JP2014026873A - 燃料電池発電システムおよびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マイコンの多重化のように同じ理由で同種の構成要素が異常動作に陥ることなく燃料遮断機能を強化する。
【解決手段】燃料遮断弁３は開いているときに原燃料ガスを燃料処理装置２に供給する。燃料処理装置２は、可燃性の原燃料ガスと空気とを取り入れて、水素を含む改質燃料ガスを生成し、改質燃料ガスを燃料電池スタック１に供給する。ガス検知器１３は、システム内の可燃性ガスの濃度が第１許容範囲内ではないときにその旨を表すガス検知状態信号１６を異常信号として出力する。マイクロコンピュータ１１は、燃料遮断弁３を開け、異常信号が供給されたときに燃料遮断弁３を閉じる。保護機能回路１２は、ハードウェアにより構成され、異常信号が供給されたときにマイクロコンピュータ１１を介さずに燃料遮断弁３を閉じる。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、燃料電池発電システムおよびその制御方法に関する。

燃料電池発電システムにおいて、燃料処理装置は、燃料遮断弁が開いているときに、可燃性の原燃料ガスを燃料遮断弁から取り入れて、水素を含む改質燃料ガスを生成し、その改質燃料ガスを燃料電池スタックのアノード極に供給する。燃料電池スタックは、カソード極に供給される酸化剤ガスとアノード極に供給される改質燃料ガスとが電気化学的に反応することにより、酸素と水素から水を生成する過程で電気エネルギーを発生させる。このように、燃料電池発電システムでは、可燃性ガスを取り扱う。このため、安全性を確保するためにマイクロコンピュータ（マイコン）により燃料遮断弁の開閉を制御している。

マイコンは、燃料遮断弁を開けてから、異常が発生したときに燃料遮断弁を閉じる。そのマイコンはウォッチドッグ機能を有しているため、マイコン自体に異常が発生した場合、マイコンがウォッチドッグ機能によりフェールセーフ状態に移行し、燃料遮断弁を閉じることにより、安全性を確保している。

マイコンは、システムの小型化には最適であり、ウォッチドッグ機能により安全性を確保するには有効なものである。しかし、マイコン自体に異常が発生した場合には確実に安全性を確保することができない。

そこで、安全性をより向上させるために、マイコンを２重化し、１つのマイコンに異常が発生した場合でも、もう１つのマイコンがバックアップしている。

特許第３９１１４９６号公報

マイコンを２重化しても１つのマイコンに異常が発生した場合にもう１つのマイコンに異常が発生しないとは限らない。すなわち、同種の構成要素は同じ理由で異常動作に陥る可能性がある。

本発明が解決しようとする課題は、マイコンの多重化のように同じ理由で同種の構成要素が異常動作に陥ることなく燃料遮断機能を強化する燃料電池発電システムおよびその制御方法を提供することである。

本発明に係る燃料電池発電システムの一つの態様は、燃料電池スタックと、可燃性の原燃料ガスと空気とを取り入れて、水素を含む改質燃料ガスを生成し、前記改質燃料ガスを前記燃料電池スタックのアノード極に供給する燃料処理装置と、開いているときに前記原燃料ガスを前記燃料処理装置に供給する燃料遮断弁と、前記システム内の前記可燃性ガスの濃度が第１許容範囲内ではないときにその旨を表すガス検知状態信号を異常信号として出力するガス検知器と、前記燃料遮断弁を開け、前記異常信号が供給されたときに前記燃料遮断弁を閉じるマイクロコンピュータと、ハードウェアにより構成され、前記異常信号が供給されたときに前記マイクロコンピュータを介さずに前記燃料遮断弁を閉じる保護機能回路と、を具備することを特徴とする。

また、この発明に係る燃料電池発電システムの制御方法の一つの態様は、燃料電池スタックと燃料処理装置とマイクロコンピュータとハードウェア構成の保護機能回路とを具備し、前記燃料処理装置が、燃料遮断弁を介して供給される可燃性の原燃料ガスと、空気とを取り入れて、水素を含む改質燃料ガスを生成し、前記改質燃料ガスを前記燃料電池スタックのアノード極に供給する燃料電池発電システムの制御方法において、前記システム内の前記可燃性ガスの濃度が第１許容範囲内ではないときにその旨を表すガス検知状態信号を異常信号として出力するステップと、前記マイクロコンピュータが、前記燃料遮断弁を開けるステップと、前記マイクロコンピュータが、前記異常信号が供給されたときに前記燃料遮断弁を閉じるステップと、前記保護機能回路が、前記異常信号が供給されたときに前記マイクロコンピュータを介さずに前記燃料遮断弁を閉じるステップと、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、マイコンの多重化のように同じ理由で同種の構成要素が異常動作に陥ることなく燃料遮断機能を強化することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。 図１の可燃性ガス検知装置および制御装置の詳細な構成を示すブロック図である。 図２のマイクロコンピュータ（マイコン）、電源供給回路、信号供給回路および燃料遮断弁の動作を示すフローチャートである。 図２のハードウェア構成の保護機能回路の一例を示す回路図である。

以下、本発明に係る燃料電池発電システムの実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。図２は、図１の可燃性ガス検知装置および制御装置の詳細な構成を示すブロック図である。

図１に示されるように、本発明の一実施形態に係る燃料電池発電システムは、燃料電池スタック１と、燃料処理装置２と、燃料遮断弁３と、空気供給装置７と、排熱回収装置８と、電力変換器９と、制御装置１０と、可燃性ガス検知装置３０と、を具備している。

燃料電池スタック１は、カソード極と冷却水流路とアノード極とを備えている。制御装置１０は、燃料処理装置２と燃料遮断弁３と空気供給装置７と排熱回収装置８と電力変換器９とを制御する。

空気供給装置７は、酸素を含む酸化剤ガス（空気）を燃料電池スタック１のカソード極と燃料処理装置２とに供給する。

燃料遮断弁３は、開いているときに、可燃性の原燃料ガスを燃料処理装置２に供給する。原燃料ガスはメタンを含んでいる。

燃料処理装置２は、脱硫器４と、改質器５と、一酸化炭素（以下、ＣＯ）変成器６と、を備えている。脱硫器４は、燃料遮断弁３からの原燃料ガスを取り入れて、脱硫剤によりメタンガスを取り出す。改質器５は、脱硫器４からのメタンガスと、水蒸気と、空気供給装置７からの酸化剤ガスとを取り入れて、水素を含む燃料ガスを生成する。ＣＯ変成器６は、改質器５から燃料ガスを取り入れて、その燃料ガス中のＣＯをＣＯ変成触媒により低減する。さらに、ＣＯ変成器６は、空気供給装置７からの酸化剤ガスを取り入れて、ＣＯ選択酸化触媒によりＣＯを選択的に酸化燃焼させ、改質燃料ガスを生成する。この改質燃料ガスは、燃料電池スタック１のアノード極に供給される。

燃料電池スタック１は、カソード極に供給される酸化剤ガスとアノード極に供給される改質燃料ガスとが電気化学的に反応することにより、酸素と水素から水を生成する過程で電気エネルギーを発生させる。

排熱回収装置８は、燃料電池スタック１の冷却水流路に冷却水を循環して、燃料電池スタック１の温度上昇を抑制する。

電力変換器９は、燃料電池スタック１から発生する直流の電気エネルギーを交流の電気エネルギーに変換し、商用電力系統２７に出力する。

図２に示されるように、制御装置１０は、マイクロコンピュータ（以下、マイコン）１１と、保護機能回路１２と、電源供給回路１９と、信号供給回路２０と、を備えている。保護機能回路１２は、ハードウェアにより構成されている。保護機能回路１２については後述する。

マイコン１１は、記憶部と、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）とを備えている。記憶部には、燃料処理装置２と燃料遮断弁３と空気供給装置７と排熱回収装置８と電力変換器９とを制御するためのコンピュータプログラムが格納され、ＣＰＵは、コンピュータプログラムを記憶部から読み出して、そのコンピュータプログラムを実行する。

可燃性ガス検知装置３０は、ガス検知器１３と、換気ファン部１４と、温度ヒューズ１５と、を備えている。

ガス検知器１３は、可燃性ガスが漏洩する場合を想定してシステム内に設けられ、システム内の可燃性ガスの濃度が第１許容範囲内ではないときにその旨を表すガス検知状態信号１６を異常信号として出力する。

換気ファン部１４は、換気用のファンを有し、可燃性ガスが漏洩する場合を想定して内部に漏洩した可燃性ガスを滞留させないためにシステム内に設けられ、ファンの状態を表す換気ファン状態信号１７を異常信号として出力する。換気ファン状態信号１７は、ファンの回転数が第２許容範囲内ではないときにその旨を表す信号と、ファンが動作していないときにその旨を表す信号と、ファンの入口と出口の圧力、または、その差圧が第３許容範囲内ではないときにその旨を表す信号と、ファンの流量が第４許容範囲内ではないときにその旨を表す信号と、の少なくとも１つの信号を含んでいる。

温度ヒューズ１５は、可燃性ガスの漏洩やヒータの異常加熱などで火災が発生する場合を想定してシステム内に設けられ、システム内の温度が第５許容範囲を超えたときに、その状態を表す温度ヒューズ状態信号１８を異常信号として出力する。

上述のマイコン１１、電源供給回路１９、信号供給回路２０および燃料遮断弁３の動作について図３を参照して説明する。図３は、マイコン１１、電源供給回路１９、信号供給回路２０および燃料遮断弁３の動作を示すフローチャートである。ここで、システムが起動する前は燃料遮断弁３が閉じている。

マイコン１１は、システムが起動したとき（ステップＳ１）、電源制御信号２１および信号制御信号２２をそれぞれ電源供給回路１９および信号供給回路２０に供給する（ステップＳ２）。

この場合、電源供給回路１９は、マイコン１１から電源制御信号２１が供給されているときに駆動電源２５を燃料遮断弁３に供給する（ステップＳ３）。信号供給回路２０は、マイコン１１から信号制御信号２２が供給されているときに駆動信号２６を燃料遮断弁３に供給する（ステップＳ４）。燃料遮断弁３は、駆動電源２５と駆動信号２６とが供給されているときに開く（ステップＳ５）。

マイコン１１は、システムが運転しているときにガス検知器１３と換気ファン部１４と温度ヒューズ１５との少なくとも１つから異常信号が供給されない場合（ステップＳ６−ＮＯ、Ｓ７−ＮＯ）、電源制御信号２１と信号制御信号２２との供給を継続する（ステップＳ２）。

一方、マイコン１１は、システムが運転停止する場合（ステップＳ６−ＹＥＳ）、電源制御信号２１と信号制御信号２２との供給を停止する（ステップＳ８）。または、マイコン１１は、システムが運転しているときにガス検知器１３と換気ファン部１４と温度ヒューズ１５との少なくとも１つから異常信号が供給された場合（ステップＳ６−ＮＯ、Ｓ７−ＹＥＳ）、電源制御信号２１と信号制御信号２２との供給を停止する（ステップＳ８）。

この場合、電源供給回路１９は、マイコン１１から電源制御信号２１が供給されないとき（ステップＳ９−ＹＥＳ）、駆動電源２５の供給を停止する（ステップＳ１０）。信号供給回路２０は、マイコン１１から信号制御信号２２が供給されないとき（ステップＳ１１−ＹＥＳ）、駆動信号２６の供給を停止する（ステップＳ１２）。燃料遮断弁３は、駆動電源２５および駆動信号２６の少なくとも一方が供給されないときに速やかに閉じる（ステップＳ１３）。

次に、ハードウェア構成の保護機能回路１２の一例について説明する。図４は、図２のハードウェア構成の保護機能回路の一例を示す回路図である。

ここで前提条件として、ガス検知器１３、換気ファン部１４および温度ヒューズ１５からそれぞれ出力される異常信号（ガス検知状態信号１６、換気ファン状態信号１７および温度ヒューズ状態信号１８）のレベルが以下のように設定されているものとする。その信号レベルは、ハイレベルを「１」とし、ロウレベルを「０」とする。

ガス検知状態信号１６は、可燃性ガスの濃度が第１許容範囲内であるときに、無効な信号レベルとして「１」を表し、可燃性ガスの濃度が第１許容範囲内ではないときに、有効な信号レベルとして「０」を表すものとする。

換気ファン状態信号１７「回転数」は、ファンの回転数が第２許容範囲内であるときに、無効な信号レベルとして「１」を表し、ファンの回転数が第２許容範囲内ではないときに、有効な信号レベルとして「０」を表すものとする。換気ファン状態信号１７「動作」は、ファンが動作しているときに、無効な信号レベルとして「１」を表し、ファンが動作していないときに、有効な信号レベルとして「０」を表すものとする。換気ファン状態信号１７「圧力または差圧」は、ファンの入口と出口の圧力、または、その差圧が第３許容範囲内であるときに、無効な信号レベルとして「１」を表し、ファンの入口と出口の圧力、または、その差圧が第３許容範囲内ではないときに、有効な信号レベルとして「０」を表すものとする。換気ファン状態信号１７「流量」は、ファンの流量が第４許容範囲内であるときに、無効な信号レベルとして「１」を表し、ファンの流量が第４許容範囲内ではないときに、有効な信号レベルとして「０」を表すものとする。

温度ヒューズ状態信号１８は、システム内の温度が第５許容範囲を超えないときに、無効な信号レベルとして「１」を表し、システム内の温度が第５許容範囲を超えたときに、有効な信号レベルとして「０」を表すものとする。

温度ヒューズ１５は第５許容範囲を超えたときに切れるため、センサ自体に電流が流れずにロウレベル「０」を表す。このため、温度ヒューズ状態信号１８のレベルに統一するために、ガス検知状態信号１６および換気ファン状態信号１７「回転数」「動作」「圧力」「流量」についても、「０」を有効な信号レベルとする。

上述のようなガス検知状態信号１６、換気ファン状態信号１７および温度ヒューズ状態信号１８のレベルが設定されている場合、保護機能回路１２は、トランジスタスイッチにより構成することができる。

たとえば、保護機能回路１２は、図４に示されるように、ＮＡＮＤ回路３１と、バッファ回路３２、３３と、を備えている。ＮＡＮＤ回路３１とバッファ回路３２、３３は、トランジスタスイッチとして用いられるＰ型ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴを組み合わせた論理素子である。

この場合、ＮＡＮＤ回路３１は、６個のＰ型ＭＯＳＦＥＴと６個のＮ型ＭＯＳＦＥＴの組み合わせにより、６入力−１出力のＮＡＮＤ回路を実現する。ＮＡＮＤ回路３１の入力には、ガス検知状態信号１６、換気ファン状態信号１７「回転数」「動作」「圧力」「流量」および温度ヒューズ状態信号１８が供給され、その論理結果がＮＡＮＤ回路３１の出力から出力される。ガス検知状態信号１６、換気ファン状態信号１７「回転数」「動作」「圧力」「流量」および温度ヒューズ状態信号１８のレベルがすべて「１」である場合、ＮＡＮＤ回路３１は「０」を出力する。ガス検知状態信号１６、換気ファン状態信号１７「回転数」「動作」「圧力」「流量」および温度ヒューズ状態信号１８の少なくとも１つのレベルが「０」である場合、ＮＡＮＤ回路３１は「１」を出力する。

バッファ回路３２、３３の各々は、インバータ回路を直列に接続することにより実現する。そのインバータ回路は、１個のＰ型ＭＯＳＦＥＴと１個のＮ型ＭＯＳＦＥＴの組み合わせにより、１入力−１反転出力のインバータ回路を実現する。バッファ回路３２およびバッファ回路３３は、それぞれ、ＮＡＮＤ回路３１の出力を電源遮断信号２３および信号遮断信号２４として電源供給回路１９および信号供給回路２０に出力する。

ここで、電源遮断信号２３および信号遮断信号２４は、有効な信号レベルであるときに「１」を表し、無効な信号レベルであるときに「０」を表すものとする。すなわち、保護機能回路１２は、ガス検知器１３と換気ファン部１４と温度ヒューズ１５との少なくとも１つから異常信号「０」が供給されたときに、電源遮断信号２３「１」および信号遮断信号２４「１」をそれぞれ電源供給回路１９および信号供給回路２０に供給する。

この場合、電源供給回路１９は、保護機能回路１２から電源遮断信号２３「１」が供給されたとき（ステップＳ９−ＹＥＳ）、駆動電源２５の供給を停止する（ステップＳ１０）。信号供給回路２０は、保護機能回路１２から信号遮断信号２４「１」が供給されたとき（ステップＳ１１−ＹＥＳ）、駆動信号２６の供給を停止する（ステップＳ１２）。燃料遮断弁３は、駆動電源２５および駆動信号２６の少なくとも一方が供給されないときに速やかに閉じる（ステップＳ１３）。

このように、マイコン１１は、燃料遮断弁３を開けてから、異常信号が発生したときに燃料遮断弁３を速やかに閉じるが、マイコン１１の異常動作時（ウォッチドッグが機能しない状態など）においても、ハードウェア構成の保護機能回路１２が動作し、異常信号が発生したときにマイコン１１を介さずに燃料遮断弁３を速やかに閉じる。

このため、本実施形態によれば、マイコン１１の多重化のように同じ理由で同種の構成要素が異常動作に陥ることなく燃料遮断機能を強化することができる。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更することができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ … 燃料電池スタック
２ … 燃料処理装置
３ … 燃料遮断弁
４ … 脱硫器
５ … 改質器
６ … ＣＯ変成器
７ … 空気供給装置
８ … 排熱回収装置
９ … 電力変換器
１０ … 制御装置
１１ … マイクロコンピュータ（マイコン）
１２ … 保護機能回路
１３ … ガス検知器
１４ … 換気ファン部
１５ … 温度ヒューズ
１６ … ガス検知状態信号
１７ … 換気ファン状態信号
１８ … 温度ヒューズ状態信号
１９ … 電源供給回路
２０ … 信号供給回路
２１ … 電源制御信号
２２ … 信号制御信号
２３ … 電源遮断信号
２４ … 信号遮断信号
２５ … 駆動電源
２６ … 駆動信号
２７ … 商用電力系統
３０ … 可燃性ガス検知装置
３１ … ＮＡＮＤ回路
３２ … バッファ回路
３３ … バッファ回路

Claims (6)

1. 燃料電池スタックと、
   可燃性の原燃料ガスと空気とを取り入れて、水素を含む改質燃料ガスを生成し、前記改質燃料ガスを前記燃料電池スタックのアノード極に供給する燃料処理装置と、
   開いているときに前記原燃料ガスを前記燃料処理装置に供給する燃料遮断弁と、
   前記システム内の前記可燃性ガスの濃度が第１許容範囲内ではないときにその旨を表すガス検知状態信号を異常信号として出力するガス検知器と、
   前記燃料遮断弁を開け、前記異常信号が供給されたときに前記燃料遮断弁を閉じるマイクロコンピュータと、
   ハードウェアにより構成され、前記異常信号が供給されたときに前記マイクロコンピュータを介さずに前記燃料遮断弁を閉じる保護機能回路と、
   を具備することを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 電源制御信号が供給されているときに駆動電源を前記燃料遮断弁に供給し、前記電源制御信号が供給されないとき、または、前記電源遮断信号が供給されたときに前記駆動電源の供給を停止する電源供給回路と、
   信号制御信号が供給されているときに駆動信号を前記燃料遮断弁に供給し、前記信号制御信号が供給されないとき、または、前記信号遮断信号が供給されたときに前記駆動信号の供給を停止する信号供給回路と、
   をさらに具備し、
   前記燃料遮断弁は、前記駆動電源と前記駆動信号とが供給されているときに開き、前記駆動電源および前記駆動信号の少なくとも一方が供給されないときに閉じ、
   前記マイクロコンピュータは、前記電源制御信号および前記信号制御信号をそれぞれ前記電源供給回路および前記信号供給回路に供給し、前記異常信号が供給されたときに前記電源制御信号と前記信号制御信号との供給を停止し、
   前記保護機能回路は、前記異常信号が供給されたときに前記電源遮断信号および前記信号遮断信号をそれぞれ前記電源供給回路および前記信号供給回路に供給する、
   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。
3. 換気用のファンを有し、前記ファンの状態を表す換気ファン状態信号を前記異常信号として出力する換気ファン部、
   をさらに具備することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池発電システム。
4. 前記換気ファン状態信号は、
   前記ファンの回転数が第２許容範囲内ではないときにその旨を表す信号と、
   前記ファンが動作していないときにその旨を表す信号と、
   前記ファンの入口と出口の圧力、または、その差圧が第３許容範囲内ではないときにその旨を表す信号と、
   前記ファンの流量が第４許容範囲内ではないときにその旨を表す信号と、
   の少なくとも１つの信号を含む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。
5. 前記システム内の温度が第５許容範囲を超えたときに、その状態を表す温度ヒューズ状態信号を前記異常信号として出力する温度ヒューズ、
   をさらに具備することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
6. 燃料電池スタックと燃料処理装置とマイクロコンピュータとハードウェア構成の保護機能回路とを具備し、前記燃料処理装置が、燃料遮断弁を介して供給される可燃性の原燃料ガスと、空気とを取り入れて、水素を含む改質燃料ガスを生成し、前記改質燃料ガスを前記燃料電池スタックのアノード極に供給する燃料電池発電システムの制御方法において、
   前記システム内の前記可燃性ガスの濃度が第１許容範囲内ではないときにその旨を表すガス検知状態信号を異常信号として出力するステップと、
   前記マイクロコンピュータが、前記燃料遮断弁を開けるステップと、
   前記マイクロコンピュータが、前記異常信号が供給されたときに前記燃料遮断弁を閉じるステップと、
   前記保護機能回路が、前記異常信号が供給されたときに前記マイクロコンピュータを介さずに前記燃料遮断弁を閉じるステップと、
   を具備することを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。

Images