度Ｔｓ、改質器温度センサからの改質器温度Ｔｒを入力し（ステップＳ１１０ｂ）、改質器温度Ｔｒを閾値Ｔｒｒｅｆ１と比較すると共に（ステップＳ１２０ｂ）、スタック温度Ｔｓを閾値Ｔｓｒｅｆ１と比較する（ステップＳ１３０）。ここで、閾値Ｔｒｒｅｆ１は、閾値Ｔｃｒｅｆ１や閾値Ｔｓｒｅｆ１と同様に定められる。改質器温度Ｔｒが閾値Ｔｒｒｅｆ１以上のときやスタック温度Ｔｓが閾値Ｔｓｒｅｆ１以上のときには、ステップＳ１４０に進む。一方、改質器温度Ｔｒが閾値Ｔｒｒｅｆ１未満で且つスタック温度Ｔｓが閾値Ｔｓｒｅｆ１未満のときには、ステップ１５０に進む。

そして、ステップＳ１５０の処理を実行した後に、温度センサ９３からのスタック温度Ｔｓや改質器温度センサからの改質器温度Ｔｒも入力し（ステップＳ１６０ｂ）、改質器温度Ｔｒを閾値Ｔｒｒｅｆ２と比較すると共に（ステップＳ１７０ｂ）、スタック温度Ｔｓを閾値Ｔｓｒｅｆ２と比較する（ステップＳ１８０）。ここで、閾値Ｔｒｒｅｆ２は、閾値Ｔｃｒｅｆ２や閾値Ｔｓｒｅｆ２と同様に定められる。改質器温度Ｔｒが閾値Ｔｒｒｅｆ２以上のときやスタック温度Ｔｓが閾値Ｔｓｒｅｆ２以上のときには、ステップＳ１６０ｂに戻る。一方、改質器温度Ｔｒが閾値Ｔｒｒｅｆ２未満で且つスタック温度Ｔｓが閾値Ｔｓｒｅｆ２未満のときには、ステップ１９０に進む。

こうした図４の停止制御ルーチンを実行する場合でも、上述の図２の停止制御ルーチンを実行する場合と同様の効果を奏することができる。

上述の実施形態では、温度センサ９１は、改質器３３の入口付近に設けられるものとしたが、気化器３２の出口付近に設けられるものとしてもよい。

実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施形態では、燃料電池スタック３６が「燃料電池」に相当し、気化器３２が「気化器」に相当し、改質器３３が「改質器」に相当し、燃焼部３４が「燃焼部」に相当し、原料ガス供給装置４０が「原料ガス供給装置」に相当し、改質水供給装置５５が「改質水供給装置」に相当し、エア供給装置５０が「酸化剤ガス供給装置」に相当し、温度センサ９１が「気化器温度センサ」に相当し、温度センサ９２，９３が「温度検出器」に相当し、制御装置８０が「制御装置」に相当する。また、温度センサ９３が「電池温度センサ」に相当し、改質器温度センサが「改質器温度センサ」に相当し、温度センサ９２が「燃焼部温度センサ」に相当する。

なお、実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施形態が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施形態は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、燃料電池システムの製造産業などに利用可能である。

１ガス供給源、２商用電力系統、３電力ライン、４負荷、１０燃料電池システム、２０発電ユニット、２２筐体、２２ａ吸気口、２２ｂ排気口、２４換気ファン、３０燃料電池モジュール、３１モジュールケース、３２気化器、３３改質器、３４燃焼部、３５点火ヒータ、３６燃料電池スタック、３７燃焼触媒、４０原料ガス供給装置、４１原料ガス供給管、４２，４３原料ガス供給弁、４４オリフィス、４５原料ガスポンプ、４６脱硫器、４７圧力センサ、４８流量センサ、５０エア供給装置、５１エア供給管、５２フィルタ、５３エアブロワ、５４流量センサ、５５改質水供給装置、５６改質水供給管、５７改質水タンク、５８改質水ポンプ、６０排熱回収装置、６１循環配管、６２熱交換器、６３循環ポンプ、６６凝縮水供給管、６７排気ガス排出管、７０パワーコンディショナ、７８電源基板、８０制御装置、８１ＣＰＵ、８２ＲＯＭ、８３ＲＡＭ、８４タイマ、９０表示パネル、９１〜９３温度センサ、１００給湯ユニット、１０１貯湯タンク。

Claims

アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化剤ガスとに基づいて発電する燃料電池と、
改質水を蒸発させて水蒸気を生成する気化器と、
前記水蒸気および原料ガスの混合ガスを前記燃料ガスに改質して前記アノードに供給する改質器と、
前記燃料電池を通過したオフガスを燃焼させて前記気化器と前記改質器とを加熱する燃焼部と、
前記改質器に前記原料ガスを供給する原料ガス供給装置と、
前記気化器に前記改質水を供給する改質水供給装置と、
前記カソードに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池と前記気化器と前記改質器と前記燃焼部とを有する燃料電池モジュール内に設けられ、前記気化器の温度を検出する気化器温度センサと、
前記燃料電池モジュール内の前記気化器温度センサとは異なる位置に設けられた温度検出器と、
システム停止する際には、前記温度検出器により検出される温度が第１閾値未満に至ると、前記原料ガス供給装置からの前記原料ガスの供給が停止するように前記原料ガス供給装置を制御すると共にまたは制御してから前記改質水供給装置からの前記改質水の供給が停止するように前記改質水供給装置を制御し、その後に、前記酸化剤ガス供給装置からの前記酸化剤ガスの供給が停止するように前記酸化剤ガス供給装置を制御する通常時停止処理を実行する制御装置と、
を備える燃料電池ステムであって、
前記制御装置は、前記システム停止する際に、前記温度検出器により検出される温度が前記第１閾値以上のときに前記気化器温度センサにより検出される前記気化器の温度が第２閾値未満に至ると、前記原料ガス供給装置からの前記原料ガスの供給と前記改質水供給装置からの前記改質水の供給と前記酸化剤ガス供給装置からの前記酸化剤ガスの供給との全てが停止するように前記原料ガス供給装置と前記改質水供給装置と前記酸化剤ガス供給装置とを制御する異常時停止処理を実行する、
燃料電池システム。
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記異常時停止処理によりシステム停止したときには、ユーザによる次回のシステム起動の指示の禁止、システム異常の旨の記憶処理、システム異常の旨の報知、サービスセンタへの連絡のうちの少なくとも１つを行なう、
燃料電池システム。
請求項１または２記載の燃料電池システムであって、
前記温度検出器は、前記燃料電池の温度を検出する電池温度センサ、前記改質器の温度を検出する改質器温度センサ、前記燃焼部の温度を検出する燃焼部温度センサのうちの少なくとも１つを有する、
燃料電池システム。
請求項３記載の燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記電池温度センサにより検出される前記燃料電池の温度および前記改質器温度センサにより検出される前記改質器の温度がそれぞれの閾値未満に至ったときに、前記温度検出器により検出される温度が前記第１閾値未満に至ったと判定する、
燃料電池システム。
請求項３記載の燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記電池温度センサにより検出される前記燃料電池の温度および前記燃焼部温度センサにより検出される前記燃焼部の温度がそれぞれの閾値未満に至ったときに、前記温度検出器により検出される温度が前記第１閾値未満に至ったと判定する、
燃料電池システム。