JP2021039878A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 耐久性の低下を抑制できる燃料電池装置を提供する。
【解決手段】 本開示の燃料電池装置１００は、燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電を行う燃料電池１１を備えるモジュール１と、原燃料を改質して燃料電池に供給する燃料ガスを生成する改質器１２と、燃料電池１１を動作させるための補機と、補機の動作を制御する制御装置３０と、を備える。制御装置３０は、発電運転を停止しており、かつモジュール１および改質器１２の少なくとも一方の温度が所定温度以上の場合に、補機の少なくとも一部を動作させないよう制御する。
【選択図】 図１

Description

本開示は、燃料電池装置に関する。

燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電を行なう燃料電池を含むモジュール、および燃料電池に供給する燃料ガスを改質によって生成する改質器を備えた燃料電池装置が種々提案されている。

燃料電池装置のメンテナンス等を行うために、燃料電池装置の発電運転を一時的に停止することがある。燃料電池装置は、メンテナンス等が終了した後に再起動される。例えば特許文献１は、再起動時にモジュール、改質器等の温度が所定温度以上である場合、通常起動時の動作シーケンスの一部をスキップし、再起動時の起動時間を短縮する燃料電池装置を開示している。

特開２０１３−１９１５８５号公報

従来の燃料電池装置は、再起動時に燃料電池装置の耐久性を低下させてしまうことがあった。

本開示の燃料電池装置は、燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電を行う燃料電池を備えるモジュールと、
原燃料を改質して前記燃料電池に供給する燃料ガスを生成する改質器と、
前記燃料電池を動作させるための補機と、
該補機の動作を制御する制御装置と、を備える。前記制御装置は、発電運転を停止しており、かつ前記モジュールおよび前記改質器の少なくとも一方の温度が所定温度以上の場合に、前記補機の少なくとも一部を動作させないよう制御する。

本開示の燃料電池装置によれば、再起動等による燃料電池装置の耐久性の低下を抑制することができる。

実施形態の燃料電池装置の概略構成図である。 外装ケース内の燃料電池装置の構成を示す斜視図である。

以下、図面を用いて本開示の実施形態に係る燃料電池装置について説明する。

図１は、実施形態の燃料電池装置の概略構成図であり、図２は、外装ケース内の燃料電池装置の構成を示す斜視図である。

実施形態の燃料電池装置１００は、収納容器１０内に収容された燃料電池１１を含むモジュール１を備える。燃料電池１１は、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なうものであればよい。燃料電池１１は、例えば、複数の燃料電池セルが配列されてなるセルスタック構造を有していてもよい。セルスタック構造の燃料電池１１は、例えば、各燃料電池セルの下端を、ガラスシール材等の絶縁性接合材を用いて、マニホールドに固定することによって構成されていてもよい。

燃料電池装置１００は、燃料電池１１に供給する燃料ガスを生成する改質器１２を有する。改質器１２は、天然ガス、ＬＰガス等の原燃料ガスを水蒸気改質し、燃料ガスを生成する。例えば図１に示すように、改質器１２は、燃料電池１１と同様に、収納容器１０内に収容されている。

燃料電池装置１００は、モジュール１の温度を測定する第１温度測定部ＴＣ１を有する。第１温度測定部ＴＣ１としては、熱電対等の公知の測定装置を用いることができる。実施形態では、モジュール１の温度として、燃料電池１１の中心位置における温度を熱電対で測定している。

燃料電池装置１００は、改質器１２の温度を測定する第２温度測定部ＴＣ２を有する。第２温度測定部ＴＣ２としては、熱電対等の公知の測定装置を用いることができる。実施形態では、改質器１２の温度として、改質器１２の入口における温度を熱電対で測定している。改質器１２は、水蒸気を発生させる気化部、および気化部で発生した水蒸気を原燃料ガスと反応させて改質ガスを生成する改質部を内部に有する。改質器１２の入口とは、気化部における改質部に接続する部分を指す。

燃料電池装置１００は、モジュール１からの排ガス（排熱）と熱媒との熱交換を行う第１熱交換器２、および熱媒を貯留する蓄熱タンク３を備える。蓄熱タンク３には水位センサＷＬが設けられている。水位センサＷＬは、蓄熱タンク３内の水位が所定水位以上である場合に水位を検知し、蓄熱タンク３内の水位が所定水位未満である場合に水位を検知しないように構成されている。所定水位は、例えば、蓄熱タンク３の容量の６０〜８０％の水量に対応する水位であってもよい。水位センサＷＬとしては、フロートセンサ等の公知の水位センサを用いることができる。

燃料電池装置１００は、第１熱交換器２、蓄熱タンク３、熱媒ポンプＰ１およびこれらを繋ぐ配管を含む第１の熱循環系ＨＣ１を備える。燃料電池装置１００は、第２熱交換器５、蓄熱タンク３から熱媒を循環させる与熱ポンプＰ２およびこれらを繋ぐ配管を含む第２の熱循環系ＨＣ２を備えていてもよい。燃料電池装置１００は、蓄熱タンク３に貯留された高温の熱媒を用いて、外部から供給流路Ｋｉｎを介して供給された水道水等の水を第２熱交換器５で加温し、加温された水を外部の給湯器等の再加熱装置に向けて送給流路Ｋｏｕｔを介して送給する構成であってもよい。燃料電池装置１００は、外部への温水供給を行わない、いわゆるモノジェネレーションシステムであってもよい。

燃料電池装置１００は、酸素含有ガス流路Ｆを有する酸素含有ガス供給装置１４、燃料ガス流路Ｇを有する燃料ガス供給装置１５および改質水流路Ｒを有する改質水供給装置１６を備える。酸素含有ガス流路Ｆ、燃料ガス流路Ｇおよび改質水流路Ｒには、燃料電池装置１００を動作させるための補機が設けられている。酸素含有ガス流路Ｆには、空気流量計ＦＭ２、ブロワＢ２等の補機が設けられている。燃料ガス流路Ｇには、第１電磁弁Ｖ１、圧力センサＰＳ、燃料ポンプＢ１、ガス流量計ＦＭ１、第２電磁弁Ｖ２等の補機が設けられている。改質水流路Ｒには、水ポンプＰ３等の補機が設けられている。

燃料電池１１の発電に用いられる酸素含有ガスは、酸素含有ガス供給装置１４によって燃料電池１１に導入される。燃料電池１１の発電に用いられる原燃料ガスは、燃料ガス供給装置１５によって改質器１２に導入される。

モジュール１から排出される排ガスは、第１熱交換器２において、第１熱交換器２内を流れる熱媒と熱交換する。この際、排ガスに含まれる水分が結露して凝縮水が生じる。生じた凝縮水は、凝縮水流路Ｃを経由して回収され、改質水タンク６に貯留される。水分が取り除かれた排ガスは、排ガス流路Ｅを介して、燃料電池装置１００の外に排気される。改質水タンク６に貯留された凝縮水は、改質水供給装置１６により改質器１２に供給され、改質水として用いられる。

燃料電池装置１００は、発電運転を補助する補機として、パワーコンディショナ２０、制御装置３０、表示装置や操作パネルを含む操作基板４０等をさらに備える。燃料電池装置１００は、例えば、図２に示すような、各フレーム５１と各外装パネル５２とからなるケース５０の中に配設されている。

制御装置３０は、少なくとも１つのプロセッサおよび記憶装置等を含み、以下に詳細に述べるように、種々の機能を実行するための制御および処理能力を提供する。

種々の実施形態によれば、少なくとも１つのプロセッサは、単一の集積回路として、または、複数の通信可能に接続された集積回路および／もしくはディスクリート回路として、実行されてもよい。少なくとも１つのプロセッサは、種々の既知の技術にしたがって実行されることが可能である。

１つの実施形態において、プロセッサは、たとえば、関連するメモリに記憶された指示を実行することによって１以上のデータ計算手続または処理を実行するように構成された、１以上の回路またはユニットを含む。他の実施形態において、プロセッサは、１以上のデータ計算手続きまたは処理を実行するように構成された、ファームウェア、たとえばディスクリートロジックコンポーネントであってもよい。

種々の実施形態によれば、プロセッサは、１以上のプロセッサ、コントローラ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路、デジタル信号処理部、プログラマブルロジックデバイス、フィールドプログラマブルゲートアレイ、または、これらのデバイスもしくは構成の任意の組み合わせ、または、他の既知のデバイスおよび構成の組み合わせ、を含み、以下に説明される機能を実行してもよい。

制御装置３０は、記憶装置および表示装置（ともに図示省略）と、燃料電池装置１００を構成する各種構成部品および各種センサと接続され、これらの各機能部をはじめとして、燃料電池装置１００の全体を制御および管理する。制御装置３０は、それに付属する記憶装置に記憶されているプログラムを取得して、このプログラムを実行することにより、燃料電池装置１００の各部にかかる、種々の機能を実現する。

制御装置３０から、他の機能部または装置に制御信号または各種の情報等を送信する場合、制御装置３０と他の機能部とは、有線または無線により接続されていればよい。制御装置３０が行う、実施形態に特徴的な制御については、後記で説明する。なお、実施形態において、制御装置３０は特に、燃料電池装置に繋がる外部装置の指示、指令や、先に述べた各種センサの指示や計測値に基づいて、各種補機を制御する。図では、制御装置３０と、燃料電池を構成する各装置および各センサとを結ぶ接続線の図示を、省略している場合がある。

図示しない記憶装置は、プログラムおよびデータを記憶できる。記憶装置は、処理結果を一時的に記憶する作業領域としても利用してもよい。記憶装置は、記録媒体を含む。記録媒体は、半導体記憶媒体、および磁気記憶媒体等の任意の非一時的（ｎｏｎ−ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ）な記憶媒体を含んでよい。また、記憶装置は、複数の種類の記憶媒体を含んでいてもよい。記憶装置は、メモリカード、光ディスク、または光磁気ディスク等の可搬の記憶媒体と、記憶の読み取り装置との組合せを含んでいてもよい。記憶装置は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の一時的な記憶領域として利用される記憶デバイスを含んでいてもよい。

なお、燃料電池装置の制御装置３０および記憶装置は、燃料電池装置１００の外部に有する構成として実現することもできる。さらに、本開示に係る制御装置３０における特徴的な制御工程を含む制御方法として実現したり、上記工程をコンピュータに実行させるための制御プログラムとして実現したりすることも可能である。

燃料電池装置１００は、補機の点検、交換等のメンテナンスを行うために、発電運転（単に、運転ともいう）停止中に補機のうちの特定の補機を動作させること（補機単独運転ともいう）が可能である。制御装置３０は、運転停止中に特定の補機を動作させる旨の指示（単独運転指示ともいう）を受信した場合、その特定の補機を動作させることが可能である。特定の補機は、補機のうちの単一の補機であってもよく、複数の補機であってもよい。単独運転指示は、メンテナンス作業者が操作基板４０を操作することによって、制御装置３０に送信される。

制御装置３０は、燃料電池装置１００の耐久性の低下を抑制するための補機動作制限制御を実行する。補機動作制限制御について以下に説明する。

制御装置３０は、運転停止中に燃料電池装置１００の再起動を行う旨の指示（再起動指示ともいう）、燃料電池装置１００の試運転を行う旨の指示（試運転指示ともいう）または単独運転指示を受信した場合、補機動作制限制御を開始する。再起動指示は、ユーザまたはメンテナンス業者がリモコン（図示省略）を操作することによって、制御装置３０に送信される。試運転指示は、メンテナンス作業者が操作基板４０を操作することによって、制御装置３０に送信される。

制御装置３０は、補機動作制限制御を開始すると、モジュール１の温度および改質器１２の温度の監視を始める。補機動作制限制御において、制御装置３０は、モジュール１の温度が所定温度Ｔ０以上であるか否か、および改質器１２の温度が所定温度Ｔ０以上であるか否かを判定する。モジュール１の温度は、第１温度測定部ＴＣ１によって測定される、モジュール１の中心温度である。改質器１２の温度は、第２温度測定部ＴＣ２によって測定される、改質器１２の入口温度である。所定温度Ｔ０は、例えば６０〜３００℃の範囲で適宜設定することができる。

制御装置３０は、モジュール１および改質器１２の少なくとも一方の温度（測定温度ともいう）Ｔが所定温度Ｔ０以上である場合、補機の少なくとも一部を動作させないように制御する。運転停止中であり、かつ測定温度Ｔが所定温度Ｔ０以上である場合に補機を動作させると、例えば、燃料電池セルの体積が変化して燃料電池セルにクラックを発生させたり、改質器内の触媒が劣化したりするなど、燃料電池装置１００に悪影響を及ぼすことがある。補機動作制限制御によれば、運転停止中であり、かつ測定温度Ｔが所定温度Ｔ０以上である場合の補機の動作が燃料電池装置１００に及ぼす悪影響を軽減することができる。ひいては、再起動、試運転、補機単独運転等による燃料電池装置１００の耐久性の低下を抑制することが可能となる。なお、補機単独運転については、後に詳述する。

補機は、第１補機を有する。第１補機は、水ポンプＰ３、燃料ポンプＢ１およびブロワＢ２を少なくとも含む。なお、第１補機として、燃料電池装置３０の操作を行う機能を備えるリモコンや操作基板を含めることもできる。この場合、補機動作制限制御とは、リモコンや操作基板の全体ではなく、その機能の少なくとも一部とすることができる。

制御装置３０は、モジュール１の温度が第１所定温度Ｔ１以上であるか否か、および改質器１２の温度が第１所定温度Ｔ１以上であるか否かを判定してもよい。第１所定温度Ｔ１は、例えば２００℃〜３００℃である。

制御装置３０は、測定温度Ｔが第１所定温度Ｔ１以上である場合に、第１補機を動作させないように制御してもよい。換言すると、補機動作制限制御における所定温度Ｔ０が第１所定温度Ｔ１であり、動作が制限される補機の少なくとも一部が第１補機であってもよい。

例えば、第１補機として、燃料ポンプＢ１の動作を制限することで、改質器１２内の改質触媒が炭素析出により劣化することを抑制できる。また第１補機として、ブロワＢ２の動作を制限することで、高温の排ガスが排出されることを抑制でき、作業員等の安全性を確保することができる。また、第１補機として、水ポンプＰ３の動作を制限することで、改質器１２自体にダメージが生じることを抑制できる。

以上のように、運転停止中であり、かつ測定温度Ｔが第１所定温度Ｔ１以上である場合に、第１補機を動作させないように制御することで、燃料電池装置１００に及ぼす悪影響を軽減することができる。ひいては、再起動、試運転、補機単独運転等による燃料電池装置１００の耐久性の低下を抑制することが可能となる。

なお、リモコンや操作基板における水抜き制御を対象として、第１補機とすることもできる。この場合には、高温のお湯が排出されることを抑制でき、作業員等の安全性を確保することができる。

制御装置３０は、モジュール１の温度が第２所定温度Ｔ２以上であるか否か、および改質器１２の温度が第２所定温度Ｔ２以上であるか否かをさらに判定してもよい。第２所定温度Ｔ２は、第１所定温度Ｔ１よりも低く設定された温度であり、例えば８０℃〜１２０℃である。制御装置３０は、モジュール１の温度が第３所定温度Ｔ３以上であるか否かをさらに判定してもよい。第３所定温度Ｔ３は、第２所定温度Ｔ２よりも低く設定された温度であり、例えば６０℃〜１００℃である。本制御においては、第１補機として、リモコンを含むことができる。

制御装置３０は、測定温度Ｔが第２所定温度Ｔ２以上である、またはモジュール１の温度が第３所定温度Ｔ３以上である場合に、リモコンからの再起動指示および操作基板４０からの試運転指示を受け付けず、不許可としてもよい。これにより、各種補機の運転も不許可となることから、例えば、燃料ポンプＢ１の動作が間接的に不許可となることで、改質器１２内の改質触媒が炭素析出により劣化することを抑制できる。また、ブロワＢ２の動作も間接的に不許可となることで、高温の排ガスが排出されることを抑制でき、作業員等の安全性を確保することができる。それにより、再起動および試運転に伴う補機の動作が不許可となることで、燃料電池装置１００に及ぼす悪影響を軽減することができる。ひいては、再起動および試運転による燃料電池装置１００の耐久性の低下を抑制することが可能となる。

次に、制御装置３０が補機単独運転を制限するいくつかの例について説明する。

制御装置３０は、測定温度Ｔが第２所定温度Ｔ２以上である場合、操作基板４０からの、燃料ガス流路Ｇおよび酸素含有ガス流路Ｆに設けられた補機に対する単独運転指示を受け付けず、不許可としてもよい。これにより、第１補機として、燃料ガス流路Ｇに設けられた補機の動作を制限することで、改質器１２内の改質触媒が炭素析出により劣化することを抑制できる。また、また第１補機として、酸素含有ガス流路Ｆに設けられた補機の動作を制限することで、高温の排ガスが排出されることを抑制でき、作業員等の安全性を確保することができる。それにより、補機単独運転による燃料電池装置１００の耐久性の低下を抑制することが可能となる。

ここで、燃料ガス流路Ｇに設けられた補機の動作の制限について説明する。例えば図１に示すように、燃料ガス流路Ｇには、第１電磁弁Ｖ１、圧力センサＰＳ、燃料ポンプＢ１、ガス流量計ＦＭ１および第２電磁弁Ｖ２が設けられている。圧力センサＰＳが所定圧力を検知するか否かを確認するためには、第１電磁弁Ｖ１を開状態とする必要がある。それゆえ、制御装置３０は、圧力センサＰＳの動作を制限する場合、圧力センサＰＳ自体の動作を制限するのではなく、第１電磁弁Ｖ１の動作を制限する。また、ガス流量計ＦＭ１が所定流量を検知するか否かを確認するためには、第１電磁弁Ｖ１および第２電磁弁Ｖ２を開状態とし、かつ燃料ポンプＢ１を動作させる必要がある。それゆえ、制御装置３０は、ガス流量計ＦＭ１の動作を制限する場合、ガス流量計ＦＭ１自体の動作を制限するのではなく、第１電磁弁Ｖ１、第２電磁弁Ｖ２および燃料ポンプＢ１の動作を制限する。

図１に示すように、酸素含有ガス流路Ｆには、空気流量計ＦＭ２およびブロワＢ２が設けられている。空気流量計ＦＭ２が所定流量を検知するか否かを確認するためには、ブロワＢ２を動作させる必要がある。それゆえ、制御装置３０は、空気流量計ＦＭ２の動作を制限する場合、空気流量計ＦＭ２自体の動作を制限するのではなく、ブロワＢ２の動作を制限する。

なお、制御装置３０は、モジュール１および改質器１２の温度が第１所定温度Ｔ１未満であり、かつ測定温度Ｔが第２所定温度Ｔ２以上である場合、第１補機のうちの残りの補機、例えば水ポンプＰ３の単独運転は許可としてもよい。

制御装置３０は、測定温度Ｔが第１所定温度Ｔ１以上である場合、燃料ガス流路Ｇ、酸素含有ガス流路Ｆおよび改質水流路Ｒに設けられた補機に対する単独運転指示を受け付けず、不許可としてもよい。燃料ガス流路Ｇおよび酸素含有ガス流路Ｆに設けられた補機については、上述の通りである。なお、改質水流路Ｒに設けられた補機の動作を制限することで、改質器１２自体にダメージが生じることを抑制できる。それにより、燃料ポンプＢ１、第１電磁弁Ｖ１、第２電磁弁Ｖ２、ブロワＢ２、水ポンプＰ３等の単独運転が燃料電池装置１００に及ぼす悪影響を軽減することができる。ひいては、補機単独運転による燃料電池装置１００の耐久性の低下を抑制することが可能となる。

次に、制御装置３０が、第１温度測定部ＴＣ１の測定結果および水位センサＷＬの検知結果に基づく、補機単独運転の制限について説明する。

モジュール１の温度が第２所定温度Ｔ２以上の場合、燃料ガス流路Ｇおよび酸素含有ガス流路Ｆに設けられた補機を駆動することで、モジュール１からの排熱により第１熱交換器２における熱媒が沸騰するおそれがある。

しかし、水位センサＷＬが水位を検知しており、熱媒ポンプＰ１が駆動可能であるならば、制御装置３０は、モジュール１の温度が第２所定温度Ｔ２以上の場合でも、燃料ガス流路Ｇおよび酸素含有ガス流路Ｆに設けられた補機に対する単独運転指示を許可してもよい。

熱媒ポンプＰ１によって熱媒が流動するため、モジュール１からの排熱による第１熱交換器２における熱媒の沸騰を抑制できるため、燃料ガス流路Ｇおよび酸素含有ガス流路Ｆに設けられた補機に対する単独運転指示を受け付けることができる。ひいては、燃料電池装置１００の耐久性の低下を抑制しながらも燃料電池装置１００の操作性を損なうことがない。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

１ モジュール
１１ 燃料電池
１２ 改質器
Ｂ１ 燃料ポンプ
Ｂ２ ブロワ
Ｐ３ 水ポンプ
３０ 制御装置
１００ 燃料電池装置

Claims (4)

1. 燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電を行う燃料電池を備えるモジュールと、
   原燃料を改質して前記燃料電池に供給する燃料ガスを生成する改質器と、
   前記燃料電池を動作させるための補機と、
   該補機の動作を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、発電運転を停止しており、かつ前記モジュールおよび前記改質器の少なくとも一方の温度が所定温度以上の場合に、前記補機の少なくとも一部を動作させないよう制御する燃料電池装置。
2. 前記補機は、前記改質器に水を供給するための水ポンプ、前記改質器に原燃料を供給する燃料ポンプ、および前記燃料電池に酸素含有ガスを供給するブロワを含む第１補機を有し、
   前記制御装置は、前記モジュールの温度が第１所定温度以上であるか否か、および前記改質器の温度が前記第１所定温度以上であるか否かを判定する、請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記制御装置は、前記モジュールおよび前記改質器の少なくとも一方の温度が前記第１所定温度以上の場合に、前記第１補機を動作させないよう制御する請求項２に記載の燃料電池装置。
4. 前記制御装置は、前記モジュールの温度が前記第１所定温度よりも低く設定された第２所定温度以上であるか否か、および前記改質器の温度が前記第２所定温度以上であるか否かを判定し、
   前記制御装置は、前記モジュールおよび前記改質器の温度が前記第１所定温度未満、かつ前記モジュールおよび前記改質器の少なくとも一方の温度が、前記第２所定温度以上の場合に、前記第１補機のうち、前記燃料ポンプおよびブロワを動作させないよう制御する請求項２に記載の燃料電池装置。