JP5198301B2

JP5198301B2 - 燃料電池発電システム

Info

Publication number: JP5198301B2
Application number: JP2009013548A
Authority: JP
Inventors: 雅弘小川; 充彦坂巻
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2009-01-23
Filing date: 2009-01-23
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2029-01-23
Also published as: JP2010170913A

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池（PEFC）を用いる燃料電池発電システムに関する。

燃料電池は、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができると同時に、静かで有害な排ガスを出さないという環境性に優れたシステムである。近年まで、比較的大型のりん酸型燃料電池（PAFC）が主に開発されてきたが、最近では小型の固体高分子型燃料電池（PEFC）の開発が活発化し、PEFCを家庭用燃料電池発電システムとして普及することが勢力的に進められている。

図８は従来の燃料電池発電システムを示す概略構成図である。従来のシステム１００は、燃料電池パッケージ１０２の内部に主要な機器として燃料処理系１０３、燃料電池本体１０４、空気供給系１０５、制御装置１０６、インバータ１０７および凝縮器１０８を備えている。さらに、燃料処理系１０３に燃料を供給するために２つのフェイルクローズ式の燃料遮断弁１０９，１１０および燃料ブロア１１１を有している。

システム１００に供給された燃料は、２つのフェイルクローズ式燃料遮断弁１０９と１１０を経由し、燃料ブロア１１１により加圧され、燃料処理系１０３に供給される。燃料処理系１０３内では触媒下での改質反応により燃料が改質されて水素が生成され、生成された水素が燃料電池本体１０４に送られ、空気供給系１０５から供給される空気（酸化剤）と反応して発電が行われる。

ところで、従来の家庭用燃料電池発電システムは、発電システムの負荷を一定に保持して運転することで発電効率を良くすることができるため、長時間一定負荷で運転することが多く、また従来の給湯器や台所コンロ等のガス機器と比べて消費ガス量が少ない。そのため燃料電池発電システムにおいて一定量で長時間ガスを消費し続けると、家庭に設置しているガスメータがこれを微量なガス漏れと誤検知してしまうという問題を生じる。ガスメータが誤検知すると、ユーザまたはガス会社は実際にガス漏れが有るか無いかの確認点検をする必要があり、安全確認後リセット復帰するまでの間はガスを使用できなくなり大変不便である。

また、ガスメータが頻繁に誤検知してしまうと、ガスメータ内部に組み込まれているマイコンのバッテリー寿命を縮めてしまうという問題も生じる。しかし、家庭用燃料電池を発電する上で、この誤検知を回避することは現状では困難であり、またガス使用時の安全性を考慮するとガスメータの保安機能は必要不可欠であるため、有効な対応策がない状況にある。そこで、暫定的な対応策として、例えば特許文献１では、ガスメータから発電システムへ供給されるガス供給量を所定の変動パターンに従って一時的に変動させ、発電システムの運転に起因するガス供給異常の誤検知を回避する機能を有する燃料電池発電システムを提案している。

特開２００４−２５８７６７号公報

しかしながら、特許文献１の従来システムでは、ガス漏れ検知回避操作時にガスの改質処理を継続させるためにバッファタンクを改質部および加熱部の直前にそれぞれ配置しているが、その上流側の遮断弁を全閉状態にしたときにバッファタンクから改質部等に実際にどのようにしてガスを供給するのか具体性がなく、その有効性に欠けるものである。また、バッファタンクの方式にも具体性がなく、その有効性に欠けるものである。

本発明では、現在９９％以上の家庭に普及しているガスメータの保安機能について、現状の保安機能を損なうことなくガス漏れの誤検知を回避でき、定常的な運転を継続することが可能な燃料電池発電システムを提案することを目的とする。

本発明に係る燃料電池発電システムは、燃料電池本体と、一般家庭用のガス漏れ検知機能を備えたガスメータを有する燃料ガス供給源と、前記燃料ガス供給源から供給される燃料ガスを改質して前記燃料電池本体に供給するための燃料処理系と、前記燃料ガス供給源から前記燃料処理系までの間に設けられたガス流路と、前記ガス流路に設けられ、前記燃料ガス供給源から前記燃料処理系へ送られる燃料ガスを遮断するための２つのフェイルクローズ式燃料遮断弁と、前記燃料電池本体に酸素を供給するための空気供給系と、運転中に運転継続時間を計測し、前記２つのフェイルクローズ式燃料遮断弁の上流側のみを所定時間ごとに閉開する制御機能を有する制御装置と、前記２つのフェイルクローズ式燃料遮断弁の間の前記ガス流路に設けられ、前記ガス流路を流れる燃料ガスの圧力に応じて弾性変形しうる可撓性材料を用いてつくられた容器を有し、前記燃料ガス供給源からの背圧で燃料ガスを前記容器に一時的に蓄積し、前記上流側のフェイルクローズ式燃料遮断弁を閉じ、かつ前記下流側のフェイルクローズ式燃料遮断弁を開けている間において、圧力差により前記容器に蓄積した燃料ガスを前記容器から前記燃料処理系へ供給する容積式燃料バッファと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、現状の家庭用ガスメータの保安機能を損なうことなくガス漏れの誤検知を回避でき、定常的な運転を継続することができる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成ブロック図。（ａ）は燃料電池発電システムの短期リーク対応ロジック図、（ｂ）は燃料電池発電システムの圧力変化対応ロジック図、（ｃ）は燃料電池発電システムの長期リーク対応ロジック図。燃料電池発電システムの制御ブロック図。（ａ）はＯＮディレイ時のタイミングチャート、（ｂ）はシングルショット時のタイミングチャート。（ａ）は上流側の遮断弁の開閉時に生じる燃料流量の変動を説明するためのタイミングチャート、（ｂ）はバッファ下流における燃料流量を示すタイミングチャート。本発明の第２の実施形態に係る燃料電池発電システムのローカル制御を示すブロック図。負荷が急速に減少したときの動作を説明するためのタイミングチャート。従来の燃料電池発電システムの構成ブロック図。

以下、添付の図面を参照して本発明を実施するための種々の形態について説明する。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池発電システム１は、パッケージ化された燃料電池パッケージ２の内部に燃料処理系３、燃料電池本体４、空気供給系５、制御装置６、インバータ７、凝縮器８、第１のフェイルクローズ式燃料遮断弁９、第２のフェイルクローズ式燃料遮断弁１０、燃料ブロア１１および容積式燃料バッファ１２を備えている。燃料処理系３はメタノール等の燃料を改質反応により改質して水素を含有する改質ガスとし、改質ガスを燃料電池本体４のアノード側に供給するものである。

燃料電池パッケージ２内において、上流側から順に第１のフェイルクローズ式燃料遮断弁９、容積式燃料バッファ１２、第２のフェイルクローズ式燃料遮断弁１０、燃料ブロワ１１、燃料処理系３、燃料電池４が内部流路により接続されている。パッケージ２の入口側に設けられた第１のフェイルクローズ式燃料遮断弁９は、燃料ガス供給源２０に接続されている。燃料ガス供給源２０は、保護機能として一般家庭用のガス漏れ検知機能を備えたガスメータを内蔵している。このようなガス漏れ検知機能を備えたガスメータは一般家庭用に広く普及しているものである。例えばガスメータには導管から内管へ流れるガス流量を計測する計測部が設けられている。計測部で計測されたガス流量は、積算流量としてガスメータに設けられた図示しない表示部の画面に表示されるようになっている。ガスメータに設けられたマイコンは、所定のプログラムを実行することにより、ガスの漏洩、ガスホースの抜け、ガス管の破損、ガス栓の誤開放等のガス供給異常を検知するガス燃料供給異常検知機能を有している。その異常検知機能は、計測部で計測されたガス流量から認識されるガス流量状態を監視し、予め設定された所定の期間中に供給ガスの通流状態がリセット状態とならなかったことを上記各種のガス供給異常として検知するものである。異常検知機能が何らかしらのガス供給異常を検知したときには、遮断弁を作動させてガスの通流を遮断するとともに、警報システムを作動させて警報ランプを点滅させると同時にアラーム音を鳴らして、燃料ガス供給に異常が発生したことをオペレータに報知する。さらに、警報信号を通信ネットワーク等を介してガス供給業者が運営管理する管理サーバへ送信するようになっている。

第１及び第２のフェイルクローズ式燃料遮断弁９，１０の各駆動回路は、制御装置６およびインバータ７を介して図示しない電源にそれぞれ接続されている。図３に示すように、制御装置６は、入力信号Ｓ１がＯＮ継続であっても１０時間に１回の頻度で信号を出力するＯＮディレイタイマ６１と、タイマ６１からＯＮディレイ信号が送られると２秒間だけＯＦＦ信号を１回だけ出力するシングルショットタイマ６２と、タイマ６２からのシングルショット信号を伝達するＮＯＴ要素６３と、入力信号Ｓ１とＮＯＴ要素６３からの信号とを合計するＡＮＤ要素６４とを制御回路として有するローカル電気制御盤である。このような制御装置６では、入力信号Ｓ１のＯＮ継続時に、制御装置６から信号Ｓ２が第１のフェイルクローズ式燃料遮断弁９の駆動回路に出力される一方で、第２のフェイルクローズ式燃料遮断弁１０の駆動回路には別の信号Ｓ３が出力されるようになっている。また、制御装置６への入力信号Ｓ１がＯＦＦすると、出力も瞬時にＯＦＦになるようになっている。

ここで本実施形態のシステム１においては第１及び第２のフェイルクローズ式燃料遮断弁９，１０の間に容積式燃料バッファ１２を設けている。この容積式燃料バッファ１２は、２つのフェイルクローズ式燃料遮断弁９，１０の開・閉時の圧力を利用して燃料を一時的に蓄える機能を有し、燃料遮断弁９，１０を開けたときに２００ｃｃ程度までの燃料を蓄えることができる容積を有する容器である。このような容器にはガス圧力に応じて弾性変形可能な可撓性材料を用いることができる。容積式燃料バッファ１２に一時的に貯留される容量の燃料は、燃料電池４が定格出力で消費する燃料の約４秒間分の消費量に相当する。容積式燃料バッファ１２は、第１の燃料遮断弁９を一時的に閉じているときに、蓄えた燃料を約４秒間分の消費燃料として途切れることなく燃料電池４に供給することができる。容積式燃料バッファ１２の設置箇所は、燃料供給停止時の保圧等を考慮すると、図１に示すように第１の燃料遮断弁９と第２の燃料遮断弁１０との間とすることが望ましい。

次に、本実施形態システムの作用について説明する。

燃料電池発電システム１の運転時間が一定時間（例えば１０時間）継続し、燃料を使い続けることで、ガスメータの安全装置（ガス漏れ検知機能）が動作する時間ｔ３になると、図４の（ａ）に示すようにＯＮディレイタイマ６１が作動してＯＮディレイ信号をシングルショットタイマ６２に出力する。ＯＮディレイ信号が入ると、シングルショットタイマ６２は、図４の（ｂ）に示すようにシングルショット信号を１回だけ２秒間（時間ｔ２〜ｔ６）にわたり出力する。これにより第１の燃料遮断弁９は２秒間だけ一時的に閉・開され、ガスメータ下流の圧力が一時的に締切圧に復帰するため、保護タイマがリセットされ、ガス遮断が回避される。

ちなみに図８の従来システム１００においては、燃料遮断弁１０９，１１０を一時的に閉じることで、燃料欠乏や燃料遮断検知等で運転を継続することが困難であるが、本実施形態システム１では、容積式バッファ１２内の燃料が燃料処理系３へ継続的に供給されるため、滞りなく発電を継続することができる。

一方、実際に燃料電池発電システム１以外のガス配管等でガスリークが発生していた場合は、上記操作でも圧力の復帰が少ないことから、この保護タイマがリセットされずに通常の燃料遮断に至り、安全が確保される。従って、本発明方式により本質的な保安機能を損なうことなく、燃料電池発電システムで従来誤検知されていた状況を回避することが可能となる。

図２の（ａ）（ｂ）（ｃ）は、ガスメータの保護を安全に回避するための動作ロジックを示す各種のフローチャートである。このうち図２の（ｂ）は本実施形態で用いた圧力変化対応ロジックである。この圧力変化対応ロジックでは、タイマ積算器をリセットした時点からタイマ６１は時間パルス信号のカウントを開始し（工程Ｋ１）、燃料電池発電システムが運転中であるか否かを判定しながら（工程Ｋ２）、カウント数を積算する（工程Ｋ３）。運転停止時にはリセットボタンを押してリセットするか又は自動リセットしてカウント数をゼロに戻してからカウントを再開する。カウント数を積算し（工程Ｋ３）、積算カウント数が１０時間以上になったか否かを判定する（工程Ｋ４）。工程Ｋ４がＹＥＳ判定のときは上述の燃料遮断操作が実行される（工程Ｋ５）。一時的な燃料遮断操作から所定時間経過後に通常の定常運転に復旧し（工程Ｋ６）、タイマをリセットしてカウント数をゼロに戻してからカウントを再開する（工程Ｋ１）。

図５を参照して圧力変化対応ロジックの作用について更に詳しく説明する。図５の（ａ）に示すように、マイコンメータ保護リセットのタイミングｔ１１から第１の遮断弁９を開けるタイミングｔ１２までの期間（ｔ１１〜ｔ１２＝２秒間）は第１の遮断弁９が閉じ、下流側への燃料の供給が遮断される。この遮断期間中にバッファ１２に蓄えられた燃料がバッファ１２から燃料処理系３に送られ、さらに改質された水素含有ガスが燃料電池本体４に送られ、改質反応と発電反応に実質的に供される。そして、タイミングｔ１２に第１の遮断弁９を開けると、燃料供給源２０からの背圧でバッファ１２に燃料が充填されるとともに、燃料処理系３への燃料の供給が継続される。燃料は、図中に斜線で示した流量だけバッファ１２に充填される。

図５の（ｂ）に示すように、第１遮断弁９が開閉する上記の操作期間中において第２の遮断弁１０のほうは開の状態にあり、圧力差によりバッファ１２に充填された燃料が供給ラインに送り出されることにより、バッファ１２より下流側への燃料の供給が補償される。なお、第２の遮断弁１０は、燃料処理系３が異常昇温したときなどの緊急の非常事態のときに閉じて、バッファ１２より下流側への燃料の供給を完全に遮断する役割を有するものである。

次に、図６を参照して本発明の第２の実施形態に係る燃料電池発電システムについて説明する。なお、本実施形態が上記実施形態と共通する部分の説明は省略する。

実施形態に係る燃料電池発電システム１Ａが上記第１の実施形態のシステム（図１）と構成上で相違する点は、第１の燃料遮断弁９の駆動電源に対し、制御装置とは異なるローカル制御装置３０の信号が投入されていることである。この燃料遮断弁９と１０は電源オフで閉まるフェイルクローズ方式であるため、通常は制御装置６Ａからの信号を受けて開閉を行っているが、ローカル制御装置３０により駆動電源を強制的にオフにすることが可能な構成となっている。

ローカル制御装置３０は、汎用のタイマリレーを核とした簡易な構成であり、１０時間に一回の割合で２秒間だけ信号を切る制御を行う。これはこの燃料電池発電システムの状態によらず単純に行うものである。燃料電池発電システムが停止時には遮断弁９はOFFであるため、このローカル簡易制御装置３０によるOFF介入が働いても状況が変化しない。また、起動時のバーナ昇温中にOFF介入が働いて燃料弁９が短時間遮断された場合、容積式燃料バッファ１２から燃料が途切れることなく供給されるため起動が継続される。さらに、発電中にOFF介入が働いた場合、開いていた遮断弁が一時的に閉となるが、起動時と同様に容積式燃料バッファ１２から燃料が途切れることなく供給されるため問題なく発電が継続される。一方、これらの定期的な一時閉によりガスメータのリーク検知機能はリセットされるため、誤検知することはない。

本実施形態の結果は、簡単なシステムを追加することにより、制御装置の構成やロジックを変更することなく、保護誤検知回避機能を追加することができることにある。具体的には、制御装置６Ａと完全に独立したローカル制御装置３０と容積式燃料バッファ１２の追加、および燃料遮断弁９の駆動電源の改造により実現できる。

従って、既に出荷された稼働中のシステムや、開発が完了しているシステム等への適用が容易である。

次に、図２（ａ）と図７を参照して本発明の第３の実施形態に係る燃料電池発電システムについて説明する。なお、本実施形態が上記実施形態と共通する部分の説明は省略する。

本実施形態のシステムには図２の（ａ）に示す短期リーク対応ロジックを用いる。短期リーク対応ロジックは、短時間で使用量が変化しない場合にリークが発生していると判断する保護機能である。燃料電池システムは通常の負荷変化速度に制約があり比較的遅いことから、この保護機能が動作する場合がある。この短期リーク対応ロジックでは、タイマ積算器をリセットした時点からタイマ６１は時間パルス信号のカウントを開始し（工程Ｓ１）、燃料電池発電システムが運転中であるか否かを判定しながら（工程Ｓ２）、カウント数を積算する（工程Ｓ３）。運転停止時にはリセットボタンを押してリセットするか又は自動リセットしてカウント数をゼロに戻してからカウントを再開する。カウント数を積算し（工程Ｓ３）、積算カウント数が３時間以上になったか否かを判定する（工程Ｓ４）。工程Ｓ４がＹＥＳ判定のときは出力急低下操作が実行される（工程Ｓ５）。出力急低下操作から所定時間経過後に通常の定常運転に復旧し（工程Ｓ６）、タイマをリセットしてカウント数をゼロに戻してからカウントを再開する（工程Ｓ１）。

図７を参照して短期リーク対応ロジックの作用について更に詳しく説明する。

積算カウント数が３時間以上になったタイミングｔ３１に負荷を瞬時に急激に低下させ、マイコンメータ保護リセットのタイミングｔ３２の後からは鋭角的に元の負荷に回復させる。このようにタイミングｔ３１からタイミングｔ３３までの期間（ｔ３１〜ｔ３３＝２秒間）に意図的に負荷の変動を増大させる。なお、出力急低下操作の前後において燃料流量は実質的に一定に保持する。

このように３時間に一度、負荷を瞬時低下させることでこの誤検知を回避する。すなわち、通常負荷を急速に低下させると、燃料処理系３において改質器バーナの燃焼性が悪くなるため、この急速低下と共にバーナ燃焼空気比を一時的に上げる等の特別対応を同時に行うことで、効率低下は許容するが安全性等を担保する。

次に、図２（ｃ）を参照して本発明の第４の実施形態に係る燃料電池発電システムについて説明する。なお、本実施形態が上記実施形態と共通する部分の説明は省略する。

本実施形態のシステムには図２の（ｃ）に示す長期リーク対応ロジックを用いる。長期リーク対応ロジックとは、約１ヶ月ガスが連続的に使われた場合動作する保護機能である。この長期リーク対応ロジックでは、タイマ積算器をリセットした時点からタイマ６１は時間パルス信号のカウントを開始し（工程Ｒ１）、燃料電池発電システムが運転中であるか否かを判定しながら（工程Ｒ２）、カウント数を積算する（工程Ｒ３）。運転停止時にはリセットボタンを押してリセットするか又は自動リセットしてカウント数をゼロに戻してからカウントを再開する。カウント数を積算し（工程Ｒ３）、積算カウント数が３０日以上になったか否かを判定する（工程Ｒ４）。工程Ｒ４がＹＥＳ判定のときは運転停止操作が実行される（工程Ｒ５）。運転停止操作から所定時間経過後に通常の定常運転に復旧し（工程Ｒ６）、タイマをリセットしてカウント数をゼロに戻してからカウントを再開する（工程Ｒ１）。このように３０日間（１ヶ月）に１回だけシステムの運転を停止させることで、本質的にこの誤検知を回避する。この頻度であれば使用上問題ないことから、特に工夫することなく通常に停止し一定時間後に起動することとしている。

本実施形態の構成と制御ロジックにより、ガスメータの有する保安機能について、安全性を損なうことなく誤検知を防止し、安定して燃料電池システムの運用をすることが可能となる。

１，１Ａ…燃料電池発電システム、２，２Ａ…燃料電池パッケージ、
３…燃料処理系、４…燃料電池本体、５…空気供給系、
６…制御装置、７…インバータ、８…凝縮器、
９，１０…フェイルクローズ式燃料遮断弁、
１１…燃料ブロア、１２…容積式燃料バッファ、
２０…ガスメータを内蔵する燃料ガス供給源、
３０…ローカル簡易制御装置、３１…後付保護誤検知回避セット。

Claims

燃料電池本体と、
一般家庭用のガス漏れ検知機能を備えたガスメータを有する燃料ガス供給源と、
前記燃料ガス供給源から供給される燃料ガスを改質して前記燃料電池本体に供給するための燃料処理系と、
前記燃料ガス供給源から前記燃料処理系までの間に設けられたガス流路と、
前記ガス流路に設けられ、前記燃料ガス供給源から前記燃料処理系へ送られる燃料ガスを遮断するための２つのフェイルクローズ式燃料遮断弁と、
前記燃料電池本体に酸素を供給するための空気供給系と、
運転中に運転継続時間を計測し、前記２つのフェイルクローズ式燃料遮断弁の上流側のみを所定時間ごとに閉開する制御機能を有する制御装置と、
前記２つのフェイルクローズ式燃料遮断弁の間の前記ガス流路に設けられ、前記ガス流路を流れる燃料ガスの圧力に応じて弾性変形しうる可撓性材料を用いてつくられた容器を有し、前記燃料ガス供給源からの背圧で燃料ガスを前記容器に一時的に蓄積し、前記上流側のフェイルクローズ式燃料遮断弁を閉じ、かつ前記下流側のフェイルクローズ式燃料遮断弁を開けている間において、圧力差により前記容器に蓄積した燃料ガスを前記容器から前記燃料処理系へ供給する容積式燃料バッファと、
を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
前記制御装置は、入力信号がＯＮ継続であっても所定時間に１回の頻度で信号を出力するＯＮディレイタイマと、前記ＯＮディレイタイマからＯＮディレイ信号が送られると所定時間だけＯＦＦ信号を１回だけ出力するシングルショットタイマと、前記シングルショットタイマからのシングルショット信号を伝達するＮＯＴ要素と、前記入力信号とＮＯＴ要素からの信号とを合計するＡＮＤ要素と、を有し、前記ＡＮＤ要素で合計した合計信号を前記フェイルクローズ式燃料遮断弁に出力することを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
運転中に運転継続時間を計測し、前記２つのフェイルクローズ式燃料遮断弁の上流側のみを所定時間ごとに一時的に閉・開する制御機能を、前記制御装置とは別に独立したローカル制御装置として設けたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。