JP2008159318A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の発電を行わないときは燃料電池の付帯機器の電力消費量をできるだけ抑制する燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】燃料電池システム１０は、商用電源ＰＰに連系された燃料電池３０と、燃料電池３０が発電するために利用される付帯機器であって、燃料電池３０の発電を行うとき及び燃料電池３０の発電を行わないときに通電する常時通電機器（１００番台）と、燃料電池３０の発電を行うときに通電する停止時不通電機器（２００番台）と、商用電源ＰＰから停止時不通電機器（２００番台）に電力を供給するためのケーブルに配設された継電器と、燃料電池３０の発電を行わないときに、間歇的に停止時不通電機器（２００番台）に通電するように継電器を制御する、常時通電機器に属する制御装置１４０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に燃料電池の発電を行わないときは燃料電池の付帯機器の電力消費量をできるだけ抑制する燃料電池システムに関するものである。

燃料電池は、付帯機器を伴って燃料電池システムとして構築されるのが一般的である。付帯機器には、燃料電池に水素含有ガスを供給するブロワや燃料電池に冷却水を供給するポンプ等の補機類、燃料電池システムの状態を把握する各種のセンサ類、燃料電池システムの運転を制御する制御装置等が含まれる。また、燃料電池は、商用電源に連系されて各電力負荷や付帯機器に電力を供給することができるようになっているのが一般的である。燃料電池システムは、燃料電池システムの起動時から燃料電池の運転動作が確立するまでは商用電源から付帯機器に電力が供給され、燃料電池の運転動作が確立した後には燃料電池で発電される電力の一部が付帯機器に供給されるように構成されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−２４３０１１号公報（段落０００２、図４等）

燃料電池システムは電力負荷等の状況により燃料電池での発電を停止して待機状態となる。待機状態のとき、燃料電池に水素含有ガスを供給するブロワ等は停止しているが、次の起動に備え、燃料電池システムの状態を把握するセンサ類は作動して電力を消費している。燃料電池の発電がないときに電力を消費すると、商用電源からの買電量が増加することとなる。

本発明は上述の課題に鑑み、燃料電池の発電がないときは燃料電池の付帯機器の電力消費量をできるだけ抑制する燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、商用電源ＰＰに連系された燃料電池３０と；燃料電池３０が発電するために利用される付帯機器であって、燃料電池３０の発電を行うとき及び燃料電池３０の発電を行わないときに通電する常時通電機器（図では１００番台の参照符号が付されている機器）と；燃料電池３０が発電するために利用される付帯機器であって、燃料電池３０の発電を行うときに通電する停止時不通電機器（図では２００番台の参照符号が付されている機器であり、本段落では符号「２ＸＸ」で表す）と；商用電源ＰＰから停止時不通電機器２ＸＸに電力を供給するためのケーブル９１（例えば図３参照）に配設された継電器７１（例えば図３参照）と；燃料電池３０の発電を行わないときに、間歇的に停止時不通電機器２ＸＸに通電するように継電器７１（例えば図３参照）を制御する、常時通電機器に属する制御装置１４０とを備える。ここで、「燃料電池の発電を行うとき」とは、典型的には、燃料電池における実際の発電の有無にかかわらず、燃料電池で発電することを意図して付帯機器を稼働させているときである。「燃料電池の発電を行わないとき」とは、典型的には、燃料電池で発電することを意図しておらず付帯機器を停止させているときである。

このように構成すると、燃料電池の発電を行わないときに、間歇的に停止時不通電機器に通電するように継電器を制御するので、燃料電池の発電がないときに停止時不通電機器で消費される電力量が抑制される。また、燃料電池が発電していなくても常時通電機器に電力が供給されるので、燃料電池システムの制御に支障をきたすことがない。

また、請求項２に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、請求項１に記載の燃料電池システム１０において、燃料電池システム１０を構成する部材であって、燃料電池３０の発電を行わないときに内部の圧力が正圧に保たれる保圧構成部材２０（３０ａ）と；燃料電池３０の発電を行わないときに保圧構成部材２０（３０ａ）の内部を密閉する保圧構成部材密閉手段２２２、２２３（２２３、１５）と；保圧構成部材２０（３０ａ）の内部に保圧用ガスｍを供給する、停止時不通電機器に属する保圧用ガス供給手段２２１とを備える。ここで、正圧とは、周囲（対象領域外）よりも高い圧力である。

このように構成すると、保圧用ガス供給手段が停止時不通電機器に属するので、燃料電池の発電を行わないときにこの機器で消費される電力量を抑制することができる。

また、請求項３に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、請求項２に記載の燃料電池システム１０において、保圧構成部材２０（３０ａ）の内部圧力を検出する、停止時不通電機器に属する保圧構成部材圧力検出手段２２５（２３５）をさらに備え；制御装置１４０が、保圧構成部材圧力検出手段２２５（２３５）で検出した圧力が第１の所定の圧力以下のときに保圧用ガス供給手段２２１を稼働させ、保圧構成部材２０（３０ａ）の内部圧力を第１の所定の圧力よりも高い第２の所定の圧力以上とするように構成されている。

このように構成すると、保圧構成部材圧力検出手段で検出した圧力が第１の所定の圧力以下のときに保圧用ガス供給手段を稼働させ、保圧構成部材の内部圧力を第１の所定の圧力よりも高い第２の所定の圧力以上とするので、保圧構成部材の内部が周囲の圧力よりも低くなることを防ぐことが可能となる。

また、請求項４に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、請求項３に記載の燃料電池システム１０において、保圧構成部材２０（３０ａ）の内部温度を検出する、停止時不通電機器に属する保圧構成部材温度検出手段２２４（２３４）と；燃料電池３０の発電を行わないときの時間経過と、保圧構成部材２０（３０ａ）の内部が保圧構成部材温度検出手段２２４（２３４）で検出した温度で第３の所定の圧力の状態のときからの圧力低下との関係から、第３の所定の圧力から保圧構成部材２０（３０ａ）の周囲の圧力以上の第４の所定の圧力に低下するまでの内圧低下時間を演算する演算部１４１とを備える。

このように構成すると、内圧低下時間を演算することにより、適切なタイミングで停止時不通電機器に通電することが可能になり、燃料電池の発電がないときに停止時不通電機器に通電することを必要最小限にとどめることができる。

また、請求項５に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１を参照して示すと、請求項４に記載の燃料電池システム１０において、制御装置１４０が、保圧構成部材圧力検出手段２２５（２３５）で検出した値が第５の所定の圧力以下のときは保圧用ガス供給手段２２１で昇圧した後に演算部１４１で内圧低下時間を算出させ、保圧構成部材圧力検出手段２２５（２３５）で検出した値が第５の所定の圧力を超えるときは保圧用ガス供給手段２２１を稼働させずに演算部１４１で内圧低下時間を算出させるように構成されている。

このように構成すると、保圧構成部材の内部が周囲の圧力よりも低くなることを防ぐことが可能となる。

また、請求項６に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１を参照して示すと、請求項４又は請求項５に記載の燃料電池システム１０において、制御装置１４０が、内圧低下時間が経過したときに保圧構成部材圧力検出手段２２５（２３５）及び保圧構成部材温度検出手段２２４（２３４）に通電するように継電器７１（例えば図３参照）を制御する。

このように構成すると、保圧構成部材の内部が周囲の圧力よりも低くなることを防ぎつつ、適切なタイミングで停止時不通電機器に通電することが可能になる。

また、請求項７に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１を参照して示すと、請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、保圧構成部材２０（３０ａ）の内部温度を検出する、停止時不通電機器に属する保圧構成部材温度検出手段２２４（２３４）を備え；制御装置１４０が、保圧構成部材温度検出手段２２４（２３４）で検出した温度が所定の温度以下のときに保圧用ガス供給手段２２１を稼働させるように構成されている。

このように構成すると、単純な構成で、保圧構成部材の内部が周囲の圧力よりも低くなることを防ぐことが可能となる。

また、請求項８に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、請求項２乃至請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム１０において、保圧構成部材が、原料ガスｍと水ｓとを導入し原料ガスｍを水蒸気改質して燃料電池３０に供給する水素を含む改質ガスｇを生成する改質器２０を含んで構成され；保圧構成部材密閉手段が、改質器２０の内部を密閉する改質器内部密閉手段２２２、２２３を含んで構成され；保圧用ガス供給手段が、改質器２０に原料ガスｍを供給する原料ガス供給手段２２１で構成されている。

このように構成すると、消費電力を抑制しつつ、改質器の内部の圧力が周囲の圧力よりも低くなることを防ぐことが可能となる。

また、請求項９に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、請求項２乃至請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム１０において、保圧構成部材が、燃料電池３０の燃料極３０ａを含んで構成され；保圧構成部材密閉手段が、燃料極３０ａの内部を密閉する燃料極内部密閉手段２３５、１５を含んで構成されている。燃料電池の発電を行わないとき、典型的には、燃料電池の空気極３０ｃは周囲の圧力（典型的には大気圧）と同じ圧力になっている。

このように構成すると、消費電力を抑制しつつ燃料電池の燃料極と空気極との圧力差を許容範囲内に維持することが可能となる。

本発明によれば、燃料電池の発電を行わないときに、間歇的に停止時不通電機器に通電するように継電器を制御するので、燃料電池の発電がないときに停止時不通電機器で消費される電力量が抑制される。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。なお、図１中、一点鎖線は電気ケーブルを表す。

まず図１を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１０の機械的構成について説明する。図１は、燃料電池システム１０の機械的構成の模式的系統図である。燃料電池システム１０は、燃料電池３０と、燃料電池３０に供給する水素を含んだ改質ガスｇを生成する改質器２０と、燃料電池３０が発電するために利用される付帯機器と、燃料電池システム１０を制御する制御装置１４０とを備えている。付帯機器は、常時通電機器（図中、１００番台の参照符号が付されている）と、停止時不通電機器（図中、２００番台の参照符号が付されている）と、発電時通電機器に大別される。常時通電機器は、燃料電池３０の発電状態にかかわらず通電する。停止時不通電機器は、燃料電池３０の発電を行うときに通電し、燃料電池３０の発電を行わないときはほとんど通電せずに間歇的に通電する。発電時通電機器は、燃料電池３０の発電を行うときに通電し、燃料電池３０の発電を行わないときは通電しない。制御装置１４０は常時通電機器に属する。

改質器２０は、原料ガスｍとプロセス水ｓとを導入し水蒸気改質反応により水素に富む改質ガスｇを生成する機器である。原料ガスｍは、典型的には、メタン、エタン等の鎖式炭化水素（天然ガスも含む）、あるいはメタノール、石油製品（灯油、ガソリン、ナフサ、ＬＰＧ等）等の炭化水素を主成分とする混合物等を気化させた炭化水素系の燃料であり、加熱用の燃焼に適するものが用いられる。プロセス水ｓは水蒸気であってもよい。また、水素に富む改質ガスｇとは、水素を主成分とするガスであり、水素を４０体積％以上、典型的には７０〜８０体積％程度含んだ、燃料電池３０に供給するガスである。改質ガスｇ中の水素濃度は８０体積％以上でもよく、すなわち燃料電池３０に供給したときに酸化剤ガスｔ中の酸素との電気化学的反応により発電可能な濃度であればよい。

ここで図２を参照して、改質器２０の構成をより詳細に説明する。図２は、改質器２０の模式的縦断面図である。改質器２０は、改質部２１と、変成部２２と、選択酸化部２３と、プロセス水導入管２４と、加熱部２５とを有している。改質部２１と、変成部２２と、選択酸化部２３と、プロセス水導入管２４とは連通しており、相互に内部の圧力変動の影響を受けるが、これらと加熱部２５とは連通を遮断することができるように構成されている。改質器２０は、保圧構成部材の一つであり、特に改質部２１、変成部２２、選択酸化部２３が保圧されることが好ましい部分である。なお、保圧構成部材とは、内部の圧力を所定の範囲で保持することが好ましい、燃料電池システム１０を構成する部材である。

改質部２１は、原料ガスｍと水としての水蒸気ｓｖとを導入し、水蒸気改質反応により、原料ガスｍを準改質ガスｒ１に改質する。準改質ガスｒ１には、典型的には、水素が７０体積％程度含まれており、一酸化炭素が１０体積％程度含まれている。改質部２１には改質触媒２１ｃが充填されており、水蒸気改質反応を促進させるように構成されている。改質触媒２１ｃは、典型的には、ニッケル系改質触媒やルテニウム系改質触媒が用いられる。

また、改質部２１には、内部の温度を検出する保圧構成部材温度検出手段としての改質部温度センサ２２４が配設されている。改質部温度センサ２２４は、典型的には改質触媒２１ｃの下流側に配設されている。改質部温度センサ２２４は制御装置１４０と信号ケーブルで接続されており、検出した改質部２１内の温度を信号として制御装置１４０に送信することができるように構成されている。

また、改質部２１で生成された準改質ガスｒ１が変成部２２に送られるように、改質部２１は、改質触媒２１ｃより下流側で変成部２２と接続されている。以下の説明において「接続され」とは、流路等を介して接続される場合も含む。また、改質触媒２１ｃより上流側の改質部２１には、原料ガスｍを導入するための原料ガス導入管２８が接続されている。原料ガス導入管２８には、改質部２１への原料ガスｍの導入を遮断する入口電磁弁２２２が配設されている。

変成部２２は、改質部２１から準改質ガスｒ１を導入し、準改質ガスｒ１に含まれる一酸化炭素を、同じく準改質ガスｒ１に含まれる水分と変成反応させて、二酸化炭素と水素とを生成することにより準改質ガスｒ１から一酸化炭素濃度が低減した変成ガスｒ２を生成する。変成反応は発熱反応である。変成部２２には、変成触媒２２ｃが充填されており、変成反応を促進させるように構成されている。変成触媒２２ｃは、典型的には、鉄−クロム系変成触媒、銅−亜鉛系変成触媒、白金系変成触媒等が用いられる。変成部２２で生成される変成ガスｒ２は、一酸化炭素濃度が５０００〜１００００ｐｐｍ程度に低減されている。変成部２２は、変成部２２で生成された変成ガスｒ２が選択酸化部２３に送られるように、変成触媒２２ｃより下流側で選択酸化部２３と接続されている。

選択酸化部２３は、変成部２２から変成ガスｒ２を導入し、系外から空気ａ（以下「選択酸化空気ａ」という。）を導入することにより酸素を導入して、変成ガスｒ２中に残存した一酸化炭素と導入した酸素との選択酸化反応により、変成ガスｒ２からさらに一酸化炭素濃度が低減した改質ガスｇを生成する。選択酸化反応は発熱反応である。選択酸化部２３には、選択酸化触媒２３ｃが充填されている。選択酸化触媒２３ｃは、典型的には、白金系選択酸化触媒、ルテニウム系選択酸化触媒、白金−ルテニウム系選択酸化触媒等が用いられる。選択酸化触媒２３ｃより上流側の選択酸化部２３には、選択酸化空気ａを導入するための選択酸化空気管６９が接続されている。選択酸化空気管６９には選択酸化部２３への選択酸化空気ａの導入を遮断する選択酸化空気電磁弁２７が配設されている。

選択酸化部２３で生成される改質ガスｇは、前述のように、水素を４０％以上、典型的には７５％程度含むガスである。改質ガスｇ中の一酸化炭素濃度は、およそ１０ｐｐｍ以下程度である。選択酸化触媒２３ｃより下流側の選択酸化部２３には、改質ガスｇを導出する改質ガス導出管２９が接続されている。改質ガス導出管２９には改質ガスｇの流れを遮断する出口電磁弁２２３が配設されている。出口電磁弁２２３よりも上流側の改質ガス導出管２９には、改質ガスｇを加熱部２５に導くバイパス管６６が接続されている。バイパス管６６には改質ガスｇの流れを遮断するバイパス電磁弁１６が配設されている。また、出口電磁弁２２３よりも上流側の改質ガス導出管２９には、改質器２０の内部の圧力を検出する保圧構成部材圧力検出手段としての内部圧力センサ２２５が設けられている。改質器２０の内部とは、各触媒２１ｃ、２２ｃ、２３ｃが存在し、ガスが流通する部分であり、本実施の形態では、入口電磁弁２２２、出口電磁弁２２３、選択酸化空気電磁弁２７、バイパス電磁弁１６、後述するプロセス水電磁弁２６の遮断で密閉となる空間である。つまり、本実施の形態では、入口電磁弁２２２、出口電磁弁２２３、バイパス電磁弁１６、プロセス水電磁弁２６、選択酸化空気電磁弁２７で改質器内部密閉手段を構成している。

プロセス水管２４は、変成部２２及び選択酸化部２３に隣接すると共に、改質部２１にも隣接して配設されている。変成部２２及び選択酸化部２３に隣接するとは、変成部２２及び選択酸化部２３における反応で発生した熱を、プロセス水管２４内を流れる水ｓが受熱する程度に近いことである。このときの受熱量は、液体の水ｓが改質部２１に流入する前に気体の水（水蒸気ｓｖ）になる程度であることが好ましい。また、プロセス水管２４は、改質部２１からも受熱できるように配設されている。プロセス水管２４を流れるプロセス水ｓが改質部２１に流入する前に気化するのに十分な熱を受けられない場合は加熱部２５から受熱できるように加熱部２５内あるいは加熱部２５近傍にもプロセス水管２４が配設されるようにするとよい。プロセス水管２４にはプロセス水電磁弁２６が配設されている。

加熱部２５は、典型的には、バーナー２５ｂを有しており、燃焼用燃料と、燃焼用空気（不図示）とを導入し、燃焼用燃料を燃焼させて改質熱を発生する。燃焼用燃料は、例えば、原料ガスｍ（導入用の管の図示は省略している）、アノードオフガスライン６５を介して導入されるアノードオフガスｐ、及び改質ガスｇのうちの１種類あるいは２種類以上が用いられる。アノードオフガスｐとは、燃料電池３０（図１参照）から排出されるガスであって燃料電池３０（図１参照）における電気化学反応に使われなかった水素を含んでいるガスである。加熱部２５は、改質に利用する熱を改質部２１に与えることができる程度に改質部２１の近くに配設されており、好ましくは改質部２１をその中央に空間が形成されるように竹輪状に形成した上で中央の空間内に配設されるようにすると、効果的に改質部２１に改質熱を伝えることができる。

再び図１を参照して説明を続ける。改質器２０への原料ガスｍの導入を遮断する入口電磁弁２２２には、原料ガスｍを流す原料ガスライン６１が接続されている。原料ガスライン６１には、原料ガスｍを圧送する原料ガス供給手段としての原料ガスブロワ２２１が配設されている。

燃料電池３０は、水素と酸素との電気化学的反応により発電する燃料電池であり、典型的には固体高分子型燃料電池である。燃料電池３０は、改質ガスｇを導入する燃料極３０ａと、酸化剤ガスｔを導入する空気極３０ｃと、電気化学的反応により発生した熱を奪う冷却部３０ｒとを含んで構成されている。酸化剤ガスｔは、典型的には空気である。燃料電池３０は、図では簡易的に示されているが、実際には、固体高分子膜を燃料極３０ａと空気極３０ｃとで挟んで単一のセルが形成され、このセルを冷却部３０ｒを介し複数枚積層して構成されている。燃料電池３０では、燃料極３０ａに供給された改質ガスｇ中の水素が水素イオンと電子とに分解し、水素イオンが固体高分子膜を通過して空気極３０ｃに移動すると共に電子が燃料極３０ａと空気極３０ｃとを結ぶ導線を通って空気極３０ｃに移動して、空気極３０ｃに供給された酸化剤ガスｔ中の酸素と反応して水を生成し、この反応の際に発熱する。この反応における、電子が導線を通ることにより、直流の電力を取り出すことができる。燃料電池３０には、直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナー３３が接続されている。パワーコンディショナー３３は、電気ケーブルを介して商用電源ＰＰ及び電力負荷ＥＬに接続されている。

燃料極３０ａは、保圧構成部材の一つである。燃料極３０ａには、内部の温度を検出する保圧構成部材温度検出手段としての燃料極温度センサ２３４が配設されている。また、燃料極３０ａには、改質ガスｇを流す改質ガスライン６２が接続されている。改質ガスライン６２の他端は出口電磁弁２２３に接続されている。また、燃料極３０ａと加熱部２５とは、アノードオフガスライン６５を介して接続され、アノードオフガスｐを加熱部２５に導入することができるようになっている。アノードオフガスライン６５には、アノードオフガス電磁弁１５が配設されている。アノードオフガス電磁弁１５よりも下流側のアノードオフガスライン６５には、バイパス管６６が接続されている。出口電磁弁２２３及びアノードオフガス電磁弁１５を閉じることにより燃料極３０ａの内部を密閉することができる。つまり、本実施の形態では、出口電磁弁２２３及びアノードオフガス電磁弁１５で燃料極内部密閉手段を構成している。なお、燃料極３０ａの内部とは、改質ガスｇあるいはアノードオフガスｐが流通する部分であり、出口電磁弁２２３及びアノードオフガス電磁弁１５の遮断で密閉となる空間である。典型的には、改質ガスライン６２に、燃料極の内部圧力を検出する保圧構成部材圧力検出手段としての燃料極圧力センサ２３５が配設されている。燃料極圧力センサ２３５は、燃料極３０ａの内部圧力を検出することができれば、燃料極３０ａに設けられていてもよく、アノードオフガス電磁弁１５より上流のアノードオフガスライン６５に設けられていてもよい。

燃料電池３０の空気極３０ｃには、酸化剤ガスｔを導入する酸化剤ガスライン６３が接続されている。酸化剤ガスライン６３には酸化剤ガスｔを圧送する酸化剤ガスブロワ３１が配設されている。また、空気極３０ｃにはカソードオフガスを排出するカソードオフガスライン（不図示）が接続されている。カソードオフガスは、燃料電池３０における電気化学的反応に使われなかった酸素を含んでいる、空気極３０ｃから排出されるガスである。燃料電池３０の冷却部３０ｒには、冷却水ｃを流す冷却水ライン６４が接続されている。冷却水ライン６４は循環ラインとなっている。冷却水ライン６４には放熱器（不図示）が配設されており、冷却部３０ｒで熱を奪って上昇した冷却水ｃの温度を低下させることができるようになっている。放熱器（不図示）で冷却水ｃから奪われた熱は、典型的には蓄熱槽（不図示）に蓄熱され、給湯や暖房等の熱需要（不図示）において適宜利用される。冷却水ライン６４には、冷却水ｃを循環させる冷却水ポンプ３２が配設されている。

制御装置１４０は、燃料電池システム１０を制御する。制御装置１４０はタイマーを有している。また、制御装置１４０は、演算部１４１及び運転計画基板１４２と接続されている。演算部１４１及び運転計画基板１４２も、制御装置１４０と同様に、常時通電機器である。他方、停止時不通電機器に属する機器としては、上述の原料ガスブロワ２２１、改質部温度センサ２２４、内部圧力センサ２２５、入口電磁弁２２２、出口電磁弁２２３、燃料極温度センサ２３４、燃料極圧力センサ２３５があり、これら停止時不通電機器はそれぞれ信号ケーブルで制御装置１４０と接続されている。また、発電時通電機器に属する機器としては、酸化剤ガスブロワ３１、冷却水ポンプ３２、プロセス水電磁弁２６、選択酸化空気電磁弁２７、アノードオフガス電磁弁１５、バイパス電磁弁１６があり、これら発電時通電機器はそれぞれ信号ケーブルで制御装置１４０と接続されている。

原料ガスブロワ２２１、酸化剤ガスブロワ３１、冷却水ポンプ３２は、典型的には制御装置１４０からの指令を受けて起動及び停止（回転速度が調節可能な場合は回転速度の調節を含む）が行われるように構成されている。改質部温度センサ２２４及び燃料極温度センサ２３４は検出した温度を信号として制御装置１４０に送信することができ、内部圧力センサ２２５及び燃料極圧力センサ２３５は検出した圧力を信号として制御装置１４０に送信することができるように構成されている。入口電磁弁２２２及び出口電磁弁２２３は、典型的にはノーマリクローズ（非通電時閉）の電磁弁であり、それぞれ制御装置１４０から信号を受信して弁を開にすることができるように構成されている。また、プロセス水電磁弁２６、選択酸化空気電磁弁２７、アノードオフガス電磁弁１５、バイパス電磁弁１６も、典型的にはノーマリクローズ（非通電時閉）の電磁弁であり、それぞれ制御装置１４０から信号を受信して弁を開にすることができるように構成されている。

常時通電機器である運転計画基板１４２は、燃料電池システム１０を高効率運転するために、燃料電池３０が発電するタイミングを計画するものである。運転計画基板１４２は、典型的には、過去の運転実績に基づいて電力需要や熱需要を予測し、燃料電池システム１０の運転状況（燃料電池３０が発電中か否かや、蓄熱槽（不図示）の蓄熱状況等）を考慮して、高効率運転となるように燃料電池３０を起動（発電）及び停止するタイミングを計画する。燃料電池３０が発電するタイミングを計画する理由は、燃料電池３０が停止している状態から発電されるまでには、改質器２０において改質ガスｇを生成し、燃料電池３０を発電に適した温度に昇温させるため、燃料電池３０の発電開始に先立って付帯機器を稼働させるからである。

常時通電機器である演算部１４１は、燃料電池３０の発電を行わないときの時間経過と改質器２０内部の圧力低下との関係があらかじめ記憶されており、第３の所定の圧力から第４の所定の圧力に低下するまでの時間（内圧低下時間）を演算することができるように構成されている。ここでの、第３の所定の圧力は、典型的には、直ちに改質器２０の内部圧力を昇圧しなくても改質器２０の内部圧力を正圧に維持することができる圧力である。また、ここでの第４の所定の圧力は、典型的には、改質器２０の内部圧力が正圧（改質器２０の内部に周囲の空気が侵入しない圧力）を安全に維持できる圧力のうちの最も低い圧力であり、余裕分（閾値を下回ったら直ちに改質器２０に悪影響が及ぶことがないようなバッファゾーン）が含まれている。内圧低下時間は、同じ第３の所定の圧力であってもその時の温度の違いにより異なる。例えば、第３の所定の圧力が５０ｋＰａ（ゲージ圧）のときの改質器２０内部温度が６００℃の場合よりも、第３の所定の圧力が５０ｋＰａ（ゲージ圧）のときの改質器２０内部温度が３５０℃の場合の方が、内圧低下時間は長くなる。したがって、演算部１４１は、制御装置１４０から改質器２０内部の温度及び圧力の値を取り込み、内圧低下時間を演算するように構成されている。燃料電池３０の発電を行わないときの時間経過と改質器２０内部の圧力低下との関係は、演算部１４１にテーブルとして記憶されていてもよく、あるいは数式として記憶されていてもよい。

また、演算部１４１は、燃料電池３０の発電を行わないときの時間経過と燃料極３０ａ内部の圧力低下との関係があらかじめ記憶されており、燃料極３０ａを密閉した際の圧力から第１の所定の圧力に低下するまでの時間（燃料極圧力低下時間）を演算することができるように構成されている。燃料電池３０の発電を行わないときは、電極保護の観点から燃料極３０ａを密閉する。燃料極３０ａを密閉する際の圧力は、燃料電池３０の発電を行わないときに開放されている空気極３０ｃの圧力（燃料電池３０の周囲の圧力に等しい、典型的には大気圧）よりも高く、その上限は、燃料極３０ａと空気極３０ｃとの間に存在する固体高分子膜を確実に損傷しない程度としている。ここでの第１の所定の圧力は、典型的には、燃料電池３０の固体高分子膜を確実に損傷しないような空気極３０ｃとの圧力差の範囲で最も低い圧力であり、余裕分（閾値を下回ったら直ちに固体高分子膜が損傷することがないようなバッファゾーン）が含まれている。燃料電池３０の発電を行わないときの時間経過と燃料極３０ａ内部の圧力低下との関係は、演算部１４１にテーブルとして記憶されていてもよく、あるいは数式として記憶されていてもよい。

制御装置１４０、演算部１４１、運転計画基板１４２は、典型的には単一の筐体内に収納されてるが、別々に配置されていてもよい。また、常時通電機器として、制御装置１４０、演算部１４１、及び運転計画基板１４２以外に、可燃性のガスの漏洩を検知するガスセンサ１５１や、寒冷地においては凍結防止措置の起動のタイミングを計るための外気温を検知する外部温度センサ１５２を備えていることが好ましい。燃料電池３０の発電を行わないときの時間経過により改質器２０あるいは燃料電池３０の温度低下を推定することができるので、外部温度センサ１５２を備え、演算部１４１は、外気温度により適宜補正して内圧低下時間や燃料極圧力低下時間を演算するとよい。内圧低下時間を演算する際は、外気温度の他燃料極３０ａの温度も考慮して補正することが好ましい。なお、本実施の形態では、ガスセンサ１５１及び外部温度センサ１５２以外にも、例えば不図示の通信用電源や電力計測部電源、後述する各継電器に電力を供給する継電器電源等も常時通電機器に含まれる。

次に図３を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１０の電気的構成について説明する。図３は、燃料電池システム１０の電気系統の接続図である。燃料電池システム１０は、ケーブル８１を介して商用電源ＰＰに連系している。ケーブル８１には、電力負荷ＥＬへ送電するケーブル８２が接続されている。また、ケーブル８１には、燃料電池システム１０内のケーブル８３及びケーブル８８が接続されている。

ケーブル８３には、ケーブル８４（８４ａ）とケーブル９１（９１ａ）とが接続されている。ケーブル８４には商用交流電源を直流電源にする直流安定化電源７３が配設されている。直流安定化電源を用いると、入力変動や負荷変動による影響を受けにくくなるので好適である。直流安定化電源７３より下流側のケーブル８４ｂには、ケーブル８５とケーブル８６（８６ａ）とが接続されている。

ケーブル８５は、制御装置１４０、演算部１４１、運転計画基板１４２に送電するケーブルである。図３では、簡略して、制御装置１４０、演算部１４１、運転計画基板１４２を一点鎖線で囲んで示しているが、この一点鎖線内で制御装置１４０、演算部１４１、運転計画基板１４２に対してそれぞれ別個のケーブルが敷設されて電力が供給されている。あるいは、制御装置１４０に送電し、制御装置１４０から演算部１４１及び運転計画基板１４２に送電してもよい。

ケーブル８６にはケーブル８７が接続されている。ケーブル８７は、ガスセンサ１５１及び外部温度センサ１５２や、不図示の通信用電源や電力計測部電源等に送電するケーブルである。ケーブル８７以降も、典型的には、ガスセンサ１５１及び外部温度センサ１５２等へ個別にケーブルが敷設されている。また、ケーブル８６ｂは、電流を一次側から二次側への一方向のみに流すブロッキングダイオード７７に接続されている。燃料電池システム１０は、複数のブロッキングダイオードを有しており、いずれのブロッキングダイオードについても「一次側」及び「二次側」という語を上記の意味で用いることとする。以上の点をふまえて、ケーブル８６ｂは、ブロッキングダイオード７７の二次側に接続されている。

ケーブル８３に接続されたケーブル９１には、継電器７１が配設されている。継電器７１は、典型的にはａ接点（ノーマリオープン）のリレーである。継電器７１より下流側のケーブル９１ｂは、直流安定化電源７４に接続されている。直流安定化電源７４の下流側にはケーブル９２が接続されている。ケーブル９２は、ブロッキングダイオード７８の一次側に接続されている。また、ケーブル９２には、ａ接点のリレー７２が配設されたケーブル９９を介して、非常時（停電時）に放電するバッテリ７５が接続されている。バッテリ７５は必要に応じて設置すればよい。

ブロッキングダイオード７８の二次側にはケーブル９３が接続されている。ケーブル９３には、ケーブル９４、ケーブル９６、ケーブル９８が接続されている。ケーブル９８の他端はブロッキングダイオード７９の二次側に接続されている。ブロッキングダイオード７９の一次側にはケーブル９７を介して燃料電池３０が接続されている。ケーブル９７の途中にはケーブル８９が接続されており、ケーブル８９の他端はパワーコンディショナー３３に接続されている。また、パワーコンディショナー３３にはケーブル８８が接続されており、ケーブル８８の他端は、上述のように、商用電源ＰＰに連系するケーブル８１に接続されている。

ブロッキングダイオード７８の二次側のケーブル９３に接続するケーブル９６は、アノードオフガス電磁弁１５等の発電時通電機器に接続されている。つまり、ケーブル９６は発電時通電機器に送電するケーブルである。なお、図３では簡略して示しているが、典型的には、一点鎖線内でそれぞれの発電時通電機器にケーブルが個別に敷設されている。個別に敷設されたケーブルには、典型的にはそれぞれに継電器（不図示）が配設されている。各発電時通電機器に対応するように継電器（不図示）が設けられていると、選択的に電力を供給することができるので、電力を供給する必要のない機器に電力が供給されることを防ぐことができる。

他方、ブロッキングダイオード７８の二次側のケーブル９３に接続するケーブル９４の途中には、ケーブル９５Ａ及びケーブル９５Ｂが接続されている。ケーブル９５Ａは、改質部温度センサ２２４、内部圧力センサ２２５、燃料極温度センサ２３４、燃料極圧力センサ２３５に送電するケーブルである。図３では、簡略して、各センサ２２４、２２５、２３４、２３５を一点鎖線で囲んで示しているが、この一点鎖線内で各センサ２２４、２２５、２３４、２３５に対してそれぞれ別個のケーブルが敷設されて電力が供給されている。各センサ２２４、２２５、２３４、２３５に接続される各ケーブル（不図示）のそれぞれに、継電器（不図示）が配設されていてもよい。ケーブル９５Ｂは、原料ガスブロワ２２１、入口電磁弁２２２及び出口電磁弁２２３に送電するケーブルである。図３では、簡略して、原料ガスブロワ２２１、入口電磁弁２２２及び出口電磁弁２２３を一点鎖線で囲んで示しているが、この一点鎖線内で原料ガスブロワ２２１、入口電磁弁２２２及び出口電磁弁２２３に対してそれぞれ別個のケーブルが敷設されて電力が供給されている。典型的には、原料ガスブロワ２２１、入口電磁弁２２２及び出口電磁弁２２３に接続される各ケーブル（不図示）のそれぞれに、継電器（不図示）が配設されている。

また、ケーブル９４は、ブロッキングダイオード７７の一次側に接続されている。以上のような電気系統の接続とすることにより、直流安定化電源７３から供給される電力は常時通電機器（図中１００番台の符号が付された機器）には供給されるが停止時不通電機器（図中２００番台の符号が付された機器）及び発電時通電機器（段落００４０参照）には供給されないように構成されている。また、燃料電池３０で発電された電力及び直流安定化電源７４から供給される電力（非常時にバッテリ７５から供給される電力も含む）は、常時通電機器、停止時不通電機器、及び発電時通電機器のいずれにも供給することができるようになっている。

引き続き各図を参照して、燃料電池システム１０の作用を説明する。燃料電池３０が発電していない状態で、運転計画基板１４２で作成された運転計画に基づいて制御装置１４０が燃料電池３０の発電を開始する旨の指令を発すると、継電器７１の接点が閉じられ、商用電源ＰＰから供給された交流電力が直流安定化電源７４で直流電力に変換された上で停止時不通電機器及び発電時通電機器に向けて供給される。そして、制御装置１４０は、改質器２０の加熱部２５のバーナー２５ｂを点火して、改質器２０を加熱する。

改質部温度センサ２２４で検出した温度が原料ガスｍの改質に適した温度（例えば６００℃程度）になったら、制御装置１４０は原料ガスブロワ２２１を起動し入口電磁弁２２２を開にして原料ガスｍを改質部２１に導入すると共に、プロセス水電磁弁２６を開にしてプロセス水ｓを導入する。改質器２０では原料ガスｍが水蒸気改質され水素に富む改質ガスｇが生成されるが、改質を始めてしばらくは改質ガスｇの組成が安定していない（典型的には、許容量以上の一酸化炭素を含んでいる）ので、改質ガスｇの組成が安定するまでは出口電磁弁２２３を開にせずバイパス電磁弁１６を開にして、バイパス管６６を介して改質ガスｇを加熱部２５に導いてバーナー２５ｂで燃焼させ、改質部２１における水蒸気改質に利用する改質熱を発生させる。

なお、改質器２０内の作用は以下のようになる。まず、原料ガスｍと水蒸気ｓｖとが改質部２１に導入され、加熱部２５から改質熱を受熱して原料ガスｍが水蒸気改質され、水素に富むが一酸化炭素を含む準改質ガスｒ１が生成される。準改質ガスｒ１は、例えば、水素が７０体積％程度、一酸化炭素が１０体積％程度、その他水蒸気等のガスが含まれている。

準改質ガスｒ１は、改質部２１から変成部２２に送られ、変成触媒２２ｃの作用により水蒸気との変成反応が行われて、変成ガスｒ２が生成される。変成ガスｒ２は、一酸化炭素濃度が５０００〜１００００ｐｐｍ程度にまで低減されている。変成部２２における変成反応は発熱反応であり、変成部２２で発生した熱はプロセス水導入管２４内を流れるプロセス水ｓの加熱に用いられる。

変成ガスｒ２は、変成部２２から選択酸化部２３に送られる。同時に、選択酸化部２３には、選択酸化空気電磁弁２７が開とされて選択酸化空気ａが導入される。選択酸化部２３では、導入された変成ガスｒ２中の一酸化炭素と選択酸化空気ａ中の酸素とが反応し（選択酸化反応）二酸化炭素が生成されることにより、変成ガスｒ２よりも一酸化炭素濃度が低減した改質ガスｇが生成される。選択酸化反応により生成された改質ガスｇは、一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下程度にまで低減されている。選択酸化部２３における選択酸化反応も発熱反応であり、選択酸化部２３で発生した熱はプロセス水導入管２４内を流れるプロセス水ｓの加熱に用いられる。

改質を始めてしばらくして改質ガスｇの組成が安定したら、制御装置１４０は、バイパス電磁弁１６を閉じ、出口電磁弁２２３を開にして改質ガスｇを燃料電池３０の燃料極３０ａに供給すると共に、酸化剤ガスブロワ３１を起動して酸化剤ガスｔを空気極３０ｃに供給する。燃料電池３０では燃料極３０ａに導入された改質ガスｇ中の水素と、空気極３０ｃに導入された酸化剤ガスｔ中の酸素とによる電気化学的反応が行われる。電気化学的反応は、燃料極３０ａ側では以下の（１）式に示す反応が行われ、空気極３０ｃ側では以下の（２）式に示す反応が行われる。
２Ｈ_２ → ４Ｈ^＋ ＋ ４ｅ⁻ ・・・（１）
Ｏ_２ ＋ ４Ｈ^＋ ＋ ４ｅ⁻ → ２Ｈ_２Ｏ ・・・（２）
この電気化学的反応によって発電し、発熱すると共に水分が生成される。さらに説明を加えると、燃料極３０ａ側の電子が外部電気回路を通って空気極３０ｃ側に移動する際に直流の電力を得ることができる。燃料極３０ａ側の水素イオンは固体高分子膜を通過して空気極３０ｃ側に移動し、酸素と結合して水分が発生する。この電気化学的反応は発熱反応である。

また、制御装置１４０は冷却水ポンプ３２を起動して、燃料電池３０における電気化学的反応により発生した熱を冷却水ｃで除去し、燃料電池３０の温度を適切な運転温度（例えば８０℃程度）に維持する。燃料電池３０の発熱を除去して温度が上昇した冷却水ｃは、放熱器（不図示）で他の熱媒体（典型的には水）に放熱し、この熱は蓄熱槽（不図示）に蓄熱され、給湯や暖房等の熱需要（不図示）において適宜利用される。

燃料電池３０で実際に発電が行われ、燃料電池３０で発生した電力で停止時不通電機器及び発電時通電機器の消費電力を賄えるようになると、制御装置１４０は継電器７１の接点を離して、商用電源ＰＰから直流安定化電源７４への電力の供給を停止させる。また、燃料電池３０で発生した電力で常時通電機器の消費電力を賄えるようになると、直流安定化電源７３は、商用電源ＰＰからの受電を拒否する。また、燃料電池３０で発電された電力は、パワーコンディショナー３３で交流に変換された後、電力負荷ＥＬに供給される。電力負荷ＥＬには、典型的には商用電源ＰＰからの電力も供給される。

さて、燃料電池３０が発電している状態で、制御装置１４０は、運転計画基板１４２で作成された運転計画を参照し、燃料電池システム１０の状態（例えば、蓄熱槽（不図示）の蓄熱量）や、電力負荷ＥＬの状態を考慮して、燃料電池３０の発電を停止すべきと判断したときは、燃料電池３０の発電を停止する動作に移行する。

燃料電池３０の発電を停止する際は、酸化剤ガスブロワ３１を停止する。燃料電池３０の発電を行わないときは、空気極３０ｃは大気に開放される。他方、燃料電池３０の発電を停止する際の燃料極３０ａ側は、まずアノードオフガス電磁弁１５を閉にし、次いで出口電磁弁２２３を閉にすることにより、燃料極３０ａの内部に改質ガスｇが封入される。その後、原料ガスブロワ２２１を停止すると共に入口電磁弁２２２、プロセス水電磁弁２６、選択酸化空気電磁弁２７を閉にして、改質器２０へのプロセス水ｓ、原料ガスｍ、選択酸化空気ａの供給を停止する。これにより、改質器２０の内部が準改質ガスｒ１等で封入される。なお、バイパス電磁弁１６は、改質ガスｇを燃料極３０ａに供給する際に閉じており、燃料電池３０の発電を停止する際にもバイパス電磁弁１６閉の状態を継続する。このように、改質器２０の内部を、準改質ガスｒ１等で封入してその外部（典型的には大気）よりも正圧にすることにより、改質器２０の内部への外気の侵入を防ぎ、改質触媒２１ｃ、変成触媒２２ｃ、選択酸化触媒２３ｃが酸素に触れることに起因して劣化することを防いでいる。

ところで、定常運転時の改質器２０の温度は上述のように約６００℃程度であるが、燃料電池３０の発電の停止に伴い改質器２０が停止すると、改質器２０の温度が低下する。改質器２０の内部を密閉した状態で改質器２０の温度が低下すると改質器２０の内部の圧力が低下し、負圧になると外気が侵入する場合があり、外気が侵入すると内部の触媒、特に変成触媒２２ｃが劣化することとなる。これを防ぐために、制御装置１４０は、改質器２０の内部の圧力が第１の所定の圧力以下のときに継電器７１の接点を閉じ、入口電磁弁２２２を開けると共に原料ガスブロワ２２１を起動する。このとき、原料ガスブロワ２２１及び入口電磁弁２２２に通電するために継電器７１以外の不図示の継電器があるときは、制御装置１４０はそれらの継電器の接点も閉じる。入口電磁弁２２２を開けると共に原料ガスブロワ２２１を起動することにより改質器２０の内部に原料ガスｍを導入し、改質器２０の内部圧力を第２の所定の圧力以上とすることにより、正圧を維持する。原料ガスｍを用いて改質器２０の内部を正圧に維持するようにすると、他のガスを用いる場合に必要となる特別な設備が不要となり、システムを簡略化することができる。ここでの、第１の所定の圧力は、典型的には、前述の第４の所定の圧力（段落００４３参照）と同じ圧力である。また、ここでの第２の所定の圧力は、典型的には、改質器２０を損傷させることなく改質器２０の内圧をできるだけ高めた圧力である。前述の第３の所定の圧力（段落００４３参照）をここでの第２の所定の圧力と同じ圧力としてもよい。

燃料電池３０での発電がないとき、停止時不通電機器である原料ガスブロワ２２１は、改質器２０の内部圧力を正圧に維持するために起動する際に通電する（間歇的に通電する）ので、電力消費量を抑制することができる。また、燃料電池３０での発電がないとき、発電時通電機器であるノーマリクローズの各電磁弁１５、１６、２６、２７は通電がなく、停止時不通電機器であるノーマリクローズの入口電磁弁２２２及び出口電磁弁２２３は、改質器２０の内部圧力を正圧に維持するために起動する際に通電する（間歇的に通電する）ので、電力消費量を抑制することができる。また、燃料電池３０での発電がないとき、停止時不通電機器である、改質器２０の内部圧力が第１の所定の圧力以下か否かを検出する内部圧力センサ２２５は、改質器２０の内部圧力を正圧に維持するために起動する際に通電する（間歇的に通電する）ので、電力消費量を抑制することができる。

燃料電池３０での発電がないとき、内部圧力センサ２２５に通電する延べ時間が短いほど電力消費量を抑制することができる。そこで、制御装置１４０は、内部圧力センサ２２５で改質器２０の内部圧力を検出すると共に改質部温度センサ２２４でその時の改質部２１の温度を検出して、演算部１４１にて内圧低下時間を演算させる。制御装置１４０は、演算部１４１で算出した内圧低下時間が経過したときに、継電器７１の接点を閉じて内部圧力センサ２２５及び改質部温度センサ２２４に通電する。このようにすると、内部圧力センサ２２５及び改質部温度センサ２２４の電力消費量を必要最小限に抑制することができる。

なお、改質器２０の内部に水蒸気が存在する場合は、予想した圧力の減少勾配が当てはまらない場合がある。また、その他の事情により、内圧低下時間と改質器２０の内部圧力低下との割合が演算部１４１で算出した値からずれる場合がある。そこで、制御装置１４０は、内圧低下時間が経過する途中で１回又は複数回内部圧力センサ２２５及び改質部温度センサ２２４に通電し、改質器２０の内部圧力及び改質部２１の温度を検出することとしてもよい。制御装置１４０は、内部圧力センサ２２５で検出した圧力が第５の所定の圧力以下のときは原料ガスブロワ２２１で改質器２０の内部に原料ガスｍを導入して改質器２０の内部圧力を第３の所定の圧力（段落００４３参照）以上、好ましくは第２の所定の圧力（段落００６５参照）に上昇させた後に内圧低下時間を算出させ、内部圧力センサ２２５で検出した圧力が第５の所定の圧力を超えているときは原料ガスブロワ２２１を起動させずに内圧低下時間を算出させるとよい。ここでの第５の所定の圧力は、本実施の形態では、上述の第３の所定の圧力と同じ圧力である。

また、上述のように、改質器２０の内部に水蒸気が存在する等の場合は、内圧低下時間と改質器２０の内部圧力低下との割合が演算部１４１で算出した値からずれる場合があるので、内部圧力センサ２２５に通電せずに、改質部温度センサ２２４で検出した温度に基づいて原料ガスブロワ２２１の間歇動作をさせてもよい。この場合は余裕を多めにとって（すなわちより改質器２０内部が負圧にならないような安全を見て）原料ガスブロワ２２１を起動するとよい。また、内部圧力センサ２２５を利用しない場合は、内部圧力センサ２２５を設けなくてもよい。

また、改質器２０のほか、燃料電池３０の燃料極３０ａの内部圧力が、温度の低下や内部に残存する水素と酸素とが反応すること等により、低下する場合もある。定常運転時の燃料電池３０の温度は約８０℃程度であるが、燃料電池３０の発電を停止すると燃料電池３０の温度が低下する。燃料電池３０の温度が低下すると停止時に密閉した燃料極３０ａの内部圧力が低下し、停止時に開放状態の空気極３０ｃとの圧力差が大きくなる。燃料極３０ａと空気極３０ｃとの差圧が大きくなると固体高分子膜が損傷する場合があるので、これを防ぐために、制御装置１４０は、燃料極３０ａの内部の圧力が第１の所定の圧力以下のときに継電器７１の接点を閉じ（出口電磁弁２２３に通電するために継電器７１以外の不図示の継電器があるときはその継電器の接点も閉じる）、出口電磁弁２２３を開ける。出口電磁弁２２３を開けると改質器２０の内部に封入されていた改質ガスｇが、改質器２０の内部よりも低い圧力の燃料極３０ａに流入してくる。このとき、制御装置１４０は燃料極圧力センサ２３５にも通電して燃料極３０ａの内部圧力を検出し、燃料極３０ａの内部圧力が第２の所定の圧力になったら出口電磁弁２２３を閉じて再び燃料極３０ａの内部を密閉する。このようにして、燃料極３０ａの内部を、固体高分子膜を損傷しないような圧力（第２の所定の圧力（ここでは典型的には燃料極３０ａの内部を密閉する際の圧力））に保持する。本実施の形態の場合、出口電磁弁２２３が保圧用ガス供給手段となり、改質器２０の内部に密封されていたガス（改質ガスｇ等）が保圧用ガスとなる。

なお、改質器２０の内部に密封されていたガスが燃料極３０ａに流入すると改質器２０の内部圧力が低下することになるが、この場合は入口電磁弁２２２を開にすると共に原料ガスブロワ２２１を起動して、改質器２０の内部圧力を回復させる。また、出口電磁弁２２３を開にするだけでは燃料極３０ａの内部圧力を第２の所定の圧力に昇圧できない場合は、出口電磁弁２２３を開にしたまま入口電磁弁２２２を開にすると共に原料ガスブロワ２２１を起動して、まず燃料極３０ａを第２の所定の圧力に昇圧し、出口電磁弁２２３を閉じた後に原料ガスｍを改質器２０の内部に供給して改質器２０の内部を正圧に維持すればよい。この場合は出口電磁弁２２３のほか、原料ガスブロワ２２１や入口電磁弁２２２も保圧用ガス供給手段となる。

燃料極３０ａの保圧制御をするときも、燃料電池３０での発電がないときに、停止時不通電機器である出口電磁弁２２３（必要に応じて原料ガスブロワ２２１及び入口電磁弁２２２も含む）は、燃料極３０ａの保圧をするために開ける際に通電する（間歇的に通電する）ので、電力消費量を抑制することができる。また、燃料電池３０での発電がないとき、燃料極圧力センサ２３５に通電する延べ時間が短いほど電力消費量を抑制することができるので、制御装置１４０は、燃料極３０ａの内部圧力を第２の所定の圧力としたときの温度を燃料極温度センサ２３４で検出して、演算部１４１にて燃料極圧力低下時間を演算させ、制御装置１４０は、演算部１４１で算出した燃料極圧力低下時間が経過したときに、継電器７１の接点を閉じて燃料極温度センサ２３４及び燃料極圧力センサ２３５に通電するようにしてもよい。このようにすると、燃料極温度センサ２３４及び燃料極圧力センサ２３５の電力消費量を必要最小限に抑制することができる。

これまで述べた以外にも、燃料電池３０での発電がないときに、好ましくは、燃料電池システム１０のガスセンサ１５１を常時作動させておき、可燃性ガスの漏洩の有無を監視するとよい。ガスセンサ１５１は可燃性ガスの漏洩を検出したときに信号を制御装置１４０に送信し、信号を受けた制御装置１４０は、燃料電池システム１０を停止させる。また、好ましくは、凍結のおそれがある気象状況の下で温度センサ１５２を常時作動させておき、必要に応じて凍結防止措置（不図示凍結防止ヒータを作動させる、あるいは管内の流体を動かす等）を講ずるとよい。

以上の説明では、保圧構成部材として改質器２０及び燃料電池３０の燃料極３０ａについて説明したが、燃料電池システム１０を構成する他の部材（例えば脱硫器、加湿器、管路、凝縮水タンク、ブロワ、熱交換器等）を必要に応じて保圧構成部材としてもよい。

以上の説明では、保圧構成部材温度検出手段として、保圧構成部材の内部温度を直接的に検出する改質部温度センサ２２４及び燃料極温度センサ２３４を用いることとしたが、当該保圧構成部材の温度変化が反映される他の部分の温度（他の保圧構成部材の温度を検出するセンサや外部温度センサ１５２等で検出される温度を含む）から計算によって求める等、保圧構成部材の内部温度を間接的に検出するようにしてもよい。また、保圧構成部材圧力検出手段として、保圧構成部材の内部圧力を直接的に検出する内部センサ２２５及び燃料極圧力センサ２３５を用いることとしたが、間接的に検出するようにしてもよい。

以上の説明では、改質器の内部温度を検出するセンサが改質部２１の温度を検出する改質部温度センサであるとしたが、変成部２２の温度を検出する変成部温度センサあるいは選択酸化部２３の温度を検出する選択酸化部温度センサとしてもよい。しかしながら、改質器２０の運転中最も高温となる改質部２１の温度を検出する改質部温度センサとすると、改質器２０の内部圧力の変化を予測しやすくなり好適である。

以上の説明では、加熱部２５はバーナー２５ｂを有しているとしたが、改質部２１における水蒸気改質反応に用いる改質熱を発生させることができれば、バーナー２５ｂに代えて例えば電気ヒータ等の公知の発熱手段を用いてもよい。

以上の説明では、燃料極３０ａの保圧用ガスとして、改質器２０に封入されているガスを用いることとしたが、別途保圧用のガスを燃料極３０ａの内部に供給することとしてもよい。この場合は、保圧用ガス供給手段として、例えばブロワを別途設けることとなる。このようにすると、燃料極３０ａの内部を保圧することによって改質器２０の内部圧力が影響を受けることがない。

以上の説明では、燃料電池３０の発電を行わないときに、改質器２０の内部圧力を正圧に維持する制御と、燃料電池３０の燃料極３０ａの内部圧力を固体高分子膜が損傷しないような圧力に保圧する制御とを行うこととして説明したが、燃料電池３０の発電を行うときの温度が高く、発電を停止したときに温度低下に伴う内部圧力の低下がより顕著に表れる改質器２０の内部圧力を正圧に維持する制御を行い、燃料極３０ａの内部を保圧する制御を行わないようにしてもよい。この場合は、出口電磁弁２２３を、停止時不通電機器ではなく、発電時通電機器とすることができ、電力消費量を抑制することができる。

以上の説明では、改質器２０と燃料極３０ａとを別々に密閉することとして説明したが、改質器２０と燃料極３０ａとを一括して（改質器２０と燃料極３０ａとが連通した状態で）密閉してもよい。また、燃料電池システム１０を構成する他の部材（例えば脱硫器、加湿器、管路、凝縮水タンク、ブロワ、熱交換器等）をも必要に応じて一括して密閉してもよく、適切な単位で密閉することとしてもよい。

以上の説明では、燃料電池３０が固体高分子型燃料電池であるとして説明したが、りん酸型燃料電池等の固体高分子型燃料電池以外の燃料電池であってもよい。しかしながら、固体高分子型燃料電池とすると、比較的低温で運転することができ、装置を小型化できるので、一般家庭等に設置するのに適している。

本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの機械的構成の模式的系統図である。 改質器の模式的縦断面図である。 本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの電気系統の接続図である。

符号の説明

１０ 燃料電池システム
１５ アノードオフガス電磁弁
２０ 改質器
３０ 燃料電池
３０ａ 燃料極
７１ 継電器
９１ ケーブル
１４０ 制御装置（常時通電機器）
１４１ 演算部（常時通電機器）
２２１ 原料ガスブロワ（原料ガス供給手段）
２２２ 入口電磁弁
２２３ 出口電磁弁
２２４ 改質部温度センサ
２２５ 内部圧力センサ
２３４ 燃料極温度センサ
２３５ 燃料極圧力センサ
ｇ 改質ガス
ｍ 原料ガス
ｓ 水
ＰＰ 商用電源

Claims (9)

1. 商用電源に連系された燃料電池と；
   前記燃料電池が発電するために利用される付帯機器であって、前記燃料電池の発電を行うとき及び前記燃料電池の発電を行わないときに通電する常時通電機器と；
   前記燃料電池が発電するために利用される付帯機器であって、前記燃料電池の発電を行うときに通電する停止時不通電機器と；
   前記商用電源から前記停止時不通電機器に電力を供給するためのケーブルに配設された継電器と；
   前記燃料電池の発電を行わないときに、間歇的に前記停止時不通電機器に通電するように前記継電器を制御する、前記常時通電機器に属する制御装置とを備える；
   燃料電池システム。
2. 前記燃料電池システムを構成する部材であって、前記燃料電池の発電を行わないときに内部の圧力が正圧に保たれる保圧構成部材と；
   前記燃料電池の発電を行わないときに前記保圧構成部材の内部を密閉する保圧構成部材密閉手段と；
   前記保圧構成部材の内部に保圧用ガスを供給する、前記停止時不通電機器に属する保圧用ガス供給手段とを備える；
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記保圧構成部材の内部圧力を検出する、前記停止時不通電機器に属する保圧構成部材圧力検出手段をさらに備え；
   前記制御装置が、前記保圧構成部材圧力検出手段で検出した圧力が第１の所定の圧力以下のときに前記保圧用ガス供給手段を稼働させ、前記保圧構成部材の内部圧力を前記第１の所定の圧力よりも高い第２の所定の圧力以上とするように構成された；
   請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記保圧構成部材の内部温度を検出する、前記停止時不通電機器に属する保圧構成部材温度検出手段と；
   前記燃料電池の発電を行わないときの時間経過と、前記保圧構成部材の内部が前記保圧構成部材温度検出手段で検出した温度で第３の所定の圧力の状態のときからの圧力低下との関係から、前記第３の所定の圧力から前記保圧構成部材の周囲の圧力以上の第４の所定の圧力に低下するまでの内圧低下時間を演算する演算部とを備える；
   請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御装置が、前記保圧構成部材圧力検出手段で検出した値が第５の所定の圧力以下のときは前記保圧用ガス供給手段で昇圧した後に前記演算部で前記内圧低下時間を算出させ、前記保圧構成部材圧力検出手段で検出した値が前記第５の所定の圧力を超えるときは前記保圧用ガス供給手段を稼働させずに前記演算部で前記内圧低下時間を算出させるように構成された；
   請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御装置が、前記内圧低下時間が経過したときに前記保圧構成部材圧力検出手段及び前記保圧構成部材温度検出手段に通電するように前記継電器を制御する；
   請求項４又は請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記保圧構成部材の内部温度を検出する、前記停止時不通電機器に属する保圧構成部材温度検出手段をさらに備え；
   前記制御装置が、前記保圧構成部材温度検出手段で検出した温度が所定の温度以下のときに前記保圧用ガス供給手段を稼働させるように構成された；
   請求項２に記載の燃料電池システム。
8. 前記保圧構成部材が、原料ガスと水とを導入し前記原料ガスを水蒸気改質して前記燃料電池に供給する水素を含む改質ガスを生成する改質器を含んで構成され；
   前記保圧構成部材密閉手段が、前記改質器の内部を密閉する改質器内部密閉手段を含んで構成され；
   前記保圧用ガス供給手段が、前記改質器に前記原料ガスを供給する原料ガス供給手段で構成された；
   請求項２乃至請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
9. 前記保圧構成部材が、前記燃料電池の燃料極を含んで構成され；
   前記保圧構成部材密閉手段が、前記燃料極の内部を密閉する燃料極内部密閉手段を含んで構成された；
   請求項２乃至請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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