JP6791740B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池発電システムに関する。

特許文献１には、従来の燃料電池発電システムが開示されている。この特許文献１記載の燃料電池発電システムは、検知対象ガスのガス漏れの発生を検出可能なガスセンサを備えている。

特開２０１１−１８１２６３号公報

ところで、一般に、ガスセンサは、通電開始から一定の期間は安定した動作が保証されている。

しかしながら、例えば、集合住宅等のように、機器の設置から引き渡しまでに長期間を要するような場合、機器が設置された時点から、ガスセンサが常時通電状態になっているため、引き渡しの時点でガスセンサが劣化してしまう。この結果、引き渡しの時点から一定の期間の安定した動作が保証できない場合がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ガスセンサの働きを損なうことなく、ガスセンサの劣化を抑制可能な燃料電池発電システムを提供することにある。

本発明の一態様の燃料電池発電システムは、原燃料を改質して水素を含む改質ガスを生成する改質部、および前記改質部により生成された改質ガスを用いて発電する燃料電池本体部を有する燃料電池装置と、前記燃料電池装置からのガス漏れを検知するガスセンサと、前記ガスセンサへの駆動電力の供給を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記燃料電池装置が待機状態にあるときに、前記ガスセンサを通電状態から非通電状態に切り替えるセンサ劣化抑制モードを実行することを特徴とする。

この構成によれば、通常運転時には、ガスセンサを通電状態に保ちつつ、ガスセンサの検知対象ガス（以下、対象ガス）の漏れが生じないときには、ガスセンサを非通電状態に切り替えることができるため、ガスセンサの働きを損なうことなく、ガスセンサの劣化を抑制することができる。

また、この燃料電池発電システムにおいて、待機状態の前記燃料電池装置の内部の気圧が所定以下になると、前記燃料電池装置の内部に保圧用の気体を供給する保圧動作を実行可能な保圧ガス供給部をさらに備え、前記制御装置は、前記燃料電池装置が運転状態から待機状態に切り替わり、かつ前記保圧動作を実行していない場合に、前記センサ劣化抑制モードを実行することが好ましい。

この構成によれば、待機状態に切り替えられたとしても、保圧動作が実行されていると、センサ劣化抑制モードが実行されない。このため、待機状態に切り替えられた場合において、万が一、保圧動作の実行によって保圧ガスが漏れても、当該ガス漏れを検出することができる。

また、この燃料電池発電システムにおいて、前記制御装置は、前記センサ劣化抑制モードの実行中において、前記保圧ガス供給部が前記保圧動作を実行すると、前記センサ劣化抑制モードを停止し、前記ガスセンサを通電状態に切り替えることが好ましい。

この構成によれば、センサ劣化抑制モードが実行されているときに、万が一、保圧動作の実行によって保圧ガスが漏れても、当該ガス漏れを検出することができる。

また、この燃料電池発電システムにおいて、前記ガスセンサが、可燃ガスを検出する接触燃焼式ガスセンサを含むことが好ましい。

この構成によれば、可燃ガスの漏れを検出することができる。

また、この燃料電池発電システムにおいて、前記ガスセンサが、前記改質部から漏れる一酸化炭素を検出するＣＯセンサを含むことが好ましい。

この構成によれば、一酸化炭素の漏れを検出することができる。

本発明の燃料電池発電システムによれば、ガスセンサの働きを損なうことなく、ガスセンサの劣化を抑制することができる。

本発明の一実施形態の燃料電池発電システムのブロック図である。 同上の制御フローチャートである。

以下、本発明の実施形態について添付図面に基づいて説明する。

本実施形態の燃料電池発電システムは、燃料電池装置１と、保圧ガス供給部６と、ガスセンサ８と、制御装置７とを備えている。また、本実施形態の燃料電池発電システムは、特に図示しないが、燃料電池装置１で発生した熱により生成した湯を貯める貯湯ユニットを備えている。

燃料電池装置１は、原燃料を改質して改質ガスを生成すると共に、この改質ガスを用いて発電する装置である。燃料電池装置１は、改質部２と、燃料電池本体部３と、インバータ４と、熱回収部５とを備えている。

燃料電池装置１に用いられる原燃料は、炭化水素を含むガスである。原燃料は、例えば、メタンガスを主成分とする都市ガスにより構成される。

改質部２は、原燃料を改質して水素を含む改質ガスを生成する。改質部２は、図１に示すように、脱硫器２１と、燃料改質器２２と、ＣＯ変成器２３と、ＣＯ除去器２４と、燃焼部２５とを備えている。

脱硫器２１は、原燃料に含まれる硫黄化合物を、脱硫処理して除去する。脱硫器２１による脱硫処理は、例えば、硫黄化合物を水素と反応させて硫化水素に変換した上で、この硫化水素を酸化亜鉛に取り込んで除去したり、硫黄化合物をゼオライト等の吸着剤に吸着させて除去したりする方法が挙げられる。脱硫器２１を経たガスは、燃料改質器２２に送り込まれる。

燃料改質器２２は、水蒸気下において、脱硫器２１を経たガスを触媒に反応させて水蒸気改質させ、水素を主成分とする改質ガスを生成する。具体的に、燃料改質器２２は、脱硫器２１を経たガスに含まれるメタンと、水蒸気とが混合された状態で供給されると、これらとＮｉ系またはＲｕ系の触媒と反応させ、改質ガスを生成する。燃料改質器２２における水蒸気改質反応は、燃焼部２５から生じる熱を利用する。

ここで、燃焼部２５は、可燃ガスの供給を受けて燃焼し、燃料改質器２２を加熱する。燃焼部２５は、燃料改質器２２に隣接して配置されており、燃焼部２５が燃焼すると、燃料改質器２２が燃焼部２５から発生する熱を利用して、改質反応を進行させることができる。燃焼部２５は、可燃ガスとして、後述の燃料極３１からの排ガスと、都市ガスとを混合したガスか、あるいは、これらのうちのいずれかのガスを利用することができる。

燃料改質器２２により生成された改質ガスは、水素を主成分として含むと共に、一酸化炭素および二酸化炭素を副成分として含む。燃料改質器２２により生成された改質ガスはＣＯ変成器２３に送り込まれる。

ＣＯ変成器２３は、改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減処理する。具体的に、ＣＯ変成器２３は、改質ガスに含まれる一酸化炭素と、水蒸気とを、Ｃｕ−Ｚｕ系，Ｆｅ−Ｃｒ系またはＰｔ系の触媒と反応させ、水素と二酸化炭素とにシフトさせる。これにより、改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減させることができる。ＣＯ変成器２３を経た改質ガスは、ＣＯ除去器２４に送り込まれる。

ＣＯ除去器２４は、ＣＯ変成器２３で変換しきれなかった一酸化炭素を除去する。具体的に、ＣＯ除去器２４は、ＣＯ変成器２３を経た改質ガスに含まれる一酸化炭素と、空気に含まれる酸素とが混合した状態で供給されると、これらとＰｔ系またはＲｕ系の触媒とを酸化反応させ、二酸化炭素に変換する。これにより、改質ガスに含まれる一酸化炭素を一層、低減させることができる。この結果、一酸化炭素の濃度が低く、かつ水素リッチな改質ガスを生成することができる。

このような構成の改質部２により生成された改質ガスは、燃料電池本体部３に送られる。

燃料電池本体部３は、改質部２により生成された水素リッチの改質ガスが供給されると共に、空気が供給されると、発電反応が生じる。燃料電池本体部３は、燃料極３１と電解質３２と空気極３３とを有するセル単体が複数積層されたセルスタックにより構成されている。燃料極３１に接触するように改質ガスが供給され、空気極３３に接触するように空気が供給されると、発電反応が生じ、発電した電気がインバータ４に供給されるように構成される。

燃料極３１に供給された改質ガスのうち、発電反応に消費されなかったガスは、前述のように、排ガスとして燃焼部２５に送られ、可燃ガスとして利用される。なお、空気極３３を経たガスは、そのまま排気される。

インバータ４は、燃料電池本体部３により発電された直流電流を交流電流に変換する。これにより、燃料電池システムは、家庭用の電気機器等に電力を供給することができる。

熱回収部５は、燃料電池本体部３および改質部２から生じる熱を回収して、湯を生成し、貯湯ユニットに送る。これにより、本実施形態の燃料電池システムは、発電時に生じる熱を利用して生成した湯を、例えば、風呂や床暖房装置に供給することができる。

このような構成の燃料電池装置１は、制御装置７により制御される。制御装置７は、燃料電池装置１について、外部に電力を出力可能な運転状態と、待機状態との間で切り替えることができる。ここで、「待機状態」とは、燃料電池装置１が出力可能な温度状態にあるが、外部には出力していない状態をいい、運転状態に切り替えることで、直ちに出力を発生できる状態をいう。運転状態と待機状態との切替制御は、ユーザーが操作機を操作することで実行してもよいし、ユーザーの電気の使用量を一日ごとに長期間記録し、使用量の少ない時間帯において自動で待機状態に切り替えるように実行してもよい。

制御装置７は、燃料電池装置１が待機状態にあると、例えば、原燃料を供給する供給源と脱硫器２１とをつなぐ流路に設けられた電磁弁，改質部２と燃料電池本体部３とをつなぐ流路に設けられた電磁弁，燃料極３１と燃焼部２５とをつなぐ流路に設けられた電磁弁等を閉じるように制御する。これにより、改質部２において、例えば燃料改質器２２には原燃料が充填された状態で密閉され、燃料電池本体部３には改質ガスが充填された状態で密閉される。

ところで、燃料電池装置１が待機状態にある状態で温度が低下し、燃料電池本体部３や改質部２の温度が低下すると、燃料電池本体部３および改質部２の内部の気圧が低下することがある。このとき、燃料電池本体部３および改質部２の内部の気圧が負圧になると、各電磁弁が開放しにくくなるため、本実施形態においては、当該内部の気圧を正圧に保つ保圧ガス供給部６が設けられている。

保圧ガス供給部６は、待機状態にある燃料電池装置１において、燃料電池本体部３または改質部２の内部の気圧が所定以下になると、対応する機器の内部に保圧用の気体を供給する保圧動作を実行する。本実施形態の燃料電池発電システムは、保圧ガス供給部６として、燃料電池本体部３に保圧ガスを供給する第１の保圧ガス供給部６１と、改質部２に保圧ガスを供給する第２の保圧ガス供給部６２とを備えている。なお、これら保圧ガス供給部６の動作は制御装置７により制御される。

第１の保圧ガス供給部６１は、燃料電池本体部３の内部の気圧が所定以下になると（例えば、負圧になると）、保圧ガスを供給し、燃料電池本体部３の内部を正圧に保つ。第１の保圧ガス供給部６１が燃料電池本体部３の内部に供給する保圧ガスとしては、例えば、窒素ガス，メタンガスまたは都市ガス等が用いられる。

第２の保圧ガス供給部６２は、改質部２の内部の気圧が所定以下になると（例えば、負圧になると）、保圧ガスを供給し、改質部２の内部を正圧に保つ。第２の保圧ガス供給部６２が改質部２の内部に供給する保圧ガスとしては、例えば、窒素ガス，メタンガスまたは都市ガス等が用いられる。

本実施形態の燃料電池発電システムは、燃料電池装置１からのガス漏れを検知するためのガスセンサ８を備えている。ガスセンサ８は、制御装置７に接続されており、検知した旨の信号（検知信号）を制御装置７に出力することができる。一方、制御装置７は、ガスセンサ８への駆動電力の供給を制御することができる。

ガスセンサ８は、可燃ガスを検出する接触燃焼式ガスセンサと、改質部２等から漏れる一酸化炭素を検出するＣＯセンサとを有している。なお、ガスセンサ８として、接触燃焼式ガスセンサおよびＣＯセンサのいずれか一方のみを備えたものであってもよい。

接触燃焼式ガスセンサによれば、例えば、燃焼部２５に送り込まれる可燃ガスが漏出した場合等に検出することができる。また、ＣＯセンサによれば、例えば、燃料改質器２２により生成された一酸化炭素を含む改質ガスが漏出した場合や、燃焼部２５の燃焼不良による一酸化炭素が漏出した場合等に検出することができる。

ところで、一般に、この種のガスセンサ８は、燃料電池装置１が設置されたときから、常時給電されるのが通常である。この点について、本発明者らは、ガスセンサ８に対する通電時間を制限すれば、ガスセンサ８の劣化が抑制できることを発見し、本実施形態の燃料電池発電システムの創作に至った。

すなわち、本実施形態の燃料電池発電システムは、燃料電池装置１が運転状態から待機状態に切り替わったときに、ガスセンサ８を通電状態から非通電状態に切り替えるセンサ劣化抑制モードを実行するように構成されている。本実施形態においては、ガスセンサ８として、接触燃焼式ガスセンサとＣＯセンサとを備えているが、センサ劣化抑制モードを実行すると、すべてのガスセンサを非通電状態に切り替える。

これにより、燃料電池装置１が待機状態に切り替わり、燃料電池装置１内から検知対象ガスの漏れが発生しない場合には、ガスセンサ８を非通電状態に切り替えるため、ガスセンサ８に対する通電時間をできる限り減らすことができる。一方、燃料電池装置１が運転状態にあると、通常通り、ガスセンサ８を通電させる。この結果、ガスセンサ８の働きを損なうことなく、ガスセンサ８の劣化を抑制できる。

また、本実施形態の制御装置７は、保圧ガス供給部６が保圧動作を実行しているときには、ガス漏れが生じる可能性があるため、センサ劣化抑制モード実行中のガスセンサ８に対して通電するように制御する。これにより、保圧ガスが漏れたことを検知することができる。

図２には、本実施形態の制御装置７の制御フローチャートを示す。

燃料電池装置１が設置され、燃料電池発電システムに電力が供給されると、ガスセンサ８に通電が開始される（Ｓ１）。この後、例えば、ユーザーの操作により、燃料電池装置１が運転状態から待機状態に切り替えられ、かつ、保圧動作が実行されていない場合に、センサ劣化抑制モードを実行し、ガスセンサ８の通電を停止してガスセンサ８を非通電状態に切り替える（Ｓ２〜Ｓ５）。

一方、燃料電池装置１が運転状態から待機状態に切り替えられ、かつ、保圧動作が実行されている場合には、再度、ステップ２に戻り、燃料電池装置１が待機状態か否かを判断する。

次に、センサ劣化抑制モードの実行中、待機状態の燃料電池装置１において、保圧ガス供給部６が保圧動作を実行すると、センサ劣化抑制モードを停止し（Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８）、ガスセンサ８を通電状態に切り替える（Ｓ１）。

燃料電池装置１が待機状態にあるときに、例えば、ユーザーの操作により、燃料電池装置１が待機状態から運転状態に切り替えられると、センサ劣化抑制モードを停止し（Ｓ６，Ｓ８）、ガスセンサ８を通電状態に切り替える（Ｓ１）。

〔応用〕
上記実施形態のガスセンサ８は、接触燃焼式ガスセンサおよびＣＯセンサを備えたが、いずれか一方であってもよいし、別のガスセンサであってもよい。

上記実施形態の燃料電池発電システムは、保圧ガス供給部６として、改質部２用の保圧ガス供給部６と、燃料電池装置１用の保圧ガス供給部６を備えたが、いずれか一方のみを備えたものであってもよく、上記実施形態に限定されない。また、保圧ガス供給部６は無くてもよい。この場合、制御フローチャートとしては、次の通りである。ステップ２において、燃料電池装置１が待機状態に切り替えられると、直ちにセンサ劣化抑制モードを実行する。また、ステップ６において、燃料電池装置１が待機状態にあると、燃料電池装置１が運転状態に切り替えられるまで、運転状態か否かを判断する。

上記実施形態のガスセンサ８は、センサ劣化抑制モードを実行すると、すべてのガスセンサ８を非通電状態に切り替えたが、例えば、複数のガスセンサ８のうちの、例えば、１つについては通電状態に保ち、他のガスセンサ８については非通電状態に切り替えるように制御してもよい。すなわち、ガスセンサ８として複数のガスセンサ８を備える場合には、センサ劣化抑制モードを実行したときに、少なくとも１つのガスセンサ８を非通電状態に切り替えるよう制御すればよいものとする。

その他、上記実施形態の構成は、本発明の主旨を逸脱しない範囲であれば、適宜設計変更を行うことができる。

１ 燃料電池装置
２ 改質部
３ 燃料電池本体部
６ 保圧ガス供給部
７ 制御装置
８ ガスセンサ

Claims (4)

1. 原燃料を改質して水素を含む改質ガスを生成する改質部、および前記改質部により生成された改質ガスを用いて発電する燃料電池本体部を有する燃料電池装置と、
   前記燃料電池装置からのガス漏れを検知するガスセンサと、
   前記ガスセンサへの駆動電力の供給を制御する制御装置と、
   待機状態の前記燃料電池装置の内部の気圧が所定以下になると、前記燃料電池装置の内部に保圧用の気体を供給する保圧動作を実行可能な保圧ガス供給部と、を備え、
   前記制御装置は、前記燃料電池装置が運転状態から待機状態に切り替わり、かつ前記保圧動作を実行していない場合に、前記ガスセンサを通電状態から非通電状態に切り替えるセンサ劣化抑制モードを実行する
   ことを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 前記制御装置は、前記センサ劣化抑制モードの実行中において、前記保圧ガス供給部が前記保圧動作を実行すると、前記センサ劣化抑制モードを停止し、前記ガスセンサを通電状態に切り替える
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
3. 前記ガスセンサが、可燃ガスを検出する接触燃焼式ガスセンサを含む
   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. 前記ガスセンサが、前記改質部から漏れる一酸化炭素を検出するＣＯセンサを含む
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。

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