JP6758234B2 - 制御装置、燃料電池システム、および制御方法 - Google Patents

制御装置、燃料電池システム、および制御方法 Download PDF

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Description

本開示は、制御装置、燃料電池システム、および制御方法に関する。
従来、燃料電池の排熱を利用して循環経路内の水に熱エネルギを与える燃料電池システムが知られている。例えば、特許文献1には、閾値以下の温度を検出した際、凍結防止運転として、経路内の水を循環させ、且つ経路に設けられた加熱手段を作動する燃料電池システムが開示されている。
特開2003−282106号公報
従来技術では、循環経路の凍結を抑制するために、燃料電池システムに対して加熱手段を追加する必要がある。しかしながら、循環経路の凍結を抑制するための専用部材を追加することは、燃料電池システムの費用増大を引き起こす。
本開示は、燃料電池システムにおける循環経路の凍結を抑制するための専用部材を追加することなく、凍結を抑制可能な制御装置、燃料電池システム、および制御方法に関する。
本開示の一実施形態に係る制御装置は、燃料電池システムに用いられる制御装置であって、制御部を備える。燃料電池システムは、燃料電池と、空気ブロアと、ヒータと、熱交換器と、循環ポンプと、制御部と、を有する。空気ブロアは、燃料電池に空気を送る。ヒータは、燃料電池の排ガスが通過する燃焼触媒を加熱する。熱交換器は、燃焼触媒を通過した排ガスおよび循環経路内の水の間で熱交換する。循環ポンプは、循環経路内の水を循環させる。制御部は、燃料電池による発電の停止中に、空気ブロア、ヒータ、および循環ポンプそれぞれの駆動を開始させる。
本開示の一実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池と、空気ブロアと、ヒータと、熱交換器と、循環ポンプと、制御部と、を備える。空気ブロアは、燃料電池に空気を送る。ヒータは、燃料電池の排ガスが通過する燃焼触媒を加熱する。熱交換器は、燃焼触媒を通過した排ガスおよび循環経路内の水の間で熱交換する。循環ポンプは、循環経路内の水を循環させる。制御部は、燃料電池による発電の停止中に、空気ブロア、ヒータ、および循環ポンプそれぞれの駆動を開始させる。
本開示の一実施形態に係る制御方法は、燃料電池システムの制御方法である。燃料電池システムは、燃料電池と、空気ブロアと、ヒータと、熱交換器と、循環ポンプと、制御部と、を備える。空気ブロアは、燃料電池に空気を送る。ヒータは、燃料電池の排ガスが通過する燃焼触媒を加熱する。熱交換器は、燃焼触媒を通過した排ガスおよび循環経路内の水の間で熱交換する。循環ポンプは、循環経路内の水を循環させる。制御方法は、燃料電池による発電の停止中に、前記空気ブロア、前記ヒータ、および前記循環ポンプそれぞれの駆動を開始させる。
本開示の一実施形態に係る制御装置、燃料電池システム、および制御方法によれば、燃料電池システムにおける循環経路の凍結を抑制するための専用部材を追加することなく、凍結を抑制可能である。
本開示の一実施形態に係る燃料電池システム、分電盤、および貯湯槽の概略構成を示すブロック図である。 図1の制御装置の動作を示すフローチャートである。
以下、本開示の実施形態について、図面を参照して説明する。
(燃料電池システム)
図1を参照して、本開示の一実施形態に係る燃料電池システム10について説明する。燃料電池システム10は、例えば需要家施設に備えられる。燃料電池システム10は、ホットモジュール20と、パワーコンディショナ30と、空気ブロア40と、燃焼触媒50と、燃焼触媒ヒータ60と、熱交換器70と、循環ポンプ80と、ラジエータ90と、温度測定部100と、記憶部110と、制御部120と、を備える。図1において、実線矢印は、空気またはガス等の経路を示す。破線矢印は、加熱を示す。一点鎖線矢印は、電力の経路を示す。二点鎖線矢印は、水の経路を示す。
ホットモジュール20は、改質ユニット21と、燃料電池ユニット22と、を含む。
改質ユニット21は、メタンおよび水から、燃料電池の燃料となる水素を生成する。具体的には、改質ユニット21は、燃料改質部、CO変性部、およびCO浄化部を含む。
燃料改質部には、水と、少なくともメタンを含む燃料ガスと、が供給される。燃料ガスとして、例えば脱硫器を通過した都市ガスが採用されてもよい。燃料改質部は、水と、燃料ガス中のメタンと、を改質反応させる。具体的には、燃料改質部は、水と、メタンと、を反応させて、水素、二酸化炭素、および一酸化炭素を含むガスを生成する。燃料改質部は、例えばバーナー等のヒータによって、改質反応に適切な温度に保たれる。燃料改質部が適切な温度に保たれている場合、生成されるガス中には、例えばおよそ10〜15%程度の一酸化炭素が含まれ得る。一方、燃料改質部が適切な温度ではない場合、不完全燃焼によって、生成されるガス中により多くの一酸化炭素が含まれ得る。例えば、燃料電池による発電の開始直後は、燃料改質部が適切な温度ではない蓋然性が高い。
CO変性部には、水と、燃料改質部において生成されたガスと、が供給される。CO変性部は、水と、ガス中の一酸化炭素と、を反応させて、水素および二酸化炭素を生成する。CO変性部によって、ガス中の一酸化炭素の濃度が低減し得る。
CO浄化部には、空気と、CO変性部を通過したガスと、が供給される。CO浄化部は、空気中の酸素と、ガス中の一酸化炭素と、を反応させて、二酸化炭素を生成する。CO浄化部によって、ガス中の一酸化炭素の濃度が更に低減し得る。以下、CO浄化部から排出されるガスを、改質ガスともいう。改質ガス中の一酸化炭素の濃度は、上述したように燃料改質部が適切な温度に保たれている場合、所定の基準値未満である。一方、燃料改質部が適切な温度ではない場合、改質ガス中の一酸化炭素の濃度は、当該基準値以上となり得る。かかる場合であっても、一酸化炭素の濃度は、後述するように燃焼触媒50によって当該基準値未満に低減される。
燃料電池ユニット22は、1つ以上の燃料電池を含む。例えば、燃料電池ユニット22は、複数の燃料電池が積み重なったセルスタックを含んでもよい。燃料電池ユニット22には、改質ユニット21から改質ガスが供給される。燃料電池ユニット22には、空気ブロア40から空気が供給される。燃料電池ユニット22は、改質ガス中の水素と、空気中の酸素と、を用いて発電を行う。具体的には、燃料電池ユニット22は、水素と、酸素と、を反応させて、水および電気を生成する。燃料電池ユニット22から排ガスが排出される。排ガスには、例えば、改質ガス中の水素、二酸化炭素、および一酸化炭素等が含まれ得る。
パワーコンディショナ30は、燃料電池ユニット22によって発電された直流電力を交流電力に変換して出力する。パワーコンディショナ30から出力された交流電力は、例えば需要家施設に備えられた分電盤200に入力されてもよい。
空気ブロア40は、空気を燃料電池ユニット22に供給する。
燃焼触媒50は、燃料電池ユニット22からの排ガス中の一酸化炭素の濃度を低減させる。具体的には、燃焼触媒50は、例えばハニカム構造に貴金属触媒が塗布されたハニカム触媒を含んでもよい。貴金属触媒は、例えば白金およびパラジウム等を含んでもよい。燃焼触媒50は、ハニカム構造を通過する一酸化炭素を酸化して、二酸化炭素を生成する。燃焼触媒50を通過した排ガス中の一酸化炭素の濃度は、上述した基準値未満となる。
燃焼触媒ヒータ60は、燃焼触媒50を加熱する。具体的には、燃焼触媒ヒータ60は、燃料電池ユニット22に発電を開始させる前に、燃焼触媒50が一酸化炭素の酸化反応に適切な温度となるまで加熱する。
熱交換器70は、循環経路130を介して、例えば需要家施設に備えられた貯湯槽300と連結される。貯湯槽300に貯水された水が、後述する循環ポンプ80によって、循環経路130で循環する。循環経路130は、貯湯槽300から流出し熱交換器70に流入する第1経路131と、熱交換器70から流出し貯湯槽300に流入する第2経路132と、を含む。熱交換器70には、燃焼触媒50を通過した排ガスが供給される。熱交換器70は、排ガスおよび循環経路130内の水の間で熱交換する。例えば、熱交換器70は、比較的高温の排ガスの熱エネルギを用いて、第1経路131を介して貯湯槽300から流入する水を加熱する。加熱された水は、第2経路132を介して貯湯槽300に供給される。
循環ポンプ80は、循環経路130上の任意の位置に設けられる。図1に示す例では、循環ポンプ80は、第1経路131上に設けられている。循環ポンプ80は、循環経路130内の水を循環させる。
ラジエータ90は、第1経路131上の任意の位置に設けられる。図1に示す例では、ラジエータ90は、循環ポンプ80および貯湯槽300の間に設けられている。ラジエータ90は、例えば第1経路131内の水の温度が所定の基準値以上となった場合に、第1経路131内の水を冷却する。
温度測定部100は、1つ以上の温度センサを含む。温度測定部100は、任意の対象の温度を測定する。例えば、温度測定部100は、燃料電池システム10内の温度と、第1経路131の温度と、第2経路132の温度と、を測定する。燃料電池システム10内の温度は、燃料電池システム10内の任意の位置で測定されてもよい。以下、燃料電池システム10内の温度を、システム温度ともいう。第1経路131の温度は、第1経路131内の水の温度または第1経路131を構成する配管の温度を含んでもよい。第1経路131の温度は、第1経路131上の任意の位置で測定されてもよい。図1に示す例では、第1経路131の温度は、ラジエータ90および貯湯槽300の間の位置Aで測定される。第2経路132の温度は、第2経路132内の水の温度または第2経路132を構成する配管の温度を含んでもよい。第2経路132の温度は、第2経路132上の任意の位置で測定されてもよい。図1に示す例では、第2経路132の温度は、熱交換器70の近傍の位置Bで測定される。
記憶部110は、一次記憶装置および二次記憶装置を含んでよい。記憶部110は、例えば半導体メモリ、磁気メモリ、および光メモリ等を用いて構成されてよい。半導体メモリは、揮発性メモリおよび不揮発性メモリを含んでよい。磁気メモリは、例えばハードディスクおよび磁気テープ等を含んでよい。光メモリは、例えばCD(Compact Disc)、DVD(Digital Versatile Disc)、およびBD(Blu-ray(登録商標) Disc)等を含んでよい。記憶部110は、燃料電池システム10の動作に用いられる種々の情報およびプログラムを記憶する。
制御部120は、1つ以上のプロセッサを含む。プロセッサは、特定の処理に特化した専用のプロセッサ、および特定のプログラムを読み込むことによって特定の機能を実行する汎用のプロセッサを含んでよい。制御部120は、燃料電池システム10全体の動作を制御する。
例えば、制御部120は、燃料電池システム10の動作を、複数の動作モードの間で切替可能である。複数の動作モードは、発電を実行する第1モードと、発電の停止中に循環経路130の凍結を抑制する第2モードと、を含む。以下、具体的に説明する。
第1モードについて説明する。制御部120は、発電を開始する前に、燃焼触媒ヒータ60を制御して、燃焼触媒50を一酸化炭素の酸化反応に適切な温度となるまで加熱する。制御部120は、ホットモジュール20および空気ブロア40の動作を制御して、発電を開始する。制御部120は、パワーコンディショナ30を制御して、燃料電池ユニット22によって発電された直流電力を交流電力に変換し、分電盤200に供給する。パワーコンディショナ30がプロセッサを有する場合、制御部120に替えて当該プロセッサが、電力の変換および供給を行ってもよい。制御部120は、循環ポンプ80を制御して、循環経路130内の水を循環させる。制御部120は、第1経路131の温度が所定の基準値以上となった場合、ラジエータ90を制御して、第1経路131内の水を冷却する。
第1モードで動作する燃料電池システム10によれば、発電電力が分電盤200に供給され、且つ、温水が貯湯槽300に供給される。
第2モードについて説明する。制御部120は、例えばユーザ操作に応じて、発電を停止する。例えば、燃料電池システム10のメンテナンス等の際に、発電が停止され得る。具体的には、制御部120は、ホットモジュール20、パワーコンディショナ30、空気ブロア40、燃焼触媒ヒータ60、循環ポンプ80、およびラジエータ90の駆動を停止させる。
発電の停止中、制御部120は、1つ以上の所定の条件が満たされる場合に、空気ブロア40、燃焼触媒ヒータ60、および循環ポンプ80それぞれの駆動を開始させる。当該1つ以上の所定の条件は、第1の条件および第2の条件の少なくとも一方を含んでもよい。第1の条件は、システム温度が第1閾値未満であるとの条件である。第1閾値は、任意に定められる。例えば、第1閾値は4℃であってもよい。第2の条件は、第1経路131の温度が第2閾値未満であるとの条件である。第2閾値は、任意に定められる。例えば、第2閾値は15℃であってもよい。空気ブロア40によって燃料電池ユニット22に供給された空気は、燃料電池ユニット22および燃焼触媒50を通過して、熱交換器70に供給される。熱交換器70に供給される空気は、燃焼触媒ヒータ60によって加熱された燃焼触媒50を通過する際に加熱される。熱交換器70は、加熱された空気および循環経路130内の水の間で熱交換する。例えば、熱交換器70は、供給された空気の熱エネルギを用いて、第1経路131を介して貯湯槽300から流入する水を加熱する。
空気ブロア40、燃焼触媒ヒータ60、および循環ポンプ80それぞれの駆動を開始させた後、制御部120は、第2経路132の温度を所定の目標値に維持するように、空気ブロア40、燃焼触媒ヒータ60、循環ポンプ80、およびラジエータ90のうち少なくとも1つの動作を制御する。
空気ブロア40、燃焼触媒ヒータ60、および循環ポンプ80それぞれの駆動を開始させた後、制御部120は、1つ以上の所定の条件が満たされる場合に、空気ブロア40、燃焼触媒ヒータ60、および循環ポンプ80それぞれの駆動を停止させる。当該1つ以上の所定の条件は、第3の条件および第4の条件の少なくとも一方を含んでもよい。第3の条件は、システム温度が第3閾値以上であるとの条件である。第3閾値は、任意に定められる。例えば、第3閾値は7℃であってもよい。第4の条件は、第1経路131の温度が第4閾値以上であるとの条件である。第4閾値は、任意に定められる。例えば、第4閾値は50℃であってもよい。
第2モードで動作する燃料電池システム10によれば、循環経路130内の水の凍結を低減可能である。
記憶部110および制御部120は、1つの制御装置140として構成されてもよい。制御装置140として、例えばコンピュータ等の任意の情報処理装置が採用可能である。
図2を参照して、燃料電池システム10が第2モードで動作する場合における、制御部120の動作について説明する。制御部120は、燃料電池システム10による発電が停止された後に、当該動作を開始する。
ステップS100:制御部120は、システム温度が第1閾値未満であるか否かを判定する。システム温度が第1閾値未満であると判定された場合(ステップS100−Yes)、プロセスはステップS101に進む。一方、システム温度が第1閾値以上であると判定された場合(ステップS100−No)、プロセスはステップS100を繰り返す。
ステップS101:制御部120は、循環経路130のうち熱交換器70に流入する第1経路131の温度が第2閾値未満であるか否かを判定する。第1経路131の温度が第2閾値未満であると判定された場合(ステップS101−Yes)、プロセスはステップS103に進む。一方、第1経路131の温度が第2閾値以上であると判定された場合(ステップS101−No)、プロセスはステップS100に戻る。
ステップS102:制御部120は、空気ブロア40、燃焼触媒ヒータ60、および循環ポンプ80それぞれの駆動を開始させる。かかる構成によって、循環経路130内の水が加熱される。
ステップS103:制御部120は、循環経路130のうち熱交換器70から流出する第2経路132の温度を所定の目標値に維持するように、空気ブロア40、燃焼触媒ヒータ60、循環ポンプ80、およびラジエータ90のうち少なくとも1つの動作を制御する。
ステップS104:制御部120は、システム温度が第3閾値以上であるか否かを判定する。システム温度が第3閾値以上であると判定された場合(ステップS104−Yes)、プロセスはステップS105に進む。一方、システム温度が第3閾値未満であると判定された場合(ステップS104−No)、プロセスはステップS104を繰り返す。
ステップS105:制御部120は、第1経路131の温度が第4閾値以上であるか否かを判定する。第1経路131の温度が第4閾値以上であると判定された場合(ステップS105−Yes)、プロセスはステップS106に進む。一方、第1経路131の温度が第4閾値未満であると判定された場合(ステップS105−No)、プロセスはステップS104に戻る。
ステップS106:制御部120は、空気ブロア40、燃焼触媒ヒータ60、および循環ポンプ80それぞれの駆動を停止させる。その後、プロセスはステップS100に戻る。
以上述べたように、本開示の一実施形態に係る燃料電池システム10は、発電の停止中に、空気ブロア40、燃焼触媒ヒータ60、および循環ポンプ80それぞれの駆動を開始させる。かかる構成によって、循環経路130内の水が加熱される。したがって、燃料電池システム10によれば、循環経路130の凍結を抑制するための専用部材を追加することなく、循環経路130の凍結が抑制可能となる。
本発明を諸図面および実施形態に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形および修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形および修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各手段、各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段またはステップなどを1つに組み合わせたり、あるいは分割したりすることが可能である。
例えば、燃料電池システム10は、パワーコンディショナ30およびラジエータ90の少なくとも一方を備えなくてもよい。かかる場合、パワーコンディショナ30およびラジエータ90の当該少なくも一方は、燃料電池システム10に対して外部から連結される。例えば、パワーコンディショナ30はプロセッサを備えてもよい。かかる場合、制御部120に替えて、パワーコンディショナ30に備えられたプロセッサが、パワーコンディショナ30の動作を制御してもよい。
上述した実施形態に係る制御装置140として、コンピュータ等の情報処理装置が採用可能である。このような情報処理装置は、実施形態に係る制御装置140の各機能を実現する処理内容を記述したプログラムを、情報処理装置のメモリに格納し、情報処理装置のプロセッサによって当該プログラムを読み出して実行させることで実現可能である。
10 燃料電池システム
20 ホットモジュール
21 改質ユニット
22 燃料電池ユニット
30 パワーコンディショナ
40 空気ブロア
50 燃焼触媒
60 燃焼触媒ヒータ
70 熱交換器
80 循環ポンプ
90 ラジエータ
100 温度測定部
110 記憶部
120 制御部
130 循環経路
131 第1経路
132 第2経路
140 制御装置
200 分電盤
300 貯湯槽

Claims (8)

  1. 燃料電池システムに用いられる制御装置であって、
    前記燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に空気を送る空気ブロアと、前記燃料電池の排ガスが通過する燃焼触媒を加熱するヒータと、前記燃焼触媒を通過した排ガスおよび循環経路内の水の間で熱交換する熱交換器と、前記循環経路内の水を循環させる循環ポンプと、を有し、
    前記制御装置は、前記燃料電池による発電の停止中に、前記空気ブロア、前記ヒータ、および前記循環ポンプそれぞれの駆動を開始させる制御部を備える、制御装置。
  2. 請求項1に記載の制御装置であって、
    前記制御部は、前記燃料電池システムの温度が第1閾値を下回る第1の条件が満たされる場合に、前記空気ブロア、前記ヒータ、および前記循環ポンプそれぞれの駆動を開始させる、制御装置。
  3. 請求項1または2に記載の制御装置であって、
    前記制御部は、前記循環経路のうち前記熱交換器に流入する第1経路の温度が第2閾値を下回る第2の条件を少なくとも含む1つ以上の条件が満たされる場合に、前記空気ブロア、前記ヒータ、および前記循環ポンプそれぞれの駆動を開始させる、制御装置。
  4. 請求項1からまでの何れか一項に記載の制御装置であって、
    前記制御部は、前記空気ブロア、前記ヒータ、および前記循環ポンプそれぞれの駆動を開始させた後、前記循環経路のうち前記熱交換器から流出する第2経路の温度を目標値に維持するように、前記空気ブロア、前記ヒータ、および前記循環ポンプのうち少なくとも1つの動作を制御する、制御装置。
  5. 請求項1からまでの何れか一項に記載の制御装置であって、
    前記制御部は、前記空気ブロア、前記ヒータ、および前記循環ポンプそれぞれの駆動を開始させた後、前記燃料電池システムの温度が第3閾値以上であるとの第3の条件を少なくとも含む1つ以上の条件が満たされる場合に、前記空気ブロア、前記ヒータ、および前記循環ポンプそれぞれの駆動を停止させる、制御装置。
  6. 請求項1からまでの何れか一項に記載の制御装置であって、
    前記制御部は、前記空気ブロア、前記ヒータ、および前記循環ポンプそれぞれの駆動を開始させた後、前記循環経路のうち前記熱交換器に流入する第1経路の温度が第4閾値以上であるとの第4の条件を少なくとも含む1つ以上の条件が満たされる場合に、前記空気ブロア、前記ヒータ、および前記循環ポンプそれぞれの駆動を停止させる、制御装置。
  7. 燃料電池と、
    前記燃料電池に空気を送る空気ブロアと、
    前記燃料電池の排ガスが通過する燃焼触媒を加熱するヒータと、
    前記燃焼触媒を通過した排ガスおよび循環経路内の水の間で熱交換する熱交換器と、前記循環経路内の水を循環させる循環ポンプと、
    前記燃料電池による発電の停止中に、前記空気ブロア、前記ヒータ、および前記循環ポンプそれぞれの駆動を開始させる制御部と、
    を備える、燃料電池システム。
  8. 燃料電池システムの制御方法であって、
    前記燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に空気を送る空気ブロアと、前記燃料電池の排ガスが通過する燃焼触媒を加熱するヒータと、前記燃焼触媒を通過した排ガスおよび循環経路内の水の間で熱交換する熱交換器と、前記循環経路内の水を循環させる循環ポンプと、を有し、
    前記燃料電池による発電の停止中に、前記空気ブロア、前記ヒータ、および前記循環ポンプそれぞれの駆動を開始させる、制御方法。
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