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JP5114444B2 - 酸素センサ制御装置および酸素センサ制御方法 - Google Patents

酸素センサ制御装置および酸素センサ制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、酸素センサ制御装置および酸素センサ制御方法に関する。
酸素センサは、雰囲気中の酸素濃度を検出するセンサである。この酸素センサに異常が生じると正確な酸素濃度を検出することが困難となる。そこで、酸素センサを大気にさらした場合のセンサ出力を基に、酸素センサの出力値を補正する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平５−１７２３２９号公報
酸素センサは、高温域において高い応答性および広い酸素濃度検出範囲を有する。したがって、高温域で酸素センサを用いることが好ましい。しかしながら、酸素センサを高温に維持すると、劣化が生じることがある。自動車等のＡ／Ｆセンサとして酸素センサを用いる場合、酸素センサに求められる耐用年数は、定置型燃料電池の耐用年数を１０年と仮定し、自動車の使用形態、即ち２４時間連続使用する事は極くまれである事を勘案すると、定置型燃料電池の数分の１以下と考えられる。この場合、酸素センサを高温に維持しても、酸素センサの劣化はあまり問題にならない。
しかしながら、定置型燃料電池のように１０万時間程度の耐用年数を求められる場合、高温に起因する酸素センサの劣化が問題になる。そこで、酸素センサを用いる際に酸素センサの温度を低温に維持することが考えられる。しかしながら、低温域においては酸素センサの応答性が低くなり、酸素濃度検出範囲が狭くなる。したがって、低温域では出力校正を行う場合、校正精度が低下する。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、酸素センサの劣化を抑制しつつ高精度で出力校正を行うことができる酸素センサ制御装置および酸素センサ制御方法を提供することを目的とする。
本発明に係る酸素センサ制御装置は、燃料電池のアノードオフガスを燃焼させる燃焼室からの排気ガスの酸素濃度を検出する酸素センサと、酸素センサの温度を目標温度に制御する温度制御手段と、酸素センサの出力校正を行う校正手段と、を備え、温度制御手段は、目標温度を複数有し、燃料電池の発電時には複数の目標温度から低温度を選択し、校正手段による校正時には複数の目標温度から高温度を選択することを特徴とするものである。本発明に係る酸素センサ制御装置においては、通常発電時の酸素センサの目標温度が低くなることから、酸素センサの劣化が抑制される。また、出力校正時には酸素センサの目標温度が高くなることから、高精度で酸素センサの出力校正を行うことができる。以上のことから、酸素センサの劣化を抑制しつつ高精度で出力校正を行うことができる。
校正手段は、大気にさらした酸素センサの出力に基づいて酸素センサの出力校正を行ってもよい。校正手段は、酸素センサが検出する大気酸素濃度と酸素センサの温度との関係を取得し、温度制御手段は、校正手段が取得した関係に基づいて、大気酸素濃度を検出可能な酸素センサの最低温度を、校正手段による校正時の目標温度に更新してもよい。この場合、酸素センサの目標温度を低くすることができる。それにより、酸素センサの劣化を抑制することができる。
温度制御手段は、更新された校正時の目標温度に基づいて、燃料電池の発電時の目標温度を補正してもよい。この場合、酸素センサの劣化状態に基づいて目標温度を更新することができる。
温度制御手段によって更新された校正時の目標温度が所定の温度以上になった場合にユーザに報知する報知手段をさらに備えていてもよい。校正手段は、燃料電池の起動時における燃焼室の排気工程において酸素センサの出力校正を行ってもよい。校正手段は、燃料電池の運転停止時における燃焼室の排気工程において酸素センサの出力校正を行ってもよい。校正手段は、燃料電池の負荷が所定値以下の場合に酸素センサの出力校正を行ってもよい。校正手段は、前回の出力校正から所定時間を超えた場合に、燃料電池の運転を停止させて酸素センサの出力校正を行ってもよい。
本発明に係る酸素センサ制御方法は、燃料電池のアノードオフガスを燃焼させる燃焼室からの排気ガスの酸素濃度を検出する酸素センサの温度を目標温度に制御する温度制御ステップと、酸素センサの出力校正を行う校正ステップと、を含み、温度制御ステップにおいて、目標温度が複数設定され、燃料電池の発電時には複数の目標温度から低温度が選択され、校正ステップにおける校正時には複数の目標温度から高温度が選択されることを特徴とするものである。本発明に係る酸素センサ制御方法においては、通常発電時の酸素センサの目標温度が低くなることから、酸素センサの劣化が抑制される。また、出力校正時には酸素センサの目標温度が高くなることから、高精度で酸素センサの出力校正を行うことができる。以上のことから、酸素センサの劣化を抑制しつつ高精度で出力校正を行うことができる。
校正ステップは、大気にさらした酸素センサの出力に基づいて酸素センサの出力校正を行うステップであってもよい。酸素センサが検出する大気酸素濃度と酸素センサの温度との関係を取得する取得ステップと、取得ステップにおいて取得された関係に基づいて、大気酸素濃度を検出可能な酸素センサの最低温度を、校正ステップにおける校正時の目標温度に更新する更新ステップと、をさらに含んでいてもよい。この場合、酸素センサの目標温度を低くすることができる。それにより、酸素センサの劣化を抑制することができる。
更新ステップにおいて更新された校正時の目標温度に基づいて、燃料電池の発電時の目標温度を補正する補正ステップをさらに含んでいてもよい。この場合、酸素センサの劣化状態に基づいて目標温度を更新することができる。
更新ステップにおいて更新された校正時の目標温度が所定の温度以上になった場合にユーザに報知する報知ステップをさらに含んでいてもよい。校正ステップは、燃料電池の起動時における燃焼室の排気工程において酸素センサの出力校正を行うステップであってもよい。校正ステップは、燃料電池の運転停止時における燃焼室の排気工程において酸素センサの出力校正を行うステップであってもよい。校正ステップは、燃料電池の負荷が所定値以下の場合に酸素センサの出力校正を行うステップであってもよい。校正ステップは、前回の出力校正から所定時間を超えた場合に、燃料電池の運転を停止させて酸素センサの出力校正を行うステップであってもよい。
本発明によれば、酸素センサの劣化を抑制しつつ高精度で出力校正を行うことができる酸素センサ制御装置および酸素センサ制御方法を提供する。
実施例１に係る酸素センサ制御装置が適用された燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。 酸素センサの詳細を説明するための模式的断面図である。 酸素センサの特性について説明するための図である。 燃料電池システムの起動時および停止時に実行されるフローチャートの一例を示す図である。 燃料電池の発電時に実行されるフローチャートの一例を示す図である。 センサ校正ルーチンの一例を示すフローチャートである。
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
図１は、実施例１に係る酸素センサ制御装置が適用された燃料電池システム１００の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、制御部１０、アノード原料供給部２０、改質水供給部３０、カソードエア供給部４０、改質器５０、燃料電池６０、酸素センサ７０、熱交換器８０、および報知装置９０を備える。
アノード原料供給部２０は、炭化水素等の燃料ガスを改質部５１に供給するための燃料ポンプ等を含む。改質水供給部３０は、改質部５１における改質反応に必要な改質水を貯蔵する改質水タンク３１、改質水タンク３１に貯蔵された改質水を改質部５１に供給するための改質水ポンプ３２等を含む。カソードエア供給部４０は、カソード６１にエア等の酸化剤ガスを供給するためのエアポンプ等を含む。
改質器５０は、改質部５１および燃焼室５２を含む。燃料電池６０は、カソード６１とアノード６２とによって電解質が挟持された構造を有する。報知装置９０は、ユーザ等に注意、警報等を報知するための装置である。制御部１０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。
続いて、燃料電池システム１００の動作の概要を説明する。アノード原料供給部２０は、制御部１０の指示に従って必要量の燃料ガスを改質部５１に供給する。改質水ポンプ３２は、制御部１０の指示に従って必要量の改質水を改質部５１に供給する。改質部５１は、燃焼室５２で発生する熱を利用した改質反応によって燃料ガスと改質水とから水素を生成する。生成された水素は、アノード６２に供給される。
カソードエア供給部４０は、制御部１０の指示に従って必要量のカソードエアをカソード６１に供給する。それにより、燃料電池６０において発電が行われる。カソード６１から排出されたカソードオフガスおよびアノード６２から排出されたアノードオフガスは、燃焼室５２に流入する。燃焼室５２においては、アノードオフガスがカソードオフガス中の酸素によって燃焼する。燃焼によって得られた熱は、改質部５１に与えられる。
このように、燃料電池システム１００においては、アノードオフガス中に含まれる水素、一酸化炭素等を燃焼室５２において燃焼させることができる。酸素センサ７０は、燃焼室５２から排出される排気ガス中の酸素濃度を検出し、その検出結果を制御部１０に与える。制御部１０は、酸素センサ７０の結果に応じてアノードオフガス中の水素、一酸化炭素等の可燃物の燃焼程度を取得することができる。
熱交換器８０は、燃焼室５２から排出された排気ガスと水道水との間で熱交換する。熱交換によって排気ガスから得られた凝縮水は、改質水タンク３１に貯蔵される。報知装置９０は、酸素センサ７０の目標温度が所定値以上になった場合に、ユーザ等に燃料電池システム１００の点検、酸素センサ７０の交換等を促す注意、警報等を報知する。
図２は、酸素センサ７０の詳細を説明するための模式的断面図である。図２に示すように、酸素センサ７０は、限界電流式酸素センサであって、電解質７１の一面にアノード７２が設けられ、電解質７１の他面にカソード７３が設けられ、細孔が形成された多孔質基板７４がカソード７３を覆うように配置された構造を有する。電解質７１には、ヒータ７５が配置されている。また、電解質７１には、抵抗センサ７６が接続されている。
電解質７１は、酸素イオン伝導性の電解質からなり、例えばジルコニアからなる。アノード７２およびカソード７３は、例えば白金からなる。アノード７２およびカソード７３は、配線を介して外部回路を形成する。この外部回路には、電源７７および電流計７８が設けられている。多孔質基板７４は、例えば多孔質状のアルミナからなる。ヒータ７５は、例えば白金薄膜等からなる。抵抗センサ７６は、電解質７１のインピーダンスを検出することによって電解質７１の抵抗を検出する抵抗センサである。
続いて、制御部１０による酸素センサ７０の制御について説明する。制御部１０は、ヒータ７５に電力を供給することによって、電解質７１を加熱する。一方で、制御部１０は、抵抗センサ７６の検出結果に基づいて、電解質７１の抵抗を取得する。電解質７１の抵抗は、電解質７１の温度と相関関係を有する。制御部１０は、この相関関係に基づいて電解質７１の温度を取得する。例えば、制御部１０は、フィードバック制御によって、電解質７１の温度を目標温度に制御する。なお、以下の説明において「酸素センサ７０の温度」は、電解質７１の温度と同義であるとする。
電解質７１の温度が所定値に到達した後、制御部１０は、アノード７２にプラス電圧が印加されるように電源７７を制御する。電源７７によってアノード７２に電圧が印加されると、下記式（１）に従って、カソード７３において酸素が酸素イオンとなって電解質７１を伝導する。アノード７２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）
カソード７３への酸素輸送量は、多孔質基板７４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、多孔質基板７４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、多孔質基板７４の外部の酸素濃度によって決まる。
制御部１０は、電流計７８の検出値に応じて酸素センサ７０の出力電流を取得する。酸素センサ７０の出力電流は酸素濃度に比例する。制御部１０は、この比例関係に基づいて、酸素センサ７０がさらされる雰囲気の酸素濃度を検出する。なお、制御部１０は、電流計７８の検出電流を増幅し、増幅によって得られる電圧に応じて酸素センサ７０がさらされる雰囲気の酸素濃度を検出してもよい。
また、制御部１０は、燃料電池システム１００の起動時、停止時、および発電時に出力校正を行い、後述する校正係数Ｊを算出する。出力校正の詳細は、後述する。
続いて、酸素センサ７０の特性について説明する。図３（ａ）は、酸素センサ７０がさらされる雰囲気の酸素濃度と酸素センサ７０の限界電流との関係を示す図である。図３（ｂ）は、酸素センサ７０の電解質７１に印加される電圧と上記限界電流との関係を示す図である。
図３（ａ）に示すように、酸素濃度の増加に比例して限界電流が増加する。したがって、限界電流を検出することによって酸素濃度を検出することができる。しかしながら、所定の酸素濃度以上になると、限界電流の増加率が低下する。したがって、酸素センサ７０によって検出される酸素濃度には上限がある。この上限は、高温になるほど高くなる。
図３（ｂ）に示すように、電解質７１への印加電圧の増加に伴って限界電流が増加する。しかしながら、酸素センサ７０の温度が低くなると、印加電圧に対する限界電流の増加率が低下する。図３（ｂ）においては、酸素センサ７０の温度が高いと（例えば７００℃程度）、印加電圧が０．４Ｖ程度でも大気中の酸素濃度を検出可能である。一方、酸素センサ７０の温度が低いと（例えば５００℃）、印加電圧が０．４Ｖ程度であれば、検出可能な酸素濃度は１０％程度になる。そこで、酸素濃度検出範囲を拡大するために、電解質７１への印加電圧を増加させることが考えられる。この場合、酸素センサ７０の温度が５００℃程度であっても大気中の酸素濃度検出が可能になる。しかしながら、印加電圧を増加させると水蒸気（Ｈ２Ｏ）および二酸化炭素（ＣＯ２）の干渉が生じるため、酸素センサ７０の精度補償が困難になる。
図３（ａ）および図３（ｂ）の特性からすると、広範囲にわたって酸素濃度を検出するためには、酸素センサ７０の温度は高い方（例えば７００℃程度）が好ましい。さらに、高温域においては、電解質７１を通過する酸素イオン通過量が定量に達するまでの時間が短縮される。したがって、酸素センサ７０の応答性の観点からも、酸素センサ７０の温度は高い方が好ましい。以上のことから、自動車のＡ／Ｆセンサのように広範な酸素濃度計測範囲および高応答性が要求される酸素センサは、高温域において用いられる。
一方、燃料電池システムにおいては、排気ガス中の可燃成分のほとんどが水素である。この場合、排気ガスの燃焼限界が広くなる。また、燃料電池システム１００においてはアノードオフガスの燃焼熱が改質部５１に吸収されることから、燃焼室５２内の燃焼火炎温度は比較的低くなる。それにより、ＮＯｘ排出量が少なくなる。その結果、燃料電池システムにおいては、排気ガス中の一酸化炭素の有無を検出できればよい。なお、排気ガス中に残存酸素が検出されれば一酸化炭素の「無」を検出することができる。以上のことから、燃料電池システムにおいては、酸素センサに要求される応答性および酸素濃度検出上限が低くてもよい。
本実施例においては、制御部１０は、燃料電池６０の発電時においては、酸素センサ７０の目標温度を低く設定する（例えば、５００℃）。この場合、燃料電池システム１００において検出必要な酸素濃度を十分に得ることができる。また、酸素センサ７０を高温に維持する必要がないことから、酸素センサ７０の劣化、特に電解質７１の劣化を抑制することができる。したがって、燃料電池システムのように酸素センサに要求される耐用年数が長い場合においても、酸素センサの劣化を抑制することができる。さらに、酸素センサ７０の消費電力を低減させることができる。それにより、燃料電池システム１００の効率が向上する。
一方で、酸素センサ７０の出力校正を行う際には、酸素センサ７０は、高い応答性および広い計測酸素濃度範囲を有していることが好ましい。そこで、本実施例においては、制御部１０は、酸素センサ７０の出力校正を行う際には、酸素センサ７０の目標温度を高く設定する（例えば、７００℃）。この場合、酸素センサ７０の出力校正を高精度で行うことができる。なお、出力校正は短期間で終了するため、出力校正時に酸素センサ７０の温度が上昇しても酸素センサ７０の劣化は抑制される。
以上のように、制御部１０が複数の目標温度を有し、燃料電池６０の発電時には複数の目標温度から低温度を選択し、酸素センサ７０の出力校正時には複数の目標温度から高温度を選択することによって、酸素センサの劣化を抑制しつつ高精度で出力校正を行うことができる
続いて、図４〜図６を参照しつつ、酸素センサ７０の出力校正の詳細について説明する。図４（ａ）は、燃料電池システム１００の起動時に実行されるフローチャートの一例を示す図である。図４（ａ）に示すように、燃料電池システム１００の起動スイッチがオンされると、制御部１０は、カソード６１にエアが供給されるようにカソードエア供給部４０を制御する（ステップＳ１）。この場合、カソード６１および燃焼室５２が掃気される。
次に、制御部１０は、ヒータ７５に電力を供給することによって酸素センサ７０を暖機する（ステップＳ２）。次に、制御部１０は、センサ校正ルーチンをコールする（ステップＳ３）。その後、制御部１０は、フローチャートの実行を終了する。図４（ａ）のフローチャートによれば、燃料電池システム１００の起動時に大気中で酸素センサ７０の出力校正を行うことができる。
図４（ｂ）は、燃料電池システム１００の停止時に実行されるフローチャートの一例を示す図である、図４（ｂ）に示すように、燃料電池システム１００の停止スイッチがオンされると、制御部１０は、カソード６１にエアが供給されるようにカソードエア供給部４０を制御する（ステップＳ１１）。この場合、カソード６１および燃焼室５２が掃気される。
次に、制御部１０は、掃気が完了したか否かを判定する（ステップＳ１２）。例えば、制御部１０は、積算エア流量が所定量に達した場合に掃気が完了したと判定する。ステップＳ１２で掃気が完了したと判定されなかった場合、制御部１０はステップＳ１１を再度実行する。ステップＳ１２で掃気が完了したと判定された場合、制御部１０は、センサ校正ルーチンをコールする（ステップＳ１３）。その後、制御部１０は、フローチャートの実行を終了する。図４（ｂ）のフローチャートによれば、燃料電池システム１００の停止時に大気中で酸素センサ７０の出力校正を行うことができる。
図５は、燃料電池６０の発電時に実行されるフローチャートの一例を示す図である。図５のフローチャートは、例えば、燃料電池６０の発電時において６０秒周期で実行される。図５に示すように、制御部１０は、酸素センサ７０の前回の出力校正後に所定の期間H_maxが経過したか否かを判定する（ステップＳ２１）。期間H_maxは、例えば６７２時間（４週間）とすることができる。
ステップＳ２１において期間H_maxが経過したと判定されなかった場合、制御部１０は、酸素センサ７０の前回の校正後に所定の期間H_ref（＜H_max）が経過したか否かを判定する（ステップＳ２２）。期間H_refは、例えば１６８時間（１週間）とすることができる。ステップＳ２２において期間H_refが経過したと判定された場合、制御部１０は、現時刻が深夜であるか否かを判定する（ステップＳ２３）。例えば、ＡＭ１時〜ＡＭ３時を深夜時刻とすることができる。
ステップＳ２３において現時刻が深夜であると判定された場合、制御部１０は、燃料電池６０が低電力発電を継続中であるか否かを判定する（ステップＳ２４）。例えば、制御部１０は、発電が低電力（２５０Ｗ未満）で所定時間（１０分程度）継続されている場合に、燃料電池６０が低電力発電を継続中であると判定することができる。
ステップＳ２４において燃料電池６０が低電力発電を継続中であると判定された場合、制御部１０は、燃料電池６０の負荷回路が開放されるようにスイッチ等を制御し、アノード原料の供給が停止されるようにアノード原料供給部２０を制御するとともに、カソード６１にエアが供給されるようにカソードエア供給部４０を制御する（ステップＳ２５）。それにより、燃料電池６０の発電が停止し、掃気が行われる。
次に、制御部１０が、掃気が完了したか否かを判定する（ステップＳ２６）。例えば、制御部１０は、積算エア流量が所定量に達した場合に掃気が完了したと判定する。ステップＳ２６で掃気が完了したと判定されなかった場合、制御部１０は、ステップＳ２６を再度実行する。ステップＳ２６で掃気が完了したと判定された場合、制御部１０は、センサ校正ルーチンをコールする（ステップＳ２７）。その後、制御部１０は、フローチャートの実行を終了する。
ステップＳ２１において期間H_maxが経過したと判定された場合、制御部１０は、ステップＳ２５を実行する。それにより、深夜時刻および低電力発電と関係なく、期間H_maxが経過すればセンサ校正ルーチンがコールされる。ステップＳ２２において期間H_refが経過したと判定されなかった場合、ステップＳ２３において現時刻が深夜であると判定されなかった場合、およびステップＳ２４において燃料電池６０が低電力発電を継続中であると判定されなかった場合、制御部１０は、フローチャートの実行を終了する。
図５のフローチャートによれば、燃料電池６０の発電時であっても、前回の出力校正後に期間H_refが経過していれば、深夜時間帯、低電力発電時等の電力供給への影響が少ない場合に、大気中で酸素センサ７０の出力校正を行うことができる。
なお、都市ガス等のガスメータには、一定時間以上ガスが流れ続けるとガス漏れ異常を検知する機能が備わっている。したがって、都市ガスをアノード原料として用いる場合、一定時間が経過する前にアノード原料の供給を停止させる必要がある。図５のフローチャートによれば、低電力発電時でなくても期間H_maxが経過した場合に発電が停止されることから、ガス漏れ異常検知を回避することができる。また、同じタイミングで酸素センサ７０の出力校正を行うことができる。
図６（ａ）は、センサ校正ルーチンの一例を示すフローチャートである。図６（ａ）に示すように、制御部１０は、酸素センサ７０の出力V_snsを計測して保存する（ステップＳ３１）。この場合、制御部１０は、電流計７８の検出電流を増幅して得られた電圧を出力V_snsとして取得する。したがって、出力V_snsは、大気中の酸素濃度に関するパラメータである。次に、制御部１０は、抵抗センサ７６の検出値に応じて電解質７１の抵抗R_snsを計測して保存する（ステップＳ３２）。図６（ｂ）に示すように、抵抗R_snsは電解質７１の温度Ｔの逆数に比例することから、抵抗R_snsを取得することによって電解質７１の温度を取得することができる。
次いで、制御部１０は、酸素センサ７０の温度が所定の最大値に到達したか否かを判定する（ステップＳ３３）。この場合、制御部１０は、抵抗R_snsが電解質７１の所定の最小値R_min以下になったか否かを判定する。例えば、最小値R_minは、２５Ωとすることができる。なお、最小値R_minは、酸素センサ７０の出力と酸素センサ７０の温度との取得された関係において、大気中の酸素濃度を検出可能な最低温度に対応する電解質７１の抵抗としてもよい。大気中の酸素濃度を検出可能な最低温度とは、図３（ａ）のグラフで酸素濃度と限界電流とが比例関係を維持する範囲で大気中の酸素濃度を検出可能な最低温度である。この場合、酸素センサ７０の目標温度を低く設定することができることから、酸素センサ７０の出力校正時における劣化を抑制することができる。なお、最小値R_minは必要に応じて更新されてもよい。
ステップＳ３３において抵抗R_snsが電解質７１の所定の最小値R_min以下になったと判定されなかった場合、制御部１０は、酸素センサ７０の暖機が完了したか否かを判定する（ステップＳ３４）。この場合、制御部１０は、出力V_snsの増加または減少が所定値に集束するか否かを判定することによって、酸素センサ７０の暖機が完了したか否かを判定する。具体的には、制御部１０は、出力V_snsと前回のステップＳ３１の実行時の出力V_sns[n-1]との差が±dV_refになったか否かを判定する。dV_refは参照値であり、例えば０．０２Ｖ程度とすることができる。
ステップＳ３４において暖機が完了したと判定されなかった場合、制御部１０は、ヒータ７５への電力を増加させる（ステップＳ３５）。その後、制御部１０は、一定時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ３６）。この場合の一定時間を、例えば３秒程度とすることができる。ステップＳ３６において一定の時間が経過したと判定されなかった場合、制御部１０は、ステップＳ３６を再度実行する。ステップＳ３６において一定の時間が経過したと判定された場合、制御部１０は、ステップＳ３１を再度実行する。
ステップＳ３３において抵抗R_snsが電解質７１の所定の最小値R_min以下になったと判定された場合およびステップＳ３４において暖機が完了したと判定された場合、制御部１０は、酸素濃度の校正係数Ｊを算出する（ステップＳ３７）。この場合、制御部１０は、下記式（３）に従って校正係数Ｊを算出する。なお、基準電圧は、酸素濃度が０％の場合の出力V_snsである。したがって、酸素センサ７０によって検出された酸素濃度は、（V_sns−基準電圧）に比例する。また、「０．２１」は、大気中の酸素濃度が２１％であることを示している。
Ｊ＝（V_sns−基準電圧）／０．２１ （３）
次に、制御部１０は、通常の発電時における酸素センサ７０の目標温度R_refを下記式（４）に従って算出する。なお、「Ｋ」は１よりも大きい値であり、例えば１．２程度である。この場合、通常発電時における酸素センサ７０の目標温度を出力校正時に比較して低くすることができる。
Ｒ＿ｒｅｆ＝Ｋ・Ｒ＿ｓｎｓ （４）
次に、制御部１０は、ステップＳ３７において校正係数Ｊを算出した時刻を保存する（ステップＳ３９）。次いで、制御部１０は、燃料電池６０の発電中であるか否かを判定する（ステップＳ４０）。この場合、制御部１０は、図５のフローチャートからコールされた場合に燃料電池６０が発電中であると判定してもよい。ステップＳ４０において燃料電池６０が発電中であると判定された場合、制御部１０は、燃料電池６０の発電を復帰させる（ステップＳ４１）。制御部１０は、ステップＳ４０において燃料電池６０が発電中であると判定されなかった場合およびステップＳ４１の実行後に、フローチャートの実行を終了する。
図６のフローチャートによれば、酸素センサ７０が高い応答性および広い酸素濃度検出範囲を有する場合に酸素センサ７０の出力校正を行うことができる。それにより、高精度で酸素センサ７０の出力校正を行うことができる。また、燃料電池６０の通常発電時における酸素センサ７０の目標温度を低く設定することができる。それにより、酸素センサ７０の劣化を抑制して耐久性を向上させることができる。
本実施例においては、制御部１０が温度制御手段および校正手段に相当し、報知装置９０が報知手段に相当し、制御部１０および酸素センサ７０が酸素センサ制御装置に相当する。
１０ 制御部
２０ アノード原料供給部
３０ 改質水供給部
３１ 改質水タンク
３２ 改質水ポンプ
４０ カソードエア供給部
５０ 改質器
５１ 改質部
５２ 燃焼室
６０ 燃料電池
６１ カソード
６２ アノード
７０ 酸素センサ
７５ ヒータ
７６ 抵抗センサ
７８ 電流計
９０ 報知装置
１００ 燃料電池システム

Claims (18)

  1. 燃料電池のアノードオフガスを燃焼させる燃焼室からの排気ガスの酸素濃度を検出する酸素センサと、
    前記酸素センサの温度を目標温度に制御する温度制御手段と、
    前記酸素センサの出力校正を行う校正手段と、を備え、
    前記温度制御手段は、前記目標温度を複数有し、前記燃料電池の発電時には前記複数の目標温度から低温度を選択し、前記校正手段による校正時には前記複数の目標温度から高温度を選択することを特徴とする酸素センサ制御装置。
  2. 前記校正手段は、大気にさらした前記酸素センサの出力に基づいて前記酸素センサの出力校正を行うことを特徴とする請求項１記載の酸素センサ制御装置。
  3. 前記校正手段は、前記酸素センサが検出する大気酸素濃度と前記酸素センサの温度との関係を取得し、
    前記温度制御手段は、前記校正手段が取得した関係に基づいて、大気酸素濃度を検出可能な前記酸素センサの最低温度を、前記校正手段による校正時の目標温度に更新することを特徴とする請求項１または２記載の酸素センサ制御装置。
  4. 前記温度制御手段は、前記更新された校正時の目標温度に基づいて、前記燃料電池の発電時の目標温度を補正することを特徴とする請求項３記載の酸素センサ制御装置。
  5. 前記温度制御手段によって更新された校正時の目標温度が所定の温度以上になった場合にユーザに報知する報知手段をさらに備えることを特徴とする請求項３記載の酸素センサ制御装置。
  6. 前記校正手段は、前記燃料電池の起動時における前記燃焼室の排気工程において前記酸素センサの出力校正を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の酸素センサ制御装置。
  7. 前記校正手段は、前記燃料電池の運転停止時における前記燃焼室の排気工程において前記酸素センサの出力校正を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の酸素センサ制御装置。
  8. 前記校正手段は、前記燃料電池の負荷が所定値以下の場合に前記酸素センサの出力校正を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の酸素センサ制御装置。
  9. 前記校正手段は、前回の出力校正から所定時間を超えた場合に、前記燃料電池の運転を停止させて前記酸素センサの出力校正を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の酸素センサ制御装置。
  10. 燃料電池のアノードオフガスを燃焼させる燃焼室からの排気ガスの酸素濃度を検出する酸素センサの温度を目標温度に制御する温度制御ステップと、
    前記酸素センサの出力校正を行う校正ステップと、を含み、
    前記温度制御ステップにおいて、前記目標温度が複数設定され、前記燃料電池の発電時には前記複数の目標温度から低温度が選択され、前記校正ステップにおける校正時には前記複数の目標温度から高温度が選択されることを特徴とする酸素センサ制御方法。
  11. 前記校正ステップは、大気にさらした前記酸素センサの出力に基づいて前記酸素センサの出力校正を行うステップであることを特徴とする請求項１０記載の酸素センサ制御方法。
  12. 前記酸素センサが検出する大気酸素濃度と前記酸素センサの温度との関係を取得する取得ステップと、
    前記取得ステップにおいて取得された関係に基づいて、大気酸素濃度を検出可能な前記酸素センサの最低温度を、前記校正ステップにおける校正時の目標温度に更新する更新ステップと、をさらに含むことを特徴とする請求項１０または１１記載の酸素センサ制御方法。
  13. 前記更新ステップにおいて更新された校正時の目標温度に基づいて、前記燃料電池の発電時の目標温度を補正する補正ステップをさらに含むことを特徴とする請求項１２記載の酸素センサ制御方法。
  14. 前記更新ステップにおいて更新された校正時の目標温度が所定の温度以上になった場合にユーザに報知する報知ステップをさらに含むことを特徴とする請求項１２記載の酸素センサ制御方法。
  15. 前記校正ステップは、前記燃料電池の起動時における前記燃焼室の排気工程において前記酸素センサの出力校正を行うステップであることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれかに記載の酸素センサ制御方法。
  16. 前記校正ステップは、前記燃料電池の運転停止時における前記燃焼室の排気工程において前記酸素センサの出力校正を行うステップであることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれかに記載の酸素センサ制御方法。
  17. 前記校正ステップは、前記燃料電池の負荷が所定値以下の場合に前記酸素センサの出力校正を行うステップであることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれかに記載の酸素センサ制御方法。
  18. 前記校正ステップは、前回の出力校正から所定時間を超えた場合に、前記燃料電池の運転を停止させて前記酸素センサの出力校正を行うステップであることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれかに記載の酸素センサ制御方法。
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