JP2018206685A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼器の失火を回避しつつ、発電効率の向上を図ることができる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】燃料電池システム１は、燃料電池２と、燃料ガス供給路１１と、酸化剤ガス供給路１２と、燃焼器３と、燃料ガス調整部４と、酸化剤ガス調整部５と、保炎装置６と、制御装置７と、を備えている。制御装置７は、燃料ガス調整部４によって燃料ガスの流量を変動させる際と、酸化剤ガス調整部５によって酸化剤ガスの流量を変動させる際との少なくとも一方において、保炎装置６を作動させるよう構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムとして、燃料ガスを利用して発電する燃料電池と、燃料電池から排出された燃料ガスを燃焼させる燃焼器とを備えるものがある。かかる燃料電池システムにおいては、燃焼器内の燃料ガスの濃度が低下することによって燃焼状態が変動し、燃焼器が失火することがある。このような不具合を抑制すべく、特許文献１に記載の燃料電池システムは、燃焼器内の燃料ガスの濃度が低下する際に、燃焼器に供給される燃料ガスの流量を増加させる。

特開２００６−３１８７１４号公報

しかしながら、上記燃料電池システムにおいて、燃焼器に供給される燃料ガスは、燃料電池の発電に利用されないガスである。つまり、燃焼器に供給される燃料ガスの流量を増加させる場合、燃料電池には、発電に利用されない燃料ガスを過剰に供給することとなる。そのため、燃料電池システム全体の効率が低下する。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、燃焼器の失火を回避しつつ、発電効率の向上を図ることができる燃料電池システムを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、アノード流路（２１）とカソード流路（２２）とを有する燃料電池（２）と、
燃料ガスを上記アノード流路に供給する燃料ガス供給路（１１）と、
酸化剤ガスを上記カソード流路に供給する酸化剤ガス供給路（１２）と、
上記アノード流路から排出された排出燃料ガスと上記カソード流路から排出された排出酸化剤ガスとを混合した混合気を燃焼させる燃焼器（３）と、
上記燃料ガスの流量を調整する燃料ガス調整部（４）と、
上記酸化剤ガスの流量を調整する酸化剤ガス調整部（５）と、
上記燃焼器における火炎を維持するための保炎装置（６）と、
上記燃料ガス調整部、上記酸化剤ガス調整部及び上記保炎装置を制御する制御装置（７）と、
を備え、
上記制御装置は、上記燃料ガス調整部によって上記燃料ガスの流量を変動させる際と、上記酸化剤ガス調整部によって上記酸化剤ガスの流量を変動させる際との少なくとも一方において、上記保炎装置を作動させるよう構成されている、燃料電池システム（１）にある。

上記燃料電池システムは、上記保炎装置と、上記制御装置とを有する。上記制御装置は、上記燃料ガス調整部によって燃料ガスの流量を変動させる際と、上記酸化剤ガス調整部によって酸化剤ガスの流量を変動させる際との少なくとも一方において、上記保炎装置を作動させる。燃料ガス調整部によって燃料ガスの流量を変動させる際や酸化剤ガス調整部によって酸化剤ガスの流量を変動させる際には、燃焼器に供給される排出燃料ガスと排出酸化剤ガスとの割合が変動するおそれがある。かかるタイミングにて、保炎装置を作動させることによって燃焼器の火炎を維持することができる。

また、これにより、燃焼器の失火の防止を考慮して、燃焼器に供給される排出燃料ガスの流量を増加させるなどの必要がなくなる。
また、燃焼器の保炎のために排出燃料ガスの流量を増加させる必要も無いため、燃料電池において、発電に利用されない燃料ガスの供給量の増加を抑制することができる。その結果、上記燃焼器の失火を回避しつつ、発電効率を向上させることができる。

以上のごとく、上記態様によれば、燃焼器の失火を回避しつつ、発電効率の向上を図ることができる燃料電池システムを提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、燃料電池システムの構成を示す説明図。 実施形態１における、（ａ）燃料電池に供給される燃料ガスの流量の変動を示すグラフ、（ｂ）燃料電池に供給される酸化剤ガスの流量の変動を示すグラフ、（ｃ）燃料電池の電流の変動を示すグラフ、（ｄ）保炎装置の作動タイミングを示すグラフ。 実施形態１における、（ａ）燃焼器に供給される排出燃料ガスの流量の変動を示すグラフ、（ｂ）燃焼器に供給される排出酸化剤ガスの流量の変動を示すグラフ、（ｃ）保炎装置の作動タイミングを示すグラフ。 実施形態２における、（ａ）燃料電池に供給される燃料ガスの流量の変動を示すグラフ、（ｂ）燃料電池に供給される酸化剤ガスの流量の変動を示すグラフ、（ｃ）燃料電池の電流の変動を示すグラフ、（ｄ）保炎装置の作動タイミングを示すグラフ。 実施形態２における、（ａ）燃焼器に供給される排出燃料ガスの流量の変動を示すグラフ、（ｂ）燃焼器に供給される排出酸化剤ガスの流量の変動を示すグラフ、（ｃ）保炎装置の作動タイミングを示すグラフ。 実施形態３における、（ａ）燃料電池に供給される燃料ガスの流量の増加変動を示すグラフ、（ｂ）燃料電池に供給される酸化剤ガスの流量の増加変動を示すグラフ、（ｃ）燃料電池の電流の増加変動を示すグラフ、（ｄ）保炎装置の印加電圧の変動を示すグラフ。 実施形態３における、（ａ）燃焼器に供給される排出燃料ガスの流量の増加変動を示すグラフ、（ｂ）燃焼器に供給される排出酸化剤ガスの流量の増加変動を示すグラフ、（ｃ）保炎装置の印加電圧の変動を示すグラフ。 実施形態３における、（ａ）燃料電池に供給される燃料ガスの流量の減少変動を示すグラフ、（ｂ）燃料電池に供給される酸化剤ガスの流量の減少変動を示すグラフ、（ｃ）燃料電池の電流の減少変動を示すグラフ、（ｄ）保炎装置の印加電圧の変動を示すグラフ。 実施形態３における、（ａ）燃焼器に供給される排出燃料ガスの流量の減少変動を示すグラフ、（ｂ）燃焼器に供給される排出酸化剤ガスの流量の減少変動を示すグラフ、（ｃ）保炎装置の印加電圧の変動を示すグラフ。 実施形態４における、燃焼器に取り付けたグロープラグ及び点火プラグの説明図。

（実施形態１）
燃料電池システムに係る実施形態について、図面を参照して説明する。
本実施形態の燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料電池２と、燃料ガス供給路１１と、酸化剤ガス供給路１２と、燃焼器３と、燃料ガス調整部４と、酸化剤ガス調整部５と、保炎装置６と、制御装置７と、を備えている。

燃料電池２は、アノード流路２１とカソード流路２２とを有する。燃料ガス供給路１１は、燃料ガスをアノード流路２１に供給する。酸化剤ガス供給路１２は、酸化剤ガスをカソード流路２２に供給する。燃焼器３は、アノード流路２１から排出された排出燃料ガスとカソード流路２２から排出された排出酸化剤ガスとを混合した混合気を燃焼させる。燃料ガス調整部４は、燃料ガスの流量を調整する。酸化剤ガス調整部５は、酸化剤ガスの流量を調整する。保炎装置６は、燃焼器３における火炎を維持する。制御装置７は、燃料ガス調整部４、酸化剤ガス調整部５及び保炎装置６を制御する。

制御装置７は、図２に示すごとく、燃料ガス調整部４によって燃料ガスの流量を変動させる際と、酸化剤ガス調整部５によって酸化剤ガスの流量を変動させる際との少なくとも一方において、保炎装置６を作動させるよう構成されている。特に本実施形態においては、燃料ガスの流量を変動させる際と、酸化剤ガスの流量を変動させる際との双方において、保炎装置６を作動させる。

本実施形態の燃料電池システム１は、燃料ガスに含有される水素と、酸化剤ガスに含有される酸素とを、燃料電池２において反応させて、発電する。燃料電池２は、アノード流路２１とカソード流路２２との間に配設された電解質体を有している。本実施形態においては、電解質体として固体酸化物セラミックスを用いた、固体酸化物型燃料電池（すなわち、ＳＯＦＣ）を、燃料電池２とすることができる。

本実施形態において、燃料ガス調整部４は、燃料ガス供給路１１に設けられている。燃料電池システム１は、循環路１３と、循環装置としてのエジェクタ８とを更に備える。循環路１３は、アノード流路２１から排出された排出燃料ガスの一部を、燃料ガス供給路１１における燃料ガス調整部４よりも下流側に、循環ガスとして循環させる。エジェクタ８は、燃料ガス供給路１１における燃料ガス調整部４よりも下流側に設けられ、燃料ガス供給路１１を流れる燃料ガスの流れを駆動流として利用して、循環ガスを吸引する。

燃料ガス供給路１１におけるエジェクタ８の下流側には、燃料ガスを改質する改質器１４が設けてある。燃料ガス供給路１１の上流端から、改質前の燃料ガスＦが導入される。燃料ガスＦは、燃料ガス調整部４を介してエジェクタ８へ送り込まれる。燃料ガス調整部４は、流量調整可能なブロアであり、このブロアによって燃料ガスＦがエジェクタ８へ送り込まれる。このエジェクタ８へ送り込まれた燃料ガスＦが、駆動流となる。

そして、燃料ガスＦは、エジェクタ８において吸引流として吸引された循環ガスとともに、改質器１４へ送り込まれる。燃料ガスＦは、改質器１４において水素を含む燃料ガスに改質される。この改質後の燃料ガスが、燃料電池２のアノード流路２１に供給される。
改質前の燃料ガスＦとしては、例えば、炭化水素の一種であるメタンを用いることができる。

エジェクタ８は、ノズル部８１と、吸引部８２と、吐出部８３と、を有する。ノズル部８１は、燃料ガス供給路１１の上流側から導入された燃料ガスを、駆動流として噴射する。吸引部８２は、ノズル部８１から噴射される駆動流によって循環路１３から循環ガスを、吸引流として吸引する。吐出部８３は、駆動流と吸引流とを混合した混合流を、下流側の燃料ガス供給路１１へ吐出する。

酸化剤ガス供給路１２には、酸化剤ガス調整部５が設けてある。酸化剤ガス調整部５は、流量調整可能なブロアである。酸化剤ガス供給路１２の上流端から、酸化剤ガスＡが導入される。酸化剤ガスＡは、酸化剤ガス調整部５としてのブロアによって燃料電池２のカソード流路２２へ送り込まれる。
酸化剤ガスＡとしては、例えば空気を用いることができる。

上記のように、アノード流路２１に供給された燃料ガス中の水素と、カソード流路２２に供給された酸化剤ガス中の酸素とが、燃料電池２において反応して、発電が行われる。燃料電池２と燃焼器３とは、アノード流路２１から排出された排出燃料ガスが流れる燃料ガス排出路１５と、カソード流路２２から排出された排出酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス排出路１６とによって接続されている。循環路１３は、排出燃料ガスの一部を、燃料ガス排出路１５から、燃料ガス供給路１１における改質器１４よりも上流側に、循環ガスとして循環させる。燃焼器３に供給された排出燃料ガス及び排出酸化剤ガスは、燃焼器３において燃焼する。そして、これらの燃焼後の燃焼ガスは、燃焼器３から排出される。

本実施形態において、保炎装置６は点火プラグである。点火プラグは、一対の放電電極の間に電圧を印加することにより発生させる放電火花によって、混合気に点火するよう構成されている。なお、燃焼器３において燃焼を開始する際に用いられる初期点火用の点火プラグが、保炎装置６としての点火プラグを兼ねたものとすることができる。或いは、燃焼器３は、初期点火用の点火プラグとは別個に、保炎装置６としての点火プラグを備えていてもよい。

保炎装置６は、燃焼器３の内部に配置されている。制御装置７は、燃料ガス調整部４によって燃料ガスの流量を変動させる際と、酸化剤ガス調整部５によって酸化剤ガスの流量を変動させる際との少なくとも一方において、保炎装置６を作動させるよう構成されている。

燃料供給路１１における燃料ガスの流量を変動させる際や、酸化剤ガス供給路１２における酸化剤ガスの流量を変動させる際には、燃焼器３に供給される排出燃料ガスと排出酸化剤ガスとの割合が変動し得る。燃焼器３に供給される排出燃料ガスと排出酸化剤ガスとの割合が大きく変動すると、燃焼器３が失火するおそれがある。そのため、制御装置７は、燃焼器３における火炎を維持するよう、保炎装置６を作動させる。本実施形態においては、燃料ガス調整部４によって燃料ガスの流量を変動させる際と、酸化剤ガス調整部５によって酸化剤ガスの流量を変動させる際との双方において、保炎装置６を作動させるよう構成されている。

ここで、保炎装置６の作動のタイミングの説明に先立ち、燃料電池２に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの流量の変動と、燃料電池２の出力電流の変動との一例について、図２（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。

図２（ａ）の曲線Ｌ１は、アノード流路２１に供給される燃料ガスの流量の変動を示すものである。図２（ｂ）の曲線Ｌ２は、カソード流路２２に供給される酸化剤ガスの流量の変動を示すものである。図２（ｃ）の曲線Ｌ３は、燃料電池２の出力電流の変動を示すものである。図２の各グラフは、横軸が時間を示す。図２（ａ）、（ｂ）のグラフは、縦軸が流量を示す。図２（ｃ）のグラフは、縦軸が電流を示す。

なお、厳密には、各曲線Ｌ１、Ｌ２は、各ガスの流量の目標値の変動を示し、曲線Ｌ３は、出力電流の目標値の変動を示す。すなわち、所望の出力電流に応じた適切な燃料ガスの流量及び酸化剤ガスの流量が、各ガスの流量の目標値であり、制御装置７において算出される。そして、所望の出力電流が出力電流の目標値である。アノード流路２１に供給される燃料ガスの流量の目標値を、適宜、流量Ｌ１、カソード流路２２に供給される酸化剤ガスの流量の目標値を、適宜、流量Ｌ２というものとする。また、上述の所望の出力電流が出力電流の目標値を、適宜、電流Ｌ３というものとする。

図２（ｃ）に示すように、燃料電池２の電流Ｌ３を増加させる際、制御装置７は、図２（ｂ）に示すように、酸化剤ガスの流量Ｌ２を増加させた後、図２（ａ）に示すように、燃料ガスの流量Ｌ１を増加させている。また、図２（ｃ）に示すように、燃料電池２の電流Ｌ３を減少させる際、制御装置７は、図２（ａ）に示すように、燃料ガスの流量Ｌ１を減少させた後、図２（ｂ）に示すように、酸化剤ガスの流量Ｌ２を減少させている。

なお、燃料ガスの流量Ｌ１は、酸化剤ガスの流量Ｌ２よりも小さくなるように制御する。燃料ガスの流量Ｌ１が酸化剤ガスの流量Ｌ２よりも大きいと、アノード流路２１に供給された燃料ガス中の水素が、電解質体を通過して、カソード流路２２にリークするおそれがある。この場合、カソード流路２２にリークした水素によって、電解質体に形成されたカソードが焼損し、燃料電池システム１全体の効率が低下するおそれがあるためである。

また、図２（ｄ）の曲線Ｌ４は、保炎装置６の作動のオンオフの時間変化を示す。同図に示すごとく、保炎装置６の作動のオンオフを、燃料ガスの流量Ｌ１及び酸化剤ガスの流量Ｌ２の変動に合わせて制御する。つまり、流量Ｌ２を変動させた後、流量Ｌ１を変動させるまでの期間を含む時間帯において、保炎装置６を作動させる。

次に、燃焼器３への排出燃料ガス及び排出酸化剤ガスの流量の変動と、保炎装置６の作動のタイミングとについて、図３（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。
図３（ａ）の曲線Ｌ１１は、燃焼器３に供給される排出燃料ガスの流量の変動を示すものである。図３（ｂ）の曲線Ｌ２１は、燃焼器３に供給される排出酸化剤ガスの流量の変動を示すものである。図３（ｃ）の曲線Ｌ４は、保炎装置６のオンオフの時間変化を示すものである。図３の各グラフは、横軸が時間を示す。図３（ａ）、（ｂ）のグラフは、縦軸が流量を示す。

なお、各曲線Ｌ１１、Ｌ２１は、燃焼器３に供給される各ガスの流量の推測値である。これらの推測値は、上述した流量Ｌ１、Ｌ２と、各流路における圧力損失、その他の各種物理量に基づいて推測される。燃焼器３に供給される排出燃料ガスの流量の推測値を、適宜、流量Ｌ１１といい、燃焼器３に供給される排出酸化剤ガスの流量の推測値を、適宜、流量Ｌ２１というものとする。

燃焼器３に供給される排出燃料ガスの流量Ｌ１１は、燃料ガス調整部４による燃料ガスの流量Ｌ１の変動に応じて変動する。まず、制御装置７からの指令に基づいて、アノード流路２１への燃料ガスの流量Ｌ１が適切な値となるように、燃料ガス調整部４が制御される。つまり、図２に示すごとく、所望の出力電流Ｌ３に応じて、燃料ガスの流量Ｌ１を変動させる。

アノード流路２１に供給される燃料ガスの流量Ｌ１が変動すると、アノード流路２１から排出される排出燃料ガスの流量も変動することとなる。その結果、図３（ａ）に示すように、燃焼器３に供給される排出燃料ガスの流量Ｌ１１が変動する。

また、燃焼器３に供給される排出酸化剤ガスの流量Ｌ２１は、酸化剤ガス調整部５による酸化剤ガスの流量の変動に応じて変動する。まず、制御装置７からの指令に基づいて、カソード流路２２への酸化剤ガスの流量Ｌ２が適切な値となるように、酸化剤ガス調整部５が制御される。つまり、図２に示すように、所望の出力電流Ｌ３に応じて、酸化剤ガスの流量Ｌ２を変動させる。

カソード流路２２に供給される酸化剤ガスの流量Ｌ２が変動すると、カソード流路２２から排出される排出酸化剤ガスの流量が変動する。その結果、図３（ｂ）に示すように、燃焼器３に供給される排出酸化剤ガスの流量Ｌ２１が変動する。

上述のように、燃料電池２の電流を増加させる際、制御装置７は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、酸化剤ガスの流量Ｌ２を増加させた後、燃料ガスの流量Ｌ１を増加させる。これに伴い、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、燃焼器３に供給される排出酸化剤ガスの流量Ｌ２１が増加した後、燃焼器３に供給される排出燃料ガスの流量Ｌ１１が増加する。排出酸化剤ガスの流量Ｌ２１が増加し始めてから排出燃料ガスの流量Ｌ１１が増加し終わるまでの間は、燃焼器３に供給される排出燃料ガス及び排出酸化剤ガスのうち、排出燃料ガスの割合が少なくなる。したがって、燃焼器３内の排出燃料ガスの濃度が低下して、燃焼器３が失火する要因となり得る。

特に、酸化剤ガス調整部５によって酸化剤ガスの流量Ｌ２を増加させる際、酸化剤ガスの流量が酸化剤ガスの流量の目標値を一時的に上回るオーバーシュートが発生することがある。この場合、図３（ｂ）のＳ１に示すように、燃焼器３に供給される排出酸化剤ガスの流量Ｌ２１は、一時的に特に大きくなった後、少し低下して一定の値に落ち着く。

また、燃料ガス調整部４によって燃料ガスの流量Ｌ１を増加させる際、図３（ａ）のＣ１に示すように、燃焼器３に供給される排出燃料ガスの流量Ｌ１１が増加する直前に、一時的に減少する。これは、燃料ガスの流量Ｌ１を増加させる際には、エジェクタ８への駆動流の流速が高くなるため、エジェクタ８の吸引部８２に吸引される循環ガスの流量が増加するためであると考えられる。つまり、燃料ガス排出路１５における排出燃料ガスが、循環路１３を介して循環する循環ガスの量が多くなることにより、一時的に、排出燃料ガスの流量が低下するためと考えられる。

このように、燃焼器３に供給される排出酸化剤ガスの流量Ｌ２１が一時的に増加したり、燃焼器３に供給される排出燃料ガスの流量Ｌ１１が一時的に減少したりする場合、特に、燃焼器３内の排出燃料ガスの濃度が低下しやすい。そのため、これらのタイミングでは、特に、流量Ｌ１１及びＬ２１の変動が燃焼器３の失火の要因となりやすくなる。

そこで、制御装置７は、燃焼器３内の排出燃料ガスの濃度が低下する時間帯において、保炎装置６を作動させる。すなわち、燃焼器３に供給される排出酸化剤ガスの流量Ｌ２１が増加し始めてから排出燃料ガスの流量Ｌ１１が増加し終わるまでの間において、保炎装置６を作動させる。

より具体的には、制御装置７は、酸化剤ガス調整部５によって酸化剤ガスの流量Ｌ２を増加させる際に、保炎装置６の作動を開始する。すなわち、制御装置７は、酸化剤ガスの流量Ｌ２を増加させたとき、図３（ｃ）に示すように、保炎装置６をオン状態にする。このタイミングは、図３に示すごとく、排出酸化剤ガスの流量Ｌ２１が増加し始めるタイミングと略一致するか、或いは若干早めのタイミングとなる。そして、制御装置７は、排出燃料ガスの流量Ｌ１１が増加し終わる時点に合わせて、保炎装置６をオフ状態にする。

なお、本実施形態においては、制御装置７が燃料ガスの流量Ｌ１の目標値を増加させてから所定の時間ｔ１が経過したとき、排出燃料ガスの流量Ｌ１１が増加し終わったと推定する。つまり、制御装置７は、燃料ガスの流量Ｌ１の目標値を増加させてから所定の時間ｔ１が経過したとき、保炎装置６をオフに切り替える。ここで、時間ｔ１は、燃料ガス調整部４の応答遅れ、燃料ガス調整部４から燃焼器３までの流路の長さや抵抗などを考慮して、適宜設定される。

図２に示すごとく、酸化剤ガスの流量Ｌ２を増加させた後に燃料ガスの流量Ｌ１を増加させる時間帯は、複数存在する。これらの時間帯の何れにおいても、上記のような保炎装置６による、保炎の制御を行う。これにより、燃焼器３内の排出燃料ガスの濃度が低下する複数の時間帯において、燃焼器３の火炎を維持することができる。

また、図２に示すごとく、燃料電池２の電流Ｌ３を減少させる際には、制御装置７は、図２（ａ）に示すように、燃料ガスの流量Ｌ１を減少させた後、図２（ｂ）に示すように、酸化剤ガスの流量Ｌ２を減少させる。それゆえ、図３（ａ）に示すように、排出燃料ガスの流量Ｌ１１が減少した後、図３（ｂ）に示すように、排出酸化剤ガスの流量Ｌ２１が減少する。

ここで、燃料ガス調整部４によって燃料ガスの流量Ｌ１を減少させる際、図３（ａ）のＣ２に示すように、燃焼器３に供給される排出燃料ガスの流量Ｌ１１は、減少する直前に、一時的に増加する。これは、エジェクタ８の吸引部８２に吸引される循環ガスの流量が減少するためであると考えられる。すなわち、燃料排出路１５から循環路１３を介して循環する循環ガスの量が少なくなることにより、一時的に、燃焼器３へ送られる排出燃料ガスの流量Ｌ１１が上昇するためと考えられる。

また、酸化剤ガス調整部５によって酸化剤ガスの流量Ｌ２を減少させる際、酸化剤ガスの流量が酸化剤ガスの流量の目標値を一時的に下回るアンダーシュートが発生することがある。この場合、図３（ｂ）のＳ２に示すように、燃焼器３に供給される排出酸化剤ガスの流量Ｌ２１は、一時的に特に減少した後、少し上昇して一定値に落ち着く。

上述のように、燃料ガスの流量Ｌ１を減少させた後、酸化剤ガスの流量Ｌ２を減少させる際においても、燃焼器３内の排出燃料ガスと排出酸化剤ガスとの割合が変動して、燃焼器３における失火の原因となるおそれがある。すなわち、燃焼器３内の排出燃料ガスの濃度が上昇しすぎたり、或いは低下しすぎたりして、燃焼器３が失火するおそれがある。

そこで、制御装置７は、このような、燃焼器３内の排出燃料ガスの濃度が変動する時間帯においても、保炎装置６を作動させる。
より具体的には、制御装置７は、燃料ガス調整部４によって燃料ガスの流量Ｌ１を減少させる際に、保炎装置６の作動を開始する。すなわち、制御装置７は、燃料ガスの流量Ｌ１を減少させたとき、図３（ｃ）に示すように、保炎装置６をオン状態にする。このタイミングは、図３に示すごとく、流量Ｌ１１が一時的に上昇し始めるタイミングに略一致するか、或いは若干早めのタイミングとなる。そして、制御装置７は、排出酸化剤ガスの流量Ｌ２１が低下し終わる時点に合わせて、保炎装置６をオフ状態にする。

なお、制御装置７が酸化剤ガスの流量Ｌ２の目標値を減少させてから所定の時間ｔ２が経過したとき、排出酸化剤ガスの流量Ｌ２１が低下し終わった（すなわち、排出酸化剤ガスの流量が収束した）と推定する。つまり、制御装置７は、酸化剤ガスの流量Ｌ２の目標値を増加させてから所定の時間ｔ２が経過したとき、保炎装置６をオフに切り替える。ここで、時間ｔ２は、酸化剤ガス調整部５の応答遅れ、酸化剤ガス調整部５から燃焼器３までの流路の長さや抵抗などを考慮して、適宜設定される。

これにより、燃焼器３内の排出燃料ガスの濃度が上昇する複数の時間帯において、保炎装置６を作動させて、燃焼器３の火炎を維持することができる。

次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
燃料電池システム１は、保炎装置６と制御装置７とを有する。制御装置７は、燃料ガス調整部４によって燃料ガスの流量を変動させる際と、酸化剤ガス調整部５によって酸化剤ガスの流量を変動させる際との双方において、保炎装置６を作動させる。燃料ガス調整部４によって燃料ガスの流量を変動させる際や酸化剤ガス調整部５によって酸化剤ガスの流量を変動させる際には、燃焼器３に供給される排出燃料ガスと排出酸化剤ガスとの割合が変動するおそれがある。かかるタイミングにて、保炎装置６を作動させることによって燃焼器３の火炎を維持することができる。

すなわち、燃焼器３に供給される排出燃料ガスと排出酸化剤ガスとの割合が変動することに伴って、瞬間的に失火が生じたとしても、保炎装置６が作動していることにより、すぐにガスに点火され、燃焼を持続させることができる。

また、これにより、燃焼器３の失火の防止を考慮して、燃焼器３に供給される排出燃料ガスの流量を増加させるなどの必要がなくなる。
また、燃焼器３の保炎のために燃焼器３に供給される排出燃料ガスの流量を増加させる必要も無い。そのため、燃料電池２において、発電に利用されない燃料ガスの供給量の増加を抑制することができる。その結果、燃焼器３の失火を回避しつつ、発電効率を向上させることができる。

特に本実施形態においては、燃焼器３に供給される排出燃料ガスの流量Ｌ１１及び排出酸化剤ガスの流量Ｌ２１とのうち、排出燃料ガスの流量Ｌ１１の割合が低くなる時間帯において、保炎装置６を作動させる。それゆえ、特に効果的に、燃焼器３における失火を防ぐことができる。

また、本実施形態においては、保炎装置６として、点火プラグを用いている。これにより、燃焼器３における点火を確実に行うことができ、失火を確実に防ぐことができる。また、初期点火用の点火プラグを、保炎装置６として用いることができる。そのため、部品点数を低減することができる。

また、燃焼器３に供給される排出燃料ガスの流量Ｌ１１及び排出酸化剤ガスの流量Ｌ２１のいずれも変動しない時間帯のほとんどは、保炎装置６を作動させない。それゆえ、保炎装置６の長寿命化を図ることができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１は、循環路１３と、循環装置としてのエジェクタ８とを備えている。これにより、システム全体としてのエネルギー効率を向上させることができる。そして、エジェクタ８を用いた構成においては、上述のように、燃焼器３における排出酸化剤ガスと排出燃料ガスとの割合が瞬間的に変動するという現象が生じやすい。つまり、失火の要因となる現象が生じやすい。かかる現象が生じるタイミングを含む時間帯において、保炎装置６を作動させることで、効果的に、燃焼器３における失火を防ぐことができる。

以上のごとく、本実施形態によれば、燃焼器の失火を回避しつつ、発電効率の向上を図ることができる燃料電池システムを提供することができる。

（実施形態２）
本実施形態の燃料電池システム１は、図４、図５に示すごとく、酸化剤ガスの流量Ｌ２を変動させる際には、保炎装置６を作動させない。
本実施形態においては、制御装置７は、図４に示すごとく、燃料ガス調整部４によって燃料ガスの流量Ｌ１を変動させる際において、保炎装置６を作動させる。しかし、酸化剤ガス調整部５によって酸化剤ガスの流量Ｌ２を変動させる際には、保炎装置６を作動させない。

具体的には、燃料ガスの流量Ｌ１を増加させる際と、減少させる際との双方において、保炎装置６を作動させる。
この場合、図５に示すごとく、燃焼器３に供給される排出燃料ガスの流量Ｌ１１が変動する際に、保炎装置６の作動がオンとなる。一方、燃焼器３に供給される排出酸化剤ガスの流量Ｌ２１が変動する際には、保炎装置６は作動していない。

上述のように、燃料ガス調整部４によって燃料ガスの流量Ｌ１を増加させる際、図５（ａ）のＣ１に示すように、燃焼器３に供給される排出燃料ガスの流量Ｌ１１が増加する直前に、一時的に減少する。本実施形態においては、まず、流量Ｌ１１が一時的に減少し始めるタイミングにて、保炎装置６の作動を開始する。そして、流量Ｌ１１が増加し終わるタイミングにて、保炎装置６の作動を終了する。

また、燃料ガス調整部４によって燃料ガスの流量Ｌ１を減少させる際、図５（ａ）のＣ２に示すように、燃焼器３に供給される排出燃料ガスの流量Ｌ１１は、減少する直前に、一時的に増加する。本実施形態においては、この流量Ｌ１１が一時的に増加し始めるタイミングにて、保炎装置６の作動を開始する。そして、流量Ｌ１１が減少し終わるタイミングにて、保炎装置６の作動を終了する。

その他の構成は、実施形態１と同様である。なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

本実施形態においては、保炎装置６の作動時間を短くすることができる。これにより、保炎装置６のさらなる長寿命化を図ることができる。
また、特に燃焼器３に供給される排出燃料ガスの流量Ｌ１１の変動は、燃焼器３における失火の要因となりやすい。それゆえ、かかるタイミングにおいて、保炎装置６が作動するようにすることで、効果的に燃焼器３の失火を回避しつつ、発電効率を向上させることができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態３）
本実施形態の燃料電池システム１においては、図６、図７に示すごとく、保炎装置６に印加する電圧を適宜調整するようにしたものである。
すなわち、制御装置７は、保炎装置６に印加する電圧の大きさを調整することができるよう構成されている。つまり、保炎装置６としての点火プラグに印加する電圧の大きさを調整することができる。

そして、制御装置７は、燃料ガス調整部４によって調整される燃料ガスの流量Ｌ１の変動量と、酸化剤ガス調整部５によって調整される酸化剤ガスの流量Ｌ２の変動量との少なくとも一方に基づいて、保炎装置６に印加する電圧の大きさを調整することができるよう構成されている。

例えば、図６に示すごとく、燃料電池２の出力電流Ｌ３を２段階にて増加させる際に、電流Ｌ３の１回目の増加量よりも２回目の増加量を小さくする場合を考える。この場合、燃料ガスの流量Ｌ１及び酸化剤ガスの流量Ｌ２も２段階にて増加させると共に、１回目の増加量よりも２回目の増加量を小さくする。

このような場合、燃料ガスの流量Ｌ１及び酸化剤ガスの流量Ｌ２の増加量が、より大きい１回目の増加のタイミングにおいて、保炎装置６に印加する電圧Ｖｓをより大きくする。
上記のような場合、図７に示すごとく、燃焼器３に供給される排出燃料ガスの流量Ｌ１１及び排出酸化剤ガスの流量Ｌ２１も、同様に２段階で増加し、１回目の増加量が大きくなる。これに伴い、２回目の増加よりも１回目の増加の際の方が、燃焼器３に供給される排出燃料ガスと排出酸化剤ガスとの割合の変動が大きくなる。その結果、燃焼器３における失火の可能性が高いと考えられる。それゆえ、そのような、失火の可能性がより高い１回目の増加のタイミングにおいて、保炎装置６に印加する電圧Ｖｓをより高くする。

つまり、以下のＶ１とＶ２との関係を、Ｖ１＞Ｖ２とする。ここで、Ｖ１は、燃料ガスの流量Ｌ１及び酸化剤ガスの流量Ｌ２の１回目の増加のタイミングにおける電圧Ｖｓである。Ｖ２は、上記流量Ｌ１及びＬ２の２回目の増加のタイミングにおける電圧Ｖｓである。

また、例えば、図８に示すごとく、燃料電池２の出力電流Ｌ３を２段階にて減少させる際に、電流Ｌ３の１回目の減少量よりも２回目の減少量を大きくする場合を考える。この場合、燃料ガスの流量Ｌ１及び酸化剤ガスの流量Ｌ２も２段階にて減少させると共に、１回目の減少量よりも２回目の減少量を小さくする。

このような場合、燃料ガスの流量Ｌ１及び酸化剤ガスの流量Ｌ２の減少量が、より大きい２回目の減少のタイミングにおいて、保炎装置６に印加する電圧Ｖｓをより大きくする。
上記のような場合、図９に示すごとく、燃焼器３に供給される排出燃料ガスの流量Ｌ１１及び排出酸化剤ガスの流量Ｌ２１も、同様に２段階で減少し、２回目の減少量が大きくなる。これに伴い、２回目の減少よりも１回目の減少の際の方が、燃焼器３に供給される、排出燃料ガスと排出酸化剤ガスとの割合の変動が大きくなる。その結果、燃焼器３における失火の可能性が高いと考えられる。それゆえ、そのような、失火の可能性がより高い２回目の増加のタイミングにおいて、保炎装置６に印加する電圧をより高くする。

つまり、以下のＶ３とＶ４との関係を、Ｖ３＜Ｖ４とする。ここで、Ｖ３は、燃料ガスの流量Ｌ１及び酸化剤ガスの流量Ｌ２の１回目の減少のタイミングにおける電圧Ｖｓである。Ｖ４は、上記流量Ｌ１及びＬ２の２回目の減少のタイミングにおける電圧Ｖｓである。
その他の構成は、実施形態１と同様である。

本実施形態においては、上述のように、燃焼器３に失火の可能性に応じて、保炎装置６に印加する電圧を変更させることができる。それゆえ、一層効果的に、燃焼器３における失火を防ぎつつ、燃料電池システム１のエネルギー効率を向上させることができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態４）
本実施形態の燃料電池システム１において、図１０に示すごとく、燃焼器３は、点火プラグ３１と、グロープラグ６Ｇとを有する。
そして、グロープラグ６Ｇを保炎装置６として用いている。
保炎装置６としてのグロープラグ６Ｇは、発熱抵抗体６１に電圧を印加することにより発熱抵抗体６１を発熱させるヒータの一種である。グロープラグ６Ｇは、このように発熱抵抗体６１を発熱させることで、混合気を加熱して、混合気に点火する。
グロープラグ６Ｇは、発熱抵抗体６１をハウジング６２内に収容してなるプラグ状の部品である。

点火プラグ３１は、一対の放電電極３１１、３１２の間に電圧を印加することにより発生させる放電火花によって混合気に点火する。点火プラグ３１は、ハウジング３１３の内側に、図示を省略する絶縁碍子を介して、一方の放電電極３１１である中心電極を保持した構成となっている。また、他方の放電電極３１２である接地電極は、ハウジング３１３に接合されている。なお、実施形態１における保炎装置６として用いる点火プラグの構成も、同様の構成を有する。

グロープラグ６Ｇは、ハウジング６２に設けた取付ネジ部６２１において、燃焼器３に固定されている。そして、発熱抵抗体６１が設けられた部位が燃焼器３の内部に配置されるように、燃焼器３にグロープラグ６Ｇが取り付けてある。
点火プラグ３１も、ハウジング３１３に設けた取付ネジ部３１４において、燃焼器３に固定されている。そして、一対の放電電極３１１、３１２が対向する部位が燃焼器３の内部に配置されるように、燃焼器３に点火プラグ３１が取り付けてある。

点火プラグ３１は、原則として、燃焼器３における最初の点火の際にのみ用いる。つまり、燃料電池システム１を起動する際に、燃焼器３における燃焼を開始するが、その際に、点火プラグ３１を用いてガスに点火する。
そして、燃焼器３が起動した後は、原則として点火プラグ３１は用いない。つまり、点火プラグ３１を保炎装置６としては用いない。そして、上述のように、グロープラグ６Ｇを、保炎装置６として用いる。
その他の構成は、実施形態１と同様である。

本実施形態においては、保炎装置６としてグロープラグ６Ｇを用いる。グロープラグ６Ｇは、点火プラグ３１のような放電火花を利用しない。そのため、グロープラグ６Ｇの作動に伴って、電気的ノイズが生じにくい。それゆえ、燃料電池システム１の稼働中に作動させる保炎装置６としてグロープラグ６Ｇを用いることにより、制御装置７等への影響を抑制することができる。その結果、より精度の高い燃料電池システム１を得やすくなる。
また、点火プラグ３１を燃焼器３の始動時の点火手段として用いることにより、燃焼器３の始動をより確実に行うことができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

なお、本実施形態においては、保炎装置６として、グロープラグ６Ｇを設けた形態を示したが、保炎装置６としては、グロープラグ６Ｇの形態を採らないヒータを用いることもできる。この場合にも、上記と同様の作用効果を得ることができる。
また、グロープラグ６Ｇを、保炎装置６として用いると共に、始動時における点火手段として用いることも可能である。この場合、燃焼器３に、点火プラグ３１を設けることなく、例えば一つのグロープラグ６Ｇを設けた形態とすることもできる。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。
例えば、上記実施形態においては、循環路及び循環装置を設けた燃料電池システムについて、説明したが、本発明の燃料電池システムは、必ずしもこれに限られない。

１ 燃料電池システム
１１ 燃料ガス供給路
１２ 酸化剤ガス供給路
２ 燃料電池
３ 燃焼器
４ 燃料ガス調整部
５ 酸化剤ガス調整部
６ 保炎装置
７ 制御装置

Claims (9)

1. アノード流路（２１）とカソード流路（２２）とを有する燃料電池（２）と、
   燃料ガスを上記アノード流路に供給する燃料ガス供給路（１１）と、
   酸化剤ガスを上記カソード流路に供給する酸化剤ガス供給路（１２）と、
   上記アノード流路から排出された排出燃料ガスと上記カソード流路から排出された排出酸化剤ガスとを混合した混合気を燃焼させる燃焼器（３）と、
   上記燃料ガスの流量を調整する燃料ガス調整部（４）と、
   上記酸化剤ガスの流量を調整する酸化剤ガス調整部（５）と、
   上記燃焼器における火炎を維持するための保炎装置（６）と、
   上記燃料ガス調整部、上記酸化剤ガス調整部及び上記保炎装置を制御する制御装置（７）と、
   を備え、
   上記制御装置は、上記燃料ガス調整部によって上記燃料ガスの流量を変動させる際と、上記酸化剤ガス調整部によって上記酸化剤ガスの流量を変動させる際との少なくとも一方において、上記保炎装置を作動させるよう構成されている、燃料電池システム（１）。
2. 上記保炎装置は、一対の放電電極の間に電圧を印加することにより発生させる放電火花によって、上記混合気に点火する点火プラグである、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 上記保炎装置は、発熱抵抗体（６１）に電圧を印加することにより該発熱抵抗体を発熱させ、上記混合気を加熱して、上記混合気に点火するヒータである、請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 上記燃焼器は、上記保炎装置としての上記ヒータと、一対の放電電極の間に電圧を印加することにより発生させる放電火花によって上記混合気に点火する点火プラグ（３１）と、を有する、請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 上記ヒータは、上記発熱抵抗体をハウジング（６２）内に収容してなるグロープラグ（６Ｇ）である、請求項３又は４に記載の燃料電池システム。
6. 上記制御装置は、上記保炎装置に印加する電圧（Ｖｓ）の大きさを調整することができるよう構成されている、請求項２〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 上記制御装置は、上記燃料ガス調整部によって調整される燃料ガスの流量の変動量と、上記酸化剤ガス調整部によって調整される酸化剤ガスの流量の変動量との少なくとも一方に基づいて、上記保炎装置に印加する電圧の大きさを調整することができるよう構成されている、請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 上記燃料ガス調整部は、上記燃料ガス供給路に設けられており、上記アノード流路から排出された上記排出燃料ガスの一部を、上記燃料ガス供給路における上記燃料ガス調整部よりも下流側に、循環ガスとして循環させる循環路（１３）と、上記燃料ガス供給路における上記燃料ガス調整部よりも下流側に設けられ、上記燃料ガス供給路を流れる上記燃料ガスの流れを駆動流として利用して、上記循環ガスを吸引する循環装置（８）と、を更に備える、請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
9. 上記制御装置は、上記燃料ガス調整部による上記燃料ガスの流量の変動に基づいて、上記保炎装置を作動させるよう構成されている、請求項８に記載の燃料電池システム。

Images