JP5112107B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents

Description

本発明は、外乱に対して安定に動作する高信頼性の燃料電池発電システムに関する。

燃料が内包している化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換するシステムとして燃料電池は優れた利便性を有する。燃料電池は、燃料である水素と酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて直接電気を取り出すものであるため、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができると同時に、静かで有害な排ガスを出さないという利点を有し、環境に優しいシステムである。近年まで、比較的大型のＰＡＦＣ（りん酸形燃料電池）が主に開発されてきたが、最近では小型のＰＥＦＣ（固体高分子形燃料電池）の開発が活発化し、一般家庭用として燃料電池発電システムが普及する状況が期待されてきている。

ところで、家庭用の燃料電池発電システムでは普及に向けたコストダウンが必須であり、その一環としてシステムの簡素化、機器の小型化の努力が各メーカにおいて精力的に行われている。一方、これらの試みは機器の安定化やロバスト性（通常でない状況であっても正しく動作する機能）を失う可能性もあるという本質的な問題があり、周辺機器を追加することなく制御の工夫によるロバスト性向上は重要なポイントとなっている。ＰＥＦＣは低温動作の関係上ＣＯガス（改質反応にて発生する副生成物）に対する耐性が低いため、燃料処理系の変動等に伴うＣＯ増で一時的に電圧が低下する可能性があり、このような一時的な外乱に対しても安定に発電し続けるロバストなシステムであることが求められる。

安全面の作用としては、例えば機器から燃料リーク等が発生した場合、可燃ガス検知器が検知し、安全に保護停止し、燃料が遮断される。また、マイコンメータ遮断等でガスがなくなると、ガス管が負圧となる前に燃料元圧計により検知して保護停止し、燃料供給路が遮断され、安全が確保される。

これらの保護動作は、従来のシステムでは図３に示すように、故障の発生を警報システムにより報知すると共に発電を停止し（工程Ｋ１）、降温後、停止保持される。メンテナンス要員等が故障の原因を取り除くまではシステムを再起動しない。

また、燃料元圧の一時的な低下や前述したプロセスＣＯ上昇により燃料電池電圧の不安定化等でも同じく保護停止し、故障とカウントされ、メンテナンス要員の対応を待つ必要がある。故障の原因を取り除いた後は、システムを再起動し（工程Ｋ２）、燃料処理装置において燃料供給部、改質器／ＣＯ変成器、ＣＯ除去器をそれぞれ昇温させ（工程Ｋ３）、反応が定常化する一定のスタンバイ時間だけ燃料供給を待機させ（工程Ｋ４）、スタンバイ時間経過後に燃料処理装置から燃料電池発電部へ燃料（水素含有ガス）を供給して発電を開始する（工程Ｋ５）。発電中に何らかの故障、例えば機器から燃料リーク等が発生した場合、これをガス検知器が検知すると、燃料処理装置および発電部への燃料の供給を停止又は制限して反応を停止又は抑制し、燃料処理装置を降温させ（工程Ｋ６）、システムを停止させる（工程Ｋ１）。このようにシステム全体の保護を図りながら安全に停止されるようになっている。

運転中にシステムのどこかに異常を生じた場合にも安定に発電し続けるロバスト性を確保するために、従来から種々の提案がなされている。例えば特許文献１には、異常検出処理をする燃料電池システムが記載されている。この従来システムでは、起動時のある一定期間において一時的に保護項目をマスクすることを提案している。
特開２００６−７９９８１号公報

しかしながら、特許文献１に記載された従来システムでは、プロセス諸条件が管理値を逸脱した場合であっても運転そのものは継続され、異常検知による運転の停止は回避できるが、一時的とはいえ保護項目をマスクするため、その期間中に故障のリスクを負うことになる。このように特許文献１のシステムにおいては、一時的とはいえ故障のリスクが増大するため、システムの信頼性を低下させることとなる。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、既存システムの構成を大きく変えることなく、また故障のリスクを増大させることなく安定に動作することができる高信頼性の燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池発電システムは、発電部と、燃料供給部を有し、前記燃料供給部から供給される燃料を改質し、改質した燃料を前記発電部に供給する燃料処理装置と、前記燃料処理装置の燃料供給動作を制御すると共に前記燃料処理装置が正常運転を逸脱した場合に前記発電部の発電動作を停止させる保護項目を有する制御部と、前記発電部の出力電極に接続され、前記発電部から出力される発電出力を検出し、出力検出信号を前記制御部に送るパワーコンディショニングシステムと、前記燃料供給部の上流に取り付けられ、前記燃料供給部への燃料の供給元の圧力を検出する燃料元圧計と、を具備する燃料電池発電システムにおいて、
前記制御部は、異常を検知したときに、故障発報することなく、前記発電部の発電動作を停止させた後に、前記発電部を自動的に再起動させる保護項目をさらに有することを特徴とする。

上記制御部は、自動起動することで安全リスク及び／又は前記発電部および前記燃料処理装置が故障するリスクが一定以上ある場合は、前記発電部の発電動作を停止保持し、リスクの一定以下の項目については故障発報することなく、前記発電部の発電動作を停止させた後に、前記発電部を自動的に再起動させることができる。

また、上記制御部は、前記リスクが一定以下の項目のうち、項目のリスクに従い、前記パワーコンディショニングシステムから出力異常信号が入るか、または前記発電部から電極電位異常信号が入った場合は、所定の第１の待機時間経過後にシステムを自動的にホットリスタートする自動再起動させ、前記燃料元圧計から圧力低下信号が入った場合は、前記第１の待機時間より長い所定の第２の待機時間経過後にシステムを自動的にホットリスタートする自動再起動させることができる。

また、上記制御部は、所定の設定時間のうちに同じ現象で複数回保護停止した場合に、自動再起動することなしに、故障発報し、前記発電部の発電動作の停止を保持することもできる。

また、上記制御部は、予め関連付けられた保護項目が、一定時間のうちに複数発生した場合に、自動再起動することなしに、故障発報し、停止保持することもできる。

また、上記制御部は、自動起動を行う際に、動作した保護項目に応じて運転条件を変えることもできる。

本発明によれば、既存システムの構成を大きく変えることなく、また故障のリスクを増大させることなく安定に動作する高信頼性の燃料電池発電システムが提供される。

以下、添付の図面を参照して本発明を実施するための最良の実施の形態について説明する。

（第１の実施の形態）
燃料電池発電システム２０は、燃料処理装置８および発電部１０などの各種要素を組み立てて一体にパッケージ化したものであり、制御部１６によってシステム全体が統括的に制御されるようになっている。この制御部１６は、データベースとして燃料電池の運転に関する種々のプロセスデータを有するプロセスコンピュータを内蔵しており、本システム２０の各所に設置されたセンサや計測器から信号が入力されると、それに対応するプロセスデータを呼び出し、呼び出したデータと入力信号とに基づいて演算を実行して必要な制御量を算出し、算出した制御量に対応する制御信号を各駆動部分に出力するものである。

本システム２０の外周は図示しない外装パネルで覆われている。外装パネルの適所には複数の開口部が形成され、これらの開口部と向き合って換気ファン１４が取り付けられている。換気ファン１４は、制御部１６によって動作が制御され、システム２０の内部を強制換気するものである。換気ファン１４の吸い込み側には可燃ガス検知器１５が取り付けられ、燃料処理装置８や発電部（燃料電池本体）１０からの燃料漏れを検知し、ガス検知信号Ｓ５が制御部１６に送られるようになっている。すなわち、可燃ガス検知器１５は、システムの安全性を確保するために、システム２０から漏洩する僅かの可燃ガス（水素含有ガス）をも検知するようになっている。

燃料処理装置８は、原燃料としてのジメチルエーテルを水素含有ガスに改質する装置であり、内部配管で接続された燃料供給部２、改質器／ＣＯ変成器３、ＣＯ除去器４、空気供給部６および蒸気供給部７を内蔵している。

燃料供給部２は、遮断弁１２を有する配管ラインを介して図示しない燃料タンクに接続されている。遮断弁１２の駆動回路の電源スイッチは制御部１６により動作が制御されるようになっている。

遮断弁１２と燃料供給部２との間に燃料元圧計１３が取り付けられ、燃料タンク（図示せず）から供給される燃料の供給元の圧力（元圧）が検出され、その検出信号Ｓ４が制御部１６に送られるようになっている。

改質器／ＣＯ変成器３は、改質器の部分とＣＯ変成器の部分とを備え、燃料供給部２の下流側に内部流路を介して接続されている。改質器／ＣＯ変成器３と燃料供給部２との間の流路に蒸気供給部７から蒸気が注入され、燃料の改質反応（加水分解反応）がなされるようになっている。蒸気供給部７は、例えば飽和蒸気または過飽和蒸気を生成して供給する小型ボイラである。蒸気供給部７は図示しない流量制御弁を内蔵している。この流量制御弁は、制御部１６から出力される制御信号Ｓ７により開閉動作が制御されるようになっている。ＣＯ変成器は、改質器から得られる水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）をシフト反応により二酸化炭素（ＣＯ₂）に変換するものである。

ＣＯ除去器４は、改質器／ＣＯ変成器３の下流側に内部流路を介して接続されている。改質器／ＣＯ変成器３と燃料供給部２との間の流路に空気供給部６から空気が注入されるようになっている。この空気供給部６は、例えば清浄空気を供給するためのフィルタを内蔵した小型のエアコンディショナである。空気供給部６は図示しない流量制御弁を内蔵している。この流量制御弁は、制御部１６から出力される制御信号Ｓ８により開閉動作が制御されるようになっている。ＣＯ除去器４は、改質器／ＣＯ変成器３からのガス中に含まれるＣＯを酸化燃焼反応により除去するものである。さらにＣＯ除去器４は、発電部１０のアノード側に接続されている。

発電部１０は、アノード／電解質膜／カソードからなる膜電極接合体（MEA）を複数備えた燃料電池の本体部分に該当し、これら複数の単電池が多段に積み重ねられたスタック構造をなしている。発電部１０のアノード側流路にはＣＯ除去器４からの流路が連通している。また、発電部１０のカソード側流路には酸化剤供給部９からの流路が連通している。酸化剤供給部９は、例えば清浄空気を供給するためのフィルタを内蔵した小型のエアコンディショナである。酸化剤供給部９は図示しない流量制御弁を内蔵している。この流量制御弁は、制御部１６から出力される制御信号Ｓ９により開閉動作が制御されるようになっている。なお、酸化剤供給部９と上述の空気供給部６とを共通化するようにしてもよい。

発電部１０のアノード電位およびカソード電位は図示しない電圧計により検出され、それらの検出信号Ｓ２，Ｓ３が制御部１６にそれぞれ送られるようになっている。

パワーコンディショニングシステム(PCS)１１が発電部１０の出力電極（集電体）に接続されている。ＰＣＳ１１は、インバータおよびその周辺の関連機器を含む電圧安定化のためのシステムである。家庭用燃料電池システム２０では商用電源との連係運転を最適化するために、このＰＣＳ１１が重要な役割を有している。すなわち、発電部１０からＰＣＳ１１を介して家庭の負荷（図示せず）に発電電力を出力する際に、ＰＣＳ１１は商用電源との切り替えを行ったり、サブシステムとしての熱利用システム（給湯システム）の運転制御を行ったりするようになっている。ＰＣＳ１１は、燃料電池システム２０から出力される発電出力を常に監視し、出力検出信号Ｓ１を制御部１６へ随時送るようになっている。

次に、図２を参照して本実施形態の燃料電池発電システムの動作について説明する。

先ず、制御部１６から信号Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８，Ｓ１０を各機器２，３，６，７，１２に送り、燃料電池システム２０の燃料処理装置８を起動させる。すなわち、遮断弁１２を開けて図示しない燃料タンクから燃料供給部２に燃料を供給するとともに、蒸気供給部７から燃料供給部２の下流側流路に蒸気を供給し、さらに空気供給部６から改質器／ＣＯ変成器３の下流側流路に空気を供給して、停止状態にある燃料処理装置８を起動させる（工程Ｓ１→Ｓ２）。

燃料処理装置８が運転状態に移行すると、改質器／ＣＯ変成器３およびＣＯ除去器４ではそれぞれ発熱反応が進むため、それぞれが昇温する（工程Ｓ３）。これらの温度は図示しない温度センサによって検出され、それらの信号が制御部１６へそれぞれ送られる。

制御部１６は、所定のスタンバイ時間が経過するまで、または燃料処理装置８および発電部１０がそれぞれ所定の反応温度に到達するまでの期間は、燃料処理装置８および発電部１０の各部に待機信号を発信して待機させる（工程Ｓ４）。この待機期間中には燃料処理装置８から発電部１０への燃料ガスの供給を実質的に行わない。

所定の待機期間が経過した後、燃料処理装置８から発電部１０に燃料ガス（水素を含有する改質ガス）を供給し、発電部１０において発電を開始する（工程Ｓ５）。

制御部１６は、現在の時刻をシステムクロックに問い合せ、不揮発性メモリに記録されている前回のシステム停止指令の時刻を減算することにより、前回のシステム停止からの経過時間を算出する。

ここで最新のシステム異常検出処理において異常が無かった場合は、システム起動時にガス漏れ等のシステム異常が発生している蓋然性が低いと考えられ、発電開始前に再び異常検出処理をする必要性が低い。このため、制御部１６は、先ず前回のシステム異常検出で異常が検出されたか否かを調べる。そして、前回のシステム異常検出処理で異常が無かった場合は、制御部１６は、前回のシステム停止指令からの経過時間が所定の時間、すなわち異常検出処理の実行周期より短いか否かを判定する。前回のシステム停止指令からの経過時間が運転時の異常検出処理の実行周期よりも短い場合、すなわち極めて短い停止期間の直後に再起動された場合は、直ぐにシステム起動許可処理に移行する。このシステム起動許可処理は、発電部１０に発電を開始させるための準備処理にあたり、遮断弁を開放してポンプを起動して所定量の燃料ガスを発電部１０のアノード側に供給するとともに、酸化剤供給部９を駆動して空気を発電部１０のカソード側に供給するものである。

本実施形態では、保護項目を段階的に４つのレベルに分類している。すなわち、リスクの増加に従ってレベル１からレベル４までレベル番号が大きくなり、次のように分類している。

レベル１：発生する異常のなかでは最もリスクが低く、直ぐに（例えば１〜２分後）正常運転に復帰（回復）できるレベルである。リスクが極めて低い電池電圧の一時的な低下、および低リスクのＰＣＳ（パワーコンディショニングシステム；インバータ関連機器）の異常などがこれに該当する。

レベル２：異常が発生した場合に、正常化し次第直ぐに（例えば異常検知から１０分後）ホットリスタート（高温域からの再起動）を行うレベルである。燃料元圧の低下、系統異常、および低リスク（但し、レベル１よりも高いリスク）の電池電圧の低下などがこれに該当する。

レベル３：異常が発生した場合に、一定時間経過後（例えば異常検知から６０分後）にシステムが正常な状態に回復してから通常の冷起動（室温近傍の低い温度域からの起動）を試みるレベルである。改質系の温度が高くなりすぎる異常昇温、あるいは温水戻りが高くなりすぎるなどがこれに該当する。

レベル４：異常が発生した場合に、メンテナンス要員の対応が必要になるレベルである。可燃ガスの検知、火災検知、あるいは燃料改質器におけるスチーム／カーボン比（Ｓ／Ｃ比）の低下などがこれに該当する。このレベル４では、システム内での機械的な自動復帰機能による再起動を行うことなく、警報を発してメンテナンス要員に異常が発生したことを報知する。

システム２０の運転中において、ＰＣＳ１１から出力異常信号Ｓ１が入るか、または発電部１０から電極電位異常信号Ｓ２，Ｓ３が入った場合は、制御部１６はレベル１の異常が発生したものと判定する（工程Ｓ６）。このレベル１は最もリスクが低い異常レベルに相当するものである。制御部１６は、レベル１の異常を検知すると、所定の第１の待機時間（例えば１〜３分間）を経て自動的にホットリスタートし、発電部１０で発電を再開する（工程Ｓ６→Ｓ４→Ｓ５）。

システム２０の運転中において、圧力計１３から燃料元圧の低下信号Ｓ４が入るか、または系統異常信号Ｓ１１が入った場合は、制御部１６はレベル２の異常が発生したものと判定する（工程Ｓ７）。このレベル２は次にリスクが低い異常レベルに相当するものである。制御部１６は、レベル２の異常を検知すると、前記レベル１の異常検知のときの第１の待機時間より長い所定の第２の待機時間（例えば７〜１０分間）を経て自動的にホットリスタートし、発電部１０で発電を再開する（工程Ｓ７→Ｓ３→Ｓ４→Ｓ５）。

システム２０の運転中において、改質器／ＣＯ変成器３の異常昇温信号Ｓ１２が入るか、またはＣＯ除去器４の異常昇温信号Ｓ１３が入るか、または温水戻り高の異常信号Ｓ１４が入った場合は、制御部１６はレベル３の異常が発生したものと判定する（工程Ｓ８）。このレベル３はかなりリスクが高い異常レベルに相当するものである。制御部１６は、レベル３の異常を検知すると、所定の待機時間（例えば６０〜７０分間）を経て自動で冷起動を試みるか、または手動で冷起動を試みることをユーザーに報知する（工程Ｓ８→Ｓ２）。その後、所定の待機時間を経て運転を再開する（工程Ｓ２→Ｓ３→Ｓ４→Ｓ５）。

システム２０の運転中において、可燃ガスリーク検知信号Ｓ５が入るか、またはＳ／Ｃ低下信号Ｓ１５が入った場合は、制御部１６はレベル４の異常が発生したものと判定する（工程Ｓ９）。このレベル４は最もリスクが高い異常レベルに相当するものであり、運転再開にはメンテナンス要員の対応が必須である。制御部１６は、レベル４の異常を検知すると、直ちに燃料の供給等を停止させてシステム２０をクールダウンさせ、運転を停止させる（工程Ｓ９→Ｓ１２→Ｓ１）。次いで、所定の管理センターに連絡をとり、メンテナンス要員の来着を待つ。レベル４の異常を検知した場合は、ユーザーにより運転を再開できないように、システム２０にロックが掛かった状態になる。

制御部１６は、カウントクロックを内蔵している。同じ異常が２回連続して検知されるか、または同じ異常が同日に２回検知された場合は、警報を発すると同時か又は警報を発した後に、燃料遮断弁１２を閉じて燃料処理装置８および発電部１０への燃料の供給を停止し、燃料処理装置８および発電部１０を降温させる（工程Ｓ１０→Ｓ１１→Ｓ１２→Ｓ１）。

２回連続検知または２回／日検知に該当しない場合は、そのまま発電動作を続ける（工程Ｓ１０→工程Ｓ５）。そして、発電中は上記のレベル１〜４の異常が発生するか否かを監視し、異常を検知した場合は、各レベルに応じて上述したように保護項目をそれぞれ実行する（工程Ｓ６→工程Ｓ４、工程Ｓ７→工程Ｓ３、工程Ｓ８→工程Ｓ２、工程Ｓ９→工程Ｓ１２→工程Ｓ１）。

このように本実施の形態では、レベルに応じて保護停止時の移行先が変わることで、それぞれの保護項目に最適なリカバリーを行い、可能な限り迅速な復帰をすることができる。この場合は故障とならないため信頼性が確保される。また、管理値を越えても運転を継続するのではないため、運転上のリスクが増えることはない。

一方、もし同じ現象が２回連続して発生するか、または１日に２回発生した場合は、改善が必要な状況となっている可能性が高いことから、自動起動を行わずに故障発報を行う。また、改質器温度やＣＯ変成器温度のように隣接し、関連あるものはグループ化されており、この同一グループ内の故障が連続して発生した場合にも、改善が必要な状況となっている可能性が高いことから、自動起動を行わずに故障発報を行う。これらのレベル分けおよびグループの分類については、ＦＭＥＡ（故障モード・影響解析）およびＦＴＡ（故障ツリー解析）で安全評価を十分に行うことで決定している。

これにより、自動起動による安全リスク・主要機器故障リスクを一定レベル以下まで下げながら、故障し難い信頼性の高いシステムを実現することができる。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、本実施形態が上記の実施形態と共通する部分の説明は省略する。

自動起動する際に、保護動作時のデータから判断して、適切な運転条件を緩和することで積極的に安定性をあげることも可能である。例えば、電池電圧低で保護停止した場合に、蒸気供給部７の温度が高い場合は、蒸気供給量が下がっている可能性があるため蒸気供給量を５％増量して、自動再起動を行う。または、ＣＯ除去器４の温度が高めであれば、空気供給部６からＣＯ除去器４へ供給する空気量を５％減量し、自動再起動を行う。

これにより、自動起動による安全リスク・主要機器故障リスクを一定レベル以下まで下げながら、故障し難い信頼性の高いシステムを実現することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池発電システムを示す構成ブロック図。 本発明の燃料電池発電システムの起動・停止シーケンス制御図。 従来システムの起動・停止シーケンス制御図。

符号の説明

２…燃料供給部、３…改質器／ＣＯ変成器、４…ＣＯ除去器、
６…空気供給部、７…蒸気供給部、８…燃料処理装置、９…酸化剤供給部、
１０…発電部（燃料電池発電ユニット）、
１１…パワーコンディショニングシステム（ＰＣＳ）、
１２…燃料遮断弁、１３…圧力計（燃料元圧計）、
１４…換気ファン、１５…可燃ガス検知器、
１６…制御部、２０…燃料電池システム。

Claims (6)

1. 発電部と、燃料供給部を有し、前記燃料供給部から供給される燃料を改質し、改質した燃料を前記発電部に供給する燃料処理装置と、前記燃料処理装置の燃料供給動作を制御すると共に前記燃料処理装置が正常運転を逸脱した場合に前記発電部の発電動作を停止させる保護項目を有する制御部と、前記発電部の出力電極に接続され、前記発電部から出力される発電出力を検出し、出力検出信号を前記制御部に送るパワーコンディショニングシステムと、前記燃料供給部の上流に取り付けられ、前記燃料供給部への燃料の供給元の圧力を検出する燃料元圧計と、を具備する燃料電池発電システムにおいて、
   前記制御部は、異常を検知したときに、故障発報することなく、前記発電部の発電動作を停止させた後に、前記発電部を自動的に再起動させる保護項目をさらに有することを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 前記制御部は、自動起動することで安全リスク及び／又は前記発電部および前記燃料処理装置が故障するリスクが一定以上ある場合は、前記発電部の発電動作を停止保持し、リスクの一定以下の項目については故障発報することなく、前記発電部の発電動作を停止させた後に、前記発電部を自動的に再起動させ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. 前記制御部は、前記リスクが一定以下の項目のうち、項目のリスクに従い、前記パワーコンディショニングシステムから出力異常信号が入るか、または前記発電部から電極電位異常信号が入った場合は、所定の第１の待機時間経過後にシステムを自動的にホットリスタートする自動再起動させ、前記燃料元圧計から圧力低下信号が入った場合は、前記第１の待機時間より長い所定の第２の待機時間経過後にシステムを自動的にホットリスタートする自動再起動させることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電システム。
4. 前記制御部は、所定の設定時間のうちに同じ現象で複数回保護停止した場合に、自動再起動することなしに、故障発報し、前記発電部の発電動作の停止を保持する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. 前記制御部は、予め関連付けられた保護項目が、一定時間のうちに複数発生した場合に、自動再起動することなしに、故障発報し、停止保持する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。
6. 前記制御部は、自動起動を行う際に、動作した保護項目に応じて運転条件を変えることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項記載の燃料電池発電システム。

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