JP2009211972A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で燃焼器の燃焼不良と筐体内の可燃ガス漏れを検知可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】原料ガスを改質反応により水素を含む燃料ガスを生成する燃料処理器１と、燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池４と、燃料処理器１を加熱する燃焼器２と、燃焼器２に燃焼空気を供給する燃焼空気供給器８と、燃焼器２から排出される燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス経路５と、燃料処理器１、燃料電池４、燃焼器２、燃焼空気供給器８及び燃焼排ガス経路５を覆う筐体９と、筐体９内ガスを筐体９外部に排出するための第１の換気器７と、筐体９内に設けられた可燃ガス検知器６と、を備え、燃焼排ガス経路５の出口は、筐体９内に開口され、可燃ガス検知器６は、出口から排出された燃焼排ガスが換気器７へ至るまでの燃焼排ガス流れ上に設けられていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、燃料電池のアノードに還元剤ガスとして供給される水素リッチな燃料ガスと、それのカソードに酸化剤ガスとして供給される空気とを燃料電池の内部で反応させることにより発電するものである。そして、この燃料ガスは通常、燃料処理器（改質器）の内部の水蒸気改質反応によって都市ガス等の原料ガスと水蒸気から生成されている。

図５を用いて燃料電池システム１２０を説明する。

図５によれば、燃料処理器１０１の適所に燃焼器としての燃焼器１０２が配置され、これにより、燃焼器１０２の燃焼排ガスにより燃料処理器１０１は加熱される。燃料処理器は、通常、改質器（図示せず）と変成部（図示せず）とＣＯ除去器（図示せず）から構成されている。燃料処理器１０１の上流側入口には、原料ガス供給器１０３から原料ガスが燃料処理器１０１に供給されるとともに、燃料処理器１０１に内蔵される水蒸気発生器（図示せず）に水が導かれるように構成されている。燃料処理器内に内蔵される改質器に入った原料ガスと水蒸気は改質反応により水素を主成分とする燃料ガスに改質される。このときの燃料ガス中に含まれる一酸化炭素濃度は約１０〜１２％程度の濃度を有する。そして、改質器より送出された改質ガスは変成器に供給され、変成反応により水蒸気と一酸化炭素が反応し、水素と二酸化炭素への反応が進む。変成反応の終了段階で燃料ガス中の一酸化炭素濃度は約０．５〜１％程度に低減される。その後、変成器より送出された燃料ガスは、ＣＯ除去器に導かれ、空気と一酸化炭素が酸化反応することで、最終的に一酸化炭素濃度は約５０ｐｐｍ以下程度にまで低下させた後、燃料電池１０９へ燃料ガスが供給される。

燃料処理器１０１から生成される燃料ガスは燃料電池１０９のアノード１０９ａ側に供給されたのち、発電に利用されなかった残りの燃料ガス中の水分は、システムの運転および熱量供給の安定性確保のため、より具体的には、燃焼器１０２の燃焼安定性や熱発生に寄与しないガス成分を取り除いて熱効率の向上を図るため、燃料オフガス中の水分を除去した後、アノードオフガスを燃焼器１０２に供給する。燃焼器１０２には燃焼用の空気を供給する燃焼ファンから適正な空燃比になるように計量された空気が供給され、オフガスと燃焼用空気による燃焼反応熱を燃料処理器に伝達した後、燃焼排ガスが燃焼排ガス経路の出口から排出される。

燃料電池１０９は、燃料ガスが導かれるアノード１０９ａと、空気ブロア１１０から供給された酸化剤ガス(空気)が導かれるカソード１０９ｂと、によって構成され、これらのガスをその内部で消費して発電する。

なお、燃料電池システム１２０を構成するこうした機器は、制御装置１１１により適切に制御されている。さらにそれら全体は筐体で囲われた構成となっている。筐体には筐体内部のガスを外部に換気するための換気ファンと、筐体内部のガスを筐体外部に排出する排気口、及び外気を導入するための吸気口を備える換気口とが設けられており、システム運転時には換気ファンにより筐体内の換気が行われる。

ここで、この燃料電池システム１２０の通常動作を説明する。

燃料電池システム１２０は一般的に負荷に応じて、発電が行われる。

燃焼排気ガスの排気経路に燃焼器１０２の不完全燃焼を検知するためのセンサーとして、ＣＯセンサー１１２が設置され、ＣＯセンサー１１２の検出値により不完全燃焼が起きていると判定された場合には、燃料電池システムを停止することを行うことが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、筐体内に水素等の可燃ガスが漏洩すると、引火等の危険性があるため筐体内部に水素検知器１１３を設け、燃料電池システムの運転時に、換気ファンを動作させながら、燃料ガス中に含まれる水素ガスの漏洩を監視することが開示されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００６−２１３５６６号公報 特開２００６−６６３２６号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２の技術をそのまま組み合わせると、図５に示すように燃焼器１０２の燃焼異常検知用にＣＯセンサー１１２、燃料処理器１０１または燃料電池１０９からの可燃ガス漏れ検知用に水素センサー１１３をそれぞれ別個に設けて異常検知するよう構成されるが、これは、構成的にもコスト的にも無駄である。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、より簡単な構成で燃焼器の燃焼異常と筐体内の可燃性ガス漏れの両方を検知可能な燃料電池システムを提供することを目的とするものである。

上記従来の課題を解決するために、第１の本発明の燃料電池システムは、原料ガスを改質反応により水素を含む燃料ガスを生成する燃料処理器と、前記燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料処理器を加熱する燃焼器と、前記燃焼器に燃焼空気を供給する燃焼空気供給器と、前記燃焼器から排出される燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス経路と、前記燃料処理器、前記燃料電池、前記燃焼器、前記燃焼空気供給器及び前記燃焼排ガス経路を覆う筐体と、前記筐体内ガスを前記筐体外部に排出するための第１の換気器と、前記筐体内に設けられた可燃ガス検知器と、を備え、前記燃焼排ガス経路の出口は、前記筐体内に開口され、前記可燃ガス検知器は、前記出口から排出された前記燃焼排ガスが前記換気器へ至るまでの前記燃焼排ガス流れ上に設けられていることを特徴とする。

かかる構成によれば、１つの可燃ガス検知器を用いて燃焼器の燃焼異常と筐体内部での原料ガスや水素等の可燃性ガス漏洩異常を検知することが可能になる。

また、第２の本発明の燃料電池システムは、前記筐体内に第２の換気器を備え、前記可燃ガス検知器は、前記第２の換気器の動作により生じるガス流れ上に設けられていることを特徴とする。

また、第３の本発明の燃料電池システムは、前記可燃ガス検知器の検出値に基づいて異常を判定する異常判定器を備え、前記異常判定器は、前記燃焼器の燃焼動作中における前記第１の換気器または前記第２の換気器のＯＮ／ＯＦＦ状態に応じて、前記異常を判定することを特徴とする。

かかる構成によれば、燃焼器の燃焼動作中に可燃ガス検知器の検出値に異常があった場合に、第１の換気器または第２の換気器の動作状態に応じて異常内容を判定することが可能になる。

また、第４の本発明の燃料電池システムは、前記異常判定器は、前記燃焼器の燃焼動作中における前記第１の換気器または前記第２の換気器のＯＮ／ＯＦＦ状態に応じて前記燃焼器の燃焼不良及び前記可燃ガス漏洩異常のいずれかであると判定することを特徴とする。

かかる構成によれば、燃焼器の燃焼動作中に可燃ガス検知器の検出値に異常があった場合に、第１の換気器または第２の換気器の動作状態に応じて燃焼器の燃焼不良及び可燃ガス漏洩異常のいずれかであると判定することが可能になる。

また、第５の本発明の燃料電池システムは、前記燃焼器が燃焼動作中で、かつ前記第１の換気器または前記第２の換気器が停止している際の前記検出値が第１の閾値以上である場合、前記異常判定器は、前記燃焼器の燃焼不良であると判定することを特徴とする。

かかる構成によれば、換気器の動作が停止しているときの、可燃ガス検知器の検出値に基づき、燃焼器の燃焼異常を選択的に判定することが可能になる。

また、第６の本発明の燃料電池システムは、前記燃焼空気供給器の操作量を制御する制御器を備え、前記異常判定器が、前記燃焼器の燃焼異常であると判定した場合、前記制御器は、前記燃焼空気供給器の操作量を増加させるよう制御することを特徴とする。

かかる構成によれば、燃焼器が燃焼異常をすみやかに解消し、安全に運転を継続することが見込まれる。

また、第７の本発明の燃料電池システムは、前記異常判定器により異常と判定されていない状態において、前記第１の換気器または前記第２の換気器の動作を開始した場合に前記検出値が第２の閾値以上である場合、前記異常判定器は、可燃ガス漏洩異常であると判定することを特徴とする。

かかる構成によれば、上記筐体内の微小な可燃ガス漏洩を換気器のＯＮ／ＯＦＦ制御により検知することが見込まれる。

また、第８の本発明の燃料電池システムは、前記第１の換気器または前記第２の換気器の動作中に前記異常判定器により異常と判定されていない状態において、前記第１の換気器または前記第２の換気器の動作を中断した後、再度運転を開始した場合に前記検出値が第２の閾値以上である場合、前記異常判定器は、可燃ガス漏洩異常であると判定することを特徴とする。

かかる構成によれば、上記筐体内の微小な可燃ガス漏洩を換気器のＯＮ／ＯＦＦ制御により検知することが見込まれる。

また、第９の本発明の燃料電池システムは、前記燃焼器が燃焼動作中で、かつ前記第１の換気器または前記第２の換気器が停止している際に、前記異常判定器により燃焼異常であると判定され、前記燃焼空気供給器の操作量を増加され、前記異常検知器により燃焼異常が解消されたと判断された後、前記第１の換気器または前記第２の換気器の動作を開始し、その後、前記可燃ガス検知器の前記検出値が第２の閾値以上となった場合に、前記異常判定器は可燃ガス漏洩異常であると判定することを特徴とする。

かかる構成によれば、燃焼器の燃焼異常が検知された後に、筐体内の微小な可燃ガス漏洩についても同時に検知することが可能になる。

また、第１０の本発明の燃料電池システムは、前記異常判定器により異常と判定された場合、前記燃料電池の運転を停止させる運転停止器を備えることを特徴とする。

かかる構成によれば、燃焼器の燃焼異常や可燃ガス漏洩に伴い発生する高濃度の一酸化炭素漏洩によりシステム周辺の人間が中毒症状を起こすことが抑制される。

また、第１１の本発明の燃料電池システムは、前記異常判定器により異常と判定された場合、外部に異常の旨を報知する異常報知器を備えることを特徴とする。

かかる構成によれば、燃焼器の燃焼異常や可燃ガス漏洩異常を使用者、システム管理者やメンテナンス会社等が知ることが可能になるので上記異常に伴う被害が大きくなる前に適切な処置が施されることを促すことが可能になる。

また、第１２の本発明の燃料電池システムは、前記第１の閾値よりも前記第２の閾値の方が小さいことを特徴とする。

これは、換気器が動作している場合の筐体内部のガス流速は、換気器が動作せず燃焼空気供給器のみが動作している場合に比べて大きくなるため、可燃ガス検知器と接触する可燃性ガスは、換気器が動作している場合、換気器が動作していない場合に比べて希釈される。しかしながら、かかる構成により、可燃ガス漏洩異常の検知漏れを抑制することができるとともに、燃焼異常を誤って検知する可能性が低下する。

本発明の燃料電池システムによれば、従来の燃料電池システムより簡単な構成で、燃焼器の燃焼異常と筐体内の可燃ガス漏れの両方を検知することが可能になり、システムの安全性を確保することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による燃料電池システムの構成例を示したブロック図である。

この燃料電池システム２１は主として、原料ガスと水蒸気を用いた改質反応により水素を含む燃料ガスを生成する燃料処理器１と、燃料処理器１に改質反応用の熱を供給するための燃焼器２と、原料ガスを供給するための原料ガス供給器３と、燃料処理器１から供給される燃料ガスおよび酸化剤ガス供給器から供給される酸化剤ガス（例えば、空気）を消費して発電する燃料電池４と、燃焼器２から排出される燃焼排ガスが流れる配管である燃焼排ガス経路５と、燃焼器２に燃焼空気を供給する燃焼空気供給器８と、燃料処理器１、燃料電池４、燃焼器２、燃焼空気供給器８及び燃焼排ガス経路５を覆う金属製の筐体９と、筐体９内のガスを筐体９外部に排出するための第１の換気器７と、筐体９内に設けられた可燃ガス検知器６と、燃料電池システムの各機器を制御する制御器１０と、燃料電池システムにおける異常の有無を判定する異常判定器１１と、異常検知器１１で異常が検知された場合に、異常の旨を外部に報知する異常報知器１２とを備える。なお、可燃ガス検知器６は、可燃性ガスを検知可能なものであれば、検知対象ガスが水素、メタン、プロパン、一酸化炭素等でもかまわない。

また、燃料処理器１１は通常、改質反応によって水素を主成分とする燃料ガスを生成する改質器（図示せず）と、改質器を通過した燃料ガス中に含まれる、体積濃度で１０％程度の一酸化炭素を水蒸気とシフト反応させ、一酸化炭素ガスを水素ガスと二酸化炭素ガスに変換し、燃料ガスに含まれる一酸化炭素を体積濃度で０．５〜１％程度に低減する変成器（図示せず）と、変成器を通過した燃料ガス中の一酸化炭素を酸化反応により体積濃度で約１０ｐｐｍ以下に低減させるＣＯ除去器（図示せず）を内蔵している。

そして、改質器には改質反応を促進する改質触媒体（図示せず）があり、この改質触媒体は、燃焼器２から排出された燃焼排ガスとの熱交換によって改質触媒体は加熱される。なお、改質触媒体と熱交換した燃焼排ガスは、燃焼排ガス経路５の配管出口から排出され、換気口を通り、外気中に放出され、可燃ガス検知器６は、燃焼排ガス経路５の出口から排出された燃焼排ガスが第１の換気器７へ至るまでの燃焼排ガス流れ上に設けられている。従って、この可燃ガス検知器６には、燃焼排ガス経路５から排出された燃焼排ガスのガス流れと第の換気器７の動作によって生じる筐体９内のガス流れの両方が供給される位置に配設されているため、この可燃ガス検知器６単体で、すなわち、従来の燃料電池システムに比べてより簡易な構成で、燃焼器２の燃焼異常と筐体９内部の可燃ガス漏洩異常の両者を検知可能になる。なお、本実施の形態の燃料電池システムにおいて、可燃ガスセンサー６は、接触燃焼式の可燃ガスセンサーが用いられる。

また、従来の燃料電池システムのように燃焼異常と可燃ガス漏れ異常を、一酸化炭素検知器と可燃ガス検知器の、それぞれ別個のセンサーで検知するよう構成した場合、センサーの故障に由来するシステム故障の原因を増加させることとなっていた。特に、可燃ガスセンサーは、システムが、可燃ガス漏洩することのないよう設計されていることもあり、通常使用状態では可燃ガス漏洩を検知する機会がなく、センサーの機能が正常であるか否かを通常の制御シーケンスの中でチェックすることは困難であり、メンテナンスマンによる定期点検等に頼るしかなかった。しかしながら、本実施の形態の燃料電池システムように可燃ガスセンサーを配設することで、起動時の着火動作時や失火時に可燃ガス検知器の動作確認を行うことが可能になる。より具体的には、起動処理のおける着火動作時、または運転中における失火時には原理的に可燃ガスの流出や一酸化炭素の生成が微量ながらでも発生するため、起動処理時における着火動作時や運転中における失火時に可燃ガス検知器の検出値を確認し、所定の閾値以上あるか否かで可燃ガス検知器の故障の有無を判定するよう構成される。例えば、着火動作時における可燃ガス検知器の検出値が所定の閾値未満である場合は、異常判定器１１が異常と判定し、燃料電池システムの安全性を確保するために、その旨を異常報知器１２より報知させるとともに、制御器１０より停止指令が出力され、燃料電池システムの運転が停止されるよう構成することが好ましい。

なお、上記燃料電池４は、内部に酸化剤ガスが流れるカソード流路４ａ、内部に燃料ガスが流れるアノード流路４ｂとを備える。また、異常判定器１１は、燃焼器２の燃焼動作中に可燃ガス検知器６の検出値に基づき異常有りと判定した場合に、第１の換気器７のＯＮ／ＯＦＦ動作の状態に応じて異常の内容を判定する機能も有している。異常検知器１２は、燃料電池システムで起こった異常の内容に応じて所定の報知（例：異常内容に応じた異常メッセージ、異常コード等）を行うように構成されている。

上記構成を有する燃料電池システムにおける可燃ガス検知器６を用いた異常検知動作について図２に示すフロー図に基づいて説明する。

まず、制御器１０より燃料電池システム２１の起動指令が出力され、第１の換気器７が動作を開始する（ステップＳ０１）。ついで、燃焼器２の着火動作を行い、燃焼開始し、燃料処理器１の昇温を行い、原料ガスから燃料ガスを生成することが可能な温度まで改質触媒体の温度を上昇させる（ステップＳ０２）。そして、約５００℃程度に改質触媒体の温度が上昇したところで原料ガスと改質水が供給され（ステップＳ０３）、改質反応が開始され、その下流では変成器により燃料ガス中に含まれる一酸化炭素のシフト反応が進行し、一酸化炭素の濃度が低減していく。さらに、その下流で少量の空気をＣＯ除去器に導入して酸化反応により燃料電池４の発電が可能となるレベルまで燃料ガス中の一酸化炭素をさらに低減させる。ここで、上記ステップＳ０３により燃料処理器１内部の内圧が上昇するが、この内圧上昇以降の起動処理中において少なくとも１回は第１の換気器７の動作を中断（例えば、１ｍｉｎ間停止）させる（ステップＳ０４）。ここで、可燃ガス検知器６の検出値を異常判定器１１がモニタし、第１の閾値以上である場合は、燃焼異常が発生していると判定する（ステップＳ０５）。これは、可燃ガス検知器６は、第１の換気器７が停止していることで、ほぼ燃焼排ガス経路５から排出された燃焼排ガス中の可燃ガス濃度を検知している状態となるためである。つまり、ここで検知している可燃ガス濃度は燃焼器２での燃焼状態に起因したものであり、例えば、１００ｐｐｍを超える可燃ガス濃度が検出された場合には、燃焼器２での燃焼が不完全燃焼になっているものとして判定する。

そして、ステップＳ０５にて燃焼器２が燃焼異常であると判定された場合には、燃焼空気供給器８の操作量を増加させ（ステップＳ０６）、燃焼状態の正常化を図り、その所定時間経過後に異常判定器１１が可燃ガス検知器６の検出値をモニタし、検出値が第１の閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ０７）。そして、Ｎ（≧１）回以上、上記ステップＳ０６及びＳ０７のフローを実行しても、ステップＳ０７での検出値が低下して、第１の閾値未満にならない場合、つまり、燃焼異常の状態が解消されないときは、外乱による空気量不足やその他の原因による運転継続不能なシステム異常として、異常報知器１２に異常である旨を報知する（ステップＳ０８）とともに、制御器１０より停止指令を出力し、燃料電池システムの運転を停止する（ステップＳ０９）。なお、上記異常報知器１２は、使用者とのインターフェイスであるリモコンであり、その表示画面に使用者に異常が発生している旨のメッセージや異常内容（燃焼異常）に対応した異常コード等を表示する。なお、上記外乱とは、例えば、燃料電池システムが屋外に設置された場合に、筐体９に吹き付ける風の静圧であり、具体的には、風が吹き付けられると、燃焼空気の押し込み圧力に風の静圧が勝り、燃焼に必要な空気量を確保することができず、燃焼器２で不完全燃焼を引き起こすことがある。また、外部からのごみやホコリ等も外乱の一種であり、これが外気を筐体９内に取り入れる吸入口を閉塞した結果、燃焼空気量が減少し燃焼器１での不完全燃焼を引き起こすこともある。

次に、ステップＳ０５において第１の換気器７の動作の動作を中断しているときに可燃ガス検知器６の検出値に異常が見られない（検出値＜第１の閾値）場合や、ステップＳ０７によって燃焼空気の増加によって可燃ガス検知器の検出値の異常が解消できた（検出値＜第１の閾値）後は、第１の換気器７による換気動作を再開させる（ステップＳ１０）。そして、可燃ガス検知器６の検出値を異常判定器１１がモニタし、検出値が第２の閾値以上である場合、可燃ガス漏れの異常であると判定する（ステップＳ１１）。これは、万が一燃料処理器１の改質部の気密破壊が発生していた場合は、ステップＳ０４により第１の換気器７が停止しているときに燃料処理器１内部から可燃ガス（一酸化炭素を含む）が漏洩していることとなる。漏洩したガスは漏洩箇所を中心に滞留し、第１の換気器７の動作開始とともに気流に乗って換気口へと固まった状態で流れていく。従って、燃料処理器１や燃料電池２の燃料ガス経路からの可燃ガスの微小リークであっても、ある程度の濃度の可燃ガスが固まった状態で可燃ガスセンサーを通過すると見込まれるため、可燃ガス検出器６により検知を行うことが見込まれるからである。また、ステップＳ１０に進む前において、ステップＳ０５またはステップＳ０７において燃焼器２の燃焼排ガス由来の可燃性ガス濃度に異常がないことを確認しているため、本ステップで可燃ガス検知器６の検出値に異常が見られた場合、燃料処理器１や燃料電池２の燃料ガス経路からの可燃ガス漏洩が原因と判別可能となる。

ステップＳ１１で可燃ガス漏洩異常であると判定した場合は、異常報知器１２により使用者等にその旨を伝えるため異常が発生している旨を報知するとともに（ステップＳ１２）、燃料電池システムのシステムを停止させる（ステップＳ１３）。なお、この場合、異常報知器１２は、ステップＳ０８と同様にリモコンの表示画面等に異常が発生しているメッセージや異常内容（可燃性ガス漏洩）を示す異常コードが表示される。なお、異常報知器１２は、リモコンの画面に異常の発生を表示するだけでなく、システムの管理者やメンテナンス会社等にその旨を所定の通信手段（例：インターネット回線等）を介して連絡することで、直ちに異常に対して最適な処理を施すよう促す効果が見込まれ安全性を確保するより好ましい。

次に、ステップＳ１１で可燃ガス漏洩に関する異常が検知されなかった場合は、所定時間Ｔ経過後（ステップＳ１４）に再度、ステップＳ０４の第１の換気器の動作中断を行い、以降ステップＳ０５〜ステップＳ１１までを実施する。つまり、燃料電池システムの運転中（起動処理開始後から停止処理完了まで）においては、所定時間Ｔごとに定期的に燃焼器の燃焼異常及び筐体９内の可燃ガス漏れ異常を検知するための異常判定を実施する。なお、制御器１０は、ステップＳ０９、ステップＳ１３において停止指令を出力するとともに、ステップＳ０４、ステップＳ０６及びステップＳ１１において第１の換気器の動作や燃焼空気供給器の操作量を制御しており、本発明の運転停止器と制御器を一体化した構成となっているが、あくまで一例であり、別個に設けても構わない。

上述のように本実施の形態の燃料電池システムは、燃焼器２の燃焼動作中に、第１の換気器７の動作をＯＮ／ＯＦＦ制御し、制御後に可燃ガス検知器７の検出値に異常があった場合に、第１の換気器７の動作状態（ＯＮまたはＯＦＦ）に応じて燃焼異常か可燃ガス漏れ異常のいずれかであると判定するように構成されているが、第１の換気器７をＯＦＦからＯＮに切替えた後にステップＳ１１で可燃ガス検知器１１の検出値に基づき可燃ガス漏れ異常を検知する点について詳細に説明すると、従来の燃料電池システムでは、運転中において、常時、換気器が動作しているため、可燃ガスが漏洩していても、ある一定以上の漏洩がないと可燃ガスセンサー上で一定以上の濃度とならず、微小漏洩を検知することは困難であった。より具体的には、第１の換気器７の換気流量が１（ｍ^３／ｍｉｎ）のとき漏洩する可燃ガスは１０（Ｌ／ｍｉｎ）レベルでないと可燃ガス検知器では検知できず、微小漏洩では、通常、可燃ガス検知器では検知困難となる。ここで、上述の本実施の形態の燃料電池システムのように、燃料電池システムの運転中に第１の換気器の動作を停止させることで、筐体内のガス流れが停滞するため可燃ガスがリークしている箇所から漏洩した可燃ガスはリーク箇所周辺で滞留する。そこで、第１の換気器の動作を再開させることで、そのガスの塊が筐体内のガス流れに乗って可燃ガス検知器上を流れるため、微小な可燃ガス漏洩に対しても検知することが可能になってくる。そして、第１の換気器の動作の中断期間が長いほど滞留する漏洩ガス量は増加するため、検知精度を向上させる上でより好ましいが、長すぎると引火に伴う爆燃等の危険性が高まるため、安全性を保障することが困難となる。本実施の形態の燃料電池システムでは、約０．５Ｌ／ｍｉｎ程度の微小漏洩レベルまで検知することを見込み換気器の動作を約１ｍｉｎの中断するように構成されている。

なお、上述のフローにおいて、燃焼異常を判定する場合に用いられる第１の閾値よりも可燃ガス漏れを判定する場合に用いられる第２の閾値の方が小さいことが好ましい。これは、第１の換気器が動作している場合の筐体内部のガス流速は、第１の換気器が動作せず燃焼空気供給器のみが動作している場合に比べて大きくなるため、可燃ガス検知器に供給される可燃性ガスは、第１の換気器が動作している場合は、第１の換気器が動作していない場合に比べて希釈される。しかしながら、第１の閾値よりも第２の閾値の方を小さくすることで、可燃ガス漏洩異常の検知漏れを抑制することができるとともに、燃焼異常を誤って検知する可能性が低下する。

また、上述の異常判定フローにおいて、燃料処理器の内圧が上昇して以降の方が検知しやすいため、燃料処理器に原料ガスと改質水が供給された後に、換気器の動作を中断し、燃焼異常や可燃ガス漏れ異常を検知するようにしているが、安全性を優先した場合には、燃料処理器に原料ガスと改質水が投入される以前の内部圧力が上昇していない状態でステップＳ０４以降を実行し、燃焼異常や可燃ガス漏れ異常を検知するように構成することが好ましい。また、この場合、燃料処理器１内部の圧力が低いため、第１の換気器の中断時間を、上述のフローように改質水投入以降で実施するときよりも長く設定し（例えば、５ｍｉｎ）検知精度を向上させることが好ましい。

また、本実施の形態の燃料電池システムにおける、本発明の可燃ガス検知器は、原料ガスや水素を検知する可燃ガスセンサーであってもよいし、一酸化炭素検知センサーでもよい。一酸化炭素センサーの場合、燃焼器の不完全燃焼は、燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度で検知を行い、筐体内での可燃ガス漏洩検知も、燃料ガス中に含有される一酸化炭素を検知することで可能となる。さらに、一酸化炭素センサーを用いることにより、燃焼異常、可燃ガス漏洩だけでなく、筐体内の一酸化炭素漏洩を直接的に検知することが可能となり、一酸化炭素中毒防止の点でも有効である。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成例を示したブロック図である。図３において図１と同じ構成要素については、同じ符号を用い、説明を省略する。

本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態１の燃料電池システムに対して、さらに、筐体９内部で、可燃ガス検知器６に供給されるガス流れを発生可能な位置に第２の換気器１３を設け、この第２の換気器１３をＯＮ／ＯＦＦ制御することで、異常判定器１１で燃焼異常及び可燃ガス漏れ異常を検知することを特徴とする。

より具体的には、燃料電池システムの運転中（起動処理開始から停止処理完了まで）において、第１の換気器７は常時運転させるとともに、第２の換気器１３を間欠的に動作させ、可燃ガス検知器６の検出値に異常があった場合に、第２の換気器１３のＯＮ／ＯＦＦ動作状態に応じて、燃焼異常または可燃ガス漏洩異常のいずれであるかを判定する。

より具体的には、図４に示す異常判定のフロー図をもとに説明する。まず、制御器１０より燃料電池システム２１の起動指令が出力され、第１の換気器７が動作を開始する（ステップＳ４１）。ついで、燃焼器２の着火動作を行い、燃焼開始し、燃料処理器１の昇温を行い、原料ガスから燃料ガスを生成することが可能な温度まで改質触媒体の温度を上昇させる（ステップＳ４２）。そして、約５００℃程度に改質触媒体の温度が上昇したところで原料ガスと改質水が供給され（ステップＳ４３）、改質反応が開始され、その下流では変成器により燃料ガス中に含まれる一酸化炭素のシフト反応が進行し、一酸化炭素の濃度が低減していく。さらに、その下流で少量の空気をＣＯ除去器に導入して酸化反応により燃料電池４の発電が可能となるレベルまで燃料ガス中の一酸化炭素をさらに低減させる。ここで、上記ステップＳ０３により燃料処理器１内部の内圧が上昇するが、この内圧上昇以降の運転中において、可燃ガス検知器６の検出値を異常判定器１１がモニタし、第１の閾値以上である場合は、燃焼異常が発生していると判定する（ステップＳ４４）。これは、可燃ガス検知器６の検出値に異常がある場合、燃料処理器１や燃料電池４が破壊して大量の可燃ガスが漏洩している場合以外は、通常、燃焼器２での燃焼異常による可燃ガス漏洩量の方が多いからである。

そして、ステップＳ４４にて燃焼器２が燃焼異常であると判定された場合には、燃焼空気供給器８の操作量を増加させ（ステップＳ４５）、燃焼状態の正常化を図り、その所定時間経過後に異常判定器が可燃ガス検知器６の検出値をモニタし、検出値が第１の閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ４６）。そして、Ｎ（≧１）回以上上記ステップＳ４５及びＳ４６のフローを実行しても、ステップＳ４６での検出値が低下して、第１の閾値未満にならない場合、つまり、燃焼異常の状態が解消されないときは、外乱による空気量不足やその他の原因による運転継続不能なシステム異常として、異常報知器１２に異常である旨を報知する（ステップＳ４７）とともに、制御器１０より停止指令を出力し、燃料電池システムの運転を停止する（ステップＳ４８）。なお、上記異常報知器１２は、使用者とのインターフェイスであるリモコンであり、その表示画面に使用者に異常が発生している旨のメッセージや異常内容（燃焼異常）に対応した異常コード等を表示する。

次に、ステップＳ４４において可燃ガス検知器６の検出値に異常が見られない（検出値＜第１の閾値）場合や、ステップＳ４６によって燃焼空気の増加によって可燃ガス検知器の検出値の異常が解消できた（検出値＜第１の閾値）後は、第２の換気器１３による換気動作を開始する（ステップＳ４９）。そして、可燃ガス検知器６の検出値を異常判定器１１がモニタし、検出値が第２の閾値以上である場合、可燃ガス漏れの異常であると判定する（ステップＳ５０）。これは、例えば、燃料処理器１の改質部の気密破壊が発生し、可燃ガス漏れが発生すると一部は換気口より排気されるが残りは筐体９内に拡散する。この筐体９内に拡散した可燃ガスが第２の換気器により生じたガス流れに乗って可燃ガス検知器６に供給されるため、第１の換気器６のみを動作している場合に比べて漏洩した可燃ガスがより多く供給され、微少な可燃ガス漏れであっても漏れ発生を検知することが見込まれるからである。また、ステップＳ４９に進む前において、ステップＳ４４またはステップＳ４６において燃焼器２の燃焼排ガス由来の可燃性ガス濃度に異常がないことを確認しているため、本ステップで可燃ガス検知器６の検出値に異常が見られた場合、燃料処理器１や燃料電池２の燃料ガス経路からの可燃ガス漏洩が原因と判別可能となる。

ステップＳ５０において可燃ガス漏洩異常と判定された場合は、異常報知器１２により使用者等にその旨を伝えるため異常が発生している旨を報知するとともに（ステップＳ５１）、燃料電池システムのシステムを停止させる（ステップＳ５２）。なお、この場合、異常報知器１２は、ステップＳ４７と同様にリモコンの表示画面等に異常が発生しているメッセージや異常内容（可燃性ガス漏洩）を示す異常コードが表示される。なお、異常報知器１２は、リモコンの画面に異常の発生を表示するだけでなく、システムの管理者やメンテナンス会社等にその旨を所定の通信手段（例：インターネット回線等）を介して連絡することで、直ちに異常に対して最適な処理を施すよう促す効果が見込まれ安全性を確保するより好ましい。

また、制御器１０は、ステップＳ４８、ステップＳ５２において停止指令を出力するとともに、ステップＳ４５、ステップＳ４９において燃焼空気供給器の操作量や第２の換気器の動作を制御しており、本発明の運転停止器と制御器を一体化した構成となっているが、あくまで一例であり、別個に設けても構わない。

次に、ステップＳ５０で可燃ガス漏洩に関する異常が検知されなかった場合は、所定時間Ｔ経過後（ステップＳ５３）に再度、ステップＳ４４の燃焼異常の判定を行い、以降ステップＳ４５〜ステップＳ５０までを実施する。つまり、燃料電池システムの運転中においては、所定時間Ｔごとに定期的に燃焼器２の燃焼異常及び筐体９内の可燃ガス漏れ異常を検知するための異常判定を実施する。なお、ステップＳ４４で燃焼器２の燃焼異常を検知する前に、第１の換気器７を停止すれば、燃焼異常及び可燃ガス漏洩異常ともに検知精度が、より向上することが見込まれ好ましい。

本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態１の燃料電池システムで得られる効果に加え、異常判定中において第１の換気器の動作を継続しているため、実施の形態１の燃料電池システムのように第１の換気器の動作を中断している間に、滞留した可燃ガスに引火して爆発する危険性が抑制され、安全性上より好ましい。

本発明に係る燃料電池システムによれば、安全性を維持したまま、燃料電池システムの信頼性を向上させることが可能となり、例えば、家庭用の発電システムとして有用である。

本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成例を示したブロック図 本発明の実施の形態１における燃料電池システムの異常判定フロー図 本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成例を示したブロック図 本発明の実施の形態２における燃料電池システムの異常判定フロー図 従来の燃料電池システムの構成例を示したブロック図

符号の説明

１ 燃料処理器
２ 燃焼器
３ 原料ガス供給器
４ 燃料電池
４ａ カソード
４ｂ アノード
５ 燃焼排ガス経路
６ 可燃ガス検知器
７ 換気器
８ 燃焼空気供給器
９ 筐体
１０ 制御器
１１ 異常判定器
１２ 異常報知器
１０１ 燃料処理器
１０２ 燃焼器
１０３ 原料ガス供給器
１０９ 燃料電池
１１０ 空気ブロア
１１１ 制御装置
１１２ ＣＯセンサー
１１３ 水素センサー

Claims (12)

1. 原料ガスから改質反応により水素を含む燃料ガスを生成する燃料処理器と、前記燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料処理器を加熱する燃焼器と、前記燃焼器に燃焼空気を供給する燃焼空気供給器と、前記燃焼器から排出される燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス経路と、前記燃料処理器、前記燃料電池、前記燃焼器、前記燃焼空気供給器及び前記燃焼排ガス経路を覆う筐体と、前記筐体内ガスを前記筐体外部に排出するための第１の換気器と、前記筐体内に設けられた可燃ガス検知器と、を備え、前記燃焼排ガス経路の出口は、前記筐体内に開口され、前記可燃ガス検知器は、前記出口から排出された前記燃焼排ガスが前記換気器へ至るまでの前記燃焼排ガスの流れ上に設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記筐体内に第２の換気器を備え、前記可燃ガス検知器は、前記第２の換気器の動作により生じるガス流れ上に設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記可燃ガス検知器の検出値に基づいて異常を判定する異常判定器を備え、前記異常判定器は、前記燃焼器の燃焼動作中における前記第１の換気器または前記第２の換気器のいずれかのＯＮ／ＯＦＦ状態に応じて、前記異常を判定する請求項１記載の燃料電池システム。
4. 前記異常判定器は、前記燃焼器動作中における前記第１の換気器または前記第２の換気器のＯＮ／ＯＦＦ状態に応じて前記燃焼器の燃焼不良及び前記可燃ガス漏洩異常のいずれかであると判定する請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記燃焼器が燃焼動作中で、かつ前記第１の換気器または前記第２の換気器が停止している際の前記検出値が第１の閾値以上である場合、前記異常判定器は、前記燃焼器の燃焼異常であると判定することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
6. 前記燃焼空気供給器の操作量を制御する制御器を備え、前記異常判定器が、前記燃焼器の燃焼異常であると判定した場合、前記制御器は、前記燃焼空気供給器の操作量を増加させるよう制御することを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
7. 前記異常判定器により異常と判定されていない状態において、前記第１の換気器または前記第２の換気器の動作を開始した場合に前記検出値が第２の閾値以上である場合、前記異常判定器は、可燃ガス漏洩異常であると判定する請求項１または５記載の燃料電池システム。
8. 前記第１の換気器または前記第２の換気器の動作中に前記異常判定器により異常と判定されていない状態において、前記第１の換気器または前記第２の換気器の動作を中断した後、再度運転を開始した場合に前記検出値が第２の閾値以上である場合、前記異常判定器は、可燃ガス漏洩異常であると判定する請求項７記載の燃料電池システム。
9. 前記燃焼器が燃焼動作中で、かつ前記第１の換気器または前記第２の換気器が停止している際に、前記異常判定器により燃焼異常であると判定され、前記燃焼空気供給器の操作量を増加され、前記異常検知器により燃焼異常が解消されたと判断された後、前記第１の換気器または前記第２の換気器の動作を開始し、その後、前記可燃ガス検知器の前記検出値が第２の閾値以上となった場合に、前記異常判定器は可燃ガス漏洩異常であると判定することを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
10. 前記異常判定器により異常と判定された場合、前記燃料電池の運転を停止させる運転停止器を備える請求項３記載の燃料電池システム。
11. 前記異常判定器により異常と判定された場合、外部に異常の旨を報知する異常報知器を備える請求項３に記載の燃料電池システム。
12. 前記第１の閾値よりも前記第２の閾値の方が小さいことを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。

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