JP2018147620A

JP2018147620A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2018147620A
Application number: JP2017039353A
Authority: JP
Inventors: 元彦薮谷; Motohiko Yabutani; 裕記大河原; Hiroki Ogawara
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2017-03-02
Filing date: 2017-03-02
Publication date: 2018-09-20

Abstract

【課題】安全性を担保しつつ、可燃ガスセンサの劣化を遅らせる。【解決手段】システムの起動中と停止中とのうち少なくとも起動中には可燃ガスセンサへ通電されるよう継断器を制御し、システムの運転中に所定条件が成立しているときには可燃ガスセンサへの通電が停止されるよう継断器を制御すると共にシステムの運転状態に基づいて可燃ガス漏れの可能性を判定する。可燃ガスセンサは、高温に曝されると、劣化が進みやすいから、システム運転中の所定条件が成立しているときに可燃ガスセンサへの通電を停止することにより、可燃ガスセンサの劣化を遅らせることができる。また、可燃ガスセンサの通電を停止しているときも、システムの運転状態に基づいて可燃ガス漏れの可能性を判定することができるため、安全性を担保することができる。【選択図】図９

Description

本発明は、可燃ガスセンサを備える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、燃料ガスを検出する燃料ガスセンサ（可燃ガスセンサ）を備え、燃料ガスセンサにより検出された燃料ガスの検出値からガス濃度を算出し、算出したガス濃度と判定値との比較によりガス漏れの有無を判定するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−１７９０２４号公報

可燃ガスセンサは、通電によって内蔵するヒータが高温となり、熱による劣化が生じることが知られている。このため、可燃ガスセンサを常時通電するものとすると、可燃ガスセンサの寿命が短くなって、頻繁なメンテナンスや交換が必要となり、コストアップを招く。

本発明の燃料電池システムは、安全性を担保しつつ、可燃ガスセンサの劣化を遅らせ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、
可燃ガス漏れを検出するための可燃ガスセンサと、
前記可燃ガスセンサへの通電と該通電の停止とが可能な継断器と、
システムの起動中と停止中とのうち少なくとも起動中には前記可燃ガスセンサへ通電されるよう前記継断器を制御し、システムの運転中に所定条件が成立しているときには前記可燃ガスセンサへの通電が停止されるよう前記継断器を制御すると共にシステムの運転状態に基づいて可燃ガス漏れの可能性を判定する制御装置と、
を備え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、システムの起動中と停止中とのうち少なくとも起動中には可燃ガスセンサへ通電されるよう継断器を制御し、システムの運転中に所定条件が成立しているときには可燃ガスセンサへの通電が停止されるよう継断器を制御すると共にシステムの運転状態に基づいて可燃ガス漏れの可能性を判定する。可燃ガスセンサは、高温に曝されると、劣化が進みやすいから、システム運転中の所定条件が成立しているときに可燃ガスセンサへの通電を停止することにより、可燃ガスセンサの劣化を遅らせることができる。また、可燃ガスセンサへの通電を停止しているときも、システムの運転状態に基づいて可燃ガス漏れの可能性を判定することができるため、安全性を担保することができる。

こうした本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池を収容すると共に、前記燃料電池を通過した燃料ガスおよび酸化剤ガスを燃焼させる燃焼部を有する発電モジュールと、システム内部を換気する換気装置と、を備え、前記制御装置は、システムの起動を開始する際に前記換気装置の作動を開始し、システム起動中に前記燃焼部の燃焼状態が安定したときに所定時間、システム内部の換気量が減少するよう前記換気装置を制御するものとしてもよい。こうすれば、システム起動中の燃焼が安定した状態で、システム内部の換気量を一時的に減少させることにより、ガス漏れが生じた場合のガス濃度を増加させ、ガス漏れに対する可燃ガスセンサの検出精度を高くすることができる。これにより、システム起動中に発生した可燃ガスのガス漏れを発電開始前により確実に検出することができる。

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、前記所定条件は、システム運転中の前記換気装置の換気量が正常なときに成立する条件であるものとしてもよい。システム運転中のシステム内部の換気が適切に行なわれている場合に限って可燃ガスセンサへの通電を停止することにより、ガス漏れが発生した場合に可燃ガスがシステム内部にこもるのを抑制し、安全性を担保することができる。

さらに、本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池側へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池側へ供給される燃料ガスの流量を検出する燃料ガス流量センサと、を備え、前記制御装置は、前記燃料ガス流量センサにより検出される燃料ガスの流量が目標流量となるように制御量を設定して前記燃料ガス供給装置を制御し、前記所定条件は、前記設定した制御量が適正範囲内にあるときに成立する条件であるものとしてもよい。システムの運転状態に基づいて可燃ガス漏れの可能性を適正に判定できる場合に限って可燃ガスセンサへの通電を停止することにより、安全性を担保することができる。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池側へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池側へ供給される酸化剤ガスの流量を検出する酸化剤ガス流量センサと、を備え、前記制御装置は、前記酸化剤ガス流量センサにより検出される酸化剤ガスの流量が目標流量となるように制御量を設定して前記酸化剤ガス供給装置を制御し、前記所定条件は、前記設定した制御量が適正範囲内にあるときに成立する条件であるものとしてもよい。システムの運転状態に基づいて可燃ガス漏れの可能性を適正に判定できる場合に限って可燃ガスセンサへの通電を停止することにより、安全性を担保することができる。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、システムの停止中に前記可燃ガスセンサへ通電されるよう前記継断器を制御し、システムの停止が完了した後も、所定時間、前記可燃ガスセンサへの通電が維持されるよう前記継断器を制御するものとしてもよい。こうすれば、システム停止時の可燃ガス漏れの検出漏れを抑制することができる。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、システムの運転中は、前記燃料電池の運転状態として、少なくとも該燃料電池の発電出力に基づいて可燃ガス漏れの可能性を判定するものとしてもよい。

本発明の一実施例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。電源基板７２を含む電源系の構成の概略を示す構成図である。可燃ガスセンサ通電制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。第１発電時可燃ガスセンサ間欠通電制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。換気量不足判定用マップの一例を示す説明図である。第２発電時可燃ガスセンサ間欠通電制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。ガス漏れ判定用マップの一例を示す説明図である。エア漏れ判定用マップの一例を示す説明図である。ガス漏れ箇所ごとの可燃ガスセンサを用いた異常検出の可否と可燃ガスセンサ以外での異常検出の可否とを説明する説明図である。

本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は本発明の一実施例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り、図２は電源基板７２を含む電源系の構成の概略を示す構成図である。

実施例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、発電ユニット２０を収容する筐体２２の排気口２２ｂ付近に設けられ可燃ガスのガス漏れを検知するための可燃ガスセンサ９１と、を備える。

発電ユニット２０は、改質水と原燃料ガス（例えば天然ガスやＬＰガス）との供給を受けてこれらを加熱することにより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気化器３２と、気化器３２からの原燃料ガスを水蒸気改質反応により改質して水素を含む燃料ガス（改質ガス）を生成する改質器３３と、燃料ガスとエアとの供給を受けて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、気化器３２に改質水を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。

気化器３２と改質器３３と燃料電池スタック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。モジュールケース３１には、燃焼部３４の温度を検出するための温度センサ９２が設けられている。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り、燃焼触媒３７にはその温度を検出するための温度センサ９３が設けられている。

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などを採用することができる。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（ガス流量Ｆｇ）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（エア流量Ｆａ）を検出する流量センサ５４も設けられている。

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。

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すると共に加温した貯湯水を貯湯タンク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おり、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に回収されると共に残りの排気ガスが排気ガス排出管６７を介して外気へ排出されるようになっている。

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には、内部温度（パワコン部温度Ｔｐ）を検出する温度センサ９５や、燃料電池スタック３６の発電出力Ｖｏとして発電電圧を検出する電圧センサ９６などが設けられている。なお、パワーコンディショナ７１には、燃料電池スタック３６の発電出力として発電電力を検出する電力センサが設けられてもよい。

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、可燃ガスセンサ９１、圧力センサ４７、流量センサ４８，５４、温度センサ９２〜９５、電圧センサ９６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。また、図２に示すように、電源基板７２にはリレー９１ａを介して可燃ガスセンサ９１が接続されており、他の補機類とは独立して電源基板７２から可燃ガスセンサ９１に直流電力の供給と供給の停止とが可能となっている。

可燃ガスセンサ９１は、本実施例では、触媒燃焼式ガスセンサとして構成される。ここで、触媒燃焼式ガスセンサは、白金触媒などの酸化触媒（燃焼触媒）をアルミナなどの担体に担持させたものを白金線コイル上に固定した検知素子と、酸化触媒を持たない補償素子とによりブリッジ回路を構成したものである。触媒燃焼式ガスセンサはブリッジ回路に電流を印加した状態で使用され、検知素子は電流の印加によって加熱されて触媒反応が起こりやすい温度（例えば２００〜５００℃）に保持される。検知素子は可燃ガスが触れると触媒燃焼反応により発熱して抵抗値が変化するため、ブリッジ回路の平衡が崩れ、ブリッジ回路の出力端子には不均衡電圧が出力される。不均衡電圧とガス濃度との間には比例関係を有するため、不均衡電圧を測定することによりガス濃度を検知することができる。例えば、爆発下限界濃度付近のガス濃度に対応するセンサ出力（不均衡電圧）を閾値に定めることで、センサ出力が閾値以上のときに、ガス漏れが生じていると判断することができる。こうした触媒燃焼式ガスセンサは、有機シリコン化合物などにより触媒が被毒したり、耐熱温度以上の使用により触媒が熱劣化を起こすことが知られており、経年使用（通電）によって触媒が劣化し、性能低下を招きやすい。

筐体２２には、吸気口２２ａと排気口２２ｂとが設けられ、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。筐体２２の換気経路にはパワーコンディショナ７１や補機類（エアブロワ５３や燃料ガスポンプ４５などの発熱体）が配置されており、吸気口２２ａから吸入された空気は、パワーコンディショナ７１を冷却した後、補機類等を通過してから、排気口２２ｂから排出されるようになっている。筐体２２には、換気経路のパワーコンディショナ７１の下流側における温度（機器内部温度Ｔａ）を検出するための温度センサ９４が設けられている。

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、計時を行なうタイマ８４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、可燃ガスセンサ９１、温度センサ９２〜９５、電圧センサ９６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、可燃ガスセンサ９１の通電制御について説明する。図３は、制御装置８０のＣＰＵ８１により実行される可燃ガスセンサ通電制御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、システムの起動が許可されたときに実行される。

可燃ガスセンサ通電制御ルーチンが実行されると、制御装置８０のＣＰＵ８１は、まず、リレー９１ａをオンとして可燃ガスセンサ９１へ通電し（Ｓ１００）、システムの起動処理を開始する（Ｓ１１０）。起動処理は、例えば、対応する補機類を順次制御して、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、これらの処理のいずれかを省略することもできる。また、システムの起動処理の開始に伴い、筐体２２内を換気するために換気ファン２４の作動も開始する。

続いて、ＣＰＵ８１は、温度センサ９２により検出される燃焼部３４の温度Ｔｍが閾値Ｔｒｅｆを超えるのを待つ（Ｓ１２０）。閾値Ｔｒｅｆは、燃焼部３４の燃焼状態が安定した状態にあるか否かを判定するための閾値であり、例えば、４００℃や４５０℃などのように定めることができる。燃焼部３４の温度Ｔｍが閾値Ｔｒｅｆを超えると、燃焼部３４の燃焼状態が安定したと判断し、換気ファン２４の風量を減量し（Ｓ１３０）、所定時間（例えば、数分〜数十分）が経過したときに（Ｓ１４０）、換気ファン２４の風量を元の風量に復帰させる（Ｓ１５０）。システムの起動中の燃焼が安定した状態で筐体２２内の換気量を減量することにより、ガス漏れが発生した場合のガス濃度が増加するため、可燃ガスセンサ９１の検出精度を一時的に向上させることができる。これにより、システム起動中にガス漏れが生じたときに、そのガス漏れを発電開始前により確実に検出することができる。

そして、ＣＰＵ８１は、起動処理が完了した後、発電処理を開始する（Ｓ１６０）。発電処理は、負荷４の負荷変動を伴う負荷指令を入力し、入力した負荷指令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。ここで、本実施例では、原燃料ガス供給装置４０の制御は、入力した負荷指令に基づいて原燃料ガス供給装置４０が供給すべき目標流量を設定し、設定した目標流量と流量センサ４８により検出される流量（ガス流量Ｆｇ）との偏差に基づくフィードバック制御によりデューティ比（ポンプモータデューティ比Ｄｇ）を設定し、設定したデューティ比に基づいて原燃料ガスポンプ４５のポンプモータの駆動回路を制御することにより行なわれる。また、エア供給装置５０の制御は、原燃料ガスの目標流量に対し所定の比（空燃比）となるようにエア供給装置５０が供給すべき目標流量を設定し、設定した目標流量と流量センサ５４により検出される流量（エア流量Ｆａ）との偏差に基づくフィードバック制御によりデューティ比（ブロワモータデューティ比Ｄａ）を設定し、設定したデューティ比に基づいてエアブロワ５３のブロワモータの駆動回路を制御することにより行なわれる。

ＣＰＵ８１は、発電を開始すると、発電が安定するまでの所定時間（例えば、数時間）の経過を待って（Ｓ１７０）、リレー９１ａをオフとして可燃ガスセンサ９１への通電を停止する（Ｓ１８０）。そして、発電を停止すると判定するまで、第１発電時可燃ガスセンサ間欠通電制御と第２発電時可燃ガスセンサ間欠通電制御とを繰り返し実行する（Ｓ１９０〜Ｓ２１０）。

第１発電時可燃ガスセンサ間欠通電制御は、図４に示すルーチンを実行することにより行なわれる。第１発電時可燃ガスセンサ間欠通電制御では、まず、電圧センサ９６により検出される発電出力Ｖｏや温度センサ９５により検出されるパワコン部温度Ｔｐ、温度センサ９４により検出される機器内部温度Ｔａを入力する（Ｓ３００）。続いて、パワコン部温度Ｔｐから機器内部温度Ｔａを減じることにより温度差ΔＴを計算し（Ｓ３１０）、温度差ΔＴと発電出力Ｖｏとに基づいて換気ファン２４による筐体２２内の換気量が不足しているか否かを判定する（Ｓ３２０）。この判定は、具体的には、図５に例示する換気量不足判定用マップを用いて行なわれる。即ち、発電出力Ｖｏと温度差ΔＴとが換気量不足判定用マップのＯＫ領域に属している場合には換気量に不足が生じていないと判定し、ＮＧ領域に属している場合には換気量に不足が生じていると判定する。上述したように、換気ファン２４は吸気口２２ａ付近に設けられ、換気ファン２４の駆動により吸気口２２ａから吸入されたエアは、パワーコンディショナ７１を冷却した後、補機類を通過してから、排気口２２ｂから排出される。このため、換気量が不足してパワーコンディショナ７１や補機類が十分に冷却されないと、内部に熱がこもり、温度差ΔＴが小さくなり易い。一方、パワーコンディショナ７１や補機類の発熱量は発電出力Ｖｏが大きいほど大きくなるため、温度差ΔＴは発電出力Ｖｏが大きいほど大きくなり易い。したがって、こうした傾向を考慮して換気量不足判定用マップの温度差ΔＴと発電出力ＶｏとＯＫ領域およびＮＧ領域との関係を定めることにより、発電出力Ｖｏと温度差ΔＴとに基づいて筐体２２内の換気量に不足が生じているか否かを判定することができる。なお、この判定は、発電出力Ｖｏが大きいほど大きくなるよう閾値を定め、パワコン部温度Ｔｐが閾値よりも高いか否かにより行なったり、機器内部温度Ｔａが閾値よりも高いか否かにより行なったりするものとしてもよい。また、換気経路に流量センサを設け、流量センサにより検出されるエアの流量（換気量）が所定量未満か否かを判定することにより行なうものとしてもよい。ＣＰＵ８１は、換気量が不足していないと判定すると（Ｓ３３０で「ＮＯ」）、可燃ガスセンサ９１への通電を停止したまま、本ルーチンを終了する。これにより、可燃ガスセンサ９１の熱による劣化を遅らせることができ、その寿命を延ばすことができる。

一方、ＣＰＵ８１は、換気量が不足していると判定すると（Ｓ３３０で「ＹＥＳ」）、リレー９１ａをオンとして可燃ガスセンサ９１へ通電し（Ｓ３４０）、所定時間（例えば、数十分）が経過するのを待って（Ｓ３５０）、リレー９１ａをオフとして可燃ガスセンサ９１への通電を停止して（Ｓ３６０）、本ルーチンを終了する。このように、筐体２２内の換気量が十分でない場合には、筐体２２内でガス漏れが発生した場合に可燃ガスが外部へ排出されないため、安全性が十分に担保できないと判断して、可燃ガスセンサ９１を通電し、可燃ガスセンサ９１を用いてガス漏れの有無を検出するのである。

第２発電時可燃ガスセンサ間欠通電制御は、図６に示すルーチンを実行することにより行なわれる。第２発電時可燃ガスセンサ間欠通電制御では、まず、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）や流量センサ５４により検出されるエアの流量（エア流量Ｆａ）、可燃ガスポンプ４５の制御に用いられたガスポンプデューティ比Ｄｇ、エアブロワ５３の制御に用いられたエアブロワデューティ比Ｄａを入力する（Ｓ４００）。そして、ガス流量Ｆｇとガスポンプデューティ比Ｄｇとに基づいて原燃料ガス供給管４１からガス漏れが生じているか否かを判定すると共に（Ｓ４１０）、エア流量Ｆａとエアブロワデューティ比Ｄａとに基づいてエア供給管５１からエア漏れが生じているか否かを判定する（Ｓ４２０）。ガス漏れの判定は、具体的には、図７に例示するガス漏れ判定用マップを用いて行なわれる。即ち、ガス流量Ｆｇとガスポンプデューティ比Ｄｇとがガス漏れ判定用マップのＯＫ領域に属している場合にはガス漏れは生じていないと判定し、ＯＫ領域よりもガスポンプデューティ比Ｄｇの値が大きい或いはガス流量Ｆｇの値が小さい第１ＮＧ領域に属している場合には原燃料ガスポンプ４５の吸入側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生じていると判定し、ＯＫ領域よりもガスポンプデューティ比Ｄｇの値が小さい或いはガス流量Ｆｇの値が大きい第２ＮＧ領域に属している場合には配管の圧力損失が規定よりも低い状態であり流量センサ４８の下流側でガス漏れが生じていると判定する。一方、エア漏れの判定は、具体的には、図８のエア漏れ判定用マップを用いて行なわれる。即ち、エア流量Ｆａとエアブロワデューティ比Ｄａとがエア漏れ判定用マップのＯＫ領域に属している場合にはエア漏れは生じていないと判定し、ＯＫ領域よりもエアブロワデューティ比Ｄａの値が小さい或いはエア流量Ｆａが大きいＮＧ領域に属している場合には配管の圧力損失が規定よりも低い状態であり流量センサ５４の下流側でエア漏れが生じていると判定する。ＣＰＵ８１は、判定の結果、ガス漏れとエア漏れのいずれも発生していないときには（Ｓ４３０で「ＮＯ」およびＳ４４０で「ＮＯ」）、可燃ガスセンサ９１への通電を停止したまま、本ルーチンを終了する。これにより、可燃ガスセンサ９１の熱による劣化を遅らせることができ、その寿命を延ばすことができる。

一方、ＣＰＵ８１は、判定の結果、ガス漏れとエア漏れのいずれかが発生しているときには（Ｓ４３０で「ＹＥＳ」またはＳ４４０で「ＹＥＳ」）、リレー９１ａをオンとして可燃ガスセンサ９１へ通電し（Ｓ４５０）、所定時間（例えば、数十分）が経過するのを待って（Ｓ４６０）、リレー９１ａをオフとして可燃ガスセンサ９１への通電を停止して（Ｓ４７０）、本ルーチンを終了する。このように、原燃料ガス供給管４１にガス漏れが発生したと判定すると、安全性を担保するために可燃ガスセンサ９１を通電し、可燃ガスセンサ９１を用いてガス漏れの有無を検出するのである。また、エア供給管５１にエア漏れが発生したと判定すると、後述する燃料電池スタック３６の運転状態に基づいてガス漏れを判定することが困難となるため、安全性を担保するために可燃ガスセンサ９１を通電し、可燃ガスセンサ９１を用いてガス漏れの有無を検出するのである。

図９は、ガス漏れ箇所ごとの可燃ガスセンサを用いた異常検出の可否と可燃ガスセンサ以外での異常検出の可否とを説明する説明図である。可燃ガスセンサ９１は、排気口２２ｂ付近に配置され、システムの起動に伴って換気ファン２４を作動させるため、システムの起動中、発電中を問わず、いずれの箇所からの可燃ガス漏れを検出することができる。一方、可燃ガスセンサ９１以外で可燃ガス漏れを検出しようとする場合、原燃料ガスの流量センサ４８と原燃料ガスポンプ４５との間と、原燃料ガスポンプ４５と燃料電池スタック３６との間は、システムの起動中には、例えば、温度センサ９２により検出される燃焼部３４の温度に基づいて着火異常や失火異常を判定することによりガス漏れの可能性を検出することができ、システムの発電中には、電圧センサ９６により検出される発電出力Ｖｏに基づいてスタック電圧の低下を判定したり、温度センサ９３により検出される燃焼触媒３７の温度に基づいて燃焼触媒３７の高温異常を判定したりすることによりガス漏れの可能性を検出することができる。一方、原燃料ガス供給弁４１，４２と流量センサ４８との間は、発電中は上述したガスポンプデューティ比Ｄｇとエアブロワデューティ比Ｄａに基づいてガス漏れの可能性を検出することができるものの、システムの起動中は可燃ガスセンサ９１以外にガス漏れを検出する手段がない。したがって、本実施例では、システムの起動中は、可燃ガスセンサ９１へ通電する一方、発電中は、可燃ガスセンサ９１への通電を必要に応じて間欠的に行なうことにより、可燃ガスセンサ９１の熱による劣化を遅らせて、その寿命を向上させることができる。なお、可燃ガス漏れ異常が発生したと判定した場合、原燃料ガス供給弁４２，４３を閉弁してシステムを停止させる。そして、可燃ガス漏れ異常と判定した場合にはガス漏れ箇所の対策を促す警告表示を表示パネル９０に出力する。

図３の可燃ガスセンサ通電制御ルーチンに戻って、こうして、第１発電時可燃ガスセンサ間欠通電制御と第２発電時可燃ガスセンサ間欠通電制御とを繰り返しているときに、Ｓ２１０で発電を停止すると判定すると、停止制御を開始すると共に（Ｓ２２０）、リレー９１ａをオンとして可燃ガスセンサ９１へ通電する（Ｓ２３０）。停止制御は、熱応力による損傷を防止するために、燃料電池スタック３６の温度が緩やかに下降するよう燃料ガスの供給量と酸化剤ガスの供給量とを調整し、燃料電池スタック３６の温度が所定温度まで下降すると、原燃料ガス供給弁４２，４３を閉弁すると共に補機類を停止することにより行なわれる。

ＣＰＵ８１は、停止制御が完了すると（Ｓ２４０）、所定時間（例えば、数十分）が経過するのを待ってから（Ｓ２５０）、リレー９１ａをオフとして可燃ガスセンサ９１への通電を停止して（Ｓ２６０）、本ルーチンを終了する。本実施例では、システムの停止中も燃料電池スタック３６の運転状態に基づいてガス漏れを検出することが困難であるから、可燃ガスセンサ９１を通電することにより、システムの停止中もガス漏れが生じていないかどうかを検出し、安全性を担保している。また、停止制御が完了した後も、所定時間の間、可燃ガスセンサ９１の通電を維持するから、システム停止時のガス漏れの検出漏れをより確実に抑制することができる。

以上説明した本実施例の燃料電池システム１０は、システムの起動中と停止中にはリレー９１ａをオンとして可燃ガスセンサ９１へ通電し、システムの運転中にはリレー９１ａをオフとして可燃ガスセンサ９１への通電を停止すると共にシステムの運転状態に基づいて可燃ガス漏れの可能性を判定する。これにより、可燃ガスセンサ９１への通電に伴う劣化の進行を遅らせることができる。また、可燃ガスセンサ９１の通電を停止しているときも、システムの運転状態に基づいて可燃ガス漏れの可能性を判定することができるため、安全性を担保することができる。このように、可燃ガスセンサ９１を用いたガス漏れの検出が不要な場面で可燃ガスセンサ９１への通電を停止することにより、可燃ガスセンサ９１の劣化の進行を遅らせて、その寿命を延長させることができる。この結果、メンテナンス時期や交換時期を延長し、コストアップを抑制することができる。

実施例では、システムの停止が完了した後も、所定時間の間、可燃ガスセンサ９１への通電を維持するものとしたが、システムの停止が完了した直後に、可燃ガスセンサ９１への通電を停止するものとしてもよい。

実施例では、システムの停止中は可燃ガスセンサ９１へ通電させるものとしたが、可燃ガスセンサ９１の通電を停止するものとしてもよい。

実施例では、システムの起動中に燃焼部３４の燃焼状態が安定したときに所定時間の間、換気量を減量するものとしたが、減量させないものとしてもよい。

実施例では、ガス漏れを検出するための可燃ガスセンサ９１を１つだけ備えるものとしたが、可燃ガスセンサ９１を複数備えるものとしてもよい。この場合、複数の可燃ガスセンサのうち通電するセンサを順次切り替えることにより、メンテナンス時期や交換時期をさらに延長させることができる。また、可燃ガスセンサに通電するタイミングで複数の可燃ガスセンサに同時に通電し、複数の可燃ガスセンサがいずれもガス漏れを検出した場合にガス漏れが発生したと判定し、複数の可燃ガスセンサのうち一方のセンサでガス漏れを検出し他方のセンサでガス漏れを検出しなかった場合にいずれかの可燃ガスセンサに故障が発生したと判定するものとしてもよい。

実施例では、可燃ガスセンサとして触媒燃焼式可燃ガスセンサを用いるものとしたが、例えば、半導体式可燃ガスセンサや熱線半導体式可燃ガスセンサ、固体電解質式可燃ガスセンサなど、通電により内蔵するヒータが発熱等して劣化が進む可能性のあるものであれば、如何なる方式の可燃ガスセンサにも適用することができる。

実施例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。実施例では、可燃ガスセンサ９１が「可燃ガスセンサ」に相当し、リレー９１ａが「継断器」に相当し、制御装置８０が「制御装置」に相当する。また、換気ファン２４が「換気装置」に相当し、発電モジュール３０が「発電モジュール」に相当し、燃焼部３４が「燃焼部」に相当する。また、原燃料ガス供給装置４０が「燃料ガス供給装置」に相当し、流量センサ４８が「燃料ガス流量センサ」に相当する。また、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５４が「酸化剤ガス流量センサ」に相当する。

なお、実施例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、実施例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、実施例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例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例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タイマ、９０表示パネル、９１可燃ガスセンサ、９１ａリレー、９２〜９５温度センサ、９６電圧センサ、１００給湯ユニット、１０１貯湯タンク。

Claims

燃料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、
可燃ガス漏れを検出するための可燃ガスセンサと、
前記可燃ガスセンサへの通電と該通電の停止とが可能な継断器と、
システムの起動中と停止中とのうち少なくとも起動中には前記可燃ガスセンサへ通電されるよう前記継断器を制御し、システムの運転中に所定条件が成立しているときには前記可燃ガスセンサへの通電が停止されるよう前記継断器を制御すると共にシステムの運転状態に基づいて可燃ガス漏れの可能性を判定する制御装置と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池を収容すると共に、前記燃料電池を通過した燃料ガスおよび酸化剤ガスを燃焼させる燃焼部を有する発電モジュールと、
システム内部を換気する換気装置と、
を備え、
前記制御装置は、システムの起動を開始する際に前記換気装置の作動を開始し、システム起動中に前記燃焼部の燃焼状態が安定したときに所定時間、システム内部の換気量が減少するよう前記換気装置を制御する、
燃料電池システム。
請求項１または２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、
前記所定条件は、システム運転中の前記換気装置の換気量が正常なときに成立する条件である、
燃料電池システム。
請求項１ないし３いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池側へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
前記燃料電池側へ供給される燃料ガスの流量を検出する燃料ガス流量センサと、
を備え、
前記制御装置は、前記燃料ガス流量センサにより検出される燃料ガスの流量が目標流量となるように制御量を設定して前記燃料ガス供給装置を制御し、
前記所定条件は、前記設定した制御量が適正範囲内にあるときに成立する条件である、
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、
前記燃料電池側へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池側へ供給される酸化剤ガスの流量を検出する酸化剤ガス流量センサと、
を備え、
前記制御装置は、前記酸化剤ガス流量センサにより検出される酸化剤ガスの流量が目標流量となるように制御量を設定して前記酸化剤ガス供給装置を制御し、
前記所定条件は、前記設定した制御量が適正範囲内にあるときに成立する条件である、
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、
前記制御装置は、システムの停止中に前記可燃ガスセンサへ通電されるよう前記継断器を制御し、システムの停止が完了した後も、所定時間、前記可燃ガスセンサへの通電が維持されるよう前記継断器を制御する、
燃料電池システム。
請求項１ないし６いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御装置は、システムの運転中は、前記燃料電池の運転状態として、少なくとも該燃料電池の発電出力に基づいて可燃ガス漏れの可能性を判定する、
燃料電池システム。