JP2013218811A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】過度なストレスをかけることなく、システムの安全性を向上させる。
【解決手段】第１制御器３１が状態検知器２１または異常検知器２２のどちらか一方から送信された信号に基づいて異常と判断した場合は燃料電池システムを保護する保護プログラムが含まれる通常停止処理を実行させ、第２制御器３２が異常検知器から送信された信号に基づいて異常と判断した場合は保護プログラムが含まれていない緊急停止処理を実行させることで、異常発生時にシステムに過度なストレスをかけることなく、かつシステムの安全性を向上させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、通常停止処理および緊急停止処理を実行する燃料電池システムに関するものである。

高効率な小規模発電が可能である燃料電池システムは、電力を消費する場所の近くで発電を行うため発電所からの送電ロスがなく、かつ発電の際に発生する熱を排熱回収し貯湯タンクに蓄え熱エネルギーとして利用するため、高いエネルギー利用効率を実現した発電システムとして実用化段階に入っており、さらに普及段階に近づきつつある。

燃料電池発電システムの主要構成部品は、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池、炭化水素を含む原料ガスと水とを改質反応させて燃料ガスを生成する水素生成器、燃料電池で発電した直流電力を系統に連系可能な交流電力に変換するインバータなどである。

燃料電池発電システムは、燃料電池に燃料ガスと、酸化剤ガスを供給し、供給されたガスが燃料電池で化学反応することで発電し、直流電力が出力される。出力された直流電力は、インバータにより交流電力に変換され、家庭内のエアコン、冷蔵後、蛍光灯といった家庭内の負荷で消費される。

このとき、燃料電池システムが発電する電力量はシステムの製品仕様によって様々な方法で設定されており、例えば、家庭内の電力使用量を計測し、その使用量に合わせて発電電力量を決定したり、利用者が設定した発電電力で発電したりする方法などがある。いずれの方法においても、目標として決定した発電電力が出力できるように、燃料電池本体に供給する燃料ガスと、酸化剤ガスの供給量を調整し運転を行っている。

このような制御を行うためには、燃料電池に供給される酸化剤ガスの供給量や、水素生成器で作られる燃料ガスの生成量の調整が必要であり、水素生成器に投入するガスの供給量を調整するポンプやその量を計測するガス流量計、燃料電池に酸化剤ガスを投入するためのポンプ、排熱回収の経路の温度を計測するサーミスタなど、多数のアクチュエータやセンサが燃料電池システム内には内蔵されている。

また、水素ガスを生成する水素生成器で、発電に使うことが出来る高濃度水素ガスを生成するには、水素生成器の温度を６００℃〜９００℃まで上昇させる必要である。

これは、燃料ガスの原料となるガスは、都市ガスやＬＰガスといった炭化水素系ガスであり、この原料ガスを水蒸気改質反応により水素を生成する際、改質反応を進めるための改質熱や水や原料ガスを蒸発させるための蒸発熱が必要なためである。水蒸気改質の際に必要な温度はガスの種類によって異なるが、例えば都市ガスの主成分であるメタンの水蒸気改質には６００℃〜９００℃程度の熱が必要である。

このとき水素生成器の温度を上昇させる手段として、燃焼器でガスを燃焼させたり、ヒータで水素生成器の温度を上げたりする方法を用いることが多い。またこれらの部品により発生した熱は、熱電対やサーミスタといった温度センサで計測されている。

このように、燃料電池システムの内部には、万が一電子部品の故障や制御マイコンの暴走などが発生した場合、システム内部の部品が熱により変形を引き起こすようなヒータや
燃焼器なども多数存在しており、これらの状態を監視するセンサ系も含めて、いかに安全なシステムを構築するかが重要である。

加えて、燃料電池システム内部の水素生成器は、発電終了後、システム内に残っているガスを原料ガスや窒素などでパージしなければ製品の劣化のスピードを早め、システムの寿命が短くなるため、できるだけ、停止処理は所定のシーケンスでシステムを保護するように行う必要がある。

例えば、燃料電池に過度のストレスを与えずに停止処理を行う方法として、水素生成器（水素生成器へのガス供給や水供給などを行う補機も含む）、燃料電池（燃料電池へのガス供給や水供給などを行う補機も含む）、燃料電池で発電した直流電力を交流電力に変換するインバータのうちの一つまたは二つを制御する副制御手段と、燃料電池システム全体の動作（起動、発電、停止）を制御する主制御手段との間で通信をしながら運転を行う燃料電池システムが記載されている。

図５に示すように、この燃料電池システムにおいて、主制御手段と副制御手段との通信に異常が発生した場合、主制御手段は、水素生成器と燃料電池スタックのうちの副制御手段の制御対象となっている機器に対して機器の保護を優先した通常の停止処理を開始する。そして、機器の保護を優先する通常の停止処理が完了する前であって通常の停止処理を開始してから所定時間経過するまでに副制御手段との通信が復活しなければ、主制御手段は機器の保護よりも機器の動作停止を優先した異常停止処理に切り換えて副制御手段の制御対象となっている機器を停止させる。一方、通常の停止処理を開始してから所定時間経過するまでに副制御手段との通信が復活すれば、通常の停止処理での停止動作を継続する燃料電池システムが考えられている（例えば、特許文献１参照）。

このような構成にすることにより、主制御手段と副制御手段との間で一時的な通信異常が発生した場合に、機器の保護（劣化防止）を優先した停止処理を実施する頻度を多くすることができ、逆に、水素生成器や燃料電池スタックといった重要な制御装置の劣化に影響のある異常停止処理を実施する頻度を少なく出来るので、燃料電池システムの耐久性能を向上できる。

特開２０１１−１６５５９３号公報

しかしながら、従来の構成では、燃料電池システム全体の動作を制御する主制御手段と、主制御手段からの指示に基づいて燃料電池システム内の補機の動作を制御する副制御手段を備えるような燃料電池システムであって、主制御手段と副制御手段の間で一時的に通信異常が発生した後、所定の時間経過後に通信が正常状態に戻っていれば、主制御手段は機器を保護するような通常の停止処理を行い、異常状態を継続していれば主制御手段は、機器の動作を強制的に停止する制御を行う。

いずれの場合においても、従来の構成では、機器を通常の停止処理を行うか、機器の動作を強制的に停止させるかを判断するのは、主制御手段である。よって、主制御手段がノイズによる誤動作や電源電圧の低下などで制御不能な状態になると、副制御手段から異常状態のセンサ信号を送信しても、燃料電池システムを通常の停止処理、強制的な停止処理のいずれも行うことができないという課題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、第１制御器が正常に動作している状況下においては、燃料電池システム内で発生した異常状態を第１制御器で検出し、燃料電池システムを保護するような通常の停止処理を行い、第１制御器が故障などにより制御不能な状態に陥っている場合は、第２制御器が単独で燃料電池システムを強制的に停止するような制御を行うことで、安全性能を高めた燃料電池システムを提供することである。

従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池を備えている燃料電池システムであって、燃料電池システムの異常を検知する異常検知器と、燃料電池システムの状態を検知する状態検知器と、燃料電池システムの起動および停止を制御するとともに、状態検知器が検知した信号を受信する第１制御器と、第１制御器と情報を送受信するとともに異常検知器が検知した信号を受信する第２制御器と、を備えており、第１制御器が、状態検知器が検知した情報および第２制御器から送信されてくる異常検知器が検知した情報のうちの少なくとも一方から送信された情報に基づいて異常と判断した場合は燃料電池システムを保護する保護プログラムが含まれる通常停止処理を実行させ、第２制御器が異常検知器から送信された信号に基づいて異常と判断した場合は保護プログラムが含まれていない緊急停止処理を実行させるものである。

これによって、異常検知器が検知した信号を第２制御器を介して受信する第１制御器に不具合が発生し異常検知器で燃料電池システム内の異常を検出したことを検知できなかった場合でも、第２制御器が自ら異常検知器からの情報に基づいて燃料電池システムの異常状態を検知し、第２制御器から制御可能なアクチュエータの制御を行うことで緊急停止処理を実行することができる。

本発明の燃料電池システムは、システム内で異常が発生した場合、第１制御器が異常検知器から送信された信号に基づいて異常と判断した場合は燃料電池システムを保護する保護プログラムが含まれる通常停止処理を実行させ、一方、第１制御器がノイズによる誤動作や電源電圧の低下などで制御不能な状態になり、通常停止処理が働かなかった場合は、第２制御器が異常検知器から送信された信号に基づいて、緊急停止処理を実行しシステムを停止させることで、安全性を向上させた燃料電池システムを安価に提供することができる。

本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの構成図 同燃料電池システムの異常発生時のフロー図 同燃料電池システムの構成図 同燃料電池システムの温度計測器の温度推移と、異常判定のレベルについて表した図 従来構成の燃料電池発電システムの通信異常発生時のフローチャート

第１の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池を備えている燃料電池システムであって、燃料電池システムの異常を検知する異常検知器と、燃料電池システムの状態を検知する状態検知器と、燃料電池システムの起動および停止を制御するとともに、状態検知器が検知した信号を受信する第１制御器と、第１制御器と情報を送受信するとともに異常検知器が検知した信号を受信する第２制御器と、を備えており、第１制御器が、状態検知器が検知した情報および第２制御器から送信されてくる異常検知器が検知した情報のうちの少なくとも一方から送信された情報に基づいて異常と判断した場合は
燃料電池システムを保護する保護プログラムが含まれる通常停止処理を実行させ、第２制御器が異常検知器から送信された信号に基づいて異常と判断した場合は保護プログラムが含まれていない緊急停止処理を実行させる、燃料電池システムである。

上記構成、動作によると、システム内で異常が発生した場合、例えば、改質反応を進めるための改質熱や水や原料ガスを蒸発させるための蒸発熱を得るために水素生成器を昇温する際に、水素生成器の温度が高くなりすぎた場合、第１制御器が異常検知器から送信された信号に基づいて異常と判断した場合は燃料電池システムを保護する保護プログラムが含まれる通常停止処理を実行させる。このように、第１制御器が正常に動作している場合は、第１制御器で機器内の異常を検出し、燃料電池システムを保護するような停止処理を実行することで、燃料電池システムの劣化を防止することができる。

一方、第１制御器がノイズによる誤動作や電源電圧の低下などで制御不能な状態になり、異常状態を検出することができず、通常停止処理が働かずに異常状態を継続し続けた場合は、第２制御器が異常検知器から送信された信号に基づいて、緊急停止処理を実行しシステムを停止させる。

このように、燃料電池システム内部の異常を、第１制御器および第２制御器の両方の制御器で異常状態を検出する構成とすることで、安全性を向上させた燃料電池システムを安価に提供することができる。

第１制御器により制御される複数の第１補機と、第２制御器により制御されている複数の第２補機とを備え、第１制御器は、第２制御器より送信されてくる異常検知器の信号から異常と判断した場合は、第１補機および第２補機のうち異常と関連する補機の動作を停止、もしくは、電力供給を遮断して、通常停止処理を行うように制御してもよい。

上記構成、動作によると、第１制御器が異常検知器の信号から異常を検出した場合は、その異常と関連する第１補機または第２補機の動作を停止、もしくは電力供給を遮断し、その他の補機は正常に制御する。つまり、第１制御器で異常を検出した場合は、異常の発生源となっている補機の動作のみを停止させ、その他の補機を使って燃料電池システムを保護する停止処理を実行することで、機器の寿命を縮めることなく、燃料電池システムに過度なストレスを与えずにシステムを停止することが出来る。

第２制御器は、異常検知器からの信号により異常と判断した場合は、複数の第２補機の動作を停止、もしくは電力供給を遮断して緊急停止処理を行うように制御してもよい。

上記構成、動作によると、例えば、第２制御器で制御する補機と異常検知器は、全て故障が安全性に関わるような補機を集約する構成とし、燃料電池システム内部の異常のうち、上述したような安全性に関わるような補機に関しては、第１制御器、第２制御器両方で異常状態を検出する構成を取ることが可能である。

このような構成において、第２制御器が、異常検知器からの信号により異常と検出した場合、不安全事象につながる補機の動作を全て停止、もしくは電力の供給を遮断することで、安全性を向上させた燃料電池システムを安価に提供することができる。

第２制御器は、異常検知器からの信号により異常と判断した場合は、第１制御器により制御されている複数の第１補機への電力供給も遮断して、緊急停止処理を行うように制御してもよい。

上記構成、動作によると、第２制御器が、異常検知器からの信号により異常と検出する
場合というのは、第１制御器で異常を検出できなかった場合であり、これは第１制御器が、ノイズや電源電圧低下などの原因により制御不能な状態になっている可能性が高い。

よって、第２制御器で制御している第２補機全てへの電力の供給に加えて、第１制御器で制御している第１補機への電力供給も遮断することで、システム内の補機が全て停止状態とすることができるので、第２補機のみを停止する場合よりも更に安全性の高いシステムを提供することができる。

炭化水素を含む原料ガスと水とを改質反応させて燃料ガスを生成する水素生成器と、水素生成器を加熱するための加熱器とを備え、異常検知器は、水素生成器の温度を検知する温度計測器を備え、第２制御器は、温度計測器が第１温度以上になったという信号を第１制御器へ送信し、第１制御器は、温度計測器が異常を検知したと判断して加熱器の動作を停止させて通常停止処理を実行させてもよい。

上記構成、動作によると、第１制御器が温度計測器の信号から過昇温の異常を検出した場合は、その異常と関連する加熱器の動作を停止、もしくは電力供給を遮断し、その他の補機は正常に制御する。つまり、第１制御器で温度計測器の異常を検出した場合は、異常の発生源となっている加熱器の動作のみを停止させ、その他の補機を使って燃料電池システムを保護する停止処理を実行することで、機器の寿命を縮めることなく、燃料電池システムに過度なストレスを与えずにシステムを停止することが出来る。

第２制御器は、温度計測器が第１温度より高い第２温度を検出した場合に温度計測器が異常を検知したと判断して、加熱器への電力供給を遮断して、緊急停止処理を実行させてもよい。

上記構成、動作によると、第２制御器で緊急停止するのは、第１制御器が、正常に停止動作が出来なかった場合のみに働くような異常検出閾値にすることで、基本的には第１制御器で異常を検出し機器を保護する停止処理を行うことになるので、燃料電池システムを過度なストレスから守ることができるため、機器の寿命を縮めることなく、安全性能を高めた燃料電池システムを供給することができる。

加熱器は、炭化水素を含む可燃性ガスを燃焼させる燃焼器と、燃焼器に可燃性ガスを供給するための経路に配置されている電磁弁とを備え、異常検知器は、一酸化炭素を検出するＣＯ検出器を備え、第２制御器は、ＣＯ検出器が第１濃度以上になったという信号を第１制御器へ送信し、第１制御器は、ＣＯ検出器が異常を検知したと判断して加熱器の動作を停止させて通常停止処理を実行させてもよい。

上記構成、動作によると、第１制御器がＣＯ検出器の信号からＣＯ排出の異常を検出した場合は、燃焼そのものをやめることでＣＯの排出を止めることができる。よって燃焼器に可燃性ガスを供給する経路の電磁弁を遮断し、燃焼を停止する制御を行い、その他の補機は正常に制御する。つまり、第１制御器でＣＯ検出器の異常を検出した場合は、異常の発生源となっている燃焼を停止させ、その他の補機を使って燃料電池システムを保護する停止処理を実行することで、機器の寿命を縮めることなく、燃料電池システムに過度なストレスを与えずにシステムを停止することが出来る。

第２制御器は、ＣＯ検出器が第１濃度より高い第２濃度を検出した場合にＣＯ検出器が異常を検知したと判断して、加熱器への電力供給を遮断して、緊急停止処理を実行させてもよい。

上記構成、動作によると、第２制御器で緊急停止するのは、第１制御器が、正常に停止
動作が出来なかった場合のみに働くような異常検出閾値にすることで、基本的には第１制御器で異常を検出し機器を保護する停止処理を行うことになるので、燃料電池システムを過度なストレスから守ることができるため、機器の寿命を縮めることなく、安全性能を高めた燃料電池システムを供給することができる。

異常検知器は、第１制御器へは第２制御器を介して信号を送信するように第２制御器に接続されている複数のセンサを備え、異常検知器以外のセンサは第１制御器に接続されていてもよい。

上記構成、動作によると、異常検知器は第２制御器で検知し、第１制御器にデータを送信し、第１制御器が停止させるか、動作を継続させるかの判断を行い、第１制御手段が異常を検出できなかった場合のみ、第２制御機がシステムを緊急停止できるため、２重の安全を構成することが出来るので、システムの安全性を高めることができる。

保護プログラムは、少なくとも燃料電池を保護するためのプログラムであってもよい。

そしてプログラムであるので、マイクロコンピュータ等などを用いて本発明の燃料電池システムの一部あるいは全部の機能を安価に実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態としての燃料電池システムである。尚、図１においては、本発明を説明するために必要な構成要素のみを示しており、それ以外の構成要素については省略している。

図１に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム１は、その発電部の本体として燃料電池２と、燃料電池２を発電するため、燃料電池システム１の制御を行う第１制御器３１及び、第２制御器３２を備えている。

第１制御器は、燃料電池システム１の起動、発電、停止といったシステム全体の制御を行うプログラムが記憶されており、主制御器という位置づけである。

一方、第２制御器３２は、第１制御器からの指令に基づいて、第２制御器に接続された弁やポンプといったアクチュエータの制御や、第２制御器に接続された、温度計測器や流量計測器やガス濃度計測きっといったセンサの計測を行っている。しかし、第２制御器３２は、燃料電池システム全体に係る起動、発電、停止といった各動作モードの制御プログラムは記憶されておらず、副制御器という位置づけである。

但し、これは第１制御器３１、第２制御器３２が別々のハードウェア（例えばマイクロコンピュータ）で構成されている場合についた説明である。

第１制御器３１及び、第２制御器３２が１つのハードウェアで構成されることもあるが、その場合は、マイクロコンピュータのソフトウェア構成の中で機能を分割することができるため、第１制御器３１と第２制御器３２を、１つのハードウェア（ブロック）として構成しても、発明の効果は変わらない。

本発明の第１の実施例では、説明を分かり易くする便宜上、第１制御器３１と第２制御器３２は、別々のハードウェアで構成されているものとして説明する。

図１において、燃料電池システム１は、その発電部の本体として燃料電池２と、都市ガスやＬＰガスといった炭化水素を含む原料ガスと水とを改質反応させて燃料ガスを生成する水素生成器３と、燃料電池２や水素生成器３にガスや空気を供給するガス供給経路４と、を備えている。

また、燃料電池システム１は、燃料電池２や水素生成器３で発生した熱を回収する排熱回収経路５と、燃料電池システム内の制御回路やアクチュエータやセンサなどの電力供給源となる電源１０と、第１制御器３１により制御される第１補機１１と、第２制御器３２により制御される第２補機１２と、第１制御器３１で計測される状態検知器２１と、第２制御器３２で計測される異常検知器２２と、を備えている。

さらに、燃料電池システム１は、第１補機１１及び第２補機１２を動作させるための駆動回路３３と、第１制御器３１と第２制御器３２の間で情報をやり取りする通信手段３４と、駆動回路３３を介して第１補機１１及び第２補機１２に直流電力を供給するか遮断するかを切換える直流電力遮断機構３５と、を備えている。図１に示すように、直流電力遮断機構３５は、第１制御器３１への直流電力を遮断する第１直流電力遮断器３６と、第２制御器３２への直流電力を遮断する第２直流電力遮断器３７と、を備えている。

また、燃料電池システム１は、駆動回路３３を介して第１補機１１及び、第２補機１２に交流電力を供給するか遮断するかを切換える交流電力遮断機構３８と、電源１０及び交流電力遮断機構３８を介して駆動回路３３に交流電力を供給するか遮断するかを切換える系統電力遮断器４１を備えている。

なお、図１において、燃料電池２で発電した直流電力を交流電力に変換するインバータや排熱回収を行ったお湯を溜める貯湯タンクなどの図は、本発明の実施の形態の中では該当部品は説明の必要がないため省略している。

次に、図１において第１補機１１、第２補機１２の例について説明する。

第１補機１１および第２補機の例として加熱器１３が挙げられる。例えば、水素生成器３は、原料ガスとなる都市ガスやＬＰガスといった炭化水素系ガスを水蒸気改質反応により水素を生成する際、改質反応を進めるための改質熱や水や原料ガスを蒸発させるための蒸発熱が必要である。水蒸気改質の際に必要な温度はガスの種類によって異なるが、例えば都市ガスの主成分であるメタンの水蒸気改質には６００℃〜９００℃程度の熱が必要である。加熱器１３は、その昇温に用いるためのヒータが例としてあげられる。

また、電気的な加熱方式とは異なるが、ガスを燃焼させて水素生成器３の温度をあげるためのバーナーは、水素生成器３の中に含まれている。

この他、システム内の水が流れる経路の凍結破壊を防止するための凍結予防ヒータなども該当する。

弁１４は、燃料電池２や、水素生成器３にガスや空気を供給と遮断の切換えをするもの、ガスの流れる量を調整するもの、冷却水の流れる流路を切換えるものなど、様々な種類が存在する。

ポンプ１５は、燃料電池２や、水素生成器３に供給するガスや空気を送る量を調整するものなどがある。

ファン１６は、水素生成器３内部のバーナーに空気を送るための燃焼ファンや、燃料電池システム１内の高温部分を冷却するための冷却ファンなどがある。

第１補機１１と、第２補機１２の違いは、第１制御器３１により制御されるのが第１補機１１で、第２制御器３２により制御されるのが第２補機１２である、という違いである。どちらの制御器で制御を行うかは、設計者の設計思想により決定されるものであり、例えば、第１制御器と第２制御により近い場所にある補機を接続する考え方や、接続される補機が故障することによって他の機器に影響を与える可能性が高い補機はどちらか一方の制御器（例えば第２制御器）に集めるといった考え方をすることで、安全性を向上させることがある。

次に、図１において状態検知器２１、異常検知器２２の例について説明する。

温度計測器２３は、水素生成器３の温度を測る熱電対や、排熱回収経路５の水温を計るサーミスタなどが該当する。

流量計測器２４は、水素生成器３に供給する空気の量を計測する気体の流量計や、水素生成器に改質に使用する改質水の量を計測する液体の流量計などである。

ガス濃度計測器２５は、燃料電池システム１内のガス漏れを計測するガスセンサが該当する。

この他にも、燃料電池２で発電した直流電力の使用量を計測するための電流センサや筐体カバーが開けられたことを検出するスイッチなども、状態検知器２１又は異常検知器２２のいずれかに該当するが、図１の中では省略している。

次に、本発明の実施の形態１の動作について図１から図４を用いて説明する。

水素インフラが整っていない現在であっては、都市ガス（メタンを含む）やＬＰガス（プロパンを含む）といった、炭化水素を含むガスから水素を生成しなければならないのは上述した通りである。

図１において、燃料電池システム１は、都市ガスやＬＰガスといったガスから水素をつくる水素生成器３、発電本体である燃料電池２、水素生成器３や水素生成器３で発生した熱を水を循環させて排熱回収する排熱回収経路５などが、多くのガス経路や冷却水経路などによって接続されており、その分岐点を多数の弁によって供給・遮断の制御や経路の切換えの制御が行われている。

この他にも、前述で例を出したように、第１補機１１、第２補機１２、状態検知器２１、異常検知器２２、それぞれ様々な種類の補機や検知器が備えられている。

このため、複数の制御器でシステムを構成することも多く、本発明の実施の形態１では、第１制御器３１と、第２制御器３２の２つを設けた構成で説明する。

但し、第１制御器３１及び、第２制御器３２が１つのハードウェアで構成されることもあるが、その場合は、マイクロコンピュータのソフトウェア構成の中で機能を分割することができるため、第１制御器３１と第２制御器３２を、１つのハードウェア（ブロック）で構成しても、発明の効果は変わらない。

図１において、第１補機１１、第２補機１２及び、状態検知器２１、異常検知器２２を
、第１制御器３１、第２制御器３２のどちらに接続するかは、設計者の設計思想により決定される。

本発明の実施の形態１では、補機や検知器の故障がより安全に対処するために必要なものは第２制御器に、補機や検知器の故障がシステムの異常停止や性能、寿命の劣化のようなものに留まるものは第１制御器に接続する場合で説明する。

更に、故障の状態としては、水素生成器３を昇温するための加熱器１３（電気ヒータ）もしくは加熱器１３を駆動する駆動回路３３が故障した場合を例に説明する。

例えば加熱器１３への交流電力の通電・遮断を制御する駆動回路３３の電子部品（例えばリレーやトライアック）が、加熱器１３に交流電力が通電され続ける側に故障した場合、水素生成器３の温度が上昇し、水素生成器３の断熱材や、水素生成器３の周辺部品の温度が高くなり、部品の故障や部品の変形などの可能性がある。また重大な故障に至らなくても、現場に駆けつけたメンテナンス者が部品の交換をするときに高温の部品に触る可能性があるので、安全性を確保するために、水素生成器３を昇温するための加熱器１３は、第２制御器３２で制御することとする。

また、水素生成器３を昇温するための加熱器１３が正しく制御されているかどうかの検知をする手段の１つである水素生成器用の温度計測器２３も、第２制御器３２で計測することとする。

図２は、燃料電池システム１の水素生成器用の昇温ヒータの駆動回路３３が通電側に故障した場合にシステムがどのように停止するかを示すフローチャートである。

図２は、第１制御器３１と第２制御器３２の関連性を分かり易く表現するため、各々のフローチャートを同一図上に表現している。

図２において、第１制御器３１は、燃料電池システム１の起動、発電、停止の一連の動作の制御を行っており、利用者のリモコンからの操作や、燃料電池システム１内の検知器の計測結果などから、燃料電池システム１をどのように動作させるかを確定する（Ｓ１）。

ここでいう動作状態の確定とは、例えば第１制御器３１を第１マイクロコンピュータ、第２制御器３２を第２マイクロコンピュータ、状態検知器２１や異常検知器２２を流量計やサーミスタや圧力計といった各種センサとしたとき、第１マイクロコンピュータが、各種センサの値を読み取り、その値に従って、燃料電池システム１内に多数存在する、弁１４やポンプ１５やファン１６といった補機のどれを開閉するか、操作量をどの程度にするかといったことを判断することである。

ここで補機の中には、通信手段３４、第２制御器３２を介して制御する第２補機１２も含まれる。同じく各種センサの中には、通信手段３４を介して第２制御器３２から送信されてくる第２マイクロコンピュータで測定しているセンサも含まれている。

第１制御器３１により動作状態を確定し、その情報に基づいて、第１補機１１を制御し（Ｓ２）、それと共に第２制御器３２に接続されている第２補機１２をどのように制御するか、制御内容を送信する（Ｓ３）。

第２制御器３２は、通信手段３４を介して第１制御器３１から制御情報を受信すると（Ｓ７）、その情報に基づいて第２制御器３２に接続されている第２補機１２を制御する（
Ｓ８）。

第２補機１２を制御するのと同時に、第２制御器３２に接続している異常検知器２２である各種センサの計測値を読みとり計測結果が予め決められている所定の範囲内に入っているかどうかを確認する（Ｓ９）。

所定の範囲内に入っている場合は、各種センサの計測結果を通信手段３４を介して第１制御器３１に送信する（Ｓ１０）。

第１制御器３１は、第２制御器３２から送信されてくる異常検知器２２の計測結果を受信し（Ｓ４）、計測結果が正常ならば、判定に使った状態検知器２１や異常検知器２２の計測結果などをもとに、次の動作状態を確定する（Ｓ１）。

一方、第２制御器３２から送信されてくる異常検知器２２の計測結果を受信し（Ｓ４）、計測結果が異常ならば、通常の停止処理を行う（Ｓ６）。

第２制御器３２のフローチャートに戻って、Ｓ９において、異常検知器２２の計測結果が所定の範囲内に入っていない場合は、センサが正常に計測できていないか、燃料電池システム１内の部品や駆動回路３３が故障して異常動作状態になっていると判断し、緊急停止処理を行う（Ｓ１１）。

再度具体例（水素生成器３の温度異常）を用いて説明する。

第２制御器３２は、第１制御器から送られてくる通信データをもとに、接続されている第２補機１２の制御を行う（Ｓ８）。ここで言う制御とは、第１制御器３１から送られてくる指令に対して、弁の開閉状態や開度、ポンプやファンの操作量を変えるということであって、第２制御器３２が自ら第２補機の動作状態を決定しているわけではない。

それと同時に、異常検知器２２のセンサ計測値も読み取るが、各々の異常検知器２２（状態検知器２１も同様）は、システムが意図通りの動作をしているかどうか、検知器自身が故障していないかどうかを判断するために、検知器が計測している値が、通常出力し得る範囲内に入っているかどうかの閾値を持ち、制御器で判断しているのが一般的である。

水素生成器３を昇温するための加熱器１３が、駆動回路３３の故障、ノイズによる誤動作などで、意図していないときに加熱器１３が通電され遮断することができなくなったり、通常、駆動回路３３が交流の半波整流回路で駆動しているものが、部品故障で交流が全波通電されて想定よりも発熱が大きくなると、加熱器１３の制御が想定通りできなくなる。このような状態が続くと、異常検知器２２（温度計測器２３）の計測結果が異常値となり（Ｓ９）、システムを緊急停止させる（Ｓ１１）。

緊急停止について説明する前に、通常停止について説明する。

燃料電池システムは、利用者がリモコンで発電の停止を操作したり、予め想定される範囲内でシステムの故障が発生した場合は、燃料電池システム１に過度のストレスをかけずに、寿命の短縮、水素生成器３や燃料電池２の劣化のスピードを速めないために、水素生成器３や燃料電池２を予め定められる時間かけて徐々にゆっくり冷却したり、発電終了後、システム内に発生した水素をシステムの内部に残さないように、原料ガスである都市ガスや、ＬＰガス、もしくは設備が整っている環境では窒素によるパージ処理を行って、システムの性能が劣化しないような処理を行っており、これをここでは通常停止処理としている。

一方、緊急停止処理とは、システムに多少のダメージを与えてでも緊急的に停止させなければならないときに、通常停止処理を行わず、システム全てやシステムの一部の電源を強制的に遮断したり、制御を停止することとする。システムの一部の電源を遮断する場合は、遮断したときに制御ができなくなる補機の種類によっては、緊急停止処理をした後、通常停止処理することも可能である。

図２のフローチャートのＳ１１に戻って、第２制御器３２により、異常検知器２２（温度計測器２３）の計測結果が異常であると判断すると、水素生成器３用の加熱器１３もしくはその駆動回路等に異常が発生し、制御不能状態になっていると判断し、緊急停止処理を行う。

緊急停止処理は、図１において、駆動回路３３により加熱器１３の通電を遮断する制御をしたり（ただし、駆動回路３３が故障している場合は効果がない）、交流電力遮断機構３８を遮断することで、加熱器１３への通電を遮断することができる。

交流電力遮断機構３８は、第１制御器３１、第２制御器３２それぞれから個別に制御することが可能である。よって、Ｓ１１において緊急停止処理をする際は、駆動回路３３により加熱器１３を遮断する制御に加えて、第２制御器３２で制御する第２交流電力遮断器４０のみを遮断することも可能であり、もしくは、通信を介して第１制御器３１で制御する第１交流電力遮断器３９と両方遮断することも可能である。

第２交流電力遮断器４０に加えて、第１交流電力遮断器３９と両方遮断する動作とする場合は、第１交流電力遮断器３９と第２交流電力遮断器４０と加熱器１３の駆動回路３３のオフ動作の３部品で、異常が発生した場合の緊急停止処理を行うことで、安全性を向上させることができる。

尚、図３に示すように、第２制御器３２から第１交流電力遮断器３９を直接制御する構成にすることで、通信を介さずに第２制御器３２のみで、第１交流電力遮断器３９と第２交流電力遮断器４０と加熱器１３の駆動回路３３のオフ動作の３部品の遮断の動作を実現することもできる。

また、場合によっては、更に燃料電池システムと系統を遮断する系統電力遮断器４１（漏電遮断器など）を制御できる構成とすることで、更に安全性を向上させることができる。

一方、第２交流電力遮断器４０と、加熱器１３の駆動回路３３のオフ動作の２部品で緊急停止処理を行う場合は、加熱器１３の電力は遮断されるが、その他の補機やセンサは通常通り制御を続けることが可能である。つまり、停止が必要な補機について緊急停止処理後、残りの補機については燃料電池システムの劣化を防止する通常停止処理を行うことも可能であるので、製品の信頼性低下と寿命の劣化を加速することなく、安全性を確保した商品を提供することができる。

尚、水素生成器３用の加熱器１３を交流ヒータと想定している例であり、直流ヒータの場合は、直流電力遮断機構３５を遮断することになるが、加熱器１３の通電を遮断する目的を果たせば、その手法は限定するものではなく、その効果は変わらない。

また、例えば故障が安全につながるものについては第２制御器３２で制御し、それらに関連するセンサは異常検知器２２として第２制御器で計測する構成とし、計測結果を第１制御器３１に送信して第１制御器３１で異常がないが判断することに加えて、第２制御器
３２でも異常がないかを判断する構成とすることで、より安全な燃料電池システムを構築することができる。

次に図４を用いて、第１制御器３１と第２制御器３２で異常検知器２２の異常判定閾値を個別の値で設ける場合の動作について説明する。

図４は、第１制御器３１と第２制御器３２で異常検知器２２の異常判定閾値を個別の値で設ける場合の温度計測器２３の温度推移と、異常判定のレベルについて現した図である。

燃料電池システム１の起動、発電、停止といった一連の動作の制御は第１制御器３１、それの補助制御器として第２制御器３２を設ける構成とし、第１制御器３１と第２制御器３２で、異常検知器２２の計測結果が異常であると判断する閾値を変える。さらに第１制御器３１で基本的には異常を検出し通常停止処理を行い、第１制御器３１に何かしらの異常が発生した場合に第２制御器３２で異常を検出し緊急停止処理を行う。そのため、第１制御器３１で検出する異常判定値を、第２制御器３２で検出する異常判定値よりも異常と判定する値を厳しくすることで、緊急時（燃料電池システムの一連の動作を制御する第１制御器３１が異常状態の可能性がある場合など）以外は、通常停止処理を行い、システムの劣化を加速するような動作を極力減らすことができるので、製品の長寿命化を実現することができる。

なお、異常検知器２２の計測結果を、第２制御器３２と、第１制御器３１の両方で異常を確認する場合について述べたが、状態検知器２１の計測結果を、第１制御器３１と、第２制御器３２の両方で確認し、どちらかの制御器で異常を検出して通常停止、または緊急停止処理を行うことは構成上可能であり、その動作も変わらないので、発明の効果は変わらない。

本発明の燃料電池システムは、一方の制御器でシステムの異常を検出できなかった場合でも、もう一方の制御器で異常を検出することができるので、複数の制御器持っている給湯器やガスコージェネレーションシステムに利用することができる。

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ 水素生成器
４ ガス供給経路
５ 排熱回収経路
１１ 第１補機
１２ 第２補機
１３ 加熱器
２１ 状態検知器
２２ 異常検知器
２３ 温度計測器
３１ 第１制御器
３２ 第２制御器
３３ 駆動回路
３４ 通信手段
３５ 直流電力遮断機構
３６ 第１直流電力遮断器
３７ 第２直流電力遮断器
３８ 交流電力遮断機構
３９ 第１交流電力遮断器
４０ 第２交流電力遮断器

Claims (10)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池を備えている燃料電池システムであって、
   前記燃料電池システムの異常を検知する異常検知器と、
   前記燃料電池システムの状態を検知する状態検知器と、
   前記燃料電池システムの起動および停止を制御するとともに、前記状態検知器が検知した信号を受信する第１制御器と、
   前記第１制御器と情報を送受信するとともに、前記異常検知器が検知した信号を受信する第２制御器と、
   を備えており、
   前記第１制御器が、前記状態検知器が検知した情報および前記第２制御器から送信されてくる前記異常検知器が検知した情報のうちの少なくとも一方から送信された情報に基づいて異常と判断した場合は前記燃料電池システムを保護する保護プログラムが含まれる通常停止処理を実行させ、前記第２制御器が前記異常検知器から送信された信号に基づいて異常と判断した場合は前記保護プログラムが含まれていない緊急停止処理を実行させる、燃料電池システム。
2. 前記第１制御器により制御される複数の第１補機と、
   前記第２制御器により制御されている複数の第２補機と、
   を備え、
   前記第１制御器は、前記第２制御器より送信されてくる前記異常検知器の信号から異常と判断した場合は、前記第１補機および前記第２補機のうち異常と関連する補機の動作を停止させ、もしくは、電力供給を遮断して、前記通常停止処理を行うように制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記第２制御器により制御されている複数の第２補機と、
   を備え、
   前記第２制御器は、前記異常検知器からの信号により異常と判断した場合は、前記第２補機の動作を停止させ、もしくは、電力供給を遮断して前記緊急停止処理を行うように制御する、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記第１制御器により制御される複数の第１補機を備え、
   前記第２制御器は、前記異常検知器からの信号により異常と判断した場合は、前記第１制御器により制御されている前記第１補機への電力供給も遮断して、前記緊急停止処理を行うように制御する、請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 炭化水素を含む原料ガスと水とを改質反応させて前記燃料ガスを生成する水素生成器と、
   前記水素生成器を加熱するための加熱器と、
   を備え、
   前記異常検知器は、前記水素生成器の温度を検知する温度計測器を備え、
   前記第２制御器は、前記温度計測器が第１温度以上になったという信号を前記第１制御器へ送信し、前記第１制御器は、前記温度計測器が異常を検知したと判断して前記加熱器の動作を停止させて前記通常停止処理を実行させる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記第２制御器は、前記温度計測器が前記第１温度より高い第２温度を検出した場合に前記温度計測器が異常を検知したと判断して、前記加熱器への電力供給を遮断して、前記緊急停止処理を実行させる、請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記加熱器は、炭化水素を含む可燃性ガスを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器に可燃性ガスを供給するための経路に配置されている電磁弁と、を備え、
   前記異常検知器は、一酸化炭素を検出するＣＯ検出器を備え、
   前記第２制御器は、前記ＣＯ検出器が第１濃度以上になったという信号を前記第１制御器へ送信し、前記第１制御器は、前記ＣＯ検出器が異常を検知したと判断して前記加熱器の動作を停止させて前記通常停止処理を実行させる、請求項１から６いずれか１項に記載の燃料電池システム。
8. 前記第２制御器は、前記ＣＯ検出器が前記第１濃度より高い第２濃度を検出した場合に前記ＣＯ検出器が異常を検知したと判断して、前記加熱器への電力供給を遮断して、前記緊急停止処理を実行させる、請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記異常検知器は、前記第１制御器へは前記第２制御器を介して信号を送信するように前記第２制御器に接続されている複数のセンサを備え、
   前記異常検知器以外のセンサは前記第１制御器に接続されている、請求項１から８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
10. 前記保護プログラムは、少なくとも前記燃料電池を保護するためのプログラムである、請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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