JP2013239403A

JP2013239403A - 燃料電池システムの運転情報管理方法

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Publication number: JP2013239403A
Application number: JP2012113333A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Watanabe; 崇之渡邉; Junya Koda; 淳也香田
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2012-05-17
Filing date: 2012-05-17
Publication date: 2013-11-28
Anticipated expiration: 2032-05-17
Also published as: JP5841489B2

Abstract

【課題】燃料電池運転中における系統停電に起因する異常状態検出に関して、合理的な管理技術を提供する。
【解決手段】対象となる異常状態が、予め特定した電力系統に起因する異常（エラーＡ群）か否かを判定する。これに該当する場合には、当該異常情報を不揮発性メモリの保存データから消去する。次に表２の緊急停止に起因する異常（エラーＢ群）か否かを判定する。エラーＢ群に該当する場合には、次にこれらがシステムの安全性を損なう異常（表２のエラーＣ群）か否かを判定する。エラーＣ群に該当しない場合には、さらに耐久性関連の異常（表２のエラーＤ群）か否かを判定する。これに該当する場合には、発生回数累計値が所定の上限値を超えている場合には、警報発報を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は燃料電池システムの運転情報管理技術に係り、特に、停電時における異常状態の記録保存に関する制御技術を提供する。

従来、燃料電池システムに関して、電力系統による電力供給異常時に再起動可能状態となるように自動的に復旧動作を行う制御技術が公知である（例えば特許文献１）。この技術では、さらに異常による停止回数、復旧動作回数を記憶して、所定回数に達したときは復旧動作を禁止し、無理・無駄な復旧動作、再起動の実行を抑制している。

一方、現在商品化されている燃料電池システムについては、運転中に安全上、耐久上に関係する異常が発生した場合、エラー表示、警報発報するとともに、その情報を不揮発性メモリに保存して修理や品質管理情報として利用している。
しかしながら、運転中に停電発生があった場合においてもこの制御方法が適用されるため、停電に起因する安全上問題のない異常情報が保存され、メンテナンス作業負荷の増大を招いているという問題がある。このことはコストアップ要因ともなり、燃料電池普及促進を阻害することになる。

特開２０１０−１００５０号公報

本発明は、燃料電池運転中における系統停電に起因する異常状態検出に関して、合理的な管理技術を提供するものである。

上記課題を解決するため、本発明は、以下の内容を要旨とする。すなわち、本発明に係る燃料電池システムの運転情報管理方法は、
（１）運転中に所定の異常状態を検知したときは、異常発生情報として記憶媒体に保存する燃料電池システムの運転情報管理方法であって、
運転中に停電が発生したときは、当該停電発生現象を異常発生情報として該記憶媒体に保存し、かつ、
当該停電と同時に検知した他の異常状態のうち、停電に起因し実質的に保存不要と判定される特定異常状態については、当該停電復旧後に、保存された異常発生情報から消去する、ことを特徴とする。

本発明において、「運転中」とは、必ずしも燃料電池の発電時のみを意味せず、起動時、クールダウン時等、装置のいずれかの部分が稼動している状態を含む概念である。

本発明は、停電時に燃料電池の運転を継続可能とする無停電電源装置を備えたシステムにおいても適用される。この場合、無瞬断でバッテリー給電に切り替えるシステムにおいては特定異常状態は通常発生しないが、瞬停もしくは短期停電で切り替えるシステムにおいては、特定異常状態が発生することがあり得る。

（２）上記発明において、さらに、停電復旧したときは、当該停電復旧情報を前記記憶媒体に保存し、かつ、当該停電復旧から所定の段階に至るまでに検知した異常状態のうち、停電復旧に起因し実質的に保存不要と判定される特定復旧異常状態については、保存された異常発生情報から消去する、ことを特徴とする。
（３）上記発明において、運転中に前記特定異常状態又は前記特定復旧異常状態を検知したときは警報発報することなく、かつ、その他の異常状態を検知したときは警報発報する、ことを特徴とする。

（４）上記発明において、前記特定異常状態又は前記特定復旧異常状態以外の異常状態であって、燃料電池の耐久性に関係する異常状態については、当該異常発生情報の累積発生回数が所定回数に達するまでは、警報発報しないことを特徴とする。

（５）上記（１）の発明において、さらに、停電復旧したときは、当該停電復旧情報を前記記憶媒体に保存し、かつ、当該停電復旧から所定の段階に至るまでに検知した異常状態のうち、停電復旧に起因し実質的に保存不要と判定される特定復旧異常状態については、異常発生情報として保存しない、ことを特徴とする。

本発明によれば、停電に起因して発生する安全上問題のない異常情報を消去することにより、メンテナンス作業負荷の軽減が可能となり、さらにコストダウンが可能となるという効果がある。

第一の実施形態に係る燃料電池システム１のブロック構成を示す図である。燃料電池システム１の異常検出判定フローを示す図である。第二の実施形態に係る燃料電池システム２０のブロック構成を示す図である。燃料電池システム２０の異常検出判定フロー（ａ）を示す図である。同じく異常検出判定フロー（ｂ）を示す図である。第三の実施形態における異常検出判定フローを示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図１乃至５を参照してさらに詳細に説明する。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。

＜第一の実施形態＞
図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）システム１の全体ブロック構成を示す図である。燃料電池システム１は、発電ユニット２ａと、貯湯ユニット２ｆとを備えた燃料電池本体２と、系統電源３又は燃料電池２から供給される電力を各電力負荷５に分配する分電盤４と、燃料電池２の運転制御及び本実施形態に係る停電時の異常検出情報の制御を行う制御部６と、を主要構成として備えている。系統電源３からは、単相３線式交流電力（１００，２００Ｖ）が供給されている。

発電ユニット２ａは、天然ガスを主成分とする都市ガスを水素に改質する燃料処理装置２ｂ、燃料である水素と酸化剤として供給される空気中の酸素を電気化学反応させて直流電力を取り出す発電セル（図示せず）を積層したセルスタック２ｃ、セルスタック２ｃで得られた直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナー（ＰＣＳ）２ｄ、余剰電力をジュール熱として回収する放熱用ヒータ２ｅ、を主要構成として備えている。なお、放熱用ヒータ２ｅは貯湯ユニット２ｆ側に付設されていてもよい。
燃料である都市ガスは、ガス供給管７を介して供給される。貯湯ユニット２ｆは、放熱用ヒータ２ｅにおけるジュール熱及び発電排熱を、お湯として回収するように構成されている。

同図に示すように燃料電池システム１の各部にはセンサＳ１〜Ｓ１１が配設されており、各センサの計測値を常時、制御部６に送信するように構成されており、制御部はこれらの情報に基づいて運転制御及び異常状態検出時の判定を可能に構成されている。各センサの監視項目及び具体的計測項目を表１に示す。
制御部６は、表１の計測値を常時監視しており、運転時及びスタンバイ時等に所定の閾値を超える異常値を検出したときに、各部に必要な指令を行うように構成されている。制御部６は、また、異常発生情報を保存する不揮発性メモリ（図示せず）を備えている。
制御部６にはコントローラ６ａが付設されており、利用者が燃料電池システム１の運転指示を行うとともに、異常発生時に後述する警報発報（エラー表示）を表示パネルに表示可能としている。なお、本実施形態では制御部６を発電ユニット２ａに搭載する例を示したが、独立に設ける態様としても良い。

制御部６は、さらに検出した異常状態を発生原因別に分類して、後述するように不揮発性メモリへの保存の有無、警報発報の有無を判定するように構成されている。表２に異常状態（エラー）種別及びそれぞれの発生原因、異常状態例を一覧に示す。

このうちエラー種別Ａ群は、停電に起因する電力系統側の異常であり、安全上・耐久上問題のない異常状態である。またＢ群は、停電に伴って燃料電池側が緊急運転停止することに起因する異常状態である。これについては、安全上問題はないものの、装置各部の耐久性に影響する場合がある。またＣ群は、停電に起因するか否かは不明であるが、安全上問題のある異常状態である。さらにこれらのいずれにも該当しない以上状態をＤ群に分類している。
なお、制御部６は、ＣＰＵ、クロック、ＲＡＭ、ＲＯＭ、バス、Ｉ／Ｏインターフェース等を備えたマイコンを主要構成とする装置により実装可能である。

燃料電池システム１は以上のように構成されており、次に、図２を参照して、本実施形態において制御部６が行う異常検出判定フローの具体的内容について説明する。同図において、一点鎖線内は燃料電池本体の運転状態の推移である。
制御開始時において、系統電力又は燃料電池により負荷に給電が行われる状態を想定する（Ｓ１０１）。運転中に停電が発生しこれを検出したときは（Ｓ１０２）、燃料電池の運転停止を指令する（Ｓ１０３）。同時に、停電情報（発生時刻、発生日、累積運転時間、累積運転回数、燃料電池状態、燃料電池運転工程、発電ユニットと貯湯ユニット各部の温度・流量・圧力等）及び停電時に検知した異常情報群を、一旦全て制御部の不揮発性メモリに記録保存する（Ｓ１０４）。

その後停電が復旧したときは（Ｓ１０５）、燃料電池の再稼働を指令する（Ｓ１０６）。次いで、Ｓ１０４において保存した異常情報群について表２のエラー種別分類を行い、異常発生原因に対応した保存情報の消去有無の判定を行う。具体的には以下のフローに従う。
まず、対象となる異常状態が、予め特定した電力系統に起因する異常（エラーＡ群）か否かを判定する（Ｓ１０７）。これに該当する場合には（Ｓ１０７においてＹＥＳ）、当該異常情報を不揮発性メモリの保存データから消去する（Ｓ１１４）。

エラーＡ群に該当しない場合には（Ｓ１０７においてＮＯ）、次に表２の緊急停止に起因する異常（エラーＢ群）か否かを判定する（Ｓ１０８）。これに該当しない場合には（Ｓ１０８においてＮＯ）、停電とは無関係に発生した異常でありメンテナンス上必要があるため、不揮発性メモリの保存データを保持するとともに、警報発報を行う（Ｓ１１３）。

エラーＢ群に該当する場合には（Ｓ１０８においてＹＥＳ）、次にこれらがシステムの安全性を損なう異常（表２のエラーＣ群）か否かを判定する（Ｓ１０９）。これに該当する場合には不揮発性メモリの保存データを保持するとともに、警報発報を行う（Ｓ１１３）。

エラーＣ群に該当しない場合には（Ｓ１０９においてＮＯ）、さらに耐久性関連の異常（表２のエラーＤ群）か否かを判定する（Ｓ１１０）。これに該当する場合には（Ｓ１１０においてＹＥＳ）、過去の当該異常項目発生回数累計に１回分加算する（Ｓ１１１）。さらに、発生回数累計値が所定の上限値を超えたか否かの判定を行う（Ｓ１１２）。上限値を超えている場合には（Ｓ１１２においてＹＥＳ）、警報発報を行う（Ｓ１１３）。上限値以下の場合には（Ｓ１１２においてＮＯ）、警報発報することなく不揮発性メモリの保存情報から消去する（Ｓ１１５）。

以上のような記録保存制御により、停電に起因して発生する安全上問題のない異常情報が消去されるため、メンテナンス作業負荷の軽減が可能となる。また、耐久性に関係する異常状態については、発生の都度加算されるため上限値を超えた場合には警報発報（又は表示）されるため、修理対象から外れることがない。

＜第二の実施形態＞
次に本発明の他の実施形態について説明する。図３を参照して、本実施形態に係る燃料電池システム２０の構成が上述の燃料電池システムと異なる点は、停電時に燃料電池の運転を継続可能とする無停電電源装置（ＵＰＳ等）２１を備えていることである。無停電電源装置は、いずれも不図示のバッテリー２１ａ、整流器、インバータを含む電源切替装置２１ｂを主要構成として備え、系統電源停電時にバッテリー給電に切り替え、その後、燃料電池２からの給電に切り替え可能に構成されている。なお、通常運転時は電力系統から随時バッテリー２１ａへの充電が行われている。インバータは停電検出装置２１ｃを備えており、過電圧、不足電圧、周波数上昇、周波数低下、逆潮流検知、不足電力検知、過電流、単独運転検出などの検知により停電有無を判定する。
また、制御部２２は、上述の実施形態の制御部６の有する構成・機能に加えて、無停電電源装置２１と燃料電池２の連係制御を行うように構成されている。
その他の構成については、異常状態検出のためのセンサＳ１〜Ｓ１６を含んで燃料電池システム１と同様であるので、重複説明を省略する。

次に、通常時及び停電時における異常検出判定フロー及び燃料電池運転フローについて説明する。
図４を参照して、電力系統が正常であり、燃料電池２による負荷側への給電が行われている状態を想定する（Ｓ２０１）。次に停電検出した時は（Ｓ２０２）、図５のフローに移行する（Ｓ２０３）。すなわち、無瞬断、瞬停もしくは短期停電でバッテリー給電に切り替える（Ｓ２０１１）。同時に燃料電池２は放熱用ヒータ２ｅへの給電に切り替える（Ｓ２０１２）。そして、所定時間（例えば１５０ｓｅｃ）経過に（Ｓ２０１２においてＹＥＳ）、燃料電池から負荷側への給電に切り替える（Ｓ２０１３）。バッテリー給電は停電復旧まで系統電源代替として機能維持する（Ｓ２０１４）。その後、図４に戻り停電が復旧したときは（Ｓ２０５）、系統電力又は燃料電池による給電燃料電池の運転に戻る（Ｓ２０１）
異常検出判定フローの内容については、上述の実施形態のフロー（図２）と同一である。なお、無瞬断でバッテリー給電に切り替えられる場合には、Ｓ２０８以降のフローは不要となる。

また、本実施形態では停電時に一時的にバッテリー給電した後に燃料電池給電する形態を示したが、停電時に直ちに燃料電池給電する形態としてもよい。この場合も異常検出判定フローについては同様である。

＜第三の実施形態＞
さらに本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態の構成については、上述の燃料電池システム１と同様であるので、重複説明を省略する。
明する。本実施形態が第一の実施形態と異なる点は、第一の実施形態が停電時に検知した実質的に保存不要な特定異常状態に関する情報処理であるのに対して、本実施形態ではこれに加えて、停電復旧後に検知した実質的に保存不要な特定異常状態に関する情報処理である。

次に、図６を参照して本実施形態における異常検出判定フローの具体的内容について説明する。Ｓ３０１〜Ｓ３１５、すなわち停電時に発生した異常発生のデータ処理フローについては、第一の実施形態のＳ１０１〜Ｓ１１５の内容と同一である。
燃料電池の運転再開指令（Ｓ３０６）があった後に、当該停電復帰情報及び復帰後所定の段階（例えば一定時間経過、発電ユニットの運転制御が一定の工程まで進行等）に至るまでに検知した異常情報群を、一旦全て制御部の不揮発性メモリに記録保存する（Ｓ３１６）。次いで、停電復旧からの運転再開に伴う特定異常状態検知の有無を判定する（Ｓ３１７）。運転再開に伴う特定異常状態としては表３の各項目が例示される。このような特定異常状態が発生した場合には（Ｓ３１７においてＹ）、当該異常情報を不揮発性メモリの保存データから消去する（Ｓ３１５）。特定異常状態に該当しない場合には（Ｓ３１７においてＮＯ）、停電復帰とは無関係に発生した異常でありメンテナンス上必要があるため、不揮発性メモリの保存データを保持するとともに、警報発報を行う（Ｓ３１３）。

なお本実施形態では、運転再開に伴う特定異常状態を一旦不揮発性メモリに記録保存し、その後消去する例を示したが、運転再開に伴う特定異常状態を不揮発性メモリに保存しない態様とすることもできる。

本発明は、ＰＥＦＣ燃料電池システムのみならず、ＭＣＦＣ、ＰＡＦＣ、ＳＯＦＣ等の中高温燃料電池システム、さらにガスエンジンを駆動源とするコージェネレーション・システムについても適用可能である。

１、２０・・・・固体高分子形燃料電池システム
２・・・・燃料電池
２ａ・・・発電ユニット
２ｂ・・・燃料処理装置
２ｃ・・・セルスタック
２ｄ・・・パワーコンディショナー（ＰＣＳ）
２ｅ・・・放熱用ヒータ
２ｆ・・・貯湯ユニット
３・・・・系統電源
４・・・・分電盤
５・・・・電力負荷
６、２２・・・・制御部
２１・・・・無停電電源装置（ＵＰＳ）
２１ａ・・・・バッテリー
Ｓ１〜Ｓ１６・・・・センサ

Claims

運転中に所定の異常状態を検知したときは、異常発生情報として記憶媒体に保存する燃料電池システムの運転情報管理方法であって、
運転中に停電が発生したときは、当該停電発生現象を異常発生情報として該記憶媒体に保存し、かつ、
当該停電と同時に検知した他の異常状態のうち、停電に起因し実質的に保存不要と判定される特定異常状態については、当該停電復旧後に、保存された異常発生情報から消去する、
ことを特徴とする燃料電池システムの運転情報管理方法。
請求項１において、さらに、
停電復旧したときは、当該停電復旧情報を前記記憶媒体に保存し、かつ、
当該停電復旧から所定の段階に至るまでに検知した異常状態のうち、停電復旧に起因し実質的に保存不要と判定される特定復旧異常状態については、保存された異常発生情報から消去する、
ことを特徴とする燃料電池システムの運転情報管理方法。
運転中に前記特定異常状態又は前記特定復旧異常状態を検知したときは警報発報することなく、かつ、
その他の異常状態を検知したときは警報発報する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システムの運転情報管理方法。
請求項３において、前記特定異常状態又は前記特定復旧異常状態以外の異常状態であって、燃料電池の耐久性に関係する異常状態については、当該異常発生情報の累積発生回数が所定回数に達するまでは、警報発報しないことを特徴とする燃料電池システムの運転情報管理方法。
請求項１において、さらに、
停電復旧したときは、当該停電復旧情報を前記記憶媒体に保存し、かつ、
当該停電復旧から所定の段階に至るまでに検知した異常状態のうち、停電復旧に起因し実質的に保存不要と判定される特定復旧異常状態については、異常発生情報として保存しない、
ことを特徴とする燃料電池システムの運転情報管理方法。