着失火検出装置および着失火検出方法
【課題】 炭化水素燃料の着失火検出精度を向上させることができる着失火検出装置および着失火検出方法を提供する。
【解決手段】 着失火検出装置は、炭化水素燃料を燃焼させるための燃焼室内または燃焼室の下流における酸素濃度を検出する酸素センサと、酸素センサへの第１の印加電圧での酸素センサの第１出力値と第２の印加電圧での酸素センサの第２出力値との差分または相対比に基づいて炭化水素燃料の着火および失火の少なくともいずれか一方を判定する判定手段と、を備える。
【解決手段】 着失火検出装置は、炭化水素燃料を燃焼させるための燃焼室内または燃焼室の下流における酸素濃度を検出する酸素センサと、酸素センサへの第１の印加電圧での酸素センサの第１出力値と第２の印加電圧での酸素センサの第２出力値との差分または相対比に基づいて炭化水素燃料の着火および失火の少なくともいずれか一方を判定する判定手段と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、着失火検出装置および着失火検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
改質器と燃料電池とを備える燃料電池システムにおいて、空燃比センサの検出結果に基づいて空気導入バルブの開度を制御することによって、酸化剤供給量を排気管内に未反応燃料が存在しなくなるよう制御する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３３１９９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、起動時の着火状態の判断を酸素センサを用いて行うと、未燃炭化水素がセンサ上で分解反応を起こす。この場合、酸素濃度を正確に検出できないことがある。その結果、着火判断を誤るおそれがある。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、炭化水素燃料の着失火検出精度を向上させることができる着失火検出装置および着失火検出方法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】
【０００７】
本発明に係る着火検出装置は、炭化水素燃料を燃焼させるための燃焼室内または前記燃焼室の下流における酸素濃度を検出する酸素センサと、酸素センサへの第１の印加電圧での酸素センサの第１出力値と第２の印加電圧での酸素センサの第２出力値との差分または相対比に基づいて炭化水素燃料の着火および失火の少なくともいずれか一方を判定する判定手段と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る着失火検出装置においては、複数の印加電圧の出力値の差分または相対比を用いることから、炭化水素の解離を利用して炭化水素燃料の着失火を検出することができるとともに、経時変化の影響を回避することができる。それにより、炭化水素燃料の着失火検出精度を向上させることができる。
【０００８】
判定手段は、第１出力値と第２出力値との差分の絶対値が所定値以下である場合に、炭化水素燃料が着火したと判定してもよい。判定手段は、第１出力値および第２出力値のうち高出力値の低出力値に対する相対比が所定値以下である場合に、炭化水素燃料が着火したと判定してもよい。
【０００９】
第１印加電圧および第２印加電圧は、印加電圧に対する酸素センサの出力の傾きが所定値以下となる電圧範囲の値であってもよい。第１印加電圧は、印加電圧に対する酸素センサの出力の傾きが、印加電圧をゼロから増加させた場合に所定値以下になる１回目の電圧範囲の値であり、第２印加電圧は、印加電圧に対する酸素センサの出力の傾きが、印加電圧をゼロから増加させた場合に所定値以下になる２回目または３回目の電圧範囲の値であってもよい。
【００１０】
第１印加電圧は、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位およびＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位未満において、酸素センサの出力の印加電圧に対する傾きが所定値以下になる電圧範囲の値であってもよい。第２印加電圧は、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位およびＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位の少なくとも一方以上の電圧範囲の値であってもよい。
【００１１】
判定手段は、酸素センサ出力が所定値以下である場合に、炭化水素燃料が未着火であると判定してもよい。
【００１２】
本発明に係る他の着失火検出装置は、炭化水素燃料を燃焼させるための燃焼室内または燃焼室の下流における酸素濃度を検出する酸素センサと、酸素センサの出力が所定値以下である場合に炭化水素燃料が未着火であると判定する判定手段と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る他の着失火検出装置においては、酸素センサにおける炭化水素の解離を利用することができる。それにより、炭化水素燃料の着失火検出精度を向上させることができる。
【００１３】
本発明に係る着失火検出方法は、炭化水素燃料を燃焼させるための燃焼室内または燃焼室の下流における酸素濃度を検出する酸素センサへの第１の印加電圧での酸素センサの第１出力値と第２の印加電圧での酸素センサの第２出力値との差分または相対比に基づいて炭化水素燃料の着火および失火の少なくともいずれか一方を判定する判定ステップ、を含むことを特徴とするものである。本発明に係る着失火検出方法においては、複数の印加電圧の出力値の差分または相対比を用いることから、炭化水素の解離を利用して炭化水素燃料の着失火を検出することができるとともに、経時変化の影響を回避することができる。それにより、炭化水素燃料の着失火検出精度を向上させることができる。
【００１４】
判定ステップは、第１出力値と第２出力値との差分の絶対値が所定値以下である場合に、炭化水素燃料が着火したと判定するステップであってもよい。判定ステップは、第１出力値および第２出力値のうち高出力値の低出力値に対する相対比が所定値以下である場合に、炭化水素燃料が着火したと判定するステップであってもよい。
【００１５】
第１印加電圧および第２印加電圧は、印加電圧に対する酸素センサの出力の傾きが所定値以下となる電圧範囲の値であってもよい。第１印加電圧は、印加電圧に対する酸素センサの出力の傾きが、印加電圧をゼロから増加させた場合に所定値以下になる１回目の電圧範囲の値であり、第２印加電圧は、印加電圧に対する酸素センサの出力の傾きが、印加電圧をゼロから増加させた場合に所定値以下になる２回目または３回目の電圧範囲の値であってもよい。
【００１６】
第１印加電圧は、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位およびＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位未満において、酸素センサの出力の印加電圧に対する傾きが所定値以下になる電圧範囲の値であってもよい。第２印加電圧は、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位およびＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位の少なくとも一方以上の電圧範囲の値であってもよい。
【００１７】
判定ステップにおいて、酸素センサ出力が所定値以下である場合に、炭化水素燃料が未着火であると判定してもよい。
【００１８】
本発明に係る他の着失火検出方法は、炭化水素燃料を燃焼させるための燃焼室内または燃焼室の下流における酸素濃度を検出する酸素センサの出力が所定値以下である場合に炭化水素燃料が未着火であると判定する判定ステップ、を含むことを特徴とするものである。本発明に係る他の着失火検出方法においては、酸素センサにおける炭化水素の解離を利用することができる。それにより、炭化水素燃料の着失火検出精度を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、炭化水素燃料の着失火検出精度を向上させることができる着失火検出装置および着失火検出方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施例１に係る着失火検出装置１００の全体構成を示す模式図である。
【図２】炭化水素燃料が着火した場合および未着火である場合の酸素センサ１０の検出酸素濃度を説明するための図である。
【図３】炭化水素燃料の着火および未着火の場合に酸素センサの近傍に存在する物質、および酸素センサにおいて生じる反応式を説明するための図である。
【図４】Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位およびＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位について説明するための図である。
【図５】着火時におけるＨ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位およびＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位について説明するための図である。
【図６】未着火時におけるＨ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位およびＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位について説明するための図である。
【図７】着失火判定を説明するための図である。
【図８】着失火判定のフローチャートの一例を示す図である。
【図９】着失火判定のフローチャートの他の例を示す図である。
【図１０】着失火判定のフローチャートの他の例を示す図である。
【図１１】着失火判定のフローチャートの他の例を示す図である。
【図１２】着失火判定のフローチャートの他の例を示す図である。
【図１３】実施例２に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１は、実施例１に係る着失火検出装置１００の全体構成を示す模式図である。後述する酸素センサ１０について、模式的な断面が図示されている。図１に示すように、着失火検出装置１００は、酸素センサ１０、電流計２０、センサ電源３０、ヒータ電源４０、および制御部５０を備える。着失火検出装置１００は、炭化水素燃料の着失火を検出する装置である。したがって、酸素センサ１０は、炭化水素燃料の燃焼室内またはその排気管等に配置される。
【００２３】
酸素センサ１０は、限界電流式酸素センサであって、電解質１１の一面にアノード１２が設けられ、電解質１１の他面にカソード１３が設けられ、細孔が形成された図示しない多孔質基板がカソード１３を覆うように配置された構造を有する。電解質１１には、ヒータ１５が配置されている。
【００２４】
電解質１１は、酸素イオン伝導性の電解質からなり、例えばイットリア添加の安定化ジルコニアからなる。アノード１２およびカソード１３は、触媒活性を有する材料からなり、例えば白金からなる。アノード１２およびカソード１３は、配線を介して外部回路を形成する。この外部回路には、電流計２０およびセンサ電源３０が設けられている。図示しない多孔質基板は、例えば多孔質状のアルミナからなる。ヒータ１５は、例えば白金薄膜等からなる。ヒータ１５には、ヒータ電源４０が接続されている。
【００２５】
制御部５０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成される。制御部５０は、電流計２０の検出結果等に基づいて、センサ電源３０およびヒータ電源４０を制御する。また、制御部５０は、電流計２０の検出結果等に基づいて、炭化水素燃料の着失火判定を行う。
【００２６】
続いて、酸素センサ１０による酸素濃度検出の概要について説明する。制御部５０は、ヒータ電源４０を制御して、ヒータ１５に電力を供給する。それにより、電解質１１が加熱される。電解質１１の温度が所定値に到達した後、制御部５０は、アノード１２に印加される電圧がカソード１３に印加される電圧に対して相対的にプラスになるようにセンサ電源３０を制御する。アノード１２およびカソード１３に電圧が印加されると、下記式（１）に従って、カソード１３において酸素が酸素イオンとなって電解質１１を伝導する。アノード１２においては、下記式（２）に従って、酸素イオンが酸素分子となる。
Ｏ２ ＋ ４ｅ− → ２Ｏ２− （１）
２Ｏ２− → Ｏ２ ＋ ４ｅ− （２）
【００２７】
カソード１３への酸素輸送量は、図示しない多孔質基板の細孔によって支配されるため、式（１）および式（２）の反応によって生じる電流（限界電流）は、図示しない多孔質基板の細孔における酸素ガス拡散量によって決定される。この酸素ガス拡散量は、図示しない多孔質基板の外部の酸素濃度によって決まる。
【００２８】
制御部５０は、電流計２０の検出値に応じて酸素センサ１０の出力電流を取得する。酸素センサ１０の出力電流は雰囲気中酸素濃度に比例する。制御部５０は、この比例関係に基づいて、酸素センサ１０がさらされる雰囲気の酸素濃度を検出する。
【００２９】
ただし、炭化水素が未着火である場合には、酸素センサ１０は、酸素濃度を正確に検出できなくなることがある。また、水蒸気（Ｈ２Ｏ）および二酸化炭素（ＣＯ２）の酸化還元電位と酸素センサ１０への印加電圧との関係に応じて、酸素センサ１０が検出する酸素濃度が変化する。以下、図２および図３を参照しつつ、炭化水素が着火した場合および未着火である場合の酸素センサ１０の検出酸素濃度について説明する。なお、以下の説明において、酸素センサ１０への印加電圧とは、カソード１３とアノード１２との間の電位差を所定値に保つよう外部電源３０により電圧を印加する場合の、この所定値のことである。
【００３０】
図２は、炭化水素燃料が着火した場合および未着火である場合の酸素センサ１０の検出酸素濃度を説明するための図である。図３は、炭化水素燃料の着火および未着火の場合に酸素センサ１０の近傍に存在する物質、および酸素センサ１０において生じる反応式を説明するための図である。
【００３１】
図２において、横軸は酸素センサ１０への印加電圧を示し、縦軸は酸素センサ１０の検出酸素濃度を示す。なお、上述したように、酸素センサ１０の検出酸素濃度は、酸素センサ１０の出力電流に比例する。図３（ａ）に示すように、燃焼室に、炭化水素燃料として２．５ＮＬ／ｍｉｎのメタン（ＣＨ４）を供給し、酸化剤として４０ＮＬ／ｍｉｎのエア（主としてＯ２＋Ｎ２）を供給する場合について考える。
【００３２】
炭化水素燃料が着火して完全燃焼すれば、図３（ａ）の比率の場合、雰囲気中の酸素濃度は１０．８％程度となる。なお、実際には真の完全燃焼は期し難いため、酸素センサ１０が検出する酸素濃度は１０．８％からずれることもある。しかしながら、この酸素濃度のずれは無視できる程度であることから、本明細書においては考慮しない。
【００３３】
酸素センサ１０への印加電圧をゼロから増加させるに伴って、酸素センサ１０の検出酸素濃度が大きくなり、酸素センサ１０の検出酸素濃度がほぼ一定（印加電圧に対する酸素センサ１０の検出酸素濃度の傾きが所定値以下）になる電圧範囲が現れる。この電圧範囲を、以下、第１範囲と称する。この電圧範囲は、酸素センサ１０の限界電流域において現れる。この第１範囲においては、酸素センサ１０は、雰囲気中の酸素濃度を正確に検出することができる。なお、一例として、第１範囲は、７００℃において０．４Ｖ付近である。
【００３４】
酸素センサ１０への印加電圧をＨ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位以上に増加させると、カソード１３において、炭化水素燃料の燃焼によって生じたＨ２ＯのＨ２への還元反応が生じる。この還元反応によって生じた酸素イオンが電解質１１を伝導するようになるため、酸素センサ１０の検出酸素濃度が大きくなる。
【００３５】
さらに酸素センサ１０への印加電圧を増加させると、カソード１３へのＨ２Ｏの輸送量が図示しない多孔質基板の細孔によって支配される。それにより、酸素センサ１０の検出酸素濃度がほぼ一定（印加電圧に対する酸素センサ１０の検出酸素濃度の傾きが所定値以下）になる電圧範囲が現れる。この電圧範囲を、以下、第２範囲と称する。この第２範囲は、酸素センサ１０への印加電圧がＨ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位以上かつＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位未満である場合に現れる。なお、第２範囲は、一例として、７００℃において０．８Ｖ付近である。また、カソード１３近傍のＨ２Ｏが全て還元されるとすると、酸素センサ１０によって検出される酸素濃度は約１２．２％になる。
【００３６】
酸素センサ１０への印加電圧をＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位に増加させると、カソード１３において、炭化水素燃料の燃焼によって生じたＣＯ２のＣＯへの還元反応が生じる。この還元反応によって生じた酸素イオンが電解質１１を伝導するようになるため、酸素センサ１０の検出酸素濃度が大きくなる。
【００３７】
さらに酸素センサ１０への印加電圧を増加させると、カソード１３へのＣＯ２の輸送量が図示しない多孔質基板の細孔によって支配される。それにより、酸素センサ１０の検出酸素濃度がほぼ一定（印加電圧に対する酸素センサ１０の検出酸素濃度の傾きが所定値以下）になる電圧範囲が現れる。この電圧範囲を、以下、第３範囲と称する。この第３範囲は、酸素センサ１０への印加電圧がＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位以上かつＣＯ２／Ｃの酸化還元電位未満である場合に現れる。なお、一例として、第３範囲は、７００℃において１．１Ｖ付近である。また、カソード１３近傍のＣＯ２が全てＣＯに還元されるとすると、酸素センサ１０によって検出される酸素濃度は約１５．４％になる。
【００３８】
酸素センサ１０への印加電圧をＣＯ２／Ｃの酸化還元電位に増加させると、カソード１３において、炭化水素燃料の燃焼によって生じたＣＯ２のＣへの還元反応が生じる。この還元反応によって生じた酸素イオンが電解質１１を伝導するようになるため、酸素センサ１０の検出酸素濃度が大きくなる。
【００３９】
さらに酸素センサ１０への印加電圧を増加させると、酸素センサ１０の検出酸素濃度がほぼ一定（印加電圧に対する酸素センサ１０の検出酸素濃度の傾きが所定値以下）になる電圧範囲が現れる。この電圧範囲を、以下、第４範囲と称する。この第４範囲は、酸素センサ１０への印加電圧がＣＯ２／Ｃの酸化還元電位以上である場合に現れる。なお、この第４範囲においては、Ｃ（カーボン）が徐々に析出してカソード１３を構成する白金と同様に電極の働きをする。この場合、みかけの電極面積が徐々に増えるため、第４範囲における酸素センサ１０の検出酸素濃度はフラットにならずに徐々に増加する。一例として、第４範囲は、７００℃において１．１Ｖ付近である。また、カソード１３近傍のＣＯ２が全てＣに還元されるとすると、酸素センサ１０によって検出される酸素濃度は約１８．６％になる。
【００４０】
図３（ｂ）〜図３（ｅ）で説明されるように、酸素センサ１０への印加電圧が変化すると、炭化水素燃料の燃焼によって生じた成分が酸素センサ１０の検出酸素濃度に影響する。したがって、酸素センサ１０への印加電圧に応じて、酸素センサ１０が検出する酸素濃度が変動する。
【００４１】
次に、炭化水素燃料が未着火である場合について説明する。炭化水素燃料が未着火であればエア中の酸素が消費されないため、雰囲気中の酸素濃度は約１８．８％になるはずである。したがって、酸素センサ１０による検出酸素濃度は着火時に比較して高くなるはずである。しかしながら、カソード１３が触媒として機能して、炭化水素燃料がＣとＨ２とに解離する。カソード１３で生じた酸素イオンとＣおよびＨ２とが結合するため、電解質１１を伝導する酸素イオン量が低下する。その結果、酸素センサ１０の検出酸素濃度と実際の雰囲気中酸素濃度との間に差異が生じる。
【００４２】
酸素センサ１０への印加電圧がＨ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位未満であれば、このＣおよびＨ２は、図３（ｆ）に示すように、カソード１３において酸素イオンと結合して酸化される。したがって、電解質１１を伝導すべき酸素イオンが消費されてしまうことから、酸素センサ１０の検出酸素濃度が着火時に比較して低下する。以上のことから、炭化水素燃料が未着火である場合には、炭化水素燃料が着火した場合に比較して、酸素センサ１０が検出する酸素濃度が低くなる。例えば、カソード１３近傍のＣおよびＨ２が全て酸素イオンと反応すると、酸素センサ１０によって検出される酸素濃度は約５．２％になる。なお、未着火の場合においても、第１範囲は現れる。ただし、着火の場合と未着火の場合とで、第１範囲の電圧幅および電圧値に差異が生じることがある。
【００４３】
酸素センサ１０への印加電圧がＨ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位以上かつＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位未満になると、図３（ｇ）に示すようにカソード１３においてＨ２Ｏの還元反応が生じる。この場合、電解質１１をより多くの酸素イオンが伝導するようになる。それにより、酸素センサ１０が検出する酸素濃度が高くなる。例えば、カソード１３近傍のＨ２Ｏが全て還元されるとすると、酸素センサ１０によって検出される酸素濃度は約１１．７％になる。なお、未着火の場合においても、第２範囲は現れる。ただし、着火の場合と未着火の場合とで、第２範囲の電圧幅および電圧値に差異が生じることがある。
【００４４】
酸素センサ１０への印加電圧がＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位以上になると、図３（ｈ）に示すようにカソード１３においてＣＯ２の還元反応が生じる。この場合、電解質１１をより多くの酸素イオンが伝導するようになる。それにより、酸素センサ１０が検出する酸素濃度が高くなる。例えば、カソード１３近傍のＣＯ２が全て還元されるとすると、酸素センサ１０によって検出される酸素濃度は約１８．８％になる。なお、未着火の場合においても、第３範囲は現れる。ただし、着火の場合と未着火の場合とで、第３範囲の電圧幅および電圧値に差異が生じることがある。
【００４５】
酸素センサ１０への印加電圧がＣＯ２／Ｃの酸化還元電位以上になると、図３（ｉ）に示すようにカソード１３においてＣＯ２のＣへの還元反応が生じる。それにより、酸素センサ１０が検出する酸素濃度が高くなる。なお、未着火の場合においても、第４範囲は現れる。ただし、着火の場合と未着火の場合とで、第４範囲の電圧幅および電圧値に差異が生じることがある。
【００４６】
以上のことから、炭化水素燃料未着火の第１範囲においては、炭化水素の解離によって生じたＣおよびＨ２の酸化に伴って電解質１１を伝導する酸素イオン量が減少してしまうため、酸素センサ１０の検出酸素濃度は、着火時に比較して低くなる。一方で、炭化水素燃料未着火の第３範囲および第４範囲においては炭化水素の解離によって生じたＣおよびＨ２が酸化しないため、酸素センサ１０の検出酸素濃度は、着火時に比較して高くなる。この現象を利用すれば、酸素センサ１０を用いて炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。
【００４７】
以下、図４〜図６を参照しつつ、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位、ＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位、およびＣＯ２／Ｃの酸化還元電位について説明する。図４〜図６において、横軸は温度（℃）を示し、左側の縦軸は酸化還元電位を示し、右側の縦軸は、左側から右側にかけて−ｌｏｇＰＯ２、ｌｏｇ（ＰＣＯ２／ＰＣＯ）、およびｌｏｇ（ＰＨ２Ｏ／ＰＨ２）を示す。なお、ＰＯ２は酸素分圧、ＰＣＯは一酸化炭素分圧、ＰＣＯ２は二酸化炭素分圧、ＰＨ２Ｏは水蒸気分圧、ＰＨ２は水素分圧を示す。また、図４〜図６は、電気化学便覧（丸善）電気化学会編Ｐ８３から抜粋したものである。
【００４８】
図４においては、ＰＨ２Ｏ：ＰＨ２が１：１である場合のＨ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位直線、ＰＣＯ２：ＰＣＯが１：１である場合のＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位直線、および、ＰＣＯ２が１ａｔｍである場合のＣＯ２／Ｃの酸化還元電位直線が示されている。Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位直線は、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の分圧比が１より大きいか小さいかを表す境界を示している。また、ＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位直線は、ＣＯ２／ＣＯの分圧比が１より大きいか小さいかを表す境界を示している。
【００４９】
Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位直線はＰＨ２Ｏ：ＰＨ２に応じて変化し、ＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位直線はＰＣＯ２：ＰＣＯに応じて変化し、ＣＯ２／Ｃの酸化還元電位直線はＰＣＯ２／ａ（Ｃ）に応じて変化する。ここで、ａ（Ｃ）は、固体炭素の活量（＝１）である。炭化水素燃料が着火した場合と未着火である場合とで、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位直線、ＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位直線、およびＣＯ２／Ｃの酸化還元電位直線はそれぞれ変化する。
【００５０】
図５は、炭化水素燃料が着火した場合のＨ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位直線、ＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位直線、およびＣＯ２／Ｃの酸化還元電位を示す図である。炭化水素燃料が燃焼する場合には、雰囲気中にＨ２およびＣＯがほとんど存在しない。したがって、ＰＨ２Ｏ／ＰＨ２およびＰＣＯ２／ＰＣＯが大きくなる。図５においては、ＰＨ２Ｏ：ＰＨ２が４％：４ｐｐｍ〜１０％：０．１ｐｐｍである場合のＨ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位直線、および、ＰＣＯ２：ＰＣＯが４％：４０００ｐｐｍ〜４％：４ｐｐｍである場合のＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位直線が図示されている。また、ＰＣＯ２：ａ（Ｃ）＝１ａｔｍ（１００％）：１〜ＰＣＯ２：ａ（Ｃ）＝０．０４ａｔｍ（４％）：１である場合のＣＯ２／Ｃの酸化還元電位が図示されている。
【００５１】
図５の場合においては、７００℃において、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位は０．４５Ｖ〜０．７Ｖ程度であり、ＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位は０．６Ｖ〜１Ｖ程度である。なお、図示は省略してあるが、７００℃における酸素の酸化還元電位は、ｌｏｇ（ＰＯ２）＝０〜−１であると想定した場合に、０Ｖ〜０．１Ｖ程度である。また、ＰＯ２が０．１％程度であれば、酸素の酸化還元電位は７００℃において０．３Ｖ程度である。さらに、７００℃において、ＣＯ２分圧が１ａｔｍ（１００％）である場合のＣＯ２／Ｃの酸化還元電位は１．０Ｖ程度であり、ＣＯ２分圧が０．０４ａｔｍ（４％）である場合のＣＯ２／Ｃの酸化還元電位は１．１Ｖ程度である。
【００５２】
図６は、炭化水素燃料が未着火である場合のＨ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位直線、ＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位直線、およびＣＯ２／Ｃの酸化還元電位を示す図である。炭化水素燃料が未着火である場合には、炭化水素の解離によって、雰囲気中にＨ２およびＣＯが多く存在するようになる。したがって、ＰＨ２Ｏ／ＰＨ２およびＰＣＯ２／ＰＣＯが図５の場合に比較して小さくなる。図６においては、ＰＨ２Ｏ：ＰＨ２が３％：３０％〜３％：３００ｐｐｍである場合のＨ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位直線、および、ＰＣＯ２：ＰＣＯが０．１％：１０％〜０．１％：１００ｐｐｍである場合のＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位直線が図示されている。また、ＰＣＯ２：ａ（Ｃ）＝１ａｔｍ（１００％）：１〜ＰＣＯ２：ａ（Ｃ）＝０．０００４ａｔｍ（４００ｐｐｍ）：１である場合のＣＯ２／Ｃの酸化還元電位が図示されている。
【００５３】
図６の場合においては、７００℃において、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位は０．８Ｖ〜１．２Ｖ程度であり、ＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位は０．９Ｖ〜１．３Ｖ程度である。なお、図示は省略してあるが、７００℃における酸素の酸化還元電位は、ｌｏｇ（ＰＯ２）＝０〜−１であると想定した場合に、０Ｖ〜０．１Ｖ程度である。さらに、７００℃において、ＣＯ２分圧が１ａｔｍ（１００％）である場合のＣＯ２／Ｃの酸化還元電位は１．０Ｖ程度であり、ＣＯ２分圧が０．０００４ａｔｍ（４００ｐｐｍ）である場合のＣＯ２／Ｃの酸化還元電位は１．２Ｖ程度である。
【００５４】
図４〜図６で説明したように、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位、ＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位、およびＣＯ２／Ｃの酸化還元電位は、異なる値を持っている。図２に示した第２範囲、第３範囲、および第４範囲は、この酸化還元電位の差に起因して形成されるのである。
【００５５】
ここで、燃焼室への炭化水素燃料供給量、エア供給量等をパラメータとして炭化水素燃料の着火時および未着火時の燃焼オフガス中の成分量を予測することができる。この予測に基づいて、図４〜図６で説明した手順で酸化還元電位を推定することができる。
【００５６】
図２の曲線は、上述したように酸素の酸化還元電位、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位、ＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位、およびＣＯ２／Ｃの酸化還元電位をパラメータとして描かれる曲線である。したがって、図２で説明した第１範囲〜第４範囲を、図４〜図６で推定される酸化還元電位に基づいて決定してもよい。また、酸素センサ１０への印加電圧を増加させるにあたって、印加電圧に対する酸素センサ１０の検出酸素濃度の傾きがほぼゼロ（所定値以下）になる１回目の電圧範囲を第１範囲、２回目の電圧範囲を第２範囲、３回目の電圧範囲を第３範囲、４回目の電圧範囲を第４範囲と決定してもよい。
【００５７】
続いて、着失火検出装置１００による着失火判定について説明する。図２の着火時の酸素センサ１０による検出酸素濃度の曲線は、あらかじめ炭化水素燃料を燃焼させることによって取得することができる。この曲線を基準曲線として用いることによって、炭化水素燃料が着火しているか未着火であるかを判定することができる。
【００５８】
まず、炭化水素燃料未着火の第１範囲においては、炭化水素の解離によって生じたＣおよびＨ２の酸化に伴って電解質１１を伝導する酸素イオン量が減少してしまうため、酸素センサ１０による検出酸素濃度が着火時に比較して低くなる。したがって、酸素センサ１０による検出酸素濃度が判定値（着火時の第１範囲における検出酸素濃度未満の値）以下である場合に炭化水素燃料が未着火であると判定することができる。例えば、図７に示す判定値をあらかじめ設定しておくことによって、酸素センサ１０による検出酸素濃度が判定値以下である場合に、炭化水素燃料が未着火であると判定することができる。この判定値は、例えば、酸素センサ１０への印加電圧が第１範囲内である場合に設定することができる。
【００５９】
この場合のフローチャートの一例を図８に示す。まず、制御部５０は、センサ電源３０を制御して、酸素センサ１０への印加電圧を第１範囲まで増加させる（ステップＳ１）。次に、制御部５０は、酸素センサ１０による検出酸素濃度が判定値以下であるか否かを判定する（ステップＳ２）。ステップＳ２において検出酸素濃度が判定値以下であると判定された場合、制御部５０は、炭化水素燃料が未着火であると判定する（ステップＳ３）。その後、制御部５０は、フローチャートの実行を終了する。ステップＳ２において検出酸素濃度が判定値以下であると判定されなかった場合、制御部５０は、炭化水素燃料が着火したと判定する（ステップＳ４）。その後、制御部５０は、フローチャートの実行を終了する。
【００６０】
図８のフローチャートによれば、酸素センサ１０の検出酸素濃度の高低に応じて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。なお、ステップＳ１において、酸素センサ１０への印加電圧をゼロから増加させて、印加電圧に対する酸素センサ１０の検出酸素濃度の傾きが所定値以下になる１回目の電圧範囲を第１範囲としてもよく、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位およびＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位未満の電圧範囲において印加電圧に対する酸素センサ１０の検出酸素濃度の傾きが所定値以下になる電圧範囲を第１範囲としてもよい。
【００６１】
また、第１範囲における検出酸素濃度と第３範囲における検出酸素濃度との差分に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することもできる。図７において、炭化水素燃料着火時における第３範囲の検出酸素濃度Ｃ３と第１範囲の検出酸素濃度Ｃ１との差を差分Ｄ１とする。炭化水素燃料未着火時における第３範囲の検出酸素濃度Ｃ３’と第１範囲の検出酸素濃度Ｃ１’との差を差分Ｄ２とする。この場合、差分Ｄ１＜差分Ｄ２の関係が得られる。したがって、第１範囲および第３範囲の酸素センサ１０の検出酸素濃度の差分に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。
【００６２】
この場合のフローチャートの一例を図９に示す。まず、制御部５０は、酸素センサ１０への印加電圧を第３範囲まで増加させる（ステップＳ１１）。次に、制御部５０は、酸素センサ１０によって検出される第３範囲における検出酸素濃度と第１範囲における検出酸素濃度との差分Ｘが判定値よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１２）。なお、この場合の判定値として、あらかじめ測定しておいた差分Ｄ１以上の値を用いることができる。
【００６３】
ステップＳ１２において差分Ｘが判定値よりも大きいと判定された場合、制御部５０は、炭化水素燃料が未着火であると判定する（ステップＳ１３）。その後、制御部５０は、フローチャートの実行を終了する。ステップＳ１２において差分Ｘが判定値よりも大きいと判定されなかった場合、制御部５０は、炭化水素燃料が着火したと判定する（ステップＳ１４）。その後、制御部５０は、フローチャートの実行を終了する。
【００６４】
図９のフローチャートによれば、複数種類の印加電圧に対する酸素センサ１０の出力値の差分に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。この場合、酸素センサ１０の出力値の絶対値を用いる方法に比較して、経時変化の影響を回避することができるという利点がある。
【００６５】
なお、図９と同様のフローチャートを用いて、第１範囲における検出酸素濃度と第２範囲における検出酸素濃度との差分に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することもできる。また、ステップＳ１１において、酸素センサ１０への印加電圧をゼロから増加させて、印加電圧に対する酸素センサ１０の検出酸素濃度の傾きが所定値以下になる３回目の電圧範囲を第３範囲としてもよく、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位およびＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位以上の電圧範囲において印加電圧に対する酸素センサ１０の検出酸素濃度の傾きが所定値以下になる電圧範囲を第３範囲としてもよい。
【００６６】
また、第１範囲における検出酸素濃度と第３範囲における検出酸素濃度との相対比に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することもできる。図７において、炭化水素燃料着火時における第３範囲の検出酸素濃度Ｃ３の第１範囲の検出酸素濃度Ｃ１に対する相対比を相対比Ｒ１（＝Ｃ３／Ｃ１）とする。炭化水素燃料未着火時における第３範囲の検出酸素濃度Ｃ３’の第１範囲の検出酸素濃度Ｃ１’に対する相対比を相対比Ｒ２（＝Ｃ３’／Ｃ１’）とする。この場合、相対比Ｒ１＜相対比Ｒ２の関係が得られる。したがって、第１範囲および第３範囲の酸素センサ１０の検出酸素濃度の相対比に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。
【００６７】
この場合のフローチャートの一例を図１０に示す。まず、制御部５０は、酸素センサ１０への印加電圧を第３範囲まで増加させる（ステップＳ２１）。次に、制御部５０は、酸素センサ１０によって検出される第３範囲における検出酸素濃度の第１範囲における検出酸素濃度に対する相対比Ｙが判定値よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ２２）。なお、この場合の判定値として、あらかじめ測定しておいた相対比Ｒ１以上の値を用いることができる。
【００６８】
ステップＳ２２において相対比Ｙが判定値よりも大きいと判定された場合、制御部５０は、炭化水素燃料が未着火であると判定する（ステップＳ２３）。その後、制御部５０は、フローチャートの実行を終了する。ステップＳ２２において相対比Ｙが判定値よりも大きいと判定されなかった場合、制御部５０は、炭化水素燃料が着火したと判定する（ステップＳ２４）。その後、制御部５０は、フローチャートの実行を終了する。
【００６９】
図１０のフローチャートによれば、複数種類の印加電圧に対する酸素センサ１０の出力値の相対比に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。この場合、酸素センサ１０の出力値の絶対値を用いる方法に比較して、経時変化の影響を回避することができるという利点がある。なお、図１０と同様のフローチャートを用いて、第１範囲における検出酸素濃度と第２範囲における検出酸素濃度との相対比に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することもできる。
【００７０】
また、第１範囲における検出酸素濃度と第４範囲における検出酸素濃度との差分に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することもできる。図７において、炭化水素燃料着火時における第４範囲の検出酸素濃度Ｃ４と第１範囲の検出酸素濃度Ｃ１との差を差分ｄ１とする。炭化水素燃料未着火時における第４範囲の検出酸素濃度Ｃ４’と第１範囲の検出酸素濃度Ｃ１’との差を差分ｄ２とする。この場合、差分ｄ１＜差分ｄ２の関係が得られる。したがって、第１範囲および第４範囲の酸素センサ１０の検出酸素濃度の差分に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。
【００７１】
この場合のフローチャートの一例を図１１に示す。まず、制御部５０は、酸素センサ１０への印加電圧を第４範囲まで増加させる（ステップＳ３１）。次に、制御部５０は、酸素センサ１０によって検出される第４範囲における検出酸素濃度と第１範囲における検出酸素濃度との差分Ｘが判定値よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ４２）。なお、この場合の判定値として、あらかじめ測定しておいた差分ｄ１以上の値を用いることができる。
【００７２】
ステップＳ３２において差分Ｘが判定値よりも大きいと判定された場合、制御部５０は、炭化水素燃料が未着火であると判定する（ステップＳ３３）。その後、制御部５０は、フローチャートの実行を終了する。ステップＳ３２において差分Ｘが判定値よりも大きいと判定されなかった場合、制御部５０は、炭化水素燃料が着火したと判定する（ステップＳ３４）。その後、制御部５０は、フローチャートの実行を終了する。
【００７３】
図１１のフローチャートによれば、複数種類の印加電圧に対する酸素センサ１０の出力値の差分に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。この場合、酸素センサ１０の出力値の絶対値を用いる方法に比較して、経時変化の影響を回避することができるという利点がある。
【００７４】
なお、図１１と同様のフローチャートを用いて、第１範囲における検出酸素濃度と第２範囲における検出酸素濃度との差分に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することもできる。また、ステップＳ３１において、酸素センサ１０への印加電圧をゼロから増加させて、印加電圧に対する酸素センサ１０の検出酸素濃度の傾きが所定値以下になる４回目の電圧範囲を第４範囲としてもよく、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位、ＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位、およびＣＯ２／Ｃの酸化還元電位以上の電圧範囲において印加電圧に対する酸素センサ１０の検出酸素濃度の傾きが所定値以下になる電圧範囲を第４範囲としてもよい。
【００７５】
また、第１範囲における検出酸素濃度と第４範囲における検出酸素濃度との相対比に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することもできる。図７において、炭化水素燃料着火時における第４範囲の検出酸素濃度Ｃ４の第１範囲の検出酸素濃度Ｃ１に対する相対比を相対比ｒ１（＝Ｃ４／Ｃ１）とする。炭化水素燃料未着火時における第４範囲の検出酸素濃度Ｃ４’の第１範囲の検出酸素濃度Ｃ１’に対する相対比を相対比ｒ２（＝Ｃ４’／Ｃ１’）とする。この場合、相対比ｒ１＜相対比ｒ２の関係が得られる。したがって、第１範囲および第４範囲の酸素センサ１０の検出酸素濃度の相対比に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。
【００７６】
この場合のフローチャートの一例を図１２に示す。まず、制御部５０は、酸素センサ１０への印加電圧を第４範囲まで増加させる（ステップＳ４１）。次に、制御部５０は、酸素センサ１０によって検出される第４範囲における検出酸素濃度の第１範囲における検出酸素濃度に対する相対比Ｙが判定値よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ４２）。なお、この場合の判定値として、あらかじめ測定しておいた相対比ｒ１以上の値を用いることができる。
【００７７】
ステップＳ４２において相対比Ｙが判定値よりも大きいと判定された場合、制御部５０は、炭化水素燃料が未着火であると判定する（ステップＳ４３）。その後、制御部５０は、フローチャートの実行を終了する。ステップＳ４２において相対比Ｙが判定値よりも大きいと判定されなかった場合、制御部５０は、炭化水素燃料が着火したと判定する（ステップＳ４４）。その後、制御部５０は、フローチャートの実行を終了する。
【００７８】
図１２のフローチャートによれば、複数種類の印加電圧に対する酸素センサ１０の出力値の相対比に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。この場合、酸素センサ１０の出力値の絶対値を用いる方法に比較して、経時変化の影響を回避することができるという利点がある。なお、図１２と同様のフローチャートを用いて、第１範囲における検出酸素濃度と第２範囲における検出酸素濃度との相対比に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することもできる。
【００７９】
以上のように、本実施例においては、酸素センサ１０の検出酸素濃度に応じて炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。この判定は、酸素センサ１０の触媒機能によって炭化水素燃料が解離する現象に着目することによって初めて可能になったものである。さらに、酸素センサ１０への印加電圧とＨ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位、ＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位、およびＣＯ２／Ｃの酸化還元電位との関係に起因して酸素センサ１０の検出酸素濃度が複数段階に増加する現象に着目することによって、より正確に炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができるのである。
【００８０】
なお、図４〜図６で説明したように、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位はＰＨ２Ｏ：ＰＨ２に支配され、ＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位はＰＣＯ２：ＰＣＯに支配される。そのため、ＰＨ２Ｏ：ＰＨ２およびＰＣＯ２：ＰＣＯの比率によっては、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位がＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位よりも高くなることもある。この場合には、第２範囲がＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位以上かつＨ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位未満の電圧範囲において現れ、第３範囲がＨ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位以上の電圧範囲において現れることになる。
【００８１】
また、本実施例においては炭化水素燃料としてメタンを用いたが、それに限られない。メタン以外の炭化水素燃料、例えば都市ガス、プロパンガス、灯油、ガソリン、軽油等を用いても、上記手順に従って、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。
【実施例２】
【００８２】
続いて、着失火検出装置を燃料電池システムに適用した例について説明する。図１３は、実施例２係る燃料電池システム２００の全体構成を示す模式図である。図１３に示すように、燃料電池システム２００は、制御部１１０、燃料ポンプ１２１、改質水供給部１３０、エアポンプ１４０ａ，１４０ｂ、改質器１５０、燃料電池１６０および酸素センサ１７０を備える。本実施例においては、燃料電池１６０として、例えば、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いることができる。また、酸素センサ１７０は、実施例１に係る酸素センサ１０と同様の構造を有する。
【００８３】
改質燃料供給部１２０は、燃料ポンプ１２１および燃料流量計１２２を備える。改質水供給部１３０は、熱交換器１３１、凝縮水タンク１３２および改質水ポンプ１３３を備える。改質器１５０は、改質部１５１、燃焼室１５２および着火手段１５３を備える。燃料電池１６０は、カソード１６１およびアノード１６２を備え、カソード１６１とアノード１６２との間に酸素イオン伝導性電解質を備える。
【００８４】
制御部１１０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成される。制御部１１０は、燃料流量計１２２および酸素センサ１７０から与えられる検出結果に基づいて、燃料電池システム２００の各部を制御する。
【００８５】
燃料ポンプ１２１は、制御部１１０の指示に従って、改質燃料タンクに貯蔵されている改質燃料または、ガス配管から供給される都市ガス、灯油等を改質部１５１に供給するポンプである。熱交換器１３１は、水道水と燃焼室１５２からの排気ガスとの熱交換を行う。凝縮水タンク１３２は、燃焼室１５２からの排気ガスの凝縮水を貯蔵するタンクである。改質水ポンプ１３３は、制御部１１０の指示に従って、凝縮水タンク１３２に貯蔵されている凝縮水を改質水として改質部１５１に供給するポンプである。
【００８６】
改質部１５１においては、燃料ポンプ１２１からの改質燃料とエアポンプ１４０ａからのエアとから、部分酸化反応により、水素を含有する改質ガスが生成される。改質器１５０の暖機後は、燃料ポンプ１２１からの改質燃料と改質水ポンプ１３３からの水蒸気とから、水蒸気改質反応により、改質ガスが生成される。
【００８７】
エアポンプ１４０ｂは、制御部１１０の指示に従って、必要量のエアをカソード１６１に供給する。カソード１６１においては、エア中の酸素が酸素イオンに変換される。カソード１６１において酸素イオンに変換されなかった酸素は、カソードオフガスとして燃焼室１５２に供給される。
【００８８】
改質部１５１において生成された改質ガスは、アノード１６２に供給される。アノード１６２においては、カソード１６１において変換された酸素イオンとアノード１６２に供給された水素とから水が発生するとともに電力が発生する。発生した電力は、図示しないモータ等の負荷に用いられる。発生した水は、燃料電池１６０において発生する熱によって水蒸気となる。アノード１６２において発生した水蒸気、酸素イオンと反応しなかった水素、ならびに、改質部１５１において反応しなかった水素を含む改質ガス、ならびに、改質部１５１において反応しなかった炭化水素、ＣＯ、ＣＯ２および水蒸気は、アノードオフガスとして燃焼室１５２に供給される。
【００８９】
燃焼室１５２においては、アノードオフガスおよびカソードオフガスが供給される。着火手段１５３は、制御部１１０の指示に従って、アノードオフガスに含まれる可燃成分に着火させる。この場合、カソードオフガスが酸素源として用いられる。燃焼室１５２における燃焼反応による燃焼熱は、改質部１５１における水蒸気改質反応に利用される。燃焼反応によって発生する排気ガスは、外部に排出される。酸素センサ１７０は、燃焼室１５２内または燃焼室１５２より下流側の酸素濃度を検出する。
【００９０】
本実施例においても、制御部１１０は、酸素センサ１７０の検出酸素濃度に基づいて、燃焼室１５２における炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。
【００９１】
ここで、燃料電池１６０においては、アノードで水が生成される。したがって、アノードオフガスに水分が含まれることになる。燃焼室１５２には燃料としてアノードオフガスが供給されることから、燃焼室１５２からの排気ガスにも水蒸気が含まれる。この場合、温度センサを用いて着火および未着火を判定しようとすると、温度センサの検出値に誤差が生じるおそれがある。例えば、温度センサ付近の水蒸気量が多くなるほど、燃焼比温度上昇が遅くなる。したがって、着火検出の応答性が低下することになる。
【００９２】
しかしながら、本実施例のように酸素センサ１７０の検出酸素濃度に基づいて燃料の着火および失火を判定することによって、水蒸気濃度の影響を回避することができる。したがって、水蒸気が流入する燃焼装置に対して、本発明の効果が特に大きくなる。なお、本実施例においては一例として酸素イオン伝導性電解質を備える燃料電池を用いたが、プロトン伝導性電解質を備える燃料電池を用いてもよい。
【符号の説明】
【００９３】
１０ 酸素センサ
１１ 電解質
１２ アノード
１３カソード
１４ カバー
２０ 電流計
３０ センサ電源
５０ 制御部
１００ 着失火検出装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、着失火検出装置および着失火検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
改質器と燃料電池とを備える燃料電池システムにおいて、空燃比センサの検出結果に基づいて空気導入バルブの開度を制御することによって、酸化剤供給量を排気管内に未反応燃料が存在しなくなるよう制御する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３３１９９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、起動時の着火状態の判断を酸素センサを用いて行うと、未燃炭化水素がセンサ上で分解反応を起こす。この場合、酸素濃度を正確に検出できないことがある。その結果、着火判断を誤るおそれがある。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、炭化水素燃料の着失火検出精度を向上させることができる着失火検出装置および着失火検出方法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】
【０００７】
本発明に係る着火検出装置は、炭化水素燃料を燃焼させるための燃焼室内または前記燃焼室の下流における酸素濃度を検出する酸素センサと、酸素センサへの第１の印加電圧での酸素センサの第１出力値と第２の印加電圧での酸素センサの第２出力値との差分または相対比に基づいて炭化水素燃料の着火および失火の少なくともいずれか一方を判定する判定手段と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る着失火検出装置においては、複数の印加電圧の出力値の差分または相対比を用いることから、炭化水素の解離を利用して炭化水素燃料の着失火を検出することができるとともに、経時変化の影響を回避することができる。それにより、炭化水素燃料の着失火検出精度を向上させることができる。
【０００８】
判定手段は、第１出力値と第２出力値との差分の絶対値が所定値以下である場合に、炭化水素燃料が着火したと判定してもよい。判定手段は、第１出力値および第２出力値のうち高出力値の低出力値に対する相対比が所定値以下である場合に、炭化水素燃料が着火したと判定してもよい。
【０００９】
第１印加電圧および第２印加電圧は、印加電圧に対する酸素センサの出力の傾きが所定値以下となる電圧範囲の値であってもよい。第１印加電圧は、印加電圧に対する酸素センサの出力の傾きが、印加電圧をゼロから増加させた場合に所定値以下になる１回目の電圧範囲の値であり、第２印加電圧は、印加電圧に対する酸素センサの出力の傾きが、印加電圧をゼロから増加させた場合に所定値以下になる２回目または３回目の電圧範囲の値であってもよい。
【００１０】
第１印加電圧は、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位およびＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位未満において、酸素センサの出力の印加電圧に対する傾きが所定値以下になる電圧範囲の値であってもよい。第２印加電圧は、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位およびＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位の少なくとも一方以上の電圧範囲の値であってもよい。
【００１１】
判定手段は、酸素センサ出力が所定値以下である場合に、炭化水素燃料が未着火であると判定してもよい。
【００１２】
本発明に係る他の着失火検出装置は、炭化水素燃料を燃焼させるための燃焼室内または燃焼室の下流における酸素濃度を検出する酸素センサと、酸素センサの出力が所定値以下である場合に炭化水素燃料が未着火であると判定する判定手段と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る他の着失火検出装置においては、酸素センサにおける炭化水素の解離を利用することができる。それにより、炭化水素燃料の着失火検出精度を向上させることができる。
【００１３】
本発明に係る着失火検出方法は、炭化水素燃料を燃焼させるための燃焼室内または燃焼室の下流における酸素濃度を検出する酸素センサへの第１の印加電圧での酸素センサの第１出力値と第２の印加電圧での酸素センサの第２出力値との差分または相対比に基づいて炭化水素燃料の着火および失火の少なくともいずれか一方を判定する判定ステップ、を含むことを特徴とするものである。本発明に係る着失火検出方法においては、複数の印加電圧の出力値の差分または相対比を用いることから、炭化水素の解離を利用して炭化水素燃料の着失火を検出することができるとともに、経時変化の影響を回避することができる。それにより、炭化水素燃料の着失火検出精度を向上させることができる。
【００１４】
判定ステップは、第１出力値と第２出力値との差分の絶対値が所定値以下である場合に、炭化水素燃料が着火したと判定するステップであってもよい。判定ステップは、第１出力値および第２出力値のうち高出力値の低出力値に対する相対比が所定値以下である場合に、炭化水素燃料が着火したと判定するステップであってもよい。
【００１５】
第１印加電圧および第２印加電圧は、印加電圧に対する酸素センサの出力の傾きが所定値以下となる電圧範囲の値であってもよい。第１印加電圧は、印加電圧に対する酸素センサの出力の傾きが、印加電圧をゼロから増加させた場合に所定値以下になる１回目の電圧範囲の値であり、第２印加電圧は、印加電圧に対する酸素センサの出力の傾きが、印加電圧をゼロから増加させた場合に所定値以下になる２回目または３回目の電圧範囲の値であってもよい。
【００１６】
第１印加電圧は、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位およびＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位未満において、酸素センサの出力の印加電圧に対する傾きが所定値以下になる電圧範囲の値であってもよい。第２印加電圧は、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位およびＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位の少なくとも一方以上の電圧範囲の値であってもよい。
【００１７】
判定ステップにおいて、酸素センサ出力が所定値以下である場合に、炭化水素燃料が未着火であると判定してもよい。
【００１８】
本発明に係る他の着失火検出方法は、炭化水素燃料を燃焼させるための燃焼室内または燃焼室の下流における酸素濃度を検出する酸素センサの出力が所定値以下である場合に炭化水素燃料が未着火であると判定する判定ステップ、を含むことを特徴とするものである。本発明に係る他の着失火検出方法においては、酸素センサにおける炭化水素の解離を利用することができる。それにより、炭化水素燃料の着失火検出精度を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、炭化水素燃料の着失火検出精度を向上させることができる着失火検出装置および着失火検出方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施例１に係る着失火検出装置１００の全体構成を示す模式図である。
【図２】炭化水素燃料が着火した場合および未着火である場合の酸素センサ１０の検出酸素濃度を説明するための図である。
【図３】炭化水素燃料の着火および未着火の場合に酸素センサの近傍に存在する物質、および酸素センサにおいて生じる反応式を説明するための図である。
【図４】Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位およびＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位について説明するための図である。
【図５】着火時におけるＨ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位およびＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位について説明するための図である。
【図６】未着火時におけるＨ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位およびＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位について説明するための図である。
【図７】着失火判定を説明するための図である。
【図８】着失火判定のフローチャートの一例を示す図である。
【図９】着失火判定のフローチャートの他の例を示す図である。
【図１０】着失火判定のフローチャートの他の例を示す図である。
【図１１】着失火判定のフローチャートの他の例を示す図である。
【図１２】着失火判定のフローチャートの他の例を示す図である。
【図１３】実施例２に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１は、実施例１に係る着失火検出装置１００の全体構成を示す模式図である。後述する酸素センサ１０について、模式的な断面が図示されている。図１に示すように、着失火検出装置１００は、酸素センサ１０、電流計２０、センサ電源３０、ヒータ電源４０、および制御部５０を備える。着失火検出装置１００は、炭化水素燃料の着失火を検出する装置である。したがって、酸素センサ１０は、炭化水素燃料の燃焼室内またはその排気管等に配置される。
【００２３】
酸素センサ１０は、限界電流式酸素センサであって、電解質１１の一面にアノード１２が設けられ、電解質１１の他面にカソード１３が設けられ、細孔が形成された図示しない多孔質基板がカソード１３を覆うように配置された構造を有する。電解質１１には、ヒータ１５が配置されている。
【００２４】
電解質１１は、酸素イオン伝導性の電解質からなり、例えばイットリア添加の安定化ジルコニアからなる。アノード１２およびカソード１３は、触媒活性を有する材料からなり、例えば白金からなる。アノード１２およびカソード１３は、配線を介して外部回路を形成する。この外部回路には、電流計２０およびセンサ電源３０が設けられている。図示しない多孔質基板は、例えば多孔質状のアルミナからなる。ヒータ１５は、例えば白金薄膜等からなる。ヒータ１５には、ヒータ電源４０が接続されている。
【００２５】
制御部５０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成される。制御部５０は、電流計２０の検出結果等に基づいて、センサ電源３０およびヒータ電源４０を制御する。また、制御部５０は、電流計２０の検出結果等に基づいて、炭化水素燃料の着失火判定を行う。
【００２６】
続いて、酸素センサ１０による酸素濃度検出の概要について説明する。制御部５０は、ヒータ電源４０を制御して、ヒータ１５に電力を供給する。それにより、電解質１１が加熱される。電解質１１の温度が所定値に到達した後、制御部５０は、アノード１２に印加される電圧がカソード１３に印加される電圧に対して相対的にプラスになるようにセンサ電源３０を制御する。アノード１２およびカソード１３に電圧が印加されると、下記式（１）に従って、カソード１３において酸素が酸素イオンとなって電解質１１を伝導する。アノード１２においては、下記式（２）に従って、酸素イオンが酸素分子となる。
Ｏ２ ＋ ４ｅ− → ２Ｏ２− （１）
２Ｏ２− → Ｏ２ ＋ ４ｅ− （２）
【００２７】
カソード１３への酸素輸送量は、図示しない多孔質基板の細孔によって支配されるため、式（１）および式（２）の反応によって生じる電流（限界電流）は、図示しない多孔質基板の細孔における酸素ガス拡散量によって決定される。この酸素ガス拡散量は、図示しない多孔質基板の外部の酸素濃度によって決まる。
【００２８】
制御部５０は、電流計２０の検出値に応じて酸素センサ１０の出力電流を取得する。酸素センサ１０の出力電流は雰囲気中酸素濃度に比例する。制御部５０は、この比例関係に基づいて、酸素センサ１０がさらされる雰囲気の酸素濃度を検出する。
【００２９】
ただし、炭化水素が未着火である場合には、酸素センサ１０は、酸素濃度を正確に検出できなくなることがある。また、水蒸気（Ｈ２Ｏ）および二酸化炭素（ＣＯ２）の酸化還元電位と酸素センサ１０への印加電圧との関係に応じて、酸素センサ１０が検出する酸素濃度が変化する。以下、図２および図３を参照しつつ、炭化水素が着火した場合および未着火である場合の酸素センサ１０の検出酸素濃度について説明する。なお、以下の説明において、酸素センサ１０への印加電圧とは、カソード１３とアノード１２との間の電位差を所定値に保つよう外部電源３０により電圧を印加する場合の、この所定値のことである。
【００３０】
図２は、炭化水素燃料が着火した場合および未着火である場合の酸素センサ１０の検出酸素濃度を説明するための図である。図３は、炭化水素燃料の着火および未着火の場合に酸素センサ１０の近傍に存在する物質、および酸素センサ１０において生じる反応式を説明するための図である。
【００３１】
図２において、横軸は酸素センサ１０への印加電圧を示し、縦軸は酸素センサ１０の検出酸素濃度を示す。なお、上述したように、酸素センサ１０の検出酸素濃度は、酸素センサ１０の出力電流に比例する。図３（ａ）に示すように、燃焼室に、炭化水素燃料として２．５ＮＬ／ｍｉｎのメタン（ＣＨ４）を供給し、酸化剤として４０ＮＬ／ｍｉｎのエア（主としてＯ２＋Ｎ２）を供給する場合について考える。
【００３２】
炭化水素燃料が着火して完全燃焼すれば、図３（ａ）の比率の場合、雰囲気中の酸素濃度は１０．８％程度となる。なお、実際には真の完全燃焼は期し難いため、酸素センサ１０が検出する酸素濃度は１０．８％からずれることもある。しかしながら、この酸素濃度のずれは無視できる程度であることから、本明細書においては考慮しない。
【００３３】
酸素センサ１０への印加電圧をゼロから増加させるに伴って、酸素センサ１０の検出酸素濃度が大きくなり、酸素センサ１０の検出酸素濃度がほぼ一定（印加電圧に対する酸素センサ１０の検出酸素濃度の傾きが所定値以下）になる電圧範囲が現れる。この電圧範囲を、以下、第１範囲と称する。この電圧範囲は、酸素センサ１０の限界電流域において現れる。この第１範囲においては、酸素センサ１０は、雰囲気中の酸素濃度を正確に検出することができる。なお、一例として、第１範囲は、７００℃において０．４Ｖ付近である。
【００３４】
酸素センサ１０への印加電圧をＨ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位以上に増加させると、カソード１３において、炭化水素燃料の燃焼によって生じたＨ２ＯのＨ２への還元反応が生じる。この還元反応によって生じた酸素イオンが電解質１１を伝導するようになるため、酸素センサ１０の検出酸素濃度が大きくなる。
【００３５】
さらに酸素センサ１０への印加電圧を増加させると、カソード１３へのＨ２Ｏの輸送量が図示しない多孔質基板の細孔によって支配される。それにより、酸素センサ１０の検出酸素濃度がほぼ一定（印加電圧に対する酸素センサ１０の検出酸素濃度の傾きが所定値以下）になる電圧範囲が現れる。この電圧範囲を、以下、第２範囲と称する。この第２範囲は、酸素センサ１０への印加電圧がＨ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位以上かつＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位未満である場合に現れる。なお、第２範囲は、一例として、７００℃において０．８Ｖ付近である。また、カソード１３近傍のＨ２Ｏが全て還元されるとすると、酸素センサ１０によって検出される酸素濃度は約１２．２％になる。
【００３６】
酸素センサ１０への印加電圧をＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位に増加させると、カソード１３において、炭化水素燃料の燃焼によって生じたＣＯ２のＣＯへの還元反応が生じる。この還元反応によって生じた酸素イオンが電解質１１を伝導するようになるため、酸素センサ１０の検出酸素濃度が大きくなる。
【００３７】
さらに酸素センサ１０への印加電圧を増加させると、カソード１３へのＣＯ２の輸送量が図示しない多孔質基板の細孔によって支配される。それにより、酸素センサ１０の検出酸素濃度がほぼ一定（印加電圧に対する酸素センサ１０の検出酸素濃度の傾きが所定値以下）になる電圧範囲が現れる。この電圧範囲を、以下、第３範囲と称する。この第３範囲は、酸素センサ１０への印加電圧がＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位以上かつＣＯ２／Ｃの酸化還元電位未満である場合に現れる。なお、一例として、第３範囲は、７００℃において１．１Ｖ付近である。また、カソード１３近傍のＣＯ２が全てＣＯに還元されるとすると、酸素センサ１０によって検出される酸素濃度は約１５．４％になる。
【００３８】
酸素センサ１０への印加電圧をＣＯ２／Ｃの酸化還元電位に増加させると、カソード１３において、炭化水素燃料の燃焼によって生じたＣＯ２のＣへの還元反応が生じる。この還元反応によって生じた酸素イオンが電解質１１を伝導するようになるため、酸素センサ１０の検出酸素濃度が大きくなる。
【００３９】
さらに酸素センサ１０への印加電圧を増加させると、酸素センサ１０の検出酸素濃度がほぼ一定（印加電圧に対する酸素センサ１０の検出酸素濃度の傾きが所定値以下）になる電圧範囲が現れる。この電圧範囲を、以下、第４範囲と称する。この第４範囲は、酸素センサ１０への印加電圧がＣＯ２／Ｃの酸化還元電位以上である場合に現れる。なお、この第４範囲においては、Ｃ（カーボン）が徐々に析出してカソード１３を構成する白金と同様に電極の働きをする。この場合、みかけの電極面積が徐々に増えるため、第４範囲における酸素センサ１０の検出酸素濃度はフラットにならずに徐々に増加する。一例として、第４範囲は、７００℃において１．１Ｖ付近である。また、カソード１３近傍のＣＯ２が全てＣに還元されるとすると、酸素センサ１０によって検出される酸素濃度は約１８．６％になる。
【００４０】
図３（ｂ）〜図３（ｅ）で説明されるように、酸素センサ１０への印加電圧が変化すると、炭化水素燃料の燃焼によって生じた成分が酸素センサ１０の検出酸素濃度に影響する。したがって、酸素センサ１０への印加電圧に応じて、酸素センサ１０が検出する酸素濃度が変動する。
【００４１】
次に、炭化水素燃料が未着火である場合について説明する。炭化水素燃料が未着火であればエア中の酸素が消費されないため、雰囲気中の酸素濃度は約１８．８％になるはずである。したがって、酸素センサ１０による検出酸素濃度は着火時に比較して高くなるはずである。しかしながら、カソード１３が触媒として機能して、炭化水素燃料がＣとＨ２とに解離する。カソード１３で生じた酸素イオンとＣおよびＨ２とが結合するため、電解質１１を伝導する酸素イオン量が低下する。その結果、酸素センサ１０の検出酸素濃度と実際の雰囲気中酸素濃度との間に差異が生じる。
【００４２】
酸素センサ１０への印加電圧がＨ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位未満であれば、このＣおよびＨ２は、図３（ｆ）に示すように、カソード１３において酸素イオンと結合して酸化される。したがって、電解質１１を伝導すべき酸素イオンが消費されてしまうことから、酸素センサ１０の検出酸素濃度が着火時に比較して低下する。以上のことから、炭化水素燃料が未着火である場合には、炭化水素燃料が着火した場合に比較して、酸素センサ１０が検出する酸素濃度が低くなる。例えば、カソード１３近傍のＣおよびＨ２が全て酸素イオンと反応すると、酸素センサ１０によって検出される酸素濃度は約５．２％になる。なお、未着火の場合においても、第１範囲は現れる。ただし、着火の場合と未着火の場合とで、第１範囲の電圧幅および電圧値に差異が生じることがある。
【００４３】
酸素センサ１０への印加電圧がＨ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位以上かつＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位未満になると、図３（ｇ）に示すようにカソード１３においてＨ２Ｏの還元反応が生じる。この場合、電解質１１をより多くの酸素イオンが伝導するようになる。それにより、酸素センサ１０が検出する酸素濃度が高くなる。例えば、カソード１３近傍のＨ２Ｏが全て還元されるとすると、酸素センサ１０によって検出される酸素濃度は約１１．７％になる。なお、未着火の場合においても、第２範囲は現れる。ただし、着火の場合と未着火の場合とで、第２範囲の電圧幅および電圧値に差異が生じることがある。
【００４４】
酸素センサ１０への印加電圧がＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位以上になると、図３（ｈ）に示すようにカソード１３においてＣＯ２の還元反応が生じる。この場合、電解質１１をより多くの酸素イオンが伝導するようになる。それにより、酸素センサ１０が検出する酸素濃度が高くなる。例えば、カソード１３近傍のＣＯ２が全て還元されるとすると、酸素センサ１０によって検出される酸素濃度は約１８．８％になる。なお、未着火の場合においても、第３範囲は現れる。ただし、着火の場合と未着火の場合とで、第３範囲の電圧幅および電圧値に差異が生じることがある。
【００４５】
酸素センサ１０への印加電圧がＣＯ２／Ｃの酸化還元電位以上になると、図３（ｉ）に示すようにカソード１３においてＣＯ２のＣへの還元反応が生じる。それにより、酸素センサ１０が検出する酸素濃度が高くなる。なお、未着火の場合においても、第４範囲は現れる。ただし、着火の場合と未着火の場合とで、第４範囲の電圧幅および電圧値に差異が生じることがある。
【００４６】
以上のことから、炭化水素燃料未着火の第１範囲においては、炭化水素の解離によって生じたＣおよびＨ２の酸化に伴って電解質１１を伝導する酸素イオン量が減少してしまうため、酸素センサ１０の検出酸素濃度は、着火時に比較して低くなる。一方で、炭化水素燃料未着火の第３範囲および第４範囲においては炭化水素の解離によって生じたＣおよびＨ２が酸化しないため、酸素センサ１０の検出酸素濃度は、着火時に比較して高くなる。この現象を利用すれば、酸素センサ１０を用いて炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。
【００４７】
以下、図４〜図６を参照しつつ、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位、ＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位、およびＣＯ２／Ｃの酸化還元電位について説明する。図４〜図６において、横軸は温度（℃）を示し、左側の縦軸は酸化還元電位を示し、右側の縦軸は、左側から右側にかけて−ｌｏｇＰＯ２、ｌｏｇ（ＰＣＯ２／ＰＣＯ）、およびｌｏｇ（ＰＨ２Ｏ／ＰＨ２）を示す。なお、ＰＯ２は酸素分圧、ＰＣＯは一酸化炭素分圧、ＰＣＯ２は二酸化炭素分圧、ＰＨ２Ｏは水蒸気分圧、ＰＨ２は水素分圧を示す。また、図４〜図６は、電気化学便覧（丸善）電気化学会編Ｐ８３から抜粋したものである。
【００４８】
図４においては、ＰＨ２Ｏ：ＰＨ２が１：１である場合のＨ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位直線、ＰＣＯ２：ＰＣＯが１：１である場合のＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位直線、および、ＰＣＯ２が１ａｔｍである場合のＣＯ２／Ｃの酸化還元電位直線が示されている。Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位直線は、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の分圧比が１より大きいか小さいかを表す境界を示している。また、ＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位直線は、ＣＯ２／ＣＯの分圧比が１より大きいか小さいかを表す境界を示している。
【００４９】
Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位直線はＰＨ２Ｏ：ＰＨ２に応じて変化し、ＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位直線はＰＣＯ２：ＰＣＯに応じて変化し、ＣＯ２／Ｃの酸化還元電位直線はＰＣＯ２／ａ（Ｃ）に応じて変化する。ここで、ａ（Ｃ）は、固体炭素の活量（＝１）である。炭化水素燃料が着火した場合と未着火である場合とで、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位直線、ＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位直線、およびＣＯ２／Ｃの酸化還元電位直線はそれぞれ変化する。
【００５０】
図５は、炭化水素燃料が着火した場合のＨ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位直線、ＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位直線、およびＣＯ２／Ｃの酸化還元電位を示す図である。炭化水素燃料が燃焼する場合には、雰囲気中にＨ２およびＣＯがほとんど存在しない。したがって、ＰＨ２Ｏ／ＰＨ２およびＰＣＯ２／ＰＣＯが大きくなる。図５においては、ＰＨ２Ｏ：ＰＨ２が４％：４ｐｐｍ〜１０％：０．１ｐｐｍである場合のＨ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位直線、および、ＰＣＯ２：ＰＣＯが４％：４０００ｐｐｍ〜４％：４ｐｐｍである場合のＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位直線が図示されている。また、ＰＣＯ２：ａ（Ｃ）＝１ａｔｍ（１００％）：１〜ＰＣＯ２：ａ（Ｃ）＝０．０４ａｔｍ（４％）：１である場合のＣＯ２／Ｃの酸化還元電位が図示されている。
【００５１】
図５の場合においては、７００℃において、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位は０．４５Ｖ〜０．７Ｖ程度であり、ＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位は０．６Ｖ〜１Ｖ程度である。なお、図示は省略してあるが、７００℃における酸素の酸化還元電位は、ｌｏｇ（ＰＯ２）＝０〜−１であると想定した場合に、０Ｖ〜０．１Ｖ程度である。また、ＰＯ２が０．１％程度であれば、酸素の酸化還元電位は７００℃において０．３Ｖ程度である。さらに、７００℃において、ＣＯ２分圧が１ａｔｍ（１００％）である場合のＣＯ２／Ｃの酸化還元電位は１．０Ｖ程度であり、ＣＯ２分圧が０．０４ａｔｍ（４％）である場合のＣＯ２／Ｃの酸化還元電位は１．１Ｖ程度である。
【００５２】
図６は、炭化水素燃料が未着火である場合のＨ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位直線、ＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位直線、およびＣＯ２／Ｃの酸化還元電位を示す図である。炭化水素燃料が未着火である場合には、炭化水素の解離によって、雰囲気中にＨ２およびＣＯが多く存在するようになる。したがって、ＰＨ２Ｏ／ＰＨ２およびＰＣＯ２／ＰＣＯが図５の場合に比較して小さくなる。図６においては、ＰＨ２Ｏ：ＰＨ２が３％：３０％〜３％：３００ｐｐｍである場合のＨ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位直線、および、ＰＣＯ２：ＰＣＯが０．１％：１０％〜０．１％：１００ｐｐｍである場合のＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位直線が図示されている。また、ＰＣＯ２：ａ（Ｃ）＝１ａｔｍ（１００％）：１〜ＰＣＯ２：ａ（Ｃ）＝０．０００４ａｔｍ（４００ｐｐｍ）：１である場合のＣＯ２／Ｃの酸化還元電位が図示されている。
【００５３】
図６の場合においては、７００℃において、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位は０．８Ｖ〜１．２Ｖ程度であり、ＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位は０．９Ｖ〜１．３Ｖ程度である。なお、図示は省略してあるが、７００℃における酸素の酸化還元電位は、ｌｏｇ（ＰＯ２）＝０〜−１であると想定した場合に、０Ｖ〜０．１Ｖ程度である。さらに、７００℃において、ＣＯ２分圧が１ａｔｍ（１００％）である場合のＣＯ２／Ｃの酸化還元電位は１．０Ｖ程度であり、ＣＯ２分圧が０．０００４ａｔｍ（４００ｐｐｍ）である場合のＣＯ２／Ｃの酸化還元電位は１．２Ｖ程度である。
【００５４】
図４〜図６で説明したように、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位、ＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位、およびＣＯ２／Ｃの酸化還元電位は、異なる値を持っている。図２に示した第２範囲、第３範囲、および第４範囲は、この酸化還元電位の差に起因して形成されるのである。
【００５５】
ここで、燃焼室への炭化水素燃料供給量、エア供給量等をパラメータとして炭化水素燃料の着火時および未着火時の燃焼オフガス中の成分量を予測することができる。この予測に基づいて、図４〜図６で説明した手順で酸化還元電位を推定することができる。
【００５６】
図２の曲線は、上述したように酸素の酸化還元電位、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位、ＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位、およびＣＯ２／Ｃの酸化還元電位をパラメータとして描かれる曲線である。したがって、図２で説明した第１範囲〜第４範囲を、図４〜図６で推定される酸化還元電位に基づいて決定してもよい。また、酸素センサ１０への印加電圧を増加させるにあたって、印加電圧に対する酸素センサ１０の検出酸素濃度の傾きがほぼゼロ（所定値以下）になる１回目の電圧範囲を第１範囲、２回目の電圧範囲を第２範囲、３回目の電圧範囲を第３範囲、４回目の電圧範囲を第４範囲と決定してもよい。
【００５７】
続いて、着失火検出装置１００による着失火判定について説明する。図２の着火時の酸素センサ１０による検出酸素濃度の曲線は、あらかじめ炭化水素燃料を燃焼させることによって取得することができる。この曲線を基準曲線として用いることによって、炭化水素燃料が着火しているか未着火であるかを判定することができる。
【００５８】
まず、炭化水素燃料未着火の第１範囲においては、炭化水素の解離によって生じたＣおよびＨ２の酸化に伴って電解質１１を伝導する酸素イオン量が減少してしまうため、酸素センサ１０による検出酸素濃度が着火時に比較して低くなる。したがって、酸素センサ１０による検出酸素濃度が判定値（着火時の第１範囲における検出酸素濃度未満の値）以下である場合に炭化水素燃料が未着火であると判定することができる。例えば、図７に示す判定値をあらかじめ設定しておくことによって、酸素センサ１０による検出酸素濃度が判定値以下である場合に、炭化水素燃料が未着火であると判定することができる。この判定値は、例えば、酸素センサ１０への印加電圧が第１範囲内である場合に設定することができる。
【００５９】
この場合のフローチャートの一例を図８に示す。まず、制御部５０は、センサ電源３０を制御して、酸素センサ１０への印加電圧を第１範囲まで増加させる（ステップＳ１）。次に、制御部５０は、酸素センサ１０による検出酸素濃度が判定値以下であるか否かを判定する（ステップＳ２）。ステップＳ２において検出酸素濃度が判定値以下であると判定された場合、制御部５０は、炭化水素燃料が未着火であると判定する（ステップＳ３）。その後、制御部５０は、フローチャートの実行を終了する。ステップＳ２において検出酸素濃度が判定値以下であると判定されなかった場合、制御部５０は、炭化水素燃料が着火したと判定する（ステップＳ４）。その後、制御部５０は、フローチャートの実行を終了する。
【００６０】
図８のフローチャートによれば、酸素センサ１０の検出酸素濃度の高低に応じて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。なお、ステップＳ１において、酸素センサ１０への印加電圧をゼロから増加させて、印加電圧に対する酸素センサ１０の検出酸素濃度の傾きが所定値以下になる１回目の電圧範囲を第１範囲としてもよく、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位およびＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位未満の電圧範囲において印加電圧に対する酸素センサ１０の検出酸素濃度の傾きが所定値以下になる電圧範囲を第１範囲としてもよい。
【００６１】
また、第１範囲における検出酸素濃度と第３範囲における検出酸素濃度との差分に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することもできる。図７において、炭化水素燃料着火時における第３範囲の検出酸素濃度Ｃ３と第１範囲の検出酸素濃度Ｃ１との差を差分Ｄ１とする。炭化水素燃料未着火時における第３範囲の検出酸素濃度Ｃ３’と第１範囲の検出酸素濃度Ｃ１’との差を差分Ｄ２とする。この場合、差分Ｄ１＜差分Ｄ２の関係が得られる。したがって、第１範囲および第３範囲の酸素センサ１０の検出酸素濃度の差分に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。
【００６２】
この場合のフローチャートの一例を図９に示す。まず、制御部５０は、酸素センサ１０への印加電圧を第３範囲まで増加させる（ステップＳ１１）。次に、制御部５０は、酸素センサ１０によって検出される第３範囲における検出酸素濃度と第１範囲における検出酸素濃度との差分Ｘが判定値よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１２）。なお、この場合の判定値として、あらかじめ測定しておいた差分Ｄ１以上の値を用いることができる。
【００６３】
ステップＳ１２において差分Ｘが判定値よりも大きいと判定された場合、制御部５０は、炭化水素燃料が未着火であると判定する（ステップＳ１３）。その後、制御部５０は、フローチャートの実行を終了する。ステップＳ１２において差分Ｘが判定値よりも大きいと判定されなかった場合、制御部５０は、炭化水素燃料が着火したと判定する（ステップＳ１４）。その後、制御部５０は、フローチャートの実行を終了する。
【００６４】
図９のフローチャートによれば、複数種類の印加電圧に対する酸素センサ１０の出力値の差分に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。この場合、酸素センサ１０の出力値の絶対値を用いる方法に比較して、経時変化の影響を回避することができるという利点がある。
【００６５】
なお、図９と同様のフローチャートを用いて、第１範囲における検出酸素濃度と第２範囲における検出酸素濃度との差分に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することもできる。また、ステップＳ１１において、酸素センサ１０への印加電圧をゼロから増加させて、印加電圧に対する酸素センサ１０の検出酸素濃度の傾きが所定値以下になる３回目の電圧範囲を第３範囲としてもよく、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位およびＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位以上の電圧範囲において印加電圧に対する酸素センサ１０の検出酸素濃度の傾きが所定値以下になる電圧範囲を第３範囲としてもよい。
【００６６】
また、第１範囲における検出酸素濃度と第３範囲における検出酸素濃度との相対比に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することもできる。図７において、炭化水素燃料着火時における第３範囲の検出酸素濃度Ｃ３の第１範囲の検出酸素濃度Ｃ１に対する相対比を相対比Ｒ１（＝Ｃ３／Ｃ１）とする。炭化水素燃料未着火時における第３範囲の検出酸素濃度Ｃ３’の第１範囲の検出酸素濃度Ｃ１’に対する相対比を相対比Ｒ２（＝Ｃ３’／Ｃ１’）とする。この場合、相対比Ｒ１＜相対比Ｒ２の関係が得られる。したがって、第１範囲および第３範囲の酸素センサ１０の検出酸素濃度の相対比に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。
【００６７】
この場合のフローチャートの一例を図１０に示す。まず、制御部５０は、酸素センサ１０への印加電圧を第３範囲まで増加させる（ステップＳ２１）。次に、制御部５０は、酸素センサ１０によって検出される第３範囲における検出酸素濃度の第１範囲における検出酸素濃度に対する相対比Ｙが判定値よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ２２）。なお、この場合の判定値として、あらかじめ測定しておいた相対比Ｒ１以上の値を用いることができる。
【００６８】
ステップＳ２２において相対比Ｙが判定値よりも大きいと判定された場合、制御部５０は、炭化水素燃料が未着火であると判定する（ステップＳ２３）。その後、制御部５０は、フローチャートの実行を終了する。ステップＳ２２において相対比Ｙが判定値よりも大きいと判定されなかった場合、制御部５０は、炭化水素燃料が着火したと判定する（ステップＳ２４）。その後、制御部５０は、フローチャートの実行を終了する。
【００６９】
図１０のフローチャートによれば、複数種類の印加電圧に対する酸素センサ１０の出力値の相対比に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。この場合、酸素センサ１０の出力値の絶対値を用いる方法に比較して、経時変化の影響を回避することができるという利点がある。なお、図１０と同様のフローチャートを用いて、第１範囲における検出酸素濃度と第２範囲における検出酸素濃度との相対比に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することもできる。
【００７０】
また、第１範囲における検出酸素濃度と第４範囲における検出酸素濃度との差分に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することもできる。図７において、炭化水素燃料着火時における第４範囲の検出酸素濃度Ｃ４と第１範囲の検出酸素濃度Ｃ１との差を差分ｄ１とする。炭化水素燃料未着火時における第４範囲の検出酸素濃度Ｃ４’と第１範囲の検出酸素濃度Ｃ１’との差を差分ｄ２とする。この場合、差分ｄ１＜差分ｄ２の関係が得られる。したがって、第１範囲および第４範囲の酸素センサ１０の検出酸素濃度の差分に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。
【００７１】
この場合のフローチャートの一例を図１１に示す。まず、制御部５０は、酸素センサ１０への印加電圧を第４範囲まで増加させる（ステップＳ３１）。次に、制御部５０は、酸素センサ１０によって検出される第４範囲における検出酸素濃度と第１範囲における検出酸素濃度との差分Ｘが判定値よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ４２）。なお、この場合の判定値として、あらかじめ測定しておいた差分ｄ１以上の値を用いることができる。
【００７２】
ステップＳ３２において差分Ｘが判定値よりも大きいと判定された場合、制御部５０は、炭化水素燃料が未着火であると判定する（ステップＳ３３）。その後、制御部５０は、フローチャートの実行を終了する。ステップＳ３２において差分Ｘが判定値よりも大きいと判定されなかった場合、制御部５０は、炭化水素燃料が着火したと判定する（ステップＳ３４）。その後、制御部５０は、フローチャートの実行を終了する。
【００７３】
図１１のフローチャートによれば、複数種類の印加電圧に対する酸素センサ１０の出力値の差分に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。この場合、酸素センサ１０の出力値の絶対値を用いる方法に比較して、経時変化の影響を回避することができるという利点がある。
【００７４】
なお、図１１と同様のフローチャートを用いて、第１範囲における検出酸素濃度と第２範囲における検出酸素濃度との差分に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することもできる。また、ステップＳ３１において、酸素センサ１０への印加電圧をゼロから増加させて、印加電圧に対する酸素センサ１０の検出酸素濃度の傾きが所定値以下になる４回目の電圧範囲を第４範囲としてもよく、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位、ＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位、およびＣＯ２／Ｃの酸化還元電位以上の電圧範囲において印加電圧に対する酸素センサ１０の検出酸素濃度の傾きが所定値以下になる電圧範囲を第４範囲としてもよい。
【００７５】
また、第１範囲における検出酸素濃度と第４範囲における検出酸素濃度との相対比に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することもできる。図７において、炭化水素燃料着火時における第４範囲の検出酸素濃度Ｃ４の第１範囲の検出酸素濃度Ｃ１に対する相対比を相対比ｒ１（＝Ｃ４／Ｃ１）とする。炭化水素燃料未着火時における第４範囲の検出酸素濃度Ｃ４’の第１範囲の検出酸素濃度Ｃ１’に対する相対比を相対比ｒ２（＝Ｃ４’／Ｃ１’）とする。この場合、相対比ｒ１＜相対比ｒ２の関係が得られる。したがって、第１範囲および第４範囲の酸素センサ１０の検出酸素濃度の相対比に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。
【００７６】
この場合のフローチャートの一例を図１２に示す。まず、制御部５０は、酸素センサ１０への印加電圧を第４範囲まで増加させる（ステップＳ４１）。次に、制御部５０は、酸素センサ１０によって検出される第４範囲における検出酸素濃度の第１範囲における検出酸素濃度に対する相対比Ｙが判定値よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ４２）。なお、この場合の判定値として、あらかじめ測定しておいた相対比ｒ１以上の値を用いることができる。
【００７７】
ステップＳ４２において相対比Ｙが判定値よりも大きいと判定された場合、制御部５０は、炭化水素燃料が未着火であると判定する（ステップＳ４３）。その後、制御部５０は、フローチャートの実行を終了する。ステップＳ４２において相対比Ｙが判定値よりも大きいと判定されなかった場合、制御部５０は、炭化水素燃料が着火したと判定する（ステップＳ４４）。その後、制御部５０は、フローチャートの実行を終了する。
【００７８】
図１２のフローチャートによれば、複数種類の印加電圧に対する酸素センサ１０の出力値の相対比に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。この場合、酸素センサ１０の出力値の絶対値を用いる方法に比較して、経時変化の影響を回避することができるという利点がある。なお、図１２と同様のフローチャートを用いて、第１範囲における検出酸素濃度と第２範囲における検出酸素濃度との相対比に基づいて、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することもできる。
【００７９】
以上のように、本実施例においては、酸素センサ１０の検出酸素濃度に応じて炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。この判定は、酸素センサ１０の触媒機能によって炭化水素燃料が解離する現象に着目することによって初めて可能になったものである。さらに、酸素センサ１０への印加電圧とＨ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位、ＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位、およびＣＯ２／Ｃの酸化還元電位との関係に起因して酸素センサ１０の検出酸素濃度が複数段階に増加する現象に着目することによって、より正確に炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができるのである。
【００８０】
なお、図４〜図６で説明したように、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位はＰＨ２Ｏ：ＰＨ２に支配され、ＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位はＰＣＯ２：ＰＣＯに支配される。そのため、ＰＨ２Ｏ：ＰＨ２およびＰＣＯ２：ＰＣＯの比率によっては、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位がＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位よりも高くなることもある。この場合には、第２範囲がＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位以上かつＨ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位未満の電圧範囲において現れ、第３範囲がＨ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位以上の電圧範囲において現れることになる。
【００８１】
また、本実施例においては炭化水素燃料としてメタンを用いたが、それに限られない。メタン以外の炭化水素燃料、例えば都市ガス、プロパンガス、灯油、ガソリン、軽油等を用いても、上記手順に従って、炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。
【実施例２】
【００８２】
続いて、着失火検出装置を燃料電池システムに適用した例について説明する。図１３は、実施例２係る燃料電池システム２００の全体構成を示す模式図である。図１３に示すように、燃料電池システム２００は、制御部１１０、燃料ポンプ１２１、改質水供給部１３０、エアポンプ１４０ａ，１４０ｂ、改質器１５０、燃料電池１６０および酸素センサ１７０を備える。本実施例においては、燃料電池１６０として、例えば、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いることができる。また、酸素センサ１７０は、実施例１に係る酸素センサ１０と同様の構造を有する。
【００８３】
改質燃料供給部１２０は、燃料ポンプ１２１および燃料流量計１２２を備える。改質水供給部１３０は、熱交換器１３１、凝縮水タンク１３２および改質水ポンプ１３３を備える。改質器１５０は、改質部１５１、燃焼室１５２および着火手段１５３を備える。燃料電池１６０は、カソード１６１およびアノード１６２を備え、カソード１６１とアノード１６２との間に酸素イオン伝導性電解質を備える。
【００８４】
制御部１１０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成される。制御部１１０は、燃料流量計１２２および酸素センサ１７０から与えられる検出結果に基づいて、燃料電池システム２００の各部を制御する。
【００８５】
燃料ポンプ１２１は、制御部１１０の指示に従って、改質燃料タンクに貯蔵されている改質燃料または、ガス配管から供給される都市ガス、灯油等を改質部１５１に供給するポンプである。熱交換器１３１は、水道水と燃焼室１５２からの排気ガスとの熱交換を行う。凝縮水タンク１３２は、燃焼室１５２からの排気ガスの凝縮水を貯蔵するタンクである。改質水ポンプ１３３は、制御部１１０の指示に従って、凝縮水タンク１３２に貯蔵されている凝縮水を改質水として改質部１５１に供給するポンプである。
【００８６】
改質部１５１においては、燃料ポンプ１２１からの改質燃料とエアポンプ１４０ａからのエアとから、部分酸化反応により、水素を含有する改質ガスが生成される。改質器１５０の暖機後は、燃料ポンプ１２１からの改質燃料と改質水ポンプ１３３からの水蒸気とから、水蒸気改質反応により、改質ガスが生成される。
【００８７】
エアポンプ１４０ｂは、制御部１１０の指示に従って、必要量のエアをカソード１６１に供給する。カソード１６１においては、エア中の酸素が酸素イオンに変換される。カソード１６１において酸素イオンに変換されなかった酸素は、カソードオフガスとして燃焼室１５２に供給される。
【００８８】
改質部１５１において生成された改質ガスは、アノード１６２に供給される。アノード１６２においては、カソード１６１において変換された酸素イオンとアノード１６２に供給された水素とから水が発生するとともに電力が発生する。発生した電力は、図示しないモータ等の負荷に用いられる。発生した水は、燃料電池１６０において発生する熱によって水蒸気となる。アノード１６２において発生した水蒸気、酸素イオンと反応しなかった水素、ならびに、改質部１５１において反応しなかった水素を含む改質ガス、ならびに、改質部１５１において反応しなかった炭化水素、ＣＯ、ＣＯ２および水蒸気は、アノードオフガスとして燃焼室１５２に供給される。
【００８９】
燃焼室１５２においては、アノードオフガスおよびカソードオフガスが供給される。着火手段１５３は、制御部１１０の指示に従って、アノードオフガスに含まれる可燃成分に着火させる。この場合、カソードオフガスが酸素源として用いられる。燃焼室１５２における燃焼反応による燃焼熱は、改質部１５１における水蒸気改質反応に利用される。燃焼反応によって発生する排気ガスは、外部に排出される。酸素センサ１７０は、燃焼室１５２内または燃焼室１５２より下流側の酸素濃度を検出する。
【００９０】
本実施例においても、制御部１１０は、酸素センサ１７０の検出酸素濃度に基づいて、燃焼室１５２における炭化水素燃料の着火および未着火を判定することができる。
【００９１】
ここで、燃料電池１６０においては、アノードで水が生成される。したがって、アノードオフガスに水分が含まれることになる。燃焼室１５２には燃料としてアノードオフガスが供給されることから、燃焼室１５２からの排気ガスにも水蒸気が含まれる。この場合、温度センサを用いて着火および未着火を判定しようとすると、温度センサの検出値に誤差が生じるおそれがある。例えば、温度センサ付近の水蒸気量が多くなるほど、燃焼比温度上昇が遅くなる。したがって、着火検出の応答性が低下することになる。
【００９２】
しかしながら、本実施例のように酸素センサ１７０の検出酸素濃度に基づいて燃料の着火および失火を判定することによって、水蒸気濃度の影響を回避することができる。したがって、水蒸気が流入する燃焼装置に対して、本発明の効果が特に大きくなる。なお、本実施例においては一例として酸素イオン伝導性電解質を備える燃料電池を用いたが、プロトン伝導性電解質を備える燃料電池を用いてもよい。
【符号の説明】
【００９３】
１０ 酸素センサ
１１ 電解質
１２ アノード
１３カソード
１４ カバー
２０ 電流計
３０ センサ電源
５０ 制御部
１００ 着失火検出装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素燃料を燃焼させるための燃焼室内または前記燃焼室の下流における酸素濃度を検出する酸素センサと、
前記酸素センサへの第１の印加電圧での前記酸素センサの第１出力値と第２の印加電圧での前記酸素センサの第２出力値との差分または相対比に基づいて前記炭化水素燃料の着火および失火の少なくともいずれか一方を判定する判定手段と、を備えることを特徴とする着失火検出装置。
【請求項２】
前記判定手段は、前記第１出力値と前記第２出力値との差分の絶対値が所定値以下である場合に、前記炭化水素燃料が着火したと判定することを特徴とする請求項１記載の着失火検出装置。
【請求項３】
前記判定手段は、前記第１出力値および前記第２出力値のうち高出力値の低出力値に対する相対比が所定値以下である場合に、前記炭化水素燃料が着火したと判定することを特徴とする請求項１記載の着失火検出装置。
【請求項４】
前記第１印加電圧および前記第２印加電圧は、印加電圧に対する前記酸素センサの出力の傾きが所定値以下となる電圧範囲の値であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の着失火検出装置。
【請求項５】
前記第１印加電圧は、印加電圧に対する前記酸素センサの出力の傾きが、前記印加電圧をゼロから増加させた場合に所定値以下になる１回目の電圧範囲の値であり、
前記第２印加電圧は、印加電圧に対する前記酸素センサの出力の傾きが、前記印加電圧をゼロから増加させた場合に所定値以下になる２回目または３回目の電圧範囲の値であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の着失火検出装置。
【請求項６】
前記第１印加電圧は、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位およびＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位未満において、前記酸素センサの出力の印加電圧に対する傾きが所定値以下になる電圧範囲の値であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の着失火検出装置。
【請求項７】
前記第２印加電圧は、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位およびＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位の少なくとも一方以上の電圧範囲の値であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の着失火検出装置。
【請求項８】
前記判定手段は、前記酸素センサ出力が所定値以下である場合に、前記炭化水素燃料が未着火であると判定することを特徴とする請求項２または３記載の着失火検出装置。
【請求項９】
炭化水素燃料を燃焼させるための燃焼室内または前記燃焼室の下流における酸素濃度を検出する酸素センサと、
前記酸素センサの出力が所定値以下である場合に前記炭化水素燃料が未着火であると判定する判定手段と、を備えることを特徴とする着失火検出装置。
【請求項１０】
炭化水素燃料を燃焼させるための燃焼室内または前記燃焼室の下流における酸素濃度を検出する酸素センサへの第１の印加電圧での前記酸素センサの第１出力値と第２の印加電圧での前記酸素センサの第２出力値との差分または相対比に基づいて前記炭化水素燃料の着火および失火の少なくともいずれか一方を判定する判定ステップ、を含むことを特徴とする着失火検出方法。
【請求項１１】
前記判定ステップは、前記第１出力値と前記第２出力値との差分の絶対値が所定値以下である場合に、前記炭化水素燃料が着火したと判定するステップであることを特徴とする請求項１０記載の着失火検出方法。
【請求項１２】
前記判定ステップは、前記第１出力値および前記第２出力値のうち高出力値の低出力値に対する相対比が所定値以下である場合に、前記炭化水素燃料が着火したと判定するステップであることを特徴とする請求項１０記載の着失火検出方法。
【請求項１３】
前記第１印加電圧および前記第２印加電圧は、印加電圧に対する前記酸素センサの出力の傾きが所定値以下となる電圧範囲の値であることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の着失火検出方法。
【請求項１４】
前記第１印加電圧は、印加電圧に対する前記酸素センサの出力の傾きが、前記印加電圧をゼロから増加させた場合に所定値以下になる１回目の電圧範囲の値であり、
前記第２印加電圧は、印加電圧に対する前記酸素センサの出力の傾きが、前記印加電圧をゼロから増加させた場合に所定値以下になる２回目または３回目の電圧範囲の値であることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の着失火検出方法。
【請求項１５】
前記第１印加電圧は、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位およびＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位未満において、前記酸素センサの出力の印加電圧に対する傾きが所定値以下になる電圧範囲の値であることを特徴とする請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の着失火検出方法。
【請求項１６】
前記第２印加電圧は、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位およびＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位の少なくとも一方以上の電圧範囲の値であることを特徴とする請求項１０〜１５のいずれか１項に記載の着失火検出方法。
【請求項１７】
前記判定ステップにおいて、前記酸素センサ出力が所定値以下である場合に、前記炭化水素燃料が未着火であると判定することを特徴とする請求項１１または１２記載の着失火検出方法。
【請求項１８】
炭化水素燃料を燃焼させるための燃焼室内または前記燃焼室の下流における酸素濃度を検出する酸素センサの出力が所定値以下である場合に前記炭化水素燃料が未着火であると判定する判定ステップ、を含むことを特徴とする着失火検出方法。
【請求項１】
炭化水素燃料を燃焼させるための燃焼室内または前記燃焼室の下流における酸素濃度を検出する酸素センサと、
前記酸素センサへの第１の印加電圧での前記酸素センサの第１出力値と第２の印加電圧での前記酸素センサの第２出力値との差分または相対比に基づいて前記炭化水素燃料の着火および失火の少なくともいずれか一方を判定する判定手段と、を備えることを特徴とする着失火検出装置。
【請求項２】
前記判定手段は、前記第１出力値と前記第２出力値との差分の絶対値が所定値以下である場合に、前記炭化水素燃料が着火したと判定することを特徴とする請求項１記載の着失火検出装置。
【請求項３】
前記判定手段は、前記第１出力値および前記第２出力値のうち高出力値の低出力値に対する相対比が所定値以下である場合に、前記炭化水素燃料が着火したと判定することを特徴とする請求項１記載の着失火検出装置。
【請求項４】
前記第１印加電圧および前記第２印加電圧は、印加電圧に対する前記酸素センサの出力の傾きが所定値以下となる電圧範囲の値であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の着失火検出装置。
【請求項５】
前記第１印加電圧は、印加電圧に対する前記酸素センサの出力の傾きが、前記印加電圧をゼロから増加させた場合に所定値以下になる１回目の電圧範囲の値であり、
前記第２印加電圧は、印加電圧に対する前記酸素センサの出力の傾きが、前記印加電圧をゼロから増加させた場合に所定値以下になる２回目または３回目の電圧範囲の値であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の着失火検出装置。
【請求項６】
前記第１印加電圧は、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位およびＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位未満において、前記酸素センサの出力の印加電圧に対する傾きが所定値以下になる電圧範囲の値であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の着失火検出装置。
【請求項７】
前記第２印加電圧は、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位およびＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位の少なくとも一方以上の電圧範囲の値であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の着失火検出装置。
【請求項８】
前記判定手段は、前記酸素センサ出力が所定値以下である場合に、前記炭化水素燃料が未着火であると判定することを特徴とする請求項２または３記載の着失火検出装置。
【請求項９】
炭化水素燃料を燃焼させるための燃焼室内または前記燃焼室の下流における酸素濃度を検出する酸素センサと、
前記酸素センサの出力が所定値以下である場合に前記炭化水素燃料が未着火であると判定する判定手段と、を備えることを特徴とする着失火検出装置。
【請求項１０】
炭化水素燃料を燃焼させるための燃焼室内または前記燃焼室の下流における酸素濃度を検出する酸素センサへの第１の印加電圧での前記酸素センサの第１出力値と第２の印加電圧での前記酸素センサの第２出力値との差分または相対比に基づいて前記炭化水素燃料の着火および失火の少なくともいずれか一方を判定する判定ステップ、を含むことを特徴とする着失火検出方法。
【請求項１１】
前記判定ステップは、前記第１出力値と前記第２出力値との差分の絶対値が所定値以下である場合に、前記炭化水素燃料が着火したと判定するステップであることを特徴とする請求項１０記載の着失火検出方法。
【請求項１２】
前記判定ステップは、前記第１出力値および前記第２出力値のうち高出力値の低出力値に対する相対比が所定値以下である場合に、前記炭化水素燃料が着火したと判定するステップであることを特徴とする請求項１０記載の着失火検出方法。
【請求項１３】
前記第１印加電圧および前記第２印加電圧は、印加電圧に対する前記酸素センサの出力の傾きが所定値以下となる電圧範囲の値であることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の着失火検出方法。
【請求項１４】
前記第１印加電圧は、印加電圧に対する前記酸素センサの出力の傾きが、前記印加電圧をゼロから増加させた場合に所定値以下になる１回目の電圧範囲の値であり、
前記第２印加電圧は、印加電圧に対する前記酸素センサの出力の傾きが、前記印加電圧をゼロから増加させた場合に所定値以下になる２回目または３回目の電圧範囲の値であることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の着失火検出方法。
【請求項１５】
前記第１印加電圧は、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位およびＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位未満において、前記酸素センサの出力の印加電圧に対する傾きが所定値以下になる電圧範囲の値であることを特徴とする請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の着失火検出方法。
【請求項１６】
前記第２印加電圧は、Ｈ２Ｏ／Ｈ２の酸化還元電位およびＣＯ２／ＣＯの酸化還元電位の少なくとも一方以上の電圧範囲の値であることを特徴とする請求項１０〜１５のいずれか１項に記載の着失火検出方法。
【請求項１７】
前記判定ステップにおいて、前記酸素センサ出力が所定値以下である場合に、前記炭化水素燃料が未着火であると判定することを特徴とする請求項１１または１２記載の着失火検出方法。
【請求項１８】
炭化水素燃料を燃焼させるための燃焼室内または前記燃焼室の下流における酸素濃度を検出する酸素センサの出力が所定値以下である場合に前記炭化水素燃料が未着火であると判定する判定ステップ、を含むことを特徴とする着失火検出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−２３０８（Ｐ２０１１−２３０８Ａ）
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１４４８３３（Ｐ２００９−１４４８３３）
【出願日】平成２１年６月１８日（２００９．６．１８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月１８日（２００９．６．１８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【Ｆターム（参考）】
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