(57)【要約】【課題】ＣＯセンサに対するヒートアップ処理とＣＯセンサによるＣＯ濃度の検出とを同時に行うことができる水素生成装置を提供する。【解決手段】水素生成装置（２００）は、改質器（１１）と、改質器（１１）を加熱する燃焼器（１５）と、燃焼器（１５）で生じた燃焼排ガスの排気経路（１７）と、排気経路（１７）に配置された第１ＣＯセンサ（１９）と、排気経路（１７）に配置された第２ＣＯセンサ（２１）と、第１ＣＯセンサ（１９）及び第２ＣＯセンサ（２１）のそれぞれに電力を供給する電源回路（２８）と、ヒートアップ処理を実行する制御器（２７）とを備えている。制御器（２７）は、第１ＣＯセンサ（１９）に対するヒートアップ処理と第２ＣＯセンサ（２１）に対するヒートアップ処理とを時間的に離れた別々の期間に実行する。【選択図】図７
2018070395.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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、
前記第１ＣＯセンサ及び前記第２ＣＯセンサのそれぞれに電力を供給する電源回路と、
前記第１ＣＯセンサ及び前記第２ＣＯセンサのそれぞれに対して、前記第１ＣＯセンサ又は前記第２ＣＯセンサに付着した汚染物質を除去可能な温度に前記第１ＣＯセンサ又は前記第２ＣＯセンサを発熱させるヒートアップ処理を、前記第１ＣＯセンサ又は第２ＣＯセンサに供給される電力を前記電源回路に調整させて実行する制御器と、を備え、
前記制御器は、前記第１ＣＯセンサに対する前記ヒートアップ処理と前記第２ＣＯセンサに対する前記ヒートアップ処理とを時間的に離れた別々の期間に実行する、
水素生成装置。
【請求項２】
前記制御器は、前記水素生成装置の定常運転期間において、前記第１ＣＯセンサに対する前記ヒートアップ処理及び前記第２ＣＯセンサに対する前記ヒートアップ処理を実行する、前記水素生成装置。
【請求項３】
前記制御器は、前記燃焼器の運転時間が所定時間以上であり、かつ、前記第１ＣＯセンサの検出値及び前記第２ＣＯセンサの検出値が第１閾値以下であるときに、前記第１ＣＯセンサに対する前記ヒートアップ処理又は前記第２ＣＯセンサに対する前記ヒートアップ処理を実行する、請求項１又は２に記載の水素生成装置。
【請求項４】
前記制御器は、前記第１ＣＯセンサ及び前記第２ＣＯセンサの一方に対する前記ヒートアップ処理を実行している期間において、前記第１ＣＯセンサ及び前記第２ＣＯセンサの他方によって検出されたＣＯ濃度が第３閾値以上となったときに、前記第１ＣＯセンサ及び前記第２ＣＯセンサの一方に対する前記ヒートアップ処理を強制終了する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の水素生成装置。
【請求項５】
請求項１〜４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。
【請求項６】
連続運転可能な最長時間が２４時間よりも長い、請求項５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、水素生成装置及びそれを備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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、水素生成装置には、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。
【０００４】
ＣＯセンサの表面に汚染物質が付着するとＣＯ濃度を正確に検出できないことがある。このため、ＣＯセンサに付着した汚染物質を除去するための技術が提案されている。例えば、特許文献１には、高沸点の有機物等の汚染物質にＣＯセンサが汚染され、ゼロ点変動が発生した場合でも、安定したセンサ出力を供給し、確実に給湯器の制御を行うことができるガス燃焼器監視装置が記載されている。ガス燃焼器監視装置は、センサ電源回路と、ヒートアップ手段と、ゼロ点補正手段と、無通電時間積算手段と、ゼロ点変動値検出手段と、第１異常時制御手段とを有する。無通電時間積算手段は、センサ電源回路によるＣＯセンサに対する継続的な無通電時間を積算する。ゼロ点変動値検出手段は、無通電時間積算手段によって積算された無通電時間が所定の基準積算値を超えたと判断される場合、センサ電源回路からＣＯセンサに対する電源供給制御をすると共に、ゼロ点変動値を検出する。第１異常時制御手段は、検出されたゼロ点変動値が異常基準値より大きい場合、ＣＯセンサを汚染物質除去温度にヒートアップするようにヒートアップ手段を制御すると共にゼロ点変動値を補正するようにゼロ点補正手段を制御する。その後、第１異常時制御手段は、新たに無通電時間を積算するように無通電時間積算手段を制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３７１１０２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の技術によれば、ＣＯセンサをヒートアップしている期間及びゼロ点変動値を補正している期間に燃焼排ガス中のＣＯ濃度の検出を行うことが難しい。そこで、本開示はＣＯセンサに対するヒートアップ処理とＣＯセンサによるＣＯ濃度の検出とを同時に行うことができる技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示は、
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、
前記第１ＣＯセンサ及び前記第２ＣＯセンサのそれぞれに電力を供給する電源回路と、
前記第１ＣＯセンサ及び前記第２ＣＯセンサのそれぞれに対して、前記第１ＣＯセンサ又は前記第２ＣＯセンサに付着した汚染物質を除去可能な温度に前記第１ＣＯセンサ又は前記第２ＣＯセンサを発熱させるヒートアップ処理を、前記第１ＣＯセンサ又は第２ＣＯセンサに供給される電力を前記電源回路に調整させて実行する制御器と、を備え、
前記制御器は、前記第１ＣＯセンサに対する前記ヒートアップ処理と前記第２ＣＯセンサに対する前記ヒートアップ処理とを時間的に離れた別々の期間に実行する、
水素生成装置を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本開示の技術によれば、ＣＯセンサに対するヒートアップ処理とＣＯセンサによるＣＯ濃度の検出とを同時に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】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】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】図３は、２つのＣＯセンサに対するヒートアップ処理に関するフローチャートである。
【図４】図４は、２つのＣＯセンサに対するヒートアップ処理に関するフローチャートである。
【図５】図５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６Ａ】図６Ａ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６Ｂ】図６Ｂ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６Ｃ】図６Ｃ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７】図７は、本開示の変形例に係る水素生成装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（本開示の基礎となった知見）
水素生成装置の燃焼器で生じた排気経路を流れる燃焼排ガスには汚染物質が含まれる。このため、水素生成装置又は燃料電池システム等のシステムの定常運転が継続すると、時間の経過とともにＣＯセンサの表面に燃焼器で生じた燃焼排ガスに含まれる有機物又は水等の汚染物質が付着する。これにより、ＣＯセンサの測定感度が低下し、又は、ＣＯセンサのゼロ点がずれてしまう。このため、特許文献１に記載の技術のように、ＣＯセンサに対するヒートアップ処理を行ってＣＯセンサに付着した汚染物質を除去することが望ましい。しかし、特許文献１に記載の技術によれば、ＣＯセンサに対するヒートアップを行っている期間にはＣＯ濃度の検出を行うことができず、ＣＯセンサに対するヒートアップをシステムの定常運転期間中に実行することは難しい。一方で、水素生成装置又は燃料電池システム等のシステムを長期間（例えば、４８〜１２０時間）にわたって連続運転できることがシステムの効率を向上させる観点から望ましい。システムが長期間連続運転されるとＣＯセンサに汚染物質が付着しやすいので、システムの定常運転期間中にもＣＯセンサに対するヒートアップ処理を行えることが望ましい。このため、ＣＯセンサに対するヒートアップ処理とＣＯセンサによるＣＯ濃度の検出を同時に行う技術を提供できれば、システムの付加価値を格段に高めることができる。そこで、本発明者らは、日夜検討を重ね、本開示の技術を案出した。
【００１１】
本開示の第１態様は、
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、
前記第１ＣＯセンサ及び前記第２ＣＯセンサのそれぞれに電力を供給する電源回路と、
前記第１ＣＯセンサ及び前記第２ＣＯセンサのそれぞれに対して、前記第１ＣＯセンサ又は前記第２ＣＯセンサに付着した汚染物質を除去可能な温度に前記第１ＣＯセンサ又は前記第２ＣＯセンサを発熱させるヒートアップ処理を、前記第１ＣＯセンサ又は第２ＣＯセンサに供給される電力を前記電源回路に調整させて実行する制御器と、を備え、
前記制御器は、前記第１ＣＯセンサに対する前記ヒートアップ処理と前記第２ＣＯセンサに対する前記ヒートアップ処理とを時間的に離れた別々の期間に実行する、
水素生成装置を提供する。
【００１２】
第１態様によれば、第１ＣＯセンサに対するヒートアップ処理が実行されている期間に、第２ＣＯセンサによって排気経路におけるＣＯ濃度を検出できる。また、第２ＣＯセンサに対するヒートアップ処理が実行されている期間に、第１ＣＯセンサによって排気経路におけるＣＯ濃度を検出できる。このように、ＣＯセンサに対するヒートアップ処理とＣＯセンサによるＣＯ濃度の検出とを同時に行うことができるので、例えば、水素生成装置の定常運転期間中にもＣＯセンサに対するヒートアップ処理を実行できる。
【００１３】
本開示の第２態様は、第１態様に加えて、前記制御器は、前記水素生成装置の定常運転期間において、前記第１ＣＯセンサに対する前記ヒートアップ処理及び前記第２ＣＯセンサに対する前記ヒートアップ処理を実行する、水素生成装置を提供する。第２態様によれば、水素生成装置の定常運転期間中にＣＯセンサに対するヒートアップ処理をより確実に実行できる。
【００１４】
本開示の第３態様は、第１態様又は第２態様に加えて、前記制御器は、前記燃焼器の運転時間が所定時間以上であり、かつ、前記第１ＣＯセンサの検出値及び前記第２ＣＯセンサの検出値が第１閾値以下であるときに、前記第１ＣＯセンサに対する前記ヒートアップ処理又は前記第２ＣＯセンサに対する前記ヒートアップ処理を実行する、水素生成装置を提供する。第３態様によれば、燃焼器の運転時間が所定時間以上であり、ＣＯセンサに汚染物質が付着している可能性が高い場合に、ＣＯセンサに対するヒートアップ処理を実行できる。加えて、第１ＣＯセンサの検出値及び第２ＣＯセンサの検出値が第１閾値以下であるときにＣＯセンサに対するヒートアップ処理を行う。ＣＯ濃度が高い雰囲気でＣＯセンサに対するヒートアップ処理を行うと過加熱によるＣＯセンサの破損が発生する可能性がある。第３態様によれば、ＣＯセンサの破損を防止しつつヒートアップ処理を実行できる。
【００１５】
本開示の第４態様は、第１態様〜第３態様のいずれか１つの態様に加えて、前記制御器は、前記第１ＣＯセンサ及び前記第２ＣＯセンサの一方に対する前記ヒートアップ処理を実行している期間において、前記第１ＣＯセンサ及び前記第２ＣＯセンサの他方によって検出されたＣＯ濃度が第２閾値以上となったときに、前記第１ＣＯセンサ及び前記第２ＣＯセンサの一方に対する前記ヒートアップ処理を強制終了する、水素生成装置を提供する。第４態様によれば、ＣＯ濃度が高い雰囲気でヒートアップ処理が継続されず、ＣＯセンサの破損を防止できる。
【００１６】
本開示の第５態様は、
第１態様〜第４態様のいずれか１つの態様の水素生成装置と、
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、燃料電池システムを提供する。
【００１７】
第５態様によれば、第１態様と同じ効果が得られる。
【００１８】
本開示の第６態様は、連続運転可能な最長時間が２４時間よりも長い、第５態様の燃料電池システムを提供する。第６態様によれば、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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
燃料電池システム１００は、さらに、燃焼器１５と、排気経路１７と、第１ＣＯセンサ１９と、第２ＣＯセンサ２１と、電源回路２８と、制御器２７とを備えている。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。電源回路２８は、第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１のそれぞれに電力を供給する回路である。電源回路２８は、例えば、交流商用電源を必要な電圧に変えて第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１のそれぞれに電力を供給する。制御器２７は、第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１のそれぞれに対して、第１ＣＯセンサ１９又は第２ＣＯセンサ２１に供給される電力を電源回路２８に調整させてヒートアップ処理を実行する。ヒートアップ処理は、第１ＣＯセンサ１９又は第２ＣＯセンサ２１に付着した汚染物質を除去可能な温度（例えば、５００〜６００℃）に第１ＣＯセンサ１９又は第２ＣＯセンサ２１を発熱させる処理である。電源回路２８は、例えば、制御器２７に組み込まれている。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
燃料電池システム１００は、例えば、火炎検知器１６をさらに備えている。火炎検知器１６は、燃焼器１５における火炎の有無を検知する。これにより、燃焼器１５における燃料の燃焼の有無、すなわち、燃焼器１５の運転の有無を検知できる。火炎検知器１６としては、例えば、フレームロッド等の挿入式火炎検知器又は紫外線式火炎検知器等の光学式火炎検知器を使用できる。
【００２５】
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。
【００２６】
制御器２７は、例えば、燃料電池１３、空気供給器２３、燃料供給器２５、電源回路２８、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、火炎検知器１６、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。
【００２７】
次に、燃料電池システム１００の運転について説明する。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。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。
【００３４】
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。また、空気供給器２３から燃焼器１５においてこの期間は、図２に示す起動期間である。起動期間における所定の時期から、空気供給器２３によって燃焼器１５に空気（酸化剤ガスＧ１）が供給され、燃料供給器２５によって燃焼器１５に燃料が供給される。これにより、燃焼器１５において燃料が燃焼し始め火炎が発生する。火炎検知器１６はこの火炎を検知し、制御器２７には、火炎検知器１６から火炎の発生を示す検知信号が入力される。制御器２７は、燃焼器１５の運転時間を計測するタイマを有し、このタイマは火炎の発生を示す検知信号が入力されると燃焼器１５の運転時間の計測を開始する。燃料電池システム１００の出力が所定の定格出力（例えば、７５０Ｗ）に達すると、起動期間から発電期間（定常運転期間）に移行する。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。
【００３５】
制御器２７は、典型的には、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に対するヒートアップ処理及び第２ＣＯセンサ２１に対するヒートアップ処理を実行する。第１ＣＯセンサ１９に対するヒートアップ処理及び第２ＣＯセンサ２１に対するヒートアップ処理の一例を説明する。
【００３６】
図３に示すように、制御器２７は、ステップＳ１において燃焼器１５の運転時間を計測するタイマを参照して、燃焼器１５の運転時間が所定時間（例えば、２４時間）以上であるか否かを判断する。ステップＳ１における判断結果が否定的である場合、制御器２７はステップＳ３に進み、所定時間待機してステップＳ１に戻る。ステップＳ１における判断結果が肯定的である場合、ステップＳ２に進み、制御器２７は、第１ＣＯセンサ１９から第１ＣＯセンサ１９の検出値Ｄ１を取得し、第２ＣＯセンサ２１から第２ＣＯセンサ２１の検出値Ｄ２を取得する。制御器２７は、さらにステップＳ４に進み、検出値Ｄ１及び検出値Ｄ２が第１閾値（例えば、３００ｐｐｍ）以下であるか否か判断する。ステップＳ４における判断結果が否定的である場合、制御器２７は、ステップＳ６に進み、所定時間待機して、ステップＳ２に戻る。ステップＳ４における判断結果が肯定的である場合、制御器２７は、第１ＣＯセンサに対するヒートアップ処理Ｈ１を実行する。具体的に、制御器２７は、電源回路２８を制御して、第１ＣＯセンサ１９に付着した汚染物質を除去可能な温度に発熱させるための電力を電源回路２８から第１ＣＯセンサ１９に供給する。このように、ステップＳ１における判断結果が肯定的な場合にヒートアップ処理Ｈ１を実行される。このため、燃焼器１５の運転時間が所定時間以上であり、第１ＣＯセンサ１９に汚染物質が付着している可能性が高い場合に、ヒートアップ処理Ｈ１を実行できる。加えて、ステップＳ４における判断結果が肯定的な場合にヒートアップ処理Ｈ１を実行されるので、ＣＯ濃度が低い雰囲気でヒートアップ処理Ｈ１を開始でき、過加熱による第１ＣＯセンサ１９の破損を防止できる。
【００３７】
次に、制御器２７は、ステップＳ７に進み、ヒートアップ処理Ｈ１の開始から所定時間が経過したか否か判断する。ステップＳ７における判断結果が否定的である場合、制御器２７は、ステップＳ９に進み第２ＣＯセンサ２１の検出値Ｄ２を取得し、ステップＳ１０において検出値Ｄ２が第２閾値（例えば、６０００ｐｐｍ）以上であるか否か判断する。ステップＳ１０における判断結果が否定的である場合、制御器２７は、ステップＳ７に戻る。ステップＳ１０における判断結果が肯定的である場合、制御器２７は、ステップＳ１１に進み、ヒートアップ処理Ｈ１を強制終了する。このように、何らかの理由により排気経路１７におけるＣＯ濃度が急激に上昇した場合に、ヒートアップ処理Ｈ１を強制終了することにより、第１ＣＯセンサ１９の破損を防止できる。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。ステップＳ７における判断結果が肯定的である場合、ステップＳ８に進みヒートアップ処理Ｈ１を通常終了する。なお、制御器２７がヒートアップ処理Ｈ１を強制終了する場合、例えば、燃料電池システム１００を停止させるための処理が実行される。
【００３８】
ヒートアップ処理Ｈ１を通常終了した後に、制御器２７は、図４に示すように、ステップＳ１２に進み、第１ＣＯセンサ１９から第１ＣＯセンサ１９の検出値Ｄ１を取得し、第２ＣＯセンサ２１から第２ＣＯセンサ２１の検出値Ｄ２を取得する。制御器２７は、さらにステップＳ１３に進み、検出値Ｄ１及び検出値Ｄ２が第１閾値（例えば、３００ｐｐｍ）以下であるか否か判断する。ステップＳ１３における判断結果が否定的である場合、制御器２７は、ステップＳ１５に進み、所定時間待機して、ステップＳ１２に戻る。ステップＳ１３における判断結果が肯定的である場合、制御器２７は、第２ＣＯセンサ２１に対するヒートアップ処理Ｈ２を実行する。次に、制御器２７は、ステップＳ１６に進み、ヒートアップ処理Ｈ２の開始から所定時間が経過したか否か判断する。ステップＳ１６における判断結果が否定的である場合、制御器２７は、ステップＳ１９に進み、第１ＣＯセンサ１９の検出値Ｄ１を取得し、ステップＳ２０において検出値Ｄ１が第２閾値（例えば、６０００ｐｐｍ）以上であるか否か判断する。ステップＳ２０における判断結果が否定的である場合、制御器２７は、ステップＳ１６に戻る。ステップＳ２０における判断結果が肯定的である場合、制御器２７は、ステップＳ２１に進み、ヒートアップ処理Ｈ２を強制終了する。このように、何らかの理由により排気経路１７におけるＣＯ濃度が急激に上昇した場合に、ヒートアップ処理Ｈ２を強制終了することにより、第２ＣＯセンサ２１の破損を防止できる。なお、制御器２７がヒートアップ処理Ｈ２を強制終了する場合、例えば、燃料電池システム１００を停止させるための処理が実行される。ステップＳ１６における判断結果が肯定的である場合、ステップＳ１７に進みヒートアップ処理Ｈ２を通常終了する。その後、制御器２７は、ステップＳ１８に進み燃焼器１５の運転時間をリセットし、ステップＳ１の再開に備える。
【００３９】
このように、制御器２７は、第１ＣＯセンサ１９に対するヒートアップ処理Ｈ１が終了した後に第２ＣＯセンサ２１に対するヒートアップ処理Ｈ２を実行する。このため、ヒートアップ処理Ｈ１の期間に第２ＣＯセンサ２１によって排気経路１７におけるＣＯ濃度を検出できる。加えて、ヒートアップ処理Ｈ２の期間に第１ＣＯセンサ１９によって排気経路１７におけるＣＯ濃度を検出できる。これにより、ＣＯセンサに対するヒートアップ処理とＣＯセンサによるＣＯ濃度の検出とを同時に行うことができるので、燃料電池システム１００の定常運転期間中にもＣＯセンサに対するヒートアップ処理を実行できる。なお、制御器２７は、ヒートアップ処理Ｈ２の終了後にヒートアップ処理Ｈ１を実行してもよい。
【００４０】
発電期間（定常運転期間）において、制御器２７は、第１ＣＯセンサ１９に対するヒートアップ処理Ｈ１及び第２ＣＯセンサ２１に対するヒートアップ処理Ｈ２の終了後に、以下に説明する方法に従って第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１の健全性を確かめる処理を実行してもよい。この場合、制御器２７は、例えば、ヒートアップ処理Ｈ２の終了直後から、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。
【００４１】
まず、ステップＳ１０１において、第１ＣＯセンサ１９の検出値及び第２ＣＯセンサ２１の検出値を取得する。ステップＳ１０２において、取得した各検出値が所定の閾値（以下、「第３閾値」と称する）以下かどうかを判断する。第３閾値（第３閾値濃度）は、例えば、２５０ｐｐｍ〜６０００ｐｐｍの範囲内で設定される。
【００４２】
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６Ａ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３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３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、燃焼電池システム１００の運転はそのまま継続される。ステップＳ１１１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。
【００４３】
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３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Ｓ１０３において、検出値の両方が第３閾値を越えているかどうかを判断する。
【００４４】
図６Ｂ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３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。
【００４５】
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３閾値を越えているとき、ステップＳ１０４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３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。
【００４６】
次に、ステップＳ１０５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３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Ｓ１０６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。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。
【００４７】
他方、図６Ｃ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３閾値以下であり、他方が第３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３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３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。通常、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６Ｃ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６Ｃでは、第２ＣＯセンサ２１の検出値が第３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。
【００４８】
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３閾値を越えているとき、ステップＳ１０７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３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。
【００４９】
次に、ステップＳ１０８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Ｓ１０８における閾値時間は、ステップＳ１０５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３閾値を越え、他方が第３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３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Ｓ１０９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Ｓ１１０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。
【００５０】
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３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３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の健全性を監視することができる。また、第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１に対するヒートアップ処理がなされた後に、第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１の健全性を確認できる。このため、第１ＣＯセンサの検出値及び第２ＣＯセンサの検出値が各センサに付着した汚染物質により影響を受けにくい状態で第１ＣＯセンサ１９及び第２ＣＯセンサ２１の健全性を確認できる。
【００５１】
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。
【００５２】
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３閾値を越えるＣＯ濃度が検出されたとき、燃焼電池システム１００を停止させる及び／又は再起動を禁止する。詳細には、第３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、燃焼電池システム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３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。
【００５３】
図５のフローチャートでは、第３閾値が１つのみ設定されており、この第３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３閾値は１つに限定されず、複数の第３閾値（第３閾値濃度）が設定されていてもよい。複数の第３閾値が設定されているとき、複数の第３閾値のそれぞれに対応して、ステップＳ１０５及びステップＳ１０８の閾値時間が設定されていてもよい。例えば、第３閾値として、３００ｐｐｍ、１０００ｐｐｍ及び６０００ｐｐｍの３段階の第３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。
【００５４】
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。
【００５５】
（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７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。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
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。
【符号の説明】
【００５７】
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
２８  電源回路
１００  燃料電池システム
２００  水素生成装置
【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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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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