WO2007142278A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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Shigeki Yasuda
Takashi Nishikawa
Hideo Ohara
Masataka Ozeki
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Panasonic Holdings Corp
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Panasonic Corp
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a mechanism for preventing water freezing and ensuring safety when an abnormality occurs.
  • a fuel cell system includes a fuel cell that generates electric power through a chemical reaction between hydrogen and oxygen, and a cooling water path that cools the fuel cell. If such a fuel cell system is left outdoors for more than a certain period of time, the water in the cooling water path will freeze as the outside air temperature decreases. As a result, the temperature of the fuel cell cannot be controlled at the next start-up and power generation is not possible, or the efficiency may be reduced. In addition, the fuel cell is subject to mechanical damage due to freezing, and operation may not be possible after thawing, or power generation efficiency may be reduced. In addition, components such as pumps, tanks, and pipes that circulate cooling water are also expected to suffer mechanical damage.
  • a temperature sensor that detects an external temperature is provided, and when the temperature sensor detects a temperature that is equal to or lower than a threshold value, an anti-freezing operation is known.
  • a threshold value For example, see Patent Document 1.
  • FIG. 5 is a diagram showing an outline of the configuration of the conventional fuel cell system described in Patent Document 1.
  • the fuel cell system described in Patent Document 1 includes a fuel cell 135, a water supply line 136 that supplies water to the fuel cell 135, a water treatment device 138 that performs pure water treatment of the brine 137, In the water treatment device 138, a booster pump 139 that conveys pure water treated to the water supply line 136, a heater 140 disposed in the water treatment device 138, a temperature sensor 141, a controller 142, Talk with you.
  • Water supply line 136 supplies water to water tank 143 and fuel cell 135 And a booster pump 144.
  • the controller 142 controls the booster pump 139 and the booster pump 144 to supply water as anti-freezing processing. Further, the controller 142 turns on the switch of the heater 140 to cause the heater 140 to heat the water treatment device 138. Thus, even when the outside air temperature is low, freezing of the water supply line 136 that supplies water to the fuel cell system can be prevented, and damage to the fuel cell system can be prevented.
  • Patent Document 1 JP 2004-207093 A
  • the present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of preventing water freezing while ensuring safety.
  • the present inventors have intensively studied. That is, in the fuel cell system having an anti-freezing operation function, a case is assumed in which the outside air temperature falls below a predetermined temperature while some abnormality occurs and the system stops. In this case, if priority is given to freeze prevention and the heater is operated uniformly as freeze prevention operation, if the abnormality is, for example, an abnormality in which flammable gas leaks into the system, the heater There is a possibility that this switch may cause a fire or the like as an ignition source. On the other hand, if the abnormality is such that the safety of the fuel cell system is not hindered by the heater on operation, water freezing of the fuel cell system is prevented, which is preferable.
  • the abnormality is a mode in which the safety of the fuel cell system is hindered by the heater ON operation, and the abnormality is determined by the heater ON operation.
  • System safety is impeded If it is a mode that is harmed, the anti-freezing operation is not performed with priority given to safety, and the safety of the fuel cell system is not hindered by the on-operation of the abnormal force heater.
  • the idea was to give anti-freezing operation with priority on anti-freezing.
  • a fuel cell system includes a fuel cell that generates power using fuel and an oxidant, a water path that is a water path related to the operation of the fuel cell, and the water path.
  • Electric heater for heating, water-related temperature detector for detecting a temperature related to the temperature of water in the water path, and a first abnormality for detecting a first abnormality including an abnormality relating to leakage of combustible gas A detector, a second abnormality detector for detecting a second abnormality different from the first abnormality, and a controller, wherein the controller is a first abnormality in the first abnormality detector.
  • a fuel cell system configured to stop operation when a second abnormality is detected by the second abnormality detector, wherein the controller is configured to stop the second abnormality detector.
  • the electric heater is operated as a freeze prevention operation, and the first abnormality is detected by the first abnormality detector. Therefore, when the fuel cell system is stopped, the electric heater is not operated as the anti-freezing operation even if the water-related temperature detector detects a temperature equal to or lower than the predetermined threshold value! /, Configured as follows.
  • the electric heater when the first abnormality related to the leakage of the combustible gas occurs in the fuel cell system and the fuel cell system is stopped, the electric heater is operated as the freeze prevention operation. Therefore, it is possible to ensure safety by stopping anti-freezing operation.
  • the electric heater when a second abnormality that is different from the first abnormality occurs and the fuel cell system is stopped, the electric heater is operated as a freeze prevention means based on the temperature detected by the temperature detector, thereby Freezing is prevented and, as a result, damage to the fuel cell system due to freezing of the water path is prevented.
  • the water path collects heat from a cooling water path through which cooling water for cooling the fuel cell flows, a cooling water tank for storing the cooling water, and cooling water flowing through the cooling water path.
  • a hot water path through which hot water flows, a hot water storage tank for storing the hot water, and the fuel cell Exhaust power of power There may be at least one of a recovered water path through which recovered water flows and a recovery water tank for storing the recovered water! /.
  • the fuel cell system includes, as the first abnormality detector, a combustible gas sensor that detects a combustible gas concentration, and the controller includes a combustible gas concentration at which the combustible gas sensor exceeds a predetermined threshold value.
  • the electric heater is not operated as the freeze prevention operation. Constructed, ok.
  • the fuel cell system includes a reformer that generates a hydrogen-containing gas as the raw material power, a burner that heats the reformer, and the first abnormality that detects the CO concentration in the exhaust gas of the burner.
  • a CO sensor as a detector, and the controller detects the water concentration temperature detector when the CO sensor detects a CO concentration equal to or higher than a predetermined threshold and the fuel cell system is stopped. Even if a temperature equal to or lower than the predetermined threshold value is detected, the electric heater may not be operated as the freeze prevention operation.
  • the fuel cell system includes an oxidizing gas supply device that supplies an oxidizing gas to the panner, and an oxygen gas supply as the first abnormality detector that detects an abnormality of the acid gas supply device.
  • An abnormality detector, and the controller detects the abnormality and the fuel cell system is stopped when the acid gas supply abnormality detector detects an abnormality. Even if a temperature below a predetermined threshold is detected, the electric heater is not operated as the freeze prevention operation.
  • the fuel cell system includes: a reformer that generates a hydrogen-containing gas as the raw material power; and a reformer temperature detector as the first abnormality detector that detects the temperature of the reformer. And when the fuel cell system is stopped when the reformer temperature detector detects a temperature equal to or higher than a predetermined threshold, the water-related temperature detector is Even if a temperature below the threshold value is detected, the electric heater is not operated as the anti-freezing operation.
  • the fuel cell system includes a raw material force, a reformer that generates a hydrogen-containing gas as the fuel, and a pressure detector as the first abnormality detector that detects a pressure inside the reformer.
  • the controller detects that the pressure detector detects a pressure equal to or higher than a predetermined threshold.
  • the electric heater is not operated as the anti-freezing operation even when the water-related temperature detector detects a temperature below the predetermined threshold. .
  • Abnormality of the flow rate controller in which the second abnormality detector controls the flow rate of water or air related to the operation of the fuel cell system as the second abnormality.
  • An abnormality related to the temperature of the water related to the operation of the fuel cell an abnormality related to the water level related to the operation of the fuel cell, an abnormality related to the flow rate of the fluid (excluding the combustion air) related to the operation of the fuel cell, and
  • the controller detects at least a deviation in the output of electricity generated by the fuel cell, and the controller detects the second abnormality by the second abnormality detector and detects the second abnormality.
  • the electric heater is configured to operate as anti-freezing operation when the water-related temperature detector detects a temperature below a predetermined threshold value.
  • the fuel cell system detects an abnormality of the cooling water pump for flowing the cooling water and the abnormality of the cooling water pump as an abnormality relating to a flow rate of the fluid related to the operation of the fuel cell.
  • a cooling water pump abnormality detector as an abnormality detector! /! /.
  • the present invention is configured as described above, and has an effect that water freeze prevention is possible while ensuring safety in a fuel cell system.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of a freeze prevention circuit.
  • FIG. 3 is a table showing anomaly classification in the present invention.
  • FIG. 4 is a flowchart showing the contents of the abnormality processing program stored in the controller.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional fuel cell system. Explanation of symbols
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention.
  • the fuel cell system of the present embodiment includes a reformer 2 that generates a hydrogen-containing gas from a raw material supplied from the raw material supply path 1 and water vapor by a steam reforming reaction.
  • Carbon monoxide (hereinafter referred to as CO) in the hydrogen-containing gas generated in the reformer 2 is converted into acid using air as an acid gas supplied from a CO remover 36 power acid gas path 37. Decrease the CO concentration.
  • the hydrogen-containing gas with reduced CO concentration is supplied from the CO remover 36 to the fuel cell 3 through the hydrogen supply path 20.
  • the fuel cell 3 generates electricity by a chemical reaction between the hydrogen-containing gas as the fuel and air as the oxidant. This air is supplied to the fuel cell 3 by the air supplier 4.
  • the air supply 4 is constituted by a blower.
  • the hydrogen-containing gas that has not been used for the reaction in the fuel cell 3 is supplied to the Parner 5 through the exhaust hydrogen gas path 30 as exhaust hydrogen gas.
  • the burner 5 burns the exhaust hydrogen gas or the raw material supplied through a path (not shown) by the air supplied from the combustion fan 6 and heats the reformer 2 with the combustion heat. The heat from this heating is used in the reformer 2 to reform the raw material into a hydrogen-containing gas.
  • the combustion gas generated in PANA 5 is discharged to the outside through the exhaust combustion gas path 27.
  • air that has not been used for the reaction in the fuel cell 3 is exhausted to the outside through the exhaust air path 38 as exhaust air.
  • a condenser (not shown) is disposed in the exhaust air path 38, and water in the exhaust air condensed by the condenser flows to the recovered water tank 13 through the recovered water path 12 and is stored therein.
  • condensers (not shown) are also provided in the exhaust hydrogen gas path 30 and the exhaust combustion gas path 27 described above, respectively, and the water in the exhaust air and the exhaust combustion gas respectively condensed in these condensers. Water flows into the recovered water tank 13 through the recovered water paths 12 and 12, and is stored there.
  • the water stored in the recovery tank 13 is supplied to the reformer 2 through the reforming water path 17 by the pump 16, where it is used for reforming the raw material to hydrogen-containing gas.
  • the water in the recovered water tank 13 is drained through the drainage path 18 by opening a drain valve (not shown).
  • the fuel cell system includes a cooling water path 8 that is a circulation path that passes through the inside of the fuel cell 3.
  • the cooling water tank 9 and the cooling water are passed through the cooling water path 8.
  • the cooling water pump 7 to be circulated and the heat exchanger 31 are arranged.
  • the heat exchanger 31 is disposed across the cooling water path 8 and the hot water path 10, and exchanges heat between the cooling water flowing through the cooling water path 8 and the hot water flowing through the hot water path 10.
  • the hot water passage 10 is provided with a hot water storage tank 11 for storing hot water and a hot water pump 9 for flowing hot water through the hot water passage.
  • the cooling water discharged from the cooling water tank 9 flows through the fuel cell 3 and the exhaust heat is recovered from the fuel cell 3 while the temperature rises, and the raised cooling water is discharged into hot water storage by heat exchange. It is cooled by transferring heat and returned to 9 in the cooling water tank. The hot water transferred to the exhaust heat is heated and stored in the hot water storage tank.
  • the fuel cell 3 is cooled by the cooling water, and the exhaust heat collected by the fuel cell 3 is stored in the hot water storage tank as hot hot water storage and used by the user by hot water supply or the like.
  • an inter-circulation path 15 having a pump 14 is formed between the cooling water tank 9 and the recovery water tank 13, and water stored in the recovery tank 13 is transferred to the cooling water tank 9 by the pump 14.
  • the supplied water overflowed from the cooling water tank 9 returns to the recovered water tank 13.
  • Water remaining in the cooling water tank 9 is used there as cooling water.
  • a purifier including an ion exchanger (not shown) is disposed in the middle of the reciprocal circulation path 15 to the cooling water tank 9, and with such a configuration, the cooling water path 8 is circulated and deteriorated. Cooling water is purified.
  • the water in the cooling water tank 9 is drained through the drainage path 18 by opening the drain valve, not shown.
  • an electric heater 19 is disposed in a water path in the fuel cell system that may freeze.
  • the cooling water path 8, the hot water path 10, the recovered water path 12, the mutual circulation path 15, the reforming water path 17 and the drainage path 18 which are examples of the water path of the present invention are arranged. It is installed.
  • the electric heater 19 may be installed directly on these paths as in the present embodiment, it is installed at a position away from these paths, and these paths are indirectly heated by radiant heat. You may comprise as follows.
  • the water path in which the electric heater 19 is disposed is not limited to the above.
  • the water tank 13 may be the recovered water tank 13, and may be a misplaced part as long as it is a water water path related to the operation of the fuel cell. It does n’t matter.
  • the fuel cell system includes an inverter 42 that converts DC power generated by the fuel cell 3 into AC power and outputs the AC power.
  • FIG. 2 is a circuit diagram showing the configuration of the freeze prevention circuit.
  • the freeze prevention circuit 39 is configured by connecting an electric heater 19, an on / off switch 33 and a freeze prevention stop switch 34 in series to a power source 32.
  • the power source 32 is constituted by a commercial power network to which the fuel cell 3 is linked.
  • the commercial power network may be used as the power source 32 while the fuel cell system is stopped, and the fuel cell 3 may be used as the power source while the fuel cell system is generating.
  • the freeze prevention circuit 39 when both the on / off switch 33 and the freeze prevention stop switch 34 are closed (turned on), the electric heater 19 is energized by the power source 32 to generate heat. Due to this heat generation, each path in which the electric heater 19 is disposed is heated, and water in each path is prevented from freezing.
  • the on / off switch 33 When the on / off switch 33 is opened (turned off), the energization to the electric heater 19 is stopped and the anti-freezing operation is stopped.
  • the freeze prevention stop switch 34 When the freeze prevention stop switch 34 is opened, the electric heater 19 is deenergized regardless of whether the on / off switch 33 is closed or opened, and the freeze prevention operation is prohibited.
  • the operations of the on / off switch 33 and the freeze prevention stop switch 34 are controlled by a controller 21 described later.
  • the on / off switch 32 is assumed to be mechanically automatically connected regardless of the control of the controller 21 when a temperature detector 20 described later detects a temperature equal to or lower than the first threshold temperature. Bimetal may be used.
  • the fuel cell system includes a controller 21.
  • the controller 21 is configured by an arithmetic unit such as a microcomputer, and includes a calculation unit (not shown) having, for example, CPU power, and a storage unit (not shown) having, for example, an internal memory. Further, an input unit (not shown) for inputting required data to the arithmetic unit and a display unit (not shown) for displaying the required data are provided.
  • the controller 21 stores a predetermined program in the storage unit, and the calculation unit reads out and executes the program, thereby performing necessary control and data processing. Specifically, the controller 21 receives the detection signals of various sensor forces provided in a required part of the fuel cell system, and appropriately processes them to control the operation of the entire fuel cell system.
  • the controller means not only a single controller but also a group of controllers. Therefore, the controller 21 is composed of a plurality of dispersedly arranged controllers that are not necessarily composed of a single controller, and these cooperate with each other in order to meet the required requirements. Can be configured to do control.
  • the fuel cell system includes a temperature detector 20 (water-related temperature detector), a first abnormality detector, a second abnormality detector, It is equipped with.
  • the temperature detector 20 is installed in a place where a temperature related to the temperature of water in each water path can be detected.
  • the “temperature related to the temperature of water in the water path” refers to a temperature having a correlation with the temperature of water in the water path itself and the temperature of water in the water path. Therefore, if the temperature detector 20 is installed in a location that can detect the temperature correlated with the temperature of the water in the water path, the fuel cell system does not need to detect the temperature in the water path directly. It may be installed in any place, whether inside or outside.
  • water freezing in the water channel is essentially related to the outside air temperature, so when installing in a location other than the water channel, it is desirable to install the temperature detector 20 in a place where the outside air temperature can be detected. .
  • it is installed on the bottom plate of the housing that houses the fuel cell system! Speak.
  • FIG. 3 is a table showing the classification of abnormalities in the present invention.
  • the abnormality that accompanies the stop of the fuel cell system is defined including the first abnormality and the second abnormality.
  • the abnormality that accompanies the shutdown of the fuel cell system may be defined including the abnormality other than the first abnormality and the second abnormality.
  • Such anomalies are essentially unrelated to the present invention and are dealt with as appropriate.
  • the first abnormality and the second abnormality will be explained.
  • the first abnormality detector is for detecting the first abnormality
  • the second abnormality detector is for detecting the second abnormality.
  • the first abnormality means an abnormality including an abnormality related to leakage of combustible gas
  • the second abnormality means an abnormality different from the first abnormality.
  • the first abnormality is defined as an abnormality including an abnormality in which the safety of the fuel cell system is hindered by operating the heater while the abnormality occurs.
  • the second abnormality is defined as an abnormality that does not hinder the safety of the fuel cell system even if the heater is operated while the abnormality is occurring.
  • the “combustible gas concentration abnormality” in which the concentration of the combustible gas is equal to or higher than the threshold value and the “exhaust combustion gas CO concentration in which the CO concentration of the exhaust combustion gas is higher than the threshold value.
  • abnormalities are defined as “pressure abnormalities”.
  • the reasons for defining these abnormalities as the first abnormality are as follows.
  • the “abnormal flammable gas concentration” is also a force that indicates that flammable gas is leaking into the fuel cell system.
  • exhaust combustion gas CO concentration abnormality indicates that the combustion of PANA-5 is unstable, and there is a possibility that exhaust hydrogen gas or raw material, which is a fuel for combustion, may leak the exhaust combustion gas. It is.
  • “Combustion fan abnormality” is a force that indicates that exhaust hydrogen gas or raw material, which is a fuel for combustion, may leak out of the exhaust combustion gas without burning in the burner 5.
  • “Reformer temperature abnormality” indicates that the reformer 2 may be damaged due to an abnormally high temperature and the flammable gas (hydrogen or unmodified raw material) inside the reformer 2 may leak. That's it.
  • Reformer pressure abnormality '' indicates that the reformer 2 may be damaged due to abnormally high pressure, and flammable gas (hydrogen or unreformed raw material) inside the reformer 2 may leak. Power. Note that these are examples, and some of these may be defined as the first abnormality, and others may be defined as the first abnormality.
  • the second abnormality is the abnormality of the flow controller (excluding the combustion air supply) that controls the flow rate of water or air related to the operation of the fuel cell system.
  • Water temperature abnormality which is an abnormality related to water temperature related to operation
  • Water level abnormality which is an abnormality related to water level related to operation of fuel cell 3
  • Fluid related to operation of fuel cell 3 excluding combustion air 5
  • Flow rate abnormality which is an abnormality related to the flow rate of
  • Electric output abnormality which is an abnormality related to the output of electricity generated by the fuel cell 3.
  • Water temperature abnormality is defined as “cooling water temperature abnormality” in which the temperature of the cooling water is outside the allowable range (above the upper limit or below the lower limit), and “hot water temperature abnormality” in which the temperature of the hot water is outside the allowable range. ing.
  • Water level abnormality means that the water level in the recovered water tank 13 is outside the allowable range (for example, below a predetermined threshold), and the water level in the cooling water tank 9 is outside the allowable range (for example, the predetermined level).
  • “Cooling water tank water level abnormality” is specified.
  • Flow abnormality means that the water is not normally supplied from the recovered water tank 13 to the reformer 2 “reform water abnormality”, and air is not normally supplied from the air supply 4 to the fuel cell 3 “stack” ⁇ Air supply error '', Hot water pump 35 does not operate normally ⁇ Hot water pump error '', Cooling water pump 7 does not operate normally ⁇ ⁇ Cooling water pump error '', and Oxidation gas path 37 to CO remover 36 “Oxidizing gas flow rate abnormality” is specified when the flow rate of supplied air is outside the allowable range (for example, below a predetermined threshold).
  • Electric output abnormality related to the electricity generated by fuel cell 3 is defined as “stack voltage drop abnormality” in which the generated voltage of fuel cell 3 falls below the threshold, and “inverter abnormality” when inverter 42 does not operate normally. Being!
  • the “abnormality of the flow controller” is not specifically shown here, but may be defined as appropriate. Note that these are examples, and some of these may be defined as the second abnormality, and others may be defined as the second abnormality.
  • a flammable gas sensor 22 As the first abnormality detector, a flammable gas sensor 22, a CO sensor 23, a combustion fan abnormality detector 24, a reformer temperature detector 25, and a pressure detector 26 are installed here.
  • the combustible gas sensor 22 has a function of detecting leakage of combustible gas in the fuel cell system, and includes a sensor that detects the concentration of combustible gas, for example, combustible raw material or hydrogen gas.
  • the fuel cell system is installed in the upper part of the casing of the fuel cell system in which flammable gas tends to stay.
  • the CO sensor 23 has a function of detecting the concentration of CO contained in the exhaust combustion gas from the burner 5.
  • the CO sensor 23 includes a CO concentration sensor and is installed in the exhaust combustion gas path 27.
  • the combustion fan abnormality detector 24 is installed in the combustion fan 6 and has a function of detecting an operation abnormality of the combustion fan 6. In this embodiment, an abnormality in the rotational speed of the combustion fan 6 is detected. Configured to do.
  • the reformer temperature detector 25 has a function of detecting the temperature inside the reformer 2.
  • the reformer temperature detector 25 is composed of a temperature sensor so that the temperature inside the reformer 2 can be detected.
  • the reformer pressure detector 26 has a function of detecting the pressure inside the reformer 2, and here, it is composed of a pressure sensor, so that the pressure inside the reformer 2 can be detected. Installed in vessel 2.
  • the controller 21 determines whether the physical quantity detected by the combustible gas sensor 22, the CO sensor 23, the reformer temperature detector 25, and the reformer pressure detector 26 is abnormal. Ru .
  • the combustible gas sensor 22, CO sensor 23, reformer temperature detector 25, and reformer pressure detector 26 are each equipped with a computing unit such as a microcomputer, whether or not the physical quantity detected by each is abnormal. It may be configured to determine whether or not.
  • the first abnormality detector includes a raw material flow detector that detects the flow rate of the raw material supplied from the raw material supply path 1, and the flow rate value detected by the raw material flow detector is equal to or higher than a predetermined flow rate.
  • the controller 21 may be determined to be abnormal.
  • the controller 21 is configured to perform the following gas leak check sequence using the raw material flow rate detector. That is, when the fuel cell system stops (in this case, standby (normal stop)), the upstream end of the raw material supply path 1 is closed by a valve (not shown).
  • an appropriate gas pressure imposing means (gas supply means) is connected to the raw material supply path 1 and a gas pressure of 2 kPa is imposed on the raw material supply path 1 and is detected by the raw material flow meter. If the flow rate value is greater than or equal to the threshold value, the controller 21 determines that there is an abnormality. In such a case, it is assumed that combustible gas such as raw material gas or hydrogen-rich gas leaks in each path force.
  • a cooling water temperature detector 52 As the second abnormality detector, here, a cooling water temperature detector 52, a hot water temperature detector 56, a recovered water level detector 53, a cooling water level detector 52, a reforming water supply abnormality detector 54 are used. , Stack air supply abnormality detector 58, hot water storage pump abnormality detector 55, cooling water pump abnormality detector 28, oxidizing gas flow abnormality detector 57, stack voltage detector 43, and inverter abnormality detector 44 are installed. ing.
  • the cooling water temperature detector 55 includes a temperature sensor, and is installed in a place where the temperature of the cooling water in the cooling water tank 9 can be detected.
  • the hot water temperature detector 55 is composed of a temperature sensor, and is installed on the outer surface of the hot water tank 11 here.
  • the recovered water level detector 53 is composed of a water level sensor and is installed in the recovered water tank 13 so that the water level can be detected.
  • the cooling water level detector 51 is composed of a water level sensor, and is installed in the cooling water tank 19 so that the water level can be detected.
  • the controller 21 determines that the temperature detected by the cooling water temperature detector 52 and the stored hot water temperature detector 56 is outside the allowable range (above the upper limit or less than the lower limit), and the temperature is abnormal.
  • the reforming water pump abnormality detector 54 is installed in the reforming water pump 16 and has a function of detecting an operation abnormality of the reforming water pump 16.
  • the reforming water pump 16 includes A pressure detector is provided, and it is configured to determine that the pressure change due to the reforming water evaporation is below a predetermined threshold value.
  • the stack air supply abnormality detector 58 is installed in the air supply device 4 and has a function of detecting an operation abnormality of the air supply device 4.
  • the air supply device 4 composed of a blower is provided.
  • a flow meter for detecting the flow rate of the supplied air is provided, and the flow rate of the air is determined to be abnormal when the flow rate of the air is outside the allowable range (for example, below a predetermined threshold).
  • the hot water pump abnormality detector 55 is installed in the hot water pump 35 and has a function of detecting an abnormal operation of the hot water pump 35.
  • the hot water pump 35 has an abnormal rotation speed. It is configured to detect.
  • It is installed in the cooling water pump abnormality detector 28 and the cooling water pump 7 and has a function of detecting an abnormal operation of the cooling water pump 7.
  • the rotational speed abnormality of the cooling water pump 7 is detected.
  • the oxidant gas flow rate abnormality detector 57 is composed of a flow meter installed in the oxidant gas path 37, and is configured to detect the flow rate of air supplied to the CO remover 36 through the oxidant gas path 37.
  • the controller 21 determines that the temperature is abnormal if the empty flow rate detected by the oxygen gas flow rate abnormality detector 57 is outside the allowable range (for example, below a predetermined threshold).
  • the stack voltage detector 43 is composed of a voltmeter installed between a pair of electric wires 41 extending from the pair of output terminals of the fuel cell 3 to the inverter 42, and detects the generated voltage of the fuel cell 3.
  • the controller 21 determines that the stack voltage is abnormal when the voltage detected by the stack voltage detection falls below a threshold value.
  • the inverter abnormality detector 44 is installed in the inverter 42 and has a function of detecting an operation abnormality of the inverter 42.
  • an output current abnormality of the inverter 42 for example, a predetermined value It is configured to detect the above (threshold).
  • the cooling water temperature detector 52, the hot water temperature detector 56, the recovered water level detector 53, the cooling water level detector 52, the oxidizing gas flow rate abnormality detector 57, and the stack voltage detection Whether or not the physical quantity detected by the vessel 43 is abnormal is determined by the controller 21.
  • the cooling water temperature detector 52, the hot water temperature detector 56, the recovered water level detector 53, The cooling water level detector 52, the oxidant gas flow rate abnormality detector 57, and the stack voltage detector 43 are each equipped with a computing unit such as a microcomputer so as to determine whether or not the detected physical quantity is abnormal. You can configure it! /
  • a raw material containing an organic compound composed of at least carbon and hydrogen is supplied to the reformer 2 from the raw material supply path 1.
  • This raw material is heated by the burner 5 and undergoes a steam reforming reaction with steam generated from water supplied from the reforming water path 17 to generate a hydrogen-containing gas.
  • the CO in the hydrogen-containing gas is reduced to a predetermined level by the CO remover 36, and then supplied to the fuel cell 3 through the hydrogen supply path 29.
  • the hydrogen in the hydrogen-containing gas and the air supply 4 Electricity is generated by electrochemical reaction with oxygen in the supplied air.
  • the waste gas that has not been consumed by the power generation reaction is supplied to the burner 5 through the exhaust hydrogen gas path 30 and used to heat the reformer 2.
  • the water produced by the reaction in the fuel cell 3 is mainly contained in the exhaust air exhausted from the fuel cell 3 through the exhaust air path 38, and the moisture in the exhaust air is a condenser (not shown).
  • the condensed water flows through the recovered water path 12 and is stored in the recovered water tank 13.
  • water contained in the exhaust combustion gas discharged from the burner 5 through the exhaust combustion gas passage 9 is not shown in the figure!
  • the water is condensed by the condenser, flows through the recovery water passage 12, and is stored in the recovery water tank 13. available.
  • the moisture in the exhaust hydrogen gas is removed by a condenser (not shown) in order to stabilize the combustion in the burner 5, and is stored in the recovered water tank 13 via the recovered water path 12.
  • the water stored in the recovered water tank 13 is supplied to the reformer 2 by the reforming water pump 16 and becomes steam, which is used for the steam reforming reaction.
  • it is supplied to the cooling water tank 9 through the mutual circulation path 15 by the mutual circulation pump 14 and is also used as cooling water for cooling the fuel cell 3.
  • Heat generated by the power generation reaction of the fuel cell 3 is transferred to the hot water flowing through the hot water storage path 10 through the heat exchange ⁇ 3 1 in the cooling water path 8 by circulating the cooling water by the cooling water pump 7. Used for household hot water and heating. [0055] If the controller 21 detects an abnormality with the first abnormality detector or the second abnormality detector, the operation of the fuel cell system is stopped. In addition, when the fuel cell system is normally stopped, the controller 21 detects the detected temperature T detected by the temperature detector 20 (water-related temperature detector) as the first threshold temperature (here, 0 ° C).
  • the electric heater 19 is operated to prevent freezing when the temperature falls below the value, and when the detected temperature T is higher than the second threshold temperature (here 1.5 ° C) higher than the first threshold temperature, the electric heater 19 is operated. Is stopped and freeze prevention operation is stopped.
  • the first threshold temperature is preferably a temperature at which water in the water path may freeze or a temperature close to the temperature (a few degrees higher), for example, 0 ° C to 5 ° C. A temperature within the range is set.
  • the controller 21 operates the mutual circulation pump 14, the hot water pump 35, and the cooling water pump 7 simultaneously with the operation of the electric heater 19 during the anti-freezing operation, so that the mutual circulation path. 15. Pass water in hot water storage channel 10 and cooling water channel 8. However, this may be omitted for simplification.
  • This anti-freezing operation is the same as the anti-freezing operation when an abnormality is detected by the second abnormality detector and the operation of the fuel cell system is stopped, which will be described in detail below.
  • FIG. 4 is a flowchart showing the contents of the abnormality processing program stored in the controller 21.
  • the controller 21 is at least one of a first abnormality detector (a combustible gas sensor 22, a CO sensor 23, a combustion fan abnormality detector 24, a reformer temperature detector 25, and a pressure detector 26).
  • a first abnormality detector a combustible gas sensor 22, a CO sensor 23, a combustion fan abnormality detector 24, a reformer temperature detector 25, and a pressure detector 26.
  • the controller 21 is a second abnormality detector (cooling water temperature detector 52, hot water temperature detector 56, recovered water level detector 53, cooling water level detector 52, reforming water supply abnormality detection.
  • the freeze prevention operation is performed when the detected temperature T detected by the temperature detector 20 becomes equal to or lower than the first threshold temperature (0 ° C).
  • the controller 21 first passes through the first abnormality detector or the second abnormality detector.
  • the abnormality is the first abnormality or the second abnormality from the classification of the abnormality detector that detected the abnormality (step Sl).
  • step S2 If the controller 21 determines that the abnormality that has occurred is the first abnormality, the controller 21 stops the operation of the fuel cell system (step S2). Then, the freeze prevention stop switch 34 of the freeze prevention circuit 39 (FIG. 3) is opened (step S3). The freeze prevention stop switch 34 is closed in the initial state (normal state). Then, the abnormality process is terminated. As a result, the freeze prevention circuit 39 is deactivated, the freeze prevention operation is prohibited, and the on operation of the electric heater 19 is prohibited. In other words, the freeze prevention operation is stopped if it is being executed, and is prohibited if it is not being executed.
  • the force that the combustible gas is assumed to leak into the fuel cell system Since the on-operation of the electric heater 19 that can be an ignition source is prohibited, the on-operation of the electric heater 19 is prevented from causing a fire, an explosion, etc., and the safety of the fuel cell system is ensured.
  • the combustion state in the PANA 5 is incomplete combustion, and a combustible gas such as raw material or exhaust hydrogen gas leaks.
  • a combustible gas such as raw material or exhaust hydrogen gas leaks.
  • the operation of the electric heater 19, which can be an ignition source is prohibited. This prevents the on-operation of the electric heater 19 from causing a fire, etc., and ensures the safety of the fuel cell system. Is done.
  • the combustion state in the Pana 5 is incomplete combustion and the raw material is It is assumed that flammable gas, ie, exhaust hydrogen gas, is leaking, but this prevents the on-operation of the electric heater 19 that can be an ignition source. It is prevented from being caused and the safety of the fuel cell system is ensured.
  • the first abnormality is an abnormality detected by the reformer temperature detector 25 or the pressure detector 26, the inside of the reformer 2 has an abnormally high temperature exceeding the heat resistance of the reformer 2. Or the force that is expected to cause the reformer 2 to break and the internal combustible gas to leak due to the abnormally high pressure exceeding the pressure resistance of the reformer 2. on Since the operation is prohibited, the on-operation of the electric heater 19 prevents a fire or the like from being caused, and ensures the safety of the fuel cell system.
  • step S1 determines whether or not the detected temperature T of the temperature detector 20 is less than or equal to a first threshold (0 ° C) that is a criterion for determining whether or not to perform the freeze prevention operation (Step S). Five). If the detected temperature T is not lower than the first threshold temperature, it is monitored whether the detected temperature T is lower than the first threshold temperature. When the detected temperature T is lower than the first threshold temperature or lower than the first threshold temperature, the controller 21 closes the on / off switch 33 of the freeze prevention circuit 39 (step S6). ).
  • the freeze prevention operation is performed and the electric heater 19 operates.
  • the controller 21 operates the mutual circulation pump 14, the hot water pump 35, and the cooling water pump 7 simultaneously with the operation of the electric heater 19, so that the mutual circulation path 15, the hot water path 10, and the cooling water path 8 are in operation. Let the water flow. Thereby, freezing of water in the mutual circulation path 15, the hot water storage path 10, and the cooling water path 8 is prevented, and damage to the fuel cell system due to freezing of water in these water paths is prevented.
  • the controller 21 determines whether or not the detected temperature T of the temperature detector 20 is equal to or higher than the second threshold temperature (1.5 ° C) (step S7). If the detected temperature T is not equal to or higher than the second threshold temperature, the process returns to step S6, and the on / off switch 33 is kept closed until the detected temperature T becomes equal to or higher than the second threshold temperature. Prevent operation. If the detected temperature T is equal to or higher than the second threshold temperature or higher than the second threshold temperature, the on / off switch 33 is opened (step S8). Thereby, the freeze prevention operation is stopped. Then, return to step S5 and monitor whether the detected temperature T is below the first threshold.
  • the controller 21 determines again whether or not the first abnormality is detected by the first abnormality detector, and the first abnormality is not detected.
  • the electric heater 19 may be operated by performing the freeze prevention operation based on the detected temperature T of the temperature detector 20.
  • the combustible gas sensor 22 detects that the combustible gas concentration is equal to or higher than the threshold value of the combustible gas as the first abnormality, and after the fuel cell system is stopped, the combustible gas sensor 22 detects it.
  • the electric heater 19 may be operated by performing the freeze prevention operation based on the detected temperature T of the temperature detector 20.
  • the first and second threshold temperatures of the detected temperature are preferably set as appropriate according to the installation location of the temperature detector 20.
  • the first abnormality that is different from the abnormality related to leakage of combustible gas. It does not matter. For example, some of the “flow controller abnormality”, “water temperature abnormality”, “water level abnormality”, “flow abnormality”, and “electric output abnormality” exemplified as the second abnormality are included in the first abnormality. However, the object and effect of the present invention are not impaired.
  • the fuel cell power generation system according to the present invention has a mechanism for preventing water freezing and ensuring safety when an abnormality occurs and is useful for a fuel cell system used for home use or the like.

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Abstract

　本発明の燃料電池システムは、燃料電池(3)と、水経路(8,10,12,15,17,18)と、水経路を加熱する電気ヒータ(19)と、水関連温度検知器(20)と、第１の異常を検知する第１の異常検知器(22等)と、第２の異常を検知する第２の異常検知器(28等)と、制御器(21)と、を備え、制御器が、第１の異常検知器で第１の異常が検知され又は第２の異常検知器で第２の異常が検知された場合に運転を停止するよう構成された燃料電池システムであって、制御器は、第２の異常検知器で第２の異常が検知されたことによって燃料電池システムが停止している場合には、水関連温度検知器が所定の閾値以下の温度を検知すると凍結防止運転として電気ヒータ(19)を動作させ、第１の異常検知器で第１の異常が検知されたことによって燃料電池システムが停止している場合には、水関連温度検知器が所定の閾値以下の温度を検知しても凍結防止運転として電気ヒータ(19)を動作させない。

Description

明 細 書
燃料電池システム
技術分野
[0001] 本発明は燃料電池システムに関し、特に異常が発生した際の水凍結防止及び安 全性確保の機構に関する。
背景技術
[0002] 燃料電池システムは、水素と酸素の化学反応により発電する燃料電池と、燃料電 池の冷却を行う冷却水経路とを備える。このような燃料電池システムを屋外で一定時 間以上運転せずに放置すると、外気温度の低下とともに、冷却水経路内の水が凍結 する。その結果、次回起動時に燃料電池の温度制御ができずに発電不可となる、も しくは効率が低下する可能性がある。また、燃料電池が凍結による機械的ダメージを 受け、解凍後も運転不能になる、もしくは発電効率が低下する恐れがある。また、冷 却水を循環させるポンプ、タンク、及び配管等の構成部品も機械的ダメージを受ける ことが予想され、その結果、燃料電池の冷却を行うのに充分な水量を循環させること が出来ず、消費電力の増加、発電効率低下あるいは運転不能になることが想定され る。更には、破損箇所力 漏れた水が漏電を引き起こし、安全上危険な状態になるこ とも危惧される。
[0003] このような凍結を防止するための燃料電池システムの一例として、外部の温度を検 出する温度センサを備え、当該温度センサが閾値以下の温度を検出すると凍結防止 運転を行うものが知られている（例えば、特許文献 1参照)。
[0004] 以下に、その詳細について説明する。図 5は、上記特許文献 1に記載された従来の 燃料電池システムの構成の概要を示す図である。
[0005] 上記特許文献 1記載の燃料電池システムは、燃料電池 135と、燃料電池 135に水 を供給する水供給ライン 136と、巿水 137を純水にする処理を行う水処理装置 138と 、水処理装置 138にお 、て処理された純水を水供給ライン 136に搬送する昇圧ボン プ 139と、水処理装置 138に配設されたヒータ 140と、温度センサ 141と、制御器 14 2とを備えて ヽる。水供給ライン 136は水タンク 143と燃料電池 135に水を供給する 昇圧ポンプ 144とを備えて 、る。
[0006] 温度センサ 141が所定温度以下の温度を検出した場合、凍結防止処理として、制 御器 142は昇圧ポンプ 139や昇圧ポンプ 144を制御して、水の供給を行わせる。ま た、制御器 142はヒータ 140のスィッチをオンしてヒータ 140に水処理装置 138をカロ 熱させる。これにより、外気温度が低い場合でも、燃料電池システムに水を供給する 水供給ライン 136の凍結を防止でき、燃料電池システムの破損を防止することができ る。
特許文献 1：特開 2004— 207093号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0007] ところで、上述のような従来の燃料電池システムにおいて何らかの異常が発生した 場合、安全を確保する観点力ゝらは当該燃料電池システムの全ての動作を停止するこ とが好ましい。その一方、燃料電池システムの停止中に外気温度が低下してその内 部の水が凍結すると、燃料電池システムが損傷する可能性がある。
[0008] 本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、安全性を確保しつつ水凍 結防止が可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0009] 上記課題を解決すべく本発明者等は鋭意検討した。すなわち、凍結防止運転機能 を有する燃料電池システムにお 、て、何らかの異常が発生してシステムが停止して ヽ る最中に外気温度が所定温度以下に低下した場合を想定する。この場合に、凍結防 止を優先して、一律に凍結防止運転としてヒータを動作させると、その異常が、例え ば、システム内に可燃性ガスが漏れる異常であったような場合には、ヒータのスィッチ が着火源となって火災等を引き起こす可能性がある。一方、その異常が、ヒータのォ ン動作により燃料電池システムの安全が阻害されな 、ような態様のものであれば、燃 料電池システムの水凍結が防止されて好ましい。そこで、異常の態様に応じて凍結 防止運転を行ったり行わな力 たりすることを想到した。具体的には、当該異常が、ヒ ータのオン動作により燃料電池システムの安全が阻害されるような態様のものである か否かを判定し、当該異常が、ヒータのオン動作により燃料電池システムの安全が阻 害されるような態様のものである場合には安全を優先して凍結防止運転を行わず、 当該異常力 ヒータのオン動作により燃料電池システムの安全が阻害されないような 態様のものである場合には、凍結防止を優先して凍結防止運転を行うことを想到した
[0010] すなわち、本発明に係る燃料電池システムは、燃料と酸化剤とを用いて発電する燃 料電池と、前記燃料電池の運転に関連する水の経路である水経路と、前記水経路を 加熱する電気ヒータと、前記水経路内の水の温度に関連する温度を検知する水関連 温度検知器と、可燃性ガスの漏洩に関係する異常を含む第 1の異常を検知する第 1 の異常検知器と、前記第 1の異常と異なる第 2の異常を検知する第 2の異常検知器と 、制御器と、を備え、前記制御器が、前記第 1の異常検知器で第 1の異常が検知され 又は前記第 2の異常検知器で第 2の異常が検知された場合に運転を停止するよう構 成された燃料電池システムであって、前記制御器は、前記第 2の異常検知器で第 2 の異常が検知されたことによって前記燃料電池システムが停止している場合には、前 記水関連温度検知器が所定の閾値以下の温度を検知すると凍結防止運転として前 記電気ヒータを動作させ、前記第 1の異常検知器で第 1の異常が検知されたことによ つて前記燃料電池システムが停止して 、る場合には、前記水関連温度検知器が前 記所定の閾値以下の温度を検知しても前記凍結防止運転として前記電気ヒータを動 作させな!/、よう構成されて 、る。
[0011] この構成によれば、燃料電池システムに可燃性ガスの漏洩に関係する第 1の異常 が生じ、燃料電池システムが停止している場合には、凍結防止運転として電気ヒータ を動作させる際に火災等の更なる危険事象を誘発する危険があるため、凍結防止運 転を停止させることで、安全性を確保することが可能となる。また、第 1の異常と異なる 第 2の異常が生じ、燃料電池システムが停止している場合には、温度検知器の検知 温度に基づき凍結防止手段として電気ヒータを動作させることで、水経路の凍結が防 止され、その結果、水経路の凍結による燃料電池システムの損傷が防止される。
[0012] 前記水経路が、前記燃料電池を冷却するための冷却水が流れる冷却水経路と、前 記冷却水を貯える冷却水タンクと、前記冷却水経路を流れる冷却水から熱を回収す る貯湯水が流れる貯湯水経路と、前記貯湯水を貯える貯湯タンクと、前記燃料電池 力 の排ガス力 回収された回収水が流れる回収水経路と、前記回収水を貯える回 収水タンクと、の少なくとも 、ずれか一つであってもよ！/、。
[0013] 前記燃料電池システムは、前記第 1の異常検知器として、可燃性ガス濃度を検知 する可燃性ガスセンサを備え、前記制御器は、前記可燃性ガスセンサが所定の閾値 以上の可燃性ガス濃度を検知して前記燃料電池システムが停止している場合には、 前記水関連温度検知器が前記所定の閾値以下の温度を検知しても前記凍結防止 運転として前記電気ヒータを動作させな 、よう構成されて 、てもよ 、。
[0014] 前記燃料電池システムは、原料力 前記燃料として水素含有ガスを生成する改質 器と、前記改質器を加熱するパーナと、前記バーナカ の排ガスの CO濃度を検知 する前記第 1の異常検知器としての COセンサとを備え、前記制御器は、前記 COセ ンサが所定の閾値以上の CO濃度を検知して前記燃料電池システムが停止している 場合には、前記水関連温度検知器が前記所定の閾値以下の温度を検知しても前記 凍結防止運転として前記電気ヒータを動作させな 、よう構成されて 、てもよ!/、。
[0015] 前記燃料電池システムは、前記パーナに酸化ガスを供給する酸化ガス供給器と、 前記酸ィ匕ガス供給器の異常を検知する前記第 1の異常検知器としての酸ィ匕ガス供 給異常検知器とを備え、前記制御器は、前記酸ィ匕ガス供給異常検知器が異常を検 知して前記燃料電池システムが停止して 、る場合には、前記水関連温度検知器が 前記所定の閾値以下の温度を検知しても前記凍結防止運転として前記電気ヒータを 動作させな 、よう構成されて 、てもよ 、。
[0016] 前記燃料電池システムは、原料力 前記燃料として水素含有ガスを生成する改質 器と、前記改質器の温度を検知する前記第 1の異常検知器としての改質器温度検知 器とを備え、前記制御器は、前記改質器温度検知器が所定の閾値以上の温度を検 知して前記燃料電池システムが停止して 、る場合には、前記水関連温度検知器が 前記所定の閾値以下の温度を検知しても前記凍結防止運転として前記電気ヒータを 動作させな 、よう構成されて 、てもよ 、。
[0017] 前記燃料電池システムは、原料力 前記燃料として水素含有ガスを生成する改質 器と、前記改質器内部の圧力を検知する前記第 1の異常検知器としての圧力検知器 とを備え、前記制御器は、前記圧力検知器が所定の閾値以上の圧力を検知して前 記燃料電池システムが停止して 、る場合には、前記水関連温度検知器が前記所定 の閾値以下の温度を検知しても前記凍結防止運転として前記電気ヒータを動作させ な 、よう構成されて 、てもよ 、。
[0018] 前記第 2の異常検知器が、前記第 2の異常としての、前記燃料電池システムの運転 に関連する水または空気の流量を制御する流量制御器 (除く燃焼空気供給器)の異 常、燃料電池の運転に関連する水の温度に関する異常、前記燃料電池の運転に関 連する水の水位に関する異常、前記燃料電池の運転に関連する流体 (除く燃焼空 気)の流量に関する異常、及び前記燃料電池で発電される電気の出力に関する異 常の少なくともずれかを検知するものであり、前記制御器は、前記第 2の異常検知器 で前記第 2の異常が検知されたことによって前記燃料電池システムが停止している場 合には、前記水関連温度検知器が所定の閾値以下の温度を検知すると凍結防止運 転として前記電気ヒータを動作させるよう構成されて!、てもよ ヽ。
[0019] 前記燃料電池システムは、冷却水を流す為の冷却水ポンプと、前記燃料電池の運 転に関連する流体の流量に関する異常としての前記冷却水ポンプの異常を検知す る前記第 2の異常検知器としての冷却水ポンプ異常検知器と、を備えて!/、てもよ！/、。
[0020] 本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好 適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
発明の効果
[0021] 本発明は以上に説明したように構成され、燃料電池システムにおいて安全性を確 保しつつ水凍結防止が可能であるという効果を奏する。
図面の簡単な説明
[0022] [図 1]図 1は本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示すブロック 図である。
[図 2]図 2は凍結防止回路の構成を示す回路図である。
[図 3]図 3は本発明における異常の区分を示す表である。
[図 4]図 4は制御器に格納された異常処理プログラムの内容を示すフローチャートで ある。
[図 5]図 5は従来の燃料電池システムの構成を示す模式図である。 符号の説明
1 原料供給経路
2 改質器
3 燃料電池
4 空気供給器
5 パーナ
6 燃焼ファン
7 冷却水ポンプ
8 冷却水経路
9 冷却水タンク
10 貯湯水経路
11 貯湯タンク
12 回収水経路
13 回収水タンク
14 相互循環ポンプ
15 相互循環経路
16 改質水ポンプ
17 改質水経路
18 排水経路
19 ¾気ヒータ
20 温度検知器
21 制御器
22 可燃性ガスセンサ
23 COセンサ
24 燃焼ファン異常検知器
25 改質器温度検知器
26 圧力検知器
27 排燃焼ガス経路 28 冷却水ポンプ異常検知器
29 水素供給経路
30 排水素ガス経路
31 熱交換器
32 電源
33 入切スィッチ
34 凍結防止停止スィッチ
35 貯湯水ポンプ
36 CO除去器
37 酸化ガス経路
38 排空気経路
39 凍結防止回路
41 ¾気目 c線
42 インノ ータ
43 スタック電圧低下異常検知器
44 インバータ異常検知器
51 冷却水水位検知器
52 冷却水温度検知器
53 回収水水位検知器
54 改質水供給異常検知器
55 貯湯水ポンプ異常検知器
56 貯湯水温度検知器
57 酸化ガス流量異常検知器
58 スタック空気供給異常検知器
発明を実施するための最良の形態
[0024] 以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
[0025] (実施の形態）
図 1は、本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示すブロック 図である。
[0026] まず、ハードウェアの構成について説明する。
[0027] 本実施の形態の燃料電池システムは、原料供給経路 1から供給される原料及び水 蒸気から水蒸気改質反応によって水素含有ガスを生成する改質器 2を備えている。 改質器 2で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素（以下、 CO)を、 CO除去器 36 力 酸ィ匕ガス経路 37から供給された酸ィ匕ガスとしての空気を用いて酸ィ匕してその CO 濃度を低減する。この CO濃度を低減された水素含有ガスが CO除去器 36から水素 供給経路 20を通じて燃料電池 3に供給される。燃料電池 3は、この燃料としての水素 含有ガスと酸化剤としての空気との化学反応により発電する。この空気は空気供給器 4が燃料電池 3に供給する。空気供給器 4は、ここではブロワで構成されている。燃料 電池 3で反応に使われな力 た水素含有ガスは排水素ガスとして排水素ガス経路 30 を通じてパーナ 5に供給される。パーナ 5はこの排水素ガス又は図示されない経路を 通じて供給される原料を燃焼ファン 6から供給される空気によって燃焼し、その燃焼 熱で改質器 2を加熱する。この加熱による熱は改質器 2で原料から水素含有ガスへ の改質に用いられる。パーナ 5で発生した燃焼ガスは排燃焼ガス経路 27を通じて外 部に排出される。
[0028] また、燃料電池 3で反応に使われな力 た空気は、排空気として排空気経路 38を 通じて外部に排出される。排空気経路 38には図示されない凝縮器が配設されてい て、この凝縮器で凝縮された排空気中の水が回収水経路 12を通じて回収水タンク 1 3に流れてそこに貯えられる。また、上述の排水素ガス経路 30及び排燃焼ガス経路 2 7にも図示されない凝縮器がそれぞれ配設されていて、これらの凝縮器でそれぞれ 凝縮された排空気中の水及び排燃焼ガス中の水が回収水経路 12, 12を通じてそれ ぞれ回収水タンク 13に流れてそこに貯えられる。回収タンク 13に貯えられた水はポ ンプ 16によって改質水経路 17を通じて改質器 2に供給され、そこで原料から水素含 有ガスへの改質に用いられる。回収水タンク 13の水は図示されない排水弁を開放す ることにより排水経路 18を通じて排水される。
[0029] また、燃料電池システムは、燃料電池 3の内部を通る循環経路からなる冷却水経路 8を備えている。冷却水経路 8には、冷却水タンク 9と、冷却水を冷却水経路 8を通つ て循環させる冷却水ポンプ 7と、熱交換器 31とが配設されている。熱交換器 31は冷 却水経路 8と貯湯水経路 10とに跨って配設されており、冷却水経路 8を流れる冷却 水と貯湯水経路 10を流れる貯湯水とを熱交換させる。貯湯水経路 10には貯湯水を 貯える貯湯タンク 11と貯湯水経路に貯湯水を流す貯湯水ポンプ 9とが設けられて ヽ る。これにより、冷却水タンク 9から出た冷却水が燃料電池 3を通流してその間に燃料 電池 3から排熱を回収して昇温し、その昇温した冷却水が熱交 で貯湯水に排 熱を伝達して冷却されて冷却水タンクに 9に戻る。排熱を伝達された貯湯水は昇温し て貯湯タンクに貯えられる。その結果、燃料電池 3は冷却水で冷却され、燃料電池 3 力 回収された排熱が貯湯タンクに高温の貯湯水として蓄えられ、給湯等によりユー ザに利用される。また、冷却水タンク 9と回収水タンク 13との間にはポンプ 14を備え た相互循環経路 15が形成されており、回収タンク 13に貯えられた水がポンプ 14によ つて冷却水タンク 9に供給され、冷却水タンク 9からオーバーフローした水が回収水タ ンク 13に戻る。冷却水タンク 9に留まった水はそこで冷却水として用いられる。この相 互循環経路 15の冷却水タンク 9への往路の途中には図示されないイオン交換体を 含む浄化器が配設されていて、このような構成により、冷却水経路 8を循環して劣化 した冷却水が浄ィ匕される。冷却水タンク 9の水は図示されな 、排水弁を開放すること により排水経路 18を通じて排水される。
[0030] そして、燃料電池システムの凍結する可能性のある水経路には電気ヒータ 19が配 設されている。本実施の形態では、本発明の水経路の一例である冷却水経路 8、貯 湯水経路 10、回収水経路 12、相互循環経路 15、改質水経路 17、排水経路 18にそ れぞれ配設されている。なお、本実施の形態のように電気ヒータ 19はこれらの経路上 に直接設置してもよいが、これらの経路とは離れた位置に設置し、輻射熱によりこれ らの経路を間接的に加熱するように構成しても構わない。また、電気ヒータ 19が配設 される水経路は上記に限定されず、例えば、回収水タンク 13であってもよく燃料電池 の運転に関係する水の水経路であれば 、ずれの箇所であっても構わな 、。
[0031] また、燃料電池システムは、燃料電池 3で発電した直流の電力を交流の電力に変 換して出力するインバータ 42を備えて 、る。
[0032] 次に、本発明を特徴付ける凍結防止回路 39 (電気ヒータ 19の駆動回路)を説明す る。図 2は凍結防止回路の構成を示す回路図である。
[0033] 図 2に示すように、凍結防止回路 39は、電源 32〖こ対し、電気ヒータ 19と入切スイツ チ 33と凍結防止停止スィッチ 34とが直列に接続されて構成されている。電源 32は、 ここでは、燃料電池 3が系統連係される商用電力網で構成されている。燃料電池シス テムの停止中は商用電力網を電源 32として用い、燃料電池システムが発電運転中 は燃料電池 3を電源として用いるように構成しても構わな 、。この凍結防止回路 39で は、入切スィッチ 33と凍結防止停止スィッチ 34とが共に閉成される（オンされる）と、 電源 32によって電気ヒータ 19が通電されて発熱する。この発熱により、この電気ヒー タ 19が配設された各経路が加熱され、各経路中の水が凍結することが防止される。 入切スィッチ 33が開放される (オフされる）と電気ヒータ 19への通電が停止されて凍 結防止動作が停止される。凍結防止停止スィッチ 34が開放されると、入切スィッチ 3 3の閉成及び開放に関わらず電気ヒータ 19への通電が停止されて凍結防止動作が 禁止される。入切スィッチ 33及び凍結防止停止スィッチ 34の動作は後述する制御 器 21によって制御される。なお、入切スィッチ 32は、後述する温度検知器 20が第 1 の閾値温度以下の温度を検知した場合に、制御器 21の制御によらず機械的に自動 的に接続されるものとして、例えばバイメタルを使用してもよい。
[0034] 次に制御系統の構成を説明する。
[0035] 燃料電池システムは制御器 21を備えている。制御器 21はマイコン等の演算器によ つて構成され、例えば CPU力 なる演算部（図示せず）と、例えば内部メモリからなる 記憶部（図示せず）とを備えている。また、所要のデータを演算部へ入力するための 入力部（図示せず)と、所要のデータを表示するための表示部（図示せず)とを備えて いる。制御器 21は、記憶部に所定のプログラムを格納しており、このプログラムを演 算部が読み出して実行することにより、所要の制御及びデータ処理を行う。具体的に は、制御器 21は、燃料電池システムの所要の部位に設けられた各種のセンサ力もそ の検知信号を入力され、それらを適宜処理して燃料電池システム全体の動作を制御 する。ここで、本明細書及び請求の範囲において制御器とは単独の制御器のみなら ず制御器群をも意味する。よって、制御器 21は、必ずしも単独の制御器で構成され る必要はなぐ分散配置された複数の制御器で構成され、それらが協働して所要の 制御を行うように構成されて 、てもよ 、。
[0036] 上述の各種のセンサの一部を構成するものとして、燃料電池システムは、温度検知 器 20 (水関連温度検知器)と、第 1の異常検知器と、第 2の異常検知器とを備えてい る。
[0037] 温度検知器 20は、各水経路内の水の温度に関連する温度を検知できる場所に設 置される。本発明において、「水経路内の水の温度に関連する温度」とは、水経路内 の水の温度そのもの及び水経路内の水の温度と相関関係を有する温度をいう。従つ て、温度検知器 20は、水経路内の水の温度と相関関係を有する温度を検知できる 場所に設置されるのであれば、直接水経路内の温度を検知しなくとも燃料電池シス テムの内外を問わず、いずれの場所に設置しても構わない。但し、水経路内の水の 凍結は本質的に外気温と関係するので、水経路以外の箇所に設置する場合には、 温度検知器 20は、外気温を検知できる場所に設置することが望ましい。本実施の形 態では、燃料電池システムを収容する筐体の底板に設置されて！ヽる。
[0038] 次に、第 1の異常検知器及び第 2の異常検知器について図 1及び図 3を用いて説 明する。図 3は本発明における異常の区分を示す表である。
[0039] 本発明においては、燃料電池システムの停止を伴う異常は、第 1の異常と第 2の異 常とを含んで規定されている。つまり燃料電池システムの停止を伴う異常は、第 1の 異常及び第 2の異常以外の異常を含んで規定されてもよ 、。そのような異常は本発 明とは本質的に無関係であり、適宜処理される。以下では第 1の異常及び第 2の異 常について説明する。そして、第 1の異常検知器は第 1の異常を検知するものであり 、第 2の異常検知器は第 2の異常を検知するものである。第 1の異常とは、可燃性ガ スの漏洩に関係する異常を含む異常を意味し、第 2の異常とは第 1の異常と異なる異 常を意味する。つまり、本発明では、第 1の異常を、当該異常が発生している最中に ヒータを動作させることにより燃料電池システムの安全が阻害される態様の異常を含 む異常であると規定し、第 2の異常を当該異常が発生している最中にヒータを動作さ せても燃料電池システムの安全が阻害されない態様の異常であると規定したもので ある。第 1の異常として、本実施の形態では、可燃性ガスの濃度が閾値以上となる「 可燃性ガス濃度異常」、排燃焼ガスの CO濃度が閾値以上となる「排燃焼ガス CO濃 度異常」、燃焼ファン 6が正常に動作しない「燃焼ファン異常」、改質器の温度が閾値 以上となる「改質器温度異常」、及び改質器の圧力が閾値以上となる「改質器圧力異 常」の 5つの異常を規定して 、る。これらの異常を第 1の異常として規定した理由は以 下の通りである。「可燃性ガス濃度異常」は、燃料電池システム内に可燃性ガスが漏 洩していることを示すものだ力もである。「排燃焼ガス CO濃度異常」は、パーナ 5の燃 焼が不安定であることを示しており、燃焼用の燃料である排水素ガスもしくは原料が 排燃焼ガスの排出ロカ 漏れる可能性があるからである。「燃焼ファン異常」は、バー ナ 5で燃焼が行われずに、燃焼用の燃料である排水素ガスもしくは原料が排燃焼ガ スの排出ロカ 漏れる可能性があることを示すものだ力 である。「改質器温度異常」 は、異常高温により改質器 2が損傷して改質器 2内部の可燃性ガス (水素または未改 質原料)が漏れる可能性があることを示すものだカゝらである。「改質器圧力異常」は、 異常な高圧力により改質器 2が損傷して改質器 2内部の可燃性ガス (水素または未 改質原料)が漏れる可能性があることを示すものだ力 である。なお、これらは例示で あり、これらの一部を第 1の異常として規定してもよいし、これら以外を第 1の異常とし て規定してもよい。
第 2の異常としては、燃料電池システムの運転に関連する水または空気の流量を制 御する流量制御器 (除く燃焼空気供給器)の異常である「流量制御器異常」、燃料電 池 3の運転に関連する水の温度に関する異常である「水温異常」、燃料電池 3の運転 に関連する水の水位に関する異常である「水位異常」、燃料電池 3の運転に関連す る流体 (除く燃焼空気)の流量に関する異常である「流量異常」、及び燃料電池 3で 発電される電気の出力に関する異常である「電気出力異常」の 5つの異常を規定して いる。「水温異常」として、冷却水の温度が許容範囲外 (上限以上または下限未満)と なる「冷却水温度異常」、及び貯湯水の温度が許容範囲外となる「貯湯水温度異常」 が規定されている。「水位異常」として、回収水タンク 13の水位が許容範囲外 (例え ば、所定の閾値以下）となる「回収水タンク水位異常」、及び冷却水タンク 9の水位が 許容範囲外 (例えば、所定の閾値以下)となる「冷却水タンク水位異常」が規定されて いる。「流量異常」として、回収水タンク 13から改質器 2に水が正常に供給されない「 改質水異常」、空気供給器 4から燃料電池 3に空気が正常に供給されない「スタック 空気供給異常」、貯湯水ポンプ 35が正常に動作しない「貯湯水ポンプ異常」、冷却 水ポンプ 7が正常に動作しな ヽ「冷却水ポンプ異常」、及び酸化ガス経路 37から CO 除去器 36に供給される空気の流量が許容範囲外 (例えば、所定の閾値以下)となる 「酸化ガス流量異常」が規定されて!、る。燃料電池 3の発電した電気に関する「電気 出力異常」として、燃料電池 3の発電電圧が閾値以下に低下する「スタック電圧低下 異常」、及びインバータ 42が正常に動作しな 、「インバータ異常」が規定されて!、る。 「流量制御器異常」は、ここでは具体例を示していないが、適宜規定すればよい。な お、これらは例示であり、これらの一部を第 2の異常として規定してもよいし、これら以 外を第 2の異常として規定してもよ 、。
[0041] 第 1の異常検知器として、ここでは、可燃性ガスセンサ 22、 COセンサ 23、燃焼ファ ン異常検知器 24、改質器温度検知器 25、及び圧力検知器 26が設置されている。
[0042] 可燃性ガスセンサ 22は、燃料電池システム内の可燃性ガスの漏れを検知する機能 を備えており、可燃性ガス、例えば、可燃性の原料や水素ガスの濃度を検知するセ ンサで構成されている。本実施の形態では、可燃性ガスが滞留しやすい燃料電池シ ステムの筐体内の上部に設置されている。
[0043] COセンサ 23は、パーナ 5からの排燃焼ガス中に含まれる COの濃度を検知する機 能を備えており、 CO濃度センサで構成され、排燃焼ガス経路 27中に設置されている
[0044] 燃焼ファン異常検知器 24は、燃焼ファン 6に設置されていて、燃焼ファン 6の動作 異常を検知する機能を備えており、本実施の形態では、燃焼ファン 6の回転数異常 を検知するよう構成されて ヽる。
[0045] 改質器温度検知器 25は、改質器 2内部の温度を検知する機能を備えており、ここ では、温度センサで構成され、改質器 2の内部の温度を検知可能なように該改質器 2 に設置されている。改質器圧力検知器 26は、改質器 2内部の圧力を検知する機能を 備えており、ここでは、圧力センサで構成され、改質器 2内部の圧力を検知可能なよ うに該改質器 2に設置されて 、る。
[0046] ここでは、可燃性ガスセンサ 22、 COセンサ 23、改質器温度検知器 25、及び改質 器圧力検知器 26で検知された物理量が異常である力否かは制御器 21で判定される 。もちろん、可燃性ガスセンサ 22、 COセンサ 23、改質器温度検知器 25、及び改質 器圧力検知器 26を、それぞれマイコン等の演算器を備えることによってそれぞれが 検知する物理量が異常であるか否かを判定するように構成してもよ 、。
[0047] なお、第 1の異常検知器として、原料供給経路 1から供給される原料の流量を検知 する原料流量検知器を備え、原料流量検知器が検知する流量値が所定の流量以上 である場合に制御器 21が異常と判定するよう構成してもよい。具体的には、制御器 2 1が、当該原料流量検知器を用いて以下のようなガス漏れチェックシーケンスを遂行 するように構成される。すなわち、燃料電池システムが停止 (この場合は、待機 (正常 停止)）すると、原料供給経路 1の上流端が図示されない弁により閉止される。この状 態で、原料供給経路 1に図示されな ヽ適宜なガス圧賦課手段 (ガス供給手段)が接 続されて 2kPaのガス圧が原料供給経路 1に賦課され、当該原料流量計が検知する 流量値が閾値以上であると制御器 21が異常と判定する。このような場合には、原料 ガス又は水素リッチガスという可燃性ガスが各々の経路力 漏れていることが想定さ れるカゝらである。
[0048] 第 2の異常検知器として、ここでは、冷却水温度検知器 52、貯湯水温度検知器 56 、回収水水位検知器 53、冷却水水位検知器 52、改質水供給異常検知器 54、スタツ ク空気供給異常検知器 58、貯湯水ポンプ異常検知器 55、冷却水ポンプ異常検知 器 28、酸化ガス流量異常検知器 57、スタック電圧検知器 43、及びインバータ異常検 知器 44が設置されている。
[0049] 冷却水温度検知器 55は、温度センサで構成され、冷却水タンク 9の冷却水の温度 を検知可能な場所に設置されている。貯湯水温度検知器 55は、温度センサで構成 され、ここでは貯湯タンク 11の外面に設置されている。回収水水位検知器 53は、水 位センサで構成され、回収水タンク 13にその水位を検知可能なように設置されて!ヽ る。冷却水水位検知器 51は、水位センサで構成され、冷却水タンク 19にその水位を 検知可能なように設置されている。ここでは、制御器 21が、冷却水温度検知器 52及 び貯湯水温度検知器 56で検知された温度が許容範囲外 (上限以上または下限未 満)であると温度異常であると判定し、回収水水位検知器 53及び冷却水水位検知器 51で検知された水位が許容範囲外 (例えば、所定の閾値以下)であると水位異常で あると判定する。改質水ポンプ異常検知器 54は、改質水ポンプ 16に設置にされてい て、改質水ポンプ 16の動作異常を検知する機能を備えており、本実施の形態では、 改質器 2に圧力検知器を備え、改質水の蒸発による圧力変化が所定の閾値以下で あると異常と判定するよう構成されている。スタック空気供給異常検知器 58は、空気 供給器 4に設置にされていて、空気供給器 4の動作異常を検知する機能を備えてお り、本実施の形態では、ブロワからなる空気供給器 4力 供給される空気の流量を検 知する流量計を備え、当該空気の流量が許容範囲外 (例えば、所定の閾値以下)で ある場合に異常と判定するよう構成されている。貯湯水ポンプ異常検知器 55は、貯 湯水ポンプ 35に設置にされていて、貯湯水ポンプ 35の動作異常を検知する機能を 備えており、本実施の形態では、貯湯水ポンプ 35の回転数異常を検知するよう構成 されている。冷却水ポンプ異常検知器 28、冷却水ポンプ 7に設置にされていて、冷 却水ポンプ 7の動作異常を検知する機能を備えており、本実施の形態では、冷却水 ポンプ 7の回転数異常を検知するよう構成されて ヽる。酸化ガス流量異常検知器 57 は、酸化ガス経路 37に設置された流量計で構成され、酸化ガス経路 37を通じて CO 除去器 36に供給される空気の流量を検知するよう構成されている。ここでは、制御器 21が、酸ィ匕ガス流量異常検知器 57で検知された空器流量が許容範囲外 (例えば、 所定の閾値以下)であると温度異常であると判定する。スタック電圧検知器 43は燃料 電池 3の一対の出力端子からインバータ 42に至る一対の電気配線 41の間に設置さ れた電圧計で構成され、燃料電池 3の発電電圧を検知する。ここでは、制御器 21が 、スタック電圧検知で検知された電圧が閾値以下に低下するとスタック電圧異常であ ると判定する。インバータ異常検知器 44は、インバータ 42に設置にされていて、イン バータ 42の動作異常を検知する機能を備えており、本実施の形態では、例えば、ィ ンバータ 42の出力電流異常 (例えば、所定の閾値以上）を検知するよう構成されて いる。
ここでは、上述のように、冷却水温度検知器 52、貯湯水温度検知器 56、回収水水 位検知器 53、冷却水水位検知器 52、酸化ガス流量異常検知器 57、及びスタック電 圧検知器 43、で検知された物理量が異常であるか否かは制御器 21で判定されるが 、もちろん、冷却水温度検知器 52、貯湯水温度検知器 56、回収水水位検知器 53、 冷却水水位検知器 52、酸化ガス流量異常検知器 57、及びスタック電圧検知器 43を 、それぞれマイコン等の演算器を備えることによってそれぞれが検知する物理量が異 常であるか否かを判定するように構成してもよ!/、。
[0051] 次に、以上のように構成された燃料電池システムの動作を説明する。この燃料電池 システムの動作は制御器 21の制御によって遂行される。
[0052] まず、一般的な動作を簡単に説明する。原料供給経路 1から少なくとも炭素及び水 素から構成される有機化合物を含む原料が改質器 2に供給される。この原料はバー ナ 5により加熱され、改質水経路 17から供給される水から生成される水蒸気と水蒸気 改質反応をして、水素含有ガスを生成する。水素含有ガス中の COは、 CO除去器 3 6で CO濃度を所定程度まで低減された後、水素供給経路 29を通じて、燃料電池 3 に供給され、水素含有ガス中の水素と空気供給器 4力 供給された空気の中の酸素 とが電気化学的に反応して発電が行われる。発電反応により消費されなかった排水 素ガスは排水素ガス経路 30を通じて、パーナ 5に供給され、改質器 2の加熱に利用 される。
[0053] 燃料電池 3での反応で生じる生成水は、燃料電池 3から排空気経路 38を通じて排 出される排空気中に主に含まれており、この排空気中の水分が図示されない凝縮器 で凝縮され、回収水経路 12を流れて回収水タンク 13に貯えられる。
[0054] また、パーナ 5から排燃焼ガス経路 9を通じて排出される排燃焼ガスに含まれる水 分が図示されな!ヽ凝縮器で凝縮され、回収水経路 12を流れて回収水タンク 13に貯 えられる。さらに、排水素ガス経路 30において排水素ガス中の水分がパーナ 5での 燃焼を安定させるために図示されない凝縮器で除去され、回収水経路 12を経由して 回収水タンク 13に貯められる。この回収水タンク 13に貯えられた水は、改質水ポンプ 16により改質器 2に供給され水蒸気となり、水蒸気改質反応に利用される。また、相 互循環ポンプ 14により相互循環経路 15を通して冷却水タンク 9に供給され、燃料電 池 3を冷却するための冷却水としても利用される。燃料電池 3の発電反応で生じる熱 は、冷却水ポンプ 7により冷却水を循環させることにより冷却水経路 8中の熱交^^ 3 1を介して、貯湯水経路 10を流れる貯湯水に伝達され、家庭の給湯、暖房等に使用 される。 [0055] そして、制御器 21は第 1の異常検知器又は第 2の異常検知器で異常を検知した場 合、燃料電池システムの運転を停止する。また、制御器 21は、燃料電池システムが 正常に停止した場合において、温度検知器 20 (水関連温度検知器)で検知される検 知温度 Tが第 1の閾値温度 (ここでは 0°C)以下になると電気ヒータ 19を動作させて凍 結防止運転を行い、検知温度 Tが第 1の閾値温度よりも高い第 2の閾値温度 (ここで は 1. 5°C)以上になると電気ヒータ 19を非動作として凍結防止運転を停止する。なお 、第 1の閾値温度は、水経路内の水が凍結する恐れのある温度、または当該温度に 近い (数度程度高い）温度であるのが好ましぐ例えば 0°C〜5°Cの範囲内の温度が 設定される。また、本実施の形態では、制御器 21は、凍結防止運転の際には、電気 ヒータ 19の作動と同時に相互循環ポンプ 14、貯湯水ポンプ 35、及び冷却水ポンプ 7 を動作させ、相互循環経路 15、貯湯水経路 10、及び冷却水経路 8中の水を通流さ せる。但し、簡略ィ匕する場合にはこれを省略してもよい。この凍結防止運転は、第 2の 異常検知器で異常を検知して燃料電池システムの運転を停止させた場合における 凍結防止運転と同じであり、これについては、以下に詳しく説明する。
[0056] 次に、本発明を特徴付ける、異常停止した場合における凍結防止運転について図 1乃至図 4を用いて説明する。図 4は制御器 21に格納された異常処理プログラムの 内容を示すフローチャートである。
[0057] 制御器 21は、第 1の異常検知器 (可燃性ガスセンサ 22、 COセンサ 23、燃焼ファン 異常検知器 24、改質器温度検知器 25、及び圧力検知器 26)の少なくともいずれか で検知される物理量が異常である場合には、温度検知器 20で検知される検知温度 Tが第 1の閾値温度 (0°C)以下になっても凍結防止運転を行わない。一方、制御器 2 1は、第 2の異常検知器 (冷却水温度検知器 52、貯湯水温度検知器 56、回収水水 位検知器 53、冷却水水位検知器 52、改質水供給異常検知器 54、スタック空気供給 異常検知器 58、貯湯水ポンプ異常検知器 55、冷却水ポンプ異常検知器 28、酸ィ匕 ガス流量異常検知器 57、スタック電圧検知器 43、及びインバータ異常検知器 44)で 検知される物理量が異常である場合には、温度検知器 20で検知される検知温度 T が第 1の閾値温度 (0°C)以下になると凍結防止運転を行う。
具体的には、制御器 21は、まず、第 1の異常検知器又は第 2の異常検知器を通じて 燃料電池システムに異常を生じたことを検知すると、異常を検知した異常検知器の区 分からその異常が第 1の異常であるか第 2の異常であるかを判定する (ステップ Sl)。
[0058] 制御器 21は、生じた異常が第 1の異常であると判定した場合、燃料電池システムの 動作を停止させる (ステップ S2)。そして、凍結防止回路 39 (図 3)の凍結防止停止ス イッチ 34を開放する (ステップ S3)。なお、凍結防止停止スィッチ 34は初期状態 (通 常の状態)では閉成されている。そして、この異常処理を終了する。これにより、凍結 防止回路 39が非動作の状態となり、凍結防止運転が禁止され、電気ヒータ 19のオン 作動が禁止される。つまり、凍結防止運転は、実行中であれば停止され、実行中でな い場合には禁止される。
[0059] 具体的には、第 1の異常が可燃性ガスセンサ 22により検知された異常である場合 には、可燃性ガスが燃料電池システム内に漏れていることが想定される力 これによ り、着火源となりうる電気ヒータ 19のオン作動が禁止されるので、電気ヒータ 19のオン 作動により火災、爆発等が引き起こされることが防止され、燃料電池システムの安全 性が確保される。
[0060] また、第 1の異常が COセンサ 23により検知された異常である場合には、パーナ 5で の燃焼状態が不完全燃焼であって原料もしくは排水素ガスという可燃性ガスが漏洩 していることが想定されが、これにより、着火源となりうる電気ヒータ 19の作動が禁止さ れるので、電気ヒータ 19のオン作動により火災等が引き起こされることが防止され、 燃料電池システムの安全が確保される。
[0061] また、第 1の異常が、燃焼ファン異常検知器 24により検知された燃焼ファン 6の回 転数異常である場合にも、パーナ 5での燃焼状態が不完全燃焼であって原料もしく は排水素ガスという可燃性ガスが漏洩していることが想定されが、これにより、着火源 となりうる電気ヒータ 19のオン作動が禁止されるので、電気ヒータ 19のオン作動により 火災等が引き起こされることが防止され、燃料電池システムの安全が確保される。
[0062] また、第 1の異常が改質器温度検知器 25もしくは圧力検知器 26により検知された 異常である場合は、改質器 2の内部が改質器 2の耐熱性を超える異常高温もしくは 改質器 2の耐圧性を超える異常高圧になっていて改質器 2が破損して内部の可燃性 ガスが漏洩することが想定される力 これにより、着火源となりうる電気ヒータ 19のオン 作動が禁止されるので、電気ヒータ 19のオン作動により火災等が引き起こされること が防止され、燃料電池システムの安全が確保される。
一方、ステップ S1において、制御器 21は、第 2の異常であると判定した場合には、第 1の異常であると判定した場合と同様に、燃料電池システムの運転を停止させる (ステ ップ S4)。次いで、制御器 21は、温度検知器 20の検知温度 Tが凍結防止運転を行う か否かの判定基準である第 1の閾値 (0°C)以下になる力否かを判定する (ステップ S 5)。そして、検知温度 Tが第 1の閾値温度以下でない場合には、検知温度 Tが第 1の 閾値以下になる力否か監視する。検知温度 Tが第 1の閾値温度以下である場合もし くは第 1の閾値温度以下になった場合には、制御器 21は、凍結防止回路 39の入切 スィッチ 33を閉成する（ステップ S6)。これにより、凍結防止運転が行われて電気ヒー タ 19が動作する。また、制御器 21は、電気ヒータ 19の作動と同時に相互循環ポンプ 14、貯湯水ポンプ 35、及び冷却水ポンプ 7を動作させて、相互循環経路 15、貯湯 水経路 10、及び冷却水経路 8中の水を通流させる。これにより、相互循環経路 15、 貯湯水経路 10、及び冷却水経路 8中の水の凍結が防止され、ひいては、これらの水 経路の水の凍結による燃料電池システムの損傷が防止される。
[0063] 次いで、制御器 21は、温度検知器 20の検知温度 Tが第 2の閾値温度（1. 5°C)以 上であるか否力判定する (ステップ S7)。検知温度 Tが第 2の閾値温度以上でな 、場 合には、ステップ S6に戻り、検知温度 Tが第 2の閾値温度以上になるまで、入切スィ ツチ 33の閉成を維持し、凍結防止運転を行う。そして、検知温度 Tが第 2の閾値温度 以上である場合もしくは第 2の閾値温度以上になった場合には、入切スィッチ 33を開 放する (ステップ S8)。これにより、凍結防止運転が停止される。その後、ステップ S5 に戻り、検知温度 Tが第 1の閾値以下になるか否か監視する。
[0064] なお、上記ステップ S3を終了した後、制御器 21が、再度、第 1の異常検知器により 第 1の異常が検知される力否かを判定し、第 1の異常が検知されない場合、すなわち 、第 1の異常が解消されたと判断される場合には、温度検知器 20の検知温度 Tに基 づき凍結防止運転を行って電気ヒータ 19を動作させるように構成してもよい。例えば 、可燃性ガスセンサ 22により可燃性ガス濃度の閾値以上であることが第 1の異常とし て検知され、燃料電池システムの運転を停止した後、可燃性ガスセンサ 22が検知す る可燃性ガス濃度が上記閾値未満になった場合には、温度検知器 20の検知温度 T に基づき凍結防止運転を行って電気ヒータ 19を動作させるように構成してもよい。 なお、検知温度の第 1及び第 2の閾値温度は、温度検知器 20の設置場所に応じて 適宜設定することが好まし 、。
また、上述の本実施の形態の燃料電池システムでは、第 1の異常として可燃性ガスの 漏洩に関係する異常のみを第 1の異常とし、それと異なる異常を第 2の異常として規 定しており、この場合が、本発明の目的及び効果に鑑みて最も好ましい態様である 力 上記態様に限定されるものでなぐ第 1の異常が、可燃性ガスの漏洩に関係する 異常と異なる異常を含んでもいても構わない。例えば、上記第 2の異常として例示し た「流量制御器異常」、「水温異常」、「水位異常」、「流量異常」、「電気出力異常」の 一部が、第 1の異常に含まれていても本発明の目的及び効果を損なうものではない。 また、当該異常が発生している最中にヒータを動作させることにより燃料電池システム の安全が阻害される態様の異常が、上述の可燃性ガスの漏洩に関係する異常以外 に想定されれば、それを第 1の異常として規定してもよ ヽ。
[0065] 上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らか である。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行 する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を 逸脱することなぐその構造及び Ζ又は機能の詳細を実質的に変更できる。
産業上の利用可能性
[0066] 本発明に係る燃料電池発電システムは、異常が発生した際の水凍結防止及び安 全性確保の機構を備えて ヽて家庭用等に用いられる燃料電池システムに有用である

Claims

請求の範囲
[1] 燃料と酸化剤とを用いて発電する燃料電池と、
前記燃料電池の運転に関連する水の経路である水経路と、
前記水経路を加熱する電気ヒータと、
前記水経路内の水の温度に関連する温度を検知する水関連温度検知器と、 可燃性ガスの漏洩に関係する異常を含む第 1の異常を検知する第 1の異常検知器と 前記第 1の異常と異なる第 2の異常を検知する第 2の異常検知器と、
制御器と、を備え、前記制御器が、前記第 1の異常検知器で第 1の異常が検知され 又は前記第 2の異常検知器で第 2の異常が検知された場合に運転を停止するよう構 成された燃料電池システムであって、
前記制御器は、前記第 2の異常検知器で第 2の異常が検知されたことによって前記 燃料電池システムが停止している場合には、前記水関連温度検知器が所定の閾値 以下の温度を検知すると凍結防止運転として前記電気ヒータを動作させ、
前記第 1の異常検知器で第 1の異常が検知されたことによって前記燃料電池システ ムが停止している場合には、前記水関連温度検知器が前記所定の閾値以下の温度 を検知しても前記凍結防止運転として前記電気ヒータを動作させないよう構成されて いる、燃料電池システム。
[2] 前記水経路が、前記燃料電池を冷却するための冷却水が流れる冷却水経路と、前 記冷却水を貯える冷却水タンクと、前記冷却水経路を流れる冷却水から熱を回収す る貯湯水が流れる貯湯水経路と、前記貯湯水を貯える貯湯タンクと、前記燃料電池 力 の排ガス力 回収された回収水が流れる回収水経路と、前記回収水を貯える回 収水タンクと、の少なくともいずれか一つである、請求項 1に記載の燃料電池システム
[3] 前記第 1の異常検知器として、可燃性ガス濃度を検知する可燃性ガスセンサを備え 、前記制御器は、前記可燃性ガスセンサが所定の閾値以上の可燃性ガス濃度を検 知して前記燃料電池システムが停止して 、る場合には、前記水関連温度検知器が 前記所定の閾値以下の温度を検知しても前記凍結防止運転として前記電気ヒータを 動作させないよう構成されている、請求項 1又は 2に記載の燃料電池システム。
[4] 原料から前記燃料として水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器を加熱す るパーナと、前記パーナからの排ガスの CO濃度を検知する前記第 1の異常検知器と しての COセンサとを備え、前記制御器は、前記 COセンサが所定の閾値以上の CO 濃度を検知して前記燃料電池システムが停止して 、る場合には、前記水関連温度 検知器が前記所定の閾値以下の温度を検知しても前記凍結防止運転として前記電 気ヒータを動作させないよう構成されている、請求項 1又は 2に記載の燃料電池シス テム。
[5] 前記パーナに酸化ガスを供給する酸化ガス供給器と、前記酸化ガス供給器の異常 を検知する前記第 1の異常検知器としての酸ィ匕ガス供給異常検知器とを備え、前記 制御器は、前記酸ィヒガス供給異常検知器が異常を検知して前記燃料電池システム が停止している場合には、前記水関連温度検知器が前記所定の閾値以下の温度を 検知しても前記凍結防止運転として前記電気ヒータを動作させな 、よう構成されて ヽ る、請求項 1又は 2に記載の燃料電池システム。
[6] 原料から前記燃料として水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器の温度を 検知する前記第 1の異常検知器としての改質器温度検知器とを備え、前記制御器は 、前記改質器温度検知器が所定の閾値以上の温度を検知して前記燃料電池システ ムが停止している場合には、前記水関連温度検知器が前記所定の閾値以下の温度 を検知しても前記凍結防止運転として前記電気ヒータを動作させないよう構成されて いる、請求項 1又は 2に記載の燃料電池システム。
[7] 原料から前記燃料として水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器内部の圧 カを検知する前記第 1の異常検知器としての圧力検知器とを備え、前記制御器は、 前記圧力検知器が所定の閾値以上の圧力を検知して前記燃料電池システムが停止 している場合には、前記水関連温度検知器が前記所定の閾値以下の温度を検知し ても前記凍結防止運転として前記電気ヒータを動作させな 、よう構成されて 、る、請 求項 1又は 2に記載の燃料電池システム。
[8] 前記第 2の異常検知器が、前記第 2の異常としての、前記燃料電池システムの運転 に関連する水または空気の流量を制御する流量制御器 (除く燃焼空気供給器)の異 常、燃料電池の運転に関連する水の温度に関する異常、前記燃料電池の運転に関 連する水の水位に関する異常、前記燃料電池の運転に関連する流体 (除く燃焼空 気)の流量に関する異常、及び前記燃料電池で発電される電気の出力に関する異 常の少なくともずれかを検知するものであり、
前記制御器は、前記第 2の異常検知器で前記第 2の異常が検知されたことによって 前記燃料電池システムが停止して 、る場合には、前記水関連温度検知器が所定の 閾値以下の温度を検知すると凍結防止運転として前記電気ヒータを動作させるよう構 成されている、請求項 1又は 2に記載の燃料電池システム。
冷却水を流す為の冷却水ポンプと、前記燃料電池の運転に関連する流体の流量 に関する異常としての前記冷却水ポンプの異常を検知する前記第 2の異常検知器と しての冷却水ポンプ異常検知器と、を備える、請求項 8に記載の燃料電池システム。
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