JP6772727B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本開示の発明は、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を含む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、燃料電池セルのガス通路から当該燃料電池セルの上方の燃焼領域に放出される余剰の燃焼用燃料ガス（オフガス）に着火する着火ヒータと、燃焼領域の温度を検知する温度センサとを含むものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムでは、燃焼用燃料ガスへの着火ヒータによる着火動作後、所定の着火判定時間以内に、着火前の燃焼領域の温度から所定温度以上温度が上昇した場合に燃焼用燃料ガスが着火したと判定され、着火判定時間以内に燃焼用燃料ガスが着火したと判定されなかった場合、起動処理が継続される。
特開２００８−１３５２６８号公報
しかしながら、上記従来の燃料電池システムでは、燃焼領域の温度を検知する温度センサが万が一故障してしまった場合、燃焼領域でオフガスが着火したか否かを判定し得なくなり、燃料電池システムの起動に支障をきたしてしまうおそれがある。
そこで、本開示の発明は、燃料電池からのオフガスを燃焼させる燃焼部の温度を利用することなく、当該オフガスが着火したか否かを精度よく判定可能にすることを主目的とする。
本開示の燃料電池システムは、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池からのオフガスを燃焼させる燃焼部と、前記オフガスに点火する点火装置とを含む燃料電池システムにおいて、前記燃焼部からの排ガス中の可燃性ガスの濃度を検出する可燃性ガスセンサと、前記オフガスの点火に伴う前記可燃性ガスセンサの検出値の変化に基づいて、前記オフガスが着火したか否かを判定する着火判定装置とを備えることを特徴とする。
この燃料電池システムは、燃料電池からのオフガスを燃焼させる燃焼部からの排ガス中の可燃性ガスの濃度を検出する可燃性ガスセンサを含む。かかる可燃性ガスセンサの検出値（可燃性ガスの濃度）は、燃料電池にアノードガス（原燃料ガス）が継続して供給される場合、点火装置によりオフガスが点火されるまでの間、基本的に低下せず、オフガスが着火して燃焼するのに伴って低下していく。従って、この燃料電池システムのように、オフガスの点火に伴う可燃性ガスセンサの検出値の変化を監視することで、燃焼部の温度を利用することなく、オフガスが着火したか否かを精度よく判定することが可能となる。
また、前記着火判定装置は、前記オフガスの点火後における前記可燃性ガスセンサの検出値の変化率に基づいて、前記オフガスが着火したか否かを判定するものであってもよい。これにより、オフガスの点火に伴う可燃性ガスセンサの検出値の変化をより適正に把握してオフガスの着火の有無を精度よく判定することが可能となる。
更に、前記着火判定装置は、前記オフガスの点火前における前記可燃性ガスセンサの検出値と、前記オフガスの点火後における前記可燃性ガスセンサの検出値との差分が所定値以上である場合、前記オフガスが着火したと判定するものであってもよい。これにより、オフガスが着火したときの可燃性ガスセンサの検出値の変化と、オフガスが着火しなかったときの可燃性ガスセンサの検出値の変化とをより明確に識別して、オフガスの着火の有無を精度よく判定することが可能となる。
また、前記着火判定装置は、前記オフガスの点火から所定時間が経過した時点での前記差分が前記所定値以上である場合、前記オフガスが着火したと判定するものであってもよい。これにより、オフガスが着火したか否かをより確実に判定することが可能となる。
更に、前記着火判定装置は、前記アノードガスおよび前記カソードガスの供給開始後に所定時間が経過してから前記オフガスが点火されるまでの間における前記可燃性ガスセンサの検出値の平均値を算出し、前記平均値と、前記オフガスの点火後における前記可燃性ガスセンサの検出値との差分が前記所定値以上である場合、前記オフガスが着火したと判定するものであってもよい。これにより、オフガスの点火前における可燃性ガスセンサの検出値を当該平均値でより適正に代表させることが可能となる。
また、前記燃料電池は、複数のセルスタックを含んでもよく、前記燃焼部は、前記複数のセルスタックと、気化器および改質器との間に画成されてもよい。すなわち、可燃性ガスセンサの検出値の変化を監視することで、オフガスの着火により燃焼部の全体に火炎が行き渡っているか否かを精度よく判定することが可能となるので、各セルスタックに対応するように燃焼部に複数の温度センサを設ける必要がなくなる。この結果、温度センサの数を減らして燃料電池システムのコスト低減化を図ることができる。
本開示の燃料電池システムを示す概略構成図である。 本開示の燃料電池システムにおいて実行されるオフガス着火ルーチンの一例を示すフローチャートである。 図２のオフガス着火ルーチンが実行される際の原燃料ガスおよびエアの供給状態、点火ヒータの作動状態、および可燃性ガスセンサの検出値の変化を示すタイムチャートである。 本開示の燃料電池システムにおいて実行される着火判定ルーチンの他の例を示すフローチャートである。 本開示の燃料電池システムにおいて実行される着火判定ルーチンの更に他の例を示すフローチャートである。
次に、図面を参照しながら、本開示の発明を実施するための形態について説明する。
図１は、本開示の燃料電池システム１０を示す概略構成図である。同図に示す燃料電池システム１０は、アノードガス（燃料ガス）中の水素とカソードガス（酸化剤ガス）中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池ＦＣを有する発電ユニット２０と、湯水を貯留する貯湯タンク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とを含む。また、発電ユニット２０は、燃料電池ＦＣや、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、気化器３２、改質器３３等を含む発電モジュール３０と、発電モジュール３０の気化器３２に例えば天然ガスやＬＰガスといった原燃料ガス（原燃料）を供給するための原燃料ガス供給系統４０と、発電モジュール３０の燃料電池ＦＣにカソードガスとしてのエア（空気）を供給するためのエア供給系統５０と、発電モジュール３０の気化器３２に改質水を供給するための改質水供給系統５５と、発電モジュール３０で発生した排熱を回収するための排熱回収系統６０と、燃料電池ＦＣの出力端子に接続されたパワーコンディショナ７１と、これらを収容する筐体２２とを有する。
発電モジュール３０の燃料電池ＦＣは、固体酸化物燃料電池であり、例えば酸化ジルコニウム等の電解質と当該電解質を挟持するアノード電極およびカソード電極とを含む単セルを図１中左右方向に複数積層することにより構成された複数（本実施形態では、２つ）のセルスタックＣＳを含む。各セルのアノード電極極側には、アノードガスを流通させる図示しないアノードガス通路がセルの積層方向と直交する方向（図中上下方向）に延びるように形成されている。また、各セルのカソード電極側には、エアを流通させる図示しないエア通路がセルの積層方向と直交する方向（図中上下方向）に延びるように形成されている。燃料電池ＦＣを構成する２つのセルスタックＣＳは、断熱材を介してモジュールケース３１内に設置されたマニホールド上に並設され、各セルのアノードガス通路は、マニホールドに形成されたアノードガス通路に接続される。また、各セルのエア通路は、モジュールケース３１内の図示しないエア供給通路に接続される。
発電モジュール３０の気化器３２および改質器３３は、モジュールケース３１内の複数のセルスタックＣＳの上方に両者と間隔をおいて配設される。２つのセルスタックＣＳと気化器３２および改質器３３との間には、燃料電池ＦＣの作動や、気化器３２および改質器３３での反応に必要な熱を発生させる燃焼部３４が画成されている。燃焼部３４には、点火ヒータ３５が設置されると共に、２つのセルスタックＣＳの一方に近接するように温度センサ３６が設置されている。
気化器３２は、燃焼部３４からの熱により原燃料ガス供給系統４０からの原燃料ガスと改質水供給系統５５からの改質水とを加熱し、原燃料ガスを予熱すると共に改質水を蒸発させて水蒸気を生成する。気化器３２により予熱された原燃料ガスは、水蒸気と混ざり合い、予熱された原燃料ガスと水蒸気との混合ガスは、当該気化器３２から改質器３３に導入される。
改質器３３は、その内部に充填された例えばＲｕ系またはＮｉ系の改質触媒を有し、燃焼部３４からの熱の存在下で、改質触媒による気化器３２からの混合ガスの反応（水蒸気改質反応）によって水素ガスと一酸化炭素とを生成する。更に、改質器３３は、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気との反応（一酸化炭素シフト反応）によって水素ガスと二酸化炭素とを生成する。これにより、改質器３３によって、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の原燃料ガス等を含むアノードガスが生成されることになる。
改質器３３により生成されたアノードガスは、上記マニホールドやセルスタックＣＳの各セルのアノードガス通路等を介して各セルのアノード電極に供給される。また、セルスタックＣＳの各セルのカソード電極には、各セルのエア通路等を介して酸素を含むカソードガスとしてのエアが供給される。カソード電極では、酸化物イオン（Ｏ2 -）が生成され、当該酸化物イオンが電解質を透過してアノード電極で水素や一酸化炭素と反応することにより電気エネルギが得られる。また、各セルスタックＣＳにおいて電気化学反応（発電）に使用されなかったアノードガス（以下、「アノードオフガス」という）およびエア（以下、「カソードオフガス」という）は、各セルのアノードガス通路やエア通路から上方の燃焼部３４へと流出する。
各セルのアノードガス通路から燃焼部３４に流入したアノードオフガスは、水素や一酸化炭素等の燃料成分を含む可燃性ガスであり、各セルのエア通路から燃焼部３４に流入した酸素を含むカソードオフガスと混ざり合う。以下、アノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガスを「オフガス」という。そして、点火ヒータ３５により点火させられて燃焼部３４でオフガス（アノードオフガス）が着火すると、当該オフガスの燃焼により、燃料電池ＦＣの作動や、気化器３２での原燃料ガスの予熱や水蒸気の生成、改質器３３での水蒸気改質反応等に必要な熱が発生することになる。また、オフガスの燃焼に伴い、燃焼部３４では、水蒸気を含む燃焼排ガスが生成される。
図１に示すように、気化器３２に原燃料ガスを供給するための原燃料ガス供給系統４０は、天然ガスやＬＰガスを供給する原燃料供給源１と気化器３２とを結ぶ原燃料ガス供給管４１と、当該原燃料ガス供給管４１に組み込まれた原燃料ガス供給弁（電磁開閉弁）４２，４３および原燃料ガスポンプ４５と、気化器３２と原燃料ガスポンプ４５との間に位置するように原燃料ガス供給管４１に組み込まれた脱硫器４６とを含む。更に、原燃料ガス供給管４１には、当該原燃料ガス供給管４１内の原燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ４７や、原燃料ガス供給管４１を流通する原燃料ガスの単位時間あたりの流量を検出する流量センサ４８が設置されている。
脱硫器４６は、例えばゼオライト等の吸着剤を用いて原燃料ガスから硫黄成分（硫黄化合物）を除去するものである。また、かかる脱硫器４６に対する原燃料ガスの供給が開始されると、硫黄成分と共に原燃料ガス中の燃料成分（メタン等の炭化水素）が上記吸着剤に物理的に吸着する。当該燃料成分の吸着剤（脱硫器４６）への吸着が飽和状態に達するまで、脱硫器４６から流出する燃料成分の量は、実質的にゼロとなり、当該吸着が飽和状態に達すると、脱硫器４６への燃料成分の流入量と、当該脱硫器４６からの燃料成分の流出量とが理論上一致することになる。なお、脱硫器４６の脱硫方式は、いわゆる常温脱硫式に限られるものではない。
エア供給系統５０は、モジュールケース３１内のエア供給通路に接続されるエア供給管５１と、エア供給管５１のエア入口に設置されたエアフィルタ５２と、エア供給管５１に組み込まれたエアブロワ５３とを含む。エアブロワ５３を作動させることで、エアフィルタ５２を介して吸入されたエアが当該エアブロワ５３により燃料電池ＦＣへと圧送（供給）される。また、エア供給管５１には、当該エア供給管５１を流通するエアの単位時間あたりの流量が所定値に達するとオンする流量スイッチ５４が設置されている。
改質水供給系統５５は、気化器３２に接続された改質水供給管５６と、改質水供給管５６に接続されると共に改質水を貯留する改質水タンク５７と、改質水供給管５６に組み込まれた改質水ポンプ５８とを含む。改質水ポンプ５８を作動させることで、改質水タンク５７内の改質水が当該改質水ポンプ５８により気化器３２へと圧送（供給）される。また、改質水タンク５７内には、貯留されている改質水を精製する図示しない水精製器が設置されている。
排熱回収系統６０は、給湯ユニット１００の貯湯タンク１０１に接続された循環配管６１と、循環配管６１を流通する湯水と発電モジュール３０の燃焼部３４からの燃焼排ガスとを熱交換させる熱交換器６２と、循環配管６１に組み込まれた循環ポンプ６３とを含む。循環ポンプ６３を作動させることで、当該循環ポンプ６３により貯湯タンク１０１に貯留されている湯水を熱交換器６２へと導入し、熱交換器６２で燃焼排ガスから熱を奪って昇温した湯水を貯湯タンク１０１へと返送することができる。
また、排熱回収系統６０の熱交換器６２（燃焼排ガスの通路）は、凝縮水供給管６６を介して改質水タンク５７に接続されており、燃焼排ガス中の水蒸気が貯湯タンク１０１からの湯水との熱交換により凝縮することにより得られた凝縮水は、当該凝縮水供給管６６を介して改質水タンク５７内に導入される。更に、熱交換器６２の燃焼排ガスの通路は、排気管６７に接続されており、当該排気管６７は、発電ユニット２０の筐体の外部に設置される煙突２００に接続される。これにより、発電モジュール３０の燃焼部３４（燃料電池ＦＣ）から排出されて熱交換器６２で水分が除去された排ガスは、排気管６７および煙突２００を介して大気中に排出される。
図１に示すように、煙突２００の内部には、当該煙突２００内の排ガス中の可燃性ガス（燃料成分）の濃度を検出する可燃性ガスセンサ２０１が設置されている。本実施形態において、可燃性ガスセンサ２０１は、コイルおよび当該コイル上に固定されると共に白金触媒等の酸化触媒（燃焼触媒）を担持したアルミナ等の担体を含む検知素子と、酸化触媒をもたない補償素子とにより構成されたブリッジ回路を有する触媒燃焼式ガスセンサである。かかる触媒燃焼式ガスセンサにおいて、電流の印加によって触媒燃焼反応を生じやすい温度（例えば２００〜５００℃）に保持された検知素子が可燃性ガスに触れると、触媒燃焼反応に伴う発熱により抵抗値が変化してブリッジ回路の平衡が崩れ、当該ブリッジ回路の出力端子には、可燃性ガスの濃度に概ね比例した電圧（不均衡電圧）が出力される。これにより、可燃性ガスセンサ２０１は、煙突２００内を流通する排ガス中の可燃性ガスの濃度に応じた電圧信号を出力する。また、当該ブリッジ回路の抵抗値は、可燃性ガスの存在しない雰囲気下（可燃性ガス濃度：ゼロ）での通電時のセンサ出力（最小出力値Ｇｍｉｎ）と、非通電時のセンサ出力とが互いに異なるように調整される。
パワーコンディショナ７１は、燃料電池ＦＣの出力端子に接続されて当該燃料電池ＦＣからの直流電力を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータからの直流電力を交流電力に変換するインバータとを有する（何れも図示省略）。パワーコンディショナ７１（インバータ）の出力端子は、系統電源２に接続された電力ライン３に接続される。これにより、燃料電池ＦＣからの直流電力を交流電力に変換して家電製品等の負荷４に供給することが可能となる。更に、燃料電池システム１０は、電力ライン３に接続された電源基板７２を含む。電源基板７２は、系統電源２からの交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣコンバータを有しており、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といった補機類、温度センサ３６や可燃性ガスセンサ２０１といったセンサ類、更には制御装置８０等に直流電力を供給する。
また、パワーコンディショナ７１や電源基板７２等が配置される補機室内には、当該パワーコンディショナ７１や電源基板７２等を冷却するための冷却ファン（図示省略）と、換気ファン２４とが配置されている。図示しない冷却ファンは、パワーコンディショナ７１や電源基板７２の発熱部にエアを送り込み、当該発熱部を冷却して昇温したエアは、換気ファン２４により煙突２００の内部に送り込まれる。
制御装置８０は、ＣＰＵ８１や、各種プログラムを記憶するＲＯＭ８２、データを一時的に記憶するＲＡＭ８３、タイマ８４、何れも図示しない入力ポートおよび出力ポート等を含むコンピュータである。制御装置８０は、温度センサ３６や、圧力センサ４７、流量センサ４８、可燃性ガスセンサ２０１の検出値や流量スイッチ５４からの信号等を入力ポートを介して入力する。また、制御装置８０は、換気ファン２４や、点火ヒータ３５、原燃料ガス供給弁４２，４３のソレノイド、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、パワーコンディショナ７１（ＤＣ／ＤＣコンバータおよびインバータ）、表示パネル９０等への制御信号を出力ポートを介して出力し、これらの機器を制御する。
更に、制御装置８０は、燃料電池システム１０の起動に際して、対応する補機類を順次制御して、エアブロワの暖機処理、脱硫器４６に原燃料ガス中の燃料成分を吸着させる前の冷却処理、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、水蒸気改質処理等を実行する。これらの処理が実行されることにより、燃料電池システム１０が起動され、燃料電池ＦＣによる発電や給湯ユニット１００による給湯が可能となる。ただし、これらの起動処理は、あくまで一例であり、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、これらの処理の少なくとも何れかをスキップまたは省略してもよい。
次に、図２および図３を参照しながら、燃焼部３４でオフガスを着火させる手順について説明する。図２は、燃焼部３４でオフガスを着火させるために制御装置８０により実行されるオフガス着火ルーチンの一例を示すフローチャートである。また、図３は、図２のオフガス着火ルーチンが実行される際の原燃料ガスおよびエアの供給状態、点火ヒータ３５の作動状態、および可燃性ガスセンサ２０１の検出値Ｇの変化を示すタイムチャートである。
図２のオフガス着火ルーチンの開始に際して、制御装置８０のＣＰＵ８１は、まず、原燃料ガスポンプ４５を作動させて原燃料ガス供給系統４０から燃料電池ＦＣ（各セルスタックＣＳ）側への原燃料ガスの供給を開始させると共に、エアブロワ５３を作動させてエア供給系統５０から燃料電池ＦＣ（各セルスタックＣＳ）へのエア（カソードガス）の供給を開始させる（ステップＳ１００）。原燃料ガスおよびエアの供給開始後、ＣＰＵ８１は、燃料電池ＦＣ側への原燃料ガスの単位時間あたりの流量と、燃料電池ＦＣ側へのエアの単位時間あたりの流量とが、それぞれ予め定められた一定値になるように原燃料ガスポンプ４５とエアブロワ５３とを制御する。また、ＣＰＵ８１は、原燃料ガスおよびエアの供給開始（図３における時刻ｔ０）から実験・解析を経て予め定められた第１の時間ｔｒｅｆ１（例えば、２〜３分程度）が経過するまで待機する（ステップＳ１１０）。
原燃料ガスおよびエアの供給開始から第１の時間ｔｒｅｆ１が経過するまでの間には、燃焼部３４でオフガスが燃焼させられておらず、気化器３２での原燃料ガスの予熱や水蒸気の生成、改質器３３での水蒸気改質反応は実行されない。従って、原燃料ガスおよびエアの供給開始から第１の時間ｔｒｅｆ１が経過するまでの間、原燃料ガスそのものが燃料電池ＦＣ（各セルスタックＣＳ）からのアノードオフガスとなる。アノードオフガスとしての原燃料ガスと、カソードオフガスとしてのエアとは、燃焼部３４で混ざり合い、両者の混合ガスすなわちオフガスは、燃焼部３４から排気管６７を介して煙突２００へと流入する。
原燃料ガスポンプ４５とエアブロワ５３とを作動させてから第１の時間ｔｒｅｆ１が経過すると（図３における時刻ｔ１）、ＣＰＵ８１は、予め定められた周期で煙突２００内に設置された可燃性ガスセンサ２０１の検出値Ｇを入力すると共に、当該可燃性ガスセンサ２０１の検出値Ｇの積算を開始する（ステップＳ１２０）。ＣＰＵ８１は、ステップＳ１３０にて、検出値Ｇの積算を開始してから実験・解析を経て予め定められた第２の時間ｔｒｅｆ２（例えば、１分程度）が経過したと判定するまで、可燃性ガスセンサ２０１の検出値を積算する。ＣＰＵ８１は、ステップＳ１３０にて、検出値Ｇの積算の開始から第２の時間ｔｒｅｆ２が経過したと判定すると（図３における時刻ｔ２）、可燃性ガスセンサ２０１の検出値Ｇの積算値ΣＧを上記第２の時間ｔｒｅｆ２で除することにより、当該検出値Ｇの平均値Ｇａｖを算出する（ステップＳ１４０）。
更に、ＣＰＵ８１は、点火ヒータ３５を作動させた（オンした）上で（ステップＳ１５０）、当該点火ヒータ３５を作動させてから実験・解析を経て予め定められた第３の時間ｔｒｅｆ３（例えば、１分程度）が経過するまで待機する（ステップＳ１６０）。点火ヒータ３５を作動させてから第３の時間ｔｒｅｆ３が経過すると（図３における時刻ｔ３）、ＣＰＵ８１は、可燃性ガスセンサ２０１の検出値Ｇを入力すると共に、入力した検出値Ｇ（点火ヒータ３５を作動させてから第３の時間ｔｒｅｆ３が経過した時点の検出値Ｇ）を平均値Ｇａｖから減じることにより、両者の差分ΔＧ（＝Ｇａｖ−Ｇ）を算出する（ステップＳ１７０）。次いで、ＣＰＵ８１は、差分ΔＧが実験・解析を経て予め定められた閾値（所定値）ΔＧｒｅｆ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１８０）。
ここで、図３に示すように、煙突２００内に設置された可燃性ガスセンサ２０１の検出値Ｇ、すなわち煙突２００内の排ガス中の可燃性ガスの濃度は、燃料電池ＦＣ（各セルスタックＣＳ）にアノードガスとして原燃料ガスが単位時間当たりの流量を一定にして供給されている場合、点火ヒータ３５によりオフガスが点火されるまでの間（図３における時刻ｔ２よりも前）、基本的に低下しない。そして、点火ヒータ３５の作動により燃焼部３４でオフガスが着火すると、可燃性ガスセンサ２０１の検出値Ｇは、図３において実線で示すように、オフガスの燃焼により徐々に低下していく。これに対して、点火ヒータ３５の作動にも拘わらず、燃焼部３４でオフガスが着火しなかった場合には、図３において破線で示すように、可燃性ガスセンサ２０１の検出値Ｇは実質的に低下することなく推移する。
このため、ＣＰＵ８１は、ステップＳ１８０にて、平均値Ｇａｖと点火ヒータ３５を作動させてから第３の時間ｔｒｅｆ３が経過した時点の検出値Ｇとの差分ΔＧが閾値ΔＧｒｅｆ以上であると判定した場合、燃焼部３４でオフガスが着火したとみなして着火フラグをオンし（ステップＳ１９０）、本ルーチンを終了させる。ステップＳ１９０にて着火フラグをオンした後、制御装置８０のＣＰＵ８１は、水蒸気改質処理といった予め定められた次の起動処理を実行する。なお、燃焼部３４の昇温を促進させるために、点火ヒータ３５は、ステップＳ１９０にて着火フラグがオンされた後、所定時間が経過した時点でオフされる。また、ステップＳ１８０にて平均値Ｇａｖと検出値Ｇとの差分ΔＧが閾値ΔＧｒｅｆ未満であると判定した場合、ＣＰＵ８１は、ステップＳ２００にて、燃焼部３４でオフガスが着火していないとみなして着火フラグをオフし（オフ状態に維持し）、本ルーチンを終了させる。ステップＳ２００にて着火フラグがオフされて本ルーチンが終了した場合には、図示しないパージラインを用いた燃焼部３４のパージ処理が実行された後、再度、上述のオフガス着火ルーチンが実行されることになる。
上述のように、燃焼部３４からの排ガス中の可燃性ガスの濃度を検出する可燃性ガスセンサ２０１を含む燃料電池システム１０では、オフガスの点火に伴う可燃性ガスセンサ２０１の検出値Ｇの変化を監視することで、燃焼部３４の温度を利用することなく、オフガスの着火により燃焼部３４の全体に火炎が行き渡っているか否かを精度よく判定することが可能となる。これにより、各セルスタックＣＳに対応するように燃焼部３４に複数の温度センサを設ける必要がなくなるので、温度センサの数を減らして燃料電池システム１０のコスト低減化を図ることもできる。
また、燃料電池システム１０では、オフガスの点火前における可燃性ガスセンサ２０１の検出値Ｇとしての平均値Ｇａｖと、オフガスの点火後に第３の時間ｔｒｅｆ３が経過した時点（図３における時刻ｔ３）での可燃性ガスセンサ２０１の検出値Ｇとの差分ΔＧが閾値ΔＧｒｅｆ以上である場合、燃焼部３４でオフガスが着火したと判定される（図２のステップＳ１５０−Ｓ２００）。これにより、オフガスが着火したときの可燃性ガスセンサ２０１の検出値Ｇの変化と、オフガスが着火しなかったときの当該検出値Ｇの変化とをより明確に識別することができるので、オフガスの着火により燃焼部３４の全体に火炎が行き渡っているか否かを精度よく判定することが可能となる。
更に、オフガスの点火から第３の時間ｔｒｅｆ３が経過した時点での差分ΔＧと閾値ΔＧｒｅｆとを比較することで、オフガスが着火したか否かをより確実に判定することが可能となる。また、アノードガスとしての原燃料ガスおよびエアの供給開始後に第１の時間ｔｒｅｆ１が経過してからオフガスが点火されるまでの間における可燃性ガスセンサ２０１の検出値Ｇの平均値Ｇａｖを算出することで、オフガスの点火前における可燃性ガスセンサ２０１の検出値Ｇを当該平均値Ｇａｖでより適正に代表させることが可能となる。
なお、燃料電池システム１０において、可燃性ガスセンサ２０１は、煙突２００内に設置されるが、これに限られるものではない。すなわち、燃料電池システム１０から煙突２００が省略される場合には、可燃性ガスセンサ２０１が排気管６７内に設置されてもよい。また、図２のオフガス着火ルーチンは、単一の温度センサ３６あるいは複数の温度センサにより検出される燃焼部３４の温度に基づく着火判定処理と併用されてもよい。これにより、可燃性ガスセンサ２０１や温度センサ３６等が故障した際の冗長性を確保することが可能となる。更に、図２のオフガス着火ルーチンでは、オフガスの点火から第３の時間ｔｒｅｆ３が経過した時点での差分ΔＧと閾値ΔＧｒｅｆと比較することによりオフガスの着火の有無が判定されるが、これに限られるものではない。すなわち、図４に示すオフガス着火ルーチンのように、オフガスの点火後に差分ΔＧが閾値ΔＧｒｅｆ以上になった時点で、燃焼部３４でオフガスが着火したと判定してもよい。これにより、オフガスの着火の有無をより早期に判定することが可能となる。
制御装置８０により図４のオフガス着火ルーチンが実行される場合、ＣＰＵ８１は、ステップＳ１００〜Ｓ１５０の処理を実行した後、差分ΔＧを算出し（ステップＳ１７５）、当該差分ΔＧが閾値ΔＧｒｅｆ未満であるか否かを判定する（ステップＳ１８５）。ステップＳ１８５にて差分ΔＧが閾値ΔＧｒｅｆ未満であると判定した場合、ＣＰＵ８１は、点火ヒータ３５を作動させてから上記第３の時間ｔｒｅｆ３が経過したか否かを判定する（ステップＳ１８７）。ステップＳ１８７にて、点火ヒータ３５を作動させてから第３の時間ｔｒｅｆ３が経過していないと判定した場合、ＣＰＵ８１は、ステップＳ１７５およびＳ１８５の処理を再度実行する。そして、ＣＰＵ８１は、ステップＳ１８５にて差分ΔＧが閾値ΔＧｒｅｆ以上であると判定した場合、燃焼部３４でオフガスが着火したとみなして着火フラグをオンし（ステップＳ１９５）、図４のルーチンを終了させる。これに対して、ステップＳ１８７にて、点火ヒータ３５を作動させてから第３の時間ｔｒｅｆ３が経過したと判定した場合、ＣＰＵ８１は、燃焼部３４でオフガスが着火していないとみなして着火フラグをオフし（ステップＳ２０５）、図４のルーチンを終了させる。
また、図２の着火判定ルーチンにおける差分ΔＧは、オフガスの点火後に第３の時間ｔｒｅｆ３が経過するまでの検出値Ｇの変化率を示すものともいえる。従って、図５に示すオフガス着火ルーチンのように、オフガスの点火後における可燃性ガスセンサ２０１の検出値Ｇの変化率（変化勾配）自体に基づいて、燃焼部３４でオフガスが着火したか否かを判定してもよい。制御装置８０により図５のオフガス着火ルーチンが実行される場合、ＣＰＵ８１は、原燃料ガスおよびエアの供給を開始させ（ステップＳ２００）、原燃料ガスおよびエアの供給開始から例えば上述の第１および第２の時間ｔｒｅｆ１，ｔｒｅｆ２の和に相当する時間ｔｒｅｆ１′だけ待機した後（ステップＳ２１０）、点火ヒータ３５を作動させる（ステップＳ２２０）。
また、ＣＰＵ８１は、図５のルーチンの開始から比較的短く定められた周期ｄｔで可燃性ガスセンサ２０１の検出値Ｇを入力し、点火ヒータ３５を作動させた後、検出値Ｇの今回値から前回値（初期値：最小出力値Ｇｍｉｎ）を減じた値を周期ｄｔで除することにより可燃性ガスセンサ２０１の検出値Ｇの変化率ｄＧを算出する（ステップＳ２３０）。次いで、ＣＰＵ８１は、変化率ｄＧが実験・解析を経て予め定められた閾値（所定値）ｄＧｒｅｆ以上であるか否かを判定する（ステップＳ２４０）。ステップＳ２４０にて変化率ｄＧが閾値ｄＧｒｅｆ未満であると判定した場合、ＣＰＵ８１は、点火ヒータ３５を作動させてから例えば上記第３の時間ｔｒｅｆ３と同一の時間ｔｒｅｆ２′が経過したか否かを判定する（ステップＳ２４５）。ステップＳ２４５にて、点火ヒータ３５を作動させてから時間ｔｒｅｆ２′が経過していないと判定した場合、ＣＰＵ８１は、上記周期ｄｔに従ってステップＳ２３０およびＳ２４０の処理を実行する。
また、ステップＳ２４０にて変化率ｄＧが閾値ｄＧｒｅｆ以上であると判定した場合、ＣＰＵ８１は、カウンタＣ（初期値：ゼロ）をインクリメントし（ステップＳ２５０）、当該カウンタＣが予め定められた閾値Ｃｒｅｆ以上であるか否かを判定する（ステップＳ２６０）。ステップＳ２５０にてカウンタＣが閾値Ｃｒｅｆ未満であると判定した場合、ＣＰＵ８１は、点火ヒータ３５を作動させてから時間ｔｒｅｆ２′が経過したか否かを判定する（ステップＳ２４５）。そして、ＣＰＵ８１は、ステップＳ２６０にてカウンタＣが閾値Ｃｒｅｆ以上であると判定した場合、燃焼部３４でオフガスが着火したとみなして、カウンタＣをリセットすると共に着火フラグをオンし（ステップＳ２７０）、図５のルーチンを終了させる。また、ステップＳ２４５にて、点火ヒータ３５を作動させてから時間ｔｒｅｆ２′が経過したと判定した場合、ＣＰＵ８１は、燃焼部３４でオフガスが着火していないとみなし、カウンタＣをリセットすると共に着火フラグをオフし（ステップＳ２８０）、図５のルーチンを終了させる。このように、オフガスの点火後における可燃性ガスセンサ２０１の検出値Ｇの変化率ｄＧを用いても、オフガスの点火に伴う可燃性ガスセンサの検出値の変化をより適正に把握してオフガスの着火の有無を精度よく判定することが可能となる。
以上説明したように、本開示の燃料電池システム１０は、燃焼部３４からの排ガス中の可燃性ガスの濃度を検出する可燃性ガスセンサ２０１と、オフガスの点火に伴う可燃性ガスセンサ２０１の検出値Ｇの変化に基づいて、オフガスが着火したか否かを判定する着火判定装置としての制御装置８０とを含む。これにより、燃料電池からのオフガスを燃焼させる燃焼部３４の温度を利用することなく、当該オフガスが着火したか否かを精度よく判定することが可能となる。
なお、本開示の発明は、上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本開示の外延の範囲内において様々な変更をなし得ることはいうまでもない。更に、上記実施形態は、あくまで発明の概要の欄に記載された発明の具体的な一形態に過ぎず、発明の概要の欄に記載された発明の要素を限定するものではない。
本開示の発明は、燃料電池システムの製造産業等において利用可能である。
１ 原燃料供給源、２ 系統電源、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、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 温度センサ、４０ 原燃料ガス供給系統、４１ 原燃料ガス供給管、４２，４３ 原燃料ガス供給弁、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 エア供給系統、５１ エア供給管、５２ エアフィルタ、５３ エアブロワ、５４ 流量スイッチ、５５ 改質水供給系統、５６ 改質水供給管、５７ 改質水タンク、５８ 改質水ポンプ、６０ 排熱回収系統、６１ 循環配管、６２ 熱交換器、６３ 循環ポンプ、６６ 凝縮水供給管、６７ 排気管、７１ パワーコンディショナ、７２ 電源基板、８０ 制御装置、８１ ＣＰＵ、８２ ＲＯＭ、８３ ＲＡＭ、８４ タイマ、９０ 表示パネル、１００ 給湯ユニット、１０１ 貯湯タンク、２００ 煙突、２０１ 可燃性ガスセンサ、ＣＳ セルスタック、ＦＣ 燃料電池。

Claims (2)

  1. アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池からのオフガスを燃焼させる燃焼部と、前記オフガスに点火する点火装置とを含む燃料電池システムにおいて、
    前記燃焼部からの排ガス中の可燃性ガスの濃度を検出する可燃性ガスセンサと、
    前記オフガスの点火に伴う前記可燃性ガスセンサの検出値の変化に基づいて、前記オフガスが着火したか否かを判定する着火判定装置と、
    を備え、
    前記着火判定装置は、前記アノードガスおよび前記カソードガスの供給開始後に所定時間が経過してから前記オフガスが点火されるまでの間における前記可燃性ガスセンサの検出値の平均値を算出し、前記平均値と、前記オフガスの点火から所定時間が経過した時点での前記可燃性ガスセンサの検出値との差分が所定値以上である場合、前記オフガスが着火したと判定することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記燃料電池は、複数のセルスタックを含み、前記燃焼部は、前記複数のセルスタックと、気化器および改質器との間に画成されていることを特徴とする燃料電池システム。
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