(57)【要約】  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。
2017204278.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、
を備えた、水素生成装置。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【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ならびに水素生成装置の運転方法に関する。
【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、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。【０００４】
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。【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】日本国特許第５５８１４６６号公報
【発明の概要】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【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、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】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】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】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】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】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。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
第７態様によれば、第１態様と同じ効果が得られる。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
第９態様によれば、第１態様と同じ効果が得られる。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
次に、燃料電池システム１００の運転について説明する。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
（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。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
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】
【００６５】
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
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【国際調査報告】
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