JPH03250564A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、作動流体ライン各部の圧力を監視して、運転
者に異常箇所を知らせるように構成した燃料電池発電シ
ステムに関するものである。

（従来の技術） 近年実用化が進んでいる燃料電池発電システムは、水素
等の燃料の有しているエネルギーを、燃料電池内で生じ
る電気化学的反応により直接電気エネルギーに変換する
ので、上記燃料と空気等の酸化剤が燃料電池に供給され
ている限り、高い変換効率で電気エネルギーを取出すこ
とができる利点を有している。

この種の燃料電池発電システムにおいては、燃料電池用
の燃料としての水素ガスを、メタン等の炭化水素系原料
ガスを水蒸気改質して生成させるため、燃料改質系を備
えることが多い。このような燃料改質系に使用される改
質器（リフオーマ）は、内部に改質反応触媒層が設けら
れた改質反応管を備え、その内側に原料ガス及び水蒸気
の混合ガスを導入し、かつ上記改質管の外側を燃焼室で
得られた高温加熱ガスを通過させることによって上記原
料ガスを水素リッチな改質ガスに改質し、さらに−酸化
炭素変成器を経由させることにより、より水素濃度の高
い改質ガスとした上で、燃料電池へ供給している。

第８図は、このような燃料電池システムの構成例を示す
ものである。図において、燃料電池本体１はカソード１
ａとアノード１ｂとを備えている。

この燃料電池本体１のアノード１ｂには、燃料が供給さ
れるものであるが、この燃料は、原燃料供給管２上に設
けられた原燃料流量制御弁３を経て、改質器４に送られ
、更に一酸化炭素変成器５を介して水素リッチな燃料に
改質されてアノード１ｂに供給される。このアノード１
ｂを出た排ガスは、アノード排ガス管６を介して改質器
４のバーナに送られ、改質器４の加熱燃焼用として使用
される。

一方、燃料電池本体ｌのカソード１ａには、空気導入ラ
イン７が接続され、この空気導入う・イン７上に設けら
れたブロア８により、空気がカソード１ａに供給される
。このカソード１ａからの排ガス管９と前記改質器４の
排ガス管１０とは、共にシステム外部に延長され、廃棄
処理される。更に燃料電池本体１にはその冷却管１１が
設けられ、この冷却管１１に水供給装置１２から冷却水
循環ポンプ１３によって冷却水が送り込まれる。冷却管
１１からの水蒸気を伴う冷却水は、電池冷却管出口側配
管１４を経てスチームセパレータ１５に送られ、ここで
分離された水蒸気は改質用スチーム導入管１６を経て改
質器４に送られ、改質器４において原燃料と接触してこ
れを水素リッチな燃料に改質するために使用され、一方
凝縮した水は冷却水循環ポンプ１３により再び燃料電池
本体１の冷却管１１に送られ燃料電池を冷却する。

この種の燃料電池システムにおいて、運転中に何等かの
異常が発生した場合、予め定めた判定基準に従って自動
的にシャットダウンさせるものが知られている。その際
、運転者は、そのシャットダウンの直接原因となったも
のを、システムの警報装置や監視装置からのメツセージ
により知り、記録計等に残された運転状況やデータから
シャットダウンの原因を推測し、再起動後において同様
なトラブルを繰り返さないように対策を立てることにな
る。燃料電池発電システムの場合、例えば、電池本体の
電圧が下がりすぎたという原因でシャットダウンしたと
すれば、そこに至った原因は、燃料が少なすぎたか、空
気が少なすぎたか、電池内部のクロスオーバーなどのト
ラブルか、などの推測を行う。そして、燃料が少なかっ
たとすれば、それはどこかの箇所が目詰まりしたためで
あるとか、漏洩したためであるとかの判断を下し、或い
はそれらの原因を特定するための確認操作を行って知見
を得て、その後、部品の交換、清掃などの対策を実行し
、次の運転に取り掛かっていた。

（発明が解決しようとする課題） ところで、燃料電池発電システムのように複雑な構成の
システムになると、上記のように様々な原因で生じるシ
ャットダウンの原因を迅速に割り出すことは必ずしも容
易ではなく、集積データの分析作業や原因を知るための
確認操作などを間に入れてようやく判明することが多い
。従って、トラブルによってシステムが自動的にシャッ
トダウンした後、再起動に取り掛かるまでには、原因探
求作業として少なからぬ時間を要し、システムの稼働率
を悪くすることが懸念されていた。

このような燃料電池発電システムにおけるトラブル原因
究明の基本的事項は、作動流体が目標通り流れているか
否かである。例えば、前記の如く電池本体の電圧にトラ
ブルがあった場合には燃料または空気の流量不足が、改
質器の温度が高すぎた場合にはバーナに流入する燃料の
流量超過の有無が、蒸気発生器の水位が低すぎる場合に
は作動水の正確な補給や漏れ或いは閉塞の有無などが問
題となる。従って、システム各部の流量を常時把握して
、そこに異常があるか否かを判定する方法が考えられる
。

従来、この種のシステムにおいて流量を測定、計測する
ためには、流路中にオリフィスを入れ、その前後の圧力
差を測定するか、流路の一部にフロート式の流量計を挿
入する手段が考えられていたが、このような従来技術で
は、流路の圧力損失が増大すると共に必要な直管部を確
保するために管路が長くなり、システムの小形化を阻害
すると共に、多数の流量計を設置することはシステムの
複雑化にも繋がるという欠点があった。

本発明は、以上のような従来技術の問題点を解決するた
めに提案されたもので、その目的は、流量計のような複
雑な手段を使用することなく、シャットダウンの原因探
索を迅速かつ容易に行うことができ、以てシステムの再
起動のための対策に要する時間を短縮してシステムの稼
働率を向上させると共に、異常の徴候を事前に把握可能
として運転保守担当者の負担を軽減した燃料電池発電シ
ステムを提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 前記の目的を達成するために、本発明の燃料電池発電シ
ステムは、流量分布と密接な関係にある圧力のみに着目
してこれを監視するもので、圧力検出装置とこの検出装
置によって検出された圧力信号を出力する発信装置とを
システムの作動流体の管路上の複数箇所に設置し、この
各発信装置からの複数の圧力信号を、予めシステムの運
転状態に対応した前記各圧力検出装置設置箇所の標準圧
力値を設定しておいた演算装置に導き、各箇所の標準圧
力値と現実に検出された各箇所の圧力信号とを比較して
、各圧力検出装置によって挾まれた管路区間における作
動流体の流動状態の異常を特定し、この演算装置からの
情報を監視装置に出力するように構成したものである。

（作用） 以上のような構成を有する本発明によれば、ある特定の
管路区間で管路の閉塞が生じていると、閉塞部の管路上
流に位置する圧力検出装置の検出圧力値が、演算装置に
記憶されているその箇所の標準圧力値より高くなり、一
方、閉塞部の管路下流に位置する圧力検出装置の検出圧
力値が、その箇所の標準圧力値よりも低くなる。そこで
、この標準圧力値と検出圧力値の差が判定値よりも大き
くなった場合には、その管路区間に閉塞かあったと判定
して、演算装置から監視装置にその結果を出力する。

また、管路の特定の区間で作動流体の漏洩があった場合
には、その管路の最上流と最下流の検出圧力値を除く他
の箇所の検出圧力値がそれぞれの箇所の標準圧力値より
も低く、かつ漏洩区間の直ぐ下流の圧力検出装置による
検出圧力値の標準圧力値からの偏差が、他の箇所におけ
る検出圧力値と標準圧力値との偏差よりも大きいので、
その区間で漏洩が生じたと判定して、監視装置にその結
果を出力できる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を第１図乃至第７図に基づいて
具体的に説明する。なお、第８図に示した従来技術と同
一の部材は、同一符号を付して説明を省略する。

本実施例においては、第１図に示したように、空気プロ
セスラインＡ１燃料プロセスラインＢ１冷却水ラインＣ
１燃焼排ガスラインＤのそれぞれの複数箇所に一定の間
隔で、空気プロセスライン圧力検出装置Ａ１〜Ａ３、燃
料プロセスライン圧力検出装置Ｂ１〜Ｂ７、冷却水ライ
ン圧力検出装置０１〜Ｃ９、燃焼排ガス圧力検出装置Ｄ
１〜Ｄ２が設けられている。これらの圧力検出装置は、
各ラインの管路の一定長ごとに設けられるのみならず、
各ラインに設けられた種々の機器を挟んで設けられてい
る。また、各圧力検出装置は、図示しないが、それぞれ
検出圧力信号を出力する発信装置を備えており、これら
発信装置か、プロセス入出力装置２０を介して、機器外
部に設置された演算装置２１に接続されている。

この演算装置２１は補助メモリ２２を備えており、この
補助メモリ２２に、各圧力検出装置における正常運転時
の圧力値である標準圧力値ＳＡｌ〜ＳＡ４．　　ＳＢ＋
〜ＳＢ□、　　ＳＣＩ〜ＳＣ５（第２図乃至第４図参照
）が、−例として第５図（Ａ）〜（Ｃ）に示すような電
気出力レベルＰｗの関数ＳＡＩ＝ｆＡ１（Ｐｗ）、５Ａ
２＝ｆＡ□（Ｐｗ）、−−・・・、５Ｃ５＝ｆｃｔ（Ｐ
Ｗ）として記憶されている。また、この補助メモリ２２
には、前記各圧力検出装置からの検出圧力値と、補助メ
モリに記憶されている各圧力検出装置部分の標準圧力値
とを比較して、作動流体の漏出箇所や閉塞箇所を算定す
るための、例として第６図のフローチャートに示すよう
なアルゴリズムか記憶されている。更に、演算装置２１
には、演算装置からの情報を出力するため、マンマシン
インターフェイスとしての監視装置２３が接続されてい
る。

次に、この様な構成を有する本実施例の燃料電池発電シ
ステムの作用を説明する。なお、説明に当たっては、前
記補助メモリ２２に記憶されているアルゴリズムの一例
である第６図のフローチャートと、あるラインの管路上
における各機器Ａ〜Ｄ、圧力検出装置の検出圧力値Ｐ。

−Ｐ４及び標準圧力値Ｓ。−８４をモデル化して示した
第７図を使用する。

まず、予め管路上の各圧力検出装置の設置箇所における
標準圧力値Ｓｉを測定し、これを補助メモリ２２に電気
出力の関数として記憶させておく。

この標準圧力値Ｓｉは、システムの負荷運転時、保全運
転時、停止時、起動時などでそれぞれ異なっているので
、システムの各運転状況に応じた標準圧力値を記憶させ
る。この状態でシステムが運転されると、各管路上に設
けられた圧力検出装置からの検出圧力値Ｐｉか発信装置
及びプロセス入出力装置２０を介して演算装置２１に送
られる。

演算装置２１ては、この検出圧力値Ｐｉと補助メモリ２
２内の標準圧力値Ｓｉとを比較し、両者の偏差１Ｐｉ−
３ｉｔが許容値εより小さい場合には、異常なしと判定
し、１−０（最上流の圧力検出相）から１＝ｎ（最下流
の圧力検出装置）までこれを繰り返す。

一方、両者の偏差ＩＰｉ−８ｉｌが許容値εより大きい
場合には、何等かの異常（閉塞または漏洩）があると判
定し、その圧力検出箇所をに＝ｉという形で記憶する。

そして、この異常があった圧力検出箇所における検出圧
力値Ｐｉと標準圧力値Ｓｉとを比較して、ｐｉ＞ｓｉの
場合には、その異常検出箇所よりも下流側で管路に閉塞
が生じていると判定することができる。そこで、ｉ−１
十１という形で、管路の上流側から圧力検出装置の検出
圧力値をチエツクして行き、１＝ｎ（最終の圧力検出装
置）に達しても前記ｐｉ＞ｓｉとなる場合には、管路の
最下流が閉塞していると判定し、これを監視装置２３に
表示する。

また、管路の特定区間ｉに閉塞があった場合には、その
区間ｉの上流の圧力検出装置は、１ＰｉＳｉｌ＞εかつ
Ｐｉ＞Ｓｉとなっているのに対して、閉塞の直ぐ下流の
圧力検出装置ではＰｉくＳｉとなっている。そこで、管
路の上流側から各圧力検出装置の検出圧力値を順次チエ
ツクして行く過程で、１Ｐｉ−ｓｉｌ＞εかつｐｉ＞ｓ
ｉとなる圧力検出装置においては、その検出装置の番号
ｉをフローチャートの変数ｋに代入しておき、ある特定
の検出装置でｐｉ＜ｓｉとなった時に、その特定の検出
装置の番号ｉと前記変数にとを比較し、両者が異なって
いる場合には、その検出装置ｉの上流の区間ｉで閉塞が
生じていると判定し、監視装置２３に表示する。例えば
、第７図において点線で示すように、１Ｐｉ−ｓｉＩ＞
εかっＰｉ＞Ｓｉとなっている検出装置をＰ□、ｐｉ＜
ｓｉとなった検出装置をＰ２とすれば、ｋ＝１．ｉ＝２
となりフローチャートのに＝ｉを満足しないので、検出
圧力値Ｐｉ〉標準圧力値Ｓｉから検出圧力値ｐｉ＜標準
圧力値Ｓｉとなった最初の検出装置Ｐ２の上流の区間２
で閉塞が生していると判定する。

一方、最初に検出圧力値Ｐｉと標準圧ノｊ値Ｓｉとの偏
差が許容値εよりも大きくなった検出装置（フローチャ
ートではその番号ｉを変数ｋに代入しておく）と、検出
圧力値Ｐｉが標準圧力値Ｓｉよりも小さくなった検出装
置ｉとが等しい場合、即ち、ｋ＝ｉの場合には、第７図
の一点鎖線で示すように管路の上流側から検出圧力値Ｐ
ｉが標準圧力値Ｓｉより低くなっているので、管路のど
こかに漏洩が生じていることが判る。そして、この漏洩
箇所の直ぐ下流の検出装置において、その検出圧力値Ｐ
ｉと標準圧力値Ｓｉとの偏差が最も大きくなるので、フ
ローチャートに示すように初期比較偏差値ΔＰ＝０と、
各検出装置ｉにおける圧力偏差Ｓ　ｉ　−Ｐ　ｉとを比
較し、５ｉ−ｐｉ＞ΔＰである場合には、ΔＰにその検
出装置の圧力偏差５ｉ−Ｐｉを代入すると共にその検出
装置の番号ｉを変数ｋに代入した後、次の検出装置につ
いてその圧力偏差５ｉ−Ｐｉと新しい比較偏差値ΔＰと
を比較していく。このようにして、ある特定の検出装置
において、ΔＰの方がその検出装置の偏差５ｉ−Ｐｉよ
りも大きくなった場合には、その検出装置ｉの直前の検
出装置（その番号はｋに代入されいる）の圧力偏差５ｉ
−Ｐｉが最大であったことが判明するので、直前の検出
装置にの直ぐ上流側の区間にで漏洩があったと判定し、
これを監視装置２３に表示する。この点を更に第７図で
説明すれば、検出装置ＰＩ、Ｐ２．Ｐ３と、順次その検
出圧力値Ｐｉと標準圧力値ＳＬとの圧力偏差５ｉ−Ｐｉ
を比較していき、上流側よりも圧力偏差が小さい検出装
置Ｐ３の直ぐ上流側の検出装置Ｐ２が最大圧力偏差を有
することが演算装置によって求められ、この最大圧力偏
差を有する検出装置Ｐ２の直ぐ上流の区間２て漏洩が生
じていることを判定できる。

さらに、このようにして上流側から各検出装置について
、その圧力偏差５ｉ−Ｐｉとその前段の検出装置で求め
られた新しい比較偏差値ΔＰとを比較していった結果、
最下流の検出装置（ｉ＝ｎ）でも５ｉ−Ｐｉ＜ΔＰとな
らない場合、即ち最下流の検出装置の検出圧力値Ｐｉと
標準圧力値Ｓｉとの圧力偏差が最も大きい場合には、そ
の管路上には漏洩箇所が存在しないことを示すので、管
路外部やその他の特定できない故障かあると判定し、監
視装置２３に異常を表示する。

（他の実施例） なお、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく
、演算装置に記憶すべき各部の圧力は、電気出力の関数
の代わりに、負荷電流の関数として与えても良いし、電
気出力または負荷電流の指令値の関数として与えても良
い。また、圧力検出装置としては、圧力センサその他従
来公知の手段を適宜使用できるが、燃料電池発電システ
ムの場合に使用する圧力センサはゲージ圧力で０〜１０
００１００Ｏ以下と非常にレンジの低いものであるので
、所定の差圧伝送路を使用し、一端は機器圧力取出口に
繋ぎ、他端は大気圧に開放しておき、これで大気圧との
差圧を測定すればゲージ圧力を測定したことになるので
、圧力センサの代わりに差圧センサを使用することもで
きる。

［発明の効果］ 以上の実施例に示す通り、本発明の燃料電池発電システ
ムによれば、システムの各部に設けた圧力検出装置から
の信号を、予め各部の標準圧力値を記憶していた演算装
置において比較演算することにより、システムの各部に
生じた管路の閉塞或いは漏洩箇所を容易に特定できる。

その結果、本発明によれば、管路の漏洩や閉塞に関する
徴候を大事に至る前に把握することが可能となり、運転
中に自動シャットダウンしてしまった場合も監視装置に
出力されたメツセージからその原因や場所を容易に把握
することかでき、システムの稼働率向上を可能とした燃
料電池発電システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃料電池システムの一実施例を示す配
管図、第２図は第１図の実施例における空気プロセスラ
インにおける各圧力検出装置とその圧力値との関係を示
す図、第３図は同じく燃料プロセスラインの図、第４図
は同じく冷却水ラインの図、第５図（Ａ）〜（Ｃ）は電
気出力と圧力の関係を示すグラフ、第６図は本発明のシ
ステムにおける演算装置の実行例を示すフローチャート
、第７図は本発明において管路の閉塞或いは漏洩箇所の
判定方法を説明する図、第８図は従来の燃料電池システ
ムの一例を示す配管図である。 １・・・燃料電池本体、１ａ・・・カソード、１ｂ・・
・アノード、２・・・原燃料供給管、３・・・原燃料流
量制御弁、４・・・改質器、５・・・−酸化炭素変成器
、６・・・アノード排ガス管、７・・・空気導入ライン
、８・・・ブロア、９，１０・・・排ガス管、１１・・
・冷却管、１２・・・水供給装置、１３・・・ポンプ、
１４・・・電池冷却管出口側配管、１５・・・スチーム
セパレータ、１６・・・改質用スチーム導入管、２０・
・・プロセス入出力装置、２１・・・演算装置、２２・
・・補助メモリ、２３・・・監視装置。 Ａ１−Ａ３・・・空気プロセスライン圧力検出装置。 Ｂ１〜Ｂ７・・・燃料プロセスライン圧力検出装置。 Ｃ１〜Ｃ３・・・冷却水ライン圧力検出装置。 Ｄ１〜Ｄ２・・・燃焼排ガス圧力検出装置。 Ｓ　Ａｌ〜Ｓ　Ａ４＋　　Ｓ　Ｂ　Ｌ　〜Ｓ　Ｂ７＋　
　Ｓ　ｃｔ　〜Ｓ　Ｃ５・・・標準圧力値。 Ｐ　Ａｉ〜Ｐ　Ａ４＋　　Ｐ　Ｂ　ｌ　〜Ｐ　Ｂ７＋　
　Ｐ　Ｃ１〜Ｐ　Ｃ５・・・検出圧力値。 ノ） ０２１ 第 図 空気１０辷スライン 戸に旧７゛ロセスライノ 二９玉ｐ永フィン 升 ■は電気出力［ｋＷ］ （Ａ） ＣＢ） （Ｃ） 第 図 第 ８ 図・

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃料電池本体にその作動流体を供給・排出する管
   路を備え、この管路上の複数箇所に圧力検出装置とこの
   検出装置によって検出された圧力信号を出力する発信装
   置とを所定の間隔で設置し、この各発信装置からの複数
   の圧力信号を、予めシステムの運転状態に対応した前記
   各圧力検出装置設置箇所の標準圧力値を設定しておいた
   演算装置に導き、各箇所の標準圧力値と現実に検出され
   た各箇所の圧力信号とを比較して、各圧力検出装置によ
   って挟まれた管路区間における作動流体の流動状態の異
   常を特定し、この演算装置からの情報を監視装置に出力
   するように構成したこと特徴とする燃料電池発電システ
   ム。