WO2010113442A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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WO2010113442A1
WO2010113442A1 PCT/JP2010/002162 JP2010002162W WO2010113442A1 WO 2010113442 A1 WO2010113442 A1 WO 2010113442A1 JP 2010002162 W JP2010002162 W JP 2010002162W WO 2010113442 A1 WO2010113442 A1 WO 2010113442A1
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fuel cell
combustor
gas
fuel
cell system
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田村佳央
田口清
楠村浩一
保田繁樹
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パナソニック株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system.
  • the present invention relates to a fuel cell system that generates power using a hydrogen-rich gas generated by a steam reforming reaction using a hydrocarbon-based material such as natural gas, LPG, gasoline, naphtha, kerosene, methanol, or the like as a main raw material (raw fuel).
  • a hydrocarbon-based material such as natural gas, LPG, gasoline, naphtha, kerosene, methanol, or the like as a main raw material (raw fuel).
  • a raw fuel containing an organic compound composed of carbon atoms and hydrogen atoms is steam reformed in a reformer provided with a reforming catalyst layer.
  • hydrogen-rich gas hereinafter abbreviated as “hydrogen gas” but sometimes abbreviated as “fuel gas”
  • fuel gas hydrogen-rich gas
  • the reforming reaction which is an endothermic reaction, proceeds in a temperature environment of about 600 ° C. to 700 ° C., it is necessary to heat the reforming catalyst layer for the progress of this reforming reaction.
  • a heating means for the reforming catalyst layer a combustion burner is generally used.
  • raw fuel containing an organic compound or off-fuel gas not used in the fuel cell is supplied as fuel for the combustion burner, and air is supplied as oxidant gas. Burning occurs.
  • an ignition method it is common to generate an electrical spark with an igniter (igniter) or the like.
  • the flame of the combustion burner may be extinguished due to fluctuations in the supply system or disturbance (hereinafter, such an event that the flame disappears is referred to as “misfire”).
  • misfire heat necessary for the reforming reaction cannot be supplied to the hydrogen generator, and therefore hydrogen gas cannot be generated in the hydrogen generator. Therefore, generation of electric power and heat by the fuel cell system cannot be continued. Therefore, when the combustion burner misfires during power generation of the fuel cell, the outlet of the anode gas flow path of the fuel cell is sealed, the supply of fuel to the combustion burner is stopped, and the combustion burner is discharged with an oxidant gas such as air. After the gas is scavenged, a stop process is proposed in which the combustion burner is ignited again (see, for example, Patent Document 1 as a conventional example).
  • the combustor misfires in the fuel cell system including the hydrogen generator that performs the reforming reaction using the evaporated water because the communication of the anode gas flow path of the fuel cell is maintained to the combustor.
  • a fuel cell system can be obtained in which the pressure damage applied to the anode gas flow path of the fuel cell due to water evaporation is reduced as compared with the prior art.
  • the outlet of the anode gas passage of the fuel cell is sealed.
  • the power generation operation of the fuel cell is performed so as to increase the power generation amount of the fuel cell in order to suppress the increase in the internal pressure of the fuel cell. Is controlled.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and in a fuel cell system including a hydrogen generator that performs a reforming reaction using evaporated water, when the combustor misfires, the fuel cell is formed by water evaporation.
  • An object of the present invention is to provide a fuel cell system in which pressure damage applied to the anode gas flow path is reduced as compared with the prior art.
  • a fuel cell system includes a hydrogen generator that generates a fuel gas by a reforming reaction using raw fuel, a fuel cell that generates electric power using the fuel gas, A combustor for heating the hydrogen generator, an on-off valve for communicating / blocking a gas flow path for supplying the gas sent from the hydrogen generator to the combustor, and a combustion air supply for supplying combustion air to the combustor , An igniter provided in the combustor, and a controller, wherein the combustor is configured to burn using the gas supplied from the gas flow path during power generation of the fuel cell.
  • the controller executes the ignition operation of the igniter while maintaining the open / close valve open.
  • the fuel cell system includes a raw fuel supplier that supplies the raw fuel to the hydrogen generator, and when the combustor misfires during power generation of the fuel cell, the controller With the open / close valve maintained open, the raw fuel supplier supplies the raw fuel to the hydrogen generator and the combustion air supplier supplies the combustion air to the combustor, and An ignition operation of the igniter may be executed.
  • the controller may execute a stop process of the fuel cell system.
  • the controller when the combustor is not ignited by the ignition operation, the controller increases an operation amount of the combustion air supply device larger than the operation amount during power generation of the fuel cell. You may control so that it may become.
  • the gas sent from the hydrogen generator bypasses the fuel cell and is introduced into the combustor, and the first gas passage
  • a second on-off valve that shuts off, and the controller executes the ignition operation of the igniter with at least one of the first on-off valve and the second on-off valve opened. Good.
  • a heat exchanger that performs heat exchange between the exhaust gas discharged from the combustor and a heat medium, a heat medium path through which the heat medium flows, and the heat medium
  • a pump for causing the heat medium to flow in the path
  • a heat accumulator for storing the heat recovered by the heat medium
  • the controller may operate the pump during the ignition operation by the igniter. Good.
  • the operation period of the ignition operation may be shorter than the operation period of the ignition operation at the start of combustion of the combustor in the startup process.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of the fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a configuration example of the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a modification of the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a modification of the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a modification of the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention.
  • a fuel cell system includes a hydrogen generator that generates a fuel gas by a reforming reaction using raw fuel, a fuel cell that generates electric power using the fuel gas, a combustor that heats the hydrogen generator, An on-off valve for communicating / blocking a gas flow path for supplying the gas sent from the hydrogen generator to the combustor, a combustion air supplier for supplying combustion air to the combustor, and an igniter provided in the combustor; And a controller.
  • the combustor is configured to burn using the gas supplied from the gas flow path during power generation of the fuel cell. When the combustor misfires during power generation of the fuel cell, the controller An ignition operation of the igniter is executed in a state where the on-off valve that communicates / blocks the flow path is kept open.
  • a combustor misfire countermeasure in which an ignition operation of the igniter is executed in a state in which an on-off valve that communicates / cuts off a gas flow path that supplies gas delivered from the hydrogen generator to the combustor is maintained. Will be tried.
  • the “raw fuel” is a substance that contains an organic compound having at least carbon and hydrogen as constituent elements, and generates a fuel gas by the reforming reaction.
  • Examples of such “raw fuel” include hydrocarbons such as methane, ethane, and propane, alcohols such as methanol and ethanol, and the like.
  • Combustor refers to a heating device that can burn a mixture of fuel and air, such as a combustion burner, and “combustor misfire” means that the flame of the “combustor” disappears as described above. An event.
  • Ignition device refers to, for example, an electric ignition device such as an igniter (ignition flag).
  • ignition operation of the ignition device refers to an operation in which an electric spark is blown using an ignition plug.
  • an electromagnetic valve that opens and closes the valve body by electromagnetic force can be used.
  • the “open / close valve for communicating / blocking the gas flow path for supplying the gas sent from the hydrogen generator to the combustor” means that the gas sent from the hydrogen generator bypasses the fuel cell and burns the fuel.
  • the first on-off valve provided in the first gas flow path introduced into the combustor communicates with the second gas flow path through which the gas sent from the hydrogen generator is introduced into the combustor via the fuel cell. / Includes both the second on-off valve to be shut off.
  • Communication / blocking of gas flow path refers to opening and closing of a space through which gas passes in the gas flow path, and gas flowing through the gas flow path when the “open / close valve” is open In the closed state of the “open / close valve”, the ventilation of the gas flowing through the gas flow path is blocked.
  • the controller is composed of a CPU and a microprocessor with built-in memory.
  • the “controller” may be single or plural.
  • the fuel cell system according to the second aspect may include a raw fuel supplier that supplies the raw fuel to the hydrogen generator in the fuel cell system according to the first aspect.
  • the controller supplies the raw fuel to the hydrogen generator and the combustion air supplier while the open / close valve is kept open.
  • the combustion air may be supplied to the combustor and the ignition operation of the igniter may be performed.
  • the controller when the combustor does not ignite due to the ignition operation of the igniter, the controller performs a stop process of the fuel cell system. May be executed.
  • the fuel cell system according to the fourth aspect is the fuel cell system according to any one of the first to third aspects, wherein the controller supplies combustion air when the combustor does not ignite due to the ignition operation of the igniter.
  • the operation amount of the gas generator may be controlled to be larger than the operation amount of the combustion air supply device during power generation of the fuel cell.
  • the amount of air sent to the combustor can be increased, so that the combustible gas in the combustor can be diluted and discharged outside the fuel cell system.
  • the air from the combustion air supply device functions as a refrigerant for cooling the fuel cell system. Therefore, when the amount of air is increased, the fuel cell system can be smoothly cooled.
  • combustion air supply device for example, a blower such as a fan can be used.
  • the “operation amount of the combustion air supply device” refers to a determinant (for example, fan rotation speed) that can be controlled by the “controller” among factors that determine the air amount that is the control amount of the “combustion air supply device”. . Therefore, the amount of air sent to the combustor increases or decreases as the “operation amount of the combustion air supply device” increases or decreases.
  • the fuel cell system according to the fifth aspect is the fuel cell system according to any one of the first to fourth aspects, wherein the gas sent from the hydrogen generator bypasses the fuel cell and is introduced into the combustor.
  • a second on-off valve that communicates / blocks the second gas flow path.
  • the controller may execute the ignition operation of the igniter in a state where at least one of the first on-off valve and the second on-off valve is opened.
  • a fuel cell system is the fuel cell system according to the first or second aspect.
  • the fuel cell system according to the first aspect between the exhaust gas discharged from the combustor and the heat medium.
  • a heat exchanger in which heat exchange is performed, a heat medium path through which the heat medium flows, a pump for flowing the heat medium through the heat medium path, and a heat accumulator in which the heat recovered by the heat medium is stored. You may prepare.
  • the controller may operate the pump.
  • the “heat exchanger” may have any configuration as long as it is a device for exchanging heat of a high-temperature fluid (heating fluid) and a low-temperature fluid (heat receiving fluid).
  • the heat in the exhaust gas be recovered by heat exchange.
  • the recovered heat may be used for applications such as hot water supply and floor heating.
  • the “heat medium path” may be a pipe connected to a heat accumulator (for example, a path for forming a hot water storage tank or floor heating).
  • the “heat medium” is preferably a liquid, and for example, liquid water, antifreeze, or the like can be used.
  • exhaust gas refers to gas discharged from the combustor. Combustion exhaust gas generated by combustion of a mixture of combustion fuel and combustion air, combustion air when the combustion of the combustor is stopped, etc. It is an example.
  • the operation period of the ignition operation of the igniter is the ignition of the igniter at the start of combustion of the combustor in the start-up process. It may be shorter than the operation period of the operation.
  • the “operation period of the ignition operation” refers to the ignition time of the ignition operation in which the spark of the igniter is continuously blown, as exemplified by the ignition operation of the igniter, and sandwiches the pre-purge (scavenging by air) of the combustor. It does not indicate the total ignition time including retry ignition operation.
  • the “start-up process” refers to a process that includes a temperature raising step for raising the temperature of the hydrogen generator to a temperature suitable for the reforming reaction and starts supplying a high-concentration hydrogen-containing gas to the fuel cell.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of the fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the fuel cell system 100 includes a hydrogen generator 1 that generates fuel gas by a reforming reaction using raw fuel.
  • the fuel cell system 100 also includes a raw fuel supplier 20 that supplies raw fuel to the hydrogen generator 1.
  • a water supply source necessary for the reforming reaction of the hydrogen generator 1 for example, a water main tap is used, and a valve (not shown) that adjusts the amount of water in a pipe between the water main tap and the hydrogen generator 1. )) Is arranged.
  • the hydrogen generator 1 When raw fuel and water are supplied to the hydrogen generator 1, the hydrogen generator 1 causes them to undergo a reforming reaction in a reforming catalyst layer (not shown). Then, in the hydrogen generator 1, a hydrogen-containing gas (fuel gas) is generated.
  • a hydrogen-containing gas fuel gas
  • the reformer provided with the reforming catalyst layer is arranged in the hydrogen generator 1 (depending on the apparatus structure, in order to reduce carbon monoxide in the hydrogen-containing gas, carbon monoxide is converted by a shift reaction.
  • a carbon monoxide removing device that reduces carbon monoxide by an oxidation reaction or a carbon monoxide removing device is also provided, and the internal structure of such a hydrogen generator 1 is known. Therefore, the detailed description and illustration are omitted.
  • the raw fuel supplier 20 can use, for example, a booster pump or a flow control valve connected to the main plug of city gas (raw fuel gas supplied using piping in the city).
  • the raw fuel supplier 20 supplies the hydrogen generator 1 with city gas whose main component is methane gas, which is an example of raw fuel.
  • the reforming reaction (endothermic reaction) of the reforming catalyst layer is accelerated at a high temperature of about 600 ° C to 700 ° C. For this reason, in order for the reforming reaction to proceed in the hydrogen generator 1, the combustor 2 is required that can apply heat to the hydrogen generator 1 from the outside and increase the temperature of the reforming catalyst layer.
  • the fuel cell system 100 includes a combustor 2 that heats the hydrogen generator 1 and combustion air that supplies combustion air (hereinafter abbreviated as “combustion air”) to the combustor 2.
  • combustion air combustion air
  • the feeder 4 and the igniter 5 provided in the combustor 2 are provided.
  • combustion air supply device 4 for example, a fan that pumps air (air) containing oxygen necessary for combustion to the combustor 2 can be used.
  • the combustion air supply device 4 is not limited to a fan, and may be another device as long as it can supply air, for example, a pump.
  • combustion fuel combustion fuel
  • combustion fuel and combustion air are supplied to the combustor 2, whereby combustion of a mixture of combustion fuel and combustion air occurs in the combustor 2.
  • the combustion method of the combustor 2 includes diffusion combustion and premixed combustion. In diffusion combustion, combustion fuel and combustion air are separately supplied into the combustor 2, and the air-fuel mixture is combusted when they collide with each other in the combustor 2. In the premixed combustion, combustion fuel and combustion air are mixed and supplied into the combustor 2 in advance, and the air-fuel mixture is combusted.
  • diffusion combustion or premixed combustion can be used.
  • premixed combustion it is necessary to configure so that the flame does not backfire in the premixed portion.
  • a backfire prevention configuration for example, a wire net or the like may be provided in the supply path of the air-fuel mixture to the combustor 2 so that the flame is not transmitted to the upstream side.
  • the igniter 5 is used as an ignition source for igniting a mixture of combustion fuel and combustion air in the combustor 2.
  • an igniter ignition plug
  • the combustor 2 is provided with a detector 21 that can detect the presence or absence of ignition of the air-fuel mixture and the combustion state of the combustor 2.
  • a frame rod can be used.
  • the fuel cell system 100 includes a fuel cell 7 that generates power using the fuel gas (hydrogen gas) generated in the hydrogen generator 1.
  • the fuel gas supplied to the anode 7A of the fuel cell 7 and the oxidant gas (for example, air) supplied to the cathode 7C of the fuel cell 7 react electrochemically to generate electric power and Heat is generated.
  • the surplus off-fuel gas that has not been used in the anode 7A is supplied to the combustor 2 as combustion fuel, and the surplus oxidant gas that has not been used in the cathode 7C is outside the fuel cell system 100 (in the atmosphere). Discharged.
  • a polymer electrolyte fuel cell, a phosphoric acid fuel cell, a solid oxide fuel cell, or the like is mainly used.
  • an external reforming type solid oxide fuel cell in which the hydrogen generator including the reformer as shown in FIG. 1 and the fuel cell body are different may be used.
  • An internal reforming type solid oxide fuel cell in which the hydrogen generator and the fuel cell main body are integrated may be used.
  • the fuel cell system 100 includes an on-off valve that communicates / blocks (communication and blocking) a gas flow path for supplying the gas sent from the hydrogen generator 1 to the combustor 2.
  • the gas flow path includes a first gas flow path 8 through which a combustible gas (for example, fuel gas) sent from the hydrogen generator 1 bypasses the fuel cell 7 and is introduced into the combustor 2, and hydrogen generation.
  • a second gas flow path 9 through which combustible gas (for example, fuel gas) delivered from the combustor is introduced into the combustor 2 via the fuel cell 7.
  • the on-off valve includes a first on-off valve 8A for communicating / blocking the first gas flow path 8, a second on-off valve 9A and a third on-off valve 9B for communicating / blocking the second gas flow path 9, There is.
  • first and second gas flow paths 8 and 9 for example, fluid pipes that form fluid flow paths can be used.
  • first on-off valve 8A, the second on-off valve 9A, and the third on-off valve 9B for example, an electromagnetic valve that can open and close a space in the fluid piping can be used.
  • the supply of combustion fuel to the combustor 2 is performed, for example, as follows.
  • the first on-off valve 8A may be opened, and the fuel gas sent from the hydrogen generator 1 may be used as the combustion fuel for the combustor 2.
  • the raw fuel from the raw fuel supply device 20 is reformed into fuel gas when passing through the hydrogen generator 1, and the fuel gas bypasses the fuel cell 7 so as to bypass the first gas flow path. 8 to be supplied to the combustor 2.
  • This supply example is mainly executed during the startup process of the fuel cell system 100.
  • the off-fuel gas sent from the fuel cell 7 may be used as the combustion fuel of the combustor 2 by opening the second and third on-off valves 9A and 9B.
  • the raw fuel from the raw fuel supplier 20 is reformed into fuel gas when passing through the hydrogen generator 1, and this fuel gas passes through the anode 7A of the fuel cell 7 and exits from the anode 7A.
  • Off-fuel gas is supplied to the combustor 2 via the second gas passage 9.
  • This supply example is mainly executed during the power generation operation of the fuel cell system 100.
  • the fuel cell system 100 includes a controller 30.
  • the controller 30 includes a CPU, a memory, and the like, and controls operations of various devices to be controlled in the fuel cell system 100 based on signals from various detectors in the fuel cell system 100.
  • the controller 30 detects the misfire of the combustor 2 by the detector 21, “the gas flow path for supplying the gas sent from the hydrogen generator 1 to the combustor 5. In the state where the opening / closing valve that communicates / cuts off is maintained ", the ignition operation of the igniter 5 is executed. When the combustor 2 is not ignited by such an ignition operation of the igniter 5, the controller 30 executes a stop process of the fuel cell system 100. Further, when the combustor 2 is not ignited by the ignition operation of the above-described igniter 5, the controller 30 makes the operation amount of the combustion air supply device 4 larger than the operation amount during power generation of the fuel cell 7. Control.
  • the following operation is performed by controlling each part of the fuel cell system 100 by the controller 30.
  • the normal operation of the fuel cell system 100 is roughly divided into a start process, a power generation process, a stop process, and a standby process. However, since each of these steps is known, an outline of each step will be described below.
  • Start-up process The start-up process of the fuel cell system 100 is a process of moving the fuel cell system 100 before start-up (for example, a standby state described later) into a state where power generation can be performed. The startup process is performed to raise the
  • combustion fuel and combustion air are supplied to the combustor 2, and the mixture of both is combusted using the igniter 5 in the combustor 2.
  • the supply of combustion air is performed by the combustion air supplier 4. Further, in the supply of combustion fuel in the start-up process, as in the first supply example, the raw fuel gas sent from the hydrogen generator 1 and supplied to the combustor 2 via the first gas flow path 8 is used. Then, ignition and combustion are started, and thereafter, the combustible gas sent from the hydrogen generator 1 is continuously used as the combustion fuel of the combustor 2.
  • the power generation step of the fuel cell system 100 is a step of obtaining electric power from the fuel cell 7 using the fuel gas (hydrogen gas) generated in the hydrogen generator 1.
  • high-quality hydrogen gas is supplied to the anode 7A of the fuel cell 7. Further, an oxidant gas (here, air) is supplied to the cathode 7C of the fuel cell 7 by a supply device (not shown). Then, the fuel cell 7 generates electric power and heat by the reaction between these hydrogen gas and air.
  • the electric power can be used, for example, in household electrical equipment, and the heat can be used, for example, in domestic heating or hot water supply.
  • a cogeneration system that uses both electric power and heat can be constructed, but a monogeneration system that uses only electric power to waste heat may be constructed.
  • the stopping process of the fuel cell system 100 is a process of stopping the generation of electric power in the fuel cell system 100.
  • the standby process of the fuel cell system 100 is a process in which the fuel cell system 100 waits for the next activation until an instruction to enter the next activation is issued after the stop process is completed.
  • the standby state in which the operation of the fuel cell system 100 is stopped is continued.
  • a combustion burner is used for the combustor 2
  • the flame of the combustor 2 may disappear and misfire may occur.
  • the cause of the misfire of the combustor 2 is a transient disturbance of the balance between the supply amount of the combustion fuel and the supply amount of the combustion air, and the drop of water accompanying the off-fuel gas discharged from the anode 7A of the fuel cell 7 Contamination into the combustor 2 and fluctuations in natural phenomena such as atmospheric pressure and wind speed are considered.
  • the second on-off valve is kept open to ignite in place of the conventional stop process.
  • the ignition operation of the vessel 5 is performed as exemplified below. The following operation is performed by controlling each part of the fuel cell system 100 by the controller 30.
  • misfire is detected by the output signal of the detector 21. Then, the following operation is started.
  • the ignition operation of the igniter 5 is performed immediately. Since the cause of misfire of the combustor 2 is often a transient disturbance of the gas supply system, the gas mixture in the combustor 2 is maintained by continuing the supply of the combustion air and raw fuel as they are. However, it can be expected that the air-fuel ratio is combustible in the combustor 2. For this reason, in the fuel cell system 100 of the present embodiment, when the combustor 2 is misfired, the second open / close valve 9A and the third open / close valve 9B are maintained open to the hydrogen generator 1 by the raw fuel supplier 20. The raw fuel supply, the water supply to the hydrogen generator 1, and the combustion air supply from the combustion air supply 4 are continued.
  • the fuel cell system 100 of the present embodiment can perform re-ignition of the combustor 2 by reducing pressure damage applied to the anode gas flow path of the fuel cell as compared with the conventional case.
  • the second on-off valve 9A and the third on-off valve 9B are maintained open, and the raw fuel supplier 20 supplies the hydrogen generator 1 to the hydrogen generator 1.
  • the raw fuel supply, the water supply to the hydrogen generator 1 and the supply of the combustion air from the combustion air supply device 4 are continued, the ignition operation by the igniter 5 is executed, but the present invention is not limited thereto.
  • the hydrogen generator 1 may be configured to continue the supply of water to 1 and the supply of combustion air from the combustion air supply device 4 to perform the ignition operation by the igniter 5.
  • the hydrogen generator 1 may be configured to continue the supply of water to 1 and the supply of combustion air from the combustion air supply device 4 to perform the ignition operation by the igniter 5.
  • the first on-off valve 8A, the second on-off valve 9A, and the third on-off valve 9B are both opened, the raw fuel supply unit 20 supplies the raw fuel to the hydrogen generator 1, and the water supply to the hydrogen generator 1 And the supply of the combustion air from the combustion air supplier 4 may be continued, and the ignition operation by the igniter 5 may be executed.
  • the controller 30 performs an ignition operation by the igniter 5.
  • the operation period of the ignition operation of the igniter 5 when the combustor 2 misfires during power generation of the fuel cell 7 is set shorter than the operation period of the ignition operation of the igniter 5 in the startup process of the fuel cell system 100. Has been. The reason for this will be described below.
  • the “operation period of the ignition operation” is exemplified by the ignition operation of the igniter, which means the time of the ignition operation in which the spark of the igniter is continuously blown, and a retry with the pre-purge (scavenging by air) of the combustor 2 interposed therebetween. It does not indicate the total ignition time including ignition operation.
  • the concentration of the combustible component in the mixture of the combustion air and the combustion fuel can be gradually increased from the lower side than the combustible range in the state where the ignition operation of the igniter 5 is performed. There is no problem even if the operation period of the ignition operation is extended.
  • the concentration of the combustible component in the mixture of the combustion air and the combustion fuel existing in the combustor 2 is in the combustible range. Therefore, if the operation period of the ignition operation is taken long, such an air-fuel mixture is pushed out to the downstream side of the combustor 2 by the fuel gas and the combustion air supplied to the combustor 2 during the ignition operation period. There is also a possibility that the fuel cell system 100 is discharged from an exhaust port that is the downstream end of the combustion exhaust gas path.
  • the operation period of the ignition operation of the ignition device 5 is the It is preferable to set it shorter than the operation period of the ignition operation. In consideration of the suppression of the expansion of the diffusion range of the combustible gas, it is preferable to perform the ignition operation of the igniter 5 only once.
  • the operation period of the ignition operation of the igniter 5 is shortened to a predetermined period (about several seconds; for example, “6 seconds”), power generation in the fuel cell 7 can be continued during this period. Therefore, when the combustor 2 is ignited again by the ignition operation of the igniter 5, the combustion of the combustor 2 can be continued without interrupting the power generation process of the fuel cell system 100.
  • the combustor 2 was not ignited by the ignition operation of the igniter 5 even when the operation period of the igniter 5 exceeded the set time “6 seconds” described above.
  • the controller 30 performs the misfire abnormal stop process of the fuel cell system 100 described below.
  • the ignition abnormality determination when the combustor 2 does not ignite is made based on the output signal of the detector 21.
  • the set time “6 seconds” is merely an example, and is appropriately set depending on the configuration of the equipment and the gas flow rate as long as the mixture containing combustible gas is not discharged from the exhaust port during the ignition operation period. .
  • the operation amount of the combustion air supply device 4 may be larger than the operation amount of the combustion air supply device 4 during power generation of the fuel cell 7.
  • the supply of raw fuel and water to the hydrogen generator 1 is stopped, but the raw fuel and reformed water remain in the hydrogen generator 1. Further, the hydrogen generator 1 immediately after the stop of the fuel cell system 100 has sufficient heat to generate hydrogen gas by water evaporation and reforming reaction.
  • the second gas passage 9 connected to the combustor 2 via the anode 7A of the fuel cell 7 and the first gas passage 8 (bypass passage) bypassing the fuel cell 7 are sealed.
  • an increase in the amount of gas (number of moles of gas) due to hydrogen gas generation or water evaporation boosts the pressure inside the hydrogen generator 1 or the fuel cell 7 and damages the structure of the hydrogen generator 1 or the fuel cell 7. There is a possibility of reaching.
  • the fuel cell system 100 of the present embodiment even after the supply of raw fuel and water to the hydrogen generator 1 is stopped, at least one of the first on-off valve 8A, the second on-off valve 9A, and the third on-off valve 9B. One side is open.
  • the combustion air is supplied from the combustion air supply device 4 to the combustor 2 in a state where at least one of the first gas flow channel 8 and the second gas flow channel 9 is communicated. Even while scavenging the inside of the fuel cell 2 with combustion air, it is possible to suppress an increase in internal pressure of the hydrogen generator 1 and the fuel cell 7 (hereinafter referred to as “over-pressurization suppressing operation”).
  • the combustion air supply device 4 When such an over-pressurization suppression operation is performed, there is a possibility that combustible gas may be discharged outside the fuel cell system 100 via the exhaust port via the combustor 2, but in this embodiment, as described above, Since the combustion air supply device 4 is operated, the concentration of the combustible gas can be diluted and the diluted gas can be discharged out of the fuel cell system 100. In this case, in consideration of the amount of combustible components in the combustible gas discharged by the overpressure suppression operation, the combustion air supply device 4 prevents the combustible gas within the combustible range from being discharged outside the fuel cell system 100.
  • the amount of air to be supplied (specifically, the operation amount of the combustion air supplier 4) may be set.
  • the fuel cell system 100 of the present embodiment includes the hydrogen generator 1 that generates fuel gas by a reforming reaction using raw fuel, the fuel cell 7 that generates power using the fuel gas, and the hydrogen generator 1.
  • a combustor 2 for heating the gas, an on-off valve for communicating / blocking a gas flow path for supplying the gas sent from the hydrogen generator 1 to the combustor 2, and a combustion air supplier 4 for supplying combustion air to the combustor 2
  • an igniter 5 provided in the combustor 2 and a controller 30.
  • an example of the gas flow path is that the gas sent from the hydrogen generator 1 bypasses the fuel cell 7 and is introduced into the combustor 2.
  • Road 8 may be used.
  • an example of the on-off valve may be the first on-off valve 8A that communicates / blocks the first gas flow path 8.
  • Another example of the gas flow path may be the second gas flow path 9 in which the gas sent from the hydrogen generator 1 is introduced into the combustor 2 via the fuel cell 7.
  • other examples of the on-off valve may be the second on-off valve 9A and the third on-off valve 9B that communicate / block the second gas flow path 9.
  • the second gas channel 9 which is an example of the gas channel may be provided with only one of the second on-off valve 9A and the third on-off valve 9B.
  • the other on-off valve (9A or 9B) provided in the second gas flow path 9 may be another example of the on-off valve.
  • the third on-off valve 9B functions as the on-off valve.
  • the combustor 2 is configured to burn using, for example, the gas supplied from the second gas passage 9 as the combustion fuel during power generation of the fuel cell 7. Further, when the combustor 2 misfires during the power generation of the fuel cell 7, the controller 30 opens, for example, at least one of the first on-off valve 8A, the second on-off valve 9A, and the third on-off valve 9B. In the state, the ignition device 5 is configured to execute an ignition operation.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a configuration example of the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the exhaust gas discharged from the combustor 2 and the first heat flowing through the first heat medium path 201 are compared with the fuel cell system 100 of the first embodiment.
  • An exhaust heat recovery mechanism by heat exchange with a medium for example, liquid water or antifreeze is added.
  • the fuel cell system 110 of the present embodiment includes an exhaust gas path 10 through which exhaust gas discharged from the combustor 2 flows, a first heat medium path 201 through which the first heat medium flows, and high-temperature exhaust gas.
  • a first heat exchanger 11 that exchanges heat with a low-temperature first heat medium.
  • the first heat medium path 201 is provided with the first pump 200, whereby the first heat medium flows through the first heat medium path 201.
  • the first heat storage path 202 is provided in the first heat medium path 201, whereby the first heat medium flowing through the first heat medium path 201 is stored in the first heat storage apparatus 202.
  • the operation of the first pump 200 is controlled by the controller 30.
  • Exhaust gas becomes a heating fluid in the first heat exchanger 11. Therefore, the exhaust gas discharged from the combustor 2 is guided to the exhaust gas path 10, and the exhaust gas is cooled using the first heat exchanger 11. Further, the first heat medium becomes a heat receiving fluid in the first heat exchanger 11. Therefore, the first heat medium is heated by the heat exchange, and the high-temperature first heat medium that has passed through the first heat exchanger 11 enters the first heat accumulator 202 and is stored therein.
  • the operation period of the combustion air supplier 4 is a start process, a power generation process, and a stop process of the fuel cell system 110, and heat recovery from the exhaust gas by the first heat medium through the first heat exchanger 11 in each process.
  • the contents of the operation are described below.
  • the air-fuel mixture is combusted in the combustor 2.
  • the first pump 200 is operated, and the first heat medium is passed through the first heat exchanger 11 from the exhaust gas (in this case, the combustion exhaust gas generated by the combustion of the air-fuel mixture) heated to such a temperature.
  • the first heat medium flowing through the path 201 performs heat recovery. Thereby, the high-temperature exhaust gas discharged out of the fuel cell system 110 is cooled by heat recovery via the first heat exchanger 11.
  • the combustor The combustion of the air-fuel mixture at 2 is not performed.
  • the high-temperature combustion section 2 and the hydrogen generator 1 exist as a heating source for the exhaust gas.
  • the amount of operation of the combustion air supply device 4 is increased to increase the flow velocity of the combustion air, so that a large amount of heat is exhausted from the combustion section 2 and the hydrogen generator 1.
  • the exhaust gas is brought out by the gas (here, mainly combustion air), and the exhaust gas tends to be heated. Therefore, during at least one of the ignition operation period of the igniter 5 after the misfire of the combustor 2 and the pressure increase suppression operation of the misfire abnormal stop process, the first pump 200 is operated, and the first heat exchanger 11 is operated.
  • the first heat medium recovers heat from the exhaust gas. As described above, during the operation period of the combustion air supply device 4, the exhaust gas by the first heat medium is passed through the first heat exchanger 11 even though the combustion of the air-fuel mixture is not performed in the combustion unit 2. It is preferable to perform a heat recovery operation from.
  • the fuel cell system 110 of the present embodiment includes the first heat exchanger 11 that performs heat exchange between the exhaust gas discharged from the combustor 2 and the first heat medium, and the first heat medium.
  • a first heat medium path 201 that flows; a first pump 200 that causes the first heat medium to flow through the first heat medium path 201; and a first heat accumulator 202 that stores heat recovered by the first heat medium.
  • the controller 30 performs the heat recovery operation of the exhaust gas by the first heat medium via the first heat exchanger 11 by operating the first pump 200.
  • the controller 30 controls the raw fuel supplied by the raw fuel supplier 20.
  • the controller 30 controls the raw fuel supplied by the raw fuel supplier 20.
  • the hydrogen generator 1 supply water to the hydrogen generator 1, and supply combustion air to the combustor 2 by the combustion air supplier 4, and execute an ignition operation of the igniter 5. It is configured.
  • the raw fuel supply device 20 supplies the raw fuel to the hydrogen generator 1.
  • the controller 30 supplies the raw fuel to the hydrogen generator 1 and the water supplier (not shown) when the combustor 2 misfires. It is comprised so that at least any one of the supply of water from may be stopped.
  • the controller 30 may stop the operation of the booster pump.
  • the controller 30 may stop the operation of the pump.
  • FIG. 4, and FIG. 5 are all block diagrams showing modifications of the exhaust heat recovery mechanism used in the fuel cell system of the second embodiment.
  • FIG. 3 there is an exhaust heat recovery mechanism configured to recover the heat of the exhaust gas discharged from the combustor 2 in the secondary cooling system and store the recovered heat in the second heat accumulator 212 of the secondary cooling system. It is shown.
  • the second heat exchanger 213 heat is recovered from the first heat medium in the first heat medium path 201, and the heat recovered from the first heat medium is converted into the second heat medium in the second heat medium path 211 (for example, Given to liquid water or antifreeze). That is, the first heat medium becomes a heating fluid in the second heat exchanger 213, and the second heat medium becomes a heat receiving fluid in the second heat exchanger 213.
  • the second heat medium in the second heat medium path 211 flows due to the operation of the second pump 210, whereby the high-temperature second heat medium that has passed through the second heat exchanger 213 is transferred to the second heat accumulator 212. Enter and store there.
  • combustion is performed from the combustion air supply device 4 during the ignition operation by the igniter 5 in which combustion is not performed in the combustor 2 and in the state where the combustor 2 is not combusted in the misfire abnormal stop processing.
  • the first pump 200 but also the second pump 210 is operated under the control of the controller 3.
  • the heat of the exhaust gas is finally recovered in the second heat medium, and as a result, the heat of the exhaust gas is stored in the second heat accumulator 212.
  • the first switch 221 (for example, an electromagnetic three-way valve) is set so that the first heat medium flows into the first bypass path 222.
  • An exhaust heat recovery mechanism in which switching is performed is shown.
  • the first bypass path 222 has a first heat medium path 201 upstream of the first heat accumulator 202 and a first heat medium path 201 downstream of the first heat accumulator 202 so as to bypass the first heat accumulator 202. Is a path connecting The first switch 221 switches the inflow destination of the first heat medium that has passed through the first heat exchanger 11 between the first heat accumulator 202 and the first bypass path 222.
  • the radiator 220 is a radiator that radiates heat from the first heat medium that passes through the first bypass path 222.
  • combustion is performed from the combustion air supply device 4 during the ignition operation by the igniter 5 in which combustion is not performed in the combustor 2 and in the state where the combustor 2 is not combusted in the misfire abnormal stop processing.
  • the first switch 221 is controlled so that the first pump 200 is operated and the inflow destination of the first heat medium is the first bypass path 222. Thereby, the heat recovered by the first heat medium is radiated through the radiator 220.
  • FIG. 5 there is an exhaust heat recovery mechanism configured to recover the heat of the exhaust gas discharged from the combustor 2 in the secondary cooling system and store the recovered heat in the second heat accumulator 212 of the secondary cooling system. It is shown. Further, in the secondary cooling system, a second heat medium path 211 upstream of the second heat accumulator 212 and a second heat medium path 211 downstream of the second heat accumulator 212 so as to bypass the second heat accumulator 212. A second bypass path 232 is provided to connect the two.
  • the second switch 231 switches the inflow destination of the second heat medium that has passed through the second heat exchanger 213 between the second heat accumulator 212 and the second bypass path 232.
  • the radiator 230 is a radiator that radiates heat from the second heat medium passing through the second bypass path 232.
  • combustion is performed from the combustion air supply device 4 during the ignition operation by the igniter 5 in which combustion is not performed in the combustor 2 and in the state where the combustor 2 is not combusted in the misfire abnormal stop processing.
  • the second switch 231 is operated so that the first pump 200 and the second pump 210 are operated and the inflow destination of the second heat medium is the second bypass path 232. Is controlled. Thereby, the heat recovered by the second heat medium is radiated through the radiator 230.
  • the present invention relates to a fuel cell system including a hydrogen generator that performs a reforming reaction using evaporated water, and when a combustor misfires, pressure damage applied to the anode gas flow path of the fuel cell due to water evaporation is higher than in the past.
  • a fuel cell system is provided.
  • the fuel cell system of the present invention can be used for various purposes as a power generator, and can be used for, for example, a fuel cell cogeneration system for home use or business use.

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Abstract

本発明の燃料電池システム（１００）は、原燃料を用いて改質反応により燃料ガスを生成する水素生成器（１）と、燃料ガスを用いて発電する燃料電池（７）と、水素生成器（１）を加熱する燃焼器（２）と、水素生成器（１）から送出されたガスを燃焼器（２）に供給するガス流路（９）を連通／遮断する開閉弁（９Ａ、９Ｂ）と、燃焼器２に燃焼空気を供給する燃焼空気供給器（４）と、燃焼器（２）に設けられた着火器（５）と、制御器（３０）と、を備える。燃焼器（２）は、燃料電池（７）の発電中において、ガス流路（９）から供給されるガスを用いて燃焼するよう構成され、燃料電池（７）の発電中に燃焼器（２）が失火した場合、制御器（３０）は、開閉弁（９Ａ、９Ｂ）の開放を維持した状態で、着火器（５）の着火動作を実行する。

Description

燃料電池システム
　本発明は燃料電池システムに関する。特に、本発明は、天然ガス、LPG、ガソリン、ナフサ、灯油、メタノール等の炭化水素系物質を主原料（原燃料）として水蒸気改質反応により生成された水素リッチガスを用いて発電する燃料電池システムに関する。
　燃料電池システムの水素生成器では、炭素原子および水素原子から構成される有機化合物を含む原燃料が、改質触媒層を備えた改質器において水蒸気改質される。この改質反応により、改質ガスとして、水素リッチガス（以下、「水素ガス」と略すが、「燃料ガス」と略す場合もある）が生成される。
　燃料電池システムの燃料電池では、この水素ガスを用い、水素ガスを空気などの酸化剤ガスと反応させることにより、電力および熱が生成される。
　６００℃～７００℃程度の温度環境で、吸熱反応である改質反応が進行するので、この改質反応の進行には改質触媒層を加熱する必要がある。改質触媒層の加熱手段として、燃焼バーナを用いるのが一般的である。燃焼バーナでは、燃焼バーナの燃料として有機化合物を含む原燃料や燃料電池で使用されなかったオフ燃料ガスなどが供給されるとともに、酸化剤ガスとして空気などが供給され、これにより、これらの混合気の燃焼が起こる。このような混合気の燃焼を起こすには、燃焼バーナを初期に着火をさせる必要があり、着火方法として、イグナイター（着火器）などで電気的な火花を発生させるのが一般的である。
　ところで、供給系のゆらぎや外乱などにより、燃焼バーナの火炎が消える場合がある（以下、このような火炎が消える事象を「失火」という）。燃焼バーナが失火すると、改質反応に必要な熱を水素生成器に供給できなくなるので、水素生成器において水素ガスを生成できない。よって、燃料電池システムによる電力および熱の生成が継続できない。
そこで、燃料電池の発電中に燃焼バーナが失火した場合、燃料電池のアノードガス流路の出口を封止し、燃焼バーナへの燃料の供給を停止して、空気などの酸化剤ガスにより燃焼バーナを掃気した後、再度、燃焼バーナを着火するという停止処理が提案されている（例えば、従来例としての特許文献１参照）。
特開２００８－９１０９４号公報
　本発明によれば、燃料電池のアノードガス流路の燃焼器への連通が維持されるため蒸発水を用いた改質反応を行う水素生成器を備える燃料電池システムにおいて、燃焼器が失火した場合に、水蒸発により燃料電池のアノードガス流路に加わる圧力ダメージが従来よりも低減する燃料電池システムが得られる。
　従来例の燃料電池システムでは、上述のとおり、燃料電池の発電中に燃焼バーナが失火した場合、燃料電池のアノードガス流路の出口が封止されている。また、従来例の燃料電池システムでは、燃料電池のアノードガス流路の出口の封止時において、燃料電池の内圧上昇を抑制するため、燃料電池の発電量を増加させるよう、燃料電池の発電動作が制御されている。
　しかしながら、水素生成器に継続投入された改質水からの水蒸気生成に伴う急激な水素生成器内のガス量増加（圧力上昇）の影響を燃料電池の発電量の増加によって適切に抑制できない場合がある。この場合、燃料電池の発電量の増加による内圧の低下を図っても充分に内圧上昇が低減されず、燃料電池の構成部材に対するダメージを与える可能性がある。特に、内圧が急激に上昇するアノードガス流路と、内圧が上昇しないカソードガス流路との差圧によって、燃料電池の電解質材料に負荷が大きくかかり、電解質材料が破損する可能性がある。なお、水素生成器内に改質水が継続的に供給されなくても、水素生成器内に残留する改質水の水蒸発に伴う急激な内圧上昇により同様の問題が起こることが想定される。
　本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、蒸発水を用いた改質反応を行う水素生成器を備える燃料電池システムにおいて、燃焼器が失火した場合に、水蒸発により燃料電池のアノードガス流路に加わる圧力ダメージが従来よりも低減する燃料電池システムを提供することを目的とする。
　上記課題を解決するため、第１の本発明の燃料電池システムは、原燃料を用いて改質反応により燃料ガスを生成する水素生成器と、前記燃料ガスを用いて発電する燃料電池と、前記水素生成器を加熱する燃焼器と、前記水素生成器から送出されたガスを前記燃焼器に供給するガス流路を連通／遮断する開閉弁と、前記燃焼器に燃焼空気を供給する燃焼空気供給器と、前記燃焼器に設けられた着火器と、制御器と、を備え、前記燃焼器は、前記燃料電池の発電中において、前記ガス流路から供給されるガスを用いて燃焼するよう構成され、前記燃料電池の発電中に前記燃焼器が失火した場合、前記制御器は、前記開閉弁の開放を維持した状態で、前記着火器の着火動作を実行する。
　第２の本発明の燃料電池システムでは、前記原燃料を前記水素生成器に供給する原燃料供給器を備え、前記燃料電池の発電中に前記燃焼器が失火した場合、前記制御器は、前記開閉弁の開放を維持した状態で、前記原燃料供給器による前記原燃料の前記水素生成器への供給及び前記燃焼空気供給器による前記燃焼器への前記燃焼空気の供給を実行するとともに、前記着火器の着火動作を実行してもよい。
　第３の本発明の燃料電池システムでは、前記着火動作により前記燃焼器が着火しなかった場合、前記制御器は、前記燃料電池システムの停止処理を実行してもよい。
　本発明の燃料電池システムでは、前記制御器は、前記着火動作により前記燃焼器が着火しなかった場合、前記燃焼空気供給器の操作量を、前記燃料電池の発電中における前記操作量よりも大きくなるよう制御してもよい。
　第４の本発明の燃料電池システムでは、前記水素生成器から送出されたガスが、前記燃料電池をバイパスして前記燃焼器に導入される第１ガス流路と、前記第１ガス流路を連通／遮断する第１開閉弁と、前記水素生成器から送出されたガスが、前記燃料電池を経由して前記燃焼器に導入される第２ガス流路と、前記第２ガス流路を連通／遮断する第２開閉弁とを備え、前記制御器は、前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁の少なくともいずれか一方を開放した状態で、前記着火器の前記着火動作を実行してもよい。
　第５の本発明の燃料電池システムでは、前記燃焼器から排出される排気ガスと熱媒体との間の熱交換が行われる熱交換器と、前記熱媒体が流れる熱媒体経路と、前記熱媒体経路に熱媒体を流すためのポンプと、前記熱媒体により回収した熱が蓄えられる蓄熱器と、を備え、前記着火器による前記着火動作中において、前記制御器は、前記ポンプを動作させてもよい。
　第６の本発明の燃料電池システムでは、前記着火動作の動作期間は、起動処理における前記燃焼器の燃焼開始時の着火動作の動作期間よりも短くてもよい。
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムの一構成例を示したブロック図である。 図２は、本発明の実施の形態２の燃料電池システムの一構成例を示したブロック図である。 図３は、本発明の実施の形態２の燃料電池システムの変形例を示したブロック図である。 図４は、本発明の実施の形態２の燃料電池システムの変形例を示したブロック図である。 図５は、本発明の実施の形態２の燃料電池システムの変形例を示したブロック図である。
　まず、本発明の実施形態の燃料電池システムにおける様々な特徴について、以下に列挙する。
　第１の形態の燃料電池システムは、原燃料を用いて改質反応により燃料ガスを生成する水素生成器と、燃料ガスを用いて発電する燃料電池と、水素生成器を加熱する燃焼器と、水素生成器から送出されたガスを燃焼器に供給するガス流路を連通／遮断する開閉弁と、燃焼器に燃焼空気を供給する燃焼空気供給器と、燃焼器に設けられた着火器と、制御器と、を備える。そして、燃焼器が、燃料電池の発電中において、上記ガス流路から供給されるガスを用いて燃焼するよう構成され、燃料電池の発電中に燃焼器が失火した場合、制御器が、このガス流路を連通／遮断する開閉弁の開放を維持した状態で、着火器の着火動作を実行する。
　かかる構成により、水素生成器から送出されたガスを燃焼器に供給するガス流路を連通／遮断する開閉弁の開放を維持した状態で、着火器の着火動作を実行するという燃焼器の失火対策が試みられる。
　よって、蒸発水を用いた改質反応を行う水素生成器を備える本実施形態の燃料電池システムにおいて、燃焼器が失火した場合に、水蒸発により燃料電池のアノードガス流路に加わる圧力ダメージが従来よりも低減される。
　ここで、「原燃料」は、少なくとも炭素と水素とを構成元素とする有機化合物を含み、上記改質反応により燃料ガスが生成される物質である。このような「原燃料」としては、メタン、エタン、プロパンなどの炭化水素、メタノール、エタノールなどのアルコール等が例示される。
　「燃焼器」とは、例えば、燃焼バーナなどの燃料と空気の混合気を燃焼できる加熱装置をいい、「燃焼器の失火」とは、上述のとおり、「燃焼器」の火炎が消えてしまう事象をいう。
　「着火器」とは、例えば、イグナイター（点火フラグ）のような電気的な点火装置をいい、この場合、「着火器の着火動作」とは、点火プラグを用いて電気的な火花を飛ばす動作をいう。
　「開閉弁」として、例えば、電磁力によって弁体の開閉が行われる電磁弁を用いることができる。
　また、「前記水素生成器から送出されたガスを前記燃焼器に供給するガス流路を連通／遮断する開閉弁」は、水素生成器から送出されたガスが、燃料電池をバイパスして前記燃焼器に導入される第１ガス流路に設けられた第１開閉弁と、水素生成器から送出されたガスが、燃料電池を経由して燃焼器に導入される前記第２ガス流路を連通／遮断する第２開閉弁との両方を含むものである。
　「ガス流路の連通／遮断」（ガス流路の連通および遮断）とは、ガス流路内のガスが通る空間の開閉を指し、「開閉弁」の開放状態において、ガス流路を流れるガスの通気を確保され、「開閉弁」の閉止状態において、ガス流路を流れるガスの通気が遮断される。
　「制御器」は、ＣＰＵやメモリを内蔵するマイクロプロセッサなどにより構成されている。「制御器」は、単独でも複数でもよい。
　また、第２の形態の燃料電池システムは、第１の形態の燃料電池システムにおいて、原燃料を水素生成器に供給する原燃料供給器を備えてもよい。そして、燃料電池の発電中に燃焼器が失火した場合、制御器は、上記開閉弁の開放を維持した状態で、原燃料供給器による原燃料の水素生成器への供給及び燃焼空気供給器による燃焼器への燃焼空気の供給を実行するとともに、着火器の着火動作を実行してもよい。
　かかる構成により、着火器の着火動作により燃焼器が再び着火した場合、原燃料供給器による原燃料の水素生成器への供給を実行しているので、燃料電池の発電の継続をスムーズに行える。
　また、第３の形態の燃料電池システムは、第１または第２の形態の燃料電池システムにおいて、着火器の着火動作により燃焼器が着火しなかった場合、制御器は、燃料電池システムの停止処理を実行してもよい。
　かかる構成により、燃料電池の発電中に燃焼器が失火した場合に、着火器の着火動作の着火異常時における適切な処理が行われる。
　なお、この「燃料電池システムの停止処理」の具体例は後述する。
　また、第４の形態の燃料電池システムは、第１～第３の形態の燃料電池システムのいずれかにおいて、制御器は、着火器の着火動作により燃焼器が着火しなかった場合、燃焼空気供給器の操作量を、燃料電池の発電中における燃焼空気供給器の操作量よりも大きくなるよう制御してもよい。
　かかる構成により、燃焼器に送られる空気量を増やせるので、燃焼器内の可燃ガスを希釈し燃料電池システム外部に排出処理できる。また、燃焼器が着火しなかった場合、燃焼空気供給器からの空気は、燃料電池システムを冷やす冷媒として機能するので、空気量を増やすと燃料電池システムの冷却をスムーズに行える。
　ここで、「燃焼空気供給器」として、例えば、ファンなどの送風機を用いることができる。
　「燃焼空気供給器の操作量」とは、「燃焼空気供給器」の制御量である空気量を決定する因子のうち、「制御器」によって制御できる決定因子（例えば、ファン回転数）をいう。よって、「燃焼空気供給器の操作量」の増減により、燃焼器に送られる空気量が増減する。
　また、第５の形態の燃料電池システムは、第１～第４のいずれかの形態の燃料電池システムにおいて、水素生成器から送出されたガスが、燃料電池をバイパスして燃焼器に導入される第１ガス流路と、第１ガス流路を連通／遮断する第１開閉弁と、水素生成器から送出されたオガスが、燃料電池を経由して燃焼器に導入される第２ガス流路と、第２ガス流路を連通／遮断する第２開閉弁とを備えてもよい。そして、制御器は、上記第１開閉弁及び第２開閉弁の少なくともいずれか一方を開放した状態で、着火器の着火動作を実行してもよい。
　また、第６の形態の燃料電池システムは、第１または第２の形態の燃料電池システムにおいて、第１の形態の燃料電池システムにおいて、前記燃焼器から排出される排気ガスと熱媒体との間の熱交換が行われる熱交換器と、前記熱媒体が流れる熱媒体経路と、前記熱媒体経路に熱媒体を流すためのポンプと、前記熱媒体により回収した熱が蓄えられる蓄熱器と、を備えてもよい。
　そして、着火器による着火動作中において、制御器は、上記ポンプを作動させてもよい。
　かかる構成により、燃焼器において燃焼がなされていない着火器による着火動作中においても、排気ガスと熱媒体との間の熱交換が適切に行われ、ひいては、排気ガスからの熱回収が適切に行われる。
　「熱交換器」は、高温の流体（加熱流体）と低温の流体（受熱流体）とが持っている熱を交換することを目的とした装置であれば、どのような構成でもよい。
　ただし、燃料電池システムの熱効率を考慮すれば、排気ガス中の熱が熱交換により回収されることが好ましい。回収熱は、例えば、給湯、床暖房などの用途に用いるとよい。この場合、「熱媒体経路」は、蓄熱器（例えば、給湯用の貯湯タンクや床暖房を構成する経路）に接続される配管を用いるとよい。
「熱媒体」は、液体であることが好ましく、例えば、液体の水、不凍液などを用いることができる。
　「ポンプ」は、熱媒体経路内に熱媒体を流すことができるものであれば、どのような構成でもよい。
「排気ガス」とは、燃焼器から排出されるガスを指し、燃焼燃料と燃焼空気の混合気の燃焼によって生じた燃焼排ガスや燃焼器の燃焼停止時の燃焼空気などが、「排気ガス」の一例である。
　また、第７の形態の燃料電池システムでは、第１または第２の形態の燃料電池システムにおいて、上記着火器の着火動作の動作期間は、起動処理における燃焼器の燃焼開始時の着火器の着火動作の動作期間よりも短くしてもよい。
　これは、燃料電池の発電中において燃焼器が失火した場合、燃焼器内に存在する可燃ガス量は、起動処理の燃焼開始時における着火動作の場合よりも多いため、着火動作時間が長くなると燃焼排ガス経路から燃料電池システム外部に可燃性ガスが排出される可能性がある。ここで、上記のように発電時の失火時の着火動作期間を起動開始時の着火動作期間よりも短くすることで、燃料電池システムの外部に可燃性ガスが排出される可能性を低減することができる。ここで、「着火動作の動作期間」とは、イグナイターの着火動作で例示すると、イグナイターの火花を連続的に飛ばし続ける着火動作の着火時間を指し、燃焼器のプリパージ（空気による掃気）を挟んだリトライ着火動作をも含めたトータルの着火時間を指すものではない。
　「起動処理」とは、水素生成器の温度を改質反応に適切な温度にまで上昇させる昇温工程を含み、高濃度の水素含有ガスを燃料電池に供給開始するまでの処理をいう。
（実施の形態１）
　以下、本発明の実施の形態１の燃料電池システムの具体的な構成例および動作例について、図面を参照しながら説明する。
　但し、以下の具体的な説明は、上記各燃料電池システムの特徴を例示しているに過ぎない。例えば、上記各燃料電池システムを特定した用語と同じ用語に適宜の参照符号を付して以下の具体例を説明する場合、当該具体的な装置は、これに対応する上記各燃料電池システムの構成要素の一例である。
　よって、上記各燃料電池システムの特徴は、以下の具体的な説明によって限定されない。
[燃料電池システムの構成例]
　図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムの一構成例を示したブロック図である。
　図１に示すように、燃料電池システム１００は、原燃料を用いて改質反応により燃料ガスを生成する水素生成器１を備える。また、燃料電池システム１００は、原燃料を水素生成器１に供給する原燃料供給器２０を備える。また、水素生成器１の改質反応に必要な水の供給源として、例えば、水道の元栓が用いられ、水道の元栓と水素生成器１との間の配管に水量を調整する弁（図示せず）などが配されている。
　水素生成器１に、原燃料および水が供給された場合、水素生成器１は、これらを改質触媒層（図示せず）において改質反応させる。すると、水素生成器１では、水素含有ガス（燃料ガス）が生成する。なお、水素生成器１内には、改質触媒層を備える改質器が配されているが（装置構造によっては、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するために変成反応により一酸化炭素を低減する変成器や酸化反応により一酸化炭素を低減する一酸化炭素除去器が併設される場合がある）、このような水素生成器１の内部構造は公知である。よって、その詳細な説明および図示は省略する。
　原燃料供給器２０は、例えば、都市ガス（都市で配管を用いて供給される原燃料ガス）の元栓に接続されたブースターポンプや流量調整弁を用いることができ、この場合、原燃料供給器２０は、水素生成器１に、原燃料の一例であるメタンガスを主成分とする都市ガスを供給する。
　６００℃～７００℃程度の高温において、改質触媒層の改質反応（吸熱反応）は促進する。このため、水素生成器１内において改質反応が進行するには、水素生成器１に外部から熱を与え、改質触媒層の温度上昇を行える燃焼器２が必要となる。
　よって、図１に示すように、燃料電池システム１００は、水素生成器１を加熱する燃焼器２と、燃焼器２に燃焼用の空気（以下、「燃焼空気」と略す）を供給する燃焼空気供給器４と、燃焼器２に設けられた着火器５と、を備える。
　燃焼空気供給器４として、例えば、燃焼に必要な酸素を含む大気（空気）を燃焼器２に圧送するファンを用いることができる。但し、燃焼空気供給器４は、ファンに限らず、空気を供給できれば他の装置でもよく、例えば、ポンプでもよい。
　なお、燃焼用の燃料（以下、「燃焼燃料」と略す）の燃焼器２への供給の詳細については後述する。
　このようにして、燃焼器２に、燃焼燃料および燃焼空気が供給され、これにより、燃焼器２内において、燃焼燃料および燃焼空気の混合気の燃焼が起こる。燃焼器２の燃焼方法としては、拡散燃焼および予混合燃焼がある。拡散燃焼では、燃焼燃料および燃焼空気を燃焼器２内に別々に供給し、燃焼器２内で両者がぶつかったところで混合気の燃焼が行われる。予混合燃焼では、燃焼器２内に燃焼燃料と燃焼空気を予め混合して供給し、混合気の燃焼が行われる。
　本実施の形態では、拡散燃焼を用いることも予混合燃焼を用いることもできる。但し、予混合燃焼を用いる場合は、予混合部に火炎が逆火することがないように構成する必要がある。逆火防止構成としては、例えば、燃焼器２への混合気の供給経路内に金網などを設けて、炎がそれよりも上流側に伝わらないようにするとよい。
　着火器５は、燃焼器２において燃焼燃料および燃焼空気の混合気を着火させる着火源として使用され、着火器５の一例として、電気的に火花を出すイグナイタ（点火プラグ）を用いることができる。また、図１に示すように、燃焼器２には、混合気の着火の有無や燃焼器２の燃焼状態を検知できる検知器２１が配されている。検知器２１の一例として、フレームロッドを用いることができる。
　図１に示すように、燃料電池システム１００は、水素生成器１において生成された燃料ガス（水素ガス）を用いて発電する燃料電池７を備える。
　燃料電池７では、燃料電池７のアノード７Ａに供給された燃料ガスと、燃料電池７のカソード７Ｃに供給された酸化剤ガス（例えば、空気）と、が電気化学的に反応して、電力および熱が発生する。そして、アノード７Ａで使用されなかった余剰のオフ燃料ガスは、燃焼燃料として燃焼器２に供給され、カソード７Ｃで使用されなかった余剰の酸化剤ガスは、燃料電池システム１００外（大気中）に排出される。なお、燃料電池７には、主に固体高分子形燃料電池、リン酸形燃料電池、固体酸化物形燃料電池などが用いられる。また、固体酸化物形燃料電池の場合は、図１に示すような改質器を含む水素生成器と燃料電池本体とが異なる外部改質型の固体酸化物形燃料電池であっても構わないし、水素生成器と燃料電池本体とが一体化された内部改質型の固体酸化物形燃料電池であっても構わない。
　図１に示すように、燃料電池システム１００は、水素生成器１から送出されたガスを燃焼器２に供給するガス流路を連通／遮断（連通および遮断）する開閉弁を備える。
　よって、このような開閉弁を用いて、ガス流路内のガスが通る空間の開閉が行える。
　上記ガス流路には、水素生成器１から送出された可燃性のガス（例えば、燃料ガス）が燃料電池７をバイパスして燃焼器２に導入される第１ガス流路８と、水素生成器から送出された可燃性のガス（例えば、燃料ガス）が、燃料電池７を経由して燃焼器２に導入される第２ガス流路９と、がある。また、上記開閉弁には、第１ガス流路８を連通／遮断する第１開閉弁８Ａと、第２ガス流路９を連通／遮断する第２開閉弁９Ａ及び第３開閉弁９Ｂと、がある。
　第１および第２ガス流路８、９として、例えば、流体流路を形成する流体配管を用いることができる。第１開閉弁８Ａ、第２開閉弁９Ａ、及び第３開閉弁９Ｂとして、例えば、流体配管内の空間を開閉できる電磁弁を用いることができる。
　このようなガス供給系を用いて、燃焼器２への燃焼燃料の供給は、例えば、以下の如く行われる。
　第１の供給例として、第１開閉弁８Ａを開放状態にして、水素生成器１から送出された燃料ガスを燃焼器２の燃焼燃料として使用する場合がある。この場合、原燃料供給器２０からの原燃料が、水素生成器１内を通る際に燃料ガスに改質され、この燃料ガスが、燃料電池７をバイパスするようにして、第１ガス流路８を介して燃焼器２に供給される。本供給例は、燃料電池システム１００の起動処理時において主に実行される。
　第２の供給例として、第２および第３開閉弁９Ａ、９Ｂを開放状態にして、燃料電池７から送出されたオフ燃料ガスを燃焼器２の燃焼燃料として使用する場合もある。この場合、原燃料供給器２０からの原燃料が、水素生成器１内を通る際に燃料ガスに改質され、この燃料ガスが、燃料電池７のアノード７Ａを通過し、アノード７Ａから出たオフ燃料ガスが、第２ガス流路９を介して燃焼器２に供給される。本供給例は、燃料電池システム１００の発電運転時において主に実行される。
　図１に示すように、燃料電池システム１００は制御器３０を備える。
　制御器３０は、ＣＰＵやメモリなどを備え、燃料電池システム１００の各種の検知器の信号に基づいて燃料電池システム１００の各種の制御対象機器の動作を制御する。
　本実施形態の燃料電池システム１００では、例えば、制御器３０が、検知器２１によって燃焼器２の失火を検知すると、「水素生成器１から送出されたガスを燃焼器５に供給するガス流路を連通／遮断する開閉弁の開放が維持された状態」にして、着火器５の着火動作を実行する。そして、このような着火器５の着火動作により燃焼器２が着火しなかった場合、制御器３０は、燃料電池システム１００の停止処理を実行する。更に、制御器３０は、上述の着火器５の着火動作により燃焼器２が着火しなかった場合、燃焼空気供給器４の操作量を、燃料電池７の発電中における操作量よりも大きくなるよう制御する。
　なお、これらの制御器３０による制御の詳細は後述する。
[燃料電池システムの通常の動作例]
　以下、本発明の実施の形態１の燃料電池システム１００の通常の動作例を述べる。
　なお、以下の動作は、制御器３０によって、燃料電池システム１００の各部が制御されることにより、遂行される。
　燃料電池システム１００の通常の動作には、大まかに分けると、起動工程と、発電工程と、停止工程と、待機工程と、がある。但し、これらの各工程は公知なので、以下に、各工程の概略を述べる。
（起動工程）
　燃料電池システム１００の起動工程は、起動前（例えば、後述の待機状態）の燃料電池システム１００を動かして発電できる状態にする工程であり、この起動工程では、水素生成器１の温度を適温にまで上昇させる起動処理が行われる。
　この起動工程では、燃焼器２に燃焼燃料および燃焼空気が供給され、燃焼器２において、両者の混合気が着火器５を用いて燃焼される。燃焼空気の供給は、燃焼空気供給器４によって行われる。また、起動工程での燃焼燃料の供給では、上記第１の供給例と同様に、水素生成器１から送出され、第１ガス流路８を経由して燃焼器２に供給される原燃料ガスで着火及び燃焼開始し、その後も継続的に水素生成器１から送出される可燃性ガスを燃焼器２の燃焼燃料として使用する。
　これにより、水素生成器１の加熱が行われ、水素生成器１の改質触媒層が改質反応に必要な温度まで上昇すると、原燃料および水から改質反応によって燃料ガス（水素ガス）が生成する。そして、一酸化炭素濃度の低い高品質の水素含有ガスが安定に生成できるよう、水素生成器１の改質触媒層が充分に昇温できれば、以下の燃料電池システム１００の発電工程に移行する。
（発電工程）
　燃料電池システム１００の発電工程は、水素生成器１において生成された燃料ガス（水素ガス）を用いて燃料電池７から電力を得る工程である。
　この発電工程では、高品質の水素ガスが燃料電池７のアノード７Ａに供給される。また、図示しない供給器によって酸化剤ガス（ここでは、空気）が燃料電池７のカソード７Ｃに供給される。すると、これらの水素ガスと空気との反応によって、燃料電池７が電力および熱を生成する。電力は、例えば、家庭の電気機器に使用でき、熱は、例えば、家庭の暖房や給湯に使用できる。このように、本実施形態の燃料電池システム１００では、電力および熱の両方を利用するコージェネシステムを構築できるが、電力のみを利用して廃熱するモノジェネシステムを構築してもよい。
　なお、燃料電池システム１００の発電工程中でも、改質触媒層の温度を高品質の水素含有ガスが生成可能な温度に維持できるよう、燃焼器２の燃焼を継続させる必要がある。よって、この発電工程での燃焼燃料の供給には、燃焼器２の燃焼燃料にオフ燃料ガスを使用する上述の第２の供給例が取られる。
（停止工程）
　燃料電池システム１００の停止工程は、燃料電池システム１００での電力の生成を停止する工程である。
　例えば、家庭の電力や熱の需要量が所定量よりも少ない場合、そのような状況が想定される場合、または、図示されない操作器を介して使用者の入力操作により燃料電池システム１００の発電停止の指令が出された場合などに、以下の停止工程が行われる。
　この停止工程では、水素生成器１への原燃料および水の供給が停止される。また、燃焼器２への燃焼燃料の供給が停止され、これにより、燃焼器２の燃焼が止まる。但し、この場合、燃焼空気供給器４からの燃焼空気の供給をしばらく継続するのが一般的である。これにより、燃焼器２の内部に残留する可燃性ガスを掃気することができる。
（待機工程）
　燃料電池システム１００の待機工程は、上記停止処理が完了した後に、次の起動に入る指示があるまで次回の起動に備えて待機している工程である。
　この待機工程では、燃料電池システム１００の運転が停止した待機状態が継続される。
[燃料電池の発電中における燃焼器の失火時の動作例]
　燃焼器２に燃焼バーナを用いる場合、燃焼器２の火炎が消えて失火する場合がある。燃焼器２の失火の原因には、燃焼燃料の供給量と燃焼空気の供給量との間のバランスの過渡的な乱れ、燃料電池７のアノード７Ａから排出されたオフ燃料ガスに同伴する水滴の燃焼器２内への混入、および、大気圧や風速といった自然現象の変動などが考えられている。
　以上に例示される理由により、燃焼器２が燃料電池７の発電中に失火し、そのままの状態にしておくと、改質反応に必要な熱を水素生成器１に供給できなくなるので、水素生成器１において水素ガスを生成できない。
　そこで、本実施形態の燃料電池システム１００では、燃料電池７の発電中において、燃焼器２が失火した場合、上記従来例の停止処理に代えて、第２開閉弁の開放を維持して、着火器５の着火動作が、以下に例示する如く行われる。なお、以下の動作は、制御器３０によって、燃料電池システム１００の各部が制御されることにより、遂行される。
　燃料電池７の発電中に、燃焼器２が失火すると、検知器２１の出力信号により失火が検知される。すると、以下の動作が開始される。
　まず、着火器５の着火動作が即座に行われる。燃焼器２の失火の原因が、ガス供給系の過渡的な乱れなどであることが多いので、燃焼空気および原燃料の供給をそのままの状態で継続することにより、燃焼器２内のガス混合気が、燃焼器２での燃焼可能な空燃比になっていると期待できる。このため、本実施形態の燃料電池システム１００では、燃焼器２の失火時に、第２開閉弁９Ａ及び第３開閉弁９Ｂの開放状態を維持して、原燃料供給器２０による水素生成器１への原燃料供給、水素生成器１への水供給、及び燃焼空気供給器４からの燃焼空気の供給が継続される。
　よって、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池のアノードガス流路に加わる圧力ダメージを従来よりも低減させて、燃焼器２の再着火を実行することが可能になる。
　なお、本実施形態の燃料電池システム１００では、燃焼器２の失火時に、第２開閉弁９Ａ及び第３開閉弁９Ｂの開放状態を維持するとともに、原燃料供給器２０による水素生成器１への原燃料供給、水素生成器１への水供給、及び燃焼空気供給器４からの燃焼空気の供給を継続して、着火器５による着火動作を実行するよう構成されているがこれに限らない。
　例えば、第２開閉弁９Ａ及び第３開閉弁９Ｂの少なくともいずれか一方を閉止及び第１開閉弁８Ａを開放するとともに、原燃料供給器２０による水素生成器１への原燃料供給、水素生成器１への水供給、及び燃焼空気供給器４からの燃焼空気の供給を継続して、着火器５による着火動作を実行するよう構成されていてもよい。ここで、第２開閉弁９Ａ及び第３開閉弁９Ｂの少なくともいずれか一方を閉止、及び第１開閉弁８Ａを開放する際は、第２開閉弁９Ａ及び第３開閉弁９Ｂの少なくともいずれか一方の開閉と第１開閉弁８Ａの開閉との切替（例えば、第２開閉弁９Ａが「開」から「閉」への切替、第１開閉弁８Ａが「閉」から「開」への切替）を同時または前後させて切替えるよう構成されるが、このいずれの切替動作についても、「水素生成器１から送出されたガスを燃焼器５に供給するガス流路を連通／遮断する開閉弁の開放が維持された状態」に含むものとする。ただし、第２開閉弁９Ａ及び第３開閉弁９Ｂの少なくともいずれか一方を閉止した後、第１開閉弁８Ａを開放する場合、両方の弁が共に閉止している状態になるため、両方の弁が閉止している時間が、燃料電池７の構成部材（例えば、電解質膜）に損傷を与えない所定時間になるよう設定される。
　または、第１開閉弁８Ａと第２開閉弁９Ａ及び第３開閉弁９Ｂとを共に開放するとともに、原燃料供給器２０による水素生成器１への原燃料供給、水素生成器１への水供給、及び燃焼空気供給器４からの燃焼空気の供給を継続して、着火器５による着火動作を実行するよう構成されていてもよい。
　このように、本実施形態の燃料電池システム１００では、燃焼器２の失火時に、第１開閉弁８Ａと第２開閉弁９Ａ及び第３開閉弁９Ｂとの少なくともいずれか一方を開放した状態にすることで、制御器３０が着火器５による着火動作を実行することを特徴とする。
　また、燃料電池７の発電中に、燃焼器２が失火した場合における着火器５の着火動作の動作期間は、燃料電池システム１００の起動処理における着火器５の着火動作の動作期間よりも短く設定されている。この理由を、以下に述べる。
　なお、「着火動作の動作期間」とは、イグナイターの着火動作で例示すると、イグナイターの火花を連続的に飛ばし続ける着火動作の時間を指し、燃焼器２のプリパージ（空気による掃気）を挟んだリトライ着火動作をも含めたトータルの着火時間を指すものではない。
　燃料電池システム１００の起動処理では、着火器５の着火動作が行われた状態で、燃焼空気および燃焼燃料の混合気中の可燃成分の濃度を可燃範囲よりも低い側から徐々に高くできるので、着火動作の動作期間を長めにとっても問題が生じない。
　これに対して、燃焼器２が燃料電池７の発電中に失火した場合、燃焼器２内に存在する燃焼空気および燃焼燃料の混合気中の可燃成分の濃度が可燃範囲に入っていると考えられるので、着火動作の動作期間を長めに取ると、このような混合気が、着火動作期間中に燃焼器２に供給される燃料ガス及び燃焼空気により燃焼器２の下流側に押し出され、ひいては、燃焼排ガス経路の下流端である排気口から燃料電池システム１００外に排出される可能性もある。
　そこで、可燃ガス（可燃成分が可燃範囲に入っている混合気）の拡散範囲の拡大抑制を考慮して、着火器５の着火動作の動作期間は、燃料電池システム１００の起動処理における着火器５の着火動作の動作期間よりも短く設定される方が好ましい。また、可燃ガスの拡散範囲の拡大抑制を考慮して、着火器５の着火動作を１回のみにする方が好ましい。
　かかる構成により、可燃ガスの拡散範囲が燃焼器２内に留まっていると期待できるので、可燃ガスの燃料電池システム１００外への排出が抑制される。
　また、着火器５の着火動作の動作期間は、所定期間（数秒程度；例えば、「６秒」）に短縮されているので、この間も燃料電池７での発電を継続できる。よって、着火器５の着火動作により燃焼器２が再び着火した場合、燃料電池システム１００の発電工程を中断することなく、燃焼器２の燃焼を継続できる。
　なお、燃焼器２が着火した際の着火判定は、検知器２１の出力信号に基づいてなされる。
　また、本実施形態の燃料電池システム１００では、着火器５の着火動作の動作期間が上述の設定時間「６秒」を超えても、着火器５の着火動作により燃焼器２が着火しなかった場合、以下の燃料電池システム１００の失火異常停止処理が制御器３０によって行われる。
　なお、燃焼器２が着火しなかった際の着火異常判定は、検知器２１の出力信号に基づいてなされる。また、この設定時間「６秒」は、あくまで一例に過ぎず、着火動作期間中に排気口から可燃ガスを含む混合気を排出させない時間であれば、機器の構成やガス流量により適宜設定される。
　燃料電池システム１００の失火異常停止直後では、燃焼器２内に可燃ガスが存在するので、燃焼空気処理器４の動作を行い、空気により可燃ガスを希釈して燃料電池システム１００外に排出する。なお、この場合、本実施形態の燃料電池システム１００では、燃焼空気供給器４の操作量を、燃料電池７の発電中における燃焼空気供給器４の操作量よりも大きくしても構わない。
　これにより、燃焼器２内の可燃ガスが適切に処理される。
　また、燃料電池システム１００の失火異常停止処理では、水素生成器１への原燃料および水の供給が停止されるが、水素生成器１内には、原燃料や改質水が残留する。更に、燃料電池システム１００の停止直後の水素生成器１には、水蒸発および改質反応による水素ガス生成を行うのに充分な熱が保有されている。
　よって、従来例の如く、燃料電池７のアノード７Ａを経由して燃焼器２に接続される第２ガス流路９および燃料電池７をバイパスする第１ガス流路８（バイパス流路）が封止されると、水素ガス生成や水蒸発によるガス量（ガスのモル数）増加が、水素生成器１内や燃料電池７内を昇圧させ、水素生成器１や燃料電池７の構造体の破損に到る可能性がある。
　そこで、本実施形態の燃料電池システム１００では、水素生成器１への原燃料および水の供給の停止後も第１開閉弁８Ａと第２開閉弁９Ａ及び第３開閉弁９Ｂとの少なくともいずれか一方を開放した状態にしている。
　これにより、第１ガス流路８及び第２ガス流路９の少なくともいずれか一方の連通がなされた状態で、燃焼空気供給器４から燃焼器２への燃焼空気の供給が行われ、燃焼器２内を燃焼空気で掃気している間でも、水素生成器１や燃料電池７の内圧の上昇を抑えることができる（以下、「過昇圧抑制動作」という）。
　このような過昇圧抑制動作を行うと、燃焼器２を経由して排気口を介して燃料電池システム１００外に可燃ガスが排出される可能性があるが、本実施形態では、上述のとおり、燃焼空気供給器４を動作させているので、可燃ガスの濃度を希釈して、燃料電池システム１００外に希釈ガスを排出できる。なお、この場合、過昇圧抑制動作によって排出される可燃ガス中の可燃成分の量も考慮して、燃料電池システム１００外に可燃範囲内の可燃ガスが排出されないように、燃焼空気供給器４から供給する空気量（具体的には、燃焼空気供給器４の操作量）を設定しても構わない。
　以上のとおり、本実施形態の燃料電池システム１００は、原燃料を用いて改質反応により燃料ガスを生成する水素生成器１と、燃料ガスを用いて発電する燃料電池７と、水素生成器１を加熱する燃焼器２と、水素生成器１から送出されたガスを燃焼器２に供給するガス流路を連通／遮断する開閉弁と、燃焼器２に燃焼空気を供給する燃焼空気供給器４と、燃焼器２に設けられた着火器５と、制御器３０と、を備える。
　ここで、本実施形態の燃料電池システム１００では、上記ガス流路の一例が、水素生成器１から送出されたガスが、燃料電池７をバイパスして燃焼器２に導入される第１ガス流路８であってもよい。この場合、上記開閉弁の一例が、第１ガス流路８を連通／遮断する第１開閉弁８Ａであってもよい。また、上記ガス流路の他の例が、水素生成器１から送出されたガスが、燃料電池７を経由して燃焼器２に導入される第２ガス流路９であってもよい。この場合、上記開閉弁の他の例が、第２ガス流路９を連通／遮断する第２開閉弁９Ａ及び第３開閉弁９Ｂであってもよい。また、上記ガス流路の一例である第２ガス流路９に、第２開閉弁９Ａ及び第３開閉弁９Ｂのうち、いずれか一方のみが設けられた形態であっても構わない。この場合、上記開閉弁の他の例が第２ガス流路９に設けられた、いずれか一方の開閉弁（９Ａまたは９Ｂ）であってもよい。特に、第１ガス流路８、第１開閉弁８Ａ、及び第２開閉弁９Ａを設けない形態においては、第３開閉弁９Ｂが上記開閉弁として機能する。
　そして、燃焼器２は、燃料電池７の発電中において、例えば、第２ガス流路９から供給されるガスを燃焼燃料に用いて燃焼するように構成されている。また、燃料電池７の発電中に燃焼器２が失火した場合、制御器３０は、例えば、第１開閉弁８Ａと第２開閉弁９Ａ及び第３開閉弁９Ｂとの少なくともいずれか一方の開放した状態で、着火器５の着火動作を実行するように構成されている。
　かかる構成により、第１開閉弁８Ａと第２開閉弁９Ａ及び第３開閉弁９Ｂとの少なくともいずれか一方を開放した状態で、着火器５の着火動作を実行するという燃焼器２の失火後着火動作が試みられる。
　よって、蒸発水を用いた改質反応を行う水素生成器１を備える本実施形態の燃料電池システム１００において、燃焼器２が失火した場合に、水蒸発により燃料電池７のアノードガス流路に加わる圧力ダメージが従来よりも低減される。
（実施の形態２）
　以下、本発明の実施の形態２の燃料電池システムの具体的な構成例および動作例について、図面を参照しながら説明する。
　但し、以下の具体的な説明は、〔発明を実施するための最良の形態〕の欄の冒頭で列挙された各燃料電池システムの特徴を例示しているに過ぎない。例えば、上記各燃料電池システムを特定した用語と同じ用語に適宜の参照符号を付して以下の具体例を説明する場合、当該具体的な装置は、これに対応する上記各燃料電池システムの構成要素の一例である。
　よって、上記各燃料電池システムの特徴は、以下の具体的な説明によって限定されない。
[燃料電池システムの構成例]
　図２は、本発明の実施の形態２の燃料電池システムの一構成例を示したブロック図である。
　図２において、実施の形態１の燃料電池システム１００の構成部材と同じものには、同一の符合を付し、その構成部材の具体的な説明を省略する。
　図２に示すように、本実施形態の燃料電池システム１１０では、実施の形態１の燃料電池システム１００に対し、燃焼器２から排出される排気ガスと第１熱媒体経路２０１を流れる第１熱媒体（例えば、液体の水や不凍液）との熱交換による排熱回収機構が追加されている。
　具体的には、本実施形態の燃料電池システム１１０は、燃焼器２より排出される排気ガスが流れる排ガス経路１０と、第１熱媒体が流れる第１熱媒体経路２０１と、高温の排気ガスと低温の第１熱媒体との間で熱交換が行われる第１熱交換器１１とを備える。第１熱媒体経路２０１に、第１ポンプ２００が設けられ、これにより、第１熱媒体が、第１熱媒体経路２０１を流れる。また、第１熱媒体経路２０１に、第１蓄熱器２０２が設けられ、これにより、第１熱媒体経路２０１を流れる第１熱媒体が第１蓄熱器２０２に蓄えられる。なお、第１ポンプ２００の作動は、制御器３０によって制御される。
　排気ガスが、第１熱交換器１１での加熱流体となる。よって、燃焼器２から排出される排気ガスが、排ガス経路１０に導かれ、当該排気ガスが第１熱交換器１１を用いて冷却される。また、第１熱媒体が、第１熱交換器１１での受熱流体となる。よって、上記熱交換により、第１熱媒体は加熱され、第１熱交換器１１を通過した高温の第１熱媒体が第１蓄熱器２０２に入り、そこに蓄えられる。
　かかる構成により、燃料電池システム１１０外に排出される高温の排気ガスが、上記熱交換により冷却されるので都合がよい。また、排気ガスの熱が、上記熱交換により回収され利用できるので都合がよい。
[燃料電池システムの動作例]
　本実施形態の燃料電池システム１１０では、燃料電池７の発電中の燃焼器２の失火後の着火器５の着火動作期間中、及び失火異常停止処理の昇圧抑制動作中の少なくともいずれかにおいて、第１ポンプ２００の作動によって、第１熱交換器１１を介して排気ガスからの熱回収が第１熱媒体により行われる。
　燃焼空気供給器４の動作期間は、燃料電池システム１１０の起動工程、発電工程および停止工程であり、各工程での第１熱交換器１１を介した第１熱媒体による排気ガスからの熱回収動作の内容を以下に述べる。
　燃料電池システム１１０の起動工程および発電工程では、燃焼器２での混合気の燃焼が行われる。ここで、第１ポンプ２００を動作させ、このような燃焼によって高温化された排気ガス（ここでは、混合気の燃焼によって生じた燃焼排ガス）から第１熱交換器１１を介して第１熱媒体経路２０１を流れる第１熱媒体が熱回収を行う。これにより、燃料電池システム１１０外に排出される高温の排気ガスが、第１熱交換器１１を介した熱回収により冷却される。
　一方、上記燃料電池７の発電中の燃焼器２の失火後の着火器５の着火動作期間中、及び失火異常停止処理の昇圧抑制動作中においては、燃料電池システム１１０の停止工程では、燃焼器２での混合気の燃焼が行われない。但し、この場合でも、高温状態の燃焼部２や水素生成器１が、排気ガスの加熱源として存在する。特に、燃料電池システム１１０の失火異常停止処理開始直後は、燃焼空気供給器４の操作量を大きくして燃焼空気の流速が速くなるので、多くの熱量が燃焼部２や水素生成器１から排気ガス（ここでは、主として燃焼空気）によって持ち出され、排気ガスは高温化する傾向にある。よって、燃焼器２の失火後の着火器５の着火動作期間中、及び失火異常停止処理の昇圧抑制動作中の少なくともいずれか一方において、第１ポンプ２００を動作させ、第１熱交換器１１を介して第１熱媒体が上記排気ガスより熱回収を行う。このように、燃焼部２での混合気の燃焼が実行されていないにも関わらず、燃焼空気供給器４の動作期間中は、第１熱交換器１１を介して第１熱媒体による排気ガスからの熱回収動作を行うことが好ましい。
　以上のとおり、本実施形態の燃料電池システム１１０は、燃焼器２から排出される排気ガスと第１熱媒体との間の熱交換が行われる第１熱交換器１１と、第１熱媒体が流れる第１熱媒体経路２０１と、第１熱媒体経路２０１に第１熱媒体を流すための第１ポンプ２００と、第１熱媒体により回収した熱が蓄えられる第１蓄熱器２０２と、を備える。そして、着火器５による着火動作中、及び失火異常停止処理において燃焼器２が燃焼していない状態で、燃焼空気供給器４から燃焼空気を供給する期間中の少なくともいずれか一方において、制御器３０は、第１ポンプ２００を作動させることにより、第１熱交換器１１を介して第１熱媒体による排気ガスの熱回収動作を実行している。
　かかる構成により、燃焼器２において燃焼がなされていない着火器５による着火動作中、及び失火異常停止処理において燃焼器２が燃焼していない状態で、燃焼空気供給器４から燃焼空気を供給する期間中の少なくともいずれか一方において、排気ガスの冷却が、上記熱交換により適切に行われる。また、排気ガスの熱が、上記熱交換により回収される。
（実施の形態１、２の変形例）
　実施の形態１の燃料電池システム１００および実施の形態２の燃料電池システム１１０では、燃料電池７の発電中に燃焼器２が失火した場合において、制御器３０が、原燃料供給器２０による原燃料の水素生成器１への供給、水素生成器１への水の供給および燃焼空気供給器４による燃焼器２への燃焼空気の供給を実行するとともに、着火器５の着火動作を実行するように構成されている。
　かかる構成により、着火器５の着火動作により燃焼器２が再び着火した場合、原燃料供給器２０による原燃料の水素生成器１への供給を実行しているので、燃料電池７の発電の継続をスムーズに行えるという利点がある。
　これに対し、本変形例の燃料電池システムでは、制御器３０が、燃焼器２の失火時に、原燃料供給器２０による原燃料の水素生成器１への供給及び水供給器（図示せず）からの水の供給の少なくともいずれか一方を停止するように構成されている。水素生成器１への原燃料の供給停止を行うには、原料供給器２０を、例えば、ブースターポンプで構成する場合、制御器３０が、当該ブースターポンプの作動を停止するとよい。水素生成器１への水の供給停止を行うには水供給器を、例えば、ポンプで構成する場合、制御器３０が、ポンプの作動を停止するとよい。
　原燃料供給器２０による原燃料の水素生成器１への供給及び水供給器（図示せず）からの水の供給の少なくともいずれか一方を停止しても、水素生成器１内に残留する水が水素生成器１の余熱により水蒸気生成し、これに伴う水素生成器１内の体積膨張によって押し出された可燃性のガスが燃焼器２に継続的に供給されて、着火器５の着火動作によって燃焼器２の着火を行えると考えられる。
　よって、この場合でも、蒸発水を用いた改質反応を行う水素生成器１を備える燃料電池システム１００、１１０において、燃焼器２が失火した場合に、水蒸発により燃料電池７のアノードガス流路に加わる圧力ダメージが従来よりも低減すると考えられる。
（実施の形態２の他の変形例）
　以下、実施の形態２の燃料電池システム１１０に用いられた排熱回収機構の様々な変形例を述べる。
　図３、図４および図５はいずれも、実施の形態２の燃料電池システムに用いられた排熱回収機構の変形例を示したブロック図である。
　なお、各図において、共通する要素には同一の符号を付して、共通要素の詳細な構成の説明を省略する場合がある。
　図３では、燃焼器２から排出された排気ガスの熱を二次冷却系において回収し、この回収熱を二次冷却系の第２蓄熱器２１２において蓄えるように構成された排熱回収機構が示されている。
　第２熱交換器２１３では、第１熱媒体経路２０１の第１熱媒体から熱が回収され、第１熱媒体から回収された熱が、第２熱媒体経路２１１の第２熱媒体（例えば、液体の水や不凍液）に与えられる。つまり、第１熱媒体が、第２熱交換器２１３での加熱流体となり、第２熱媒体が、第２熱交換器２１３での受熱流体となる。また、第２ポンプ２１０の作動によって、第２熱媒体経路２１１の第２熱媒体が流れ、これにより、第２熱交換器２１３を通過した高温の第２熱媒体が、第２蓄熱器２１２に入り、そこに蓄えられる。
　図３の燃料電池システム１２０では、燃焼器２において燃焼がなされていない着火器５による着火動作中、及び失火異常停止処理において燃焼器２が燃焼していない状態で、燃焼空気供給器４から燃焼空気を供給する期間中の少なくともいずれか一方において、第１ポンプ２００だけでなく、第２ポンプ２１０も制御器３の制御によって作動される。これにより、排気ガスの熱は最終的に第２熱媒体に回収され、その結果、排気ガスの熱が第２蓄熱器２１２に蓄えられる。
　図４では、排気ガスの熱を第１熱媒体により回収する際に、第１熱媒体の流入先を第１バイパス経路２２２とするように、第１切替器２２１（例えば、電磁式三方弁）の切替が行われる排熱回収機構が示されている。
　第１バイパス経路２２２は、第１蓄熱器２０２をバイパスするように、第１蓄熱器２０２の上流の第１熱媒体経路２０１と、第１蓄熱器２０２の下流の第１熱媒体経路２０１と、を接続する経路である。第１切替器２２１は、第１熱交換器１１を通過した第１熱媒体の流入先を第１蓄熱器２０２と第１バイパス経路２２２との間で切替える。放熱器２２０は、第１バイパス経路２２２を通過する第１熱媒体より放熱する放熱器である。
　図４の燃料電池システム１３０では、燃焼器２において燃焼がなされていない着火器５による着火動作中、及び失火異常停止処理において燃焼器２が燃焼していない状態で、燃焼空気供給器４から燃焼空気を供給する期間中の少なくともいずれか一方において、第１ポンプ２００を作動させるとともに、第１熱媒体の流入先を第１バイパス経路２２２とするように、第１切替器２２１が制御される。これにより、第１熱媒体により回収された熱が放熱器２２０を介して放熱される。
　図５では、燃焼器２から排出された排気ガスの熱を二次冷却系において回収し、この回収熱を二次冷却系の第２蓄熱器２１２において蓄えるように構成された排熱回収機構が示されている。また、二次冷却系において、第２蓄熱器２１２をバイパスするように、第２蓄熱器２１２の上流の第２熱媒体経路２１１と、第２蓄熱器２１２の下流の第２熱媒体経路２１１とを接続する第２バイパス経路２３２が設けられている。また、第２切替器２３１は、第２熱交換器２１３を通過した第２熱媒体の流入先を第２蓄熱器２１２と第２バイパス経路２３２との間で切替える。放熱器２３０は、第２バイパス経路２３２を通過する第２熱媒体より放熱する放熱器である。
　図５の燃料電池システム１４０では、燃焼器２において燃焼がなされていない着火器５による着火動作中、及び失火異常停止処理において燃焼器２が燃焼していない状態で、燃焼空気供給器４から燃焼空気を供給する期間中の少なくともいずれか一方において、第１ポンプ２００及び第２ポンプ２１０を作動させるとともに、第２熱媒体の流入先を第２バイパス経路２３２とするように、第２切替器２３１が制御される。これにより、第２熱媒体により回収された熱が放熱器２３０を介して放熱される。
　本発明は、蒸発水を用いた改質反応を行う水素生成器を備える燃料電池システムにおいて、燃焼器が失火した場合に、水蒸発により燃料電池のアノードガス流路に加わる圧力ダメージが従来よりも低減する燃料電池システムを提供する。
　よって、本発明の燃料電池システムは、発電装置として様々な用途で利用可能であり、例えば、家庭用または業務用の燃料電池コージェネレーションシステムに利用できる。
 
１　水素生成器
２　燃焼器
４　燃焼空気供給器
５　着火器
７　燃料電池
７Ａ　アノード
７Ｃ　カソード
８　第１ガス流路
８Ａ　第１開閉弁
９　第２ガス流路
９Ａ　第２開閉弁
９Ｂ　第３開閉弁
１０　排ガス経路
１１　第１熱交換器
２０　原燃料供給器
２１　検知器
３０　制御器
１００、１１０　１２０、１３０、１４０　燃料電池システム
２０１　第１熱媒体経路
２０２　第１蓄熱器
２１２　第２蓄熱器
２００　第１ポンプ
２１０　第２ポンプ
２１１　第２熱媒体経路
２１３　第２熱交換器
２２０、２３０　放熱器
２２２　第１バイパス経路
２３２　第２バイパス経路

Claims (7)

  1. 　原燃料を用いて改質反応により燃料ガスを生成する水素生成器と、前記燃料ガスを用いて発電する燃料電池と、前記水素生成器を加熱する燃焼器と、前記水素生成器から送出されたガスを前記燃焼器に供給するガス流路を連通／遮断する開閉弁と、前記燃焼器に燃焼空気を供給する燃焼空気供給器と、前記燃焼器に設けられた着火器と、制御器と、を備え、
    　前記燃焼器は、前記燃料電池の発電中において、前記ガス流路から供給されるガスを用いて燃焼するよう構成され、
    　前記燃料電池の発電中に前記燃焼器が失火した場合、前記制御器は、前記開閉弁の開放を維持した状態で、前記着火器の着火動作を実行する燃料電池システム。
  2. 　前記原燃料を前記水素生成器に供給する原燃料供給器を備え、
    　前記燃料電池の発電中に前記燃焼器が失火した場合、前記制御器は、前記開閉弁の開放を維持した状態で、前記原燃料供給器による前記原燃料の前記水素生成器への供給及び前記燃焼空気供給器による前記燃焼器への前記燃焼空気の供給を実行するとともに、前記着火器の着火動作を実行する請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 　前記着火動作により前記燃焼器が着火しなかった場合、前記制御器は、前記燃料電池システムの停止処理を実行する請求項１に記載の燃料電池システム。
  4. 　前記制御器は、前記着火動作により前記燃焼器が着火しなかった場合、前記燃焼空気供給器の操作量を、前記燃料電池の発電中における前記操作量よりも大きくなるよう制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
  5. 　前記水素生成器から送出されたガスが、前記燃料電池をバイパスして前記燃焼器に導入される第１ガス流路と、前記第１ガス流路を連通／遮断する第１開閉弁と、前記水素生成器から送出されたガスが、前記燃料電池を経由して前記燃焼器に導入される第２ガス流路と、前記第２ガス流路を連通／遮断する第２開閉弁とを備え、
    　前記制御器は、前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁の少なくともいずれか一方を開放した状態で、前記着火器の前記着火動作を実行する請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池システム。
  6. 　前記燃焼器から排出される排気ガスと熱媒体との間の熱交換が行われる熱交換器と、
    　前記熱媒体が流れる熱媒体経路と、
    　前記熱媒体経路の前記熱媒体を流すためのポンプと、
    　前記熱媒体により回収した熱が蓄えられる蓄熱器と、を備え、
    　前記着火器による前記着火動作中において、前記制御器は、前記ポンプを動作させる請求項１または２に記載の燃料電池システム。
  7. 　前記着火動作の動作期間は、起動処理における前記燃焼器の燃焼開始時の着火動作の動作期間よりも短い請求項１に記載の燃料電池システム。
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