WO2018216811A1 - 発電装置、制御装置及び制御プログラム - Google Patents

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WO
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fuel cell
bubble sensor
bubbles
detection result
flow rate
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直生 大橋
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京セラ株式会社
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04228—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during shut-down
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    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present disclosure relates to a power generation device, a control device, and a control program.
  • a power generator equipped with a fuel cell such as a solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as SOFC) supplies reformed water used for power generation to the fuel cell through a pipe.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • Patent Document 1 a technique for detecting bubbles mixed in the reforming water using a bubble sensor is known (for example, Patent Document 1).
  • a power generation device includes a fuel cell that is supplied with fuel gas, air, and reforming water to generate power, and a bubble that detects bubbles in the reforming water supplied to the fuel cell.
  • a sensor and a control unit that acquires a detection result of the bubble sensor.
  • the control unit obtains a detection result that bubbles are generated in the reformed water from the bubble sensor, the flow rate of the reformed water supplied to the fuel cell is increased to a predetermined flow rate, The detection result is acquired again from the bubble sensor.
  • a control device includes a fuel cell that is supplied with fuel gas, air, and reforming water to generate power, and a bubble that detects bubbles in the reforming water supplied to the fuel cell. And a power generation device including the sensor. Further, when the control device obtains a detection result that bubbles are generated in the reformed water from the bubble sensor, the flow rate of the reformed water supplied to the fuel cell is reduced to a predetermined flow rate. The detection result is obtained again from the bubble sensor.
  • a control program includes a fuel cell that is supplied with fuel gas, air, and reforming water to generate power, and a bubble that detects bubbles in the reforming water supplied to the fuel cell.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating an example of an operation of a power generation device according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 10 is a functional block diagram schematically showing a modification of the configuration of the power generation device according to the embodiment of the present disclosure.
  • the present disclosure relates to providing a power generation device, a control device, and a control program that can prevent the power generation device from being stopped due to an erroneous determination in detecting bubbles in reformed water.
  • a configuration of a power generation device according to an embodiment of the present disclosure will be described.
  • FIG. 1 is a functional block diagram schematically illustrating a configuration of a power generation device 1 according to an embodiment of the present disclosure.
  • the power generation device 1 As shown in FIG. 1, the power generation device 1 according to an embodiment of the present disclosure is connected to a hot water storage tank 60, a load 100, and a commercial power supply (grid) 200. As shown in FIG. 1, the power generation device 1 generates power by supplying gas, air, and water from the outside, and supplies the generated power to a load 100 and the like.
  • a commercial power supply grid
  • the power generator 1 includes a control unit 10, a storage unit 12, a fuel cell module 20, a gas supply unit 32, an air supply unit 34, a reforming water supply unit 36, and an inverter 40.
  • the power generation device 1 includes at least one processor as the controller 10 to provide control and processing capabilities for performing various functions, as will be described in more detail below.
  • the at least one processor may be implemented as a single integrated circuit (IC) or as a plurality of communicatively connected integrated circuit ICs and / or discrete circuits. Good.
  • the at least one processor can be implemented according to various known techniques.
  • the processor includes one or more circuits or units configured to perform one or more data computation procedures or processes.
  • a processor may be one or more processors, controllers, microprocessors, microcontrollers, application specific integrated circuits (ASICs), digital signal processors, programmable logic devices, field programmable gate arrays, or any of these devices or configurations
  • ASICs application specific integrated circuits
  • digital signal processors programmable logic devices, field programmable gate arrays, or any of these devices or configurations
  • the control unit 10 is connected to the storage unit 12, the fuel cell module 20, the gas supply unit 32, the air supply unit 34, the reforming water supply unit 36, and the inverter 40. As a whole, the power generation apparatus 1 is controlled and managed.
  • the control unit 10 obtains a program stored in the storage unit 12 and executes this program, thereby realizing various functions related to each unit of the power generation device 1.
  • the control unit 10 and other function units may be connected by wire or wireless. Control characteristic of this embodiment performed by the control unit 10 will be further described later.
  • the storage unit 12 stores information acquired from the control unit 10.
  • the storage unit 12 stores a program executed by the control unit 10.
  • storage part 12 memorize
  • storage part 12 can be comprised by a semiconductor memory or a magnetic disk, for example, it is not limited to these, It can be set as arbitrary memory
  • the storage unit 12 may be an optical storage device such as an optical disk or a magneto-optical disk.
  • the fuel cell module 20 includes a reformer 22 and a cell stack 24.
  • the cell stack 24 of the fuel cell module 20 generates power using gas (fuel gas) supplied from the gas supply unit 32, air, reformed water, and the like, and outputs the generated DC power to the inverter 40.
  • the fuel cell module 20 is also called a hot module.
  • the cell stack 24 generates heat with power generation.
  • the cell stack 24 that actually generates power is appropriately referred to as a “fuel cell”.
  • any functional unit including the cell stack 24 may be collectively referred to as “fuel cell” as appropriate.
  • the “fuel cell” a single cell, a fuel cell module, or the like can be given.
  • the reformer 22 generates hydrogen and / or carbon monoxide using the gas supplied from the gas supply unit 32 and the reformed water supplied from the reformed water supply unit 36.
  • the cell stack 24 generates power by reacting hydrogen and / or carbon monoxide generated in the reformer 22 with oxygen in the air. That is, in the present embodiment, the cell stack 24 of the fuel cell generates power by an electrochemical reaction.
  • the cell stack 24 will be described as an SOFC (solid oxide fuel cell).
  • the cell stack 24 according to the present embodiment is not limited to the SOFC.
  • the cell stack 24 according to the present embodiment includes, for example, a polymer electrolyte fuel cell (Polymer Electrolyle Fuel Cell (PEFC)), a phosphoric acid fuel cell (Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC)), and a molten carbonate fuel cell (PAFC).
  • a fuel cell such as Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)
  • the cell stack 24 may include, for example, four cells that can generate about 700 W of power alone. In this case, the fuel cell module 20 can output about 3 kW of electric power as a whole.
  • the cell stack 24 and the fuel cell module 20 according to the present embodiment are not limited to such a configuration, and various configurations can be adopted.
  • the fuel cell module 20 according to the present embodiment may include only one cell stack 24.
  • the electric power generating apparatus 1 should just be provided with the fuel cell which produces electric power using gas. Therefore, for example, the power generation device 1 can be assumed to have only one fuel cell instead of the cell stack 24 as a fuel cell.
  • the fuel cell according to the present embodiment may be a fuel cell without a module such as PEFC.
  • the gas supply unit 32 supplies gas to the reformer 22 of the fuel cell module 20. At this time, the gas supply unit 32 controls the flow rate of the gas supplied to the reformer 22 based on the control signal from the control unit 10.
  • the gas supply part 32 can be comprised by a gas line, for example.
  • the gas supply part 32 may perform the desulfurization process of gas, and may heat gas preliminarily.
  • the exhaust heat of the cell stack 24 may be used as a heat source for heating the gas.
  • the gas is, for example, city gas or LPG, but is not limited thereto.
  • the gas may be natural gas or coal gas depending on the fuel cell.
  • the gas supply unit 32 supplies a fuel gas used for an electrochemical reaction when the cell stack 24 generates power.
  • the air supply unit 34 supplies air to the cell stack 24 of the fuel cell module 20. At this time, the air supply unit 34 controls the flow rate of air supplied to the cell stack 24 based on a control signal from the control unit 10.
  • the air supply part 34 can be comprised by an air line, for example.
  • the air supply unit 34 may preliminarily heat the air taken from the outside and supply the air to the cell stack 24.
  • the exhaust heat of the cell stack 24 may be used as a heat source for heating the air.
  • the air supply unit 34 supplies air used for an electrochemical reaction when the cell stack 24 generates power.
  • the reforming water supply unit 36 supplies reforming water to the reformer 22 of the fuel cell module 20 through the pipe 80. At this time, the reforming water supply unit 36 controls the flow rate of the reforming water supplied to the reformer 22 based on the control signal from the control unit 10.
  • the reforming water supply unit 36 may include a reforming water pump, for example.
  • the reforming water supply unit 36 may generate reforming water using water collected from the exhaust gas from the cell stack 24 as a raw material.
  • the inverter 40 is connected to the cell stack 24 of the fuel cell module 20.
  • the inverter 40 converts the DC power generated by the cell stack 24 into AC power.
  • the AC power output from the inverter 40 is supplied to the load 100 via a distribution board or the like.
  • the load 100 receives the power output from the inverter 40 via a distribution board or the like.
  • the load 100 is illustrated as a single member, but can be an arbitrary number of various electrical devices constituting the load.
  • the load 100 can also receive power from the commercial power supply 200 via a distribution board or the like.
  • the exhaust heat recovery processing unit 50 recovers exhaust heat from the exhaust generated by the power generation of the cell stack 24.
  • the exhaust heat recovery processing unit 50 can be configured with, for example, a heat exchanger.
  • the exhaust heat recovery processing unit 50 is connected to the circulating water processing unit 52 and the hot water storage tank 60.
  • the circulating water processing unit 52 circulates water from the hot water storage tank 60 to the exhaust heat recovery processing unit 50.
  • the water supplied to the exhaust heat recovery processing unit 50 is heated by the exhaust heat recovered by the exhaust heat recovery processing unit 50 and returns to the hot water storage tank 60.
  • the exhaust heat recovery processing unit 50 exhausts the exhaust from which the exhaust heat has been recovered to the outside.
  • the hot water storage tank 60 is connected to the exhaust heat recovery processing unit 50 and the circulating water processing unit 52.
  • the hot water storage tank 60 can store hot water generated using the exhaust heat recovered from the cell stack 24 of the fuel cell module 20 or the like.
  • the bubble sensor 70 detects bubbles in the reformed water supplied to the fuel cell module 20 through the pipe 80.
  • the bubble sensor 70 detects bubbles in the reformed water flowing through the pipe 80 by passing an alternating current between the two electrodes, for example.
  • FIG. 2 schematically shows an example of the configuration of such a bubble sensor 70.
  • the bubble sensor 70 shown in FIG. 2 includes a first electrode 71, a second electrode 72, and a sensor circuit 73.
  • the first electrode 71 has a structure having a hole, and is installed in the pipe 80 so that the reformed water flows through the hole.
  • the second electrode 72 has a hole, and is installed in the pipe 80 so that the reformed water flows through the hole.
  • An alternating current is passed between the first electrode 71 and the second electrode 72, and the sensor circuit 73 detects bubbles based on the magnitude of the alternating current.
  • the first electrode 71 and the second electrode 72 are compared with the case where only the reforming water is present between the first electrode 71 and the second electrode 72.
  • the alternating current flowing between the two electrodes 72 is reduced.
  • the sensor circuit 73 is connected to the control unit 10.
  • the sensor circuit 73 transmits a signal based on an alternating current flowing between the first electrode 71 and the second electrode 72 to the control unit 10 as a detection result of the bubble sensor 70.
  • the bubble sensor 70 is not limited to the configuration shown in FIG. 2, and any configuration can be adopted as long as it can detect bubbles in the reformed water flowing through the pipe 80.
  • the bubble sensor 70 may be configured to detect bubbles using ultrasonic waves or microwaves.
  • the control unit 10 controls the reforming water supply unit 36 to control the flow rate of the reforming water supplied to the fuel cell module 20 through the pipe 80.
  • the control unit 10 acquires the detection result of the bubble sensor 70 from the bubble sensor 70.
  • control unit 10 When the control unit 10 obtains a detection result that bubbles are generated in the reformed water from the bubble sensor 70, the control unit 10 controls the reformed water supply unit 36 and supplies the fuel cell module 20 with the modified result. Increase the flow rate of quality water to the specified flow rate.
  • the predetermined flow rate is, for example, 10 ml per minute, which is a sufficiently larger flow rate than the normal flow rate (for example, 3 ml per minute).
  • control unit 10 increases the flow rate of the reforming water to a predetermined flow rate, so that the surface of the first electrode 71 or the second electrode 72 of the bubble sensor 70 or the first electrode 71 and the second electrode 72 In the meantime, when normally generated bubbles such as carbon dioxide are retained, such bubbles can be blown off.
  • the controller 10 may not immediately increase the flow rate of the reformed water to a predetermined flow rate.
  • the control unit 10 may increase the flow rate of the reforming water to a predetermined flow rate when the detection result that bubbles are generated continues for a predetermined time or longer (for example, 1 second or longer). In this way, when normally generated bubbles such as carbon dioxide flow without staying in the vicinity of the first electrode 71 and the second electrode 72, the control unit 10 unnecessarily reduces the flow rate of the reforming water to a predetermined flow rate. It can be prevented from increasing.
  • the control unit 10 acquires the detection result from the bubble sensor 70 again after increasing the flow rate of the reforming water to a predetermined flow rate. Based on the detection result obtained again from the bubble sensor 70, the control unit 10 determines whether or not bubbles resulting from the abnormality of the device in the power generation device 1 are mixed in the reforming water. For example, the reformed water supply unit 36 or the pipe 80 may be damaged as an abnormality of the equipment in the power generation device 1.
  • the control unit 10 detects a bubble caused by an abnormality in the device in the power generation device 1 when the bubble is continuously detected for a predetermined time or longer (for example, 15 seconds or longer). Is determined to be mixed in the reforming water.
  • control part 10 originates in abnormality of the apparatus in the electric power generating apparatus 1, when the bubble more than predetermined capacity (for example, 1.5 cc or more) is detected in the detection result acquired again from the bubble sensor 70. It may be determined that bubbles are mixed in the reforming water.
  • the control unit 10 can calculate the bubble capacity from the flow rate of the reforming water commanded to the reforming water supply unit 36 and the time during which the bubble sensor 70 detects bubbles.
  • control unit 10 determines that air bubbles due to an abnormality in the equipment in the power generation device 1 are mixed in the reforming water based on the detection result obtained again from the air bubble sensor 70, the reformer 22 or the like fails. In order to prevent this, the operation of the power generator 1 is stopped.
  • the control unit 10 determines that bubbles due to the abnormality of the equipment in the power generation device 1 are not mixed in the reforming water based on the detection result acquired again from the bubble sensor 70, the flow rate of the reforming water is predetermined.
  • the bubbles detected before increasing to the flow rate are determined to be bubbles caused by carbon dioxide or the like that is normally generated.
  • the control unit 10 returns the flow rate of the reforming water to the original flow rate, and does not stop the operation of the power generation device 1.
  • the electric power generating apparatus 1 can suppress stopping the electric power generating apparatus 1 by the misjudgment of bubble detection, when there is no abnormality in the apparatus in the electric power generating apparatus 1.
  • the control unit 10 of the power generation device 1 acquires the detection result from the bubble sensor 70 and determines whether or not the detection result indicates that bubbles are generated in the reformed water (step S101).
  • control unit 10 repeats the process in step S101.
  • the control unit 10 may repeat the process of step S101 at predetermined time intervals.
  • control unit 10 controls the reformed water supply unit 36 to be supplied to the fuel cell module 20.
  • the flow rate of the reforming water is increased to a predetermined flow rate (for example, 10 ml per minute) (step S102).
  • the control unit 10 acquires the detection result from the bubble sensor 70 again after increasing the flow rate of the reforming water to a predetermined flow rate.
  • the control unit 10 determines whether or not bubbles are detected continuously for a predetermined time or longer (for example, 15 seconds or longer) in the detection result obtained again from the bubble sensor 70 (step S103).
  • step S103 When air bubbles are detected continuously for a predetermined time or longer (Yes in step S103), the control unit 10 determines that air bubbles due to an abnormality in the device in the power generation device 1 are mixed in the reformed water, The operation of the power generator 1 is stopped (step S104).
  • step S103 When it is determined that bubbles are not continuously detected for a predetermined time or longer (No in step S103), the control unit 10 determines that the bubbles detected in step S101 are bubbles caused by carbon dioxide that is normally generated. However, the power generator 1 is not stopped. The control unit 10 returns the flow rate of the reforming water supplied to the fuel cell module 20 to the original flow rate (step S105), and returns to step S101.
  • control unit 10 may increase the reforming water to a predetermined flow rate only for a predetermined time (for example, 2 seconds) in step S102, instead of returning the flow rate of the reforming water to the original flow in step S105.
  • control unit 10 when it is determined Yes in step S101, the control unit 10 does not need to immediately increase the flow rate of the reforming water. For example, the controller 10 determines the flow rate of the reforming water at a predetermined flow rate only when it determines Yes in step S101 and determines that the current flow rate of the reforming water is small (for example, a flow rate of 3 ml or less per minute). You may increase up to.
  • the control unit 10 when the control unit 10 obtains the detection result that the bubbles are generated in the reformed water from the bubble sensor 70, the control unit 10 sets the flow rate of the reformed water supplied to the fuel cell module 20 to a predetermined flow rate. And the detection result is acquired from the bubble sensor 70 again. Thereby, the power generation device 1 can determine whether or not the bubbles generated in the reformed water in the pipe 80 are caused by the abnormality of the equipment in the power generation device 1. Therefore, according to this embodiment, the electric power generating apparatus 1 can suppress stopping the electric power generating apparatus 1 by the misjudgment in the bubble detection in reformed water.
  • the embodiment of the present disclosure can also be realized as a configuration having function blocks corresponding to the control unit 10 and the storage unit 12 of the power generation device 1 illustrated in FIG.
  • An example of such an embodiment is shown in FIG.
  • the control device 2 that controls the power generation device 1 from the outside includes a control unit 10 and a storage unit 12.
  • the functions of the control unit 10 and the storage unit 12 of the control device 2 shown in FIG. 4 are respectively equivalent to the functions of the control unit 10 and the storage unit 12 of the power generation device 1 shown in FIG.
  • the embodiment of the present disclosure can also be realized as a control program executed by the control device 2 illustrated in FIG. 4, for example.
  • each functional unit, each means, each step, etc. can be rearranged so that there is no logical contradiction, and a plurality of functional units, steps, etc. are combined or divided into one. It is possible.
  • each of the embodiments of the present invention described above is not limited to being performed faithfully to each of the embodiments described above, and is implemented by appropriately combining the features or omitting some of the features. You can also.
  • the power generation apparatus 1 including the cell stack 24 serving as the SOFC has been described as the present embodiment.
  • the power generation device 1 according to the present embodiment is not limited to the one provided with the SOFC, and may include various fuel cells such as a PEFC without a module.
  • the “fuel cell” means, for example, a power generation system, a power generation unit, a fuel cell module, a hot module, a cell stack, or a cell. Further, the “fuel cell” in the present disclosure may be a fuel cell mounted on a fuel cell vehicle.

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Abstract

発電装置は、燃料ガス、空気、及び改質水を供給されて発電する燃料電池と、燃料電池に供給される改質水の中の気泡を検出する気泡センサと、気泡センサの検出結果を取得する制御部と、を備える。制御部は、気泡センサから、改質水の中に気泡が発生しているとの検出結果を取得すると、燃料電池に供給される改質水の流量を所定流量まで増やし、再度、気泡センサから検出結果を取得する。

Description

発電装置、制御装置及び制御プログラム 関連出願の相互参照
　本出願は、日本国特許出願２０１７－１０４９６１号（２０１７年５月２６日出願）の優先権を主張するものであり、当該出願の開示全体を、ここに参照のために取り込む。
　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。
　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、発電に用いられる改質水を、配管を通して燃料電池に供給する。
　改質水を供給する配管又はポンプなどに破損のような何らかの異常があり配管内の改質水に空気が混入すると、改質器などに故障が生じる場合がある。このような改質水への空気の混入を検出するため、気泡センサによって改質水に混入した気泡を検出する技術が知られている（例えば、特許文献１）。
特開２０１０－１９２２６５号公報
　本開示の一実施形態に係る発電装置は、燃料ガス、空気、及び改質水を供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される前記改質水の中の気泡を検出する気泡センサと、前記気泡センサの検出結果を取得する制御部と、を備える。前記制御部は、前記気泡センサから、前記改質水の中に気泡が発生しているとの検出結果を取得すると、前記燃料電池に供給される前記改質水の流量を所定流量まで増やし、再度、前記気泡センサから検出結果を取得する。
　本開示の一実施形態に係る制御装置は、燃料ガス、空気、及び改質水を供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される前記改質水の中の気泡を検出する気泡センサと、を備える発電装置を制御する。また、前記制御装置は、前記気泡センサから、前記改質水の中に気泡が発生しているとの検出結果を取得すると、前記燃料電池に供給される前記改質水の流量を所定流量まで増やし、再度、前記気泡センサから検出結果を取得する。
　本開示の一実施形態に係る制御プログラムは、燃料ガス、空気、及び改質水を供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される前記改質水の中の気泡を検出する気泡センサと、を備える発電装置を制御する制御装置のための制御プログラムである。前記制御プログラムは、前記制御装置に、前記気泡センサから、前記改質水の中に気泡が発生しているとの検出結果を取得すると、前記燃料電池に供給される前記改質水の流量を所定流量まで増やすステップと、再度、前記気泡センサから検出結果を取得するステップと、を実行させる。
本開示の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１の気泡センサの構成の一例を概略的に示す図である。 本開示の実施形態に係る発電装置の動作の一例を示すフローチャートである。 本開示の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。
　改質水の中には、二酸化炭素の微少な気泡などのような、配管などの異常に起因しない正常な気泡も存在する。気泡センサの検出対象領域に、このような正常な気泡が滞留することがある。この場合、気泡センサが正常な気泡を検出することによって配管などに異常があると誤判定し、本来は停止する必要がないにも関わらず発電装置を停止させてしまうことがあった。本開示は、改質水の中の気泡検出における誤判定によって発電装置を停止させてしまうことを抑制することができる発電装置、制御装置及び制御プログラムを提供することに関する。以下、本開示の実施形態について、図面を参照して説明する。まず、本開示の実施形態に係る発電装置の構成を説明する。
　図１は、本開示の実施形態に係る発電装置１の構成を概略的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。また、図１に示すように、発電装置１は、外部からガス、空気及び水が供給されることにより発電し、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、インバータ４０と、排熱回収処理部５０と、循環水処理部５２と、気泡センサ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／又は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、１以上のデータ計算手続又は処理を実行するために構成された、１以上の回路又はユニットを含む。例えば、プロセッサは、１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、又はこれらのデバイス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、インバータ４０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して、この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から他の機能部に制御信号又は各種の情報などを送信する場合、制御部１０と他の機能部とは、有線又は無線により接続されていればよい。制御部１０が行う本実施形態に特徴的な制御については、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を記憶する。その他、記憶部１２は、例えば制御部１０による演算結果などの各種データも記憶する。さらに、記憶部１２は、制御部１０が動作する際のワークメモリ等も含むことができるものとして、以下説明する。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することができるが、これらに限定されず、任意の記憶装置とすることができる。例えば、記憶部１２は、光ディスクのような光学記憶装置としてもよいし、光磁気ディスクなどとしてもよい。
　燃料電池モジュール２０は、改質器２２と、セルスタック２４とを備えている。燃料電池モジュール２０のセルスタック２４は、ガス供給部３２から供給されるガス（燃料ガス）、空気及び改質水などを用いて発電し、発電した直流電力をインバータ４０に出力する。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。本開示において、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などが挙げられる。
　改質器２２は、ガス供給部３２から供給されるガス、及び、改質水供給部３６から供給される改質水を用いて、水素及び／又は一酸化炭素を生成する。セルスタック２４は、改質器２２で生成された水素及び／又は一酸化炭素と、空気中の酸素とを反応させることにより、発電する。すなわち、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。
　以下、セルスタック２４は、ＳＯＦＣ（固体酸化物型燃料電池）であるとして説明する。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））、りん酸形燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell（ＰＡＦＣ））、及び溶融炭酸塩形燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell（ＭＣＦＣ））などのような燃料電池で構成してもよい。また、本実施形態において、セルスタック２４は、例えば単体で７００Ｗ程度の発電ができるものを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。しかしながら、本実施形態に係るセルスタック２４及び燃料電池モジュール２０は、このような構成に限定されるものではなく、種々の構成を採用することができる。例えば、本実施形態に係る燃料電池モジュール２０は、セルスタック２４を１つのみ備えるようにしてもよい。本実施形態において、発電装置１は、ガスを利用して発電を行う燃料電池を備えていればよい。したがって、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も想定できる。また、本実施形態に係る燃料電池は、例えばＰＥＦＣのように、モジュールのない燃料電池としてもよい。
　ガス供給部３２は、燃料電池モジュール２０の改質器２２にガスを供給する。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に供給するガスの流量を制御する。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することができる。またガス供給部３２は、ガスの脱硫処理を行ってもよいし、ガスを予備的に加熱してもよい。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。ガスは、例えば、都市ガス、又はＬＰＧ等であるが、これらに限定されない。例えば、ガスは、燃料電池に応じて、天然ガス又は石炭ガスなどとしてもよい。本実施形態において、ガス供給部３２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燃料ガスを供給する。
　空気供給部３４は、燃料電池モジュール２０のセルスタック２４に空気を供給する。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に供給する空気の流量を制御する。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することができる。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。空気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。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。
　改質水供給部３６は、配管８０を通して燃料電池モジュール２０の改質器２２に改質水を供給する。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流量を制御する。本実施形態において、改質水供給部３６は、例えば改質水ポンプを備えることができる。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。
　インバータ４０は、燃料電池モジュール２０のセルスタック２４に接続される。インバータ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。インバータ４０から出力される交流電力は、分電盤などを介して、負荷１００に供給される。負荷１００は、分電盤などを介して、インバータ４０から出力された電力を受電する。図１において、負荷１００は、１つのみの部材として図示してあるが、負荷を構成する任意の個数の各種電気機器とすることができる。また、負荷１００は、分電盤などを介して、商用電源２００から受電することもできる。
　排熱回収処理部５０は、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することができる。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、貯湯タンク６０から排熱回収処理部５０へ水を循環させる。排熱回収処理部５０に供給された水は、排熱回収処理部５０で回収された排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。
　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、燃料電池モジュール２０のセルスタック２４など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。
　気泡センサ７０は、配管８０を通して燃料電池モジュール２０に供給される改質水の中の気泡を検出する。
　気泡センサ７０は、例えば、２つの電極の間に交流電流を流すことにより、配管８０を流れる改質水の中の気泡を検出する。図２に、このような気泡センサ７０の構成の一例を概略的に示す。図２に示す気泡センサ７０は、第１電極７１と、第２電極７２と、センサ回路７３とを備える。第１電極７１は穴を有する構造であり、穴の中を改質水が流れるように配管８０に設置される。第２電極７２も同様に穴を有する構造であり、穴の中を改質水が流れるように配管８０に設置される。第１電極７１と第２電極７２との間には交流電流が流され、センサ回路７３は、交流電流の大きさにより気泡を検出する。第１電極７１と第２電極７２との間に気泡が存在する場合、第１電極７１と第２電極７２との間に改質水のみが存在する場合に比べて、第１電極７１と第２電極７２との間に流れる交流電流は小さくなる。
　センサ回路７３は、制御部１０に接続される。センサ回路７３は、第１電極７１と第２電極７２との間に流れる交流電流に基づく信号を、気泡センサ７０の検出結果として制御部１０に送信する。
　気泡センサ７０は、図２に示したような構成に限定されず、配管８０を流れる改質水の中の気泡を検出できるものであれば、任意の構成を採用することができる。例えば、気泡センサ７０は、超音波又はマイクロ波を用いて気泡を検出する構成でもよい。
　次に、制御部１０の動作について説明する。
　制御部１０は、改質水供給部３６を制御して、配管８０を通して燃料電池モジュール２０に供給される改質水の流量を制御する。制御部１０は、気泡センサ７０から、気泡センサ７０の検出結果を取得する。
　制御部１０は、気泡センサ７０から、改質水の中に気泡が発生しているとの検出結果を取得すると、改質水供給部３６を制御して、燃料電池モジュール２０に供給される改質水の流量を所定流量まで増やす。この所定流量は、例えば、毎分１０ｍｌであり、通常時の流量（例えば、毎分３ｍｌ）よりも十分大きい流量である。
　このように、制御部１０が改質水の流量を所定流量まで増やすことにより、気泡センサ７０の第１電極７１若しくは第２電極７２の表面、又は、第１電極７１と第２電極７２との間に、二酸化炭素などのような通常発生する気泡が滞留していた場合、このような気泡を吹き飛ばすことができる。
　制御部１０は、改質水の中に気泡が発生しているとの検出結果を取得した場合、直ちに改質水の流量を所定流量まで増やさなくてもよい。例えば、制御部１０は、気泡が発生しているとの検出結果が所定の時間以上（例えば１秒以上）続いた場合に、改質水の流量を所定流量まで増やしてもよい。こうすると、二酸化炭素などの通常発生する気泡が第１電極７１及び第２電極７２付近に滞留せずに流れていった場合は、制御部１０が改質水の流量を不必要に所定流量まで増やすことを防ぐことができる。
　制御部１０は、改質水の流量を所定流量まで増やした後、再度、気泡センサ７０から検出結果を取得する。制御部１０は、気泡センサ７０から再度取得した検出結果に基づいて、発電装置１内の機器の異常に起因する気泡が改質水に混入しているか否かを判定する。発電装置１内の機器の異常としては、例えば、改質水供給部３６又は配管８０の破損などが起こり得る。
　制御部１０は、気泡センサ７０から再度取得した検出結果において、所定時間以上（例えば、１５秒以上）連続して気泡が検出されている場合に、発電装置１内の機器の異常に起因する気泡が改質水に混入していると判定する。
　または、制御部１０は、気泡センサ７０から再度取得した検出結果において、所定容量以上（例えば、１．５ｃｃ以上）の気泡が検出されている場合に、発電装置１内の機器の異常に起因する気泡が改質水に混入していると判定してもよい。制御部１０は、改質水供給部３６に対して指令している改質水の流量、及び、気泡センサ７０が気泡を検出している時間から、気泡容量を算出することができる。
　制御部１０は、気泡センサ７０から再度取得した検出結果に基づいて、発電装置１内の機器の異常に起因する気泡が改質水に混入していると判定すると、改質器２２などが故障することを防ぐために、発電装置１の動作を停止させる。
　制御部１０は、気泡センサ７０から再度取得した検出結果に基づいて、発電装置１内の機器の異常に起因する気泡が改質水に混入していないと判定すると、改質水の流量を所定流量まで増やす前に検出した気泡は、通常発生する二酸化炭素などに起因する気泡であると判定する。この場合、制御部１０は、改質水の流量を元の流量に戻し、発電装置１の動作は停止させない。これにより、発電装置１は、発電装置１内の機器に異常がない場合に気泡検出の誤判定によって発電装置１を停止することを抑制することができる。
　続いて、本実施形態に係る発電装置１の動作の一例について図３のフローチャートを参照して説明する。
　発電装置１の制御部１０は、気泡センサ７０から検出結果を取得し、改質水の中に気泡が発生しているとの検出結果であるか否かを判定する（ステップＳ１０１）。
　改質水の中に気泡が発生しているとの検出結果でない場合（ステップＳ１０１のＮｏ）、制御部１０は、ステップＳ１０１の処理を繰り返す。制御部１０は、所定の時間間隔で、ステップＳ１０１の処理を繰り返してよい。
　改質水の中に気泡が発生しているとの検出結果である場合（ステップＳ１０１のＹｅｓ）、制御部１０は、改質水供給部３６を制御して、燃料電池モジュール２０に供給される改質水の流量を所定流量（例えば、毎分１０ｍｌ）まで増やす（ステップＳ１０２）。
　制御部１０は、改質水の流量を所定流量まで増やした後、再度、気泡センサ７０から検出結果を取得する。制御部１０は、気泡センサ７０から再度取得した検出結果において、所定時間以上（例えば、１５秒以上）連続して気泡が検出されているか否かを判定する（ステップＳ１０３）。
　所定時間以上連続して気泡が検出されている場合（ステップＳ１０３のＹｅｓ）、制御部１０は、発電装置１内の機器の異常に起因する気泡が改質水に混入していると判定し、発電装置１の動作を停止させる（ステップＳ１０４）。
　所定時間以上連続して気泡が検出されていないと判定した場合（ステップＳ１０３のＮｏ）、制御部１０は、ステップＳ１０１において検出した気泡は、通常発生する二酸化炭素などに起因する気泡であると判定し、発電装置１は停止させない。制御部１０は、燃料電池モジュール２０に供給される改質水の流量を元の流量に戻し（ステップＳ１０５）、ステップＳ１０１に戻る。
　なお、制御部１０は、ステップＳ１０５において改質水の流量を元に戻すのではなく、ステップＳ１０２において、所定時間（例えば２秒間）だけ、改質水を所定流量まで増やすようにしてもよい。
　また、制御部１０は、ステップＳ１０１においてＹｅｓと判定した場合、直ちに改質水の流量を増やさなくてもよい。例えば、制御部１０は、ステップＳ１０１においてＹｅｓと判定し、且つ、現状の改質水の流量が小さい（例えば毎分３ｍｌ以下の流量）と判定した場合にのみ、改質水の流量を所定流量まで増やしてもよい。
　このように、制御部１０は、気泡センサ７０から、改質水の中に気泡が発生しているとの検出結果を取得すると、燃料電池モジュール２０に供給される改質水の流量を所定流量まで増やし、再度、気泡センサ７０から検出結果を取得する。これにより、発電装置１は、配管８０内の改質水の中に発生した気泡が、発電装置１内の機器の異常に起因するものであるか否かを判定することができる。したがって、本実施形態によれば、発電装置１は、改質水の中の気泡検出における誤判定によって発電装置１を停止させてしまうことを抑制することができる。
［制御装置を外部に有する構成］
　本開示の実施形態は、図１に示す発電装置１の制御部１０及び記憶部１２に相当する機能ブロックを、発電装置１の外部に有する構成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４に示す。図４に示す例においては、発電装置１を外部から制御する制御装置２は、制御部１０と、記憶部１２とを備える。図４に示す制御装置２の制御部１０及び記憶部１２の機能は、図１に示す発電装置１の制御部１０及び記憶部１２の機能とそれぞれ同等である。
　また、本開示の実施形態は、例えば、図４に示す制御装置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。
　本発明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及び修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、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、各ステップなどに含まれる機能など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などを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。
　以上の開示においては、本実施形態として、ＳＯＦＣとするセルスタック２４を備える発電装置１について説明した。しかしながら、上述したように、本実施形態に係る発電装置１は、ＳＯＦＣを備えるものに限定されず、例えばモジュールのないＰＥＦＣなど、各種の燃料電池を備えるものとすることができる。本開示において「燃料電池」とは、例えば発電システム、発電ユニット、燃料電池モジュール、ホットモジュール、セルスタック、又はセルなどを意味する。また、本開示における「燃料電池」は、燃料電池車に搭載される燃料電池であってもよい。
　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　改質器
　２４　セルスタック
　３２　ガス供給部
　３４　空気供給部
　３６　改質水供給部
　４０　インバータ
　５０　排熱回収処理部
　５２　循環水処理部
　６０　貯湯タンク
　７０　気泡センサ
　７１　第１電極
　７２　第２電極
　７３　センサ回路
　８０　配管
　１００　負荷
　２００　商用電源

Claims (7)

  1. 　燃料ガス、空気、及び改質水を供給されて発電する燃料電池と、
    　前記燃料電池に供給される前記改質水の中の気泡を検出する気泡センサと、
    　前記気泡センサの検出結果を取得する制御部と、を備え、
    　前記制御部は、
    　前記気泡センサから、前記改質水の中に気泡が発生しているとの検出結果を取得すると、前記燃料電池に供給される前記改質水の流量を所定流量まで増やし、
    　再度、前記気泡センサから検出結果を取得する、発電装置。
  2. 　請求項１に記載の発電装置において、
    　前記制御部は、前記気泡センサから再度取得した検出結果から、前記発電装置内の機器の異常に起因する気泡が前記改質水に混入していると判定すると、前記発電装置の動作を停止させる、発電装置。
  3. 　請求項１又は２に記載の発電装置において、
    　前記制御部は、前記気泡センサから再度取得した検出結果から、前記発電装置内の機器の異常に起因する気泡が前記改質水に混入していないと判定すると、前記改質水の流量を元の流量に戻す、発電装置。
  4. 　請求項２又は３に記載の発電装置において、
    　前記制御部は、前記気泡センサから再度取得した検出結果において、所定時間以上連続して気泡が検出されていると、前記発電装置内の機器の異常に起因する気泡が前記改質水に混入していると判定する、発電装置。
  5. 　請求項２又は３に記載の発電装置において、
    　前記制御部は、前記気泡センサから再度取得した検出結果において、所定容量以上の気泡が検出されていると、前記発電装置内の機器の異常に起因する気泡が前記改質水に混入していると判定する、発電装置。
  6. 　燃料ガス、空気、及び改質水を供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される前記改質水の中の気泡を検出する気泡センサと、を備える発電装置を制御する制御装置であって、
    　前記気泡センサから、前記改質水の中に気泡が発生しているとの検出結果を取得すると、前記燃料電池に供給される前記改質水の流量を所定流量まで増やし、
    　再度、前記気泡センサから検出結果を取得する、制御装置。
  7. 　燃料ガス、空気、及び改質水を供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される前記改質水の中の気泡を検出する気泡センサと、を備える発電装置を制御する制御装置に、
    　前記気泡センサから、前記改質水の中に気泡が発生しているとの検出結果を取得すると、前記燃料電池に供給される前記改質水の流量を所定流量まで増やすステップと、
    　再度、前記気泡センサから検出結果を取得するステップと、を実行させる制御プログラム。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2010192265A (ja) * 2009-02-18 2010-09-02 Osaka Gas Co Ltd 固体酸化物形燃料電池システム
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