JP6809091B2

JP6809091B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP6809091B2
Application number: JP2016190748A
Authority: JP
Inventors: 大河村上
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2016-09-29
Filing date: 2016-09-29
Publication date: 2021-01-06
Anticipated expiration: 2036-09-29
Also published as: JP2018055960A; DE102017118754A1

Description

本開示の発明は、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を含む燃料電池システムに関する。

従来、この種の燃料電池システムとして、燃料を改質する改質器に燃料を供給する燃料供給本ラインと、燃料供給本ラインに設けられて燃料に含まれる硫黄分を除去する脱硫器とを含むものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムでは、脱硫器の入口側に燃料を加熱する熱交換器を有する燃料供給仮ラインが接続され、脱硫器の入口側および出口側に流量計が設置されている。そして、当該燃料電池発電システムの起動に際しては、脱硫器の出口側の流量計により、燃料中の燃料成分の脱硫器への吸着が平衡状態（飽和状態）に到達したか否かを計測し、必要な燃料を燃料供給仮ラインから脱硫器に供給する。これにより、起動時等の非定常運転条件下においても常に脱硫器に供給された燃料と概ね同量の燃料が当該脱硫器から流出することになる。

特開平９−３２０６２２号公報

しかしながら、上記従来の燃料電池システムでは、燃料成分の脱硫器への吸着が飽和状態に達したかを判定するために、燃料供給仮ラインや複数の流量計等を設置しなければならず、システム全体のコストアップやサイズアップを招いてしまう。更に、上記従来の燃料電池システムでは、脱硫器の出口側の流量計が万が一故障してしまった場合、燃料成分の脱硫器への吸着が飽和状態に達したか否かを判定し得なくなり、燃料電池システムの起動に支障をきたしてしまうおそれがある。

そこで、本開示の発明は、燃料電池システムのコストアップやサイズアップを抑制しつつ、原燃料中の燃料成分の脱硫器への吸着が飽和状態に達したか否かを精度よく判定可能にすることを主目的とする。

本開示の燃料電池システムは、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、原燃料を改質して前記アノードガスを生成する改質器と、前記原燃料から硫黄成分を除去して前記改質器に供給する脱硫器とを含む燃料電池システムにおいて、前記燃料電池から排出される排ガス中の可燃性ガスの濃度を検出する可燃性ガスセンサと、前記脱硫器に前記原燃料が供給される際の前記可燃性ガスセンサの検出値の変化に基づいて、前記原燃料中の燃料成分の前記脱硫器への吸着が飽和状態に達したか否かを判定する燃料吸着判定装置とを備えることを特徴とする。

この燃料電池システムは、燃料電池から排出される排ガス中の可燃性ガスの濃度を検出する可燃性ガスセンサを含む。かかる可燃性ガスセンサの検出値（可燃性ガスの濃度）は、脱硫器に対する原燃料の供給が開始されてから当該原燃料中の燃料成分の脱硫器への吸着が飽和状態に達するまでの間、実質的に変化せず、当該吸着が飽和状態に達するのに応じて増加していく。従って、この燃料電池システムのように、脱硫器に原燃料が供給される際の可燃性ガスセンサの検出値の変化を監視することで、流量計等の追設によるシステム全体のコストアップやサイズアップを抑制しつつ、原燃料中の燃料成分の脱硫器への吸着が飽和状態に達したか否かを精度よく判定することが可能となる。

また、前記燃料吸着判定装置は、前記脱硫器に対する前記原燃料の供給開始後における前記可燃性ガスセンサの検出値の変化率に基づいて、前記燃料成分の前記脱硫器への吸着が飽和状態に達したか否かを判定するものであってもよい。これにより、脱硫器に原燃料が供給される際の可燃性ガスセンサの検出値の変化をより適正に把握して、燃料成分の脱硫器への吸着が飽和状態に達したか否かを精度よく判定することが可能となる。

更に、前記燃料吸着判定装置は、前記脱硫器に対する前記原燃料の供給開始後に所定時間おきに該所定時間内における前記可燃性ガスセンサの検出値の最大値を取得し、前記最大値の今回値と前回値との差分が所定値以上である場合、前記燃料成分の前記脱硫器への吸着が飽和状態に達したと判定するものであってもよい。これにより、燃料成分の脱硫器への吸着が飽和状態に達したか否かをより確実かつ精度よく判定することが可能となる。

本開示の燃料電池システムを示す概略構成図である。本開示の燃料電池システムにおいて実行される燃料成分吸着ルーチンの一例を示すフローチャートである。図２の燃料成分吸着ルーチンが実行される際の可燃性ガスセンサの検出値の変化を示すタイムチャートである。本開示の燃料電池システムにおいて実行される燃料成分吸着ルーチンの他の例を示すフローチャートである。

次に、図面を参照しながら、本開示の発明を実施するための形態について説明する。

図１は、本開示の燃料電池システム１０を示す概略構成図である。同図に示す燃料電池システム１０は、アノードガス（燃料ガス）中の水素とカソードガス（酸化剤ガス）中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池ＦＣを有する発電ユニット２０と、湯水を貯留する貯湯タンク１０１を有する給湯ユニット１００と、システム全体を制御する制御装置８０とを含む。また、発電ユニット２０は、燃料電池ＦＣや、断熱性材料により形成された箱型のモジュールケース３１、気化器３２、改質器３３等を含む発電モジュール３０と、発電モジュール３０の気化器３２に例えば天然ガスやＬＰガスといった原燃料ガス（原燃料）を供給するための原燃料ガス供給系統４０と、発電モジュール３０の燃料電池ＦＣにカソードガスとしてのエア（空気）を供給するためのエア供給系統５０と、発電モジュール３０の気化器３２に改質水を供給するための改質水供給系統５５と、発電モジュール３０で発生した排熱を回収するための排熱回収系統６０と、燃料電池ＦＣの出力端子に接続されたパワーコンディショナ７１と、これらを収容する筐体２２とを有する。

発電モジュール３０の燃料電池ＦＣは、固体酸化物燃料電池であり、例えば酸化ジルコニウム等の電解質と当該電解質を挟持するアノード電極およびカソード電極とを含む単セルを図１中左右方向に複数積層することにより構成された複数（本実施形態では、２つ）のセルスタックＣＳを含む。各セルのアノード電極極側には、アノードガスを流通させる図示しないアノードガス通路がセルの積層方向と直交する方向（図中上下方向）に延びるように形成されている。また、各セルのカソード電極側には、エアを流通させる図示しないエア通路がセルの積層方向と直交する方向（図中上下方向）に延びるように形成されている。燃料電池ＦＣを構成する２つのセルスタックＣＳは、断熱材を介してモジュールケース３１内に設置されたマニホールド上に並設され、各セルのアノードガス通路は、マニホールドに形成されたアノードガス通路に接続される。また、各セルのエア通路は、モジュールケース３１内の図示しないエア供給通路に接続される。

発電モジュール３０の気化器３２および改質器３３は、モジュールケース３１内の複数のセルスタックＣＳの上方に両者と間隔をおいて配設される。２つのセルスタックＣＳと気化器３２および改質器３３との間には、燃料電池ＦＣの作動や、気化器３２および改質器３３での反応に必要な熱を発生させる燃焼部３４が画成されている。燃焼部３４には、点火ヒータ３５が設置されると共に、２つのセルスタックＣＳの一方に近接するように温度センサ３６が設置されている。

気化器３２は、燃焼部３４からの熱により原燃料ガス供給系統４０からの原燃料ガスと改質水供給系統５５からの改質水とを加熱し、原燃料ガスを予熱すると共に改質水を蒸発させて水蒸気を生成する。気化器３２により予熱された原燃料ガスは、水蒸気と混ざり合い、予熱された原燃料ガスと水蒸気との混合ガスは、当該気化器３２から改質器３３に導入される。

改質器３３は、その内部に充填された例えばＲｕ系またはＮｉ系の改質触媒を有し、燃焼部３４からの熱の存在下で、改質触媒による気化器３２からの混合ガスの反応（水蒸気改質反応）によって水素ガスと一酸化炭素とを生成する。更に、改質器３３は、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気との反応（一酸化炭素シフト反応）によって水素ガスと二酸化炭素とを生成する。これにより、改質器３３によって、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の原燃料ガス等を含むアノードガスが生成されることになる。

改質器３３により生成されたアノードガスは、上記マニホールドやセルスタックＣＳの各セルのアノードガス通路等を介して各セルのアノード電極に供給される。また、セルスタックＣＳの各セルのカソード電極には、各セルのエア通路等を介して酸素を含むカソードガスとしてのエアが供給される。カソード電極では、酸化物イオン（Ｏ₂ ^-）が生成され、当該酸化物イオンが電解質を透過してアノード電極で水素や一酸化炭素と反応することにより電気エネルギが得られる。また、各セルスタックＣＳにおいて電気化学反応（発電）に使用されなかったアノードガス（以下、「アノードオフガス」という）およびエア（以下、「カソードオフガス」という）は、各セルのアノードガス通路やエア通路から上方の燃焼部３４へと流出する。

各セルのアノードガス通路から燃焼部３４に流入したアノードオフガスは、水素や一酸化炭素等の燃料成分を含む可燃性ガスであり、各セルのエア通路から燃焼部３４に流入した酸素を含むカソードオフガスと混ざり合う。以下、アノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガスを「オフガス」という。そして、点火ヒータ３５により点火させられて燃焼部３４でオフガス（アノードオフガス）が着火すると、当該オフガスの燃焼により、燃料電池ＦＣの作動や、気化器３２での原燃料ガスの予熱や水蒸気の生成、改質器３３での水蒸気改質反応等に必要な熱が発生することになる。また、オフガスの燃焼に伴い、燃焼部３４では、水蒸気を含む燃焼排ガスが生成される。

図１に示すように、気化器３２に原燃料ガスを供給するための原燃料ガス供給系統４０は、天然ガスやＬＰガスを供給する原燃料供給源１と気化器３２とを結ぶ原燃料ガス供給管４１と、当該原燃料ガス供給管４１に組み込まれた原燃料ガス供給弁（電磁開閉弁）４２，４３および原燃料ガスポンプ４５と、気化器３２と原燃料ガスポンプ４５との間に位置するように原燃料ガス供給管４１に組み込まれた脱硫器４６とを含む。更に、原燃料ガス供給管４１には、当該原燃料ガス供給管４１内の原燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ４７や、原燃料ガス供給管４１を流通する原燃料ガスの単位時間あたりの流量を検出する流量センサ４８が設置されている。

脱硫器４６は、例えばゼオライト等の吸着剤を用いて原燃料ガスから硫黄成分（硫黄化合物）を除去するものである。また、かかる脱硫器４６に対する原燃料ガスの供給が開始されると、硫黄成分と共に原燃料ガス中の燃料成分（メタン等の炭化水素）が上記吸着剤に物理的に吸着する。当該燃料成分の吸着剤（脱硫器４６）への吸着が飽和状態に達するまで、脱硫器４６から流出する燃料成分の量は、実質的にゼロとなり、当該吸着が飽和状態に達すると、脱硫器４６への燃料成分の流入量と、当該脱硫器４６からの燃料成分の流出量とが理論上一致することになる。なお、脱硫器４６の脱硫方式は、いわゆる常温脱硫式に限られるものではない。

エア供給系統５０は、モジュールケース３１内のエア供給通路に接続されるエア供給管５１と、エア供給管５１のエア入口に設置されたエアフィルタ５２と、エア供給管５１に組み込まれたエアブロワ５３とを含む。エアブロワ５３を作動させることで、エアフィルタ５２を介して吸入されたエアが当該エアブロワ５３により燃料電池ＦＣへと圧送（供給）される。また、エア供給管５１には、当該エア供給管５１を流通するエアの単位時間あたりの流量が所定値に達するとオンする流量スイッチ５４が設置されている。

改質水供給系統５５は、気化器３２に接続された改質水供給管５６と、改質水供給管５６に接続されると共に改質水を貯留する改質水タンク５７と、改質水供給管５６に組み込まれた改質水ポンプ５８とを含む。改質水ポンプ５８を作動させることで、改質水タンク５７内の改質水が当該改質水ポンプ５８により気化器３２へと圧送（供給）される。また、改質水タンク５７内には、貯留されている改質水を精製する図示しない水精製器が設置されている。

排熱回収系統６０は、給湯ユニット１００の貯湯タンク１０１に接続された循環配管６１と、循環配管６１を流通する湯水と発電モジュール３０の燃焼部３４からの燃焼排ガスとを熱交換させる熱交換器６２と、循環配管６１に組み込まれた循環ポンプ６３とを含む。循環ポンプ６３を作動させることで、当該循環ポンプ６３により貯湯タンク１０１に貯留されている湯水を熱交換器６２へと導入し、熱交換器６２で燃焼排ガスから熱を奪って昇温した湯水を貯湯タンク１０１へと返送することができる。

また、排熱回収系統６０の熱交換器６２（燃焼排ガスの通路）は、凝縮水供給管６６を介して改質水タンク５７に接続されており、燃焼排ガス中の水蒸気が貯湯タンク１０１からの湯水との熱交換により凝縮することにより得られた凝縮水は、当該凝縮水供給管６６を介して改質水タンク５７内に導入される。更に、熱交換器６２の燃焼排ガスの通路は、排気管６７に接続されており、当該排気管６７は、発電ユニット２０の筐体の外部に設置される煙突２００に接続される。これにより、発電モジュール３０の燃焼部３４（燃料電池ＦＣ）から排出されて熱交換器６２で水分が除去された排ガスは、排気管６７および煙突２００を介して大気中に排出される。

図１に示すように、煙突２００の内部には、当該煙突２００内の排ガス中の可燃性ガス（燃料成分）の濃度を検出する可燃性ガスセンサ２０１が設置されている。本実施形態において、可燃性ガスセンサ２０１は、コイルおよび当該コイル上に固定されると共に白金触媒等の酸化触媒（燃焼触媒）を担持したアルミナ等の担体を含む検知素子と、酸化触媒をもたない補償素子とにより構成されたブリッジ回路を有する触媒燃焼式ガスセンサである。かかる触媒燃焼式ガスセンサにおいて、電流の印加によって触媒燃焼反応を生じやすい温度（例えば２００〜５００℃）に保持された検知素子が可燃性ガスに触れると、触媒燃焼反応に伴う発熱により抵抗値が変化してブリッジ回路の平衡が崩れ、当該ブリッジ回路の出力端子には、可燃性ガスの濃度に概ね比例した電圧（不均衡電圧）が出力される。これにより、可燃性ガスセンサ２０１は、煙突２００内を流通する排ガス中の可燃性ガスの濃度に応じた電圧信号を出力する。また、当該ブリッジ回路の抵抗値は、可燃性ガスの存在しない雰囲気下（可燃性ガス濃度：ゼロ）での通電時のセンサ出力（最小出力値Ｇｍｉｎ）と、非通電時のセンサ出力とが互いに異なるように調整される。

パワーコンディショナ７１は、燃料電池ＦＣの出力端子に接続されて当該燃料電池ＦＣからの直流電力を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータからの直流電力を交流電力に変換するインバータとを有する（何れも図示省略）。パワーコンディショナ７１（インバータ）の出力端子は、系統電源２に接続された電力ライン３に接続される。これにより、燃料電池ＦＣからの直流電力を交流電力に変換して家電製品等の負荷４に供給することが可能となる。更に、燃料電池システム１０は、電力ライン３に接続された電源基板７２を含む。電源基板７２は、系統電源２からの交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣコンバータを有しており、原燃料ガス供給弁４２，４３や原燃料ガスポンプ４５、エアブロワ５３、改質水ポンプ５８、循環ポンプ６３といった補機類、温度センサ３６や可燃性ガスセンサ２０１といったセンサ類、更には制御装置８０等に直流電力を供給する。

また、パワーコンディショナ７１や電源基板７２等が配置される補機室内には、当該パワーコンディショナ７１や電源基板７２等を冷却するための冷却ファン（図示省略）と、換気ファン２４とが配置されている。図示しない冷却ファンは、パワーコンディショナ７１や電源基板７２の発熱部にエアを送り込み、当該発熱部を冷却して昇温したエアは、換気ファン２４により煙突２００の内部に送り込まれる。

制御装置８０は、ＣＰＵ８１や、各種プログラムを記憶するＲＯＭ８２、データを一時的に記憶するＲＡＭ８３、タイマ８４、何れも図示しない入力ポートおよび出力ポート等を含むコンピュータである。制御装置８０は、温度センサ３６や、圧力センサ４７、流量センサ４８、可燃性ガスセンサ２０１の検出値や流量スイッチ５４からの信号等を入力ポートを介して入力する。また、制御装置８０は、換気ファン２４や、点火ヒータ３５、原燃料ガス供給弁４２，４３のソレノイド、原燃料ガスポンプ４５、エアブロワ５３、改質水ポンプ５８、循環ポンプ６３、パワーコンディショナ７１（ＤＣ／ＤＣコンバータおよびインバータ）、表示パネル９０等への制御信号を出力ポートを介して出力し、これらの機器を制御する。

更に、制御装置８０は、燃料電池システム１０の起動に際して、対応する補機類を順次制御して、エアブロワの暖機処理、脱硫器４６に原燃料ガス中の燃料成分を吸着させる前の冷却処理、脱硫器４６に燃料成分を吸着させて混合ガスの空燃比ずれを抑制する燃料吸着処理、燃焼部３４のパージ処理、燃焼部３４におけるオフガスの着火処理、水蒸気改質処理等を実行する。これらの処理が実行されることにより、燃料電池システム１０が起動され、燃料電池ＦＣによる発電や給湯ユニット１００による給湯が可能となる。ただし、これらの起動処理は、あくまで一例であり、燃料電池システム１０の構成や補機類の状態等によっては、これらの処理の少なくとも何れかをスキップまたは省略してもよい。

次に、図２および図３を参照しながら、脱硫器４６に原燃料ガス中の燃料成分を吸着させる手順について説明する。図２は、脱硫器４６に原燃料ガス中の燃料成分を吸着させるために制御装置８０により実行される燃料成分吸着ルーチンの一例を示すフローチャートである。また、図３は、図２の燃料成分吸着ルーチンが実行される際の可燃性ガスセンサ２０１の検出値Ｇの変化を示すタイムチャートである。なお、図２のルーチンが実行される際、燃焼部３４でオフガスが燃焼させられることはなく、気化器３２での原燃料ガスの予熱や水蒸気の生成、改質器３３での水蒸気改質反応は実行されない。

図２の燃料成分吸着ルーチンの開始に際して、制御装置８０のＣＰＵ８１は、まず、原燃料ガスポンプ４５を作動させて燃料電池ＦＣ（脱硫器４６）側への原燃料ガスの供給を開始させると共に、エアブロワ５３を作動させてエア供給系統５０から燃料電池ＦＣ（各セルスタックＣＳ）へのエア（カソードガス）の供給を開始させる（ステップＳ１００）。原燃料ガスおよびエアの供給開始後、ＣＰＵ８１は、燃料電池ＦＣ側への原燃料ガスの単位時間あたりの流量と、燃料電池ＦＣ側へのエアの単位時間あたりの流量とが、それぞれ予め定められた一定値になるように原燃料ガスポンプ４５とエアブロワ５３とを制御する。

また、原燃料ガスおよびエアの供給開始後、ＣＰＵ８１は、比較的短い周期で可燃性ガスセンサ２０１の検出値Ｇを入力し、入力した検出値Ｇに基づいて、予め定められた時間ｔｒｅｆ（例えば、１分程度）内における可燃性ガスセンサ２０１の検出値Ｇの最大値Ｇｍａｘを取得する（ステップＳ１１０）。ステップＳ１１０において、ＣＰＵ８１は、入力した検出値Ｇ（今回値）と、それまでの検出値Ｇの最大値（仮の最大値）との大きい方を当該仮の最大値とする処理を上記周期に従って繰り返し実行することにより、時間ｔｒｅｆ内における検出値Ｇの最大値Ｇｍａｘを取得する。なお、本ルーチンの開始直後に用いられる上記仮の最大値の初期値は、例えば可燃性ガスセンサ２０１の最小出力値Ｇｍｉｎとされる。

ステップＳ１１０にて可燃性ガスセンサ２０１の検出値Ｇの最大値Ｇｍａｘを取得した後、ＣＰＵ８１は、取得した最大値Ｇｍａｘ（今回値）から当該最大値Ｇｍａｘの前回値Ｇｍａｘ＿ｏｌｄを減じることにより、両者の差分ΔＧ（＝Ｇｍａｘ−Ｇｍａｘ＿ｏｌｄ）を算出する（ステップＳ１２０）。前回値Ｇｍａｘ＿ｏｌｄは、ステップＳ１２０にて最大値Ｇｍａｘが取得される直前の最大値Ｇｍａｘであり、本ルーチンの開始直後に用いられる前回値Ｇｍａｘ＿ｏｌｄの初期値は、例えば可燃性ガスセンサ２０１の最小出力値Ｇｍｉｎとされる。

次いで、ＣＰＵ８１は、ステップＳ１２０にて算出した差分ΔＧが実験・解析を経て予め定められた閾値（所定値）ΔＧｒｅｆ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１３０）。ステップＳ１３０にて差分ΔＧが閾値ΔＧｒｅｆ未満であると判定した場合、ＣＰＵ８１は、上述のステップＳ１１０およびＳ１２０の処理を再度実行する。これにより、ステップＳ１００にて脱硫器４６に対する原燃料ガスの供給が開始された後に、ステップＳ１３０にて差分ΔＧが閾値ΔＧｒｅｆ未満であると判定される間、時間ｔｒｅｆ内における可燃性ガスセンサ２０１の検出値Ｇの最大値Ｇｍａｘが当該時間ｔｒｅｆおきに取得され、最大値Ｇｍａｘと前回値Ｇｍａｘ＿ｏｌｄとの差分ΔＧが閾値ΔＧｒｅｆと比較される。

ここで、原燃料ガスの供給開始（図３における時刻ｔ０）の後であって燃料成分の上記吸着剤（脱硫器４６）への吸着が飽和状態に達する前には、原脱硫器４６に流入する原燃料ガス中の燃料成分の殆どが吸着剤に対して吸着し、燃料電池ＦＣからのオフガス中には、燃料成分が実質的に含まれないことになる。そして、燃料成分の脱硫器４６への吸着が飽和状態に近づくと、脱硫器４６から流出する燃料成分の量が少しずつ増加し、当該吸着が飽和状態に達すると（図３における時刻ｔ１と時刻ｔ２との間）、脱硫器４６に対する燃料成分の単位時間あたりの流入量と、燃料電池ＦＣから単位時間あたりに流出するアノードオフガス中の燃料成分の量とが概ね一致する。ただし、脱硫器４６からの燃料成分の流出量が増え始めてから、原燃料ガス中の燃料成分の量に応じた可燃性ガスを含む排ガスが煙突２００内の可燃性ガスセンサ２０１に達するまでには多少の時間を要する。このため、可燃性ガスセンサ２０１の検出値Ｇ（煙突２００内の可燃性ガスの濃度）は、図３に示すように、脱硫器４６に対する原燃料ガスの供給が開始されてから燃料成分の脱硫器４６への吸着が飽和状態に達するまでの間、ほぼ最小出力値Ｇｍｉｎのまま実質的に変化せず、当該吸着が飽和状態に達するのに応じて比較的大きな勾配で増加していく。

従って、ＣＰＵ８１は、ステップＳ１３０にて上記差分ΔＧが閾値ΔＧｒｅｆ以上であると判定した場合、燃料成分の脱硫器４６への吸着が飽和状態に達したとみなして燃料吸着飽和フラグをオンする（ステップＳ１４０）、更に、ＣＰＵ８１は、原燃料ガスおよびエアの供給を停止させ（ステップＳ１５０）、本ルーチンを終了させる。ステップＳ１４０にて燃料吸着飽和フラグがオンされて本ルーチンが終了した後、パージラインを用いた燃焼部３４のパージ処理が実行され、その後、オフガス着火処理や水蒸気改質処理といった起動処理が順次実行される。

上述のように、燃料電池ＦＣからの排ガス中の可燃性ガスの濃度を検出する可燃性ガスセンサ２０１を含む燃料電池システム１０では、脱硫器４６に原燃料ガスが供給される際の可燃性ガスセンサ２０１の検出値Ｇの変化を監視することで、流量計等の追設によるシステム全体のコストアップやサイズアップを抑制しつつ、原燃料ガス中の燃料成分の脱硫器４６への吸着が飽和状態に達したか否かを精度よく判定することが可能となる。また、燃料電池システム１０において、制御装置８０のＣＰＵ８１は、脱硫器４６に対する原燃料ガスの供給開始後に時間ｔｒｅｆおきに当該時間ｔｒｅｆ内における可燃性ガスセンサ２０１の検出値Ｇの最大値Ｇｍａｘを取得し、取得した最大値Ｇｍａｘ（今回値）と前回値Ｇｍａｘ＿ｏｌｄとの差分ΔＧが閾値ΔＧｒｅｆ以上である場合、燃料成分の脱硫器４６への吸着が飽和状態に達したと判定する（図２のステップＳ１１０−Ｓ１４０）。これにより、燃料成分の脱硫器４６への吸着が飽和状態に達したか否かをより確実かつ精度よく判定することが可能となる。

なお、燃料電池システム１０において、可燃性ガスセンサ２０１は、煙突２００内に設置されるが、これに限られるものではない。すなわち、燃料電池システム１０から煙突２００が省略される場合には、可燃性ガスセンサ２０１が排気管６７内に設置されてもよい。また、図２の燃料成分吸着ルーチンは、流量計を用いた燃料成分の吸着判定処理と併用されてもよい。これにより、可燃性ガスセンサ２０１や流量計が故障した際の冗長性を確保することが可能となる。

また、図２の燃料成分吸着ルーチンにおける差分ΔＧは、検出値Ｇの上記時間ｔｒｅｆあたりの変化率を示すものともいえる。従って、図４に示す燃料成分吸着ルーチンのように、脱硫器４６に対する原燃料ガスの供給開始後における可燃性ガスセンサ２０１の検出値Ｇの変化率（変化勾配）自体に基づいて、燃料成分の脱硫器４６への吸着が飽和状態に達したか否かを判定してもよい。

制御装置８０により図４の燃料成分吸着ルーチンが実行される場合、ＣＰＵ８１は、原燃料ガスおよびエアの供給を開始させると（ステップＳ２００）、比較的短く定められた周期ｄｔで可燃性ガスセンサ２０１の検出値Ｇを取得し、検出値Ｇの今回値から前回値（初期値：最小出力値Ｇｍｉｎ）を減じた値を周期ｄｔで除することにより可燃性ガスセンサ２０１の検出値Ｇの変化率ｄＧを算出する（ステップＳ２１０）。次いで、ＣＰＵ８１は、変化率ｄＧが実験・解析を経て予め定められた閾値（所定値）ｄＧｒｅｆ以上であるか否かを判定する（ステップＳ２２０）。ステップＳ２２０にて変化率ｄＧが閾値ｄＧｒｅｆ未満であると判定した場合、ＣＰＵ８１は、上記周期ｄｔに従ってステップＳ２１０およびＳ２２０の処理を再度実行する。

また、ステップＳ２２０にて変化率ｄＧが閾値ｄＧｒｅｆ以上であると判定した場合、ＣＰＵ８１は、カウンタＣ（初期値：ゼロ）をインクリメントし（ステップＳ２３０）、当該カウンタＣが予め定められた閾値Ｃｒｅｆ以上であるか否かを判定する（ステップＳ２４０）。ステップＳ２４０にてカウンタＣが閾値Ｃｒｅｆ未満であると判定した場合、ＣＰＵ８１は、ステップＳ２１０以降の処理を再度実行する。そして、ＣＰＵ８１は、ステップＳ２４０にてカウンタＣが閾値Ｃｒｅｆ以上であると判定した場合、燃料成分の脱硫器４６への吸着が飽和状態に達したとみなし、カウンタＣをリセットすると共に、燃料吸着飽和フラグをオンする（ステップＳ２５０）、更に、ＣＰＵ８１は、原燃料ガスおよびエアの供給を停止させ（ステップＳ２６０）、図５のルーチンを終了させる。このように、脱硫器４６に対する原燃料ガスの供給開始後における可燃性ガスセンサ２０１の検出値Ｇの変化率ｄＧを用いても、脱硫器４６に原燃料ガスが供給される際の可燃性ガスセンサ２０１の検出値Ｇの変化をより適正に把握して、燃料成分の脱硫器４６への吸着が飽和状態に達したか否かを精度よく判定することが可能となる。

以上説明したように、本開示の燃料電池システム１０は、燃料電池ＦＣから排出される排ガス中の可燃性ガスの濃度を検出する可燃性ガスセンサ２０１と、脱硫器４６に原燃料ガスが供給される際の可燃性ガスセンサ２０１の検出値Ｇの変化に基づいて、原燃料ガス中の燃料成分の脱硫器４６への吸着が飽和状態に達したか否かを判定する燃料吸着判定装置としての制御装置８０とを含む。これにより、流量計等の追設によるシステム全体のコストアップやサイズアップを抑制しつつ、原燃料ガス中の燃料成分の脱硫器４６への吸着が飽和状態に達したか否かを精度よく判定することが可能となる。

なお、本開示の発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本開示の外延の範囲内において様々な変更をなし得ることはいうまでもない。更に、上記実施形態は、あくまで発明の概要の欄に記載された発明の具体的な一形態に過ぎず、発明の概要の欄に記載された発明の要素を限定するものではない。

本開示の発明は、燃料電池システムの製造産業等において利用可能である。

１原燃料供給源、２系統電源、３電力ライン、４負荷、１０燃料電池システム、２０発電ユニット、２２筐体、２４換気ファン、３０発電モジュール、３１モジュールケース、３２気化器、３３改質器、３４燃焼部、３５点火ヒータ、３６温度センサ、４０原燃料ガス供給系統、４１原燃料ガス供給管、４２，４３原燃料ガス供給弁、４５原燃料ガスポンプ、４６脱硫器、４７圧力センサ、４８流量センサ、５０エア供給系統、５１エア供給管、５２エアフィルタ、５３エアブロワ、５４流量スイッチ、５５改質水供給系統、５６改質水供給管、５７改質水タンク、５８改質水ポンプ、６０排熱回収系統、６１循環配管、６２熱交換器、６３循環ポンプ、６６凝縮水供給管、６７排気管、７１パワーコンディショナ、７２電源基板、８０制御装置、８１ＣＰＵ、８２ＲＯＭ、８３ＲＡＭ、８４タイマ、９０表示パネル、１００給湯ユニット、１０１貯湯タンク、２００煙突、２０１可燃性ガスセンサ、ＣＳセルスタック、ＦＣ燃料電池。

Claims

アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、原燃料を改質して前記アノードガスを生成する改質器と、前記原燃料から硫黄成分を除去して前記改質器に供給する脱硫器とを含む燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池から排出される排ガス中の可燃性ガスの濃度を検出する可燃性ガスセンサと、
前記脱硫器に前記原燃料が供給される際の前記可燃性ガスセンサの検出値の変化に基づいて、前記原燃料中の燃料成分の前記脱硫器への吸着が飽和状態に達したか否かを判定する燃料吸着判定装置と、
を備え、
前記燃料吸着判定装置は、前記脱硫器に対する前記原燃料の供給開始後に所定時間おきに該所定時間内における前記可燃性ガスセンサの検出値の最大値を取得し、前記最大値の今回値と前回値との差分が所定値以上である場合、前記燃料成分の前記脱硫器への吸着が飽和状態に達したと判定することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料吸着判定装置は、前記脱硫器に対する前記原燃料の供給開始後における前記可燃性ガスセンサの検出値の変化率に基づいて、前記燃料成分の前記脱硫器への吸着が飽和状態に達したか否かを判定することを特徴とする燃料電池システム。