(57)【要約】【課題】火炎検出部や火炎検出回路が故障している場合でも燃焼の消火を検出すること。【解決手段】燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池２と、炭化水素を含む原料ガスと水とを改質反応させて前記燃料ガスを生成する水素生成器１と、可燃性ガスを燃焼して前記水素生成器を加熱する燃焼器３と、前記燃焼器３の火炎を検知する火炎検出器４と、前記火炎検出器と接続されている火炎検出回路１１と、前記水素生成器の温度を検知する温度検出器５と、制御器１０とを備え、前記火炎検出器４や前記火炎検出回路１１が故障している場合でも前記温度検出器１１５に異常が見られる場合は消火していると判定することで、火炎が消火しているにも関わらず、前記燃焼器に燃焼ガスを供給し続けるといったことを防止することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、
炭化水素を含む原料ガスと水とを改質反応させて前記燃料ガスを生成する水素生成器と、
可燃性ガスを燃焼して前記水素生成器を加熱する燃焼器と、
前記燃焼器の火炎を検知する火炎検出器と、
前記火炎検出器と接続されている火炎検出回路と、
前記水素生成器の温度を検知する温度検出器と、
制御器と、
を備え、
前記制御器は、前記火炎検出回路が前記燃焼器の火炎を検知しているときに、前記温度検出器が前記水素生成器の温度下降の割合が予め定められる第１割合以上であることを検知した場合と、前記水素生成器を起動させるときに、前記水素生成器が予め定められる第１温度以上にならないことを検知した場合と、同じく前記水素生成器を起動させるときに、前記温度検出器が前記水素生成器の温度上昇の割合が予め定められる第２割合以下であることを検知した場合のうちの少なくとも一つの場合に、前記燃焼器の火炎が消火していると判定する、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記水素生成器に投入される原料ガスの流量を計測するガス流量計測部を備え、
前記温度検出器が前記水素生成器の温度上昇の割合が予め定められる第２割合以下であることを検知した場合に、前記燃焼器の火炎が消火していると判定する場合において、前記第２割合を、前記ガス流量計測部で測定した水素生成器に投入されるガス流量に応じて変動させる、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記火炎検出器と前記火炎検出回路とをつなぐ信号ラインに配置されている開閉器を備え、
前記制御器は、前記火炎検出回路が前記燃焼器の火炎を検知している場合に前記制御器が前記燃焼器の火炎が消火していると判定した場合、前記開閉器を開放させて前記火炎検出器と前記火炎検出回路とを遮断し、前記火炎検出回路の故障診断を行う、
請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記火炎検出回路と接続しており、前記燃焼器が火炎状態にあることを模擬した模擬火炎回路と、
前記火炎検出回路の接続先を前記模擬火炎回路と前記火炎検出器とのいずれか一方に切替える切替え器とを備え、
前記制御器は、前記火炎検出回路が前記燃焼器の火炎を検知している場合に前記制御器が前記燃焼器の火炎が消火していると判定した場合、前記切替え器により前記火炎検出回路の接続先を前記模擬火炎回路に切替えて前記火炎検出回路の故障診断を行う、
請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御器は、前記火炎検出回路が前記燃焼器の火炎を検知している場合に前記制御器が前記燃焼器の火炎が消火していると判定した場合に、前記火炎検出回路が故障していないと判定された場合は、所定の時間経過しても前記水素生成器の前記温度検出器の温度に異常が継続した場合に前記火炎検出器が故障していると判定する、
請求項４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、火炎検出機能を有する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から燃料電池発電システムは、水素生成器により水素を主成分とする燃料ガスである水素ガスを生成し、生成した水素ガスと酸化剤ガスとを改質反応させて発電を行う。水素ガスを生成する水素生成器で、発電に使うことが出来る高濃度水素ガスを生成するには、水素生成器の温度を６００℃から７００℃まで上昇させる必要であり、温度を上昇させるために燃焼器を用いて温度を上昇させる必要がある。
【０００３】
この燃焼器の火炎の検出にはフレームロッド方式を用いていることが多い。火炎は電気的に中性であるが一種のプラズマを形成しており、火炎中に電極（フレームロッド）を設け、フレームロッドとバーナー間に電圧を印加するとイオン電流が流れる。イオン電流は火炎があるときに流れ、火炎がない時には流れない。
【０００４】
例えば、フレームロッドとバーナー間に交流電圧を印加した場合、火炎がある場合は火炎の整流作用により一方向のみに電流が流れ、この電流を検出して火炎の有無の検出を行うことが出来る。この整流作用は、燃料中の炭化水素がイオン化されることによるので、燃料中にメタンやプロパンなどの炭化水素がない場合や、燃料中の炭化水素の濃度が低い場合には、判定に必要な電流が流れず、火炎を検出できない場合がある。
【０００５】
燃料電池発電システムは、燃焼器で燃焼されるガスがシステムの状態によって異なり、発電に至るまでの間は改質の原料ガスとなる都市ガス（主成分がメタン）やＬＰＧガス（主成分がプロパン）を燃焼し、水素生成器の温度を上昇させる。
【０００６】
そして、水素生成器が改質を開始可能な状態になると、改質されたガスが燃料電池に送られるが、その一部の未反応水素ガス（オフガス）は、水素生成器の燃焼器に戻され、燃焼ガスとして再利用することで、水素生成器の効率および燃料電池システムの効率を上げている。但し、未反応水素ガスのみでは燃焼のエネルギーとしては不十分であるため、原料ガスを混合させることで安定した燃焼を実現している。
【０００７】
しかしながら、水素の燃焼により発生するイオン電流は小さいので、原料ガスにオフガスが混合されると、炭化水素成分の割合が少なくなり水素の割合が多くなるためにイオン電流が小さくなり、フレームロッドによる火炎の検知が不安定になり、場合によっては、火炎の有無の検出が正確に行えない場合がある。
【０００８】
このように、燃料電池発電システムは、燃焼器で燃焼されるガスがシステムの状態によって異なるため、安定した火炎の有無を検出するため、燃焼器で燃焼されるガスの種類によって閾値を変化させる炎検知を行うようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−９０８５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前記従来の構成では、燃焼器で燃焼される燃焼ガスが、都市ガスなどの炭化水素系ガスである場合と、水素を含んでいるオフガス、又は、オフガスと都市ガスなどの炭化水素系ガスとの混合ガスの場合で閾値を切替えている。しかしながら、オフガスや混合ガスを用いた燃焼の場合は燃料電池の発電量などによって混合ガス中のオフガスの量は一定ではないので、閾値の設定によっては火炎有無の検出を正確に行うことができなかったり、火炎の有無の検出に時間を要したりする場合がある。
【００１１】
特に改質が進み、都市ガスなどの炭化水素系ガスの燃焼から、水素を含むオフガスの燃焼に切換わる際は、燃焼状態が安定せず、火炎の状態が不安定になる傾向が高くなるので、その際に火炎の有無の誤検知や火炎の検出を一時的に停止し誤検知を防止する必要がある。
【００１２】
また、仮にフレームロッドやフレームロッドにより検出する電流や電圧の回路に異常が発生した場合には、火炎の有無を検出できないという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、炭化水素を含む原料ガスと水とを改質反応させて燃料ガスを生成する水素生成器と、可燃性ガスを燃焼して水素生成器を加熱する燃焼器と、燃焼器の火炎を検知する火炎検出器と、火炎検出器と接続されている火炎検出回路と、水素生成器の温度を検知する温度検出器と、制御器とを備え、制御器は、火炎検出回路が燃焼器の火炎を検知しているときに、温度検出器が水素生成器の温度下降の割合が予め定められる第１割合以上であることを検知した場合と、水素生成器を起動させるときに、水素生成器が予め定められる第１温度以上にならないことを検知した場合と、同じく水素生成器を起動させるときに、温度検出器が水素生成器の温度上昇の割合が予め定められる第２割合以下であることを検知した場合のうちの少なくとも一つの場合に、燃焼器の火炎が消火していると判定するものである。
【００１４】
これによって、火炎が消火していることを、火炎検出器および火炎検出回路による手段と、水素生成器の温度検出器のどちらかで検知することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の燃料電池システムは、火炎が消火していることを、火炎検出器と火炎検出回路による手段と、水素生成器の温度検出器で行うので、火炎検出回路が燃焼器の火炎を検知している場合でも、温度検出器に異常が見られる場合は消火していると判定することで、火炎有無の検出が難しい水素を含むオフガスの不安定な燃焼がされている場合や、燃焼器の燃焼ガスの水素濃度が高くイオン電流が少ない場合であっても、正確に火炎の消火を検知することができる。
【００１６】
また、火炎検出回路が燃焼器の火炎を検知している場合には、火炎検出器や火炎検出回路が故障している場合も考えられるので、これらが故障している場合でも温度検出器に異常が見られる場合は消火していると判定することで、火炎が消火しているにも関わらず、燃焼器に燃焼ガスを供給し続けるといったことを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施の形態１における燃料電池システムの構成図
【図２】実施の形態１において水素生成器の触媒温度の状態を示す図
【図３】実施の形態１において発電中に消火した場合の水素生成器の触媒温度の状態を示す図
【図４】実施の形態１における燃料電池システムの動作の一部を示すフロー図
【図５】実施の形態１において起動中に水素生成器の触媒温度が第１温度以上にならない場合の触媒温度の状態を示す図
【図６】実施の形態１において起動中に水素生成器の触媒温度が温度上昇ΔＴ２以上にならない場合の触媒温度の状態を示す図
【図７】実施の形態２における燃料電池システムの構成図
【図８】実施の形態２における開閉器の動作状態を示す図
【図９】実施の形態３における燃料電池システムの構成図
【図１０】実施の形態３における切替え器の動作状態を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
第１の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、炭化水素を含む原料ガスと水とを改質反応させて燃料ガスを生成する水素生成器と、可燃性ガスを燃焼して水素生成器を加熱する燃焼器と、燃焼器の火炎を検知する火炎検出器と、火炎検出器と接続されている火炎検出回路と、前記水素生成器の温度を検知する温度検出器と、制御器とを備え、前記制御器は、前記火炎検出回路が前記燃焼器の火炎を検知しているときに、前記温度検出器が前記水素生成器の温度下降の割合が予め定められる第１割合以上であることを検知した場合と、前記水素生成器を起動させるときに、前記水素生成器が予め定められる第１温度以上にならないことを検知した場合と、同じく前記水素生成器を起動させるときに、前記温度検出器が前記水素生成器の温度上昇の割合が予め定められる第２割合以下であることを検知した場合のうちの少なくとも一つの場合に、前記燃焼器の火炎が消火していると判定する燃料電池システムである。
【００１９】
上記の構成によると、火炎が消火していることを、火炎検出器と火炎検出回路による手段と、水素生成器の温度検出器の少なくとも一方で検知することができるので、火炎検出回路が燃焼器の火炎を検知している場合でも、温度検出器に異常が見られる場合は消火していると判定することで、火炎有無の検出が難しいオフガスを含んだ不安定な状態や、燃焼器の燃焼ガスの水素濃度が高くイオン電流が少ない場合であっても、正確に火炎の消火を検知することができる。
【００２０】
また、火炎検出回路が燃焼器の火炎を検知している場合には、火炎検出器や火炎検出回路が故障している場合も考えられるので、これらが故障している場合でも温度検出器で異常を検知した場合は消火していると判定することで、火炎が消火しているにも関わらず、燃焼器に燃焼ガスを供給し続けるといったことを防止することができる。
【００２１】
第２の発明は、第１の発明において、水素生成器に投入される原料ガスの流量を計測するガス流量計測部を備え、温度検出器が水素生成器の温度上昇の割合が予め定められる第２割合以下であることを検知した場合に、燃焼器の火炎が消火していると判定する場合において、第２割合を、ガス流量計測部で測定した水素生成器に投入されるガス流量に応じて変動させる、燃料電池システムである。
【００２２】
上記構成によると、水素生成器を燃焼器で温度を上げる際に、原料ガスの投入量などの影響により水素生成器の温度上昇の速度が変動する場合がある。燃焼器の火炎が消火していると判定する第２の割合を、燃料電池の起動状態（水素生成器に投入される原料ガスの量）によって変動させることにより、火炎検出回路の検出精度を向上させることができる。
【００２３】
第３の発明は、第１または第２の発明において、火炎検出器と火炎検出回路とをつなぐ信号ラインに配置されている開閉器を備え、制御器は、火炎検出回路が燃焼器の火炎を検知している場合に制御器が燃焼器の火炎が消火していると判定した場合、開閉器を開放させて火炎検出器と火炎検出回路とを遮断し、火炎検出回路の故障診断を行う、燃料電池シ
ステムである。
【００２４】
上記構成によると、制御器が燃焼器の火炎を検知しているにも関わらず水素生成器の温度計測器の計測結果により異常を検出した場合には火炎が消火した可能性があるとし、火炎検出回路と火炎検出器を遮断し、どちらが故障しているかを判別することで故障箇所の特定をすることができ、メンテ性、部品交換の作業性を向上させることができる。
【００２５】
第４の発明は、第１または第２の発明において、火炎検出回路と接続しており、燃焼器が火炎状態にあることを模擬した模擬火炎回路と、火炎検出回路の接続先を模擬火炎回路と火炎検出器とのいずれか一方に切替える切替え器とを備え、制御器は、火炎検出回路が燃焼器の火炎を検知している場合に制御器が燃焼器の火炎が消火していると判定した場合、切替え器により火炎検出回路の接続先を模擬火炎回路に切替えて火炎検出回路の故障診断を行う、燃料電池システムである。
【００２６】
上記構成によると、故障診断を行う際に、火炎検出器から火炎を模擬した模擬火炎回路に接続して、火炎検出回路の動作確認を行うことで、火炎検出回路と火炎検出器のどちらが故障しているかをより正確に特定することができる。
【００２７】
第５の発明は、第４の発明において、制御器は、火炎検出回路が燃焼器の火炎を検知している場合に制御器が燃焼器の火炎が消火していると判定した場合に、火炎検出回路が故障していないと判定された場合は、所定の時間経過しても水素生成器の温度検出器の温度に異常が継続した場合に火炎検出器が故障していると判定する、燃料電池システムである。
【００２８】
上記構成によると、燃焼器で燃焼される燃焼ガスに含まれる水素の量が多くなるとイオン電流が小さくなり、フレームロッドによる火炎の検知が不安定になるので、火炎検出回路が故障していないことを確認した後、再度火炎検出器により火炎の状態を検出してから故障の確定をすることで、故障の誤判断を低減することができるので、機器の信頼性を向上させることができる。
【００２９】
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。なお、全ての図面において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、本発明を説明するために必要な構成要素のみを示しており、それ以外の構成要素については省略している。また、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００３０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態としての燃料電池システムである。
【００３１】
図１に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム５１は、その発電部の本体として燃料電池２と、燃料電池２を発電するため、燃料電池システム５１の制御を行う制御器１０を備えている。
【００３２】
燃料電池２は、後述する水素生成器１により生成される水素を豊富に含んだ燃料ガスと、後述する酸化剤ガス供給部３３より供給される空気（酸化剤ガス）とを用いて直流の電力を発電するものである。
【００３３】
又、図１に示すように、燃料電池システム５１は、水素生成器１を備えている。水素生成器１は、原料ガス供給部３１より供給された都市ガス（主成分がメタン）やＬＰガス（主成分がプロパン）といった炭化水素系ガスである原料ガスを水蒸気改質反応により、水素含有ガスである燃料ガスを生成する改質触媒（以下、適宜「触媒」という）を備えてい
る。水素生成器１に投入される原料ガスの量は、ガス流量計測部３４により計測される。なお、水素生成器１は、改質触媒に加え、改質された燃料ガス中の一酸化炭素を低減するために水と一酸化炭素を反応させるシフト反応用の触媒、シフト反応をさせた燃料ガス中の一酸化炭素をさらに低減するため選択酸化反応をさせる選択酸化触媒を備えてもよい。
【００３４】
水素生成器１は、水蒸気改質反応を進行させるため図１では特に図示しない触媒を備えている。さらに水素生成器１は、この触媒を加熱するために例えば、燃料電池２で発電に使われずにアノードから排出された未反応水素ガス（以下、適宜「オフガス」という）を燃焼させる水素生成器１内の燃焼器３と、燃焼器３に供給されたオフガスなどの可燃性ガスに点火するための点火電極６を備えている。オフガスは、オフガス供給部３２により燃焼器３へ供給される。また燃焼器３には、図１では特に図示しない燃焼ファンにより燃焼に必要な酸素を含む空気が供給される。ここで燃焼器３は、燃料電池２で排出されオフガス供給部３２から供給されるオフガス、水素生成器１で生成される燃料ガス、および、原料ガス供給部３１より供給される都市ガスなどの原料ガスの何れかのガスを燃焼させて、触媒を加熱するためのエネルギーを生成する。
【００３５】
水素生成器１は、燃焼器３の近傍に燃焼状態を検知するための火炎検出器４を備えている。火炎検出器４は一般的にフレームロッドと呼ばれるセンサであり、火炎検出回路１１で電圧値に変換される。変換された電圧は、制御器１０に入力され、火炎の有無の判定を行っている。
【００３６】
また、水素生成器１は、水素生成器１の触媒の温度を検出する温度検出器５を備えている。水素生成器１は、原料ガス供給部３１より供給された都市ガスやＬＰガスといった炭化水素系ガスである原料ガスを水蒸気改質反応により水素を生成する際、改質反応を進めるための改質熱や水や原料ガスを蒸発させるための蒸発熱が必要である。水蒸気改質の際に必要な温度はガスの種類によって異なるが、例えば都市ガスの主成分であるメタンの水蒸気改質には６００℃〜９００℃程度の熱が必要である。温度検出器５は、水素生成器１の触媒の温度を測定している。
【００３７】
温度検出器５は熱電対やサーミスタのセンサであり、温度検出回路１２でセンサの出力を増幅したり、電圧に変換したりして、制御器１０で水素生成器１の触媒の温度を測定している。
【００３８】
次に、本発明の第１の実施の形態の動作について図１から図６を用いて説明する。
【００３９】
まず、図１に示す燃料電池システム５１の発電運転を開始する際には、燃料電池２の発電運転において必要な水素を豊富に含む燃料ガスを生成するために、水素生成器１を起動する必要がある。具体的には、水素を生成するための原料となる原料ガス（例えば都市ガス）を図１に示す原料ガス供給部より水素生成器１に供給する。また、水蒸気改質反応を進行させるための水蒸気を生成するための水を水供給部（図示せず）により水素生成器１に供給する。また、水素生成器１において水蒸気改質反応を進行させるために、水素生成器１に設けられている触媒を燃焼器３により加熱する。
【００４０】
図２は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの触媒温度の状態を示す図である。図２に示すように、燃料電池が発電可能状態になるまでには、前述したように、水素生成器１の触媒の温度を水蒸気改質反応が安定的に行うことができる温度にまで上昇させる必要がある。この水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、常に大量の熱を供給する必要があり、起動するまでに２０分から１時間程度必要であり、図２に示すように触媒の温度は緩やかな温度上昇となる。
【００４１】
起動時は、図示しない燃焼ファンにより燃焼に必要な酸素（空気）を燃焼器３に供給する。また、燃焼器３には水素を生成するための原料ガスであり、かつ、燃焼に必要な原料ガス（例えば都市ガス）を供給する。燃焼器３で空気とガスが混合され、ここに点火電極６により火花放電が行われ燃焼器３で燃焼が開始される。
【００４２】
燃焼器３が燃焼を開始すると、火炎検出器４と燃焼器３のフレーム間に火炎が発生し、火炎に発生する火炎のイオン電流を火炎検出回路１１で電圧値に変換される。変換された電圧は、制御器１０に入力され、火炎有りと判定される。
【００４３】
燃焼器３が燃焼を開始すると、触媒の温度が徐々に上昇していくわけであるが、温度検出器５により水蒸気反応に必要な温度になっているかどうかを判定しながら起動を継続していく。そして、触媒の温度が水蒸気改質を安定的に行うことが可能な温度になると、燃料電池２に水素生成器１で生成した水素を供給し、酸化剤ガス供給部３３より供給される酸素を含む空気（酸化剤ガス）とを用いて発電を開始する。
【００４４】
起動時に燃焼するガスが都市ガスなどの原料ガスであったが、発電時は、水素生成器１で生成される水素を主成分とする燃料ガス、もしくは燃料電池２で発電に使われなかった未反応水素ガス（オフガス）を燃料として燃焼を継続し、水蒸気改質反応に必要な熱エネルギーを継続して供給する。
【００４５】
発電時の火炎の有無の判定も起動時と同様に火炎検出器４と燃焼器３のフレーム間に発生した火炎のイオン電流を火炎検出回路１１で電圧値に変換し、制御器１０により所定の信号が得られているかどうかを判定する。
【００４６】
起動時と発電時とで燃焼に用いるガスの成分が異なるわけであるが、起動時の燃焼に用いている都市ガスなどの原料ガスは、燃焼中に炭化水素が多いのでイオン電流が多く流れる。そのため、火炎検出器４で大きな電気信号を得ることができ、火炎の有無を検出しやすい。
【００４７】
一方、発電時の燃焼の主成分はオフガスや燃料ガスであり、これらのガスは水素が豊富に含まれる状態のガスであるため炭化水素の濃度が少なくなり、イオン電流が少なくなるので、火炎の有無信号を検出しにくい。
【００４８】
しかしながら、火炎有無の安定した検出というのは、システムを安定して運転するためには必要不可欠である。燃焼器３が何かしらの要因で故障し消火してしまった状態にも関わらず、燃焼用のガスを供給し続けることになるからであり、燃焼し熱エネルギーに変換されないガスは、そのまま燃料電池システム５１の機体内外にガス漏れを起こす可能性があるからである。
【００４９】
なお、消火とは火が消えている状態を意味しており、火炎がついている状態から火炎が消えた状態に変化した場合を意味するわけではなく、以下同様の意味で用いる。
【００５０】
火炎を正確に検出するためには、燃焼器３で燃焼するガスの成分に関係なく、オフガスや燃料ガスの燃焼時で火炎のイオン電流が少ない場合でも安定して検出できるようにする必要がある。
【００５１】
一方で、イオン電流が少ないということは、火炎は模式的には非常に大きなインピーダンスを持った抵抗体であると置き換えられる。つまり、イオン電流が少なくなればなるほど、火炎がない状態（オープン）に近い状態になるので、火炎検出回路１１で微小なイオン電流まで検出しようとすると、火炎の有無を誤判定したり、火炎検出器４であるフレー
ムロッドとフレーム間に生じた水蒸気などによる高インピーダンスも火炎と誤検知したりする場合がある。
【００５２】
また、燃料電池システム５１は他の燃焼機器（ガス給湯器や石油ストーブなど）と比べて、少なくとも起動中、発電中は水蒸気改質反応を促進するための熱エネルギーを供給し続ける必要があるため、一度の運転で比較的燃焼時間が長い傾向がある。また、燃料電池システム５１は、屋外の目につきにくい場所に設置されることが多い。よって、例えば、燃焼の途中で火炎検出器４や、火炎検出回路１１に不具合が発生し、正常に火炎有無の検出ができなくなった状態で、想定外の消火が起きた場合、燃焼器３に燃焼用のガスを供給し続ける時間も長くなる可能性がある。
【００５３】
よって燃料電池システム５１は、オフガスや燃料ガス燃焼時のイオン電流が小さい火炎の場合でも確実に燃焼状態を把握し、かつ、火炎検出器４や火炎検出回路１１が故障や誤動作を発生した場合でも、出来るだけ短時間でシステムを安全に停止する必要がある。
【００５４】
図３は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムが発電中に消火した場合の触媒温度の状態を示す図である。
【００５５】
例えば、ここで火炎検出回路がその内部の部品の故障で常に制御器１０に火炎有りの信号を入力する状態になった場合を想定する。
【００５６】
図３に示すように、燃料電池システム５１が発電中に消火したにも関わらず、火炎の有無信号が火炎有りと誤検知している場合、熱エネルギーの供給を断たれるため、水素生成器の触媒の温度が低下する。火炎が消火した場合の温度低下の幅は、火炎が消火した場合に水素生成器１の温度が低下する幅であり、ΔＴ１として実験やシミュレーションなどで予め任意に定めることができる。
【００５７】
本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムは、火炎検出回路１１により制御器１０が火炎を検知している場合でも、水素生成器１の温度を計測している温度検出器が計測している温度下降の割合が、予め定められている第１割合以上であると検出すると火炎が消火していると判定する。これにより、火炎有無の検出が難しいオフガスを含んだ不安定な状態や、燃焼器３の燃焼ガスの水素濃度が高くイオン電流が少ない場合であっても、正確に火炎の消火を検知することができる。
【００５８】
また、火炎検出回路１１が燃焼器の火炎を検知した場合でも温度検出器５に異常が見られる場合は消火していると判定することで、火炎が消火しているにも関わらず、燃焼器３に燃焼ガスを供給し続けるといったことを防止することができる。
【００５９】
以上は、発電中の火炎の消火を中心に述べたが、次に、起動時から発電時までの一連の燃料電池システムの火炎検出について説明する。
【００６０】
図４は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの動作の一部を模式的に示すフロー図である。
【００６１】
図４に示すように、燃料電池が発電の準備のため起動を開始すると（Ｓ−１）、まず、システムの初期状態として火炎を検出していないことを確認する（Ｓ−２）。点火電極６の放電による点火動作の前で、燃焼を確実に行っていない状態にも関わらず、火炎を検出しているということは、火炎検出器４もしくは火炎検出回路１１が故障、もしくは誤検知しているためであり、この場合は火炎検出器４、又は火炎検出回路１１が故障として（Ｓ−３）システムを停止させる。
【００６２】
初期状態の確認で異常が見られなかった場合は、燃焼器３にここでは特に図示しない燃焼ファンにより燃焼に必要な酸素（空気）と、燃焼に必要な原料ガス（例えば都市ガス）を供給する。燃焼器３で空気とガスが混合され、ここに点火電極６により点火され（Ｓ−４）燃焼器３で燃焼が開始される。
【００６３】
燃焼が開始されると、水素生成器１の触媒が加熱され、水素生成器１の温度も上昇するはずであるが、水素生成器１が予め定められる第１温度Ｔ３以上にならないことを検知した場合（Ｓ−５）は、火炎検出器４もしくは火炎検出回路１１が故障、もしくは誤検知しているためであり、この場合は火炎検出器４、又は火炎検出回路１１が故障として（Ｓ−６）システムを停止させる。
【００６４】
図５は、水素生成器が予め定められる第１温度Ｔ３以上にならない場合の触媒温度の状態を示す図である。
【００６５】
第１温度Ｔ１も比較的初期状態の不具合を検出することを目的としており、Ｔ３として実験やシミュレーションからガスの最大漏れ量などから決定し、予め任意に定めることができる。
【００６６】
順調に温度が上昇し、温度がＴ３以上になって以降、水素生成器１の温度上昇が進まず、その温度上昇値が予め定められる第２割合ΔＴ２以下であることを検知した場合（Ｓ−７）、火炎検出器４もしくは火炎検出回路１１が故障、もしくは誤検知しているためであり、この場合は火炎検出器４、又は火炎検出回路１１が故障として（Ｓ−８）システムを停止させる。
【００６７】
但し、触媒の温度がＴ３以下の時に温度上昇ΔＴ２に達しないことを検出した場合でも、燃焼していない可能性は高く、最終的にはＴ３の温度にまで達しないと推測できるため、発明の効果は変わらない。
【００６８】
温度上昇ΔＴ２は、正常に燃焼を続けている場合の水素生成器１の温度上昇の幅であり、ΔＴ２以上の温度上昇がなければ消火していると判断することができ、予め任意に定めることができる。水素生成器１の温度の上昇速度は、水素生成器１の起動状態によっても異なる。例えば、水素生成器１に投入される原料ガスの量は、ガス流量計測部３４により計測され、水素生成器１に投入される原料ガスの投入量が少ない場合は温度上昇の速度がゆるやかになり、投入量が多い場合は温度上昇の速度が速くなる。
【００６９】
よって、温度上昇ΔＴ２の値を水素生成器１の起動状態、例えば原料ガスの投入量によって変動させることによって、起動時の燃焼の消火の検出精度を高めたり、誤検知を防止したりすることができる。
【００７０】
図６は、水素生成器１が予め定められる温度上昇ΔＴ２以上にならない場合の触媒温度の状態を示す図である。
【００７１】
水蒸気改質反応に十分安定した温度になると、発電が開始される（Ｓ−９）。以降、水素生成器１の温度はほぼ一定の温度に保たれるため、前述したように、水素生成器１の温度の計測を継続し、温度下降の割合が、予め定められている第１割合ΔＴ１以上であると検出すると（Ｓ−１０）、火炎検出器４、又は火炎検出回路１１が故障として（Ｓ−１１）システムを停止させる。
【００７２】
このように、制御器１０は、火炎検出回路１１が燃焼器３の火炎を検知している場合で
も、温度検出回路１２が水素生成器１の温度下降の割合が予め定められる第１割合ΔＴ１以上であることを検知した場合、水素生成器１を起動させる場合において、水素生成器１が予め定められる第１温度Ｔ３以上にならないことを検知した場合、及び、温度検出回路１２が水素生成器１の温度上昇の割合が予め定められる第２割合ΔＴ２以下であることを検知した場合のうちの少なくとも一つの場合に、燃焼器３の火炎が消火していると判定する、燃料電池システム５１とすることで、火炎有無の検出が難しいオフガスを含んだ不安定な状態や、燃焼器３の燃焼ガスの水素濃度が高くイオン電流が少ない場合であっても、正確に火炎の消火を検知することができる。
【００７３】
また、火炎検出回路１１が燃焼器３の火炎を検知した場合でも温度検出器５に異常が見られる場合は消火していると判定することで、火炎が消火しているにも関わらず、燃焼器３に燃焼ガスを供給し続けるといったことを防止することができる。
【００７４】
（実施の形態２）
実施の形態２は、実施の形態１に加えて、燃料電池システム５１に火炎検出器４と火炎検出回路１１とをつなぐ信号ラインに配置されている開閉器１３を設ける場合の実施例であり、その他の構成、動作は実施の形態１と同じである。
【００７５】
そこで以下では実施の形態２の構成、動作について、実施の形態１との相違点を中心に述べ、その他の構成、動作については実施の形態１と同じものとする。
【００７６】
図７は、本発明の第２の実施の形態としての燃料電池システム５１である。尚、図７においては、本発明を説明するために必要な構成要素のみを示しており、それ以外の構成要素については省略している。
【００７７】
図７に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム５１は、火炎検出器４と火炎検出回路１１とをつなぐ信号ラインに配置されている開閉器１３を備えている。
【００７８】
本発明の実施の形態１で述べたように、火炎検出器４と温度検出器５を用いて、火炎検出回路１１が燃焼器の火炎を検知している場合でも、温度検出器５により計測される水素生成器の温度に異常が見られる場合は、消火と判定することで、燃焼中の火炎検出器４や火炎検出回路１１が誤検知したり、部品故障している場合でも火炎の消火を判定することができる。
【００７９】
図８は、発電中に火炎検出回路が火炎有りと検出している場合に燃焼が停止した場合を示す図である。
【００８０】
図８において、火炎を検出しているにも関わらず、水素生成器１の温度低下ΔＴ１を検出すると、制御器１０は火炎なしと判断し、システムを停止させる。このとき、開閉器１３を遮断し、火炎検出器４と火炎検出回路１１を遮断する。つまり、強制的に火炎なしの状態を作る。この遮断した状態にも関わらず、制御器１０が火炎ありと判定した場合は、火炎検出回路１１が故障していると判断することができる。
【００８１】
このように、燃料電池システム５１に火炎検出器４と火炎検出回路１１とをつなぐ信号ラインに配置されている開閉器１３を設けて、消火判定したときに、火炎検出器４と火炎検出回路１１を遮断し、火炎検出器４と火炎検出回路１１のどちら側が故障しているか判定することで、メンテ性、部品交換の作業性を向上させることができる。
【００８２】
（実施の形態３）
実施の形態３は、実施の形態１に加えて、燃料電池システム５１に火炎検出回路１１と
接続しており、燃焼器３が火炎状態にあることを模擬した模擬火炎回路１５と、火炎検出回路１１の接続先を模擬火炎回路１５と火炎検出器４とのいずれか一方に切替える切替え器を設ける場合の実施例であり、その他の構成、動作は実施の形態１と同じである。
【００８３】
そこで以下では実施の形態３の構成、動作について、実施の形態１との相違点を中心に述べ、その他の構成、動作については実施の形態１と同じものとする。
【００８４】
図９は、本発明の第３の実施の形態としての燃料電池システムである。尚、図９においては、本発明を説明するために必要な構成要素のみを示しており、それ以外の構成要素については省略している。
【００８５】
図９に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム５１は、火炎検出回路１１と接続しており、燃焼器３が火炎状態にあることを模擬した模擬火炎回路１５と、火炎検出回路１１の接続先を模擬火炎回路１５と火炎検出器４とのいずれか一方に切替える切替え器１４を備えている。
【００８６】
本発明の実施の形態１で述べたように、火炎検出器４と温度検出器５を用いて、火炎検出回路１１が燃焼器３の火炎を検知している場合でも、温度検出器５により計測される水素生成器１の温度に異常が見られる場合は、消火と判定することで、燃焼中の火炎検出器４や火炎検出回路１１が誤検知したり、部品故障している場合でも火炎の消火を判定することができる。
【００８７】
図１０は、発電中に火炎検出回路が火炎有りと検出している場合に燃焼が停止した場合を示す図である。
【００８８】
図１０において、火炎を検出しているにも関わらず、水素生成器１の温度低下ΔＴ１を検出すると、制御器１０は火炎なしと判断し、システムを停止させる。このとき、切替え器１４により火炎検出回路１１の接続先を模擬火炎回路１５側に接続する。この時、模擬火炎回路１５は、オフガスや燃料ガスを燃焼している時よりも十分大きな電流が流れるようにしておく。つまり、強制的に火炎ありの状態を作る。この火炎有りの状態で、制御器１０が火炎ありと判定した場合は、火炎検出回路１１は正常に動作していると判断できるので、火炎検出器４が故障か誤検知していると判断することができる。
【００８９】
誤検知とは、例えば、火炎検出器４とフレームの間に煤などが付着して火炎が消えているにも関わらず、ある抵抗値が存在してしまっている状態などが考えられる。
【００９０】
このように、燃料電池システム５１に火炎検出回路１１と接続しており、燃焼器３が火炎状態にあることを模擬した模擬火炎回路１５と、火炎検出回路１１の接続先を模擬火炎回路１５と火炎検出器４とのいずれか一方に切替える切替え器を設けて、消火判定したときに、火炎検出回路１１の接続先を模擬火炎回路１５側に接続することで、火炎検出器４と火炎検出回路１１のどちら側が故障しているか判定することで、メンテ性、部品交換の作業性を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明の燃料電池システムは、燃焼検出部や検出回路が故障している場合でも、燃焼器の燃焼が消火したことを新たな部品を設けることなく検出することができるので、間接的に燃焼温度を計測できる構成となっているガス給湯器や暖房機などの燃焼器機に利用することが可能である。
【符号の説明】
【００９２】
１  水素生成器
２  燃料電池
３  燃焼器
４  火炎検出器
５  温度検出器
６  点火電極
１０  制御器
１１  火炎検出回路
１２  温度検出回路
１３  開閉器
１４  切替え器
１５  模擬火炎回路
２１  点火器
３１  原料ガス供給部
３２  オフガス供給部
３３  酸化剤ガス供給部
３４  ガス流量計測部
５１  燃料電池システム
【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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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