JP5477032B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

近年、二酸化炭素の排出量を削減する為の新エネルギー開発が盛んに行われており、各家庭に設置されて電力とお湯を提供する家庭用燃料電池システムも実用化段階に入っている。

家庭用燃料電池システムは、都市ガス等の炭化水素系の原料ガスから水素を生成する水素生成器と、水素生成器により生成した水素と酸素を反応させ発電を行う燃料電池スタックと、燃料電池スタックが発電した直流電力を系統に連系可能な交流電力へ変換するインバータとを主な構成要素とし、それらの動作又は制御用の弁やポンプ、ヒータ、ファン、着火制御を行うイグナイタ等の様々な補機から構成され、また温度センサや流量センサも多数装着されている。

家庭用燃料電池システムは、構成要素が多く、それらの要素も大きい為、自ずと燃料電池装置自身もその筐体が大きくなる。そこで、配線数削減と組み立て性向上を目的として、例えば特許文献１に示すように、制御装置を主制御装置と副制御装置のように分散する手法が知られている。

特開２００７−２４２３３０号公報

しかしながら、上述の構成では、主制御装置と副制御装置との間を通信により協調させることを前提とし、仮に主制御装置と副制御装置との間の通信がノイズなどの要因により通信異常となった場合、通信異常となった副制御装置が制御する補機への電源供給を主制御装置が遮断する。

よって、異常発生時に機器の劣化防止のための所定の手順で所定の時間をかけて機器の保護を優先した停止処理をさせる方が好ましい補機を副制御装置に接続した場合、一時的な通信異常が発生した場合であっても機器の保護を優先した停止処理をさせることが出来ない事象が発生する。

この場合、水素生成器や燃料電池スタックの保護を目的とした停止処理が出来ず、劣化が加速し、燃料電池システムとしての耐久性能が低下するという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、主制御手段と副制御手段との間で一時的な通信異常が発生した場合に、水素生成器や燃料電池スタックといった重要な制御装置の劣化に影響のある異常停止処理を実施する頻度を少なくすることができ、耐久性能を向上できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、水素生成器用の補機を含む前記水素生成器、燃料電池スタック用の補機を含む前記燃料電池スタック、インバータの一部と接続され前記水素生成器と前記燃料電池スタックと前記インバータのうちの一つまたは二つを制御する副制御手段と、前記水素生成器用の補機を含む前記水素生成器、前記燃料電池スタック用の補機を含む前記燃料電池スタック、前記インバータのうち前記副制御手段に接続されていないものと接続され前記水素生成器と前記燃料電池スタックとインバータのうちの前記副制御手段の制御対象となっていないものと前記副制御手段とシステムの起動、発電、停止を制御する主制御手段とから構成され、前記主制御手段と前記副制御手段との間で通信を行って分散制御を行う燃料電池システムであって、前記主制御手段は、前記副制御手段との通信途絶により停止処理が必要であると判断すると、まず、前記水素生成器と前記燃料電池スタックのうちの前記副制御手段の制御対象となっている機器に対して機器の保護を優先した通常の停止処理を開始し、前記通常の停止処理が完了する前であって前記通常の停止処理を開始してから所定時間経過するまでに前記副制御手段との通信が復活しなければ、機器の保護よりも機器の動作停止を優先した異常停止処理に切り換えて前記副制御手段の制御対象となっている機器を停止させ、前記通常の停止処理を開始してから所定時間経過するまでに前記副制御手段との通信が復活すれば、前記通常の停止処理での停止動作を継続することを特徴とする。

これによって、主制御手段と副制御手段との間で一時的な通信異常が発生して停止処理を行う場合に、機器の保護（劣化防止）を優先した停止処理を実施する頻度を多くすることができ、逆に、水素生成器や燃料電池スタックといった重要な制御装置の劣化に影響のある異常停止処理を実施する頻度を少なくすることができ、燃料電池システム耐久性能を向上できる。

本発明の燃料電池システムは、主制御手段と副制御手段との間で一時的な通信異常が発生して停止処理を行う場合に、機器の保護（劣化防止）を優先した停止処理を実施する頻度を多くすることができ、逆に、水素生成器や燃料電池スタックといった重要な制御装置の劣化に影響のある異常停止処理を実施する頻度を少なくすることができ、燃料電池システム耐久性能を向上できる。

本発明の実施の形態１の燃料電池システムの全体構成を示す構成図 同実施の形態の燃料電池システムの燃料電池装置の内部を示す構成図 同実施の形態の燃料電池システムの主制御手段の通信途絶時の制御を示すフローチャート

第１の発明は、水素生成器用の補機を含む前記水素生成器、燃料電池スタック用の補機を含む前記燃料電池スタック、インバータの一部と接続され前記水素生成器と前記燃料電池スタックと前記インバータのうちの一つまたは二つを制御する副制御手段と、前記水素生成器用の補機を含む前記水素生成器、前記燃料電池スタック用の補機を含む前記燃料電池スタック、前記インバータのうち前記副制御手段に接続されていないものと接続され前記水素生成器と前記燃料電池スタックとインバータのうちの前記副制御手段の制御対象となっていないものと前記副制御手段とシステムの起動、発電、停止を制御する主制御手段とから構成され、前記主制御手段と前記副制御手段との間で通信を行って分散制御を行う燃料電池システムであって、前記主制御手段は、前記副制御手段との通信途絶により停止処理が必要であると判断すると、まず、前記水素生成器と前記燃料電池スタックのうちの前記副制御手段の制御対象となっている機器に対して機器の保護を優先した通常の停止処理を開始し、前記通常の停止処理が完了する前であって前記通常の停止処理を開始してから所定時間経過するまでに前記副制御手段との通信が復活しなければ、機器の保護よりも機器の動作停止を優先した異常停止処理に切り換えて前記副制御手段の制御対象となっている機器を停止させ、前記通常の停止処理を開始してから所定時間経過するまでに前記副制御手段との通信が復活すれば、前記通常の停止処理での停止動作を継続することを特徴とする燃料電池システムである。

上記構成において、主制御手段は、副制御手段との通信途絶により停止処理が必要であると判断すると、まず、水素生成器と燃料電池スタックのうちの副制御手段の制御対象となっている機器に対して機器の保護を優先した通常の停止処理を開始し、この通常の停止処理が完了する前であって通常の停止処理を開始してから所定時間経過するまでに副制御手段との通信が復活すれば、通常の停止処理での停止動作を継続する。すなわち、副制御手段との通信途絶により停止処理をすることになっても、通信の復活が早ければ（通常の停止処理の初期で通信途絶の原因となったノイズ発生源となった補機が停止すれば）、通常の停止処理での停止動作を最後まで行う。もし、通常の停止処理を開始してから所定時間経過するまでに副制御手段との通信が復活しなければ、機器の保護よりも機器の動作停止を優先した異常停止処理に切り換えて副制御手段の制御対象となっている機器を停止させる。すなわち、機器を早く停止させる必要がある異常が発生して副制御手段との通信が途絶した場合に、そのことを所定時間以上の通信途絶により検知して、早く機器を停止させる
以上のように、主制御手段と副制御手段の様に制御手段が分散された燃料電池装置において、例えば、外的要因のノイズによって一時的に通信が途絶し、通信異常を検知した後、通信の途絶から早く復活する場合、水素生成器や燃料電池スタックといった重要部品の劣化防止を目的とした前記通常の停止処理を継続して実施することが可能になり、燃料電池システムとしての耐久性を向上させることが可能になる。

したがって、主制御手段と副制御手段との間で一時的な通信異常が発生して停止処理を行う場合に、機器の保護（劣化防止）を優先した停止処理を実施する頻度を多くすることができ、逆に、水素生成器や燃料電池スタックといった重要な制御装置の劣化に影響のある異常停止処理を実施する頻度を少なくすることができ、燃料電池システム耐久性能を向上できる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、前記通常の停止処理は、前記通常の停止処理を開始してから所定時間経過するまでにノイズ源となりうる補機を停止することを特徴とする燃料電池システムである。

上記構成と動作によると、燃料電池システムの内部補機からノイズが発生する場合に、ノイズ源となる補機を停止させることにより、通信状態が復活する可能性を増し、水素生成器や燃料電池スタックの劣化防止を目的とした通常の停止処理を実施することで、燃料電池システムとしての耐久性を向上させることが可能になる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、前記異常停止処理は、副制御手段の制御対象の補機への電力供給を停止させることにより前記補機を停止させることを特徴とする燃料電池システムである。

上記構成と動作によると、通信の途絶状態から回復しない場合は、通信により副制御手段の制御対象の補機を制御することが不可能である。この場合、補機電源を遮断することで燃料電池システムの補機動作を停止させ、安全優先で停止させることができる。

第４の発明は、特に、第１または第２の発明において、前記異常停止処理では、前記主制御手段が、全ての補機への電力供給を停止させることを特徴とする燃料電池システムである。

上記構成と動作によると、副制御手段が複数存在する構成であっても、主制御手段が、副制御手段を制御することができない状態と判断した場合には、電源を遮断することにより、全副制御手段で制御される補機を安全優先で停止させることができる。

以下、本発明の燃料電池システムの実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの全体構成を示している。図１に示すように、本実施の形態の燃料電池システムは、電力を供給する燃料電池装置１と燃料電池装置１で発生した排熱を回収して貯湯する貯湯装置３０で構成される。

燃料電池装置１は、炭化水素系原料と水から水素を生成する水素生成器２と、水素生成器２で生成した水素と空気ポンプ４で送り込まれた酸化剤ガスとを反応させ電力を発電する燃料電池スタック３と、燃料電池スタック３が発電した電力を直流から系統に連系可能な交流へ変換するインバータ８と、余剰電力を熱に変換する余剰コンバータ９と、発電時に発生した排熱を回収する排熱回収手段１１と、貯湯装置３０と通信する為の対貯湯通信手段１０と、それらを制御する主制御手段５及び副制御手段６と、主制御手段５と副制御手段６との間の通信の途絶状態を判定する通信異常判定手段７とを有し、主制御手段５と副制御手段６が通信ライン１２を介して接続されている。

また、貯湯装置３０は、燃料電池装置１の対貯湯通信手段１０と通信ライン１４を介して接続され燃料電池装置１と通信する対燃料電池通信手段３２と、燃料電池装置１の排熱回収手段１１から排熱回収水経路１３を介して得た排熱回収水を貯湯する貯湯手段３３と、それらを制御する貯湯制御手段３１とを有する。

図２は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの燃料電池装置１の内部構成を示している。図２に示すように、主制御手段５は、原料ガスの最上流に設置されたガス制御弁２０と、弁２１と、ファン２２と、空気ポンプ４と、イグナイタ２４と、これら水素生成器２の補機への電源供給手段５０より供給される電源を遮断することのできる電源遮断手段５１を制御する。

副制御手段６は、燃料電池スタック３の補機である弁２１、ファン２２、空気ポンプ４と、インバータ８、余剰コンバータ９を制御する。

主制御手段５で決定された補機操作は通信ライン１２を介して副制御手段６へ伝達され、また副制御手段６に接続されたセンサ２３で入力した温度や圧力や流量を、通信ライン１２を介して主制御手段５へ伝達する。

主制御手段５に接続されたセンサ２３は主制御手段５が直接的に制御する。

主制御手段５は副制御手段６との通信が正常に行われている場合、主制御手段５は燃料電池装置１の起動、発電、停止に代表される一連の動作を制御し、副制御手段６に対して補機出力を指示し、副制御手段６からのセンサ２３の入力値を得ながら、燃料電池装置１を動作させる。

主制御手段５は、通信を監視していて通信異常に起因する通信の途絶を検知出来る。主制御手段５と副制御手段６との間で通信が途絶した場合、一時的な要因によるノイズによる通信異常、物理的な故障であり恒久的な、通信ライン１２の断線、通信ライン１２を接続するコネクタの接触不良、通信制御するＬＳＩへの異常発生が考えられる。

以上のように構成された本実施の形態の燃料電池システムについて、以下その動作、作用を図３を参照しながら説明する。図３は、本実施の形態の燃料電池システムの主制御手段５の通信途絶時の制御の一例を示している。

図３のステップ１００において、主制御手段５は副制御手段６との通信を監視しており、通信の途絶が発生していない場合は、ステップ１００をＮ側に分岐して次のステップ１０１で、副制御手段６と通信により協調して燃料電池装置１を起動、発電、停止に代表される一連の動作を制御する。

ステップ１００において、通信の途絶を検知した場合は、ステップ１００をＹ側に分岐して次のステップ１０２で、主制御手段５は、重要部品の保護を優先した通常の停止処理を実施する。

この通常の停止処理では、インバータ８や余剰コンバータ９の動作を停止させ、水素生成器２へのガス供給を停止することで、燃料電池スタック３への水素供給を停止し、空気ポンプ４を停止させ発電処理を停止させる。

また、水素生成器２内部で圧力が上昇した場合にガスを逃すための弁２１制御や、冷却の過程で内部の圧力が低下した場合にガス圧を維持するための弁２１制御を行う。

また、燃料電池装置１を冷却もしくは機内空気を換気する為ファンもしくはポンプを制御する。

通信異常状態で、通信の途絶を検知した場合、所定時間内にステップ１０３で通信の途絶が継続しているかどうかを再確認し、通信の途絶が復活している場合は、ステップ１００に戻り、ステップ１００をＹ側に分岐して通常の正常時制御として、通常の停止処理を実施する。

この場合、一時的なノイズが原因で通信異常を検知した場合でも、通信の途絶が回復した場合には、重要安全部品の保護を優先した停止処理を実施することができ、燃料電池の劣化防止の観点から動作させた方が好ましい弁やファンやポンプを、主制御手段５から継続制御することができる。

また、一時的なノイズが原因で通信異常を検知した場合、自身の発するノイズ源を停止させることにより、通信異常が復活する可能性を高めることが可能となる。

上記通常の停止処理において、所定時間以内にインバータ８、もしくは余剰コンバータ９、もしくはイグナイタ２４などのノイズ源となりうる補機を最初に停止させることによって、内部でのノイズ源がなくなることにより、通信の途絶から回復する事を期待することができる。

この場合も、所定の時間後、ステップ１０３で通信の途絶から復帰しているかどうかを再確認し、通常の停止処理、もしくは異常時の停止処理のどちらかを実施する事を決定する。

また、ステップ１０３で通信の途絶が継続している場合は、ステップ１０３をＹ側に分岐して次のステップ１０４で重要部品の保護よりも安全性を優先した異常停止処理に切り換えて制御対象の全補機を停止させる。

主制御手段５および副制御手段６の制御対象の全補機を停止させる必要があるが、通信異常により、主制御手段５からの指示が、副制御手段６に伝わらない状態であることが想定されるため、主制御手段５が電源供給手段５０から副制御手段６へ接続された補機への電源供給を電源遮断手段５１で遮断することで、全補機の動作を強制停止させることができる。

この結果、重要安全部品の保護を優先した停止処理を実施する頻度が高まり、燃料電池システムの重要な構成部品である、水素生成器２や燃料電池スタック３の劣化度合いを低減することができる。

さらに、物理的な故障による通信異常が発生し、副制御手段６と復帰しない通信の途絶が発生している場合では、副制御手段６に接続された補機が動作しないように安全に停止させるように制御することができる。

以上のように本実施の形態の燃料電池システムは、水素生成器２用の補機（弁２１、ファン２２、空気ポンプ４、イグナイタ２４）を含む水素生成器２、燃料電池スタック３用の補機（弁２１、ファン２２、空気ポンプ４）を含む燃料電池スタック３、インバータ８の一部と接続され水素生成器２と燃料電池スタック３とインバータ８のうちの一つまたは二つを制御する副制御手段６と、水素生成器２用の補機（弁２１、ファン２２、空気ポンプ４、イグナイタ２４）を含む水素生成器２、燃料電池スタック３用の補機（弁２１、ファン２２、空気ポンプ４）を含む燃料電池スタック３、インバータ８の一部と接続され水素生成器２と燃料電池スタック３とインバータ８のうち副制御手段６に接続されていないものと接続され水素生成器２と燃料電池スタック３とインバータ８のうちの副制御手段６の制御対象となっていないものと副制御手段６とシステムの起動、発電、停止を制御する主制御手段５とから構成され、主制御手段５と副制御手段６との間で通信を行って分散制御を行う燃料電池システムであって、主制御手段５は、副制御手段６との通信途絶により停止処理が必要であると判断すると、まず、水素生成器２と燃料電池スタック３のうちの副制御手段６の制御対象となっている燃料電池スタック３用の補機（弁２１、ファン２２、空気ポンプ４）に対して機器の保護を優先した通常の停止処理を開始し、通常の停止処理が完了する前であって通常の停止処理を開始してから所定時間経過するまでに副制御手段６との通信が復活しなければ、機器の保護よりも機器の動作停止を優先した異常停止処理に切り換えて副制御手段６の制御対象となっている機器（燃料電池スタック３用の補機（弁２１、ファン２２、空気ポンプ４））を停止させ、通常の停止処理を開始してから所定時間経過するまでに副制御手段６との通信が復活すれば、通常の停止処理での停止動作を継続することを特徴とする燃料電池システムである。

上記構成において、主制御手段５は、副制御手段６との通信途絶により停止処理が必要であると判断すると、まず、水素生成器２と燃料電池スタック３のうちの副制御手段６の制御対象となっている機器に対して機器の保護を優先した通常の停止処理を開始し、この通常の停止処理が完了する前であって通常の停止処理を開始してから所定時間経過するまでに副制御手段６との通信が復活すれば、通常の停止処理での停止動作を継続する。すなわち、副制御手段６との通信途絶により停止処理をすることになっても、通信の復活が早ければ（通常の停止処理の初期で通信途絶の原因となったノイズ発生源となった補機が停止すれば）、通常の停止処理での停止動作を最後まで行う。もし、通常の停止処理を開始してから所定時間経過するまでに副制御手段６との通信が復活しなければ、機器の保護よりも機器の動作停止を優先した異常停止処理に切り換えて副制御手段６の制御対象となっている機器を停止させる。すなわち、機器を早く停止させる必要がある異常が発生して副制御手段６との通信が途絶した場合に、そのことを所定時間以上の通信途絶により検知して、早く機器を停止させる
以上のように、主制御手段５と副制御手段６の様に制御手段が分散された燃料電池装置において、例えば、外的要因のノイズによって一時的に通信が途絶し、通信異常を検知した後、通信の途絶から早く復活する場合、水素生成器２や燃料電池スタック３といった重要部品の劣化防止を目的とした通常の停止処理を継続して実施することが可能になり、燃料電池システムとしての耐久性を向上させることが可能になる。

したがって、主制御手段５と副制御手段６との間で一時的な通信異常が発生して停止処理を行う場合に、機器の保護（劣化防止）を優先した停止処理を実施する頻度を多くすることができ、逆に、水素生成器２や燃料電池スタック３といった重要な制御装置の劣化に影響のある異常停止処理を実施する頻度を少なくすることができ、燃料電池システム耐久性能を向上できる。

また、本実施の形態での通常の停止処理は、通常の停止処理を開始してから所定時間経過するまでにノイズ源となりうる補機を停止することを特徴とする。

上記構成と動作によると、燃料電池システムの内部補機からノイズが発生する場合に、ノイズ源となる補機を停止させることにより、通信状態が復活する可能性を増し、水素生成器２や燃料電池スタック３の劣化防止を目的とした通常の停止処理を実施することで、燃料電池システムとしての耐久性を向上させることが可能になる。

また、本実施の形態での異常停止処理は、副制御手段６の制御対象の補機への電力供給を停止させることにより補機を停止させることを特徴とする。

上記構成と動作によると、通信の途絶状態から回復しない場合は、通信により副制御手段６の制御対象の補機を制御することが不可能である。この場合、補機電源を遮断することで燃料電池システムの補機動作を停止させ、安全優先で停止させることができる。

また、本実施の形態での異常停止処理では、主制御手段が、全ての補機への電力供給を停止させることを特徴とする。

上記構成と動作によると、副制御手段６が複数存在する構成であっても、主制御手段５が、副制御手段６を制御することができない状態と判断した場合には、電源を遮断することにより、全副制御手段６で制御される補機を安全優先で停止させることができる。

以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、主制御手段と副制御手段との間で一時的な通信異常が発生して停止処理を行う場合に、機器の保護（劣化防止）を優先した停止処理を実施する頻度を多くすることができ、逆に、水素生成器や燃料電池スタックといった重要な制御装置の劣化に影響のある異常停止処理を実施する頻度を少なくすることができ、燃料電池システム耐久性能を向上できる。そのため、制御手段が分散された燃料電池システムに適している。

１ 燃料電池装置
２ 水素生成器
３ 燃料電池スタック
４ 空気ポンプ
５ 主制御手段
６ 副制御手段
７ 通信異常判定手段
８ インバータ
１２ 通信ライン
２０ ガス制御弁
２１ 弁
２２ ファン
２３ センサ
２４ イグナイタ
５０ 電源供給手段
５１ 電源遮断手段

Claims (4)

1. 炭化水素系の原料ガスから水素を生成する水素生成器と、前記水素生成器用の補機と、前記水素生成器により生成された水素と酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック用の補機と、前記燃料電池スタックで発電した直流電力を系統に連系可能な交流電力に変換するインバータと、前記水素生成器用の補機を含む前記水素生成器、前記燃料電池スタック用の補機を含む前記燃料電池スタック、前記インバータの一部と接続され前記水素生成器と前記燃料電池スタックと前記インバータのうちの一つまたは二つを制御する副制御手段と、前記水素生成器用の補機を含む前記水素生成器、前記燃料電池スタック用の補機を含む前記燃料電池スタック、前記インバータのうち前記副制御手段に接続されていないものと接続され前記水素生成器と前記燃料電池スタックとインバータのうちの前記副制御手段の制御対象となっていないものと前記副制御手段とシステムの起動、発電、停止を制御する主制御手段とから構成され、前記主制御手段と前記副制御手段との間で通信を行って分散制御を行う燃料電池システムであって、
   前記主制御手段は、前記副制御手段との通信途絶により停止処理が必要であると判断すると、まず、前記水素生成器と前記燃料電池スタックのうちの前記副制御手段の制御対象となっている機器に対して機器の保護を優先した通常の停止処理を開始し、前記通常の停止処理が完了する前であって前記通常の停止処理を開始してから所定時間経過するまでに前記副制御手段との通信が復活しなければ、機器の保護よりも機器の動作停止を優先した異常停止処理に切り換えて前記副制御手段の制御対象となっている機器を停止させ、前記通常の停止処理を開始してから所定時間経過するまでに前記副制御手段との通信が復活すれば、前記通常の停止処理での停止動作を継続することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記通常の停止処理は、前記通常の停止処理を開始してから所定時間経過するまでにノイズ源となりうる補機を停止することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記異常停止処理は、副制御手段の制御対象の補機への電力供給を停止させることにより前記補機を停止させることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
4. 前記異常停止処理では、前記主制御手段が、全ての補機への電力供給を停止させることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。

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