JP2008262740A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】電気ヒータの過剰投入を防止して機器の損傷や火災の危険を確実に回避することができ、高いレベルの安全性を獲得して商品価値を向上させた燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】システムの保護停止実施後あるいは電気ヒータ４の遮断指令出力後、温度センサ６によって検出された温度が下降することなく一定以上である場合には、システム制御装置３は電気ヒータ４が依然として投入状態であると判断し、主幹ブレーカ５を強制的に遮断する。また、システム制御装置３には、システム制御装置３自体の異常を検知する手段として、外部ウォッチドッグタイマー８が取り付けられている。外部ウォッチドッグタイマー８はシステム制御装置３の異常を検知した場合には、主幹ブレーカ５を遮断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料処理系に電気ヒータを設けた燃料電池発電システムに係り、特に、電気ヒータの過熱防止を図った燃料電池発電システムに関するものである。

近年、発電源・熱源として燃料電池を組み込んだ燃料電池発電システムが提案されている。燃料電池とは、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスを電気化学的に反応させて燃料ガスの持つ化学的エネルギから直接的に電気エネルギを取り出す装置であり、エネルギ変換率が高い、低騒音で有害ガスを排出しない、発電に伴う排熱も利用可能であるといった長所がある。そのため近年では、様々なタイプの燃料電池が開発されており、これをコアとした発電システムの改良が進められている（例えば、特許文献１）。

ここで、燃料電池発電システムの従来例について、図２を用いて具体的に説明する。図２に示すように、燃料電池発電システムには、燃料電池本体１、燃料処理装置２、システム制御装置３が設けられている。このうち燃料電池本体１は、先に述べたように、燃料ガスと酸化剤ガスを取り入れて両者の電気化学反応により電気エネルギを発生する装置であって、主幹ブレーカ５を経由して系統７と電気的に接続されている。

燃料処理装置２は、燃料ガスを燃料電池本体１に供給するための燃料処理系に組み込まれる装置であって、炭化水素を含む原燃料ガス、例えば天然ガス、ＬＰＧ（液化プロパンガス）、バイオガス等から水素リッチな改質ガスを生成するものである。

また、燃料処理装置２には電気ヒータ４が組み込まれている。この電気ヒータ４は、システムの起動時又は発電時に、燃料処理系を所定の温度まで上昇させ、さらに所定の温度に維持する役割、あるいは系統７への逆潮流を防止する役割を果たしている。さらに、電気ヒータ４の投入状態を検知するセンサとして、電気ヒータ４周辺部または電気ヒータ４自体の温度を検出する温度センサ６が設置されている。これら電気ヒータ４及び温度センサ６は発電システム全体の制御を司るシステム制御装置３に接続されている。

電気ヒータ４は、燃料処理系の温度制御や逆潮流防止を図るための重要な装置であるが、過剰な投入状態が続くと、燃料処理系が過熱されて構成機器が損傷しかねない。最悪の場合、燃料ガスが発火して火災を引き起こすおそれがある。そこで、燃料電池発電システムでは、温度センサ６にて電気ヒータ４周辺部または電気ヒータ４自体の温度を測定し、システム制御装置３が温度センサ６から温度検知信号を受け取って、電気ヒータ４の過剰投入を監視するようになっている。

すなわち、温度センサ６からの温度検知信号に基づいて、システム制御装置３が電気ヒータ４周辺部または電気ヒータ４自体の温度が一定以上であれば、電気ヒータ４の過剰投入と判断し、電気ヒータ４を強制的に遮断するか、システムの保護停止を実施する。その際、電気ヒータ４が過剰投入されている旨の警報を発するようにしてもよい。図２の燃料電池発電システムでは、このような安全対策を行うことで、電気ヒータ４の過剰投入の防止を図っており、安全性を確保している。
特開２００３−１５７８７１号公報

ところで、燃料電池発電システムは、コンパクト化、高性能化が急速に進んでおり、家庭用システムの実用化も視野に入れている。そのため、発電システムにはいっそう高い安全レベルが求められる。特に、火災など重大事故の可能性がある電気ヒータの過剰投入に関しては、あらゆる状況を想定した上で安全対策を講じることが要請されている。

電気ヒータ４の過剰投入を引き起こす状況としては、次のようなケースが考えられる。すなわち、リレー接点固着など電気ヒータ４自体に故障が発生するケースや、人為的なミスにより手動にて投入継続が発生するケースがある。これらのケースでは、たとえシステム制御装置３が電気ヒータ４の遮断指令を出力したとしても、実際には電気ヒータ４の遮断が行われず、電気ヒータ４の投入状態が継続される。

また、システム制御装置３に異常が発生することや、温度センサ６が故障して低めの温度に誤指示することも考えられる。これらの場合には、電気ヒータ４の適切な制御や温度センサ６による適切な保護が担保されないので、システム制御装置３が電気ヒータ４の動作状態を正確に把握することが困難となる。したがって、実際には電気ヒータ４の温度あるいはその周囲の温度が高くなり、電気ヒータ４を遮断するべき状況であったとしても、電気ヒータ４の過剰投入を許すことになる。

本発明は上記の問題を解消するために提案されたものであり、その目的は、電気ヒータの過剰投入を防止して機器の損傷や火災の危険を確実に回避することができ、高いレベルの安全性を獲得して商品価値を向上させた燃料電池発電システムを提供することにある。

本発明は、上記の目的を達成するために、燃料ガス及び酸化剤ガスを取り入れて両者の電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、前記燃料ガスを前記燃料電池本体に供給する燃料処理系と、前記燃料電池本体を系統に対し電気的に接続する主幹ブレーカが設けられた燃料電池発電システムであって、該システムの起動、発電及び保護停止を制御するシステム制御手段と、前記システムの起動時又は発電時に前記燃料処理系を所定の温度まで上昇させ且つ所定の温度に維持するための電気ヒータ、あるいは前記系統への逆潮流を防止するための電気ヒータが設けられた燃料電池発電システムにおいて、前記電気ヒータの周辺部又は前記電気ヒータ自体の温度を測定して前記電気ヒータの投入状態を検知する温度センサが設置され、前記システムの保護停止後あるいは前記電気ヒータの遮断指令出力後も前記温度センサが前記電気ヒータの投入状態を検知した場合、前記主幹ブレーカを遮断する遮断手段が設けられたことを特徴とする。

上記の構成を有する本発明では、たとえシステムの保護停止後あるいは電気ヒータの遮断指令出力後であっても、温度センサが電気ヒータの投入状態を検知した場合、電気ヒータの過剰投入と判断して、遮断手段が主幹ブレーカを強制的に遮断する。したがって、仮に電気ヒータに不具合が起きてリレー接点固着したり、あるいは人為的ミスによる誤投入といった事態が起きたとしても、主幹ブレーカの遮断によって電気ヒータを遮断でき、電気ヒータの過剰投入を防ぐことが可能である。

本発明の燃料電池発電システムによれば、システムの保護停止や電気ヒータの遮断指令に関係なく、温度センサが電気ヒータの投入状態を検知すれば、電気ヒータの過剰投入のおそれがあるとして、主幹ブレーカを強制的に遮断して電気ヒータの過熱を確実に防ぐことができ、機器損傷や火災の危険を回避して安全性・信頼性を高めて、優れた商品価値を付与することができる。

以下、本発明に係る代表的な実施形態の一例について、図１を参照して具体的に説明する。図１は本実施形態の構成図であって、図２に示した従来技術と同一の部材に関しては同一符号を付して説明は省略する。

（代表的な実施形態）
［構成］
本実施形態では、温度センサ６の検出温度が一定以上であるとシステム制御装置３が判断した場合、システムの保護停止あるいは電気ヒータ４の遮断を実施するようになっており、この点に関しては前記図２に示した従来技術と同じである。

さらに本実施形態では、システムの保護停止実施後あるいは電気ヒータ４の遮断指令出力後、温度センサ６によって検出された温度が下降することなく一定以上である場合には、システム制御装置３は電気ヒータ４が依然として投入状態であると判断し、主幹ブレーカ５を強制的に遮断するように構成されている。

また、システム制御装置３には、システム制御装置３自体の異常を検知する手段として、外部ウォッチドッグタイマー８が取り付けられている。外部ウォッチドッグタイマー８はシステム制御装置３が正常に動作しているかどうかを常時監視するタイマーであり、所定時間毎にシステム制御装置３と通信を取り合い、この通信が途切れた時点で、システム制御装置３にハングアップ等の不正動作や故障が発生したことを検知するようになっている。外部ウォッチドッグタイマー８は主幹ブレーカ５に電気的に接続されており、システム制御装置３の異常を検知した場合には、主幹ブレーカ５を遮断するように構成されている。

［作用効果］
以上のような構成を有する本実施形態の作用効果は次の通りである。すなわち、本実施形態では、温度センサ６によって検出された温度が一定以上であれば、システム制御装置３がシステム保護停止を実施するか、あるいは電気ヒータ４を遮断する。このとき、システム制御装置３および電気ヒータ４に何の異常も無ければ、システム保護停止は確実に実施され、電気ヒータ４も遮断される。

ところが、システム保護停止後あるいは電気ヒータ４の遮断指令出力後も、温度センサ６にて検出される電気ヒータ４の温度が下降せずに一定以上の場合には、何らかの異常（例えば電気ヒータ４におけるリレーの接点固着、人為的ミスによる誤投入）が起きていると考えられる。そこで、本実施形態では、このような異常を想定し、温度センサ６にて電気ヒータ４の温度が一定以上であれば、システム保護停止や電気ヒータ４の遮断指令出力に関係なく、システム制御装置３は主幹ブレーカ５を強制的な遮断する。これにより、確実に電気ヒータ４を遮断して、電気ヒータ４の過剰投入を防ぐことが可能である。

また、システム制御装置３自体が異常となった場合には、電気ヒータ４や温度センサ６が誤動作を起こしても、誤動作かどうかを判断できず、電気ヒータ４の適切な制御や温度センサ６による適切な保護が担保されていない。このため、外部ウォッチドッグタイマー８がシステム制御装置３の異常を検知した場合にも、主幹ブレーカ５を強制的に遮断する。これにより、電気ヒータ４の過剰投入を防止できる。

以上のような本実施形態によれば、電気ヒータ４におけるリレーの接点固着や人為的ミスによる手動投入、さらにはシステム制御装置３の異常が起きたとしても、主幹ブレーカ５を強制的に遮断することで電気ヒータ４の過剰投入による機器損傷を防止でき、安全性・信頼性を向上させて、燃料電池発電システムの商品価値を高めることができる。

（他の実施形態）
なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、次のような実施形態も包含する。例えば、図１に示した発電システムでは、燃料電池本体１に供給される燃料ガスとして、燃料処理装置２からの改質ガスを利用しているが、この改質ガスに代えて、ソーダ製造の食塩電解の際に生じる水素や、銑鉄冷却時に発生する水素といった副生水素を燃料ガスとして用いるようにしても良い。また、上記図１に示した実施形態において、外部ウォッチドッグタイマー８がシステム制御装置３の異常を検知した場合、主幹ブレーカ５を遮断するのではなく、電気ヒータ４を遮断するように構成しても構わない。

さらに、電気ヒータ４の投入継続時間を予め設定しておき、この投入継続時間が経過すれば、必ず主幹ブレーカ５を遮断するか、あるいは保護停止を自動的に実施するようにしても良い。また、電気ヒータ４は、設定された投入継続時間を経過した後、自動的に遮断がなされるように構成したものでも良い。これらの実施形態によれば、仮に温度センサ６が故障して低めの温度に誤指示したとしても、温度センサ６による電気ヒータ４の投入状態検知に頼ることなく、所定の投入継続時間を経過すれば電気ヒータ４が必ず遮断されるので、電気ヒータ４の過剰投入を確実に防ぐことができる。

本発明に係る燃料電池発電システムの代表的な実施形態を示す系統構成図。 従来の燃料電池発電システムの系統構成図。

符号の説明

１…燃料電池本体
２…燃料処理装置
３…システム制御装置
４…電気ヒータ
５…主幹ブレーカ
６…温度センサ
７…系統
８…外部ウォッチドッグタイマー

Claims (6)

1. 燃料ガス及び酸化剤ガスを取り入れて両者の電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、前記燃料ガスを前記燃料電池本体に供給する燃料処理系と、前記燃料電池本体を系統に対し電気的に接続する主幹ブレーカが設けられた燃料電池発電システムであって、該システムの起動、発電及び保護停止を制御するシステム制御手段と、前記システムの起動時又は発電時に前記燃料処理系を所定の温度まで上昇させ且つ所定の温度に維持するための電気ヒータ、あるいは前記系統への逆潮流を防止するための電気ヒータが設けられた燃料電池発電システムにおいて、
   前記電気ヒータの周辺部又は前記電気ヒータ自体の温度を測定して前記電気ヒータの投入状態を検知する温度センサが設置され、
   前記システムの保護停止後あるいは前記電気ヒータの遮断指令出力後も前記温度センサが前記電気ヒータの投入状態を検知した場合、前記主幹ブレーカを遮断する遮断手段が設けられたことを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 燃料ガス及び酸化剤ガスを取り入れて両者の電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、前記燃料ガスを前記燃料電池本体に供給する燃料処理系と、前記燃料電池本体を系統に対し電気的に接続する主幹ブレーカが設けられた燃料電池発電システムであって、該システムの起動、発電及び保護停止を制御するシステム制御手段と、前記システムの起動時又は発電時に前記燃料処理系を所定の温度まで上昇させ且つ所定の温度に維持するための電気ヒータ、あるいは前記系統への逆潮流を防止するための電気ヒータが設けられた燃料電池発電システムにおいて、
   前記システム制御手段の異常を検知する異常検知手段が設置され、
   前記異常検知手段が前記システム制御手段の異常を検知した場合、前記主幹ブレーカまたは前記電気ヒータを遮断する遮断手段が設けられたことを特徴とする燃料電池発電システム。
3. 燃料ガス及び酸化剤ガスを取り入れて両者の電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、前記燃料ガスを前記燃料電池本体に供給する燃料処理系と、前記燃料電池本体を系統に対し電気的に接続する主幹ブレーカが設けられた燃料電池発電システムであって、該システムの起動、発電及び保護停止を制御するシステム制御手段と、前記システムの起動時又は発電時に前記燃料処理系を所定の温度まで上昇させ且つ所定の温度に維持するための電気ヒータ、あるいは前記系統への逆潮流を防止するための電気ヒータが設けられた燃料電池発電システムにおいて、
   前記電気ヒータは投入継続時間が予め設定されており、
   前記電気ヒータの投入継続時間が経過した場合、前記主幹ブレーカまたは前記電気ヒータを遮断する遮断手段が設けられたことを特徴とする燃料電池発電システム。
4. 燃料ガス及び酸化剤ガスを取り入れて両者の電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、前記燃料ガスを前記燃料電池本体に供給する燃料処理系と、前記燃料電池本体を系統に対し電気的に接続する主幹ブレーカが設けられた燃料電池発電システムであって、該システムの起動、発電及び保護停止を制御するシステム制御手段と、前記システムの起動時又は発電時に前記燃料処理系を所定の温度まで上昇させ且つ所定の温度に維持するための電気ヒータ、あるいは前記系統への逆潮流を防止するための電気ヒータが設けられた燃料電池発電システムにおいて、
   前記電気ヒータは投入継続時間が予め設定されており、
   前記電気ヒータの投入継続時間が経過した場合、前記システム制御手段は保護停止を実施するように構成されたことを特徴とする燃料電池発電システム。
5. 前記燃料処理系に炭化水素を含む原燃料ガスから水素リッチな改質ガスを生成するための改質ガス生成手段が設けられたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
6. 前記燃料処理系は副生水素を含む水素リッチガスを燃料ガスとして取り入れるように構成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。

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