WO2017204278A1 - 水素生成装置及びそれを備えた燃料電池システムならびに水素生成装置の運転方法 - Google Patents

水素生成装置及びそれを備えた燃料電池システムならびに水素生成装置の運転方法 Download PDF

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fuel cell
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cell system
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木下　博
翔平 山口
繁樹 保田
龍井　洋
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present disclosure relates to a hydrogen generator, a fuel cell system including the same, and a method for operating the hydrogen generator.
  • the hydrogen generator includes a reformer for generating hydrogen gas from a raw material such as city gas by a reforming reaction.
  • the hydrogen gas generated by the reformer is supplied to the fuel cell together with oxygen (air) as the oxidant gas.
  • oxygen air
  • electric power is generated by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen.
  • Steam reforming is one of the reforming reactions.
  • the fuel cell system is provided with a combustor for heating the reformer.
  • a carbon monoxide sensor (CO sensor) for detecting the carbon monoxide concentration (CO concentration) in the combustion exhaust gas is provided in the exhaust path of the combustion exhaust gas generated in the combustor.
  • Patent Document 1 describes a technique that makes it possible to inspect the sensitivity of a CO sensor without supplying carbon monoxide from the outside of the fuel cell system to the exhaust path. Specifically, the air ratio in the combustor is intentionally increased so that the CO concentration in the combustion exhaust gas increases. The sensitivity of the CO sensor can be inspected by comparing the detected value of the CO sensor at this time with a threshold value.
  • Patent Document 1 it is necessary to intentionally increase the air ratio in the combustor so that the CO concentration in the combustion exhaust gas increases. In this case, it is difficult to perform the CO sensor sensitivity test during a steady operation period such as a power generation period of the fuel cell system.
  • An object of the present disclosure is to provide a technique that makes it possible to perform an inspection of the sensitivity (soundness) of a CO sensor even during a steady operation period of the system.
  • the present disclosure includes a reformer that generates hydrogen gas, a combustor that heats the reformer, an exhaust path of combustion exhaust gas generated in the combustor, a first CO sensor disposed in the exhaust path, And a second CO sensor disposed in the path.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a time chart showing an operation cycle of the fuel cell system.
  • FIG. 3 is a flowchart relating to the inspection of two CO sensors to be executed during the non-steady operation period of the fuel cell system.
  • FIG. 4 is a flowchart relating to the inspection of two CO sensors to be executed during the steady operation period (power generation period) of the fuel cell system.
  • FIG. 5A is a diagram showing a relationship between detection values of two CO sensors and a threshold value during a steady operation period (power generation period) of the fuel cell system.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a time chart showing an operation cycle of the fuel cell system.
  • FIG. 3 is a flowchart relating to the inspection of two CO sensors to be executed during the non-steady operation period of the fuel cell system.
  • FIG. 4 is a flowchar
  • FIG. 5B is another diagram showing the relationship between the detected values of the two CO sensors and the threshold value during the steady operation period (power generation period) of the fuel cell system.
  • FIG. 5C is still another diagram showing the relationship between the detected values of the two CO sensors and the threshold value during the steady operation period (power generation period) of the fuel cell system.
  • FIG. 6 is a configuration diagram of a hydrogen generator according to a modified example of the present disclosure.
  • a hydrogen generator according to a first aspect of the present disclosure is disposed in a reformer that generates hydrogen gas, a combustor that heats the reformer, an exhaust path of combustion exhaust gas generated in the combustor, and an exhaust path.
  • the first CO sensor and the second CO sensor disposed in the exhaust path are provided.
  • the detection values of the first CO sensor and the second CO sensor can be used for the inspection, the abnormality of the first CO sensor and the second CO sensor can be detected even during the steady operation period of the system. . There is no need to intentionally change the air ratio in the combustor so that the CO concentration in the flue gas increases.
  • the hydrogen generator according to the first aspect includes the first CO based on both the detected value of the first CO sensor and the detected value of the second CO sensor during the steady operation period of the hydrogen generator.
  • a controller is further provided for monitoring whether each of the sensor and the second CO sensor is abnormal.
  • the soundness of the first CO sensor and the second CO sensor can be constantly monitored during the steady operation period without intentionally increasing the CO concentration in the combustion exhaust gas.
  • the controller An abnormality of the 2CO sensor is detected and predetermined electrical processing is executed.
  • the soundness of the first CO sensor and the second CO sensor can be constantly monitored during the steady operation period without intentionally increasing the CO concentration in the combustion exhaust gas.
  • the controller performs a process for intentionally increasing the CO concentration in the combustion exhaust gas. Then, the detection value of the first CO sensor and the detection value of the second CO sensor are respectively acquired, and the presence or absence of each abnormality of the first CO sensor and the second CO sensor is determined. According to the fourth aspect, the inspection of the first CO sensor and the second CO sensor can be easily performed.
  • the “unsteady operation period” includes, for example, a start period for starting the hydrogen generator, a stop period for stopping the operation of the hydrogen generator, and a standby period in which the generation of hydrogen gas is stopped. It is. Each process described above can be executed in at least one period selected from these periods.
  • the controller of the hydrogen generation device is based on both the detection value of the first CO sensor and the detection value of the second CO sensor. Monitor the combustion state of the fuel in the combustor. The first CO sensor and the second CO sensor can reliably detect an abnormality in the combustion state.
  • the hydrogen generation device notifies that an abnormality has occurred in at least one selected from the first CO sensor and the second CO sensor.
  • An alarm is further provided.
  • maintenance of the first CO sensor and / or the second CO sensor can be promptly urged to the user or maintenance staff.
  • a fuel cell system is a fuel that generates electric power using the hydrogen generator generated in any one of the first to sixth aspects and a reformer of the hydrogen generator.
  • a battery is a fuel that generates electric power using the hydrogen generator generated in any one of the first to sixth aspects and a reformer of the hydrogen generator.
  • the longest continuous operation time of the fuel cell system according to the seventh aspect is longer than 24 hours.
  • the start-up period and the stop period are relatively shortened, so that an improvement in the efficiency of the fuel cell system can be expected.
  • a method for operating a hydrogen generator includes: heating a reformer by burning fuel in a combustor; and combustion exhaust gas generated in the combustor during an unsteady operation period of the hydrogen generator
  • the detection values of the first CO sensor and the second CO sensor arranged in the exhaust path of the combustion exhaust gas are acquired while intentionally increasing the CO concentration in the exhaust gas, and whether there is an abnormality in each of the first CO sensor and the second CO sensor
  • In the non-steady operation period permitting the operation of the hydrogen generator when each abnormality of the first CO sensor and the second CO sensor is not found, and after the end of the non-steady operation period.
  • each of the first CO sensor and the second CO sensor is based on both the detection value of the first CO sensor and the detection value of the second CO sensor. And monitoring the presence of abnormality, it is intended to include.
  • a fuel cell system 100 includes a reformer 11 and a fuel cell 13.
  • the reformer 11 is a device for generating hydrogen gas by a reforming reaction such as a steam reforming reaction (CH 4 + H 2 O ⁇ CO + 3H 2 ), for example.
  • the reformer 11 contains a reforming catalyst for advancing the reforming reaction.
  • the reformer 11 generates hydrogen gas G2 using water and raw materials.
  • the raw material is, for example, a hydrocarbon gas such as city gas or LP gas (liquefied petroleum gas).
  • Hydrogen gas G ⁇ b> 2 generated by the reformer 11 is supplied to the fuel cell 13.
  • the fuel cell 13 generates electric power using the oxidant gas G1 and the hydrogen gas G2.
  • the fuel cell 13 is, for example, a solid polymer fuel cell.
  • Hot water is generated by the exhaust heat of the fuel cell 13. The generated hot water is stored in a hot water storage tank (not shown).
  • the fuel cell system 100 further includes a combustor 15, an exhaust path 17, a first CO sensor 19, and a second CO sensor 21.
  • the combustor 15 is a device for heating the reformer 11 by burning fuel.
  • the combustor 15 is adjacent to the reformer 11.
  • the exhaust path 17 (exhaust pipe) is connected to the combustor 15.
  • the exhaust path 17 is a flow path of the combustion exhaust gas generated in the combustor 15 and extends to the outside of the casing of the fuel cell system 100.
  • the first CO sensor 19 and the second CO sensor 21 are each disposed in the exhaust path 17.
  • the first CO sensor 19 and the second CO sensor 21 play a role of detecting the CO concentration in the combustion exhaust gas.
  • the first CO sensor 19 and the second CO sensor 21 are, for example, a contact combustion type CO sensor or a semiconductor type CO sensor.
  • the fuel cell system 100 further includes an air supply unit 23 and a fuel supply unit 25.
  • the air supplier 23 is a device for supplying air (oxidant gas G ⁇ b> 1) to each of the fuel cell 13 and the combustor 15. Examples of the air supply device 23 include a fan and a blower. By controlling the air supply device 23, the flow rate of air can be adjusted.
  • the fuel supply device 25 is a device for supplying fuel to the combustor 15 from a fuel supply source (not shown) such as a fuel storage tank or a city gas infrastructure. Examples of the fuel supplier 25 include a pump, a flow rate adjusting valve, and a combination thereof. By controlling the fuel supplier 25, the flow rate of the fuel can be adjusted. City gas, LP gas, etc. can be used as fuel.
  • the fuel supplier 25 may also be used as a raw material supplier (not shown) for supplying raw material to the reformer 11.
  • a desulfurizer may be provided on the path from the fuel supplier 25 to the reformer 11.
  • a desulfurizer is a device for removing sulfur compounds contained in fuel from the fuel.
  • a device such as a CO converter and a CO remover may be provided between the reformer 11 and the fuel cell 13.
  • the fuel cell system 100 further includes an alarm 29 (annunciator).
  • the alarm device 29 is used for notifying that an abnormality has occurred in at least one selected from the first CO sensor 19 and the second CO sensor 21.
  • the notification device 29 may be a device that can visually notify the abnormality, a device that can audibly notify the abnormality, or a combination thereof. Examples of devices that can visually notify the abnormality include a display and a warning lamp. Examples of devices that can audibly report abnormalities include speakers and buzzers.
  • an input / output panel that can be operated by the user to display the current electrical output (W) of the fuel cell system 100 or to start or stop the operation of the fuel cell system 100 is used as the alarm device 29. Can be used.
  • the notification device 29 it is possible to promptly prompt the user of the fuel cell system 100 or the person in charge of maintenance to maintain the first CO sensor 19 and / or the second CO sensor 21. Thereby, the safety
  • the fuel cell system 100 further includes a controller 27.
  • the controller 27 controls objects to be controlled such as the fuel cell 13, the air supplier 23, the fuel supplier 25, the alarm device 29, and various auxiliary devices.
  • Auxiliary equipment includes valves (including on-off valves, switching valves, and flow rate adjustment valves), pumps, electric heaters, and the like.
  • Detection signals are input to the controller 27 from the first CO sensor 19, the second CO sensor 21, and various sensors.
  • a DSP Digital Signal Processor
  • the controller 27 stores a program for properly operating the fuel cell system 100.
  • the fuel cell system 100 can be operated mainly according to four operation cycles of a start period, a power generation period, a stop period, and a standby period.
  • the “activation period” is an operation period for activating the fuel cell system 100.
  • the “startup period” is an operation period for gradually increasing the output of the fuel cell system 100 to a predetermined rated output (for example, 750 W).
  • the start-up period the supply flow rate of the raw material to the reformer 11 and the supply flow rate of water (steam) are gradually increased.
  • the flow rate of the oxidant gas G1 and the flow rate of the hydrogen gas G2 gradually increase.
  • the “power generation period” is a period during which the fuel cell system 100 is operated at a predetermined rated output. However, it is not essential that the fuel cell system 100 is always operated at the rated output during the power generation period.
  • a period during which the fuel cell system 100 is stably operated at a constant output is a “power generation period”.
  • the raw material supply flow rate and the water supply flow rate to the reformer 11 are kept constant.
  • the flow rate of the oxidant gas G1 and the flow rate of the hydrogen gas G2 are also kept constant.
  • the “stop period” is an operation period for stopping the fuel cell system 100. Specifically, the “stop period” is an operation period for gradually reducing the output of the fuel cell system 100 to zero.
  • the “standby period” is a period in which the output of the fuel cell system 100 is maintained at zero. In the standby period, the raw material supply flow rate and the water supply flow rate to the reformer 11 are basically zero. However, in order to suppress the deterioration of the reformer 11, the reformer 11 may be periodically purged with raw materials. During the standby period, the production of the hydrogen gas G2 in the reformer 11 is stopped, and the flow rate of the oxidant gas G1 and the flow rate of the hydrogen gas G2 are basically zero.
  • the controller 27 continues to execute predetermined electrical processing during the standby period.
  • An example of such an electrical process is a process for monitoring the amount of hot water in a hot water storage tank.
  • the output of the fuel cell system 100 rises or falls continuously and at a constant rate during the start-up period and the stop period.
  • the output of the fuel cell system 100 may be increased or decreased in stages.
  • the rate of increase or decrease in output may be changed.
  • the length of the start period and the length of the stop period are in the range of 10 minutes to 90 minutes, respectively.
  • the length of the power generation period and the length of the standby period vary according to the time during which the fuel cell system 100 can be continuously operated, the capacity of the hot water storage tank, and the like.
  • the fuel cell system 100 automatically stops operation and enters a standby period.
  • the amount of hot water in the hot water storage tank falls below the threshold, the fuel cell system 100 automatically starts operation.
  • the waiting period may be zero in one operation cycle.
  • the power generation period is the steady operation period of the fuel cell system 100.
  • the unsteady operation period of the fuel cell system 100 includes a start period, a stop period, and a standby period.
  • the longest continuous operation time of the fuel cell system 100 is longer than 24 hours. In one example, the longest continuous operation time is longer than 24 hours and not longer than 240 hours. When the longest continuous operation time is sufficiently long, the start-up period and the stop period become relatively short, so that improvement in the efficiency of the fuel cell system 100 can be expected. Further, deterioration of components such as the reformer 11 and the fuel cell 13 can be suppressed.
  • the controller 27 controls the air so that the output of the fuel cell system 100 gradually increases.
  • the supply device 23, the fuel supply device 25, and various auxiliary devices are controlled. This period is the activation period shown in FIG. During this activation period, the controller 27 performs an inspection of the first CO sensor 19 and the second CO sensor 21.
  • the controller 27 executes a process for intentionally increasing the CO concentration in the combustion exhaust gas. Specifically, the controller 27 controls at least one selected from the air supplier 23 and the fuel supplier 25 to increase the air ratio in the combustor 15 so that the CO concentration in the combustion exhaust gas increases ( Step S1).
  • Air ratio means the ratio (M2 / M1) of the actual air flow rate M2 to the theoretical air flow rate M1 required for complete combustion of the fuel.
  • the air ratio (M2 / M1) is adjusted to a range of 1.5 to 8, for example.
  • the CO concentration (volume concentration) in the combustion exhaust gas reaches, for example, 50 ppm to 6000 ppm.
  • step S2 the controller 27 acquires the detection value of the first CO sensor 19 and the detection value of the second CO sensor 21, respectively. These detected values correspond to the CO concentration (first CO concentration) detected by the first CO sensor 19 and the CO concentration (second CO concentration) detected by the second CO sensor 21, respectively.
  • step S3 it is determined whether or not each acquired detection value is equal to or less than a predetermined threshold (hereinafter referred to as “first threshold”).
  • the first threshold (first threshold concentration) is set, for example, within a range of 50 ppm to 200 ppm.
  • step S4 activation of the fuel cell system 100 is permitted in step S4. In other words, the supply of the raw material to the reformer 11 is continued when the abnormality of each of the first CO sensor 19 and the second CO sensor 21 is not found during the startup period, and the operation of the fuel cell system 100 is continued. .
  • the fuel cell system 100 is stopped in step S5. Specifically, the output of the fuel cell system 100 may be gradually lowered as in the stop process shown in FIG. 2, or the fuel cell system 100 may be stopped immediately.
  • the controller 27 executes a process for notifying the abnormality of the CO sensor using the alarm 29.
  • the abnormality of the first CO sensor 19 and the second CO sensor 21 may be caused by a failure of the sensor itself, or may be caused by other factors such as adhesion of foreign matter. When the inspection is completed, the air ratio is reduced to the original value.
  • the first CO sensor 19 and the second CO sensor 21 can be easily inspected.
  • the soundness of the first CO sensor 19 and the second CO sensor 21 can be reliably ensured.
  • the inspection according to the method shown in the flowchart of FIG. 3 may be performed during a stop period or a standby period instead of the startup period of the fuel cell system 100. That is, the inspection by the method shown in the flowchart of FIG. 3 can be performed in at least one period selected from the start period, the stop period, and the standby period (that is, the unsteady operation period).
  • step S5 When inspection is performed during the stop period and at least one abnormality selected from the first CO sensor 19 and the second CO sensor 21 is detected, in step S5, the process for stopping the operation of the fuel cell system 100 is completed, and the fuel is Reactivation of the battery system 100 is prohibited.
  • the inspection of the first CO sensor 19 and the second CO sensor 21 during the unsteady operation period can be performed based on a set of detection values acquired at a specific timing. This method is very simple. However, as described below, the soundness of the first CO sensor 19 and the second CO sensor 21 can be inspected based on a plurality of sets of detection values. For example, the controller 27 acquires a detection value from each of the first CO sensor 19 and the second CO sensor 21 at a predetermined sampling period (several tens of milliseconds to several hundreds of milliseconds). When the detected value below the first threshold value continues for a predetermined time (for example, several seconds), it is determined that the corresponding CO sensor is abnormal.
  • a predetermined sampling period severe tens of milliseconds to several hundreds of milliseconds
  • the first CO sensor 19 and the second CO sensor 21 are inspected at least once a day only by the method described with reference to the flowchart of FIG. It is difficult.
  • the soundness of the first CO sensor 19 and the second CO sensor 21 can always be confirmed by the method described below.
  • the controller 27 After the start-up period, in the power generation period (steady operation period), the controller 27 periodically executes each process of the flowchart shown in FIG. 4 (for example, every several tens msec to several hundred msec) by control such as timer interruption. To do.
  • the flowchart of FIG. 3 shows a procedure for inspecting two CO sensors in the non-steady operation period
  • the flowchart in FIG. 4 shows a procedure for inspecting the two CO sensors in the steady operation period.
  • step S11 the controller 27 acquires the detection value of the first CO sensor 19 and the detection value of the second CO sensor 21.
  • the controller 27 determines whether or not each acquired detection value is equal to or less than a predetermined threshold value (hereinafter referred to as “second threshold value”).
  • the second threshold (second threshold concentration) is set, for example, within a range of 250 ppm to 6000 ppm.
  • the second threshold value may be the same value (same CO concentration) as the first threshold value used during the inspection in the non-steady operation period, or may be a different value (different CO concentration) from the first threshold value. Good. Desirably, the second threshold value is different from the first threshold value. Furthermore, the second threshold value may be a value greater than the first threshold value. When the first threshold value and the second threshold value are in such a relationship, it is possible to prevent erroneous detection due to disturbance that has occurred during the power generation period, and to avoid stopping the fuel cell system 100 due to erroneous detection.
  • the air ratio is set to 1 (theoretical air ratio), and the air supplier 23 and the fuel supplier 25 are controlled so that the CO concentration in the combustion exhaust gas is theoretically minimized. Therefore, as shown in FIG. 5A, in the power generation period, the detection value of the first CO sensor 19 and the detection value of the second CO sensor 21 are usually much lower than the second threshold value.
  • the detection value of the first CO sensor 19 and the detection value of the second CO sensor 21 are equal to or less than the second threshold value, the combustion state of the fuel in the combustor 15 is normal, and the first CO sensor 19 and the second CO sensor 21 Both are normal. Therefore, the operation of the fuel cell system 100 is continued as it is.
  • step S21 the value of the first timer and the value of the second timer are cleared. The roles of the first timer and the second timer will be described later.
  • step S13 it is determined whether or not both detection values exceed the second threshold value.
  • both the detection value of the first CO sensor 19 and the detection value of the second CO sensor 21 exceed the second threshold value, an abnormality may have occurred in the combustion state of the fuel in the combustor 15.
  • Both the first CO sensor 19 and the second CO sensor 21 are normal. That is, the controller 27 monitors the combustion state of the fuel in the combustor 15 based on both the detection value of the first CO sensor 19 and the detection value of the second CO sensor 21.
  • the first CO sensor 19 and the second CO sensor 21 can reliably detect an abnormality in the combustion state.
  • the evaporation turbulence causes fluctuations in the supply flow rate of the hydrogen gas G2, and consequently fluctuations in the air ratio in the combustor 15.
  • the first timer is incremented in step S14.
  • the first timer is a timer for measuring the duration time in which both the detection value of the first CO sensor 19 and the detection value of the second CO sensor 21 exceed the second threshold value.
  • the first timer is, for example, a software timer defined in a predetermined area of the memory of the controller 27.
  • step S15 it is determined whether the time measured by the first timer has reached the threshold time.
  • the threshold time is set within a range of 3 sec to 600 sec, for example.
  • the controller 27 executes a process for stopping the fuel cell system 100.
  • the fuel cell system 100 may be urgently stopped or the fuel cell system 100 may be stopped after a normal stop period as described with reference to FIG. Moreover, you may alert
  • the possibility that an abnormality occurs simultaneously in the first CO sensor 19 and the second CO sensor 21 is extremely low.
  • the event shown in FIG. 5C occurs, the abnormality of the second CO sensor 21 is strongly suspected.
  • the detection value of the second CO sensor 21 is equal to or smaller than the second threshold value, but the same can be said even if the detection value of the first CO sensor 19 and the detection value of the second CO sensor 21 are interchanged.
  • the second timer is incremented in step S17.
  • the second timer is a timer for measuring the duration in which only one of the detection value of the first CO sensor 19 and the detection value of the second CO sensor 21 exceeds the second threshold value.
  • the second timer is a software timer defined in a predetermined area of the memory of the controller 27, for example.
  • step S18 it is determined whether or not the measurement time by the second timer has reached the threshold time.
  • the threshold time is set within a range of 3 sec to 600 sec, for example.
  • the threshold time in step S18 may coincide with the time in step S15 or may be different.
  • the measurement time by the second timer reaches the threshold time, a state in which one of the detected values exceeds the second threshold and the other is equal to or less than the second threshold continues for a long time.
  • the possibility that an abnormality has occurred in the combustion state of the fuel in the combustor 15 is quite high. It is also highly likely that an abnormality has occurred in the CO sensor that indicates a detection value that is equal to or less than the second threshold.
  • step S19 a process for stopping the fuel cell system 100 is executed.
  • the fuel cell system 100 may be urgently stopped or the fuel cell system 100 may be stopped after a normal stop period as described with reference to FIG.
  • the notification device 29 is used to notify the first CO sensor 19 or the second CO sensor 21 that an abnormality has occurred. In addition, it may be notified that an abnormality has occurred in the combustion state of the fuel in the combustor 15.
  • the first CO sensor is based on both the detected value of the first CO sensor 19 and the detected value of the second CO sensor 21.
  • 19 and the second CO sensor 21 are monitored for abnormalities.
  • the detection value of the first CO sensor 19 exceeds the second threshold value, and the detection value of the second CO sensor 21 (or detection value of the first CO sensor 19) is less than or equal to the second threshold value.
  • the controller 27 detects an abnormality of the second CO sensor 21 and executes a predetermined electrical process.
  • the soundness of the first CO sensor 19 and the second CO sensor 21 is constantly monitored during the power generation period (steady operation period) of the fuel cell system 100 without intentionally increasing the CO concentration in the combustion exhaust gas. can do.
  • the soundness of the first CO sensor 19 and the second CO sensor 21 can be constantly monitored while keeping the output of the fuel cell system 100 constant.
  • the “predetermined electrical process” includes a process for notifying that at least one selected from the first CO sensor 19 and the second CO sensor 21 has an abnormality, and an abnormal fuel combustion state in the combustor 15.
  • Various processes such as a process for notifying that the fuel cell has occurred and a process for stopping the fuel cell system 100 are included.
  • the fuel cell system 100 when the CO concentration exceeding the second threshold is detected by at least one selected from the first CO sensor 19 and the second CO sensor 21, the fuel cell system 100 is stopped and / or restarted is prohibited. To do. Specifically, when the CO concentration exceeding the second threshold is continuously detected for a predetermined threshold time, the fuel cell system 100 is stopped and / or restarted. That is, according to the present embodiment, whether or not there is an abnormality in the combustion state of the fuel in the combustor 15 is determined based on the duration of the CO concentration exceeding the second threshold in addition to the CO concentration, and the first CO sensor 19 and the first CO sensor 19 The soundness of the 2CO sensor 21 is inspected.
  • the inspection of the first CO sensor 19 and the second CO sensor 21 may be performed during the steady operation period using only one set of detection values acquired at a specific timing.
  • the second threshold value is not limited to one, and a plurality of second threshold values (second threshold density) may be set.
  • the threshold times of step S15 and step S18 may be set corresponding to each of the plurality of second threshold values. For example, it is assumed that three stages of second threshold values of 300 ppm, 1000 ppm, and 6000 ppm are set as the second threshold value.
  • a CO concentration greater than 300 ppm and less than or equal to 1000 ppm continues to be detected for 10 minutes, it is determined that an abnormality has occurred. If a CO concentration greater than 1000 ppm and less than or equal to 6000 ppm continues to be detected for 30 seconds, it is determined that an abnormality has occurred. If a CO concentration of greater than 6000 ppm continues to be detected for 3 seconds, it is determined that an abnormality has occurred. That is, when a relatively high value of CO concentration is detected, such as 6000 ppm, it is determined that an abnormality has occurred in a short duration, and a relatively low value of CO concentration, such as 300 ppm, is detected. If detected, it is determined that an abnormality has occurred over a long duration.
  • the presence or absence of abnormality can be determined according to the CO concentration and the duration of the CO concentration. In this way, the product value can be improved while enhancing the safety of the fuel cell system 100. If a very high value of CO concentration is detected, such as 6000 ppm, the fuel cell system 100 may be stopped immediately without measuring the duration.
  • the detected CO concentration for example, the average value of the first CO concentration and the second CO concentration
  • the integrated value exceeds a predetermined threshold
  • the combustion state of the fuel in the combustor 15 is reached. It can also be determined that there is an abnormality.
  • the portion of the fuel cell system 100 excluding the fuel cell 13 can be used as a hydrogen generator.
  • the fuel cell 13 in FIG. 1 is replaced with the hydrogen storage facility 31, and the air supply line from the air supplier 23 to the hydrogen storage facility 31 is omitted. Except for this, the fuel cell system 100 has the same configuration.
  • the hydrogen gas generated in the reformer 11 is liquefied and liquid hydrogen is stored in the hydrogen storage facility 31.
  • the hydrogen storage facility 31 includes a liquefier for liquefying hydrogen gas, a tank for storing liquid hydrogen, and the like.
  • the technology disclosed in this specification is useful for a fuel cell system, a hydrogen station, a hydrogen production plant, and the like.

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Abstract

本開示に係る水素生成装置は、水素ガスを生成する改質器と、改質器を加熱する燃焼器と、燃焼器で生じた燃焼排ガスの排気経路と、排気経路に配置された第１ＣＯセンサと、排気経路に配置された第２ＣＯセンサと、を備えている。これにより、第１ＣＯセンサ及び第２ＣＯセンサのそれぞれの検出値を検査に利用できるので、システムの定常運転期間にも第１ＣＯセンサ及び第２ＣＯセンサのそれぞれの異常を検出することができる。燃焼排ガス中のＣＯ濃度が増加するように燃焼器における空気比を意図的に変化させる必要もない。

Description

水素生成装置及びそれを備えた燃料電池システムならびに水素生成装置の運転方法
　本開示は、水素生成装置及びそれを備えた燃料電池システムならびに水素生成装置の運転方法に関する。
　水素生成装置及び燃料電池を備えた燃料電池システムはよく知られている。水素生成装置は、改質反応によって都市ガスなどの原料から水素ガスを生成するための改質器を含む。改質器で生成された水素ガスは、酸化剤ガスとしての酸素（空気）とともに燃料電池に供給される。燃料電池において、水素と酸素との電気化学反応によって電力が生成される。
　改質反応の１つに水蒸気改質がある。水蒸気改質を行うためには、改質器の温度を高温（例えば、７００℃）に保つ必要がある。そのため、燃料電池システムには、改質器を加熱するための燃焼器が設けられている。燃焼器で生じた燃焼排ガスの排気経路には、燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度（ＣＯ濃度）を検出するための一酸化炭素センサ（ＣＯセンサ）が設けられている。
　特許文献１には、燃料電池システムの外部から排気経路に一酸化炭素を供給することなく、ＣＯセンサの感度を検査することを可能にする技術が記載されている。具体的には、燃焼排ガス中のＣＯ濃度が増加するように、燃焼器における空気比を意図的に増加させる。このときのＣＯセンサの検出値を閾値と比較することによって、ＣＯセンサの感度を検査することができる。
　特許文献１によれば、燃焼排ガス中のＣＯ濃度が増加するように、燃焼器における空気比を意図的に増加させる必要がある。この場合、ＣＯセンサの感度の検査を燃料電池システムの発電期間などの定常運転期間に実行することは困難である。
日本国特許第５５８１４６６号公報
　本開示の目的は、ＣＯセンサの感度（健全性）の検査をシステムの定常運転期間にも実行可能にする技術を提供することにある。
　すなわち、本開示は、水素ガスを生成する改質器と、改質器を加熱する燃焼器と、燃焼器で生じた燃焼排ガスの排気経路と、排気経路に配置された第１ＣＯセンサと、排気経路に配置された第２ＣＯセンサと、を備えた、水素生成装置を提供する。
　本開示の技術によれば、２つのＣＯセンサの感度の検査をシステムの定常運転期間にも実行できる。
図１は、本開示の一実施形態にかかる燃料電池システムの構成図である。 図２は、燃料電池システムの運転サイクルを示すタイムチャートである。 図３は、燃料電池システムの非定常運転期間に実行されるべき２つのＣＯセンサの検査に関するフローチャートである。 図４は、燃料電池システムの定常運転期間（発電期間）に実行されるべき２つのＣＯセンサの検査に関するフローチャートである。 図５Ａは、燃料電池システムの定常運転期間（発電期間）における２つのＣＯセンサの検出値と閾値との関係を示す図である。 図５Ｂは、燃料電池システムの定常運転期間（発電期間）における２つのＣＯセンサの検出値と閾値との関係を示す別の図である。 図５Ｃは、燃料電池システムの定常運転期間（発電期間）における２つのＣＯセンサの検出値と閾値との関係を示すさらに別の図である。 図６は、本開示の変形例にかかる水素生成装置の構成図である。
　（本開示の基礎となった知見）
　燃焼排ガス中のＣＯ濃度が増加するように燃焼器における空気比を定常運転期間に意図的に増加させると、システム（水素生成装置又は燃料電池システム）が不安定になる。そのため、特許文献１に記載された方法は、システムを起動させるための運転が行われる起動期間、システムを停止させるための運転が行われる停止期間などの非定常運転期間に限り、適用可能である。システムを長時間（例えば、４８～１２０時間）にわたって連続運転するとき、連続運転中にＣＯセンサの健全性を確かめる術がない。特に、昨今の燃料電池システムには、長時間にわたって連続運転可能であることが求められている。システムの優れた安全性を保証するためには、長時間の連続運転中にもＣＯセンサの検査を行うべきである。
　本開示の第１態様にかかる水素生成装置は、水素ガスを生成する改質器と、改質器を加熱する燃焼器と、燃焼器で生じた燃焼排ガスの排気経路と、排気経路に配置された第１ＣＯセンサと、排気経路に配置された第２ＣＯセンサと、を備えたものである。
　第１態様によれば、第１ＣＯセンサ及び第２ＣＯセンサのそれぞれの検出値を検査に利用できるので、システムの定常運転期間にも第１ＣＯセンサ及び第２ＣＯセンサのそれぞれの異常を検出することができる。燃焼排ガス中のＣＯ濃度が増加するように燃焼器における空気比を意図的に変化させる必要もない。
　本開示の第２態様において、例えば、第１態様にかかる水素生成装置は、水素生成装置の定常運転期間において、第１ＣＯセンサの検出値と第２ＣＯセンサの検出値との両方に基づいて第１ＣＯセンサ及び第２ＣＯセンサのそれぞれの異常の有無を監視する制御器をさらに備えている。第２態様によれば、燃焼排ガス中のＣＯ濃度を意図的に上昇させることなく、定常運転期間において、第１ＣＯセンサ及び第２ＣＯセンサの健全性を常時監視することができる。
　本開示の第３態様において、例えば、第２態様にかかる水素生成装置の第１ＣＯセンサの検出値が閾値を越え、かつ、第２ＣＯセンサの検出値が閾値以下であるとき、制御器は、第２ＣＯセンサの異常を検出して所定の電気的処理を実行する。第３態様によれば、燃焼排ガス中のＣＯ濃度を意図的に上昇させることなく、定常運転期間において、第１ＣＯセンサ及び第２ＣＯセンサの健全性を常時監視することができる。
　本開示の第４態様では、例えば、第２又は第３態様にかかる水素生成装置の非定常運転期間において、制御器は、燃焼排ガス中のＣＯ濃度を意図的に上昇させるための処理を実行し、第１ＣＯセンサの検出値及び第２ＣＯセンサの検出値をそれぞれ取得し、第１ＣＯセンサ及び第２ＣＯセンサのそれぞれの異常の有無を判断する。第４態様によれば、第１ＣＯセンサ及び第２ＣＯセンサの検査を容易に実施することができる。「非定常運転期間」には、例えば、水素生成装置を起動するための起動期間、水素生成装置の運転を停止させるための停止期間、及び、水素ガスの生成を停止している待機期間が含まれる。これらの期間から選ばれる少なくとも１つの期間において、上記の各処理を実行することができる。
　本開示の第５態様において、例えば、第２～第４態様のいずれか１つにかかる水素生成装置の制御器は、第１ＣＯセンサの検出値と第２ＣＯセンサの検出値との両方に基づいて燃焼器における燃料の燃焼状態を監視する。第１ＣＯセンサ及び第２ＣＯセンサによって、確実に燃焼状態の異常を発見することができる。
　本開示の第６態様において、例えば、第１～第５態様のいずれか１つにかかる水素生成装置は、第１ＣＯセンサ及び第２ＣＯセンサから選ばれる少なくとも１つに異常が発生したことを報知する報知器をさらに備えている。第６態様によれば、ユーザ又はメンテナンス担当者に第１ＣＯセンサ及び／又は第２ＣＯセンサのメンテナンスを迅速に促すことができる。
　本開示の第７態様にかかる燃料電池システムは、第１～第６態様のいずれか１つの水素生成装置と、水素生成装置の改質器で生成された水素ガスを用いて電力を生成する燃料電池と、を備えたものである。
　第７態様によれば、第１態様と同じ効果が得られる。
　本開示の第８態様において、例えば、第７態様にかかる燃料電池システムの連続運転可能な最長時間が２４時間よりも長い。連続運転可能な最長時間が十分に長い場合、起動期間及び停止期間が相対的に短くなることによって、燃料電池システムの効率の向上を期待できる。
　本開示の第９態様にかかる水素生成装置の運転方法は、燃焼器で燃料を燃焼させて改質器を加熱することと、水素生成装置の非定常運転期間において、燃焼器で生じた燃焼排ガス中のＣＯ濃度を意図的に上昇させつつ、燃焼排ガスの排気経路に配置された第１ＣＯセンサ及び第２ＣＯセンサのそれぞれの検出値を取得し、第１ＣＯセンサ及び第２ＣＯセンサのそれぞれの異常の有無を判断することと、非定常運転期間において、第１ＣＯセンサ及び第２ＣＯセンサのそれぞれの異常が発見されなかった場合に水素生成装置の運転を許可することと、非定常運転期間の終了後であって、水素生成装置の定常運転期間において、第１ＣＯセンサの検出値と第２ＣＯセンサの検出値との両方に基づいて第１ＣＯセンサ及び第２ＣＯセンサのそれぞれの異常の有無を監視することと、を含むものである。
　第９態様によれば、第１態様と同じ効果が得られる。
　以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。
　図１に示すように、本開示の一実施形態にかかる燃料電池システム１００は、改質器１１及び燃料電池１３を備えている。改質器１１は、例えば、水蒸気改質反応（ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２）などの改質反応によって水素ガスを生成するためのデバイスである。改質器１１には、改質反応を進行させるための改質触媒が収められている。改質器１１は、水及び原料を用いて、水素ガスＧ２を生成する。原料は、例えば、都市ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）などの炭化水素ガスである。改質器１１で生成された水素ガスＧ２が燃料電池１３に供給される。燃料電池１３は、酸化剤ガスＧ１と水素ガスＧ２とを用いて電力を生成する。燃料電池１３は、例えば、固体高分子形燃料電池である。燃料電池１３の排熱によって湯が生成される。生成された湯は貯湯タンク（図示省略）に貯められる。
　燃料電池システム１００は、さらに、燃焼器１５、排気経路１７、第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１を備えている。燃焼器１５は、燃料を燃焼させることによって改質器１１を加熱するためのデバイスである。燃焼器１５は、改質器１１に隣接している。排気経路１７（排気管）は、燃焼器１５に接続されている。排気経路１７は、燃焼器１５で生じた燃焼排ガスの流路であり、燃料電池システム１００の筐体の外部まで延びている。第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１は、それぞれ、排気経路１７に配置されている。第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１は、燃焼排ガス中のＣＯ濃度を検出する役割を担っている。第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１は、例えば、接触燃焼式のＣＯセンサ又は半導体式のＣＯセンサである。
　燃料電池システム１００は、さらに、空気供給器２３及び燃料供給器２５を備えている。空気供給器２３は、燃料電池１３及び燃焼器１５のそれぞれに空気（酸化剤ガスＧ１）を供給するためのデバイスである。空気供給器２３の例として、ファン、ブロワなどが挙げられる。空気供給器２３を制御することによって、空気の流量を調節することができる。燃料供給器２５は、燃料の貯蔵タンク、都市ガスのインフラストラクチャなどの燃料供給源（図示省略）から燃焼器１５に燃料を供給するためのデバイスである。燃料供給器２５の例として、ポンプ、流量調整弁、それらの組み合わせなどが挙げられる。燃料供給器２５を制御することによって、燃料の流量を調節することができる。燃料として、都市ガス、ＬＰガスなどを使用できる。燃料供給器２５は、改質器１１に原料を供給するための原料供給器（図示省略）に兼用されていてもよい。その場合、燃料供給器２５から改質器１１への経路上に脱硫器が設けられていてもよい。脱硫器は、燃料に含まれた硫黄化合物を燃料から除去するためのデバイスである。
　改質器１１と燃料電池１３との間には、水素ガスＧ２から一酸化炭素を除去するために、ＣＯ変成器及びＣＯ除去器のようなデバイスが設けられていてもよい。
　燃料電池システム１００は、さらに、報知器２９（ａｎｎｕｎｃｉａｔｏｒ）を備えている。報知器２９は、第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１から選ばれる少なくとも１つに異常が発生したことを報知するために使用される。報知器２９は、異常を視覚的に報知できる機器であってもよいし、異常を聴覚的に報知できる機器であってもよいし、それらの組み合わせであってもよい。異常を視覚的に報知できる機器の例として、ディスプレイ、警告ランプなどが挙げられる。異常を聴覚的に報知できる機器の例として、スピーカ、ブザーなどが挙げられる。典型的には、燃料電池システム１００の現在の電気出力（Ｗ）を表示したり、燃料電池システム１００の運転を開始又は停止させたりするためにユーザが操作可能な入出力パネルを報知器２９として使用できる。報知器２９によれば、燃料電池システム１００のユーザ又はメンテナンス担当者に第１ＣＯセンサ１９及び／又は第２ＣＯセンサ２１のメンテナンスを迅速に促すことができる。これにより、燃料電池システム１００の安全性及び信頼性を高めることができる。
　燃料電池システム１００は、さらに、制御器２７を備えている。制御器２７は、燃料電池１３、空気供給器２３、燃料供給器２５、報知器２９、各種の補助機器などの制御対象を制御する。補助機器には、弁（開閉弁、切替弁及び流量調整弁を含む）、ポンプ、電気ヒータなどが含まれる。制御器２７には、第１ＣＯセンサ１９、第２ＣＯセンサ２１及び各種のセンサから検出信号が入力される。制御器２７として、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置などを含むＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）を使用できる。制御器２７には、燃料電池システム１００を適切に運転するためのプログラムが格納されている。
　次に、燃料電池システム１００の運転について説明する。
　図２に示すように、燃料電池システム１００は、主に、起動期間、発電期間、停止期間及び待機期間の４つの運転サイクルに従って運転されうる。「起動期間」は、燃料電池システム１００を起動させるための運転期間である。詳細には、「起動期間」は、燃料電池システム１００の出力を所定の定格出力（例えば、７５０Ｗ）まで徐々に上昇させるための運転期間である。起動期間において、改質器１１への原料の供給流量及び水（水蒸気）の供給流量を徐々に増加させる。起動期間において、酸化剤ガスＧ１の流量及び水素ガスＧ２の流量が徐々に増加する。「発電期間」は、所定の定格出力で燃料電池システム１００が運転される期間である。ただし、発電期間において、燃料電池システム１００が常に定格出力で運転されることは必須ではない。一定の出力で燃料電池システム１００が安定的に運転されている期間が「発電期間」である。発電期間において、改質器１１への原料の供給流量及び水の供給流量はそれぞれ一定に保たれる。酸化剤ガスＧ１の流量及び水素ガスＧ２の流量もそれぞれ一定に保たれる。「停止期間」は、燃料電池システム１００を停止させるための運転期間である。詳細には、「停止期間」は、燃料電池システム１００の出力をゼロまで徐々に低下させるための運転期間である。停止期間において、改質器１１への原料の供給流量及び水の供給流量を徐々に減少させる。停止期間において、酸化剤ガスＧ１の流量及び水素ガスＧ２の流量が徐々に減少する。「待機期間」は、燃料電池システム１００の出力をゼロのまま保持している期間である。待機期間において、改質器１１への原料の供給流量及び水の供給流量は、基本的にはゼロである。ただし、改質器１１の劣化を抑制するために、改質器１１を原料で定期的にパージ（ｐｕｒｇｅ）することがある。待機期間において、改質器１１における水素ガスＧ２の生成は停止しており、酸化剤ガスＧ１の流量及び水素ガスＧ２の流量も基本的にはゼロである。制御器２７は、待機期間にも所定の電気的処理を実行し続けている。そのような電気的処理の例は、貯湯タンクの湯量を監視するための処理である。
　図２の例によれば、起動期間及び停止期間において、燃料電池システム１００の出力は、連続的かつ一定のレートで上昇又は低下している。ただし、燃料電池システム１００の出力を段階的に上昇又は低下させてもよい。さらに、出力の上昇又は低下のレートを変化させてもよい。
　一例において、起動期間の長さ及び停止期間の長さは、それぞれ、１０分～９０分の範囲にある。燃料電池システム１００の起動又は停止に十分な時間を費やすことによって、改質器１１の劣化、燃料電池１３の劣化などを抑制することができる。ただし、燃焼排ガス中のＣＯ濃度の急上昇を検出した場合などの非常時には、燃料電池システム１００を瞬時に停止させることもある。
　発電期間の長さ及び待機期間の長さは、燃料電池システム１００の連続運転可能な時間、貯湯タンクの容量などに応じて変化する。貯湯タンクに十分な量の湯が貯められた場合、燃料電池システム１００は運転を自動的に停止し、待機期間に入る。貯湯タンクの湯量が閾値を下回ると、燃料電池システム１００は、自動的に運転を開始する。湯の使用量が多い場合、１回の運転サイクルの中で待機期間がゼロの場合もありうる。
　本実施形態において、発電期間が燃料電池システム１００の定常運転期間である。これに対し、燃料電池システム１００の非定常運転期間には、起動期間、停止期間及び待機期間が含まれる。
　本実施形態において、燃料電池システム１００の連続運転可能な最長時間は２４時間よりも長い。一例において、連続運転可能な最長時間は、２４時間よりも長く２４０時間以下である。連続運転可能な最長時間が十分に長い場合、起動期間及び停止期間が相対的に短くなることによって、燃料電池システム１００の効率の向上を期待できる。また、改質器１１、燃料電池１３などのコンポーネントの劣化も抑制されうる。
　燃料電池システム１００を起動すべき旨の指示が入力された場合（例えば、運転開始スイッチがオンにされた場合）、制御器２７は、燃料電池システム１００の出力が徐々に上昇するように、空気供給器２３、燃料供給器２５及び各種の補助機器を制御する。この期間は、図２に示す起動期間である。この起動期間において、制御器２７は、第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１の検査を実施する。
　図３に示すように、まず、制御器２７は、燃焼排ガス中のＣＯ濃度を意図的に上昇させるための処理を実行する。詳細には、制御器２７は、空気供給器２３及び燃料供給器２５から選ばれる少なくとも１つを制御して、燃焼排ガス中のＣＯ濃度が上昇するように燃焼器１５における空気比を増加させる（ステップＳ１）。「空気比」とは、燃料を完全燃焼するのに必要な理論空気流量Ｍ１に対する実際の空気流量Ｍ２の比（Ｍ２／Ｍ１）を意味する。空気比が１を超えるように空気供給器２３及び燃料供給器２５から選ばれる少なくとも１つを制御することによって、空気比が１であるときと比較して、燃焼排ガス中のＣＯ濃度が上昇する。ステップＳ１において、空気比（Ｍ２／Ｍ１）は、例えば、１．５～８の範囲に調節される。このとき、燃焼排ガス中のＣＯ濃度（体積濃度）は、例えば、５０ｐｐｍ～６０００ｐｐｍに達する。
　なお、空気比を減少させることによって燃焼排ガス中のＣＯ濃度を上昇させることも可能である。つまり、空気比が１を下回るように空気供給器２３及び燃料供給器２５から選ばれる少なくとも１つを制御する。
　図３に示す検査では、燃焼排ガス中のＣＯ濃度を意図的に上昇させつつ、第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１の異常の有無を判断する。具体的には、ステップＳ２において、制御器２７は、第１ＣＯセンサ１９の検出値及び第２ＣＯセンサ２１の検出値をそれぞれ取得する。これらの検出値は、それぞれ、第１ＣＯセンサ１９によって検出されたＣＯ濃度（第１ＣＯ濃度）及び第２ＣＯセンサ２１によって検出されたＣＯ濃度（第２ＣＯ濃度）に対応する。ステップＳ３において、取得した各検出値が所定の閾値（以下、「第１閾値」と称する）以下かどうかを判断する。第１閾値（第１閾値濃度）は、例えば、５０ｐｐｍ～２００ｐｐｍの範囲内で設定される。第１ＣＯセンサ１９の検出値及び第２ＣＯセンサ２１の検出値の両方が第１閾値以下でないとき、つまり、各検出値が第１閾値を越えているとき、一酸化炭素の発生が正しく検出されたことになるので、第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１は正常である。この場合、ステップＳ４において、燃料電池システム１００の起動が許可される。言い換えれば、起動期間において、第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１のそれぞれの異常が発見されなかった場合に改質器１１への原料の供給が継続され、燃料電池システム１００の運転が継続される。
　他方、第１ＣＯセンサ１９の検出値が第１閾値以下であるとき、第１ＣＯセンサ１９に異常があると判断する。同様に、第２ＣＯセンサ２１の検出値が第１閾値以下であるとき、第２ＣＯセンサ２１に異常があると判断する。第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１から選ばれる少なくとも一方に異常がある場合、ステップＳ５において、燃料電池システム１００を停止させる。具体的には、図２に示す停止処理と同じように燃料電池システム１００の出力を徐々に下げてもよいし、燃料電池システム１００を直ちに停止させてもよい。ステップＳ６において、制御器２７は、報知器２９を用いてＣＯセンサの異常を報知するための処理を実行する。第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１の異常は、センサ自体の故障に起因している可能性もあるし、異物の付着などの他の要因に起因している可能性もある。検査が終了したら、空気比を元の値まで低下させる。
　図３のフローチャートに示す方法によれば、第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１の検査を容易に実施することができる。第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１の健全性を確実に保証することができる。図３のフローチャートに示す方法による検査は、燃料電池システム１００の起動期間に代えて、停止期間又は待機期間に実施されてもよい。すなわち、図３のフローチャートに示す方法による検査は、起動期間、停止期間及び待機期間から選ばれる少なくとも１つの期間（つまり、非定常運転期間）において実施されうる。停止期間に検査を実施し、第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１から選ばれる少なくとも１つの異常を検出した場合、ステップＳ５において、燃料電池システム１００の運転を停止させるための処理を完結させ、燃料電池システム１００の再起動が禁止される。
　非定常運転期間における第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１の検査は、特定のタイミングで取得した１組の検出値に基づいて実施されうる。この方法は非常に簡便である。ただし、以下に説明するように、複数組の検出値に基づいて第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１の健全性を検査することも可能である。例えば、制御器２７は、所定のサンプリング周期（数１０ｍｓｅｃ～数１００ｍｓｅｃ）にて、第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１のそれぞれから検出値を取得する。第１閾値以下の検出値が所定時間（例えば、数秒間）にわたって継続した場合、該当するＣＯセンサに異常があると判断する。言い換えれば、第１閾値濃度以下のＣＯ濃度が所定時間にわたって連続して検出された場合、該当するＣＯセンサに異常があると判断する。この方法によれば、突発的なノイズの影響を排除することができるので、より正確に第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１の検査を行うことができる。
　燃料電池システム１００の連続運転可能な最長時間が２４時間よりも長い場合、図３のフローチャートを参照して説明した方法のみによって第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１を１日に少なくとも１回検査することは困難である。しかし、本実施形態によれば、以下に説明する方法によって第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１の健全性を常時確かめることができる。
　起動期間の終了後、発電期間（定常運転期間）において、制御器２７は、タイマ割り込みなどの制御によって、図４に示すフローチャートの各処理を定期的（例えば、数１０ｍｓｅｃ～数１００ｍｓｅｃ毎）に実行する。図３のフローチャートが非定常運転期間における２つのＣＯセンサの検査の手順を示しているのに対し、図４のフローチャートは、定常運転期間における２つのＣＯセンサの検査の手順を示している。
　まず、ステップＳ１１において、制御器２７は、第１ＣＯセンサ１９の検出値及び第２ＣＯセンサ２１の検出値を取得する。ステップＳ１２において、制御器２７は、取得した各検出値が所定の閾値（以下、「第２閾値」と称する）以下かどうかを判断する。第２閾値（第２閾値濃度）は、例えば、２５０ｐｐｍ～６０００ｐｐｍの範囲内で設定される。
　第２閾値は、非定常運転期間における検査のときに使用した第１閾値と同じ値（同じＣＯ濃度）であってもよいし、第１閾値とは異なる値（異なるＣＯ濃度）であってもよい。望ましくは、第２閾値は、第１閾値とは異なる値である。さらに、第２閾値は、第１閾値よりも大きい値でありうる。第１閾値と第２閾値とがこのような関係にあると、発電期間中に起こった外乱による誤検出を防ぎ、誤検出による燃料電池システム１００の停止を避けることができる。
　発電期間において、空気比は１（理論空気比）に設定され、燃焼排ガス中のＣＯ濃度が理論上最小となるように空気供給器２３及び燃料供給器２５が制御される。したがって、図５Ａに示すように、発電期間において、第１ＣＯセンサ１９の検出値及び第２ＣＯセンサ２１の検出値は、通常、第２閾値を大きく下回る。第１ＣＯセンサ１９の検出値及び第２ＣＯセンサ２１の検出値の両方が第２閾値以下であるとき、燃焼器１５における燃料の燃焼状態は正常であり、かつ、第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１の両方が正常である。したがって、燃料電池システム１００の運転はそのまま継続される。ステップＳ２１では、第１タイマの値及び第２タイマの値がクリアされる。第１タイマ及び第２タイマの役割は後述する。
　他方、第１ＣＯセンサ１９の検出値及び第２ＣＯセンサ２１の検出値から選ばれる少なくとも１つが第２閾値以下でないとき、第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１から選ばれる少なくとも１つに異常が発生していること、燃焼器１５における燃料の燃焼状態に異常が発生していること、又は、その両方が疑われる。したがって、まず、ステップＳ１３において、検出値の両方が第２閾値を越えているかどうかを判断する。
　図５Ｂに示すように、第１ＣＯセンサ１９の検出値及び第２ＣＯセンサ２１の検出値の両方が第２閾値を越えているとき、燃焼器１５における燃料の燃焼状態に異常が発生している可能性がある。第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１は、ともに正常である。つまり、制御器２７は、第１ＣＯセンサ１９の検出値と第２ＣＯセンサ２１の検出値との両方に基づいて燃焼器１５における燃料の燃焼状態を監視する。第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１によって、確実に燃焼状態の異常を発見することができる。例えば、燃料の配管が外れたり、燃料の配管に異物が入ったり、改質器１１で水の突沸（蒸発乱れ）が起こったりすると、相対的に空気流量が過剰となり、燃焼排ガス中のＣＯ濃度が上昇しやすい。燃料電池１３で消費されなかった水素ガスＧ２は、燃焼器１５に導かれて燃やされる。そのため、蒸発乱れは、水素ガスＧ２の供給流量の変動、ひいては、燃焼器１５における空気比の変動を招く。
　第１ＣＯセンサ１９の検出値及び第２ＣＯセンサ２１の検出値の両方が第２閾値を越えているとき、ステップＳ１４において、第１タイマをインクリメントする。第１タイマは、第１ＣＯセンサ１９の検出値及び第２ＣＯセンサ２１の検出値の両方が第２閾値を越えている状態の継続時間を計測するためのタイマである。第１タイマは、例えば、制御器２７のメモリの所定領域に定義されるソフトウェアタイマである。
　次に、ステップＳ１５において、第１タイマによる計測時間が閾値時間に達したかどうかを判断する。閾値時間は、例えば、３ｓｅｃ～６００ｓｅｃの範囲内で設定される。第１タイマによる計測時間が閾値時間に達している場合、検出値の両方が第２閾値を越えている状態が長時間にわたって継続している。言い換えれば、燃焼器１５における燃料の燃焼状態に異常が発生している可能性が相当高い。したがって、ステップＳ１６において、制御器２７は、燃料電池システム１００を停止させるための処理を実行する。燃料電池システム１００を緊急停止させてもよいし、図２を参照して説明したように、通常の停止期間を経て、燃料電池システム１００を停止させてもよい。また、報知器２９を用い、燃焼器１５における燃料の燃焼状態に異常が発生したことを報知してもよい。
　他方、図５Ｃに示すように、第１ＣＯセンサ１９の検出値及び第２ＣＯセンサ２１の検出値の一方が第２閾値以下であり、他方が第２閾値を越えているとき、燃焼器１５における燃料の燃焼状態に異常が発生している可能性がある。また、一方のＣＯセンサ（第２閾値以下の検出値を示したＣＯセンサ）に異常が発生している可能性がある。他方のＣＯセンサ（第２閾値よりも大きい検出値を示したＣＯセンサ）は正常である。このような推測が成り立つ理由は次の通りである。すなわち、第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１は、いずれも、図３を参照して説明した検査を受け、所定の基準を満足している。したがって、第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１に同時に異常が発生する可能性は限りなく低い。図５Ｃに示す事象が発生した場合、第２ＣＯセンサ２１の異常が強く疑われる。図５Ｃでは、第２ＣＯセンサ２１の検出値が第２閾値以下であるが、第１ＣＯセンサ１９の検出値と第２ＣＯセンサ２１の検出値とが入れ替わっても同じことが言える。
　第１ＣＯセンサ１９の検出値及び第２ＣＯセンサ２１の検出値の一方のみが第２閾値を越えているとき、ステップＳ１７において、第２タイマをインクリメントする。第２タイマは、第１ＣＯセンサ１９の検出値及び第２ＣＯセンサ２１の検出値の一方のみが第２閾値を越えている状態の継続時間を計測するためのタイマである。第２タイマは、例えば、制御器２７のメモリの所定領域に定義されるソフトウェアタイマである。
　次に、ステップＳ１８において、第２タイマによる計測時間が閾値時間に達したかどうかを判断する。閾値時間は、例えば、３ｓｅｃ～６００ｓｅｃの範囲内で設定される。ステップＳ１８における閾値時間は、ステップＳ１５における時間と一致していてもよいし、異なっていてもよい。第２タイマによる計測時間が閾値時間に達している場合、検出値の一方が第２閾値を越え、他方が第２閾値以下である状態が長時間にわたって継続している。言い換えれば、燃焼器１５における燃料の燃焼状態に異常が発生している可能性が相当高い。第２閾値以下の検出値を示したＣＯセンサに異常が発生している可能性も相当高い。したがって、ステップＳ１９において、燃料電池システム１００を停止させるための処理を実行する。燃料電池システム１００を緊急停止させてもよいし、図２を参照して説明したように、通常の停止期間を経て、燃料電池システム１００を停止させてもよい。ステップＳ２０において、報知器２９を用い、第１ＣＯセンサ１９又は第２ＣＯセンサ２１に異常が発生していることを報知する。併せて、燃焼器１５における燃料の燃焼状態に異常が発生していることを報知してもよい。
　以上のように、本実施形態によれば、燃料電池システム１００の発電期間（定常運転期間）において、第１ＣＯセンサ１９の検出値と第２ＣＯセンサ２１の検出値との両方に基づいて第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１のそれぞれの異常の有無を監視する。第１ＣＯセンサ１９の検出値（又は第２ＣＯセンサ２１の検出値）が第２閾値を越え、かつ、第２ＣＯセンサ２１の検出値（又は第１ＣＯセンサ１９の検出値）が第２閾値以下であるとき、制御器２７は、第２ＣＯセンサ２１の異常を検出して所定の電気的処理を実行する。このようにすれば、燃焼排ガス中のＣＯ濃度を意図的に上昇させることなく、燃料電池システム１００の発電期間（定常運転期間）において、第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１の健全性を常時監視することができる。燃料電池システム１００の出力を一定に保ちつつ、第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１の健全性を常時監視することができる。
　なお、異常を検出した場合に実行されるべき「所定の電気的処理」の種類は様々である。「所定の電気的処理」には、第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１から選ばれる少なくとも１つに異常が発生していることを報知するための処理、燃焼器１５における燃料の燃焼状態に異常が発生していることを報知するための処理、燃料電池システム１００を停止させるための処理などの様々な処理が含まれる。
　本実施形態によれば、第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１から選ばれる少なくとも１つによって第２閾値を越えるＣＯ濃度が検出されたとき、燃料電池システム１００を停止させる及び／又は再起動を禁止する。詳細には、第２閾値を越えるＣＯ濃度が所定の閾値時間にわたって検出され続けた場合、燃料電池システム１００を停止させる及び／又は再起動を禁止する。つまり、本実施形態によれば、ＣＯ濃度に加え、第２閾値を越えるＣＯ濃度の継続時間によって、燃焼器１５における燃料の燃焼状態の異常の有無が判断され、かつ、第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１の健全性の検査が行われる。このようにすれば、改質器１１における蒸発乱れなどの影響によって突発的にＣＯ濃度が高まったとしても、燃料電池システム１００の運転を継続できる。しかも、ＣＯセンサの異常及び燃料の燃焼状態の異常を見逃すことも無く、これらの不具合を迅速かつ確実に検出することができる。なぜなら、突発的なＣＯ濃度の上昇は、長時間継続しないからである。
　もちろん、図３のフローチャートに示す検査のように、特定のタイミングで取得した１組の検出値のみを用いて第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１の検査を定常運転期間に実施してもよい。しかし、その場合、蒸発乱れなどの影響を完全に排除することが難しく、異常を誤検出する可能性が高くなる。誤検出が頻繁に発生すると、燃料電池システム１００の信頼性及び製品価値が下がる。したがって、定常運転期間においては、図４のフローチャートを参照して説明した方法にて、第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１の健全性を検査することが望ましい。
　図４のフローチャートでは、第２閾値が１つのみ設定されており、この第２閾値と各検出値とを比較することによって、燃焼状態の異常の有無が判断され、２つのＣＯセンサの検査が行われる。しかし、第２閾値は１つに限定されず、複数の第２閾値（第２閾値濃度）が設定されていてもよい。複数の第２閾値が設定されているとき、複数の第２閾値のそれぞれに対応して、ステップＳ１５及びステップＳ１８の閾値時間が設定されていてもよい。例えば、第２閾値として、３００ｐｐｍ、１０００ｐｐｍ及び６０００ｐｐｍの３段階の第２閾値が設定されていると仮定する。３００ｐｐｍより大きく１０００ｐｐｍ以下のＣＯ濃度が１０分間にわたって検出され続けた場合、異常が発生しているものと判断する。１０００ｐｐｍより大きく６０００ｐｐｍ以下のＣＯ濃度が３０秒間にわたって検出され続けた場合、異常が発生しているものと判断する。６０００ｐｐｍより大きいＣＯ濃度が３秒間にわたって検出され続けた場合、異常が発生しているものと判断する。すなわち、６０００ｐｐｍのように、相対的に高い値のＣＯ濃度が検出された場合、短い継続時間で異常が発生しているものと判断し、３００ｐｐｍのように、相対的に低い値のＣＯ濃度が検出された場合、長い継続時間で異常が発生しているものと判断する。このように、ＣＯ濃度とそのＣＯ濃度の継続時間とに応じて、異常の有無を判断することができる。このようにすれば、燃料電池システム１００の安全性を高めつつ、その製品価値を向上させることができる。６０００ｐｐｍのように、非常に高い値のＣＯ濃度が検出された場合、継続時間を計測することなく、燃料電池システム１００を直ちに停止させてもよい。
　また、検出されたＣＯ濃度（例えば、第１ＣＯ濃度と第２ＣＯ濃度との平均値）を所定時間内において積算し、積算値が所定の閾値を超えた場合、燃焼器１５における燃料の燃焼状態に異常があると判断することもできる。
　（変形例）
　燃料電池システム１００における燃料電池１３を除いた部分は、水素生成装置として利用できる。図６に示すように、水素生成装置２００は、図１における燃料電池１３が水素貯蔵設備３１に置き換えられたこと、及び、空気供給器２３から水素貯蔵設備３１への空気供給ラインが省略されたことを除き、燃料電池システム１００と同じ構成を有する。改質器１１で生成された水素ガスは、液化され、液体水素が水素貯蔵設備３１に貯められる。水素貯蔵設備３１は、水素ガスを液化させるための液化器、液体水素を貯蔵するためのタンクなどを含む。
　本明細書に開示された技術は、燃料電池システム、水素ステーション、水素製造プラントなどに有用である。
１１　改質器
１３　燃料電池
１５　燃焼器
１７　排気経路
１９　第１ＣＯセンサ
２１　第２ＣＯセンサ
２３　空気供給器
２５　燃料供給器
２７　制御器
２９　報知器
３１　水素貯蔵設備
１００　燃料電池システム
２００　水素生成装置

Claims (9)

  1. 　水素ガスを生成する改質器と、
    　前記改質器を加熱する燃焼器と、
    　前記燃焼器で生じた燃焼排ガスの排気経路と、
    　前記排気経路に配置された第１ＣＯセンサと、
    　前記排気経路に配置された第２ＣＯセンサと、
    　を備えた、水素生成装置。
  2. 　前記水素生成装置の定常運転期間において、前記第１ＣＯセンサの検出値と前記第２ＣＯセンサの検出値との両方に基づいて前記第１ＣＯセンサ及び前記第２ＣＯセンサのそれぞれの異常の有無を監視する制御器をさらに備えた、請求項１に記載の水素生成装置。
  3. 　前記第１ＣＯセンサの前記検出値が閾値を越え、かつ、前記第２ＣＯセンサの前記検出値が前記閾値以下であるとき、前記制御器は、前記第２ＣＯセンサの異常を検出して所定の電気的処理を実行する、請求項２に記載の水素生成装置。
  4. 　前記水素生成装置の非定常運転期間において、前記制御器は、前記燃焼排ガス中のＣＯ濃度を意図的に上昇させるための処理を実行し、前記第１ＣＯセンサの前記検出値及び前記第２ＣＯセンサの前記検出値をそれぞれ取得し、前記第１ＣＯセンサ及び前記第２ＣＯセンサのそれぞれの異常の有無を判断する、請求項２又は３に記載の水素生成装置。
  5. 　前記制御器は、前記第１ＣＯセンサの前記検出値と前記第２ＣＯセンサの前記検出値との両方に基づいて前記燃焼器における前記燃料の燃焼状態を監視する、請求項２～４のいずれか１項に記載の水素生成装置。
  6. 　前記第１ＣＯセンサ及び前記第２ＣＯセンサから選ばれる少なくとも１つに異常が発生したことを報知する報知器をさらに備えた、請求項１～５のいずれか１項に記載の水素生成装置。
  7. 　請求項１～６のいずれか１項に記載の水素生成装置と、
    　前記水素生成装置の前記改質器で生成された水素ガスを用いて電力を生成する燃料電池と、
    　を備えた、燃料電池システム。
  8. 　連続運転可能な最長時間が２４時間よりも長い、請求項７に記載の燃料電池システム。
  9. 　燃焼器で燃料を燃焼させて改質器を加熱することと、
    　水素生成装置の非定常運転期間において、前記燃焼器で生じた燃焼排ガス中のＣＯ濃度を意図的に上昇させつつ、前記燃焼排ガスの排気経路に配置された第１ＣＯセンサ及び第２ＣＯセンサのそれぞれの検出値を取得し、前記第１ＣＯセンサ及び前記第２ＣＯセンサのそれぞれの異常の有無を判断することと、
    　前記非定常運転期間において、前記第１ＣＯセンサ及び前記第２ＣＯセンサのそれぞれの異常が発見されなかった場合に前記水素生成装置の運転を許可することと、
    　前記非定常運転期間の終了後であって、前記水素生成装置の定常運転期間において、前記第１ＣＯセンサの検出値と前記第２ＣＯセンサの検出値との両方に基づいて前記第１ＣＯセンサ及び前記第２ＣＯセンサのそれぞれの異常の有無を監視することと、
    　を含む、水素生成装置の運転方法。
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