JP2013186940A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】発電時間と通電時間との間で乖離が生じた場合であっても、メンテナンス回数の増加を抑え、メンテナンスコストを低減可能な燃料電池システムの実現が望まれる。
【解決手段】燃料電池システムＳの通電時間Ｔｂを記憶する通電時間記憶手段１３と、燃料電池システムＳの稼働時間Ｔａを記憶する稼働時間記憶手段１２と、燃料電池システムＳが発電していない間に通電された時間である過通電時間Ｔｘを求める過通電時間算出手段２２と、通電時間Ｔｂから過通電時間Ｔｘを減算する通電時間リセット処理を実行するリセット手段２３と、を備え、過通電時間算出手段２２が、過通電時間Ｔｘとして、稼働時間Ｔａに対し通電時間Ｔｂが超過した時間を求め、リセット手段２３が、過通電時間Ｔｘが予め定められた設定値を越える場合に、通電時間リセット処理を実行する。
【選択図】図１

Description

本発明は、通電時間に応じて劣化する第１機器と、稼働時間に応じて劣化する第２機器とを備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池システムのメンテナンスに関する技術として、例えば下記の特許文献１には、燃料電池システムが備える脱硫剤の交換時期を、発電量、排熱回収量、燃料使用量などのシステム情報に基づいて適切に表示することが開示されている。

しかし、特許文献１では、燃料電池システムの発電時間（稼働時間）に応じて劣化する脱硫剤のみに着目しており、例えば、燃料電池システムに備えられたガスセンサのように、通電時間に応じて劣化する機器のメンテナンスに関しては、何ら記載されていない。そのため、当然ながら、稼働時間に応じて劣化する機器や、通電時間に応じて劣化する機器といったように、劣化する条件が異なる複数の機器を備える燃料電池システムを対象とする場合、その適切なメンテナンスに関しては何ら開示がないと言える。

特開２００４−３６２８５６号公報

ここで、劣化する条件が異なる複数の機器を備える燃料電池システムにおける、通常のメンテナンス時期について説明する。通常、複数の機器を備えた燃料電池システムは、設置時に通電させると同時に、稼動させ始めることを想定として、各機器の交換時期がなるべく重なるように設計されている。

図５に、劣化する条件が異なる複数の機器として、発電時間に応じて劣化するフィルタ及び通電時間に応じて劣化するセンサを備えた燃料電池システムのメンテナンス時期の一例を示す。図５の横軸は、燃料電池システムを設置してからの経過時間を示す。また、最上段の丸印は、燃料電池システムをメンテナンス時期を、２段目の三角印は、フィルタの交換時期を、３段目の三角印は、ガスセンサの交換時期を示す。（なお、ここでは、フィルタの発電時間は直接的には分からないため、システムの稼働時間を発電時間とみなし、稼働時間によりフィルタの交換時期を判断している）。図示するように、フィルタ及びセンサの交換時期が重なるように燃料電池システムを設計することで、燃料電池システムのメンテナンス回数の増加を抑えることができる。この例では、燃料電池システムのメンテナンス回数が、センサよりも交換頻度の高いフィルタの交換回数（４回）よりも増えないようになっている。

しかしながら、このようにメンテナンス回数の増加を抑えるように設計された燃料電池システムであっても、発電時間と通電時間との間に乖離が生じた場合には、機器の交換時期がずれ、メンテナンス回数が増大してしまう。

例えば、集合住宅に燃料電池システムが設置された場合、一般に住宅の完成と入居者が入居するまでの間に空白期間があるため、住宅の完成とともに設置された燃料電池システムは、入居者の入居に合わせて発電されるまでの間、通電のみし続けることになる。図６に、このような場合において、図５と同様の燃料電池システムを用いたときのメンテナンス時期を示す。図示するように、フィルタとガスセンサとの交換時期が異なってしまうため、燃料電池システムのメンテナンス回数が、本来は４回で済むところが６回に増加してしまう。

この例の他にも、メンテナンスの際に、何らかの理由でシステムが止まってしまった場合にも、発電時間と通電時間との間で乖離が生じ得る。

そこで、発電時間と通電時間との間で乖離が生じた場合であっても、メンテナンス回数の増加を抑え、メンテナンスコストを低減可能な燃料電池システムの実現が望まれる。

本発明に係る燃料電池システムの特徴構成は、通電時間に応じて劣化する第１機器と、稼働時間に応じて劣化する第２機器とを備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムの通電時間を記憶する通電時間記憶手段と、
前記燃料電池システムの稼働時間を記憶する稼働時間記憶手段と、
前記燃料電池システムが発電していない間に通電された時間である過通電時間を求める過通電時間算出手段と、
前記通電時間から前記過通電時間を減算する通電時間リセット処理を実行するリセット手段と、を備え、
前記過通電時間算出手段が、前記過通電時間として、前記稼働時間に対し前記通電時間が超過した時間を求め、
前記リセット手段が、前記過通電時間が予め定められた設定値を越える場合に、前記通電時間リセット処理を実行する点にある。

この特徴構成によれば、燃料電池システムが発電していない間に通電のみが起きた場合には、その差分である過通電時間の分だけリセット手段によって、通電時間記憶手段が記憶する通電時間が修正される。よって、稼動開始時期と通電開始時期との間に乖離が生じた場合でも、リセット手段により修正された通電時間をもとに第一機器の交換時期が判断されるので、燃料電池システムの設計時どおりのメンテナンス時期にシステムのメンテナンスを行うことができる。すなわち、メンテナンス回数の増加を抑え、メンテナンスコストを低減可能な燃料電池システムの実現ができる。

ここで、前記過通電時間の積算値である過通電量を記憶する過通電量記憶手段を備え、
前記リセット手段が、前記過通電量が前記第１機器の動作保証期間のマージンを越える場合には、前記通電時間リセット処理を停止すると好適である。

この構成によれば、過通電量が動作保証期間のマージンを越えた場合には、リセット処理を行わないため、リセット処理により第一機器を動作保証期間を超えて使用されてしまう可能性を低く抑えることができる。

また、前記リセット手段が、前記通電時間リセット処理を燃料電池システムの稼動開始時に行うと好適である。

この構成によれば、燃料電池システムの稼動開始前に通電していた場合であっても、メンテナンス回数の増加を抑えることができる。

また、前記リセット手段が、前記通電時間リセット処理を燃料電池システムの稼動開始後に逐次行うと好適である。

この構成によれば、燃料電池システムの稼動開始後に、何らかの理由でシステムが止まってしまい、発電時間と通電時間とに乖離が生じた場合であっても、メンテナンス回数の増加を抑えることができる。

また、発電電力の積算値である発電電力量を記憶する発電電力量記憶手段と、
前記発電電力量の変化を監視する発電電力量監視手段と、を備え、
前記過通電時間算出手段が、前記発電電力量監視手段により前記発電電力量に変化がないと判断した時間を、前記過通電時間として求めると好適である。

この構成によれば、何らかの理由で、システムが稼動しているものの、発電がされていないような場合であっても、過通電時間算出手段により発電していない間に通電された時間を求めることができる。

本願発明に係る燃料電池システムのブロック図 本願発明に係る燃料電池システムのメンテナンス時期を示す図 本願発明に係る燃料電池システムのメンテナンス時期を示す図 本願発明に係る燃料電池システムの制御に関するフローチャート図 従来の燃料電池システムにおけるメンテナンス時期を示す図 従来の燃料電池システムにおけるメンテナンス時期を示す図

１．システム概要
以下では、本願発明に係る燃料電池システムＳを説明する。燃料電池システムＳは、通電時間Ｔｂに応じて劣化する第１機器Ｉ１と、稼働時間Ｔａに応じて劣化する第２機器Ｉ２とを備えている。本実施形態においては、燃料電池システムＳは、第１機器Ｉ１としてガスセンサを、第２機器Ｉ２としてフィルタを備えている。このため、燃料電池システムＳは、稼働時間Ｔａ及び通電時間Ｔｂに基づいて、第１機器Ｉ１及び第２機器Ｉ２の交換時期を判断するように構成されている。

また、燃料電池システムＳは、燃料電池システムＳに備えられた各機器の動作を制御する制御手段１を備える。制御手段１は、マイクロプロセッサ及び半導体メモリを含むマイクロコンピュータを主要な機器として構築される。この他に、燃料電池システムＳは、特定の条件下で、燃料電池システムＳの外部に警報を発する警報手段２、及び燃料電池システムＳの動作を強制的に停止させる動作停止手段３を備えている。

２．制御手段
２−１．過通電時間の算出
以下では、燃料電池システムＳが備える制御手段１の内部構成について詳細に説明する。制御手段１は、燃料電池システムＳの通電時間Ｔｂを記憶する通電時間記憶手段１３と、燃料電池システムＳの稼働時間Ｔａを記憶する稼働時間記憶手段１２とを備えている。ここで、稼動は、燃料電池システムＳの各種機器を動作させている状態をいい、通電は、各種機器を動作させていないものの通電のみしている状態をいう。なお、稼動している場合には、正常時には発電を伴うが、稼動している場合でも何らかの異常により発電していない場合もあり得るため、稼働時間と発電時間は必ずしも対応するとは限らない。

また、制御手段１は、燃料電池システムＳが発電した電力の積算値である発電電力量を記憶する発電電力量記憶手段１１と、発電電力量記憶手段１１に記憶された発電電力量の変化を監視する発電電力量監視手段２１と、を備えている。発電電力量監視手段２１は、発電電力量記憶手段１１に記憶された発電電力量の増加具合を監視し、燃料電池システムＳが正常に発電しているか否かを判断するように構成されている。具体的には、発電電力量記憶手段１１に記憶された発電電力量の単位時間当たりの変化量を求め、当該変化量が予め定められた設定値よりも多いか否かを調べるように構成されている。ここで、設定値としては、変化量が設定値よりも多ければ、燃料電池システムＳは正常に発電しているとみなせ、逆に、設定値よりも少なければ、発電電力が変化しておらず、燃料電池システムＳは正常に発電していないとみなせる程度に小さな値を設定すると良い。

さらに、制御手段１は、燃料電池システムＳが発電していない間に通電された時間である過通電時間Ｔｘを求める過通電時間算出手段２２を備えている。実施形態における過通電時間算出手段２２は、以下に述べる２種類の算出方法で過通電時間Ｔｘを求めるように構成されている。

１つ目の算出方法では、過通電時間算出手段２２は、過通電時間Ｔｘとして、稼働時間Ｔａに対し通電時間Ｔｂが超過した時間を求める。すなわち、過通電時間算出手段２２は、通電時間記憶手段１３に記憶された通電時間Ｔｂと稼働時間記憶手段１２に記憶された稼働時間Ｔａとの差を、過通電時間Ｔｘとする。具体的には、過通電時間Ｔｘは
Ｔｘ＝｜Ｔｂ−Ｔａ｜
として求める。ただし、稼働時間Ｔａが通電時間Ｔｂより大きな場合には、燃料電池システムＳに何らかの不具合が発生していると考えられるので過通電時間Ｔｘは求めない。

２つ目の算出方法では、過通電時間算出手段２２は、発電電力量監視手段２１により発電電力量に変化がないと判断されてからの経過時間を、過通電時間Ｔｘとして求める。本実施形態においては、過通電時間算出手段２２が、発電電力量監視手段２１から発電電力量に変化がないとの判断を受け始めてからの経過時間を計測するカウンタを備え、当該カウンタの値を過通電時間Ｔｘとする。

なお、２つ目の算出方法に関しては、上述のカウンタを、発電電力量監視手段２１が備え、当該カウンタの値を過通電時間算出手段２２に出力するように構成されていても構わない。この場合には、過通電時間算出手段２２は、発電電力量監視手段２１により出力されたカウンタの値を、そのまま過通電時間Ｔｘとして用いる。

２−２．過通電時間の利用
さらに、制御手段１は、通電時間記憶手段１３に記憶されている通電時間Ｔｂから、過通電時間算出手段２２で求められた過通電時間Ｔｘを減算する通電時間リセット処理を実行するリセット手段２３を備えている。すなわち、リセット手段２３は、通電時間記憶手段１３に記憶された通電時間Ｔｂの値を書き換えるように構成されている。具体的には、リセット手段２３は、先に求めた過通電時間Ｔｘを用いて
Ｔｂ＝Ｔｂ−Ｔｘ
として新たな通電時間Ｔｂを求める。この通電時間リセット処理により、第１機器Ｉ１の交換時期と第２機器Ｉ２の交換時期とが異なることを抑えることができる。なお、リセット手段２３は、過通電時間Ｔｘが予め定められた設定値Ｘを越える場合に、通電時間リセット処理を実行する。ここで、リセット手段２３が用いる設定値Ｘとしては、第１機器Ｉ１の動作保証期間のマージンよりも小さい値とすると良い。

また、制御手段１は、過通電時間Ｔｘの積算値である過通電量ΣＴｘを記憶する過通電量記憶手段１４を備えている。すなわち、過通電量記憶手段１４は、燃料電池システムＳにおいて、現在までにリセット手段２３により減算された通電時間Ｔｂの合計が分かるように構成されている。本実施形態では、過通電量記憶手段１４は、過通電時間算出手段２２で求められ、リセット手段２３による通電時間リセット処理に用いられた過通電時間Ｔｘの積算値を、過通電量ΣＴｘとして記憶するように構成されている。

そして、リセット手段２３が、過通電量ΣＴｘが第１機器Ｉ１の動作保証期間のマージンを越える場合には、通電時間リセット処理を停止するこのような構成により、第１機器Ｉ１が動作保証期間を越えて使用されることを防ぐことができる。

ここで、リセット手段２３は、通電時間リセット処理を燃料電池システムＳの稼動開始時に行う構成とすると良い。図２に、燃料電池システムＳの稼動開始時に通電時間リセット処理を行う場合の一例を示す。図２は、図５及び図６と同様の条件下において、燃料電池システムＳを用いた場合のメンテナンス時期を示している。この図の例では、燃料電池システムＳの通電から稼動までの間に空白期間があり過通電時間Ｔｘが生じている。ここで、本実施形態に係る燃料電池システムＳは、稼動開始時にリセット手段２３の通電時間リセット処理を行う。すなわち、第１機器Ｉ１の通電時間Ｔｂから過通電時間Ｔｘを減算する。具体的には、
Ｔｂ＝Ｔｂ−Ｔｘ
として通電時間Ｔｂを求める。

燃料電池システムＳの稼動開始時に通電時間リセット処理を行う場合には、過通電時間Ｔｘは通電時間Ｔｂに等しいため、通電時間記憶手段１３に記憶された第１機器Ｉ１の通電時間Ｔｂは、０となる。すなわち、燃料電池システムＳの開始時点においては、稼働時間Ｔａと通電時間Ｔｂとの両方が０となる。よって、図５に示すような理想的な時期にメンテナンスを行うことができる。ただし、稼動開始時点で過通電時間Ｔｘが第１機器Ｉ１の動作保証期間のマージンを越えていた場合には、リセット手段２３は通電時間リセット処理を行わない。

また、リセット手段２３は、通電時間リセット処理を燃料電池システムＳの稼動開始後に逐次行う構成としても良い。図３に、燃料電池システムＳの稼動開始後に通電時間リセット処理を行う場合の一例を示す。図３は、図２に示す燃料電池システムＳの１回目のメンテナンス時に、何らかの理由で稼動を停止してしまった状況を表している。このため、稼働時間Ｔａは、フィルタの交換時点でカウントを停止し、メンテナンス後には通電時間Ｔｂのみがカウントされる。すなわち、稼動せずに通電のみが行われる過通電時間Ｔｘが生じる。

このような状況において、本実施形態に係る燃料電池システムＳは、過通電時間Ｔｘが予め定められた設定値を越えた時点で、リセット手段２３が通電時間リセット処理を行う。すなわち、
Ｔｂ＝Ｔｂ−Ｔｘ
として通電時間Ｔｂを求める。なお、図２の場合と異なり、通電時間Ｔｂと過通電時間Ｔｘとは必ずしも等しくないため、通電時間Ｔｂが０となるとは限らない。しかしながら、稼働時間Ｔａは過通電時間Ｔｘの間はカウントされておらず、通電時間リセット処理により、通電時間Ｔｂにおいて過通電時間Ｔｘをなかったものとみなせるので、実質的に、稼動も発電もしない過通電時間Ｔｘの長さの空白期間が生じるのみとなる。よって、通電時間リセット処理後に再度、燃料電池システムＳを稼動させれば、稼働時間記憶手段１２に記憶された稼働時間Ｔａと、通電時間記憶手段１３に記憶された通電時間Ｔｂと間に乖離は生じることなく、理想的な時期にメンテナンスを行うことができる。

なお、燃料電池システムＳの稼動開始後に、何らかの理由で複数回にわたって過通電時間Ｔｘが生じた場合には、過通電時間Ｔｘの積算値である過通電量ΣＴｘが第１機器Ｉ１の動作保証期間のマージンを越えない場合に限り、リセット手段２３は動作する。過通電量ΣＴｘが第１機器Ｉ１の動作保証期間のマージンを越えた場合には、リセット手段２３は通電時間リセット処理を行わない。

なお、本実施形態においては、過通電量ΣＴｘが第１機器Ｉ１の動作保証期間のマージンを越えた場合には、警報手段２により、外部に警報を発する、または動作停止手段３により燃料電池システムＳを強制停止するように構成されている。このような構成により、第１機器Ｉ１が徒に使用されることを抑制し、第１機器Ｉ１の交換時期と第２機器Ｉ２の交換時期とがずれることを抑制することができる。

２−３．制御フロー
最後に、本実施形態における制御手段１の制御のフローを説明する。まず、制御手段１は、過通電量ΣＴｘを求めるために必要なシステム情報をチェックする（ステップ＃１）。具体的には、発電電力量記憶手段１１及び発電電力量監視手段２１により発電電力量の変化状況をチェックする。すなわち、単位時間当たりの発電電力量の変化量が設定値より大きいか否かを調べ、燃料電池システムＳが正常に発電しているかを判断する。また、稼働時間記憶手段１２に記憶された稼働時間Ｔａ及び通電時間記憶手段１３に記憶された通電時間Ｔｂをチェックする。

次に、制御手段１は、過通電時間算出手段２２により、燃料電池システムＳが正常に発電していない場合には、発電していないと判断されてからの経過時間を、過通電時間Ｔｘとして求める。もしくは、通電時間Ｔｂが稼働時間Ｔａより大きい場合には、稼働時間Ｔａから通電時間Ｔｂを引いた値を過通電時間Ｔｘとして求める（ステップ＃２）。

ここで、制御手段１は、過通電時間Ｔｘが設定値Ｘより大きいか否かを判定する（ステップ＃３）。過通電時間Ｔｘが設定値Ｘより小さな場合（ステップ＃３：Ｎｏ）には、ステップ＃１に戻る。

過通電時間Ｔｘが設定値Ｘより大きな場合（ステップ＃３：Ｙｅｓ）には、過通電時間Ｔｘを過通電量記憶手段１４に出力し、過通電量記憶手段１４により過通電量ΣＴｘを算出する（ステップ＃４）。

ここで、過通電量ΣＴｘが第１機器Ｉ１のマージンより大きいか否かを判定する（ステップ＃５）。過通電量ΣＴｘが第１機器Ｉ１のマージンより小さい場合（ステップ＃５：Ｎｏ）には、リセット手段２３の通電時間リセット処理を行い（ステップ＃６）、ステップ＃１に戻る。

一方、過通電量ΣＴｘが第１機器Ｉ１のマージンより大きい場合（ステップ＃５：Ｙｅｓ）には、リセット手段２３の通電リセット処理を停止する。本実施形態においては、この場合には、警報手段２または動作停止手段３を動作させる。

以上のような構成により、本願発明に係る燃料電池システムＳは、第１機器Ｉ１及び第２機器Ｉ２といった劣化条件の異なる複数の機器を備えながらも、第１機器Ｉ１及び第２機器Ｉ２の交換に係るメンテナンスコストの増大を抑制することができる。

３．その他の実施形態
（１）上記実施形態においては、リセット手段２３が通電時間リセット処理を燃料電池システムＳの稼動開始時と稼動開始後との両方で実行するように構成される場合の一例を示した。しかし、本発明は上記実施形態に限らない。すなわち、リセット手段２３が通電時間リセット処理を燃料電池システムＳの稼動開始時と稼動開始後とのいずれか一方でのみ実行するように構成しても構わない。

（２）上記実施形態においては、過通電時間算出手段２２が、発電電力量記憶手段１１に記憶された発電電力量に基づいて過通電時間Ｔｘを求めるとともに、稼働時間記憶手段１２に記憶された稼働時間Ｔａ及び通電時間記憶手段１３に記憶された通電時間Ｔｂに基づいて過通電時間Ｔｘを求める場合の一例を示した。しかし、本発明は上記実施形態に限らない。すなわち、過通電時間算出手段２２が、稼働時間Ｔａ及び通電時間Ｔｂに基づいてのみ過通電時間Ｔｘを求める構成としても構わない。

通電時間に応じて劣化する第１機器と、稼働時間に応じて劣化する第２機器とを備えた燃料電池システムとして利用可能である。

１ ：制御手段
２ ：警報手段
３ ：動作停止手段
１１ ：発電電力量記憶手段
１２ ：稼働時間記憶手段
１３ ：通電時間記憶手段
１４ ：過通電量記憶手段
２１ ：発電電力量監視手段
２２ ：過通電時間算出手段
２３ ：リセット手段
Ｉ１ ：第１機器
Ｉ２ ：第２機器
Ｓ ：燃料電池システム
Ｔａ ：稼働時間
Ｔｂ ：通電時間
Ｔｘ ：過通電時間
Ｘ ：設定値
ΣＴｘ ：過通電量

Claims (5)

1. 通電時間に応じて劣化する第１機器と、稼働時間に応じて劣化する第２機器とを備えた燃料電池システムであって、
   前記燃料電池システムの通電時間を記憶する通電時間記憶手段と、
   前記燃料電池システムの稼働時間を記憶する稼働時間記憶手段と、
   前記燃料電池システムが発電していない間に通電された時間である過通電時間を求める過通電時間算出手段と、
   前記通電時間から前記過通電時間を減算する通電時間リセット処理を実行するリセット手段と、を備え、
   前記過通電時間算出手段が、前記過通電時間として、前記稼働時間に対し前記通電時間が超過した時間を求め、
   前記リセット手段が、前記過通電時間が予め定められた設定値を越える場合に、前記通電時間リセット処理を実行する燃料電池システム。
2. 前記過通電時間の積算値である過通電量を記憶する過通電量記憶手段を備え、
   前記リセット手段が、前記過通電量が前記第１機器の動作保証期間のマージンを越える場合には、前記通電時間リセット処理を停止する請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記リセット手段が、前記通電時間リセット処理を燃料電池システムの稼動開始時に行う請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記リセット手段が、前記通電時間リセット処理を燃料電池システムの稼動開始後に逐次行う請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
5. 発電電力の積算値である発電電力量を記憶する発電電力量記憶手段と、
   前記発電電力量の変化を監視する発電電力量監視手段と、を備え、
   前記過通電時間算出手段が、前記発電電力量監視手段により前記発電電力量に変化がないと判断した時間を、前記過通電時間として求める請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

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