JP2016012519A - 燃料電池システム - Google Patents

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裕記 大河原
Hiroki Ogawara
裕記 大河原
紀彦 豊長
Norihiko Toyonaga
紀彦 豊長
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Abstract

【課題】燃料電池から可燃成分が供給されて当該可燃成分が燃焼される燃焼部を備えた燃料電池システムにおいて、燃焼部における着火後の燃焼の停止を防止することを目的とする。【解決手段】燃料電池システム１００は、燃焼部３６において可燃成分を着火させる際に、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λを、混合ガスが着火、燃焼可能な着火補正酸素比λ１とする酸素比調整部（制御装置１５）と、燃焼部３６における燃焼が安定している場合に、燃焼部３６に導入された混合ガスの酸素比λを起動正規酸素比λ２−２に変更する酸素比変更部（制御装置１５）と、を有する。【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
燃料電池システムの一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。特許文献１の図１に示されるように、このような燃料電池システムは、改質水及び改質用原料から水素を含む改質ガスを生成する改質部（改質装置２１）と、改質ガスと空気とを用いて発電する燃料電池１０と、燃料電池１０から排出される可燃成分と酸化剤ガスからなる混合ガスを燃焼させて改質部を加熱する燃焼部（バーナ２１ｄ）が設けられている。
特許文献１に示される技術では、次に示される方法によって、燃焼部において混合ガスを着火させている。（１）空気の供給を開始し、点火トランスによって燃焼部内を放電させる。（２）改質用原料を供給して、燃焼部において着火したか否かを判定する。（３）未着火である場合には、改質用原料のみの供給、点火トランスによる放電を繰り返し実行する。これにより、着火開始後は、空気によって改質用原料が希釈された混合ガスが燃焼部に供給されるが、やがて混合ガス中の改質用原料の濃度が上昇し、燃焼部において混合ガスが着火される。
特開２００４−１１６９３４号公報
このような燃料電池システムでは、空気に対する改質燃料の割合が多い燃料リッチ状態で燃焼部において混合ガスを着火させ、着火が成功した後に、着火時に比べて空気に対する改質用原料の割合を減少された混合ガスが燃焼部に供給されて、燃料電池における発電に備えている。ところが、改質用原料の組成が変化した場合等によって、燃焼部において混合ガスの着火に成功した後に、着火時に比べて空気に対する改質用原料の割合を減少された混合ガスが燃焼部に供給されると、着火後に燃焼部において混合ガスの燃焼が不安定となり、燃焼部において混合ガスの燃焼が停止してしまう場合がある。
本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、燃料電池から可燃成分が供給されて当該可燃成分が燃焼される燃焼部を備えた燃料電池システムにおいて、燃焼部における着火後の燃焼の停止を防止することを目的とする。
上記の課題を解決するためになされた、請求項１に係る燃料電池システムの発明は、改質水と改質用原料とから燃料を生成する改質部と、前記改質部に前記改質用原料を供給する改質用原料供給部と、前記燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、前記燃料電池の燃料極から排出される可燃成分を、酸化剤ガスで燃焼させる燃焼部と、前記燃焼部に供給された前記可燃成分を着火させる着火装置と、前記着火装置で前記可燃成分を着火させる際に、前記燃焼部に導入されるガスの酸素比を、前記可燃成分が着火、燃焼可能な補正酸素比とする酸素比調整部と、規定条件を満たした場合に、前記酸素比を前記補正酸素比から、正規酸素比に変更する酸素比変更部と、を有する。
このように、酸素比調整部は、燃焼部に導入されているガスの酸素比を、可燃成分が着火、燃焼可能な補正酸素比に補正する。そして、酸素比変更部は、規定条件を満たした場合に、燃焼部に導入されるガスの酸素比を、補正酸素比から正規酸素比に変更する。これにより、燃焼部において着火した後に、規定条件を満たさないにも関わらず、例えば燃焼部において燃焼が安定する前に、燃焼部に導入されているガスの酸素比が、正規酸素比に変更されることに起因する燃焼部における燃焼の停止が防止される。
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記燃焼部において着火、燃焼しているか否かを判定する着火・燃焼判定部を有し、前記酸素比変更部は、前記着火・燃焼判定部によって前記燃焼部において着火していない、もしくは吹き消えが発生したと判定される度に、前記補正酸素比をより低い酸素比に変更する。これにより、燃焼部において着火していない、もしくは吹き消えが発生したと判定される度に、燃焼部に導入されるガスの酸素比が高い状態から低い状態に徐々に変化されて、燃焼部において着火するか否かが試される。このため、改質用原料の組成が変化して、燃焼部において着火、燃焼可能な酸素比が変化した場合であっても、燃焼部において改質用原料を着火させ、燃焼させることができる。
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の発明において、前記酸素比調整部は、前記燃焼部に導入されるガスを着火、燃焼させる初期状態における、前記ガスの補正酸素比を、前記燃焼部で前記ガスが着火、燃焼可能な最大値に設定する。これにより、燃料部に導入された燃焼ガスが着火、燃焼される初期状態において、想定可能な改質用原料の組成の範囲内において、燃焼部に導入されるガスの酸素比が、当該ガスが着火、燃焼可能な最大の酸素比に設定される。そして、燃焼部に導入されるガスの酸素比が、前記最大の酸素比から徐々に低い酸素比に変更されたうえで、燃焼部において着火するか否かが試される。このため、燃焼部においてガスを着火させることができる酸素比であるのにも関わらず、当該酸素比のガスの燃焼部における着火が試されないことが防止される。これにより、確実に燃焼部においてガスを着火させることができる。また、燃焼部に導入されるガスの酸素比が、当該ガスが着火、燃焼可能な酸素比のうち、最も酸化剤ガスに対する改質用原料が少ない燃料リーン状態から、燃焼部に導入されたガスが着火するか否かが試される。このため、燃焼部に導入されるガスの酸素比が低い状態、つまり、燃焼部に導入されるガスが燃料リッチ状態で、燃焼部において着火することに起因する、燃焼部における一酸化炭素の発生を抑制することができる。
請求項４に係る発明は、請求項２又は請求項３に記載の発明において、前記酸素比調整部によって変更された前記補正酸素比が、規定酸素比以下となった場合に、前記改質用原料供給部による前記改質部への前記改質用原料の供給を停止させる。これにより、酸素比調整部によって変更された補正酸素比が、例えば燃焼部において不完全燃焼が発生するような酸素比以下となった場合に、改質部への改質用原料の供給が停止される。このため、燃焼部において不完全燃焼の発生が防止される。
請求項５に係る発明は、請求項２〜請求項４に記載の発明において、前記着火・燃焼判定部が着火していないと判定している場合に、前記酸素比調整部によって変更された前記補正酸素比が、規定酸素比以下となった場合に、異常であると判定する異常判定部を有する。これにより、酸素比調整部によって変更された酸素比が、規定酸素比以下となった場合には、酸素比以外に燃焼部において着火させることができない他の要因や、酸素比以外に燃焼部で吹き消えが発生する他の要因が有るとして、異常であると判定される。このため、酸素比以外の燃焼部において着火させることができない他の要因や、燃焼部で吹き消えが発生する他の要因が検知される。
請求項６に係る発明は、請求項１〜請求項５に記載の発明において、前記改質部の温度を検出する改質部温度検出部を有し、前記酸素比変更部は、前記改質部温度検出部によって検出された前記改質部の温度が、規定温度以上となった場合に、前記燃焼部に導入されるガスの酸素比を前記補正酸素比から前記正規酸素比に変更する。改質部の温度が高くなるに従って、改質ガス中に含まれる水素の割合は高くなる。そして、水素は、燃焼部において、改質ガスに含まれる他の成分と比べて燃焼されやすい。このため、改質ガス中の水素の割合が増えると、燃焼部における燃焼が安定する。この原理を用いて、酸素比変更部は、改質部温度検出部によって検出された改質部の温度が、改質ガス中に含まれる水素の割合が高くなるような規定温度を越えた場合には、燃焼部での燃焼が安定しているとして、燃焼部に導入されるガスの酸素比を補正酸素比から正規酸素比に変更する。これにより、燃焼部で燃焼が安定していないのにも関わらず、燃焼部に導入されているガスの酸素比が正規酸素比に変更されてしまうことが防止され、燃焼部における燃焼の停止が防止される。
請求項７に係る発明は、請求項１〜請求項６に記載の発明において、前記燃焼部から排気される未燃焼の前記可燃成分を含む燃焼ガスが導入されて、前記燃焼ガス中に含まれる可燃成分を触媒反応によって燃焼させる燃焼触媒と、前記燃焼触媒の温度又は前記燃焼触媒から排気される排気ガスの温度を検出する燃焼触媒温度検出部と、を有し、前記酸素比変更部は、前記燃焼触媒温度検出部によって検出された温度が、異常温度以上となった場合に、前記燃焼部に導入されるガスの酸素比を前記補正酸素比から前記正規酸素比に変更する。燃焼触媒の温度が、異常温度よりも高くなっている状態では、燃焼部において不完全燃焼が発生し、燃焼部から燃焼触媒に導入される可燃成分の流量が増加し、当該可燃成分が燃焼触媒で燃焼されている。上述したように、酸素比変更部は、燃焼触媒温度検出部によって検出された温度が、異常温度以上となった場合に、燃料部に導入されるガスの酸素比を補正酸素比から正規酸素比に変更する。これにより、酸素比変更部によって、着火時に燃焼部に導入されるガスの酸素比が、燃焼部において不完全燃焼が発生するような酸素比に、外乱によって誤って変更された場合に、燃焼部に導入されるガスの酸素比が正規酸素比に変更される。このため、不完全燃焼が発生するような低い酸素比のガスが燃焼部に導入されることに起因する燃焼部における不完全燃焼の発生を抑制することができる。
請求項８に係る発明は、請求項２〜請求項７に記載の発明において、前記燃焼部の温度を検出する燃焼部温度検出部と、前記燃料電池が出力している電圧を検出する電圧検出部、及び前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出部の少なくとも一方と、前記電圧検出部によって前記燃料電池が出力している電圧が発電可能電圧以上になった場合、及び前記燃料電池温度検出部によって検出された前記燃料電池の温度が発電可能温度以上となった場合の少なくとも一方の条件が成立した場合に、前記酸素比変更部は、前記燃焼部に導入されるガスの酸素比を前記補正酸素比から前記正規規酸素比に変更する。
燃料電池において発電が実行されている場合には、燃料電池から掃引される掃引電流に基づいて、燃料電池に導入された燃料の流量の過不足を検出することができる。また、燃料電池において発電が実行されている場合には、燃料電池の温度に基づいて、燃料電池に導入された燃料の流量の過不足を検出することができる。このため、燃料電池に導入された燃料の流量の過不足を検出して、燃料電池に導入された燃料の流量を補正することにより、燃焼部での燃焼を安定させることができる。一方で、燃料電池において発電が実行されていない場合には、燃料電池から掃引されている掃引電流が０であり、燃料電池の温度も安定していないため、燃料電池に導入された燃料の流量の過不足を検出することができない。上述したように、燃料電池が出力している電圧が発電可能電圧以上となった場合、及び燃料電池の温度が発電可能温度以上となった場合の少なくとも一方の条件が成立し、燃料電池において発電可能となった場合には、酸素比変更部は、燃料電池に導入されるガスの酸素比を、燃料電池における発電時の酸素比である発電時正規酸素比に変更する。これにより、燃料電池に導入されているガスの酸素比が発電時正規酸素比に変更されたとしても、燃料電池において発電が実行されている場合には、燃料電池から掃引されている掃引電流や燃料電池の温度に基づいて、燃料電池に導入された燃料の流量の過不足を検出することができるので、燃料電池に導入された燃料の流量を補正することができる。このため、燃料電池に導入された燃料の流量を補正することにより、燃焼部における燃焼を安定させることができる。
本発明による燃料電池システムの一実施形態（第一実施形態）の概要を示す概要図である。 図１に示す制御装置で実行される「第一着火処理」のフローチャートである。 図１に示す制御装置で実行される「第一着火処理」の別例のフローチャートである。 改質部の温度と改質ガス組成との関係を示したグラフである。 燃焼部に導入された混合ガスの酸素比λと燃焼部における燃焼状態との関係を示した図であり、第二着火処理を説明するための説明図である。 図１に示す制御装置で実行される「第二着火処理」のフローチャートである。
以下、本発明による燃料電池システム１００の一実施形態について説明する。図１に示すように、燃料電池システム１００は、発電ユニット１０及び貯湯槽２１を備えている。発電ユニット１０は、筐体１０ａ、燃料電池モジュール１１、熱交換器１２、インバータ装置１３、水タンク１４、制御装置１５、及び報知部１７を備えている。
燃料電池モジュール１１は、ケーシング３１、蒸発部３２、改質部３３、及び燃料電池３４を備えている。ケーシング３１は、断熱性材料で箱状に形成されている。蒸発部３２は、後述する燃焼部３６によって燃焼された燃焼ガスにより加熱されて、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、供給された改質用原料を予熱するものである。蒸発部３２は、このように生成された水蒸気と予熱された改質用原料を混合して改質部３３に供給するものである。
蒸発部３２には、改質用原料供給管１１ａの一端が接続されている。改質用原料供給管１１ａの他端には、供給源Ｇｓが接続されている。供給源Ｇｓは、改質用原料を供給するものである。改質用原料としては天然ガス、ＬＰガスなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料がある。改質用原料として天然ガスを用いた実施形態について、本実施形態の燃料電池システム１００を説明する。
改質用原料供給管１１ａには、上流から順番に遮断弁１１ａ１、脱硫器１１ａ２、改質用原料流量センサ１１ａ３、バッファタンク１１ａ４、原料ポンプ１１ａ５、及び逆止弁１１ａ６が設けられている。遮断弁１１ａ１は改質用原料供給管１１ａを制御装置１５の指令によって開閉自在に遮断する弁（２連弁）である。脱硫器１１ａ２は改質用原料中の硫黄分（例えば、硫黄化合物）を除去するものである。改質用原料流量センサ１１ａ３は、蒸発部３２に供給されている改質用原料の流量、すなわち単位時間あたりの流量を検出するものであり、その検出結果を制御装置１５に送信している。バッファタンク１１ａ４は、原料ポンプ１１ａ５の脈動により改質用原料流量センサ１１ａ３の精度低下や真値からの逸脱を抑制するものである。
原料ポンプ１１ａ５（改質用原料供給部）は、改質用原料を蒸発部３２（改質部３３）に供給することにより、燃料電池３４に改質ガス（燃料）を供給する供給装置であり、制御装置１５からの制御指令値によって供給源Ｇｓからの燃料供給量（供給流量（単位時間あたりの流量））を調整するものである。逆止弁１１ａ６は、原料ポンプ１１ａ５と燃料電池モジュール１１（蒸発部３２）との間に配設されており、原料ポンプ１１ａ５から燃料電池モジュール１１への流れを許容するがその反対方向の流れを禁止するものである。
蒸発部３２には、水供給管１１ｂの一端が接続されている。水供給管１１ｂの他端には、水タンク１４に接続されている。水供給管１１ｂは、改質水ポンプ１１ｂ１が設けられている。このような構成によって、水タンク１４から改質水が蒸発部３２に供給される。
燃料電池３４には、カソードエア供給管１１ｃの一端が接続されている。カソードエア供給管１１ｃの他端には、カソードエアブロワ１１ｃ１が接続されている。このような構成によって、カソードエアが燃料電池３４に供給される。カソードエア供給管１１ｃのカソードエアブロワ１１ｃ１の下流側には、燃料電池３４に供給されるカソードエアの流量を検出するカソードエア流量センサ１１ｃ２が設けられている。
改質部３３は、後述する燃焼部３６によって燃焼された燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部３２から供給された原料ガス（改質用原料、水蒸気）から改質ガスを生成して導出するものである。改質部３３内には、触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、原料ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素などを含んだガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。すなわち、改質部３３では、下記化１及び化２に示す反応が生じている。
（化１）ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２
（化２）Ｈ２Ｏ＋ＣＯ⇔Ｈ２＋ＣＯ２
このように生成された改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス（メタンガス）、改質に使用されなかった改質水（水蒸気）を含んでいる。このように、改質部３３は、改質用原料と改質水とから改質ガス（燃料）を生成して燃料電池３４に供給する。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応である。
改質部３３には、改質部３３の温度Ｔ１（触媒の温度）を検出する、改質部温度センサ３３ａが設けられている。改質部温度センサ３３ａの検出結果（出力信号）は制御装置１５に送信される。
燃料電池３４は、改質部３３によって生成された改質ガス（燃料）とカソードエアブロワ１１ｃ１によって供給されたカソードエア（酸化剤ガス）によって発電するものである。燃料電池３４は、燃料極、空気極（酸化剤極）、及び両極の間に介装された電解質からなる複数のセル３４ａが積層されて構成されている。本実施形態の燃料電池３４は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池３４の燃料極には、燃料として水素、一酸化炭素、メタンガスなどが供給される。
燃料極では、下記化３及び化４に示す反応が生じている。
（化３）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
（化４）
ＣＯ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ−
空気極では、下記化５に示す反応が生じている。
（化５）
１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２ −
すなわち、空気極で生成した酸化物イオン（Ｏ２−）が電界質を透過し、燃料極で水素と反応することによって電気エネルギーを発生させている。
なお、燃料電池３４の動作温度は４００〜１０００℃程度である。水素だけではなく天然ガスや石炭ガスなども直接燃料として用いることが可能である。この場合、改質部３３は省略することができる。
セル３４ａの燃料極側には、燃料である改質ガスが流通する燃料流路３４ｂが形成されている。セル３４ａの空気極側には、酸化剤ガスである空気（カソードエア）が流通する空気流路３４ｃが形成されている。セル３４ａには、セル３４ａ（燃料電池３４）の温度を検出し、その検出結果を制御装置１５に出力する燃料電池温度検出センサ３４ａ１（燃料電池温度検出部）が設けられている。
燃料電池３４は、マニホールド３５上に設けられている。マニホールド３５には、改質部３３からの改質ガスが改質ガス供給管３８を介して供給される。燃料流路３４ｂは、その下端（一端）がマニホールド３５の燃料導出口に接続されており、その燃料導出口から導出される改質ガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。カソードエアブロワ１１ｃ１によって送出されたカソードエアはカソードエア供給管１１ｃを介して供給され、空気流路３４ｃの下端から導入され上端から導出されるようになっている。
燃焼部３６は、燃料電池３４と蒸発部３２及び改質部３３との間に設けられている。燃焼部３６は、燃料電池３４から排気される可燃成分を含むアノードオフガス（燃料オフガス）を、燃料電池３４から排気されるカソードオフガス（酸化剤オフガス）で燃焼させて、燃焼後に発生する燃焼ガスによって蒸発部３２及び改質部３３を加熱する。
燃焼部３６では、アノードオフガスが燃焼されて火炎３７が発生している。燃焼部３６には、燃焼部３６に導入されるアノードオフガスとカソードオフガスの混合ガスを着火させるための一対の着火ヒータ３６ａ１，３６ａ２（着火装置）が設けられている。燃焼部３６の上方には、燃焼部３６で燃焼されている火炎３７の温度Ｔ３を検出し、その検出結果を制御装置１５に出力する燃焼部温度検出センサ３６ｂが設けられている。
熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１から排気される排気ガスが供給されるとともに貯湯槽２１からの貯湯水が供給され、排気ガスと貯湯水とを熱交換させる装置である。貯湯槽２１は、貯湯水を貯湯するものであり、貯湯水が循環する（図１にて矢印の方向に循環する）貯湯水循環ライン２２が接続されている。貯湯水循環ライン２２上には、貯湯槽２１の下端から上端に向かって順番に循環ポンプ２２ａ及び熱交換器１２が配設されている。熱交換器１２は、水タンク１４に接続されている凝縮水供給管１２ａが接続されている。
熱交換器１２において、燃料電池モジュール１１からの排気ガスは、排気ガス導入部１２ｂを通って熱交換器１２内に導入され、貯湯水との間で熱交換が行われて冷却され、排気ガスに含まれる水蒸気が凝縮され凝縮水が生成される。熱交換後の排気ガスは排気管１２ｃを通り、筐体１０ａに設けられた第一排気口１０ｂを通って、筐体１０ａの外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水供給管１２ａを通って水タンク１４に供給される。なお、水タンク１４は、凝縮水をイオン交換樹脂によって純水化するようになっている。
上述した熱交換器１２、貯湯槽２１及び貯湯水循環ライン２２から、排熱回収システム２０が構成されている。排熱回収システム２０は、燃料電池モジュール１１の排熱を貯湯水に回収して蓄える。
熱交換器１２の排気ガス導入部１２ｂの入口がケーシング３１に接続されている部分、すなわちケーシング３１の導出口３１ａには、燃焼触媒２８が設けられている。燃焼触媒２８には、燃焼部３６から排気される燃焼ガスが導入される。燃焼触媒２８は、燃焼ガスに含まれる燃焼部３６において未燃焼の可燃成分（例えば、水素、メタンガス、一酸化炭素など）を触媒反応によって燃焼させる。燃焼触媒２８には、プラチナやパラジウムなどの貴金属をセラミックの単体などに担持させたものが含まれる。なお、燃焼触媒２８は、水素、メタンガス、一酸化炭素などの可燃成分を火炎燃焼でなく触媒反応によって燃焼させる、燃焼速度が大きく、大量の可燃成分を燃焼することができ、かつ、燃焼効率も高いため未燃焼ガスの排出を抑制することができる。
燃焼触媒２８には、燃焼触媒を触媒の活性温度まで加熱して可燃成分を燃焼させるための燃焼触媒ヒータ２８ａが設けられている。燃焼触媒ヒータ２８ａは制御装置１５の指示によって加熱され、システム起動前に燃焼触媒２８を活性温度まで上昇させるために使用されるものである。また、燃焼触媒２８には、燃焼触媒２８の温度Ｔ２を検出するための燃焼触媒温度センサ２８ｂ（温度検出部）が設けられている。燃焼触媒温度センサ２８ｂの検出結果（出力信号）は制御装置１５に送信される。
インバータ装置１３は、燃料電池３４によって発電された電流を掃引する。この電流を以下に、掃引電流と呼ぶ。そして、インバータ装置１３は、掃引した直流電流である掃引電流を交流電流に変換し、当該交流電を交流の系統電源１６ａ及び外部電力負荷１６ｃ（例えば電化製品）に接続されている電源ライン１６ｂに出力する。インバータ装置１３は、掃引電流の電流値を検出することができ、掃引電流量を増減させることができる。インバータ装置１３には、系統電源１６ａからの交流電流が電源ライン１６ｂを介して入力される。そして、インバータ装置１３は、入力された交流電流を所定の直流電流に変換して補機（各ポンプ、ブロワなど）や制御装置１５に出力する。
制御装置１５は、燃料電池システム１００を統括制御するものである。制御装置１５は、補機を駆動して燃料電池システム１００の運転を制御する。制御装置１５は、改質用原料流量センサ１１ａ３によって検出された改質用原料の蒸発部３２への流量に基づいて、原料ポンプ１１ａ５が蒸発部３２に供給する改質用原料の流量をフィードバック制御する。また、制御装置１５は、カソードエア流量センサ１１ｃ２によって検出されたカソードエアの燃料電池３４への流量に基づいて、カソードエアブロワ１１ｃ１が燃料電池３４に供給するカソードエアの流量をフィードバック制御する。なお、制御装置１５は、リニア電流制御によって、原料ポンプ１１ａ５を駆動するモータ（不図示）や、カソードエアブロワ１１ｃ１を駆動するモータ（不図示）に供給する電流量を調整する。ここでいうリニア電流制御とは、原料ポンプ１１ａ５を駆動する電圧デューティー比を変更し、実効電流を除変させるＰＷＭ制御が含まれる。
制御装置１５は、原料ポンプ１１ａ５によって蒸発部３２に供給される改質用原料の流量を調整するとともに、改質水ポンプ１１ｂ１によって蒸発部３２に供給される改質水の流量を調整し、更に、カソードエアブロワ１１ｃ１によって燃料電池３４に供給されるカソードエアの流量を調整することによって、燃料電池３４で発電される発電電力を調整するとともに、燃焼部３６で発生した熱量を調整して、蒸発部３２及び改質部に供給される熱量を調整する。
（第一着火処理の概要）
以下に、燃料電池システム１００の起動時において、燃焼部３６に導入された混合ガスを着火させるための「第一着火処理」の概要について説明する。「第一着火処理」の説明に先立ち、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λについて説明する。
酸素比λとは、下式（１）に示す値である。
λ＝Ａ／Ｂ…（１）
λ＝酸素比
Ａ＝燃焼部３６に実際に導入された酸素流量
Ｂ＝混合ガス中の可燃成分を完全燃焼させるために必要な理想的な酸素流量
「第一着火処理」では、先ず、燃焼部３６において着火、燃焼可能な最大の酸素比（以下、着火補正酸素比λ１とする。例えば１．１）の混合ガスが燃焼部３６に供給されて、燃焼部３６で着火するか試される。そして、燃焼部３６において、着火が失敗する度に、燃焼部３６に供給される混合ガスの酸素比λが低下されて、燃焼部３６で着火するか試される。このように、燃焼部３６に供給される混合ガスの酸素比λが、燃焼部３６に導入された可燃成分が着火、燃焼可能な着火補正酸素比λ１に変更されて、燃焼部３６で着火するかが試される。そして、燃焼部３６において着火に成功した後において、後述の「起動条件」が成立すると、燃焼部３６に供給される混合ガスの酸素比λが、着火補正酸素比λ１よりも高い酸素比である起動補正酸素比λ２に変更される。この起動補正酸素比λ２は、燃焼部３６における着火が失敗した回数が多い程、低い酸素比λに補正される。そして、燃焼部３６における燃焼が安定していると判断される条件である後述の（規定条件１）が成立すると、燃焼部３６に供給される混合ガスの酸素比λが、起動補正酸素比λ２よりも高い酸素比である起動正規酸素比λ２−２（例えば１．６）に変更される。つまり、燃焼部３６において着火に成功して、すぐに、燃焼部３６に供給される混合ガスの酸素比λが起動補正酸素比λ２から、起動正規酸素比λ２−２に変更されるのではなく、後述の（規定条件１）が成立するまで、つまり、燃焼部３６における燃焼が安定するまで起動補正酸素比λ２が維持される。以下に図２Ａに示すフローチャートを用いて、「第一着火処理」について説明する。なお、特許請求の範囲に記載の「補正酸素比」には、着火補正酸素比λ１及び起動補正酸素比λ２が含まれる。また、特許請求の範囲に記載の「正規酸素比」には、起動正規酸素比λ２−２及び発電正規酸素比λ３が含まれる。
（第一着火処理）
燃料電池システム１００の起動が開始されると、プログラムはステップＳ１１に進む。
ステップＳ１１において、制御装置１５は、カソードエアブロワ１１ｃ１によって空気を数秒間燃料電池３４に供給させて、燃料電池３４よりも下流側のガス流路に残留している可燃成分をパージする。これにより、燃料電池３４よりも下流側のガス流路に残留している可燃成分が除去されて、安全に燃焼部３６において着火させることができる。Ｓ１１が終了すると、制御装置１５は、プログラムをステップＳ１２に進める。
ステップＳ１２において、制御装置１５は、着火ヒータ３６ａ１，３６ａ２をＯＮさせて、プログラムをＳ２１に進める。
ステップＳ２１において、制御装置１５が、カウンタｍが０であると判断した場合には（ステップＳ２１：ＹＥＳ）、プログラムをステップＳ２２に進める。一方で、制御装置１５が、カウンタｍが０でないと判断した場合には（ステップＳ２１：ＮＯ）、プログラムをステップＳ２３に進める。なお、「第一着火処理」が開始されて、最初にステップＳ２１の処理が実行される場合には、カウンタｍは０に設定されているので、プログラムはステップＳ２２に進む。
ステップＳ２２において、制御装置１５（酸素比調整部）は、原料ポンプ１１ａ５による改質用原料の供給を開始させる。そして、制御装置１５（酸素比調整部）は、改質用原料流量センサ１１ａ３の検出結果に基づいて、原料ポンプ１１ａ５が供給する改質用原料の流量が着火時初期流量Ｎａとなるようにフィードバック制御する。これと同時に、制御装置１５（酸素比調整部）は、カソードエアブロワ１１ｃ１によるカソードエアの供給を開始させる。そして、制御装置１５（酸素比調整部）は、カソードエア流量センサ１１ｃ２の検出結果に基づいて、カソードエアブロワ１１ｃ１が供給しているカソードエアの流量が着火時初期流量Ａａとなるようにフィードバック制御する。このようにして、燃焼部３６に改質用原料とカソードエアの混合ガスが供給される。着火時には、燃料電池３４では発電が実行されていないので、混合ガスから水素及び酸素は消費されない。なお、原料ポンプ１１ａ５が供給している改質用原料の流量が着火時初期流量Ｎａとされ、カソードエアブロワ１１ｃ１が供給しているカソードエアの流量が着火時初期流量Ａａとされている状態では、燃焼部３６に供給されている混合ガスの酸素比λである着火補正酸素比λ１は、混合ガスが着火、燃焼可能な最大値（例えば１．１）となっている。つまり、「第一着火処理」が開始されて、燃焼部３６において最初に着火、燃焼する初期状態では、燃焼部３６に供給されている混合ガスの着火補正酸素比λ１は、混合ガスが着火、燃焼可能な最大値となっている。ステップＳ２２が終了すると、制御装置１５は、プログラムをＳ３１に進める。
ステップＳ２３において、制御装置１５（酸素比調整部）は、原料ポンプ１１ａ５が供給している改質用原料の流量を、下式（１）で演算される変更後流量Ｎａ１に変更する。
Ｎａ１＝Ｎａ×ΔＮａ×ｍ…（式１）
Ｎａ１：変更後流量
Ｎａ：着火時初期流量
ΔＮａ：規定増加係数（１以上の数値）
ｍ：カウンタ
なお、カソードエアブロワ１１ｃ１が供給しているカソードエアの流量は着火時初期流量Ａａに維持される。
このステップＳ２３が実行される度に、原料ポンプ１１ａ５が供給している改質用原料の流量は増加し、燃焼部３６に供給される混合ガスの酸素比λである着火補正酸素比λ１は低下する。ステップＳ２３が終了すると、制御装置１５は、プログラムをステップＳ３１に進める。
ステップＳ３１において、制御装置１５（着火・燃焼判定部）は、燃焼部３６において着火していると判定した場合には（ステップＳ３１：ＹＥＳ）、プログラムをＳ５１に進める。一方で、制御装置１５は、燃焼部３６において着火していないと判定した場合には（ステップＳ３１：ＮＯ）、プログラムをＳ４１に進める。制御装置１５は、燃焼部温度検出センサ３６ｂによって検出された温度Ｔ３が着火判定温度以上であると判断した場合には、燃焼部３６において着火していると判定する。一方で、制御装置１５は、燃焼部温度検出センサ３６ｂによって検出された温度Ｔ３が着火判定温度未満であると判断した場合には、燃焼部３６において着火していないと判定する。
Ｓ４１において、制御装置１５は、カウンタｍを１カウントアップする。このように、ステップＳ３１において、燃焼部３６において着火していないと判定される度に、或いは、後述するように、ステップＳ５３において、燃焼部３６において吹き消えが発生していると判定される度に、ステップＳ４１において、カウンタｍが１ずつカウントアップされ、ステップＳ２３や後述するステップＳ５２において、原料ポンプ１１ａ５が供給している改質用原料の流量が増加され、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λである着火補正酸素比λ１や起動補正酸素比λ２が低下する。ステップＳ４１が終了すると、制御装置１５は、プログラムをステップＳ４２に進める。
ステップＳ４２において、制御装置１５は、カウンタｍが規定値ｍａよりも小さいと判断した場合には（ステップＳ４２：ＹＥＳ）、プログラムをステップＳ１１に戻す。一方で、制御装置１５は、カウンタｍが規定値ｍａ以上であると判断した場合には（ステップＳ４２：ＮＯ）、プログラムをステップＳ７１に進める。なお、カウンタｍが規定値ｍａ以上である場合には、燃焼部３６に導入されている混合ガスの酸素比λである着火補正酸素比λ１や起動補正酸素比λ２が、燃焼部３６において混合ガスが着火した場合に、燃焼部３６からＣＯが排出される閾値である「規定酸素比」（例えば１．０）以下となっている。この「規定酸素比」は、最もＣＯが発生し易い改質用原料のガス組成に基づいて設定されている。
ステップＳ５１において、制御装置１５は、以下に示す「起動条件」が成立したと判断した場合には（ステップＳ５１：ＹＥＳ）、プログラムをステップＳ５２に進める。一方で、制御装置１５は、以下に示す「起動条件」が成立していないと判断した場合には（ステップＳ５１：ＮＯ）、ステップＳ５１の処理を繰り返す。「起動条件」を以下に示す。
（起動条件１）燃焼部温度検出センサ３６ｂによって検出された温度Ｔ３が、起動温度以上となった場合。
（起動条件２）燃焼部温度検出センサ３６ｂによって検出された温度Ｔ３の単位時間当たりの変化量が、起動変化量以上となった場合。
（起動条件１）又は（起動条件２）のいずれかが成立した場合には、プログラムはステップＳ５２に進む。
ステップＳ５２において、制御装置１５は（起動補正酸素比演算部、起動時酸素比変更部）、原料ポンプ１１ａ５が供給している改質用原料の流量を、下式（２）で演算される起動時補正原料流量Ｎｂ１に変更するとともに、カソードエアブロワ１１ｃ１が供給しているカソードエアの流量を起動時カソードエア流量Ａｂに変更する。
Ｎｂ１＝Ｎｂ×ΔＮｂ×ｍ…（式２）
Ｎｂ１：起動時補正原料流量
Ｎｂ：起動時正規原料流量
ΔＮｂ：規定増加係数（１以上の数値）
ｍ：カウンタ
なお、「起動時」とは、燃料電池３４内の温度を上昇させて、燃料電池３４での発電を実行させるための準備時期である。
このステップＳ５２の処理によって、燃料電池３４に導入される改質ガスとカソードエアの混合ガスの酸素比λは、起動補正酸素比λ２に設定される。起動補正酸素比λ２は、カウンタｍが大きくなるに従って、低い値に設定される。改質用原料の組成によっては、燃焼部３６に導入された混合ガスが着火、燃焼し難い場合がある。この場合には、ステップＳ４１において、カウンタｍが増加して、ステップＳ５４において、起動補正酸素比λ２がより低い値に設定されるので、「起動時」において、燃焼部３６に導入される混合ガスが安定して燃焼される。なお、起動補正酸素比λ２は、着火補正酸素比λ１よりも高い値となっている。ステップＳ５２が終了すると、制御装置１５はプログラムをステップＳ５３に進める。
ステップＳ５３において、制御装置１５は、燃焼部温度検出センサ３６ｂによって検出された温度Ｔ３が吹き消え発生温度未満であると判断した場合には、燃焼部３６において吹き消えが発生していると判断し（ステップＳ５３：ＹＥＳ）、プログラムをＳ４１に進める。一方で、制御装置１５は、燃焼部温度検出センサ３６ｂによって検出された温度Ｔ３が吹き消え発生温度以上であると判断した場合には、燃焼部３６において吹き消えが発生してないと判断し（ステップＳ５３：ＮＯ）、プログラムをＳ５４に進める。なお、吹き消えとは、燃焼部３６の一部又は全部において燃焼が停止している状態である。このように、吹き消えが発生すると、燃焼部３６の一部又は全部において燃焼が停止するので、燃焼部温度検出センサ３６ｂによって検出される温度Ｔ３が、燃焼部３６において吹き消えが発生していない場合と比較して、低下する。
ステップＳ５４において、制御装置１５は、下記（規定条件１）又は（規定条件２）のいずれかの規定条件が成立したと判定した場合には（ステップＳ５４：ＹＥＳ）、プログラムをステップＳ５５に進める。一方で、制御装置１５は、下記（規定条件１）又は（規定条件２）のいずれかの規定条件も成立していないと判定した場合には（ステップＳ５４：ＮＯ）、ステップＳ５４の処理を繰り返す。
以下に（規定条件１）、（規定条件２）の規定条件を示す。
（規定条件１）改質部温度センサ３３ａによって検出された改質部３３の温度Ｔ１が、規定温度Ｔ１ａ（例えば、６００℃）を越えた場合。図３に示すように、改質部３３の温度Ｔ１が高くなるに従って、改質ガス中に含まれる水素の割合は高くなる。水素は、燃焼部３６において、改質ガスに含まれる他の成分と比べて燃焼されやすい。このため、改質ガス中の水素の割合が増えると、燃焼部３６における燃焼が安定する。この原理を用いて、制御装置１５（燃焼安定判定部）は、改質部温度センサ３３ａによって検出された改質部３３の温度Ｔ１が、規定温度Ｔ１ａを越えた場合には、燃焼部３６での燃焼が安定していると判定して、プログラムをステップＳ５５に進める。
（規定条件２）燃焼触媒温度センサ２８ｂによって検出された燃焼触媒２８の温度Ｔ２が、「異常温度」を越えた場合。ステップＳ２３やステップＳ５２における改質用原料流量の補正によって、酸素比λが低下して、燃料リッチ状態となり過ぎたことなどに起因して、燃焼部３６での燃焼が不安定となると、燃焼ガスに含まれる一酸化炭素が増加する。そこで、制御装置１５は、後述のステップＳ５５において燃焼部３６に供給される混合ガスの酸素比λを上昇させて、燃焼部３６での燃焼状態を改善させるために、燃焼触媒温度センサ２８ｂによって検出された燃焼触媒２８の温度Ｔ２が、「異常温度」を越えたと判定した場合には、プログラムをステップＳ５５に進める。
ステップＳ５５において、制御装置１５（酸素比変更部）は、改質用原料流量センサ１１ａ３及びカソードエア流量センサ１１ｃ２からの検出結果に基づいて、原料ポンプ１１ａ５及びカソードエアブロワ１１ｃ１をフィードバック制御して、改質用原料の流量及びアノードエアの流量を、起動時の正規流量にする。このステップＳ５５の処理によって、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λは、起動正規酸素比λ２−２に変更される。なお、起動正規酸素比λ２−２は、起動補正酸素比λ２よりも高い酸素比である（例えば１．６）。ステップＳ５５が終了すると、制御装置１５は、プログラムをステップＳ６３に進める。
ステップＳ６３において、制御装置１５は（酸素比変更部）、後述の「発電条件」が成立したと判断した場合には（ステップＳ６３：ＹＥＳ）、プログラムをステップＳ６４に進める。一方で、制御装置１５は、後述の「発電条件」が成立していないと判断した場合には（ステップＳ６３：ＮＯ）、ステップＳ６３の処理を繰り返す。「発電条件」が成立する条件は、燃料電池温度検出センサ３４ａ１によって検出されたセル３４ａ（燃料電池３４）の温度が、「発電可能温度」以上となり、且つ、インバータ装置１３によって検出された燃料電池３４のセル３４ａが出力している電圧が「発電可能電圧」以上となった場合である。
ステップＳ６４において、制御装置１５は、原料ポンプ１１ａ５が供給している改質用原料の流量、及びカソードエアブロワ１１ｃ１が供給しているカソードエアの流量を調整して、燃料電池３４に導入される混合ガスの酸素比λを発電正規酸素比λ３に変更して、燃料電池３４において発電させる。ステップＳ６４が終了すると、制御装置１５は、プログラムをステップＳ６５に進める。
ステップＳ６５において、制御装置１５は、カウンタｍを０にする。ステップＳ６５が終了すると、「第一着火処理」が終了する。
ステップＳ７１において、制御装置１５（異常判定部）は、着火・燃焼異常であると判定する。ステップＳ４２において、カウンタｍが規定値ｍａ以上となっている場合、つまり、ステップＳ２３において、改質用原料の流量が増加され続け、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λが低下し続けているのにも関わらず、燃焼部３６において着火できない場合や、燃焼部３６において吹き消えが発生する場合には、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λ以外に、燃焼部３６において着火できない他の要因や、燃焼部３６において吹き消えが発生する他の要因が有ると考えられるので、着火・燃焼異常であると判定される。ステップＳ７１が終了すると、制御装置１５は、プログラムをステップＳ７２に進める。
ステップＳ７２において、制御装置１５は、報知部１７において、着火・燃焼異常を報知させ、プログラムをステップＳ７３に進める。
ステップＳ７３において、制御装置１５（運転停止部）は、原料ポンプ１１ａ５による改質用原料の供給、及びカソードエアブロワ１１ｃ１によるカソードエアの供給を停止させ、燃料電池システム１００の運転を停止させる。ステップＳ７３が終了すると、「第一着火処理」は終了する。
（本実施形態の効果）
上記した説明から明らかなように、制御装置１５（燃焼安定判定部）が、燃焼部３６における燃焼が安定していると判定するまで、つまり、上記（規定条件１）が成立したと判断するまで（図２ＡのステップＳ５４でＹＥＳと判断）、制御装置１５（酸素比変更部）は、燃焼部３６に導入されている混合ガスの酸素比λを、ステップＳ５２で設定された起動補正酸素比λ２に維持する。そして、制御装置１５（酸素比変更部）は、上記（規定条件１）が成立して、燃焼部３６における燃焼が安定してから、燃焼部３６に導入されるガスの酸素比λを、起動補正酸素比λ２から起動正規酸素比λ２−２に変更する。これにより、燃焼部３６において着火した後に、燃焼部３６において燃焼が安定する前に、燃焼部３６に導入されているガスの酸素比λが、より高い酸素比である起動正規酸素比λ２−２に変更されることに起因する燃焼部３６における燃焼の停止が防止される。
また、制御装置１５（酸素比調整部）は、燃焼部３６において着火していないと判定される度に（図２ＡのステップＳ３１でＮＯと判断）、着火補正酸素比λ１をより低い酸素比λに変更する（ステップＳ２３）。これにより、燃焼部３６に供給されるガスの酸素比λを高い状態から低い状態に徐々に変化させて、燃焼部３６における着火するか否かが試される。このため、改質用原料の組成が変化して、燃焼部３６において着火、燃焼可能な酸素比が変化した場合であっても、燃焼部３６において改質用原料を着火させ、燃焼させることができる。また、制御装置１５（酸素比調整部）は、燃焼部３６において吹き消えが発生したと判断される度に（ステップＳ５３でＹＥＳと判断）、起動補正酸素比λ２をより低い酸素比λに変更する（ステップＳ５２）。これにより、燃焼部３６において混合ガス安定させて燃焼させることができ、吹き消えの発生を防止することができる。
制御装置１５（酸素比調整部）は、燃焼部３６に導入された混合ガスを着火、燃焼させる初期状態の着火補正酸素比λ１を、混合ガスが燃焼部３６で着火、燃焼可能な最大値に設定する（ステップＳ２２）。これにより、想定可能な改質用原料の組成の範囲内において、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λが、混合ガスが着火、燃焼可能な最大の酸素比λにされる。そして、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λが、最大の酸素比から徐々に低い酸素比λに変更されたうえで、燃焼部３６において着火するか否かが試される（ステップＳ２３）。このため、燃焼部３６において混合ガスを着火させることができる酸素比λであるのにも関わらず、当該酸素比λの混合ガスが燃焼部３６において着火が試されないことが防止される。このため、確実に燃焼部３６において着火させることができる。また、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λが、混合ガスが着火、燃焼可能な最大の酸素比λ、つまり、混合ガスが着火、燃焼可能な酸素比λのうち、最も酸素に対する可燃成分が少ない燃料リーン状態から、燃焼部３６において混合ガスが着火するか否かが試される。このため、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λが低い状態、つまり、燃焼部３６に導入される混合ガスが燃料リッチ状態で、燃焼部３６において着火することに起因する、燃焼部３６における一酸化炭素の発生を抑制することができる。
制御装置１５（運転停止部）は、着火補正酸素比λ１や起動補正酸素比λ２が、「規定酸素比」以下となった場合に（ステップＳ４２でＮＯと判断）、原料ポンプ１１ａ５（改質用原料供給部）による改質部３３への改質用原料の供給を停止させ、燃料電池システム１００を停止させる（ステップＳ７３）。これにより、制御装置１５（酸素比調整部）によって変更された着火補正酸素比λ１や起動補正酸素比λ２が、燃焼部３６において不完全燃焼が発生するような酸素比以下となった場合に、改質部３３への改質用原料の供給が停止される。このため、燃焼部３６において不完全燃焼の発生が防止される。
また、ステップＳ４２において、カウンタｍが規定値ｍａ以上である場合、つまり、制御装置１５（酸素比調整部）によって変更された着火補正酸素比λ１や起動補正酸素比λ２が、「規定酸素比」以下となった場合に（ステップＳ４２でＮＯと判断）、着火・燃焼異常であると判定され（ステップＳ７１）、報知部１７において着火・燃焼異常が報知される（ステップＳ７２）。このため、燃料電池システム１００のユーザは、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λ以外に、燃焼部３６において着火させることができない他の要因や、燃焼部３６において吹き消えが発生する他の要因に起因する着火・燃焼異常を認識することができる。
改質部３３の温度が高くなるに従って、改質ガス中に含まれる水素の割合は高くなる。そして、水素は、燃焼部３６において、改質ガスに含まれる他の成分と比べて燃焼されやすい。このため、改質ガス中の水素の割合が増えると、燃焼部３６における燃焼が安定する。この原理を用いて、制御装置１５（燃焼安定判定部）は、改質部温度センサ３３ａによって検出された改質部３３の温度Ｔ１が、規定温度Ｔ１ａを越えた場合には（規定条件１が成立、ステップＳ５２でＹＥＳと判断）、燃焼部３６での燃焼が安定しているとして、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λを起動補正酸素比λ２に変更する。これにより、燃焼部３６で燃焼が安定していないのにも関わらず、燃焼部３６に導入されているガスの酸素比λが起動補正酸素比λ２に変更されてしまうことが防止され、燃焼部３６における燃焼の停止が防止される。
燃焼触媒２８の温度が、異常温度よりも高くなっている状態では、燃焼部３６において不完全燃焼が発生し、燃焼部３６から燃焼触媒２８に導入される可燃成分の流量が増加し、当該可燃成分が燃焼触媒２８で燃焼されている。この原理を利用して、制御装置１５（酸素比変更部）は、燃焼触媒温度センサ２８ｂ（燃焼触媒温度検出部）によって検出された燃焼触媒２８の温度Ｔ２が、「異常温度」以上となった場合に（規定条件２が成立、ステップＳ５４でＹＥＳと判断）、酸素比λを起動補正酸素比λ２より高い酸素比である起動正規酸素比λ２−２に変更する（ステップＳ５５）。これにより、制御装置１５（酸素比変更部）によって、着火時に燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λが、燃焼部３６において不完全燃焼が発生するような低い酸素比λに、外乱によって誤って変更された場合に、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λが、起動正規酸素比λ２−２に変更される。このため、不完全燃焼が発生するような低い酸素比の混合ガスが燃焼部３６に導入されることに起因する燃焼部３６における不完全燃焼の発生を抑制することができる。
（第一着火処理の別例）
以下に、図２Ｂに示すフローチャートを用いて、「第一着火処理」の別例について、図２Ａに示すフローチャートで説明した「第一着火処理」と異なる点について説明する。「第一着火処理」の別例では、ステップＳ５４において、上述の（規定条件１）を満たすか否かは判断されない。ステップＳ５４において、制御装置１５は、上述の（規定条件２）を満たしたと判断した場合には（ステップＳ５４：ＹＥＳ）、プログラムをＳ５５に進める。一方で、制御装置１５は、上述の（規定条件２）を満たしていないと判断した場合には（ステップＳ５４：ＮＯ）、プログラムをＳ５４−２に進める。
ステップＳ５４−２において、制御装置１５は、上述の「発電条件」が成立したと判断した場合には（ステップＳ５４−２：ＹＥＳ）、プログラムをステップＳ６４に進める。一方で、制御装置１５は、上述の「発電条件」が成立していないと判断した場合には（ステップＳ５４−２：ＮＯ）、プログラムをステップＳ５４に戻す。
このように、燃料電池システム１００の起動運転時において、「発電条件」が成立した場合には（ステップＳ５４−２：ＹＥＳ）、燃料電池３４（燃焼部３６）に導入される混合ガスの酸素比は、起動補正酸素比λ２から発電正規酸素比λ３に変更される。
燃料電池３４において発電が実行されている場合には、燃料電池３４から掃引される掃引電流に基づいて、燃料電池３４に導入された燃料の流量の過不足を検出することができる。また、燃料電池３４において発電が実行されている場合には、燃料電池３４の温度に基づいて、燃料電池３４に導入された燃料の流量の過不足を検出することができる。このため、燃料電池３４に導入された燃料の流量の過不足を検出して、燃料電池３４に導入された燃料の流量を補正することにより、燃焼部３６での燃焼を安定させることができる。一方で、燃料電池３４において発電が実行されていない場合には、燃料電池３４から掃引されている掃引電流が０であり、燃料電池３４の温度も安定していないため、燃料電池３４に導入された燃料の流量の過不足を検出することができない。そこで、上述したように、燃料電池３４が出力している電圧が「発電可能電圧」以上となり、燃料電池３４の温度が「発電可能温度」以上となり（「発電条件」成立、ステップＳ５４−２でＹＥＳと判断）、燃料電池３４において発電可能となった場合には、制御装置１５（酸素比変更部）は、燃料電池３４に導入されるガスの酸素比を、起動補正酸素比λ２から、燃料電池３４における発電時の酸素比である発電正規酸素比λ３に変更する（ステップＳ６４）。これにより、燃料電池３４に導入されている混合ガスの酸素比λが発電正規酸素比λ３に変更されたとしても、燃料電池３４において発電が実行されている場合には、燃料電池３４から掃引されている掃引電流や燃料電池３４の温度に基づいて、燃料電池３４に導入された燃料の流量の過不足を検出することができるので、燃料電池３４に導入された燃料の流量を補正することができる。このため、燃料電池３４に導入された燃料の流量を補正することにより、燃焼部３６における燃焼を安定させることができる。
（第二着火処理の概要）
以下に、図４を用いて、「第二着火処理」の概要について説明する。燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λによっては、燃焼部３６において着火はするが、燃焼部３６における燃焼状態が不安定となってしまう場合がある。この場合には、燃焼部３６において吹き消えが発生するおそれがあるとともに、燃焼部３６から多量の一酸化炭素が排出されてしまうおそれがある。
図４のＡに示すように、燃焼部３６に導入された混合ガスの酸素比λが１．０より低い場合には、燃焼部３６において着火できない。或いは、着火成功後に、燃焼部３６において吹き消えが発生する。図４のＢに示すように、燃焼部３６に導入された混合ガスの酸素比λが１．０〜１．１である場合には、燃焼部３６における燃焼状態が悪い。図４のＣに示すように、燃焼部３６に導入された混合ガスの酸素比λが１．１より高い場合には、燃焼部３６における燃焼状態が良好である。
燃焼部３６の着火時においては、改質用原料流量センサ１１ａ３によって検出された改質用原料の流量に基づいて、原料ポンプ１１ａ５によって燃焼部３６に導入される改質用原料の流量がフィードバック制御される。また、カソードエア流量センサ１１ｃ２によって検出されたカソードエアの流量に基づいて、カソードエアブロワ１１ｃ１によって燃焼部３６に導入されるカソードエアの流量がフィードバック制御される。このようにして、燃焼部３６の着火時において、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λは、１．１よりも僅かの高い値の着火正規酸素比λａ（例えば１．１４）に維持される。
しかし、改質用原料流量センサ１１ａ３やカソードエア流量センサ１１ｃ２の検出誤差によっては、燃焼部３６に導入される混合ガスの見かけ上の酸素比λ、つまり、制御装置１５によって制御されている酸素比λが、燃焼部３６に導入されている混合ガスの実際の酸素比λと乖離してしまう場合があり、燃焼部３６に導入されている混合ガスの実際の酸素比λが着火正規酸素比λａから乖離してしまう場合がある。
そこで、着火時において燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λを、着火時における着火正規酸素比λａよりも所定値Δλ１（０．１程度）だけ低い酸素比にして、燃焼部３６において着火するか否かを試すことにする。そして、燃焼部３６において着火した場合には、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λを着火正規酸素比λａに戻すことにする。このように、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λを変化させて、燃焼部３６に導入された混合ガスを着火・燃焼させることの意義を以下に説明する。
燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λを着火正規酸素比λａよりも所定値Δλ１（０．１程度）下げて、燃焼部３６において着火できた場合には、燃焼部３６に導入されている混合ガスの実際の酸素比λは１．０〜１．１（図４に示すＢの領域）である。この場合には、着火正規酸素比λａとなる改質用原料の流量よりも規定流量Δａ増やす前の状態では、燃焼部３６に導入されている混合ガスの実際の酸素比λは、１．１以上であり（図４に示すＣの領域）、燃焼部３６に導入されている混合ガスの実際の酸素比λが着火正規酸素比λａから乖離しておらず、燃焼部３６での燃焼状態が良好である。従って、燃焼部３６で着火後に、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λを着火正規酸素比λａに戻せば、燃焼部３６において燃焼良好な状態を維持させることができる。
一方で、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λを着火正規酸素比λａよりも所定値Δλ１（０．１程度）下げて、燃焼部３６において着火できなかった場合には、燃焼部３６に導入されている混合ガスの実際の酸素比λは、１．０より低く（図４のＡの領域）、燃焼部３６に導入されている混合ガスの実際の酸素比λは着火正規酸素比λａから低い側に乖離している。このため、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λを着火正規酸素比λａよりも所定値Δλ１下げる前の状態では、燃焼部３６に導入されている混合ガスの実際の酸素比λは、１．０〜１．１（図４のＢの領域）である可能性が高い。この場合には、着火時において燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λを、着火正規酸素比λａにして、燃焼部３６に導入されている混合ガスを着火させる。そして、燃焼部３６に導入されている混合ガスを着火させた後に、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λを所定値Δλ２（０．１程度）高くすることにより、燃焼部３６に実際に導入される混合ガスの酸素比λを１．１より高くして（図４に示すＣの領域）、燃焼部３６で良好な燃焼状態を維持させることができる。以下に、図５に示すフローチャートを用いて、「第二着火処理」について説明する。
（第二着火処理）
燃料電池システム１００の起動が開始されると、プログラムはステップＳ２１１に進む。
ステップＳ２１１において、制御装置１５は、カソードエアブロワ１１ｃ１によるカソードエアの供給を開始させる。そして、制御装置１５は、カソードエア流量センサ１１ｃ２によって検出されたカソードエアの流量に基づいて、カソードエアブロワ１１ｃ１によって燃焼部３６に供給されるカソードエアの流量が規定流量となるようにフィードバック制御する。ステップＳ２１１が終了すると、制御装置１５は、プログラムをステップＳ２１２に進める。
ステップＳ２１２において、制御装置１５は、着火ヒータ３６ａ１，３６ａ２をＯＮさせて、プログラムをステップＳ２１３に進める。
ステップＳ２１３において、制御装置１５は、原料ポンプ１１ａ５による改質用原料の供給を開始させる。そして、制御装置１５は、改質用原料流量センサ１１ａ３によって検出された改質用原料の流量に基づいて、原料ポンプ１１ａ５によって燃焼部３６に供給される改質用原料の流量を、正規流量Ｆａに規定流量Δａが加算された流量となるように、フィードバック制御する。これにより、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λは着火正規酸素比λａよりも所定値Δλ１（０．１程度）だけ低い値となる。ステップＳ２１３が終了すると、制御装置１５は、プログラムをステップＳ２２１に進める。
ステップＳ２２１において、制御装置１５は、燃焼部３６において着火していると判断した場合には（ステップＳ２２１：ＹＥＳ）、プログラムをステップＳ２２２に進める。一方で、制御装置１５は、燃焼部３６において着火していないと判断した場合には（ステップＳ２２１：ＮＯ）、プログラムをＳ２３１に進める。燃焼部３６において着火しているか否かの判断手法は、図２Ａに示すステップＳ３１の判断手法と同様である。
ステップＳ２２２において、制御装置１５は、改質用原料流量センサ１１ａ３によって検出された改質用原料の流量に基づいて、原料ポンプ１１ａ５によって燃焼部３６に供給される改質用原料の流量を、正規流量Ｆａとなるように、フィードバック制御する。これにより、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λは着火正規酸素比λａとなる。ステップＳ２２２が終了すると、「第二着火処理」が終了する。
ステップＳ２３１において、改質用原料流量センサ１１ａ３によって検出された改質用原料の流量に基づいて、原料ポンプ１１ａ５によって燃焼部３６に供給される改質用原料の流量を、正規流量Ｆａとなるように、フィードバック制御する。これにより、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λは着火正規酸素比λａとなる。この状態で、再び燃焼部３６において混合ガスが着火するか否かが試される。ステップＳ２３１が終了すると、制御装置１５は、プログラムをステップＳ２３２に進める。
ステップＳ２３２において、制御装置１５は、燃焼部３６において着火していると判断した場合には（ステップＳ２３２：ＹＥＳ）、プログラムをＳ２３３に進める。一方で、制御装置１５は、燃焼部３６において着火していないと判断した場合には（ステップＳ２３２：ＮＯ）、プログラムをＳ２３４に進める。燃焼部３６において着火しているか否かの判断手法は、図２Ａに示すステップＳ３１の判断手法と同様である。
ステップＳ２３３において、制御装置１５は、改質用原料流量センサ１１ａ３によって検出された改質用原料の流量に基づいて、原料ポンプ１１ａ５によって燃焼部３６に供給される改質用原料の流量を、正規流量Ｆａに規定流量Δａが減算された流量となるように、フィードバック制御する。これにより、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λは着火正規酸素比λａよりも所定値Δλ２（０．１程度）だけ高い値となる。ステップＳ２３３が終了すると、「第二着火処理」が終了する。
このように、正規流量Ｆａに規定流量Δａが加算された流量の改質用原料が燃焼部３６に供給された場合に（ステップＳ２１３）、燃焼部３６において着火が失敗した場合には（ステップＳ２２１でＮＯと判断）、正規流量Ｆａの改質用原料が燃焼部３６に供給され（ステップＳ２３１）、再び燃焼部３６において混合ガスが着火するか否かが試される。この場合に燃焼部３６において着火が成功した場合には、正規流量Ｆａに規定流量Δａが減算された流量の改質量原料が燃焼部３６に供給されて、燃焼部３６において改質用原料の燃焼が継続される。
ステップＳ２３４において、制御装置１５は、改質用原料流量センサ１１ａ３によって検出された改質用原料の流量に基づいて、原料ポンプ１１ａ５によって燃焼部３６に供給される改質用原料の流量を、正規流量Ｆａに規定流量Δａが減算された流量となるように、フィードバック制御する。これにより、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λは着火正規酸素比λａよりも所定値Δλ２（０．１程度）だけ高い値となる。この状態で、再び燃焼部３６において混合ガスが着火するか否かが試される。ステップＳ２３４が終了すると、制御装置１５は、プログラムをステップＳ２４１に進める。
ステップＳ２４１において、制御装置１５は、燃焼部３６において着火していると判断した場合には（ステップＳ２４１：ＹＥＳ）、プログラムをステップＳ２４２に進める。一方で、制御装置１５は、燃焼部３６において着火していないと判断した場合には（ステップＳ２４１：ＮＯ）、プログラムをＳ７１に進める。燃焼部３６において着火しているか否かの判断手法は、図２Ａに示すステップＳ３１の判断手法と同様である。なお、ステップＳ２４１において、制御装置１５が燃焼部３６において着火していないと判断した場合には、燃焼部３６に導入されている混合ガスの酸素比λが、燃焼部３６に導入されている混合ガスを着火させることができない酸素比の閾値である「第二規定酸素比」以上となっている。
ステップＳ２４２において、制御装置１５は、改質用原料流量センサ１１ａ３によって検出された改質用原料の流量に基づいて、原料ポンプ１１ａ５によって燃焼部３６に供給される改質用原料の流量を、正規流量Ｆａに規定流量Δａの２倍の流量が減算された流量となるように、フィードバック制御する。これにより、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λは着火正規酸素比λａよりも所定値Δλ３（０．２程度）だけ高い値となる。ステップＳ２３３が終了すると、「第二着火処理」が終了する。
ステップＳ７１、７２、７３の各処理は、それぞれ、図２Ａに示す「第一着火処理」のステップＳ７１、７２、７３の各処理と同一の処理であるので、その説明を省略する。
このように、正規流量Ｆａに規定流量Δａが減算された流量の改質用原料が燃焼部３６に供給された場合に（ステップＳ２３４）、燃焼部３６において着火が失敗した場合には（ステップＳ２４１でＮＯと判断）、ステップＳ７１において着火異常であると判定され、ステップＳ７２において着火異常が報知部１７によって報知され、ステップＳ７３において、燃料電池システム１００の運転が停止される。
（第二着火処理が実行されることによる効果）
上記した説明から明らかなように、「第二着火処理」が実行されると、燃焼部３６に導入されるガスの酸素比が低い状態から高い状態に徐々に変化されて、燃焼部３６において着火するか否かが試される。このため、改質用原料の組成が変化して、燃焼部３６において着火、燃焼可能な酸素比λが変化した場合であっても、燃焼部３６において改質用原料を着火させることができる。
制御装置１５（酸素比調整部）は、着火時において燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λを、着火時における着火正規酸素比λａよりも、燃焼部３６において着火、燃焼可能な所定値Δλ１（０．１程度）だけ低い酸素比にする（ステップＳ２１３）。そして、制御装置１５（酸素比調整部）は、燃焼部３６において着火していると判定された場合に（ステップＳ２２１においてＹＥＳと判定）、着火時において燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λを、着火正規酸素比λａに戻す（ステップＳ２２２）。これによる効果を以下に説明する。
改質用原料流量センサ１１ａ３やカソードエア流量センサ１１ｃ２の検出誤差によって、制御装置１５（酸素比調整部）によって調整されているみかけの酸素比λは、燃焼部３６に導入されている混合ガスの実際の酸素比λと乖離してしまう場合がある。もし、制御装置１５（酸素比調整部）が、着火正規酸素比λａよりも燃焼部３６において着火、燃焼可能な所定値Δλ１（０．１程度）だけ低い酸素比にして（ステップＳ２１３）、燃焼部３６において混合ガスが着火できない場合には（ステップＳ２２１でＮＯと判断）、燃焼部３６に導入されているガスの実際の酸素比λは、制御装置１５によって変更された酸素比λ（みかけの酸素比）よりも低く、燃焼部３６において燃焼不能な酸素比となっている。この場合には、着火時において燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λを、着火正規酸素比λａにして（ステップＳ２３１）、燃焼部３６に導入されている混合ガスを着火させる。そして、燃焼部３６において混合ガスが着火できた場合には（ステップＳ２３２でＹＥＳと判断）、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λを、着火時に燃焼部３６に導入されている酸素比よりも所定値Δλ２（０．１程度）高くすることにより（ステップＳ２３３）、燃焼部３６に実際に導入される混合ガスの酸素比λを１．１より高くして（図４に示すＣの領域）、燃焼部３６で良好な燃焼状態を維持させることができる。
もし、着火時において燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λを、着火正規酸素比λａにして（ステップＳ２３１）、燃焼部３６に導入されている混合ガスが着火しない場合には（ステップＳ２３２でＮＯと判断）、燃焼部３６に導入されている混合ガスの実際の酸素比λは、制御装置１５による制御目標の酸素比λ（みかけの酸素比）よりも相当低く、燃焼部３６において燃焼不能な酸素比となっている。そこで、着火時において燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λを、着火正規酸素比λａよりも所定値Δλ２（０．１程度）高くして（ステップＳ２３４）、燃焼部３６に導入されている混合ガスを着火させる。この場合に、燃焼部３６に導入されている混合ガスが着火した場合には（ステップＳ２４１においてＹＥＳと判断）、燃焼部３６に導入される混合ガスの酸素比λを、着火時の酸素比よりも更に高くすることにより（ステップＳ２４２）、燃焼部３６で良好な燃焼状態を維持させることができる。
一方で、制御装置１５（酸素比調整部）が、着火正規酸素比λａよりも燃焼部３６において着火、燃焼可能な所定値Δλ１（０．１程度）だけ低い酸素比λにして（ステップＳ２１３）、燃焼部３６において着火できた場合には（ステップＳ２２１でＹＥＳと判断）、燃焼部３６に導入されているガスの実際の酸素比λと、制御装置１５によって変更された酸素比λ（みかけの酸素比）とは乖離していないといえる。このため、制御装置１５（酸素比調整部）が、着火補正酸素比λ１を着火正規酸素比λａに戻すことによって（ステップＳ２２２）、燃焼部３６において燃焼良好な状態を維持させることができる。
燃焼部３６に導入されている混合ガスの酸素比λが、燃焼部３６において着火させることができない酸素比の閾値である「第二規定酸素比」以上となっている場合には（ステップＳ２４１でＮＯと判定）、着火異常であると判定され（ステップＳ７１）、報知部１７において着火異常が報知される（ステップＳ７２）。このため、燃料電池システム１００のユーザは、酸素比λ以外に、燃焼部３６において着火させることができない他の要因、例えば、改質用原料流量センサ１１ａ３やカソードエア流量センサ１１ｃ２の故障等に起因する着火異常を認識することができる。
（別の実施形態）
ステップＳ２３において、制御装置１５は、原料ポンプ１１ａ５が供給している改質用原料の流量を、下式（１）に変えて下式（２）で演算される変更後流量Ｎａ１に変更する実施形態であっても差し支え無い。
Ｎａ１＝Ｎａ＋ΔＡ×ｍ…（式２）
Ｎａ１：変更後流量
Ｎａ：着火時初期流量
ΔＡ：規定増加流量
ｍ：カウンタ
以上説明した実施形態では、燃焼触媒温度センサ２８ｂは燃焼触媒２８の温度Ｔ２を検出している。しかし、燃焼触媒温度センサ２８ｂが、燃焼触媒２８から排気される排気ガスの温度Ｔ２を検出し、その検出結果を制御装置１５に出力する実施形態であっても差し支え無い。
図２Ａ及び図２ＢのステップＳ６３や、図２ＢのステップＳ５４−２において、セル３４ａ（燃料電池３４）の温度が、「発電可能温度」以上となる条件と、セル３４ａが出力している電圧が発電可能電圧以上となる条件のいずれかの条件が成立した場合に、プログラムがステップＳ６４に進む実施形態であっても差し支え無い。
１１ａ５…原料ポンプ（改質用原料供給部）、１１ｃ１…カソードエアブロワ（酸化剤ガス供給部）、１３…インバータ装置（電圧検出部）、１５…制御装置（酸素比調整部、酸素比変更部、着火・燃焼判定部、運転停止部、起動補正酸素比演算部、起動時酸素比変更部）、２８…燃焼触媒、２８ｂ…温度センサ（燃焼触媒温度検出部）、３３…改質部、３３ａ…改質部温度センサ（改質部温度検出部）、３４…燃料電池、３４ａ１…燃料電池温度検出センサ（燃料電池温度検出部）、３６…燃焼部、３６ａ１，３６ａ２…着火ヒータ（着火装置）、３６ｂ…燃焼部温度検出センサ（燃焼部温度検出部）、１００…燃料電池システム

Claims (8)

  1. 改質水と改質用原料とから燃料を生成する改質部と、
    前記改質部に前記改質用原料を供給する改質用原料供給部と、
    前記燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
    前記燃料電池の燃料極から排出される可燃成分を、酸化剤ガスで燃焼させる燃焼部と、
    前記燃焼部に供給された前記可燃成分を着火させる着火装置と、
    前記着火装置で前記可燃成分を着火させる際に、前記燃焼部に導入されるガスの酸素比を、前記可燃成分が着火、燃焼可能な補正酸素比とする酸素比調整部と、
    規定条件を満たした場合に、前記酸素比を前記補正酸素比から、正規酸素比に変更する酸素比変更部と、を有する燃料電池システム。
  2. 前記燃焼部において着火、燃焼しているか否かを判定する着火・燃焼判定部を有し、
    前記酸素比変更部は、前記着火・燃焼判定部によって前記燃焼部において着火していない、もしくは吹き消えが発生したと判定される度に、前記補正酸素比をより低い酸素比に変更する請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記酸素比調整部は、前記燃焼部に導入されるガスを着火、燃焼させる初期状態における、前記ガスの補正酸素比を、前記燃焼部で前記ガスが着火、燃焼可能な最大値に設定する請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記酸素比調整部によって変更された前記補正酸素比が、規定酸素比以下となった場合に、前記改質用原料供給部による前記改質部への前記改質用原料の供給を停止させる運転停止部を有する請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 前記着火・燃焼判定部が着火していないと判定している場合に、前記酸素比調整部によって変更された前記補正酸素比が、規定酸素比以下となった場合に、異常であると判定する異常判定部を有する請求項２〜請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  6. 前記改質部の温度を検出する改質部温度検出部を有し、
    前記酸素比変更部は、前記改質部温度検出部によって検出された前記改質部の温度が、規定温度以上となった場合に、前記燃焼部に導入されるガスの酸素比を前記補正酸素比から前記正規酸素比に変更する請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  7. 前記燃焼部から排気される未燃焼の可燃成分を含む燃焼ガスが導入されて、前記燃焼ガス中に含まれる前記可燃成分を触媒反応によって燃焼させる燃焼触媒と、
    前記燃焼触媒の温度又は前記燃焼触媒から排気される排気ガスの温度を検出する燃焼触媒温度検出部と、を有し、
    前記酸素比変更部は、前記燃焼触媒温度検出部によって検出された温度が、異常温度以上となった場合に、前記燃焼部に導入されるガスの酸素比を前記補正酸素比から前記正規規酸素比に変更する請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  8. 前記燃焼部の温度を検出する燃焼部温度検出部と、
    前記燃料電池が出力している電圧を検出する電圧検出部、及び前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出部の少なくとも一方と、
    前記電圧検出部によって前記燃料電池が出力している電圧が発電可能電圧以上になった場合、及び前記燃料電池温度検出部によって検出された前記燃料電池の温度が発電可能温度以上となった場合の少なくとも一方の条件が成立した場合に、前記酸素比変更部は、前記燃焼部に導入されるガスの酸素比を前記補正酸素比から前記正規規酸素比に変更する請求項２〜請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
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