JP5786127B2 - 燃料電池システムとその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼器を内部に有するとともに、排ガス流路が、燃焼装置と共通のダクトに接続される燃料電池システム関する。

従来、原料ガスを用いて発電する種々の燃料電池が知られているが、原料ガスとして天然ガスが供給される場合、天然ガスは、時期により組成が変動することが知られている。また、原料ガスには、酸素が含まれる場合があり（例えば、特許文献１参照）、これにより生じる改質触媒の劣化を抑制するために、改質器に流入する前に水添脱硫と並行して酸素を除去する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００１−０８０９０７号公報 特開平９−０２７３３２号公報

ところで、特許文献２記載では、酸素が含まれる原料ガスに対応した運転を実行する燃料電池システムが提案されているが、原料ガスの組成によっては、システムが安定して運転を継続できない場合も想定される。このような場合は、運転を開始した後にシステム内に異常が生じ停止されるが、それまでに運転に要したエネルギー（例えば、起動エネルギー）が無駄になる。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、従来よりも無駄なエネルギー消費が低減される燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、本発明の燃料電池システムは、原料ガスを利用して発電する燃料電池ユニットと、前記燃料電池ユニットに原料ガスを供給する原料ガス供給器と、前記原料ガス供給器より供給される原料ガスの組成が異常か否かを、起動に伴い検査する異常検査器と、前記異常検査器により異常と判定されると起動を停止し、前記異常検査器により異常と判定されないなら起動を継続する制御器とを備え、前記制御器は、起動を停止後、原料ガス供給器を動作させ、前記異常検査器により原料ガスの組成が異常か否かを再度検査し、前記異常検査器により原料ガス組成が異常と所定の複数回判定されると、前記制御器は、次の日になるまで起動を許可しない。
また、本発明の燃料電池システムは、原料ガスを利用して発電する燃料電池ユニットと、前記燃料電池ユニットに原料ガスを供給する原料ガス供給器と、起動に伴い前記原料ガス供給器より供給される原料ガスの組成が異常か否かを検査する異常検査器と、前記異常検査器により異常と判定されると起動を停止し、前記異常検査器により異常と判定されないなら起動を継続する制御器とを備え、前記制御器は、起動を停止後、原料ガス供給器を動作させ、前記異常検査器により原料ガスの組成が異常か否かを再度検査し、停止予定時刻までの時間が所定時間以下になると、前記制御器は、前記異常検査器による原料ガスの組成の異常の再検査を停止する。
また、本発明の燃料電池システムは、原料ガスを利用して発電する燃料電池ユニットと、前記燃料電池ユニットに原料ガスを供給する原料ガス供給器と、起動に伴い前記原料ガス供給器より供給される原料ガスの組成が異常か否かを検査する異常検査器と、前記異常検査器により異常と判定されると起動を停止し、前記異常検査器により異常と判定されないなら起動を継続する制御器とを備え、前記制御器は、起動を停止後、原料ガス供給器を動作させ、前記異常検査器により原料ガスの組成が異常か否かを再度検査し、前記原料ガスを燃焼する燃焼器を備え、前記異常検査器は、前記燃焼器内の炎から発生する炎電流より前記原料ガスの組成が異常か否かを検査する。

本発明により、従来よりも燃料電池システムの無駄なエネルギー消費が低減される。

実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示す図 実施の形態１に係る燃料電池システムの動作の一例を示すフロー図 実施の形態２の燃料電池システムの動作の一例を示すフロー図 実施の形態２の第１変形例に係る燃料電池システムの動作の一例を示すフロー図 実施の形態３の燃料電池システムの動作の一例を示すフロー図 実施の形態３の第１変形例に係る燃料電池システムの動作の一例を示すフロー図

以下、具体的に実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
実施の形態１の燃料電池システムは、原料ガスを利用して発電する燃料電池ユニットと、燃料電池ユニットに原料ガスを供給する原料ガス供給器と、原料ガス供給器より供給される原料ガスの組成が異常か否かを、起動に伴い検査する異常検査器と、異常検査器により異常と判定されると起動を停止し、異常検査器により異常と判定されないなら起動を継続する制御器とを備える。

実施の形態１の燃料電池システムの運転方法は、起動に伴い原料ガスを利用して発電する燃料電池ユニットに原料ガスを供給するステップと、燃料電池ユニットに供給される原料ガスの組成が異常か否かを検査するステップと、前記ステップで原料ガスの組成が異常と判定されると起動を停止するステップと、前記ステップで原料ガスの組成が異常と判定されないなら起動を継続するステップとを備える。

かかる構成により、原料ガスの組成に異常が有ると判定されると燃料電池システムが起動されないので、起動に際して原料ガス組成の異常判定を行わない燃料電池システムに比べて、無駄なエネルギー消費が低減される。

次に、実施の形態１における燃料電池システムの詳細について説明する。

［構成］
図１は実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。

図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池ユニット１と、原料ガス供給器２と、異常検査器３と、制御器５とを備える。

燃料電池ユニット１は、原料ガスを利用して発電する。具体的には、改質部（図示せず）及び燃料電池（図示せず）を備える。

改質部は、原料ガス及び水蒸気を用いた改質反応により水素含有ガスを生成する。改質部は、原料ガスを用いる改質反応であれば、いずれの種類であっても良く、水蒸気改質反応、オートサーマル反応、及び部分酸化反応等が例示される。原料ガスは、少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物を含むガスであり、天然ガス、ＬＰＧ、ＬＮＧ、都市ガス等の炭化水素、及びメタノール等のアルコールが例示される。

燃料電池は、改質部で生成された水素含有ガスを用いて発電する。燃料電池としては、いずれの種類であっても良く、高分子電解質形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、及び燐酸形燃料電池等が例示される。なお、燃料電池が、固体酸化物形燃料電池の場合は、改質部と燃料電池とが１つの容器内に内蔵されるよう構成される。

原料ガス供給器２は、燃料電池ユニット１に原料ガスを供給する。原料ガス供給器２は、燃料電池ユニット１に供給する原料ガスの流量を調整可能な構成であれば、いずれの構成であってもよい。原料ガス供給器２は、例えば、昇圧器及び流量調整弁の少なくともいずれか一方により構成される。

異常検査器３は、起動に伴い原料ガス供給器より供給される原料ガスの組成が異常か否かを検査する。異常検査器３は、原料ガスの組成が異常か否かを判定するよう構成されていればよく、組成情報取得器（図示せず）と異常判定器（図示せず）とを備える。

組成情報取得器は、原料ガスの組成に関する情報を取得する。組成情報取得器は、原料ガスの組成に関する情報を取得可能な構成であれば、いずれの構成であっても良く、フレームロッドを用いた炎電流検知器が用いられる。炎電流検知器は、例えば、改質部を加熱する燃焼部の燃焼を検知するために用いられてもよい。

異常判定器は、組成情報取得器より取得した情報から原料ガスの組成が異常か否か判定する。図１に示す例では、組成情報取得器と一体に形成されているが、制御器５の一部として構成される形態であってもよい。

制御器５は、燃料電池システム１００の動作を制御する。制御器５は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。演算処理部としては、ＭＰＵ、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。制御器は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。

［動作］
次に、以上のように構成された燃料電池システム１００が起動にあたって実行する制御器５の制御を、図２を用いて説明する。

図２は、本実施の形態の燃料電池システム１００の動作の一例を示すフロー図である。

燃料電池システム１００の起動に際して、原料ガス供給器２は、燃料電池ユニット１に原料ガスを供給する（ステップＳ１）。異常検査器３は、原料ガスの組成に異常があるか否かを判定する（ステップＳ２）。具体的には、上述の通り、燃料電池ユニット１に供給される原料ガスの組成に関する情報を組成情報取得器により取得し、異常判定器が、組成情報取得器により取得された組成情報から原料ガスの組成に異常があるか否かを判定する。原料ガスの組成が異常であるか否かの判定基準は、適宜設定されるが、異常判定器は、例えば、原料ガスの組成がピークシェビング時の組成であるときに、異常と判定してもよい。

異常検査器が、原料ガスの組成が異常でないと判定すると（ステップＳ２でＹｅｓ）、制御器５は、燃料電池システム１００の起動を継続する（ステップＳ３）。

一方、異常検査器が、原料ガスの組成が異常であると判定すると、制御器５は、燃料電池システム１００の起動を停止する（ステップＳ４）。なお、上記フローは、燃料電池システム１００の起動要求が発生することで、実行される。ここで、起動要求には、例えば、操作者によるリモコンを介した起動指示入力、予め設定された起動予定時刻に到達したときの起動指示信号等が例示される。
（実施の形態２）
実施の形態２の燃料電池システムは、実施の形態１の燃料電池システムにおいて、制御器は、起動を停止後、原料ガス供給器を動作させ、異常検査器により原料ガスの組成が異
常か否かを再度検査するよう制御する。

かかる構成により、原料ガスの組成の異常判定のミスが抑制される。

実施の形態２の燃料電池システムは、実施の形態１の燃料電池システムにおいて、異常検査器により原料ガス組成が異常と所定の複数回判定されると、制御器は、次の起動要求が発生するまで起動を開始しない。

原料ガスの組成が一旦異常になると、異常が解消されるまで時間を要し、その間、無駄な異常判定動作を繰り返すことになる。しかしながら、上記構成により、次の起動要求が発生するまで異常判定が停止されるので、無駄な異常判定動作を低減することができる。

本実施の形態の燃料電池システムは、上記特徴以外は、実施の形態１の燃料電池システムと同様に構成されていてもよい。

次に、本実施の形態の燃料電池システム１００について詳細に説明する。

本実施の形態の燃料電池システム１００は、実施の形態１の燃料電池システムと同様の構成を有するのでその説明を省略し、本実施の形態の燃料電池システム１００の動作について説明する。

図３は、実施の形態２の燃料電池システム１００の動作の一例を示すフロー図である。

本実施の形態の燃料電池システム１００は、図３に示すように、ステップＳ２において、異常検査器３により原料ガスの組成が異常であると判定され、起動を停止した後、制御器５は、燃料電池システム１００を再度、起動する（ステップＳ５）。
そして、原料ガス供給器２は、燃料電池ユニット１に原料ガスを供給する（ステップＳ６）。
異常検査器３は、取得した情報から原料ガスの組成が異常であるか否かを判定する（ステップＳ７）。具体的な判定動作は、ステップＳ２と同様である。異常検査器３により原料ガスの組成が異常と判定されない場合は（ステップＳ７でＮｏ）、燃料電池システムの起動を継続する（ステップＳ１０）。
一方、異常検査器３により原料ガスの組成が異常と判定された場合は（ステップＳ７でＹｅｓ）、異常判定回数が所定の回数Ｅ１以上であるか否かを判定し（ステップＳ８）、異常判定回数がＥ１未満である場合は（ステップＳ８でＮｏ）、ステップＳ５―Ｓ７を実行し、原料ガスの組成が異常か否かを再度判定する。なお、上記Ｅ１は、複数の値である。一方、異常検査器３により異常判定回数がＥ１以上である場合は（ステップＳ８でＹｅｓ）、異常検査器３による原料ガスの組成の異常判定を停止し、新たな起動要求が発生するまで起動を待機する待機状態に移行する（ステップＳ８）。上記以外のステップについては、実施の形態１と同様であるので、その説明を省略する。
［第１変形例］
実施の形態２の第１変形例の燃料電池システムは、実施の形態２の燃料電池システムにおいて、異常検査器により原料ガス組成が異常と所定の複数回判定されると、制御器は、次の日になるまで起動を許可しない。

原料ガスの組成が一旦異常になると、当日中に異常が解消しない場合もある。そういった場合は、当日の間、無駄な異常判定動作を繰り返すことになる。しかしながら、上記構成により、異常判定が所定の複数回繰り返された後は少なくとも異常が発生した当日中、異常判定が停止されるので無駄な異常判定動作を低減することができる。

実施の形態２の第１変形例の燃料電池システムは、上記特徴以外は、実施の形態１の燃料電池システムと同様に構成されていてもよい。

次に、実施の形態２の第１変形例の燃料電池システム１００について詳細に説明する。

本変形例の燃料電池システム１００は、実施の形態１の燃料電池システムと同様の構成を有するのでその説明を省略し、本変形例の燃料電池システム１００の動作について説明する。

図４は、実施の形態２の第１変形例における燃料電池システム１００の動作の一例を示すフロー図である。

燃料電池システム１００は、図４に示すように、異常検査器３により原料ガスの組成が異常であると判定した回数が、所定の回数Ｅ１以上であると、異常検査器３による異常判定を停止し、燃料電池システム１００の起動を禁止する（ステップＳ１１）。燃料電池システム１００の起動を禁止している期間は、新たな起動要求が発生しても、燃料電池システム１００を起動させない。
そして、日付が更新されると（ステップＳ１１）、燃料電池システム１００の起動の禁止を解除し、新たな起動要求が発生するまで起動を待機する待機状態に移行する（ステップＳ１２）。上記以外のステップについては、実施の形態２と同様であるので、その説明を省略する。
（実施の形態３）
実施の形態３の燃料電池システムは、実施の形態１の燃料電池システムにおいて、停止予定時刻までの時間が所定時間以下になると、制御器は、異常検査器による原料ガスの組成の異常の再検査を停止する。

組成情報取得器より再度取得した前記情報から原料ガスの組成が異常か否かを再度判定するという動作を繰り返しているときに、仮に正常と判定され、燃料電池システムを起動しても停止予定時刻までの時間が短いと、直ぐに停止しまうことになる。これは、エネルギー（特に、起動エネルギー）の無駄であり、省エネルギー性の観点から好ましくない。

そこで、上記のように構成することで、停止予定時刻までの残り時間を考慮しない燃料電池システムに比べ、省エネルギー性の観点から好ましくない起動を抑制することができる。

次に、本実施の形態の燃料電池システム１００について詳細に説明する。

本実施の形態の燃料電池システム１００は、実施の形態１の燃料電池システムと同様の構成を有するのでその説明を省略し、本実施の形態の燃料電池システム１００の動作について説明する。

図５は、実施の形態３の燃料電池システム１００の動作の一例を示すフロー図である。

燃料電池システム１００は、図５に示すように、異常検査器３により原料ガスの組成が異常であると判定されると（ステップＳ７でＹｅｓ）、停止予定時刻までの残り時間が所定の時間Ｔ１以下であるか否かを判定し（ステップＳ１４）、残り時間がＴ１より長い場合は（ステップＳ１４でＮｏ）、ステップＳ５―Ｓ７を実行し、原料ガスの組成が異常か否かを再度判定する。なお、上記Ｔ１は、適宜設定されるが、例えば、燃料電池システム１００を使用しない場合に比べ、燃料電池システム１００を起動してもエネルギー的に有利な運転時間として定義してもよい。または、Ｔ１を、燃料電池システム１００を使用し
ない場合に比べ、燃料電池システム１００を運転するとランニングコストで有利になる運転時間として定義してもよい。

一方、停止予定時刻までの残り時間が所定の時間Ｔ１以下である場合は（ステップＳ１４でＹｅｓ）、異常検査器３による原料ガスの組成の異常判定を停止し、新たな起動要求が発生するまで起動を待機する待機状態に移行する（ステップＳ９）。上記以外のステップについては、実施の形態２と同様であるので、その説明を省略する。
［第１変形例］
実施の形態３の第１変形例の燃料電池システムは、実施の形態３の燃料電池システムにおいて、制御器は、異常検査器により原料ガスの組成が異常か否かを判定するという動作を繰り返しているときに、停止予定時刻までの時間が所定時間以下になると、少なくとも次の日になるまで起動を許可しない。

原料ガスの組成が一旦異常になると、当日中に異常が解消しない場合もある。そういった場合は、当日の間、無駄な異常判定動作を繰り返すことになる。しかしながら、上記構成により、停止予定時刻までの時間が所定時間以下になった後は少なくとも異常が発生した当日中、異常判定が停止されるので、無駄な異常判定動作を低減することができる。

実施の形態３の第１変形例の燃料電池システムは、上記特徴以外は、実施の形態１の燃料電池システムと同様に構成されていてもよい。

次に、実施の形態３の第１変形例の燃料電池システム１００について詳細に説明する。

本変形例の燃料電池システム１００は、実施の形態１の燃料電池システムと同様の構成を有するのでその説明を省略し、本変形例の燃料電池システム１００の動作について説明する。

図６は、実施の形態３の第１変形例における燃料電池システム１００の動作の一例を示すフロー図である。

燃料電池システム１００は、図６に示すように、ステップＳ７において原料ガスの組成に異常があると判定され（ステップＳ７でＹｅｓ）、停止予定時刻までの残り時間が所定の時間Ｔ１以下であると（ステップＳ１４でＹｅｓ）、異常検査器３による異常判定を停止し、燃料電池システム１００の起動を禁止する（ステップＳ１５）。燃料電池システム１００の起動を禁止している期間は、新たな起動要求が発生しても、燃料電池システム１００を起動させない。
そして、日付が更新されると（ステップＳ１６）、燃料電池システム１００の起動の禁止を解除し、新たな起動要求が発生するまで起動を待機する待機状態に移行する（ステップＳ１７）。上記以外のステップについては、実施の形態３と同様であるので、その説明を省略する。
なお、日付更新後、燃料電池システム１００の起動の禁止が解除されるタイミングは任意であり、適宜設定される。

上記説明から、当業者にとっては、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る。

本発明に係る燃料電池システム及びその運転方法は、従来よりも燃料電池システムの無駄なエネルギー消費が低減されるので有用である。

１ 燃料電池ユニット
２ 原料ガス供給器
３ 異常検査器
５ 制御器
１００ 燃料電池システム

Claims (5)

1. 原料ガスを利用して発電する燃料電池ユニットと、前記燃料電池ユニットに原料ガスを供給する原料ガス供給器と、起動に伴い前記原料ガス供給器より供給される原料ガスの組成が異常か否かを検査する異常検査器と、前記異常検査器により異常と判定されると起動を停止し、前記異常検査器により異常と判定されないなら起動を継続する制御器とを備え、
   前記制御器は、起動を停止後、原料ガス供給器を動作させ、前記異常検査器により原料ガスの組成が異常か否かを再度検査し、
   前記異常検査器により原料ガス組成が異常と所定の複数回判定されると、前記制御器は、次の日になるまで起動を許可しない、燃料電池システム。
2. 原料ガスを利用して発電する燃料電池ユニットと、前記燃料電池ユニットに原料ガスを供給する原料ガス供給器と、起動に伴い前記原料ガス供給器より供給される原料ガスの組成が異常か否かを検査する異常検査器と、前記異常検査器により異常と判定されると起動を停止し、前記異常検査器により異常と判定されないなら起動を継続する制御器とを備え、
   前記制御器は、起動を停止後、原料ガス供給器を動作させ、前記異常検査器により原料ガスの組成が異常か否かを再度検査し、
   停止予定時刻までの時間が所定時間以下になると、前記制御器は、前記異常検査器による原料ガスの組成の異常の再検査を停止する、燃料電池システム。
3. 前記制御器は、次の日になった後、新たな起動要求が発生するまで起動を開始しない、請求項１記載の燃料電池システム。
4. 前記制御器は、前記再検査を停止した後、次の日になるまで起動を許可しない、請求項２記載の燃料電池システム。
5. 原料ガスを利用して発電する燃料電池ユニットと、前記燃料電池ユニットに原料ガスを供給する原料ガス供給器と、起動に伴い前記原料ガス供給器より供給される原料ガスの組成が異常か否かを検査する異常検査器と、前記異常検査器により異常と判定されると起動を停止し、前記異常検査器により異常と判定されないなら起動を継続する制御器とを備え、
   前記制御器は、起動を停止後、原料ガス供給器を動作させ、前記異常検査器により原料ガスの組成が異常か否かを再度検査し、
   前記原料ガスを燃焼する燃焼器を備え、前記異常検査器は、前記燃焼器内の炎から発生する炎電流より前記原料ガスの組成が異常か否かを検査する、燃料電池システム。

Images