JP7383449B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

本開示は、燃料電池装置に関する。

固体酸化物形の燃料電池装置（ＳＯＦＣ）は、燃料ガス（水素含有ガス）および空気（酸素含有ガス）を用いて発電を行なう。このような燃料電池装置の運転を制御する制御装置には、燃料電池装置の運転開始時に燃料電池システムの健全性の判定を行うものがある。

特許文献１には、起動時の初期チェックにおいて、ガス漏れ時にガス供給を遮断する遮断回路の健全性を判定するものとして、燃料電池に燃料ガスを供給する複数のインジェクタと、燃料電池と複数のインジェクタとの間に設けられた圧力センサと、燃料ガスの漏れを検知するガス漏れセンサと、ガス漏れセンサが燃料ガスの漏れを検知したときに複数のインジェクタの開指令を遮断する信号を出力する遮断回路と、を備える燃料電池システムが開示されている。

特開２０１９－５３８９５号公報

燃料電池装置には、燃料電池の運転を補助するための補機が設けられるが、その中には、例えば、燃料電池装置内を換気する換気ファンなど、燃料電池の運転開始前（運転待機中）に作動する補機がある。従来行われている燃料電池の運転開始時のシステムチェックでは、燃料電池の運転開始前の異常時には、燃料電池装置が健全であると判定されていないため確実なフェールセーフが実行されないという問題があった。

本開示の一態様である燃料電池装置は、燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電を行なう燃料電池と、前記燃料電池の運転に使用される補機と、燃料電池の動作を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記補機の健全性を判定する複数のチェックシステムを実行可能であり、運転の状況に応じて、異なるチェックシステムを実行し、運転開始前に通電開始を検出すると、前記補機の健全性を判定する第１システムチェックを実行するとともに、前記第１システムチェックは、燃料ポンプの電源回路、ガス電磁弁の電源回路および換気ファンの健全性を判定する。ここで、補機の健全性の判定とは、補機の異常を検知し、作動の有無を含めて補機が正常に作動するかどうかを判定することを意味し、以下においても、同様の意味で用いることとする。
本開示の他の態様である燃料電池装置は、燃料ガスと酸素含有ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の運転に使用される補機と、制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記補機の健全性を判定する複数のシステムチェックを実行可能であり、運転開始前に通電開始を検出すると、前記補機の健全性を判定する第１システムチェックを実行し、運転開始時において、前記第１システムチェックとは異なる、前記補機を強制停止させる安全回路の健全性の判定を含む第２システムチェックを実行する。

本開示の燃料電池装置によれば、運転状況によらず燃料電池装置の健全性を判定することができる。ひいては、確実なフェールセーフが実行される。

本開示の実施形態の燃料電池装置の概略構成図である。 外装ケース内の燃料電池装置の構成を示す斜視図である。 本開示の実施形態におけるシステムチェックを示す説明図である。 本開示の実施形態の第１システムチェックのフローチャートである。 本開示の実施形態の第２システムチェックのフローチャートである。 本開示の実施形態の第１チェックのフローチャートである。 本開示の実施形態の第２チェックのフローチャートである。 本開示の実施形態の第３チェックのフローチャートである。 本開示の実施形態の第４チェックのフローチャートである。

以下では、本開示の燃料電池装置の実施形態について説明する。
図１に示す燃料電池装置１００は、燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電を行なう燃料電池１（以下、燃料電池モジュール１という。）と、燃料電池の自立した発電運転を補助するための補機２０と、各補機の動作を制御する制御装置３０とを備える。

燃料電池モジュール１は、セルスタック１１と、改質器１２と、これらを収納する収納容器１５とを備える。改質器１２には、原燃料ガスを供給するとともに、燃料ポンプＢ１および原燃料流路Ｆを有する燃料供給部１３が接続されている。改質水タンク６に貯水された改質水が、改質水流路Ｒおよび改質水ポンプＰ１を介して、改質器１２に供給され、原燃料ガスの水蒸気改質に利用される。

補機２０は、図１に示すように、燃料供給部１３、空気ポンプＢ２および空気流路Ｇを有する酸素含有ガス供給部１４、改質水タンク６および改質水ポンプＰ１、外部への電力供給と系統電源への連係を担う電力調整装置であるパワーコンディショナ４０を備える。パワーコンディショナ４０は、制御装置３０と連動している。

さらに、本実施形態の燃料電池装置１００は、図１に示すように、その他の補機として、排熱回収システム２１を備える。排熱回収システム２１は、熱交換器２、蓄熱タンク３、ラジエータ４、換気ファン７等を含む。ラジエータ４には、ラジエータファン８が設けられている。

そして、燃料電池装置１００は、図２に示すような、各フレーム５１と各外装パネル５２とからなるケース５０の中に配設されている。このケース５０の中の、燃料電池モジュール１および各補機の周りや流路、配管等には、複数の計測機器やセンサ等が設けられている。

また、燃料電池装置１００は、燃料電池各部の温度を計測する温度センサ、サーミスタ等の温度計測器または温度計（図示省略）等を複数備えることもできる。

そして、燃料電池装置１００全体を統括してその運転を制御する制御装置３０は、記憶装置および表示装置（ともに図示省略）と、燃料電池装置１００を構成する各種構成部品および各種センサとが接続され、これらの各機能部をはじめとして、燃料電池装置１００の全体を制御および管理する。また、制御装置３０は、それに付属する記憶装置に記憶されているプログラムを取得して、このプログラムを実行することにより、燃料電池装置１００の各部に係る種々の機能を実現する。

制御装置３０から、他の機能部または装置に制御信号または各種の情報などを送信する場合、制御装置３０と他の機能部とは、有線または無線により接続されていればよい。

本実施形態において、制御装置３０は、燃料供給部１３および酸素含有ガス供給部１４の動作を制御して、運転に必要な量の燃料ガスと酸素含有ガスとを、燃料電池モジュール１に供給する。それにより、燃料電池モジュール１で発電した電力は、パワーコンディショナ２０を介して、外部負荷に供給される。

図３は、本開示の実施形態におけるシステムチェックを示す説明図である。制御装置３０は、燃料電池装置１００の運転の状況に応じて、異なるシステムチェックを実行する。制御装置３０は、特に、燃料電池装置１００の運転開始前および運転開始時において、補機２０の異常を検出し、補機２０の健全性を判定する複数のシステムチェックを実行可能である。これにより、燃料電池の運転状況によらず燃料電池装置の健全性を判定することができる。ひいては、確実なフェールセーフが実行される。

本実施形態において、システムチェックを実行し、健全性を判定する補機２０には、換気ファン７とラジエータファン８、燃料ポンプＢ１、ガス電磁弁Ａ１が含まれる。さらに制御装置３０には、換気ファン７およびラジエータファン８の異常を検出するために回転信号検出回路Ｃ１が設けられ、燃料ポンプＢ１の異常を検出するために給電判定回路Ｃ２が設けられ、ガス電磁弁Ａ１の異常を検出するためにアンサーバック回路Ｃ３が設けられている。また、燃料ポンプＢ１とガス電磁弁Ａ１にはインターロック回路Ｃ４が設けられている。なお、健全性を判定する補機２０は、燃料電池装置１００の構成により適宜追加しても構わない。

ここで、給電判定回路Ｃ２は、燃料ポンプＢ１の入出力と給電回路Ｃ５の給電状態から異常チェックを行う回路であり、アンサーバック回路Ｃ３は、制御装置３０からの制御信号に対するフィードバックを以って異常チェックを行う回路である。また、インターロック回路Ｃ４とは、予め設定されている条件が満たされない場合に、所定の動作をさせない、もしくは所定の動作を停止させる回路である。本実施形態におけるインターロック回路Ｃ４は、換気ファン７が駆動していない場合に、燃料ポンプＢ１とガス電磁弁Ａ１の動作を強制停止させる回路である。なお、インターロック回路Ｃ４により動作が強制停止される補機２０は燃料電池装置１００の構成により適宜追加することができるが、少なくとも燃料ポンプＢ１とガス電磁弁Ａ１を含む。

本実施形態において、制御装置３０は、燃料電池装置１００の運転開始前に通電開始を検出すると、補機２０の健全性を判定する第１システムチェックを実行する。第１システムチェックは、後記の通り、第１チェック、第２チェックおよび第３チェックの３つのステップを有する。なお、通電開始は、例えば、燃料電池装置１００のブレーカーのスイッチを入れることによって検出される。これにより、燃料電池装置１００の運転開始前に動作する補機の健全性を運転開始前に判定することができるため、燃料電池装置１００の設置から起動までに期間が空く場合でも確実なフェールセーフが実行される。

制御装置３０は、第１システムチェックが完了するまで燃料電池装置１００の起動を禁止する。ここで、「起動を禁止する」とは、作動させないこと、および、起動指示を受け付けないこと、の両方の意味を含む。これにより、燃料電池装置１００が健全性であることが判定された後に運転が開始されるため、燃料電池装置１００の安全性が向上する。なお、燃料電池装置１００の起動・運転開始とは、燃料電池モジュール１の起動・運転開始に伴う各種補機の動作を意味するものであり、燃料電池モジュール１の起動・運転開始を伴わない各種補機の動作は、燃料電池装置１００の起動・運転開始には含まれないものとする。

本実施形態において、制御装置３０は、燃料電池装置１００の運転開始時において、第１システムチェックとは異なる第２システムチェックを実行する。ここで、燃料電池装置１００は、例えば、燃料電池装置１００の運転開始ボタンを入れることで運転が開始される。

第２システムチェックは、第１システムチェックを構成する第１チェック、第２チェックおよび第３チェックの各ステップに加え、これらのステップによる健全性の判定の完了後、第４チェックを実行する。本実施形態においては、第１システムチェックおよび第２システムチェックが実行されるが、補機２０の健全性の判定のためのシステムチェックは２つに限らず、３つ以上のシステムチェックから構成されていてもよい。また、第２システムチェックは燃料電池装置１００の試運転開始時に実行してもよい。

図４は、本実施形態の制御装置３０が、燃料電池装置１００の運転開始前の通電時に実行する第１システムチェックのフローチャートである。図５は、制御装置３０が、燃料電池装置１００の運転開始時に実行する第２システムチェックのフローチャートである。

図４に示す通り、本実施形態における第１システムチェックにおいて、制御装置３０は、まず、第１チェック（Ｓ１）として、換気ファン７とラジエータファン８に回転指示を与えて動作確認を行うことで、換気ファン７とラジエータファン８および回転信号検出回路Ｃ１の健全性を判定する。次に、第２チェック（Ｓ２）として、燃料供給部１３を構成する燃料ポンプＢ１の給電回路Ｃ５で給電の切り替えを行い、給電判定回路Ｃ２の出力に基づいて、燃料ポンプＢ１と燃料ポンプＢ１の給電回路Ｃ５の健全性を判定する。さらに、第３チェック（Ｓ３）として、燃料供給部１３を構成するガス電磁弁Ａ１に開弁および閉弁指示を与えることで、ガス電磁弁Ａ１とアンサーバック回路Ｃ３の健全性を判定する。

運転開始前に燃料ガス供給系が健全な状態であるか判定されるため、燃料供給部１３の異常に起因する燃料ガスの漏洩を抑制することができる。また、予期せぬ燃料ガスの漏洩が発生した場合でも、換気ファン７とラジエータファン８により燃料ガスを燃料電池装置１００外へ排出することができ、燃料電池装置１００の安全性が向上する。

本実施形態において、燃料電池装置１００の運転開始前の補機２０の健全性を判定するための第１システムチェックは、上記のような第１チェック、第２チェックおよび第３チェックから構成されるが、第１システムチェックにおいて健全性を判定する補機２０としては、上記に限られず、その他の補機を含んでいてもよい。

図５に示す通り、本実施形態における第２システムチェックにおいて、制御装置３０は、第１システムチェックと同様に、第１チェック（Ｓ１）として、換気ファン７とラジエータファン８および回転信号検出回路Ｃ１の健全性を判定する。次に、第２チェック（Ｓ２）として、燃料供給部１３を構成する燃料ポンプＢ１の給電の切り替えを行うことで、燃料ポンプＢ１と燃料ポンプＢ１の給電回路Ｃ５の健全性を判定する。さらに、第３チェック（Ｓ３）として、ガス電磁弁Ａ１とアンサーバック回路Ｃ３の健全性を判定する。さらに、第２システムチェックにおいては、第４チェック（Ｓ４）として、燃料ポンプＢ１とガス電磁弁Ａ１の動作を強制停止させるインターロック回路Ｃ４の健全性を判定する。

これにより、燃料電池装置１００が正常の場合には作動せず、異常の場合に初めて作動する安全回路の健全性を前もって判定することができるため、異常時に安全回路を確実に作動することができ、燃料電池装置１００の安全性が向上する。

なお、第４チェックによる健全性の判定の対象となる安全回路は、インターロック回路に限られず、異常の検知と連動して補機２０の運転を強制停止させる回路であれば、どのようなものでもよい。本実施形態では、インターロック回路は換気ファン７の停止動作に連動しているが、さらに他の補機の停止動作と連動してもよい。

図６～図９は、それぞれ、第１チェック、第２チェック、第３チェックおよび第４チェックのフローチャートである。なお、各フローチャートにおいては、判定制御における「満たす（肯定）」を[Ｙｅｓ]で、「満たさない（否定）」を［Ｎｏ］で表している。また、フローチャートにおける補機の動作や、補機の正常また異常判定にはそれぞれ所定の時間が設定されているが図中では省略されている。

本実施形態の第１チェックにおいては、ラジエータファン８および換気ファン７、回転信号検出回路Ｃ１の健全性の判定が、次のような判定フローによって行われる。まず、制御装置３０は、ラジエータファン８に所定の回転数で駆動指示を与える〔Ｓ１１〕。次に、制御装置３０は、ラジエータファン８の回転の有無および回転数を回転信号検出回路Ｃ１により検知する〔Ｓ１２〕。ラジエータファン８の回転数指示に対して正常な回転数が検知されなかった場合、制御装置３０は、ラジエータファン８または回転信号検出回路に異常があると判定し、回転異常エラーを発報する〔Ｓ１６〕。ラジエータファン８の正常な回転数が測定された場合、制御装置３０は、ラジエータファン８に駆動停止指示を与える〔Ｓ１３〕。なお、ラジエータファン８に駆動停止指示に対してラジエータファン８の回転の有無および回転数を回転信号検出回路により検知して異常判定を行っても良い。

次に、制御装置３０は、換気ファン７に対する所定の回転数で駆動指示を与え〔Ｓ１４〕、換気ファン７の回転の有無および回転数を回転信号検出回路Ｃ１より検知する〔Ｓ１５〕。換気ファン７の回転数指示に対して正常な回転数が測定されなかった場合、制御装置３０は、換気ファン７または回転信号検出回路Ｃ１に異常があると判定し、回転異常エラーを発報する〔Ｓ１６〕。換気ファン７の正常な回転数が測定された場合、制御装置３０は、一連の判定フローを完了する。

本実施形態の第２チェックにおいては、燃料ポンプＢ１と燃料ポンプＢ１の給電回路Ｃ５の健全性の判定が、次のような判定フローによって行われる。なお、本実施形態の給電判定回路は、燃料ポンプＢ１に給電が行われている場合にロー信号を、燃料ポンプＢ１に給電が行われていない場合にハイ信号を制御装置３０に出力する構成になっている。

まず、制御装置３０は、燃料ポンプＢ１への給電を停止する〔Ｓ２１〕。次に、制御装置３０は、給電判定回路Ｃ２から出力された信号が正常であるか否かを判定する〔Ｓ２２〕。給電判定回路Ｃ２から出力された信号が異常（ロー信号）である場合、制御装置３０は、燃料ポンプＢ１または燃料ポンプＢ１の給電回路Ｃ５に異常があると判定し、給電回路異常エラーを発報する〔Ｓ２５〕。

給電判定回路Ｃ２から出力された信号が正常（ハイ信号）である場合、制御装置３０は、燃料ポンプＢ１への給電を開始する〔Ｓ２３〕。次に、制御装置３０は、給電判定回路Ｃ２から出力された信号が正常であるか否かを判定する〔Ｓ２４〕。給電判定回路Ｃ２から出力された信号が異常（ハイ信号）である場合、制御装置３０は、燃料ポンプＢ１または燃料ポンプＢ１の給電回路Ｃ５に異常があると判定し、給電回路異常エラーを発報する〔Ｓ２５〕。給電判定回路Ｃ２から出力された信号が正常（ロー信号）である場合、制御装置３０は、一連の判定フローを完了する。

本実施形態の第３チェックにおいては、ガス電磁弁Ａ１とアンサーバック回路Ｃ３の健全性の判定が、次のような判定フローによって行われる。なお、本実施形態のアンサーバック回路は、電磁弁に開弁している場合にロー信号を、閉弁している場合にハイ信号を制御装置３０に出力する構成になっている。

まず、制御装置３０は、ガス電磁弁Ａ１への給電を停止してガス電磁弁Ａ１を閉弁する〔Ｓ３１〕。次に、制御装置３０は、アンサーバック回路Ｃ３から出力された信号が正常であるか否かを判定する〔Ｓ３２〕。アンサーバック回路Ｃ３から出力された信号が異常（ロー信号）である場合、制御装置３０は、ガス電磁弁Ａ１またはアンサーバック回路Ｃ３に異常があると判定し、ガス電磁弁回路異常エラーを発報する〔Ｓ３６〕。

アンサーバック回路Ｃ３から出力された信号が正常（ハイ信号）である場合、制御装置３０は、ガス電磁弁Ａ１への給電を開始してガス電磁弁Ａ１を開弁する〔Ｓ３３〕。次に、制御装置３０は、アンサーバック回路Ｃ３から出力された信号が正常であるか否かを判定する〔Ｓ３４〕。アンサーバック回路Ｃ３から出力された信号が異常（ハイ信号）である場合、制御装置３０は、ガス電磁弁Ａ１またはアンサーバック回路Ｃ３に異常があると判定し、ガス電磁弁回路異常エラーを発報する〔Ｓ３６〕。アンサーバック回路Ｃ３から出力された信号が正常（ロー信号）である場合、制御装置３０は、ガス電磁弁Ａ１への給電を停止してガス電磁弁Ａ１を閉弁して〔Ｓ３５〕、一連の判定フローを完了する。

本実施形態の第４チェックにおいては、換気ファン７の停止動作に連動して、燃料ポンプＢ１とガス電磁弁Ａ１への給電を強制遮断するインターロック回路Ｃ４の健全性の確認が、次のような判定フローによって行われる。なお、本実施形態のインターロック回路Ｃ４は、換気ファン７が駆動している場合にハイ信号を制御装置３０に出力する。また、換気ファン７が停止している場合にロー信号を制御装置３０に出力し、燃料ポンプＢ１とガス電磁弁Ａ１への給電が行われている時には給電を強制遮断する構成になっている。

まず、制御装置３０は、換気ファン７が作動した状態で、インターロック回路Ｃ４から出力された信号が正常であるか否かを判定する〔Ｓ４１〕。インターロック回路Ｃ４からの出力信号が異常（ロー信号）であれば、インターロック回路に異常があると判定し、インターロック回路異常エラーを発報する〔Ｓ４５〕。インターロック回路Ｃ４からの出力信号が正常（ハイ信号）であれば、換気ファン７を停止させる〔Ｓ４２〕。

次に、制御装置３０は、換気ファン７が停止した状態で、インターロック回路Ｃ４から出力された信号が正常であるか否かを判定する〔Ｓ４３〕。インターロック回路Ｃ４は換気ファン７と連動しているため、換気ファン７を停止させた場合、出力信号が切り替わる。

信号が切り替わらずにインターロック回路Ｃ４からの出力信号が異常（ハイ信号）であれば、インターロック回路に異常があると判定し、インターロック回路異常エラーを発報する〔Ｓ４５〕。信号が切り替わりインターロック回路Ｃ４からの出力信号が正常（ロー信号）であれば、次に、制御装置３０は、燃料ポンプＢ１から出力された信号が正常であるか否かを判定する〔Ｓ４４〕。

ここで、前述の通り、給電判定回路Ｃ２は給電が行われている場合にロー信号を、給電が行われていない場合にハイ信号を制御装置３０に出力する構成になっている。つまり、ステップ３で換気ファン７が停止し、燃料ガスポンプＢ１の給電が強制遮断されているため、給電判定回路Ｃ２からはハイ信号が出力される。

制御装置３０は、給電判定回路Ｃ２から出力された信号が異常（ロー信号）である場合、燃料ポンプＢ１または燃料ポンプＢ１の給電回路Ｃ５、インターロック回路Ｃ４に異常があると判定し、インターロック回路異常エラーを発報する〔Ｓ４５〕。給電判定回路Ｃ２から出力された信号が正常（ハイ信号）である場合、一連のフローを完了する。

本発明の燃料電池装置１００によれば、燃料電池装置１００の運転開始前に、通電開始を検出すると、補機２０の健全性の判定が実行できるとともに、燃料電池装置１００の運転開始時においても、補機２０を強制停止するための安全回路の健全性を判定することができる。

１ 燃料電池モジュール
７ 換気ファン
８ ラジエータファン
１１ セルスタック
１２ 改質器
１３ 燃料供給部
１４ 酸素含有ガス供給部
２０ 補機
３０ 制御装置
１００ 燃料電池装置
Ａ１ ガス電磁弁
Ｂ１ 燃料ポンプ

Claims (5)

1. 燃料ガスと酸素含有ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池の運転に使用される補機と、
   制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記補機の健全性を判定する複数のシステムチェックを実行可能であり、運転の状況に応じて、異なるシステムチェックを実行し、
   運転開始前に通電開始を検出すると、前記補機の健全性を判定する第１システムチェックを実行するとともに、
   前記第１システムチェックは、燃料ポンプの電源回路、ガス電磁弁の電源回路および換気ファンの健全性を判定する燃料電池装置。
2. 前記第１システムチェックが完了するまで起動を禁止する請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記制御装置は、運転開始時において、前記第１システムチェックとは異なる第２システムチェックを実行する請求項１または２に記載の燃料電池装置。
4. 前記補機を強制停止させる安全回路を備え、
   前記制御装置は、前記安全回路の健全性の判定を含む前記第２システムチェックを実行する請求項３に記載の燃料電池装置。
5. 燃料ガスと酸素含有ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池の運転に使用される補機と、
   制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記補機の健全性を判定する複数のシステムチェックを実行可能であり、
   運転開始前に通電開始を検出すると、前記補機の健全性を判定する第１システムチェックを実行し、
   運転開始時において、前記第１システムチェックとは異なる、前記補機を強制停止させる安全回路の健全性の判定を含む第２システムチェックを実行する、燃料電池装置。