JP2010086917A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池システムに関し、特に異常が生じた場合には迅速に停止する一方で、メンテナンスの省力化を図ることができる燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system that can be quickly stopped when an abnormality occurs and can save labor for maintenance.
水素と酸素とを使用して、これらの電気化学的反応により発電する燃料電池は、環境に優しい発電装置として注目されている。燃料電池は発電に水素を必要とするが、水素自体を供給するインフラが普及していないことから入手が比較的困難であるため、都市ガスや灯油等の原料を水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器を燃料電池に併設した燃料電池システムを構築することが多い。燃料電池システムの運転中に燃料電池システムで異常が発生した場合は、一般に燃料電池システムの運転を停止して異常の原因を究明すべく点検が行われる。このような事情の下、メンテナンス作業を最小限に抑えることを意図したものとして、燃料ガス製造システム(改質器に相当)で異常が発生した際に、燃料ガス製造システムの各種異常状態を検出し、検出された異常状態が予め設定されている複数の停止処理パターンの中のいずれの停止処理パターンに属するかの判断をし、判断された停止処理パターンに従った適切な停止処理を施すことで、次回の立ち上げが可能な適切な停止処理を行った際にはメンテナンス作業を削減することができる燃料ガス製造装置の異常停止方法がある(例えば、特許文献1参照。)。
しかしながら、上述の異常停止方法は、検出された異常状態がいずれの停止処理パターンに属するかを複数の停止処理パターンの中から判断するため、判断に時間がかかることとなっていた。異常を検出する対象が上述の異常停止方法のように燃料ガス製造装置(改質器)のみである場合は複数の停止処理パターンも多くならずに判断に要する時間の短縮化を図ることができたとしても、異常を検出する対象を改質器と燃料電池とを備える燃料電池システムにまで拡張した場合は検出される異常の内容が多岐にわたるため判断に相当の時間を要することとなって迅速な処理が難しかった。 However, the above-described abnormal stop method requires a long time for determination because it determines which stop processing pattern the detected abnormal state belongs to from among a plurality of stop processing patterns. When the target for detecting an abnormality is only the fuel gas production device (reformer) as in the above-described abnormal stopping method, the number of stop processing patterns is not increased, and the time required for determination can be shortened. Even if the target for detecting an abnormality is extended to a fuel cell system including a reformer and a fuel cell, the contents of the detected abnormality are so diverse that a considerable amount of time is required for judgment. It was difficult to process.
本発明は上述の課題に鑑み、異常が生じた場合には迅速に停止する一方で、メンテナンスの省力化を図ることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can be quickly stopped when an abnormality occurs and can save labor for maintenance.
上記目的を達成するために、本発明の第1の態様に係る燃料電池システムは、例えば図1に示すように、水素を含有する改質ガスgを生成する改質器20と、改質ガスgを導入して発電する燃料電池30とを有する燃料電池システム10であって;燃料電池システム10の異常を検出する異常検出手段と;前記異常が検出されたときに燃料電池システム10を停止する(例えば図4におけるS3)と共に、検出された前記異常があらかじめ定められた軽故障に関する異常である場合に燃料電池システム10を再起動する(例えば図4におけるS8)制御装置36とを備える。
In order to achieve the above object, a fuel cell system according to a first aspect of the present invention includes a
このように構成すると、異常が検出されたときにその異常が軽故障に関する異常であるか否かにかかわらず燃料電池システムを停止するので安全性が向上する。また、検出された異常があらかじめ定められた軽故障に関する異常である場合に燃料電池システムを再起動するので、再起動によって異常が解消された場合にはメンテナンスを省略することができ、異常が解消されない場合には再び停止することとなって安全性が向上する。 With this configuration, when an abnormality is detected, the fuel cell system is stopped regardless of whether the abnormality is an abnormality related to a minor failure, so that safety is improved. In addition, since the fuel cell system is restarted when the detected abnormality is related to a predetermined minor failure, maintenance can be omitted if the abnormality is resolved by the restart, and the abnormality is resolved. If not, it will stop again, improving safety.
また、本発明の第2の態様に係る燃料電池システムは、例えば図1を参照して示すと、上記本発明の第1の態様に係る燃料電池システム10において、軽故障に関する異常が、改質器20内の所定の範囲内の温度分布に関する異常、燃料電池30を冷却する冷却水cに関する異常、燃料電池30で発電された電力の値に関する異常のうちの少なくとも1つを含むように定められている。
Moreover, when the fuel cell system according to the second aspect of the present invention is shown with reference to FIG. 1, for example, in the
このように構成すると、燃料電池システムの広範囲にわたって異常を検出しつつ再起動によって異常が解消された場合にはメンテナンスを省略することができる。 If comprised in this way, a maintenance can be abbreviate | omitted when abnormality is eliminated by restarting, detecting abnormality over the wide range of a fuel cell system.
また、本発明の第3の態様に係る燃料電池システムは、例えば図1及び図2に示すように、上記本発明の第1の態様又は第2の態様に係る燃料電池システム10において、燃料電池30で発電された直流電力を交流電力に変換して電力負荷に送電するパワーコンディショナ34であって、商用電源99と連系するパワーコンディショナ34を備え;異常検出手段が、軽故障に関する異常を検出する、改質器20におけるバーナー25b(図2参照)の失火を検出する失火検出手段125(図2参照)と、パワーコンディショナ34に通電する電流の過電流を検出する過電流検出器30Eとを有する。
Further, the fuel cell system according to the third aspect of the present invention is the same as that shown in FIGS. 1 and 2, for example, in the
このように構成すると、燃料電池システムの広範囲にわたって異常を検出しつつ再起動によって異常が解消された場合にはメンテナンスを省略することができる。 If comprised in this way, a maintenance can be abbreviate | omitted when abnormality is eliminated by restarting, detecting abnormality over the wide range of a fuel cell system.
また、本発明の第4の態様に係る燃料電池システムは、例えば図1を参照して示すと、上記本発明の第1の態様乃至第3の態様のいずれか1つの態様に係る燃料電池システム10において、制御装置36が、異常検出手段が同一内容の軽故障に関する異常を第1の所定の期間に第1の所定の回数検出したときに、燃料電池システム10の再起動を行わないように構成されている。
The fuel cell system according to the fourth aspect of the present invention is, for example, referring to FIG. 1, and the fuel cell system according to any one of the first to third aspects of the present invention. 10, the
このように構成すると、再起動によっても解消し得ない同一内容の異常が生じたと推定して、異常の内容を確実に把握することができる。 If comprised in this way, it can estimate that the abnormality of the same content which cannot be eliminated by restarting has arisen, and can grasp | ascertain the content of abnormality reliably.
また、本発明の第5の態様に係る燃料電池システムは、例えば図1を参照して示すと、上記本発明の第1の態様乃至第3の態様のいずれか1つの態様に係る燃料電池システム10において、制御装置36が、異常検出手段が同一内容の軽故障に関する異常を所定の回数連続して検出したときに、燃料電池システム10の再起動を行わないように構成されている。
Further, the fuel cell system according to the fifth aspect of the present invention, for example, referring to FIG. 1, shows the fuel cell system according to any one of the first to third aspects of the present invention. 10, the
このように構成すると、再起動によっても解消し得ない同一内容の異常が生じたと推定して、異常の内容を確実に把握することができる。 If comprised in this way, it can estimate that the abnormality of the same content which cannot be eliminated by restarting has arisen, and can grasp | ascertain the content of abnormality reliably.
また、本発明の第6の態様に係る燃料電池システムは、例えば図1を参照して示すと、上記本発明の第1の態様乃至第5の態様のいずれか1つの態様に係る燃料電池システム10において、制御装置36が、異常検出手段が軽故障に関する異常を第2の所定の期間に第2の所定の回数検出したときに、燃料電池システム10の再起動を行わないように構成されている。
In addition, the fuel cell system according to the sixth aspect of the present invention is, for example, referring to FIG. 1, and the fuel cell system according to any one of the first to fifth aspects of the present invention described above. 10, the
このように構成すると、再起動によっても解消し得ない異常が燃料電池システム内に生じたと推定して、異常の内容を点検することができる。 If comprised in this way, it can estimate that the abnormality which cannot be eliminated even by restarting has arisen in the fuel cell system, and can check the content of the abnormality.
また、本発明の第7の態様に係る燃料電池システムは、例えば図1及び図4を参照して示すと、上記本発明の第4の態様乃至第6の態様のいずれか1つの態様に係る燃料電池システム10において、制御装置36が、異常検出手段が軽故障に関する異常以外の異常を検出したとき(図4におけるS4でNo)又は燃料電池システム10の再起動を行わない制御をしたときに警報に関する信号を出力する(図4におけるS9)ように構成されている。
In addition, the fuel cell system according to the seventh aspect of the present invention relates to any one of the fourth to sixth aspects of the present invention described above with reference to FIGS. 1 and 4, for example. In the
このように構成すると、再起動によっても解消し得ない異常が生じたことを迅速にユーザーに知らせることができる。 With this configuration, it is possible to promptly notify the user that an abnormality that cannot be resolved by restarting has occurred.
本発明によれば、異常が検出されたときにその異常が軽故障に関する異常であるか否かにかかわらず燃料電池システムを停止するので安全性が向上する。また、検出された異常があらかじめ定められた軽故障に関する異常である場合に燃料電池システムを再起動するので、再起動によって異常が解消された場合にはメンテナンスを省略することができ、異常が解消されない場合には再び停止することとなって安全性が向上することとなる。 According to the present invention, when an abnormality is detected, the fuel cell system is stopped regardless of whether the abnormality is an abnormality related to a minor failure, so that safety is improved. In addition, since the fuel cell system is restarted when the detected abnormality is related to a predetermined minor failure, maintenance can be omitted if the abnormality is resolved by the restart, and the abnormality is resolved. If not, it will stop again and safety will be improved.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings, the same or similar members are denoted by the same or similar reference numerals, and redundant description is omitted.
まず図1を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム10の構成について説明する。図1は、燃料電池システム10の模式的系統図である。燃料電池システム10は、水素に富む改質ガスgを生成する改質器20と、燃焼用空気供給手段としての空気ブロワ29と、水素と酸素との電気化学的反応により発電する燃料電池30と、発電電力調節手段としてのパワーコンディショナ34と、燃料電池システム10を制御する制御装置36とを備えている。また、燃料電池システム10は、燃料電池30で発電した電力が余るときに余剰電力を消費する電力消費負荷としての電気ヒータ13と、燃料電池30で発生した熱及び電気ヒータ13で発生した熱を蓄える蓄熱槽としての貯湯槽80とを備えている。
First, the configuration of a
改質器20は、原料m1と改質用水sとを導入し水蒸気改質反応により水素に富む改質ガスgを生成する機器である。原料m1は、典型的には、メタン、エタン等の鎖式炭化水素(天然ガスも含む)、あるいはメタノール、石油製品(灯油、ガソリン、ナフサ、LPG等)等の炭化水素を主成分とする混合物等を気化させた炭化水素系の燃料であり、加熱用の燃焼に適するものが用いられる。改質用水sは水蒸気であってもよい。また、水素に富む改質ガスgとは、水素を主成分とするガスであり、水素を40体積%以上、典型的には70〜80体積%程度含んだ、燃料電池30に供給するガスである。改質ガスg中の水素濃度は80体積%以上でもよく、すなわち燃料電池30に供給したときに酸化剤ガスt中の酸素との電気化学的反応により発電可能な濃度であればよい。
The
ここで図2を参照して、改質器20の構成をより詳細に説明する。図2は、改質器20の模式的縦断面図である。改質器20は、改質部21と、変成部22と、選択酸化部23と、改質用水導入管24と、燃焼部25とを有している。改質部21と、変成部22と、選択酸化部23と、改質用水導入管24とは連通しており、相互に内部の圧力変動の影響を受けるが、これらと燃焼部25とは連通を遮断することができるように構成されている。
Here, with reference to FIG. 2, the structure of the
改質部21は、原料m1と水蒸気となった改質用水svとを導入し、水蒸気改質反応により、原料m1を準改質ガスr1に改質する。準改質ガスr1には、典型的には、水素が70体積%程度含まれており、一酸化炭素が10体積%程度含まれている。改質部21には改質触媒21cが充填されており、水蒸気改質反応を促進させるように構成されている。改質触媒21cは、典型的には、ニッケル系改質触媒やルテニウム系改質触媒が用いられる。また、改質部21には、内部の温度を検出する改質部温度センサ121が配設されている。改質部温度センサ121は、典型的には改質触媒21cの下流側に配設されている。また、改質部21で生成された準改質ガスr1が変成部22に送られるように、改質部21は、改質触媒21cより下流側で変成部22と接続されている。以下の説明において「接続され」とは、流路等を介して接続される場合も含む。
The reforming
変成部22は、改質部21から準改質ガスr1を導入し、準改質ガスr1に含まれる一酸化炭素を、同じく準改質ガスr1に含まれる水分と変成反応させて、二酸化炭素と水素とを生成することにより準改質ガスr1から一酸化炭素濃度が低減した変成ガスr2を生成する。変成反応は発熱反応である。変成部22には、変成触媒22cが充填されており、変成反応を促進させるように構成されている。変成触媒22cは、典型的には、鉄−クロム系変成触媒、銅−亜鉛系変成触媒、白金系変成触媒等が用いられる。変成部22で生成される変成ガスr2は、一酸化炭素濃度が5000〜10000ppm程度に低減されている。また、変成部22には、内部の温度を検出する変成部温度センサ122が配設されている。変成部温度センサ122は、典型的には変成触媒22cの下流側に配設されている。変成部22は、変成部22で生成された変成ガスr2が選択酸化部23に送られるように、変成触媒22cより下流側で選択酸化部23と接続されている。
The
選択酸化部23は、変成部22から変成ガスr2を導入し、系外から空気a1(以下「選択酸化空気a1」という。)を導入することにより酸素を導入して、変成ガスr2中に残存した一酸化炭素と導入した酸素との選択酸化反応により、変成ガスr2からさらに一酸化炭素濃度が低減した改質ガスgを生成する。選択酸化反応は発熱反応である。選択酸化部23には、選択酸化触媒23cが充填されている。選択酸化触媒23cは、典型的には、白金系選択酸化触媒、ルテニウム系選択酸化触媒、白金−ルテニウム系選択酸化触媒等が用いられる。選択酸化触媒23cより上流側の選択酸化部23には、選択酸化空気a1を導入するための選択酸化空気管69(図1では省略している)が接続されている。選択酸化空気管69には選択酸化部23への選択酸化空気a1の導入を遮断する選択酸化空気電磁弁27と、管内を流れる選択酸化空気a1の流量を検出する流量計169とが配設されている。また、選択酸化部23には、内部の温度を検出する選択酸化部温度センサ123が配設されている。選択酸化部温度センサ123は、典型的には選択酸化触媒23cの下流側に配設されている。選択酸化部23で生成される改質ガスgは、前述のように、水素を40%以上、典型的には75%程度含むガスである。改質ガスg中の一酸化炭素濃度は、およそ10ppm以下程度である。選択酸化触媒23cより下流側の選択酸化部23には、改質ガスgを導出する改質ガス管51が接続されている。
The
改質用水管24は、変成部22及び選択酸化部23に隣接すると共に、改質部21にも隣接して配設されている。変成部22及び選択酸化部23に隣接するとは、変成部22及び選択酸化部23における反応で発生した熱を、改質用水管24内を流れる改質用水sが受熱する程度に近いことである。このときの受熱量は、液体の改質用水sが改質部21に流入する前に気体の改質用水(水蒸気sv)になる程度であることが好ましい。また、改質用水管24は、改質部21からも受熱できるように配設されている。改質用水管24を流れる改質用水sが改質部21に流入する前に気化するのに十分な熱を受けられない場合は燃焼部25から受熱できるように燃焼部25内あるいは燃焼部25近傍にも改質用水管24が配設されるようにするとよい。
The reforming
燃焼部25は、典型的には、バーナー25bを有しており、燃焼に用いられる燃料と、燃焼用空気a2とを導入し、燃焼に用いられる燃料を燃焼させて改質熱を発生する。燃焼に用いられる燃料は、例えば、燃焼用燃料m2(典型的には改質部21に供給される原料m1と同じもので用途に応じて呼称を変えている)、アノードオフガスライン52を介して導入されるアノードオフガスp、及び改質ガスgのうちの1種類あるいは2種類以上が用いられる。アノードオフガスpとは、燃料電池30(図1参照)から排出されるガスであって燃料電池30(図1参照)における電気化学反応に使われなかった水素を含んでいるガスである。燃焼部25は、改質に利用する熱を改質部21に与えることができる程度に改質部21の近くに配設されており、好ましくは改質部21をその中央に空間が形成されるように竹輪状に形成した上で中央の空間内に配設されるようにすると、効果的に改質部21に改質熱を伝えることができる。燃焼部25には、バーナー25bが点火しない「不着火」や、燃焼中の炎が意図せずに消える「失火」を検出することができる火炎検出器125が設けられている。火炎検出器125は、典型的にはフレームロッドや失火検出手段としての温度センサから構成されている。
The
再び図1を参照して説明を続ける。改質器20内の改質部21(図2参照)には、原料m1を導入するための原料管55が接続されている。原料管55には、原料弁65が設けられている。原料弁65よりも下流側の原料管55には、管内圧力を検出する圧力計155Pと、管内流量を検出する流量計155Fとが配設されている。改質器20内の改質用水管24(図2参照)には、改質用水sを導入するための改質用水管96Sが接続されている。改質用水管96Sには、改質用水sの流れを遮断する改質用水弁67と、改質用水sを圧送する改質用水ポンプ26とが配設されている。改質用水ポンプ26よりも下流側の改質用水管96Sには、管内圧力を検出する圧力計196が配設されている。改質器20内の選択酸化部23(図2参照)には、上述のように改質ガスgを導出する改質ガス管51が接続されている。改質器20内の燃焼部25には、アノードオフガスp及び改質ガスgを導入可能なアノードオフガス管52と、燃焼用燃料m2を導入する燃焼燃料管56と、燃焼用空気a2を導入する燃焼空気管58とが接続されている。燃焼燃料管56には、燃焼燃料弁66が設けられている。燃焼燃料弁66よりも下流側の燃焼燃料管56には、管内流量を検出する流量計156が配設されている。燃焼空気管58には、管内流量を検出する流量計158が配設されている。また、燃焼部25には、バーナー25b(図2参照)で燃焼した後の排ガスeを排出する排ガス管59が接続されている。
The description will be continued with reference to FIG. A
原料管55と燃焼燃料管56とは、原料m1と燃焼用燃料m2とに分流する前の燃料mを流す1本の燃料管57が分岐したものである。燃料管57には、気体の燃料mを送る燃料ブロワ28が配設されている。燃料ブロワ28は、典型的にはインバータにより回転数(rpm)を調節することができ、これにより燃料mの流量を増減することができるように構成されている。なお、燃料mが液体の場合は燃料ブロワ28に代えて燃料ポンプが配設されるが、本実施の形態では燃料ブロワ28として説明する。また、燃料管57には、改質器20に導入される燃料mの流量の変動を検出することができるメータ15と、燃料管57内を流れる燃料mの圧力を検出する圧力計157とが配設されている。
The
燃料電池30は、典型的には固体高分子形燃料電池である。燃料電池30は、改質ガスgを導入するアノード31と、酸化剤ガスtを導入するカソード32と、電気化学的反応により発生した熱を奪う冷却部33とを含んで構成されている。カソード32に導入される酸化剤ガスtは、典型的には空気である。燃料電池30は、図では簡易的に示されているが、実際には、固体高分子膜をアノード31とカソード32とで挟んで単一のセルが形成され、このセルを冷却部33を介し複数枚積層して構成されている。燃料電池30では、アノード31に供給された改質ガスg中の水素が水素イオンと電子とに分解し、水素イオンが固体高分子膜を通過してカソード32に移動すると共に電子がアノード31とカソード32とを結ぶ導線を通ってカソード32に移動して、カソード32に供給された酸化剤ガスt中の酸素と反応して水を生成し、この反応の際に発熱する。この反応における、電子が導線を通ることにより、直流の電力を取り出すことができる。燃料電池30は、複数のセルが筐体(不図示)に収容されている。筐体(不図示)の内部には、可燃性ガス(改質ガスg、アノードオフガスp)の漏洩を検出するガス検出器138と、筐体内の温度を検出する温度計139とが設けられている。また、燃料電池30は、出力ケーブル41を介してパワーコンディショナ34と電気的に接続されている。燃料電池30には、電気化学的反応によって発電された電力の出力電圧及び出力電流をそれぞれ検出する出力計30Eが接続されている。出力計30Eは、過電流を検出する過電流検出器としても機能する。
The
燃料電池30は、出力ケーブル41及び商用電源ケーブル49を介して商用電源99に接続されている。出力ケーブル41と商用電源ケーブル49との接続部には、電力負荷98につながる電力負荷ケーブル48が接続されている。すなわち、燃料電池30と、商用電源99と、電力負荷98とは電気的に接続されている。電力負荷98は、典型的には、家電や生産機械等の電気機器である。出力ケーブル41にはパワーコンディショナ34が配設されている。パワーコンディショナ34よりも商用電源ケーブル49側の出力ケーブル41には、電気ヒータ13につながるヒータ用ケーブル42が接続されている。ヒータ用ケーブル42には開閉器43が配設されている。開閉器43は、典型的には、ソリッドステートリレーである。また、商用電源ケーブル49には、商用電源99から供給を受ける電力を計測する電力計45が配設されている。
The
パワーコンディショナ34は、燃料電池30で発電された直流電力を交流電力に変換するインバータを有している。また、パワーコンディショナ34は、燃料電池30における発電電流の大きさを、燃料電池30の出力が最低発電量(例えば定格出力の30%等)と定格出力とになる幅の間で任意に決定することができるように構成されている。つまり、パワーコンディショナ34は、燃料電池30の発電電力を調節することができるものである。燃料電池30では、パワーコンディショナ34で設定された電流を発電するだけの水素と酸素とが反応することとなる。パワーコンディショナ34は、燃料電池30と連系した商用電源99の異常を検出する商用電源異常検出手段を備えていてもよい。
The
アノード31と改質部21(図2参照)とは、改質ガス管51を介して接続されている。改質ガス管51には改質ガス弁61が設けられている。また、アノード31と燃焼部25とは、アノードオフガス管52を介して接続され、燃料電池30での電気化学的反応に利用されなかった水素を含むアノードオフガスpを燃焼部25に導入することができるようになっている。アノードオフガス管52には、アノードオフガス弁62が配設されている。また、改質ガス弁61の上流側の改質ガス管51と、アノードオフガス弁62よりも下流のアノードオフガス管52とが、バイパス管53で接続されている。バイパス管53にはバイパス弁63が設けられている。カソード32には、酸化剤ガスtを導入する酸化剤ガス管54と、燃料電池30での電気化学的反応に利用されなかった酸素を含むカソードオフガスqを排出するカソードオフガス管54Qとが接続されている。酸化剤ガス管54は、空気管54Aから分岐した管の1つであり、空気管54Aから分岐した他の1つは燃焼空気管58である。空気管54Aには、カソード32に酸化剤ガスtを送ると共に燃焼部25に燃焼用空気a2を送る空気ブロワ29が配設されている。空気ブロワ29は、典型的にはインバータにより回転数(rpm)を調節することができ、これにより燃焼用空気a2や酸化剤ガスtの流量を増減することができるように構成されている。酸化剤ガス管54には、酸化剤ガスtの流れを遮断可能な酸化剤ガス遮断弁64と、管内流量を検出する流量計154とが設けられている。また、酸化剤ガス管54には、典型的には、酸化剤ガスtを加湿する加湿器(不図示)が配設される。
The
改質ガス弁61の下流側の改質ガス管51には、改質ガスgから余剰の水分を分離する改質ガス気液分離器91が配設されている。アノードオフガス弁62の上流側のアノードオフガス管52には、アノードオフガスp中の水分を分離するアノードオフガス気液分離器92が配設されている。カソードオフガス管54Qには、カソードオフガスq中の水分を分離するカソードオフガス気液分離器94が配設されている。改質器20の燃焼部25に接続された排ガス管59には、排ガスe中の水分を分離する排ガス気液分離器93が配設されている。各気液分離器91、92、93、94で分離された回収水は、回収水タンク96に収集される。改質ガス気液分離器91で分離された回収水は、回収水管91Aにより回収水タンク96に導かれる。同様に、アノードオフガス気液分離器92で分離された回収水は回収水管92Aにより、排ガス気液分離器93で分離された回収水は回収水管93Aにより、カソードオフガス気液分離器94で分離された回収水は回収水管94Aにより、それぞれ回収水タンク96に導かれる。回収水タンク96には、回収水タンク96内の水位を検出する回収水水位計97が設けられている。また、回収水タンク96には改質用水管96Sが接続されており、回収水タンク96に収集された回収水を改質用水sとして改質器20に供給することができるように構成されている。なお、排ガス気液分離器93及びカソードオフガス気液分離器94の2つを設ける代わりに、カソードオフガス管54Qと排ガス管59とを接続して1本の配管とした部分に1つの気液分離器を設け、排ガスeとカソードオフガスqとが混合した混合排ガス中の水分を分離するようにしてもよい。
A reformed gas gas-
燃料電池30の冷却部33の冷却水導入口には冷却水管75が、冷却水導出口には冷却水管74が、それぞれ接続されている。冷却水管74、75により、燃料電池30から導出された冷却水cが熱交換器70を通過し、熱交換器70を通過して温度が下がった冷却水cが燃料電池30に導入されるように循環流路が形成されている。冷却水管75には内部を流れる冷却水cを循環させる冷却水ポンプ73が配置されている。冷却水ポンプ73は、典型的にはインバータにより回転数(rpm)を調整し、燃料電池30の発熱量に応じて冷却水cの流量を調整することができるように構成されている。冷却水ポンプ73のインバータと制御装置36とは信号ケーブルで接続されている。冷却水ポンプ73の吐出側には圧力計173Dが配設され、吸込側には圧力計173Sが配設されており、両圧力計173D、173Sで検出された圧力の差により冷却水cの流量を検出することができるように構成されている。冷却水管75には、冷却部33に導入される冷却水cの温度を検出する温度計175が設けられている。他方、冷却水管74には、冷却部33から導出された冷却水cの温度を検出する温度計174が設けられている。
A cooling
冷却水管74には電気ヒータ13が配置されている。電気ヒータ13は、燃料電池30で発電された電力のうち電灯や電気機器等の電力負荷98で消費されない余剰電力を熱に変換し、変換した熱を冷却水管74を流れる冷却水cに伝達するように構成されている。電気ヒータ13は、典型的には、発熱部を絶縁材料で被覆したケーブル型の電気ヒータであり、冷却水管74の外周に巻きつけられテープで固定される。また、電気ヒータ13は発熱部を収容したケーシングに冷却水cを導入し、発熱部と冷却水cとが接触して冷却水cの温度を上昇させるように構成されていてもよい。電気ヒータ13で発熱がある場合、冷却部33で温度が上昇した冷却水cは、電気ヒータ13でさらに温度が上昇して熱交換器70に流入することになる。電気ヒータ13には、電気ヒータ13の温度を検出する温度計113が設けられている。
The
熱交換器70は、冷却水cと蓄熱水hとの間で熱交換を行う機器であり、典型的にはプレート型熱交換器が用いられる。熱交換器70は、燃料電池30から受熱して温度が上昇した冷却水cと冷却水cよりも温度が低い蓄熱水hとがカウンターフローにより熱交換し、燃料電池30の排熱を冷却水cから蓄熱水hに伝達するように構成されている。熱交換器70は、燃料電池30から受熱して温度が上昇した冷却水cを導入する冷却水導入口と蓄熱水hとの熱交換により温度が下がった冷却水cを導出する冷却水導出口と、温度が低い蓄熱水hを導入する蓄熱水導入口と冷却水cとの熱交換により温度が上昇した蓄熱水hを導出する蓄熱水導出口とを有している。熱交換器30の冷却水導入口には冷却水管74が、冷却水導出口には冷却水管75が、それぞれ接続されている。
The
熱交換器70の蓄熱水導出口には蓄熱水管84が、蓄熱水導入口には蓄熱水管85が、それぞれ接続されている。蓄熱水管84は、熱交換器70から導出された蓄熱水hが貯湯槽80の上部に流入するように貯湯槽80の上部に接続されており、好適には頂部に接続される。蓄熱水管85は、熱交換器70に導入される蓄熱水hが貯湯槽80の下部から採水されるように貯湯槽80の下部に接続されており、好適には底部に接続される。蓄熱水管84、85は熱交換器70及び貯湯槽80と接続されて循環流路を形成している。蓄熱水管85には内部を流れる蓄熱水hを循環する蓄熱水ポンプ83が配置されている。蓄熱水ポンプ83は、典型的にはインバータにより回転数(rpm)を調整し、熱交換器70での交換熱量に応じて蓄熱水hの流量を調整することができるように構成されている。蓄熱水ポンプ83のインバータと制御装置36とは信号ケーブルで接続されている。蓄熱水管85には、内部を流れる蓄熱水hの流量を検出する流量計183が設けられている。
A heat
貯湯槽80は、頂部に温度が高い蓄熱水hを導入する蓄熱水導入口が、底部に温度が低い蓄熱水hを導出する蓄熱水導出口が形成されている。上述のように、貯湯槽80の蓄熱水導入口には蓄熱水管84が、蓄熱水導出口には蓄熱水管85が接続されている。熱交換器70で燃料電池30の排熱を受熱した蓄熱水hは蓄熱水管84を通って貯湯槽80に流入し、貯湯槽80に燃料電池30の排熱が蓄熱されるように構成されている。流入して貯湯槽80に貯留された蓄熱水hは、上部の温度が高く下部の温度が低い温度成層が形成されている。さらに貯湯槽80の上部には、温水w1を導出する熱負荷温水導出口が設けられており、この熱負荷温水導出口から給湯や暖房等の熱需要で利用されるために温水w1が導出される。また、貯湯槽80の下部には熱需要で利用されて減少した水量を補う補給水導入口が設けられている。補給水導入口からは補給水w2が導入される。
The hot
蓄熱水管84にはバイパス管86が接続されており、バイパス管86の他端は蓄熱水ポンプ83よりも上流側で蓄熱水管85に接続されている。バイパス管86は、蓄熱水管84を流れる蓄熱水hを貯湯槽80に流入させずに蓄熱水管85に導く管である。バイパス管86には蓄熱水hの温度を下げることができる冷却装置としてのラジエータ81が配設されている。ラジエータ81は、燃料電池30を冷却するのに必要な冷却水cの温度となるまでに冷却水cから熱を奪うことができないほど貯湯槽80から導出される蓄熱水hの温度が高いときに、熱交換器70に導入される蓄熱水hの温度を冷却水cから熱を奪うことができる温度になるまで冷却できるように構成されている。ラジエータ81は冷却板としてのフィンを備えており、フィンに蓄熱水hを導入して空気と熱交換することにより蓄熱水hの温度を低下させることができるように構成されている。さらに、ラジエータ81はより多くの空気をフィンに供給して交換熱量を増加するために、強制的にフィンに空気を送る送気ファン(不図示)を備えている。
A
蓄熱水管84とバイパス管86との分岐部には、蓄熱水hの流れ方向を切り替える三方弁82が配設されている。また、三方弁82の設置位置は、貯湯槽80及びラジエータ81の上流側に限られず、貯湯槽80及びラジエータ81の下流側であってもよい。また、三方弁82に代えて二方弁を2個用いることにより、蓄熱水hの流れ方向を切り替え、あるいは貯湯槽80に流入する蓄熱水hの流量とラジエータ81に流入する蓄熱水hの流量との配分を調整することができるように構成してもよい。
A three-
制御装置36は、燃料電池システム10の運転を制御する。制御装置36は、燃料ブロワ28及び空気ブロワ29に信号を送信して発停を制御すると共に、燃料ブロワ28及び空気ブロワ29から吐出される流体の流量を制御する。また、制御装置36は、冷却水ポンプ73及び蓄熱水ポンプ83に信号を送信して発停を制御すると共に、冷却水ポンプ73及び蓄熱水ポンプ83から吐出される流体の流量を制御する。なお、各ブロワ28、29及び各ポンプ73、83に信号を送信することには、これらに送電する動力盤(不図示)に信号を送信することも含む。また、制御装置36は、パワーコンディショナ34に信号を送信して燃料電池30における発電電流を設定する。また、制御装置36は、各弁61〜67とそれぞれ信号ケーブルで接続されており、開閉信号を送信して弁の開閉動作をさせることができるように構成されている。また、制御装置36は、三方弁82と信号ケーブルで接続されており、信号を送信して蓄熱水hの流路を切り替えることができるように構成されている。また、制御装置36は、開閉器43に信号を送信して電気ヒータ13への通電の有無を制御する。また、制御装置36は、メータ15と信号ケーブルで接続されており、信号を受信して燃料mの流量を検出することができるように構成されている。
The
また、制御装置36は、改質器20内の改質部温度センサ121(図2参照)、変成部温度センサ122(図2参照)、選択酸化部温度センサ123(図2参照)とそれぞれ信号ケーブルで接続されており、温度信号を受信することができるように構成されている。また、制御装置36は、燃焼部25の火炎検出器125(図2参照)と信号ケーブルで接続されており、火炎検出器125(図2参照)が検出したバーナー25bの状態を温度信号あるいはフレームロッドの電流信号として受信することができるように構成されている。また、制御装置36は、電力計45と信号ケーブルで接続されており、電力値の信号を受信することができるように構成されている。また、制御装置36は、温度計113、139、174、175とそれぞれ信号ケーブルで接続されており、温度信号を受信することができるように構成されている。また、制御装置36は、圧力計155P、157、173D、173S、196とそれぞれ信号ケーブルで接続されており、圧力信号を受信することができるように構成されている。また、制御装置36は、流量計154、155F、156、158、169(図2参照)、183と信号ケーブルで接続されており、流量信号を受信することができるように構成されている。また、制御装置36は、ガス検出器138と信号ケーブルで接続されており、ガス検出器138が検出した可燃性ガスの存在を信号として受信することができるように構成されている。
In addition, the
さらに制御装置36は、受信した各種信号から異常の有無を判断し、異常があると判断した場合はその異常があらかじめ定められた軽故障に関する異常に該当するか否かを判断する判断部36jを有している。判断部36jには、あらかじめ定められた軽故障に関する異常の内容が記憶されている。あらかじめ定められた軽故障に関する異常については後述する。
Further, the
引き続き図1及び図2を参照して、燃料電池システム10の作用を説明する。停止している燃料電池システム10の運転を開始するには、燃料ブロワ28を起動して燃焼部25に燃焼用燃料m2を供給すると共に空気ブロワ29を起動して燃焼部25に燃焼用空気a2を供給する。このとき、燃焼燃料弁66は開、その他の弁61〜65、67は閉となっている。燃焼部25で燃焼用燃料m2が燃焼して改質熱が発生し、改質部21が昇温したら、原料弁65を開にして原料m1を改質部21に導入する。改質部21の温度は改質部温度センサ121で検出する。この際、改質用水弁67を開にすると共に改質用水ポンプ26を起動して、改質部21には改質用水sも導入され、燃焼部25から改質熱を得て原料m1が水蒸気改質反応を起こし、改質ガスgが生成される。改質器20では、上述のように改質ガスgが生成されるが、運転開始当初は改質ガスgの組成が安定していないため、改質ガス弁61及びアノードオフガス弁62を閉にし、バイパス弁63を開にして、組成が安定していない改質ガスgを燃料電池30に供給せずに燃焼部25に導いて燃焼させる。このとき、燃焼部25に導入した組成が安定していない改質ガスgを主として燃焼させ、不足分の燃焼用燃料m2を燃焼燃料弁66の開度を調節して燃焼部25に導入する。組成が安定していない改質ガスgで足りる場合は燃焼燃料弁66を閉とする。
The operation of the
改質器20で生成される改質ガスgの組成が安定し、改質ガスg中の一酸化炭素濃度が所定の値まで低減するようになると、制御装置36が改質ガス弁61及びアノードオフガス弁62を開に、バイパス弁63を閉にして、改質ガスgが燃料電池30に導入されるようにする。これにより、燃料電池30のアノード31に改質ガスgが導入される。このとき、改質ガスgがアノード31に導入される前に改質ガス気液分離器91を通過することにより、改質ガスg内の余剰の水分が分離され、回収水として回収水タンク96に収集される。回収水タンク96に収集された回収水は、改質用水sとして利用されるべく改質用水ポンプ26により改質器20に供給される。回収水タンク96内の回収水が所定の低水位まで低下した場合は、補給水管(不図示)を介して補給水(例えば市水等)が供給される。他方、制御装置36は、酸化剤ガス遮断弁64を開にし、これによって燃料電池30のカソード32に酸化剤ガスtが導入される。典型的には、アノード31に供給される改質ガスgの量が、水素の利用率が70〜80%程度、好ましくは75%程度となるように、改質器20で改質ガスgが生成される(これに合わせて原料m1が改質部21に導入される)。また、酸素の利用率が45〜60%程度、好ましくは50%程度となる量の酸化剤ガスtがカソード32に供給されるように空気ブロワ29の回転数や流量調整弁(不図示)が調節される。
When the composition of the reformed gas g generated in the
燃料電池30ではアノード31に導入された改質ガスg中の水素と、カソード32に導入された酸化剤ガスt中の酸素とによる電気化学的反応が行われる。電気化学的反応は、アノード31側では以下の(1)式に示す反応が行われ、カソード32側では以下の(2)式に示す反応が行われる。
2H2 → 4H+ + 4e− ・・・(1)
O2 + 4H+ + 4e− → 2H2O ・・・(2)
この電気化学的反応によって発電し、発熱すると共に水分が生成される。さらに説明を加えると、アノード31側の電子が外部電気回路を通ってカソード32側に移動する際に電力を得ることができる。アノード31側の水素イオンは固体高分子膜を通過してカソード32側に移動し、酸素と結合して水分が発生する。この電気化学的反応は発熱反応である。
In the
2H 2 → 4H + + 4e − (1)
O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O (2)
Electricity is generated by this electrochemical reaction, heat is generated, and moisture is generated. In further explanation, electric power can be obtained when electrons on the
燃料電池30によって得られる電力は直流電力であるため、パワーコンディショナ34で交流電力に変換されて電力負荷98に、及び各ブロワ28、29、各ポンプ73、83に送電される。燃料電池30で発電される電力は、電力負荷98及び各ブロワ28、29、各ポンプ73、83の消費電力の合計に対して所定の値(例えば合計消費電力の90%)となるように、パワーコンディショナ34で設定される。この設定値に対して適切な供給量となるように、制御装置36により燃料電池30に供給される改質ガスg及び酸化剤ガスtの量が調節される。不足分の電力は、商用電源99から交流電力の供給を受ける。
Since the power obtained by the
燃料電池30の作動中、アノード31からはアノードオフガスpが排出される。排出されたアノードオフガスpは、アノードオフガス管52を介して改質器20の燃焼部25に導かれて燃焼される。アノードオフガスpは、燃焼部25に導かれる途中のアノードオフガス気液分離器92で水分が分離される。アノードオフガス気液分離器92で分離された水分は、回収水として回収水タンク96に収集される。燃焼部25に導かれたアノードオフガスpは、燃焼することにより、改質部21における改質に用いる改質熱を発生させることができる。燃焼部25へ導入されるアノードオフガスpの燃焼だけでは発生する改質熱が不足する場合は、燃焼燃料弁66の開度を調節して燃焼用燃料m2を燃焼部25に導入する。燃焼部25における燃焼によって生じた排ガスeは、排ガス管59を介して系外に排出される。排ガスeは、系外に排出される前に排ガス気液分離器93で水分が分離され、分離された水分は回収水として回収水タンク96に収集される。他方、カソード32からはカソードオフガスqが排出され、カソードオフガス管54Qを介して系外に排出される。カソードオフガスqは、系外に排出される前にカソードオフガス気液分離器94で水分が分離され、分離された水分は回収水として回収水タンク96に収集される。
During the operation of the
上述のように、燃料電池30における電気化学的反応は発熱反応であるため、燃料電池30の運転を継続するために発生した熱を冷却水cで除去する。燃料電池30に改質ガスg及び酸化剤ガスtが導入されて発電が行われるようになると、制御装置36は、冷却水ポンプ73及び蓄熱水ポンプ83を起動して冷却水c及び蓄熱水hを循環させる。冷却部33に導入された冷却水cは、燃料電池30における電気化学的反応で発生した熱によって温度が上昇する。燃料電池30は冷却水cによって発熱が除去されて、運転に適した温度(約60℃〜80℃程度)に維持される。冷却部33から導出された冷却水cは熱交換器70に向かって流れ、熱交換器70に導入される。なお、電気ヒータ13が作動しているときは、冷却部33から導出されたときの温度からさらに温度が上昇して熱交換器70に導入される。熱交換器70に導入された冷却水cは、蓄熱水hと熱交換して温度が低下し、再び冷却部33に導入され、以降は上述のサイクルを続ける。
As described above, since the electrochemical reaction in the
他方、熱交換器70に導入された蓄熱水hは、冷却水cと熱交換して温度が上昇する。温度が上昇した蓄熱水hは熱交換器70から導出されて貯湯槽80に向かって流れ、典型的には上部から貯湯槽80に流入する。貯湯槽80に流入した蓄熱水hは、給湯や暖房等の熱需要(不図示)で使用することができる程度の温度になっている。貯湯槽80内は、蓄熱水hの密度差により、上部に温度が高い水が、下部に温度が低い水が貯留されて温度成層が形成される。このため、形成された温度成層を極力崩さないという観点から、貯湯槽80に流入する蓄熱水hの動圧が低い(流速が小さい)方が好ましい。ただし動圧が低すぎると蓄熱水管84の径が太くなり設置スペース及び設置コストが大になるので、許容範囲内で動圧を低くする。
On the other hand, the heat storage water h introduced into the
貯湯槽80内に貯留された蓄熱水hは、上部の温度の高い水が温水w1として熱需要(不図示)に供給され、温水w1の熱が消費される。このように燃料電池30で発生した熱を有効利用することにより、燃料電池システム10の効率が向上することとなる。熱需要(不図示)に供給された温水w1は、熱が利用されて温度が低下した後に貯湯槽80の下部に戻される。あるいは、温水w1の熱だけでなく温水w1自体が消費される場合は、減少した分の水を補給水w2として外部(例えば市水等)から貯湯槽80の下部に導入する。これにより、貯湯槽80の下部に温度が低い水が貯留される。貯湯槽80下部の温度が低い蓄熱水hは、蓄熱水管85を流れて熱交換器70に導入される。熱交換器70に導入された蓄熱水hは、冷却水cと熱交換して温度が上昇し、熱交換器70から導出される。
As for the heat storage water h stored in the hot
熱需要(不図示)における熱の消費がなく、貯湯槽80の下部に貯留された水(熱交換器70に向けて導出される水)の温度が、燃料電池30を冷却するために求められる温度(燃料電池30の運転を継続できる温度)にまで冷却水cを冷却できない温度となった場合(いわゆる満蓄となった場合)、そのまま貯湯槽80内の蓄熱水hを熱交換器70に導入すると燃料電池30の運転を継続することができなくなる。このような場合、制御装置36は三方弁82を切り替えて、熱交換器70から導出された蓄熱水hを貯湯槽80ではなくラジエータ81に導く。蓄熱水管84からラジエータ81に導入された蓄熱水hは大気に放熱し、温度が低下して蓄熱水管85に流入し、熱交換器70に導入される。消費できない熱をラジエータ81で放熱することで、燃料電池30の運転を継続することができる。
There is no heat consumption in the heat demand (not shown), and the temperature of the water stored in the lower part of the hot water tank 80 (the water led out toward the heat exchanger 70) is required to cool the
電力負荷98における電力需要が少なくなる等により燃料電池30における発電を停止する際は、燃料電池30への改質ガスg及び酸化剤ガスtの供給を停止する。燃料電池30への改質ガスgの供給を停止するのに伴い、改質ガスgの生成を停止するべく、改質器20への原料m1及び改質用水sの供給を停止して改質器20の運転を停止する。改質器20の停止中は、空気が混入すると改質触媒21c、変成触媒22c、選択酸化触媒23cが酸化により劣化するため、これを防ぐために改質ガスgあるいは原料m1のガスを改質部21、変成部22、選択酸化部23に封入する。改質ガスgあるいは原料m1のガスを封入している間は、少なくとも改質ガス弁61、バイパス開閉弁63、及び原料弁65は閉止されている。
When power generation in the
これまで説明したように、燃料電池システム10は多数の部材から構成されており、異常が発生した際には迅速に異常を検出できるようにさまざまな異常検出手段が設けられている。異常検出手段は、制御装置36の判断部36jと、以下に述べる各部材とが協働して作動することにより機能する。
As described above, the
図3は、異常の内容と、判断部36jと協働して当該異常を検出する異常検出手段を構成する部材との関係を説明する図である。図3を参照して把握されるように、火炎検出器125は、改質器20のバーナー25bの不着火や失火の検出に用いられる(番号1、21)。改質部温度センサ121は、改質部21の温度に関する異常の検出に用いられる(番号2、22)。変成部温度センサ122は、変成部22の温度に関する異常の検出に用いられる(番号3)。選択酸化部温度センサ123は、選択酸化部23の温度に関する異常の検出に用いられる(番号4)。流量計155Fは、原料m1の導入量に関する異常の検出に用いられる(番号5)。圧力計196は、改質用水sの導入量に関する異常の検出に用いられる(番号6)。温度計113は、電気ヒータ13の温度に関する異常の検出に用いられる(番号7)。回収水水位計97は、回収水タンク96内の回収水の水位に関する異常の検出に用いられる(番号8、24)。流量計183は、蓄熱水hの流量に関する異常の検出に用いられる(番号9)。流量計169は、選択酸化空気a1の流量に関する異常の検出に用いられる(番号10)。温度計174、175は、冷却水cの温度に関する異常の検出に用いられる(番号11、12)。圧力計173D、173Sは、冷却水cの流量に関する異常の検出に用いられる(番号13)。
FIG. 3 is a diagram for explaining the relationship between the content of the abnormality and the members constituting the abnormality detection means that detects the abnormality in cooperation with the
圧力計155Pは、改質ガスgの供給圧力に関する異常、及び改質器20への原料m1又は改質ガスgの封入圧力に関する異常の検出に用いられる(番号14、23)。出力計30Eは、燃料電池30の出力電圧及び出力電流に関する異常の検出に用いられる(番号15、16)。パワーコンディショナ34は、制御装置36の電源及び商用電源99に関する異常の検出に用いられる(番号17、18)。流量計156は、燃焼用燃料m2の導入量に関する異常の検出に用いられる(番号25)。流量計158は、燃焼用空気a2の導入量に関する異常の検出に用いられる(番号26)。制御装置36は、空気ブロワ29の出力に関する異常、及び制御装置36自身に関する異常の検出に用いられる(番号27、32)。流量計154は、酸化剤ガスtの導入量に関する異常の検出に用いられる(番号28)。圧力計157は、燃料mの元圧に関する異常の検出に用いられる(番号29)。ガス検出器138は、燃料電池30の筐体内における可燃性ガスの存在の検出に用いられる(番号30)。温度計139は、燃料電池30の筐体内の温度に関する異常の検出に用いられる(番号31)。以下、異常が検出された場合の燃料電池システム10の動作を説明する。
The
図4は、異常が検出された場合の燃料電池システム10の動作を説明するフローチャートである。燃料電池システム10は、起動している際は(S1)、制御装置36が上述の異常検出手段により異常が発生したか否かを検出している(S2)。ここでいう「起動している」は、燃料電池システム10に起動の指令が与えられていることをいい、例えば改質器20が改質ガスgを生成しているか否かや燃料電池30が発電をしているか否かは問わない。異常が発生していない場合は再び異常が発生したか否かを検出する工程(S2)に戻る。異常の発生を検出した場合は、燃料電池システム10の運転を直ちに停止する(S3)。燃料電池システム10を停止する際は、上述のように、空気の混入を防ぐために改質ガスgあるいは原料m1のガスを改質部21、変成部22、選択酸化部23に封入する。次に制御装置36は、発生した異常があらかじめ定められた軽故障に関する異常であるか否かを判断する(S4)。
FIG. 4 is a flowchart for explaining the operation of the
ここで、あらかじめ定められた軽故障に関する異常は、典型的には、一過性の異常であり、人為的なメンテナンスを行わなくても解消する可能性があると思われる異常である。本実施の形態では、軽故障に関する異常として、定常運転時における物理量に対して、改質器20(改質部21、変成部22、選択酸化部23)内の温度が許容される温度の範囲から所定の範囲内で高すぎ又は低すぎる異常(図3における番号2、3、4に相当)、燃料電池30の冷却部33に対して導出入される冷却水cの温度が高すぎる又は流量が少なすぎる異常(図3における番号11、12、13に相当)、燃料電池30で発電された電力の電圧が低すぎる又は電流が許容される範囲から逸脱している異常(図3における番号15、16に相当)、バーナー25bの火炎が失火した異常(図3における番号1に相当)をあらかじめ定めている。
Here, the abnormality relating to the predetermined minor failure is typically a transient abnormality that is likely to be resolved without performing manual maintenance. In the present embodiment, the temperature range in which the temperature in the reformer 20 (the reforming
これらの軽故障に関する異常は、本発明の発明者が以下の点を見出したことによりあらかじめ定めることとしたものである。改質部21内の温度に関する異常は、原料m1又は改質用水sの供給系統の一時的な不具合(例えば、改質用水ポンプ26や燃料ブロワ28の一時的な不調、原料m1、準改質ガスr1、変成ガスr2、改質用水sの流路の一時的な閉塞等)により一時的に制御が逸脱したことにより生じたことが考えられ、このような場合は次回起動時までに解消する可能性がある。また、改質部21に一過性の原因により異常が生じた場合、改質部21に連通している変成部22及び/又は選択酸化部23にも影響が及ぶことが考えられ、改質部21における異常が次回起動時までに解消されれば、変成部22及び/又は選択酸化部23における異常も解消される可能性が大きい。ただし、改質部21の温度が所定の範囲を超えて上昇した場合(図3における番号22に相当)は、燃料電池システム10の起動から発電に至るまでに改質器20の運転が安定しきれていない場合が多く重大な故障につながる可能性があるため、軽故障に関する異常としてあらかじめ定めないこととする。
These minor faults are determined in advance by the inventors of the present invention by finding the following points. An abnormality related to the temperature in the reforming
冷却水cに関する異常は、冷却水ポンプ73の一時的な不調あるいは冷却水管74、75の一時的な閉塞又は冷却水管74、75内への空気混入に起因していることが考えられ、このような場合は次回起動時までに解消する可能性がある。燃料電池30における発電電圧が低すぎる異常は、改質用水sの一時的な供給不良により又は改質器20の選択酸化部23の選択酸化触媒23cの活性低下により改質ガスg中のCO濃度が上昇してセルがCO被毒する、改質ガス管51が瞬間的に閉塞してアノード31に供給される水素が不足する、酸化剤ガス管54中で発生した凝縮水がカソード32に持ち込まれて流路断面積が減少することによりカソード32に供給される酸素が不足すること等が原因となることが考えられ、このような異常は次回起動時は生じない可能性がある。なお、選択酸化触媒23cの活性低下が原因と考えられる場合は、改質部21の温度を改質に適した温度まで上昇させたところで選択酸化空気a1を選択酸化部23に供給して一旦選択酸化部23を活性域まで昇温し、その後選択酸化空気a1の供給を停止して選択酸化部23を還元雰囲気(主に水素)とする還元処理が次回起動時までに施されることにより解消する可能性がある。また、燃料電池30における発電電圧が低すぎる異常は、他の原因による燃料電池30を構成するセルの一時的な不調が考えられ、このような場合は次回起動時までに解消する可能性がある。バーナー25bの火炎が失火した異常は、アノードオフガスpの燃焼中に、燃焼部25に瞬間的な圧力変動が生じた場合やアノードオフガス管52で結露した水がバーナー25bに一時的に持ち込まれた場合、あるいはバーナー25bで燃焼させる燃料を燃焼用燃料m2から改質ガスg又はアノードオフガスpに変更しようとした場合に生じることがあり、このような異常は次回起動時は生じない可能性がある。
The abnormality relating to the cooling water c is considered to be caused by a temporary malfunction of the cooling
以上で示したような軽故障に関する異常は、人為的なメンテナンスを行わなくても次回起動時までに解消する可能性があり、解消した場合は人為的なメンテナンスを行うことなく燃料電池システム10の運転を継続することができることから、制御装置36は発生した異常があらかじめ定められた軽故障に関する異常であるか否かを判断することとしている(S4)。発生した異常があらかじめ定められた軽故障に関する異常であるか否かを判断する工程(S4)において、あらかじめ定められた軽故障に関する異常でない場合は、制御装置36は人為的なメンテナンスが行われることにより異常がリセットさるまで燃料電池システム10の再起動を行わない制御をし、ユーザーに認識できるような表示装置(不図示)に向けて警報信号を送信して警報を発報させ、リセットされるまで再起動が行われないことをユーザーに知らせる(S9)。
Abnormalities related to minor faults as described above may be resolved by the next start-up without performing manual maintenance, and if they are resolved, the
他方、あらかじめ定められた軽故障に関する異常である場合は、同一内容の異常が第1の所定の期間に第1の所定の回数発生したか否かを判断する(S5)。ここで、第1の所定の期間は、典型的には、発生した異常が一過性の異常であればその異常が遅くとも解消されていると考えられる期間である。また、第1の所定の回数は、典型的には、発生した異常が一過性の異常であればその異常が燃料電池システム10の再起動を行うことで解消すると考えられる回数である。第1の所定の期間及び第1の所定の回数は、それぞれ各軽故障の項目ごとに異なる値を設定してもよい。同一内容の異常が第1の所定の期間に第1の所定の回数発生した場合は、制御装置36は人為的なメンテナンスが行われることにより異常がリセットさるまで燃料電池システム10の再起動を行わない制御をし、ユーザーに認識できるような表示装置(不図示)に向けて警報信号を送信して警報を発報させ、リセットされるまで再起動が行われないことをユーザーに知らせる(S9)。
On the other hand, if the abnormality is related to a predetermined minor failure, it is determined whether or not the abnormality having the same content has occurred for the first predetermined number of times during the first predetermined period (S5). Here, the first predetermined period is typically a period in which the abnormality is considered to be resolved at the latest if the abnormality that has occurred is a transient abnormality. In addition, the first predetermined number of times is typically the number of times that the abnormality is considered to be resolved by restarting the
他方、同一内容の異常が第1の所定の期間に第1の所定の回数発生していない場合は、あらかじめ定められた軽故障に関する異常のいずれかが第2の所定の期間に第2の所定の回数発生したか否かを判断する(S6)。ここで、第2の所定の期間は、典型的には、発生した異常が一過性の異常であれば他の部分に波及した異常も含めて遅くとも解消されていると考えられる期間である。また、第2の所定の回数は、典型的には、発生した異常が一過性の異常であれば他の部分に波及した異常も含めて燃料電池システム10の再起動を行うことで解消すると考えられる回数である。なお、第1の所定の期間及び第2の所定の期間は任意に設定してもよく、第1の所定の期間と第2の所定の期間とが同じ期間となってもよい。同様に、第1の所定の回数及び第2の所定の回数は任意に設定してもよく、第1の所定の回数と第2の所定の回数とが同じ回数となってもよい。典型的には、第2の所定の回数は第1の所定の回数よりも多い。
On the other hand, if an abnormality having the same content has not occurred for the first predetermined number of times during the first predetermined period, any of the abnormalities relating to a predetermined minor failure may occur during the second predetermined period. It is determined whether the number of times has occurred (S6). Here, the second predetermined period is typically a period that is considered to have been resolved at the latest, including an abnormality that has spread to other parts if the abnormality that has occurred is a transient abnormality. In addition, the second predetermined number of times is typically resolved by restarting the
あらかじめ定められた軽故障に関する異常のいずれかが第2の所定の期間に第2の所定の回数発生したか否かを判断する工程(S6)において、第2の所定の期間に第2の所定の回数発生した場合は、制御装置36は人為的なメンテナンスが行われることにより異常がリセットさるまで燃料電池システム10の再起動を行わない制御をし、ユーザーに認識できるような表示装置(不図示)に向けて警報信号を送信して警報を発報させ、リセットされるまで再起動が行われないことをユーザーに知らせる(S9)。他方、第2の所定の期間に第2の所定の回数発生していない場合は、制御装置36は燃料電池システム10を停止(S3)してから所定の時間が経過したか否かを判断する(S7)。ここで、所定の時間は、典型的には、燃料電池システム10を一旦停止した後に再起動が可能となる温度まで改質部21の温度が低下するのに要する時間である。なお、所定の時間が経過したか否かを判断することに代えて、改質部21の温度が所定の温度まで低下したか否かを判断するように構成してもよい。所定の温度は、典型的には、燃料電池システム10を一旦停止した後再起動が可能となる改質部21の温度である。
In the step (S6) of determining whether any of the abnormalities relating to the predetermined minor failure has occurred a second predetermined number of times during the second predetermined period, the second predetermined period is determined during the second predetermined period. When the number of occurrences has occurred, the
なお、燃料電池システム10を停止してから所定の時間が経過するまで(あるいは改質部21の温度が所定の温度に低下するまで)再起動を行わないのは、燃料電池システム10が、運転状態から一旦停止して次に起動するまでの時間が短いと、改質部21の温度が低下する前に改質部21等に封入されていた改質ガスgあるいは原料m1のガスがバーナー25bに導かれて燃焼処理されることにより改質部21の温度が定常運転時の温度を超えた高温になる場合があり、改質部21の温度が改質触媒21cの許容温度(例えば約800℃)を超えると改質触媒21cが劣化するため、このような不都合を回避するためである。
Note that the restart is not performed until a predetermined time has elapsed after the
燃料電池システム10を停止してから所定の時間が経過したか否か(又は改質部21の温度が所定の温度まで低下したか否か)を判断する工程(S7)において、所定の時間が経過していない場合(改質部21の温度が所定の温度まで低下していない場合)は、再びこの判断をする工程(S7)に戻る。他方、所定の時間が経過した場合(改質部21の温度が所定の温度まで低下した場合)は、燃料電池システム10の再起動を行う(S8)。再起動を行うと再び燃料電池システム10の起動状態(S1)となり、以後は上述したフローを繰り返す。なお、上述のフローにおいて、工程S5及び/又は工程S6を省略してもよい。また、上述のフローの工程S5の内容を、「同一内容の異常が第1の所定の期間に第1の所定の回数発生したか否かを判断する」ことに代えて、「同一内容の異常が第1の所定の回数連続して発生したか否かを判断する」こととしてもよい。あるいは両者を同時に判断しつつ、早く条件を満たした判断に従うこととしてもよい。ここで「所定の回数は」、第1の所定の回数と同様、典型的には、発生した異常が一過性の異常であればその異常が燃料電池システム10の再起動を行うことで解消すると考えられる回数であり、各軽故障の項目ごとに異なる回数を設定してもよい。このように、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム10は、異常が検出されたときにその異常が軽故障に関する異常であるか否かにかかわらず燃料電池システム10を停止するので安全性が向上する。また、検出された異常があらかじめ定められた軽故障に関する異常である場合に燃料電池システム10を再起動するので、再起動によって検出された異常が解消された場合にはメンテナンスを省略することができ、異常が解消されない場合には再び停止することとなって安全性が向上することとなる。
In the step (S7) of determining whether or not a predetermined time has elapsed since the
また、改質器20と燃料電池30とを備える燃料電池システム10においては、上記図3に示したような異常のうち複数の異常が同時に発生する場合もあり、異常の原因を特定するのが困難な場合がある。例えば、燃料電池30の発電電力(出力)が低下して一時的に改質器20の温度が低下し、この異常が他の異常を誘発する場合、異常の原因を特定するのが難しい。また、外乱の影響等により一時的に異常の状態を示す場合がある。本発明の実施の形態に係る燃料電池システム10は、異常が検出されたときにその異常の内容にかかわらず燃料電池システム10を停止するので、発生した異常に応じた停止処理を行わなくてもよく、制御が簡素化される。また、複数の異常が検出された場合であっても検出された異常が軽故障に関する異常であれば再起動されることとなり、発生した異常が一過性のものであって再起動により解消している場合は運転を継続することが可能になりメンテナンスを省略することができる。
Further, in the
以上の説明では、あらかじめ定められた軽故障に関する異常が図3に示す番号1〜4、11〜13、15、16に相当する異常であるとしたが、図3に示す番号1〜18に相当する異常を軽故障に関する異常としてあらかじめ定めてもよい。図3に示す番号1〜18に相当する異常のうち既に燃料電池システム10の作用の説明において説明した異常以外の異常を軽故障としてあらかじめ定めてもよいのは、本発明の発明者が見出した以下の知見によるものである。
In the above description, the abnormality related to the predetermined minor failure is assumed to be the abnormality corresponding to the numbers 1 to 4, 11 to 13, 15, and 16 shown in FIG. 3, but corresponds to the numbers 1 to 18 shown in FIG. The abnormality to be performed may be determined in advance as an abnormality relating to a minor failure. The inventors of the present invention have found that an abnormality other than the abnormality already described in the description of the operation of the
原料m1の導入量に関する異常(図3における番号5に相当)は、燃料ブロワ28の一時的な制御不良、あるいは流量計155Fの一時的な不具合により一時的に生じたことが考えられ、このような場合は次回起動時までに解消する可能性がある。改質用水sの導入量に関する異常(図3における番号6に相当)は、改質用水ポンプ26の一時的な制御不良(一過性のカジリなど)、あるいは圧力計196の一時的な不都合により一時的に生じたことが考えられ、このような場合は次回起動時までに解消する可能性がある。電気ヒータ13の温度に関する異常(図3における番号7に相当)は、低い電力負荷が予想に反して長時間続いたことなどが考えられ、このような場合は次回起動時までに解消する可能性がある。回収水タンク96内の回収水の水位が低下した異常(図3における番号8に相当)は、回収水管91A〜94Aの一時的な閉塞等が考えられ、このような場合は次回起動時までに解消する可能性がある。蓄熱水hの流量に関する異常(図3における番号9に相当)は、流量計183の一時的な不都合、あるいは蓄熱水ポンプ83の一過性のトラブルあるいは蓄熱水管84、85の一時的な閉塞等が考えられ、このような場合は次回起動時までに解消する可能性がある。選択酸化空気a1の導入量に関する異常(図3における番号10に相当)は、流量計154の一時的な不都合、あるいは空気ブロワの一過性のトラブルあるいは選択酸化空気管69の一時的な閉塞等が考えられ、このような場合は次回起動時までに解消する可能性がある。
The abnormality related to the amount of the raw material m1 introduced (corresponding to the number 5 in FIG. 3) may be temporarily caused by a temporary control failure of the
改質ガスgの圧力に関する異常(図3における番号14に相当)は、改質器20の一時的な制御逸脱あるいはバランスの崩れ、あるいは改質ガスgの流路の一時的な狭窄(例えば一過性の原因による燃料電池30のセルの内圧の増加)等が考えられ、このような場合は次回起動時までに解消する可能性がある。制御装置36の電源に関する異常(図3における番号17に相当)は、燃料電池30あるいは商用電源99の系統の一時的な異常や、燃料電池30の電圧の低下、又は燃料電池30のセルの電圧が著しく低下したときに発生する場合があり、これらが原因の場合は再起動することができるという知見を経験上得ている。商用電源99に関する異常(図3における番号18に相当)は、商用電源99の一時的な停電等で発生することが考えられ、このような場合は次回起動時までに解消する可能性がある。以上に示した軽故障に関する異常(図3に示す番号1〜18に相当する異常)は、すべてを軽故障に関する異常としてあらかじめ判断部36jに記憶させておいてもよく、いずれか1つ又は任意の2つ以上の異常を軽故障に関する異常としてあらかじめ判断部36jに記憶させておいてもよい。
An abnormality related to the pressure of the reformed gas g (corresponding to the number 14 in FIG. 3) is a temporary control deviation of the
他方、図3に示す番号21〜32に相当する異常は、以下に示す理由により軽故障に関する異常としてあらかじめ定めることを回避する(再起動(図4における工程S8)を行わないようにする)ことが好ましい。バーナー25bの火炎の不着火(図3における番号21に相当)は、可燃性である燃焼用燃料m2のガスが系外に排出されるおそれがあるため、再起動を行わないことが好ましい。改質部21の温度が所定の範囲を超えて上昇した異常(図3における番号22に相当)は、上述のように、燃料電池システム10の起動から発電に至るまでに改質器20の運転が安定しきれていない場合が多く重大な故障につながる可能性があるため、再起動を行わないことが好ましい。改質器20への原料m1又は改質ガスgの封入圧力に関する異常(図3における番号23に相当)は、配管系統あるいは関連機器におけるガス漏れが懸念されるため、再起動を行わないことが好ましい。回収水タンク96内の回収水の水位が高すぎる異常(図3における番号24に相当)は、市水補給用電磁弁(不図示)のシートリークが懸念されるため、再起動を行わないことが好ましい。
On the other hand, the abnormality corresponding to the
燃焼用燃料m2の導入量に関する異常(図3における番号25に相当)は、配管系統あるいは関連機器におけるガス漏れ、又はバーナー25bにおける異常燃焼が懸念されるため、再起動を行わないことが好ましい。燃焼用空気a2の導入量に関する異常(図3における番号26に相当)及び空気ブロワ29の出力に関する異常(図3における番号27に相当)は、配管系統あるいは関連機器における燃焼用空気a2の漏れ、又は空気ブロワ29の故障が懸念され、異常燃焼などを引き起こすおそれがあるため、再起動を行わないことが好ましい。酸化剤ガスtの導入量に関する異常(図3における番号28に相当)は、配管系統あるいは関連機器における燃焼用空気a2の漏れ、又は空気ブロワ29の故障が懸念され、異常燃焼を引き起こすおそれがあるため、再起動を行わないことが好ましい。燃料mの元圧に関する異常(図3における番号29に相当)は、燃料mの供給ラインの不調と考えられ、別個に解決しないと燃料電池システム10の運転を再開することが難しいと考えられるため、再起動を行わないことが好ましい。
It is preferable not to restart the abnormality related to the introduction amount of the combustion fuel m2 (corresponding to the
燃料電池30の筐体内における可燃性ガスの存在を検出したとき(図3における番号30に相当)は、可燃性ガスが漏洩している可能性が高く、再起動を行わないことが好ましい。燃料電池30の筐体内の温度に関する異常(図3における番号31に相当)は、放置すれば発火を招く可能性があるため再起動を行わないことが好ましい。制御装置36の異常(図3における番号32に相当)は、燃料電池システム10の適切な運転が継続できない可能性が高く、再起動を行わないことが好ましい。以上に示した、図3に示す番号21〜32に相当する異常を検出したときは、典型的には燃料電池システム10の再起動をせずに、警報を発する(図4の工程S9)こととなる。
When the presence of the combustible gas in the casing of the
以上の説明では、燃料電池30が固体高分子形燃料電池であるとして説明したが、りん酸形燃料電池等の固体高分子形燃料電池以外の燃料電池であってもよい。しかしながら、固体高分子形燃料電池とすると、比較的低温で運転することができ、装置を小型化できるので、一般家庭等に設置するのに適している。
In the above description, the
10 燃料電池システム
20 改質器
30 燃料電池
30E 出力計
36 制御装置
34 パワーコンディショナ
25b バーナー
99 商用電源
125 火炎検出器
g 改質ガス
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記燃料電池システムの異常を検出する異常検出手段と;
前記異常が検出されたときに前記燃料電池システムを停止すると共に、検出された前記異常があらかじめ定められた軽故障に関する異常である場合に、前記燃料電池システムを再起動する制御装置とを備える;
燃料電池システム。 A fuel cell system comprising a reformer that generates a reformed gas containing hydrogen, and a fuel cell that generates electricity by introducing the reformed gas;
An abnormality detecting means for detecting an abnormality of the fuel cell system;
A control device that stops the fuel cell system when the abnormality is detected, and that restarts the fuel cell system when the detected abnormality is an abnormality related to a predetermined minor failure;
Fuel cell system.
請求項1に記載の燃料電池システム。 The abnormality related to the minor failure is at least one of an abnormality related to a temperature distribution within a predetermined range in the reformer, an abnormality related to cooling water for cooling the fuel cell, and an abnormality related to a value of electric power generated by the fuel cell. Set to include one;
The fuel cell system according to claim 1.
前記異常検出手段が、前記軽故障に関する異常を検出する、前記改質器におけるバーナーの失火を検出する失火検出手段と、前記パワーコンディショナに通電する電流の過電流を検出する過電流検出器とを有する;
請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。 A power conditioner that converts DC power generated by the fuel cell into AC power and transmits the AC power to a power load, comprising a power conditioner linked to a commercial power source;
The abnormality detection means detects an abnormality related to the minor fault, detects a misfire of a burner in the reformer, and an overcurrent detector detects an overcurrent of a current flowing through the power conditioner. Having:
The fuel cell system according to claim 1 or 2.
請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The control device is configured not to restart the fuel cell system when the abnormality detection unit detects an abnormality related to the minor failure having the same content for a first predetermined number of times in a first predetermined period. Was;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3.
請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The control device is configured not to restart the fuel cell system when the abnormality detecting means continuously detects an abnormality related to the minor failure having the same content for a predetermined number of times;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3.
請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The control device is configured not to restart the fuel cell system when the abnormality detection means detects an abnormality relating to the minor failure for a second predetermined number of times in a second predetermined period;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5.
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