JP6892354B2 - 発電装置、制御装置及び制御プログラム - Google Patents

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Description

本開示は、発電装置、制御装置及び制御プログラムに関する。より詳細には、本開示は、燃料電池を備える発電装置、燃料電池を備える発電装置の制御装置、及び、このような装置に実行させる制御プログラムに関する。
固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell(以下、「SOFC」と記す))のような燃料電池を備える発電装置は、燃料ガス等を用いて発電する。このような発電装置では、燃料電池の温度が異常に上昇してしまうことがある。そこで、例えば特許文献1では、燃料電池の温度が異常に上昇した場合、発電装置を停止させている。
特開2015−133213号公報
従来の発電装置には、異常が発生した際の処理に関して、改善の余地がある。
本開示の目的は、異常が発生した際の処理に関して、改善された、発電装置、制御装置及び制御プログラムを提供することにある。
一実施形態に係る発電装置は、少なくともガスにより発電する燃料電池と、前記燃料電池の周辺機器である補機と、前記補機の一部に電力を供給する電源と、前記補機及び前記電源を制御する制御部とを備える。前記制御部は、前記燃料電池において着火処理を実行していない状態で、前記燃料電池付近の温度が第1温度を下回り、かつ前記発電装置の燃焼部の温度が前記第1温度よりも高い第2温度を超えると判定すると、前記電源から前記補機への電力供給を停止させる。
一実施形態に係る制御装置は、発電装置を制御する制御装置である。前記発電装置は、少なくともガスにより発電する燃料電池と、前記燃料電池の周辺機器である補機と、前記補機の一部に電力を供給する電源とを備える。前記制御装置は、前記燃料電池において着火処理を実行していない状態で、前記燃料電池付近の温度が第1温度を下回り、かつ前記発電装置の燃焼部の温度が前記第1温度よりも高い第2温度を超えると判定すると、前記電源から前記補機への電力供給を停止させる。
一実施形態に係る制御プログラムは、発電装置を制御する制御装置に実行させる制御プログラムである。前記発電装置は、少なくともガスにより発電する燃料電池と、前記燃料電池の周辺機器である補機と、前記補機の一部に電力を供給する電源とを備える。制御プログラムは、前記制御装置に、前記燃料電池において着火処理を実行していない状態で、前記燃料電池付近の温度が第1温度を下回り、かつ前記発電装置の燃焼部の温度が前記第1温度よりも高い第2温度を超えるか否か判定するステップと、前記燃料電池において着火処理を実行していない状態で、前記燃料電池付近の温度が第1温度を下回り、かつ前記発電装置の燃焼部の温度が前記第1温度よりも高い第2温度を超えると判定すると、前記電源から前記補機への電力供給を停止させるステップとを実行させる。
一実施形態によれば、異常が発生した際の処理に関して、改善された、発電装置、制御装置及び制御プログラムを提供することができる。
本開示の第1実施形態に係る発電装置の構成を概略的に示す機能ブロック図である。 本開示の第1実施形態に係る発電装置の一部をより詳細に示す機能ブロック図である。 本開示の第1実施形態に係る発電装置の一部をより詳細に示す機能ブロック図である。 本開示の第1実施形態に係る発電装置の一部をより詳細に示す機能ブロック図である。 発電装置を、停止処理を経て待機状態に移行させるときの処理を説明するための図である。 発電装置を、シャットダウン処理を経て待機状態に移行させるときの処理を説明するための図である。 本開示の第1実施形態に係る発電装置の動作を示すフローチャートである。 本開示の第2実施形態に係る発電装置の動作を示すフローチャートである。 本開示の第1実施形態に係る発電装置の構成の変形例を概略的に示す機能ブロック図である。
以下、本開示の一実施形態について、図面を参照して説明する。まず、本開示の第1実施形態に係る発電装置の構成を説明する。
(第1実施形態)
図1は、本開示の第1実施形態に係る発電装置の構成を概略的に示す機能ブロック図である。図2、図3及び図4は、本開示の第1実施形態に係る発電装置の一部をより詳細に示す機能ブロック図である。
図1に示すように、本開示の第1実施形態に係る発電装置1は、貯湯タンク60と、負荷100と、商用電源(grid)200とに接続される。図1に示すように、発電装置1には、外部から原燃料ガス、水及び酸素含有ガスとしての空気が供給される。発電装置1は、供給された原燃料ガス、水及び空気によって発電する。発電装置1は、発電した電力を、負荷100等に供給する。
図1に示すように、発電装置1は、制御部10と、記憶部12と、燃料電池モジュール20と、ガス供給部32と、空気供給部34と、改質水供給部36と、パワーコンディショナ40と、排熱回収処理部50と、循環水処理部52と、ガスセンサ70とを備える。
発電装置1は、以下にさらに詳細に述べられるように、種々の機能を実行するための制御及び処理能力を提供するために、制御部10として少なくとも1つのプロセッサを含む。種々の実施形態によれば、少なくとも1つのプロセッサは、単一の集積回路(IC)として、又は、複数の通信可能に接続された集積回路IC及びディスクリート回路(discrete circuits)として実現されてもよい。少なくとも1つのプロセッサは、種々の既知の技術に従って実現されることが可能である。
ある実施形態において、プロセッサは、一以上のデータ計算手続及び処理を実行するために構成された、一以上の回路又はユニットを含む。例えば、プロセッサは、一以上のプロセッサ、コントローラ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路(ASIC)、デジタル信号処理装置、プログラマブルロジックデバイス、フィールドプログラマブルゲートアレイ又はこれらの組み合わせ若しくは構成の任意の組み合わせ、又は、他の既知のデバイス若しくは構成の組み合わせを含むことにより、以下に説明する機能を実行してもよい。
制御部10は、記憶部12と、燃料電池モジュール20と、ガス供給部32と、空気供給部34と、改質水供給部36と、パワーコンディショナ40と、ガスセンサ70とに接続され、これらの各機能部をはじめとして発電装置1の全体を制御及び管理する。制御部10は、記憶部12に記憶されているプログラムを取得する。制御部10は、取得したプログラムを実行することにより、発電装置1の各部に係る種々の機能を実現する。制御部10と他の機能部との間で制御信号又は各種の情報等が送受信される場合、制御部10と対の機能部とは、有線又は無線により接続されてよい。制御部10が実行する本実施形態に係る制御については、さらに後述する。
記憶部12は、制御部10から取得した情報を記憶する。また、記憶部12は、制御部10によって実行されるプログラム等も記憶する。その他、記憶部12は、例えば制御部10による演算結果等の、各種データも記憶する。以下、記憶部12は、制御部10が動作する際のワークメモリ等もさらに含むことができるものとして説明する。記憶部12は、例えば、半導体メモリ又は磁気ディスク等により構成され得る。しかしながら、これに限定されず、記憶部12は、任意の記憶装置であってよい。例えば、記憶部12は、光ディスクのような光学記憶装置であってよいし、光磁気ディスク等であってよい。
図1に示す燃料電池モジュール20は、図2により詳細に示すように、改質器22A,22Bと、セルスタック24A,24Bと、温度センサ26A,26Bと、温度センサ27A,27Bと、着火ヒータ28A,28Bとを備える。図2には、図1に示す制御部10、燃料電池モジュール20、ガス供給部32及び電源43のみを示す。以下、改質器22Aと改質器22Bとを特に区別しない場合、単に「改質器22」と記す。同様に、セルスタック24Aとセルスタック24Bとを特に区別しない場合、単に「セルスタック24」と記す。同様に、温度センサ26Aと温度センサ26Bとを特に区別しない場合、単に「温度センサ26」と記す。同様に、温度センサ27Aと温度センサ27Bとを特に区別しない場合、単に「温度センサ27」と記す。同様に、着火ヒータ28Aと着火ヒータ28Bとを特に区別しない場合、単に「着火ヒータ28」と記す。
燃料電池モジュール20は、セルスタック24によって発電する。燃料電池モジュール20は、発電した直流電力を、図1に示すパワーコンディショナ40に供給する。燃料電池モジュール20は、ホットモジュールとも呼ばれる。燃料電池モジュール20において、セルスタック24は、発電に伴い発熱する。本実施形態において、実際に発電を行うセルスタック24を、適宜、「燃料電池」と記す。また、本開示において、セルスタック24を含めた任意の機能部も、適宜、「燃料電池」と総称することがある。例えば、「燃料電池」としては、他に、単体のセル又は燃料電池モジュール等が挙げられる。
改質器22は、図1に示す改質水供給部36から供給された改質水を用いて水蒸気を生成する。さらに、改質器22は、生成した水蒸気を用いた水蒸気改質により、ガス供給部32から供給される原燃料ガスを用いて、水素及び/又は一酸化炭素を生成する。すなわち、改質器22は、ガス供給部32から供給される原燃料ガスを、水蒸気改質によって、燃料ガスに改質する。なお、本実施形態では、原燃料ガスと、燃料電池が発電に用いるガス(燃料ガス又は酸素含有ガスとしての空気)とを特に区別しない場合、単に「ガス」と記す。改質器22は、生成した水素及び一酸化炭素をセルスタック24に供給する。セルスタック24は、改質器22から供給された水素及び/又は一酸化炭素と、図1に示す空気供給部34から供給される空気中の酸素とを反応させることにより、発電する。言い換えれば、本実施形態において、燃料電池のセルスタック24は、電気化学反応により発電する。なお、改質器22は、前述の水蒸気改質を行う改質器に限定されない。例えば、改質器22は、酸素を含む空気等を用いて水素を生成する部分酸化改質(Partial Oxidation(POX))を行う改質器であってもよい。
以下、セルスタック24は、SOFC(固体酸化物形燃料電池)であるものとして説明する。しかしながら、本実施形態に係るセルスタック24は、SOFCに限定されない。本実施形態に係るセルスタック24は、例えば、固体高分子形燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell(PEFC))、リン酸形燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell(PAFC))及び溶融炭酸塩形燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell(MCFC))等のような燃料電池で構成されてもよい。また、本実施形態において、燃料電池モジュール20は、例えば、単体で700W程度の発電ができるセルスタックを4つ備えてもよい。この場合、燃料電池モジュール20は、全体として3kW程度の電力を出力することができる。
本実施形態に係る燃料電池モジュール20及びセルスタック24は、上述のような構成に限定されない。種々の構成を、燃料電池モジュール20及びセルスタック24に採用することができる。例えば、燃料電池モジュール20は、セルスタック24を1つのみ備えてもよい。本実施形態において、発電装置1は、少なくともガスを用いて発電する燃料電池を備えていればよい。燃料電池が発電に用いるガスは、例えば、燃料ガス(水素)又は酸素含有ガスとしての空気である。従って、例えば、発電装置1は、燃料電池として、セルスタック24ではなく、単に燃料電池セル1つのみを備えるものであってよい。また、本実施形態に係る燃料電池は、PEFCのように、改質器を有しないモジュール(ケース)に含まれる燃料電池であってよい。
温度センサ26Aは、セルスタック24Aの上方においてガスが燃焼する部分(以下、「燃焼部」と記す)の温度を検出する。温度センサ26Aは、セルスタック24Aの付近、例えば、セルスタック24Aの上方に設置される。温度センサ26Bは、セルスタック24Bの燃焼部の温度を検出する。温度センサ26Bは、セルスタック24Bの付近、例えば、セルスタック24Bの上方に設置される。温度センサ26は、検出した燃焼部の温度を、制御部10に出力する。
温度センサ27Aは、セルスタック24Aの中心付近の温度(以下、「中心温度」と記す)を検出する。温度センサ27Aは、例えば、セルスタック24Aの中心付近に配置される。温度センサ27Bは、セルスタック24Bの中心温度を検出する。温度センサ27Bは、セルスタック24Bの中心付近に配置される。
着火ヒータ28Aは、制御部10からの制御信号に基づいて、セルスタック24Aを構成する各セルの開口から漏れ出る未反応燃料に着火する。同様に、着火ヒータ28Bは、制御部10からの制御信号に基づいて、セルスタック24Bを構成する各セルの開口から漏れ出る未反応燃料に着火する。
図1に示すガス供給部32は、図2に示す燃料電池モジュール20の改質器22に原燃料ガスを供給する。このとき、ガス供給部32は、制御部10からの制御信号に基づいて、改質器22に供給する原燃料ガスの量を制御する。本実施形態において、ガス供給部32は、例えば、ガスラインによって構成されてもよい。また、本実施形態において、ガス供給部32は、原燃料ガスの脱硫処理を行ってもよいし、原燃料ガスを予備的に加熱してもよい。原燃料ガスを加熱する熱源として、セルスタック24の排熱が利用されてもよい。原燃料ガスは、例えば、都市ガス又はLPG等であるが、これに限定されない。例えば、原燃料ガスは、燃料電池に応じて、天然ガス又は石炭ガス等であってもよい。
ガス供給部32は、図2により詳細に示すように、流量計91A,91Bと、ガスポンプ92A,92Bとを備える。ガス供給部32は、図2に示すように、制御部10と有線又は無線により通信可能である。また、ガス供給部32は、電源43から供給される電力によって駆動する。図2に示すガス供給部32は、2つの流量計91A及び流量計91Bと、2つのガスポンプ92A及びガスポンプ92Bとを備える。しかしながら、ガス供給部32が備える流量計及びガスポンプの数は、これに限定されず、例えば、それぞれ1つであってもよいし、3つ以上であってもよい。以下、流量計91Aと流量計91Bとを特に区別しない場合、単に「流量計91」と記す。同様に、ガスポンプ92Aとガスポンプ92Bとを特に区別しない場合、単に「ガスポンプ92」と記す。
図2に示すように、ガス供給部32に供給される原燃料ガスは、1つの供給源から2つの経路に分岐されて、流量計91Aと、流量計91Bとにそれぞれ供給される。しかしながら、例えば、流量計91A及び流量計91Bに、それぞれ別個の供給源から原燃料ガスが供給されてもよい。
流量計91Aは、流量計91Aを経て流れる原燃料ガスの量を測定する。流量計91Bは、流量計91Bを経て流れる原燃料ガスの量を測定する。流量計91が測定した原燃料ガスの流量の情報は、制御部10に送信される。制御部10は、流量計91から取得した原燃料ガスの流量に基づいて、ガスポンプ92によって改質器22に供給する原燃料ガスの量を制御することができる。原燃料ガスの流量を測定可能なものであれば、任意のものを流量計91に採用することができる。
ガスポンプ92Aは、流量計91Aを経て原燃料ガスを、改質器22Aに送出する。ガスポンプ92Bは、流量計91Bを経た原燃料ガスを、改質器22に送出する。ガスポンプ92A及びガスポンプ92Bは、電源43から供給される電力によって駆動する。ガスを送出可能なものであれば、任意のものを、ガスポンプ92に採用することができる。
なお、ガス供給部32が備えるポンプは、原燃料ガスを改質器22に送出するガスポンプ92に限定されない。例えば、ガス供給部32が備えるポンプは、改質器22に発電に用いるガスとしての空気を送出する空気ポンプを含んでもよい。
図1に示す空気供給部34は、図3に示すように、燃料電池モジュール20のセルスタック24に、酸素含有ガスとして空気を供給する。このとき、空気供給部34は、制御部10からの制御信号に基づいて、セルスタック24に供給する空気の量を制御する。本実施形態において、空気供給部34は、例えば、空気ラインによって構成されてもよい。また、空気供給部34は、外部から取り込んだ空気を予備的に加熱して、セルスタック24に供給してもよい。本実施形態において、空気供給部34は、セルスタック24が発電する際の電気化学反応に用いられる空気を供給する。なお、空気供給部34は、空気以外の酸素含有ガスをセルスタック24に供給してもよい。又は、空気供給部34は、酸素のみをセルスタック24に供給してもよい。
空気供給部34は、図3により詳細に示すように、空気ブロワ93A,93Bと、流量計94A,94Bとを備える。図3には、図1に示す制御部10、燃料電池モジュール20、空気供給部34及び電源43のみを示す。空気供給部34は、図3に示すように、制御部10と有線又は無線により通信可能に接続される。また、空気供給部34は、電源43から供給される電力によって駆動する。図3に示す空気供給部34は、2つの空気ブロワ93A及び空気ブロワ93Bと、2つの流量計94A及び流量計94Bとを備える。しかしながら、空気供給部34が備える空気ブロワ及び流量計の数は、これに限定されず、例えば、それぞれ1つであってもよいし、3つ以上であってもよい。以下、空気ブロワ93Aと空気ブロワ93Bとを特に区別しない場合、単に「空気ブロワ93」と記す。同様に、流量計94Aと流量計94Bとを特に区別しない場合、単に「流量計94」と記す。
図3に示すように、空気供給部34に供給される空気は、1つの供給源から2つの経路に分岐されて、空気ブロワ93Aと、空気ブロワ93Bとにそれぞれ供給される。しかしながら、例えば、空気ブロワ93A及び空気ブロワ93Bに、それぞれ別個の供給源から空気が供給されてもよい。
空気ブロワ93Aは、空気供給部34に供給された空気を、流量計94Aを経て、セルスタック24Aに送出する。空気ブロワ93Bは、空気供給部34に供給された空気を、流量計94Bを経て、セルスタック24Bに送出する。空気ブロワ93A及び空気ブロワ93Bは、電源43から供給される電力によって駆動する。なお、空気を送出可能なものであれば、任意のものを、空気ブロワ93に採用することができる。
流量計94Aは、流量計94Aを経て流れる空気の量を測定する。流量計94Bは、流量計94Bを経て流れる空気の量を測定する。流量計94が測定した空気の流量の情報は、制御部10に送信される。制御部10は、流量計94から取得した空気の流量に基づいて、空気ブロワ93によってセルスタック24に供給する空気の量を制御することができる。空気の流量を測定可能なものであれば、任意のものを、流量計94に採用することができる。
図1に示す改質水供給部36は、改質水を、図4に示すように、燃料電池モジュール20の改質器22に供給する。このとき、改質水供給部36は、制御部10からの制御信号に基づいて、改質器22に供給する改質水の量を制御する。本実施形態において、改質水供給部36は、例えば、改質水ラインによって構成されてもよい。改質水供給部36は、セルスタック24の排気から回収された水を原料として改質水を生成してもよい。改質水を生成する熱源として、セルスタック24の排熱が利用されてもよい。
改質水供給部36は、図4により詳細に示すように、改質水ポンプ95A,95Bと、気泡センサ96A,96Bとを備える。図4には、図1に示す制御部10、燃料電池モジュール20、改質水供給部36及び電源43のみを示す。改質水供給部36は、図4に示すように、制御部10と有線又は無線により通信可能に接続される。また、改質水供給部36は、電源43から供給される電力によって駆動する。図4に示す改質水供給部36は、2つの改質水ポンプ95A及び改質水ポンプ95Bと、2つの気泡センサ96A及び気泡センサ96Bとを備える。しかしながら、改質水供給部36が備える改質水ポンプ及び気泡センサの数は、これに限定されず、例えば、それぞれ1つであってもよいし、3つ以上であってもよい。以下、改質水ポンプ95Aと改質水ポンプ95Bとを特に区別しない場合、単に「改質水ポンプ95」と記す。同様に、気泡センサ96Aと気泡センサ96Bとを特に区別しない場合、単に「気泡センサ96」と記す。
図4に示すように、改質水供給部36に供給される改質水は、1つの供給源から2つの経路に分岐されて、改質水ポンプ95Aと、改質水ポンプ95Bとにそれぞれ供給される。しかしながら、例えば、改質水ポンプ95A及び改質水ポンプ95Bに、それぞれ別個の供給源から改質水が供給されてもよい。
改質水ポンプ95Aは、改質水供給部36に供給された改質水を、気泡センサ94Aを経て、改質器22Aに送出する。改質水ポンプ95Bは、改質水供給部36に供給された改質水を、気泡センサ94Bを経て、改質器22Aに送出する。改質水ポンプ95A及び改質水ポンプ95Bは、電源43から供給される電源によって駆動する。なお、改質水を送出可能なものであれば、任意のものを、改質水ポンプ95に採用することができる。
気泡センサ96Aは、気泡センサ96Aを経て流れる改質水の中の気泡を検出する。気泡センサ96Aは、検出結果を、制御部10に送信する。気泡センサ96Bは、気泡センサ96Bを経て流れる改質水の中の気泡を検出する。気泡センサ96Bは、検出結果を、制御部10に送信する。改質水の気泡を検出可能なものであれば、任意のものを、気泡センサ96に採用することができる。
図1に示すパワーコンディショナ40は、図2に示す燃料電池モジュール20のセルスタック24に接続される。パワーコンディショナ40は、セルスタック24が発電した直流電力を交流電力に変換する。パワーコンディショナ40から出力される交流電力は、分電盤等を介して、負荷100に供給される。負荷100は、分電盤等を介して、パワーコンディショナ40から出力された電力を受電する。図1では、負荷100は、1つの部材として図示しているが、負荷を構成する任意の個数の各種電気機器であってよい。また、負荷100は、分電盤等を介して、商用電源200から受電することもできる。
図1に示すように、パワーコンディショナ40は、コンバータ41と、インバータ42と、電源43とを備える。
コンバータ41は、例えば、DC−DCコンバータである。コンバータ41は、図2に示す燃料電池モジュール20のセルスタック24に接続される。コンバータ41は、セルスタック24から供給される直流電圧を、所定の直流電圧に変換する。コンバータ41は、電圧変換後の直流電力を、インバータ42に供給する。また、コンバータ41は、電圧変換後の直流電力の一部を、電源43に供給することも可能である。
インバータ42は、コンバータ41に接続される。インバータ42は、コンバータ41から供給される直流電力を、交流電力に変換する。インバータ42は、変換後の交流電力を、分電盤等を介して、負荷100等に供給する。なお、インバータ42は、双方向インバータであってもよい。この場合、インバータ42は、商用電源200から供給される交流電力を直流電力に変換してもよい。さらに、インバータ42は、変換後の直流電力を、電源43に供給してもよい。
電源43は、例えば、二次電池である。電源43は、コンバータ41を経て、図2に示すセルスタック24から供給される電力によって、充電され得る。また、電源43は、インバータ42が双方向インバータである場合、インバータ42を経て、商用電源200から供給される電力によっても充電され得る。なお、電源43は二次電池でなくてもよい。パワーコンディショナ内のコンバータ41又はインバータ42には、商用電源200からの電力又はセルスタックにより発電した電力が供給されてもよい。
電源43は、充電された電力を放電することによって、補機の一部に電力を供給する。本実施形態において、補機は、燃料電池の周辺機器である。電源43が電力を供給する補機は、例えば、ガス供給部32、空気供給部34、改質水供給部36及び循環水処理部52を含む。しかしながら、電源43が電力を供給する補機は、これに限定されない。例えば、電源43が電力を供給する補機は、ガスラインに取り付けられる電磁弁、空気ラインに取り付けられる電磁弁、及び、改質水ラインに取り付けられる電磁弁等を含んでもよい。
排熱回収処理部50は、図2に示すセルスタック24の発電により生じる排気から排熱を回収する。排熱回収処理部50は、例えば、熱交換器等で構成されてよい。排熱回収処理部50は、循環水処理部52及び貯湯タンク60に接続される。
循環水処理部52は、循環水ポンプ54を含む。循環水処理部52は、循環水ポンプ54によって、貯湯タンク60から排熱回収処理部50へ水を循環させる。循環水ポンプ54は、電源43から供給される電力によって駆動する。排熱回収処理部50に供給された水は、排熱回収処理部50で回収された熱によって加熱され、貯湯タンク60に戻る。排熱回収処理部50は、排熱を回収した排気を、外部に排出する。また、上述したように、排熱回収処理部50で回収された熱は、ガス、空気又は改質水の加熱等に用いることができる。
貯湯タンク60は、排熱回収処理部50及び循環水処理部52に接続される。貯湯タンク60は、図2に示すセルスタック24等から回収された排熱を利用して生成された湯を、貯えることができる。
ガスセンサ70は、発電装置1の内部においてガス漏れを検知する。ガスセンサ70は、ガス漏れを検知すると、検知信号を、制御部10に送信する。
次に、制御部10の動作について説明する。
制御部10は、発電装置1の運転中、外部から運転停止指示を受信したり又は比較的軽度な異常を検出したりすると、停止処理を実行する。また、制御部10は、発電装置1の運転中、比較的重度の異常を検出すると、シャットダウン処理を実行する。また、制御部10は、発電装置1の運転中、ガスに関する異常すなわち重度の異常を検出すると、電源43から補機への電力供給を停止させる処理を実行する。
発電装置1は、停止処理、シャットダウン処理又は電源43から補機への電力供給を停止させる処理を経て、待機状態に移行する。待機状態とは、発電装置1が、発電を停止させた状態で、外部から運転開始指示等を待っている状態である。以下、停止処理、シャットダウン処理及び電源43から補機への電力供給を停止させる処理について、説明する。
<停止処理>
制御部10は、発電装置1の運転中、外部から運転停止指示を受信したり又は比較的軽度な異常を検出したりすると、停止処理を実行する。比較的軽度な異常は、例えば、発電状態において、燃焼部の温度が低下してしまうこと等である。発電装置1は、停止処理を経て、待機状態に移行する。このときの制御部10の処理を、図5を参照して説明する。
図5は、発電装置1を、停止処理を経て待機状態に移行させるときの処理を説明するための図である。図5において、横軸は、セルスタック24の中心温度T1である。中心温度T1は、図2に示すセルスタック24Aの中心温度及びセルスタック24Bの中心温度うち、高い方の温度であってもよい。又は、中心温度T1は、セルスタック24Aの中心温度とセルスタック24Bの中心温度との平均値であってもよい。
停止処理では、制御部10は、まず、セルスタック24の発電を停止させる。さらに、制御部10は、例えば発電装置1内の換気ファンによって、燃料電池モジュール20を冷却する。燃料電池モジュール20を冷却することによって、中心温度T1は、徐々に低下する。
制御部10は、中心温度T1が300℃以上であるときは、ガス供給部32、空気供給部34及び改質水供給部36を稼働状態に維持する。制御部10は、中心温度T1が300℃を下回ると、最初にガス供給部32を停止させ、次に改質水供給部36を停止させる。
制御部10は、中心温度T1が135℃を下回ると、空気供給部34によってパージ処理を実行する。パージ処理とは、燃料電池モジュール20内に残留しているガス等を、燃料電池モジュール20の外に排出する処理である。
制御部10は、中心温度T1が100℃を下回ると、発電装置1を待機状態にする。待機状態では、セルスタック24の中心温度が100℃から60℃までの範囲にあるとき、制御部10は、燃料電池モジュール20において結露を防止する処理(以下、「結露防止処理」と記す)を、空気供給部34によって実行する。また、待機状態において、セルスタック24の中心温度が60℃を下回ると、制御部10は、ガス供給部32、空気供給部34及び改質水供給部36の全てを停止させる。
<シャットダウン処理>
制御部10は、発電装置1の運転中、比較的重度の異常を検出すると、シャットダウン処理を実行する。比較的重度の異常は、例えば、発電状態において、燃焼部が失火した場合に、失火回復制御を実行しても、燃焼部が失火から回復しない等である。発電装置1は、シャットダウン処理を経て、待機状態に移行する。このときの制御部10の処理を、図6を参照して説明する。
図6は、発電装置1を、シャットダウン処理を経て待機状態に移行させるときの処理を説明するための図である。図6において、横軸は、図5と同様に、中心温度T1である。
シャットダウン処理では、まず、制御部10は、セルスタック24の発電を停止させるとともに、ガス供給部32も停止させる。その後、制御部10は、停止処置と同様に、例えば発電装置1内の換気ファンによって、燃料電池モジュール20を冷却する。燃料電池モジュール20を冷却することによって、中心温度T1は、徐々に低下する。
シャットダウン処理では、制御部10は、中心温度T1が300℃以上であるとき、酸化防止処理を実行する。酸化防止処理は、残留している酸素によって、燃料電池モジュール20内の部材が酸化してしまうことを低減させるための処理である。酸化防止処理では、制御部10は、30分に一回程度、改質水供給部36を動作させて、燃料電池モジュール20に改質水を供給する。改質水は、燃料電池モジュール20の内部で水蒸気となり得る。この水蒸気によって、燃料電池モジュール20内に残留している酸素が排出され得る。さらに、制御部10は、この酸化防止処理では、空気供給部34を停止させる。
制御部10は、中心温度T1が300℃を下回ると、ガス供給部32及び空気供給部34に加えて、改質水供給部36も停止させる。
制御部10は、中心温度T1が100℃を下回ると、発電装置1を待機状態にする。待機状態では、制御部10は、上述の停止処理と同様の処理を実行する。
<電源から補機への電力供給を停止させる処理>
制御部10は、発電装置1の運転中、ガスに関する異常が発生したと判定すると、電源43から補機への電力供給を停止させる。第1実施形態に係るガスに関する異常は、燃料電池において着火処理を実行していない状態で、燃料電池付近の温度が低いにも関わらず、燃焼部の温度が高い状態である。このような状態は、着火処理を実行していないにも関わらず、燃焼部においてガスが燃焼している可能性が高い状態である。このような状態では、着火ヒータが故障して着火ヒータが常時ОNになっている蓋然性、燃焼部の熱電対が故障している蓋然性、又は、発電装置1の内部にガスが漏れ出している蓋然性が高い。また、ガス漏れの場合であれば補機に加えられている電源43の電圧が、漏れ出したガスに引火してしまう可能性がある。
そこで、本実施形態では、制御部10は、燃料電池において着火処理を実行していない状態で、燃料電池付近の温度が低いにも関わらず、燃焼部の温度が高い状態であると判定すると、電源43から補機への電力供給を停止させる。燃料電池付近の温度は、例えば、燃料電池内の温度、及び、燃料電池外のうち燃料電池と隣接する領域の温度である。燃料電池内の温度は、例えば、単体のセルの中心温度、及び、セルスタック24の中心温度等である。以下、燃料電池付近の温度は、セルスタック24の中心温度であるものとする。
具体的には、制御部10は、セルスタック24において着火処理を実行していない状態で、セルスタック24の中心温度が第1温度を下回り、かつ燃焼部の温度が第2温度を超えるとき、電源43から補機への電力供給を停止させる。第1温度は、セルスタック24が発電していないと判定され得る温度である。第1温度は、例えば、250℃程度である。第2温度は、セルスタック24においてガスが燃焼していると判定され得る温度である。第2温度は、例えば、500℃程度である。
なお、制御部10は、セルスタック24Aの中心温度及びセルスタック24Bの中心温度のうち、高い方の温度を、ガスに関する異常を判定する処理に用いてもよい。又は、制御部10は、セルスタック24Aの中心温度とセルスタック24Bの中心温度との平均値を、ガスに関する異常を判定する処理に用いてもよい。さらに、制御部10は、セルスタック24Aの燃焼部の温度及びセルスタック24Bの燃焼部の温度のうち、低い方の温度を、ガスに関する異常を判定する処理に用いてもよい。又は、制御部10は、セルスタック24Aの燃焼部の温度とセルスタック24Bの燃焼部の温度との平均値を、ガスに関する異常を判定する処理に用いてもよい。
また、制御部10は、ガスに関する異常が発生したと判定したとき、上述のシャットダウン処理と並行して、電源43から補機への電力供給を停止させる処理を行ってもよい。この場合、制御部10は、ガスに関する異常が発生したと判定したとき、シャットダウン処理におけるセルスタック24の発電を停止させるとともに、電源43から補機への電力供給を停止させる処理を行ってもよい。
図7は、本開示の第1実施形態に係る発電装置1の動作を示すフローチャートである。以下、セルスタック24において着火処理を実行していない状態は、待機状態であるものとして説明する。しかしながら、セルスタック24において着火処理を実行していない状態は、待機状態に限定されない。
制御部10は、発電装置1が待機状態であるか否か判定する(ステップS10)。制御部10は、発電装置1が待機状態であると判定したとき、(ステップS10:Yes)、ステップS11の処理に進む。一方、制御部10は、発電装置1が待機状態ではないと判定したとき(ステップS11:No)、処理を終了する。
ステップS11の処理では、制御部10は、温度センサ27によって、セルスタック24の中心温度T1を取得する。ステップS12の処理では、制御部10は、温度センサ26によって、燃焼部の温度T2を取得する。
ステップS13の処理では、制御部10は、中心温度T1が第1温度を下回り、かつ燃焼部の温度T2が第2温度を超えるか否か判定する。制御部10は、中心温度T1が第1温度を下回り、かつ燃焼部の温度T2が第2温度を超えると判定したとき(ステップS13:Yes)、ステップS14の処理に進む。一方、制御部10は、中心温度T1が第1温度を下回り、かつ燃焼部の温度T2が第2温度を超えると判定しないとき(ステップS13:No)、処理を終了する。
ステップS14の処理では、制御部10は、電源43から補機への電力供給を停止させる。制御部10は、上述のシャットダウン処理と並行して、電源43から補機への電力供給を停止させてもよい。
以上のように、第1実施形態に係る発電装置1は、セルスタック24において着火処理を実行していない状態で、セルスタック24の中心温度が第1温度を下回り、かつ燃焼部の温度が第2温度を上回るとき、電源43から補機への電力供給を停止させる。言い換えれば、本実施形態に係る発電装置1は、着火処理を実行していないにも関わらず、セルスタック24においてガスが燃焼している可能性が高い状態であると判定すると、電源43から補機への電力供給を停止させる。このような制御によって、発電装置1の内部にガスが漏れ出している蓋然性が高い場合であっても、補機に加えられている電源43の電圧が、漏れ出したガスに引火してしまう可能性を低減させることができる。従って、本実施形態によれば、異常が発生した際の処理に関して、改善された、発電装置1が提供され得る。着火処理を実行していないにも関わらず、セルスタック24においてガスが燃焼している可能性が高い状態は、着火ヒータが常時ОNになるような着火ヒータの故障、燃焼部の熱電対の故障又はガス漏れ等によって生じ得る。
ここで、一般的に、発電装置では、発電状態であるときは、ガスに関する異常への監視が強化されていることが多い。しかしながら、発電装置では、発電状態ではないときは、ガスに関する異常への監視が強化されていないことが多い。
これに対し、第1実施形態に係る発電装置1は、待機状態といったセルスタック24において着火処理を実行していない状態であるときに、すなわち、発電状態ではないとき、ガスに関する異常が発生したか否か判定する。従って、本実施形態に係る発電装置1は、待機状態のような発電状態ではないときも、ガスに関する異常への監視が強化され得る。従って、本実施形態によれば、ガスに関する異常に関して、安全性により優れた発電装置1が提供され得る。
さらに、第1実施形態に係る発電装置1は、ガスに関する異常が発生したと判定すると、電源43から補機への電力供給を停止させる。電源43から補機への電力供給を停止させることで、電源43の電力によって駆動するガス供給部32を、速やかに停止させることができる。ガス供給部32を速やかに停止させることで、例えばガス供給部32からガス漏れが発生していても、速やかにガス漏れを停止させることができる。従って、本実施形態によれば、ガスに関する異常に関して、安全性により優れた発電装置1が提供され得る。
加えて、第1実施形態では、電源43から補機への電力供給を停止させることで、ガス供給部32、空気供給部34及び改質水供給部36といった補機を停止させることができる。このような制御によって、本実施形態では、補機を停止させる処理が簡易化され得る。
(第2実施形態)
次に、第2実施形態に係る発電装置について説明する。第2実施形態に係る発電装置は、第1実施形態に係る発電装置1と同様の構成を採用することができる。従って、以下では、図1から図4を参照しつつ、第1実施形態との相違点を中心に説明する。
第2実施形態と第1実施形態とでは、検出対象とするガスに関する異常の内容が異なる。第2実施形態では、検出対象とするガスに関する異常は、ガス供給部32の動作を停止させているにも関わらず、ガス供給部32から原燃料ガスが流れ出ている状態である。このような状態は、図2に示すガスポンプ92が故障してしまったり、ガスラインに取り付けられる電磁弁が故障してしまったりしたとき等に生じ得る。このような状態では、発電装置1の内部にガスが漏れ出している蓋然性が高い。さらに、補機に加えられている電源43の電圧が、漏れ出したガスに引火してしまう可能性がある。
そこで、第2実施形態では、制御部10は、ガス供給部32を停止させているにも関わらず、ガス供給部32から原燃料ガスが流れ出ていると判定すると、電源43から補機への電力供給を停止させる。
具体的には、制御部10は、ガス供給部32を停止させて所定時間経過した後、ガス供給部32から流れ出る原燃料ガスの流量が所定量を超えると判定したとき、電源43から補機への電力供給を停止させる。所定時間は、ガスラインの構成等を考慮して設定され得る。所定量は、例えば、所定時間を考慮して設定され得る。例えば、所定時間が1分未満であれば、所定量は1[NL/min]である。また、例えば、所定時間が1分以上であれば、所定量は0.25[NL/min]である。
なお、制御部10は、発電装置1が発電状態ではないときに、原燃料ガスに関する異常が発生したか否か判定してもよい。具体的には、制御部10は、発電装置1の待機状態、起動状態又は停止状態において、原燃料ガスに関する異常が発生したか否か判定してもよい。
また、制御部10は、第2実施形態でも第1実施形態と同様に、原燃料ガスに関する異常が発生したと判定したとき、上述のシャットダウン処理と並行して、電源43から補機への電力供給を停止させる処理を行ってもよい。
図8は、本開示の第2実施形態に係る発電装置1の動作を示すフローチャートである。
制御部10は、発電装置1が発電状態であるか否か判定する(ステップS20)。制御部10は、発電装置1が発電状態ではないと判定したとき(ステップS20:No)、すなわち、発電装置1が待機状態、起動状態又は停止状態であると判定したとき、ステップS21の処理に進む。一方、制御部10は、発電装置1が発電状態であると判定したとき(ステップS20:Yes)、処理を終了する。
ステップS21の処理では、制御部10は、ガス供給部32を停止させる。制御部10は、ガス供給部32を停止させて所定時間経過した後(ステップS22)、流量計91によって原燃料ガスの流量を取得する(ステップS23)。
制御部10は、取得した原燃料ガスの流量が所定量を超えているか否か判定する(ステップS24)。制御部10は、取得した原燃料ガスの流量が所定量を超えていると判定したとき(ステップS24:Yes)、ステップS25の処理に進む。一方、制御部10は、取得した原燃料ガスの流量が所定量以下であると判定したとき(ステップS24:No)、処理を終了する。
ステップS25の処理では、制御部10は、電源43から補機への電力供給を停止させる。制御部10は、上述のシャットダウン処理と並行して、電源43から補機への電力供給を停止させてもよい。
以上のように、第2実施形態に係る発電装置1は、ガス供給部32を停止させて所定時間経過した後、ガス供給部32から流れ出る原燃料ガスの流量が所定量を超えていると判定したとき、電源43から補機への電力供給を停止させる。言い換えれば、制御部10は、ガス供給部32を停止させているにも関わらず、ガス供給部32から原燃料ガスが流れ出ていると判定すると、電源43から補機への電力供給を停止させる。このような制御によって、発電装置1の内部にガスが漏れ出している蓋然性が高い場合であっても、補機に加えられた電源43の電圧が、漏れ出したガスに引火してしまう可能性を低減させることができる。従って、第2実施形態によれば、異常が発生した際の処理に関して、改善された、発電装置1が提供され得る。
ここで、第1実施形態にて説明したように、一般的に、発電装置では、発電状態であるときは、ガスに関する異常への監視が強化されていることが多い。しかしながら、発電装置では、発電状態ではないときは、ガスに関する異常への監視が強化されていないことが多い。
これに対して、第2実施形態に係る発電装置1は、待機状態、起動状態又は停止状態のような発電状態ではないときに、原燃料ガスに関する異常が発生したと判定する。従って、本実施形態に係る発電装置1は、待機状態、起動状態又は停止状態のような発電状態ではないときも、ガスに関する異常への監視が強化され得る。従って、本実施形態によれば、ガスに関する異常に関して、安全性により優れた発電装置1が提供され得る。
第2実施形態に係る発電装置1において、その他の効果及び制御は、第1実施形態に係る発電装置1と同様である。
本開示を諸図面及び実施例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。従って、これらの変形及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、各機能部、各手段、各ステップ等に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の機能部及びステップ等を1つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。また、上述した本発明の各実施形態は、それぞれ説明した各実施形態に忠実に実施することに限定されるものではなく、適宜、各特徴を組み合わせたり、一部を省略したりして実施することもできる。
例えば、ガスに関する異常は、第1実施形態及び第2実施形態において説明したものに限定されない。例えば、ガスに関する異常は、発電装置1内においてガス漏れが発生していることであってもよい。この場合、制御部10は、図1に示すガスセンサ70から検知信号を受信すると、電源43から補機への電力供給を停止させてもよい。また、制御部10は、シャットダウン処理と並列して、電源43から補機への電力供給を停止させる処理を実行してもよい。ガスセンサ70は、待機状態、起動状態、発電状態及び停止状態の何れにおいても、発電装置1内においてガス漏れを検知するように構成されてもよい。
例えば、本開示の実施形態は、燃料電池を備えずに、燃料電池を外部から制御する、制御装置として実現することもできる。このような実施形態の一例を、図9に示す。図9に示すように、本実施形態に係る制御装置2は、例えば、制御部10と、記憶部12とを含んで構成される。制御装置2は、燃料電池を備える外部の発電装置1を制御する。すなわち、本実施形態に係る制御装置2は、ガスに関する異常が発生したと判定すると、電源43から補機への電力供給を停止させる。
さらに、本開示の実施形態は、例えば、上述したような制御装置2に実行させる制御プログラムとして実現することもできる。すなわち、本実施形態に係る制御プログラムは、制御装置2に、ガスに関する異常が発生したか否か判定するステップと、ガスに関する異常が発生したと判定すると、電源43から補機への電力供給を停止させるステップとを実行させる。
1 発電装置
2 制御装置
10 制御部
12 記憶部
20 燃料電池モジュール
22,22A,22B 改質器
24,24A,24B セルスタック
26,26A,26B 温度センサ
27,27A,27B 温度センサ
28,28A,28B 着火ヒータ
32 ガス供給部
34 空気供給部
36 改質水供給部
40 パワーコンディショナ
41 コンバータ
42 インバータ
43 電源
50 排熱回収処理部
52 循環水処理部
54 循環水ポンプ
60 貯湯タンク
70 ガスセンサ
91,91A,91B 流量計
92,92A,92B ガスポンプ
93,93A,93B 空気ブロワ
94,94A,94B 流量計
95,95A,95B 改質水ポンプ
96,96A,96B 気泡センサ
100 負荷
200 商用電源

Claims (6)

  1. 発電装置であって、
    少なくともガスにより発電する燃料電池と、
    前記燃料電池の周辺機器である補機と、
    前記補機の一部に電力を供給する電源と、
    前記補機及び前記電源を制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記燃料電池において着火処理を実行していない状態で、前記燃料電池付近の温度が第1温度を下回り、かつ前記発電装置の燃焼部の温度が前記第1温度よりも高い第2温度を超えると判定すると、前記電源から前記補機への電力供給を停止させる、発電装置。
  2. 請求項に記載の発電装置であって、
    前記着火処理を実行していない状態は、前記発電装置の待機状態である、発電装置。
  3. 請求項1又は2に記載の発電装置であって、
    前記ガスは燃料ガスを含み、
    原燃料ガスを前記燃料ガスに改質する改質器をさらに備え、
    前記補機は前記改質器に原燃料ガスを供給するガス供給部を含み、
    前記制御部は、前記ガス供給部を停止させて所定時間経過した後、前記ガス供給部から流れ出る原燃料ガスの流量が所定量を超えると判定したとき、前記ガス供給部の動作を停止させているにも関わらず、前記ガス供給部から前記原燃料ガスが流れ出ている状態であると判定する、発電装置。
  4. 請求項に記載の発電装置であって、
    前記制御部は、前記発電装置が発電状態ではないときに、前記ガス供給部の動作を停止させているにも関わらず、前記ガス供給部から前記原燃料ガスが流れ出ている状態であるか否か判定する、発電装置。
  5. 少なくともガスにより発電する燃料電池と、
    前記燃料電池の周辺機器である補機と、
    前記補機の一部に電力を供給する電源と、を備える発電装置を制御する制御装置であって、
    前記制御装置は、前記燃料電池において着火処理を実行していない状態で、前記燃料電池付近の温度が第1温度を下回り、かつ前記発電装置の燃焼部の温度が前記第1温度よりも高い第2温度を超えると判定すると、前記電源から前記補機への電力供給を停止させる、制御装置。
  6. 少なくともガスにより発電する燃料電池と、
    前記燃料電池の周辺機器である補機と、
    前記補機の一部に電力を供給する電源と、を備える発電装置を制御する制御装置に、
    前記燃料電池において着火処理を実行していない状態で、前記燃料電池付近の温度が第1温度を下回り、かつ前記発電装置の燃焼部の温度が前記第1温度よりも高い第2温度を超えるか否か判定するステップと、
    前記燃料電池において着火処理を実行していない状態で、前記燃料電池付近の温度が第1温度を下回り、かつ前記発電装置の燃焼部の温度が前記第1温度よりも高い第2温度を超えると判定すると、前記電源から前記補機への電力供給を停止させるステップと、
    を実行させる、制御プログラム。
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