(57)【要約】【課題】安定燃焼と安全性を確保した上でコストを低減させる。【解決手段】制御部２６は、一酸化炭素濃度検知手段２５が、第１の閾値以上の一酸化炭素濃度を検知した場合、少なくとも、原燃料供給手段１４による原燃料流量の増減、燃焼空気供給手段２２による燃焼空気流量の増減の、いずれかを含む燃焼部１２の空燃比制御により一酸化炭素濃度を低減させ、一酸化炭素濃度検知手段２５が、第１の閾値より高い第２の閾値以上の一酸化炭素濃度を検知した場合、安全のためシステムを停止させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料を用いて改質反応により水素リッチガスを生成する改質部と、前記改質部に原燃料を供給する原燃料供給手段と、前記改質部を加熱する燃焼部と、前記燃焼部に空気を供給する燃焼空気供給手段と、前記燃焼部の燃焼排ガスに含まれる一酸化炭素濃度を検知する一酸化炭素濃度検知手段と、前記改質部から供給される水素リッチガスと酸化剤ガスとを反応させ発電する燃料電池と、制御部とを備え、前記制御部は前記一酸化炭素濃度検知手段が、第１の閾値以上の一酸化炭素濃度を検知した場合、一酸化炭素濃度が低減するように前記燃焼部の空燃比制御を行い、前記一酸化炭素濃度検知手段が、前記第１の閾値より高い第２の閾値以上の一酸化炭素濃度を検知した場合、運転を停止させる燃料電池システム。
【請求項２】
制御部は、燃料過剰側で第１の閾値より小さい一酸化炭素濃度になる第１の限界空燃比と、空気過剰側で第１の閾値より小さい一酸化炭素濃度になる第２の限界空燃比との間の安定燃焼領域に収まるように燃焼部の空燃比を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
原燃料流量検知手段で検知された原燃料流量と、電気出力検知手段で検知された電気出力に基づき、発電効率を演算する発電効率演算手段をさらに備え、制御部は、第１の限界空燃比と第２の限界空燃比との間の安定燃焼領域において、前記発電効率演算手段で演算される発電効率が高くなる高発電効率領域に収まるように燃焼部の空燃比を制御することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
制御部は、発電運転中に、燃焼部の空燃比を強制的に変化させ、燃料過剰側で第１の閾値より小さい一酸化炭素濃度になる第１の限界空燃比と、空気過剰側で第１の閾値より小さい一酸化炭素濃度になる第２の限界空燃比とを検出し、第１の限界空燃比と第２の限界空燃比との間を安定燃焼領域として設定することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
原燃料流量検知手段で検知された原燃料流量と、電気出力検知手段で検知された電気出力に基づき、発電効率を演算する発電効率演算手段をさらに備え、制御部は、発電運転中に燃焼部の空燃比を強制的に変化させ、発電効率演算手段で発電効率を演算し、安定燃焼領域において、前記発電効率演算手段で演算される発電効率が高くなる領域を高発電効率領域として設定することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池のアノードから排出されるオフガスを前記燃焼部へ供給するオフガス供給経路とをさらに備え、燃焼部の空燃比制御は、原燃料供給手段による原燃料流量の増減、前記燃焼空気供給手段による燃焼空気流量の増減の少なくともいずれかにより行われることを特徴とする請求項１〜５のいずれか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】
本発明は、水素と酸素とを反応させ発電を行う燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムの構成は、図５に示される。
【０００３】
５１は改質器で、原燃料ガス流量調整手段５２を設けた原燃料ガス経路５３と、酸素濃度検出器５４を設けた燃焼排ガス経路５５とが接続されている。５６は、燃料極５７と空気極５８を有する燃料電池である。このような構成において、原燃料ガスは、改質器５１で水素リッチガスに変換され、燃料電池５６の燃料極５７で水素を一部消費したあと、残った水素は改質器５１で燃焼され燃焼排ガス経路５５から排出される。この時、燃焼排ガス中の酸素濃度を酸素濃度検出器５４で検出し、適正酸素濃度になるように原燃料ガス流量調整手段５２が原燃料ガス流量を調整することによって、安定した燃焼を継続させることができる（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−３６３１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の燃料電池システムでは、燃焼不良によって燃焼排ガスから一酸化炭素が発生する可能性がある場合は、燃料電池システムの周囲に存在する人に対する安全確保のため燃焼排ガス経路に一酸化炭素検出器を設ける必要がある。そのために、酸素濃度検出器と一酸化炭素検出器の２つのセンサーが必要となり、コストが高くなるという課題を有していた。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、安定燃焼と安全性を確保した上でコストを低減させる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】
前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、原燃料を用いて改質反応により水素リッチガスを生成する改質部と、前記改質部に原燃料を供給する原燃料供給手段と、改質部を加熱する燃焼部と、前記燃焼部に空気を供給する燃焼空気供給手段と、前記燃焼部の燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度を検知する一酸化炭素濃度検知手段と、前記改質部から供給される水素リッチガスと酸化剤ガスとを反応させ発電する燃料電池と、制御部とを備え、制御部は、前記一酸化炭素濃度検知手段が、第１の閾値以上の一酸化炭素濃度を検知した場合、一酸化炭素濃度が低減するように前記燃焼部の空燃比制御を行い、一酸化炭素濃度検知手段が、第１の閾値より高い第２の閾値以上の一酸化炭素濃度を検知した場合、システムを停止させることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明は、制御部は、燃料過剰側で第１の閾値より小さい一酸化炭素濃度になる第１の限界空燃比と、空気過剰側で第１の閾値より小さい第２の一酸化炭素濃度上限値になる第２の限界空燃比との間の安定燃焼領域に収まるように燃焼部の空燃比を制御することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、原燃料流量検知手段で検知された原燃料流量と、電気出力検知手段で検知された電気出力に基づき、発電効率を演算する発電効率演算手段をさらに備え、制御部は、第１の限界空燃比と第２の限界空燃比との間の安定燃焼領域において、前記発電効率演算手段で演算される発電効率が高くなる高発電効率領域に収まるように燃焼部の空燃比を制御することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、制御部は、発電運転中に、燃焼部の空燃比を強制的に変化させ、燃料過剰側で第１の閾値より小さい一酸化炭素濃度になる第１の限界空燃比と、空気過剰側で第１の閾値より小さい一酸化炭素濃度になる第２の限界空燃比とを検出し、第１の限界空燃比と第２の限界空燃比との間を、安定燃焼領域として設定することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、原燃料流量検知手段で検知された原燃料流量と、電気出力検知手段で検知された電気出力に基づき、発電効率を演算する発電効率演算手段をさらに備え、制御部は、発電運転中に燃焼部の空燃比を強制的に変化させ、発電効率演算手段で発電効率を演算し、安定燃焼領域において、前記発電効率演算手段で演算される発電効率が高くなる領域を高発電効率領域として設定することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、燃料電池から排出される残水素を燃焼部へ供給するオフガス供給経路とをさらに備え、燃焼部の空燃比制御は、原燃料供給手段による原燃料流量の増減、前記燃焼空気供給手段による燃焼空気流量の増減の少なくともいずれかにより行われることを特徴とする。
【００１２】
本構成によって、１個の一酸化炭素濃度検知手段で安定燃焼と安全性を確保することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の燃料電池システムによれば、安定燃焼と安全性を確保した上でコストを低減させることができる。また、安定燃焼を確保した上で、発電効率を最も高く維持するという効果も奏することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成図である。
【００１６】
図１において、１１は、改質触媒を有する改質部で、改質部１１は、燃焼部１２から排出される燃焼排ガス経路１３を流れる燃焼ガスからの熱を利用して改質反応を進める。改質部１１の上流には原燃料供給手段１４および原燃料供給経路１５が接続され、改質部１１の下流にはＣＯ変成部１６が接続されており、さらに、ＣＯ変成部１６の下流にＣＯ除去部１７が接続されている。そして、ＣＯ除去部１７は、水素供給経路１９を介して燃料電池１８に接続され、ＣＯ除去部１７から水素リッチガスが燃料電池１８に供給される。また、燃料電池１８は、空気供給経路２０を介して空気供給手段２１に、接続されている。燃焼部１２には、燃焼空気供給手段２２とオフガス供給経路２３が接続され、オフガス供給経路２３のもう一方の端部は燃料電池１８に接続されている。２４は、燃料電池１８に電気的に接続された電力出力制御手段である。２５は、燃焼排ガス経路１３の出口に取付けられた一酸化炭素濃度検知手段である。２６は、制御部であり、原燃料供給部１４、燃焼空気供給手段２２、及び電気出力制御手段２４の出力を制御する。３１は、発電効率演算手段で、原燃料供給経路１５に設けられた原燃料流量検知手段３２と、電気出力制御手段２４の出力側に設けられた電気出力検知手段３３に電気的に接続されている。
【００１７】
つぎに、図１における燃料電池システムの運転動作について説明する。原燃料供給手段１４から供給される都市ガス、プロパンガス、アルコール等に例示される少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原燃料は、原燃料供給経路１５を通って改質部１１へ供給され、改質部１１の中で燃焼部１２によって加熱され、改質反応を起こし水素リッチガス（改質ガス）に変換され、ＣＯ変成部１６およびＣＯ除去部１７で改質部１１から供給される水素リッチガス中の一酸化炭素が除去された後、水素供給経路１９を通って燃料電池１８へ供給される。一方、空気供給手段２１から供給される空気は、空気供給経路２０を通って燃料電池１８へ供給される。
【００１８】
このように供給された水素リッチガス中の水素と空気中の酸素は燃料電池１８内で電気化学反応を起こし電気を発生し、発生した電気は電気出力制御手段２４から家庭などの供給電力として使用される。燃料電池１８で反応に使われなかった残りの水素はオフガス供給経路２３を通って燃焼部１２に供給され、改質部１１の加熱燃料として用いられる。なお、ここで燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度は、一酸化炭素濃度検知手段２５によって行われる。また、燃料電池システムの発電効率は、原燃料流量検知手段３２により入力エネルギーを計測し、電気出力検知手段３３により出力エネルギーを計測し、これらの値から発電効率演算手段３１によって演算を行う。
【００１９】
この図１の燃料電池システムの運転動作において、一酸化炭素濃度検知手段２５が検知する燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度特性を図２のグラフに示す。図２において、横軸は空燃比すなわち燃焼用空気と燃料である水素リッチガスとの比率で、右方向は空気過剰側、左方向は燃料過剰側を示す。縦軸は燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度を示す。一般の燃焼機器と同様、空燃比が空気過剰または燃料過剰になると燃焼状態が不安定になり、水素リッチガスに残存する炭化水素が不完全燃焼をおこし、一酸化炭素濃度が増加するため、一酸化炭素濃度はグラフ両端が高くグラフ中央部が低いＵ字形の挙動を示す。
【００２０】
図２のグラフにおける一酸化炭素濃度の第２の閾値とは、これ以上燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度が上昇すると燃料電池システムの周囲に存在する人体に危険が及ぶと判断される濃度で、グラフ上のＡ点とＨ点の外側の空燃比領域で危険状態となる。この領域で運転する状況になった場合は、安全のためシステムを停止させることが望ましい。
【００２１】
一酸化炭素濃度の第１の閾値とは、これ以上空燃比バランスが崩れると安定燃焼状態が維持できなくなる一酸化炭素濃度で、グラフ上のＢ点とＧ点の外側の空燃比領域で不安定燃焼状態となる。燃焼状態を安定させるためには、このＢ点とＧ点の内側で、第１の閾値より小さい一酸化炭素濃度になる燃料過剰側での第１の限界空燃比Ｃ点と、空気過剰側での第２の限界空燃比Ｆ点の間の安定燃焼領域に収まるよう燃焼部１２における空燃比を調整し、燃焼制御する必要がある。さらに、望ましくは、C点、F点の内側で、図２のグラフのボトムに当たる燃料過剰側での第３の限界空燃比Ｄ点と空気過剰側での第４の限界空燃比Ｅ点の間の最安定燃焼領域に収まるよう、燃焼部１２の空燃比を制御する。なお、Ｓ点は発電効率が最高になる点で、一般的に空気過剰になると燃焼室を冷却し効率が低下するため、通常は安定燃焼領域内の燃料過剰側に存在する。
【００２２】
つぎに、燃焼状態を安定燃焼領域に維持するための制御方法について説明する。燃焼用空気と燃料である水素リッチガスとの比率（空燃比）の設定は以下の制御によって行われる。図１の燃料電池システムにおいて、燃焼部１２の燃料である燃料電池１８のアノードからの排水素リッチガス量は、原燃料供給手段１４による原燃料流量の増減によって決定される。一方、燃焼用空気量は、燃焼空気供給手段２２による燃焼空気流量の増減によって決定される。これらの、原燃料供給手段１４、燃焼空気供給手段２２の少なくとも１つ（必要に応じて両方の組合せ）を制御手段２６により制御することによって、空燃比を制御することができる。
【００２３】
この空燃比制御において、燃焼状態を安定燃焼領域に維持するための具体的手段を、図３の制御フローチャートにもとづき説明する。図３において、制御部２６は、発電運転中（Ｓ１）にＣＯ濃度が第１の閾値以上かどうかを判定し（Ｓ２）、ＣＯ濃度が第１の閾値以上であった場合は、さらにこのＣＯ濃度が第２の閾値以上かどうかを判定し（Ｓ３）、ＣＯ濃度が第２の閾値以上であった場合は、安全のため緊急停止Ｓ４を行う。ＣＯ濃度が第２の閾値未満（図２におけるＡ点〜Ｂ点間とＧ点〜Ｈ点間）であった場合は、制御部２６は、燃焼部１２の空燃比を調整し、燃焼状態を安定燃焼領域に戻す制御を行う。まず、前記原燃料制御、燃焼空気制御のうちから、適正な空燃比制御手段を選定する（Ｓ５）。図３の制御フローチャートでは、一例として燃焼空気供給手段２２による燃焼空気流量制御について述べている。なお、どの手段が適正であるかは、制御応答性や他特性への影響などを勘案して判断するもので、必要に応じて両方の手段の組合せを行うこともある。
【００２４】
燃焼空気供給手段２２は、燃焼空気流量を制御するもので、燃焼部１２に供給される燃焼空気の流量を増加させれば、空燃比は空気過剰側へと変化し、燃焼部１２に供給される燃焼空気の流量を減少させれば、空燃比は燃料過剰側へと変化する。
【００２５】
図３の制御フローチャートにおいて、制御部２６により空燃比制御手段として燃焼空気流量制御を選定（Ｓ５）した場合、制御部２６は、燃焼空気流量を減少（Ｓ６）すなわち燃料過剰側へ変化させ、一酸化炭素濃度検知手段２５により測定された燃焼排ガス中のＣＯ濃度が減少するようであれば（Ｓ７）、燃焼部１２における空燃比は図２グラフのＧ点〜Ｈ点間の状態であると判断し、この空燃比が第２の限界空燃比Ｆに達するまで（すなわちＣＯ濃度が第２の限界空燃比Ｆ点でのＣＯ濃度に低減されるまで）、燃焼空気流量の減少を継続して（Ｓ８）、空燃比を燃料過剰側へ制御することによって、安定燃焼領域に戻して運転を継続させる。
【００２６】
同様に制御部２６により燃焼空気流量を減少（Ｓ６）すなわち燃料過剰側へ変化させ、一酸化炭素濃度検知手段２５により測定された燃焼排ガス中のＣＯ濃度が前記とは逆に増加するようであれば（Ｓ７）、制御部２６は、燃焼部１２における空燃比は、図２グラフのＡ点〜Ｂ点間の状態であると判断し、今度はこの空燃比が第１の限界空燃比Ｃに達するまで（すなわちＣＯ濃度が第１の限界空燃比Ｃ点でのＣＯ濃度に低減されるまで）、燃焼空気流量の増加を継続させ（Ｓ１１）、空燃比を空気過剰側へ制御することによって、安定燃焼領域に戻して運転を継続させる。
【００２７】
なお、上述とは逆に最初に燃焼空気流量を増加させてもよい（Ｓ９）。その際に、一酸化炭素検知手段２５により検知されたＣＯ濃度が減少するようであれば（Ｓ１０）、制御部２６は、燃焼部１２における空燃比は図２グラフのＡ点〜Ｂ点間の状態であると判断し、この空燃比が第１の限界空燃比Ｃに達するまで（すなわちＣＯ濃度が第１の限界空燃比Ｃ点でのＣＯ濃度に低減されるまで）、燃焼空気流量の増加を継続して（Ｓ１１）、空燃比を空気過剰側へ制御することによって、安定燃焼領域に戻して運転を継続させる。
【００２８】
同様に制御部２６により燃焼空気流量を増加（Ｓ９）すなわち空気過剰側へ変化させ、一酸化炭素濃度検知手段２５により測定された燃焼排ガス中のＣＯ濃度が前記とは逆に増加するようであれば（Ｓ１０）、制御部２６は、燃焼部１２における空燃比は、図２グラフのＧ点〜Ｈ点間の状態であると判断し、今度はこの空燃比が第２の限界空燃比Ｆに達するまで（すなわちＣＯ濃度が第２の限界空燃比Ｆ点でのＣＯ濃度に低減されるまで）、燃焼空気流量の減少を継続させ（Ｓ１１）、空燃比を燃料過剰側へ制御することによって、安定燃焼領域に戻して運転を継続させる。
【００２９】
上述の本実施の形態における燃料電池システムでは、燃焼部１２の燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度を検知する一酸化炭素濃度検知器２５で測定されたＣＯ濃度値に基づいて、制御部２６は、燃焼部１２の燃焼状態が安定燃焼領域に入るよう燃焼部１２の空燃比制御を行うことを特徴とし、その空燃比制御は、空燃比制御に伴うＣＯ濃度の増加あるいは減少といったＣＯ濃度の変化の方向性から、空燃比を安定燃焼領域に戻すための空燃比の調整の方向性を決定することを特徴としている。かかる構成および制御によれば、空燃比制御により燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度を低減させ、安定した燃焼状態を維持するとともに、一酸化炭素濃度が人体に危険なレベルに達すると安全のためシステムを停止させるもので、安定燃焼と安全性の確保を１個のセンサーで制御することができ、コストを低減させることができる。
【００３０】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの制御フローチャートである。図４において、安定燃焼領域制御を行う場合に、まず、一酸化炭素濃度検知手段２５により燃焼部１２の燃焼排ガス中のＣＯ濃度を測定しながら、制御部２６は、燃料過剰側へ強制的に空燃比を変化（実施の形態１の例では燃焼空気流量を減少）させ（Ｓ１１）、燃料過剰側で第１の閾値より小さい一酸化炭素濃度になる第１の限界空燃比（図２グラフのＣ点）を検知し（Ｓ１２）、つぎに、空気過剰側へ強制的に空燃比を変化（実施の形態１の例では燃焼空気流量を増加）させ（Ｓ１３）、空気過剰側で第１の閾値より小さい一酸化炭素濃度になる第２の限界空燃比（図２グラフのＦ点）を検知し（Ｓ１４）、燃焼における安定燃焼領域の認識・設定（Ｓ１５）を行う。
【００３１】
この時、制御部２６は、必要に応じて図２グラフのボトムに当たるＤ点とＥ点の間の最安定燃焼領域への制御を行う（図４では図示せず）。なお、順序としては、燃料過剰側へ強制的に空燃比を変化させるか、あるいは空気過剰側へ強制的に空燃比を変化させるかは、どちらが先でも良い。
【００３２】
次に、上述の燃焼部を安定燃焼領域に維持するための制御方法に加え、高発電効率になるための制御方法について説明する。これは、制御部２６が、第１の限界空燃比Ｃ点と、第２の限界空燃比Ｆ点の間の安定燃焼領域に収まるよう制御しながら、かつこの安定燃焼領域内で最高発電効率になるＳ点を含む高発電効率領域内に収まるよう制御するものである。
【００３３】
すなわち、制御部２６は、再び安定燃焼領域（図２グラフのＣ点〜Ｆ点の間）内で強制的に空燃比を変化（Ｓ１６）させ、安定燃焼領域内の各ポイントにおける発電効率を発電効率演算手段３１によって演算（Ｓ１７）し、最高発電効率に達した際の空燃比（図２グラフではＳ点）を基準値としてこの基準値を含む領域を高発電効率領域として設定（Ｓ１８）し、この領域内に収まるよう運転中に制御する。
【００３４】
かかる制御によれば、空燃比制御により燃焼排ガス中の一酸化炭素濃度を低減させ、安定した燃焼状態を維持するとともに、発電効率を最も高く設定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明にかかる燃料電池システムは、安定燃焼と安全性の確保を１個のセンサーで制御するもので、家庭などに電力供給を行う定置用発電システム等として有用である。また、自動車用電源等の用途にも応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態１および２における燃料電池システムの構成図
【図２】本発明の実施の形態１および２における燃料電池システムの一酸化炭素濃度特性を示すグラフ
【図３】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの制御フローチャート
【図４】本発明の実施の形態２における燃料電池システムの制御フローチャート
【図５】従来の燃料電池システムのシステム構成図
【符号の説明】
【００３７】
１１    改質部
１２    燃焼部
１４    原燃料供給手段
１８    燃料電池
２２    燃焼空気供給手段
２３    オフガス供給経路
２４    電気出力制御手段
２５    一酸化炭素濃度検知手段
３１    発電効率演算手段
３２    原燃料流量検知手段
３３    電気出力検知手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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