(57)【要約】【課題】製品としての寿命の短期化および未燃ガスの外部流出それぞれを抑制しつつ、燃焼器を再着火可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１は、燃料ガスを生成する改質器３４と、固体酸化物型の燃料電池１０と、燃料電池１０から排出される燃料オフガスを酸化剤ガスと混合させて燃焼させる燃焼器７３と、を備える。燃料電池システム１は、改質器３４に燃料を供給する燃料ポンプ３２と、改質器３４で生成された燃料ガスを燃料ポンプ３２の上流側に導く循環配管６０と、循環配管６０に導く燃料ガスの流量を調整する循環調整弁６１と、制御装置１００と、を備える。制御装置１００は、燃料ポンプ３２によって改質器３４に燃料を供給している際に、燃焼器７３の燃焼状態が吹き消え状態になると、循環配管６０に導く燃料ガスの流量が減少するように循環調整弁６１を制御する。【選択図】図１
2020113404.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系の燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器（３４）と、
酸化剤ガスおよび前記改質器で生成された燃料ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する固体酸化物型の燃料電池（１０）と、
前記燃料電池から排出される燃料オフガスを酸化剤ガスと混合させて燃焼させる燃焼器（７３）と、
前記改質器に燃料を供給する燃料ポンプ（３２）と、
前記改質器から前記燃焼器に至る改質ガス経路（３０ｂ、７２）を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスの一部を前記燃料ポンプの上流側に導くガス循環経路（６０、６０Ａ、６０Ｂ）と、
前記改質ガス経路から前記ガス循環経路に導く燃料ガスまたは燃料オフガスの流量を調整する循環調整部（６１）と、
少なくとも前記燃料ポンプおよび前記循環調整部を制御する制御装置（１００）と、を備え、
前記制御装置は、前記燃料ポンプによって前記改質器に燃料を供給している際に、前記燃焼器の燃焼状態が吹き消え状態になると、前記改質ガス経路から前記ガス循環経路に導く燃料ガスまたは燃料オフガスの流量が減少するように前記循環調整部を制御する燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御装置は、前記燃料ポンプによって前記改質器に燃料を供給している際に、前記燃焼器の燃焼状態が吹き消え状態になると、前記改質ガス経路から前記ガス循環経路への燃料ガスまたは燃料オフガスの流れが停止するように前記循環調整部を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記ガス循環経路（６０Ａ、６０Ｂ）は、少なくとも前記燃料電池から排出される燃料オフガスの一部が前記燃料ポンプの上流側に導かれるように、前記改質ガス経路における前記燃料電池と前記燃焼器との間に接続されている請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記ガス循環経路（６０Ｂ）は、前記改質器で生成された燃料ガスおよび前記燃料電池から排出される燃料オフガスそれぞれの一部が前記燃料ポンプの上流側に導かれるように、前記改質ガス経路における前記燃料電池と前記燃焼器との間、および前記改質器と前記燃料電池との間に接続されている請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池から排出された燃料オフガスの一部を前記改質器に導くリサイクル経路（８２）と、
前記リサイクル経路を介して前記改質器に燃料オフガスの一部を供給するエジェクタ（８１）と、を備え、
前記エジェクタは、水蒸気および燃料を噴射するノズル部（８１１）、前記ノズル部の出口側の負圧を利用して燃料オフガスの一部を前記リサイクル経路に吸引する吸引部（８１２）、前記ノズル部から噴射される水蒸気および燃料と前記吸引部から吸引される燃料オフガスとを混合して前記改質器に向けて吐出する吐出部（８１３）を有し、
前記ガス循環経路は、前記改質器で生成された燃料ガスの一部が前記燃料ポンプの上流側に導かれるように、前記改質ガス経路における前記改質器と前記燃料電池との間に接続されている請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃焼器で生成される燃焼ガスが流れる燃焼ガス経路（７５）を備え、
前記制御装置は、前記燃焼ガス経路を流れる燃焼ガスの温度に応じて前記燃焼器の燃焼状態が吹き消え状態であるか否かを判定する請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、固体酸化物型の燃料電池を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池システムは、燃料電池から排出される燃料オフガスを可燃性ガスとして燃焼させる燃焼器を備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１記載の燃料電池システムは、希薄燃焼等によって燃焼器の燃焼状態が吹き消え状態になると、点火ヒータでの点火と燃料電池への燃料の供給量の増加を繰り返す構成になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−１６７７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１の如く、燃焼器の燃焼状態が吹き消え状態になるたびに、点火ヒータでの点火と燃料電池への燃料の供給量の増加を繰り返すと、点火ヒータの使用頻度が増加することで、製品としての寿命が短くなってしまう可能性がある。また、燃焼器が再着火するまで、外部からの燃料の供給量が増加し続けるので、未燃ガスが外部に流出してしまうことが懸念される。
【０００５】
本開示は、製品としての寿命の短期化および未燃ガスの外部流出それぞれを抑制しつつ、燃焼器を再着火可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明は、
燃料電池システムであって、
炭化水素系の燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器（３４）と、
酸化剤ガスおよび改質器で生成された燃料ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する固体酸化物型の燃料電池（１０）と、
燃料電池から排出される燃料オフガスを酸化剤ガスと混合させて燃焼させる燃焼器（７３）と、
改質器に燃料を供給する燃料ポンプ（３２）と、
改質器から燃焼器に至る改質ガス経路（３０ｂ、７２）を流れる燃料ガスまたは燃料オフガスの一部を燃料ポンプの上流側に導くガス循環経路（６０、６０Ａ、６０Ｂ）と、
改質ガス経路からガス循環経路に導く燃料ガスまたは燃料オフガスの流量を調整する循環調整部（６１）と、
少なくとも燃料ポンプおよび循環調整部を制御する制御装置（１００）と、を備え、
制御装置は、燃料ポンプによって改質器に燃料を供給している際に、燃焼器の燃焼状態が吹き消え状態になると、改質ガス経路からガス循環経路に導く燃料ガスまたは燃料オフガスの流量が減少するように循環調整部を制御する。
【０００７】
このように、燃焼器の燃焼状態が吹き消え状態になると、ガス循環経路に導く燃料ガスまたは燃料オフガスの流量を減少させる構成とすれば、外部からの燃料の供給量を増加させずに、燃焼器に供給される燃料オフガスの供給量を増加させることができる。
【０００８】
ここで、燃焼器は、燃焼状態が吹き消え状態になった後も或る程度高温の状態が維持される。このため、燃焼器の燃焼状態が吹き消え状態になった後に、燃焼器に未反応ガスが多く含まれる燃料オフガスを流入させて燃料リッチな状態とすれば、燃料オフガスを自然着火（すなわち、圧縮着火）させることができる。
【０００９】
このように、本開示の燃料電池システムは、外部からの燃料の供給量を増加させることなく、燃料オフガスの自然発火によって燃焼器を再着火させる構成となっている。これによると、製品としての寿命の短期化および未燃ガスの外部流出それぞれを抑制しつつ、燃焼器を再着火させることが可能となる。
【００１０】
なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】第１実施形態の燃料電池システムの制御装置を示す模式図である。
【図３】第１実施形態の燃料電池システムの制御装置が実行する制御処理の一例を示すフローチャートである。
【図４】第１実施形態の燃料電池システムの制御装置が実行する失火対策処理の一例を示すフローチャートである。
【図５】第１実施形態の燃料電池システムの作動を説明するための説明図である。
【図６】第２実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。
【図７】第３実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。
【図８】第４実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。
【図９】第５実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態において、先行する実施形態で説明した事項と同一もしくは均等である部分には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、実施形態において、構成要素の一部だけを説明している場合、構成要素の他の部分に関しては、先行する実施形態において説明した構成要素を適用することができる。以下の実施形態は、特に組み合わせに支障が生じない範囲であれば、特に明示していない場合であっても、各実施形態同士を部分的に組み合わせることができる。
【００１３】
（第１実施形態）
本実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。図１に示すように、燃料電池システム１は、作動温度が高温（例えば、５００℃〜１０００℃）となる固体酸化物型の燃料電池（すなわち、ＳＯＦＣ）１０を備えている。
【００１４】
燃料電池１０は、燃料ガスおよび酸化剤ガス（本例では空気）の電気化学反応により電気エネルギを出力する複数の発電セルを積層したスタック構造を有している。なお、発電セルの形状は、平板型および円筒型のいずれであってもよい。
【００１５】
図示しないが発電セルは、固体酸化物電解質、空気極（すなわち、カソード）、燃料極（すなわち、アノード）を含んで構成されている。本実施形態の発電セルは、炭化水素系の燃料である都市ガス（すなわち、メタンを主成分とするガス）を改質して生成される水素および一酸化炭素を燃料ガスとしている。なお、使用する燃料は、炭化水素系の燃料であれば、都市ガス以外のガスが採用されていてもよい。
【００１６】
燃料電池１０は、以下の反応式Ｆ１、Ｆ２に示す水素および酸素の電気化学反応により電気エネルギを出力する。
【００１７】
（燃料極）２Ｈ２＋２Ｏ２−→２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−  …（Ｆ１）
（空気極）Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−  …（Ｆ２）
また、燃料電池１０は、以下の反応式Ｆ３、Ｆ４に示す一酸化炭素および酸素の電気化学反応により電気エネルギを出力する。
【００１８】
（燃料極）２ＣＯ＋２Ｏ２−→２ＣＯ２＋４ｅ−  …（Ｆ３）
（空気極）Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−  …（Ｆ４）
燃料電池１０は、後述する空気予熱器２２、改質器３４等とともに断熱性を有するハウジングの内側に配置されている。図示しないが、燃料電池１０は、その起動時に後述する燃焼器７３によって暖機されるようにハウジングの内側に配置されている。
【００１９】
燃料電池１０には、その温度を検出する電池温度センサ１１が設置されている。電池温度センサ１１は、電池温度センサ１１は、燃料電池１０の表面温度を検出する温度センサである。なお、電池温度センサ１１は、燃料電池１０を通過した後の流体の温度を検出する温度センサで構成されていてもよい。
【００２０】
燃料電池１０は、空気入口部１０ａに、空気の流通経路である空気配管２０が接続されている。空気配管２０には、燃料電池１０に空気を圧送する圧送ブロワ２１、燃料電池１０に供給する空気を加熱する空気予熱器２２が設けられている。
【００２１】
圧送ブロワ２１は、大気中の空気を吸い込んで燃料電池１０に供給するブロワである。圧送ブロワ２１は、後述する制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電動式のブロワで構成されている。
【００２２】
空気予熱器２２は、圧送ブロワ２１から圧送された空気を後述する燃焼器７３で生成された燃焼ガスと熱交換させて加熱するものである。空気予熱器２２は、燃料電池１０に供給する空気と燃料ガスとの温度差を縮小して、燃料電池１０の発電効率の向上を図るために設けられている。
【００２３】
一方、燃料電池１０は、燃料入口部１０ｂに、燃料や燃料ガスの流通経路である燃料配管３０が接続されている。燃料配管３０には、上流側から順に、燃料開閉弁３１、燃料ポンプ３２、脱硫器３３、改質器３４が設けられている。
【００２４】
燃料開閉弁３１は、燃料配管３０のうち改質器３４へ燃料を供給するための上流側燃料経路３０ａを開閉するものである。燃料開閉弁３１は、後述する制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電磁弁で構成されている。なお、上流側燃料経路３０ａは、燃料配管３０のうち後述する燃料バイパス配管５０との接続部から改質器３４の燃料入口に至る経路である。
【００２５】
燃料ポンプ３２は、燃料電池１０側に向けて燃料を供給するためのポンプである。燃料ポンプ３２は、後述する制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電動ポンプで構成されている。
【００２６】
脱硫器３３は、燃料に含まれる硫黄分を除去する機器である。脱硫器３３は、水素を利用して燃料に含まれる硫黄分を除去する機器（すなわち、水添脱硫方式の脱硫器）で構成されている。
【００２７】
改質器３４は、水蒸気を用いて燃料ポンプ３２から供給された燃料を改質して燃料ガスを生成するものである。改質器３４は、例えば、ニッケルを含む水蒸気改質触媒、反応器を含んで構成されている。
【００２８】
ここで、改質器３４としては、部分酸化改質反応により燃料ガスを生成する構成とすることが考えられるが、改質器３４の構成機器に温度耐久性等が要求され、非常に高価になってしまう。このため、本実施形態では、改質器３４として、部分酸化改質反応ではなく水蒸気改質反応により燃料ガスを生成するものを採用している。
【００２９】
具体的には、改質器３４は、燃料および水蒸気を混合した混合ガスを燃焼ガスと熱交換させて加熱するとともに、以下の反応式Ｆ５に示す改質反応、および反応式Ｆ６に示すシフト反応により燃料ガス（水素、一酸化炭素）を生成する。
【００３０】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２  …（Ｆ５）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２  …（Ｆ６）
ここで、改質器３４における水蒸気改質は吸熱反応であり、高温となる条件下にて改質率が向上する特性を有している。このため、改質器３４は、燃料電池１０の発電時に周囲に放出される熱（放射熱）を吸熱できるように、燃料電池１０の周囲に配設されていることが望ましい。
【００３１】
改質器３４には、改質器３４の温度を検出するための改質温度センサ３５が設置されている。改質温度センサ３５は、改質器３４の表面温度を検出する温度センサである。なお、改質温度センサ３５は、改質器３４を通過した後の流体の温度を検出する温度センサで構成されていてもよい。
【００３２】
燃料配管３０には、脱硫器３３と改質器３４との間に水供給配管４０が接続されている。水供給配管４０には、水ポンプ４１、改質器３４へ供給する水蒸気を生成する気化器４２が設けられている。
【００３３】
水ポンプ４１は、気化器４２を介して改質器３４側に水蒸気を供給するポンプである。水ポンプ４１は、後述する制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電動ポンプで構成されている。本実施形態では、水ポンプ４１が気化器４２への水の供給量を調整する水量調整部を構成する。
【００３４】
気化器４２は、燃焼ガスによって昇温するように構成されている。具体的には、気化器４２は、水ポンプ４１から供給される水を燃焼ガスと熱交換させて蒸発させる蒸発器で構成されている。
【００３５】
図示しないが、気化器４２には、気化器４２の表面温度を検出するための気化温度センサが設置されている。なお、気化温度センサは、気化器４２を通過した後の流体の温度を検出する温度センサで構成されていてもよい。
【００３６】
また、燃料配管３０には、燃料開閉弁３１の上流側に燃料バイパス配管５０が接続されている。燃料バイパス配管５０は、燃料電池１０の起動時に、改質器３４を介さずに後述する燃焼器７３へ燃料を供給する燃料バイパス経路である。
【００３７】
燃料バイパス配管５０には、燃料を後述する燃焼器７３に流すためのバイパスポンプ５１が設けられている。バイパスポンプ５１は、後述する制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電動ポンプで構成されている。
【００３８】
さらに、燃料配管３０には、改質器３４で生成された燃料ガスまたは燃料電池１０から排出された燃料オフガスの一部を燃料ポンプ３２の上流側に戻すガス循環経路を構成する循環配管６０が接続されている。本実施形態では、燃料配管３０において改質器３４と燃料電池１０とを接続する下流側燃料経路３０ｂ、および後述する燃料排出配管７２が、改質器３４から後述する燃焼器７３に至る改質ガス経路を構成する。
【００３９】
本実施形態の循環配管６０は、改質器３４で生成された燃料ガスの一部が燃料ポンプ３２の上流側に戻るように、一端側が下流側燃料経路３０ｂに接続され、他端側が上流側燃料経路３０ａにおける燃料開閉弁３１と燃料ポンプ３２との間に接続されている。
【００４０】
改質器３４で生成された燃料ガスの一部は、循環配管６０を介して燃料ポンプ３２の上流側に戻される。これにより、水素を含む燃料ガスが燃料ポンプ３２の下流側の脱硫器３３に供給されるので、燃料に含まれる硫黄分が脱硫器３３にて除去される。
【００４１】
循環配管６０には、循環調整弁６１が設けられている。循環調整弁６１は、改質器３４の下流側の流体を燃料電池１０側ではなく循環配管６０側に流すためのものである。循環調整弁６１は、後述する制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電磁弁で構成されている。本実施形態では、循環調整弁６１が下流側燃料経路３０ｂから循環配管６０に導く燃料ガスの流量を調整する循環調整部を構成する。
【００４２】
また、燃料電池１０には、燃料電池１０から排出するオフガスが流れるオフガス配管７０が接続されている。具体的には、燃料電池１０には、空気出口部１０ｃに燃料電池１０から排出される酸化剤オフガスが流れる空気排出配管７１が接続され、燃料出口部１０ｄに燃料電池１０から排出される燃料オフガスが流れる燃料排出配管７２が接続されている。
【００４３】
オフガス配管７０には、燃焼器７３が接続されている。燃焼器７３は、燃料または燃料オフガスを燃焼させることで改質器３４等を昇温させる燃焼ガスを生成するものである。燃焼器７３は、例えば、燃料電池１０の発電時に、酸化剤オフガスおよび燃料オフガスを混合した混合ガスを可燃ガスとして燃焼させることで、燃料電池システム１の各機器を昇温させるための燃焼ガスを生成する。
【００４４】
燃焼器７３には、燃料を燃焼させるための点火機器７４が設けられている。点火機器７４は、例えば、点火プラグ、グローヒータで構成される。点火機器７４は、後述する制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電気機器である。燃焼器７３では、点火機器７４の点火によって、燃料の燃焼が開始されて燃焼ガスが生成される。
【００４５】
燃焼器７３には、高温の燃焼ガスを流通させる燃焼ガス配管７５が接続されている。燃焼ガス配管７５は、内部を流れる燃焼ガスの熱を有効活用すべく、上流側から順に、改質器３４、空気予熱器２２、気化器４２といった順に接続されている。なお、燃焼ガスを各機器に流す順序は、各機器にて必要とされる熱量等に応じて変更してもよい。
【００４６】
また、燃焼器７３には、燃焼器７３における燃料オフガスの燃焼状態を検出する火炎検出器７６が設けられている。火炎検出器７６は、火炎の光源を感知する火炎センサ、火炎から放射される赤外線を検知するＩＲセンサ等で構成されている。
【００４７】
次に、燃料電池システム１における電子制御部を構成する制御装置１００について図２を参照して説明する。図２に示す制御装置１００は、プロセッサ、メモリを含む周知のマイクロコンピュータと、その周辺回路で構成されている。制御装置１００は、メモリに記憶された制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行い出力側に接続された各種制御機器の作動を制御する。
【００４８】
制御装置１００の入力側には、電池温度センサ１１、改質温度センサ３５、火炎検出器７６を含む各種センサが接続されており、各種センサの検出結果が制御装置１００に入力されるようになっている。
【００４９】
また、制御装置１００には、操作パネル１０５が接続されている。操作パネル１０５には、燃料電池１０の発電をオンオフするためのスタートスイッチ１０５ａ、燃料電池１０の作動状態を表示するディスプレイ１０５ｂ等が設けられている。
【００５０】
一方、制御装置１００の出力側には、制御機器として、圧送ブロワ２１、燃料開閉弁３１、燃料ポンプ３２、水ポンプ４１、バイパスポンプ５１、循環調整弁６１、燃焼器７３の点火機器７４が接続されている。これら制御機器は、制御装置１００から出力される制御信号に応じて、その作動が制御される。
【００５１】
次に、燃料電池システム１の全体的な作動について、図３のフローチャートを参照して説明する。図３に示す各制御処理は、スタートスイッチ１０５ａがオンされると制御装置１００によって実行される。
【００５２】
スタートスイッチ１０５ａがオンされると、図３に示すように、制御装置１００は、ステップＳ１００にて、燃料電池１０を起動させる起動処理を実行する。制御装置１００は、起動処理として、例えば、暖機処理、水蒸気生成処理、改質処理を順次実行する。
【００５３】
暖機処理は、燃料電池１０を含む各種機器を燃料電池１０の発電等に適した温度まで昇温させる処理である。制御装置１００は、暖機処理時に、上流側燃料経路３０ａが閉鎖されるように燃料開閉弁３１を閉状態に制御するとともに、圧送ブロワ２１およびバイパスポンプ５１を所定の回転数で作動させる。そして、制御装置１００は、燃料電池１０を介さずに燃焼器７３に対して燃料および空気を供給した状態で点火機器７４を点火する。これにより、燃焼器７３では、点火機器７４の点火によって燃料および空気の混合ガスが可燃ガスとして燃焼されることで高温の燃焼ガスが生成される。燃焼器７３で生成された燃焼ガスは、燃焼ガス配管７５を流れる際に改質器３４、空気予熱器２２、気化器４２に放熱する。これにより、改質器３４、空気予熱器２２、気化器４２が昇温する。
【００５４】
水蒸気生成処理は、気化器４２に対して水を供給して気化器４２で水を蒸発させる処理であり、暖機処理によって気化器４２の温度が所定の温度（例えば、１００℃）に達すると制御装置１００により実行される。制御装置１００は、水蒸気生成処理時に、気化器４２に対して水が供給されるように水ポンプ４１を制御する。気化器４２では、水が供給されると、水が蒸発して水蒸気が生成される。
【００５５】
改質処理は、改質器３４にて燃料ガスを生成する処理であり、暖機処理によって改質器３４の温度が所定の温度（例えば、３００℃）に達すると制御装置１００により実行される。制御装置１００は、改質処理時に、燃料が燃料配管３０を介して改質器３４に流れるように、燃料開閉弁３１および燃料ポンプ３２を制御する。
【００５６】
これにより、燃料が上流側燃料経路３０ａを介して改質器３４に供給される。改質器３４では、燃料および水蒸気の混合ガスが供給されると、前述の反応式Ｆ５、Ｆ６に示す反応により燃料ガス（水素、一酸化炭素）が生成される。改質器３４で生成された燃料ガスは、燃料電池１０に供給される。
【００５７】
上述の起動処理によって改質器３４、空気予熱器２２、気化器４２、燃料電池１０等が燃料電池１０の発電に適した温度状態になると、制御装置１００は、ステップＳ１１０にて、発電処理を実行する。制御装置１００は、発電処理時に、燃料電池１０に対して発電に適した量の酸化剤ガスをおよび燃料ガスが供給されるように圧送ブロワ２１、燃料ポンプ３２、水ポンプ４１を制御する。
【００５８】
これにより、改質器３４で生成された燃料ガスが燃料電池１０に供給される。燃料電池１０では、燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギが出力される。そして、燃料電池１０から排出されるオフガスは、可燃ガスとして燃焼器７３で燃焼される。燃焼器７３で生成された燃焼ガスは、燃焼ガス配管７５を流れる際に改質器３４、空気予熱器２２、気化器４２に放熱する。
【００５９】
続いて、制御装置１００は、ステップＳ１２０にて、燃料電池１０の発電を停止するか否かを判定する。具体的には、制御装置１００は、スタートスイッチ１０５ａがオフされたか否かを判定する。
【００６０】
スタートスイッチ１０５ａがオンに維持されている場合、制御装置１００は、発電処理を継続する。また、スタートスイッチ１０５ａがオフされた場合、制御装置１００は、ステップＳ３０にて、停止処理を実行する。この停止処理では、空気の供給量を増加させて燃料電池１０の温度を低下させる降温処理、気化器４２の内部の水分を除去するためのパージ処理等を実行する。
【００６１】
ここで、燃料電池システム１では、燃料電池１０の発熱量増加等によって電池温度が高くなると、圧送ブロワ２１によって空気の供給量を増加させることで、電池温度を低下させることがある。
【００６２】
ところが、燃料電池１０は、圧送ブロワ２１からの空気の供給量を増加させると、電池温度が低下するだけでなく、燃焼器７３が希薄燃焼となることで、燃焼器７３の燃焼状態が吹き消え状態（失火状態）になり易くなってしまう。
【００６３】
この対策として、燃焼器７３の燃焼状態が吹き消え状態になると、点火機器７４での点火と外部からの燃料の供給量の増加を繰り返すことが考えられるが、点火機器７４の使用頻度が増加することで、製品としての寿命が短くなってしまう可能性がある。また、燃焼器７３が再着火するまで、外部からの燃料の供給量が増加し続けるので、未燃ガスが外部に流出してしまうことが懸念される。
【００６４】
これらを加味して、燃料電池システム１は、燃料電池１０が起動してから停止するまでの期間に制御装置１００で失火対策処理を実行する。失火対策処理は、燃焼器７３の吹き消え状態を解消するための処理である。失火対策処理については、図４を参照して説明する。制御装置１００は、所定の周期または不定期に図４に示す失火対策処理を実行する。なお、失火対策処理は、燃焼器７３が利用されている状態で実行される処理であり、燃料電池１０の発電の有無によらない。
【００６５】
図４に示すように、制御装置１００は、ステップＳ２００にて、燃焼器７３の燃焼状態が吹き消え状態であるか否かを判定する。燃焼器７３には、火炎検出器７６が設けられている。このため、制御装置１００は、火炎検出器７６で検出された燃焼器７３の燃焼状態に基づいて燃焼器７３の燃焼状態が吹き消え状態であるか否かを判定する。
【００６６】
この結果、燃焼器７３の燃焼状態が吹き消え状態でない場合、制御装置１００は、失火が生じていない正常状態であると判断して本処理を抜ける。
【００６７】
一方、燃焼器７３の燃焼状態が吹き消え状態である場合、制御装置１００は、ステップＳ２１０に移行する。制御装置１００は、ステップＳ２１０にて、下流側燃料経路３０ｂから循環配管６０に導く燃料ガスの流量が減少するように循環調整弁６１の弁開度を減少させる。例えば、制御装置１００は、図５に示すように、循環調整弁６１が全閉状態に近づくように循環調整弁６１の弁開度を減少させる。
【００６８】
これにより、循環配管６０を流れる燃料ガスの流量が減少する。循環配管６０を流れなくなった燃料ガスは、燃料電池１０を介して燃焼器７３へ流入する。このため、燃焼器７３へのガスの流入量が増加する。
【００６９】
ここで、水素が自然発火する温度（すなわち、発火点）は、燃焼器７３の温度よりも低い５００℃〜６００℃程度である。このため、循環配管６０に導く燃料ガスの流量を減少させて燃焼器７３に対して水素濃度の高い燃料オフガスを供給すれば、点火機器７４による点火ではなく自然発火によって燃焼器７３で燃料オフガスを再着火させることができる。
【００７０】
図４に戻り、制御装置１００は、ステップＳ２１０で循環調整弁６１の弁開度を減少させた後、ステップＳ２２０に移行する。制御装置１００は、ステップＳ２２０にて、燃焼器７３が再着火したか否かを判定する。すなわち、制御装置１００は、燃焼器７３の燃焼状態が着火状態であるか否かを判定する。
【００７１】
この結果、燃焼器７３の燃焼状態が着火状態である場合、制御装置１００は、失火が解消されたと判断し、ステップＳ２３０にて循環調整弁６１の弁開度を増加させた後、本処理を抜ける。なお、ステップＳ２３０の処理では、例えば、ステップＳ２１０で減少させた弁開度分だけ循環調整弁６１の弁開度を増加させる。
【００７２】
一方、燃焼器７３の燃焼状態が着火状態ではなく、吹き消え状態になっている場合、制御装置１００は、ステップＳ２４０に移行する。制御装置１００は、ステップＳ２４０にて、循環調整弁６１の弁開度を減少させてから所定の基準時間が経過したか否かを判定する。
【００７３】
ここで、基準時間は、予め実験やシミュレーションによって設定されるものであり、循環調整弁６１の弁開度を減少させ始めてから燃料オフガスの水素濃度が水素の自然発火に適した濃度となるのに要する時間に設定される。
【００７４】
循環調整弁６１を減少させてから基準時間が経過していない場合、制御装置１００は、ステップＳ２１０に戻って、循環調整弁６１の弁開度の減少を継続させる。なお、循環調整弁６１の弁開度が既に全閉状態になっている場合、制御装置１００は、循環調整弁６１の弁開度を全閉状態に維持する。
【００７５】
一方、循環調整弁６１を減少させてから基準時間が経過している場合、燃焼器７３に何らかの異常が生じていると考えられる。このため、制御装置１００は、ステップＳ２５０にて異常処理を実行する。この異常処理としては、例えば、ユーザや管理者への報知する報知処理、燃料電池システム１を再起動させる再起動処理等が挙げられる。
【００７６】
以上説明した燃料電池システム１は、燃料ポンプ３２によって改質器３４に燃料を供給している際に、燃焼器７３の燃焼状態が吹き消え状態になると、循環配管６０に流れる燃料ガスが減少するように制御装置１００が循環調整弁６１を制御する。
【００７７】
このように、燃焼器７３の燃焼状態が吹き消え状態になった際に、循環配管６０に導く燃料ガスの流量を減少させる構成とすれば、外部からの燃料の供給量を増加させずに、燃焼器７３に供給される燃料オフガスの供給量を増加させることができる。
【００７８】
加えて、燃焼器７３の燃焼状態が吹き消え状態になると、燃焼器７３に未反応ガスが多く含まれる燃料オフガスが流入することで燃焼器７３が燃料リッチな状態となるので、燃焼器７３において燃料オフガスを自然着火（すなわち、圧縮着火）させることができる。
【００７９】
このように、本実施形態の燃料電池システム１は、外部からの燃料の供給量を増加させることなく、燃料オフガスの自然発火によって燃焼器７３を再着火させる構成となっている。これによると、製品としての寿命の短期化および未燃ガスの外部流出を抑制しつつ、燃焼器７３を再着火させることが可能となる。
【００８０】
ここで、燃焼器７３を燃料リッチな状態にする手法としては、例えば、燃料開閉弁３１を閉じ、圧送ブロワ２１およびバイパスポンプ５１を所定の回転数で作動させることが考えられる。
【００８１】
しかしながら、燃料電池１０への燃料ガスの供給量が減少し、燃料電池１０の内部での酸化による劣化が促進され易くなってしまう。このため、燃焼器７３の燃焼状態が吹き消え状態になった際には、循環配管６０に導く燃料ガスの流量を減少させる構成とすることが望ましい。
【００８２】
（第１実施形態の変形例）
上述の第１実施形態では、燃焼器７３の燃焼状態が吹き消え状態になると、循環配管６０に流れる燃料ガスが減少するように制御装置１００が循環調整弁６１を制御する例について説明したが、これに限定されない。
【００８３】
制御装置１００は、燃料ポンプ３２によって改質器３４に燃料を供給している際に、燃焼器７３の燃焼状態が吹き消え状態になると、循環配管６０への燃料ガスの流れが停止するように循環調整弁６１を制御することが望ましい。これによると、燃焼器７３の燃焼状態が吹き消え状態になると、燃焼器７３への燃料オフガスの供給量が瞬間的に増加することになるので、燃焼器７３で燃料オフガスを短時間で自然着火させることが可能となる。
【００８４】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について、図６を参照して説明する。本実施形態では、循環配管６０Ａの接続位置が第１実施形態と相違している。本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について主に説明し、第１実施形態と同様の部分について説明を省略することがある。
【００８５】
図６に示すように、循環配管６０Ａは、燃料電池１０を通過した燃料オフガスの一部が燃料ポンプ３２の上流側に戻るように、燃料電池１０と燃焼器７３との間に接続されている。すなわち、循環配管６０Ａは、一端側が燃料排出配管７２に接続され、他端側が上流側燃料経路３０ａにおける燃料開閉弁３１と燃料ポンプ３２との間に接続されている。
【００８６】
燃料電池１０を通過した燃料オフガスの一部は、循環配管６０Ａを介して燃料ポンプ３２の上流側に戻される。これにより、水素を含む燃料オフガスが燃料ポンプ３２の下流側の脱硫器３３に供給されるので、燃料に含まれる硫黄分が脱硫器３３にて除去される。
【００８７】
その他の構成は、第１実施形態と同様である。本実施形態の燃料電池システム１は、燃料オフガスが燃料ポンプ３２の上流側に導かれるように燃料電池１０の出口側に循環配管６０Ａが接続されている。
【００８８】
このように、循環配管６０Ａが燃料電池１０と燃焼器７３との間に接続される構成とすれば、循環調整弁６１によって燃焼器７３に対する燃料オフガスの供給量を直接的に調整することが可能となる。すなわち、上記構成とすれば、循環配管６０Ａが改質器３４と燃料電池１０との間に接続される場合に比べて、循環調整弁６１によって燃焼器７３に対する燃料オフガスの供給量を調整する際の応答性を向上させることができる。
【００８９】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態について、図７を参照して説明する。本実施形態では、循環配管６０Ｂの接続位置が第１実施形態と相違している。本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について主に説明し、第１実施形態と同様の部分について説明を省略することがある。
【００９０】
図７に示すように、循環配管６０Ｂは、改質器３４で生成された燃料ガスおよび燃料電池１０を通過した燃料オフガスの一部が燃料ポンプ３２の上流側に戻るように、一端側が下流側燃料経路３０ｂおよび燃料排出配管７２それぞれに接続されている。
【００９１】
具体的には、循環配管６０Ｂは、一端側が二股に分岐しており、一方が改質器３４と燃料電池１０との間に接続され、他方側が燃料電池１０と燃焼器７３との間に接続されている。なお、循環配管６０Ｂは、他端側が上流側燃料経路３０ａにおける燃料開閉弁３１と燃料ポンプ３２との間に接続されている。
【００９２】
その他の構成は、第１実施形態と同様である。本実施形態の燃料電池システム１は、循環配管６０Ｂが下流側燃料経路３０ｂおよび燃料排出配管７２それぞれに接続されている。これによれば、第２実施形態と同様に、循環調整弁６１によって燃焼器７３に対する燃料オフガスの供給量を直接的に調整することが可能となる。このため、循環調整弁６１によって燃焼器７３に対する燃料オフガスの供給量を調整する際の応答性を向上させることができる。
【００９３】
（第４実施形態）
次に、第４実施形態について、図８を参照して説明する。本実施形態では、燃料配管３０に対してエジェクタ８１が設けられている点が第１実施形態と相違している。本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について主に説明し、第１実施形態と同様の部分について説明を省略することがある。
【００９４】
図８に示すように、燃料配管３０には、脱硫器３３と改質器３４との間にエジェクタ８１が設けられている。エジェクタ８１は、流体を噴射するノズル部８１１、燃料電池１０の出口側から流体を吸引する吸引部８１２、ノズル部８１１から噴射される流体と吸引部８１２から吸引される流体とを混合して改質器３４に向けて吐出する吐出部８１３を有する。
【００９５】
ノズル部８１１は、流体を噴射可能な絞り構造を有している。ノズル部８１１は、絞り開度が固定された固定絞り構造で構成されている。また、吐出部８１３は、ノズル部８１１からの流体および吸引部８１２からの流体が混合された後に昇圧されるように流路断面積が下流側に向かって拡大している。なお、ノズル部８１１は、絞り開度を変更可能な可変絞り構造で構成されていてもよい。
【００９６】
エジェクタ８１の吸引部８１２は、ノズル部８１１の出口側の負圧を利用して燃料電池１０の出口側から流体を吸引するように構成されている。具体的には、吸引部８１２には、燃料排出配管７２を流れる流体が吸引されるように、燃料排出配管７２から分岐する吸引配管８２が接続されている。
【００９７】
その他の構成は、第１実施形態と同様である。燃料電池システム１は、燃料ポンプ３２によってエジェクタ８１のノズル部８１１に燃料が供給されると、ノズル部８１１から低炭素流体が噴射されることで生ずる負圧によって、燃料電池１０の出口側の燃料オフガスが吸引部８１２に吸引される。これによると、動力を増やすことなく、改質器３４に対して大流量の燃料ガスを供給することができる。
【００９８】
ところで、エジェクタ８１は、駆動流としてノズル部８１１に流入する流体の質量流量の増加に伴って吸引部８１２から吸引される吸引流体の流量が増えるといった特性を有する。このため、発電処理時において、エジェクタ８１のノズル部８１１に流入する流体の質量流量を増加させることで、吸引部８１２から吸引される燃料オフガスの吸引流量を増加させることが可能となる。
【００９９】
エジェクタ８１のノズル部８１１に流入する流体の質量流量を増加させる手法として、例えば、燃料ポンプ３２の燃料吐出能力（例えば、ポンプ回転数）を増加させることが考えられる。
【０１００】
しかしながら、上述の手法では、吸引部８１２から吸引される燃料オフガスの流量を増加させることができる一方で、燃料の供給量が増加してしまことになり、燃費の向上効果が限定的になってしまう虞がある。
【０１０１】
本実施形態の燃料電池システム１は、循環配管６０を有しており、循環配管６０を介して改質器３４で改質された燃料ガスの一部をエジェクタ８１のノズル部８１１に流入させることが可能になっている。このため、燃料電池１０の発電時には、循環配管６０を介して改質器３４で改質された燃料ガスの一部をエジェクタ８１のノズル部８１１に流入させることで、エジェクタ８１のノズル部８１１に流入する流体の質量流量を増加させることが望ましい。
【０１０２】
これによると、燃料の供給量を増加させることなく、燃料電池１０の上流側に戻す燃料オフガスの流量を増加させることができるので、未反応ガスを有効活用した燃費の向上効果を充分に得ることができる。
【０１０３】
（第５実施形態）
次に、第５実施形態について、図９を参照して説明する。本実施形態では、火炎検出器７６に代えて燃焼温度センサ７７が燃焼ガス配管７５に設けられている点が第１実施形態と相違している。本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について主に説明し、第１実施形態と同様の部分について説明を省略することがある。
【０１０４】
図９に示すように、燃焼ガス配管７５には、燃焼温度センサ７７が設けられている。燃焼温度センサ７７は、燃焼器７３から排出された燃焼ガスの温度を検出可能に構成されている。具体的には、燃焼温度センサ７７は、燃焼ガス配管７５における燃焼器７３と改質器３４との間に設置されている。
【０１０５】
本実施形態の燃料電池システム１では、燃焼器７３の燃焼状態が吹き消え状態であるか否かを判定するために燃焼温度センサ７７を用いている。例えば、制御装置１００は、図４に示すステップＳ２００にて、燃焼温度センサ７７の検出温度に基づいて、燃焼器７３の燃焼状態が吹き消え状態であるか否かを判定する。また、制御装置１００は、図４に示すステップＳ２２０にて、燃焼温度センサ７７の検出温度に基づいて、燃焼器７３が再着火したか否かを判定する。
【０１０６】
ここで、図５に示すように、燃焼器７３の温度は、燃焼器７３の燃焼状態が吹き消え状態になると、燃焼器７３の燃焼状態が着火状態に比べて低下する。燃焼器７３の温度は、燃焼器７３の燃焼状態が吹き消え状態から着火状態になると上昇する。このため、燃焼器７３から排出される燃焼ガスの温度変化に基づいて燃焼器７３の燃焼状態が吹き消え状態であるか否かを判定することができる。
【０１０７】
具体的には、制御装置１００は、燃焼温度センサ７７の検出温度が所定の基準温度以上となる場合に、燃焼器７３の燃焼状態が着火状態であると判定する。一方、制御装置１００は、燃焼温度センサ７７の検出温度が所定の基準温度未満となる場合に、燃焼器７３の燃焼状態が吹き消え状態であると判定する。
【０１０８】
ここで、燃焼器７３の燃焼状態が吹き消え状態であるか否かは、火炎検出器７６等の如く燃焼器７３における燃焼状態を直に検出するものを利用することが考えられる。ところが、この場合、専用の機能品が追加されることになり、燃料電池システム１のコストアップが避けられない。
【０１０９】
これに対して、燃焼ガス配管７５を流れる燃焼ガスの温度に応じて燃焼器７３の燃焼状態が吹き消え状態であるか否かを判定する構成とすれば、汎用の温度センサ等を追加するだけでよいので、燃料電池システム１のコストアップを抑えることができる。
【０１１０】
（第５実施形態の変形例）
上述の第５実施形態では、燃焼温度センサ７７が燃焼ガス配管７５における燃焼器７３と改質器３４との間に設置されているものを例示したが、これに限定されない。燃焼温度センサ７７は、燃焼ガスが流れる経路であれば、燃焼ガス配管７５における任意の箇所に設置可能である。また、燃焼温度センサ７７は、改質器３４、空気予熱器２２、気化器４２に対して設置されていてもよい。
【０１１１】
（他の実施形態）
以上、本開示の代表的な実施形態について説明したが、本開示は、上述の実施形態に限定されることなく、例えば、以下のように種々変形可能である。
【０１１２】
上述の実施形態では、水蒸気改質反応により燃料ガスを生成する改質器３４が採用されたものを例示したが、これに限定されない。改質器３４は、例えば、部分酸化改質反応により燃料ガスを生成可能な構成になっていてもよい。
【０１１３】
上述の実施形態では、燃料ガスを改質器３４だけで生成するものを例示したが、これに限定されない。燃料電池システム１は、改質器３４だけでなく、燃料電池１０の内部でも燃料ガスを生成可能な内部改質型の燃料電池１０が採用された構成になっていてもよい。
【０１１４】
上述の実施形態では、循環調整部が循環調整弁６１で構成されたものを例示したが、これに限定されない。燃料電池システム１は、例えば、循環調整部が流路開閉弁等の循環調整弁６１以外のもので構成されていてもよい。
【０１１５】
上述の実施形態では、燃料電池システム１が単一の燃焼器７３を備えるものを例示したが、これに限定されない。燃料電池システム１は、例えば、複数の燃焼器７３を備える構成になっていてもよい。
【０１１６】
上述の実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
【０１１７】
上述の実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されない。
【０１１８】
上述の実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されない。
【０１１９】
（まとめ）
上述の実施形態の一部または全部で示された第１の観点によれば、燃料電池システムは、改質器と、固体酸化物型の燃料電池と、燃焼器と、燃料ポンプと、ガス循環経路と、循環調整部と、制御装置と、を備える。制御装置は、燃料ポンプによって改質器に燃料を供給している際に、燃焼器の燃焼状態が吹き消え状態になると、改質ガス経路からガス循環経路に導く燃料ガスまたは燃料オフガスの流量が減少するように循環調整部を制御する。
【０１２０】
第２の観点によれば、燃料電池システムの制御装置は、燃料ポンプによって改質器に燃料を供給している際、燃焼器の燃焼状態が吹き消え状態になると、改質ガス経路からガス循環経路への燃料ガスまたは燃料オフガスの流れが停止するように循環調整部を制御する。
【０１２１】
これによると、燃焼器の燃焼状態が吹き消え状態になると、燃焼器への燃料オフガスの供給量が瞬間的に増加することになるので、燃焼器で燃料オフガスを短時間で自然着火させることが可能となる。
【０１２２】
第３の観点によれば、燃料電池システムのガス循環経路は、少なくとも燃料電池から排出される燃料オフガスの一部が燃料ポンプの上流側に導かれるように、改質ガス経路における燃料電池と燃焼器との間に接続されている。
【０１２３】
このように、ガス循環経路が燃料電池と燃焼器との間に接続される構成とすれば、循環調整部によって燃焼器に対する燃料オフガスの供給量を直接的に調整することが可能となる。すなわち、上記構成とすれば、ガス循環経路が改質器と燃料電池との間に接続される場合に比べて、循環調整部によって燃焼器に対する燃料オフガスの供給量を調整する際の応答性を向上させることができる。
【０１２４】
第４の観点によれば、燃料電池システムのガス循環経路は、改質器で生成された燃料ガスおよび燃料電池から排出される燃料オフガスが燃料ポンプの上流側に導かれるように、燃料電池と燃焼器との間および改質器と燃料電池との間に接続されている。これによっても、循環調整部によって燃焼器に対する燃料オフガスの供給量を調整する際の応答性を向上させることができる。
【０１２５】
第５の観点によれば、燃料電池システムは、燃料電池から排出された燃料オフガスの一部を改質器に導くリサイクル経路と、リサイクル経路を介して改質器に燃料オフガスの一部を供給するエジェクタと、を備える。エジェクタは、水蒸気および燃料を噴射するノズル部、燃料オフガスの一部をリサイクル経路に吸引する吸引部、ノズル部から噴射される水蒸気および燃料と吸引部から吸引される燃料オフガスとを混合して改質器に向けて吐出する吐出部を有する。ガス循環経路は、改質器で生成された燃料ガスの一部が燃料ポンプの上流側に導かれるように、改質ガス経路における改質器と燃料電池との間に接続されている。
【０１２６】
このように、エジェクタによって燃料オフガスの一部を燃料電池の出口側から吸引する構成とすれば、動力を増やすことなく、燃料オフガスに含まれる未反応ガスを燃料電池の発電に再利用できるので、燃料電池システムの燃費の向上を図ることができる。
【０１２７】
第６の観点によれば、燃料電池システムは、燃焼器で生成される燃焼ガスが流れる燃焼ガス経路を備える。制御装置は、燃焼ガス経路を流れる燃焼ガスの温度に応じて燃焼器の燃焼状態が吹き消え状態であるか否かを判定する。
【０１２８】
燃焼器の燃焼状態が吹き消え状態であるか否かは、火炎検出器等の如く燃焼器における燃焼状態を直に検出するものを利用することが考えられるが、この場合、専用の機能品が追加されることになり、燃料電池システムのコストアップが避けられない。
【０１２９】
これに対して、燃焼ガス経路を流れる燃焼ガスの温度に応じて燃焼器の燃焼状態が吹き消え状態であるか否かを判定する構成とすれば、汎用の温度センサ等を追加するだけでよいので、燃料電池システムのコストアップを抑えることができる。
【符号の説明】
【０１３０】
１０      燃料電池
３０ｂ    下流側燃料経路（改質ガス経路）
３２      燃料ポンプ
３４      改質器
６０      循環配管（ガス循環経路）
６１      循環調整弁（循環調整部）
７２      燃料排気経路（改質ガス経路）
７３      燃焼器
１００    制御装置
【図１】
2020113404.tif 000003
【図２】
2020113404.tif 000004
【図３】
2020113404.tif 000005
【図４】
2020113404.tif 000006
【図５】
2020113404.tif 000007
【図６】
2020113404.tif 000008
【図７】
2020113404.tif 000009
【図８】
2020113404.tif 000010
【図９】
2020113404.tif 000011