JP7450514B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

例えばエネファーム（登録商標）と称される燃料電池システムは、発電モジュールを有する。一般に、発電モジュールは、改質水を蒸発させて水蒸気を生成する気化器と、水蒸気及び原燃料ガスの混合ガスを燃料ガスに改質する改質器と、燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池とを備える。気化器には、改質水供給部から改質水が供給される。改質水供給部は、気化器に供給する改質水を浄化するためのイオン交換樹脂を有する。

イオン交換樹脂は、消耗品であり、定期的な交換が必要とされる。そこで、燃料電池システムの設置年数が規定年数に達した場合に、イオン交換樹脂の交換を促す報知を行う燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開２０１４－１０７２１５号公報 特開２０１２－２１２６６０号公報

ところで、燃料電池システムは、現場に設置され、試運転が行われた後、実運転が開始されるまで長期間保管される場合がある。燃料電池システムの保管時には、燃料電池が発電していなくても、複数の補機が通電される場合がある。このとき、ガス漏れを検知するガスセンサも一緒に通電されると、ガスセンサが徐々に劣化する。このため、燃料電池システムの保管時にガスセンサが通電されたままであると、ガスセンサの寿命が短くなる虞がある。

そこで、燃料電池システムへの電源供給を停止し、燃料電池システムを水抜きした状態で長期間保管する運用が考えられる。

しかしながら、イオン交換樹脂を有する改質水供給部が水抜きされると、イオン交換樹脂が乾燥する。イオン交換樹脂は、乾燥により劣化が加速する傾向にある。したがって、燃料電池システムを水抜きした状態で長期間保管した場合でも、イオン交換樹脂の劣化を考慮して、燃料電池システムを適切に継続運転できるようにすることが望まれる。

本発明は、イオン交換樹脂の劣化を考慮して、適切に継続運転できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、改質水を蒸発させて水蒸気を生成する気化器と、前記水蒸気及び原燃料ガスの混合ガスを燃料ガスに改質する改質器と、前記燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、イオン交換樹脂を有し、前記気化器に前記改質水を供給する改質水供給部と、前記イオン交換樹脂の乾燥度に関する値を検出する乾燥度センサと、前記燃料電池が発電を停止し前記改質水供給部が水抜きされた状態から、前記改質水供給部への水張りを含む前記燃料電池の発電起動指令を受けた場合に、前記乾燥度センサによって検出された値が閾値以下であるときには、エラーを報知する制御を行う制御部と、を備える。

本発明の燃料電池システムによれば、制御装置は、燃料電池が発電を停止し改質水供給部が水抜きされた状態から、改質水供給部への水張りを含む燃料電池の発電起動指令を受けた場合に、乾燥度センサによって検出された値が閾値以下であるときには、エラーを報知する制御を行う。したがって、燃料電池システムを水抜きした状態で長期間保管した場合でも、イオン交換樹脂を交換することにより、又は交換せずに発電起動した場合でも早めにイオン交換樹脂を交換することにより、イオン交換樹脂の劣化を考慮して、燃料電池システムを適切に継続運転できる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの全体構成の概略を示すブロック図である。 図１に示される制御装置及びリモコンの接続構成を示すブロック図である。 図１に示される制御装置の処理の流れの一例を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０の全体構成の概略を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０は、例えばエネファーム（登録商標）と称される発電システムであり、燃料電池ユニット１２と、リモートコントローラ１２０とを備える。

通常、燃料電池ユニット１２は、ユーザの建物の外に設置され、リモートコントローラ１２０は、ユーザの建物の中に設置される。以降、リモートコントローラ１２０をリモコン１２０と略称する。

燃料電池ユニット１２は、原燃料ガス供給装置２０と、酸化剤ガス供給装置３０と、改質水供給装置４０と、発電モジュール５０と、排熱回収装置６０と、貯湯タンク７０とを備える。

原燃料ガス供給装置２０は、発電モジュール５０に原燃料ガスを供給する装置である。原燃料ガスは、例えば、都市ガスやＬＰガス等である。原燃料ガス供給装置２０は、原燃料ガス供給管２１と、ガス弁２２と、脱硫器２３と、圧力センサ２４と、流量センサ２５と、原燃料ガスポンプ２６とを備える。

原燃料ガス供給管２１は、発電モジュール５０の気化器５２に接続されている。原燃料ガス供給管２１には、ガス弁２２、脱硫器２３、圧力センサ２４、流量センサ２５及び原燃料ガスポンプ２６が設けられている。

ガス弁２２は、例えば電磁弁であり、原燃料ガス供給管２１を開通する開弁状態と、原燃料ガス供給管２１を閉止する閉弁状態とを取り得る構成である。脱硫器２３は、原燃料ガス供給管２１を流れる原燃料ガスに含まれる硫黄分を除去し、圧力センサ２４は、原燃料ガス供給管２１内の原燃料ガスの圧力を検出する。流量センサ２５は、原燃料ガス供給管２１を流れる原燃料ガスの流量を検出し、原燃料ガスポンプ２６は、原燃料ガス供給管２１を通じて原燃料ガスを気化器５２へ供給する。

酸化剤ガス供給装置３０は、発電モジュール５０に酸化剤ガスを供給する装置である。酸化剤ガス供給装置３０は、酸化剤ガス供給管３１と、エアフィルタ３２と、流量センサ３３と、ブロワ３４とを備える。

エアフィルタ３２は、後述する燃料電池ユニット１２の筐体８０に形成された酸化剤ガス取入口８１に設けられている。酸化剤ガス供給管３１は、酸化剤ガス取入口８１と後述する発電モジュール５０の燃料電池５４とを接続している。酸化剤ガス供給管３１には、流量センサ３３及びブロワ３４が設けられている。

流量センサ３３は、酸化剤ガス供給管３１を流れる酸化剤ガスの流量を検出し、ブロワ３４は、酸化剤ガス供給管３１を通じて酸化剤ガスを燃料電池５４へ供給する。

改質水供給装置４０は、「改質水供給部」の一例であり、後述する発電モジュール５０の気化器５２に改質水を供給する装置である。改質水供給装置４０は、改質水供給管４１と、改質水タンク４２と、イオン交換樹脂４３と、改質水ポンプ４４と、改質水水抜き栓４５と、乾燥度センサ４６とを備える。改質水供給管４１は、改質水タンク４２と後述する発電モジュール５０の気化器５２とを接続している。改質水供給管４１には、イオン交換樹脂４３及び改質水ポンプ４４が設けられている。

改質水タンク４２には、後述する排熱回収装置６０の熱交換器６３で凝縮された凝縮水が改質水として貯留される。イオン交換樹脂４３は、改質水供給管４１を流れる改質水の不純物を除去し、改質水ポンプ４４は、改質水供給管４１を通じて改質水を気化器５２に供給する。

改質水水抜き栓４５は、一例として、改質水タンク４２とイオン交換樹脂４３との間に設けられている。改質水水抜き栓４５は、例えば、電磁弁である。改質水水抜き栓４５が開栓されると、改質水供給管４１、改質水タンク４２、イオン交換樹脂４３及び改質水ポンプ４４の内部の水が改質水水抜き栓４５から排出され、改質水供給装置４０が水抜きされる。

乾燥度センサ４６は、イオン交換樹脂４３の乾燥度に関する値を検出する。乾燥度センサ４６は、イオン交換樹脂４３の乾燥度に関する値を検出し得るものであればどのようなものでもよい。乾燥度センサ４６には、例えば、水分センサや電導度センタ等が用いられる。乾燥度センサ４６に水分センサが用いられた場合、イオン交換樹脂４３の乾燥度に関する値は、例えば、水分量であり、乾燥度センサ４６に電導度センサが用いられた場合、イオン交換樹脂４３の乾燥度に関する値は、例えば、導電率である。

発電モジュール５０は、モジュールケース５１と、気化器５２と、改質器５３と、燃料電池５４（燃料電池セルスタック）とを備える。気化器５２、改質器５３及び燃料電池５４は、断熱材によって形成されたモジュールケース５１に収容されている。

気化器５２は、改質水及び原燃料ガスの供給を受け、この改質水及び原燃料ガスを加熱し、改質水を蒸発させて水蒸気を生成すると共に原燃料ガスを予熱する。改質器５３は、気化器５２から水蒸気及び予熱された原燃料ガスの供給を受け、水蒸気及び原燃料ガスの混合ガスを燃料ガスに改質する。

燃料電池５４は、改質器５３から燃料ガスの供給を受けると共に、酸化剤ガス供給装置３０から酸化剤ガスの供給を受け、燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電する。また、燃料電池５４は、発電に伴い発熱する。

排熱回収装置６０は、燃料電池５４の発電に伴って発生する熱を回収する装置であり、往路管６１と、復路管６２と、熱交換器６３と、循環ポンプ６４とを備える。熱交換器６３と貯湯タンク７０は、往路管６１及び復路管６２によって接続されており、往路管６１には、循環ポンプ６４が設けられている。

貯湯タンク７０に供給された水は、往路管６１を通じて熱交換器６３に供給され、熱交換器６３では、燃料電池５４から排出された排気ガスにより水が加熱されて湯が生成される。この湯は、復路管６２を通じて貯湯タンク７０に供給される。貯湯タンク７０に供給された湯は、貯湯タンク７０に貯留され、貯湯タンク７０に貯留された湯は、給湯に利用される。燃料電池５４から熱交換器６３に供給された排気ガスは、筐体８０の外部に排出される。

燃料電池ユニット１２は、上記構成に加え、筐体８０を備える。上述の原燃料ガス供給装置２０、酸化剤ガス供給装置３０、改質水供給装置４０、発電モジュール５０、排熱回収装置６０及び貯湯タンク７０は、筐体８０に収容されている。筐体８０には、換気口８２が設けられており、この換気口８２には、換気フィルタ８３が設けられている。

また、燃料電池ユニット１２は、ガスセンサ９０と、外気温センサ９１と、操作基板９２と、表示パネル９３と、パワーコンディショナ９４と、電源基板９５と、制御装置１００とを備える。ガスセンサ９０、外気温センサ９１、操作基板９２、表示パネル９３及びパワーコンディショナ９４は、制御装置１００と電気的に接続されている。また、リモコン１２０及び制御装置１００は、熱源機２００と通信可能に接続されている。

ガスセンサ９０は、例えば、筐体８０の内部に設けられている。このガスセンサ９０は、原燃料ガスの漏れを検知する。すなわち、ガスセンサ９０は、原燃料ガスを検知した場合には、ガス検知信号を出力する構成とされている。

外気温センサ９１は、外気温を検出し、外気温に応じた信号を出力する。操作基板９２は、制御装置１００と有線又は無線により通信可能に接続されており、操作者の操作に応じた操作信号を制御装置１００に出力する。表示パネル９３は、制御装置１００から出力された表示信号に応じた表示を行う。

パワーコンディショナ９４は、燃料電池５４の出力端子と商用電源１１０から負荷１１１への交流電力ライン１１２との間に接続されている。以降、パワーコンディショナ９４をパワコン９４と略称する。パワコン９４は、燃料電池５４からの直流電力を交流電力に変換し商用電源１１０からの交流電力に付加する。

電源基板９５は、パワコン９４から分岐した直流電力ライン１１３に接続されている。この電源基板９５は、上述のガス弁２２、圧力センサ２４、流量センサ２５、原燃料ガスポンプ２６、流量センサ３３、ブロワ３４、改質水ポンプ４４及び循環ポンプ６４等の複数の補機や制御装置１００等に直流電力を供給する。

上述のガス弁２２、圧力センサ２４、流量センサ２５、原燃料ガスポンプ２６、流量センサ３３、ブロワ３４、改質水ポンプ４４、乾燥度センサ４６及び循環ポンプ６４は、制御装置１００に電気的に接続されている。制御装置１００は、ガス弁２２、原燃料ガスポンプ２６、ブロワ３４、改質水ポンプ４４及び循環ポンプ６４等の複数の補機を制御することにより、燃料電池システム１０全体の動作を制御する。

図２は、図１に示される制御装置１００及びリモコン１２０の接続構成を示すブロック図である。制御装置１００は、「制御部」の一例であり、コンピュータによって構成されている。この制御装置１００は、ハードウェア構成として、プロセッサ１０１と、メモリ１０２とを有する。プロセッサ１０１は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等によって構成される。メモリ１０２は、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及びストレージ等によって構成される。

ＲＯＭは、各種プログラム及び各種データを格納する。ＲＡＭは、作業領域として一時的にプログラム又はデータを記憶する。ストレージは、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）又はＳＳＤ（Solid State Drive）等により構成され、オペレーティングシステムを含む各種プログラムや各種データを格納する。

ＲＯＭ又はストレージには、燃料電池システム１０全体の動作を制御するためのプログラム１０３が格納されている。プロセッサ１０１は、プログラム１０３を読み出し、ＲＡＭを作業領域としてプログラム１０３を実行する。

リモコン１２０は、制御装置１００と通信可能に接続されている。このリモコン１２０は、ハードウェア構成として、プロセッサ１２１と、メモリ１２２と、表示器１２４とを有する。プロセッサ１２１は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等によって構成される。メモリ１２２は、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及びストレージ等によって構成される。

表示器１２４は、例えば、タッチパネルである。ＲＯＭ又はストレージには、表示器１２４の入力情報を制御装置に出力したり表示器１２４の表示を制御したりするためのプログラム１２３が格納されている。燃料電池システム１０の全体構成の概略は以上の通りである。

ところで、上記構成の燃料電池システム１０は、現場に設置され、試運転が行われた後、実運転が開始されるまで長期間保管される場合がある。燃料電池システム１０の保管時には、燃料電池５４が発電していなくても、複数の補機が通電される場合がある。このとき、ガス漏れを検知するガスセンサ９０も一緒に通電されると、ガスセンサ９０が徐々に劣化する。このため、燃料電池システム１０の保管時にガスセンサ９０が通電されたままであると、ガスセンサ９０の寿命が短くなる虞がある。

そこで、燃料電池システム１０への電源供給を停止し、燃料電池システム１０を水抜きした状態で長期間保管する運用が考えられる。

しかしながら、イオン交換樹脂４３を有する改質水供給装置４０が水抜きされると、イオン交換樹脂４３が乾燥する。イオン交換樹脂４３は、乾燥により劣化が加速する傾向にある。したがって、燃料電池システム１０を水抜きした状態で長期間保管した場合でも、イオン交換樹脂４３の劣化を考慮して、燃料電池システム１０を適切に継続運転できるようにすることが望まれる。そこで、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、例えば、次のように動作する。

以下、本実施形態に係る燃料電池システム１０の動作例について説明する。

図３は、図１に示される制御装置１００の処理の流れの一例を示すフローチャートである。燃料電池５４が発電を停止し改質水供給装置４０が水抜きされた状態から、改質水供給装置４０への水張りを含む燃料電池５４の発電起動指令がリモコン１２０に入力され、制御装置１００が発電起動指令を受けると、制御装置１００は、図３に示されるステップＳ１～ステップＳ７を実行する。

ステップＳ１では、制御装置１００が、乾燥度センサ４６によって検出されたイオン交換樹脂４３の乾燥度に関する値を取得する。このイオン交換樹脂４３の乾燥度に関する値は、改質水供給装置４０への水張りを含む燃料電池５４の発電起動指令を制御装置１００が受けた直後に、乾燥度センサ４６で検出された値である。乾燥度センサ４６は、イオン交換樹脂４３の乾燥度に関する値を常時検出していてもよく、発電起動指令を制御装置１００が受けた場合に、制御装置１００によって起動されることでイオン交換樹脂４３の乾燥度に関する値を検出してもよい。

ステップＳ２では、制御装置１００が、乾燥度センサ４６によって検出された値が閾値以下であるか否かを判断する。閾値は、イオン交換樹脂４３が乾燥して使用不可であるとして予め定められた規定値である。乾燥度センサ４６によって検出された値が閾値を上回っている場合（ステップＳ２：Ｎｏ）、制御装置１００はステップＳ７に移行し、乾燥度センサ４６によって検出された値が閾値以下である場合（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、制御装置１００はステップＳ３に移行する。

ステップＳ３では、制御装置１００が、エラーを報知する制御を行う。具体的には、制御装置１００は、イオン交換樹脂４３の破化をリモコン１２０に表示させる制御を行う。これにより、作業員等にイオン交換樹脂４３の破化を知らせることができる。

このステップＳ３において、制御装置１００は、エラーを報知する制御を行うと共に、燃料電池５４の発電起動を不可とする制御を行い、後述するステップＳ４でイオン交換樹脂４３が交換されるまで燃料電池５４の発電起動を不可とする制御を行う。つまり、制御装置１００は、エラー発報を即時エラーとし、イオン交換樹脂４３の交換を実施しないと、燃料電池５４の発電起動を受け付けない制御を行う。

ステップＳ４では、制御装置１００が、イオン交換樹脂４３が交換済みであるか否かを判断する。このとき、制御装置１００は、例えば、リモコン１２０にイオン交換樹脂４３が交換済みである旨が入力されたか否かに基づいて、イオン交換樹脂４３が交換済みであるか否かを判断する。イオン交換樹脂４３が交換済みでない場合（ステップＳ４：Ｎｏ）、制御装置１００はステップＳ５に移行する。

ステップＳ５では、制御装置１００が、イオン交換樹脂４３の交換が必要である旨のメッセージをリモコン１２０に表示させる制御を行う。これにより、作業員等にイオン交換樹脂４３の交換が必要であることを知らせることができる。

制御装置１００は、リモコン１２０にイオン交換樹脂４３が交換済みである旨が入力されるまで、イオン交換樹脂４３の破化をリモコン１２０に表示させる。そして、イオン交換樹脂４３が交換され、イオン交換樹脂４３が交換済みである旨がリモコン１２０に入力されると、制御装置１００はステップＳ６に移行する。

ステップＳ６では、制御装置１００が、エラーを解除する制御を行う。具体的には、制御装置１００は、リモコン１２０に表示されていたイオン交換樹脂４３の破化の表示及びイオン交換樹脂４３の交換が必要である旨のメッセージの表示を停止させる制御を行う。その後、制御装置１００はステップＳ７に移行する。

ステップＳ７では、制御装置１００が、改質水供給装置４０への水張りを含む燃料電池５４の発電起動を実行する制御を行う。

このように、本実施形態に係る燃料電池システム１０において、制御装置１００は、燃料電池５４が発電を停止し改質水供給装置４０が水抜きされた状態から、改質水供給装置４０への水張りを含む燃料電池５４の発電起動指令を受けた場合に、乾燥度センサ４６によって検出された値が閾値以下である場合には、エラーを報知する制御を行う。したがって、燃料電池システム１０を水抜きした状態で長期間保管した場合でも、イオン交換樹脂４３を交換することにより、イオン交換樹脂４３の劣化を考慮して、燃料電池システム１０を適切に継続運転できる。

また、制御装置１００は、乾燥度センサ４６によって検出された値が閾値以下である場合に、エラーを報知すると共に、燃料電池５４の発電起動を不可とする制御を行う。したがって、乾燥したイオン交換樹脂４３を用いて燃料電池システム１０の運転が継続されることを防止できる。

また、制御装置１００は、イオン交換樹脂４３が交換されるまで燃料電池５４の発電起動を不可とする制御を行う。したがって、燃料電池５４の発電起動前にイオン交換樹脂４３の交換を促すことができる。

なお、上述のステップＳ５において、制御装置１００は、エラーを報知する制御を行うと共に、改質水供給装置４０への水張りを含む燃料電池５４の発電起動を実行してもよい。つまり、制御装置１００は、エラー発報をあくまでもお知らせ表示とし、燃料電池５４の発電起動を最低１回許容してもよい。この場合には、例えば、イオン交換樹脂４３を交換しなくても、リモコン１２０にイオン交換樹脂４３が交換済みである旨が入力されることで、エラーを解除できる。

このようにイオン交換樹脂４３を交換せずに発電起動した場合でも早めにイオン交換樹脂４３を交換することにより、イオン交換樹脂４３の劣化を考慮して、燃料電池システム１０を適切に継続運転できる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

１０…燃料電池システム、１２…燃料電池ユニット、２０…原燃料ガス供給装置、２１…原燃料ガス供給管、２２…ガス弁、２３…脱硫器、２４…圧力センサ、２５…流量センサ、２６…原燃料ガスポンプ、３０…酸化剤ガス供給装置、３１…酸化剤ガス供給管、３２…エアフィルタ、３３…流量センサ、３４…ブロワ、４０…改質水供給装置（改質水供給部の一例）、４１…改質水供給管、４２…改質水タンク、４３…イオン交換樹脂、４４…改質水ポンプ、４５…改質水水抜き栓、４６…乾燥度センサ、５０…発電モジュール、５１…モジュールケース、５２…気化器、５３…改質器、５４…燃料電池、６０…排熱回収装置、６１…往路管、６２…復路管、６３…熱交換器、６４…循環ポンプ、７０…貯湯タンク、８０…筐体、８１…酸化剤ガス取入口、８２…換気口、８３…換気フィルタ、９０…ガスセンサ、９１…外気温センサ、９２…操作基板、９３…表示パネル、９４…パワーコンディショナ（パワコン）、９５…電源基板、１００…制御装置（制御部の一例）、１０１…プロセッサ、１０２…メモリ、１０３…プログラム、１１０…商用電源、１１１…負荷、１１２…交流電力ライン、１１３…直流電力ライン、１２０…リモートコントローラ（リモコン）、１２１…プロセッサ、１２２…メモリ、１２３…プログラム、１２４…表示器、２００…熱源機

Claims (3)

1. 改質水を蒸発させて水蒸気を生成する気化器と、
   前記水蒸気及び原燃料ガスの混合ガスを燃料ガスに改質する改質器と、
   前記燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   イオン交換樹脂を有し、前記気化器に前記改質水を供給する改質水供給部と、
   前記イオン交換樹脂の乾燥度に関する値を検出する乾燥度センサと、
   前記燃料電池が発電を停止し前記改質水供給部が水抜きされた状態から、前記改質水供給部への水張りを含む前記燃料電池の発電起動指令を受けた場合に、前記乾燥度センサによって検出された値が閾値以下であるときには、エラーを報知する制御を行う制御部と、
   を備える燃料電池システム。
2. 前記制御部は、前記乾燥度センサによって検出された値が閾値以下である場合に、エラーを報知すると共に、前記燃料電池の発電起動を不可とする制御を行う、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御部は、前記イオン交換樹脂が交換されるまで前記燃料電池の発電起動を不可とする制御を行う、
   請求項２に記載の燃料電池システム。