説明

燃料電池発電システム

【課題】既存システムの構成を大きく変えることなく、また故障のリスクを増大させることなく安定に動作することができる高信頼性の燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】発電部と、前記発電部に燃料を供給する燃料処理系と、前記燃料処理系の燃料供給動作を制御すると共に前記燃料処理系が正常運転を逸脱した場合に前記発電部の発電動作を停止させる保護項目を有する制御部とを具備する燃料電池発電システムにおいて、前記制御部は、異常を検知したときに、故障発報することなく、前記発電部の発電動作を停止させた後に、前記発電部を自動的に再起動させる保護項目をさらに有する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、外乱に対して安定に動作する高信頼性の燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【0002】
燃料が内包している化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換するシステムとして燃料電池は優れた利便性を有する。燃料電池は、燃料である水素と酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて直接電気を取り出すものであるため、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができると同時に、静かで有害な排ガスを出さないという利点を有し、環境に優しいシステムである。近年まで、比較的大型のPAFC(りん酸形燃料電池)が主に開発されてきたが、最近では小型のPEFC(固体高分子形燃料電池)の開発が活発化し、一般家庭用として燃料電池発電システムが普及する状況が期待されてきている。
【0003】
ところで、家庭用の燃料電池発電システムでは普及に向けたコストダウンが必須であり、その一環としてシステムの簡素化、機器の小型化の努力が各メーカにおいて精力的に行われている。一方、これらの試みは機器の安定化やロバスト性(通常でない状況であっても正しく動作する機能)を失う可能性もあるという本質的な問題があり、周辺機器を追加することなく制御の工夫によるロバスト性向上は重要なポイントとなっている。PEFCは低温動作の関係上COガス(改質反応にて発生する副生成物)に対する耐性が低いため、燃料処理系の変動等に伴うCO増で一時的に電圧が低下する可能性があり、このような一時的な外乱に対しても安定に発電し続けるロバストなシステムであることが求められる。
【0004】
安全面の作用としては、例えば機器から燃料リーク等が発生した場合、可燃ガス検知器が検知し、安全に保護停止し、燃料が遮断される。また、マイコンメータ遮断等でガスがなくなると、ガス管が負圧となる前に燃料元圧計により検知して保護停止し、燃料供給路が遮断され、安全が確保される。
【0005】
これらの保護動作は、従来のシステムでは図3に示すように、故障の発生を警報システムにより報知すると共に発電を停止し(工程K1)、降温後、停止保持される。メンテナンス要員等が故障の原因を取り除くまではシステムを再起動しない。
【0006】
また、燃料元圧の一時的な低下や前述したプロセスCO上昇により燃料電池電圧の不安定化等でも同じく保護停止し、故障とカウントされ、メンテナンス要員の対応を待つ必要がある。故障の原因を取り除いた後は、システムを再起動し(工程K2)、燃料処理装置において燃料供給部、改質器/CO変成器、CO除去器をそれぞれ昇温させ(工程K3)、反応が定常化する一定のスタンバイ時間だけ燃料供給を待機させ(工程K4)、スタンバイ時間経過後に燃料処理装置から燃料電池発電部へ燃料(水素含有ガス)を供給して発電を開始する(工程K5)。発電中に何らかの故障、例えば機器から燃料リーク等が発生した場合、これをガス検知器が検知すると、燃料処理装置および発電部への燃料の供給を停止又は制限して反応を停止又は抑制し、燃料処理装置を降温させ(工程K6)、システムを停止させる(工程K1)。このようにシステム全体の保護を図りながら安全に停止されるようになっている。
【0007】
運転中にシステムのどこかに異常を生じた場合にも安定に発電し続けるロバスト性を確保するために、従来から種々の提案がなされている。例えば特許文献1には、異常検出処理をする燃料電池システムが記載されている。この従来システムでは、起動時のある一定期間において一時的に保護項目をマスクすることを提案している。
【特許文献1】特開2006−79981号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかしながら、特許文献1に記載された従来システムでは、プロセス諸条件が管理値を逸脱した場合であっても運転そのものは継続され、異常検知による運転の停止は回避できるが、一時的とはいえ保護項目をマスクするため、その期間中に故障のリスクを負うことになる。このように特許文献1のシステムにおいては、一時的とはいえ故障のリスクが増大するため、システムの信頼性を低下させることとなる。
【0009】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、既存システムの構成を大きく変えることなく、また故障のリスクを増大させることなく安定に動作することができる高信頼性の燃料電池発電システム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】
【0010】
本発明に係る燃料電池発電システムは、発電部と、前記発電部に燃料を供給する燃料処理系と、前記燃料処理系の燃料供給動作を制御すると共に前記燃料処理系が正常運転を逸脱した場合に前記発電部の発電動作を停止させる保護項目を有する制御部とを具備する燃料電池発電システムにおいて、前記制御部は、異常を検知したときに、故障発報することなく、前記発電部の発電動作を停止させた後に、前記発電部を自動的に再起動させる保護項目をさらに有することを特徴とする。
【0011】
上記制御部は、自動起動することで安全リスク及び/又は前記発電部および前記燃料処理系が故障するリスクが一定以上ある場合は、前記発電部の発電動作を停止保持し、リスクの一定以下の項目については故障発報することなく、前記発電部の発電動作を停止させた後に、前記発電部を自動的に再起動させることができる。
【0012】
また、上記制御部は、前記リスクが一定以下の項目のうち、項目のリスクに従い、所定時間停止保持後に自動再起動、高速高温再起動、発電開始直前からの再起動のうちのいずれか1つを選択することもできる。
【0013】
また、上記制御部は、所定の設定時間のうちに同じ現象で複数回保護停止した場合に、自動再起動することなしに、故障発報し、前記発電部の発電動作の停止を保持することもできる。
【0014】
また、上記制御部は、予め関連付けられた保護項目が、一定時間のうちに複数発生した場合に、自動再起動することなしに、故障発報し、停止保持することもできる。
【0015】
また、上記制御部は、自動起動を行う際に、動作した保護項目に応じて運転条件を変えることもできる。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、既存システムの構成を大きく変えることなく、また故障のリスクを増大させることなく安定に動作する高信頼性の燃料電池発電システムが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
以下、添付の図面を参照して本発明を実施するための最良の実施の形態について説明する。
【0018】
(第1の実施の形態)
燃料電池発電システム20は、燃料処理装置8および発電部10などの各種要素を組み立てて一体にパッケージ化したものであり、制御部16によってシステム全体が統括的に制御されるようになっている。この制御部16は、データベースとして燃料電池の運転に関する種々のプロセスデータを有するプロセスコンピュータを内蔵しており、本システム20の各所に設置されたセンサや計測器から信号が入力されると、それに対応するプロセスデータを呼び出し、呼び出したデータと入力信号とに基づいて演算を実行して必要な制御量を算出し、算出した制御量に対応する制御信号を各駆動部分に出力するものである。
【0019】
本システム20の外周は図示しない外装パネルで覆われている。外装パネルの適所には複数の開口部が形成され、これらの開口部と向き合って換気ファン14が取り付けられている。換気ファン14は、制御部16によって動作が制御され、システム20の内部を強制換気するものである。換気ファン14の吸い込み側には可燃ガス検知器15が取り付けられ、燃料処理装置8や発電部(燃料電池本体)10からの燃料漏れを検知し、ガス検知信号S5が制御部16に送られるようになっている。すなわち、可燃ガス検知器15は、システムの安全性を確保するために、システム20から漏洩する僅かの可燃ガス(水素含有ガス)をも検知するようになっている。
【0020】
燃料処理装置8は、原燃料としてのジメチルエーテルを水素含有ガスに改質する装置であり、内部配管で接続された燃料供給部2、改質器/CO変成器3、CO除去器4、空気供給部6および蒸気供給部7を内蔵している。
【0021】
燃料供給部2は、遮断弁12を有する配管ラインを介して図示しない燃料タンクに接続されている。遮断弁12の駆動回路の電源スイッチは制御部16により動作が制御されるようになっている。
【0022】
遮断弁12と燃料供給部2との間に燃料元圧計13が取り付けられ、燃料タンク(図示せず)から供給される燃料の供給元の圧力(元圧)が検出され、その検出信号S4が制御部16に送られるようになっている。
【0023】
改質器/CO変成器3は、改質器の部分とCO変成器の部分とを備え、燃料供給部2の下流側に内部流路を介して接続されている。改質器/CO変成器3と燃料供給部2との間の流路に蒸気供給部7から蒸気が注入され、燃料の改質反応(加水分解反応)がなされるようになっている。蒸気供給部7は、例えば飽和蒸気または過飽和蒸気を生成して供給する小型ボイラである。蒸気供給部7は図示しない流量制御弁を内蔵している。この流量制御弁は、制御部16から出力される制御信号S7により開閉動作が制御されるようになっている。CO変成器は、改質器から得られる水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素(CO)をシフト反応により二酸化炭素(CO2)に変換するものである。
【0024】
CO除去器4は、改質器/CO変成器3の下流側に内部流路を介して接続されている。改質器/CO変成器3と燃料供給部2との間の流路に空気供給部6から空気が注入されるようになっている。この空気供給部6は、例えば清浄空気を供給するためのフィルタを内蔵した小型のエアコンディショナである。空気供給部6は図示しない流量制御弁を内蔵している。この流量制御弁は、制御部16から出力される制御信号S8により開閉動作が制御されるようになっている。CO除去器4は、改質器/CO変成器3からのガス中に含まれるCOを酸化燃焼反応により除去するものである。さらにCO除去器4は、発電部10のアノード側に接続されている。
【0025】
発電部10は、アノード/電解質膜/カソードからなる膜電極接合体(MEA)を複数備えた燃料電池の本体部分に該当し、これら複数の単電池が多段に積み重ねられたスタック構造をなしている。発電部10のアノード側流路にはCO除去器4からの流路が連通している。また、発電部10のカソード側流路には酸化剤供給部9からの流路が連通している。酸化剤供給部9は、例えば清浄空気を供給するためのフィルタを内蔵した小型のエアコンディショナである。酸化剤供給部9は図示しない流量制御弁を内蔵している。この流量制御弁は、制御部16から出力される制御信号S9により開閉動作が制御されるようになっている。なお、酸化剤供給部9と上述の空気供給部6とを共通化するようにしてもよい。
【0026】
発電部10のアノード電位およびカソード電位は図示しない電圧計により検出され、それらの検出信号S2,S3が制御部16にそれぞれ送られるようになっている。
【0027】
パワーコンディショニングシステム(PCS)11が発電部10の出力電極(集電体)に接続されている。PCS11は、インバータおよびその周辺の関連機器を含む電圧安定化のためのシステムである。家庭用燃料電池システム20では商用電源との連係運転を最適化するために、このPCS11が重要な役割を有している。すなわち、発電部10からPCS11を介して家庭の負荷(図示せず)に発電電力を出力する際に、PCS11は商用電源との切り替えを行ったり、サブシステムとしての熱利用システム(給湯システム)の運転制御を行ったりするようになっている。PCS11は、燃料電池システム20から出力される発電出力を常に監視し、出力検出信号S1を制御部16へ随時送るようになっている。
【0028】
次に、図2を参照して本実施形態の燃料電池発電システムの動作について説明する。
【0029】
先ず、制御部16から信号S6,S7,S8,S10を各機器2,3,6,7,12に送り、燃料電池システム20の燃料処理装置8を起動させる。すなわち、遮断弁12を開けて図示しない燃料タンクから燃料供給部2に燃料を供給するとともに、蒸気供給部7から燃料供給部2の下流側流路に蒸気を供給し、さらに空気供給部6から改質器/CO変成器3の下流側流路に空気を供給して、停止状態にある燃料処理装置8を起動させる(工程S1→S2)。
【0030】
燃料処理装置8が運転状態に移行すると、改質器/CO変成器3およびCO除去器4ではそれぞれ発熱反応が進むため、それぞれが昇温する(工程S3)。これらの温度は図示しない温度センサによって検出され、それらの信号が制御部16へそれぞれ送られる。
【0031】
制御部16は、所定のスタンバイ時間が経過するまで、または燃料処理装置8および発電部10がそれぞれ所定の反応温度に到達するまでの期間は、燃料処理装置8および発電部10の各部に待機信号を発信して待機させる(工程S4)。この待機期間中には燃料処理装置8から発電部10への燃料ガスの供給を実質的に行わない。
【0032】
所定の待機期間が経過した後、燃料処理装置8から発電部10に燃料ガス(水素を含有する改質ガス)を供給し、発電部10において発電を開始する(工程S5)。
【0033】
制御部16は、現在の時刻をシステムクロックに問い合せ、不揮発性メモリに記録されている前回のシステム停止指令の時刻を減算することにより、前回のシステム停止からの経過時間を算出する。
【0034】
ここで最新のシステム異常検出処理において異常が無かった場合は、システム起動時にガス漏れ等のシステム異常が発生している蓋然性が低いと考えられ、発電開始前に再び異常検出処理をする必要性が低い。このため、制御部16は、先ず前回のシステム異常検出で異常が検出されたか否かを調べる。そして、前回のシステム異常検出処理で異常が無かった場合は、制御部16は、前回のシステム停止指令からの経過時間が所定の時間、すなわち異常検出処理の実行周期より短いか否かを判定する。前回のシステム停止指令からの経過時間が運転時の異常検出処理の実行周期よりも短い場合、すなわち極めて短い停止期間の直後に再起動された場合は、直ぐにシステム起動許可処理に移行する。このシステム起動許可処理は、発電部10に発電を開始させるための準備処理にあたり、遮断弁を開放してポンプを起動して所定量の燃料ガスを発電部10のアノード側に供給するとともに、酸化剤供給部9を駆動して空気を発電部10のカソード側に供給するものである。
【0035】
本実施形態では、保護項目を段階的に4つのレベルに分類している。すなわち、リスクの増加に従ってレベル1からレベル4までレベル番号が大きくなり、次のように分類している。
【0036】
レベル1:発生する異常のなかでは最もリスクが低く、直ぐに(例えば1〜2分後)正常運転に復帰(回復)できるレベルである。リスクが極めて低い電池電圧の一時的な低下、および低リスクのPCS(パワーコンディショニングシステム;インバータ関連機器)の異常などがこれに該当する。
【0037】
レベル2:異常が発生した場合に、正常化し次第直ぐに(例えば異常検知から10分後)ホットリスタート(高温域からの再起動)を行うレベルである。燃料元圧の低下、系統異常、および低リスク(但し、レベル1よりも高いリスク)の電池電圧の低下などがこれに該当する。
【0038】
レベル3:異常が発生した場合に、一定時間経過後(例えば異常検知から60分後)にシステムが正常な状態に回復してから通常の冷起動(室温近傍の低い温度域からの起動)を試みるレベルである。改質系の温度が高くなりすぎる異常昇温、あるいは温水戻りが高くなりすぎるなどがこれに該当する。
【0039】
レベル4:異常が発生した場合に、メンテナンス要員の対応が必要になるレベルである。可燃ガスの検知、火災検知、あるいは燃料改質器におけるスチーム/カーボン比(S/C比)の低下などがこれに該当する。このレベル4では、システム内での機械的な自動復帰機能による再起動を行うことなく、警報を発してメンテナンス要員に異常が発生したことを報知する。
【0040】
システム20の運転中において、PCS11から出力異常信号S1が入るか、または発電部10から電極電位異常信号S2,S3が入った場合は、制御部16はレベル1の異常が発生したものと判定する(工程S6)。このレベル1は最もリスクが低い異常レベルに相当するものである。制御部16は、レベル1の異常を検知すると、所定の待機時間(例えば1〜3分間)を経て自動的にホットリスタートし、発電を再開する(工程S6→S4→S5)。
【0041】
システム20の運転中において、圧力計13から燃料元圧の低下信号S4が入るか、または系統異常信号S11が入った場合は、制御部16はレベル2の異常が発生したものと判定する(工程S7)。このレベル2は次にリスクが低い異常レベルに相当するものである。制御部16は、レベル2の異常を検知すると、所定の待機時間(例えば7〜10分間)を経て自動的にホットリスタートし、発電を再開する(工程S7→S3→S4→S5)。
【0042】
システム20の運転中において、改質器/CO変成器3の異常昇温信号S12が入るか、またはCO除去器4の異常昇温信号S13が入るか、または温水戻り高の異常信号S14が入った場合は、制御部16はレベル3の異常が発生したものと判定する(工程S8)。このレベル3はかなりリスクが高い異常レベルに相当するものである。制御部16は、レベル3の異常を検知すると、所定の待機時間(例えば60〜70分間)を経て自動で冷起動を試みるか、または手動で冷起動を試みることをユーザーに報知する(工程S8→S2)。その後、所定の待機時間を経て運転を再開する(工程S2→S3→S4→S5)。
【0043】
システム20の運転中において、可燃ガスリーク検知信号S5が入るか、またはS/C低下信号S15が入った場合は、制御部16はレベル4の異常が発生したものと判定する(工程S9)。このレベル4は最もリスクが高い異常レベルに相当するものであり、運転再開にはメンテナンス要員の対応が必須である。制御部16は、レベル4の異常を検知すると、直ちに燃料の供給等を停止させてシステム20をクールダウンさせ、運転を停止させる(工程S9→S12→S1)。次いで、所定の管理センターに連絡をとり、メンテナンス要員の来着を待つ。レベル4の異常を検知した場合は、ユーザーにより運転を再開できないように、システム20にロックが掛かった状態になる。
【0044】
制御部16は、カウントクロックを内蔵している。同じ異常が2回連続して検知されるか、または同じ異常が同日に2回検知された場合は、警報を発すると同時か又は警報を発した後に、燃料遮断弁11を閉じて燃料処理装置8および発電部10への燃料の供給を停止し、燃料処理装置8および発電部10を降温させる(工程S10→S11→S12→S1)。
【0045】
2回連続検知または2回/日検知に該当しない場合は、そのまま発電動作を続ける(工程S10→工程S5)。そして、発電中は上記のレベル1〜4の異常が発生するか否かを監視し、異常を検知した場合は、各レベルに応じて上述したように保護項目をそれぞれ実行する(工程S6→工程S4、工程S7→工程S3、工程S8→工程S2、工程S9→工程S12→工程S1)。
【0046】
このように本実施の形態では、レベルに応じて保護停止時の移行先が変わることで、それぞれの保護項目に最適なリカバリーを行い、可能な限り迅速な復帰をすることができる。この場合は故障とならないため信頼性が確保される。また、管理値を越えても運転を継続するのではないため、運転上のリスクが増えることはない。
【0047】
一方、もし同じ現象が2回連続して発生するか、または1日に2回発生した場合は、改善が必要な状況となっている可能性が高いことから、自動起動を行わずに故障発報を行う。また、改質器温度やCO変成器温度のように隣接し、関連あるものはグループ化されており、この同一グループ内の故障が連続して発生した場合にも、改善が必要な状況となっている可能性が高いことから、自動起動を行わずに故障発報を行う。これらのレベル分けおよびグループの分類については、FMEA(故障モード・影響解析)およびFTA(故障ツリー解析)で安全評価を十分に行うことで決定している。
【0048】
これにより、自動起動による安全リスク・主要機器故障リスクを一定レベル以下まで下げながら、故障し難い信頼性の高いシステムを実現することができる。
【0049】
(第2の実施の形態)
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。なお、本実施形態が上記の実施形態と共通する部分の説明は省略する。
【0050】
自動起動する際に、保護動作時のデータから判断して、適切な運転条件を緩和することで積極的に安定性をあげることも可能である。例えば、電池電圧低で保護停止した場合に、蒸気供給部7の温度が高い場合は、蒸気供給量が下がっている可能性があるため蒸気供給量を5%増量して、自動再起動を行う。または、CO除去器4の温度が高めであれば、空気供給部6からCO除去器4へ供給する空気量を5%減量し、自動再起動を行う。
【0051】
これにより、自動起動による安全リスク・主要機器故障リスクを一定レベル以下まで下げながら、故障し難い信頼性の高いシステムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0052】
【図1】本発明の実施形態に係る燃料電池発電システムを示す構成ブロック図。
【図2】本発明の燃料電池発電システムの起動・停止シーケンス制御図。
【図3】従来システムの起動・停止シーケンス制御図。
【符号の説明】
【0053】
2…燃料供給部、3…改質器/CO変成器、4…CO除去器、
6…空気供給部、7…蒸気供給部、8…燃料処理装置、9…酸化剤供給部、
10…発電部(燃料電池発電ユニット)、
11…パワーコンディショニングシステム(PCS)、
12…燃料遮断弁、13…圧力計(燃料元圧計)、
14…換気ファン、15…可燃ガス検知器、
16…制御部、20…燃料電池システム。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
発電部と、前記発電部に燃料を供給する燃料処理系と、前記燃料処理系の燃料供給動作を制御すると共に前記燃料処理系が正常運転を逸脱した場合に前記発電部の発電動作を停止させる保護項目を有する制御部とを具備する燃料電池発電システムにおいて、
前記制御部は、異常を検知したときに、故障発報することなく、前記発電部の発電動作を停止させた後に、前記発電部を自動的に再起動させる保護項目をさらに有することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項2】
前記制御部は、自動起動することで安全リスク及び/又は前記発電部および前記燃料処理系が故障するリスクが一定以上ある場合は、前記発電部の発電動作を停止保持し、リスクの一定以下の項目については故障発報することなく、前記発電部の発電動作を停止させた後に、前記発電部を自動的に再起動させることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池発電システム。
【請求項3】
前記制御部は、前記リスクが一定以下の項目のうち、項目のリスクに従い、所定時間停止保持後に自動再起動、高速高温再起動、発電開始直前からの再起動のうちのいずれか1つを選択することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池発電システム。
【請求項4】
前記制御部は、所定の設定時間のうちに同じ現象で複数回保護停止した場合に、自動再起動することなしに、故障発報し、前記発電部の発電動作の停止を保持することを特徴とする請求項3に記載の燃料電池発電システム。
【請求項5】
前記制御部は、予め関連付けられた保護項目が、一定時間のうちに複数発生した場合に、自動再起動することなしに、故障発報し、停止保持することを特徴とする請求項3に記載の燃料電池発電システム。
【請求項6】
前記制御部は、自動起動を行う際に、動作した保護項目に応じて運転条件を変えることを特徴とする請求項3乃至5のいずれか1項記載の燃料電池発電システム。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate


【公開番号】特開2009−193936(P2009−193936A)
【公開日】平成21年8月27日(2009.8.27)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−36364(P2008−36364)
【出願日】平成20年2月18日(2008.2.18)
【出願人】(301060299)東芝燃料電池システム株式会社 (358)
【出願人】(000003078)株式会社東芝 (54,554)
【Fターム(参考)】