JP4480328B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、燃料電池システムに関し、特にたとえば、燃料電池と、その燃料電池を作動させるために必要な補機と、この補機の動作状態を制御するたとえばコンピュータとを備える、燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
各々が、たとえば固体高分子電解質膜を介してアノード（空気極）とカソード（燃料極）とを対向配置した多数のセルを積層した燃料電池システムにおいて、たとえばこの空気極に供給する空気流量や燃料極に供給する原燃料流量が、それぞれ、ブロワやポンプで調節される。そして、コンピュータは、そのとき必要な発電電力量に依って、それらのポンプやブロワ（まとめて「補機」という。）をフィードバック制御する。
【０００３】
このような、燃料電池を作動させるために必要な補機には摺動部のような機械的動作部分があり、したがって、補機の能力は摩耗等の経年変化によって段々低下する。そして、最終的にその補機によって所定量の空気や燃料ガスを供給できなくなってしまい、燃料電池システムは異常停止することになる。
【０００４】
たとえば特許文献１には、有向グラフモデルを使用して燃料電池システムにおける故障診断を行う「診断システム」を開示している。この特許文献１に開示の技術を用いれば、故障が発生したとき、つまり異常停止したとき、原因が何であったのかを速やかにかつ自動的に検知することができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−１２４１３４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に開示した方法では、異常停止したときに初めて故障原因を特定し、部品交換等の修理を行うことができるだけで、故障部品が判明した後その部品を手配するので、修理ができるまでの時間が長くなり、そのために燃料電池システムが停止する時間が長く、ユーザに不便を強いることになる。殊に、家庭用の燃料電池システムにおいては顕著である。
【０００７】
それゆえに、この発明の主たる目的は、停止時間を可及的短くできる、燃料電池システムを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、燃料電池と、その燃料電池を作動させ、経年劣化によって出力値が変化する補機と、前記補機に当該補機の出力を制御する駆動信号を与えるとともに当該補機の出力のフィードバックを受けて当該補機を制御する補機制御手段とを備える燃料電池システムにおいて、補機制御手段は、定格運転時の補機の制御出力値の初期値をＬ１、その制御出力値Ｌ１を読み込んだときの累積運転時間をＴ１、制御出力値の所定の目標値をＬ２、制御出力値が前記目標値Ｌ２に到達したときの累積運転時間をＴ２、補機の経年劣化によって制御不能となる制御不能閾値をＬ３としたとき、制御不能閾値Ｌ３となるまでの累積運転時間Ｔ３を、Ｔ３＝[（Ｌ３−Ｌ２）＊（Ｔ２−Ｔ１）／（Ｌ２−Ｌ１）]＋Ｔ２で算出し、残り寿命Ｔｘを、Ｔｘ＝Ｔ３−Ｔ２で算出し、Ｔｘが所定値以下のときに補機の経年劣化の警告を行うことを特徴とする燃料電池システムである。
【０００９】
【作用】
たとえば制御手段がコンピュータであれば、その制御コンピュータからは各補機に対して目標動作状態となるように制御出力値が指示される。具体的に補機がポンプであるような場合には、コンピュータからはそのポンプを目標流量で運転するべくたとえばＰＷＭ値のような制御出力値（駆動信号）を与える。コンピュータでは、そのような各補機に対する制御出力値から、その補機が使用不能となる時期を予測し、その予測使用不能時期に基づいて、たとえばセンタコンピュータ（集中制御室）へ警告を発する。
【００１０】
そのような警告が出されると、その警告に従って事前に、当該補機の修理に必要な部品（補機自体やそれの修理用部品など）を手当てできる。
【００１１】
【発明の効果】
この発明によれば、補機の使用不能時期を予測して部品交換等の時期を事前に警告できるので、該当する補機を予め準備しておくなど、計画的に保守点検でき、燃料電池システムの停止時間を最小にすることができる。
【００１２】
この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。
【００１３】
【実施例】
図１を参照して、この実施例の燃料電池システム１０は、燃料電池１２と、その燃料電池１２に改質した燃料ガスを供給する改質器１４とを含む。なお、この実施例では、燃料電池１２として固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）を用いるが、必ずしもこのタイプの燃料電池に限らず、他のタイプたとえば固体酸化物型（ＳＯＦＣ）などにもこの発明が適用できることを予め指摘しておく。
【００１４】
実施例に用いる固体高分子型燃料電池１２は、よく知られているように、セル（単電池）が複数直列に積層されたモジュールとして構成され、各セルは、高分子イオン交換膜などの固体高分子電解質膜の相対向面にそれぞれ接合された１対の電極、すなわち空気極（カソード）１２ａおよび燃料極（アノード）１２ｂを含み、このカソード１２ａおよびアノード１２ｂ内で、電気化学反応が生じ、発電が行われる。ただし、この発電原理はよく知られているため、ここでは、燃料電池１２の発電動作に関してこれ以上の説明は省略する。
【００１５】
改質器１４は、たとえば都市ガス（天然ガス）を水素ガスもしくは水素リッチガスに改質して上記燃料電池１２の燃料極１２ｂに供給する。そのために、空気および都市ガスがポンプ（またはブロワ）１６ａおよび１８ａによって改質器１４に供給されるとともに、ポンプ２４ａから純水がこの改質器１４に供給される。改質器１４ではこのように供給される都市ガス（これはオフガスを含んでよい。）を燃焼させて所定温度たとえば６００℃程度の高温として、水蒸気改質し、それによって得られた水素を燃料極（アノード）１２ｂへ供給する。
【００１６】
なお、ポンプ１６ｂによって空気が改質器１４のＣＯ除去器に供給され、さらに、空気が、ポンプ１６ｃによって、燃料電池１２の空気極（カソード）１２ａへ供給される。
【００１７】
また、上水道のような市水からの水が純水装置２０によって純水として純水タンク２２に貯められ、この純粋タンク２２から、純水が、上述のようにポンプ２４ａによって改質器１４に供給されるとともに、ポンプ２４ｂによって燃料電池１２の冷却水として供給される。ただし、冷却後の純水は純水タンク２２に回収されて再利用される。
【００１８】
このような燃料電池システム１０の全体的な構成や動作は既に周知のところであり、ここでこれ以上の詳細は省略するが、この燃料電池システム１０における各ポンプ（またはブロワ）１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１８ａ，１８ｂ，２４ａおよび２４ｂを、それぞれ、補機と呼ぶこととする。したがって、この明細書において「補機」とは、燃料電池１２の運転または作動に欠かせない燃料や空気あるいは水を供給するために必要なポンプやモータなどの動力機器を意味する。
【００１９】
図１では図示していないが、上述の「補機」はコンピュータによってフィードバック制御される。つまり、各ポンプにはそれぞれの流量を検出するセンサ（図示せず）が付属されていて、それによって検出された流量がそのコンピュータにフィードバックされ、コンピュータでは、各流量が目標値になるように、対応のポンプやモータに、たとえばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）値を指示する。
【００２０】
詳しく述べると、図２に示すように、コンピュータ（図示せず）は、ステップＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４およびＳ５において改質器１４に関連する制御を実行する。つまり、ステップＳ１で燃焼用空気流量制御のためにポンプ１６ａを制御し、ステップＳ２で燃焼用ガス流量制御のためにポンプ１８ａを制御し、ステップＳ３においてＣＯ除去用空気流量制御のためにポンプ１６ｂを制御し、ステップＳ４において原燃料流量制御のためにポンプ１８ｂを制御し、そしてステップＳ５で改質用スチーム流量制御のためにポンプ２４ａを制御する。
【００２１】
そして、コンピュータは、ステップＳ６およびＳ７において燃料電池１２に関連する制御を実行する。つまり、ステップＳ６で電池反応空気流量制御のためにポンプ１６ｃを制御し、ステップＳ７で電池冷却水流量制御のためにポンプ２４ｂを制御する。ただし、上述のステップＳ４によってポンプ１８ｂを制御することによって、燃料電池１２のための原燃料流量制御も併せて行われるものである。
【００２２】
このようにして、コンピュータ（図示せず）によって燃料電池システム１０における各補機が制御され、それによって所定電力量の発電が行われ、燃料電池１２から図示しない負荷に電力が供給される。
【００２３】
そして、ステップＳ８において、運転データや警告データ等がセンタコンピュータ（図示せず）に送信される。ここで「センタコンピュータ」とは、各燃料電池システム１０を集中的に監視しているコンピュータのことであり、ステップＳ８で送信されたデータがステップＳ１０においてそのセンタコンピュータによって受信される。
【００２４】
なお、ステップＳ８でデータをセンタコンピュータに送信した後、ステップＳ９において停止指示が入力されているかどうか判断し、“ＹＥＳ”なら燃料電池システム１０の運転を停止するし、“ＮＯ”なら、再び、ステップＳ１に戻って補機制御ルーチンが実行される。
【００２５】
また、センタコンピュータは、ステップＳ１０で受信したデータに従って、図１のシステム１０を監視するモニタ（図示せず）にプロセスデータを表示する（ステップＳ１１）。そして、ステップＳ１２においてセンタコンピュータは受信したデータ中に警告データがあったかどうか判断する。この警告データは、たとえば図１の燃料電池システム１０におけるいずれか１つのポンプすなわち補機の使用不能時期が接近していることを警告するためのデータである。したがって、センタコンピュータでは、もしそのような警告データが含まれていたとすると、その警告の対象となった部品（ポンプやブロワあるいはモータなど）をその監視用モニタ上に表示し、オペレータの注意を促す。
【００２６】
センタコンピュータによって燃料電池システム１０を監視しているオペレータは、そのような警告データによって補機の劣化の兆候を報知されると、たとえば電話回線やインタネット（Ｅメール）のような通信手段を用いて、その該当部品の劣化を情報として担当のサービス拠点に連絡する。ただし、そのような連絡は自動的にセンタコンピュータによって行われるようにしてもよい。
【００２７】
そして、サービス拠点では、サービスマンが、燃料電池システムのいずれかの部品が近く劣化するとの情報を入手することができる。したがって、そのサービス拠点あるいはサービスマンは、警告された補機またはそれの部品を、やがて到来する使用不能時期より前に手配し、前もって入手することができる。したがって、もし燃料電池システム１０が補機の劣化を原因として停止しても、即座に該当の部品を交換することができるので、システム１０の停止時間は、故障してから部品を取り寄せる場合に比べて、大幅に短縮できる。あるいは、予測された使用不能時期に最も近い点検日に通常の点検と同じように警告を受けた補機またはそれぞれの部品を交換するようにすれば、故障による停止をなくすることもできるかもしれない。
【００２８】
ここで、図３および図４を参照して、図２のステップＳ４のポンプ１８ｂの制御、すなわち原燃料流量制御を例に挙げて、そのような使用不能時期の予測方法について説明する。
【００２９】
図３の最初のステップＳ４１では、図１実施例に設けられる制御用コンピュータ（図示せず）は、定格運転時の燃料ポンプ１８ｂの制御出力値（これはたとえばＰＷＭ値や他の制御指示値）をＬ１とし、その制御出力値Ｌ１を読み込んだ時刻（時間）をＴ１として、それぞれ、図示しないメモリに記憶する。この原燃料ポンプ１８ｂは、先に説明したようにたとえば経年変化によって、やがて制御不能（制御出力値を与えても目標流量が得られなくなる状態）になるが、そのような制御不能の判断の閾値をＬ３とし、残り寿命時間ＴｎをＴｎ＝Ｔ３−Ｔ２として設定する。ただし、Ｔ３は制御不能閾値Ｌ３となるまでの時間とし、Ｔ２はステップＳ４５に示すように、現在流量到達時の累積運転時間である。
【００３０】
そして、ステップＳ４２において、コンピュータは、ポンプ１８ｂに付属の流量センサ（図示せず）からのデータに従って、現在の原燃料流量を測定する。そして、その現在の原燃料流量が定格運転の目標流量と同じになっているかどうかをステップＳ４３で判断する。このステップＳ４３で“ＹＥＳ”が判断されると、ステップＳ４４ａで原料ポンプ１８ｂに対する制御出力値を変更しないで、また、ステップＳ４３で“ＮＯ”が判断されると、ステップＳ４４ｂで原料ポンプ１８ｂに対する制御出力値を変更して、それぞれ、次のステップＳ４５に進む。
【００３１】
ステップＳ４５ａでは、現在の原燃料ポンプ１８ｂの制御出力値、つまり定格運転の目標流量が得られたときの制御出力値を制御出力値Ｌ２として図示しないメモリに記憶し、ステップＳ４５ｂでは、制御出力値Ｌ２に到達した、つまり目標流量に到達したときの累積運転時間Ｔ２を測定し、図示しないメモリに記憶する。そして、ステップＳ４６において、コンピュータは、残り寿命Ｔｘを推測する。つまり、このステップＳ４６までに上述の各変数Ｌ１，Ｌ２，Ｔ１，Ｔ２が把握できるので、制御不能閾値Ｌ３となるまでの時間Ｔ３を数１に従って予測し、残り寿命Ｔｘを数２に従って推測する。
【００３２】
【数１】

【００３３】
【数２】

【００３４】
つまり、時間Ｔ３が数１で示され、それから時間Ｔ２が減じられると、時間Ｔ２経過時点での予測寿命Ｔｘが計算できる。そして、ステップＳ４７において、その時間Ｔ２経過時点での予測寿命ＴｘがステップＳ１で最初に設定した予測寿命Ｔｎ以下であるかどうか判断する。このステップＳ４７で“ＹＥＳ”が得られるということは、予測寿命時間Ｔｘが設定残り寿命時間Ｔｎに達していないということであり、したがって、ステップＳ４８ａで寿命について警告することなしに、リターンする。ただし、ステップＳ４７で“ＮＯ”が判断されると、そのときには、設定残り寿命時間Ｔｎを超えたことを意味し、その場合には、ステップＳ４８ｂで警告した後、リターンする。
【００３５】
このように、刻々の（累積時間Ｔ２での）予測寿命時間Ｔｘが設定残り寿命Ｔｎに達したかどうか判断し、達してしまったら、残り寿命がなくなったものとして、警告し、該当補機、図３の例の場合であれば原燃料ポンプ１８ｂの早期の手当てを促す。
【００３６】
図３の実施例は刻々の予測寿命時間Ｔｘを、設定寿命と比較するものであったが、図４の実施例では、上述の制御不能閾値Ｌ３となる時間Ｔ３だけで判断しようとするものである。
【００３７】
すなわち、図４の最初のステップＳ４０１では、先の図３のステップＳ４１と同様に、出力初期値Ｌ１および時間Ｔ１をメモリするとともに、第２閾値Ｌ２および第１閾値Ｌ３を設定する。ただし、Ｌ３は、先と同様に、補機、実施例の場合には、原燃料ポンプ１８ｂが制御不能になってしまったと判断する閾値である。このような設定項目の違いを除き、図４のステップＳ４０１，Ｓ４０２，Ｓ４０３，Ｓ４０４ａおよびＳ４０４ｂは、それぞれ、図３のステップＳ４１，Ｓ４２，Ｓ４３，Ｓ４４ａおよびＳ４４ｂと同様であるので、ここでは重複する説明は省略する。
【００３８】
図４のステップＳ４０５では、コンピュータ（図示せず）は、原燃料ポンプ１８ｂに対するそのときの制御出力値（ＰＷＭ値）が上記第２閾値Ｌ２を超えているかどうか判断する。このステップＳ４０５で“ＹＥＳ”が得られるということは、目標流量を得るために、正常であれば制御出力値Ｌ２でよいのに、経年変化によってそれより大きい制御出力値を与えなければ目標流量が得られなくなっていることを意味する。したがって、この場合には、続くステップＳ４０６で、ステップＳ４０５で“ＹＥＳ”となるまでの累積時間Ｔ２求め、続くステップＳ４０７で、先の数１と同じようにして、制御不能と判断する、原燃料ポンプ１８ｂに対する制御出力値の閾値Ｌ３までの時間Ｔ３を予測する。そして、この予測時間Ｔ３が所定時間になっていれば、ステップＳ４０８で警告してリターンする。
【００３９】
ただし、ステップＳ４０５で“ＮＯ”が判断された場合には、制御不能閾値Ｌ３になるまでに未だ時間があるということであり、この場合には、そのままリターンする。
【００４０】
なお、上述の図３および図４では、１つの補機、原燃料ポンプ１８ｂについてだけ説明したが、他の補機についてもすべて同様の手法で残り寿命Ｔｘや制御不能になるまでの時間Ｔ３を予測または推測することができるのは、もちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例を示すシステムフロー図である。
【図２】図１実施例の全体制御動作の一例を示すフロー図である。
【図３】図２におけるステップＳ４での原燃料流量制御動作の一例を示すフロー図である。
【図４】図２におけるステップＳ４での原燃料流量制御動作の他の例を示すフロー図である。
【符号の説明】
１０ …燃料電池システム
１２ …燃料電池
１４ …改質器
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１８ａ，１８ｂ，２４ａ，２４ｂ …ポンプ

Claims (1)

1. 燃料電池と、その燃料電池を作動させ、経年劣化によって出力値が変化する補機と、前記補機に当該補機の出力を制御する駆動信号を与えるとともに当該補機の出力のフィードバックを受けて当該補機を制御する補機制御手段とを備える燃料電池システムにおいて、
   補機制御手段は、
   定格運転時の補機の制御出力値の初期値をＬ１、
   その制御出力値Ｌ１を読み込んだときの累積運転時間をＴ１、
   制御出力値の所定の目標値をＬ２、
   制御出力値が前記目標値Ｌ２に到達したときの累積運転時間をＴ２、
   補機の経年劣化によって制御不能となる制御不能閾値をＬ３としたとき、
   制御不能閾値Ｌ３となるまでの累積運転時間Ｔ３を、
   Ｔ３＝[（Ｌ３−Ｌ２）＊（Ｔ２−Ｔ１）／（Ｌ２−Ｌ１）]＋Ｔ２で算出し、
   残り寿命Ｔｘを、
   Ｔｘ＝Ｔ３−Ｔ２で算出し、
   Ｔｘが所定値以下のときに補機の経年劣化の警告を行うことを特徴とする燃料電池システム。

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