JP6957980B2

JP6957980B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP6957980B2
Application number: JP2017104696A
Authority: JP
Inventors: 大河村上
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2017-05-26
Filing date: 2017-05-26
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2037-05-26
Also published as: JP2018200797A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、この種の燃料電池システムとしては、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行なう燃料電池装置を収容するパッケージ（筐体）と、パッケージの上部に配置されてパッケージ内のガス濃度を検知するガス検知センサ（可燃ガスセンサ）とを備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムでは、燃料電池装置のパッケージ内に漏れ出した可燃性のガスは、パッケージの上部に溜まるため、パッケージの上部にガス検知センサを配置することで、漏れ出したガスを的確に検出することができるとしている。

特開２００３−２２９１４８号公報

可燃ガスセンサは一般に使用（通電）により劣化（熱劣化）し易いことが知られており、上述した燃料電池システムでは、可燃ガスセンサの頻繁なメンテナンスや交換を必要とし、コスト増を招いてしまう。

本発明の燃料電池システムは、可燃ガスセンサを用いることなく、ガス漏れの発生を適切に検知可能とすることを主目的とする。

本発明の燃料電池システムは、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の燃料電池システムは、
燃料系ガスと酸化剤ガスとに基づいて発電可能な燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料系ガスを供給する燃料系ガス供給装置と、
前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料系ガス供給装置により供給される燃料系ガスの流量を検出する燃料系ガス流量センサと、
前記燃料系ガス供給装置と前記酸化剤ガス供給装置とを制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記燃料系ガス流量センサにより検出される流量がシステム要求に基づく目標流量となるよう操作量を設定して前記燃料系ガス供給装置を制御するフィードバック制御を行なうと共に、前記燃料系ガス供給装置の前記フィードバック制御において設定した操作量が基準範囲内にないときにガス漏れが発生したと判定する、
ことを要旨とする。

この本発明の燃料電池システムでは、燃料系ガス流量センサにより検出される流量がシステム要求に基づく目標流量となるよう操作量を設定して燃料系ガス供給装置を制御するフィードバック制御を行なうと共に、燃料系ガス供給装置のフィードバック制御において設定した操作量が基準範囲内にないときにガス漏れが発生したと判定する。燃料ガス供給装置のフィードバック制御において、ガス漏れが発生すると、流路内の圧力が大きく変化するため、燃料系ガス供給装置の操作量は、通常の使用範囲とは異なる操作量となる。この現象を利用して、燃料系ガス供給装置の設定した操作量が基準範囲内にないときにガス漏れが発生したと判定することで、可燃ガスセンサを用いることなく、ガス漏れの発生を適切に検知することができる。

こうした本発明の燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス供給装置の複数の操作量に対して、それぞれ異なる前記基準範囲に関する情報を対応付けて記憶する記憶装置を備え、前記制御装置は、前記燃料系ガス流量センサにより検出される流量が前記目標流量となるよう操作量を設定して前記燃料系ガス供給装置を制御すると共に前記燃料系ガスと前記酸化剤ガスの流量比が所定比となるよう操作量を設定して前記酸化剤ガス供給装置を制御し、前記燃料系ガス供給装置の前記フィードバック制御において設定した操作量が前記酸化剤ガス供給装置の設定した操作量に対応する基準範囲内にないときにガス漏れが発生したと判定するものとしてもよい。密閉空間において供給される酸化剤ガスが増量されると、その内部圧力が上昇して燃料系ガスの流れが悪くなるため、酸化剤ガス供給装置の操作量の増量は、燃料系ガス供給装置の操作量の増量要因となる。したがって、酸化剤ガス供給装置の操作量に応じて異なる基準範囲を適用することで、酸化剤ガスの流量に拘わらず、ガス漏れの発生を適切に検知することができる。この場合、前記制御装置は、システム起動前に、前記酸化剤ガス供給装置の前記複数の操作量に対して、それぞれ、爆発下限界以上とならない範囲内で前記燃料系ガス供給装置の操作量を設定して前記燃料系ガス供給装置を制御し、前記燃料系ガス供給装置の設定した操作量と前記燃料系ガス流量センサにより検出される流量とに基づいて前記基準範囲を設定して前記記憶装置に記憶する基準範囲登録処理を実行するものとしてもよい。燃料電池システムに個体差があっても、適切な基準範囲を定めることができる。更にこの場合、前記制御装置は、前回に前記基準範囲登録処理を実行してからのシステムの運転時間が所定時間以上の状態でシステム起動が要求されたときに、前記基準範囲登録処理を実行するものとしてもよい。こうすれば、燃料電池システムの経年変化に適切に対応することができる。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、水蒸気を生成する気化部と、前記気化部により生成された水蒸気を用いて前記燃料系ガスを改質して改質ガスを生成する改質部と、前記気化部または前記改質部の内部温度を検出する第１温度センサと、を備え、前記燃料電池は、前記改質ガスと前記酸化剤ガスとにより発電し、前記制御装置は、前記第１温度センサにより検出される温度に基づいて前記基準範囲を補正するものとしてもよい。気化部（改質部）において水蒸気が発生すると、その内部圧力が上昇して燃料系ガスの流れが悪くなるため、気化部（改質部）の内部温度上昇は、燃料系ガス供給装置の操作量の増量要因となる。したがって、気化部（改質部）の内部温度に応じて異なる基準範囲を適用することで、気化部（改質部）の温度に拘わらず、ガス漏れの発生を適切に検知することができる。

さらに、本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の内部温度を検出する第２温度センサを備え、前記制御装置は、前記第２温度センサにより検出される温度に基づいて前記基準範囲を補正するものとしてもよい。密閉空間において燃料電池の内部温度が上昇すると、その内部圧力が上昇して燃料系ガスの流れが悪くなるため、燃料電池の内部温度上昇は、燃料系ガス供給装置の操作量の増量要因となる。したがって、燃料電池の内部温度に応じて異なる基準範囲を適用することで、燃料電池の内部温度に拘わらず、ガス漏れの発生を適切に検知することができる。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、システム内部を換気する換気装置を備え、前記制御装置は、ガス漏れが発生したと判定した場合、前記システム内部の換気量が増量されるよう前記換気装置を制御して、前記ガス漏れの発生の有無を再判定するものとしてもよい。こうすれば、安全性を担保しながら、ガス漏れの発生の有無を判定することができる。この場合、前記制御装置は、前記システム内部の換気量を増量させたにも拘わらず、前記再判定においても、前記設定した操作量が基準範囲内にないときにシステムを停止させるものとしてもよい。

本発明の実施形態としての燃料電池システム１０の構成の概略を示す構成図である。ガス漏れ判定ルーチンの一例を示すフローチャートである。ガス漏れ判定基準線設定ルーチンの一例を示すフローチャートである。各エアデューティに対するガス漏れ判定基準線ＤＬを示す説明図である。ガス漏れ判定基準値設定ルーチンの一例を示すフローチャートである。補正値設定用マップの一例を示す説明図である。ガス漏れ箇所を説明する説明図である。

本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の実施形態としての燃料電池システム１０の構成の概略を示す構成図である。本実施形態の燃料電池システム１０は、図１に示すように、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガス（エア）との供給を受けて発電する燃料電池スタック３６を有する発電ユニット２０と、発電ユニット２０の発電に伴って発生する熱を回収して給湯する貯湯タンク１０１を有する給湯ユニット１００と、システム全体を制御する制御装置８０と、を備える。

発電ユニット２０は、水蒸気を生成する気化器３２と、原燃料ガス（例えば天然ガスやＬＰガス）と水蒸気とから水素を含む燃料ガス（改質ガス）を生成する改質器３３と、燃料ガスとエアとにより発電する燃料電池スタック３６とを含む発電モジュール３０と、気化器３２に原燃料ガスを供給する原燃料ガス供給装置４０と、燃料電池スタック３６にエアを供給するエア供給装置５０と、改質水を気化器３２に供給する改質水供給装置５５と、発電モジュール３０で発生した排熱を回収する排熱回収装置６０と、を備える。これらは、筐体２２に収容されている。筐体２２には、吸気口２２ａと排気口２２ｂとが設けられており、吸気口２２ａ付近には、外気を取り込んで筐体２２の内部を換気するための換気ファン２４が設けられている。

気化器３２は、改質水を蒸発させて水蒸気を生成すると共に原燃料ガスを予熱するものである。気化器３２の内部には、気化器３２の温度（気化器温度Ｔｅｖ）を検出するための温度センサ９１が設けられている。

改質器３３は、セラミックなどの担体に改質触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が担持されて構成され、気化器３２から供給された原燃料ガスと水蒸気との混合ガスを水蒸気改質反応によって燃料ガス（改質ガス）に改質する。

気化器３２、改質器３３および燃料電池スタック３６は、断熱性材料により形成された箱型のモジュールケース３１内に収容されている。モジュールケース３１内には、燃料電池スタック３６の起動や、気化器３２における水蒸気の生成、改質器３３における水蒸気改質反応に必要な熱を供給するための燃焼部３４が設けられている。燃焼部３４には燃料電池スタック３６を通過した燃料オフガス（アノードオフガス）と酸化剤オフガス（カソードオフガス）とが供給され、これらの混合ガスを点火ヒータ３５により点火して燃焼させることにより、燃料電池スタック３６や気化器３２、改質器３３を加熱する。燃料オフガスおよび酸化剤オフガスの燃焼により生成される燃焼排ガスは、燃焼触媒３７を介して熱交換器６２へ供給される。燃焼触媒３７は、燃焼部３４で燃え残った燃料ガスを触媒によって再燃焼させる酸化触媒である。

排熱回収装置６０は、発電モジュール３０から燃焼排ガスが供給される熱交換器６２と貯湯水を貯蔵する貯湯タンク１０１とを接続して貯湯水の循環路を形成する循環配管６１を有する。循環配管６１には、循環ポンプ６３が設けられており、循環ポンプ６３を駆動することにより、熱交換器６２による貯湯水と燃焼排ガスとの熱交換により貯湯水を加温して貯湯タンク１０１へ貯湯する。熱交換器６２は、凝縮水供給管６６を介して改質水タンク５７に接続されると共に排気ガス排出管６７を介して外気と接続されている。熱交換器６２に供給された燃焼排ガスは、貯湯水との熱交換によって水蒸気成分が凝縮されて改質水タンク５７に回収される。また、残りの排気ガスは、排気ガス排出管６７を介して外気へ排出される。

原燃料ガス供給装置４０は、ガス供給源１と気化器３２とを接続する原燃料ガス供給管４１を有する。原燃料ガス供給管４１には、ガス供給源１側から順に、原燃料ガス供給弁（電磁弁）４２，４３、オリフィス４４、原燃料ガスポンプ４５、脱硫器４６が設けられており、原燃料ガス供給弁４２，４３を開弁した状態で原燃料ガスポンプ４５を駆動することにより、ガス供給源１からの原燃料ガスを脱硫器４６を通過させて気化器３２へ供給する。気化器３２へ供給された原燃料ガスは、気化器３２を経て改質器３３へ供給され、燃料ガスへと改質される。原燃料ガス供給弁４２，４３は、直列に接続された２連弁である。脱硫器４６は、原燃料ガスに含まれる硫黄分を除去するものであり、例えば、硫黄化合物をゼオライトなどの吸着剤に吸着させて除去する常温脱硫方式を採用することができる。なお、脱硫方式は、常温脱硫方式に限られず、種々の脱硫方式を採用し得る。また、原燃料ガス供給管４１の原燃料ガス供給弁４３とオリフィス４４との間には、当該原料ガス供給管４１内の原燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ４７が設けられ、オリフィス４４と原燃料ガスポンプ４５との間には、原料ガス供給管４１を流れる原燃料ガスの単位時間当たりの流量を検出する流量センサ４８が設けられている。

エア供給装置５０は、外気と連通するフィルタ５２と燃料電池スタック３６とを接続するエア供給管５１を有する。エア供給管５１には、エアブロワ５３が設けられており、エアブロワ５３を駆動することにより、フィルタ５２を介して吸入したエアを燃料電池スタック３６へ供給する。また、エア供給管５１には、エアブロワ５３の下流側に、当該エア供給管５１を流れるエアの単位時間当たりの流量を検出する流量センサ５４が設けられている。

改質水供給装置５５は、改質水を貯蔵する改質水タンク５７と気化器３２とを接続する改質水供給管５６を有する。改質水供給管５６には、改質水ポンプ５８が設けられており、改質ポンプ５８を駆動することにより、改質水タンク５７の改質水を気化器３２へ供給する。気化器３２へ供給された改質水は、気化器３２で水蒸気とされ、改質器３３における水蒸気改質反応に利用される。また、改質水タンク５７には、貯蔵される改質水を精製するための図示しない水精製器が設けられている。

燃料電池スタック３６は、酸素イオン伝導体からなる固体電解質と、固体電解質の一方の面に設けられたアノードと、固体電解質の他方の面に設けられたカソードとを備える固体酸化物燃料電池セルが積層されたものとして構成されており、アノードに供給される燃料ガス中の水素とカソードに供給されるエア中の酸素とによる電気化学反応によって発電する。燃料電池スタック３６の内部には、燃料電池スタック３６の温度（燃料電池内部温度Ｔｆｃ）を検出するための温度センサ９２が設けられている。燃料電池スタック３６の出力端子にはＤＣ／ＤＣコンバータとインバータとを含むパワーコンディショナ７１を介して商用電源２から負荷４への電力ライン３が接続されており、燃料電池スタック３６からの直流電力は、パワーコンディショナ７１による電圧変換および直流／交流変換を経て商用電源２からの交流電力に付加されて負荷４に供給される。パワーコンディショナ７１から分岐した電力ラインには電源基板７２が接続されている。電源基板７２は、原燃料ガス供給弁４２，４３や原燃料ガスポンプ４５、エアブロワ５３、改質水ポンプ５８、循環ポンプ６３、圧力センサ４７、流量センサ４８，５４、表示パネル９０、温度センサ９１，９２などの補機類に直流電力を供給する直流電源として機能する。

制御装置８０は、ＣＰＵ８１を中心としたマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ８１の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ８２と、データを一時的に記憶するＲＡＭ８３と、書き換え可能な不揮発性メモリとしてのフラッシュメモリ８４と、計時を行なうタイマ８５と、図示しない入出力ポートと、を備える。制御装置８０には、圧力センサ４７や流量センサ４８，５４、温度センサ９１，９２などからの各種検出信号が入力ポートを介して入力されている。また、制御装置８０からは、換気ファン２４のファンモータへの駆動信号や原燃料ガス供給弁４２，４３のソレノイドへの駆動信号、原燃料ガスポンプ４５のポンプモータへの駆動信号、エアブロワ５３のブロワモータへの駆動信号、改質水ポンプ５８のポンプモータへの駆動信号、循環ポンプ６３のポンプモータへの駆動信号、パワーコンディショナ７１のインバータやＤＣ／ＤＣコンバータへの制御信号、点火ヒータ３５への駆動信号、各種情報を表示する表示パネル９０への表示信号などが出力ポートを介して出力されている。

次に、こうして構成された燃料電池システム１０の動作、特に、システム起動中あるいはシステム運転中に可燃ガスのガス漏れを検知（判定）するための動作について説明する。図２は、制御装置８０のＣＰＵ８１により実行されるガス漏れ判定ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、システム起動が要求されたときに実行される。

ガス漏れ判定ルーチンが実行されると、制御装置８０のＣＰＵ８１は、まず、今回の実行がシステム設置後、初回の実行であるか、燃料電池システム１０の運転時間が所定時間以上であるかを判定し（Ｓ１００）、初回の実行であるか運転時間が所定時間以上であると判定すると、ガス漏れ判定基準線ＤＬを設定し（Ｓ１１０）、運転時間をリセットして（Ｓ１２０）、Ｓ１３０の処理に進み、初回の実行でなく、運転時間が所定時間以上でもないと判定すると、Ｓ１１０，Ｓ１２０の処理をスキップしてＳ１３０の処理に進む。なお、燃料電池システム１０の運転時間（システム起動からシステム停止までの時間の累積値）は、タイマ８５により計時することができる。ここで、ガス漏れ判定基準線ＤＬの設定は、図３に例示するガス漏れ判定基準線設定ルーチンを実行することにより行なわれる。以下、ガス漏れ判定ルーチンの説明を中断し、ガス漏れ判定基準線設定ルーチンについて説明する。

ガス漏れ判定基準線設定ルーチンでは、まず、目標エア流量Ｆａ＊を予め定められた所定値に設定する（Ｓ３００）。所定値は、本実施形態では、システム運転中において使用される使用範囲（例えば、２０〜６０ＮＬ／ｍｉｎ）内で定められるが、使用範囲内に限られず、他の如何なる値に定めてもよい。続いて、設定した目標エア流量Ｆａ＊に基づいてエアデューティＤａを設定して（Ｓ３１０）、エアブロワ５３のブロワモータを制御する（Ｓ３２０）。なお、Ｓ３１０の処理は、目標エア流量Ｆａ＊と流量センサ５４により検出されるエアの流量（エア流量Ｆａ）との偏差が小さくなるようにエアデューティＤａを設定することにより行なわれる。次に、原燃料ガスの流量に対するエアの流量が所定の空燃比Ａ’となるように目標エア流量Ｆａ＊に対する目標ガス流量Ｆｇ＊を設定する（Ｓ３３０）。所定の空燃比Ａ’は、可燃ガスの濃度が爆発下限界（ＬＥＬ：Lower Explosion Limit）以上とならない範囲内で定められる。そして、流量センサ４８により検出される原燃料ガスの流量（ガス流量Ｆｇ）を入力し（Ｓ３４０）、設定した目標ガス流量Ｆｇ＊と入力したガス流量Ｆｇとの偏差が小さくなるようにガスデューティＤｇを設定して（Ｓ３５０）、原燃料ガスポンプ４５のポンプモータを制御するフィードバック制御を行なう（Ｓ３６０）。

原燃料ガスポンプ４５をフィードバック制御により制御すると、フィードバック制御が収束（例えば、ガス流量Ｆｇと目標ガス流量Ｆｇ＊との偏差の絶対値が所定値未満となった状態が所定時間以上継続）するのを待って（Ｓ３７０）、Ｓ３４０で入力したガス流量ＦｇとＳ３５０で設定したガスデューティＤｇとに基づいてガス漏れ判定基準線ＤＬを設定し（Ｓ３８０）、設定したガス漏れ判定基準線ＤＬを現在設定中のエアデューティＤａに対応付けてフラッシュメモリ８４に記憶（登録）する（Ｓ３９０）。図４は、各エアデューティに対するガス漏れ判定基準線ＤＬを示す説明図である。なお、図４（ａ）は、エアデューティとエア流量との関係を示し、図４（ｂ）は、各エアデューティに対するガスデューティとガス流量との関係（ガス漏れ判定基準線ＤＬ）を示す。ガス漏れ判定基準線ＤＬは、図示するように、各エアデューティ毎に原燃料ガスポンプ４５のフィードバック制御におけるガス流量ＦｇとガスデューティＤｇとの関係を直線で表わしたものであり、エアデューティが大きいほど、即ちエア流量が多いほど直線の傾きが大きくなる。これは、モジュールケース３１内の燃料電池スタック３６へ供給されるエアの流量が多くなるほど、モジュールケース３１の内部圧力が大きく上昇し、その内部圧力によって燃料電池スタック３６へ向かう原燃料ガス供給管４１内の原燃料ガスの流れが悪くなるため、エア流量の増量が原燃料ガスポンプ４５のフィードバック制御におけるガスデューティ上昇の要因となることに基づく。

現在設定中のエアデューティＤａに対応付けてガス漏れ判定基準線ＤＬを記憶すると、全てのガス漏れ判定基準線ＤＬの登録が完了したか否かを判定し（Ｓ４００）、登録が完了していないと判定すると、目標エア流量Ｆａ＊を変更して（Ｓ４１０）、Ｓ３１０に戻り、次の目標エア流量Ｆａ＊に基づいてエアデューティＤａを設定すると共に設定したエアデューティＤａに対してガス漏れ判定基準線ＤＬを設定・登録するＳ３２０〜Ｓ３９０の処理を繰り返す。そして、全ての目標エア流量Ｆａ＊（エアデューティＤａ）に対してガス漏れ判定基準線ＤＬの登録が完了したと判定すると、これでガス漏れ判定基準線設定ルーチンを終了する。システム起動前は、燃料電池スタック３６の内部温度が低く、気化器３２において水蒸気が発生しないため、このタイミングでエアブロワ５３と原燃料ガスポンプ４５とを制御することで、上記温度や水蒸気の影響を受けずに、正確なガス漏れ判定基準線ＤＬを設定・登録することができる。

ガス漏れ判定ルーチンに戻って、次に、システムを起動する起動処理を開始する（Ｓ１３０）。起動処理は、例えば、対応する補機類を順次制御し、脱硫器４６に燃料成分を吸着させて混合ガスの空燃比ずれを抑制する燃料吸着処理、燃焼部３４のパージ処理、燃焼部３４におけるオフガスの着火処理、水蒸気改質処理などを順次実行することにより行なう。なお、これらの起動処理は、一例であり、燃料電池システム１０の構成や補機類の状態等によっては、一部の処理を省略することもできる。また、起動処理の開始に伴い、換気ファン２４を駆動して、筐体２２内の換気を開始する。起動処理が完了すると、発電処理を開始する。発電処理は、システム要求量（負荷４の負荷指令）を入力し、入力したシステム要求量に応じて原燃料ガス供給装置４０やエア供給装置５０等を制御することにより行なわれる。具体的には、原燃料ガス供給装置４０の制御は、入力したシステム要求量に基づいて原燃料ガス供給装置４０が供給すべき目標ガス流量Ｆｇ＊を設定し、設定した目標ガス流量Ｆｇ＊と流量センサ４８により検出されるガス流量Ｆｇとの偏差に基づいてフィードバック制御によりガスデューティＤｇを設定し、設定したガスデューティＤｇに基づいて原燃料ガスポンプ４５のポンプモータを制御することにより行なわれる。エア供給装置５０の制御は、原燃料ガスの目標ガス流量Ｆｇ＊に対し発電効率が良好な所定の空燃比Ａとなるようにエア供給装置５０が供給すべき目標エア流量Ｆａ＊を設定し、設定した目標エア流量Ｆａ＊と流量センサ５４により検出されるエア流量との偏差に基づいてフィードバック制御によりエアデューティＤａを設定し、設定したエアデューティＤａに基づいてエアブロワ５３のブロワモータを制御することにより行なわれる。なお、エアブロワ５３の制御は、フィードバック制御によらず、オープンループ制御により行なうものとしてもよい。この場合、流量センサ５４を省略するものとしてもよい。

システム起動を開始すると、ガス漏れ判定基準値Ｄｒｅｆを設定する（Ｓ１４０）。ガス漏れ判定基準値Ｄｒｅｆは、原燃料ガスポンプ４５のフィードバック制御において現在設定中のガスデューティＤｇに基づいてガス漏れを判定するための基準値であり、ガス漏れ判定基準線ＤＬを用いて設定される。ガス漏れ判定基準値Ｄｒｅｆの設定は、図５に例示するガス漏れ判定基準値設定ルーチンを実行することにより行なわれる。以下、ガス漏れ判定基準値設定ルーチンについて説明する。

ガス漏れ判定基準値設定ルーチンでは、エアブロワ５３の現在設定中のエアデューティＤａと流量センサ４８により検出されるガス流量Ｆｇとを入力し（Ｓ５００）、入力したエアデューティＤａに対応するガス漏れ判定基準線ＤＬを読み出す（Ｓ５１０）。この処理は、本実施形態では、フラッシュメモリ８４に記憶（登録）されているエアデューティＤａおよびガス漏れ判定基準線ＤＬのうち、入力したエアデューティＤａに最も近いエアデューティＤａに対応するガス漏れ判定基準線ＤＬを読み出すことにより行なうことができる。また、フラッシュメモリ８４に記憶（登録）されているエアデューティＤａおよびガス漏れ判定基準線ＤＬに基づいて補間処理を用いて現在設定中のエアデューティＤａに対応するガス漏れ判定基準線ＤＬを生成してもよい。続いて、読み出したガス漏れ判定基準線ＤＬを用いて入力したガス流量Ｆｇに基づいて導出されるガスデューティを仮基準値Ｄｔｍｐに設定する（Ｓ５２０）。次に、温度センサ９１により検出される気化器３２の温度（気化器温度Ｔｅｖ）と温度センサ９２により検出される燃料電池スタック３６の内部温度（燃料電池内部温度Ｔｆｃ）とを入力し（Ｓ５３０）、入力した気化器温度Ｔｅｖに基づいて補正値ｋ１を設定すると共に入力した燃料電池内部温度Ｔｆｃに基づいて補正値ｋ２を設定する（Ｓ５４０）。そして、仮基準値Ｄｔｍｐに補正値ｋ１と補正値ｋ２とを加えたものをガス漏れ判定基準値Ｄｒｅｆに設定して（Ｓ５５０）、ガス漏れ判定基準値設定ルーチンを終了する。ここで、補正値ｋ１の設定は、実施形態では、気化器温度Ｔｅｖと補正値ｋ１との関係を予め求めて第１補正値設定用マップとしてＲＯＭ８２に記憶しておき、気化器温度Ｔｅｖが与えられると、マップから対応する補正値ｋ１を導出することにより行なわれる。また、補正値ｋ２の設定は、実施形態では、燃料電池内部温度Ｔｆｃと補正値ｋ２との関係を予め求めて第２補正値設定用マップとしてＲＯＭ８２に記憶しておき、燃料電池内部温度Ｔｆｃが与えられると、マップから対応する補正値ｋ２を導出することにより行なわれる。図６に、補正値設定用マップの一例を示す。なお、図６（ａ）は、第１補正値設定用マップを示し、図６（ｂ）は、第２補正値設定用マップを示す。第１補正値設定用マップは、図６（ａ）に示すように、気化器温度Ｔｅｖが所定温度Ｔｒｅｆ未満（水蒸気の発生しない温度帯）のときには補正値ｋ１が値０となり、気化器温度Ｔｅｖが所定温度Ｔｒｅｆ以上のときには補正値ｋ１が値０よりも大きな値となるよう定められている。これは、気化器温度Ｔｅｖが高くなると、気化器３２で生成される水蒸気により気化器３２の内部圧力が上昇し、その内部圧力によって気化器３２へ向かう原燃料ガス供給管４１内の原燃料ガスの流れが悪くなるため、気化器温度Ｔｅｖの上昇が原燃料ガスポンプ４５のフィードバック制御におけるガスデューティ上昇の要因となることに基づく。また、第２補正値設定用マップは、図６（ｂ）に示すように、燃料電池内部温度Ｔｆｃが高いほど補正値ｋ２が大きくなるように定められている。これは、燃料電池内部温度Ｔｆｃが高くなると、圧力×体積／温度＝一定の関係（ボイル・シャルルの法則）から燃料電池スタック３６の内部圧力も高まり、その内部圧力によって燃料電池スタック３６へ向かう原燃料ガス供給管４１内の原燃料ガスの流れが悪くなるため、燃料電池内部温度Ｔｆｃの上昇が原燃料ガスポンプ４５のフィードバック制御におけるガスデューティ上昇の要因となることに基づく。

ガス漏れ判定ルーチンに戻って、こうしてガス漏れ判定基準値Ｄｒｅｆを設定すると、現在設定中のガスデューティＤｇを入力し（Ｓ１５０）、入力したガスデューティＤｇがガス漏れ判定基準値Ｄｒｅｆから所定値αを減じた下限値（Ｄｒｅｆ−α）とガス漏れ判定基準値Ｄｒｅｆに所定値αを加算した上限値（Ｄｒｅｆ＋α）とにより定まる基準範囲内にあるか否かを判定する（Ｓ１６０）。ここで、所定値αは、ガス漏れが発生していないと認められるガスデューティＤｇの上下限幅を規定するパラメータであり、予め実験などにより求めることができる。なお、下限値を定める所定値αと上限値を定める所定値αは、それぞれ異なる値を用いてもよい。また、下限値を、ガス漏れ判定基準値Ｄｒｅｆに値１よりも小さく値０よりも大きい係数を乗じて算出してもよく、上限値を、ガス漏れ判定基準値Ｄｒｅｆに値１よりも大きな係数を乗じて算出してもよい。現在設定中のガスデューティＤｇが基準範囲内にあると判定すると、ガス漏れは発生していないと判断し、Ｓ１４０に戻る。また、現在設定中のガスデューティＤｇが基準範囲内にないと判定すると、基準範囲内にない状態が所定時間継続したか否かを判定し（Ｓ１７０）、所定時間継続していないと判定すると、Ｓ１４０に戻る。

一方、現在設定中のガスデューティＤｇが下限値（Ｄｒｅｆ−α）と上限値（Ｄｒｅｆ＋α）とにより定まる基準範囲内にない状態が所定時間継続していると判定すると、ガス漏れが発生したと仮判定する（Ｓ１８０）。図７は、ガス漏れ箇所を説明する説明図である。図示するように、ガスデューティＤｇが上限値（Ｄｒｅｆ＋α）よりも大きいときには、上流側の配管内で負圧が抜けた状態であり、流量センサ４８の上流側でガス漏れが発生し（図７（ａ）参照）、ガスデューティＤｇが下限値（Ｄｒｅｆ−α）よりも小さいときには、下流側の配管内の圧力損失が規定よりも小さい状態であり、流量センサ４８の下流側でガス漏れが発生する（図７（ｂ）参照）。そして、換気ファン２４による換気量が増量されるよう換気ファン２４を制御する（Ｓ１９０）。これにより、筐体２２内で可燃ガスのガス漏れが発生していても、可燃ガスの濃度が爆発下限界以上となるのを防止し、安全性を確保することができる。なお、ガスデューティＤｇが基準範囲（下限値または上限値）から大きく乖離しているほど、換気量を大きく増量するものとしてもよい。次に、上述したＳ１４０と同様の処理によりガス漏れ判定基準値Ｄｒｅｆを設定すると共に（Ｓ２００）、現在設定中のガスデューティＤｇを入力し（Ｓ２１０）、入力したガスデューティＤｇがガス漏れ判定基準値Ｄｒｅｆから所定値βを減じた下限値（Ｄｒｅｆ−β）とガス漏れ判定基準値Ｄｒｅｆに所定値βを加算した上限値（Ｄｒｅｆ＋β）とにより定まる基準範囲内にあるか否かを判定してガス漏れが発生しているか否かを再判定する（Ｓ２２０）。ここで、所定値βは、実施形態では、所定値αよりも大きな値に定められるが、同じ値を用いてもよい。現在設定中のガスデューティＤｇが基準範囲内にあると判定すると、ガス漏れは発生していないと判断し、Ｓ２００に戻る。現在設定中のガスデューティＤｇが基準範囲内にないと判定すると、基準範囲内にない状態が所定時間継続したか否かを判定し（Ｓ２３０）、所定時間継続していないと判定すると、Ｓ２００に戻る。

一方、現在設定中のガスデューティＤｇが下限値（Ｄｒｅｆ−β）と上限値（Ｄｒｅｆ＋β）とにより定まる基準範囲内にない状態が所定時間継続していると判定すると、ガス漏れが発生したとの判定を確定させ（Ｓ２４０）、燃料電池システム１０を停止させて（Ｓ２５０）、ガス漏れ判定ルーチンを終了する。

以上説明した実施形態の燃料電池システム１０は、流量センサ４８により検出されるガス流量Ｆｇがシステム要求に基づく目標ガス流量Ｆｇ＊となるようガスデューティＤｇを設定して原燃料ガスポンプ４５を制御するフィードバック制御において、現在設定中のガスデューティＤｇがガス漏れ判定基準値Ｄｒｅｆに基づく基準範囲内にないときにガス漏れが発生したと判定する。これにより、可燃ガスセンサを用いることなく、ガス漏れの発生を適切に検知することができる。したがって、可燃ガスセンサを省略することも可能となり、省スペース化やイニシャルコストの低減、メンテナンスコストの低減、消費電力の低減などを図ることができる。また、燃料電池システム１０に可燃ガスセンサを設ける場合であっても、リレーによって可燃ガスセンサへの通電をオンオフできるように構成することで、例えば、図２のガス漏れ判定ルーチンのＳ１８０でガス漏れが発生したと判定したタイミングで可燃ガスセンサに通電し、可燃ガスセンサを用いてガス漏れが発生しているか否かを確認することができる。可燃ガスセンサは一般に通電によって劣化（熱劣化）が進むため、通電時間を限定することで、可燃ガスセンサの寿命を延ばすことができ、そのメンテナンスや交換の頻度を少なくすることができる。

また、実施形態の燃料電池システム１０は、システム起動前の初期動作として、エアが供給されるよう目標エア流量Ｆａ＊（エアデューティＤａ）を複数の流量に変更しつつエアブロワ５３を制御すると共に、各目標エア流量Ｆａ＊（各エアデューティＤａ）に対してそれぞれ爆発下限界以上とならない範囲で原燃料ガスが供給されるようガスデューティＤｇを設定して原燃料ガスポンプ４５を制御し、各エアデューティＤａに対してそれぞれ設定したガスデューティＤｇと流量センサ４８により検出されたガス流量Ｆｇとに基づいてガス漏れ判定基準線ＤＬを設定して登録しておく。そして、システム起動の開始後に行なわれる原燃料ガスポンプ４５のフィードバック制御において、登録したガス漏れ判定基準線ＤＬのうち現在設定中のエアデューティＤａに対応するガス漏れ判定基準線ＤＬを読み出して読み出したガス漏れ判定基準線ＤＬと流量センサ４８により検出されるガス流量Ｆｇとに基づいてガス漏れ判定基準値Ｄｒｅｆを設定し、現在設定中のガスデューティＤｇが設定したガス漏れ判定基準値Ｄｒｅｆに基づく基準範囲内にあるか否かによりガス漏れの発生の有無を判定する。これにより、モジュールケース３１内（燃料電池スタック３６）に供給されるエアに基づくモジュールケース３１の内部圧力の上昇に対してガス漏れ判定基準値Ｄｒｅｆ（基準範囲）を適切に設定することができ、ガス漏れの誤判定を抑制することができる。また、システム起動前の初期動作として行なわれるガス漏れ判定基準線の設定・登録は、システム設置後、初めてシステム起動が要求された場合と燃料電池システム１０の運転時間が所定時間以上となった状態でシステム起動が要求された場合とに行なわれるため、処理負担を考慮しつつ、燃料電池システム１０の経年変化に対応することができる。

さらに、実施形態の燃料電池システム１０は、気化器温度Ｔｅｖに基づいてガス漏れ判定基準値Ｄｒｅｆを補正してガス漏れの発生の有無を判定する。これにより、気化器３２で生成される水蒸気に基づく気化器３２の内部圧力の上昇に対してガス漏れ判定基準値Ｄｒｅｆ（基準範囲）を適切に設定することができ、ガス漏れの誤判定を抑制することができる。

また、実施形態の燃料電池システム１０は、燃料電池内部温度Ｔｆｃに基づいてガス漏れ判定基準値Ｄｒｅｆを補正してガス漏れの発生の有無を判定する。これにより、燃料電池スタック３６の温度上昇に伴う内部圧力の上昇に対してガス漏れ判定基準値Ｄｒｅｆ（基準範囲）を適切に設定することができ、ガス漏れの誤判定を抑制することができる。

実施形態では、システム起動前の初期動作として、予め複数のエアデューティＤａ（目標エア流量Ｆａ＊）でエアブロワ５３を制御しながら、各エアデューティＤａに対して所定の空燃比Ａ’でガスデューティＤｇを設定して原燃料ガスポンプ４５をフィードバック制御し、フィードバック制御において設定したガスデューティＤａと流量センサ４８により検出されるガス流量Ｆｇとに基づいてガス漏れ判定基準線ＤＬを設定・登録するものとした。しかし、複数のエアデューティＤａに対してそれぞれ予め実験などにより求めたガス漏れ判定基準線ＤＬを登録するものとしてもよい。また、ガス漏れ判定基準線ＤＬは、複数のエアデューティＤａに対してそれぞれ登録するものとしたが、エアデューティＤａに拘わらず１つだけ登録するものとしてもよい。

実施形態では、気化器温度Ｔｅｖと燃料電池内部温度Ｔｆｃとに基づいてガス漏れ判定基準値Ｄｒｅｆ（基準範囲）を補正するものとしたが、いずれか一方または両方でガス漏れ判定基準値Ｄｒｅｆの補正を省略してもよい。

実施形態では、気化器３２に温度センサ９１を設け、温度センサ９１により検出される気化器温度Ｔｅｖに基づいてガス漏れ判定基準値Ｄｒｅｆ（基準範囲）を補正するものとした。しかし、気化器３２に代えて改質器３３の内部に温度センサを設け、当該温度センサにより検出される改質器の温度に基づいてガス漏れ判定基準値Ｄｒｅｆを補正するものとしてもよい。

実施形態では、目標ガス流量Ｆｇ＊と流量センサ４８により検出されるガス流量Ｆｇとの偏差に基づいてガスデューティＤｇを設定して原燃料ガスポンプ４５を制御するフィードバック制御において、現在設定中のガスデューティＤｇが基準範囲にあるか否かに基づいてガス漏れの発生の有無を判定するものとした。しかし、例えば、目標ガス流量Ｆｇ＊と流量センサ４８により検出されるガス流量Ｆｇとの偏差に基づいて目標回転数を設定して原燃料ガスポンプ４５のポンプモータを制御する場合において、ガスデューティに代えて現在設定中の目標回転数が基準範囲にあるか否かに基づいてガス漏れの発生の有無を判定するなど、フィードバック制御における操作量に基づいてガス漏れの発生の有無を判定するものであればよい。

実施形態では、システム設置後、初めてシステム起動が要求された場合と燃料電池システム１０の運転時間が所定時間以上となった状態でシステム起動が要求された場合とに、ガス漏れ判定基準線ＤＬの設定・登録を実行するものとした。しかし、システム設置後、初回に限ってガス漏れ判定基準線ＤＬの設定・登録を実行するものとしてもよく、システム起動が要求される毎にガス漏れ判定基準線ＤＬの設定・登録を実行するものとしてもよい。

実施形態では、原燃料ガスポンプ４５のフィードバック制御において現在設定中のガスデューティＤｇが下限値（Ｄｒｅｆ−α）と上限値（Ｄｒｅｆ＋α）とにより定まる基準範囲内にないときに、ガス漏れが発生したと判定するものとした。しかし、２つの閾値（Ｄｒｅｆ−α），（Ｄｒｅｆ＋α）の一方を考慮せずに、ガス漏れの発生の有無を判定するものとしてもよい。即ち、現在設定中のガスデューティＤｇが閾値（Ｄｒｅｆ＋α）よりも大きいときにガス漏れが発生（流量センサ４８の上流側の配管でガス漏れが発生）したと判定してもよい。また、現在設定中のガスデューティＤｇが閾値（Ｄｒｅｆ−α）よりも小さいときにガス漏れが発生（流量センサ４８の下流側の配管でガス漏れが発生）したと判定してもよい。

実施形態では、ガス漏れ判定ルーチンのＳ１８０でガス漏れが発生したと仮判定すると、換気ファン２４の換気量を増量した上で、ガス漏れの有無を再判定し、再判定においてもガス漏れが発生したと判定すると、システムを停止させるものとした。しかし、再判定を何回実行してもよい。この場合、再判定ごとに基準範囲（所定値α，β）を変更するものとしてもよい。また、Ｓ１８０でガス漏れが発生したと判定したときに、再判定を行なうことなく、システムを停止させるものとしてもよい。

実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施形態では、燃料電池スタック３６が燃料電池に相当し、原燃料ガス供給装置４０が燃料系ガス供給装置に相当し、エア供給装置５０が酸化剤ガス供給装置に相当し、流量センサ４８が燃料系ガス流量センサに相当し、制御装置８０が制御装置に相当する。また、フラッシュメモリ８４が記憶装置に相当する。また、気化器３２が気化部に相当し、改質器３３が改質部に相当し、温度センサ９１が第１温度センサに相当する。また、温度センサ９２が第２温度センサに相当する。また、換気ファン２４が換気装置に相当する。

なお、実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施形態が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施形態は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、燃料電池システムの製造産業などに利用可能である。

１ガス供給源、２商用電源、３電力ライン、４負荷、１０燃料電池システム、２０発電ユニット、２２筐体、２２ａ吸気口、２２ｂ排気口、２４換気ファン、３０発電モジュール、３１モジュールケース、３２気化器、３３改質器、３４燃焼部、３５点火ヒータ、３６燃料電池スタック、３７燃焼触媒、４０原燃料ガス供給装置、４１原燃料ガス供給管、４２，４３原燃料ガス供給弁、４４オリフィス、４５原燃料ガスポンプ、４６脱硫器、４７圧力センサ、４８流量センサ、５０エア供給装置、５１エア供給管、５２フィルタ、５３エアブロワ、５４流量センサ、５５改質水供給装置、５６改質水供給管、５７改質水タンク、５８改質水ポンプ、６０排熱回収装置、６１循環配管、６２熱交換器、６３循環ポンプ、６６凝縮水供給管、６７排気ガス排出管、７１パワーコンディショナ、７２電源基板、８０制御装置、８１ＣＰＵ、８２ＲＯＭ、８３ＲＡＭ、８４フラッシュメモリ、８５タイマ、９０表示パネル、９１，９２温度センサ、１００給湯ユニット、１０１貯湯タンク。

Claims

燃料系ガスと酸化剤ガスとに基づいて発電可能な燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料系ガスを供給する燃料系ガス供給装置と、
前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料系ガス供給装置により供給される燃料系ガスの流量を検出する燃料系ガス流量センサと、
前記燃料系ガス供給装置と前記酸化剤ガス供給装置とを制御する制御装置と、
前記燃料電池の内部温度を検出する燃料電池温度センサと、
を備え、
前記制御装置は、前記燃料系ガス流量センサにより検出される流量がシステム要求に基づく目標流量となるよう操作量を設定して前記燃料系ガス供給装置を制御するフィードバック制御を行なうと共に、前記燃料系ガス供給装置の前記フィードバック制御において設定した操作量が基準範囲内にないときにガス漏れが発生したと判定するものであり、前記燃料電池温度センサにより検出される温度に基づいて前記基準範囲を補正する、
燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記酸化剤ガス供給装置の複数の操作量に対して、それぞれ異なる前記基準範囲に関する情報を対応付けて記憶する記憶装置を備え、
前記制御装置は、前記燃料系ガス流量センサにより検出される流量が前記目標流量となるよう操作量を設定して前記燃料系ガス供給装置を制御すると共に前記燃料系ガスと前記酸化剤ガスの流量比が所定比となるよう操作量を設定して前記酸化剤ガス供給装置を制御し、前記燃料系ガス供給装置の前記フィードバック制御において設定した操作量が前記酸化剤ガス供給装置の設定した操作量に対応する基準範囲内にないときにガス漏れが発生したと判定する、
燃料電池システム。
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記制御装置は、システム起動前に、前記酸化剤ガス供給装置の前記複数の操作量に対して、それぞれ、爆発下限界以上とならない範囲内で前記燃料系ガス供給装置の操作量を設定して前記燃料系ガス供給装置を制御し、前記燃料系ガス供給装置の設定した操作量と前記燃料系ガス流量センサにより検出される流量とに基づいて前記基準範囲を設定して前記記憶装置に記憶する基準範囲登録処理を実行する、
燃料電池システム。
請求項３に記載の燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前回に前記基準範囲登録処理を実行してからのシステムの運転時間が所定時間以上の状態でシステム起動が要求されたときに、前記基準範囲登録処理を実行する、
燃料電池システム。
請求項１ないし４いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
水蒸気を生成する気化部と、
前記気化部により生成された水蒸気を用いて前記燃料系ガスを改質して改質ガスを生成する改質部と、
前記気化部または前記改質部の内部温度を検出する改質部温度センサと、
を備え、
前記燃料電池は、前記改質ガスと前記酸化剤ガスとにより発電し、
前記制御装置は、前記改質部温度センサにより検出される温度に基づいて前記基準範囲を補正する、
燃料電池システム。
請求項１ないし５いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
システム内部を換気する換気装置を備え、
前記制御装置は、ガス漏れが発生したと判定した場合、前記システム内部の換気量が増量されるよう前記換気装置を制御して、前記ガス漏れの発生の有無を再判定する、
燃料電池システム。
請求項６記載の燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記システム内部の換気量を増量させたにも拘わらず、前記再判定においても、前記設定した操作量が基準範囲内にないときにシステムを停止させる、
燃料電池システム。