JP6931793B2

JP6931793B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP6931793B2
Application number: JP2019507467A
Authority: JP
Inventors: 悟成田; 繁樹保田; 翔平山口; 木下　博; 博木下
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2017-03-21
Filing date: 2018-02-22
Publication date: 2021-09-08
Anticipated expiration: 2038-02-22
Also published as: EP3605687A1; EP3605687A4; WO2018173620A1; JPWO2018173620A1

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。

水素生成装置及び燃料電池を備えた燃料電池システムはよく知られている。水素生成装置は、改質反応によって都市ガスなどの原料から水素ガスを生成するための改質器を含む。改質器で生成された水素ガスは、酸化剤ガスとしての酸素（空気）とともに燃料電池に供給される。燃料電池において、水素と酸素との電気化学反応によって電力が生成される。

改質反応の１つに水蒸気改質がある。水蒸気改質を行うためには、改質器の温度を高温（例えば、７００℃）に保つ必要がある。そのため、燃料電池システムには、改質器を加熱するための燃焼器が設けられている。燃焼器で生じた燃焼排ガスの排気経路には、燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度（ＣＯ濃度）を検出するための一酸化炭素センサ（ＣＯセンサ）が設けられている。

特許文献１には、燃料電池システムの外部から排気経路に一酸化炭素を供給することなく、ＣＯセンサの感度を検査することを可能にする技術が記載されている。具体的には、燃焼排ガス中のＣＯ濃度が増加するように、燃焼器における空気比を意図的に増加させる。このときのＣＯセンサの検出値を閾値と比較することによって、ＣＯセンサの感度を検査することができる。ＣＯセンサの感度を検査すれば、ＣＯセンサの健全性を判断することができる。

特許第５５８１４６６号公報

特許文献１によれば、燃焼排ガス中のＣＯ濃度が増加するように、燃焼器における空気比を意図的に増加させる必要がある。ＣＯセンサの感度の検査を定常運転期間などの発電期間に実行するためには、更なる工夫が必要である。

本開示の目的は、ＣＯセンサの感度の検査を燃料電池の発電期間にも実行可能にする技術を提供することにある。

すなわち、本開示は、
水素ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行なう燃料電池と、
前記水素ガスを生成する改質器と、
前記改質器を加熱する燃焼器と、
前記燃焼器で生じた燃焼排ガスの排気経路と、
前記排気経路に配置されたＣＯセンサと、
前記ＣＯセンサの検出値から前記燃焼器における燃焼状態を監視する制御器と、
を備え、
前記制御器は、前記燃料電池の発電期間において、前記燃焼排ガス中のＣＯ濃度を意図的に上昇させて前記ＣＯセンサを検査する第１の処理を実行しつつ、前記燃料電池の発電量を目標値に収斂させる第２の処理を実行する、燃料電池システムを提供する。

本開示の技術によれば、ＣＯセンサの感度の検査を燃料電池の発電期間にも実行することが可能である。

図１は、本開示の一実施形態にかかる燃料電池システムの構成図である。図２は、燃料電池システムの運転サイクルを示すタイムチャートである。図３Ａは、制御部において実行される処理を示すフローチャートである。図３Ｂは、図３Ａに続くフローチャートである。図３Ｃは、制御部において実行される第２の処理を示すフローチャートである。図４は、燃料電池システムの運転パターン及びＣＯセンサの検査を実行すべきタイミングを示すタイムチャートである。

（本開示の基礎となった知見）
特許文献１は、燃料電池システムの発電時にもＣＯセンサの感度の検査を実施できることを開示している（請求項１８）。しかし、燃焼器における空気比を発電時に意図的に増加させると、燃料電池システムの運転のバランスが崩れ、発電量の大幅な変動などの問題が生じる可能性がある。

本開示の第１態様にかかる燃料電池システムは、
水素ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行なう燃料電池と、
前記水素ガスを生成する改質器と、
前記改質器を加熱する燃焼器と、
前記燃焼器で生じた燃焼排ガスの排気経路と、
前記排気経路に配置されたＣＯセンサと、
前記ＣＯセンサの検出値から前記燃焼器における燃焼状態を監視する制御器と、
を備え、
前記制御器は、前記燃料電池の発電期間において、前記燃焼排ガス中のＣＯ濃度を意図的に上昇させて前記ＣＯセンサを検査する第１の処理を実行しつつ、前記燃料電池の発電量を目標値に収斂させる第２の処理を実行するものである。

第１態様によれば、燃料電池システムの運転のバランスが保たれ、発電量の変動も抑制される。ＣＯセンサの検査を行いつつ、燃料電池システムを効率的に運転することもできる。つまり、ＣＯセンサの検査を燃料電池の発電期間にも実行することが可能である。

本開示の第２態様において、例えば、第１態様にかかる燃料電池システムの前記発電期間は、前記燃料電池の定格出力での発電期間である。定格発電期間にＣＯセンサの検査を行なえば、燃料電池システムの運転のバランスを保ちやすく、発電量の変動も抑制しやすい。

本開示の第３態様において、例えば、第１又は第２態様にかかる燃料電池システムの前記制御器は、前記燃料電池の発電開始時点から第１の特定時間が経過した後に前記第１の処理を実行する。このようにすれば、燃料電池の発電開始時点から比較的短い時間が経過した時点でＣＯセンサの検査が実行されるので、ＣＯセンサに不具合が発生した状態で燃料電池システムの運転が継続されにくい。

本開示の第４態様において、例えば、第３態様にかかる燃料電池システムの前記制御器は、前記第１の特定時間が経過した後に実行された前記第１の処理において前記ＣＯセンサが正常であることが確認され、前回の前記第１の処理が実行された時点から第２の特定時間が経過し、かつ、前記燃料電池が発電を継続している場合、前記第１の処理を再度実行する。このようにすれば、ＣＯセンサの検査を効率的に行えるとともに、ＣＯセンサの異常を確実に発見することができる。

本開示の第５態様において、例えば、第３又は第４態様にかかる燃料電池システムの前記制御器は、前記第１の特定時間が経過した後に実行された前記第１の処理において前記ＣＯセンサが正常であることが確認され、前回の前記第１の処理が実行された時点から第２の特定時間が経過した後において前記燃料電池が発電を継続しており、前回の前記第１の処理が実行された時点から前記第２の特定時間が経過する前に前記燃料電池の運転が少なくとも１回停止しており、前記燃料電池の直近の発電開始時点から前記第１の特定時間が経過している場合、前記第１の処理を再度実行する。第５態様によれば、ＣＯセンサの検査を効率的に行えるとともに、ＣＯセンサの異常を確実に発見することができる。

本開示の第６態様において、例えば、第１〜第５態様のいずれか１つにかかる燃料電池システムの前記制御器は、前記第１の処理を実行するとき、前記燃焼器の空気比を増加又は減少させる。空気比を増加又は減少させることによって、ＣＯ濃度を容易に調節することができる。

本開示の第７態様において、例えば、第１〜第６態様のいずれか１つにかかる燃料電池システムの前記制御器は、前記第１の処理を実行したのち、前記第１の処理を実行する前の空気比に前記燃焼器の空気比を戻して前記ＣＯ濃度を低下させる。これにより、燃料電池システムの運転を継続することができる。

本開示の第８態様において、例えば、第１〜第７態様のいずれか１つにかかる燃料電池システムの前記制御器は、前記第１の処理において、前記ＣＯセンサの前記検出値が閾値を超えたとき、前記ＣＯセンサが正常であると判断し、前記ＣＯセンサの前記検出値が前記閾値を越えないとき、前記ＣＯセンサに異常があると判断する。第８態様によれば、ＣＯセンサの異常の有無を正確に調べることができる。

本開示の第９態様において、例えば、第８態様にかかる燃料電池システムの前記制御器は、前記第１の処理において、所定の時間内及び／又は所定の空気比の範囲内で前記ＣＯセンサの前記検出値が前記閾値を超えないとき、前記ＣＯセンサに異常があると判断する。第９態様によれば、所定の時間及び／又は所定の空気比の範囲内で検査を行うことで、燃料電池システムの運転のバランスを維持したまま、ＣＯセンサの異常の有無を正確に調べることができる。

本開示の第１０態様において、例えば、第１〜第９態様のいずれか１つにかかる燃料電池システムの前記制御器は、前記ＣＯセンサに異常があると判断した場合、前記ＣＯセンサに異常があることを外部に報知する処理、前記燃料電池の運転を停止させる処理、及び、前記燃料電池の再起動を禁止する処理からなる群より選ばれる少なくとも１つの処理を実行する。第１０態様によれば、燃料電池システムの安全性をさらに高めることができる。

本開示の第１１態様において、例えば、第１〜第１０態様のいずれか１つにかかる燃料電池システムの前記制御器は、前記第２の処理として、前記第１の処理を実行することに起因する前記発電量の前記目標値からの乖離を相殺する処理を実行する。第１１態様によれば、ＣＯセンサの検査の最中にも燃料電池システムの運転のバランスが保たれ、発電量の変動も抑制される。その結果、燃料電池システムの運転を安定して継続することができる。

本開示の第１２態様にかかる燃料電池システムは、
水素ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行なう燃料電池と、
前記水素ガスを生成する改質器と、
前記改質器を加熱する燃焼器と、
前記燃焼器で生じた燃焼排ガスの排気経路と、
前記排気経路に配置されたＣＯセンサと、
前記ＣＯセンサの検出値から前記燃焼器における燃焼状態を監視する制御器と、
を備え、
前記制御器は、前記燃料電池の発電開始時点から第１の特定時間が経過した後に第１の処理を実行するとともに、前記第１の特定時間が経過した後に実行された前記第１の処理において前記ＣＯセンサが正常であることが確認され、前回の前記第１の処理が実行された時点から第２の特定時間が経過し、かつ、前記燃料電池が発電を継続している場合、前記第１の処理を再度実行し、
前記第１の処理は、前記燃焼排ガス中のＣＯ濃度を意図的に上昇させて前記ＣＯセンサを検査する処理である。

第１２態様によれば、ＣＯセンサの検査を効率的に行えるとともに、ＣＯセンサの異常を確実に発見することができる。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。

図１に示すように、本開示の一実施形態にかかる燃料電池システム１００は、改質器１１及び燃料電池１３を備えている。改質器１１は、例えば、水蒸気改質反応（CH₄+H₂O→CO+3H₂）などの改質反応によって水素ガスを生成するための機器である。改質器１１には、改質反応を進行させるための改質触媒が収められている。改質器１１には、一酸化炭素を除去するための触媒（ＣＯ変成触媒及びＣＯ選択酸化除去触媒）が収められていてもよい。改質器１１は、水及び原料ガスを用いて、水素ガスを生成する。原料ガスは、例えば、都市ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）などの炭化水素ガスである。改質器１１で生成された水素ガスが燃料電池１３に供給される。燃料電池１３は、酸化剤ガスと水素ガスとを用いて電力を生成する。燃料電池１３は、例えば、固体高分子形燃料電池又は固体酸化物形燃料電池である。燃料電池システム１００の排熱によって湯が生成される。生成された湯は貯湯タンク（図示省略）に貯められる。

燃料電池システム１００は、さらに、燃焼器１５、排気経路１７及びＣＯセンサ１９を備えている。燃焼器１５は、燃料を燃焼させることによって改質器１１を加熱するためのデバイスである。燃焼器１５は、改質器１１に隣接している。燃焼器１５は、改質器１１の内部に配置されていてもよい。排気経路１７（排気管）は、燃焼器１５に接続されている。排気経路１７は、燃焼器１５で生じた燃焼排ガスの流路である。排気経路１７は、例えば、燃料電池システム１００の筐体の外部まで延びている。ＣＯセンサ１９は、排気経路１７に配置されている。ＣＯセンサ１９は、燃焼排ガス中のＣＯ濃度を検出する役割を担っている。ＣＯセンサ１９は、例えば、接触燃焼式のＣＯセンサ又は半導体式のＣＯセンサである。

燃焼器１５には、空気供給経路３４が接続されている。空気供給経路３４は、燃焼器１５に空気を供給するための流路である。空気供給経路３４には流量計３５及び空気供給器３６が設けられている。流量計３５によって空気の供給流量が検出される。空気供給器３６の例には、ファン及びブロワが含まれる。流量計３５及び空気供給器３６を用い、燃焼器１５への空気の供給流量を所望の供給流量に調節することができる。流量計３５として、電磁式流量計、カルマン渦式流量計、羽根車式流量計、超音波式流量計などの公知の流量計を用いることができる。

燃料電池システム１００は、さらに、燃料ガス供給経路１２、酸化剤ガス供給経路１４、アノードオフガス経路１６及びカソードオフガス経路１８を備えている。燃料ガス供給経路１２は、改質器１１から燃料電池１３に水素ガスを供給するための流路である。燃料ガス供給経路１２は、改質器１１と燃料電池１３とを接続している。酸化剤ガス供給経路１４は、燃料電池１３のカソードに酸化剤ガスとしての空気を供給するための流路である。酸化剤ガス供給経路１４には、空気供給器２３が設けられている。空気供給器２３は、燃料電池１３に空気を供給するためのデバイスである。空気供給器２３の例として、ファン、ブロワなどが挙げられる。空気供給器２３を制御することによって、空気の流量を調節することができる。酸化剤ガス供給経路１４には、加湿器、弁などの他の機器が配置されていてもよい。アノードオフガス経路１６は、未反応の水素ガス及び原料ガスを燃料電池１３のアノードから排出するための流路である。アノードオフガス経路１６は、燃料電池１３のアノードガス出口と燃焼器１５とを接続している。未反応の水素ガス及び原料ガスは、アノードオフガス経路１６を通じて、燃焼器１５に供給される。カソードオフガス経路１８は、未反応の酸化剤ガスを燃料電池１３のカソードから排出するための流路である。カソードオフガス経路１８は、燃料電池１３のカソードガス出口に接続されており、例えば、燃料電池システム１００の筐体の外部まで延びている。カソードオフガス経路１８は、ＣＯセンサ１９の上流側又は下流側において、排気経路１７に接続されていてもよい。

燃料電池システム１００は、さらに、分岐経路２４及び流量計２６を備えている。分岐経路２４は、選択酸化に使用される空気を改質器１１に供給するための流路である。分岐経路２４は、酸化剤ガス供給経路１４から分岐し、改質器１１に接続されている。分岐経路２４に流量計２６が設けられている。流量計２６として、先に例示した公知の流量計を用いることができる。

燃料電池システム１００は、さらに、原料ガス供給経路２７、原料供給器２８、給水経路３０及び水供給器３１を備えている。原料ガス供給経路２７は、原料の貯蔵タンク、都市ガスのインフラストラクチャなどの原料供給源（図示省略）から改質器１１に原料ガスを供給するための流路である。原料ガス供給経路２７に原料供給器２８が設けられている。原料供給器２８の例として、ポンプ、流量調整弁、それらの組み合わせなどが挙げられる。原料供給器２８を制御することによって、原料ガスの供給流量を調節することができる。原料ガス供給経路２７には、脱硫器、弁などの他の機器が配置されていてもよい。給水経路３０は、貯水タンクなどの水源から改質器１１に水を供給するための流路である。給水経路３０に水供給器３１が設けられている。水供給器３１の例として、ポンプが挙げられる。水供給器３１を制御することによって、水の供給流量を調節することができる。

燃料電池システム１００は、さらに、報知器３８（annunciator）を備えている。報知器３８は、ＣＯセンサ１９に異常が発生したことを報知するために使用される。報知器３８は、異常を視覚的に報知できる機器であってもよいし、異常を聴覚的に報知できる機器であってもよいし、それらの組み合わせであってもよい。異常を視覚的に報知できる機器の例として、ディスプレイ、警告ランプなどが挙げられる。異常を聴覚的に報知できる機器の例として、スピーカ、ブザーなどが挙げられる。典型的には、燃料電池システム１００の現在の電気出力（Ｗ）を表示したり、燃料電池システム１００の運転を開始又は停止させたりするためにユーザが操作可能な入出力パネルを報知器３８として使用できる。報知器３８によれば、燃料電池システム１００のユーザ又はメンテナンス担当者にＣＯセンサ１９のメンテナンスを迅速に促すことができる。これにより、燃料電池システム１００の安全性及び信頼性を高めることができる。

改質器１１には、温度センサ４０が取り付けられている。温度センサ４０は、改質器１１の内部の温度（触媒の温度又は触媒層の出口温度）を検出する。改質器１１の複数の位置のそれぞれに温度センサ４０が取り付けられていてもよい。

燃料電池システム１００は、さらに、制御器３２を備えている。制御器３２は、燃料電池１３、空気供給器２３、原料供給器２８、水供給器３１、空気供給器３６、報知器３８、各種の補助機器などの制御対象を制御する。補助機器には、弁（開閉弁、切替弁及び流量調整弁を含む）、ポンプ、電気ヒータなどが含まれる。制御器３２には、ＣＯセンサ１９、流量計３５及び各種のセンサから検出信号が入力される。制御器３２は、ＣＯセンサ１９の検出値から燃焼器１５における燃焼状態を監視する。制御器３２として、Ａ／Ｄ変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置などを含むＤＳＰ（Digital Signal Processor）を使用できる。制御器３２には、燃料電池システム１００を適切に運転するためのプログラムが格納されている。

燃料電池システム１００において、各経路は、１又は複数の配管によって構成されうる。

次に、燃料電池システム１００の運転について説明する。

図２に示すように、燃料電池システム１００は、主に、準備期間、起動期間、定格発電期間、停止期間及び待機期間の５つの運転サイクルに従って運転されうる。「準備期間」は、改質器１１の温度を所定の温度まで上昇させるための運転期間である。詳細には、原料ガス又は改質反応によって生成された水素含有ガスを燃焼させたり、ヒータ（図示省略）を用いたりして、改質器１１の温度を所定の温度（例えば６００度）まで上昇させる。「起動期間」は、燃料電池システム１００を起動させるための運転期間である。詳細には、「起動期間」は、燃料電池システム１００の出力を所定の定格出力（例えば、７５０Ｗ）まで徐々に上昇させるための運転期間である。起動期間において、改質器１１への原料ガスの供給流量及び水の供給流量を徐々に増加させる。起動期間において、酸化剤ガスの流量及び水素ガスの流量が徐々に増加する。「定格発電期間」は、所定の定格出力で燃料電池システム１００が運転される期間である。ただし、定格発電期間において、燃料電池システム１００が常に定格出力で運転されることは必須ではない。一定の出力で燃料電池システム１００が安定的に運転されている期間が「定格発電期間」である。定格発電期間において、改質器１１への原料ガスの供給流量及び水の供給流量はそれぞれ概ね一定に保たれる。酸化剤ガスの流量及び水素ガスの流量もそれぞれ概ね一定に保たれる。「停止期間」は、燃料電池システム１００を停止させるための運転期間である。詳細には、「停止期間」は、燃料電池システム１００の出力をゼロまで徐々に低下させるための運転期間である。停止期間において、改質器１１への原料ガスの供給流量及び水の供給流量を徐々に減少させる。停止期間において、酸化剤ガスの流量及び水素ガスの流量が徐々に減少する。「待機期間」は、燃料電池システム１００の出力をゼロのまま保持している期間である。待機期間において、改質器１１への原料ガスの供給流量及び水の供給流量は、基本的にはゼロである。ただし、改質器１１の劣化を抑制するために、改質器１１を原料ガスで定期的にパージ（purge）することがある。待機期間において、改質器１１における水素ガスの生成は停止しており、酸化剤ガスの流量及び水素ガスの流量も基本的にはゼロである。制御器３２は、待機期間にも所定の電気的処理を実行し続けている。そのような電気的処理の例は、貯湯タンクの湯量を監視するための処理である。

図２の例によれば、起動期間及び停止期間において、燃料電池システム１００の出力は、連続的かつ一定のレートで上昇又は低下している。ただし、燃料電池システム１００の出力を段階的に上昇又は低下させてもよい。さらに、出力の上昇又は低下のレートを変化させてもよい。

一例において、起動期間の長さ及び停止期間の長さは、それぞれ、１０分〜９０分の範囲にある。燃料電池システム１００の起動又は停止に十分な時間を費やすことによって、改質器１１の劣化、燃料電池１３の劣化などを抑制することができる。ただし、燃焼排ガス中のＣＯ濃度の急上昇を検出した場合などの非常時には、燃料電池システム１００を瞬時に停止させることもある。

起動期間、定格発電期間及び停止期間において、燃料電池１３は電力を生成しており、出力はゼロよりも大きい。本明細書では、これらの期間を「発電期間」と総称する。

発電期間の長さ及び待機期間の長さは、燃料電池システム１００の連続運転可能な時間、貯湯タンクの容量などに応じて変化する。貯湯タンクに十分な量の湯が貯められた場合、燃料電池システム１００は運転を自動的に停止し、待機期間に入る。貯湯タンクの湯量が閾値を下回ると、燃料電池システム１００は、自動的に運転を開始する。湯の使用量が多い場合、１回の運転サイクルの中で待機期間がゼロの場合もありうる。燃料電池システム１００は、予め定められた発電計画に沿って運転されてもよい。

本実施形態において、定格発電期間が燃料電池システム１００の定常運転期間である。これに対し、燃料電池システム１００の非定常運転期間には、準備期間、起動期間、停止期間及び待機期間が含まれる。

本実施形態において、燃料電池システム１００の連続運転可能な最長時間は２４時間よりも長い。一例において、連続運転可能な最長時間は、２４時間よりも長く２４０時間以下である。連続運転可能な最長時間が十分に長い場合、準備期間、起動期間及び停止期間が相対的に短くなることによって、燃料電池システム１００の効率の向上を期待できる。改質器１１、燃料電池１３などのコンポーネントの劣化も抑制されうる。

燃料電池システム１００を起動すべき旨の指示が入力された場合、制御器３２は、原料ガス供給器２８など各種の補助機器を制御する。この期間は、図２に示す準備期間である。燃料電池システム１００を起動すべき旨の指示は、例えば、運転開始スイッチがオンにされた場合に制御器３２に入力される。改質器１１が所定の温度に達し、所定量の水素が生成されると、燃料電池システム１００は起動期間に移行する。制御器３２は、燃料電池システム１００の出力が徐々に上昇するように、空気供給器２３、原料ガス供給器２８、各種の補助機器などを制御する。この期間は、図２に示す起動期間である。燃料電池システム１００の出力が定格出力に達すると、制御器３２は、定格出力を維持するように、空気供給器２３、原料ガス供給器２８、各種の補助機器などを制御する。この期間は、図２に示す定格発電期間である。定格発電期間において、例えば、空気比が１．６となるように空気供給器３６が制御される。「空気比」とは、燃料を完全燃焼させるために必要な理論空気流量Ｍ１に対する実際の空気流量Ｍ２の比（Ｍ２／Ｍ１）を意味する。このとき、燃焼排ガス中のＣＯ濃度（体積濃度）は、例えば、５０ｐｐｍ以下である。燃料電池システム１００を停止すべき旨の指示が入力された場合、制御器３２は、燃料電池システム１００の出力が徐々に下降するように、空気供給器２３、原料ガス供給器２８、空気供給器３６、各種の補助機器などを制御する。この期間は、図２に示す停止期間である。燃料電池システム１００を停止すべき旨の指示は、例えば、運転停止スイッチがオンにされた場合に制御器３２に入力される。

燃料電池システム１００を起動すべき旨の指示が入力された場合、制御器３２は、図３Ａ及び図３Ｂのフローチャートに従ってＣＯセンサの検査を行う。

図３Ａに示すように、ステップＳ１において、ＣＯセンサ１９のゼロ点チェックを実施する。詳細には、ＣＯセンサ１９の出力値をプラス方向又はマイナス方向にシフトさせる処理を行う。次に、ステップＳ２において、燃料電池１３の発電開始時点から第１の特定時間Ｔ１が経過したかどうかを判断する。「発電開始時点」は、燃料電池１３が実際に発電を開始した時点を意味し、図２の「起動期間」の開始時点に対応する。「第１の特定時間Ｔ１」は、例えば、燃料電池１３の出力（Ｗ）を定格出力に到達させるために必要な時間よりも長い時間である。「第１の特定時間Ｔ１」は、例えば、０．５〜１．５時間の範囲内で定められる。第１の特定時間Ｔ１をこのような範囲に定めることによって、不具合のあるＣＯセンサ１９を用いて燃料電池システム１００が長時間運転されることを防止できる。

ただし、「第１の特定時間」は、燃料電池１３の出力を定格出力に到達させるために必要な時間よりも短い時間であってもよい。この場合、図２の「起動期間」において、以下に説明するＣＯセンサ１９の検査が実施されうる。

燃料電池１３の発電開始時点から第１の特定時間Ｔ１が経過した場合、ステップＳ５において、前回のＣＯセンサ１９の検査が実行された時点から第２の特定時間Ｔ２が経過したかどうかを判断する。前回の検査から第２の特定時間Ｔ２が経過していない場合、ステップＳ６において、前回の検査からの経過時間を計測するためのタイマをインクリメントする。つまり、前回の検査からの経過時間を計測し続ける。前回の検査から第２の特定時間Ｔ２が経過した場合、ステップＳ８において、ＣＯセンサ１９の検査を実行する。「第２の特定時間Ｔ２」は、例えば、２２〜２４時間の範囲内で定められる。

具体的には、ＣＯセンサ１９の検査として、図３Ｂに示す各処理を実行する。

まず、ステップＳＴ１において、空気供給器３６を制御して、燃焼排ガス中のＣＯ濃度が上昇するように燃焼器１５における空気比を増加させる。空気比が増加するように空気供給器３６を制御することによって、空気比が１．６であるときと比較して、燃焼排ガス中のＣＯ濃度が上昇する。ステップＳＴ１において、空気比（Ｍ２／Ｍ１）は、例えば、２〜５の範囲に調節される。このとき、燃焼排ガス中のＣＯ濃度（体積濃度）は、例えば、５０ｐｐｍ〜６０００ｐｐｍに達する。

なお、空気比を減少させることによって燃焼排ガス中のＣＯ濃度を上昇させることも可能である。例えば、空気比が１．１以下となるように空気供給器３６を制御する。空気比を増加又は減少させることによって、ＣＯ濃度を容易に調節することができる。

次に、ステップＳＴ２において、制御器３２は、ＣＯセンサ１９から検出値を取得する。検出値は、ＣＯセンサ１９によって検出されたＣＯ濃度に対応する。ステップＳＴ３において、取得した検出値が閾値以下かどうかを判断する。閾値（閾値濃度）は、例えば、５０ｐｐｍ〜２００ｐｐｍの範囲内で設定される。ＣＯセンサ１９の検出値が閾値以下でないとき、つまり、検出値が閾値を越えているとき、一酸化炭素の発生が正しく検出されたことになるので、ＣＯセンサ１９は正常である。ＣＯセンサ１９の異常が発見されなかった場合、燃料電池システム１００の運転が許可される（ステップＳＴ４）。つまり、改質器１１への原料ガスの供給が継続され、燃料電池システム１００の運転が継続される。

他方、ＣＯセンサ１９の検出値が閾値以下であるとき、ＣＯセンサ１９に異常があると判断する。つまり、ＣＯセンサ１９の検出値が閾値を超えたとき、制御器３２は、ＣＯセンサ１９が正常であると判断し、ＣＯセンサ１９の検出値が閾値を越えないとき、ＣＯセンサ１９に異常があると判断する。この方法によれば、ＣＯセンサ１９の異常の有無を正確に調べることができる。

詳細には、制御器３２は、所定の時間内及び／又は所定の空気比の範囲内でＣＯセンサ１９の検出値が閾値を超えないとき、ＣＯセンサ１９に異常があると判断する。このようにすれば、ＣＯセンサ１９の異常の有無を正確に調べることができる。「所定の時間」は、空気比を増加させるべき時間であり、ＣＯセンサ１９がＣＯを検出するために十分な時間である。「所定の時間」は、燃料電池システム１００の安定な運転を維持可能な時間長さに設定されうる。「所定の時間」は、例えば、３０秒〜３分の範囲で定められる。「所定の時間」が適切な長さに設定されていると、燃料電池システム１００の運転状態の急激な変動を抑制できるだけでなく、燃料電池システム１００が長時間にわたって非定常状態で運転され続けることを回避できる。「所定の空気比」は、上記した通り、２〜５の範囲に設定されうる。空気比は、ＣＯセンサ１９の検出値が閾値を越えるまで、徐々に増加させてもよい。

ＣＯセンサ１９に異常がある場合、ステップＳＴ５において、燃料電池システム１００を停止させる。具体的には、図２に示す停止期間と同じように燃料電池システム１００の出力を徐々に下げてもよいし、燃料電池システム１００を直ちに停止させてもよい。ステップＳＴ６において、制御器３２は、報知器３８を用いてＣＯセンサ１９の異常を報知するための処理を実行する。ＣＯセンサ１９の異常は、センサ自体の故障に起因している可能性もあるし、異物の付着などの他の要因に起因している可能性もある。検査が終了したら、空気比を元の値まで低下させる。つまり、燃焼器１５の空気比を１．６に戻してＣＯ濃度を低下させる。これにより、燃料電池システム１００の運転を継続することができる。

ＣＯセンサ１９に異常がある場合、ＣＯセンサ１９に異常があることを外部に報知する処理、燃料電池１３の運転を停止させる処理、及び、燃料電池１３の再起動を禁止する処理からなる群より選ばれる少なくとも１つの処理を実行してもよい。このようにすれば、燃料電池システム１００の安全性をさらに高めることができる。

燃料電池１３の発電期間において、ＣＯセンサ１９を検査するために燃焼排ガス中のＣＯ濃度を意図的に上昇させると、燃料電池システム１００の運転のバランスが崩れ、発電量の変動などの問題が生じる可能性がある。本実施形態では、ＣＯセンサ１９を検査する第１の処理を実行しつつ、燃料電池１３の発電量を目標値に収斂させる第２の処理を実行する。これにより、燃料電池システム１００の運転のバランスが保たれ、発電量の変動も抑制される。本実施形態によれば、ＣＯセンサ１９の検査を行いつつ、燃料電池システム１００を効率的に運転することができる。つまり、ＣＯセンサ１９の検査を燃料電池１３の発電期間にも実行することが可能である。

第２の処理として、ＣＯセンサ１９の検査を実行することに起因する発電量の目標値からの乖離を相殺する処理を実行する。このような処理を実行することによって、ＣＯセンサ１９の検査の最中にも燃料電池システム１００の運転のバランスが保たれ、発電量の変動も抑制される。

ＣＯセンサ１９の検査のために空気比を増加させると、改質器１１が強く冷却される。改質器１１が冷却されすぎると、触媒反応の進行が妨げられ、水素生成量が低下し、安定な発電が妨げられる可能性がある。発電量を目標値に一致させるために、制御器３２は、例えば、図３Ｃに示す処理を第２の処理として実行する。図３Ｃに示す処理は、ＣＯセンサ１９を検査する第１の処理（図３Ａ及び図３Ｂ）と並行して定期的に実行されうる。

図３Ｃに示すように、ステップＳＴ１０において、温度センサ４０の検出値を取得して改質器１１の温度ｔを検出する。ステップＳＴ１１において、検出された温度ｔが所定の閾値温度Ｔｈよりも低いかどうかを判断する。検出された温度ｔが所定の閾値温度Ｔｈよりも低い場合、ステップＳＴ１２において原料ガス供給器２８を制御して原料ガスの流量を増加させる。これにより、燃焼器１５から改質器１１に与えられる熱量が増えて改質器１１の温度が一定に保たれる。触媒反応がスムーズに進行し、発電量が目標値に収斂する。

また、空気比を増加させると、アノードオフガス経路１６、排気経路１７などの経路における圧力損失が上昇する。その結果、原料ガスの流量が変動したり、改質水の流量が変動したり、選択酸化のための空気の流量が変動したり、燃料電池１３のカソードに供給される空気の流量が変動したりする。これらの流量を一定に保つための処理が制御器３２によって実行されてもよい。詳細には、空気比の増加に伴って、空気供給器２３、原料供給器２８及び水供給器３１から選ばれる少なくとも１つの供給器の操作量を増やす。あるいは、空気比の変動に伴って、各供給器の追随性を高めてもよい。このような制御を行なうことによって、燃料電池システム１００の運転のバランスが保たれ、発電量の変動も抑制される。発電量は目標値に収斂する。本実施形態によれば、ＣＯセンサ１９の検査を行いつつ、燃料電池システム１００を効率的に運転することができる。

上記の制御は、フィードバック制御（図３Ｃ）であってもよいし、フィードフォワード制御であってもよい。

図３Ａに示すように、ＣＯセンサ１９の検査が終了すると、ステップＳ９において、前回の検査からの経過時間を計測するためのタイマをクリアする。ステップＳ７において、燃料電池システム１００の運転を継続するかどうかを判断する。燃料電池システム１００の運転を停止すべき旨の指示が入力された場合、図３Ａに示す処理を終了する。燃料電池システム１００の運転を継続すべき場合には、ステップＳ５及びＳ６の処理を実行して、前回の検査からの経過時間の計測を続ける。

他方、ステップＳ２において、第１の特定時間Ｔ１が経過していないとき、ステップＳ３において、燃料電池１３の発電開始時点からの経過時間を計測するためのタイマをインクリメントする。つまり、ステップＳ２及びＳ３の処理を実行して、発電開始時点からの経過時間の計測を続ける。ステップＳ４において、燃料電池システム１００の運転を継続するかどうかを判断する。燃料電池システム１００の運転を停止すべき旨の指示が入力された場合、図３Ａに示す処理を終了する。

燃料電池１３の発電開始時点からの経過時間を計測するためのタイマ及び前回の検査からの経過時間を計測するためのタイマは、例えば、制御器３２が持っているタイマである。タイマは、典型的には、ソフトウェアタイマである。

次に、図４を参照して、燃料電池システム１００のいくつかの運転パターン及びＣＯセンサの検査を実行すべきタイミングを説明する。図４の横軸は経過時間を表し、縦軸は燃料電池システム１００の出力電力を表している。三角印は、ＣＯセンサの検査が実行されるタイミングを表している。図４の各運転パターンにおける平坦な部分は、定格出力にて燃料電池システム１００が運転されていることを表している。

運転パターン１において、燃料電池１３の発電開始時点から第１の特定時間Ｔ１が経過した後にＣＯセンサ１９の検査が実行される。このようにすれば、燃料電池１３の発電開始時点から比較的短い時間が経過した時点でＣＯセンサ１９の検査が実行されるので、ＣＯセンサ１９に不具合が発生した状態で燃料電池システム１００の運転が継続されにくい。つまり、本実施形態によれば、燃料電池システム１００の安全性及び信頼性を向上させることができる。

本実施形態において、第１の特定時間Ｔ１は、図２を参照して説明した起動期間よりも長いので、ＣＯセンサ１９の検査は、燃料電池１３の定格出力での発電期間（定格発電期間）に実施される。定格発電期間にＣＯセンサ１９の検査を行なえば、燃料電池システム１００の運転のバランスを保ちやすく、発電量の変動も抑制しやすい。

運転パターン１に示すように、第１の特定時間Ｔ１が経過した後に実行された検査においてＣＯセンサ１９が正常であることが確認され、前回の検査が実行された時点から第２の特定時間Ｔ２が経過し、かつ、燃料電池１３が発電を継続している場合、制御器３２は、ＣＯセンサ１９の検査を再度実行する。このようにすれば、ＣＯセンサ１９の検査を効率的に行えるとともに、ＣＯセンサ１９の異常を確実に発見することができる。

運転パターン２は、前回の検査が実行された時点から第２の特定時間Ｔ２が経過したとき、燃料電池システム１００が待機期間に滞在していることを示している。待機期間において、燃料電池１３が発電を継続していないのでＣＯセンサ１９の検査は行われず、燃料電池１３の次の発電開始時点から第１の特定時間Ｔ１が経過すると、ＣＯセンサ１９の検査が行われる。

運転パターン３は、検査と検査との間に発電量がゼロの待機期間が存在していてもよいことを示している。すなわち、運転パターン３においては、第１の特定時間Ｔ１が経過した後に実行された検査においてＣＯセンサ１９が正常であることが確認されている。前回の検査が実行された時点から第２の特定時間Ｔ２が経過した後において燃料電池１３が発電を継続している。前回の検査が実行された時点から第２の特定時間Ｔ２が経過する前に燃料電池１３の運転が少なくとも１回停止している。さらに、燃料電池１３の直近の発電開始時点から第１の特定時間Ｔ１が経過している。これらの要件を満たしている場合、制御器３２は、ＣＯセンサ１９の検査を再度実行する。このような条件を課することによって、ＣＯセンサ１９の検査を効率的に行えるとともに、ＣＯセンサ１９の異常を確実に発見することができる。

運転パターン４及び運転パターン５によれば、第１の特定時間Ｔ１が経過した後に実行された検査においてＣＯセンサ１９が正常であることが確認され、前回の検査が実行された時点から第２の特定時間Ｔ２が経過したとき、燃料電池システム１００が待機期間にある。待機期間において、ＣＯセンサ１９の検査は行われない。燃料電池１３の次の発電開始時点から第１の特定時間Ｔ１が経過すると、ＣＯセンサ１９の検査が行われる。

運転パターン６によれば、第１の特定時間Ｔ１が経過した後に実行された検査においてＣＯセンサ１９が正常であることが確認され、その後、燃料電池１３の運転が少なくとも１回停止している。燃料電池１３の運転を再開して発電を開始し、発電開始時点から第１の特定時間Ｔ１が経過したとしても、前回の検査が実行された時点から第２の特定時間Ｔ２が経過していない場合、ＣＯセンサ１９の検査は行われない。前回のＣＯセンサ１９の検査が実行された時点から第２の特定時間Ｔ２が経過し、かつ、燃料電池１３が発電を継続している場合、ＣＯセンサ１９の検査が再度実行される。

本明細書に開示された技術は、燃料電池システムに有用である。

Claims

水素ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行なう燃料電池と、
前記水素ガスを生成する改質器と、
前記改質器を加熱する燃焼器と、
前記燃焼器で生じた燃焼排ガスの排気経路と、
前記排気経路に配置されたＣＯセンサと、
前記ＣＯセンサの検出値から前記燃焼器における燃焼状態を監視する制御器と、
を備え、
前記制御器は、前記燃料電池の発電期間において、前記燃焼排ガス中のＣＯ濃度を意図的に上昇させて前記ＣＯセンサを検査する第１の処理を実行しつつ、前記燃料電池の発電量を目標値に収斂させる第２の処理を実行する、燃料電池システム。
前記発電期間は、一定の出力で前記燃料電池システムが運転される期間である、請求項１に記載の燃料電池システム。
前記制御器は、前記燃料電池の発電開始時点から予め定められた時間である第１の特定時間が経過した後に前記第１の処理を実行する、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
前記第１の特定時間が経過した後に実行された前記第１の処理において前記ＣＯセンサが正常であることが確認され、前回の前記第１の処理が実行された時点から予め定められた時間である第２の特定時間が経過し、かつ、前記燃料電池が発電を継続している場合、前記制御器は、前記第１の処理を再度実行する、請求項３に記載の燃料電池システム。
前記第１の特定時間が経過した後に実行された前記第１の処理において前記ＣＯセンサが正常であることが確認され、前回の前記第１の処理が実行された時点から第２の特定時間が経過した後において前記燃料電池が発電を継続しており、前回の前記第１の処理が実行された時点から前記第２の特定時間が経過する前に前記燃料電池の運転が少なくとも１回停止しており、前記燃料電池の直近の発電開始時点から前記第１の特定時間が経過している場合、前記制御器は、前記第１の処理を再度実行する、請求項３又は４に記載の燃料電池システム。
前記第１の処理を実行するとき、前記制御器は、前記燃焼器の空気比を増加又は減少させる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記制御器は、前記第１の処理を実行したのち、前記第１の処理を実行する前の空気比に前記燃焼器の空気比を戻して前記ＣＯ濃度を低下させる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記第１の処理において、前記ＣＯセンサの前記検出値が閾値を超えたとき、前記制御器は、前記ＣＯセンサが正常であると判断し、前記ＣＯセンサの前記検出値が前記閾値を越えないとき、前記ＣＯセンサに異常があると判断する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記第１の処理において、前記制御器は、所定の時間内及び／又は所定の空気比の範囲内で前記ＣＯセンサの前記検出値が前記閾値を超えないとき、前記ＣＯセンサに異常があると判断する、請求項８に記載の燃料電池システム。
前記制御器は、前記ＣＯセンサに異常があると判断した場合、前記ＣＯセンサに異常があることを外部に報知する処理、前記燃料電池の運転を停止させる処理、及び、前記燃料電池の再起動を禁止する処理からなる群より選ばれる少なくとも１つの処理を実行する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記制御器は、前記第２の処理として、前記第１の処理を実行することに起因する前記発電量の前記目標値からの乖離を相殺する処理を実行する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。