JP5139282B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に異常が発生した際の水凍結防止及び安全性確保の機構に関する。
燃料電池システムは、水素と酸素の化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池の冷却を行う冷却水経路とを備える。このような燃料電池システムを屋外で一定時間以上運転せずに放置すると、外気温度の低下とともに、冷却水経路内の水が凍結する。その結果、次回起動時に燃料電池の温度制御ができずに発電不可となる、もしくは効率が低下する可能性がある。また、燃料電池が凍結による機械的ダメージを受け、解凍後も運転不能になる、もしくは発電効率が低下する恐れがある。また、冷却水を循環させるポンプ、タンク、及び配管等の構成部品も機械的ダメージを受けることが予想され、その結果、燃料電池の冷却を行うのに充分な水量を循環させることが出来ず、消費電力の増加、発電効率低下あるいは運転不能になることが想定される。更には、破損箇所から漏れた水が漏電を引き起こし、安全上危険な状態になることも危惧される。
このような凍結を防止するための燃料電池システムの一例として、外部の温度を検出する温度センサを備え、当該温度センサが閾値以下の温度を検出すると凍結防止運転を行うものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
以下に、その詳細について説明する。図５は、上記特許文献１に記載された従来の燃料電池システムの構成の概要を示す図である。
上記特許文献１記載の燃料電池システムは、燃料電池１３５と、燃料電池１３５に水を供給する水供給ライン１３６と、市水１３７を純水にする処理を行う水処理装置１３８と、水処理装置１３８において処理された純水を水供給ライン１３６に搬送する昇圧ポンプ１３９と、水処理装置１３８に配設されたヒータ１４０と、温度センサ１４１と、制御器１４２とを備えている。水供給ライン１３６は水タンク１４３と燃料電池１３５に水を供給する昇圧ポンプ１４４とを備えている。
温度センサ１４１が所定温度以下の温度を検出した場合、凍結防止処理として、制御器１４２は昇圧ポンプ１３９や昇圧ポンプ１４４を制御して、水の供給を行わせる。また、制御器１４２はヒータ１４０のスイッチをオンしてヒータ１４０に水処理装置１３８を加熱させる。これにより、外気温度が低い場合でも、燃料電池システムに水を供給する水供給ライン１３６の凍結を防止でき、燃料電池システムの破損を防止することができる。
特開２００４−２０７０９３号公報
ところで、上述のような従来の燃料電池システムにおいて何らかの異常が発生した場合、安全を確保する観点からは当該燃料電池システムの全ての動作を停止することが好ましい。その一方、燃料電池システムの停止中に外気温度が低下してその内部の水が凍結すると、燃料電池システムが損傷する可能性がある。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、安全性を確保しつつ水凍結防止が可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
上記課題を解決すべく本発明者等は鋭意検討した。すなわち、凍結防止運転機能を有する燃料電池システムにおいて、何らかの異常が発生してシステムが停止している最中に外気温度が所定温度以下に低下した場合を想定する。この場合に、凍結防止を優先して、一律に凍結防止運転としてヒータを動作させると、その異常が、例えば、システム内に可燃性ガスが漏れる異常であったような場合には、ヒータのスイッチが着火源となって火災等を引き起こす可能性がある。一方、その異常が、ヒータのオン動作により燃料電池システムの安全が阻害されないような態様のものであれば、燃料電池システムの水凍結が防止されて好ましい。そこで、異常の態様に応じて凍結防止運転を行ったり行わなかったりすることを想到した。具体的には、当該異常が、ヒータのオン動作により燃料電池システムの安全が阻害されるような態様のものであるか否かを判定し、当該異常が、ヒータのオン動作により燃料電池システムの安全が阻害されるような態様のものである場合には安全を優先して凍結防止運転を行わず、当該異常が、ヒータのオン動作により燃料電池システムの安全が阻害されないような態様のものである場合には、凍結防止を優先して凍結防止運転を行うことを想到した。
すなわち、本発明に係る燃料電池システムは、燃料と酸化剤とを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池の運転に関連する水の経路である水経路と、前記水経路を加熱する電気ヒータと、可燃性ガスの漏洩に関係する異常を含む第１の異常を検知する第１の異常検知器と、前記第１の異常と異なる第２の異常を検知する第２の異常検知器と、制御器と、を備え、前記制御器が、前記第１の異常検知器で第１の異常が検知され又は前記第２の異常検知器で第２の異常が検知された場合に運転を停止するよう構成された燃料電池システムであって、前記制御器は、前記第２の異常検知器で第２の異常が検知されたことによって前記燃料電池システムが停止している場合には、凍結防止運転としての前記電気ヒータの動作を禁止せず、前記第１の異常検知器で第１の異常が検知されたことによって前記燃料電池システムが停止している場合には、前記電気ヒータの動作を禁止するよう構成されている。
この構成によれば、燃料電池システムに可燃性ガスの漏洩に関係する第１の異常が生じ、燃料電池システムが停止している場合には、凍結防止運転として電気ヒータを動作させる際に火災等の更なる危険事象を誘発する危険があるため、凍結防止運転を停止させることで、安全性を確保することが可能となる。また、第１の異常と異なる第２の異常が生じ、燃料電池システムが停止している場合には、温度検知器の検知温度に基づき凍結防止手段として電気ヒータを動作させることで、水経路の凍結が防止され、その結果、水経路の凍結による燃料電池システムの損傷が防止される。
前記水経路が、前記燃料電池を冷却するための冷却水が流れる冷却水経路と、前記冷却水を貯える冷却水タンクと、前記冷却水経路を流れる冷却水から熱を回収する貯湯水が流れる貯湯水経路と、前記貯湯水を貯える貯湯タンクと、前記燃料電池からの排ガスから回収された回収水が流れる回収水経路と、前記回収水を貯える回収水タンクと、の少なくともいずれか一つであってもよい。
前記燃料電池システムは、前記第１の異常検知器として、可燃性ガス濃度を検知する可燃性ガスセンサを備え、前記制御器は、前記可燃性ガスセンサが所定の閾値以上の可燃性ガス濃度を検知して前記燃料電池システムが停止している場合には、前記凍結防止運転としての前記電気ヒータの動作を禁止するよう構成されていてもよい。
前記燃料電池システムは、原料から前記燃料として水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器を加熱するバーナと、前記バーナからの排ガスのＣＯ濃度を検知する前記第１の異常検知器としてのＣＯセンサとを備え、前記制御器は、前記ＣＯセンサが所定の閾値以上のＣＯ濃度を検知して前記燃料電池システムが停止している場合には、前記凍結防止運転としての前記電気ヒータの動作を禁止するよう構成されていてもよい。
前記燃料電池システムは、原料から前記燃料として水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器を加熱するバーナと、前記バーナに酸化ガスを供給する酸化ガス供給器と、前記酸化ガス供給器の異常を検知する前記第１の異常検知器としての酸化ガス供給異常検知器とを備え、前記制御器は、前記酸化ガス供給異常検知器が異常を検知して前記燃料電池システムが停止している場合には、前記凍結防止運転としての前記電気ヒータの動作を禁止するよう構成されていてもよい。
前記燃料電池システムは、原料から前記燃料として水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器の温度を検知する前記第１の異常検知器としての改質器温度検知器とを備え、前記制御器は、前記改質器温度検知器が所定の閾値以上の温度を検知して前記燃料電池システムが停止している場合には、前記凍結防止運転としての前記電気ヒータの動作を禁止するよう構成されていてもよい。
前記燃料電池システムは、原料から前記燃料として水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器内部の圧力を検知する前記第１の異常検知器としての圧力検知器とを備え、前記制御器は、前記圧力検知器が所定の閾値以上の圧力を検知して前記燃料電池システムが停止している場合には、前記凍結防止運転としての前記電気ヒータの動作を禁止するよう構成されていてもよい。
前記第２の異常検知器が、前記第２の異常としての、前記燃料電池システムの運転に関連する水または空気の流量を制御する流量制御器（除く燃焼空気供給器）の異常、燃料電池の運転に関連する水の温度に関する異常、前記燃料電池の運転に関連する水の水位に関する異常、前記燃料電池の運転に関連する流体（除く燃焼空気）の流量に関する異常、及び前記燃料電池で発電される電気の出力に関する異常の少なくともいずれかを検知するものであり、前記制御器は、前記第２の異常検知器で前記第２の異常が検知されたことによって前記燃料電池システムが停止している場合には、前記凍結防止運転としての前記電気ヒータの動作を禁止しないよう構成されていてもよい。
前記燃料電池システムは、冷却水を流す為の冷却水ポンプと、前記燃料電池の運転に関連する流体の流量に関する異常としての前記冷却水ポンプの異常を検知する前記第２の異常検知器としての冷却水ポンプ異常検知器と、を備えていてもよい。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
本発明は以上に説明したように構成され、燃料電池システムにおいて安全性を確保しつつ水凍結防止が可能であるという効果を奏する。
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の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。
まず、ハードウェアの構成について説明する。
本実施の形態の燃料電池システムは、原料供給経路１から供給される原料及び水蒸気から水蒸気改質反応によって水素含有ガスを生成する改質器２を備えている。改質器２で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素（以下、ＣＯ）を、ＣＯ除去器３６が、酸化ガス経路３７から供給された酸化ガスとしての空気を用いて酸化してそのＣＯ濃度を低減する。このＣＯ濃度を低減された水素含有ガスがＣＯ除去器３６から水素供給経路２０を通じて燃料電池３に供給される。燃料電池３は、この燃料としての水素含有ガスと酸化剤としての空気との化学反応により発電する。この空気は空気供給器４が燃料電池３に供給する。空気供給器４は、ここではブロワで構成されている。燃料電池３で反応に使われなかった水素含有ガスは排水素ガスとして排水素ガス経路３０を通じてバーナ５に供給される。バーナ５はこの排水素ガス又は図示されない経路を通じて供給される原料を燃焼ファン６から供給される空気によって燃焼し、その燃焼熱で改質器２を加熱する。この加熱による熱は改質器２で原料から水素含有ガスへの改質に用いられる。バーナ５で発生した燃焼ガスは排燃焼ガス経路２７を通じて外部に排出される。
また、燃料電池３で反応に使われなかった空気は、排空気として排空気経路３８を通じて外部に排出される。排空気経路３８には図示されない凝縮器が配設されていて、この凝縮器で凝縮された排空気中の水が回収水経路１２を通じて回収水タンク１３に流れてそこに貯えられる。また、上述の排水素ガス経路３０及び排燃焼ガス経路２７にも図示されない凝縮器がそれぞれ配設されていて、これらの凝縮器でそれぞれ凝縮された排空気中の水及び排燃焼ガス中の水が回収水経路１２，１２を通じてそれぞれ回収水タンク１３に流れてそこに貯えられる。回収タンク１３に貯えられた水はポンプ１６によって改質水経路１７を通じて改質器２に供給され、そこで原料から水素含有ガスへの改質に用いられる。回収水タンク１３の水は図示されない排水弁を開放することにより排水経路１８を通じて排水される。
また、燃料電池システムは、燃料電池３の内部を通る循環経路からなる冷却水経路８を備えている。冷却水経路８には、冷却水タンク９と、冷却水を冷却水経路８を通って循環させる冷却水ポンプ７と、熱交換器３１とが配設されている。熱交換器３１は冷却水経路８と貯湯水経路１０とに跨って配設されており、冷却水経路８を流れる冷却水と貯湯水経路１０を流れる貯湯水とを熱交換させる。貯湯水経路１０には貯湯水を貯える貯湯タンク１１と貯湯水経路に貯湯水を流す貯湯水ポンプ９とが設けられている。これにより、冷却水タンク９から出た冷却水が燃料電池３を通流してその間に燃料電池３から排熱を回収して昇温し、その昇温した冷却水が熱交換器３１で貯湯水に排熱を伝達して冷却されて冷却水タンクに９に戻る。排熱を伝達された貯湯水は昇温して貯湯タンクに貯えられる。その結果、燃料電池３は冷却水で冷却され、燃料電池３から回収された排熱が貯湯タンクに高温の貯湯水として蓄えられ、給湯等によりユーザに利用される。また、冷却水タンク９と回収水タンク１３との間にはポンプ１４を備えた相互循環経路１５が形成されており、回収タンク１３に貯えられた水がポンプ１４によって冷却水タンク９に供給され、冷却水タンク９からオーバーフローした水が回収水タンク１３に戻る。冷却水タンク９に留まった水はそこで冷却水として用いられる。この相互循環経路１５の冷却水タンク９への往路の途中には図示されないイオン交換体を含む浄化器が配設されていて、このような構成により、冷却水経路８を循環して劣化した冷却水が浄化される。冷却水タンク９の水は図示されない排水弁を開放することにより排水経路１８を通じて排水される。
そして、燃料電池システムの凍結する可能性のある水経路には電気ヒータ１９が配設されている。本実施の形態では、本発明の水経路の一例である冷却水経路８、貯湯水経路１０、回収水経路１２、相互循環経路１５、改質水経路１７、排水経路１８にそれぞれ配設されている。なお、本実施の形態のように電気ヒータ１９はこれらの経路上に直接設置してもよいが、これらの経路とは離れた位置に設置し、輻射熱によりこれらの経路を間接的に加熱するように構成しても構わない。また、電気ヒータ１９が配設される水経路は上記に限定されず、例えば、回収水タンク１３であってもよく燃料電池の運転に関係する水の水経路であればいずれの箇所であっても構わない。
また、燃料電池システムは、燃料電池３で発電した直流の電力を交流の電力に変換して出力するインバータ４２を備えている。
次に、本発明を特徴付ける凍結防止回路３９（電気ヒータ１９の駆動回路）を説明する。図２は凍結防止回路の構成を示す回路図である。
図２に示すように、凍結防止回路３９は、電源３２に対し、電気ヒータ１９と入切スイッチ３３と凍結防止停止スイッチ３４とが直列に接続されて構成されている。電源３２は、ここでは、燃料電池３が系統連係される商用電力網で構成されている。燃料電池システムの停止中は商用電力網を電源３２として用い、燃料電池システムが発電運転中は燃料電池３を電源として用いるように構成しても構わない。この凍結防止回路３９では、入切スイッチ３３と凍結防止停止スイッチ３４とが共に閉成される（オンされる）と、電源３２によって電気ヒータ１９が通電されて発熱する。この発熱により、この電気ヒータ１９が配設された各経路が加熱され、各経路中の水が凍結することが防止される。入切スイッチ３３が開放される（オフされる）と電気ヒータ１９への通電が停止されて凍結防止動作が停止される。凍結防止停止スイッチ３４が開放されると、入切スイッチ３３の閉成及び開放に関わらず電気ヒータ１９への通電が停止されて凍結防止動作が禁止される。入切スイッチ３３及び凍結防止停止スイッチ３４の動作は後述する制御器２１によって制御される。なお、入切スイッチ３２は、後述する温度検知器２０が第１の閾値温度以下の温度を検知した場合に、制御器２１の制御によらず機械的に自動的に接続されるものとして、例えばバイメタルを使用してもよい。
次に制御系統の構成を説明する。
燃料電池システムは制御器２１を備えている。制御器２１はマイコン等の演算器によって構成され、例えばＣＰＵからなる演算部（図示せず）と、例えば内部メモリからなる記憶部（図示せず）とを備えている。また、所要のデータを演算部へ入力するための入力部（図示せず）と、所要のデータを表示するための表示部（図示せず）とを備えている。制御器２１は、記憶部に所定のプログラムを格納しており、このプログラムを演算部が読み出して実行することにより、所要の制御及びデータ処理を行う。具体的には、制御器２１は、燃料電池システムの所要の部位に設けられた各種のセンサからその検知信号を入力され、それらを適宜処理して燃料電池システム全体の動作を制御する。ここで、本明細書及び請求の範囲において制御器とは単独の制御器のみならず制御器群をも意味する。よって、制御器２１は、必ずしも単独の制御器で構成される必要はなく、分散配置された複数の制御器で構成され、それらが協働して所要の制御を行うように構成されていてもよい。
上述の各種のセンサの一部を構成するものとして、燃料電池システムは、温度検知器２０（水関連温度検知器）と、第１の異常検知器と、第２の異常検知器とを備えている。
温度検知器２０は、各水経路内の水の温度に関連する温度を検知できる場所に設置される。本発明において、「水経路内の水の温度に関連する温度」とは、水経路内の水の温度そのもの及び水経路内の水の温度と相関関係を有する温度をいう。従って、温度検知器２０は、水経路内の水の温度と相関関係を有する温度を検知できる場所に設置されるのであれば、直接水経路内の温度を検知しなくとも燃料電池システムの内外を問わず、いずれの場所に設置しても構わない。但し、水経路内の水の凍結は本質的に外気温と関係するので、水経路以外の箇所に設置する場合には、温度検知器２０は、外気温を検知できる場所に設置することが望ましい。本実施の形態では、燃料電池システムを収容する筐体の底板に設置されている。
次に、第１の異常検知器及び第２の異常検知器について図１及び図３を用いて説明する。図３は本発明における異常の区分を示す表である。
本発明においては、燃料電池システムの停止を伴う異常は、第１の異常と第２の異常とを含んで規定されている。つまり、燃料電池システムの停止を伴う異常は、第１の異常及び第２の異常以外の異常を含んで規定されてもよい。そのような異常は本発明とは本質的に無関係であり、適宜処理される。以下では第１の異常及び第２の異常について説明する。そして、第１の異常検知器は第１の異常を検知するものであり、第２の異常検知器は第２の異常を検知するものである。第１の異常とは、可燃性ガスの漏洩に関係する異常を含む異常を意味し、第２の異常とは第１の異常と異なる異常を意味する。つまり、本発明では、第１の異常を、当該異常が発生している最中にヒータを動作させることにより燃料電池システムの安全が阻害される態様の異常を含む異常であると規定し、第２の異常を当該異常が発生している最中にヒータを動作させても燃料電池システムの安全が阻害されない態様の異常であると規定したものである。第１の異常として、本実施の形態では、可燃性ガスの濃度が閾値以上となる「可燃性ガス濃度異常」、排燃焼ガスのＣＯ濃度が閾値以上となる「排燃焼ガスＣＯ濃度異常」、燃焼ファン６が正常に動作しない「燃焼ファン異常」、改質器の温度が閾値以上となる「改質器温度異常」、及び改質器の圧力が閾値以上となる「改質器圧力異常」の５つの異常を規定している。これらの異常を第１の異常として規定した理由は以下の通りである。「可燃性ガス濃度異常」は、燃料電池システム内に可燃性ガスが漏洩していることを示すものだからである。「排燃焼ガスＣＯ濃度異常」は、バーナ５の燃焼が不安定であることを示しており、燃焼用の燃料である排水素ガスもしくは原料が排燃焼ガスの排出口から漏れる可能性があるからである。「燃焼ファン異常」は、バーナ５で燃焼が行われずに、燃焼用の燃料である排水素ガスもしくは原料が排燃焼ガスの排出口から漏れる可能性があることを示すものだからである。「改質器温度異常」は、異常高温により改質器２が損傷して改質器２内部の可燃性ガス（水素または未改質原料）が漏れる可能性があることを示すものだからである。「改質器圧力異常」は、異常な高圧力により改質器２が損傷して改質器２内部の可燃性ガス（水素または未改質原料）が漏れる可能性があることを示すものだからである。なお、これらは例示であり、これらの一部を第１の異常として規定してもよいし、これら以外を第１の異常として規定してもよい。
第２の異常としては、燃料電池システムの運転に関連する水または空気の流量を制御する流量制御器（除く燃焼空気供給器）の異常である「流量制御器異常」、燃料電池３の運転に関連する水の温度に関する異常である「水温異常」、燃料電池３の運転に関連する水の水位に関する異常である「水位異常」、燃料電池３の運転に関連する流体（除く燃焼空気）の流量に関する異常である「流量異常」、及び燃料電池３で発電される電気の出力に関する異常である「電気出力異常」の５つの異常を規定している。「水温異常」として、冷却水の温度が許容範囲外（上限以上または下限未満）となる「冷却水温度異常」、及び貯湯水の温度が許容範囲外となる「貯湯水温度異常」が規定されている。「水位異常」として、回収水タンク１３の水位が許容範囲外（例えば、所定の閾値以下）となる「回収水タンク水位異常」、及び冷却水タンク９の水位が許容範囲外（例えば、所定の閾値以下）となる「冷却水タンク水位異常」が規定されている。「流量異常」として、回収水タンク１３から改質器２に水が正常に供給されない「改質水異常」、空気供給器４から燃料電池３に空気が正常に供給されない「スタック空気供給異常」、貯湯水ポンプ３５が正常に動作しない「貯湯水ポンプ異常」、冷却水ポンプ７が正常に動作しない「冷却水ポンプ異常」、及び酸化ガス経路３７からＣＯ除去器３６に供給される空気の流量が許容範囲外（例えば、所定の閾値以下）となる「酸化ガス流量異常」が規定されている。燃料電池３の発電した電気に関する「電気出力異常」として、燃料電池３の発電電圧が閾値以下に低下する「スタック電圧低下異常」、及びインバータ４２が正常に動作しない「インバータ異常」が規定されている。「流量制御器異常」は、ここでは具体例を示していないが、適宜規定すればよい。なお、これらは例示であり、これらの一部を第２の異常として規定してもよいし、これら以外を第２の異常として規定してもよい。
第１の異常検知器として、ここでは、可燃性ガスセンサ２２、ＣＯセンサ２３、燃焼ファン異常検知器２４、改質器温度検知器２５、及び圧力検知器２６が設置されている。
可燃性ガスセンサ２２は、燃料電池システム内の可燃性ガスの漏れを検知する機能を備えており、可燃性ガス、例えば、可燃性の原料や水素ガスの濃度を検知するセンサで構成されている。本実施の形態では、可燃性ガスが滞留しやすい燃料電池システムの筐体内の上部に設置されている。
ＣＯセンサ２３は、バーナ５からの排燃焼ガス中に含まれるＣＯの濃度を検知する機能を備えており、ＣＯ濃度センサで構成され、排燃焼ガス経路２７中に設置されている。
燃焼ファン異常検知器２４は、燃焼ファン６に設置されていて、燃焼ファン６の動作異常を検知する機能を備えており、本実施の形態では、燃焼ファン６の回転数異常を検知するよう構成されている。
改質器温度検知器２５は、改質器２内部の温度を検知する機能を備えており、ここでは、温度センサで構成され、改質器２の内部の温度を検知可能なように該改質器２に設置されている。改質器圧力検知器２６は、改質器２内部の圧力を検知する機能を備えており、ここでは、圧力センサで構成され、改質器２内部の圧力を検知可能なように該改質器２に設置されている。
ここでは、可燃性ガスセンサ２２、ＣＯセンサ２３、改質器温度検知器２５、及び改質器圧力検知器２６で検知された物理量が異常であるか否かは制御器２１で判定される。もちろん、可燃性ガスセンサ２２、ＣＯセンサ２３、改質器温度検知器２５、及び改質器圧力検知器２６を、それぞれマイコン等の演算器を備えることによってそれぞれが検知する物理量が異常であるか否かを判定するように構成してもよい。
なお、第１の異常検知器として、原料供給経路１から供給される原料の流量を検知する原料流量検知器を備え、原料流量検知器が検知する流量値が所定の流量以上である場合に制御器２１が異常と判定するよう構成してもよい。具体的には、制御器２１が、当該原料流量検知器を用いて以下のようなガス漏れチェックシーケンスを遂行するように構成される。すなわち、燃料電池システムが停止（この場合は、待機（正常停止））すると、原料供給経路１の上流端が図示されない弁により閉止される。この状態で、原料供給経路１に図示されない適宜なガス圧賦課手段（ガス供給手段）が接続されて２ｋＰａのガス圧が原料供給経路１に賦課され、当該原料流量計が検知する流量値が閾値以上であると制御器２１が異常と判定する。このような場合には、原料ガス又は水素リッチガスという可燃性ガスが各々の経路から漏れていることが想定されるからである。
第２の異常検知器として、ここでは、冷却水温度検知器５２、貯湯水温度検知器５６、回収水水位検知器５３、冷却水水位検知器５２、改質水供給異常検知器５４、スタック空気供給異常検知器５８、貯湯水ポンプ異常検知器５５、冷却水ポンプ異常検知器２８、酸化ガス流量異常検知器５７、スタック電圧検知器４３、及びインバータ異常検知器４４が設置されている。
冷却水温度検知器５５は、温度センサで構成され、冷却水タンク９の冷却水の温度を検知可能な場所に設置されている。貯湯水温度検知器５５は、温度センサで構成され、ここでは貯湯タンク１１の外面に設置されている。回収水水位検知器５３は、水位センサで構成され、回収水タンク１３にその水位を検知可能なように設置されている。冷却水水位検知器５１は、水位センサで構成され、冷却水タンク１９にその水位を検知可能なように設置されている。ここでは、制御器２１が、冷却水温度検知器５２及び貯湯水温度検知器５６で検知された温度が許容範囲外（上限以上または下限未満）であると温度異常であると判定し、回収水水位検知器５３及び冷却水水位検知器５１で検知された水位が許容範囲外（例えば、所定の閾値以下）であると水位異常であると判定する。改質水ポンプ異常検知器５４は、改質水ポンプ１６に設置にされていて、改質水ポンプ１６の動作異常を検知する機能を備えており、本実施の形態では、改質器２に圧力検知器を備え、改質水の蒸発による圧力変化が所定の閾値以下であると異常と判定するよう構成されている。スタック空気供給異常検知器５８は、空気供給器４に設置にされていて、空気供給器４の動作異常を検知する機能を備えており、本実施の形態では、ブロワからなる空気供給器４から供給される空気の流量を検知する流量計を備え、当該空気の流量が許容範囲外（例えば、所定の閾値以下）である場合に異常と判定するよう構成されている。貯湯水ポンプ異常検知器５５は、貯湯水ポンプ３５に設置にされていて、貯湯水ポンプ３５の動作異常を検知する機能を備えており、本実施の形態では、貯湯水ポンプ３５の回転数異常を検知するよう構成されている。冷却水ポンプ異常検知器２８、冷却水ポンプ７に設置にされていて、冷却水ポンプ７の動作異常を検知する機能を備えており、本実施の形態では、冷却水ポンプ７の回転数異常を検知するよう構成されている。酸化ガス流量異常検知器５７は、酸化ガス経路３７に設置された流量計で構成され、酸化ガス経路３７を通じてＣＯ除去器３６に供給される空気の流量を検知するよう構成されている。ここでは、制御器２１が、酸化ガス流量異常検知器５７で検知された空器流量が許容範囲外（例えば、所定の閾値以下）であると温度異常であると判定する。スタック電圧検知器４３は燃料電池３の一対の出力端子からインバータ４２に至る一対の電気配線４１の間に設置された電圧計で構成され、燃料電池３の発電電圧を検知する。ここでは、制御器２１が、スタック電圧検知で検知された電圧が閾値以下に低下するとスタック電圧異常であると判定する。インバータ異常検知器４４は、インバータ４２に設置にされていて、インバータ４２の動作異常を検知する機能を備えており、本実施の形態では、例えば、インバータ４２の出力電流異常（例えば、所定の閾値以上）を検知するよう構成されている。
ここでは、上述のように、冷却水温度検知器５２、貯湯水温度検知器５６、回収水水位検知器５３、冷却水水位検知器５２、酸化ガス流量異常検知器５７、及びスタック電圧検知器４３、で検知された物理量が異常であるか否かは制御器２１で判定されるが、もちろん、冷却水温度検知器５２、貯湯水温度検知器５６、回収水水位検知器５３、冷却水水位検知器５２、酸化ガス流量異常検知器５７、及びスタック電圧検知器４３を、それぞれマイコン等の演算器を備えることによってそれぞれが検知する物理量が異常であるか否かを判定するように構成してもよい。
次に、以上のように構成された燃料電池システムの動作を説明する。この燃料電池システムの動作は制御器２１の制御によって遂行される。
まず、一般的な動作を簡単に説明する。原料供給経路１から少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料が改質器２に供給される。この原料はバーナ５により加熱され、改質水経路１７から供給される水から生成される水蒸気と水蒸気改質反応をして、水素含有ガスを生成する。水素含有ガス中のＣＯは、ＣＯ除去器３６でＣＯ濃度を所定程度まで低減された後、水素供給経路２９を通じて、燃料電池３に供給され、水素含有ガス中の水素と空気供給器４から供給された空気の中の酸素とが電気化学的に反応して発電が行われる。発電反応により消費されなかった排水素ガスは排水素ガス経路３０を通じて、バーナ５に供給され、改質器２の加熱に利用される。
燃料電池３での反応で生じる生成水は、燃料電池３から排空気経路３８を通じて排出される排空気中に主に含まれており、この排空気中の水分が図示されない凝縮器で凝縮され、回収水経路１２を流れて回収水タンク１３に貯えられる。
また、バーナ５から排燃焼ガス経路９を通じて排出される排燃焼ガスに含まれる水分が図示されない凝縮器で凝縮され、回収水経路１２を流れて回収水タンク１３に貯えられる。さらに、排水素ガス経路３０において排水素ガス中の水分がバーナ５での燃焼を安定させるために図示されない凝縮器で除去され、回収水経路１２を経由して回収水タンク１３に貯められる。この回収水タンク１３に貯えられた水は、改質水ポンプ１６により改質器２に供給され水蒸気となり、水蒸気改質反応に利用される。また、相互循環ポンプ１４により相互循環経路１５を通して冷却水タンク９に供給され、燃料電池３を冷却するための冷却水としても利用される。燃料電池３の発電反応で生じる熱は、冷却水ポンプ７により冷却水を循環させることにより冷却水経路８中の熱交換器３１を介して、貯湯水経路１０を流れる貯湯水に伝達され、家庭の給湯、暖房等に使用される。
そして、制御器２１は第１の異常検知器又は第２の異常検知器で異常を検知した場合、燃料電池システムの運転を停止する。また、制御器２１は、燃料電池システムが正常に停止した場合において、温度検知器２０（水関連温度検知器）で検知される検知温度Ｔが第１の閾値温度（ここでは０℃）以下になると電気ヒータ１９を動作させて凍結防止運転を行い、検知温度Ｔが第１の閾値温度よりも高い第２の閾値温度（ここでは１．５℃）以上になると電気ヒータ１９を非動作として凍結防止運転を停止する。なお、第１の閾値温度は、水経路内の水が凍結する恐れのある温度、または当該温度に近い（数度程度高い）温度であるのが好ましく、例えば０℃〜５℃の範囲内の温度が設定される。また、本実施の形態では、制御器２１は、凍結防止運転の際には、電気ヒータ１９の作動と同時に相互循環ポンプ１４、貯湯水ポンプ３５、及び冷却水ポンプ７を動作させ、相互循環経路１５、貯湯水経路１０、及び冷却水経路８中の水を通流させる。但し、簡略化する場合にはこれを省略してもよい。この凍結防止運転は、第２の異常検知器で異常を検知して燃料電池システムの運転を停止させた場合における凍結防止運転と同じであり、これについては、以下に詳しく説明する。
次に、本発明を特徴付ける、異常停止した場合における凍結防止運転について図１乃至図４を用いて説明する。図４は制御器２１に格納された異常処理プログラムの内容を示すフローチャートである。
制御器２１は、第１の異常検知器（可燃性ガスセンサ２２、ＣＯセンサ２３、燃焼ファン異常検知器２４、改質器温度検知器２５、及び圧力検知器２６）の少なくともいずれかで検知される物理量が異常である場合には、温度検知器２０で検知される検知温度Ｔが第１の閾値温度（０℃）以下になっても凍結防止運転を行わない。一方、制御器２１は、第２の異常検知器（冷却水温度検知器５２、貯湯水温度検知器５６、回収水水位検知器５３、冷却水水位検知器５２、改質水供給異常検知器５４、スタック空気供給異常検知器５８、貯湯水ポンプ異常検知器５５、冷却水ポンプ異常検知器２８、酸化ガス流量異常検知器５７、スタック電圧検知器４３、及びインバータ異常検知器４４）で検知される物理量が異常である場合には、温度検知器２０で検知される検知温度Ｔが第１の閾値温度（０℃）以下になると凍結防止運転を行う。
具体的には、制御器２１は、まず、第１の異常検知器又は第２の異常検知器を通じて燃料電池システムに異常を生じたことを検知すると、異常を検知した異常検知器の区分からその異常が第１の異常であるか第２の異常であるかを判定する（ステップＳ１）。
制御器２１は、生じた異常が第１の異常であると判定した場合、燃料電池システムの動作を停止させる（ステップＳ２）。そして、凍結防止回路３９（図３）の凍結防止停止スイッチ３４を開放する（ステップＳ３）。なお、凍結防止停止スイッチ３４は初期状態（通常の状態）では閉成されている。そして、この異常処理を終了する。これにより、凍結防止回路３９が非動作の状態となり、凍結防止運転が禁止され、電気ヒータ１９のオン作動が禁止される。つまり、凍結防止運転は、実行中であれば停止され、実行中でない場合には禁止される。
具体的には、第１の異常が可燃性ガスセンサ２２により検知された異常である場合には、可燃性ガスが燃料電池システム内に漏れていることが想定されるが、これにより、着火源となりうる電気ヒータ１９のオン作動が禁止されるので、電気ヒータ１９のオン作動により火災、爆発等が引き起こされることが防止され、燃料電池システムの安全性が確保される。
また、第１の異常がＣＯセンサ２３により検知された異常である場合には、バーナ５での燃焼状態が不完全燃焼であって原料もしくは排水素ガスという可燃性ガスが漏洩していることが想定されが、これにより、着火源となりうる電気ヒータ１９の作動が禁止されるので、電気ヒータ１９のオン作動により火災等が引き起こされることが防止され、燃料電池システムの安全が確保される。
また、第１の異常が、燃焼ファン異常検知器２４により検知された燃焼ファン６の回転数異常である場合にも、バーナ５での燃焼状態が不完全燃焼であって原料もしくは排水素ガスという可燃性ガスが漏洩していることが想定されが、これにより、着火源となりうる電気ヒータ１９のオン作動が禁止されるので、電気ヒータ１９のオン作動により火災等が引き起こされることが防止され、燃料電池システムの安全が確保される。
また、第１の異常が改質器温度検知器２５もしくは圧力検知器２６により検知された異常である場合は、改質器２の内部が改質器２の耐熱性を超える異常高温もしくは改質器２の耐圧性を超える異常高圧になっていて改質器２が破損して内部の可燃性ガスが漏洩することが想定されるが、これにより、着火源となりうる電気ヒータ１９のオン作動が禁止されるので、電気ヒータ１９のオン作動により火災等が引き起こされることが防止され、燃料電池システムの安全が確保される。
一方、ステップＳ１において、制御器２１は、第２の異常であると判定した場合には、第１の異常であると判定した場合と同様に、燃料電池システムの運転を停止させる（ステップＳ４）。次いで、制御器２１は、温度検知器２０の検知温度Ｔが凍結防止運転を行うか否かの判定基準である第１の閾値（０℃）以下になるか否かを判定する（ステップＳ５）。そして、検知温度Ｔが第１の閾値温度以下でない場合には、検知温度Ｔが第１の閾値以下になるか否か監視する。検知温度Ｔが第１の閾値温度以下である場合もしくは第１の閾値温度以下になった場合には、制御器２１は、凍結防止回路３９の入切スイッチ３３を閉成する（ステップＳ６）。これにより、凍結防止運転が行われて電気ヒータ１９が動作する。また、制御器２１は、電気ヒータ１９の作動と同時に相互循環ポンプ１４、貯湯水ポンプ３５、及び冷却水ポンプ７を動作させて、相互循環経路１５、貯湯水経路１０、及び冷却水経路８中の水を通流させる。これにより、相互循環経路１５、貯湯水経路１０、及び冷却水経路８中の水の凍結が防止され、ひいては、これらの水経路の水の凍結による燃料電池システムの損傷が防止される。
次いで、制御器２１は、温度検知器２０の検知温度Ｔが第２の閾値温度（１．５℃）以上であるか否か判定する（ステップＳ７）。検知温度Ｔが第２の閾値温度以上でない場合には、ステップＳ６に戻り、検知温度Ｔが第２の閾値温度以上になるまで、入切スイッチ３３の閉成を維持し、凍結防止運転を行う。そして、検知温度Ｔが第２の閾値温度以上である場合もしくは第２の閾値温度以上になった場合には、入切スイッチ３３を開放する（ステップＳ８）。これにより、凍結防止運転が停止される。その後、ステップＳ５に戻り、検知温度Ｔが第１の閾値以下になるか否か監視する。
なお、上記ステップＳ３を終了した後、制御器２１が、再度、第１の異常検知器により第１の異常が検知されるか否かを判定し、第１の異常が検知されない場合、すなわち、第１の異常が解消されたと判断される場合には、温度検知器２０の検知温度Ｔに基づき凍結防止運転を行って電気ヒータ１９を動作させるように構成してもよい。例えば、可燃性ガスセンサ２２により可燃性ガス濃度の閾値以上であることが第１の異常として検知され、燃料電池システムの運転を停止した後、可燃性ガスセンサ２２が検知する可燃性ガス濃度が上記閾値未満になった場合には、温度検知器２０の検知温度Ｔに基づき凍結防止運転を行って電気ヒータ１９を動作させるように構成してもよい。
なお、検知温度の第１及び第２の閾値温度は、温度検知器２０の設置場所に応じて適宜設定することが好ましい。
また、上述の本実施の形態の燃料電池システムでは、第１の異常として可燃性ガスの漏洩に関係する異常のみを第１の異常とし、それと異なる異常を第２の異常として規定しており、この場合が、本発明の目的及び効果に鑑みて最も好ましい態様であるが、上記態様に限定されるものでなく、第１の異常が、可燃性ガスの漏洩に関係する異常と異なる異常を含んでもいても構わない。例えば、上記第２の異常として例示した「流量制御器異常」、「水温異常」、「水位異常」、「流量異常」、「電気出力異常」の一部が、第１の異常に含まれていても本発明の目的及び効果を損なうものではない。また、当該異常が発生している最中にヒータを動作させることにより燃料電池システムの安全が阻害される態様の異常が、上述の可燃性ガスの漏洩に関係する異常以外に想定されれば、それを第１の異常として規定してもよい。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明に係る燃料電池発電システムは、異常が発生した際の水凍結防止及び安全性確保の機構を備えていて家庭用等に用いられる燃料電池システムに有用である。
図１は本発明の実施の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は凍結防止回路の構成を示す回路図である。 図３は本発明における異常の区分を示す表である。 図４は制御器に格納された異常処理プログラムの内容を示すフローチャートである。 図５は従来の燃料電池システムの構成を示す模式図である。
符号の説明
１ 原料供給経路
２ 改質器
３ 燃料電池
４ 空気供給器
５ バーナ
６ 燃焼ファン
７ 冷却水ポンプ
８ 冷却水経路
９ 冷却水タンク
１０ 貯湯水経路
１１ 貯湯タンク
１２ 回収水経路
１３ 回収水タンク
１４ 相互循環ポンプ
１５ 相互循環経路
１６ 改質水ポンプ
１７ 改質水経路
１８ 排水経路
１９ 電気ヒータ
２０ 温度検知器
２１ 制御器
２２ 可燃性ガスセンサ
２３ ＣＯセンサ
２４ 燃焼ファン異常検知器
２５ 改質器温度検知器
２６ 圧力検知器
２７ 排燃焼ガス経路
２８ 冷却水ポンプ異常検知器
２９ 水素供給経路
３０ 排水素ガス経路
３１ 熱交換器
３２ 電源
３３ 入切スイッチ
３４ 凍結防止停止スイッチ
３５ 貯湯水ポンプ
３６ ＣＯ除去器
３７ 酸化ガス経路
３８ 排空気経路
３９ 凍結防止回路
４１ 電気配線
４２ インバータ
４３ スタック電圧低下異常検知器
４４ インバータ異常検知器
５１ 冷却水水位検知器
５２ 冷却水温度検知器
５３ 回収水水位検知器
５４ 改質水供給異常検知器
５５ 貯湯水ポンプ異常検知器
５６ 貯湯水温度検知器
５７ 酸化ガス流量異常検知器
５８ スタック空気供給異常検知器

Claims (9)

  1. 燃料と酸化剤とを用いて発電する燃料電池と、
    前記燃料電池の運転に関連する水の経路である水経路と、
    前記水経路を加熱する電気ヒータと、
    可燃性ガスの漏洩に関係する異常を含む第１の異常を検知する第１の異常検知器と、
    前記第１の異常と異なる第２の異常を検知する第２の異常検知器と、
    制御器と、を備え、前記制御器が、前記第１の異常検知器で第１の異常が検知され又は前記第２の異常検知器で第２の異常が検知された場合に運転を停止するよう構成された燃料電池システムであって、
    前記制御器は、前記第２の異常検知器で第２の異常が検知されたことによって前記燃料電池システムが停止している場合には、凍結防止運転としての前記電気ヒータの動作を禁止せず、
    前記第１の異常検知器で第１の異常が検知されたことによって前記燃料電池システムが停止している場合には、前記電気ヒータの動作を禁止するよう構成されている、燃料電池システム。
  2. 前記水経路が、前記燃料電池を冷却するための冷却水が流れる冷却水経路と、前記冷却水を貯える冷却水タンクと、前記冷却水経路を流れる冷却水から熱を回収する貯湯水が流れる貯湯水経路と、前記貯湯水を貯える貯湯タンクと、前記燃料電池からの排ガスから回収された回収水が流れる回収水経路と、前記回収水を貯える回収水タンクと、の少なくともいずれか一つである、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記第１の異常検知器として、可燃性ガス濃度を検知する可燃性ガスセンサを備え、前記制御器は、前記可燃性ガスセンサが所定の閾値以上の可燃性ガス濃度を検知して前記燃料電池システムが停止している場合には、前記凍結防止運転としての前記電気ヒータの動作を禁止するよう構成されている、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
  4. 原料から前記燃料として水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器を加熱するバーナと、前記バーナからの排ガスのＣＯ濃度を検知する前記第１の異常検知器としてのＣＯセンサとを備え、前記制御器は、前記ＣＯセンサが所定の閾値以上のＣＯ濃度を検知して前記燃料電池システムが停止している場合には、前記凍結防止運転としての前記電気ヒータの動作を禁止するよう構成されている、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
  5. 原料から前記燃料として水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器を加熱するバーナと、前記バーナに酸化ガスを供給する酸化ガス供給器と、前記酸化ガス供給器の異常を検知する前記第１の異常検知器としての酸化ガス供給異常検知器とを備え、前記制御器は、前記酸化ガス供給異常検知器が異常を検知して前記燃料電池システムが停止している場合には、前記凍結防止運転としての前記電気ヒータの動作を禁止するよう構成されている、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
  6. 原料から前記燃料として水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器の温度を検知する前記第１の異常検知器としての改質器温度検知器とを備え、前記制御器は、前記改質器温度検知器が所定の閾値以上の温度を検知して前記燃料電池システムが停止している場合には、前記凍結防止運転としての前記電気ヒータの動作を禁止するよう構成されている、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
  7. 原料から前記燃料として水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器内部の圧力を検知する前記第１の異常検知器としての圧力検知器とを備え、前記制御器は、前記圧力検知器が所定の閾値以上の圧力を検知して前記燃料電池システムが停止している場合には、前記凍結防止運転としての前記電気ヒータの動作を禁止するよう構成されている、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
  8. 前記第２の異常検知器が、前記第２の異常としての、前記燃料電池システムの運転に関連する水または空気の流量を制御する流量制御器（除く燃焼空気供給器）の異常、燃料電池の運転に関連する水の温度に関する異常、前記燃料電池の運転に関連する水の水位に関する異常、前記燃料電池の運転に関連する流体（除く燃焼空気）の流量に関する異常、及び前記燃料電池で発電される電気の出力に関する異常の少なくともいずれかを検知するものであり、
    前記制御器は、前記第２の異常検知器で前記第２の異常が検知されたことによって前記燃料電池システムが停止している場合には、前記凍結防止運転としての前記電気ヒータの動作を禁止しないよう構成されている、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
  9. 冷却水を流す為の冷却水ポンプと、前記燃料電池の運転に関連する流体の流量に関する異常としての前記冷却水ポンプの異常を検知する前記第２の異常検知器としての冷却水ポンプ異常検知器と、を備える、請求項８に記載の燃料電池システム。
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