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

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３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４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５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。
   

Images