JP5193722B2

JP5193722B2 - 燃料電池発電システムおよびその故障原因推定方法

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Publication number: JP5193722B2
Application number: JP2008192508A
Authority: JP
Inventors: 徳寿佐薙
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2008-07-25
Filing date: 2008-07-25
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2028-07-25
Also published as: JP2010033767A

Description

本発明は、燃料電池発電システム、およびその電池電圧低下に伴う故障の原因推定方法に関する。

従来、炭化水素を含む原燃料ガスから水素リッチな改質ガスを生成するための改質器と、改質器で得られた改質ガスを燃料ガスとして用い、燃料ガスと空気などの酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、システム制御装置とを備えた燃料電池発電システムが知られている（特許文献１参照）。このような燃料電池発電システムにおいて電池電圧低下による故障が発生した場合、故障原因が多岐にわたるため、故障箇所の特定が困難であった。

故障原因として、アノード水素不足、アノード一酸化炭素濃度高、カソード酸素不足、電池本体異常などが考えられる。また、アノード水素不足においても、原燃料自体の不足、改質水不足によるメタン転換率低下、燃料の外部リークなど多岐にわたる。さらに、アノード一酸化炭素濃度高についても、改質水不足による一酸化炭素変成機能低下、一酸化炭素除去空気不足による除去機能低下、一酸化炭素除去空気過剰による除去機能低下など多岐にわたる。

従来、電池電圧低下による故障が発生した場合は、補機や遮断弁の動作確認、センサの健全性確認など多数の作業を実施することで故障箇所を特定し、故障部品を交換または修理していた。
特開２０００−２９９１２０号公報

従来の技術では、電池電圧低下による故障が発生した場合は、可能性のある故障原因が多岐にわたっているため、故障箇所の特定が困難である。そのため、補機や遮断弁の動作確認、センサの健全性確認など多数の作業を実施することで故障箇所を特定し、故障部品を交換または修理する必要があった。これでは故障復帰に時間を要することとなり、余分な保守費用がかかるだけではなく、顧客の信頼を失い、商品価値を下げることとなる。また、故障箇所が特定されていないため、準備する予備品も多数となり、非効率なトラブルシュートと言える。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、燃料電池システムで電池電圧低下による故障が発生した場合に、簡便なトラブルシュートを遂行することで、故障復帰に要する時間および準備する予備品を最小化できるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池発電システム故障原因推定方法の一つの態様は、炭化水素を含む原燃料ガスと改質蒸気とから水素リッチな改質ガスを生成するための改質器と、前記改質器で得られた改質ガスの中の一酸化炭素の濃度を低下させる一酸化炭素変成器と、空気を供給して前記一酸化炭素変成器で得られた変成ガスの中の一酸化炭素を取り除く一酸化炭素除去器と、前記一酸化炭素除去器で得られた改質ガスを燃料ガスとして用いてその燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、前記改質器の排熱を利用して蒸気を発生させてその蒸気を改質蒸気として前記改質器に供給する蒸気発生器と、を有する燃料電池発電システムの電池電圧低下を伴う故障停止後にその故障停止の原因を推定する故障原因推定方法であって、前記蒸気発生器の温度の推移を検出し、前記故障停止前の前記蒸気発生器の温度の異常上昇があった場合に、前記改質器に供給される改質蒸気の遮断または異常減少があったものと判定すること、を特徴とする。

本発明に係る燃料電池発電システム故障原因推定方法の他の一つの態様は、炭化水素を含む原燃料ガスと改質蒸気とから水素リッチな改質ガスを生成するための改質器と、前記改質器で得られた改質ガスの中の一酸化炭素の濃度を低下させる一酸化炭素変成器と、空気を供給して前記一酸化炭素変成器で得られた変成ガスの中の一酸化炭素を取り除く一酸化炭素除去器と、前記一酸化炭素除去器で得られた改質ガスを燃料ガスとして用いてその燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、前記改質器の排熱を利用して蒸気を発生させてその蒸気を改質蒸気として前記改質器に供給する蒸気発生器と、を有する燃料電池発電システムの電池電圧低下を伴う故障停止後にその故障停止の原因を推定する故障原因推定方法であって、前記蒸気発生器の温度の推移を検出し、前記故障停止後の前記蒸気発生器の温度の異常上昇があった場合に、前記改質器に供給される改質蒸気の遮断または異常減少があったものと判定すること、を特徴とする。

本発明に係る燃料電池発電システム故障原因推定方法の他の一つの態様は、炭化水素を含む原燃料ガスと改質蒸気とから水素リッチな改質ガスを生成するための改質器と、前記改質器で得られた改質ガスの中の一酸化炭素の濃度を低下させる一酸化炭素変成器と、空気を供給して前記一酸化炭素変成器で得られた変成ガスの中の一酸化炭素を取り除く一酸化炭素除去器と、前記一酸化炭素除去器で得られた改質ガスを燃料ガスとして用いてその燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、前記改質器の排熱を利用して蒸気を発生させてその蒸気を改質蒸気として前記改質器に供給する蒸気発生器と、を有する燃料電池発電システムの電池電圧低下を伴う故障停止後にその故障停止の原因を推定する故障原因推定方法であって、前記一酸化炭素変成器の温度の推移を検出し、前記故障停止前の前記一酸化炭素変成器の温度の異常上昇があった場合に、前記改質器に供給される改質蒸気の遮断または異常減少があったものと判定すること、を特徴とする。

本発明に係る燃料電池発電システム故障原因推定方法の他の一つの態様は、炭化水素を含む原燃料ガスと改質蒸気とから水素リッチな改質ガスを生成するための改質器と、前記改質器で得られた改質ガスの中の一酸化炭素の濃度を低下させる一酸化炭素変成器と、空気を供給して前記一酸化炭素変成器で得られた変成ガスの中の一酸化炭素を取り除く一酸化炭素除去器と、前記一酸化炭素除去器で得られた改質ガスを燃料ガスとして用いてその燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、前記改質器の排熱を利用して蒸気を発生させてその蒸気を改質蒸気として前記改質器に供給する蒸気発生器と、を有する燃料電池発電システムの電池電圧低下を伴う故障停止後にその故障停止の原因を推定する故障原因推定方法であって、前記一酸化炭素変成器の温度の推移を検出し、前記故障停止後の前記一酸化炭素変成器の温度の異常上昇があった場合に、前記改質器に供給される改質蒸気の遮断または異常減少があったものと判定すること、を特徴とする。

本発明に係る燃料電池発電システム故障原因推定方法の他の一つの態様は、炭化水素を含む原燃料ガスと改質蒸気とから水素リッチな改質ガスを生成するための改質器と、前記改質器で得られた改質ガスの中の一酸化炭素の濃度を低下させる一酸化炭素変成器と、空気を供給して前記一酸化炭素変成器で得られた変成ガスの中の一酸化炭素を取り除く一酸化炭素除去器と、前記一酸化炭素除去器で得られた改質ガスを燃料ガスとして用いてその燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、前記改質器の排熱を利用して蒸気を発生させてその蒸気を改質蒸気として前記改質器に供給する蒸気発生器と、を有する燃料電池発電システムの電池電圧低下を伴う故障停止後にその故障停止の原因を推定する故障原因推定方法であって、前記一酸化炭素除去器の温度の推移を検出し、前記故障停止前の前記一酸化炭素除去器の温度の異常低下があった場合に、前記一酸化炭素除去器に供給される空気の遮断または異常減少があったものと判定すること、を特徴とする。

本発明に係る燃料電池発電システム故障原因推定方法の他の一つの態様は、炭化水素を含む原燃料ガスと改質蒸気とから水素リッチな改質ガスを生成するための改質器と、前記改質器で得られた改質ガスの中の一酸化炭素の濃度を低下させる一酸化炭素変成器と、空気を供給して前記一酸化炭素変成器で得られた変成ガスの中の一酸化炭素を取り除く一酸化炭素除去器と、前記一酸化炭素除去器で得られた改質ガスを燃料ガスとして用いてその燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、前記改質器の排熱を利用して蒸気を発生させてその蒸気を改質蒸気として前記改質器に供給する蒸気発生器と、を有する燃料電池発電システムの電池電圧低下を伴う故障停止後にその故障停止の原因を推定する故障原因推定方法であって、前記一酸化炭素除去器の温度の推移を検出し、前記故障停止後の前記一酸化炭素除去器の温度の異常低下があった場合に、前記一酸化炭素除去器に供給される空気の遮断または異常減少があったものと判定すること、を特徴とする。

本発明に係る燃料電池発電システム故障原因推定方法の他の一つの態様は、炭化水素を含む原燃料ガスと改質蒸気とから水素リッチな改質ガスを生成するための改質器と、前記改質器で得られた改質ガスの中の一酸化炭素の濃度を低下させる一酸化炭素変成器と、空気を供給して前記一酸化炭素変成器で得られた変成ガスの中の一酸化炭素を取り除く一酸化炭素除去器と、前記一酸化炭素除去器で得られた改質ガスを燃料ガスとして用いてその燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、前記改質器の排熱を利用して蒸気を発生させてその蒸気を改質蒸気として前記改質器に供給する蒸気発生器と、を有する燃料電池発電システムの電池電圧低下を伴う故障停止後にその故障停止の原因を推定する故障原因推定方法であって、前記一酸化炭素除去器の温度の推移を検出し、前記故障停止前の前記一酸化炭素除去器の温度の異常上昇があった場合に、前記一酸化炭素除去器に供給される空気の過剰供給があったものと判定すること、を特徴とする。

本発明に係る燃料電池発電システム故障原因推定方法の他の一つの態様は、炭化水素を含む原燃料ガスと改質蒸気とから水素リッチな改質ガスを生成するための改質器と、前記改質器で得られた改質ガスの中の一酸化炭素の濃度を低下させる一酸化炭素変成器と、空気を供給して前記一酸化炭素変成器で得られた変成ガスの中の一酸化炭素を取り除く一酸化炭素除去器と、前記一酸化炭素除去器で得られた改質ガスを燃料ガスとして用いてその燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、前記改質器の排熱を利用して蒸気を発生させてその蒸気を改質蒸気として前記改質器に供給する蒸気発生器と、を有する燃料電池発電システムの電池電圧低下を伴う故障停止後にその故障停止の原因を推定する故障原因推定方法であって、前記一酸化炭素除去器の温度の推移を検出し、前記故障停止後の前記一酸化炭素除去器の温度の異常上昇があった場合に、前記一酸化炭素除去器に供給される空気の過剰供給があったものと判定すること、を特徴とする。

本発明に係る燃料電池発電システム故障原因推定方法の他の一つの態様は、炭化水素を含む原燃料ガスと改質蒸気とから水素リッチな改質ガスを生成するための改質器と、前記改質器で得られた改質ガスの中の一酸化炭素の濃度を低下させる一酸化炭素変成器と、空気を供給して前記一酸化炭素変成器で得られた変成ガスの中の一酸化炭素を取り除く一酸化炭素除去器と、前記一酸化炭素除去器で得られた改質ガスを燃料ガスとして用いてその燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、前記改質器の排熱を利用して蒸気を発生させてその蒸気を改質蒸気として前記改質器に供給する蒸気発生器と、を有する燃料電池発電システムの電池電圧低下を伴う故障停止後にその故障停止の原因を推定する故障原因推定方法であって、前記燃料電池本体によって生じる電池電圧を検出し、前記故障停止後の前記電圧の異常上昇がなかった場合に、前記酸化剤ガスの遮断または異常減少があったものと判定すること、を特徴とする。

本発明に係る燃料電池発電システム故障原因推定方法の他の一つの態様は、炭化水素を含む原燃料ガスと改質蒸気とから水素リッチな改質ガスを生成するための改質器と、前記改質器で得られた改質ガスの中の一酸化炭素の濃度を低下させる一酸化炭素変成器と、空気を供給して前記一酸化炭素変成器で得られた変成ガスの中の一酸化炭素を取り除く一酸化炭素除去器と、前記一酸化炭素除去器で得られた改質ガスを燃料ガスとして用いてその燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、前記改質器の排熱を利用して蒸気を発生させてその蒸気を改質蒸気として前記改質器に供給する蒸気発生器と、を有する燃料電池発電システムの電池電圧低下を伴う故障停止後にその故障停止の原因を推定する故障原因推定方法であって、前記蒸気発生器の温度の推移を検出し、前記故障停止前の前記蒸気発生器の温度の異常上昇があった場合に、前記改質器に供給される改質蒸気の遮断または異常減少があったものと判定する第１の判定ステップと、前記蒸気発生器の温度の推移を検出し、前記故障停止後の前記蒸気発生器の温度の異常上昇があった場合に、前記改質器に供給される改質蒸気の遮断または異常減少があったものと判定する第２の判定ステップと、前記一酸化炭素変成器の温度の推移を検出し、前記故障停止前の前記一酸化炭素変成器の温度の異常上昇があった場合に、前記改質器に供給される改質蒸気の遮断または異常減少があったものと判定する第３の判定ステップと、前記一酸化炭素変成器の温度の推移を検出し、前記故障停止後の前記一酸化炭素変成器の温度の異常上昇があった場合に、前記改質器に供給される改質蒸気の遮断または異常減少があったものと判定する第４の判定ステップと、前記一酸化炭素除去器の温度の推移を検出し、前記故障停止前の前記一酸化炭素除去器の温度の異常低下があった場合に、前記一酸化炭素除去器に供給される空気の遮断または異常減少があったものと判定する第５の判定ステップと、前記一酸化炭素除去器の温度の推移を検出し、前記故障停止後の前記一酸化炭素除去器の温度の異常低下があった場合に、前記一酸化炭素除去器に供給される空気の遮断または異常減少があったものと判定する第６の判定ステップと、前記一酸化炭素除去器の温度の推移を検出し、前記故障停止前の前記一酸化炭素除去器の温度の異常上昇があった場合に、前記一酸化炭素除去器に供給される空気の過剰供給があったものと判定する第７の判定ステップと、前記一酸化炭素除去器の温度の推移を検出し、前記故障停止後の前記一酸化炭素除去器の温度の異常上昇があった場合に、前記一酸化炭素除去器に供給される空気の過剰供給があったものと判定する第８の判定ステップと、前記燃料電池本体によって生じる電池電圧を検出し、前記故障停止後の前記電圧の異常上昇がなかった場合に、前記酸化剤ガスの遮断または異常減少があったものと判定する第９の判定ステップと、のいずれか少なくとも二つの判定ステップを組み合わせること、を特徴とする。

本発明に係る燃料電池発電システムは、炭化水素を含む原燃料ガスと改質蒸気とから水素リッチな改質ガスを生成するための改質器と、前記改質器で得られた改質ガスの中の一酸化炭素の濃度を低下させる一酸化炭素変成器と、空気を供給して前記一酸化炭素変成器で得られた変成ガスの中の一酸化炭素を取り除く一酸化炭素除去器と、前記一酸化炭素除去器で得られた改質ガスを燃料ガスとして用いてその燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、前記改質器の排熱を利用して蒸気を発生させてその蒸気を改質蒸気として前記改質器に供給する蒸気発生器と、前記蒸気発生器の温度の推移を検出する蒸気発生器温度測定器と、前記一酸化炭素変成器の温度の推移を検出する一酸化炭素変成器温度測定器と、前記一酸化炭素除去器の温度の推移を検出する一酸化炭素除去器温度測定器と、前記燃料電池本体によって生じる電池電圧を検出する電圧検出手段と、前記燃料電池本体の電池電圧低下を伴う故障停止後にその故障停止の原因を推定する故障原因推定手段と、を有する燃料電池発電システムであって、前記故障原因推定手段は、前記故障停止前の前記蒸気発生器の温度の異常上昇があった場合に、前記改質器に供給される改質蒸気の遮断または異常減少があったものと判定する第１の判定手段と、前記故障停止後の前記蒸気発生器の温度の異常な上昇があった場合に、前記改質器に供給される改質蒸気の遮断または異常減少があったものと判定する第２の判定手段と、前記故障停止前の前記一酸化炭素変成器の温度の異常上昇があった場合に、前記改質器に供給される改質蒸気の遮断または異常減少があったものと判定する第３の判定手段と、前記故障停止後の前記一酸化炭素変成器の温度の異常上昇があった場合に、前記改質器に供給される改質蒸気の遮断または異常減少があったものと判定する第４の判定手段と、前記故障停止前の前記一酸化炭素除去器の温度の異常低下があった場合に、前記一酸化炭素除去器に供給される空気の遮断または異常減少があったものと判定する第５の判定手段と、前記故障停止後の前記一酸化炭素除去器の温度の異常低下があった場合に、前記一酸化炭素除去器に供給される空気の遮断または異常減少があったものと判定する第６の判定手段と、前記故障停止前の前記一酸化炭素除去器の温度の異常上昇があった場合に、前記一酸化炭素除去器に供給される空気の過剰供給があったものと判定する第７の判定手段と、前記故障停止後の前記一酸化炭素除去器の温度の異常上昇があった場合に、前記一酸化炭素除去器に供給される空気の過剰供給があったものと判定する第８の判定手段と、前記故障停止後の前記電圧の異常上昇がなかった場合に、前記酸化剤ガスの遮断または異常減少があったものと判定する第９の判定手段と、のいずれか少なくとも一つを有すること、を特徴とする。

本発明によれば、簡便なトラブルシュートを遂行することで、故障復帰に要する時間および準備する予備品を最小化することが可能となる。

以下、本発明に係る燃料電池発電システムの一実施形態について、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システムを示す概略系統図、図２は本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの故障原因推定方法の流れを示すフローチャートである。

この実施形態に係る燃料電池システムは、図１に示すように、燃料電池本体１と、改質器２、一酸化炭素変成器３、一酸化炭素除去器４、蒸気発生器５等を有する。

改質器２は、燃料遮断弁７を介して都市ガスなどの原燃料を受け入れるとともに、ブロワ９を介して空気を受け入れ、さらに、蒸気発生器５で発生した蒸気を、改質蒸気配管３０を介して受け入れて、原燃料よりも水素リッチな改質ガスを生成するようになっている。改質器２は改質器バーナ（図示せず）を有する。改質器バーナは、燃料電池本体１のアノード（図示せず）で消費し切れなかった水素の供給を水素戻し配管３１を介して受け入れてこれを燃焼させ、その排ガスは、排ガス配管３２を介して蒸気発生器５に供給され、排熱が回収される構成になっている。

改質器２によって改質された改質ガスは一酸化炭素変成器３に送られ、ここで一酸化炭素濃度が低下するように構成されている。

一酸化炭素変成器３を出た改質ガスは一酸化炭素除去器４へ送られる。一酸化炭素除去器４には、ブロワ２０を介して空気が供給され、一酸化炭素除去器４で、改質ガス中の一酸化炭素が除去される。

一酸化炭素除去器４を出た改質ガスは、燃料電池本体１のアノードに燃料ガスとして供給される。燃料電池本体１のカソードには、酸化剤ガスとしての空気がブロワ２１を介して供給され、電気化学反応によって電池電圧が生じるように構成されている。

また、この燃料電池発電システムを制御するための制御装置１０が設けられている。

燃料電池本体１で生じる電池電圧を測定するための電圧計３５が取り付けられている。また、蒸気発生器５の温度、一酸化炭素変成器３の温度および一酸化炭素除去器４の温度を測定するための各温度センサ３６、３７、３８が設置されている。これらの温度センサ３６、３７、３８はそれぞれ、蒸気発生器５、一酸化炭素変成器３、一酸化炭素除去器４に直接取り付けてもよいが、これらの機器の近傍に設置してもよい。電圧計３５および各温度計３６、３７、３８の出力信号は制御装置１０に送られる。

つぎに、図１に示す燃料電池システムが発電中に、電池電圧低下による故障を起こして停止した場合に、その故障箇所を特定する方法について図２に示す手順に沿って説明する。

ステップＳ１で、故障停止前に蒸気発生器５の温度の異常上昇があったかどうかを調べ、その異常上昇があった場合は、この故障停止の原因が改質蒸気の遮断または異常減少にあったと特定する。すなわち、図３に示すように、改質蒸気の遮断または異常減少がない場合は一点鎖線４０に示すように故障停止前に蒸気発生器５の温度の上昇がないが、改質蒸気の遮断または異常減少があった場合は実線４１に示すように故障停止前に蒸気発生器５の温度の異常上昇がある。したがって、この温度の異常上昇履歴により、故障停止の原因が改質蒸気の遮断または異常減少にあったと特定することができる。

ステップＳ２で、故障停止後に蒸気発生器５の温度の異常上昇があったかどうかを調べ、その異常上昇があった場合は、この故障停止の原因が改質蒸気の遮断または異常減少にあったと特定する。すなわち、図４に示すように、改質蒸気の遮断または異常減少がない場合は一点鎖線４２に示すように故障停止後に蒸気発生器５の温度は単調に低下する。それに対して改質蒸気の遮断または異常減少があった場合は、実線４３に示すように、故障停止直後に蒸気発生器５の温度がわずかに低下して、その後に再上昇し、故障停止時の温度よりも高くなってその後暫くしてから再度低下する。したがって、この温度の異常上昇履歴により、故障停止の原因が改質蒸気の遮断または異常減少にあったと特定することができる。

ここで、図４の実線４３のような温度推移から故障停止の原因が改質蒸気の遮断または異常減少にあったと特定できる理由についてさらに説明する。電池電圧低下が改質水系の故障の一種である改質蒸気不足の場合、改質器２および一酸化炭素変成器３への蒸気供給が適切になされず、改質不足による水素供給不足または一酸化炭素変成不足による一酸化炭素濃度上昇が起こり、その結果電池電圧低下が生じる。システム停止後に蒸気によって燃料系をパージするシステムで考えると、停止中の蒸気パージ量が少ない場合、蒸気発生器５の保有水が失われ、蒸気発生器温度が通常より上昇する。よって、故障停止後に蒸気発生器温度の異常な上昇が見られる場合は故障原因を改質蒸気の遮断または異常減少と特定できる。

ステップＳ３で、故障停止前に一酸化炭素変成器３の温度の異常上昇があったかどうかを調べ、その異常上昇があった場合は、この故障停止の原因が改質蒸気の遮断または異常減少にあったと特定する。すなわち、図５に示すように、改質蒸気の遮断または異常減少がない場合は一点鎖線４４に示すように故障停止前に一酸化炭素変成器３の温度の上昇がないが、改質蒸気の遮断または異常減少があった場合は実線４５に示すように故障停止前に一酸化炭素変成器３の温度の異常上昇がある。したがって、この温度の異常上昇履歴により、故障停止の原因が改質蒸気の遮断または異常減少にあったと特定することができる。

ステップＳ４で、故障停止後に一酸化炭素変成器３の温度の異常上昇があったかどうかを調べ、その異常上昇があった場合は、この故障停止の原因が改質蒸気の遮断または異常減少にあったと特定する。すなわち、図６に示すように、改質蒸気の遮断または異常減少がない場合は一点鎖線４６に示すように故障停止後に一酸化炭素変成器３の温度は単調に低下する。それに対して改質蒸気の遮断または異常減少があった場合は、実線４７に示すように、故障停止直後に一酸化炭素変成器３の温度がわずかに低下し、その後に再上昇し、故障停止時の温度よりも高くなってその後暫くしてから再度低下する。したがって、この温度の異常上昇履歴により、故障停止の原因が改質蒸気の遮断または異常減少にあったと特定することができる。

ステップＳ５で、故障停止前に一酸化炭素除去器４の温度の異常低下があったかどうかを調べ、その異常低下があった場合は、この故障停止の原因が一酸化炭素除去空気の遮断または異常減少があったと特定する。すなわち、図７に示すように、一酸化炭素除去空気の遮断または異常減少がない場合は一点鎖線４８に示すように故障停止前に一酸化炭素除去器４の温度の上昇も低下もないが、一酸化炭素除去空気の遮断または異常減少があった場合は実線４９に示すように故障停止前に一酸化炭素除去器４の温度の異常低下がある。したがって、この温度の異常低下履歴により、故障停止の原因が一酸化炭素除去空気の遮断または異常減少にあったと特定することができる。

なお、図７の破線５２については後述する。

ここで、図７の実線４９のような温度推移から故障停止の原因が一酸化炭素除去空気の遮断または異常減少にあったと特定できる理由についてさらに説明する。電池電圧低下が一酸化炭素除去器４の故障の一種である一酸化炭素除去空気不足の場合、一酸化炭素除去器４への空気供給が適切になされず、その結果電池電圧低下が生じる。空気供給量が少ない場合、発熱反応である一酸化炭素除去反応が適切に進まないため、一酸化炭素除去器４の温度が通常より低下する。よって、故障停止前に一酸化炭素除去器４の温度の異常な低下が見られる場合は故障箇所を一酸化炭素除去器系と特定できる。

ステップＳ６で、故障停止後に一酸化炭素除去器４の温度の異常低下があったかどうかを調べ、その異常低下があった場合は、この故障停止の原因が一酸化炭素除去空気の遮断または異常減少があったと特定する。すなわち、図８に示すように、一酸化炭素除去空気の遮断または異常減少がない場合は、一点鎖線５０に示すように故障停止前に一酸化炭素除去器４の温度は単調に低下する。一酸化炭素除去空気の遮断または異常減少があった場合は実線５１に示すように、故障停止後に一酸化炭素除去器４の温度は、一酸化炭素除去空気の遮断または異常減少がない場合（一点鎖線５０）に比べて急激な異常低下がある。したがって、この温度の異常低下履歴により、故障停止の原因が一酸化炭素除去空気の遮断または異常減少にあったと特定することができる。

なお、図８の破線５３については後述する。

ステップＳ７で、故障停止前に一酸化炭素除去器４の温度の異常上昇があったかどうかを調べ、その異常上昇があった場合は、この故障停止の原因が一酸化炭素除去空気の過剰供給があったと特定する。すなわち、前出の図７に示すように、一酸化炭素除去空気の遮断または異常減少がない場合は一点鎖線４８に示すように故障停止前に一酸化炭素除去器４の温度の上昇も低下もないが、一酸化炭素除去空気の過剰供給があった場合は破線５２に示すように故障停止前に一酸化炭素除去器４の温度の異常上昇がある。したがって、この温度の異常上昇履歴により、故障停止の原因が一酸化炭素除去空気の過剰供給にあったと特定することができる。

ステップＳ８で、故障停止後に一酸化炭素除去器４の温度の異常上昇があったかどうかを調べ、その異常上昇があった場合は、この故障停止の原因が一酸化炭素除去空気の過剰供給があったと特定する。すなわち、前出の図８に示すように、一酸化炭素除去空気の遮断または異常減少がない場合は一点鎖線５０に示すように故障停止前に一酸化炭素除去器４の温度は単調に低下する。それに対して一酸化炭素除去空気の過剰供給があった場合は、破線５３に示すように、故障停止直後に一酸化炭素除去器４の温度が低下した後に再上昇し、故障停止時の温度よりも高くなってその後暫くしてから再度低下する。したがって、この温度の異常履歴により、故障停止の原因が一酸化炭素除去空気の過剰供給にあったと特定することができる。

ステップＳ９で、故障停止後に電池電圧の異常上昇がなかったかどうかを調べ、その異常上昇がなかった場合は、この故障停止の原因がカソード空気の遮断または異常減少にあったと特定する。すなわち、図９に示すように、カソード空気の遮断または異常減少がなかった場合は一点鎖線５５に示すように故障停止直後に電池電圧の急上昇があり、その後に低下する。一方カソード空気の遮断または異常減少があった場合は実線５６に示すように、故障停止直後に電池電圧の上昇がなく、そのまま単調に低下する。したがって、この電池電圧の急上昇履歴がなかったことにより、故障停止の原因がカソード空気の遮断または異常減少にあったと特定することができる。

ここで、図９の実線５６のような温度推移から故障停止の原因がカソード空気の遮断または異常減少にあったと特定できる理由についてさらに説明する。

電池電圧低下がカソード空気系の故障の一種であるカソード空気不足の場合、燃料電池本体１へのカソード空気供給が適切になされず、空気不足により電池電圧低下が生じる。カソード空気が遮断された場合、通常のシステム停止時に発生する一時的な電圧上昇が見られない。通常のシステム停止の場合は、負荷遮断と同時にカソード空気も遮断されるため、燃料電池本体内の空気が消費されるまではほぼ無負荷電圧が維持されるが、カソード空気遮断による停止の場合は、既に燃料電池本体内の空気が消費された後に負荷が遮断されるため、無負荷電圧が見られない。よって、故障停止後に電池電圧の一時的な上昇が見られない場合は故障箇所をカソード空気系と特定できる。

以上説明したステップＳ１からステップＳ９までの工程を経てもなお故障原因の特定ができない場合は、ステップＳ１０に進んで、故障原因特定のための詳細調査を行なうことになる。しかし、多くの場合は、ステップＳ１からステップＳ９までの工程の中で故障原因を特定できるので、故障原因特定を迅速に行なうことができ、故障復帰に要する時間および準備する予備品を最小化できる。

図３ないし図９に示す各部温度および電池電圧の挙動は、図１に示す燃料電池システムにおいて一般的に生ずるものであって、その推移を調査することによって、上述のようにその故障停止の原因を容易に判定することができる。

ただし、図３ないし図９に示すグラフは説明のために簡略化して示したものであって、実際には、負荷の変動や環境条件の変動、燃料電池本体の運転履歴などにより、各部温度や電池電圧のデータは通常運転時であっても常に変動している。したがって、かかる変動を考慮して、「異常」か否かを判断する必要がある。

異常な上昇や低下などの判定にあたっては、単なる閾値判定や移動平均値での判定など様々な判定方法が考えられる。システム毎に正常時のデータを記憶し、正常時のデータと比較することで故障診断の判定を行なうなどが一例である。

このような故障診断の手順は、人が行なうこともできるが、電子計算機を用いて自動的に判断させることもできる。

上記実施形態におけるステップＳ１からステップＳ９までのステップは、この順番で行なう必要はなく、任意の順番に行なってよい。また、その途中で故障原因が判明した場合にその後のステップを省略してもよい。さらに、故障原因が判明しない場合であっても、ここに記載されたステップＳ１からステップＳ９までのステップの一部のみを行ない、その後はステップＳ１０の故障原因特定のための詳細調査を行なうようにしてもよい。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す概略系統図。本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの故障原因推定方法の流れを示すフローチャート。本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの故障停止前の蒸気発生器温度推移の例を示すグラフ。本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの故障停止後の蒸気発生器温度推移の例を示すグラフ。本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの故障停止前の一酸化炭素変成器温度推移の例を示すグラフ。本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの故障停止後の一酸化炭素変成器温度推移の例を示すグラフ。本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの故障停止前の一酸化炭素除去器温度推移の例を示すグラフ。本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの故障停止後の一酸化炭素除去器温度推移の例を示すグラフ。本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの故障停止後の電池電圧推移の例を示すグラフ。

符号の説明

１ … 燃料電池本体
２ … 改質器
３ … 一酸化炭素変成器
４ … 一酸化炭素除去器
５ … 蒸気発生器
６ … 原燃料
７ … 燃料遮断弁
８ … 空気
９ … ブロワ
１０ … 制御装置
２０，２１ … ブロワ
３０ … 改質蒸気配管
３１ … 水素戻し配管
３２ … 排ガス配管
３５ … 電圧計
３６、３７、３８ … 温度センサ

Claims

炭化水素を含む原燃料ガスと改質蒸気とから水素リッチな改質ガスを生成するための改質器と、
前記改質器で得られた改質ガスの中の一酸化炭素の濃度を低下させる一酸化炭素変成器と、
空気を供給して前記一酸化炭素変成器で得られた変成ガスの中の一酸化炭素を取り除く一酸化炭素除去器と、
前記一酸化炭素除去器で得られた改質ガスを燃料ガスとして用いてその燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、
前記改質器の排熱を利用して蒸気を発生させてその蒸気を改質蒸気として前記改質器に供給する蒸気発生器と、
を有する燃料電池発電システムの電池電圧低下を伴う故障停止後にその故障停止の原因を推定する故障原因推定方法であって、
前記蒸気発生器の温度の推移を検出し、
前記故障停止前の前記蒸気発生器の温度の異常上昇があった場合に、前記改質器に供給される改質蒸気の遮断または異常減少があったものと判定すること、
を特徴とする燃料電池発電システム故障原因推定方法。
炭化水素を含む原燃料ガスと改質蒸気とから水素リッチな改質ガスを生成するための改質器と、
前記改質器で得られた改質ガスの中の一酸化炭素の濃度を低下させる一酸化炭素変成器と、
空気を供給して前記一酸化炭素変成器で得られた変成ガスの中の一酸化炭素を取り除く一酸化炭素除去器と、
前記一酸化炭素除去器で得られた改質ガスを燃料ガスとして用いてその燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、
前記改質器の排熱を利用して蒸気を発生させてその蒸気を改質蒸気として前記改質器に供給する蒸気発生器と、
を有する燃料電池発電システムの電池電圧低下を伴う故障停止後にその故障停止の原因を推定する故障原因推定方法であって、
前記蒸気発生器の温度の推移を検出し、
前記故障停止後の前記蒸気発生器の温度の異常上昇があった場合に、前記改質器に供給される改質蒸気の遮断または異常減少があったものと判定すること、
を特徴とする燃料電池発電システム故障原因推定方法。
炭化水素を含む原燃料ガスと改質蒸気とから水素リッチな改質ガスを生成するための改質器と、
前記改質器で得られた改質ガスの中の一酸化炭素の濃度を低下させる一酸化炭素変成器と、
空気を供給して前記一酸化炭素変成器で得られた変成ガスの中の一酸化炭素を取り除く一酸化炭素除去器と、
前記一酸化炭素除去器で得られた改質ガスを燃料ガスとして用いてその燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、
前記改質器の排熱を利用して蒸気を発生させてその蒸気を改質蒸気として前記改質器に供給する蒸気発生器と、
を有する燃料電池発電システムの電池電圧低下を伴う故障停止後にその故障停止の原因を推定する故障原因推定方法であって、
前記一酸化炭素変成器の温度の推移を検出し、
前記故障停止前の前記一酸化炭素変成器の温度の異常上昇があった場合に、前記改質器に供給される改質蒸気の遮断または異常減少があったものと判定すること、
を特徴とする燃料電池発電システム故障原因推定方法。
炭化水素を含む原燃料ガスと改質蒸気とから水素リッチな改質ガスを生成するための改質器と、
前記改質器で得られた改質ガスの中の一酸化炭素の濃度を低下させる一酸化炭素変成器と、
空気を供給して前記一酸化炭素変成器で得られた変成ガスの中の一酸化炭素を取り除く一酸化炭素除去器と、
前記一酸化炭素除去器で得られた改質ガスを燃料ガスとして用いてその燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、
前記改質器の排熱を利用して蒸気を発生させてその蒸気を改質蒸気として前記改質器に供給する蒸気発生器と、
を有する燃料電池発電システムの電池電圧低下を伴う故障停止後にその故障停止の原因を推定する故障原因推定方法であって、
前記一酸化炭素変成器の温度の推移を検出し、
前記故障停止後の前記一酸化炭素変成器の温度の異常上昇があった場合に、前記改質器に供給される改質蒸気の遮断または異常減少があったものと判定すること、
を特徴とする燃料電池発電システム故障原因推定方法。
炭化水素を含む原燃料ガスと改質蒸気とから水素リッチな改質ガスを生成するための改質器と、
前記改質器で得られた改質ガスの中の一酸化炭素の濃度を低下させる一酸化炭素変成器と、
空気を供給して前記一酸化炭素変成器で得られた変成ガスの中の一酸化炭素を取り除く一酸化炭素除去器と、
前記一酸化炭素除去器で得られた改質ガスを燃料ガスとして用いてその燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、
前記改質器の排熱を利用して蒸気を発生させてその蒸気を改質蒸気として前記改質器に供給する蒸気発生器と、
を有する燃料電池発電システムの電池電圧低下を伴う故障停止後にその故障停止の原因を推定する故障原因推定方法であって、
前記一酸化炭素除去器の温度の推移を検出し、
前記故障停止前の前記一酸化炭素除去器の温度の異常低下があった場合に、前記一酸化炭素除去器に供給される空気の遮断または異常減少があったものと判定すること、
を特徴とする燃料電池発電システム故障原因推定方法。
炭化水素を含む原燃料ガスと改質蒸気とから水素リッチな改質ガスを生成するための改質器と、
前記改質器で得られた改質ガスの中の一酸化炭素の濃度を低下させる一酸化炭素変成器と、
空気を供給して前記一酸化炭素変成器で得られた変成ガスの中の一酸化炭素を取り除く一酸化炭素除去器と、
前記一酸化炭素除去器で得られた改質ガスを燃料ガスとして用いてその燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、
前記改質器の排熱を利用して蒸気を発生させてその蒸気を改質蒸気として前記改質器に供給する蒸気発生器と、
を有する燃料電池発電システムの電池電圧低下を伴う故障停止後にその故障停止の原因を推定する故障原因推定方法であって、
前記一酸化炭素除去器の温度の推移を検出し、
前記故障停止後の前記一酸化炭素除去器の温度の異常低下があった場合に、前記一酸化炭素除去器に供給される空気の遮断または異常減少があったものと判定すること、
を特徴とする燃料電池発電システム故障原因推定方法。
炭化水素を含む原燃料ガスと改質蒸気とから水素リッチな改質ガスを生成するための改質器と、
前記改質器で得られた改質ガスの中の一酸化炭素の濃度を低下させる一酸化炭素変成器と、
空気を供給して前記一酸化炭素変成器で得られた変成ガスの中の一酸化炭素を取り除く一酸化炭素除去器と、
前記一酸化炭素除去器で得られた改質ガスを燃料ガスとして用いてその燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、
前記改質器の排熱を利用して蒸気を発生させてその蒸気を改質蒸気として前記改質器に供給する蒸気発生器と、
を有する燃料電池発電システムの電池電圧低下を伴う故障停止後にその故障停止の原因を推定する故障原因推定方法であって、
前記一酸化炭素除去器の温度の推移を検出し、
前記故障停止前の前記一酸化炭素除去器の温度の異常上昇があった場合に、前記一酸化炭素除去器に供給される空気の過剰供給があったものと判定すること、
を特徴とする燃料電池発電システム故障原因推定方法。
炭化水素を含む原燃料ガスと改質蒸気とから水素リッチな改質ガスを生成するための改質器と、
前記改質器で得られた改質ガスの中の一酸化炭素の濃度を低下させる一酸化炭素変成器と、
空気を供給して前記一酸化炭素変成器で得られた変成ガスの中の一酸化炭素を取り除く一酸化炭素除去器と、
前記一酸化炭素除去器で得られた改質ガスを燃料ガスとして用いてその燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、
前記改質器の排熱を利用して蒸気を発生させてその蒸気を改質蒸気として前記改質器に供給する蒸気発生器と、
を有する燃料電池発電システムの電池電圧低下を伴う故障停止後にその故障停止の原因を推定する故障原因推定方法であって、
前記一酸化炭素除去器の温度の推移を検出し、
前記故障停止後の前記一酸化炭素除去器の温度の異常上昇があった場合に、前記一酸化炭素除去器に供給される空気の過剰供給があったものと判定すること、
を特徴とする燃料電池発電システム故障原因推定方法。
炭化水素を含む原燃料ガスと改質蒸気とから水素リッチな改質ガスを生成するための改質器と、
前記改質器で得られた改質ガスの中の一酸化炭素の濃度を低下させる一酸化炭素変成器と、
空気を供給して前記一酸化炭素変成器で得られた変成ガスの中の一酸化炭素を取り除く一酸化炭素除去器と、
前記一酸化炭素除去器で得られた改質ガスを燃料ガスとして用いてその燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、
前記改質器の排熱を利用して蒸気を発生させてその蒸気を改質蒸気として前記改質器に供給する蒸気発生器と、
を有する燃料電池発電システムの電池電圧低下を伴う故障停止後にその故障停止の原因を推定する故障原因推定方法であって、
前記燃料電池本体によって生じる電池電圧を検出し、
前記故障停止後の前記電圧の異常上昇がなかった場合に、前記酸化剤ガスの遮断または異常減少があったものと判定すること、
を特徴とする燃料電池発電システム故障原因推定方法。
炭化水素を含む原燃料ガスと改質蒸気とから水素リッチな改質ガスを生成するための改質器と、
前記改質器で得られた改質ガスの中の一酸化炭素の濃度を低下させる一酸化炭素変成器と、
空気を供給して前記一酸化炭素変成器で得られた変成ガスの中の一酸化炭素を取り除く一酸化炭素除去器と、
前記一酸化炭素除去器で得られた改質ガスを燃料ガスとして用いてその燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、
前記改質器の排熱を利用して蒸気を発生させてその蒸気を改質蒸気として前記改質器に供給する蒸気発生器と、
を有する燃料電池発電システムの電池電圧低下を伴う故障停止後にその故障停止の原因を推定する故障原因推定方法であって、
前記蒸気発生器の温度の推移を検出し、前記故障停止前の前記蒸気発生器の温度の異常上昇があった場合に、前記改質器に供給される改質蒸気の遮断または異常減少があったものと判定する第１の判定ステップと、
前記蒸気発生器の温度の推移を検出し、前記故障停止後の前記蒸気発生器の温度の異常上昇があった場合に、前記改質器に供給される改質蒸気の遮断または異常減少があったものと判定する第２の判定ステップと、
前記一酸化炭素変成器の温度の推移を検出し、前記故障停止前の前記一酸化炭素変成器の温度の異常上昇があった場合に、前記改質器に供給される改質蒸気の遮断または異常減少があったものと判定する第３の判定ステップと、
前記一酸化炭素変成器の温度の推移を検出し、前記故障停止後の前記一酸化炭素変成器の温度の異常上昇があった場合に、前記改質器に供給される改質蒸気の遮断または異常減少があったものと判定する第４の判定ステップと、
前記一酸化炭素除去器の温度の推移を検出し、前記故障停止前の前記一酸化炭素除去器の温度の異常低下があった場合に、前記一酸化炭素除去器に供給される空気の遮断または異常減少があったものと判定する第５の判定ステップと、
前記一酸化炭素除去器の温度の推移を検出し、前記故障停止後の前記一酸化炭素除去器の温度の異常低下があった場合に、前記一酸化炭素除去器に供給される空気の遮断または異常減少があったものと判定する第６の判定ステップと、
前記一酸化炭素除去器の温度の推移を検出し、前記故障停止前の前記一酸化炭素除去器の温度の異常上昇があった場合に、前記一酸化炭素除去器に供給される空気の過剰供給があったものと判定する第７の判定ステップと、
前記一酸化炭素除去器の温度の推移を検出し、前記故障停止後の前記一酸化炭素除去器の温度の異常上昇があった場合に、前記一酸化炭素除去器に供給される空気の過剰供給があったものと判定する第８の判定ステップと、
前記燃料電池本体によって生じる電池電圧を検出し、前記故障停止後の前記電圧の異常上昇がなかった場合に、前記酸化剤ガスの遮断または異常減少があったものと判定する第９の判定ステップと、
のいずれか少なくとも二つの判定ステップを組み合わせること、を特徴とする燃料電池発電システム故障原因推定方法。
炭化水素を含む原燃料ガスと改質蒸気とから水素リッチな改質ガスを生成するための改質器と、
前記改質器で得られた改質ガスの中の一酸化炭素の濃度を低下させる一酸化炭素変成器と、
空気を供給して前記一酸化炭素変成器で得られた変成ガスの中の一酸化炭素を取り除く一酸化炭素除去器と、
前記一酸化炭素除去器で得られた改質ガスを燃料ガスとして用いてその燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、
前記改質器の排熱を利用して蒸気を発生させてその蒸気を改質蒸気として前記改質器に供給する蒸気発生器と、
前記蒸気発生器の温度の推移を検出する蒸気発生器温度測定器と、
前記一酸化炭素変成器の温度の推移を検出する一酸化炭素変成器温度測定器と、
前記一酸化炭素除去器の温度の推移を検出する一酸化炭素除去器温度測定器と、
前記燃料電池本体によって生じる電池電圧を検出する電圧検出手段と、
前記燃料電池本体の電池電圧低下を伴う故障停止後にその故障停止の原因を推定する故障原因推定手段と、
を有する燃料電池発電システムであって、
前記故障原因推定手段は、
前記故障停止前の前記蒸気発生器の温度の異常上昇があった場合に、前記改質器に供給される改質蒸気の遮断または異常減少があったものと判定する第１の判定手段と、
前記故障停止後の前記蒸気発生器の温度の異常な上昇があった場合に、前記改質器に供給される改質蒸気の遮断または異常減少があったものと判定する第２の判定手段と、
前記故障停止前の前記一酸化炭素変成器の温度の異常上昇があった場合に、前記改質器に供給される改質蒸気の遮断または異常減少があったものと判定する第３の判定手段と、
前記故障停止後の前記一酸化炭素変成器の温度の異常上昇があった場合に、前記改質器に供給される改質蒸気の遮断または異常減少があったものと判定する第４の判定手段と、
前記故障停止前の前記一酸化炭素除去器の温度の異常低下があった場合に、前記一酸化炭素除去器に供給される空気の遮断または異常減少があったものと判定する第５の判定手段と、
前記故障停止後の前記一酸化炭素除去器の温度の異常低下があった場合に、前記一酸化炭素除去器に供給される空気の遮断または異常減少があったものと判定する第６の判定手段と、
前記故障停止前の前記一酸化炭素除去器の温度の異常上昇があった場合に、前記一酸化炭素除去器に供給される空気の過剰供給があったものと判定する第７の判定手段と、
前記故障停止後の前記一酸化炭素除去器の温度の異常上昇があった場合に、前記一酸化炭素除去器に供給される空気の過剰供給があったものと判定する第８の判定手段と、
前記故障停止後の前記電圧の異常上昇がなかった場合に、前記酸化剤ガスの遮断または異常減少があったものと判定する第９の判定手段と、
のいずれか少なくとも一つを有すること、を特徴とする燃料電池発電システム。