(57)【要約】【課題】信頼性の高い燃料電池システムの火炎検出回路を提供すること。【解決手段】第１火炎検出回路１２と第２火炎検出回路１３を備えており、制御器１１は、元圧弁５を開けている状態で、信号切替回路１４により、フレームロッド９が検出した信号の送信先を前記第１火炎検出回路１２と前記第２火炎検出回路１３に切替えることにより、火炎検出動作中においても火炎検知を行う火炎検出回路の故障の発生を常時確認でき、信頼性の高い火炎検出回路を実現することができる。【選択図】図１
2013214479.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスが流れる原料ガス配管を介して原料ガスが供給され、原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成する水素生成器と、
前記水素生成器から燃料ガスが供給されて発電を行う発電装置と、
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出するフレームロッドと、
前記フレームロッドが検出した信号を受信して前記燃焼器の燃焼状態を検出する火炎検出回路と、
制御器と、
を備え、
前記火炎検出回路は、少なくとも第１火炎検出回路と第２火炎検出回路とを備えており、
前記制御器は、前記燃焼器で可燃性ガスを燃焼している場合に、前記フレームロッドが検出した信号の送信先を前記第１火炎検出回路と前記第２火炎検出回路とで切り替え、前記第１火炎検出回路および前記第２火炎検出回路のそれぞれの火炎検出回路の火炎検出結果に基づいて、前記第１火炎検出回路および前記第２火炎検出回路の動作に不具合がある場合、異常と判定する動作、異常の報知、運転停止のうちの少なくとも一つを行う燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御器は、前記フレームロッドと、第１火炎検出回路又は第２火炎検出回路と、の接続を切り離した場合に前記火炎検出回路が火炎を検出した場合は、前記火炎検出回路は異常であると判定する、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御器は、前記火炎検出回路が継続して火炎を検出する時間が第１時間以下の場合は、前記火炎検出回路は異常であると判定する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御器は、前記火炎検出回路の異常を検出した場合、原料ガス配管に配置されている元圧弁を閉じる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御器は、前記火炎検出回路の異常を検出した場合、燃料電池システムを停止させる、請求項１〜４のいずれか１項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、燃料電池システムの火炎検出回路の故障診断に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、都市ガス等の炭化水素系燃料を原料ガスとして原料ガスを水素に改質する水素生成器と、一酸化炭素を変成するＣＯ変成器と、一酸化炭素を除去するＣＯ除去器と、水素生成器から供給される水素を含む燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池本体と、燃料電池本体から排出される水素を含む燃料ガスおよび、原料ガスを燃焼して水素生成器の改質反応に必要な熱量を供給する燃焼装置を備えた燃料電池システムや、さらに起動時や停止時に各反応器が安定するまで水素を含む燃料ガスを燃焼する燃焼装置を備えた分散型電源システムとしての燃料電池システムがある。
【０００３】
図２は、従来の燃料電池システムを示す系統図である。
【０００４】
燃料電池システムは都市ガス等の炭化水素系燃料を原料ガスとして原料ガスを水素に改質する水素生成器１と、水素生成器１から供給される水素を含む燃料ガス及び酸化剤ガスよって発電する燃料電池本体２と、起動時は都市ガス等の炭化水素系燃料を原料ガスとして燃焼して水素生成器１を（例えば６００℃から７００℃程度）改質反応に必要な温度まで加熱し、その後、燃料電池本体２から排出される水素を含む燃料ガスおよび、原料ガスを燃焼して水素生成器１の改質反応に必要な熱量を供給するバーナー３を備えた燃焼装置４を備えている。
【０００５】
燃料電池システムは、他に図示しない脱硫器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器などからなる燃料ガス供給装置および空気ポンプ、水タンクなどからなる反応空気供給装置ならびに燃料極、空気極などの電極および水タンク、ポンプ、冷却部などからなる燃料電池本体２の冷却装置を備えている。
【０００６】
燃料電池本体２で発電された電力は図示しないＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧され、図示しない系統連系インバータを介して商用系統電源に接続されている。
【０００７】
燃料電池本体２を用いた燃料電池システムでは、発電と同時に、燃料電池本体２による発電時に発生する熱を利用して温水を生成し、この温水の有効利用を図っている。
【０００８】
燃料電池システムでは、都市ガス等の炭化水素系燃料が脱硫器で脱硫されて硫黄分を除去した後、水素生成器１に脱硫された原料ガスと水蒸気を共に供給され、水素、二酸化炭素、および一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。改質ガスは、ＣＯ変成器で一酸化炭素が二酸化炭素に変成され、次いでＣＯ除去器に供給され、未変成の一酸化炭素が低減され、水素濃度の高い燃料ガスが加湿されて燃料電池本体２の燃料極に供給される。
【０００９】
一方、反応空気供給装置では、反応空気の加湿が行われ、燃料電池本体２における電極反応が適度に維持されるように水分を与えられた後の反応空気が燃料電池本体２の空気極に供給される。
【００１０】
燃料電池本体２では、燃料極に供給された燃料ガス中の水素と、空気極へ供給された酸化剤ガスたとえば空気中の酸素との電気化学反応によって発電が行われる。燃料電池本体２の図示しない冷却装置は、この電気化学反応の反応熱などで燃料電池本体２が過熱しないようにするため、冷却水を循環させ、この冷却水で燃料電池本体２内の温度が発電に適
した温度（例えば７０から８０℃程度）に保たれるように制御している。
【００１１】
水素生成器１における化学反応は吸熱反応であるので、必要な熱量を供給するために加熱しながら化学反応を継続させるためのバーナー３を備えた燃焼装置４を有している。
【００１２】
都市ガス等の炭化水素系燃料を原料ガスとする原料ガスを流す原料ガス配管６と、原料ガス配管６に配置されている元圧弁５を介して燃焼装置４に原料ガスが供給され、
さらに、開閉弁７を備えたオフガス配管８を介して、燃料電池本体２の燃料極を経た未反応水素が燃焼装置４に供給される。
【００１３】
燃料電池システムの始動時には、燃焼装置４に元圧弁５を開けて原料ガス配管６を介して都市ガス等の炭化水素系燃料を原料ガスとする原料ガスが供給されて燃焼が行われ、起動後に、燃料電池本体２の温度が安定したときに、原料ガス配管６からの原料ガスの供給を減少させ、開閉弁７を開けてオフガス配管８を介して燃料極から排出される未反応水素ガス（オフガス）を供給して原料ガスおよび未反応水素ガスの混合物の燃焼が行われる。
【００１４】
以上のような燃料電池システムの水素生成器１の燃焼装置４のバーナー３における安定燃焼の監視や制御や失火（火が消えたことを意味する。消火、と同義）の検出などのための火炎検知には、バーナに向かって流れる微小な電流を測定するフレームロッド９（ｆｌａｍｅｒｏｄ）が用いられていた。
【００１５】
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、火炎中にフレームロッド（電極）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、火炎がない時にはながれない。
【００１６】
例えば、フレームロッド９とバーナー３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。
【００１７】
この整流作用は、燃焼ガス中の炭化水素がイオン化されることによるので、燃焼ガス中に炭化水素がない場合や、燃焼ガス中の炭化水素の濃度が低い場合には、電流が低下するので、フレームロッドによる火炎検知を行う火炎検出回路１２は高感度の電流検出回路で構成されている。
【００１８】
フレームロッドによる火炎検知を行う火炎検出回路の出力によって、都市ガス等の炭化水素系燃料からなる原料ガスと、水素を含む燃料ガスの供給、停止を制御する燃料電池システムは、失火が発生して火炎がないにもかかわらず誤って火炎があるとする誤検知が生じた場合には、原料ガスと燃料ガスを供給し続けることになるから誤検知は未燃焼のガスを外部に放出する不安全な状態を招くことになる。
【００１９】
従って、燃料電池システムのフレームロッドによる火炎検知を行う火炎検出回路には特に信頼性が要求される。
【００２０】
しかしながら、原料ガスと燃料ガスが実際に燃焼していて、フレームロッドによる火炎検知を行う火炎検出回路が火炎検知動作をしている時に、火炎検出回路を構成している電子部品の故障が発生したとき、火炎検出回路の火炎検知動作が火炎有りの場合と、失火検知となる場合がある。
【００２１】
原料ガスと燃料ガスが実際に燃焼していて、故障で火炎検出回路が失火検知を出力する場合は、燃料電池システムは再着火動作もしくは、原料ガスと燃料ガスの供給を停止する
動作を実施する安全サイドに燃料電池システムは制御される。
【００２２】
原料ガスと燃料ガスが実際に燃焼していて、故障で火炎検出回路が火炎検知を出力する場合は、燃料電池システムは故障の発生を検知できない。
【００２３】
しかしながら、燃料電池システムが原料ガスを着火する起動動作の前に、火炎検出回路の出力を確認して、未着火なのに火炎検出回路の出力が火炎検知していれば、火炎検出回路を構成している電子部品の故障による火炎検出回の故障を検出しフェールセーフを実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２４】
【特許文献１】特開２００３−１８７８４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
しかしながら、燃料電池システムは給湯機器に比べて運転時間が極めて長くなり、場合によっては２４時間以上の連続運転も行うため、火炎検出回路の故障検知が燃料電池システムでは問題であるとわかった。
【００２６】
従来の燃料電池システムは需要家の熱需要もしくは電力負荷に応じて、数十時間毎にに起動停止が行われていたが、稼働率を向上さすために燃料電池システムの長時間運転を実施する傾向にあり、燃料電池システムを連続して運転する時間が、数日に及ぶようになっている。従って、安全性確保の上からは、本来的には火炎検出動作中においてこそフレームロッドによる火炎検知を行う火炎検出回路の故障の発生を常時確認する必要だという課題を有していた。
【００２７】
本発明は、従来の課題を解決するもので、火炎検出動作中においても火炎検知を行う火炎検出回路の故障の発生を常時確認でき、信頼性の高い燃料電池システムの火炎検出回路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】
【００２８】
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、
原料ガスが流れる原料ガス配管を介して原料ガスが供給され、原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成する水素生成器と、
水素生成器から燃料ガスが供給されて発電を行う発電装置と、
可燃性ガスを燃焼して水素生成器を加熱する燃焼器と、
燃料器の火炎を検出するフレームロッドと、
フレームロッドが検出した信号を受信して燃焼器の燃焼状態を検出する火炎検出回路と、
制御器と、
を備え、
火炎検出回路は、少なくとも第１火炎検出回路と第２火炎検出回路とを備えており、
制御器は、燃焼器で可燃性ガスを燃焼している場合に、フレームロッドが検出した信号の送信先を第１火炎検出回路と第２火炎検出回路とで切り替え、第１火炎検出回路および第２火炎検出回路のそれぞれの火炎検出回路の火炎検出結果に基づいて、第１火炎検出回路および第２火炎検出回路の動作に不具合がある場合、異常と判定する動作、異常の報知、運転停止のうちの少なくとも一つを行う燃料電池システムである。
【００２９】
これによって、火炎検出動作中においても火炎検知を行う火炎検出回路の故障の発生を
常時確認でき、信頼性の高い燃料電池システムとなる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の燃料電池システムは、火炎検出動作中においても火炎検知を行う火炎検出回路の故障の発生を常時確認でき、信頼性の高い火炎検出回路を用いた燃料電池システムとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムのブロック図
【図２】従来の燃料電池システムのブロック図
【発明を実施するための形態】
【００３２】
第１の発明は、
原料ガスが流れる原料ガス配管を介して原料ガスが供給され、原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成する水素生成器と、
水素生成器から燃料ガスが供給されて発電を行う発電装置と、
可燃性ガスを燃焼して水素生成器を加熱する燃焼器と、
燃料器の火炎を検出するフレームロッドと、
フレームロッドが検出した信号を受信して燃焼器の燃焼状態を検出する火炎検出回路と、
制御器と、
を備え、
火炎検出回路は、少なくとも第１火炎検出回路と第２火炎検出回路とを備えており、
制御器は、燃焼器で可燃性ガスを燃焼している場合に、フレームロッドが検出した信号の送信先を第１火炎検出回路と第２火炎検出回路とで切り替え、第１火炎検出回路および第２火炎検出回路のそれぞれの火炎検出回路の火炎検出結果に基づいて、第１火炎検出回路および第２火炎検出回路の動作に不具合がある場合、異常と判定する動作、異常の報知、運転停止のうちの少なくとも一つを行う燃料電池システムである。
【００３３】
上記構成において、火炎検出動作中においても火炎検知を行う火炎検出回路の故障の発生を常時確認でき、信頼性の高い火炎検出回路を用いた燃料電池システムとすることができる。
【００３４】
第２の発明は、特に、第１の発明において、制御器は、フレームロッドと、第１火炎検出回路又は第２火炎検出回路と、の接続を切り離した場合に火炎検出回路が火炎を検出した場合は、火炎検出回路は異常であると判定する、燃料電池システムである。
【００３５】
上記構成において、火炎検出動作中においても火炎検知を行う火炎検出回路の故障の発生を常時確認でき、信頼性の高い火炎検出回路を用いた燃料電池システムとすることができる。
【００３６】
第３の発明は、特に、第１の発明において、制御器は、火炎検出回路が継続して火炎を検出する時間が第１時間以下の場合は、火炎検出回路は異常であると判定する、燃料電池システムである。
【００３７】
上記構成において、火炎検出動作中においても火炎検知を行う火炎検出回路の故障のうち、検知結果が固定される場合だけではなく、火炎検出回路が火炎検知と失火検知を繰返す異常動作も確認でき、信頼性の高い火炎検出回路を用いた燃料電池システムとすることができる。
【００３８】
第４の発明は、特に、第１〜３の発明において、制御器は、火炎検出回路の異常を検出した場合、原料ガス配管に配置されている元圧弁を閉じる、料電池システムである。
【００３９】
上記構成において、火炎検出動作中においても火炎検知を行う火炎検出回路の故障の発生を常時確認でき、元圧弁を閉じることにより原料ガスの供給を止めるので、安全性を向上させた燃料電池システムとすることができる。
【００４０】
第５の発明は、特に、第１〜４の発明において制御器は、火炎検出回路の異常を検出した場合、燃料電池システムを停止させる、燃料電池システムである。
【００４１】
上記構成において、火炎検出動作中においても火炎検知を行う火炎検出回路の故障の発生を常時確認でき、システムを停止させることにより全ての動作を止めるので、安全性を向上させた燃料電池システムとすることができる。
【００４２】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、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、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
【００４３】
（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ブロック図である。
【００４４】
図１において、燃料電池システムは、都市ガス等の炭化水素系燃料を原料ガスとして原料ガスを水素に改質する水素生成器１と、水素生成器１から供給される水素を含む燃料ガス及び酸化剤ガスよって発電する燃料電池本体２と、起動時は都市ガス等の炭化水素系燃料を原料ガスとして燃焼して水素生成器１を（例えば６００℃から７００℃程度）改質反応に必要な温度まで加熱し、その後、燃料電池本体２から排出される水素を含む燃料ガスおよび、原料ガスを燃焼して水素生成器１の改質反応に必要な熱量を供給するバーナー３を備えた燃焼装置４を備えている。
【００４５】
燃料電池システムは、他に図示しない脱硫器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器などからなる燃料ガス供給装置および空気ポンプ、水タンクなどからなる反応空気供給装置ならびに燃料極、空気極などの電極および水タンク、ポンプ、冷却部などからなる燃料電池本体２の冷却装置を備えている。
【００４６】
燃料電池本体２で発電された電力は図示しないＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧され、図示しない系統連系インバータを介して商用系統電源に接続されている。
【００４７】
燃料電池本体２を用いた燃料電池システムでは、発電と同時に、燃料電池本体２による発電時に発生する熱を利用して温水を生成し、この温水の有効利用を図っている。
【００４８】
燃料電池システムでは、都市ガス等の炭化水素系燃料が脱硫器で脱硫されて硫黄分を除去した後、水素生成器１に脱硫された原料ガスと水蒸気を共に供給され、水素、二酸化炭素、および一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。改質ガスは、ＣＯ変成器で一酸化炭素が二酸化炭素に変成され、次いでＣＯ除去器に供給され、未変成の一酸化炭素が低減され、水素濃度の高い燃料ガスが加湿されて燃料電池本体２の燃料極に供給される。
【００４９】
一方、反応空気供給装置では、反応空気の加湿が行われ、燃料電池本体２における電極反応が適度に維持されるように水分を与えられた後の反応空気が燃料電池本体２の空気極
に供給される。
【００５０】
燃料電池本体２では、燃料極に供給された燃料ガス中の水素と、空気極へ供給された酸化剤ガスたとえば空気中の酸素との電気化学反応によって発電が行われる。燃料電池本体２の図示しない冷却装置は、この電気化学反応の反応熱などで燃料電池本体２が過熱しないようにするため、冷却水を循環させ、この冷却水で燃料電池本体２内の温度が発電に適した温度（例えば７０から８０℃程度）に保たれるように制御している。
【００５１】
水素生成器１における化学反応は吸熱反応であるので、必要な熱量を供給するために加熱しながら化学反応を継続させるためのバーナー３を備えた燃焼装置４を有している。
【００５２】
都市ガス等の炭化水素系燃料を原料ガスとする原料ガスを流す原料ガス配管６と、原料ガス配管６に配置されている元圧弁５を介して燃焼装置４に原料ガスが供給され、
さらに、開閉弁７を備えたオフガス配管８を介して、燃料電池本体２の燃料極を経た未反応水素が燃焼装置４に供給される。
【００５３】
燃料電池システムの始動時には、燃焼装置４に元圧弁５を開けて原料ガス配管６を介して都市ガス等の炭化水素系燃料を原料ガスとする原料ガスが供給されて燃焼が行われ、起動後に、燃料電池本体２の温度が安定したときに、原料ガス配管６からの原料ガスの供給を減少させ、開閉弁７を開けてオフガス配管８を介して燃料極から排出される未反応水素ガス（オフガス）を供給して原料ガスおよび未反応水素ガスの混合物の燃焼が行われる。
【００５４】
さらに、燃料電池システムの水素生成器１の燃焼装置４のバーナー３における安定燃焼の監視や制御や失火の検出などを行うために火炎検知には、バーナに向かって流れる微小な電流を測定するフレームロッド９（ｆｌａｍｅｒｏｄ）を取り付けている。
【００５５】
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、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、火炎がない時にはながれない。
【００５６】
フレームロッド９とバーナー３間に交流電圧を印加すると、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。
【００５７】
なお、燃料電池システムは、第１火炎検出回路１２と第２火炎検出回路１３を備えており、制御器１１は、元圧弁５を開けている状態で、信号切替回路１４により、一定間隔で、フレームロッド９が検出した信号の送信先を第１火炎検出回路と第２火炎検出回路に切替える。
【００５８】
制御器１１は、フレームロッド９が検出した信号が接続されている方の火炎検出回路が継続して火炎を検出する時間が第１時間以下の場合は、火炎検知を行う火炎検出回路の故障により、火炎検出回路が火炎検知と失火検知を繰返す異常動作故障で、火炎検出回路は異常であると判定する。
【００５９】
さらに、フレームロッド９が検出した信号が第１火炎検出回路１２に送られて火炎検知の有無を判定している時に、第２火炎検出回路１３がフレームロッド９からの信号が無いにもかかわらず、火炎が有ると検出した場合は、第２火炎検出回路１３を構成している電子部品の故障が発生して異常と判定する。
【００６０】
または、フレームロッド９が検出した信号が第２火炎検出回路１３に送られて火炎検知の有無を判定している時に、第１火炎検出回路１２がフレームロッド９からの信号が無い
にもかかわらず、火炎が有ると検出した場合は、第１火炎検出回路１２を構成している電子部品の故障が発生して異常と判定する。
【００６１】
そして、制御器１１は、異常を検出した場合、元圧弁５を閉じると共に、さらに燃料電池システムを停止させる。
【００６２】
これによって、火炎検出動作中においても火炎検知を行う火炎検出回路の故障の発生を常時確認でき、安全性を向上させた、信頼性の高い燃料電池システムの火炎検出回路を提供することができる。
【００６３】
なお、信号切替回路１４はリレーを使用することもできる。さらに、リレー溶着や、配線の断線検知を、一定間隔でリレー制御信号をオフし、断線を検出できる安全リレーを使用して、信頼性の高い燃料電池システムの火炎検出回路を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、火炎検出動作中においても、火炎検出回路を構成している電子部品の故障による火炎検出回の故障を検出することにより、安全性確保を求められる燃料電池システムの技術分野において有用である。
【符号の説明】
【００６５】
１  水素生成器
２  燃料電池本体
３  バーナー
４  燃焼装置
５  元圧弁
６  原料ガス配管
７  開閉弁
８  オフガス配管
９  フレームロッド
１１  制御器
１２  第１火炎検出回路
１３  第２火炎検出回路
【図１】
2013214479.tif 000003
【図２】
2013214479.tif 000004