WO2019087833A1 - 燃料電池装置、制御装置および制御プログラム - Google Patents

燃料電池装置、制御装置および制御プログラム Download PDF

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WO2019087833A1
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control
temperature
fuel cell
exhaust gas
ignition
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晋平 白石
高橋　成門
明彦 草▲なぎ▼
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京セラ株式会社
ダイニチ工業株式会社
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    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell device, a control device and a control program.
  • the exhaust gas generated at the time of power generation of the fuel cell apparatus is subjected to a process of reducing carbon monoxide and the like by a combustion catalyst and the like.
  • a combustion catalyst and the like When the concentration of carbon monoxide or the like increases due to misfire, the reaction in the combustion catalyst is activated to a high temperature. Therefore, the temperature of the exhaust gas after passing through the combustion catalyst (hereinafter, also referred to as “processed exhaust gas temperature”) is detected, and when the temperature is equal to or higher than a predetermined value, the fuel is determined to be a misfire and the ignition device is operated.
  • a battery device is illustrated (see, for example, Patent Document 1).
  • the fuel cell device of the present disclosure includes a fuel cell, an ignition device for igniting exhaust gas discharged from the fuel cell, a control device for controlling the operation of the ignition device, and a downstream of the ignition device in the flow direction of the exhaust gas.
  • An exhaust gas processing unit which is located on the side and is filled with a catalyst that burns the exhaust gas.
  • the control device can execute operation control to operate the ignition device when the temperature of the exhaust gas in the exhaust gas processing unit becomes equal to or higher than a predetermined first temperature, and during the operation of the ignition device First stop control for stopping the operation of the ignition device when the first condition in which the temperature of the exhaust gas in the exhaust gas processing unit is equal to or lower than a second temperature lower than the first temperature is determined in advance; It is possible to execute a second stop control for stopping the operation of the ignition device when the second condition in which a first predetermined time has elapsed from the operation of the ignition device is satisfied, and after performing the operation control, The first stop control or the second stop control is executed when the first condition or the second condition is satisfied.
  • the control device of the present disclosure controls one or more fuel cell devices provided with a fuel cell.
  • the control device is capable of executing an ignition control for igniting the exhaust gas when the temperature of the exhaust gas discharged from the fuel cell and burned by the catalyst becomes equal to or higher than a predetermined first temperature, and the ignition
  • the first stop control for stopping the ignition control when the temperature of the exhaust gas satisfies the first condition for lowering the second temperature below the predetermined value during operation of the device and the operation of the ignition device are determined in advance It is possible to execute a second stop control to stop the ignition control when a first time has elapsed, and after the operation control is performed, the first condition or the second condition is satisfied, The first stop control or the second stop control is executed.
  • the control device controls a fuel cell device including the fuel cell.
  • FIG. 1 is a schematic view showing a configuration of an example of a fuel cell device according to an embodiment of the present disclosure.
  • the fuel cell device 100 is a device capable of suppressing the deterioration of the combustion catalyst due to the erroneous determination of “misfired” during power generation.
  • the fuel cell device 100 mainly includes a fuel cell module 22 including the cell stack device 1, an exhaust gas processing unit 8 including a combustion catalyst 8a, a temperature sensor 9, a control device 13, and a storage device 14.
  • the cell stack device 1 forms a fuel cell (cell stack 18) that generates electric power using the reformed gas generated in the reformer 6 and the oxygen-containing gas (usually, air) supplied by the air blower 12a. Fuel cells 17).
  • the cell stack device 1 may be provided with a reformer 6.
  • the reformer 6 performs a reforming reaction using a raw fuel gas (hereinafter, also simply referred to as “fuel gas”) supplied from the raw fuel supply pump 4 a and water supplied from the water supply pump 5 a. , To generate a reformed gas containing hydrogen.
  • fuel gas a raw fuel gas supplied from the raw fuel supply pump 4 a and water supplied from the water supply pump 5 a.
  • the fuel cell system 100 includes a controller 13 that includes at least one processor to provide control and processing capabilities to perform various functions, as described in further detail below.
  • the at least one processor may be implemented as a single integrated circuit or as a plurality of communicatively coupled integrated circuits and / or discrete circuits.
  • the at least one processor can be implemented in accordance with various known techniques.
  • a processor includes one or more circuits or units configured to perform one or more data calculation procedures or processes, for example, by executing instructions stored in an associated memory.
  • the processor may be firmware (eg, discrete logic components) configured to perform one or more data calculation procedures or processes.
  • the processor may be one or more processors, controllers, microprocessors, microcontrollers, application specific integrated circuits, digital signal processors, programmable logic devices, field programmable gate arrays, or devices or configurations thereof. , Or any other known device and configuration combination, and may perform the functions described below.
  • the control device 13 includes a storage device 14, a fuel cell module 22, a raw fuel supply pump 4 a, an air blower 12 a, a water supply pump 5 a, an air temperature sensor 12, a temperature sensor 9, and an ignition device 11. And control and manage the entire fuel cell apparatus 100 including these functional units.
  • the control device 13 acquires a program stored in the storage device 14 and executes this program to realize various functions related to each part of the fuel cell device 100.
  • the control device 13 and the other functional units may be connected by wire or wirelessly.
  • the control characteristic of the present embodiment performed by the control device 13 will be further described later. Further, in the present embodiment, since the control device 13 can measure a predetermined time, it is possible to calculate the time for operating the ignition device 11 and the like.
  • the storage device 14 can store programs and data.
  • the storage device 14 may be used as a work area for temporarily storing the processing result.
  • the storage device 14 includes a recording medium.
  • the recording medium may include any non-transitory storage medium such as a semiconductor storage medium and a magnetic storage medium.
  • the storage device 14 may include multiple types of storage media.
  • the storage device 14 may include a combination of a portable storage medium such as a memory card, an optical disc, or a magneto-optical disc and a reader of the storage medium.
  • the storage device 14 may include a storage device used as a temporary storage area such as a random access memory (RAM).
  • RAM random access memory
  • the cell stack device 1 includes an ignition device 11.
  • the ignition device (hereinafter also referred to as “heater”) 11 is a device that ignites the exhaust gas discharged from the fuel battery cell 17.
  • the ignition device 11 has a heating element made of, for example, a ceramic, and uses the heat generation as a combustion ignition source. In this case, the heating element has a high temperature of about 1000 ° C. and sufficiently functions as an ignition source.
  • the ignition device 11 may be configured by covering a heating element made of W, Mo or the like with a ceramic such as alumina, silicon carbide or silicon nitride.
  • the conventionally well-known thing can be used for the ignition device 11, A burner etc. can be used besides the above.
  • the igniter 11 is a device for providing a high-temperature substance, spark, or the like for resuming the combustion in the combustion region 10 when the fuel cell device 100 generates power and misfires for some reason.
  • the combustion area 10 is an area between the cell stack 18 and the reformer 6 and is an area for burning the fuel gas not used for combustion in the fuel cell 17.
  • the combustion catalyst 8a converts it into carbon dioxide not by flame combustion but by oxidation reaction. Since this oxidation reaction is accompanied by heat generation, the combustion catalyst 8a has a high temperature of, for example, 340 ° C. or more. Under this condition, when the combustion region 10 is ignited, carbon monoxide and the like decrease and the oxidation reaction in the combustion catalyst 8a also settles, so the temperature of the combustion catalyst 8a (hereinafter also referred to as "catalyst temperature”) is, for example, 300. It drops below ° C.
  • the temperature of each catalyst described above varies depending on the composition of the combustion catalyst 8a, the structure of the fuel cell module 22, and the like.
  • the combustion catalyst 8a is located downstream of the igniter 11 in the flow direction of the exhaust gas flowing in the fuel cell module 22, and catalytically burns the exhaust gas.
  • the combustion catalyst 8a can use the combustion catalyst of a well-known composition, and you may implement
  • the control device 13 controls the operation of the igniter 11 by using the above-described temperature change of the combustion catalyst 8a. Specifically, when the temperature of the combustion catalyst 8a becomes a temperature exceeding a predetermined first temperature (for example, 340 ° C.), the control device 13 determines that “misfired” in the combustion region 10 The ignition device 11 is operated. Furthermore, the control device 13 sets a condition (hereinafter referred to as “the first condition that the temperature of the combustion catalyst 8 a becomes equal to or lower than a second temperature (for example, 300 ° C.) lower than the first temperature.
  • a predetermined first temperature for example, 340 ° C.
  • first stop control When the condition (1) is satisfied, it is determined in the combustion region 10 that “the engine has been ignited”, and control for stopping the operation of the ignition device 11 (hereinafter referred to as “first stop control”) is performed. Subsequently, when the control device 13 satisfies a condition (hereinafter, referred to as “second condition”) in which a first predetermined time (for example, 5 minutes) elapses from the operation of the ignition device 11 is satisfied. It is determined that the catalyst temperature has risen due to a factor, and control for stopping the operation of the ignition device 11 (hereinafter referred to as “second stop control”) is performed.
  • second condition a condition in which a first predetermined time (for example, 5 minutes) elapses from the operation of the ignition device 11 is satisfied. It is determined that the catalyst temperature has risen due to a factor, and control for stopping the operation of the ignition device 11 (hereinafter referred to as “second stop control”) is performed.
  • the control device 13 executes the first stop control or the second stop control when the first condition or the second condition is satisfied. As a result, it is possible to suppress the deterioration of the combustion catalyst that is caused by the erroneous determination of the misfire during power generation.
  • control device 13 performs the second stop control described above, and until the second time (for example, 15 minutes) determined in advance from the stop of the operation of the ignition device 11 elapses, It may be controlled not to operate 11.
  • the second time for example, 15 minutes
  • control may be performed to stop the operation of the fuel cell apparatus 100. As a result, it is determined that the temperature of the combustion catalyst 8a has risen due to a factor other than the misfire, and unnecessary ignition can be avoided in the ignition device to suppress the progress of the deterioration of the combustion catalyst 8a.
  • the control device 13 continues the ignition device 11 until a predetermined third time (for example, 3 minutes) shorter than the above-mentioned first time elapses. Control to operate. As a result, it is possible to prevent the occurrence of so-called chattering in which the operation and stop of the ignition device 11 are repeated in a short time, and to suppress the deterioration of the circuit that drives the ignition device 11.
  • a predetermined third time for example, 3 minutes
  • control device 13 controls the operation of the raw fuel supply pump 4a and the air blower 12a as needed when operating the above-mentioned ignition device 11 to set the fuel gas and the oxygen-containing gas in the combustion area 10 May be supplied.
  • the temperature sensor 9 detects the temperature of the combustion catalyst 8a.
  • the detection of the temperature of the combustion catalyst 8a is continuously performed at a predetermined timing (for example, every 3 seconds) and a constant detection time (for example, 1 second).
  • the temperature sensor 9 may detect the temperature of the combustion catalyst 8a as described above, or detect the temperature of the exhaust gas after passing through the combustion catalyst 8a (hereinafter, also referred to as "processed exhaust gas temperature"). You may
  • the exhaust gas processing apparatus is an example of the exhaust gas processing unit, and the catalyst temperature and the processed exhaust gas temperature are examples of the “temperature of exhaust gas in the exhaust gas processing unit”.
  • the heat exchanger 50 in FIG. 1 exchanges heat between the exhaust gas that has passed through the combustion catalyst 8 a and water that is lower in temperature than the exhaust gas, and supplies the water whose temperature has been raised to the water heater. That is, low temperature water flows into the heat exchanger 50 from the water heater through the water supply pipe 51, and the water (hot water) whose temperature has risen by heat exchange with the exhaust gas in the heat exchanger 50 is discharged It returns to the water heater via pipe 52. Then, the exhaust gas whose temperature is lowered by heat exchange with water is exhausted to the outside through the exhaust pipe 53.
  • the amount of inflow of water into the heat exchanger 50 and the amount of drainage are controlled by a water supply pump 51 a provided in the water supply pipe 51 based on an instruction of the control device 13.
  • the water contained in the exhaust gas whose temperature has dropped in the heat exchanger 50 is accumulated in the water tank 55 through the pipe 54 and is supplied to the reformer 6 by the water supply pump 51a controlled by the control device 13. Ru.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the appearance of the cell stack device in the fuel cell device according to the present embodiment.
  • the cell stack device 1 includes a reformer 6 that reforms a fuel gas to generate a reformed gas, a cell stack 18 formed by arranging a plurality of fuel cells 17 and electrically connecting them, and a fuel cell And a manifold 20 for supplying a reformed gas.
  • the reformer 6 performs a reforming reaction with, for example, a natural gas which is a hydrocarbon gas, a raw fuel gas such as methanol, kerosene and the like, and steam, and generates a reformed gas containing hydrogen gas.
  • a reformed gas containing carbon monoxide, carbon dioxide, and hydrogen, and the remaining components methane and steam is obtained.
  • a reforming catalyst is used for the reforming reaction, and it is preferable to use a reforming catalyst excellent in reforming efficiency and durability.
  • a reforming catalyst excellent in reforming efficiency and durability for example, any of porous supports such as ⁇ -alumina, ⁇ -alumina and cordierite
  • a reforming catalyst supporting a noble metal such as Ru or Pt or a base metal such as Ni or Fe can be used.
  • the reformer 6 is provided with a raw fuel gas supply pipe 4 for supplying fuel gas to the inside and a water supply pipe 5 for supplying water to the inside, and a fuel cell 17 (cell stack 18) Are arranged at predetermined intervals above the.
  • the reformed gas generated by the reforming reaction is supplied from the reformer 6 to the manifold 20 through the reformed gas supply pipe 7.
  • the cell stack 18 is configured to be electrically connected in series between the fuel cells 17 via the current collecting member 19 in a state where a plurality of fuel cells 17 having gas flow paths are set up. .
  • the manifold 20 fixes the lower end of the fuel cells 17 constituting the cell stack 18 and supplies the reformed gas generated by the reformer 6 to each fuel cell 17.
  • a current collecting member 19 having a current drawing portion for collecting and drawing out the current generated by the power generation of the fuel cell 17 is disposed.
  • the exhaust gas containing the reformed gas and the oxygen-containing gas not used in the fuel cell 17 is burned. Ru.
  • an ignition device 11 is provided in the combustion area 10.
  • the internal temperature of the reformer 6 can be raised by the heat of combustion generated in the combustion region 10, and the reformer 6 can perform the reforming reaction efficiently.
  • the fuel battery cell 17 is a hollow flat plate type having a gas flow path through which reformed gas flows in the longitudinal direction, and a fuel side electrode layer, a solid electrolyte layer and an oxygen side electrode layer are provided in order on the surface of a support. It may be a solid oxide fuel cell.
  • a cylindrical or flat fuel cell may be used as the fuel cell 17.
  • an oxygen-side electrode layer, a solid electrolyte layer, and a fuel-side electrode layer may be sequentially provided on the surface of the support.
  • the solid oxide fuel cell can be
  • the power generation process is a process of generating predetermined power using a fuel cell device, and is a process performed after, for example, a system check process, a start-up process, and a temperature raising process.
  • system check process it is checked whether there is a leak, various sensors, various pumps, batteries, and so on.
  • start-up step ignition is mainly attempted to start combustion in the combustion region 10.
  • temperature raising step the combustion in the combustion region 10 warms up the reformer 6 until the temperature at which the reforming reaction continues.
  • FIG. 3 is a flowchart showing a flow of control related to ignition in the power generation process according to the present embodiment.
  • “0” is set as an initial value of “the number of continuous times n” in second stop control described later.
  • the control device 13 determines that a misfire has occurred in the combustion region 10, and executes operation control.
  • operation control the heater is set to "ON", and ignition to the combustion region 10 is attempted (Yes in S14).
  • the control device 13 waits until the third time (for example, 3 minutes) elapses (Yes in S16). That is, the heater continues to be in the ON state at least during the third time. This prevents so-called chattering in which the heater repeats ON / OFF in a short time.
  • the controller 13 compares the catalyst temperature detected at that time (S18) with the second temperature. If the catalyst temperature is lower than the second temperature (Yes in S20), it can be determined that the misfire state has been eliminated, so the first stop control to set the heater to "OFF" is performed (S22), and the first process (S10) Return to
  • the second stop control is performed to set the heater to "OFF" (S26). That is, when the temperature of the catalyst does not fall even after the first time has elapsed, it can be determined that the temperature of the combustion catalyst 8a has risen due to a factor other than the misfire. In this case, since the catalyst temperature does not fall below the second temperature even if the heater is kept ON, the heater is turned OFF. Thereby, the rise of the module temperature can be suppressed, and the deterioration of the combustion catalyst can be suppressed.
  • control device 13 executes the second stop control described above “predetermined n times” (Yes in S30), it determines “system error” and stops the main power generation. That is, when the temperature of the combustion catalyst 8a rises due to a factor other than the misfire and the condition is not canceled, there is a high possibility that the temperature of the combustion catalyst 8a will not decrease even if the operation control is performed. Therefore, by stopping the power generation, unnecessary ignition of the ignition device 11 is avoided to prevent the progress of the deterioration of the combustion catalyst 8a.
  • control device 13 and the storage device 14 of the fuel cell device 100 shown in FIG. 1 can also be realized as a configuration having the fuel cell device 100 outside.
  • the present invention can be realized as a control method including a characteristic control step in the control device according to the present disclosure, or as a control program for causing a computer to execute the above step.
  • the cell stack apparatus 1 is not limited to SOFC, For example, a polymer electrolyte fuel cell (Polymer Electrolyte Fuel Cell (PEFC)), a phosphoric acid fuel cell (Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC)), and a molten carbonate
  • the fuel cell may be a fuel cell such as a fuel cell (Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)).
  • the cell stack device 1 may not be included in the same housing as the reformer 6, that is, the reformer may not be warmed up by the combustion of the exhaust gas.

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Abstract

本開示に係る燃料電池装置は、燃料電池と、着火装置と、制御装置と、排ガスを燃焼する触媒が充填された排ガス処理部と、を備える。制御装置は、排ガス処理部における排ガスの温度が予め決められた第１温度以上となった場合に着火装置を作動させる稼動制御を実行可能であるとともに、着火装置の作動中に排ガス処理部における排ガスの温度が予め決められた、第１温度より低温の第２温度以下となる第１条件を満たしたとき着火装置の作動を停止させる第１停止制御、及び着火装置の作動から予め決められた第１時間が経過する第２条件を満たしたとき着火装置の作動を停止させる第２停止制御、を実行可能であり、稼動制御を実行した後、第１条件又は第２条件が満たされた場合に、第１停止制御又は第２停止制御を実行させる。

Description

燃料電池装置、制御装置および制御プログラム
　本発明は、燃料電池装置、制御装置および制御プログラムに関する。
　従来、燃料電池装置においては、発電で使用されなかった燃料ガスを継続して燃焼させることが知られている。ところが、発電量が少ない時間帯では、供給される燃料ガスが小量となることから、上記燃焼が途絶える（失火する）場合が生じ、一酸化炭素等の有害成分の濃度が増大するおそれがある。
　燃料電池装置の発電時に生じる排ガスに対しては、燃焼触媒等によって一酸化炭素等を低減する処理が行われる。失火によって一酸化炭素等の濃度が増大すると、燃焼触媒における反応が活性化して高温となる。そこで、燃焼触媒を通過した後の排ガスの温度（以下、「処理済み排ガス温度」ともいう）を検知し、この温度が所定以上の場合には失火と判定して着火装置を作動させている燃料電池装置が例示されている（例えば、特許文献１を参照）。
特開２０１０－１５３０６４号公報
　本開示の燃料電池装置は、燃料電池と、該燃料電池から排出される排ガスに着火させる着火装置と、該着火装置の作動を制御する制御装置と、前記排ガスの流れ方向において前記着火装置より下流側に位置し、前記排ガスを燃焼する触媒が充填された排ガス処理部と、を備える。前記制御装置は、前記排ガス処理部における前記排ガスの温度が予め決められた第１温度以上となった場合に前記着火装置を作動させる稼動制御を実行可能であるとともに、前記着火装置の作動中に前記排ガス処理部における前記排ガスの温度が予め決められた、前記第１温度より低温の第２温度以下となる第１条件を満たしたとき前記着火装置の作動を停止させる第１停止制御、及び前記着火装置の作動から予め決められた第１時間が経過する第２条件を満たしたとき前記着火装置の作動を停止させる第２停止制御、を実行可能であって、前記稼動制御を実行した後、前記第１条件又は前記第２条件が満たされた場合に、前記第１停止制御又は前記第２停止制御を実行させる。
　本開示の制御装置は、燃料電池を備える一乃至複数の燃料電池装置を制御する。制御装置は、前記燃料電池から排出され、かつ触媒によって燃焼された排ガスの温度が予め決められた第１温度以上となった場合に前記排ガスを着火させる着火制御を実行可能であるとともに、前記着火装置の作動中に前記排ガスの温度が予め決められた前記第２温度以下となる第１条件を満たしたとき前記着火制御を停止させる第１停止制御、及び前記着火装置の作動から予め決められた第１時間が経過したとき前記着火制御を停止させる第２停止制御、を実行可能であって、前記稼動制御を実行させた後、前記第１条件又は前記第２条件が満たされた場合に、前記第１停止制御又は前記第２停止制御を実行する。
　本開示の制御プログラムは、燃料電池を備える燃料電池装置を制御する制御装置に、前記燃料電池から排出され、かつ触媒によって燃焼された排ガスの温度が予め決められた第１温度以上となった場合に前記排ガスを着火させる着火制御を行う着火制御ステップと、前記排ガスの温度が予め決められた、前記第１温度より低温の前記第２温度以下となる第１条件を満たしたとき前記着火制御を停止させる第１停止制御、及び予め決められた第１時間が経過したとき前記着火制御を停止させる第２停止制御、を実行可能であって、前記第１条件又は前記第２条件が満たされた場合に、前記第１停止制御又は前記第２停止制御を行う停止制御ステップと、を実行させる。
　本発明の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。
本開示の実施形態に係る燃料電池装置の一例の構成を示す概略図である。 本実施形態に係る燃料電池装置におけるセルスタック装置の外観を示す斜視図である。 本実施形態に係る発電工程における着火に関する制御の流れを示すフローチャートである。
　以下、本開示に係る燃料電池装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、以下で参照する各図には、本開示に係る燃料電池装置の構成部材のうち、本燃料電池装置の特徴を説明するための主な構成部材を示している。したがって、本燃料電池装置は、各図に示されていない周知の構成部材を備えていてもよい。
　図１は、本開示の実施形態に係る燃料電池装置の一例の構成を示す概略図である。燃料電池装置１００は、発電中に“失火した”とする誤判定に起因する燃焼触媒の劣化を抑制できる装置である。燃料電池装置１００は、主にセルスタック装置１を具備する燃料電池モジュール２２、燃焼触媒８ａを含む排ガス処理部８、温度センサ９、制御装置１３及び記憶装置１４を備えている。
　セルスタック装置１は、改質器６において生成される改質ガスと、空気ブロワ１２ａによって供給される酸素含有ガス（通常は、空気）とを用いて発電を行う燃料電池（セルスタック１８を構成する各燃料電池セル１７）を備える。セルスタック装置１は改質器６を備えていてもよい。改質器６は、原燃料供給用ポンプ４ａから供給される原燃料ガス（以下、単に「燃料ガス」ともいう）と、水供給用ポンプ５ａから供給される水とを用いた改質反応によって、水素を含む改質ガスを生成する。
　燃料電池装置１００は、以下にさらに詳細に述べられるように、種々の機能を実行するための制御及び処理能力を提供するために、少なくとも１つのプロセッサを含む制御装置１３を備える。種々の実施形態によれば、少なくとも１つのプロセッサは、単一の集積回路として、又は複数の通信可能に接続された集積回路及び／若しくはディスクリート回路として実行されてもよい。少なくとも１つのプロセッサは、種々の既知の技術に従って実行されることが可能である。１つの実施形態において、プロセッサは、例えば、関連するメモリに記憶された指示を実行することによって１以上のデータ計算手続又は処理を実行するように構成された１以上の回路又はユニットを含む。他の実施形態において、プロセッサは、１以上のデータ計算手続き又は処理を実行するように構成されたファームウェア（例えば、ディスクリートロジックコンポーネント）であってもよい。種々の実施形態によれば、プロセッサは、１以上のプロセッサ、コントローラ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路、デジタル信号処理装置、プログラマブルロジックデバイス、フィールドプログラマブルゲートアレイ、又はこれらのデバイス若しくは構成の任意の組み合わせ、又は他の既知のデバイス及び構成の組み合わせを含み、以下に説明される機能を実行してもよい。
　制御装置１３は、記憶装置１４と、燃料電池モジュール２２と、原燃料供給用ポンプ４ａと、空気ブロワ１２ａと、水供給用ポンプ５ａと、気温センサ１２と、温度センサ９と、着火装置１１とに接続され、これらの各機能部をはじめとして燃料電池装置１００の全体を制御および管理する。制御装置１３は、記憶装置１４に記憶されているプログラムを取得して、このプログラムを実行することにより、燃料電池装置１００の各部に係る種々の機能を実現する。制御装置１３から他の機能部に制御信号または各種の情報などを送信する場合、制御装置１３と他の機能部とは、有線または無線により接続されていればよい。制御装置１３が行う本実施形態に特徴的な制御については、さらに後述する。また、本実施形態において、制御装置１３は、所定の時間を計測することができるため、着火装置１１を作動させる時間等を算出することもできる。
　記憶装置１４は、プログラム及びデータを記憶できる。記憶装置１４は、処理結果を一時的に記憶する作業領域として利用してもよい。記憶装置１４は、記録媒体を含む。記録媒体は、半導体記憶媒体、及び磁気記憶媒体等の任意の非一過的（ｎｏｎ－ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ）な記憶媒体を含んでよい。記憶装置１４は、複数の種類の記憶媒体を含んでよい。記憶装置１４は、メモリカード、光ディスク、又は光磁気ディスク等の可搬の記憶媒体と、記憶媒体の読み取り装置との組合せを含んでよい。記憶装置１４は、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の一時的な記憶領域として利用される記憶デバイスを含んでよい。
　セルスタック装置１は着火装置１１を備える。着火装置（以下、「ヒータ」という場合もある）１１は、燃料電池セル１７から排出される排ガスに着火する装置である。着火装置１１は、例えばセラミックからなる発熱体を有しており、その発熱を燃焼の着火源とするものである。この場合、発熱体は１０００℃程度の高温になり、着火源として十分機能する。さらに、着火装置１１は、Ｗ、Ｍｏ等からなる発熱体を、アルミナ、炭化珪素、窒化珪素等のセラミックで被覆して構成されていてもよい。なお、着火装置１１は、従来公知のものを使用することができ、上記以外にバーナー等を用いることができる。
　より詳細には、着火装置１１は、燃料電池装置１００における発電時に、何らかの原因で失火した際に燃焼領域１０における燃焼を再開させるための高温物または火花等を提供するための装置である。ここで、燃焼領域１０は、セルスタック１８と改質器６との間にある領域であって、燃料電池セル１７において燃焼に使用されなかった燃料ガスを燃焼させる領域である。
　燃焼領域１０において失火すると、不完全燃焼となって一酸化炭素等の有害成分が発生する。燃焼触媒８ａは、例えば一酸化炭素に対しては、火炎燃焼ではなく酸化反応によって二酸化炭素に変化させる。この酸化反応は発熱を伴うため、燃焼触媒８ａは、例えば３４０℃以上の高温になる。この状況下で燃焼領域１０に着火すると、一酸化炭素等が減少し、燃焼触媒８ａにおける酸化反応も沈静化するので、燃焼触媒８ａの温度（以下、「触媒温度」ともいう）は、例えば３００℃以下に低下する。なお、上記の各触媒温度は、燃焼触媒８ａの組成、燃料電池モジュール２２の構造等によって変動する。
　燃焼触媒８ａは、燃料電池モジュール２２内を流過する排ガスの流れ方向において、着火装置１１より下流側に位置し、排ガスを触媒燃焼させる。なお、燃焼触媒８ａは、公知の組成の燃焼触媒を用いることができ、燃焼触媒を収納容器に充填した排ガス処理装置として実現してもよい。
　制御装置１３は、燃焼触媒８ａに関する上記の温度変化を利用して、着火装置１１の作動を制御する。具体的には、制御装置１３は、燃焼触媒８ａの温度が予め決められた第１温度（例えば、３４０℃）を超える温度となった場合に、燃焼領域１０において“失火した”と判定して着火装置１１を作動させる。さらに、制御装置１３は、着火装置１１の作動中に燃焼触媒８ａの温度が予め決められた、第１温度より低温の第２温度（例えば、３００℃）以下となる条件（以下、「第１条件」という）を満たしたとき、燃焼領域１０において“着火した”と判定して着火装置１１の作動を停止させる制御（以下、「第１停止制御」という）を行う。続いて制御装置１３は、着火装置１１の作動から予め決められた第１時間（例えば、５分間）が経過する条件（以下、「第２条件」という）を満たしたときは、“失火以外の要因で触媒温度が上昇した”と判定して着火装置１１の作動を停止させる制御（以下、「第２停止制御」という）を行う。このように、制御装置１３は、着火装置１１を稼動させた後、上記の第１条件又は第２条件が満たされた場合に、第１停止制御又は第２停止制御を実行する。これにより、発電中の失火についての誤判定に起因する燃焼触媒の劣化を抑制することができる。
　さらに、制御装置１３は、上記の第２停止制御を実行した場合であって、着火装置１１の作動の停止から予め決められた第２時間（例えば、１５分間）が経過するまでは、着火装置１１の稼動は行わないよう制御してもよい。これにより、単にモジュール内の温度が高いことにより、燃焼触媒８ａ周辺の温度が高くなっている場合においては、所定時間着火装置の作動を停止させることにより燃焼触媒８ａ周辺の温度を第１温度より低くできる可能性を高めることができ、誤った失火判定がされることを抑制できる。
　上記の第２停止制御を実行する回数が予め決められた回数（例えば、３回）以上である場合には、燃料電池装置１００の運転を停止させるように制御してもよい。これにより、燃焼触媒８ａは失火以外の要因で温度が上昇したと判断し、着火装置について不要な点火を回避して、燃焼触媒８ａの劣化が進展してしまうことを抑制できる。
　さらにまた、制御装置１３は、着火装置１１を作動させた後、上記の第１時間より短い予め決められた第３時間（例えば、３分間）が経過するまでは、着火装置１１を継続して作動させるように制御する。これにより、短時間で着火装置１１の作動と停止が繰り返される、いわゆるチャタリングの発生を防止し、着火装置１１を駆動する回路の劣化を抑制することができる。
　さらに、制御装置１３は、上記の着火装置１１を作動させる際に、必要に応じて、原燃料供給用ポンプ４ａ及び空気ブロワ１２ａの動作を制御して、燃焼領域１０に燃料ガス及び酸素含有ガスを供給してもよい。
　温度センサ９は、燃焼触媒８ａの温度を検知する。なお、燃焼触媒８ａの温度の検知は、予め決められたタイミング（例えば、３秒間隔毎）及び一定の検知時間（例えば、１秒間）、継続して実施する。
　さらに、温度センサ９は、上記のように燃焼触媒８ａの温度を検知してもよいし、燃焼触媒８ａを通過した後の排ガスの温度（以下、「処理済み排ガス温度」ともいう。）を検知してもよい。なお、排ガス処理装置は、排ガス処理部の一例であり、触媒温度、処理済み排ガス温度は、「排ガス処理部における排ガスの温度」の一例である。
　ここで、図１における熱交換器５０は、燃焼触媒８ａを通過した排ガスと、この排ガスよりも低温の水とを熱交換させ、温度を上昇させた水を給湯器に供給する。すなわち、熱交換器５０には、給湯器から水供給管５１を介して低温の水が流入し、熱交換器５０内で排ガスとの熱交換により温度が上昇した水（湯）を、水排出管５２を介して給湯器に戻す。そして、水との熱交換により温度が低下した排ガスは、排気管５３を介して外部に排気される。熱交換器５０への水の流入量、排水量は、制御装置１３の指示に基づいて、水供給管５１に設けられた水供給用ポンプ５１ａによって制御される。
　さらに、熱交換器５０内で温度が低下した排ガスに含まれる水分は、配管５４を介して水タンク５５に蓄積され、制御装置１３が制御する水供給用ポンプ５１ａによって改質器６に供給される。
　図２は、本実施形態に係る燃料電池装置におけるセルスタック装置の外観を示す斜視図である。セルスタック装置１は、燃料ガスを改質して改質ガスを生成する改質器６と、燃料電池セル１７を複数個配列して電気的に接続してなるセルスタック１８と、燃料電池セル１７に改質ガスを供給するためのマニホールド２０とを備える。
　改質器６は、例えば、炭化水素ガスである天然ガス、メタノール、灯油などの原燃料ガスと水蒸気とにより改質反応させて水素ガスを含む改質ガスを生成する。改質反応では、一酸化炭素、二酸化炭素、及び水素と、残存成分であるメタン及び水蒸気とを含んだ改質ガスが得られる。
　改質反応には改質触媒が用いられ、改質効率や耐久性に優れた改質触媒を用いることが好ましく、例えば、γ－アルミナ、α－アルミナ及びコージェライトなどの多孔質担体のいずれか一種に、Ｒｕ、Ｐｔなどの貴金属やＮｉ、Ｆｅなどの卑金属を担持させた改質触媒を用いることができる。
　改質器６には、燃料ガスを内部に供給するための原燃料ガス供給管４と、水を内部に供給するための水供給管５とが設けられ、燃料電池セル１７（セルスタック１８）の上方に所定の間隔をあけて配置される。改質反応によって発生した改質ガスは、改質器６から改質ガス供給管７を通ってマニホールド２０へと供給される。
　セルスタック１８は、内部にガス流路を有する燃料電池セル１７を複数個立設させた状態で、燃料電池セル１７間に集電部材１９を介して電気的に直列に接続して構成される。
　マニホールド２０は、セルスタック１８を構成する燃料電池セル１７の下端を固定するとともに、各燃料電池セル１７に、改質器６で生成された改質ガスを供給する。
　セルスタック１８の両端部側には、燃料電池セル１７の発電により生じた電流を収集して外部に引き出すための、電流引き出し部を有する集電部材１９が配置されている。
　また、燃料電池セル１７の上方で、燃料電池セル１７と改質器６との間の燃焼領域１０では、燃料電池セル１７で使用されなかった改質ガス及び酸素含有ガスを含む排ガスが燃焼される。燃焼領域１０には、着火装置１１が設けられている。
　燃焼領域１０で発生した燃焼熱によって改質器６の内部温度を上昇させることができ、改質器６にて効率よく改質反応を行うことができる。
　燃料電池セル１７としては、内部を改質ガスが長手方向に流通するガス流路を有する中空平板型で、支持体の表面に、燃料側電極層、固体電解質層及び酸素側電極層を順に設けてなる固体酸化物形燃料電池セルであってもよい。
　なお、燃料電池セル１７は、上記以外に例えば円筒状、平板状の燃料電池セルを用いることもでき、また支持体の表面に酸素側電極層、固体電解質層及び燃料側電極層を順に設けてなる固体酸化物形燃料電池セルとすることもできる。
　次に、燃料電池装置の発電工程における着火に関する制御について具体的に説明する。なお、発電工程は、燃料電池装置を用いて予め決められた電力を生成する工程であり、例えば、システムチェック工程、起動工程および昇温工程を経た後に実施される工程である。システムチェック工程では、漏電の有無、各種センサ、各種ポンプ及びバッテリ等について異常の有無などの確認を行う。起動工程では、主に燃焼領域１０における燃焼を開始するための着火を試行する。昇温工程では、燃焼領域１０の燃焼によって、改質反応が継続する温度になるまで改質器６内の暖機を行う。
　図３は、本実施形態に係る発電工程における着火に関する制御の流れを示すフローチャートである。なお、発電工程への移行時には、後述の第２停止制御の「連続回数ｎ」は、初期値として「０」が設定されている。
　まず、制御装置１３は、温度センサ９によって検知（Ｓ１０）された触媒温度が第１温度より高い場合は（Ｓ１２でＹｅｓ）、燃焼領域１０で失火が生じたと判断し、稼動制御を実行する。稼動制御では、ヒータを“ＯＮ”に設定し、燃焼領域１０への着火を試みる（Ｓ１４でＹｅｓ）。
　その後、制御装置１３は、第３時間（例えば、３分間）が経過するまで待つ（Ｓ１６でＹｅｓ）。つまり、最低でもこの第３時間の間は、ヒータはＯＮの状態が継続される。これにより、ヒータが短時間でＯＮ／ＯＦＦを繰り返してしまう、いわゆるチャタリングを防止している。第３時間が経過すると、制御装置１３は、その時点で検知（Ｓ１８）された触媒温度と第２温度とを比較する。触媒温度が第２温度以下の場合は（Ｓ２０でＹｅｓ）、失火状態が解消したと判断できるため、ヒータを“ＯＦＦ”に設定する第１停止制御を行い（Ｓ２２）、最初の処理（Ｓ１０）に戻る。
　ここで、触媒温度が第２温度よりも高い場合は（Ｓ２０でＮｏ）、第１時間（例えば、上記ヒータ“ＯＮ”から５分間）が経過したか否かを判定する（Ｓ２４）。第１時間が経過していなければ（Ｓ２４でＮｏ）、再度触媒温度を検知して第２温度との比較を行う（Ｓ１８、Ｓ２０）。第１時間が経過する途中（Ｓ１８～Ｓ２４）で、触媒温度が第２温度以下になった場合は（Ｓ２０でＹｅｓ）、上記と同様に、ヒータを“ＯＦＦ”に設定して第１停止制御を行い（Ｓ２２）、最初の処理（Ｓ１０）に戻る。
　一方、触媒温度が第２温度より高いまま第１時間が経過した場合は（Ｓ２４でＹｅｓ）、ヒータを“ＯＦＦ”に設定する第２停止制御を行う（Ｓ２６）。つまり、第１時間が経過しても触媒の温度が下がらないときは、“失火以外の要因で燃焼触媒８ａの温度が上昇した”との判断ができる。この場合、これ以上ヒータをＯＮし続けても触媒温度は第２温度以下にはならないため、ヒータをＯＦＦにする。これにより、モジュール温度の上昇を抑え、燃焼触媒の劣化を抑制することができる。
　第２停止制御の実行後は、第２停止制御の連続回数に１を加え（Ｓ２８）、連続回数が所定回数ｎ回（例えば３回）に達したか否かを判定する（Ｓ３０）。第２停止制御の連続回数がまだｎ回に至っていない場合は（Ｓ３０でＮｏ）、第２時間（例えば、１５分間）経過後（Ｓ３２でＹｅｓ）、最初の処理（Ｓ１０）に戻る。この第２時間は、ヒータ“ＯＦＦ”後、ヒータによって上昇したモジュールの温度が燃焼触媒８ａに影響ない温度に下がるまでの所要時間である。なお、上記の第２時間が経過するまでの間に、“失火以外で、触媒温度が上昇した要因”を判定する処理を、別途実行することとしてもよい。
　そして、制御装置１３は、上記の第２停止制御を、予め決められた「連続ｎ回」実行した場合は（Ｓ３０でＹｅｓ）、“システムエラー”と判断し、本発電を停止する。つまり、失火以外の要因で燃焼触媒８ａの温度が上昇し、その状態が解消されない場合、稼動制御を実行しても燃焼触媒８ａの温度が低下しない可能性が高い。そこで、発電を停止することにより、着火装置１１について不要な点火を回避して、燃焼触媒８ａの劣化が進展してしまうことを防止する。
　なお、図１に示す燃料電池装置１００の制御装置１３および記憶装置１４を燃料電池装置１００の外部に有する構成として実現することもできる。
　さらに、本開示に係る制御装置における特徴的な制御工程を含む制御方法として実現したり、上記工程をコンピュータに実行させるための制御プログラムとして実現したりすることも可能である。
　なお、セルスタック装置１は、ＳＯＦＣに限定されず、例えば固体高分子形燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell（ＰＥＦＣ））、リン酸形燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell（ＰＡＦＣ））、および溶融炭酸塩形燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell（ＭＣＦＣ））などのような燃料電池で構成してもよい。また、セルスタック装置１は、改質器６と同じ筺体内に含まれなくてもよく、すなわち、排ガスの燃焼により改質器を暖機させなくともよい。
　以上、実施形態について詳細に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更、組合せ及び改良等が可能である。
　本開示は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できる。したがって、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本発明の範囲は特許請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、特許請求の範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のものである。
　１　　　セルスタック装置
　４　　　原燃料ガス供給管
　４ａ　　原燃料供給用ポンプ
　５　　　水供給管
　５ａ　　水供給用ポンプ
　８　　　排ガス処理部
　８ａ　　燃焼触媒
　９　　　温度センサ
　１０　　燃焼領域
　１１　　着火装置
　１３　　制御装置
　１７　　燃料電池セル
　１８　　セルスタック
　２２　　燃料電池モジュール
　１００　燃料電池装置

Claims (6)

  1. 　燃料電池と、
    　該燃料電池から排出される排ガスに着火させる着火装置と、
    　該着火装置の作動を制御する制御装置と、
    　前記排ガスの流れ方向において前記着火装置より下流側に位置し、前記排ガスを燃焼する触媒が充填された排ガス処理部と、を備え、
    　前記制御装置は、
    　　前記排ガス処理部における前記排ガスの温度が予め決められた第１温度以上となった場合に前記着火装置を作動させる稼動制御を実行可能であるとともに、
    　　前記着火装置の作動中に前記排ガス処理部における前記排ガスの温度が予め決められた、前記第１温度より低温の第２温度以下となる第１条件を満たしたとき前記着火装置の作動を停止させる第１停止制御、及び前記着火装置の作動から予め決められた第１時間が経過する第２条件を満たしたとき前記着火装置の作動を停止させる第２停止制御、を実行可能であって、
    　　前記稼動制御を実行した後、前記第１条件又は前記第２条件が満たされた場合に、前記第１停止制御又は前記第２停止制御を実行させる燃料電池装置。
  2. 　前記制御装置は、前記第２停止制御を実行した場合であって、予め決められた第２時間が経過するまでは前記稼動制御を実行しない請求項１に記載の燃料電池装置。
  3. 　前記制御装置は、前記第２停止制御の実行回数が予め決められた回数以上である場合に前記燃料電池装置の運転を停止させる請求項２に記載の燃料電池装置。
  4. 　前記制御装置は、前記着火装置を作動させた後、前記第１時間より短い予め決められた第３時間が経過するまでは前記着火装置を継続して作動させる請求項１～３のうち何れか１つに記載の燃料電池装置。
  5. 　燃料電池を備える一乃至複数の燃料電池装置を制御する制御装置であって、
    　前記燃料電池から排出され、かつ触媒によって燃焼された排ガスの温度が予め決められた第１温度以上となった場合に前記排ガスを着火させる着火制御を実行可能であるとともに、前記着火装置の作動中に前記排ガスの温度が予め決められた前記第２温度以下となる第１条件を満たしたとき前記着火制御を停止させる第１停止制御、及び前記着火装置の作動から予め決められた第１時間が経過したとき前記着火制御を停止させる第２停止制御、を実行可能であって、前記稼動制御を実行させた後、前記第１条件又は前記第２条件が満たされた場合に、前記第１停止制御又は前記第２停止制御を実行する制御装置。
  6. 　燃料電池を備える燃料電池装置を制御する制御装置に、
    　前記燃料電池から排出され、かつ触媒によって燃焼された排ガスの温度が予め決められた第１温度以上となった場合に前記排ガスを着火させる着火制御を行う着火制御ステップと、
    　前記排ガスの温度が予め決められた、前記第１温度より低温の前記第２温度以下となる第１条件を満たしたとき前記着火制御を停止させる第１停止制御、及び予め決められた第１時間が経過したとき前記着火制御を停止させる第２停止制御、を実行可能であって、前記第１条件又は前記第２条件が満たされた場合に、前記第１停止制御又は前記第２停止制御を行う停止制御ステップと、を実行させる制御プログラム。
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