特許 5861565 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5861565

(24)【登録日】2016年1月8日

(45)【発行日】2016年2月16日

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20160202BHJP

   H01M 8/04225 20160101ALI20160202BHJP

   H01M 8/04302 20160101ALI20160202BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20160202BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20160202BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 Z

   H01M8/04 X

   H01M8/04 J

   !H01M8/12

   !H01M8/10

【請求項の数】4

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2012-127674(P2012-127674)

(22)【出願日】2012年6月5日

(65)【公開番号】特開2013-254572(P2013-254572A)

(43)【公開日】2013年12月19日

【審査請求日】2014年11月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000011

【氏名又は名称】アイシン精機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100081776

【弁理士】

【氏名又は名称】大川 宏

(72)【発明者】

【氏名】藪谷 元彦

【審査官】 武市 匡紘

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１０／１２８６００（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１０−０７１６７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２０４９５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−２２２２５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０３０２８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００８／０１９７７２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００６−１７２７３６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００−８／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アノード及びカソードを有する燃料電池と、前記燃料電池の前記カソードにカソードガスを供給するカソードガス通路と、燃料ガスのガス源と前記燃料電池の前記アノードとの間に設けられ前記ガス源の前記燃料ガスを前記燃料電池の前記アノードに向けて供給する燃料ガス通路と、前記燃料ガス通路に設けられ前記燃料ガスを前記燃料電池側に搬送するガス搬送源と、前記燃料ガス通路において前記ガス搬送源よりも前記ガス源側に設けられ前記燃料ガス通路を開閉する遮断弁と、前記燃料ガス通路において前記遮断弁と前記ガス搬送源との間の検知通路部分のガス圧力に関する物理量を検知する圧力検知要素と、前記圧力検知要素からの検知信号が入力され前記ガス搬送源及び前記遮断弁を制御する制御部とを具備する燃料電池システムであって、
前記制御部は、（ｉ）前記遮断弁を閉鎖させた状態で前記ガス搬送源を駆動させるか又は前記遮断弁を閉鎖させた状態から開放させ、（ｉｉ）前記圧力検知要素により検知される圧力の変動に基づいて前記圧力検知要素及び前記ガス源の少なくとも一方が異常であるか否かを判定する、判定処理を行い、且つ、
前記圧力検知要素により検知された前記検知通路部分内の圧力が第１の閾値圧よりも高いときには、前記制御部は、（ｉ）前記遮断弁を閉鎖させた状態で前記ガス搬送源を駆動させ、（ｉｉ）前記圧力検知要素により検知される圧力が第１の所定時間以内に規定圧力Ｐａ未満になるか否かを確認して、前記圧力検知要素の故障の有無を判定する、第１の前記判定処理を行い、
前記圧力検知要素により検知された前記検知通路部分内の圧力が第２の閾値圧以下であるときには、前記制御部は、（ｉ）前記遮断弁を閉鎖させた状態から開放させて、（ｉｉ）前記圧力検知要素により検知される圧力が第２の所定時間内に規定圧力Ｐｂ以上になるか否かを確認して、前記圧力検知要素及び前記ガス源の少なくとも一方が異常であるか否かを判定する、第２の前記判定処理を行う燃料電池システム。

【請求項2】

前記制御部は、前記燃料電池システムの発電運転開始の直前に、前記判定処理を行う請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

さらに、前記燃料ガス通路において前記ガス搬送源よりも前記燃料電池側に前記燃料ガス通路を開閉する開閉弁を具備しており、
前記判定処理において前記開閉弁は閉鎖している請求項１又は２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記圧力検知要素は圧力スイッチである請求項１〜３のいずれか１項に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、燃料ガス通路の圧力を検知する圧力計を備えた燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１の図１には、燃料電池装置が、燃料電池に向けて燃料ガスを供給する原燃料ガス供給管（１２）を備えており、原燃料ガス供給管（１２）に、燃料ガスのガス源側から燃料電池側に向けて順に、電磁弁（７）、脱硫器（６）、ガス流量計（８）、バッファ（９）、ガスポンプ（４）、流量調整弁（５）を配設することが開示されている。燃料電池が運転待機状態の際には、電磁弁（７）と流量調整弁（５）とが閉鎖して電磁弁（７）と流量調整弁（５）との間が密閉状態とされる。このため、燃料電池装置が本稼動前の試運転を終えて運転を停止した際や、燃料電池装置が稼動を停止した際には、原燃料ガス供給管（１２）における電磁弁（７）と流量調整弁（５）との間の燃料ガスが冷却されて負圧となる。特に電磁弁（７）と流量調整弁（５）との間には容積の大きな脱硫器６が設けられているため、負圧になり易い。この場合、電磁弁（７）と流量調整弁（５）の弁部の張付きや差圧によって、各弁が開放しない場合がある。

【0003】

そこで、特許文献１の図１では、脱硫器（６）に熱源（１３）を設けて脱硫器（６）を温度上昇させることで、原燃料ガス供給管（１２）における脱硫器（６）と流量調整弁（５）との間の負圧を解消して、電磁弁（７）及び流量調整弁（５）の作動不能状態を回避することを提案している。また、特許文献２の図１では、原燃料ガス供給管（１２）における脱硫器（６）と流量調整弁（５）との間に、酸素含有ガスを供給するブロアー（１３）を設けて、脱硫器（６）と流量調整弁（５）との間の負圧を解消している。また、原燃料ガス供給管（１２）の下流側に配置されている改質器に対しても、酸素含有ガスが供給されるため、部分酸化改質やオートサーマル改質を行うことができ、効率よく燃料電池装置を起動させることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００９−１８１６９９号公報

【特許文献2】特開２００９−１８１７００号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、特許文献１，２ともに、原燃料ガス供給管（１２）の流量調整弁（５）と脱硫器（６）との間が負圧になったことを検知するために、流量調整弁（５）と脱硫器（６）との間に圧力計を設置している。しかし、圧力計に故障が生じると、原燃料ガス供給管（１２）の負圧を検知できず、負圧を解消させるための熱源やブロアーを作動させることができない。更に、圧力計による検知圧力が予定される圧力値を示さないときは、圧力計が故障している可能性があるほか、ガス源に異常がある可能性も考えられる。

【0006】

また、原燃料ガス供給管（１２）の圧力を検知するための圧力計として、比較的安価な圧力スイッチを用いることが検討されている。圧力スイッチを圧力計として用いる場合、負圧とされる所定の圧力Ｐ（例えば０．３ｋＰａ）以上の正常圧の場合は電気導通（ＯＮ）、所定の圧力Ｐ未満の負圧時に電気導通遮断（ＯＦＦ）となるように設定する。燃料ガスとして例えば都市ガスを用いる場合、燃料ガスの元圧は１．０〜２．５ｋＰａと比較的高く、原燃料ガス供給管（１２）は通常では負圧にならない。このため、圧力スイッチが正常に機能しているか否かを確認することができない。圧力スイッチの故障としては、特にＯＮ／ＯＦＦが切り替わらないスイッチ固着モードが多い。スイッチが固着した場合には、負圧を検知できなくなる。このため、圧力スイッチの正常機能を確認する必要がある。また、一般の圧力センサを燃料電池装置に取付けた場合にも、圧力センサの信頼性を高めるために、圧力センサが正常であるか否かを確認することが必要である。

【0007】

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料ガス通路に設けられている圧力検知要素の故障又は／及びガス源の異常の有無を容易に判定できる燃料電池システムを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

（１）本発明の様相１に係る燃料電池システムは、アノード及びカソードを有する燃料電池と、燃料電池のカソードにカソードガスを供給するカソードガス通路と、燃料ガスのガス源と燃料電池の前記アノードとの間に設けられガス源の燃料ガスを燃料電池のアノードに向けて供給する燃料ガス通路と、燃料ガス通路に設けられ燃料ガスを燃料電池側に搬送するガス搬送源と、燃料ガス通路においてガス搬送源よりもガス源側に設けられ燃料ガス通路を開閉する遮断弁と、燃料ガス通路において遮断弁とガス搬送源との間の検知通路部分のガス圧力に関する物理量を検知する圧力検知要素と、圧力検知要素からの検知信号が入力されガス搬送源及び遮断弁を制御する制御部とを具備する燃料電池システムであって、
前記制御部は、（ｉ）前記遮断弁を閉鎖させた状態で前記ガス搬送源を駆動させるか又は前記遮断弁を閉鎖させた状態から開放させ、（ｉｉ）前記圧力検知要素により検知される圧力の変動に基づいて前記圧力検知要素及び前記ガス源の少なくとも一方が異常であるか否かを判定する、判定処理を行い、且つ、
前記圧力検知要素により検知された前記検知通路部分内の圧力が第１の閾値圧よりも高いときには、前記制御部は、（ｉ）前記遮断弁を閉鎖させた状態で前記ガス搬送源を駆動させ、（ｉｉ）前記圧力検知要素により検知される圧力が第１の所定時間以内に規定圧力Ｐａ未満になるか否かを確認して、前記圧力検知要素の故障の有無を判定する、第１の前記判定処理を行い、
前記圧力検知要素により検知された前記検知通路部分内の圧力が第２の閾値圧以下であるときには、前記制御部は、（ｉ）前記遮断弁を閉鎖させた状態から開放させて、（ｉｉ）前記圧力検知要素により検知される圧力が第２の所定時間内に規定圧力Ｐｂ以上になるか否かを確認して、前記圧力検知要素及び前記ガス源の少なくとも一方が異常であるか否かを判定する、第２の前記判定処理を行うことを特徴とする。

【0009】

本様相において、燃料ガス通路における遮断弁を閉鎖させた状態でガス搬送源を駆動させるか又は遮断弁を閉鎖させた状態から開放させている。これにより、検知通路部分のガス圧力を変化させ、このガス圧力の変動を圧力検知要素により検知している。このため、圧力検知要素の作動を燃料電池システム上で簡素に検知することができる。

【0010】

燃料ガス通路における遮断弁を閉鎖させた状態でガス搬送源を駆動させるか又は遮断弁を閉鎖させた状態から開放させると、ガス源が正常な場合には、検知通路部分のガス圧力が変化する。即ち、遮断弁を閉鎖させた状態でガス搬送源を駆動させると、検知通路部分の燃料ガスがガス搬送源よりも燃料電池側の下流通路部分に向けて搬送され、検知通路部分のガス圧力が減少する。または、遮断弁を閉鎖させた状態から開放させると、ガス源から燃料ガスが検知通路部分に流入して、検知通路部分のガス圧力が増加する。このように検知通路部分のガス圧力を変化させる。

【0011】

圧力検知要素は、燃料ガス通路の検知通路部分のガス圧力を検知し、検知された圧力は制御部に検知信号として入力される。制御部は、圧力検知要素により検知される圧力の変動に基づいて、圧力検知要素に故障があるか否かを判定する。制御部は、ガス搬送源の駆動に関する基準時刻から経過する経過時間と、圧力検知要素により検知される圧力の変動とに基づいて、圧力検知要素及びガス源の少なくとも一方に異常があるか否かを判定するとよい。

【0012】

圧力検知要素により検知される圧力の動向としては、経過時間に応じて検知される圧力が減少する場合、圧力が変化しない場合、圧力が増加する場合がある。圧力検知要素が正常である場合には、（ｉ）の過程において検知通路部分の実際の圧力が変化しているので、経過時間に応じて検知される圧力も変化する。しかし、圧力検知要素が故障している場合には、検知通路部分の圧力が変化していても、検知される圧力は変化しないか、または、変化していても、検知通路部分での実際の圧力低下量に応じた圧力の変化を示さない。

【0013】

また、ガス源に燃料ガスがなくなったとき等のようにガス源に異常がある場合には、遮断弁を閉鎖させた状態から開放させたときに、検知通路部分には燃料ガスが流入せず、検知通路部分のガス圧力が変化しない。このことから、遮断弁を閉鎖状態から開放させたときに、圧力検知要素により検知されたガス圧力が変動しない場合には、圧力検知要素の故障以外にガス源の異常も懸念される。そこで、遮断弁を閉鎖させた状態から開放させたときに、圧力検知要素により検知されたガス圧力が変化しないか、または低いガス圧力に留まっている時には、圧力検知要素及びガス源の少なくとも一方に異常があると判定される。

【0014】

そこで、制御部は、（ｉｉ）において、ガス搬送源の駆動に関する基準時刻から経過する経過時間と、圧力検知要素により検知される圧力の変動とに基づいて、圧力検知要素及びガス源の少なくとも一方の異常の有無を判定するとよい。例えば、遮断弁を閉鎖させた状態でガス搬送源を駆動させることで、検知通路部分の燃料ガスを検知通路部分よりも燃料電池側の下流通路部分に搬送させて検知通路部分を減圧させたとする。この場合、圧力検知要素により検知される圧力が、基準時刻から経過する経過時間が所定の範囲内で、所定の圧力低下量を示した場合には、圧力検知要素は正常であると判定する。圧力検知要素により検知される圧力が、基準時刻から経過する経過時間が所定の範囲内で所定の圧力低下量を示さない場合には、圧力検知要素は故障と判定される。

【0015】

遮断弁を閉鎖させた状態から開放させて、ガス源から燃料ガスを検知通路部分に供給したときに、圧力検知要素により検知された圧力が、基準時刻から経過する経過時間が所定の範囲内で、所定の圧力増加量を示した場合には、圧力検知要素及びガス源の双方が正常であると判定され、経過時間が所定の範囲を超えて経過しても所定の圧力増加量を示さない場合には、圧力検知要素及びガス源の少なくとも一方に異常があると判定される。

【0016】

本発明によれば、圧力検知要素により検知される圧力の変動に基づいて、圧力検知要素及びガス源の少なくとも一方の異常の有無を判定することができる。

【0017】

圧力検知要素は、燃料ガス通路のうち遮断弁とガス搬送源との間の検知通路部分のガス圧力に関する物理量を検知するものであればよく、圧力スイッチ、圧力センサなどを例示できる。

【0018】

システム待機状態のとき又は発電運転開始直前のときには、遮断弁は閉鎖状態にある。（ｉ）の行程を行うときに、遮断弁を閉鎖させた状態でガス搬送源を駆動させるときには、遮断弁は、システム待機状態又は発電運転開始直前での閉鎖状態を、引き続き維持させる。遮断弁を閉鎖させた状態から開放させるときには、システム待機状態又は発電運転開始直前での閉鎖状態から開放させる。

【0019】

遮断弁は、制御部からの命令に従って燃料ガス通路を開閉するものであればよいが、全閉したときには燃料ガス通路を遮断して燃料ガスの流通を停止させ得るものであるとよい。遮断弁としては、電磁開閉弁などが挙げられる。遮断弁は、制御部の指令に基づいて、弁の開度が適宜調整できるものでもよく、また全閉か又は全開のみを選択できるものでもよい。

【0020】

判定処理において圧力検知要素及びガス源の少なくとも一方に異常があると判定されたときには、制御部は警報を出力することが好ましい。警報は、ユーザなどへの警報でもよいし、管理会社への通報でもよい。また、システムの発電運転開始の直前である場合には、システムの発電運転開始を停止させてもよい。ガス搬送源は、燃料ガスを搬送できるものであればよく、ポンプ、ファン、コンプレッサを問わない。燃料電池は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）に限定されず、場合によっては固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）でもよいし、リン酸形燃料電池でもよく、溶融炭酸塩形燃料電池でもよく、他のタイプの燃料電池でもよい。

【0021】

判定処理は、燃料電池システムの発電運転モード、発電運転のための発電準備モード、発電運転を停止させる停止モード、停止後の待機モード、発電準備前の待機モードのいずれにおいて実行してもよい。発電運転に影響を与えないためには、待機モード、又は発電準備モードの際に実行するとよい。

【0022】

様相１において、前記制御部は、（ｉ）前記遮断弁を閉鎖させた状態で前記ガス搬送源を駆動させ、（ｉｉ）前記圧力検知要素により検知される圧力が第１の所定時間以内に規定圧力Ｐａ未満になるか否かを確認して、前記圧力検知要素の故障の有無を判定する、第１の前記判定処理を行う。

【0023】

遮断弁を閉鎖させた状態でガス搬送源を駆動させると、検知通路部分内の燃料ガスが、ガス搬送源よりも燃料電池側の下流通路部分に搬送されて、検知通路部分のガス圧力が減少する。このように検知通路部分のガス圧力を減少させたときに、圧力検知要素により検知通路部分のガス圧力を検知し、この検知圧力から圧力検知要素の故障の有無を検知する処理を、第１の判定処理という。

【0024】

（ｉ）の過程において、遮断弁を閉鎖させた状態でガス搬送源を駆動させると、検知通路部分の燃料ガスが検知通路部分よりも燃料電池側、即ち燃料ガス通路の検知通路部分よりも下流側の下流通路部分に搬送される。この場合、（ｉｉ）の過程においては、ガス搬送源は、駆動を停止させてもよいが、（ｉ）の過程に引き続いて駆動を継続させるとよい。圧力検知要素で検知される圧力の変動を、検知通路部分の減圧と並行させて観察できるからである。（ｉ）の過程と（ｉｉ）の過程とは、同時に実行してもよいし、（ｉ）の後に（ｉｉ）を実行してもよい。

【0025】

制御部は、第１の判定処理を行うに当たり、圧力検知要素で検知される圧力が、第１の所定時間以内に規定圧力Ｐａ未満になるか否かを確認する。第１の所定時間は、遮断弁を閉鎖させた状態でガス搬送源の駆動を開始したときを基準とする基準時刻からの規定時間ＴＭ１とするとよい。検知圧力が、規定時間ＴＭ１以内に規定圧力Ｐa未満とならないとき、制御部は、圧力検知要素は故障であると判定するとよい。

【0026】

規定圧力Ｐa及び規定時間ＴＭ１は、圧力検知要素が故障しておらず、且つ、遮断弁の閉鎖機能及びガス搬送源に異常がないことを考慮して、システムに応じて設定される。規定時間ＴＭ１は規定圧力Ｐaが低い程長く設定されるとよい。規定圧力Ｐaは、ガス源の元圧よりも低い範囲で任意に設定される。規定時間ＴＭ１は、ガス搬送源の駆動を開始させたときから、検知通路部分のガス圧力が規定圧力Ｐａよりも低いと予想されるときまでの間の時間としてもよいし、また、ガス搬送源の駆動を開始させたときから、検知通路部分のガス圧力が規定圧力Ｐａと同定度と予想されるときまでの間の時間としてもよい。

【0027】

このように圧力検知要素で検知される圧力が、規定時間ＴＭ１以内に規定圧力Ｐa未満とならないことで異常と判定する手法は、簡便であり、圧力スイッチ及び圧力センサのいずれにも対応することができる。

【0028】

様相１において、前記制御部は、（ｉ）前記遮断弁を閉鎖させた状態から開放させて、（ｉｉ）前記圧力検知要素により検知される圧力が第２の所定時間内に規定圧力Ｐｂ以上になるか否かを確認して、前記圧力検知要素及び前記ガス源の少なくとも一方が異常であるか否かを判定する、第２の前記判定処理を行う。

【0029】

遮断弁を閉鎖させた状態から開放させると、検知通路部分内の燃料ガスが、ガス源から燃料ガスが検知通路部分に流入して、検知通路部分のガス圧力が増加する。このように検知通路部分のガス圧力を増加させたときに、圧力検知要素により検知通路部分のガス圧力を検知し、この検知圧力から圧力検知要素及びガス源の少なくとも一方の異常の有無を検知する処理を、第２の判定処理という。

【0030】

第２の判定処理の（ｉ）において、開閉弁を閉鎖しガス搬送源を停止した状態で、遮断弁を開放させると、ガス源から燃料ガスが供給されて検知通路部分の圧力が上昇する。（ｉｉ）において、制御部は、ガス搬送源の駆動に関する基準時刻から経過する経過時間と、圧力検知要素により検知される圧力の変動とに基づいて、前記圧力検知要素の故障の有無を判定するとよい。

【0031】

第２の判定処理において、（ｉ）と（ｉｉ）とは、同時に実行してもよいし、（ｉ）の後に（ｉｉ）を実行してもよい。

【0032】

（ｉ）の過程において、遮断弁を閉鎖させた状態から開放させたとき、ガス搬送源は駆動を停止しているとよい。遮断弁を経て検知通路部分に流入してきた燃料ガスを検知通路部分に留めて、検知通路部分でのガス圧力を増加させるためである。

【0033】

制御部は、第２の判定処理を行うに当たり、圧力検知要素で検知される圧力が、第２の所定時間以内に規定圧力Ｐｂ以上になるか否かを確認する。第２の所定時間は、遮断弁を開放させたときを基準とする基準時刻からの規定時間ＴＭ２とするとよい。検知圧力が、規定時間ＴＭ２以内に規定圧力Ｐｂ以上とならないとき、制御部は、圧力検知要素及びガス源の少なくとも一方は異常であると判定するとよい。

【0034】

規定圧力Ｐｂ及び規定時間ＴＭ２は、圧力検知要素及び燃料ガス供給源が異常ではないこと、並びに遮断弁の閉鎖機能及びガス搬送源が故障しないことを考慮して、燃料電池システムに応じて設定される。ＴＭ２はＰｂが高い程長く設定されるとよい。Ｐｂは、第１の判定処理時の規定圧力Ｐaと同じか又はＰaよりも大きく且つガス源の元圧以下の範囲で任意に設定されるとよい。ＴＭ２は、遮断弁を開放させたときから、検知通路部分のガス圧力が規定圧力Ｐｂよりも高いと予想されるときまでの間の時間としてもよいし、また、遮断弁を開放させたときから、検知通路部分のガス圧力が規定圧力Ｐｂと同程度と予想されるときまでの間の時間としてもよい。

【0035】

このように圧力検知要素で検知された圧力が規定時間ＴＭ２以内に規定圧力Ｐｂ以上とならないことで圧力検知要素及びガス供給源の少なくとも一方に異常有りと判定する手法は、判定手法が簡便であり、圧力スイッチ及び圧力センサのいずれにも対応することができる。

【0036】

システム待機状態の場合には、遮断弁と開閉弁とが閉止状態にある。発電運転稼働後に発電運転を停止させると、密閉された遮断弁と開閉弁との間の通路部分の燃料ガスが冷却されて、負圧化される。通路部分が負圧化されると、遮断弁や開閉弁の弁張り付きや差圧による遮断弁の作動不良が生じる。そこで、本様相のように、圧力検知要素により圧力が閾値未満であることを検知されたとき、遮断弁を開放させて通路部分に燃料ガスを供給して閾値以上とする。これにより、通路部分が閾値未満になることが防止され、ガス供給通路の負圧化を抑制できる。遮断弁及び開閉弁の作動不良も抑制することができる。閾値は、ガス源の元圧よりも低い値に設定するとよい。遮断弁を開放させる場合の圧力の前記閾値は、例えば、−０．５kＰａ以上 ０．３kＰａ以下とするとよい。

【0037】

また、制御部は、燃料電池の待機状態において、ガス搬送源を駆動させず且つ遮断弁及び開閉弁は閉鎖することで遮断弁と開閉弁との間の通路部分が密閉状態にあるとき、圧力検知要素により検知される圧力が閾値未満であることを検知された場合には、遮断弁を開放させて通路部分に燃料ガスを供給して通路部分の圧力を閾値以上とする負圧解消処理を行うとよい。

【0038】

様相１において、前記圧力検知要素により検知された前記検知通路部分内の圧力が第１の閾値圧よりも高いときには、前記制御部は第１の前記判定処理を行い、前記圧力検知要素により検知された前記検知通路部分内の圧力が第２の閾値圧以下であるときには、前記制御部は、第２の前記判定処理を行う。

【0039】

例えばシステム待機状態のように、遮断弁及び開閉弁が閉鎖状態にある場合、検知通路部分がほぼ密閉状態となり、この状態で検知通路部分の温度が低下した場合には、減圧状態になる場合がある。この場合、第１の判定処理を行う前に、既に検知通路部分が減圧状態にあり、圧力検知要素の故障の判定ができない。そこで、制御部は、圧力検知要素により検知される圧力が閾値圧以上である場合のみ第１の判定処理を行い、閾値圧未満である場合には、第１の判定処理を行わずに、第２の判定処理を行う。

【0040】

圧力検知要素に故障があり、検知通路部分の圧力が閾値圧以上か否かを正確に判定できない場合がある。誤った検知圧力に基づいて検知通路部分の圧力が閾値圧以上であると判断されたとき、第１の判定処理において、圧力検知要素が故障していると判定される。誤った検知圧力に基づいて検知通路部分の圧力が閾値圧未満であると判断されたとき、第２の判定処理において、圧力検知要素及びガス源の少なくとも一方に異常があるか否かが判定される。

【0041】

（２）本発明の様相２に係る燃料電池システムによれば、様相１において、前記制御部は、前記燃料電池システムの発電運転開始の直前に、前記判定処理を行う。

【0042】

燃料電池システムの発電運転開始の直前に行う判定処理は、上記の第１の判定処理及び第２の判定処理のいずれでもよい。発電運転開始の直前に判定処理を行うことで、発電運転開始毎に圧力検知要素の作動を確認できる。このため、圧力検知要素の高い信頼性を確保できる。また、燃料電池の発電運転に影響を与えることなく、圧力検知要素の故障の有無を容易に判定することができる。

【0043】

（３）本発明の様相３に係る燃料電池システムによれば、さらに、前記燃料ガス通路において前記ガス搬送源よりも前記燃料電池側に前記燃料ガス通路を開閉する開閉弁を具備しており、前記判定処理において前記開閉弁は閉鎖している。

【0044】

この判定処理は、第１，第２の判定処理を含む意味である。第１、第２の判定処理において開閉弁を閉鎖させることで、検知通路部分の燃料ガスが、検知通路部分よりも燃料電池側の下流通路部分に搬送されたときでも、燃料ガスは燃料電池に供給されず、燃料電池に影響を及ぼすことはない。

【0045】

（４）本発明の様相４に係る燃料電池システムによれば、前記圧力検知要素は圧力スイッチである。

【0046】

圧力スイッチは、流体の圧力に応じて可動体が所定の圧力以上のときに可動して、可動体に連動する接点が固定接点に対して接触又は離間してＯＮ／ＯＦＦと切り替わることで、圧力を検知する。圧力スイッチは、例えば、ダイアフラム式、ピストン式などが挙げられる。圧力スイッチは、ＯＮ／ＯＦＦ切替え時の接点の固着による故障が生じることがある。そのため、上記様相３のように、規定時間ＴＭ１以内に規定圧力Ｐａ未満となるか否かで圧力スイッチに故障があるか否かを判定することができる。

【0047】

圧力センサは、高価であり、温度、固体差、劣化、圧力に圧力精度のばらつきも大きく、燃料ガス通路の負圧の検出精度が低い。これに対して、圧力スイッチは、安価で、精度がよい。このため、圧力スイッチを用いて燃料ガス通路の圧力を検知することで、負圧の検出精度が高くなる。また、システム構成が簡素で安価となる。

【発明の効果】

【0048】

本発明によれば、燃料ガス通路に設けられている圧力検知要素及びガス源の少なくとも一方の異常の有無を容易に判定できる燃料電池システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0049】

【図1】実施形態１に係り、燃料電池システムの燃料ガス通路付近の概念を模式的に示す図である。

【図2】実施形態１に係り、第１の判定処理のフローチャートを示す図である。

【図3】実施形態２に係り、第２の判定処理のフローチャートを示す図である。

【図4】実施形態３に係り、第２の判定処理のフローチャートを示す図である。

【図5】実施形態４に係り、第１，第２の判定処理のフローチャートを示す図である。

【図6】参考形態に係り、負圧解消処理のフローチャートを示す図である。

【図7】実施形態５に係り、燃料電池システムの概念を模式的に示す図である。

【図8】実施形態５に係り、制御部の関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0050】

（実施形態１）
図１は燃料電池システムを示す。本システムは、アノード１０及びカソード１１を有する燃料電池１と、燃料電池１のカソード１１にカソードガス（一般的には空気）を供給するカソードガス通路７０と、燃料電池１のアノード１０に燃料ガスを供給する燃料ガス通路６と、燃料ガス通路６に設けられたガス搬送源としてのガスポンプ６０、燃料ガス通路６においてガスポンプ６０よりも上流つまり燃料ガス通路６の入り口側に設けられた遮断弁６９と、燃料ガス通路６のガスポンプ６０と遮断弁６９との間の検知通路部分６ｍのガス圧力を検知する圧力検知要素としての圧力スイッチ６１と、圧力スイッチ６１の検知信号が入力され且つガスポンプ６０及び遮断弁６９を制御する制御部１００と、これらを収容する筐体５とを備えている。

【0051】

燃料ガス通路６は、改質前の燃料ガス（例えば都市ガス）を改質器２Ａに供給させる通路である。図１に示すように、燃料ガス通路６は、入り口側から順に、遮断弁６９、圧力スイッチ６１、燃料ガスを脱硫させる脱硫器６２、流量計６４、バッファタンク６５、ガスポンプ６０、開閉弁６６（逆止弁）、発電モジュール１８を直列に配置させている。配置順は、これに限定されるものではない。

【0052】

ガスポンプ６０が駆動しているときには、燃料ガス通路６におけるガスポンプ６０と開閉弁６６との間の下流通路部分６ｎのガス圧力が高まり、開閉弁６６に作用する圧力が開閉弁６６のリリーフ圧を超えるため、開閉弁６６は開放される。ガスポンプ６０を駆動から停止に移行すると、開閉弁６６に作用する下流通路部分６ｎの圧力は開閉弁６６のリリーフ圧よりも低下するため、開閉弁６６は内蔵バネにより自動的に閉鎖される。遮断弁６９の上流には、ガス源６３に繋がるガス配管６ｘと、ガス源６３に繋がる元圧弁６ｙとが設けられている。ガス源６３及び元圧弁６ｙは筐体５の外部に配置されている。

【0053】

図１に示すように、発電モジュール１８は、燃料ガス通路６に繋がる改質器２Ａと、改質器２Ａの下流に設けられた燃料電池１と、これらを包囲する遮熱壁１９とを有する。改質器２Ａは給水路８にも繋がる。改質器２Ａは、改質水搬送源としての水ポンプ８０で搬送された液相状の改質水を加熱させて水蒸気とさせる蒸発部２と、蒸発部２で生成された水蒸気で燃料ガスを改質反応させ、水素含有のアノードガスとして改質させる改質部３とを有する。

【0054】

開閉弁６６は、ガスポンプ６０から発電モジュール１８の改質器２Ａに燃料ガスを矢印Ａ１方向に流入させるものの、その反対方向（矢印Ａ２方向）のガス流れを阻止する。

【0055】

圧力スイッチ６１は燃料ガス通路６において遮断弁６９とガスポンプ６０との間の検知通路部分６ｍに設けられている。燃料ガス通路６のうちなるべく上流側の圧力（負圧）を検知し、判定処理を速やかに済ませるためである。ただし、圧力スイッチ６１の位置は、遮断弁６９とガスポンプ６０との間の検知通路部分６ｍの間であれば、どの位置に配置されてもよい。

【0056】

カソードガス通路７０には、カソードガスを燃料電池１のカソード１１に向けて搬送させる第２のガス搬送源としての第２のガスポンプ７１が設けられている。圧力スイッチ６１から出力された検知信号、流量計６４から出力された検知信号は、制御部１００に入力される。制御部１００は遮断弁６９、燃料ガス通路６におけるガスポンプ６０、カソードガス通路７０における第２のガスポンプ７１及び水ポンプ８０などの機器を制御させる。

【0057】

燃料電池１の発電運転においては、元圧弁６ｙが開放されており、更に、遮断弁６９が開放状態で且つガスポンプ６０が駆動してガス源６３の燃料ガスをガスポンプ６０よりも下流の発電モジュール１８の改質器２Ａに向けて矢印Ａ１方向に搬送させる。改質器２Ａに供給された燃料ガスは、改質反応により改質され、水素を含有するアノードガスとされる。アノードガスは燃料電池１のアノード１０に供給される。発電運転において第２のガスポンプ７１が駆動してカソードガス（空気）を発電モジュール１８の燃料電池１のカソード１１に向けて搬送させる。これにより、燃料電池１は発電運転して電力を生成させる。

【0058】

上記したように遮断弁６９が開放された状態でガスポンプ６０が駆動して燃料ガスをガスポンプ６０よりも下流の発電モジュール１８に向けて供給させて発電運転させる。ガスポンプ６０が駆動するときには、下流通路部分６ｎの圧力が開閉弁６６のリリーフ圧に勝つため、開閉弁６６が自動的に開放される。

【0059】

本実施形態の燃料電池システムにおいては、発電運転直前において、圧力スイッチ６１の故障の有無を検知する判定処理が行われる。図２は、第１の判定処理のフローチャートを示す。なお、本判定処理は、遮断弁６９、ガスポンプ６０及び開閉弁６６が正常に作動することを前提とする。

【0060】

まず、判定処理は、発電運転直前の発電準備モードｔ２で行われる。制御部１００は、ユーザのスイッチ操作により又はシステム環境に応じて発電運転を開始するために、発電準備命令を出力する。この発電準備命令が出力されると、発電待機モードｔ１から発電準備モードｔ２に移行する。発電準備モードｔ２では、制御部１００はStep.１Ａに移行し、図２に示すフローチャートを開始させる。遮断弁６９は閉鎖、ガスポンプ６０は停止、開閉弁６６は閉鎖している。Step.２Ａでは、制御部１００は、圧力スイッチ６１が検知した圧力Ｐ１が規定圧力Ｐa以上であるか否かを判定する（Ｐ１≧Ｐａ）。

【0061】

圧力スイッチ６１は、例えば、ケースと、流体の圧力に応じて変位するダイアフラムと、ダイアフラムの変位に応じて移動する移動接点と、ケースに固定された固定接点とをもつ。流体圧力がゼロである場合の位置を基準位置とし、流体圧力が規定圧力Ｐａ以上である場合に、ダイアフラムが基準位置から変位して移動接点と固定接点とが接触して電気導通する。流体圧力が規定圧力Ｐａ未満である場合には、ダイアフラムの基準位置からの変位量が小さく、移動接点が固定接点から離れて電気導通が遮断される。

【0062】

このようにして、圧力スイッチ６１は、規定圧力Ｐａ以上か否かでＯＮ／ＯＦＦが切り替わり、ＯＮかＯＦＦかの信号を制御部１００に出力する。圧力スイッチ６１は、燃料ガス通路が負圧化しているか否かを検知するものであるため、規定圧力Ｐａは、燃料ガスの元圧よりも低い圧力とされるとよい。例えば、燃料ガスの元圧が１．０ｋＰａ〜２．５ｋＰａであるとき、規定圧力Ｐａは元圧よりも小さく且つ負圧に近い圧力とするとよく、例えば、０．３ｋＰａとする。ただし、Ｐａはこれに限定されるものではない。

【0063】

本実施形態は、発電運転開始の直前である発電準備モードｔ２において第１の判定処理を行っている。図２には、第１の判定処理のフローチャートを示す。

【0064】

制御部１００は、Step.１Ａにおいて第１の判定処理を開始する。このとき、ガスポンプ６０は停止、開閉弁６６及び遮断弁６９は閉鎖とされている。第１の判定処理が開始されると、Step.２Ａにおいて、圧力スイッチ６１での検知圧力Ｐ１が規定圧力Ｐａ以上か否かの判定を行う。

【0065】

制御部１００は、圧力スイッチ６１から出力された信号がＯＮの場合には検知された圧力Ｐ１が規定圧力Ｐａ以上であり、ＯＦＦである場合にはＰ１がＰａ未満であると認識する。以下、各Step.で圧力スイッチ６１が圧力Ｐ１を検知するが、すべて規定圧力Ｐａ以上か否かを検知するものとする。

【0066】

圧力スイッチ６１の検知圧力Ｐ１が規定圧力Ｐａ以上である場合（ＹＥＳ）には、Step.３Ａにおいて、ガスポンプ６０を起動させる。ガスポンプ６０よりも上流側の検知通路部分６ｍの燃料ガスは、ガスポンプ６０よりも下流の下流通路部分６ｎに搬送される。検知通路部分６ｍの圧力は減圧され、圧力スイッチ６１の規定圧力Ｐａ（０．３ｋＰａ）以下とする。

【0067】

Step.４Ａにおいて、経過時間が規定時間ＴＭ１以下か否かを判定する。規定時間ＴＭ１は、ガスポンプ６０，遮断弁６９及び圧力スイッチ６１が正常である場合に、検知通路部分６ｍが規定圧力Ｐａ未満となるに十分な時間とする。例えば、ＴＭ１は、１〜３００秒の範囲内の任意値とすることができる。本実施形態では、ＴＭ１は１０秒とする。本実施形態において、このＴＭ１の値は、ガス搬送源６０の駆動を開始したときから、検知通路部分６ｍの圧力が規定圧力Ｐａ以下ではあるが比較的近い程度の圧力（０．１〜０．３ｋＰａ程度）になるまでの間の時間である。

【0068】

経過時間が規定時間ＴＭ１以下であるときには、Step.６Ａにおいて、検知圧力Ｐ１が規定圧力Ｐａ未満か否かを判定する。この判定で検知圧力Ｐ１が規定圧力Ｐａ未満である場合（ＹＥＳ）には、Step.７Ａにおいてガスポンプ６０を停止させ、更に、Step.８Ａにおいて、遮断弁６９を開放させる。Step.６Ａの判定で、検知圧力Ｐ１が規定圧力Ｐａ以上である場合（ＮＯ）には、経過時間がＴＭ１を超えて長くなったとき（Step.４Ａ）、圧力スイッチ故障と判定する（Step.５Ａ）。

【0069】

Step.２Ａにおいて判定がＮＯの場合には、Step.８Ａに移行して遮断弁６９を開放させる。すると、ガス源６３から燃料ガスが供給されて、検知通路部分６ｍの圧力が上昇し、ガス源６３の元圧と同定度の正常圧力（例えば、１．０〜２．５ｋＰａ）の程度まで戻す。以上により、第１の判定処理を終了する（Step.９Ａ）。

【0070】

本実施形態においては、発電運転を開始する毎に、圧力スイッチ６１の故障の有無を判定し、異常の場合には警報を出力している。このため、圧力スイッチ６１の信頼性を高めることができる。判定処理において、Step.５Ａで圧力スイッチ６１の故障であると判定された場合には、警報が出力される。警報は、警報器、ユーザ、メンテナンス会社などへの警報でもよいし、システムの発電停止でもよい。

【0071】

判定処理が終了した時には遮断弁６９は開放される。次の発電運転モードｔ３に移行したときには、ガスポンプ６０を作動させる。やがて、下流通路部分６ｎの圧力が開閉弁６６のリリーフ圧に達し、開閉弁６６が開放し、発電モジュール１８の改質器２Ａに燃料ガスが供給される。開閉弁６６のリリーフ圧は、待機モードｔ１又はｔ５の際の燃料ガス通路の圧力よりも高く設定されている。

【0072】

また、水ポンプ８０の作動が開始され改質水が蒸発部２に供給されて、蒸発部２で加熱されて水蒸気とされる。水蒸気と、燃料ガス通路６より供給された燃料ガスとでアノードガス（水素）が生成される。アノードガスは燃料電池１のアノード１０に搬送され、カソードガス（空気）が燃料電池１のカソード１１に搬送されて、発電運転が開始される。

【0073】

発電運転モードｔ３において、遮断弁６９を開放させた状態でガスポンプ６０を駆動させる。やがて、燃料ガス通路６におけるガス搬送源６０と開閉弁６６との間の下流通路部分６ｎの圧力が開閉弁６６のリリーフ圧に達し、開閉弁６６が開放される。改質器２Ａに燃料ガスが供給され、水素が生成されて、空気とともに燃料電池１に搬送され、燃料電池で発電反応が開始される。

【0074】

発電運転を終了させる指令が出力されたとき、制御部１００は、発電運転を停止させる停止モードｔ４を実行する。停止モードｔ４では、制御部１００は、発電モジュール１８内を還元性雰囲気にさせつつ冷却させる。そのために、発電運転時よりも少量の改質水を水ポンプ８０により改質器２Ａに供給させると共にガスポンプ６０により発電運転時よりも少量の燃料ガスを改質器２Ａの蒸発部２に供給させて、改質反応により水素含有ガスを少量生成させる。水素は還元性雰囲気を形成するため、発電モジュール１８の冷却時において、発電モジュール１８内の過剰酸化が抑制され、耐久性を高め得る。更に停止モードｔ４では、第２のガスポンプ７１の駆動によりカソードガスを燃料電池１のカソード１１に供給させることにより、発電モジュール１８の内部を冷却する。発電モジュール１８が規定温度以下まで冷却されたら、酸化のおそれが解消されるため、停止モードｔ４が終了される。終了に伴い、制御部１００は、水ポンプ８０、ガスポンプ６０及び第２のガスポンプ７１を停止させた状態に維持させる待機モードｔ５（非発電状態）を、次回の起動まで実行する。このように待機モードｔ５では、アノードガス、カソードガス、改質水は発電モジュール１８に供給されない。

【0075】

本実施形態においては、発電運転開始直前に圧力スイッチの故障の有無が検知される。このため、発電運転を開始する毎に圧力スイッチの作動を確認することができ、圧力スイッチの高い信頼性を確保できる。

【0076】

本実施形態においては、遮断弁６９は、１つの電磁弁により構成していたが、２つの電磁弁（２連弁）により構成されていてもよい。２つの電磁弁は、同時に作動させるとよい。

【0077】

本実施形態においては、第１の判定処理において、燃料ガス通路のガス圧力を低下させることで圧力スイッチの作動を確認している。このため、圧力スイッチの作動を簡素に確認できる。また、発電運転開始毎に圧力スイッチの作動を確認できるため、圧力スイッチの高い信頼性を確保できる。また、燃料電池の発電運転に影響を与えることなく、容易に実行される。

【0078】

また、圧力スイッチは、安価で、精度がよい。このため、圧力スイッチを用いて燃料ガス通路の圧力を検知することで、負圧の検出精度が高くなる。また、システム構成が簡素で安価となる。

【0079】

また、第１の判定処理においては、遮断弁６９と開閉弁６６とを閉鎖して遮断弁６９と開閉弁６６との間を密閉した状態で、圧力スイッチ６１の故障の有無を検知している。このため、検知通路部分６ｍの燃料ガスが、ガスポンプ６０により下流通路部分６ｎに搬送されたとき、下流通路部分６ｎと燃料電池１との間は開閉弁６６により閉鎖されているため、燃料電池１の待機状態に影響を及ぼすことはない。

【0080】

（実施形態２）
本実施形態は、第２の判定処理を行っている点が、実施形態１と相違する。図３は、本実施形態の第２の判定処理のフローチャートを示す。

【0081】

第２の判定処理は、発電運転開始直前の発電準備モードｔ２の際に実行される。Step.１Ｂにおいて本判定処理が開始される。遮断弁６９及び開閉弁６６は閉鎖、ガスポンプ６０は停止している。本判定処理が開始されると、閉鎖状態の遮断弁６９を開放し（Step.２Ｂ）、経過時間がＴＭ２以下か否かを判定する（Step.３Ｂ）。規定時間ＴＭ２は、１〜３００秒の範囲内の任意値とすることができる。ＴＭ２は、実施形態１のStep.４Ａにおける規定時間ＴＭ１と同程度かそれ以上の時間とするとよい。本実施形態では、ＴＭ２は２０秒とする。本実施形態においてＴＭ２は、遮断弁６９を開放したときから、検知通路部分６ｍの圧力がガス源６３の元圧程度になるまでの時間である。

【0082】

経過時間がＴＭ２以下である場合（ＹＥＳ）には、Step.５Ｂにおいて、圧力スイッチ６１の検知圧力Ｐ１が規定圧力Ｐａ以上か否かを判定する。

【0083】

ここで、圧力Ｐ１が規定圧力Ｐa未満となる要因として、ガス源６３の異常がある。従って、制御部１００は、経過時間が規定時間ＴＭ２よりも長くなっても（Step.３ＢのＮＯ）、検知された圧力Ｐ１が規定圧力Ｐa以上でない場合（Step.５ＢのＮＯ）には、Step.４Ｂにおいて、異常フラグを立てて、圧力スイッチ６１の故障又は／及びガス源６３の異常の警報を出力する。

【0084】

Step.５Ｂにおける判定の結果、圧力スイッチ６１で検知された圧力Ｐ１が規定圧力Ｐa以上とされている場合には（Ｐ１≧Ｐａ）、圧力スイッチ６１及びガス源６３はいずれも正常であると判定され、正常フラグを立てて、Step.６Ｂで判定処理を終了する。本判定処理が終了した後には、発電運転モードｔ３に移行し、ガスポンプ６０を駆動させる。

【0085】

本実施形態においても、発電準備モードｔ２で、圧力スイッチ及びガス源の異常の有無が検知される。このため、圧力スイッチ及びガス源の異常の早期発見をすることができる。

【0086】

また、遮断弁６９を開放して、圧力スイッチ６１で検知通路部分のガス圧力を検知している。このため、燃料ガス通路６が負圧化されることを防止でき、遮断弁６９及び開閉弁６６の弁張り付きによる作動不良を防止できる。

【0087】

（実施形態３）
本実施形態は、発電運転前の待機モードｔ１及び発電運転後の待機モードｔ５において、第２の判定処理を行っている。図４は、本実施形態の第２の判定処理のフローチャートを示す。

【0088】

発電運転前の待機モードｔ１、及び発電運転後の待機モードｔ５では、以下に説明する第２の判定処理が実行される。発電運転前の待機モードｔ１は、燃料電池装置の主スイッチがＯＮとされたときから、制御部１００が発電準備命令を出力するまでの間である。発電運転停止後の待機モードｔ５は、発電運転を停止させる停止モードｔ４の終了した後から、主スイッチがＯＦＦとされるか、または次の発電準備命令が出力されるまでの間である。したがって、発電運転後の待機モードｔ５は、発電運転前の待機モードｔ１と重なる場合がある。

【0089】

待機モードｔ１又はｔ５が開始されると、制御部１００は、Step.１１Ｂに移行し、図４に示す第２の判定処理が開始される。待機モードｔ１、ｔ５ではいずれも、遮断弁６９は閉鎖、ガスポンプ６０は停止、開閉弁６６は閉鎖している。Step.１２Ｂでは、制御部１００は、圧力スイッチ６１が検知した圧力Ｐ１が規定圧力Ｐa未満であるか否かを判定する（Ｐ１＜Ｐａ）。

【0090】

本実施形態においては、第２の判定処理の規定圧力Ｐａは、図２に示す判定処理における規定圧力Ｐaと同じとし、本実施形態では０．３ｋＰａとする。圧力Ｐ１が規定圧力Ｐa以上である場合には、Step.１８Ｂに移行し、第２の判定処理を繰り返す。

【0091】

Step.１２Ｂの判定結果において、圧力Ｐ１が低下して規定圧力Ｐa未満であれば、圧力スイッチ６１が設置されている遮断弁６９とガスポンプ６０との間の密閉状態の検知通路部分６ｍにおいて、燃料ガスが低温などにより熱収縮して圧力低下が生じている。更に、検知通路部分６ｍには、大容積の脱硫器６２が設置されており、低温による燃料ガスの熱収縮の影響が大きく、また、閉じ込められている燃料ガスのＣＨ基が脱硫器６２内の脱硫剤により吸着される。この意味においても、検知通路部分６ｍは密閉状態で維持されると減圧されやすい。その場合には、制御部１００は、Step.１３Ｂにおいて、遮断弁６９を開放させて、ガス源６３の元圧を検知通路部分６ｍに作用させる。この場合、ガスポンプ６０が停止しており、開閉弁６６が閉鎖されているため、検知通路部分６ｍ及び下流通路部分６ｎには燃料ガスが装填されて、正常圧化するはずである。

【0092】

そこで、Step.１４Ｂにおいて、制御部１００は、遮断弁６９を開放した時刻から圧力スイッチ６１により圧力を検知した時刻までの経過時間が規定時間ＴＭ３以下か否かを判定する。経過時間が規定時間ＴＭ３以下である場合には、Step.１６Ｂに移行する。制御部１００は、Step.１６Ｂにおいて、圧力スイッチ６１により検知された圧力Ｐ１が、規定圧力Ｐa以上であるか否かを判定する。本実施形態においては、Step.１６Ｂでの規定圧力Ｐaは、Step.１２Ｂでの判定基準である規定圧力Ｐaと同じとする。また、規定時間ＴＭ３は、１〜３００秒の範囲内の任意値とすることができる。ＴＭ３は、実施形態２のStep.３Ｂにおける規定時間ＴＭ２と同程度かそれ以上の時間とするとよい。本実施形態では、ＴＭ３は２０秒とする。本実施形態においてＴＭ３は、遮断弁６９を開放したときから、検知通路部分６ｍの圧力がガス源６３と同定度の正常圧（１．０ｋＰａ〜２．５ｋＰａ）に戻るに十分な時間とするとよい。

【0093】

Step.１６Ｂにおける判定の結果、圧力スイッチ６１により検知された圧力Ｐ１が規定圧力Ｐa以上とならない場合、即ちＰａ未満の場合には、Step.１４Ｂに戻り、経過時間が規定時間ＴＭ３よりも長くなるまで、Step.１４Ｂ、１６Ｂを繰り返す。制御部１００は、検知された圧力Ｐ１が規定圧力Ｐａ以上とならず（Step.１６ＢのＮＯ）且つ経過時間が規定時間ＴＭ３よりも長くなった場合には（Step.１４ＢのＮＯ）、Step.１５Ｂにおいて圧力スイッチ６１及びガス源６３の少なくとも一方に異常があると判定される。

【0094】

Step.１６Ｂにおいて、圧力Ｐ１が規定圧力Ｐa以上であると判定されたときには、Step.１７Ｂにおいて遮断弁６９を閉鎖させ、Step.１８Ｂにおいて第２の判定処理を終了する。その後、再度Step.１１Ｂに戻り、第２の判定処理を繰り返す。

【0095】

第２の判定処理は、燃料ガス通路の負圧化を完全に防止するために待機モードｔ１及びｔ５の間に連続して行うことが好ましいが、所定の経過時間毎、又はｔ１またはｔ５の間に１回又は複数回ずつ行うようにしても良い。

【0096】

このような第２の判定処理を繰り返すことにより、待機モードｔ１、ｔ５において、圧力スイッチ６１及び／又はガス源６３の異常の有無を検知できる。このため、圧力スイッチ６１及びガス源６３の信頼性が更に高い。また、燃料ガス通路６が負圧化されることを防止できる。したがって、遮断弁６９及び開閉弁６６の弁張り付きによる作動不良を防止できる。

【0097】

（実施形態４）
図５は、実施形態４の判定処理のフローチャートを示す。実施形態４では、第１の判定処理及び第２の判定処理の双方を行っている。図５に示すStep.１〜７は、実施形態１のStep.１Ａ〜７Ａ（図２）に対応し、図５に示すStep.８〜１２は、Step.２Ｂ〜６Ｂ（図３）に対応する。

【0098】

本実施形態の第、第２の判定処理は、発電運転開始直前の発電準備モードｔ２の際に実行される。Step.１において本判定処理が開始される。Step.２において圧力Ｐ１が規定圧力Ｐａ以上である場合には、Step.３〜７に示す第１の判定処理を行う。一方、圧力Ｐ１が低下しており、規定圧力Ｐa未満であれば（Step.２のＮＯ）、圧力スイッチ６１が設置されている遮断弁６９とガスポンプ６０との間の検知通路部分６ｍにおいて、燃料ガスが低温などにより圧力が低下していると予想される。その場合には、制御部１００は、Step.８〜１２に示す第２の判定処理を行う。

【0099】

まず、圧力Ｐ１が規定圧力Ｐａ以上であると判定された場合には、制御部１００は、Step.３に移行し、ここで、遮断弁６９及び開閉弁６６を閉鎖した状態を維持しつつ、ガスポンプ６０を起動させる。ガスポンプ６０よりも上流側の検知通路部分６ｍの燃料ガスは、ガスポンプ６０よりも下流の下流通路部分６ｎに搬送される。検知通路部分６ｍの圧力は減圧され、圧力スイッチ６１の規定圧力Ｐａ（０．３ｋＰａ）以下となる。

【0100】

次に、Step.４において、制御部１００は、ガスポンプ６０の作動開始時刻から圧力スイッチ６１による圧力検知時刻までの経過時間が規定時間ＴＭ１以下か否かを判定する。経過時間が規定時間ＴＭ１以下である場合には、Step.６に移行する。制御部１００は、Step.６において、圧力スイッチ６１により検知された圧力Ｐ１が、規定圧力Ｐa未満であるか否かを判定する。

【0101】

本実施形態においては、規定圧力Ｐaは、Step.２での判定基準である規定圧力Ｐaと同じ（例えば、０．３ｋＰａ）とする。規定時間ＴＭ１は、ガスポンプ６０，遮断弁６９及び圧力スイッチ６１が正常である場合に、検知通路部分６ｍが規定圧力Ｐａ未満となるに十分な時間とする。例えば、ＴＭ１は、１〜３００秒の範囲内の任意値とすることができる。本実施形態では、ＴＭ１は１０秒とする。本実施形態において、このＴＭ１の値は、ガス搬送源６０の駆動を開始したときから、検知通路部分６ｍの圧力が規定圧力Ｐａ以下ではあるが比較的近い程度の圧力（−０．５kＰａ以上 ０．３kＰａ以下））になるまでの間の時間である。

【0102】

Step.６における判定の結果、圧力スイッチ６１により検知される圧力Ｐ１が規定圧力Ｐａ未満とならない場合には、Step.４に戻り、経過時間が規定時間ＴＭ１よりも長くなるまで、Step.４、６を繰り返す。制御部１００は、検知された圧力Ｐ１が規定圧力Ｐa未満とならない、即ちＰａ以上であって（Step.６のＮＯ）且つ経過時間が規定時間ＴＭ１よりも長くなった場合には（Step.４のＮＯ）、圧力スイッチ６１が故障であると判定し、異常フラグを立てて、警報を出力する（Step.５）。

【0103】

Step.６における判定の結果、圧力スイッチ６１で検知される圧力Ｐ１が減圧化されて規定圧力Ｐa未満とされている場合には（Ｐ１＜Ｐａ）、圧力スイッチ６１は正常に作動したものとされる。そこで、制御部１００は、次のStep.７に移行し、ガスポンプ６０の駆動を停止させ、更にStep.８において遮断弁６９を開放させる。すると、ガス源６３から燃料ガスが供給されて、検知通路部分６ｍの圧力が上昇し、ガス源６３の元圧と同程度の正常圧力（例えば、１．０〜２．５ｋＰａ）の程度まで戻す。

【0104】

次に、Step.９において、制御部１００は、遮断弁６９を開放した時刻から圧力スイッチ６１で圧力を検知した時刻までの経過時間が規定時間ＴＭ２以下か否かを判定する。経過時間が規定時間ＴＭ２以下である場合には、Step.１１に移行する。制御部１００は、Step.１１において、圧力スイッチ６１により検知された圧力Ｐ１が、規定圧力Ｐa以上であるか否かを判定する。

【0105】

本実施形態においては、Step.１１での規定圧力Ｐaは、Step.２での判定基準である規定圧力Ｐaと同じとする。また、規定時間ＴＭ２は、１〜３００秒の範囲内の任意値とすることができる。ＴＭ２は、Step.６における規定時間ＴＭ１と同程度かそれ以上の時間とするとよい。本実施形態においてＴＭ２は、遮断弁６９を開放したときから、検知通路部分６ｍの圧力がガス源６３の元圧程度になるまでの時間である。

【0106】

Step.１１における判定の結果、圧力スイッチ６１により検知された圧力Ｐ１が規定圧力Ｐa以上とならない場合、即ちＰａ未満の場合には、Step.９に戻り、経過時間が規定時間ＴＭ２よりも長くなるまで、Step.９、１１を繰り返す。制御部１００は、検知された圧力Ｐ１が規定圧力Ｐａ以上とならず（Step.１１のＮＯ）且つ経過時間が規定時間ＴＭ２よりも長くなった場合には（Step.９のＮＯ）、Step.１０に移行する。

【0107】

ここで、例えば、圧力スイッチが減圧時にＯＮからＯＦＦにスイッチ切替えが成功したとしても、増圧時にＯＦＦからＯＮに切り替わらない場合がある。また、Step.１１において、圧力Ｐ１が規定圧力Ｐa未満となる要因として、ガス源６３の異常がある。従って、制御部１００は、経過時間が規定時間ＴＭ２よりも長くなっても（Step.９のＮＯ）、検知された圧力Ｐ１が規定圧力Ｐa以上でない場合には、Step.１０において、異常フラグを立てて、圧力スイッチ６１の故障又は／及びガス源６３の異常の警報を出力する。

【0108】

Step.１１における判定の結果、圧力スイッチ６１で検知された圧力Ｐ１が規定圧力Ｐa以上とされている場合には（Ｐ１≧Ｐａ）、圧力スイッチ６１及びガス源６３はいずれも正常であると判定され、Step.１２で判定処理を終了する。

【0109】

（参考形態）
図６は、本参考形態の負圧解消処理のフローチャートを示す。まず、Step.２１Ｂにおいて、待機モードｔ１又はｔ５において、負圧解消処理を開始させる。Step.２２Ｂにおいて、圧力スイッチ６１で検知通路部分６ｍのガス圧力を検知する。検知圧力Ｐ１が規定圧力Ｐａ未満であるか否かを判断する。規定圧力Ｐａは、０．３ｋＰａ程度である。

【0110】

検知圧力Ｐ１が規定圧力Ｐａ未満である場合には、Step.２３Ｂで遮断弁６９を規定時間ＴＭ３開放させ、その後Step.２４Ｂにおいて遮断弁６９を閉鎖させる。その後、Step.２５Ｂにおいて、負圧解消処理が終了し、その後、負圧解消処理を繰り返す。

【0111】

本参考形態においては、実施形態２の第３の判定処理（図４）とは異なって、圧力スイッチ６１及びガス源６３の異常の有無を判定していない。しかし、実施形態３と同様に、待機モードでの燃料ガス通路の負圧化を防止でき、遮断弁６９及び開閉弁６６の張り付きなどの作動不良を防止できる。

【0112】

本参考形態の負圧解消処理は待機モードｔ１又はｔ５のときに行われるが、発電準備モードｔ２のときに行うことも可能である。また、負圧解消処理を待機モードｔ１又はｔ５に行い、且つ、発電準備モードｔ２のときに実施形態１〜４の第１の判定処理及び／又は第２の判定処理を行うこともできる。

【0113】

（実施形態５）
図７および図８は実施形態５の概念を示す。本実施形態は上記実施形態と基本的には同様の作用および効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。図７に示すように、燃料電池システムは、燃料電池１と、液相状の水を蒸発させて水蒸気を生成させる蒸発部２と、蒸発部２で生成された水蒸気を用いて燃料ガスを改質させてアノードガスを形成する改質部３と、蒸発部２に供給される液相状の水を溜める水タンク４と、これらを収容する筐体５とを有する。燃料電池１は、イオン伝導体を挟むアノード１０とカソード１１とをもち、例えば、ＳＯＦＣとも呼ばれる固体酸化物形燃料電池（運転温度：例えば４００℃以上）に適用できる。

【0114】

改質部３は、セラミックス担体３ｋに改質触媒を担持させて形成されており、蒸発部２に隣設されている。蒸発部２はセラミックス担体２ｋをもつ。担体２ｋ，３ｋは粒状、ハニカム状等にできる。改質部３および蒸発部２は改質器２Ａを構成しており、燃料電池１と共に断熱壁１９で包囲され、発電モジュール１８を形成している。発電電運転時には、改質器２Ａは改質反応に適するように断熱壁１９内において加熱される。発電運転時には、蒸発部２は水を加熱させて水蒸気とさせ得るように加熱される。燃焼部１０５は改質部３および蒸発部２を加熱させる。燃料ガス通路６は、ガス源６３からの燃料を改質器２Ａに供給させるものであり、遮断弁６９、脱硫器６２、ガスポンプ６０および流量計６４をもつ。配置順は特に限定されない。燃料電池１のカソード１１には、カソードガス（空気）をカソード１１に供給させるためのカソードガス通路７０が繋がれている。カソードガス通路７０には、カソードガス搬送用のガス搬送源として機能するカソードポンプ７１、流量計７２が設けられている。

【0115】

図７に示すように、筐体５は、外気に連通する吸気口５０と排気口５１と吸気口５０付近（外気）の温度を検知する温度センサ５７とをもつ。温度センサ５７は必要に応じて設ければ良い。筐体５には、改質部３で改質される液相状の改質水を溜める水タンク４が収容されている。水タンク４には、排水バルブ４０ｍが設けられており、更に、電気ヒータ等の加熱機能をもつ加熱部４０が必要に応じて設けられている。加熱部４０は、水タンク４に貯留されている改質水を加熱させるものであり、電気ヒータ等で形成できる。外気温度等の環境温度が低いとき等には、制御部１００からの指令に基づいて、水タンク４の水は加熱部４０により加熱され、凍結が抑制される。なお、水タンク４内の水位は基本的にはほぼ同一となるようにされていることが好ましい。

【0116】

図７に示すように、水タンク４の出口ポート４ｐと蒸発部２の入口ポート２ｉとを連通させる給水路８が、配管として筐体５内に設けられている。図７に示すように、筐体５内において、水タンク４は蒸発部２の下側に配置されているため、給水路８は上下方向に沿って延びる。給水路８は、水タンク４内に溜められている水を水タンク４の出口ポート４ｐから蒸発部２に供給させる通路である。給水路８には、水タンク４内の水を蒸発部２まで搬送させる水ポンプ８０が設けられている。なお、給水路８は蒸発部２，改質部３、燃料電池１等を介して大気に連通するようにされている。水ポンプ８０を水タンク４の出口ポート４ｐ側に設けても良い。

【0117】

給水路８において、水ポンプ８０の下流で且つ蒸発部２の上流において水センサ８７が設けられている。水センサ８７は、給水路８において蒸発部２の入口ポート２ｉの直前に配置されていることが好ましい。なお、給水路８には、改質水の流量を測定する流量計は設けられていない。場合によっては、演算結果のチェック等のため、給水路８に流量計を設けることにしても良い。

【0118】

図８に示すように、制御部１００は、入力処理回路１００ａ、出力処理回路１００Ａ、タイマー計測機能をもつＣＰＵ１００ｃ、記憶部として機能するメモリ１００ｍとを有する。制御部１００には、圧力スイッチ６１，流量計６４，水センサ８７，温度センサ５７の検知信号がそれぞれ入力される。制御部１００は、第１遮断弁６９ｆ及び第２遮断弁６９ｓからなる遮断弁６９（二連弁）、ガスポンプ６０、及び警報器１０２を制御する。更に、制御部１００は、第２のガスポンプ７１，水ポンプ８０を制御することができる。なお、第１遮断弁６９ｆ及び第２遮断弁６９ｓは、いずれも電磁開閉弁であり、制御部１００により同時に同じ作動をするように制御されている。

【0119】

（システムの運転）
システムの発電運転を実施するとき、制御部１００は、発電運転モードｔ３が開始されると、暖機運転を実行する。暖機運転では、制御部１００は、遮断弁６９を開放させた状態で、ガスポンプ６０を駆動させて燃料ガスを燃料ガス通路６に介して発電モジュール１８の燃料電池１を介して燃焼部１０５に供給させる。制御部１００はカソードポンプ７１も駆動させてカソードガス通路７０を介して空気を発電モジュール１８のカソード１１を介して燃焼部１０５に供給させる。図略の着火部が着火するため、燃焼部１０５において燃料ガス（例えば都市ガス）が空気により燃焼する。燃焼が継続するため、燃焼部１０５における燃焼熱により、改質部３、蒸発部２および燃料電池１が加熱されて暖機される。このような暖機運転では、水ポンプ８０は停止しており、水タンク４の改質水は蒸発部２に供給されないので、改質部３における改質処理は実施されない。改質部３、蒸発部２および燃料電池１が所定の温度域に加熱されると、制御部１００は暖機運転を終了させ、発電運転に移行させる。

【0120】

発電運転では、制御部１００は、水ポンプ８０を駆動させると、水タンク４内の液相状の改質水は、水タンク４の出口ポート４ｐから給水路８を搬送され入口ポート２ｉから蒸発部２に供給される。改質水は、蒸発部２で加熱されて水蒸気とされる。水蒸気は、燃料ガス通路６から供給される燃料と共に改質部３に移動する。改質部３において燃料ガスは、水蒸気で改質されてアノードガス（水素含有ガス）となる。アノードガスはアノードガス通路７３を介して燃料電池１のアノード１０に供給される。更にカソードポンプ７１が駆動してカソードガス（酸素含有ガス、筐体５内の空気）がカソードガス通路７０を介して燃料電池１のカソード１１に供給される。これにより燃料電池１が発電する。カソード１１から吐出されたカソードオフガスは、発電反応に消費されなった酸素を含む。アノード１０から吐出されたアノードオフガスは、発電反応に消費されなった水素を含む。従って、発電運転においても燃焼部１０５においてアノードオフガスがカソードオフガスにより燃焼され、改質部３および蒸発部２が改質反応に適するように加熱される。

【0121】

暖機運転および発電運転において、発電モジュール１８で発生した高温の排ガスは、排ガス通路７５を介して筐体５の外方に排気される。排ガス通路７５には、凝縮機能をもつ熱交換器７６が設けられている。貯湯槽７７に繋がる貯湯通路７８および貯湯ポンプ７９が設けられている。貯湯通路７８は往路７８ａおよび復路７８ｃをもつ。貯湯槽７７の低温の水は、貯湯ポンプ７９の駆動により、貯湯槽７７の出口ポート７７ｐから吐出されて往路７８ａを通過し、熱交換器７６に至り、熱交換器７６で排ガスにより加熱される。熱交換器７６で加熱された水は、復路７８ｃを介して帰還ポート７７ｉから貯湯槽７７に帰還する。このようにして貯湯槽７７の水は温水となる。前記した排ガスに含まれていた水蒸気は、熱交換器７６で凝縮されて凝縮水となる。凝縮水は、熱交換器７６から延設された凝縮水通路４２を介して重力等により浄水部４３に流下される。従って、浄水部４３および水タンク４は発電モジュール１８の下側に位置する。

【0122】

浄水部４３はイオン交換樹脂等の水浄化剤４３ａを有するため、凝縮水の不純物は除去される。不純物が除去された水は水タンク４に移動し、水タンク４に改質水として溜められる。水ポンプ８０が正運転で駆動すると、水タンク４内の改質水は給水路８を介して高温の蒸発部２に供給され、蒸発部２で水蒸気とされて改質部３に供給され、改質部３において燃料ガスを改質させる改質反応として消費される。水蒸気改質の一般式は（１）と考えられている。
（１）…Ｃ_ｎＨ_ｍ＋２ｎＨ_２Ｏ→ｎＣＯ_２＋[（ｍ／２）＋２ｎ]Ｈ_２
ｎ，ｍは特定の整数を示す。ｎ＝１，ｍ＝４の場合には、メタン（ＣＨ_４）が水蒸気改質される。

【0123】

本実施形態においても、発電準備モードｔ２で判定処理を行い、大気モードｔ１，ｔ５で負圧解消処理を行う。

【0124】

制御部１００は、判定処理を実行するとき、判定処理を実行した直後、判定処理を実行する直前のうちの少なくともいずれかにおいて、万一、燃料ガスが発電モジュール１８側に移行するときには、第２ガスポンプ７０の駆動により筐体５内の空気をカソードガス通路７０に供給させ、燃料ガスを空気で希釈させることが好ましい。なお、発電運転されていないときに、判定処理において正常でないと判定された場合には、システムの次回の起動までに、遮断弁６９および燃料ガス通路６の不具合をメンテナンスできる。

【0125】

（その他）
本発明は上記し且つ図面に示した各実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実行できる。図１および図２において、燃料ガス通路６において流量計６４、バッファタンク６５が搭載されていないシステムでも良い。

【0126】

判定処理は、発電準備モードｔ２に行うだけでなく、待機モードｔ１，ｔ５で行っても良い。また、発電準備モードｔ２に代えて、待機モードｔ１、ｔ５で行っても良い。待機モードで行う場合には、ｔ１及びｔ５で行っても良いし、ｔ１又はｔ５で行っても良い。ｔ１、ｔ２、ｔ５では、ガスポンプ６０が停止されており、開閉弁６６が閉鎖されており、燃料電池１の発電運転中ではない。このため、発電運転に影響を与えることなく、圧力スイッチ６１の故障の有無を判定することができ、圧力スイッチ６１の高い信頼性を実現できる。

【0127】

燃料電池１は固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）に限定されず、場合によっては、ＰＥＦＣとも呼ばれる固体高分子形燃料電池でも良いし、リン酸形燃料電池でも良く、溶融炭酸塩形燃料電池でも良く、他のタイプの燃料電池でも良い。加熱部４０は水タンク４に設けられているが、廃止されていても良い。第１ガス搬送源は燃料ガス等の燃料ガスを搬送できれば良く、ガスポンプ６０に限らず、ファン、コンプレッサでも良い。第２ガス搬送源はカソードガスを搬送できれば良く、第２ガスポンプ７１に限らず、ファン、コンプレッサでも良い。遮断弁６９は２連弁でも１連弁でも良い。圧力スイッチ６１の位置は上記に限定されず、脱硫器６２と流量計６４との間でも良いし、ガスポンプ６０と脱硫器６２との間でも良い。圧力スイッチ６１に代えて、圧力センサでもよい。上記した実施形態は定置形の燃料電池システムに適用しているが、これに限らず、脱硫器を有しない燃料電池システムに適用しても良いし、水素ガスであるアノードガスを充填した燃料タンクをガス源として有する車両搭載型の燃料電池システムに適用しても良い。上記した記載から次の技術的思想が把握される。

【符号の説明】

【0128】

１は燃料電池、１０はアノード、１１はカソード、１８は発電モジュール、２Ａは改質器、２は蒸発部、３は改質部、４は水タンク、５は筐体、６は燃料ガス通路、６ｍは検知通路部分、６ｎは下流通路部分、６０はガスポンプ（ガス搬送源）、６１は圧力スイッチ（圧力検知要素）、６２は脱硫器、６３はガス源、６６は開閉弁（逆止弁）、６９は遮断弁、６９ｆは第１遮断弁、６９ｓは第２遮断弁、７０はカソードガス通路、７１は第２のガスポンプ、７５は排ガス通路、８は給水路、１００は制御部を示す。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】