JP2005251665A - 可燃性ガスセンサ付き燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】可燃性ガスセンサの信頼性とそれに纏わる安全対策を向上された燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】ガス検出判断回路２１に、少なくとも２つの閾値（Ａ）および（Ｂ）を予め設定しておき、閾値（Ａ）は、問題と設定したガス濃度に対応するセンサ出力値であり、閾値（Ｂ）は、長期間の使用におけるガス濃度ゼロ対応の下限センサ出力値（α）であるとしている。そして、センサ出力が２つの閾値（Ａ）および（Ｂ）の領域内に有る時は問題なしと判断し、閾値（Ａ）もしくは閾値（Ｂ）の領域外に有る時は問題有りと判断して警報を発している。このことで、可燃性ガスセンサ２０が長期間の使用により、その大気中におけるセンサ出力が本来有り得ない側に大幅に変化していないか否かが診断でき、誤測定が起こらない様にできる。また、これにより、安全性の高い燃料電池システムが得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムで用いる可燃性ガスセンサとそれに纏わる安全対策に関するものである。

従来の可燃性ガスセンサ付き燃料電池装置として、漏洩する可燃性ガスを検知する気体検知手段をパッケージ内に配置したものが有り、その従来例の構成を図１０に示す。（例えば、特許文献１）。特許文献１には、水素系ガスを生成する燃料改質装置１と、生成した水素系ガスで発電する燃料電池２と、これらを駆動させる補機３と制御する電気制御装置４と、漏洩する可燃性ガスを検知する気体検知手段５が、パッケージ６の上部内壁に配置されている。一方、気体検知手段５の対向する側には、換気を行う換気装置７が設けられている。そして、燃料電池２から排出されるカソード排気８もしくは、燃料改質装置１から排出されておりその燃焼排気９のいずれかまたは両方またはその混合のガス出口部１０を、換気装置７の近傍や排気部に設けている。

一方、従来の可燃性ガスセンサ付き燃焼機器として、燃焼排ガス流路に、ハイドロカーボンや一酸化炭素を検出する一酸化炭素センサ（以下、ＣＯセンサと記す）を配置し、燃料ガスの生ガス漏れや不完全燃焼による一酸化炭素発生を検出している（例えば、特許文献２）。この従来の燃焼機器は、燃焼運転停止後にセンサのゼロ点補正を行うとともに、電源投入後にハイドロカーボンが検出されたか否を判断し、点火投入後による一酸化炭素が検出されたか否を判断している。そして、ハイドロカーボンや一酸化炭素の検出有無の判断は、一定の閾値を超えたか否かでなく、補正したゼロ点からの所定増加分を超えたか否かで行っている。
特開２００３−２２９１４８号公報 特開平９−１４６５５号公報

しかしながら、従来のガス漏洩検知センサ付き燃料電池装置は、気体検知手段５がガス漏洩を検知する概念は有るが、ガス漏洩検知センサが長期間の使用により、その大気中におけるセンサ出力が本来有り得ない側に大幅に変化する事を想定し、これを検知するための下限閾値に関する情報が開示されていない。そのため、センサの誤測定に充分に対応できない課題が有った。一方、ＣＯセンサを燃焼排ガス中に配置した燃焼機器は、センサ出力のゼロ点補正をＣＯ発生が全くない非燃焼時に行っているが、このゼロ点補正は、燃焼排ガス中に配置したＣＯセンサだからこそ可能である。燃料電池装置のガス漏洩検知センサでは、大気中の炭化水素ガス濃度が刻々と変化するため、ゼロ補正を行なうと逆に誤測定の原因となる課題が有った。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、センサ出力が、予め設定した少なくとも２つの閾値（Ａ）および（Ｂ）の領域内に有る時は問題なしと判断し、閾値（Ａ）もしくは閾値（Ｂ）の領域外に有る時は問題有りと判断して警報を発しており、閾値（Ａ）は、問題と設定したガス濃度に対応するセンサ出力値であり、閾値（Ｂ）は、長期間の使用におけるガス濃度ゼロ対応の下限センサ出力値（α）であるとした。このことで、可燃性ガスセンサが長期間の使用により、その大気中におけるセンサ出力が本来有り得ない側に大幅に変化していないか否かを診断して、誤測定が起こらない様にした。

前記従来の課題を解決するために、本発明の可燃性ガスセンサ付き燃料電池システムは、炭化水素系燃料ガスを供給する燃料供給手段と、水を供給する水供給手段と、酸素含有気体を供給する酸素含有気体供給手段と、前記燃料供給手段から供給される炭化水素系燃料ガスと前記水供給手段から供給させる水を用いて水素系ガスを生成する燃料改質部と、水素系ガスのアノード極への供給と酸素含有気体のカソード極への供給により発電する燃料電池と、前記燃料供給手段から供給される炭化水素系燃料ガスおよび前記燃料改質部で生成する水素系ガスを燃焼させる燃焼部と、炭化水素系燃料ガスおよび水素系ガスを検知する可燃性ガスセンサとそのガス検出判断回路からなる可燃性ガス検出判断センサユニットとを、少なくとも有している。そして、前記可燃性ガス検出判断センサユニットは、そのセンサ出力が、予め設定した少なくとも２つの閾値（Ａ）および（Ｂ）の領域内に有る時は問題なしと判断し、前記閾値（Ａ）もしくは閾値（Ｂ）の領域外に有る時は問題有りと判断して警報を発しており、前記閾値（Ａ）は、問題と設定したガス濃度に対応するセンサ出力値であり、前記閾値（Ｂ）は、長期間の使用におけるガス濃度ゼロ対応の下限センサ出力値（α）であることとした。

ガス検出判断回路に、少なくとも２つの閾値（Ａ）および（Ｂ） を予め設定しておき、閾値（Ａ）は、問題と設定したガス濃度に対応するセンサ出力値であり、閾値（Ｂ）は、長期間の使用におけるガス濃度ゼロ対応の下限センサ出力値（α）であるとしている。そして、センサ出力が２つの閾値（Ａ）および（Ｂ）の領域内に有る時は問題なしと判断し、閾値（Ａ）もしくは閾値（Ｂ）の領域外に有る時は問題有りと判断して警報を発している。このことで、可燃性ガスセンサが長期間の使用により、その大気中におけるセンサ出力が本来有り得ない側に大幅に変化していないか否かが診断でき、誤測定が起こらない様にできる。また、これにより、ガス安全性の高い燃料電池システムが得られる。

以上説明したように、本発明の可燃性ガスセンサ付き燃料電池システムは、ガス検出判断回路に、少なくとも２つの閾値（Ａ）および（Ｂ） を予め設定しておき、閾値（Ａ）は、問題と設定したガス濃度に対応するセンサ出力値であり、閾値（Ｂ）は、長期間の使用におけるガス濃度ゼロ対応の下限センサ出力値（α）であるとしている。そして、センサ出力が２つの閾値（Ａ）および（Ｂ）の領域内に有る時は問題なしと判断し、閾値（Ａ）もしくは閾値（Ｂ）の領域外に有る時は問題有りと判断して警報を発している。このことで、可燃性ガスセンサが長期間の使用により、その大気中におけるセンサ出力が本来有り得ない側に大幅に変化していないか否かが診断でき、誤測定が起こらない様にできる。また、これにより、ガス安全性の高い燃料電池システムが得られる。

第１の発明は、炭化水素系燃料ガスを供給する燃料供給手段と、水を供給する水供給手段と、酸素含有気体を供給する酸素含有気体供給手段と、前記燃料供給手段から供給される炭化水素系燃料ガスと前記水供給手段から供給させる水を用いて水素系ガスを生成する燃料改質部と、水素系ガスのアノード極への供給と酸素含有気体のカソード極への供給により発電する燃料電池と、前記燃料供給手段から供給される炭化水素系燃料ガスおよび前記燃料改質部で生成する水素系ガスを燃焼させる燃焼部と、炭化水素系燃料ガスおよび水素系ガスを検知する可燃性ガスセンサとそのガス検出判断回路からなる可燃性ガス検出判断センサユニットとを、少なくとも有している。そして、前記可燃性ガス検出判断センサユニットは、そのセンサ出力が、予め設定した少なくとも２つの閾値（Ａ）および（Ｂ）の領域内に有る時は問題なしと判断し、前記閾値（Ａ）もしくは閾値（Ｂ）の領域外に有る時は問題有りと判断して警報を発しており、前記閾値（Ａ）は、問題と設定したガス濃度に対応するセンサ出力値であり、前記閾値（Ｂ）は、長期間の使用におけるガス濃度ゼロ対応の下限センサ出力値（α）であることとした。ガス検出判断回路に、少なくとも２つの閾値（Ａ）および（Ｂ） を予め設定しておき、閾値（Ａ）は、問題と設定したガス濃度に対応するセンサ出力値であり、閾値（Ｂ）は、長期間の使用におけるガス濃度ゼロ対応の下限センサ出力値（α）であるとしている。そして、センサ出力が２つの閾値（Ａ）および（Ｂ）の領域内に有る時は問題なしと判断し、閾値（Ａ）もしくは閾値（Ｂ）の領域外に有る時は問題有りと判断して警報を発している。このことで、可燃性ガスセンサが長期間の使用により、その大気中におけるセンサ出力が本来有り得ない側に大幅に変化していないか否かが診断でき、誤測定が起こらない様にできる。また、これにより、ガス安全性の高い燃料電池システムが得られる。

第２の発明は、第１の発明の可燃性ガスセンサ付き燃料電池システムにおいて、可燃性ガスセンサが接蝕燃焼式ガスセンサであり、問題有りの初期ガス感度をＳ、初期ゼロ点出力をＥとすると、閾値（Ｂ）は、Ｂ＝Ｅ−（０．５０〜０．０８）×Ｓであるとしている。接蝕燃焼式ガスセンサを使用する際の閾値（Ｂ）を、問題有りの初期ガス感度Ｓと、初期ゼロ点出力Ｅとの関係で整理してその具体的値を明示しているため、大気中での自己診断の精度が向上し、一層ガス安全性の高い燃料電池システムが得られる。

第３の発明は、第１の発明の可燃性ガスセンサ付き燃料電池システムにおいて、可燃性ガスセンサが半導体式ガスセンサであり、問題有りの初期ガス感度をＳ，初期ゼロ点出力をＥとすると、閾値（Ｂ）は、Ｂ＝Ｅ−（０．２８〜０．０４）×Ｓであるとしている。半導体式ガスセンサを使用する際の閾値（Ｂ）を、問題有りの初期ガス感度Ｓと、初期ゼロ点出力Ｅとの関係で整理してその具体的値を明示しているため、大気中での自己診断の精度が向上し、一層ガス安全性の高い燃料電池システムが得られる。

第４の発明は、第１の発明の可燃性ガスセンサ付き燃料電池システムにおいて、可燃性ガス検出判断センサユニットがガス検出可能状態となっている運転開始操作時もしくは運転停止操作時に、燃料電池のアノード極もしくはカソード極に燃料供給手段から炭化水素系燃料ガスを少量流入して外に排出しその流路滞留ガスを置換パージする運転開始アノードパージ手段、運転開始カソードパージ手段、運転停止アノードパージ手段、運転停止カソードパージ手段の少なくとも１個を作動させるとしている。外に排出された微量の炭化水素系燃料ガスは、２５０℃以上といった動作温度まで加熱された可燃性ガスセンサと反応してその燃焼熱で、表面に付着した水分や油煙などを焼き切って除去してセンサの感度維持を助け、所謂ねむ現象と言う検出ミスを防止する作用が生じる。そのため、可燃性ガスセンサは、燃料電池システム運転中の万が一アクシデントで排出される炭化水素系燃料ガスを、検出ミスすることなくいつでも検知して、警報などでこのことを知らせることが出来る。またさらに、外に排出された炭化水素系燃料ガスは、可燃性ガス検出判断センサユニットでこれを検出して、センサ出力の変化が有るか否かでセンサの自己診断する利点が生じる。これに加えて、アノード極やカソード極を、炭化水素系燃料ガスを用いて流路滞留ガスを置換パージしているので、これら電極材料や通路に付着した水や空気などの不純物を効率よく除去し、各々の電極の活性を高める利点も生じる。

第５の発明は、第４の発明の可燃性ガスセンサ付き燃料電池システムにおいて、運転開始アノードパージ手段を用いて運転開始操作を行う初期段階において、燃焼部に炭化水素系燃料ガスを供給して燃焼させて燃料改質部を昇温させるともに、前記燃料改質部の内部と燃料電池のアノード極に炭化水素系燃料ガスを流通して前記燃焼部に排出して燃焼させて、その流路滞留ガスをパージする様にしている。パージした炭化水素系燃料ガスは、燃焼部で燃焼させているため、ガス安全性が向上した燃料電池システムが得られる。一方、可燃性ガスセンサは、燃焼排ガス中に配置されているため、燃焼不良で発生する燃焼排ガス中一酸化炭素の検出目的に使用されるが、運転初期の極短時間だけ燃焼排ガス中一酸化炭素を増加させて燃焼させれば、可燃性ガスセンサが正しく作動しているかのセンサの自己診断ができる利点が有る。

第６の発明は、第５の発明の可燃性ガスセンサ付き燃料電池システムにおいて、燃料改質部の炭化水素系燃料ガスによるパージが、前記燃料改質部の温度が所定温度に到達した後に行われる様にしている。燃焼部は、最初は直接に炭化水素系燃料ガスが供給されて燃焼し、この燃焼熱により燃料改質部の温度が所定温度に到達すると、燃料改質部やアノード極を経由したパージされた炭化水素系燃料ガスがさらに加わって供給されて燃焼する。このため、ガス安全性がさらに向上した燃料電池システムが得られる。一方、パージされた炭化水素系燃料ガスのさらなる供給により、燃焼部は、一時的に不完全燃焼を起こして一酸化炭素が発生してその後にその量は大きく低減して安定燃焼するが、可燃性ガスセンサはこのＣＯ発生時期におけるセンサ出力の大小でセンサの自己診断が一層確実にできる利点が有る。

第７の発明は、第６の発明の可燃性ガスセンサ付き燃料電池システムにおいて、燃料改質部のパージ完了後に、前記燃料改質部に水供給手段から水を供給し、燃料供給手段から継続して供給させる炭化水素系燃料ガスとで水素系ガスを生成する反応を行わせる様にしている。燃料改質部のパージ完了後に水素系ガスを生成する反応が起こる様にしているため、温度が高められた水素系ガスが燃焼部に供給されその燃焼安定性が向上する。また、炭化水素系燃料ガスから水素系ガスに切り替わっても、燃焼部は、不完全燃焼を起こす期間が最初の極僅かであり残り大部分は不完全燃焼を起こすことなく安定して燃焼し、ガス安全性がさらに向上した燃料電池システムが得られる。また、初期の短時間だけ燃焼排ガス中一酸化炭素が増加し、残り大部分は一酸化炭素が発生しない様に燃焼するため、可燃性ガスセンサはこのＣＯ発生時期におけるセンサ出力の大小でセンサの自己診断が一層確実にできる利点が有る。

第８の発明は、第７の発明の可燃性ガスセンサ付き燃料電池システムにおいて、燃料改質部と燃料電池の間に、水素系ガスに含有する一酸化炭素を酸化して低減する浄化触媒を少なくとも１個配置し、前記燃料改質部または浄化触媒の温度が各々の所定温度に到達してから、前記浄化触媒を通過した水素系ガスを燃料電池のアノード極に供給するとともに、その未使用水素系ガスを燃焼部に供給して燃焼させるとしている。浄化触媒を通過した水素系ガスを燃焼部に供給しているため、一酸化炭素が低減された水素系ガスが燃焼部に排出される。このため、燃焼部は一酸化炭素を生成することなく燃焼し、ガス安全性がさらに向上した燃料電池システムが得られる。また、この燃焼段階では一酸化炭素が発生しない様に安定燃焼できるため、可燃性ガスセンサは、この安定燃料段階とその前段初期の不安定燃焼段階におけるセンサ出力の大小でセンサの自己診断がさらに一層確実にできる。

第９の発明は、第４の発明の可燃性ガスセンサ付き燃料電池システムにおいて、運転開始カソードパージ手段を用いて運転開始操作を行う初期段階において、燃料改質部の温度が所定温度に到達した後に、カソード極に燃料供給手段から炭化水素系燃料ガスを少量流入して外に排出しその流路滞留ガスを置換パージする様にしている。

外に排出された炭化水素系燃料ガスは高温で有るので、加熱された可燃性ガスセンサと反応してその燃焼熱で、表面に付着した水分や油煙などを一層効果的に焼き切って除去してセンサの感度維持を一層助け、所謂ねむ現象と言う検出ミスを一層防止する作用が生じる。そのため、可燃性ガスセンサは、燃料電池システム運転中の万が一アクシデントで排出される炭化水素系燃料ガスを、検出ミスすることなくいつでも一層短時間に検知して警報などでこのことを知らせることが出来る。

第１０の発明は、第４の発明の可燃性ガスセンサ付き燃料電池システムにおいて、運転停止アノードパージ手段を用いて炭化水素系燃料ガスを少量流入する前に、燃料電池のアノード極の内部に水素系ガスを予め封入しておくとしている。封入する最に外に排出された水素系や炭化水素系の可燃性ガスは、加熱された可燃性ガスセンサと反応してその燃焼熱で、表面に付着した水分や油煙などを効果的に焼き切って除去してセンサの感度維持を一層助け、所謂ねむ現象と言う検出ミスを防止する作用が生じる。そのため、可燃性ガスセンサは、燃料電池システム運転中の万が一アクシデントで排出される可燃性ガスを、検出ミスすることなくいつでも一層短時間に検知して警報などでこのことを知らせることが出来る。また、アノード極に水素ガスを封入しその後に炭化水素系燃料ガスを用いて流路滞留ガスを置換パージしているので、電極材料や通路に付着した水や空気などの不純物を効率よく除去し、各々の電極の活性を一層高める利点も生じる。

第１１の発明は、第１０の発明の可燃性ガスセンサ付き燃料電池システムにおいて、燃料電池のアノード極の内部に水素系ガスを封入した後、燃料改質部に水供給手段から水だけを供給して水蒸気を発生させ、前記燃料改質部の温度が所定温度以下になるまで、発生水蒸気によりその流路滞留ガスをパージするとした。燃料改質部およびその流路に滞留してガスを水蒸気でパージしているので、これら流路に不必要に滞留する水素系や炭化水素系の可燃性ガスの量を低減でき、ガス安全性がさらに向上した燃料電池システムが得られる。

第１２の発明は、第１０の発明の可燃性ガスセンサ付き燃料電池システムにおいて、燃料改質部の温度が所定温度以下になったら、前記燃料改質部および燃料電池のアノード極に炭化水素系燃料ガスを封入して運転が停止する様にしている。燃料改質部および燃料電池のアノード極に炭化水素系燃料ガスを封入して運転が停止するので、これら流路に必要最低限量の炭化水素系燃料ガスを滞留でき、ガス安全性がさらに向上した燃料電池システムが得られる。また、炭化水素系燃料ガスの封入により、運転停止した後の長時間放置でも、燃料改質部および燃料電池のアノード極が空気酸化されることがなく、高い材料活性を長時間維持できる利点も有る。

第１３の発明は、第４の発明の可燃性ガスセンサ付き燃料電池システムにおいて、運転停止カソードパージ手段を用いて運転停止操作をする際に、燃料電池のカソード極の内部に炭化水素系燃料ガスを流入しその後に封入して運転が停止するとしている。封入する最に外に排出された少量の炭化水素系燃料ガスは、可燃性ガスセンサと反応してその反応表面に付着した空気中の各種有機化合物などを効果的に除去してその活性化を助ける働きが有る。この炭化水素系燃料ガスの外への排出を、運転停止する前に行っているため、所謂ねむと言う検出ミスが防止されて、可燃性ガスセンサは、万が一のアクシデントで燃料電池システムから排出される炭化水素系燃料ガスを一層短時間に検知して、警報などでこのことを瞬時に知らせることが出来る。また、炭化水素系燃料ガスの封入により、運転停止した後の長時間放置でも、燃料改質部および燃料電池のカソード極が空気酸化されることがなく、高い材料活性を長時間維持できる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の構成図であり、図１（ａ）はその構成図、図１（ｂ）はこれに用いる可燃性ガス検出判断センサユニットの特性図、図１（ｃ）はその制御フローチャートである。

まず、図１（ａ）の構成について説明する。可燃性ガスセンサ付き燃料電池システムは、炭化水素系燃料ガスを供給する燃料供給手段１１と、水を供給する水供給手段１２と、酸素含有気体を供給する酸素含有気体供給手段１３と、燃料供給手段１１から供給される炭化水素系燃料ガスと水供給手段１２から供給させる水を用いて水素系ガスを生成する燃料改質部１４と、水素リッチ系ガスのアノード極１５への供給と酸素含有気体のカソード極１６への供給により発電する燃料電池１７と、燃料供給手段１１から供給される炭化水素系燃料ガスおよび燃料改質部１４で生成する水素系ガスを燃焼させる燃焼部１８を、少なくとも有している。また、これらを収納するパッケージ（記載せず）の内部空間には、炭化水素系燃料ガスおよび水素系ガスを検知する可燃性ガスセンサ２０と、そのガス検出判断回路２１からなる可燃性ガス検出判断センサユニット２２が配置されている。

可燃性ガスセンサ２０について説明する。このセンサは、酸化錫または酸化亜鉛または酸化インジウムを主成分とした金属酸化物系の半導体式ガスセンサ、白金触媒などをアルミナ系の担体に担持させた感応体を付着させた白金線を組み合わせて用いる接触燃焼式ガスセンサ、酸化錫と白金線を組み合わせて用いる熱線半導体式ガスセンサ、白金電極を形成したジルコニアなどの固体電解質板を用いる固体電解質式ガスセンサである。これらガスセンサ２０は、内臓ヒータにより２５０℃以上に加熱されており、炭化水素系燃料ガスまたは水素系ガスや一酸化炭素を検知すると、センサ出力が変化する性質がある。可燃性ガスセンサ２０のガス濃度とセンサ出力の関係を、図１（ｂ）に示す。初期におけるガス濃度とセンサ出力の関係より、問題と設定したガス濃度に対応するセンサ出力値を閾値（Ａ）と設定した。一方、長期間使用におけるガス濃度とセンサ出力の関係より、ガス濃度ゼロ対応の下限センサ出力値（α）を閾値（Ｂ）と設定した。

可燃性ガス検出判断センサユニット２２が、これらの判断を行う制御フローチャートを図１（ｃ）に示す。運転開始スイッチが入ると、プログラムがスタートして燃料電池システムの電源がＯＮとなり、運転開始モードが実行される。可燃性ガスセンサ２０も同時に作動し、センサ出力が安定する時間（ｔ）が経過するまで、センサ出力の検出は控えられる。センサが安定する時間（ｔ）が経過すると、センサ出力と閾値（Ａ）の比較を行い、センサ出力が閾値（Ａ）より小さいと次は、センサ出力と閾値（Ｂ）の比較を行い、センサ出力が閾値（Ｂ）より大きいと、運転停止するまでこの様な、センサ出力と閾値（Ａ）および閾値（Ｂ）の比較が繰り返される。一方、センサ出力が閾値（Ａ）より大きい時または、センサ出力が閾値（Ｂ）より小さい時は、警報が発生し、システムの運転を停止する運転停止モードが実行される。また、運転停止スイッチの入力信号が有ると、システムの運転を停止する運転停止モードが実行され、やがて、運転停止が可能と判断されて停止する。

このことより、センサ出力が、閾値（Ａ）と閾値（Ｂ）の領域内に有れば問題なしと判断できることができる。一方、センサ出力が閾値（Ａ）より大きければ、炭化水素系燃料ガスまたは水素系ガスが多量に存在するため問題と判断できることができる。また、センサ出力が閾値（Ｂ）より小さければ、可燃性ガスセンサ２０が故障等の異常状態になっていると判断できることができる。

次に、他主要部品の構成と材料を具体的に説明する。燃料改質部１４は、アルミナ担体にルテニウムを担持した触媒をステンレス容器に充填した装置である。燃焼部１８により約６５０℃に加熱され、燃料供給手段１１からの炭化水素系燃料ガス（例えば、メタンが主成分ガス）と、水供給手段１２からの水の供給を受けると、化学反応が起こり８割の水素と２割の二酸化炭素を生成する。なお、燃料改質部１４の後流には、アルミナ担体に白金を担持した浄化触媒（記載せず）が少なくとも１個配置されており、含有する一酸化炭素を低減させた水素系ガスを、燃料電池１７に供給する様にしている。

燃料電池１７は、カーボンブラックに触媒の白金粒子を担持した構成のアノード極１５およびカソード極１６の間に、フッ化炭素の主鎖にスルホン基の側鎖を付着させた高分子系水素イン伝導性電解質膜１７ａを配置した電池の集合体である。燃料改質部１４からアノード極１５へ供給させる水素と、酸素含有気体供給手段１７からカソード極１６へ供給させる空気中の酸素により、電気化学反応が起こり発電する。

（実施の形態２）
実施の形態２は、接触燃焼式ガスセンサについて閾値（Ｂ）を検討したものである。接触燃焼式ガスセンサは、白金線などの金属製抵抗線をアルミナなどの多孔質担体で外包した一組の抵抗素子でブリッジ回路を組み、白金触媒などの貴金属触媒を担持させた多孔質担体の方を検知素子とし、貴金属触媒が担持させていない他方を比較素子とした構成である。両方の抵抗素子は、電圧印加によりその用途に応じて２００〜５００℃といった所定動作温度に加熱されており、炭化水素系燃料ガスや水素ガスさらに一酸化炭素ガスと反応して温度上昇する。この温度上昇は、ブリッジ回路にすることでセンサ出力として活用されており、これがガス濃度に比例する性質が有る。この方式の可燃性ガスセンサ２０のガス濃度とセンサ出力の関係を図２（ａ）に、初期ガス感度Ｓと長期間使用後ゼロ点変動Ｖとの関係を図２（ｂ）に示す。

接触燃焼式の可燃性ガスセンサ２０は、図２（ａ）の様に、ガス濃度とセンサ出力が直線関係に有り、長期間使用すると初期とは異なる関係式となる。そこで、問題ガス濃度と設定した初期ガス感度をＳ、初期ゼロ点出力をＥ、長期間使用後のゼロ点変動をＶとして、長期間使用後ゼロ点変動Ｖと初期ガス感度Ｓの比率（Ｖ／Ｓ）について、３３個のセンサ挙動を解析したところ、図２（ｂ）の関係が得られた。横軸は、長期間使用後ゼロ点変動Ｖと初期ガス感度Ｓの比率（Ｖ／Ｓ）であり、縦軸はその個数である。比率（Ｖ／Ｓ）が負側に有ることは、長期間使用後のゼロ点が負側にシフトして、問題ガス濃度が初期より少し高濃度側にシフトして遅検知になることを意味する。一方、比率（Ｖ／Ｓ）が正側に有ることは、長期間使用後のゼロ点が正側にシフトして、問題ガス濃度が初期より少し低濃度側にシフトして早検知になることを意味する。比率（Ｖ／Ｓ）のシフト幅は、接触燃焼式の可燃性ガスセンサ２０の材料や製法に大きく依存しており、この変動が小さいセンサほど優れたセンサである。この実験結果は、使用初期における水素０．３％センサ出力とゼロ点出力（大気中）センサ出力の差を初期ガス感度Ｓとして用い、材料や製法が異なる３３個の接触燃焼式ガスセンサを用いて算出している。対象ガスとして水素ガスを用いた理由は、燃料電池は水素ガスを用いて発電を行うので、最もガス検出が必要とされるガスであるからであり、その０．３％は爆発下限限界４％の領域内に有りしかもガス漏れ警報器などで実用的に多く用いられる濃度である。

さて、可燃性ガスセンサ２０を使用する上で、問題ガス濃度が初期より少し高濃度側にシフトして遅検知になることは、誤測定の原因となる。そのためには、これが起こっているか否かを診断して誤測定が起こらない様にする必要が有る。そこで、この自己診断を大気中で簡単に行うために、比率（Ｖ／Ｓ）が負側に０．５０〜０．０８倍変動する実験結果を採用し、閾値（Ｂ）はＥ−（０．５０〜０．０８）×Ｓとした。つまり、比率（Ｖ／Ｓ）が負側に０．５０〜０．０８倍変動する実験結果に、初期ガス感度Ｓを乗ずれが、長期間使用後ゼロ点変動Ｖが判明する訳である。そして、初期ゼロ点出力Ｅから、この長期間使用後ゼロ点変動Ｖを引けば、閾値（Ｂ）となる訳である。この閾値（Ｂ）は、長期間の使用におけるガス濃度ゼロ対応の下限センサ出力値（α）と同じである。従って、閾値（Ｂ）は、Ｅ−（０．５０〜０．０８）×Ｓの最適値を選定すれば良いこととなり、使用する可燃性ガスセンサ２０の初期ガス感度Ｓおよび初期ゼロ点出力Ｅの値と、０．５０〜０．０８の任意値を用いればその値を決めることが出来る。例えば、水素３０００ｐｐｍの初期ガス感度Ｓが２４ｍｖ、初期ゼロ点出力Ｅが３０ｍｖのセンサの場合、閾値（Ｂ）は１８．０〜２８．１ｍｖの任意値を選定すれば良いこととなる。特に、実験結果において大多数を占める比率（Ｖ／Ｓ）が−０．３を用いると、閾値（Ｂ）は２３ｍｖとなり、極めて稀に起こる比率（Ｖ／Ｓ）の負側０．５０倍のゼロ点変動Ｖが簡単に検出できる利点が有る。

この様に、接蝕燃焼式ガスセンサを使用する際の閾値（Ｂ）を、問題有りの初期ガス感度Ｓと、初期ゼロ点出力Ｅとの関係で整理してその具体的値を明示しているため、大気中での自己診断の精度が向上し、一層ガス安全性の高い燃料電池システムが得られる。

（実施の形態３）
実施の形態３は、半導体式ガスセンサについて閾値（Ｂ）を検討したものである。半導体式ガスセンサは、酸化錫を主成分とする感応膜の電気抵抗を白金などの貴金属の電極膜で検出するガスセンサであり、アルミナなどの基板の上にこれら膜を形成し、基板の裏面に配置した酸化ルテニウムなどのヒータ膜で４００〜４５０℃に加熱している。この方式の可燃性ガスセンサ２０のガス濃度とセンサ出力の関係を図３（ａ）に、初期ガス感度Ｓと長期間使用後ゼロ点変動Ｖとの関係を図３（ｂ）に示す。

半導体式ガスセンサの可燃性ガスセンサ２０は、図３（ａ）の様に、ガス濃度とセンサ出力が指数関係に有り、長期間使用すると初期とは異なる関係式となる。そこで、問題ガス濃度と設定した初期ガス感度をＳ、初期ゼロ点出力をＥ、長期間使用後のゼロ点変動をＶとして、長期間使用後ゼロ点変動Ｖと初期ガス感度Ｓの比率（Ｖ／Ｓ）について、３３個のセンサ挙動を解析したところ、図３（ｂ）の関係が得られた。横軸は、長期間使用後ゼロ点変動Ｖと初期ガス感度Ｓの比率（Ｖ／Ｓ）であり、縦軸はその個数である。比率（Ｖ／Ｓ）が負側に有ることは、長期間使用後のゼロ点が負側にシフトして、問題ガス濃度が初期より少し高濃度側にシフトして遅検知になることを意味する。一方、比率（Ｖ／Ｓ）が正側に有ることは、長期間使用後のゼロ点が正側にシフトして、問題ガス濃度が初期より少し低濃度側にシフトして早検知になることを意味する。比率（Ｖ／Ｓ）のシフト幅は、半導体式の可燃性ガスセンサ２０の材料や製法に大きく依存しており、この変動が小さいセンサほど優れたセンサであると言える。この実験結果は、使用初期における水素０．３％センサ出力とゼロ点出力（大気中）センサ出力の差を初期ガス感度Ｓとして用い、材料や製法が異なる３３個の接触燃焼式ガスセンサを用いて算出している。対象ガスとして水素ガスを用いた理由は、燃料電池は水素ガスを用いて発電を行うので、最もガス検出が必要とされるガスであるからであり、その０．３％は爆発下限限界４％の領域内に有りしかもガス漏れ警報器などで実用的に多く用いられる濃度である。

さて、可燃性ガスセンサ２０を使用する上で、問題ガス濃度が初期より少し高濃度側にシフトして遅検知になることは、誤測定の原因となる。そのためには、これが起こっているか否かを診断して誤測定が起こらない様にする必要が有る。そこで、この自己診断を大気中で簡単に行うために、比率（Ｖ／Ｓ）が負側に０．２８〜０．０４倍変動する実験結果を採用し、閾値（Ｂ）はＥ−（０．２８〜０．０４）×Ｓとした。つまり、比率（Ｖ／Ｓ）が負側に０．２８〜０．０４倍変動する実験結果に、初期ガス感度Ｓを乗ずれが、長期間使用後ゼロ点変動Ｖが判明する訳である。そして、初期ゼロ点出力Ｅから、この長期間使用後ゼロ点変動Ｖを引けば、閾値（Ｂ）となる訳である。この閾値（Ｂ）は、長期間の使用におけるガス濃度ゼロ対応の下限センサ出力値（α）と同じである。従って、閾値（Ｂ）は、Ｅ−（０．２８〜０．０４）×Ｓの最適値を選定すれば良いこととなり、使用する可燃性ガスセンサ２０の初期ガス感度Ｓおよび初期ゼロ点出力Ｅの値と、０．２８〜０．０４の任意値を用いればその値を決めることが出来る。例えば、水素３０００ｐｐｍの初期ガス感度Ｓが１．３８Ｖ、初期ゼロ点出力Ｅが０．４４Ｖのセンサの場合、閾値（Ｂ）は０．０５〜０．３８Ｖの任意値を選定すれば良いこととなる。特に、実験結果において大多数を占める比率（Ｖ／Ｓ）が−０．１６を用いると、閾値（Ｂ）は０．２２Ｖとなり、極めて稀に起こる比率（Ｖ／Ｓ）の負側０．２８倍変動が簡単に検出できる利点が有る。

半導体式ガスセンサを使用する際の閾値（Ｂ）を、問題有りの初期ガス感度Ｓと、初期ゼロ点出力Ｅとの関係で整理してその具体的値を明示しているため、大気中での自己診断の精度が向上し、一層ガス安全性の高い燃料電池システムが得られる。

（実施の形態４）
実施の形態４は、可燃性ガス検出判断センサユニットがガス検出可能状態となっている運転開始操作時もしくは運転停止操作時に、燃料電池１７のアノード極１５もしくはカソード極１６に、炭化水素系燃料ガスを少量流入して外に排出してその流路滞留ガスを置換パージしている。

まずは、アノード極１５の置換パージ手段について図４で説明する。この置換パージ手段は、運転開始アノードパージ手段２３もしくは運転停止アノードパージ手段２４である。図４（ａ）は本発明の実施の形態４の構成図であり、図４（ｂ）は運転開始アノードパージ手段２３の制御フローチャート、図４（ｃ）は運転停止アノードパージ手段２４の制御フローチャートである。このアノード極１５の置換パージ構成は、可燃性ガスセンサ２０を、排出した炭化水素系燃料ガスを燃焼させる燃焼部１８からの燃焼排ガス流路に配置して、炭化水素系燃料ガスや一酸化炭素ガスを検知する様にした構成である。

運転開始時にアノード極をパージする運転開始アノードパージ手段２３について説明する。この手段は、燃料改質部１４の前流に配置した燃料流路切替弁Iである２５と、アノード極１５と燃料改質部１４の間に配置した水素流路切替弁２６と、アノード極１５と燃焼部１８の間に配置した燃焼流路切替弁２７で構成される。図４（ｂ）のステップ２０〜２７がこの制御フローチャートである。1)以前および5)以後は図１（ｃ）に記載した制御フローチャートと同じである。燃料電池システムの運転開始スイッチが入り、可燃性ガス検出判断センサユニット２２のセンサ出力が閾値（Ａ）および閾値（Ｂ）を超えたか否かの１回目の診断が終了した段階、つまり1)からプログラムがスタートする。まず、燃料流路切替弁I２５が開き、次に水素流路切替弁２６が開いて、炭化水素系燃料ガスが燃料改質部１４を経由してアノード極１５に流入する。その後、燃焼流路切替弁２７が開いて、炭化水素系燃料ガスを外に排出する。なお、この炭化水素系燃料ガスの外への排出は極少量であり、排出ガスは燃焼部１８で燃焼される。このことで、アノード極１５に滞留したその流路滞留ガスが置換パージされ、次に起こる燃焼流路切替弁２７の流路切替および水素流路切替弁２６の流路切替で、炭化水素系燃料ガスがアノード極１５に封入される。その後、図１（ｃ）記載の5)に戻る。

運転停止時にアノード極をパージする運転停止アノードパージ手段２４について説明する。この手段も、燃料改質部１４の前流に配置した燃料流路切替弁Iである２５と、アノード極１５と燃料改質部１４の間に配置した水素流路切替弁２６と、アノード極１５と燃焼部１８の間に配置した燃焼流路切替弁２７で構成される。図４（ｃ）がこの制御フローチャートである。10)以前および15)以後は図１（ｃ）に記載した制御フローチャートと同じである。燃料電池システムの運転停止スイッチが入った直後段階の10)からプログラムがスタートする。まず、燃料流路切替弁Iである２５が開き、次に水素流路切替弁２６が開いて、炭化水素系燃料ガスが燃料改質部１４を経由してアノード極１５に流入する。その後、燃焼流路切替弁２７が開いて、炭化水素系燃料ガスを外に排出する。なお、この、炭化水素系燃料ガスの外への排出は極少量であり、排出されたガスは燃焼部１８で燃焼する。このことで、アノード極１５に滞留したその流路滞留ガスが置換パージされ、次に起こる燃焼流路切替弁２７の流路切替および水素流路切替弁２６の流路切替で、炭化水素系燃料ガスがアノード極１５に封入される。その後、図１（ｃ）記載の15)に戻る。なお、アノード極１５をパージする際の可燃性ガスセンサ２０は、排出された炭化水素系燃料ガスを燃焼させることなくそのままのガス状態で検知する構成も可能である。この場合は燃焼流路切替弁２７にバイパス流路を設け、ここから排出される炭化水素系燃料ガスをそのまま吹きかける構成としている。

次ぎに、カソード極１６の置換パージ手段について図５で説明する。この置換パージ手段は、運転開始カソードパージ手段２８もしくは運転停止カソードパージ手段２９である。図５（ａ）は本発明の実施の形態４の構成図であり、図５（ｂ）は運転開始カソード手段２８の制御フローチャート、図５（ｃ）は運転停止カソードパージ手段２９の制御フローチャートである。このカソード極１６の置換パージ構成は、可燃性ガスセンサ２０を、排出された炭化水素系燃料ガスを燃焼させることなくそのままのガス状態で検知する様にしている。

運転開始時にカソード極をパージする運転開始カソードパージ手段２８について説明する。この手段は、燃料供給手段１１の後流に配置した燃料流路切替弁IIである３０と、カソード極１６と酸素含有気体供給手段１３の間に配置した空気流路切替弁３１と、カソード極１６の後流に配置した空気排出弁３２で構成される。図５（ｂ）が、この制御フローチャートである。1)以前および5)以後は図１（ｃ）に記載した制御フローチャートと同じである。燃料電池システムの運転開始スイッチが入り、可燃性ガス検出判断センサユニット２２のセンサ出力が閾値（Ａ）および閾値（Ｂ）を超えたか否かの１回目の診断が終了した段階、つまり1)からプログラムがスタートする。まず、燃料流路切替弁II３０が開き、次に空気流路切替弁３１が開いて、炭化水素系燃料ガスがカソード極１６に流入する。その後、空気排出弁３２が開いて、炭化水素系燃料ガスを外に排出する。このことで、カソード極１６に滞留したその流路滞留ガスが置換パージされる。その後、図１（ｃ）記載の5)に戻る。

運転停止時にカソード極をパージする運転停止カソードパージ手段２９について説明する。この手段は、燃料供給手段１１の後流に配置した燃料流路切替弁II３０と、カソード極１６と酸素含有気体供給手段１３の間に配置した空気流路切替弁３１と、カソード極１６の後流に配置した空気排出弁３２で構成される。図５（ｃ）がこの制御フローチャートである。10)以前および15)以後は図１（ｃ）に記載した制御フローチャートと同じである。燃料電池システムの運転停止スイッチが入った直後段階の10)からプログラムがスタートする。まず、燃料流路切替弁IIである３０が開き、次に空気流路切替弁３１が開いて、炭化水素系燃料ガスがカソード極１６に流入する。その後、空気排出弁３２が開いて、炭化水素系燃料ガスを外に排出する。このことで、カソード極１６に滞留したその流路滞留ガスが置換パージされる。その後、空気排出弁３２を閉じ、さらに空気流路切替弁３１の切替で、炭化水素系燃料ガスがカソード極１６に封入され、図１（ｃ）記載の15)に戻る。

この形態であるアノード極１５の置換パージにおいて、可燃性ガスセンサ２０を燃焼部１８の燃焼排ガス流路に配置する構成は、一時的に炭化水素系燃料ガスが増加して一酸化炭素ガスを多く含む燃焼排ガスが短時間だけ得られるが、このことで増加した一酸化炭素ガスを検出できるか自己診断ができる利点が有る。一方、これ以外の他実施形態は、外に排出された炭化水素系燃料ガスが、可燃性ガスセンサ２０と反応してその反応表面に付着した空気中の各種有機化合物などを除去して、その活性化を助ける働きが有る。このため、可燃性ガスセンサ２０は、所謂ねむ現象を起こすことなく、万が一のアクシデントで燃料電池システムから炭化水素系燃料ガスが多量排出した場合でも、即座にこれを検知して警報などで知らせることが出来る。さらに、外に排出された炭化水素系燃料ガスは、可燃性ガス検出判断センサユニット２２で検出して、センサ出力の変化が有るか否かを自己診断することも可能である。この場合、センサ出力の変化が有ると、正常と判断されて、燃料電池システムの運転動作がさらに継続され、一方、センサ出力の変化が無いと、異常と判断されて、警報を発生し、燃料電池システムの運転を停止することも出来る。また、アノード極１５やカソード極１６を、炭化水素系燃料ガスを用いて流路滞留ガスを置換パージしているので、これら材料や通路に付着した水や空気などの不純物を効率よく除去し、各々の電極の活性を高める利点も有る。

（実施の形態５）
実施の形態５は、運転開始操作時にアノード極１５を置換パージする実施形態４において、燃焼部１８に炭化水素系燃料ガスを供給して燃焼させて燃料改質部１４を昇温させるともに、燃料改質部１４の内部と燃料電池１７のアノード極１５に炭化水素系燃料ガスを流通して燃焼部１８に排出して燃焼させて、その流路滞留ガスをパージする様にしている。

この置換パージ手段について図６で説明する。図６（ａ）は本発明の第５の実施の形態の構成図であり、図６（ｂ）の左記載分がその制御フローチャートである。燃料電池システムの運転開始スイッチが入り、可燃性ガス検出判断センサユニット２２のセンサ出力が閾値（Ａ）および閾値（Ｂ）を超えたか否かの１回目の診断が終了した段階、つまり1)からプログラムがスタートする。まず、燃料流路切替弁I２５の流路Iが開き、炭化水素系燃料ガスを燃焼部１８に供給して燃焼させる。そして、その燃焼熱により燃料改質部１４を昇温させる。暫くしてから、燃料流路切替弁I２５は、流路Iだけでなく流路IIも開き、燃料改質部１４に炭化水素系燃料ガスを供給しさらに、水素流路切替弁２６の流路IIIも開いて、炭化水素系燃料ガスをアノード極１５にも流入する。そして、燃焼流路切替弁２７の流路IIIを開くことで、燃料改質部１４の流路滞留ガスのパージ、アノード極１５の流路滞留ガスのパージが行われ、これら流路滞留ガスは、燃焼部１８で燃焼される。その後の制御フローチャートは省略するが最終的には、図１（ｃ）記載の5)に戻る。この様に、パージされる炭化水素系燃料ガスを燃焼部１８で燃焼させているため、ガス安全性がさらに向上した燃料電池システムが得られる。一方、可燃性ガスセンサ２０は、燃焼排ガス中に配置されているため、燃焼不良で発生する燃焼排ガス中一酸化炭素の検出目的に使用されるが、運転初期の極短時間だけ燃焼排ガス中一酸化炭素を増加させて燃焼させれば、可燃性ガスセンサが正しく作動しているかのセンサの自己診断ができる利点が有る。

（実施の形態６）
実施の形態６は、運転開始操作時に燃料改質部１４およびアノード極１５を置換パージする実施形態５において、燃料改質部１４の炭化水素系燃料ガスによるパージが、燃料改質部１４の温度が所定温度に到達した後に行われる様にしている。

図６（ｂ）の2)から始まる左下記載分がその制御フローチャートであり、燃焼部１８の燃焼熱により燃料改質部１４を昇温させてからプログラムが始まる。2)において燃料改質部１４の温度が所定温度Iに到達した後に、燃料流路切替弁I２５は、流路Iだけでなく流路IIも開き、燃料改質部１４に炭化水素系燃料ガスを供給しさらに、水素流路切替弁２６の流路IIIも開いて、炭化水素系燃料ガスをアノード極１５にも流入する。そして、燃焼流路切替弁２７の流路IIIも開くことで、燃料改質部１４の流路滞留ガスのパージ、アノード極１５の流路滞留ガスのパージが行われ、これら流路滞留ガスは、燃焼部１８で燃焼される。

燃料改質部１４の温度が所定温度に到達した時に、その内部をパージしているため、温度が高められた炭化水素系燃料ガスが燃焼部１８に排出されその燃焼性が向上する。そのため、突発的に炭化水素系燃料ガスが多量排出されても、燃焼部１８は不完全燃焼を起こすことなく燃焼し、ガス安全性がさらに向上した燃料電池システムが得られる。一方、パージされた炭化水素系燃料ガスのさらなる供給により、燃焼部は、一時的に不完全燃焼を起こして一酸化炭素が発生してその後にその量は大きく低減して安定燃焼するが、可燃性ガスセンサはこのＣＯ発生時期におけるセンサ出力の大小でセンサの自己診断が一層確実にできる利点が有る。

（実施の形態７）
実施の形態７は、運転開始操作時に燃料改質部１４およびアノード極１５を置換パージする実施の形態６において、燃料改質部１４のパージ完了後に、燃料改質部１４に水供給手段１２から水を供給し、燃料供給手段１１から継続して供給させる炭化水素系燃料ガスとで水素系ガスを生成する反応を行わせる様にしている。

図６（ｂ）の右記載分がその制御フローチャートであり、燃料改質部１４およびアノード極１５の流路滞留ガスのパージが行われ、これら流路滞留ガスが燃焼部１８で燃焼される部分からプログラムが始まる。燃料改質部１４のパージが完了すると、炭化水素系燃料ガスはその流量を減少させられる。そして、水素流路切替弁２６が流路IVを開き、燃焼流路切替弁２７が流路IVを開いて、燃料改質部１４および流路IVを経由した炭化水素系燃料ガスを燃焼部１８で燃焼させる。燃料改質部１４の温度が所定温度IIに到達すると、燃料改質部１４に水供給手段１２から水が供給され、燃料供給手段１１から継続して供給させる炭化水素系燃料ガスとで水素系ガスを生成する反応を行われる。そして、生成した水素ガスは、流路IVを経由して燃焼部１８で燃焼させられる。

この様に、燃料改質部１４のパージ完了後に水素系ガスを生成する反応が起こる様にしているため、温度が高められた水素系ガスが燃焼部１８に排出されその燃焼性が向上する。また、炭化水素系燃料ガスから水素系ガスに切り替わっても、燃焼部は、不完全燃焼を起こす期間が最初の極僅かであり残り大部分は不完全燃焼を起こすことなく安定して燃焼し、ガス安全性がさらに向上した燃料電池システムが得られる。これに加えて、初期の短時間だけ燃焼排ガス中一酸化炭素が増加し、残り大部分は一酸化炭素が発生しない様に燃焼するため、可燃性ガスセンサはこのＣＯ発生時期におけるセンサ出力の大小でセンサの自己診断が一層確実にできる利点が有る。

（実施の形態８）
実施の形態８は、運転開始操作時に燃料改質部１４およびアノード極１５を置換パージする実施形態７において、燃料改質部１４とアノード極１５の間に、水素系ガスに含有する一酸化炭素を酸化して低減する浄化触媒３３を少なくとも１個配置し、燃料改質部１４および浄化触媒３３の温度が各々の所定温度に到達してから、浄化触媒を通過した水素系ガスをアノード極１５に供給するとともに、その未使用水素系ガスを燃焼部１８に供給して燃焼させる様にした。図７（ａ）はその構成図、図７（ｂ）はその制御フローチャートである。図７（ｂ）の3)は、図６（ｂ）の3)から続く制御フローチャートであり、生成した水素ガスが、流路IVを経由して燃焼部１８で燃焼する部分3)からプログラムが始まる。燃料改質部１４が所定温度IIに到達し、浄化触媒３３が所定温度IIIに到達すると、水素流路切替弁２６が流路IIIを開いて、アノード極１５に水素系ガスを流入し、さらに、燃焼流路切替弁２７が流路IIIを開いて、流路IIIを経由して未使用水素系ガスを燃焼部１８で燃焼させる。こうして、燃料電池１７は発電が始まる。

この様に、浄化触媒３３を通過した水素系ガスを燃焼部１８に供給しているため、一酸化炭素が低減された水素系ガスが燃焼部１８に排出される。このため、燃焼部１８は一酸化炭素を生成することなく燃焼し、ガス安全性がさらに向上した燃料電池システムが得られる。また、この燃焼段階では一酸化炭素が発生しない様に安定燃焼できるため、可燃性ガスセンサは、この安定燃料段階とその前段初期の不安定燃焼段階におけるセンサ出力の大小でセンサの自己診断がさらに一層確実にできる。

（実施の形態９）
実施の形態９は、運転開始操作時にカソード極１６を置換パージする実施形態４において、燃料改質部１４の温度が所定温度に到達した後に、カソード極１６に燃料供給手段１１から炭化水素系燃料ガスを少量流入して外に排出しその流路滞留ガスを置換パージするものである。図８（ａ）はその構成図、図８（ｂ）はその制御フローチャートである。燃料改質部１４が所定温度Iに到達すると、燃料流路切替弁II３０が開き、空気流路切替弁３１が流路Vを開いて、炭化水素系燃料ガスがカソード極１６に流入する。そして、空気排出弁３２が開いて、炭化水素系燃料ガスを外に排出する。このことで、カソード極１６に滞留したその流路滞留ガスが置換パージされる。その後、空気流路切替弁３１が流路VIを開いて、酸素含有気体供給手段１７が作動して、燃料電池１７が発電を開始し、図１（ｃ）記載の5)に戻る。

以上の様に、外に排出された炭化水素系燃料ガスは高温で有るので、加熱された可燃性ガスセンサ２０と反応してその燃焼熱で、表面に付着した水分や油煙などを一層効果的に焼き切って除去してセンサの感度維持を一層助け、所謂ねむ現象と言う検出ミスを一層防止する作用が生じる。そのため、可燃性ガスセンサ２０は、燃料電池システム運転中の万が一アクシデントで排出される炭化水素系燃料ガスを、検出ミスすることなくいつでも一層短時間に検知して警報などでこのことを知らせることが出来る。

（実施の形態１０）
実施の形態１０は、運転停止アノードパージ手段を用いて炭化水素系燃料ガスを少量流入する実施形態４の前段階において、運転停止操作初期に燃料電池１７のアノード極１５の内部に水素系ガスを封入するものである。
図９（ａ）は本発明の第１０の実施の形態の構成図であり、図９（ｂ）の左上部記載分がその制御フローチャートである。図１（ｃ）における運転停止信号有りの10)からプログラムが始まる。そして、燃料流路切替弁Iの２５が全流路を閉塞し、水素流路切替弁２６が流路IVに切り替わり、燃焼流路切替弁２７が流路IVに切り替わることで、アノード極１５に水素が封入される。その後の制御フローチャートは省略するが最終的に、図１（ｃ）記載の15)に戻る流れとなる。

この様に、封入する最に外に排出された少量の水素系ガスは、可燃性ガスセンサ２０と反応してその反応表面に付着した空気中の各種有機化合物などを一層効果的に除去してその活性化を助ける働きが有る。そのため、可燃性ガスが存在するにもかかわらず検出ミスをおかすと言う所謂ねむ現象がさらに防止されて、可燃性ガスセンサ２０は、万が一のアクシデントで燃料電池システムから排出される炭化水素系燃料ガスを一層短時間に検知して、警報などでこのことを瞬時に知らせることが出来る。また、アノード極１５に水素ガスを封入しその後に炭化水素系燃料ガスを用いて流路滞留ガスを置換パージしているので、電極材料や通路に付着した水や空気などの不純物を効率よく除去し、各々の電極の活性を一層高める利点も生じる。

（実施の形態１１）
実施の形態１１は、運転停止操作初期に燃料電池１７のアノード極１５の内部に水素系ガスを封入する実施の形態１０の後工程であり、燃料改質部１４に水供給手段１２から水だけを供給して水蒸気を発生させ、燃料改質部１４の温度が所定温度以下になるまで、発生水蒸気によりその流路滞留ガスをパージするものである。

図９（ａ）は本発明の第１１の実施の形態の構成図であり、図９（ｂ）の左下部から右上部記載分がその制御フローチャートである。そして、燃料改質部１４に水供給手段１２から水だけを供給して、燃料改質部１４の滞留ガスを水蒸気で排出し、経路IV経由で水蒸気を燃焼部に排出する。その後、燃料改質部１４を燃焼ファンで空冷冷却して、燃料改質部１４の温度が所定温度IV以下にする。燃料改質部１４の温度が所定温度IV以下になると、燃料流路切替弁I２５は流路IIを開き、燃料改質部１４に炭化水素系燃料ガスを供給しさらに、水素流路切替弁２６の流路IIIも開いて、炭化水素系燃料ガスをアノード極１５にも流入する。そして、燃焼流路切替弁２７の流路IIIも開くことで、燃料改質部１４の流路滞留ガスのパージ、アノード極１５の流路滞留ガスのパージが行われ、これら流路滞留ガスが外に排出される。その後の制御フローチャートは省略するが最終的に、図１（ｃ）記載の15)に戻る流れとなる。この様に、燃料改質部１８およびその流路に滞留してガスを水蒸気でパージしているので、これら流路に不必要に滞留する水素や炭化水素系燃料ガスの量を低減でき、ガス安全性がさらに向上した燃料電池システムが得られる。

（実施の形態１２）
実施の形態１２は、燃料改質部の温度が所定温度以下になる実施の形態１１の後工程であり、燃料改質部１４および燃料電池１７のアノード極１５に炭化水素系燃料ガスを封入するものである。

図９（ａ）は本発明の実施の形態１２の構成図であり、図９（ｂ）の右下記載分がその制御フローチャートである。燃料流路切替弁Iの２５は流路を全部閉塞し、水素流路切替弁２６も流路を全部閉塞し、燃焼流路切替弁２７も流路を全部閉塞し、アノード極１５に炭化水素系燃料ガスを封入して、図１（ｃ）記載の15)に戻って運転が完全に停止する。
この様に、燃料改質部１４および燃料電池１７のアノード極１５に炭化水素系燃料ガスを封入して運転が停止するので、これら流路に必要最低限量の炭化水素系燃料ガスを滞留でき、ガス安全性がさらに向上した燃料電池システムが得られる。また、炭化水素系燃料ガスの封入により、運転停止した後の長時間放置でも、燃料改質部１４および燃料電池１７のアノード極１５が空気酸化されることがなく、高い材料活性を長時間維持できる。

（実施の形態１３）
実施の形態１３は、運転停止カソードパージ手段を用いて運転停止操作を行う際に、運転停止操作初期に燃料電池のカソード極の内部に炭化水素系燃料ガスを封入するものである。詳細は、図５（ｃ）に記載した通りであり、燃料電池システムの運転停止スイッチが入った直後段階10)からプログラムがスタートする。運転停止スイッチが入力されると、燃料流路切替弁IIである３０が開き、次に空気流路切替弁３１が開いて、炭化水素系燃料ガスがカソード極１６に流入する。その後、空気排出弁３２が開いて、炭化水素系燃料ガスを外に排出する。このことで、カソード極１６に滞留したその流路滞留ガスが置換パージされる。その後、空気排出弁３２を閉じ、さらに空気流路切替弁３１の切替で、炭化水素系燃料ガスがカソード極１６に封入され、図１（ｃ）記載の15)に戻る。

封入する最に外に排出された少量の炭化水素系燃料ガスは、可燃性ガスセンサ２０と反応してその反応表面に付着した空気中の各種有機化合物などを効果的に除去してその活性化を助ける働きが有る。この炭化水素系燃料ガスの外への排出を、運転停止する前に行っているため、所謂ねむと言う検出ミスが防止されて、可燃性ガスセンサは、万が一のアクシデントで燃料電池システムから排出される炭化水素系燃料ガスを一層短時間に検知して、警報などでこのことを瞬時に知らせることが出来る。また、炭化水素系燃料ガスの封入により、運転停止した後の長時間放置でも、燃料改質部および燃料電池のカソード極が空気酸化されることがなく、高い材料活性を長時間維持できる。

本発明の可燃性ガスセンサ付き燃料電池システムは、定置式や移動式の燃料電池システムに用いるガス安全対策として有用である。

（ａ）本発明の実施の形態１における可燃性ガスセンサ付き燃料電池システムの構成図（ｂ）同システムの可燃性ガス検出判断センサユニットの特性図（ｃ）同システムの制御フローチャート （ａ）本発明の実施の形態２における接触燃焼式ガスセンサの効果特性のガス濃度とセンサ出力の関係図（ｂ）同センサの初期ガス感度Ｓと長期間使用後ゼロ点変動Ｖとの関係図 （ａ）本発明の実施の形態３における半導体式ガスセンサの効果特性のガス濃度とセンサ出力の関係図（ｂ）同センサの初期ガス感度Ｓと長期間使用後ゼロ点変動Ｖとの関係図 （ａ）本発明の実施の形態４における可燃性ガスセンサ付き燃料電池システムのアノード極の置換パージ手段の構成図（ｂ）同システムの運転開始アノードパージ手段の制御フローチャート（ｃ）同システムの運転停止アノードパージ手段の制御フローチャート （ａ）本発明の実施の形態４、１３における可燃性ガスセンサ付き燃料電池システムのカソード極の置換パージ手段の構成図（ｂ）同システムの運転開始カソードパージ手段の制御フローチャート（ｃ）同システムの運転停止カソードパージ手段の制御フローチャート （ａ）本発明の実施の形態５〜７における可燃性ガスセンサ付き燃料電池システムの運転開始アノードパージ手段の構成図（ｂ）同システムの運転開始アノードパージ手段の制御フローチャート （ａ）本発明の実施の形態８における可燃性ガスセンサ付き燃料電池システムの運転開始アノードパージ手段の構成図（ｂ）同システムの運転開始アノードパージ手段の制御フローチャート （ａ）本発明の実施の形態９における可燃性ガスセンサ付き燃料電池システム運転の開始カソードパージ手段の構成図（ｂ）同システムの運転開始カソードパージ手段の制御フローチャート （ａ）本発明の実施の形態１０〜１２における可燃性ガスセンサ付き燃料電池システムの運転停止カソードパージ手段の構成図（ｂ）同システムの運転停止カソードパージ手段の制御フローチャート 従来の安全対策付き燃料電池装置の構成図

符号の説明

１１ 燃料供給手段
１２ 水供給手段
１３ 酸素含有気体供給手段
１４ 燃料改質部
１５ アノード極
１６ カソード極
１７ 燃料電池
１８ 燃焼部
１９ パッケージ
２０ 可燃性ガスセンサ
２１ ガス検出判断回路
２２ 可燃性ガス検出判断センサユニット
２３ 運転開始アノードパージ手段
２４ 運転停止アノードパージ手段
２５ 燃料流路切替弁I
２６ 水素流路切替弁
２７ 燃焼流路切替弁
２８ 運転開始カソードパージ手段
２９ 運転停止カソードパージ手段
３０ 燃料流路切替弁II
３１ 空気流路切替弁
３２ 空気排出弁
３３ 浄化触媒

Claims (13)

1. 炭化水素系燃料ガスを供給する燃料供給手段と、水を供給する水供給手段と、酸素含有気体を供給する酸素含有気体供給手段と、前記燃料供給手段から供給される炭化水素系燃料ガスと前記水供給手段から供給させる水を用いて水素系ガスを生成する燃料改質部と、水素系ガスのアノード極への供給と酸素含有気体のカソード極への供給により発電する燃料電池と、前記燃料供給手段から供給される炭化水素系燃料ガスおよび前記燃料改質部で生成する水素系ガスを燃焼させる燃焼部と、炭化水素系燃料ガスおよび水素系ガスを検知する可燃性ガスセンサとそのガス検出判断回路からなる可燃性ガス検出判断センサユニットとを、少なくとも有しており、前記可燃性ガス検出判断センサユニットは、そのセンサ出力が、予め設定した少なくとも２つの閾値（Ａ）および（Ｂ）の領域内に有る時は問題なしと判断し、前記閾値（Ａ）もしくは閾値（Ｂ）の領域外に有る時は問題有りと判断して警報を発し、前記閾値（Ａ）は、問題と設定したガス濃度に対応するセンサ出力値であり、前記閾値（Ｂ）は、長期間の使用におけるガス濃度ゼロ対応の下限センサ出力値（α）であるとした可燃性ガスセンサ付き燃料電池システム。
2. 可燃性ガスセンサが接蝕燃焼式ガスセンサであり、問題有りの初期ガス感度をＳ、初期ゼロ点出力をＥとすると、閾値（Ｂ）は、Ｂ＝Ｅ−（０．５０〜０．０８）×Ｓである請求項１記載の可燃性ガスセンサ付き燃料電池システム。
3. 可燃性ガスセンサが半導体式ガスセンサであり、問題有りの初期ガス感度をＳ，初期ゼロ点出力をＥとすると、閾値（Ｂ）は、Ｂ＝Ｅ−（０．２８〜０．０４）×Ｓである請求項１記載の可燃性ガスセンサ付き燃料電池システム。
4. 可燃性ガス検出判断センサユニットがガス検出可能状態となっている運転開始操作時もしくは運転停止操作時に、燃料電池のアノード極もしくはカソード極に燃料供給手段から炭化水素系燃料ガスを少量流入して外に排出しその流路滞留ガスを置換パージする運転開始アノードパージ手段、運転開始カソードパージ手段、運転停止アノードパージ手段、運転停止カソードパージ手段の少なくとも１個を作動させる請求項１記載の可燃性ガスセンサ付き燃料電池システム。
5. 運転開始アノードパージ手段を用いて運転開始操作を行う初期段階において、燃焼部に炭化水素系燃料ガスを供給して燃焼させて燃料改質部を昇温させるともに、前記燃料改質部の内部と燃料電池のアノード極に炭化水素系燃料ガスを流通して前記燃焼部に排出して燃焼させて、その流路滞留ガスをパージする請求項４記載の可燃性ガスセンサ付き燃料電池システム。
6. 燃料改質部の炭化水素系燃料ガスによるパージが、前記燃料改質部の温度が所定温度に到達した後に行われる請求項５記載の可燃性ガスセンサ付き燃料電池システム。
7. 燃料改質部のパージ完了後に、前記燃料改質部に水供給手段から水を供給し、燃料供給手段から継続して供給させる炭化水素系燃料ガスとで水素系ガスを生成する反応を行わせる請求項６記載の可燃性ガスセンサ付き燃料電池システム。
8. 燃料改質部と燃料電池の間に、水素系ガスに含有する一酸化炭素を酸化して低減する浄化触媒を少なくとも１個配置し、前記燃料改質部または浄化触媒の温度が各々の所定温度に到達してから、前記浄化触媒を通過した水素系ガスを燃料電池のアノード極に供給するとともに、その未使用水素系ガスを燃焼部に供給して燃焼させる請求項７記載の可燃性ガスセンサ付き燃料電池システム。
9. 運転開始カソードパージ手段を用いて運転開始操作を行う初期段階において、燃料改質部の温度が所定温度に到達した後に、カソード極に燃料供給手段から炭化水素系燃料ガスを少量流入して外に排出しその流路滞留ガスを置換パージする請求項４記載の可燃性ガスセンサ付き燃料電池システム。
10. 運転停止アノードパージ手段を用いて炭化水素系燃料ガスを少量流入する前に、燃料電池のアノード極の内部に水素系ガスを予め封入しておく請求項４記載の可燃性ガスセンサ付き燃料電池システム。
11. 燃料電池のアノード極の内部に水素系ガスを封入した後、燃料改質部に水供給手段から水だけを供給して水蒸気を発生させ、前記燃料改質部の温度が所定温度以下になるまで、発生水蒸気によりその流路滞留ガスをパージする請求項１０記載の可燃性ガスセンサ付き燃料電池システム。
12. 燃料改質部の温度が所定温度以下になったら、前記燃料改質部および燃料電池のアノード極に炭化水素系燃料ガスを封入して運転が停止する請求項１０記載の可燃性ガスセンサ付き燃料電池システム。
13. 運転停止カソードパージ手段を用いて運転停止操作する際に、燃料電池のカソード極の内部に炭化水素系燃料ガスを流入しその後に封入して運転が停止する請求項４記載の可燃性ガスセンサ付き燃料電池システム。
    

Images