JP5985841B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、水タンク内の改質水を給水通路を介して蒸発部に供給させて水蒸気を生成させ、その水蒸気で原料ガスを改質させてアノードガスを生成させる燃料電池システムに関する。

この種の燃料電池システムにおいて、改質水を高い精度で蒸発部に供給させて水蒸気の目標量を高精度で得ることが要請されている。このため様々な技術が開示されている。

特許文献１は、改質水を溜める水タンクと、水タンク内の改質水を蒸発部に供給させる水ポンプとを有する燃料電池用の改質装置を開示する。このものによれば、改質水を溜める水タンク内の水位変化量を検知し、水位変化を水ポンプにフィードバック制御することで、水タンクに溜められている改質水の流量を調整する。これにより改質部に供給させる改質水の流量を所望の水量に調整する。

特許文献２は、改質水を溜める水タンクと水タンク内の改質水を蒸発部に供給させる水ポンプとを有する燃料電池システムを開示する。このものによれば、水タンク内に圧力センサを設置し、水タンク内の水の変化量を圧力センサで監視し、圧力センサの信号で水ポンプの駆動をフィードバック制御する。

特許文献３は、改質水を溜める水タンクと水タンク内の改質水を蒸発部に供給させる水ポンプとを有する燃料電池システムを開示する。このものによれば、水ポンプ起動時に、システム回路切替えにより、ポンプから吐出された水を水タンクに戻し、その後、改質器に水を送るよう回路を切替えることで、ポンプ起動時の水中に含まれるエアが改質器への流入されることを防ぐ。

特開2004-288505号公報 特開2005-276544号公報 特開2008-273822号公報

上記した特許文献１〜３に係る技術によれば、改質水を高い精度で蒸発部に供給させて水蒸気の目標量を高精度で得るには、必ずしも充分ではない。

上記した特許文献１，２に係る技術によれば、改質水タンクの水位変化量を検知して改質水流量を調整するものであるが、燃焼排気中の水蒸気等を回収し改質水タンクに戻すような水自立タイプのシステムにおいては、水自立しているときは改質水タンクの水位変化がないし、水を過剰に回収しているときには、改質水タンクの水位が上昇するため、蒸発部に供給される改質水の流量を制御することが困難である。

上記した特許文献３に係る技術は、水ポンプ起動時に発生するエアを改質器に流入するのを防止することを目的としており、改質水の供給異常や、水ポンプの劣化時の校正を目的とするものではない。逆に上記不具合は検出／制御不可能であるし、水タンクを余計に付けることでコスト、体格サイズの増加を伴う不具合が発生する。

上記したように特許文献１〜３に係る技術によれば、改質水を高い精度で蒸発部に供給させて水蒸気の目標量を高精度で得るには、必ずしも充分ではない。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、改質水を高い精度で蒸発部に供給させ、蒸発部において水蒸気の目標量を高精度で得るのに有利な燃料電池システムを提供することを課題とする。

（１）本発明の様相１に係る燃料電池システムは、アノードガスおよびカソードガスが供給され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させる蒸発部と、蒸発部で生成された水蒸気を用いて原料ガスを改質させてアノードガスを形成する改質部と、蒸発部に供給される前の改質水を溜める水タンクと、前記水タンクと蒸発部とを連通させ水タンク内の改質水を蒸発部に供給させる給水通路と、給水通路または水タンクに設けられ水タンク内の改質水を蒸発部に供給させる正回転可能および給水通路の改質水を水タンクに戻す逆回転可能に切り替え可能な水搬送源と、給水通路において蒸発部の上流且つ水搬送源の下流に設けられ水の存在を検知する水センサと、水センサの検知信号が入力され且つ水搬送源を制御する制御部とを具備しており、
制御部は、燃料電池の発電運転開始前、燃料電池の発電運転終了後、発電運転停止中のうちのいずれか一方において、水センサ側への給水に対する給水異常判定処理を実行し、
給水異常判定処理は、（ｉ）水搬送源を逆回転させることにより給水通路の改質水を水タンクに戻して給水通路の改質水を空にする戻し操作と、（ｉｉ）給水通路の改質水を空にした状態において、水搬送源を正回転させることにより水タンクの改質水を給水通路に供給し、水センサが水を検知するまでに必要とされる水搬送源の出力に関する物理量を求める給水操作と、（ｉｉｉ）給水操作における物理量が規定範囲であるか否かを判定し、物理量が規定範囲内であれば蒸発部への給水が正常であると判定し、給水操作における物理量が規定範囲外であれば蒸発部への給水が異常であると判定する判定操作とを含む。

このように制御部は、燃料電池の発電運転開始前、燃料電池の発電運転終了後、燃料電池の発電運転停止中のうちのいずれか一方において、給水異常判定処理を実行し、水センサ側（蒸発部）への給水の異常の有無を判定する。給水の異常としては、水タンクの改質水を水搬送源により目標どおり水センサ側（蒸発部側）に供給できないことを意味し、改質水の供給過剰、改質水の供給不足が挙げられる。給水の異常としては、例えば、水センサの故障、水搬送源の故障、給水通路の流路閉鎖、給水通路からの水漏れ、給水通路の凍結などが要因として考えられる。給水の異常は、原料ガスを改質するときにおけるＳ／Ｃ値の不適切化を発生させる。

給水異常判定処理が燃料電池の発電運転開始前または発電運転停止中に実施されると、異常なＳ／Ｃ値で燃料電池システムが発電運転されることが未然に防止され、ひいては改質部および燃料電池等を故障させる不具合が解消される。また、給水異常判定処理が燃料電池の発電運転終了後に実施されると、次回の発電運転まで時間が確保されるため、水センサ、水搬送源や給水通路の故障を修理または交換できる時間をかせげる。

上記した物理量としては、給水操作の開始時刻から水センサが水を検知する時刻までの経過時間に関する物理量、あるいは、給水操作の開始時刻から水センサが水を検知する時刻までの水搬送源への給電量に関する物理量が例示される。具体的には、給水操作の開始時刻から水センサが水を検知するまでの経過時間が例示される。あるいは、水搬送源を駆動させるモータがステッピングモータの場合には、給水操作の開始時刻から水センサが水を検知する時刻までにおいて水搬送源に入力されるパルス総数が例示される。

本様相によれば、燃料電池の発電運転開始前（発電運転開始直前を含む）、燃料電池の発電運転終了後（発電運転終了直後を含む）、燃料電池の発電運転停止中のうちのいずれか一方において、制御部は、給水異常判定処理を実行する。このように給水異常判定処理は燃料電池の発電運転が実行されている以外のときに実行される。その理由としては、燃料電池が発電運転しているときには、改質水は蒸発部に供給される必要があり、給水通路に存在する改質水を空にすることは好ましくないためである。発電運転開始直前とは、ユーザまたは制御部により起動指示がシステムに入力されてから、発電運転開始するまでをいう。発電運転終了直後とは、ユーザまたは制御部により終了指示がシステムに入力されて発電が停止してから規定時間内（例えば、発電終了後の改質部または燃料電池の温度が５０℃以下に低下するまでの時間内）をいう。

給水異常判定処理では、制御部は、まず、水搬送源を逆回転させることにより、給水通路の改質水を水タンクに戻して給水通路の改質水を空にする戻し操作を実行する。このように給水通路の改質水を空にする。その後、水搬送源を正回転させ、これにより水タンクの改質水を給水通路に供給させる給水操作を実行する。かかる給水操作において、水センサが水を検知する時刻までの水搬送源の出力に関する物理量を検知する。物理量に関する規定範囲は予め設定されている。

制御部は、判定操作において、給水操作における物理量が規定範囲内であるか否かを判定する。制御部は、物理量が規定範囲内である場合には、蒸発部への給水が正常であると判定し、給水操作における物理量が規定範囲外である場合には、蒸発部への給水が異常であると判定する。このため、改質水を高い精度で蒸発部に供給させて水蒸気の目標量を高精度で得るのに有利となる。制御部が蒸発部への給水が異常であると判定すると、制御部は警報信号を出力することが好ましい。警報としては、システム停止または警報器の作動が例示される。

（２）本発明の様相２に係る燃料電池システムによれば、上記様相において、給水操作において、水センサが水を検知するまでに必要とされる水搬送源の出力に関する物理量は、給水操作の開始時刻から水センサが水を検知する時刻までの経過時間である。判定操作において、給水操作における経過時間が規定範囲内であるか否かを判定する。時間が規定範囲内である場合には、制御部は、蒸発部への給水が正常である判定し、給水操作における時間が規定範囲外である場合には、蒸発部への給水が異常であると判定する。このため、改質水を高い精度で蒸発部に供給させて水蒸気の目標量を高精度で得るのに有利となる。

（３）本発明の様相３に係る燃料電池システムによれば、上記様相において、水搬送源はポンプとポンプを回転させるステッピングモータとを備えており、給水操作において、水センサが水を検知するまでに必要とされる水搬送源の出力に関する物理量は、給水操作の開始時刻から水センサが水を検知するまでにおいて、ステッピングモータに入力されるパルス総数である。制御部は、判定操作において、給水操作における時間が規定範囲であるか否かを判定する。制御部は、給水操作におけるパルス総数が規定範囲内である場合には、蒸発部への給水が正常である判定し、給水操作におけるパルス総数が規定範囲外である場合には、蒸発部への給水が異常であると判定する。このため、改質水を高い精度で蒸発部に供給させて水蒸気の目標量を高精度で得るのに有利となる。

（４）本発明の様相４に係る燃料電池システムによれば、上記様相において、制御部は、物理量が規定範囲外のとき、あるいは、給水異常判定処理の終了時において、水搬送源の出力に関する物理量と給水通路に供給する改質水流量との相関関係を示す特性を校正する。

本様相によれば、水搬送源の出力に関する物理量と給水通路に供給する改質水流量との相関関係を示す特性（マップ等）が校正される。校正は補正に相当する。このため、校正以降の発電運転においては、制御部は、校正後の特性（マップ等）に基づいて、水搬送源を制御させる。このため、改質水を高い精度で蒸発部に供給させて水蒸気の目標量を高精度で得るのに有利となる。校正は、物理量が規定範囲外のときに実施することが好ましい。あるいは、物理量が規定範囲内のときであっても、校正は、給水異常判定処理の終了時において実施することもできる。この場合、ポンプ等の水搬送源の特性における経年変化に速やかに対応できる。

（５）本発明の様相５に係る燃料電池システムによれば、上記様相において、規定範囲の上限よりも大きな閾値物理量が設定されており、給水操作が実行されている条件において水センサが水を検知していない場合において、給水操作の開始時刻から計測される物理量が閾値物理量よりも大きくなると、制御部は、給水操作を実施している水搬送源の正回転を停止させて給水異常であると判定し、改質水が蒸発部に過剰に供給されることを抑える。水搬送源を駆動させて給水操作が長時間にわたり継続して実行されているにも拘わらず、水センサが水を検知しない条件では、水センサ、水搬送源および給水通路のうちの少なくとも一つの故障が予想される。

そこで、上記した条件が満足される場合、すなわち、給水操作の開始時刻から計測される物理量が閾値物理量よりも大きくなる場合には、制御部は、水搬送源の正回転を停止させ、つまり給水操作を強制的に停止させ、蒸発部への給水が異常であると判定する。これにより制御部は、水センサが故障していた場合も改質水が蒸発部に過剰に供給されることを抑える。このため、改質水を高い精度で蒸発部に供給させて水蒸気の目標量を高精度で得るのに有利となるとともに、改質水が過剰に供給されることで改質触媒が浸水し劣化することを抑止できる。

以上説明したように本発明によれば、制御部は、給水異常判定処理を実行する。給水異常判定処理において水センサ側（蒸発部側）への給水の異常が判定される。このため、改質水を高い精度で蒸発部に供給させて水蒸気の目標量を高精度で得るのに有利となる。このため原料ガスを水蒸気で改質させてアノードガスを生成させる改質反応において、Ｓ／Ｃ値の適切化を図り得る。ひいては蒸発部、改質部および燃料電池における耐久性を高めることができ、長寿命化を図り得る。

燃料電池システムの概念図である。 制御部の概念図である。 給水操作の開始時刻から水センサが水を検知するまでの経過時間と、水ポンプにより給水通路に供給される単位時間あたりの改質水流量との関係を示すグラフである。 制御部が実行する制御則の一例を示すフローチャートである。 水ポンプのＤＵＴＹ値と水ポンプにより給水通路に供給される単位時間あたりの改質水流量との関係を示すグラフである。 校正前および校正後に係り、水ポンプのＤＵＴＹ値と水ポンプにより給水通路に供給される単位時間あたりの改質水流量との関係を示すグラフである。 校正前および校正後に係り、水ポンプのＤＵＴＹ値と水ポンプにより給水通路に供給される単位時間あたりの改質水流量との関係を示すグラフである。 制御部が実行する制御則の一例を示すフローチャートである。

次の（１）（２）の様相が必要に応じて採用できる。これを、以下の実施形態に必要に応じて適用しても良い。
（１）給水異常判定処理の給水操作において水センサへ向けて給水するときにおける水搬送源の単位時間あたりの駆動量をＮｒａとし、燃料電池の発電運転において蒸発部へ向けて給水するときにおける水搬送源の単位時間当たりの駆動量をＮｓａとすると、Ｎｒａ＝Ｎｓａの関係、Ｎｒａ＞Ｎｓａの関係、Ｎｒａ＜Ｎｓａの関係とのうちのいずかに設定されている。水搬送源としては水ポンプが挙げられる。駆動量としては単時間当たりの回転数が例示される。

Ｎｒａ＞Ｎｓａであれば、給水異常判定処理の給水操作の短縮が図られ、給水異常判定処理に要する時間をできるだけ短縮できる。また、Ｎｒａ＜Ｎｓａであれば、水搬送源の単位時間あたりの駆動量を、給水異常判定処理の給水操作において低速化でき、給水通路の水位をゆっくりと上昇でき、給水通路への空気の巻き込みを抑えるのに有利であり、判定操作における判定精度を向上できる。

（２）戻し操作において給水通路から水タンクへ排水するときにおける水搬送源の単位時間あたりの駆動量をＮｒｃとし、給水操作において水センサに向けて給水するときにおける水搬送源の単位時間当たりの駆動量をＮｓｃとすると、Ｎｒｃ＝Ｎｓｃの関係、Ｎｒｃ＞Ｎｓｃの関係、Ｎｒｃ＜Ｎｓｃの関係とのうちのいずかに設定されている。水搬送源としては水ポンプが挙げられる。駆動量としては単時間当たりの回転数が例示される。

Ｎｒｃ＜Ｎｓｃであれば、給水操作を短縮できる。Ｎｒｃ＞Ｎｓｃであれば、水搬送源の単位時間あたりの駆動量を、戻し操作よりも給水操作において低速化できる。このため、水タンクへの給水操作において、給水通路の水位をゆっくりと下降でき、給水通路への空気の巻き込みを抑えるのに有利であり、判定操作における判定精度を向上できる。

以下、本発明の各実施形態について説明する。

［実施形態１］
図１および図２は実施形態１の概念を示す。図１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原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、これらを収容するケース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１（運転温度：例えば４００℃以上）に適用できる。

改質部３は、セラミックス等の担体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。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。燃料通路６は、燃料源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、燃料ポンプ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。

図１に示すように、ケース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。ケース５には、改質部３で改質される液相状の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。

図１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通路８が、配管としてケース５内に設けられている。図１に示すように、ケース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、給水通路８は上下方向に沿って延びる。給水通路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の入口ポート２ｉに向けて蒸発部２に供給させる通路である。給水通路８には、水タンク４内の水を蒸発部２まで搬送させる水搬送源８Ａが設けられている。水搬送源８Ａは、ポンプ８０と、ポンプ８０を駆動させる電気式のモータ８２とをもつ。ポンプ８０はギヤポンプ等のシール性が良い公知のポンプを採用できる。なお、燃料電池システムの運転停止時には、給水通路８においてポンプ８０の出口ポート８０ｐよりも下流の通路部分８ｘに水が存在することが多い。なお、給水通路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。

給水通路８において、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は給水通路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。給水通路８において水タンク４の出口ポート４ｐから蒸発部２の入口ポート２ｉまでの距離が１００として相対表示されるとき、水タンク４の出口ポート４ｐから７０〜９９の範囲、特に８０〜９０内に、水センサ８７は設置されていることが好ましい。

水センサ８７の検知原理は、何でも良く、水の有無に基づく静電容量の変化を検知する方式、水の有無に基づく通電量の変化を検知する方式、水の有無に基づく電気抵抗の変化を検知する方式、水の有無に基づく水圧の変化を検知する方式、水の有無に基づく磁気の変化を検知する方式等のいずれでも良く、更に他の方式でも良い。図１に示すように、給水通路８においては、水タンク４、水ポンプ８０、水センサ８７、蒸発部２がこの順に直列に配置されている。

なお、給水通路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。その理由としては、給水通路８に供給される単位時間あたりの改質水の流量は少ないため、流量計の検知精度が充分ではないためである。更に、給水異常判定処理により水ポンプ８０および水センサ８７の正常性の有無が担保され、給水通路８を流れる改質水流量を演算に基づいて求め得るためである。但し、場合によっては、演算結果のチェック等のため、給水通路８に流量計を設けることにしても良い。

本実施形態によれば、水ポンプ８０を駆動させるモータ８２は、正回転および逆回転可能とされている。すなわち、モータ８２は、正方向に回転駆動して水タンク４内の水を出口ポート４ｐから蒸発部２の入口ポート２ｉに向けて搬送させる正モードと、逆方向に回転駆動して給水通路８の水を出口４ｐから水タンク４内に戻す逆モードとに切り替え可能とされている。従って、モータ８２を有する水ポンプ８０は、水タンク４内の水を蒸発部２に搬送させる正モードと、給水通路８の水を水タンク４内に戻す逆モードとに切り替え可能とされている。図２に示すように、モータ８２を駆動回路を介して制御するための制御部１００が設けられている。制御部１００は、入力処理回路１００ａ、出力処理回路１００ｂ、タイマー計測機能をもつＣＰＵ１００ｃ、およびメモリ１００ｍを有する。モータ８２としては、正回転および逆回転可能なモータであれば何でも良いが、ＤＣモータ、ステッピングモータが例示される。制御部１００はモータ８２を介して水ポンプ８０を制御する。更に、制御部１００はカソードポンプ７１，燃料ポンプ６０、遮断弁６９、警報器１０２を制御することができる（図２参照）。

（発電運転）
システムを起動させるときには、制御部１００は発電モードに先だって暖機モードを実行する。暖機モードでは、制御部１００は、遮断弁６９を開放させた状態で、燃料ポンプ６０を駆動させて原料ガスを燃料通路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。燃焼部１０５において原料ガスが空気により燃焼する。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が加熱される。改質部３および蒸発部２が所定温度以上となると水ポンプ８０を駆動し、改質部３で改質処理を行い改質されたガスを燃焼部１０５で燃焼し、その燃焼熱で改質部３、蒸発部２および燃料電池１を継続して加熱する。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は暖機モードを終了させ、発電モードに移行させる。

制御部１００は、モータ８２を正回転させて水ポンプ８０を正モードで駆動させると、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から給水通路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、燃料通路６から供給される燃料（ガス状が好ましいが、場合によっては液相状としても良い）と共に改質部３に移動する。改質部３において原料ガスは、水蒸気で改質されてアノードガス（水素含有ガス）となる（吸熱反応）。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、ケース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。

暖機モードおよび発電モードにおいて、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を介してケース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。

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。ポンプ８０が正モードで駆動すると、水タンク４内の改質水は給水通路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において燃料を改質させる改質反応として消費される。

（給水異常判定制御の実行時期）
上記した給水異常判定制御では、制御部１００は、水ポンプ８０のモータ８２の駆動回路にＤＵＴＹ値もしくは回転数を指令し、ＤＵＴＹ値もしくは回転数に基づいて、モータ８２を制御し、水ポンプ８０の回転を制御する。

発電運転は、発電前に蒸発部２、改質部３、燃料電池１を加熱させる暖機モードと、暖機された燃料電池１で発電させる発電モードとで形成される。制御部１００は、改質水流量指示がないとき、給水異常判定制御を必要に応じて実行することが好ましい。

換言すれば、ユーザもしくは制御部１００からシステム起動指示に基づいて、制御部１００は、暖機モードを実行する前に、つまりシステムを起動させる前に、給水異常判定制御を実行する。あるいは、燃料電池１が発電していない待機モードにおいてまたは停止モードにおいて、制御部１００は、給水異常判定制御を実行しても良い。また、改質水に関する異常が発生したためシステムを緊急的に停止させた後に、制御部１００は、給水異常判定制御を実行しても良い。このように制御部１００は、暖機モードを開始する前、待機モード、停止モードにおいてその都度、給水異常判定処理を実施しても良い。

このように本実施形態によれば、燃料電池１の発電運転開始前、燃料電池１の発電運転終了後、燃料電池１の発電運転停止中のうちのいずれかにおいて、制御部１００は、給水異常判定制御を実行することができる。特に、支障がない限り、燃料電池１の発電運転を開始する毎に、燃料電池１の発電運転終了毎に、燃料電池１の発電運転停止毎において、制御部１００は、給水異常判定制御を実行することが好ましい。この場合、水センサ８７の故障、水ポンプ８０の故障、給水通路８の水漏れ、給水通路８の流路閉鎖等といった不具合をできるだけ早期に発見できる。

待機モードは、暖機モード、発電モード、および停止モード以外の運転していないモードをいう。停止モードは、ユーザもしくは制御基板から停止指示が入り、カソードエアのみを流通し、燃料電池および改質部等を冷却して、待機モードへ移行するまでのモードをいう。

（給水異常判定制御の内容）
制御部１００は給水異常判定処理において（i）〜（iii）を実行する。
（i）戻し操作
まず、制御部１００は水ポンプ８０を逆回転させ、給水通路８において水ポンプ８０の出口ポート８０ｐから発電モジュール１８の蒸発部２の入口ポート２ｉまで存在する改質水を水タンク４に戻す戻し操作を実行する。これにより給水通路８内の改質水は空にされる。なお、水ポンプ８０の逆回転のみでなく、自重で給水通路８内の改質水を空にしても良い。
（ii）給水操作
水ポンプ８０のモータ８２を既定のＤＵＴＹ値または回転数で正回転させることにより、水タンク４内の改質水を給水通路８に供給させる給水操作を実行させる。このとき、給水操作の開始時刻から、水センサ８７が水を検知する（ＯＮとなる）時刻までの経過時間Ｔを、タイマー機能をもつ制御部１００は検出する。この場合、重力に対向しつつ水タンク４の水を給水通路８に供給できる。
（iii）判定操作
もし、検知するまでの経過時間Ｔ（物理量）が、時間に関する既定範囲以外である場合は、制御部１００は、蒸発部２への給水の異常（水センサ７８、水ポンプ８０および給水通路５のうちの少なくとも一つの故障）と判定し、異常フラグを立てる。もし、経過時間Ｔが規定範囲以内である場合には、制御部１００は、蒸発部２への給水が正常であると判定し、即ち、水センサ８７、水ポンプ８０および給水通路８は正常であると判定し、正常フラグを立て、給水異常判定制御を終了する。

正常である場合には、制御部１００は、暖機モードひいては発電モードへと移行する。ここで、経過時間Ｔに関する既定範囲の上限値および下限値は、発電モジュール１８の故障、発電モジュール１８の劣化等から定められるＳ／Ｃ値に基づいて決定されていることが好ましい。Ｓ／Ｃ値は、水蒸気改質において水蒸気（steam）と、炭素成分を含む原料ガスである原料ガス（carbon）中のカーボン（Ｃ）とのモル比の比率を意味する。水蒸気改質の一般的は式（１）とされている。
（１）…Ｃ_ｎＨ_ｍ＋ｎＨ_２Ｏ→ｎＣＯ＋[（ｍ／２）＋ｎ]Ｈ_２
ｎ＝１，ｍ＝４の場合には、メタンを水蒸気改質させる。Ｓ／Ｃ＝２とはＣ_ｎＨ_ｍ１モルに対してＨ_２Ｏを２ｎモル投入する状態である。発電モジュール１８の保護性を考慮すると、一般的には、Ｓ／Ｃ値＝２．５、あるいは、Ｓ／Ｃ値の範囲としては２．０〜３．０が好ましい範囲とされている。

水センサ８７が故障している場合、あるいは、水ポンプ８０が故障している場合であっても、発電モジュール１８の蒸発部２に改質水を過剰に入れすぎることを防止するため、規定範囲の下限値が設定されている。万一、改質水が蒸発部２に過剰に供給されると、水蒸気量の過剰増加、改質部３および蒸発部２の温度の過剰低下、改質部３に設けられている改質触媒の水没、改質触媒の水蒸気による劣化促進等の不具合が誘発されるおそれがある。この不具合を抑制させるように、経過時間Ｔに関する既定範囲の上限値が、適切なＳ／Ｃ値に基づいて設定されている。また、発電モジュール１８の蒸発部２に供給される水蒸気が過少であるときには、改質反応における水蒸気不足となる。この場合、改質部３におけるコーキング（炭素成分の生成）が発生し、発電モジュール１８の改質部３の故障または劣化の不具合が誘発されるおそれがある。この不具合を抑制させるように、経過時間Ｔに関する既定範囲の上限値が、適切なＳ／Ｃ値に基づいて設定されている。

以上説明したように本実施形態によれば、システムの発電運転の起動毎に、および／または、システムの発電運転の終了停止毎に、制御部１００は、給水異常判定制御を実行し、水センサ８７、水ポンプ８０、給水通路８における故障の有無を判定する。給水異常判定処理をシステムの発電運転の停止中に実行しても良い。

このように制御部１００が給水異常判定制御を実行することで、定期的にまたは不定期的に、発電モジュール１８の蒸発部２への給水の正常または異常の判定を簡便に行うことができる。このため、発電モジュール１８の蒸発部２へ改質水の供給流量を既定範囲内に設定させることが可能となる。この結果、改質水の過剰および不足に起因する発電モジュール１８に搭載されている蒸発部２，改質部３および燃料電池１における故障や劣化を抑制することが可能となる。

［実施形態２］
本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用および効果を有するため、図１および図２を準用する。給水異常判定制御の内容は実施形態１と基本的には同様である。本実施形態は次の（ａ）〜（ｄ）の形態のうちの少なくとも一つを採用できる。必要に応じて、他の実施形態に適用しても良い。

（ａ）上記した給水異常判定処理を所定時間ΔＴ間隔で複数回実施し、経過時間Ｔのデータを複数回（ｎ回）採取することにしても良い。この場合、経過時間のｎ回の平均値を経過時間としても良い。この場合、異常データを取り除くことができる給水異常判定処理の１回あたりに必要とされる時間は、短いものである。

（ｂ）本実施形態によれば、（i）の戻し操作の終了後に、ΔＴwait（例えば、１００ミリ秒〜１８０秒間の任意値，これに限定されない）待機した後に、（ii）の給水操作を開始しても良い。ΔＴwait待機している間に、給水通路８の配管の内壁面に付着している水滴等を重力により水タンク４に効果的に流下させることを期待できる。この場合、給水通路８における空の度合を高めることができ、判定操作における判定精度を高めるのに有利である。

（ｃ）本実施形態によれば、上記した（i）の戻し操作においてモータ８２に指令するＤＵＴＹ値をＤｒとし、上記した（ii）の給水操作においてモータ８２に指令するＤＵＴＹ値をＤｓとする。この場合、Ｄｒ＝Ｄｓとしても良い。Ｄｒ＞Ｄｓとしても良い。Ｄｒ＜Ｄｓとしても良い。Ｄｒ＜Ｄｓであれば、給水異常判定処理に要する時間を短縮できる。Ｄｒ＞Ｄｓであれば、水ポンプ８０の単位時間あたりの回転数を、戻し操作よりも給水操作において低速化できる。このため、給水操作において給水通路８の水位をゆっくりと上昇でき、給水通路８への空気の巻き込み（ノイズの要因）を抑えるのに有利であり、判定操作における判定精度を向上できる。

（ｄ）また本実施形態によれば、上記した（i）の戻し操作においてモータ８２に指令する単位時間あたりの回転数をＮｒｃとし、上記した（ii）の給水操作においてモータ８２に指令する単位時間当たりの回転数をＮｓｃとする。この場合、Ｎｒｃ＝Ｎｓｃとしても良い。Ｎｒ＞Ｎｓｃとしても良い。Ｎｒｃ＜Ｎｓｃとしても良い。Ｎｒｃ＜Ｎｓｃであれば、給水操作に要する時間を短縮できる。Ｎｒｃ＞Ｎｓｃであれば、水ポンプ８０の単位時間あたりの回転数を、戻し操作よりも給水操作において低速化できる。このため、給水操作において給水通路８の水位をゆっくりと上昇でき、給水通路８への空気の巻き込みを抑えるのに有利であり、判定操作における判定精度を向上できる。

［実施形態３］
本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用および効果を有するため、図１および図２を準用する。給水異常判定制御の内容は実施形態１と基本的には同様である。水ポンプ８０のモータ８２はステッピングモータとされている。制御部１００は、ステッピングモータの駆動回路にパルス総数を入力させ、ステッピングモータを回転駆動させる。
（i）ステッピングモータを逆回転させて、水ポンプ８０を逆回転させ、給水通路８において水ポンプ８０の出口ポート８０ｐから発電モジュール１８の蒸発部２の入口ポート２ｉまで存在する改質水を水タンク４に戻す。これにより給水通路８内の改質水を空にする。（i）と（ii）との間に、必要に応じてΔＴwait待機しても良い。
（ii）水ポンプ８０のモータ８２（ステッピングモータ）の駆動回路に複数のパルスを連続させて入力させ、ステッピングモータを連続的に正回転させる。これにより水タンク４内の改質水を給水通路８に供給させる給水操作を実行させる。このとき、給水操作の開始時刻から、水センサ８７がＯＮ（水を検知）する時刻までにおいて、ステッピングモータに入力されたパルス総数を、制御部１００は検出する。
（iii）もし、水有りを検知するまでのパルス総数が、パルス総数に関する既定範囲以外である場合は、制御部１００は、蒸発部２への給水の異常と判定し、水センサ８７、水ポンプ８０および給水通路８のうちの少なくとも一つが故障していると判定し、警報を出力する。もし、検知するまでのパルス総数が規定範囲以内である場合には、制御部１００は、蒸発部２への給水が正常であると判定し、即ち、水センサ８７、水ポンプ８０および給水通路８は正常であると判定し、給水異常判定制御を終了する。正常であれば、制御部１００は、暖機モードひいては発電モードへと移行する。ここで、パルス総数に関する既定範囲の上限値および下限値は、発電モジュール１８の故障、発電モジュール１８の劣化等から定められるＳ／Ｃ値に基づいて決定されていることが好ましい。

水センサ８７が故障している場合、あるいは、水ポンプ８０が故障している場合であっても、発電モジュール１８の蒸発部２に改質水を過剰に入れすぎることを防止するため、パルス総数の規定範囲の下限値が設定されている。改質水が蒸発部２に過剰に供給されると、水蒸気量の過剰増加、改質部３および蒸発部２の温度の過剰低下、改質部３に設けられている改質触媒の水没、改質触媒の水蒸気による劣化促進等の不具合が誘発されるおそれがある。この不具合を抑制させるように、パルス総数に関する既定範囲の上限値が、適切なＳ／Ｃ値に基づいて設定されている。また、発電モジュール１８の蒸発部２に供給される水蒸気が過少であるときには、改質部３におけるコーキング（炭素成分の生成）が発生し、発電モジュール１８の改質部３の故障または劣化の不具合が誘発されるおそれがある。この不具合を抑制させるように、パルス総数に関する既定範囲の上限値が、適切なＳ／Ｃ値に基づいて設定されている。

［実施形態４］
本実施形態は実施形態１，２，３と基本的には同様の構成、同様の作用および効果を有するため、図１および図２を準用する。寒冷より給水通路８に残留する水が凍結している場合、凍結し始めている場合には、給水通路８の流路断面積が狭くなっているおそれがある。この場合、経過時間Ｔが変動するおそれがある。そこで、温度センサ５７で検知された温度が規定温度以上のときには、制御部１００は、給水異常判定処理を実施する。温度センサ５７で検知された温度が規定温度（例えば０℃、−５℃、これに限定されない）未満のときには、制御部１００は、給水異常判定処理を実施しない。他の実施形態についても、温度センサ５７で検知された温度が規定温度以上のときには、制御部１００は、給水異常判定処理を実施することにしても良い。

［実施形態５］
本実施形態は実施形態１〜４と基本的には同様の構成、同様の作用および効果を有するため、図１および図２を準用する。給水通路８において水ポンプ８０から水センサ８７までの通路容積は、設計において、既定量に設定される。そのため、水ポンプ８０、水センサ８７および給水通路８が正常である条件において、給水通路８が空の状態から改質水を既定流量を送った場合には、給水通路８が改質水で満たされ、水センサ８７が水を検知する（水センサがＯＮとなる）。ここで、改質水の供給開始時刻から水センサ８７がＯＮとなるまでの経過時間Ｔと、給水通路８に供給される単位時間あたりの改質水流量[CCM]との関係は、図３の特性線Ｗとして示される。すなわち、図３の特性線Ｗは、給水操作の開始時刻から水センサ８７がＯＮとなる時刻までの経過時間Ｔ[sec]と、給水通路８を流れる改質水流量[CCM]との関係を模式的に示す。図３の特性線Ｗとして示すように、水ポンプ８０により給水通路８へ供給される単位時間あたりの改質水流量[CCM]が大きい場合には、給水操作の開始時刻から水センサ８７がＯＮとなるまでの経過時間Ｔが短くなる。水ポンプ８０により供給される単位時間あたりの改質水流量[CCM]が小さい場合には、給水操作の開始時刻から水センサ８７がＯＮとなるまでの経過時間Ｔが長くなる。

ここで実際の発電運転における単位時間あたりの改質水流量[CCM]は、原料ガスとなる炭化水素の流量と、炭化水素の原料中におけるＣに対する水（水蒸気）のモル比を示すＳ／Ｃ値に基づいて決定される。Ｓ／Ｃ値は、改質部３における改質触媒、燃料電池１の劣化、蒸発部２の蒸発特性、効率等に基づいて決定される値である。Ｓ／Ｃ値が低すぎると、改質部３の改質触媒や燃料電池１のコーキング（炭素析出）による劣化や故障が発生するおそれがある。逆に、Ｓ／Ｃ値が高すぎると、投入した分の改質水を気化するための熱量が増大することによる効率低下が発生する。更に、蒸発部２での突沸による燃焼部の失火不具合や、水蒸気酸化による燃料電池１の劣化に至るおそれがある。そこで、発電運転においてはＳ／Ｃ値を適切な範囲内に設定することが好ましい。

上記事情を考慮し、一例としてＳ／Ｃ値を２．５とすることが好ましい。劣化等を考慮し、許容できるＳ／Ｃ値の範囲を２．０〜３．０とすることが好ましい。図３の特性線Ｗによれば、Ｓ／Ｃ値＝２．５に相当する改質水流量をＱ−Ａとした場合、Ｓ／Ｃ値＝２．０に当る流量はＱ４である。Ｓ／Ｃ値＝３．０に当る流量がＱ３に相当する。即ち、発電運転においては、Ｓ／Ｃ値の許容範囲としては２．０〜３．０が好ましく、これを、給水操作の開始時刻から水センサ８７がＯＮとなるまでの経過時間Ｔとして換算すると、経過時間Ｔとしては時間ＴＭ３〜時間ＴＭ４の範囲内に相当することが好ましい（図３参照）。給水異常判定処理における経過時間Ｔがこの範囲内で有れば、制御部１００は水センサ８７、水ポンプ８０および給水通路８が正常である旨を判定し、正常フラグを立てる。経過時間Ｔがこの範囲を外れた場合には、劣化等の不具合が発生する可能性があると判断し、制御部１００は、蒸発部２への改質水の給水が異常である旨を判定し、異常フラグを立てる。

また、時間ＴＭ２（図３参照）に関しては、既述の通り、水センサ８７が故障していた場合であっても、改質水が過剰に蒸発部２側に供給されず、発電モジュール１８が故障しないだけの値が時間ＴＭ２として設定されている。

［実施形態６］
図４は実施形態６を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用および効果を有するため、図１〜図３を準用する。給水異常判定制御において、制御部１００は、水ポンプ８０に指令したＤＵＴＹ値もしくは回転数にて水ポンプ８０を駆動させる。図４は制御例を示す。ユーザまたは制御部１００によりシステムの起動指示が制御部１００に入力されると、制御部１００は、図４のフローチャートを開始させる。まず、制御部１００は、各種、センサ、スイッチ、機器の情報を読み込み（ステップＳ２）、情報に基づいて現在が暖機モード移行前であるか否かを判定し（ステップＳ４）、現在が暖機モード移行前であれば、水ポンプ８０を逆回転させ、給水通路８において水ポンプ８０よりも下流に存在する改質水を水タンク４に戻す戻し操作を実行し、給水通路８の水を空にする（ステップＳ６）。このような戻し操作では、供給される改質水の指示流量をＱ１[CCM]とし、モータ８２への指示ＤＵＴＹ値をＤ１とし、稼動時間をＴＭ１[sec]とさせる。これらの値は、給水通路８において水ポンプ８０の出口ポート８０ｐから水センサ８７までの通路内の改質水が確実に水タンク４に戻り、給水通路８内の改質水がなくなるような数値として予め設定され、制御部１００のメモリ１００ｍに格納されている。

続いて、所定時間後、水センサ８７が水を検知しているか否か（ＯＮであるか否か）を判定する（ステップＳ７）。水センサ８７が水を検知している場合（ステップＳ７のＮｏ）は、水ポンプ８０の故障で逆回転できておらず水が抜けないか、あるいは水センサ８７の異常で水が抜けているのに「水検知（ＯＮ）」と判定していると判定でき、制御部１００が異常として検出する（ステップＳ９）。

一方、ステップＳ７で水センサ８７が水を検知していない場合（ステップＳ７のＹｅｓ）、給水操作として、水ポンプ８０について指示流量をＱ−Ａ[CCM]とし、ＤＵＴＹ値をＤ２として設定し、水ポンプ８０を正回転させて、水タンク４の改質水を水センサ８７に向けて供給させる（ステップＳ８）。

なお、Ｄ２＝Ｄ１の関係、Ｄ２＜Ｄ１の関係、Ｄ２＞Ｄ１の関係としても良い。Ｄ２＜Ｄ１であれば、給水操作において水ポンプ８０が低速となり、給水通路８の水位の上昇速度の過剰化は抑えられため、空気の巻き込み抑制に有利である。また、水センサ８７のＯＮまでの時間が長くなることで図３における改質水流量の検出精度が上げられる。なお、ステップＳ６を実施した後に、必要に応じて、ΔＴwait時間待機しても良い。この場合、給水通路８の水を重力により流下させ、給水通路８における空の度合を高めることを期待できる。

その後、水センサ８７が水を検知してＯＮしたか否か、もしくは、モータ８２の正回転の開始時刻（給水操作の開始時刻）からの経過時間Ｔが時間ＴＭ２[sec]以上か否かを判定する（ステップＳ１０）。この条件が満たされない場合には、給水操作を継続する（ステップＳ１０のＮＯ）。この条件が満たされた場合には、制御部１００は給水操作を終了させる（ステップＳ１０のＹＥＳ）。次に、水ポンプ８０の駆動を停止させる（ステップＳ１２）。ステップＳ１０において、水センサ８７付近に水が存在していたとしても水センサ８７がＯＮとならない場合には、水センサ８７が故障していると考えられる。このように水センサ８７が故障している場合であっても、発電モジュール１８の蒸発部２への改質水の供給が許容される改質水量に基づいて、前記した時間ＴＭ２[sec]は、閾値物理量として予め決定されている。具体的には、水ポンプ８０の正回転を継続させて給水通路８に改質水を過剰に供給し続けたとしても、発電モジュール１８の改質部３に設けられている改質触媒等が液相状の改質水に水没したり、改質触媒が劣化したりしないだけの時間が時間ＴＭ２[sec]として予め設定されて、制御部１００のメモリ１００ｍに格納されている。

給水操作の開始時刻から水センサ８７がＯＮする時刻までの経過時間Ｔは、経過時間ｔ−ｂとされる。経過時間ｔ−ｂについては、制御部１００は、ＴＭ３≦ｔ−ｂ≦ＴＭ４の式が成立するか否かを判定する（ステップＳ１４，図３参照）。この条件が満たされた場合には、制御部１００は、給水異常判定制御が問題なく実行され、水センサ８７、水ポンプ８０および給水通路８が正常であると判断し（ステップＳ２０）、正常フラグを立て、発電モジュール１８を暖機させる暖機モードへの移行を許可する（ステップＳ２２）。暖機モードでは、改質部３および蒸発部２を水蒸気改質に適する温度領域に加熱させる。暖機モードが正常に終了すると、制御部１００は発電モードに移行する。上記した式が成立しない場合には（ステップＳ１４のＮＯ）、制御部１００は、蒸発部２への改質水の供給が異常であると判定する（ステップＳ１６）。即ち、給水系が故障であると判定し、異常フラグを立て、更に、異常信号を警報器１０２に発報し（ステップＳ１８）、暖気モードおよび発電モードへの移行を禁止する（ステップＳ１８）。

以上説明したように本実施形態によれば、水センサ８７が故障している場合に対応できる。即ち、万一、水センサ８７が故障している場合には、正常な水ポンプ８０が継続して正回転して改質水を給水通路８に供給させているにも拘わらず、水センサ８７はＯＮしない。この場合、水ポンプ８０が継続して正回転するため、発電モジュール１８の蒸発部２および改質部３に改質水が過剰に供給されないように、規定範囲の上限よりも大きな閾値物理量として時間ＴＭ２[sec]が予め設定されている（ステップＳ１０）。そして、制御部１００により給水操作が実行されている条件において、水センサ８７が継続していつまでもＯＮしないときには、給水操作の開始時刻から計測される経過時間Ｔ（物理量）が時間ＴＭ２[sec]（閾値物理量）よりも大きくなると、制御部１００は、給水系の故障であると判定する。そして、制御部１００は、水ポンプ８０の正回転を停止させて給水異常であると判定し、警報を出力し、改質水が蒸発部２に過剰に供給されることを抑える。警報は、警報器１０２への警報信号の出力、システムの運転停止のうちの少なくとも一方を含むことができる。

また本実施形態によれば、水ポンプ８０が故障している場合にも対応することができる。即ち、万一、水ポンプ８０が故障している場合には、水ポンプ８０に対して改質水を給水通路８に供給させる指令を制御部１００が出力させているにも拘わらず、且つ、水センサ８７が正常であるにも拘わらず、水センサ８７はＯＮしない。このため、発電モジュール１８の蒸発部２および改質部３に供給させる改質水が不足とならないように、規定範囲の上限よりも大きな閾値物理量として時間ＴＭ２[sec]が予め設定されている（図３参照）。図３によれば、ＴＭ３＜ＴＭ−Ａ＜ＴＭ４＜ＴＭ２の関係とされている。そして、制御部１００により給水操作が継続して実行されているとき、水センサ８７が継続していつまでもＯＮしない条件において、給水操作の開始時刻から計測される経過時間Ｔ（物理量）が時間ＴＭ２[sec]（閾値物理量）よりも大きくなると、制御部１００は、給水系の故障、即ち、水センサ８７、水ポンプ８０および給水通路８のうちの少なくとも一つの故障であると判定することができる。そして、制御部１００は、水ポンプ８０の正回転を停止させる指令を出力し、蒸発部２への給水の異常であると判定し、警報を出力し、蒸発部２に供給される改質水が不足することを抑える。なお、警報は、警報器への警報信号の出力、システムの運転停止のうちの少なくとも一方を含むことができる。

［実施形態７］
図５および図６は実施形態７を示す。本実施形態は実施形態１〜４と基本的には同様の構成、同様の作用および効果を有するため、図１〜図４を準用できる。給水異常判定制御において、蒸発部２への給水が異常であると判定されるとき（物理量が規定範囲外のとき）、制御部１００は、水ポンプ８０の出力に関する物理量と給水通路８に供給する改質水流量との相関関係を示すマップを校正して是正させる。

図５は、経年変化していない水ポンプ８０の初期のポンプ特性を示す。図５に示すように、水ポンプ８０のモータ８２に入力されるＤＵＴＹ値が大きくなると、水ポンプ８０の正回転により供給される単位時間あたりの改質水流量[CCM]が大きくなる。ＤＵＴＹ値はモータ８２に給電される電流値に相当する。図５に示すように、ＤＵＴＹ値がＤ２(%)であるとき、水ポンプ８０により供給される単位時間あたりの改質水流量は、Ｑ−Ａ[CCM]である。このように改質水流量がＱ−Ａ[CCM]である場合には、給水操作の開始時刻から水センサ８７がＯＮするまでの経過時間Ｔは、図３によれば、ＴＭ−Ａ[sec]であり、許容範囲である時間ＴＭ３〜ＴＭ４の範囲内である。

図６は、水ポンプ８０を駆動させるモータのＤＵＴＹ値がＤ２(%)と設定されているにも拘わらず、水ポンプ８０の経年変化等により、水ポンプ８０により供給される単位時間あたりの改質水流量は、初期値であるＱ−Ａ[CCM]から、Ｑ−Ｂ[CCM]に変化した場合を示す。給水処理をした時の給水開始から水センサ８７ＯＮまでの経過時間から図３を用い、改質水流量がＱ−Ｂに変化したことを検出する。この場合には、図６に示すように、ＤＵＴＹ値と改質水流量との関係について、特性線Ａから特性線Ｂに校正させる。ＤＵＴＹ値と改質水流量との関係における校正結果は、制御部１００のメモリ１００ｍのエリアに更新して格納される。制御部１００は、校正以後の制御において、特性線Ａではなく、特性線Ｂに基づいて、水ポンプ８０のＤＵＴＹ値と、水ポンプ８０により供給される単位時間あたりの改質水流量[CCM]との関係を更新する。このように更新すれば、燃料電池システムを逐一停止させずとも、継続して運転できる利点が得られる。本校正は、水ポンプ８０のポンプ特性として、零点はほぼ変動せず、特性線の傾きのみ変化するような場合に有効である。

上記したような校正にすれば、水ポンプ８０の劣化や圧損変化に起因して、給水通路８に供給される単位時間あたりの改質水流量が変動した場合であっても、水ポンプ８０のＤＵＴＹ値と、水ポンプ８０により供給される単位時間あたりの改質水流量[CCM]との関係を更新する。このため、システムの運転を逐一停止させることなく、運転を継続させつつ、発電モジュール１８の故障および劣化を抑制する。このようにすれば、ユーザのメンテコストおよびランニングコストの増加を抑制することができる。

なお、校正は、給水操作の開始時刻（給水操作において水ポンプ８０がオンした時刻）から、水センサ８７がＯＮとなる時刻までの物理量（経過時間、または、モータ８２がステッピングモータの場合には、ステッピングモータに入力されたパルス総数）が規定範囲外のときに実施することが好ましい。あるいは、物理量が規定範囲内のときであっても、校正は、給水異常判定処理の終了時において実施することもできる。この場合、ポンプ特性の経年変化に速やかに対応できる。

［実施形態８］
図７は実施形態８を示す。本実施形態は実施形態１〜７と基本的には同様の構成、同様の作用および効果を有するため、図１〜５を準用できる。本実施形態によれば、給水異常判定制御において、蒸発部２への給水が異常であると判定されるとき（物理量が規定範囲外のとき）、制御部１００は、水ポンプ８０の出力に関する物理量と給水通路８に供給する改質水流量との相関関係を示す特性（マップ）を校正して是正させる。校正では、水ポンプ８０のＤＵＴＹ値を２水準とさせる。すなわち、水抜き処理後に水ポンプ８０のＤＵＴＹ値をＤ２(%)での水供給による水センサＯＮまでの経過時間測定と、水抜き処理跡にＤ２−２(%)での水供給による水センサＯＮまでの経過時間測定の２水準の処理を行う。これにより給水異常判定処理において改質水流量は２水準に変化される。

図７の特性線αは、経年変化していない水ポンプ８０の初期のポンプ特性を示す。図７の特性線αとして示すように、水ポンプ８０のＤＵＴＹ値が大きくなると、水ポンプ８０により供給される単位時間あたりの改質水流量[CCM]が大きくなる。校正前では、図７の特性線αによれば、ＤＵＴＹ値がＤ２(%)であるとき、水ポンプ８０により供給される単位時間あたりの改質水流量は、Ｑ−Ａ[CCM]である。また、校正前では、図７の特性線αによれば、ＤＵＴＹ値がＤ２−２(%)であるとき、水ポンプ８０により供給される単位時間あたりの改質水流量は、Ｑ−Ａ２[CCM]である。経年変化によりポンプのポンプ特性が次第に変化する。

図７の特性線βは、水ポンプ８０を駆動させるモータのＤＵＴＹ値をＤ２(%)と設定しているにも拘わらず、水ポンプ８０により供給される単位時間あたりの改質水流量は、Ｑ−Ｂ[CCM]に変化した場合を示す。実施形態７と同様に図３に基づき、水供給開始からの経過時間から改質水流量を演算している。更に、図７の特性線βは、水ポンプ８０を駆動させるモータのＤＵＴＹ値がＤ２−２(%)としているにも拘わらず、水ポンプ８０の経年変化等により、水ポンプ８０により供給される単位時間あたりの改質水流量は、Ｑ−Ａ２[CCM]から、Ｑ−Ｂ２[CCM]に変化した場合を示す。この場合には、図７に示すように、水ポンプ８０のＤＵＴＹ値と、水ポンプ８０により供給される単位時間あたりの改質水流量[CCM]との関係について、制御部１００は、特性線αから特性線βに校正させる。校正結果は制御部１００のメモリ１００ｍのエリアに格納され、校正以後の制御において、特性線αではなく、特性線βに基づいて、水ポンプ８０のＤＵＴＹ値と、水ポンプ８０により供給される単位時間あたりの改質水流量[CCM]との関係が規定される。

上記したように水ポンプ８０の変質および劣化等に起因して、水ポンプ８０のＤＵＴＹ値−改質水流量との関係を示すポンプ特性が変化した場合において、上記した校正が実行される。これにより、燃料電池システムの運転を停止させてメンテナンスせずとも、発電モジュール１８に必要な改質水流量を送ることが可能となり、発電モジュール１８の劣化および故障を抑制することができる。本実施形態によれば、給水異常でシステムを直ちに停止させるのではなく、水ポンプ８０のＤＵＴＹ値と、水ポンプ８０により供給される単位時間あたりの改質水流量[CCM]との関係を校正させる。このためシステムの運転を継続させることができるため、ユーザの経済コストの増加等を抑制することができる。

［実施形態９］
本実施形態は上記した実施形態と基本的には同様の構成、同様の作用および効果を有するため、図１〜図３、図５〜図７を準用できる。本実施形態によれば、給水異常判定制御において、制御部１００は、水ポンプ８０をＤＵＴＹ値もしくは回転数にて駆動させる。図８は制御例を示す。ユーザまたは制御部１００によりシステムの起動指示が制御部１００に入力されると、制御部１００は、図８のフローチャートを開始させる。まず、制御部１００は、各種、センサ、スイッチ、機器の情報を読み込み（ステップＳ３２）、情報に基づいて現在が暖機モード移行前であるか否かを判定する（ステップＳ３４）。現在が暖機モード移行前であれば、制御部１００は給水異常判定処理を実行する。この場合、制御部１００は、水ポンプ８０を逆回転させ、給水通路８において水ポンプ８０よりも下流に存在する改質水を水タンク４に戻す戻し操作を実行し、給水通路８の水を空にする（ステップＳ３６）。戻し操作では、供給される改質水の指示流量をＱ１[CCM]とし、モータ８０への指示ＤＵＴＹ値をＤ１とし、モータ８０の稼動時間をＴＭ１[sec]とさせる。これらの値は、給水通路８において水ポンプ８０の出口ポート８０ｐから水センサ８７までの通路内の改質水が確実に水タンク４に戻り、通路内の改質水がなくなるような数値として予め設定され、制御部１００のメモリ１００ｍに格納されている。

続いて、所定時間後、水センサ８７が水を検知しているか否か（ＯＮであるか否か）を判定する（ステップＳ３７）。水センサ８７が水を検知している場合（ステップＳ３７のＮｏ）は、水ポンプ８０の故障で逆回転できておらず水が抜けないか、あるいは水センサ８７の異常で水が抜けているのに「水検知（ＯＮ）」と判定していると判定でき、制御部１００が異常として検出する（ステップＳ３９）。

一方、ステップＳ３７で水センサ８７が水を検知していない場合（ステップＳ３７のＹｅｓ）、制御部１００は、給水操作として、水ポンプ８０について指示流量をＱ−Ａ[CCM]とし、ＤＵＴＹ値をＤ２として設定し、水ポンプ８０を正回転させて、水タンク４の改質水を水センサ８７に向けて供給させる（ステップＳ３８）。なお、Ｄ２＝Ｄ１の関係、Ｄ２＜Ｄ１の関係、Ｄ２＞Ｄ１の関係としても良い。Ｄ２＜Ｄ１であれば、給水操作において、給水通路８の水位の上昇速度は抑えられため、給水通路８における空気の巻き込み抑制に有利である。また、水センサ８７のＯＮまでの時間が長くなることで図３における改質水流量の検出精度が上げられる。なお、ステップＳ６を実施した後に、必要に応じて、ΔＴwait時間待機しても良い。この場合、給水通路８の水を重力により流下させ、給水通路８における空の度合を高めることを期待できる。

その後、制御部１００は、水センサ８７が水を検知してＯＮしたか否か、もしくは、モータの正回転の開始時刻（給水操作の開始時刻）からの経過時間Ｔが時間ＴＭ２[sec]以上か否かを判定する（ステップＳ４０）。この条件が満たされない場合には、給水操作を継続する（ステップＳ４０のＮＯ）。この条件が満たされた場合には、制御部１００は給水操作を終了させる（ステップＳ４０のＹＥＳ）。次に、水ポンプ８０の駆動を停止させる（ステップＳ４２）。ステップＳ４０において、水センサ８７付近に水が存在していたとしても水センサ８７がＯＮとならない場合には、水センサ８７が故障していると考えられる。このように水センサ８７が故障している場合であっても、発電モジュール１８の蒸発部２への改質水の供給が許容される改質水量に基づいて、前記した時間ＴＭ２[sec]は、閾値物理量として予め決定されている。具体的には、水ポンプ８０の正回転を継続させて給水通路８に改質水を過剰に供給し続けたとしても、発電モジュール１８の改質部３に設けられている改質触媒等が液相状の改質水に水没したり、改質触媒が劣化したりしないだけの時間が時間ＴＭ２[sec]として予め設定されて、制御部１００のメモリ１００ｍに格納されている。

水センサ８７がＯＮであるか否か判定する（ステップＳ４４）。水センサ８７がＯＮであれば（ステップＳ４４のＹＥＳ）、ステップＳ４６に進む。給水操作の開始時刻から水センサ８７がＯＮする時刻までの経過時間Ｔは、経過時間ｔ−ｂとされる。経過時間ｔ−ｂについては、制御部１００は、ＴＭ３≦ｔ−ｂ≦ＴＭ４の式が成立するか否かを判定する（ステップＳ４６）。この条件が満たされた場合には、制御部１００は、給水異常判定制御が問題なく実行され、水センサ８７、水ポンプ８０および給水通路８が正常であると判断し（ステップＳ４８）、正常フラグを立てると共に、発電モジュール１８を暖機させる暖機モードおよび発電モードへの移行を許可する（ステップＳ５０）。暖機モードでは、改質部３および蒸発部２を水蒸気改質に適する温度領域に加熱させる。暖機モードが正常に終了すると、制御部１００は発電モードに移行する。

ステップＳ４４において水センサ８７がＯＮしないときには（ステップＳ４４のＮＯ）、制御部１００は、蒸発部２への改質水の供給が異常であると判定する（ステップＳ５２）。即ち、水センサ８７、水ポンプ８０および給水通路８のうちの少なくとも一つが故障であると判定し、更に、異常信号を警報器１０２に発報し、暖気モードおよび発電モードへの移行を禁止する（ステップＳ５４）。

ステップＳ４６において、制御部１００は、ＴＭ３≦ｔ−ｂ≦ＴＭ４の式が成立するか否かを判定する。この式が成立する場合には、制御部１００は、給水異常判定制御が問題なく実行され、前述したように給水系が正常であると判断し（ステップＳ４８）、発電モジュール１８を暖機させる暖機モードおよび発電モードへの移行を許可する（ステップＳ５０）。暖機モードでは、改質部３および蒸発部２を水蒸気改質に適する温度領域に加熱させる。暖機モードが正常に終了すると、制御部１００は発電モードに移行する。上記した式が成立しない場合には（ステップＳ４６のＮＯ）、制御部１００は、水ポンプ８０が経年変化していると判定し、更に、校正処理を実行し（ステップＳ５８）、その後、ステップＳ５０に進む。

以上説明したように本実施形態によれば、前述したように、水センサ８７または水ポンプ８０が故障している場合に対応できる。即ち、万一、水ポンプ８０が正常で且つ水センサ８７が故障している場合には、正常な水ポンプ８０が継続して正回転して改質水を給水通路８に供給させているにも拘わらず、水センサ８７はＯＮしない。この場合には、ステップＳ５２に進み、制御部１００は、水センサ８７または水ポンプ８０の故障であると判定する。

また本実施形態によれば、水ポンプ８０がＯＮしたにも拘わらず、ＴＭ３≦ｔ−ｂ≦ＴＭ４の式が成立しない場合には（ステップＳ４６のＮＯ）、給水操作の開始時刻から水センサ８７がＯＮする時刻までの経過時間ｔ−ｂが、過剰に長いか、あるいは、過剰に短いことになる。この場合、制御部１００は、水ポンプ８０が経年変化していると判定し、図６に示す校正処理、または、図７に示す校正処理を実行する。校正処理が終了すれば、暖機モードおよび発電モードへの移行が許可される（ステップＳ５０）。

［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。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（運転温度：例えば７０〜１００℃）でも良いし、ＰＡＦＣとも呼ばれるリン酸形燃料電池でも良く、他のタイプの燃料電池でも良い。要するに、気相または液相の燃料を水蒸気改質させる水蒸気を改質水から形成する蒸発部２を有する燃料電池システムであれば良い。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。

上記した記載から次の技術的思想が把握される。
［付記項１］アノードガスおよびカソードガスが供給され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させる蒸発部と、前記蒸発部で生成された前記水蒸気を用いて原料ガスを改質させてアノードガスを形成する改質部と、前記蒸発部に供給される前の改質水を溜める水タンクと、前記水タンクと前記蒸発部とを連通させ前記水タンク内の改質水を前記蒸発部に供給させる給水通路と、前記給水通路または前記水タンクに設けられ前記水タンク内の改質水を前記蒸発部に供給させる正回転可能および前記給水通路の前記改質水を前記水タンクに戻す逆回転可能に切り替え可能な水搬送源と、前記給水通路において前記蒸発部の上流且つ前記水搬送源の下流に設けられ水の存在を検知する水センサと、前記水搬送源を制御する制御部とを具備しており、前記制御部は給水異常判定処理を実行する燃料電池システム。

給水異常判定処理は、水搬送源を逆回転させることにより給水通路の改質水を水タンクに戻して給水通路の改質水を空にする戻し操作と、給水通路の改質水を空にした状態において、水搬送源を正回転させることにより水タンクの改質水を前記給水通路に供給し、前記水センサが水を検知するまでの水搬送源の出力に関する物理量を検知する給水操作と、給水操作における物理量が規定範囲であるか否かを判定し、物理量が規定範囲内であれば蒸発部への給水が正常であると判定し、前記給水操作における物理量が規定範囲外であれば蒸発部への給水が異常であると判定する判定操作とを含む。給水の異常は、水センサおよび／または水ポンプの故障に相当する。

１は燃料電池、１０はアノード、１１はカソード、２Ａは改質器、２は蒸発部、３は改質部、４は水タンク、５はケース、５７は温度センサ、６は燃料通路、７０はカソードガス通路、７３はアノードガス通路、７５は排ガス通路、７７は貯湯槽、８は給水通路、８Ａは水搬送源、８０は水ポンプ、８２はモータ、８７は水センサ、１００は制御部を示す。

Claims (4)

1. アノードガスおよびカソードガスが供給され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させる蒸発部と、前記蒸発部で生成された前記水蒸気を用いて原料ガスを改質させてアノードガスを形成する改質部と、前記蒸発部に供給される前の改質水を溜める水タンクと、前記水タンクと前記蒸発部とを連通させ前記水タンク内の改質水を前記蒸発部に供給させる給水通路と、前記給水通路または前記水タンクに設けられ前記水タンク内の改質水を前記蒸発部に供給させる正回転可能および前記給水通路の前記改質水を前記水タンクに戻す逆回転可能に切り替え可能な水搬送源と、前記給水通路において前記蒸発部の上流且つ前記水搬送源の下流に設けられ水の存在を検知する水センサと、前記水センサの検知信号が入力され且つ前記水搬送源を制御する制御部とを具備しており、
   前記制御部は、前記燃料電池の発電運転開始前、前記燃料電池の発電運転終了後、前記燃料電池の発電運転停止中のうちのいずれか一方において、前記水センサ側への給水に対する給水異常判定処理を実行し、
   前記給水異常判定処理は、
   前記水搬送源を逆回転させることにより前記給水通路の改質水を前記水タンクに戻して前記給水通路の改質水を空にする戻し操作と、
   前記給水通路の改質水を空にした状態において、前記水搬送源を正回転させることにより前記水タンクの改質水を前記給水通路に供給し、前記水センサが水を検知するまでに必要とされる前記水搬送源の出力に関する物理量を求める給水操作と、
   前記給水操作における物理量が規定範囲であるか否かを判定し、物理量が前記規定範囲内であれば前記蒸発部への給水が正常であると判定し、前記給水操作における物理量が前記規定範囲外であれば前記蒸発部への給水が異常であると判定する判定操作とを含み、
   前記水搬送源は、ポンプと前記ポンプを駆動させるモータとを備え、
   前記制御部は、物理量が前記規定範囲外のとき、あるいは、前記給水異常判定処理の終了時において、前記水搬送源の出力に関する物理量に基づき、前記モータのＤＵＴＹ値と前記ポンプにより前記給水通路に供給される単位時間あたりの改質水流量との相関関係を示す特性を校正する燃料電池システム。
2. 請求項１において、前記給水異常判定処理の前記給水操作において、前記水センサが水を検知するまでに必要とされる前記水搬送源の出力に関する物理量は、前記給水操作の開始時刻から前記水センサが水を検知する時刻までの経過時間である燃料電池システム。
3. 請求項１において、
   前記モータは、前記ポンプを回転させるステッピングモータであり、
   前記給水操作において、前記水センサが水を検知するまでに必要とされる前記水搬送源の出力に関する物理量は、前記給水操作の開始時刻から前記水センサが水を検知する時刻までにおいて、前記ステッピングモータに入力されるパルス総数である燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のうちの一項において、前記規定範囲の上限よりも大きな閾値物理量が設定されており、前記給水操作が実行されている条件において前記水センサが水を検知していない場合において、前記給水操作の開始時刻から計測される物理量が閾値物理量よりも大きくなると、前記制御部は、前記給水操作を実施している前記水搬送源の正回転を停止させて前記蒸発部への給水の異常であると判定し、改質水が前記蒸発部に過剰に供給されることを抑える燃料電池システム。

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