JP5295535B2 - 燃料電池発電システム及びその換気制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、システム内の動作要素とその検知手段、代表的には換気手段と換気センサを有する燃料電池発電システムに係り、特に、換気センサの健全性を確認して高い安全を担保した燃料電池発電システム及びその換気制御方法に関するものである。

従来から、燃料の有している化学エネルギーを直接電気に変換する装置として燃料電池が知られている。この燃料電池は、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り、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環境性に優れた特徴を有している。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）の開発が活発化している。そのため、ＰＥＦＣを採用した家庭用燃料電池発電システムの普及も間近な状況となっている。

ところで、このような家庭用燃料電池発電システムは、安全なシステムであることが前提である。燃料電池は水素を使って発電するので、配管内部には水素や水素を作るための原燃料ガスが流れているが、これらの可燃ガスがリークした場合にも安全を確保する必要がある。

この観点から、特許文献１のように、通常は一定量以上がリークした場合に運転継続できない制御手段を持ち、さらにそれまでのリーク量であれば、爆発限界に到達させずに換気ができるように換気ファンによって換気量を一定量確保すると共に、念のため可燃ガスセンサを設けていることが一般的なアプローチである。なお、換気ファンが故障した場合に安全が担保されないので通常では、換気ファンにより換気が正常になされていることを確認すべく、換気センサが設けられている。

ここで、図７を用いて、従来の燃料電池発電システムについて具体的に説明する。図７は、従来の典型的な燃料電池発電システムの構成図である。燃料電池発電システムのパッケージ１の中には、燃料電池本体２および燃料処理系３が含まれており、換気ファン６によってパッケージ１内の換気がなされている。

換気風は、換気入口４からパッケージ１内を通り、換気出口５から排出されている。換気出口５の直近には、換気ファン６の起動／停止に伴い、換気ＯＮ／換気ＯＦＦを検知する換気センサ７およびパッケージ１内の可燃ガス濃度を検知する可燃ガスセンサ８が設けられている。また、パッケージ１内には上記の構成要素を制御するための制御装置９が設置されている。

図７に示した燃料電池発電システムの作用は次の通りである。すなわち、発電中は、換気ファン６は動作状態となっており、もし燃料電池本体２や燃料処理系３から可燃ガスのリークがあったとしても安全な環境を維持している。また、換気ファン６が故障して停止した場合には、換気センサ７が換気ＯＦＦを検知して、その故障を認識し、システムを保護停止させる。これにより、換気ファン６故障時の安全を担保している。

このように燃料電池発電システムの安全を得る上で、換気機能は重要な役割を担っており、様々な技術が提案されている。例えば特許文献２に記載の燃料電池発電システムでは、換気機能における安全性と経済性を両立させている。この技術では、換気ファンの速度を変えてパッケージ内の換気風量を増減させることにより、パッケージ内部で可燃性ガスの漏洩が発生したとき、気中に含まれる可燃性ガス濃度に関し、その濃淡を意図的に大きく作るようにしている。このため、検知精度が要求されない安価な可燃性ガス検知器を使用しても可燃性ガスの漏洩を確実に検出することができ、また、換気ファンの消費電力の低減を図ることが可能である。
特開２００３−１５７８７１号公報 特開２００６−１９６２６５号公報

しかしながら、上記の図７に示した従来技術には次のような問題点が指摘されていた。すなわち、換気センサ７が健全であれば前述のとおりの動作状況となるが、仮に換気センサ７自体が故障して、換気中のステータスが保持された場合には、発電が継続し、その後、換気ファン６が故障したとしても、そのファン故障を換気センサ７が検知することができなくなる。したがって、換気動作が実施できない状況が見逃されるといった危険な状態が継続することになってしまう。

以上のリスクに対する現状の基本的な対応方法は、換気センサ７も含めた換気機能について、定期点検等で総合的に確認するほかなかった。したがって、換気センサ７が故障した時点から定期点検を行う時点までは、換気動作を確認できない状況下での運転を余儀なくされた。このような状態が放置されるリスクは、家庭用燃料電池発電システムの本格商品化に向けて、是非ともクリアしなくてはならない課題となっていた。

なお、燃料電池発電システムには多種多様な動作要素と、該動作要素の動作状況を検知するセンサが組み込まれている。そのため、上記の換気機能と同じく、各センサが故障した場合には、動作要素による正常な機能が担保されないといったリスクが生じることになった。

また、特許文献２では、検知精度が要求されない可燃性ガスセンサによってガスの漏洩検出を実現したものであって、安価なガス検知器によって優れた安全性を確保することを目的としたものであり、ガスセンサ自体の故障を想定し、安全を担保することを目的とした技術ではない。

本発明は、このような状況に鑑みて提案されたものであり、その目的は、換気手段を含む動作要素の動作状況を一時的に意図的に変えることで、各動作要素に対応したセンサのステータス変化を確認し、前記センサに関する健全性を判断して、前記センサが故障したまま放置されるといったリスクを回避し、動作要素およびセンサの正常状態を維持して優れた安全を担保することが可能な燃料電池発電システム及びその換気制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、燃料電池本体と、前記燃料電池本体に水素を供給するための燃料処理系をパッケージに収納し、前記パッケージ内部を換気する換気手段と、前記換気手段の動作状態を検知する換気センサを有する燃料電池発電システムにおいて、前記換気センサのステータス変化を確認して該換気センサの健全性を判断する換気機能判断手段と、前記換気手段による換気動作中に、定期的または不定期に、一時的に前記換気手段を停止または抑制させて換気量を低減させる換気量調節手段、を備え、前記燃料電池発電システムの発電中において、前記換気量調節手段により換気量を低減させ、前記換気機能判断手段が、前記換気センサの健全性を判断することを特徴とする。

以上の構成を有する本発明では、換気手段による換気動作中に、換気量調節手段によって定期的または不定期に、一時的に換気手段を停止または抑制させ、意図的に換気量を低減させて、正常な換気センサであればステータス変化を確認する状況を作り出す。そして、換気機能判断手段が換気センサのステータス変化を確認することで換気センサの健全性を判断する。

すなわち、換気量が低減した時点で換気センサがステータス変化を確認すれば、換気センサは健全性を有していると判断し、換気センサによる安全を担保する。これに対して、換気量が低減したにもかかわらず、換気センサがステータス変化を確認しなければ、この換気センサは健全性を失っていることになる。このようにして、迅速に換気センサの故障を把握することが可能となり、定期点検を待つことなく、故障状態の換気センサを放置する心配がない。

本発明によれば、換気量調節手段により換気手段の動作状況を一時的に意図的に変えることで、換気機能判断手段にて換気センサのステータス変化を確認し、換気手段およびそのセンサに関する健全性を判断することができ、これにより故障したままの換気センサを放置するリスクを回避でき、優れた安全を担保することが可能な燃料電池発電システム及びその換気制御方法を提供することができた。

以下、本発明に係る実施形態の一例について、図面を参照して具体的に説明する。なお、下記の実施形態は、図７に示した従来例と同じく、燃料電池本体２および燃料処理系３をパッケージ１に収納した燃料電池発電システムであり、同一部材に関しては同一符号を付して説明は省略する。

（１）第１の実施形態
［構成］
図１は第１の実施形態の構成図である。図１に示すように、制御装置９には換気機能判断部１０が組み込まれている。この換気機能判断部１０は、換気ファン６および換気センサ７に接続されており、換気ファン６の起動／停止状態と換気センサ７のステータス変化を確認し、換気センサ７の健全性を確かめて、換気機能の異常の有無を判断するようになっている。また、換気機能判断部１０は監視タイマ１５、システム停止部１９および換気ファン６に接続されている。監視タイマ１５は換気ファン６を一定時間連続して動作させる時間を計測するためのタイマであって、ここでは１０分間を連続動作時間としている。

換気機能判断部１０は、換気センサ７の健全性を判断するに当たって、監視タイマ１５の計測する１０分間隔で、換気一時停止指令を換気ファン６に出力し、その後、次のような判断を下す。すなわち、監視タイマ１５の計測する１０分間隔で換気ファン６を一時的に停止させた際、換気センサ７のステータス変化を確認すれば換気センサ７は健全性を有していると判断する。なお、換気センサ７は健全性を有していると判断した換気機能判断部１０は、換気ファン６に対し、換気量を復帰させ、あるいは一定時間換気量を増強させる指令を出力する。

また、監視タイマ１５の計測する１０分間隔で換気ファン６を一定時間停止させた後、１分間の猶予の後、換気センサ７のステータス変化を確認しなければ、換気センサ７は健全性を失っていると判断する。また、換気ファン６の起動指令前であるにもかかわらず、換気センサ７が換気ＯＮを検知した場合も、換気センサ７自体が故障していると判断する。

さらには、換気ファン６を起動させても換気センサ７が換気ＯＮを検知しない場合は、換気ファン６が故障して動かないか、または換気センサ７が故障して検知しないかのどちらかであり、いずれにしろ換気機能に異常があると判断するようになっている。換気機能判断部１０が換気機能に異常があると判断した場合、システム停止部１９は故障発報を行うとともに、速やかにシステムを停止させる。

換気ファン６は、その動作中に換気機能判断部１０から換気一時停止指令を受けると停止するようになっている。また、換気機能判断部１０が換気センサ７のステータス変化を確認して換気センサ７は健全性を有していると判断した場合、換気ファン６は、換気量を復帰させ、あるいは一定時間換気量を増強させる指令を受けて、それを実行するように設定されている。

ところで、換気センサ７に近接した可燃ガスセンサ８は、換気ファン６が一時的に停止した際、保護レベルを上げ、換気ファン６が再起動した後は保護レベルを元に戻すように設定されている。

［換気制御方法］
以上のような構成を有する第１の実施形態における換気制御について、図２のフローチャートを参照して説明する。まず、換気ファン６の起動指令が出た場合（ＳＴＥＰ０１）、換気ファン６を起動するに当たり、換気センサ７が換気ＯＦＦを検知していることを確認する（ＳＴＥＰ０２）。

この時、換気センサ７が換気ＯＮを検知している場合は（ＳＴＥＰ０２のＮｏ）、換気機能判断部１０は換気機能に異常があると判断し、換気センサ７が誤ＯＮ検知か、または換気ファン６が誤ＯＮしていることになる（ＳＴＥＰ１０）。そのため、システム停止部１９は故障発報を行い、システムを停止する。なお、このような故障モードの監視は、換気ファン６の起動前でなく、換気ファン６に停止指令が出ている場合にも定期的に行うことでより迅速な故障検知が可能となる。

換気センサ７が換気ＯＦＦを検知している場合（ＳＴＥＰ０２のＹｅｓ）は、換気機能判断部１０は換気機能が正常であると判断して、換気ファン６が起動する（ＳＴＥＰ０３）。これにより、換気センサ７が換気ＯＮを検知することを確認する（ＳＴＥＰ０４）。この時、換気センサ７が換気ＯＮを検知できない場合は（ＳＴＥＰ０４のＮｏ）、換気ファン６が故障して動かないか、あるいは換気センサ７が故障して換気ＯＮを検知しないかのどちらかであり、いずれにしろ、換気機能判断部１０は換気機能に異常があると判断して、システム停止部１９は故障発報を行い、システムを停止する（ＳＴＥＰ０５）。

換気センサ７が換気ＯＮを検知した場合（ＳＴＥＰ０４のＹｅｓ）は、監視タイマ１５の計測に基づき１０分間連続して換気ファン６が起動し（ＳＴＥＰ０６）、１０分経過後（ＳＴＥＰ０６のＹｅｓ）、換気機能判断部１０が換気一時停止指令を発して、一時的に換気ファン６を停止する（ＳＴＥＰ０７）。

換気ファン６の停止後、換気センサ７が換気ファン６のステータス変化を確認して、このような意図的な換気ＯＦＦを検知した場合（ＳＴＥＰ０８のＹｅｓ）、換気機能判断部１０は換気センサ７が正常であると判断して、換気ファン６を再起動させる（ＳＴＥＰ０３）。以上の実施形態では、換気センサ７による換気ＯＦＦの検知後、速やかに換気ファン６を動作させることができる。そのため、換気が実施されない時間を最小限とすることができ、安定した換気動作が可能である。

換気センサ７が換気ＯＦＦを検知することなく（ＳＴＥＰ０８のＮｏ）、しかも１分経過しても（ＳＴＥＰ０９のＹｅｓ）、その状態が変化しない場合、換気センサ７が換気ファン６のステータス変化を確認していなければ、換気機能判断部１０は換気センサ７に異常があると判断し、換気センサ７の誤ＯＮ検知か、または換気ファン６の誤ＯＮということになる（ＳＴＥＰ１０）。

［作用効果］
以上のようにして換気制御を実施する第１の実施形態では、換気ファン６を１０分ごとに一時的に停止させ、換気機能判断部１０にて換気センサ７のステータス変化を確認することで、定常状態において換気機能が故障した場合でも、１０分以内にこれを検知可能である。したがって、換気機能が故障したまま放置する時間は極めて短くなり、燃料電池発電システムを家庭用に適用するに際しても優れた安全性を確保可能である。

本実施形態の動作の様子を図３に示す。すなわち、従来技術では換気センサ７が故障してしまえば、換気ファン６の故障が把握できず、総合的な点検作業を実施しない限り、換気機能の異常を発見することができなかった。これに対して、第１の実施形態によれば、安全の要である換気機能の異常をわずか１０分以内に検知することができ、故障した場合にはシステム停止部１９により故障発報を行い、速やかにシステムを停止させる等、迅速な対処を実施可能である。このため、優れた安全を担保でき、燃料電池発電システムの信頼性向上に寄与することができる。

しかも、本実施形態では、換気ファン６の停止時および復帰後、一定時間は可燃ガスセンサ８の保護レベルを厳しくしているので、より一層、安全性を高めることが可能である。さらに、換気機能判断部１０が換気センサ７は健全性を有していると判断した後は、換気ファン６は換気量を復帰あるいは増強させるため、安定した換気機能が実現する。

（２）第２の実施形態
［構成］
第２の実施形態では、図４に示すように、換気ファン６の出力を調節する換気ファン出力調節器２０を備えた点に特徴がある。すなわち、前記第１の実施形態では、換気機能判断部１０からの換気一時停止指令を受けて一時的に換気ファン６を停止させていたが、第２の実施形態における換気ファン出力調節器２０は、換気ファン６による換気量を一定の周期で変化させるようになっている（図５参照）。

図５に示すように、換気ファン６の起動指令がかかった場合、換気ファン出力調節器２０により、ただし安全を確保するために、平均では設計換気量を確保している。また、換気センサ７は設計換気量で検知する機器となっているため、結果として換気センサ７の出力する信号はＯＮ／ＯＦＦ動作となる。

［作用効果］
このような第２の実施形態では、換気ファン６に起動指令が出た後、換気センサ７の信号がＯＮ／ＯＦＦとなることで、換気機能の状態と判断することができる。つまり、換気センサ７または換気ファン６に故障が生じた場合には、このＯＮ／ＯＦＦ信号がＯＮ保持またはＯＦＦ保持に変わるため、この時点を故障発生時点として判断可能であり、保護停止に移行することが可能である。したがって、第２の実施形態によれば、上記第１の実施形態よりもさらに迅速に換気機能の故障を把握することができ、安全性の向上に寄与可能な燃料電池発電システムが実現する。

（３）他の実施形態
なお、本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、各部材の配置数や配置箇所は適宜変更可能であり、例えば、図６に示すように、換気ファン２１を追加して換気ファンを２重構成としてもよい。

すなわち、上記第２の実施形態では換気ファン出力調節器２１により換気ファン６の換気量を調節したが、この実施形態では２つの換気ファン６、２１をＯＮ／ＯＦＦすることで、換気量の調整が可能であり、第２の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。また、換気ファンによる換気量の調節量や調節回数、換気ファンの停止時間や連続動作時間等は適宜設定可能である。

また、燃料電池発電システムの中で、上述した換気機能を実現する機器は一時的に停止可能な補機の一つであって、このような補機を構成する動作要素は、換気機能の他にも、回転機や制御弁等がある。これらの回転機や制御弁に関しても、その動作状況を認識するセンサが設けられているので、このような回転機機能や制御弁機能にも、拡張可能である。より具体的には、ポンプやブロアとその系に設置されているフロースイッチまたはも温度計、および遮断弁や流量調節弁とフロースイッチや温度計等が考えられる。

本発明の燃料電池発電システムに係る第１の実施形態の構成図。 第１の実施形態の換気制御に関するフローチャート。 第１の実施形態の動作の説明図。 本発明の燃料電池発電システムに係る第２の実施形態の構成図。 第２の実施形態の動作の説明図。 本発明の燃料電池発電システムに係る他の実施形態の構成図。 従来の燃料電池発電システムの構成図。

符号の説明

１…燃料電池発電システムのパッケージ
２…燃料電池本体
３…燃料処理系
４…換気入口
５…換気出口
６、２１…換気ファン
７…換気センサ
８…可燃ガスセンサ
９…制御装置
１０…換気機能判断部
１５…監視タイマ
１９…システム停止部
２０…換気ファン出力調節器

Claims (5)

1. 燃料電池本体と、前記燃料電池本体に水素を供給するための燃料処理系をパッケージに収納し、前記パッケージ内部を換気する換気手段と、前記換気手段の動作状態を検知する換気センサを有する燃料電池発電システムにおいて、
   前記換気センサのステータス変化を確認して該換気センサの健全性を判断する換気機能判断手段と、
   前記換気手段による換気動作中に、定期的または不定期に、一時的に前記換気手段を停止または抑制させて換気量を低減させる換気量調節手段、を備え、
   前記燃料電池発電システムの発電中において、前記換気量調節手段により換気量を低減させ、前記換気機能判断手段が、前記換気センサの健全性を判断することを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 前記換気機能判断手段が前記換気センサは健全性を有すると判断した場合、前記換気量調節手段は、一時的に低減させた換気量を、元の換気量にまで、あるいは一定時間換気量を増やすように構成した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. 前記換気機能判断手段が前記換気センサは健全性を失っていると判断した場合、速やかに停止に移行するシステム停止手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池発電システム。
4. 前記パッケージ内に存在する可燃ガスの濃度を検出するガス濃度検出手段を備え、
   前記ガス濃度検出手段は、前記換気量調節手段による換気量の変動に応じてガス濃度の保護動作レベルを調整するように構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
5. 燃料電池本体と、前記燃料電池に水素を供給するための燃料処理系をパッケージに収納し、前記パッケージ内部を換気する換気手段と、前記換気手段の動作状態を検知する換気センサを有する燃料電池発電システムにおける換気制御方法であって、
   前記換気センサのステータス変化を確認して該換気センサの健全性を判断する換気機能判断ステップと、
   前記換気手段による換気動作中に、定期的または不定期に、一時的に前記換気手段を停止または抑制させて換気量を低減させる換気量調節ステップ、を含み、
   前記燃料電池発電システムの発電中において、前記換気量調節ステップにより換気量を低減させ、前記換気機能判断ステップが、前記換気センサの健全性を判断することを特徴とする燃料電池発電システムの換気制御方法。

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