JP6498531B2 - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents
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Description
本発明は燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法に関する。
燃料電池システムの燃料電池は、例として図１３に示すように、連続的に発電している時間(連続発電時間)が長くなるに従って、触媒の活性が低下することで発電電圧が低下し、これに伴って発電の効率も低下していく、という特性を有している。このため、燃料電池システムは、燃料電池の連続発電時間が予め設定した時間(例えば図１３に示す時間ｔ)に達する度に、燃料電池の発電を停止させて触媒の活性を回復させる回復処理を行い、その後、燃料電池の発電を再開する構成となっていることが多い。
また特許文献１には、燃料電池によって発電された電圧を計測し、計測した電圧が所定の値(例えば図１３に示す電圧ｖ)以下になったときに、燃料極への燃料ガスの導入を継続しつつ、空気極への酸化剤ガスの導入を停止することで、燃料電池の発電を停止させる技術が提案されている。
しかしながら、燃料電池は、触媒の活性低下のような回復可能な変化とは別に、燃料電池システムの稼働期間が長期間になるに伴い、触媒が経年的に劣化するという不可逆の変化も生ずる。そして、触媒の経年劣化により、例として図１４に「経年劣化期(発電終了を時間で判定)」と表記して示すように、発電開始時の発電電圧が燃料電池システムの稼働初期よりも低下し、連続発電時の電圧降下量も燃料電池システムの稼働初期と比較して増大する。更に、燃料電池システムにおけるその他の経年劣化、例えば改質器における改質効率の低下、所望の動力を得るための補機の消費エネルギーの増大、インバータの効率の低下等も影響することで、連続発電時に出力電力の低下も生ずる。
上述した燃料電池システムの経年変化に対し、連続発電時間が予め設定した時間に達したことをトリガとして燃料電池の発電を停止させる技術を適用した場合は、燃料電池システムの稼働期間が長期間になった際に、図１４に「経年劣化期(発電終了を時間で判定)」と表記して示すように、燃料電池の発電電圧が大幅に低下し、効率も大幅に低下している状態でも燃料電池の発電が継続される可能性があり、燃料電池システムの効率の大幅な低下を招く可能性がある。
一方、発電電圧が所定値以下に低下したことをトリガとして燃料電池の発電を停止させる技術を適用した場合は、燃料電池の発電電圧が大幅に低下する前に燃料電池の発電を停止させることができるので、燃料電池システムの効率の大幅な低下を回避できる。但し、燃料電池システムの稼働期間が長期間になると、前述のように、発電開始時の発電電圧が燃料電池システムの稼働初期よりも低下し、連続発電時の電圧降下量も燃料電池システムの稼働初期と比較して増大するので、図１４に「経年劣化期(発電終了を電圧で判定)」と表記して示すように、燃料電池の連続発電時間が非常に短くなって利用者に違和感を与える可能性があり、また、発電開始時の発電電圧が所定値以下になって発電が開始されない事態も生じ得る。
本発明は上記事実を考慮して成されたもので、経年変化に伴う効率の大幅な低下及び連続発電時間の短時間化を抑制できる燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法を得ることが目的である。
請求項１記載の発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスにより発電する燃料電池と、 前記燃料電池の発電中に前記燃料電池の発電電圧及び前記燃料電池を含む燃料電池システムの出力電力の少なくとも一方が閾値まで低下する度に前記燃料電池の発電を停止させると共に、前記燃料電池システムの稼働期間又は前記燃料電池の累積発電時間が長くなるに従って前記閾値を小さくする制御部と、を含む燃料電池システムであって、前記制御部は、前記燃料電池の発電電圧及び燃料電池システムの出力電力の少なくとも一方が閾値まで低下した場合に、発電停止の可否を問い合わせる情報を出力し、発電停止を許可する情報が入力された場合に、前記燃料電池の発電を停止させる。
請求項１記載の発明では、燃料電池が燃料ガスにより発電する。また、制御部は、燃料電池の発電中に燃料電池の発電電圧及び燃料電池を含む燃料電池システムの出力電力の少なくとも一方が閾値まで低下する度に燃料電池の発電を停止させる。このように、燃料電池の発電電圧及び燃料電池システムの出力電力の少なくとも一方に基づいて燃料電池の発電を停止させることで、経年変化に伴い、燃料電池の発電電圧が大幅に低下している状態で燃料電池の発電が継続されることが防止され、効率が大幅に低下することが抑制される。
また、制御部は、燃料電池システムの稼働期間又は燃料電池の累積発電時間が長くなるに従って閾値を小さくする。これにより、燃料電池システムの稼働期間又は燃料電池の累積発電時間が長くなり、それに伴って燃料電池を含む燃料電池システムの経年変化が大きくなると、閾値が小さくされることで、燃料電池の発電において、燃料電池の発電電圧及び燃料電池システムの出力電力の少なくとも一方が閾値まで低下するまでの時間が延びることになり、燃料電池の連続発電時間が非常に短くなって利用者に違和感を与えたり、発電が開始されない事態となることが防止される。これにより、経年変化に伴う効率の大幅な低下及び連続発電時間の短時間化を抑制することができる。
また、制御部は、燃料電池システムの稼働期間又は燃料電池の累積発電時間が長くなるに従って閾値を小さくする。これにより、燃料電池システムの稼働期間又は燃料電池の累積発電時間が長くなり、それに伴って燃料電池を含む燃料電池システムの経年変化が大きくなると、閾値が小さくされることで、燃料電池の発電において、燃料電池の発電電圧及び燃料電池システムの出力電力の少なくとも一方が閾値まで低下するまでの時間が延びることになり、燃料電池の連続発電時間が非常に短くなって利用者に違和感を与えたり、発電が開始されない事態となることが防止される。これにより、経年変化に伴う効率の大幅な低下及び連続発電時間の短時間化を抑制することができる。
また、燃料ガスにより発電する燃料電池を含む燃料電池システムは、例えば停電時等の非常時に電力供給を代替できる有用性の高いシステムであることを考慮し、請求項１記載の発明に係る制御部は、燃料電池の発電電圧及び燃料電池システムの出力電力の少なくとも一方が閾値まで低下した場合に、発電停止の可否を問い合わせる情報を出力し、発電停止を許可する情報が入力された場合に、燃料電池の発電を停止させる。
これにより、燃料電池の発電電圧及び燃料電池システムの出力電力の少なくとも一方が閾値まで低下することで、発電停止の可否を問い合わせる情報が出力された場合に、例えば停電時等の非常時である等のときには、利用者は、発電停止を許可する情報を入力しないことで、燃料電池の発電を継続させることができる。従って、請求項１記載の発明によれば、燃料電池の発電電圧及び燃料電池システムの出力電力の少なくとも一方が閾値まで低下した場合に、効率低下の回避(燃料ガスの利用効率の維持)を優先して発電を停止させるか、効率低下回避よりも発電の継続を優先するかを、利用者が選択することが可能となる。
これにより、燃料電池の発電電圧及び燃料電池システムの出力電力の少なくとも一方が閾値まで低下することで、発電停止の可否を問い合わせる情報が出力された場合に、例えば停電時等の非常時である等のときには、利用者は、発電停止を許可する情報を入力しないことで、燃料電池の発電を継続させることができる。従って、請求項１記載の発明によれば、燃料電池の発電電圧及び燃料電池システムの出力電力の少なくとも一方が閾値まで低下した場合に、効率低下の回避(燃料ガスの利用効率の維持)を優先して発電を停止させるか、効率低下回避よりも発電の継続を優先するかを、利用者が選択することが可能となる。
請求項２記載の発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスにより発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電中に前記燃料電池の発電電圧及び前記燃料電池を含む燃料電池システムの出力電力の少なくとも一方が閾値まで低下する度に前記燃料電池の発電を停止させると共に、前記燃料電池システムの稼働期間又は前記燃料電池の累積発電時間が長くなるに従って前記閾値を小さくする制御部と、を含む燃料電池システムであって、前記燃料電池システムには、発電時間優先モードと効率優先モードとを含む複数の運転モードが設けられており、前記制御部は、前記燃料電池システムの運転モードとして発電時間優先モードが選択された場合に、前記燃料電池システムの運転モードとして効率優先モードが選択された場合よりも、少なくとも、前記燃料電池システムの稼働期間又は前記燃料電池の累積発電時間が所定値以上の期間における前記閾値の低下度合いを大きくする。
請求項２記載の発明では、利用者が、燃料電池システムの運転モードとして発電時間優先モード又は効率優先モードを選択することで、燃料電池システムの稼働期間又は燃料電池の累積発電時間が所定値以上となり、燃料電池を含む燃料電池システムの経年変化が大きくなった場合に、燃料電池において、燃料ガスを高効率で利用することを優先して発電させるか、発電時間がなるべく長くすることを優先して発電させるかが切り替わることになる。従って、請求項２記載の発明によれば、燃料電池システムの経年変化が大きくなった期間における燃料電池の発電に、利用者の好みを反映させることができる。
また、請求項１又は請求項２記載の発明において、制御部は、例えば請求項３に記載したように、燃料電池の発電を停止させた場合に、燃料電池に含まれる触媒の活性を回復させるための回復処理を行わせることが好ましい。回復処理は、例えば、燃料電池に燃料ガス及び空気を供給している状態で燃料電池を流れる電流を低下させ、次に、燃料電池への空気の供給を停止して燃料ガスのみ供給している状態を所定時間継続し、その後、燃料電池への燃料ガスの供給を停止する、という一連の処理により実現できる。回復処理により燃料電池に含まれる触媒の活性が回復するので、発電電圧及び効率が回復した状態で燃料電池の発電を再開することが可能となる。
また、請求項１〜請求項３の何れか１項記載の発明において、制御部は、燃料電池の累積発電時間を計測し、累積発電時間の計測値の増加に伴って閾値を小さくするようにしてもよいが、例えば請求項４に記載したように、累積発電電力量、累積原料ガス流量、累積カソード空気流量及び累積改質水流量の少なくとも１つに基づいて、燃料電池の累積発電時間を判断するようにしてもよい。
請求項５記載の発明に係る燃料電池システムの運転方法は、燃料ガスにより発電する燃料電池を含む燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の発電中に前記燃料電池の発電電圧及び前記燃料電池システムの出力電力の少なくとも一方が閾値まで低下する度に前記燃料電池の発電を停止させると共に、前記燃料電池システムの稼働期間又は前記燃料電池の累積発電時間が長くなるに従って前記閾値を小さくする燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池の発電電圧及び燃料電池システムの出力電力の少なくとも一方が閾値まで低下した場合に、発電停止の可否を問い合わせる情報を出力し、発電停止を許可する情報が入力された場合に、前記燃料電池の発電を停止させるので、請求項１と同様に、燃料電池の発電電圧及び燃料電池システムの出力電力の少なくとも一方が閾値まで低下した場合に、効率低下の回避(燃料ガスの利用効率の維持)を優先して発電を停止させるか、効率低下回避よりも発電の継続を優先するかを、利用者が選択することが可能となる。
請求項６記載の発明に係る燃料電池システムの運転方法は、燃料ガスにより発電する燃料電池を含む燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の発電中に前記燃料電池の発電電圧及び前記燃料電池システムの出力電力の少なくとも一方が閾値まで低下する度に前記燃料電池の発電を停止させると共に、前記燃料電池システムの稼働期間又は前記燃料電池の累積発電時間が長くなるに従って前記閾値を小さくする燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池システムには、発電時間優先モードと効率優先モードとを含む複数の運転モードが設けられており、前記燃料電池システムの運転モードとして発電時間優先モードが選択された場合に、前記燃料電池システムの運転モードとして効率優先モードが選択された場合よりも、少なくとも、前記燃料電池システムの稼働期間又は前記燃料電池の累積発電時間が所定値以上の期間における前記閾値の低下度合いを大きくするので、請求項２記載の発明と同様に、燃料電池システムの経年変化が大きくなった期間における燃料電池の発電に、利用者の好みを反映させることができる。
本発明は、経年変化に伴う効率の大幅な低下及び連続発電時間の短時間化を抑制できる、という効果を有する。
以下、図面を参照して本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。
〔第１実施形態〕
図１には、本実施形態に係る燃料電池システム１０が示されている。燃料電池システム１０は、主要な構成として、改質器１２、燃料電池スタック１４及び制御部１６を備えている。
図１には、本実施形態に係る燃料電池システム１０が示されている。燃料電池システム１０は、主要な構成として、改質器１２、燃料電池スタック１４及び制御部１６を備えている。
改質器１２は、改質触媒１８、シフト触媒２０、選択酸化触媒２２及び燃焼器２４を有している。改質触媒１８には原料ガス管２６の一端が接続されており、原料ガス管２６の途中にはブロワ２８が設けられている。改質触媒１８は、脱硫器によって硫黄化合物が吸着除去された原料ガスが原料ガス管２６を通じて供給され、供給された原料ガスを、後述する凝縮水供給管６８を通じて供給された凝縮水を利用して水蒸気改質する。
燃焼器２４には、途中にブロワ３０が設けられた燃焼空気管３２の一端と、燃料極排ガス管３４の一端と、燃焼排ガス管３６の一端と、が各々接続されており、燃焼空気管３２を通じて燃焼空気が供給され、燃料極排ガス管３４を通じて燃料極排ガスが供給される。燃料極排ガスには燃料電池スタック１４で未反応の水素が含まれており、燃焼器２４は、燃焼空気管３２を通じて供給された燃焼空気と、燃料極排ガス管３４を通じて供給された燃料極排ガスと、を混合した混合ガスを燃焼し、改質触媒１８を加熱する。なお、燃焼排ガスは燃焼排ガス管３６を通じて排出される。
シフト触媒２０は、改質触媒１８で発生した一酸化炭素を水蒸気と反応させて水素と二酸化炭素に変換し、一酸化炭素濃度を低減させる。選択酸化触媒２２は、途中にブロワ３８が設けられた選択酸化空気管４０の一端と、燃料ガス管４２の一端と、が各々接続されており、選択酸化空気管４０を通じて選択酸化空気が供給される。選択酸化触媒２２は、貴金属触媒上で一酸化炭素と酸素を反応させて二酸化炭素に変換し、一酸化炭素を酸化除去する。
改質器１２は、以上の構成により、供給された原料ガスから水素ガスを含む燃料ガスを生成し、生成した燃料ガスを、燃料ガス管４２を通じて燃料電池スタック１４の後述する燃料極４８に供給する。
燃料電池スタック１４は、積層された複数の燃料電池セル４４を含んでいる。なお、燃料電池スタック１４は、固体高分子型燃料電池(ＰＥＦＣ)、リン酸型燃料電池(ＰＡＦＣ)、固体酸化物型燃料電池(ＳＯＦＣ)及び溶融炭酸塩型燃料電池(ＭＣＦＣ)の何れであってもよい。個々の燃料電池セル４４は、電解質層４６と、電解質層４６の表裏面に各々積層された燃料極４８及び空気極５０と、を含んでいる。
燃料極４８(アノード極)には、燃料ガス管４２を通じて改質器１２から燃料ガスが供給される。燃料極４８では、下記の(１)式で示されるように、燃料ガス中の水素が水素イオンと電子とに分解される。燃料極４８で生成された水素イオンは、電解質層４６を通って空気極５０に移動し、燃料極４８で生成された電子は、外部回路を通って空気極５０に移動する。
(燃料極反応)
Ｈ２ →２Ｈ＋＋２ｅ− …(１)
Ｈ２ →２Ｈ＋＋２ｅ− …(１)
一方、空気極５０(カソード極)には、途中にブロワ５２が設けられたカソード空気管５４を通じてカソード空気が供給される。空気極５０では、下記の(２)式で示されるように、電解質層４６を通ってきた水素イオンと、外部回路を通ってきた電子が、カソード空気中の酸素と反応して、水が生成される。
(空気極反応)
４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ− →２Ｈ２Ｏ …(２)
４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ− →２Ｈ２Ｏ …(２)
そして、電子が燃料極４８から空気極５０に移動することにより、個々の燃料電池セル４４で発電が行われる。また、個々の燃料電池セル４４は、発電時に上記の反応に伴って発熱し、空気極５０で生成された水は水蒸気とされる。
燃料電池スタック１４は電気配線を介してインバータ５６と接続されており、燃料電池セル４４の発電によって得られた直流の電力はインバータ５６に供給される。インバータ５６は、燃料電池スタック１４から供給された直流の電力を、交流の電力へ変換して電力負荷へ出力する。
一方、一端が燃焼器２４に接続された燃焼排ガス管３６の他端はドレイナー５８に接続されている。また、燃料電池セル４４の空気極５０には、空気極排ガス管６０の一端が接続されており、空気極排ガス管６０の他端は燃焼排ガス管３６の途中に接続されている。ドレイナー５８は、燃焼排ガス管３６及び空気極排ガス管６０を通じて供給された排ガス(燃焼排ガス及び空気極排ガス)に含まれる水蒸気を凝縮する。ドレイナー５８の排ガス流路の出口部には排気管６２の一端が接続されており、ドレイナー５８で凝縮水が除去された排ガスは排気管６２を通じて外部へ排出される。
また、ドレイナー５８の凝縮水流路の出口部は凝縮水回収管６４を介してドレンタンク６６の入口部に接続されている。ドレンタンク６６は、ドレイナー５８で凝縮された凝縮水が凝縮水回収管６４を通じて供給され、供給された凝縮水を貯留する。ドレンタンク６６の出口部には、前述の改質触媒１８に一端が接続された凝縮水供給管６８の他端が接続されており、凝縮水供給管６８の途中にはポンプ７０が設けられている。ドレイナー５８で生成された凝縮水は、凝縮水回収管６４を通じてドレンタンク６６に回収された後、凝縮水供給管６８を通じて改質触媒１８に供給され、改質触媒１８において水蒸気改質用の水蒸気として利用される。
制御部１６は、ＣＰＵ７２、ワークメモリ等として用いられるメモリ７４、ＨＤＤ(Hard Disk Drive)又はフラッシュメモリを含む不揮発性の記憶部７６及び入出力インタフェース(Ｉ／Ｏ)７８を備えている。
図１では、燃料電池システム１０に設けられた各種のセンサと、ブロワ２８,３０,３８,５２及びポンプ７０を駆動するモータ群と、を計測部／駆動部８０と総称して示しており、計測部／駆動部８０は制御部１６のＩ／Ｏ７８に接続されている。計測部／駆動部８０には、燃料電池スタック１４の発電電圧を検出するセンサと、燃料電池システム１０の出力電力を検出するセンサと、が含まれている。また、Ｉ／Ｏ７８には操作部８２が接続されている。図５にも示すように、操作部８２は、各種の情報を表示可能な表示部８４と、利用者が各種の指示を入力可能な入力部８６と、を含んでいる。
制御部１６の記憶部７６には、燃料電池スタック１４が連続的に発電している場合に発電を停止させる条件を表す停止条件情報が登録された停止条件テーブル８８が記憶されている。図２に停止条件テーブル８８の一例を示す。図２に示す停止条件テーブル８８は、燃料電池システム１０の稼働年数が「〜２年」、「〜４年」、「〜６年」、「〜８年」、「〜１０年」、「１０年以降」の各場合毎に、停止条件である発電電圧及び出力電力の値が各々設定されている。停止条件情報が表す発電電圧及び出力電力の値は、燃料電池スタック１４の発電を停止させるか否かを判定する際の閾値に相当し、燃料電池システム１０の稼働期間が長くなるに従って前記閾値が小さくなるように設定されている。
なお、ここで示している発電電圧の閾値はセル電圧に対する閾値であるが、これに限定されるものではなく、燃料電池スタック１４における燃料電池セルの積層枚数に対応したスタック電圧に対する閾値を適用することも可能である。
なお、ここで示している発電電圧の閾値はセル電圧に対する閾値であるが、これに限定されるものではなく、燃料電池スタック１４における燃料電池セルの積層枚数に対応したスタック電圧に対する閾値を適用することも可能である。
なお、詳細は後述するが、本実施形態では、停止条件テーブル８８に停止条件として設定された発電電圧及び出力電力のうち、発電電圧を用いて燃料電池スタック１４の発電を停止させるか否かを判定する態様を説明する。この態様では、図２では停止条件の１つとして示されている出力電力の値を停止条件テーブル８８から削除することも可能である。また、発電電圧に代えて出力電力を用いて燃料電池スタック１４の発電を停止させるか否かを判定するようにしてもよい。この場合は、図２では停止条件の１つとして示されている発電電圧の値を停止条件テーブル８８から削除することも可能である。また、発電電圧及び出力電力を各々用いて燃料電池スタック１４の発電を停止させるか否かを判定するようにしてもよい。
また、記憶部７６には、ＣＰＵ７２によって実行される運転制御プログラム９０も記憶されている。運転制御プログラム９０は、後述する発電停止制御処理を行うためのプログラムを含んでいる。
次に本第１実施形態の作用として、燃料電池スタック１４で発電が開始されたことをトリガとして、制御部１６で実行される発電停止制御処理について、図３を参照して説明する。
発電停止制御処理のステップ１００において、制御部１６は、記憶部７６の所定の記憶領域に記憶されている燃料電池システム１０の現在の稼働年数(燃料電池システム１０が稼働を開始してからの経過年数)を取得し、取得した稼働年数と対応付けて停止条件テーブル８８に設定されている停止条件情報(本第１実施形態では発電電圧の値)を停止条件テーブル８８から取得する。
なお、燃料電池システム１０は、停止条件テーブル８８に設定された停止条件情報が表す停止条件以外に、燃料電池スタック１４の発電を停止させる他の停止条件も予め設定されている。他の停止条件としては、例えば、操作部８２の入力部８６を介して利用者から発電の停止が指示された場合や、利用者の電気や湯の消費パターンを学習した結果に基づき発電を停止すべきと判断した場合、図示しない貯湯槽の消毒を行うタイミングが到来した場合等が挙げられる。このため、次のステップ１０２において、制御部１６は、上記のような他の停止条件を満足したか否か判定する。
ステップ１０２の判定が否定された場合はステップ１０４へ移行し、ステップ１０４において、制御部１６は、燃料電池スタック１４の発電電圧が、ステップ１００で停止条件テーブル８８から取得した停止条件、すなわち燃料電池システム１０の稼働年数に応じた停止条件を満足したか否か判定する。ステップ１０４の判定も否定された場合はステップ１０６へ移行し、ステップ１０６において、制御部１６は、一定時間待機した後に、ステップ１０２に戻る。これにより、燃料電池スタック１４で発電が開始されると、ステップ１０２又はステップ１０４の判定が肯定される迄は、燃料電池スタック１４の発電が継続される。
なお、燃料電池スタック１４で発電が行われている間、制御部１６は、電力負荷の消費電力を検知し、検知した消費電力に基づき燃料電池システム１０が要求されている出力電力を算出し、算出した出力電力から出力電流を算出し、算出した出力電流から燃料電池スタック１４への燃料ガスの供給量及びカソード空気の供給量、改質器１２への凝縮水供給量等を算出する。そして、制御部１６は、燃料電池スタック１４からの出力電流を算出した出力電流に制御すると共に、燃料電池スタック１４への燃料供給量を算出した燃料ガスの供給量に制御し、燃料電池スタック１４へのカソード空気の供給量を算出した供給量に制御し、改質器１２への凝縮水の供給量を算出した凝縮水供給量に制御する制御信号を計測部／駆動部８０へ出力する。
燃料電池スタック１４で発電が行われている間、制御部１６で上記処理が繰り返されることで、燃料電池スタック１４では、電力負荷の消費電力に応じた電力が発電され、電力負荷へ供給される。また、燃料電池スタック１４の発電に伴って生成された湯は貯湯槽に貯留される。
また、前述した他の停止条件を満足した場合には、ステップ１０２の判定が肯定されてステップ１１２へ移行し、ステップ１１２以降で、燃料電池スタック１４における発電を停止させて、燃料電池スタック１４に含まれる触媒の活性を回復させる回復処理が行われる。なお、回復処理については後述する。
また、他の停止条件を満足しないまま燃料電池スタック１４での発電が継続された場合には、例として図４に「稼働初期」と表記して示すように、燃料電池スタック１４に含まれる触媒の活性が徐々に低下することで燃料電池スタック１４の発電電圧が徐々に低下する。そして、燃料電池スタック１４の発電電圧が、ステップ１００で停止条件テーブル８８から取得した停止条件情報が表す発電電圧の値以下になると、ステップ１０４の判定が肯定されることでステップ１０８へ移行する。
なお、燃料電池システム１０が、稼働開始から長い年月が経過している場合、触媒の経年的な劣化、改質器１２の改質効率の低下、所望の動力を得るための補機の消費エネルギーの増大、インバータ５６の効率の低下等の影響により、例として図４に「経年劣化期」と表記して示すように、発電開始時の発電電圧が燃料電池システム１０の稼働初期よりも低下し、連続発電時の電圧降下量(発電電圧の低下の傾き)も燃料電池システムの稼働初期よりも大きくなり、連続発電時に出力電力の低下も生ずる。
これに対し、本実施形態では、停止条件テーブル８８に、燃料電池スタック１４における連続発電の停止条件を発電電圧又は出力電力の値によって規定する停止条件情報が設定されており、当該停止条件情報は、燃料電池システム１０の稼働期間が長くなるに従って、停止条件に相当する発電電圧及び出力電力の値が小さくなるように設定されている。これにより、燃料電池システム１０が、稼働開始から長い年月が経過している場合に、図４に「経年劣化期」として示す発電電圧及び出力電力の変化を、図１４に「経年劣化期」として示す発電電圧及び出力電力の変化と比較しても明らかなように、停止条件を発電時間で規定した場合と比較して、発電電圧及び出力電力が大幅に低下する状態となる迄燃料電池スタック１４の発電を継続させることを防止できると共に、停止条件として一定の発電電圧(電圧閾値ｖ)を用いる場合と比較して、燃料電池スタック１４の連続発電時間が非常に短くなって利用者に違和感を与えたり、燃料電池スタック１４で発電が開始されない事態となることを防止できる。
ステップ１０８において、制御部１６は、操作部８２の表示部８４に発電停止の可否を問い合わせるメッセージを表示することで、発電停止の可否を利用者に問い合わせる。例として図５には、発電停止の可否を問い合わせるメッセージとして、「燃料電池の性能が低下してきました。発電を停止して性能回復処理を行ってよろしいですか？」というメッセージ９２を表示部８４に表示すると共に、問い合わせに対する回答を入力するための選択肢として複数のボタン９４を表示部８４に表示した状態を示している。
利用者により、入力部８６を介して、表示部８４に表示した複数のボタン９４の何れかを選択する操作が行われると、次のステップ１１０へ移行し、ステップ１１０において、制御部１６は、利用者によって何れのボタン９４が選択されたかに基づいて、利用者によって発電停止が許可されたか否か判定する。ステップ１１０の判定が否定された場合はステップ１０２に戻り、ステップ１０２〜１０６を繰り返すので、燃料電池スタック１４における発電が引き続き行われる。
これにより、燃料電池スタック１４の発電電圧が停止条件情報が表す発電電圧の値以下になった場合にも、例えば停電時等の非常時であれば、利用者は、発電停止を許可しないことに相当するボタン９４を選択する操作(発電停止を許可しない情報を入力する操作)を行うことで、発電を継続させることが可能となる。
なお、ステップ１１０の判定が否定されてステップ１０２に戻った場合には、ステップ１０４の判定が直ちに肯定されて再度メッセージが表示されることが阻止されるように、例えばタイマをスタートさせ、タイマがタイムアウトする迄の間はステップ１０４の判定をスキップする等の処理を行うことが望ましい。
また、利用者により、発電停止を許可することに相当するボタン９４を選択する操作(発電停止を許可する情報を入力する操作)が行われた場合には、ステップ１１０の判定が肯定されてステップ１１２へ移行し、ステップ１１２以降で、燃料電池スタック１４における発電を停止させて、燃料電池スタック１４に含まれる触媒の活性を回復させる回復処理が行われる。
すなわち、ステップ１１２において、制御部１６は、燃料電池スタック１４を流れる電流が低下するように制御する。続いて、ステップ１１４において、制御部１６は、ブロワ５２の作動を停止させることで、燃料電池スタック１４の空気極５０へのカソード空気の供給を停止させる。次のステップ１１６において、制御部１６は、予め設定した一定時間が経過するまで待機する。このように、燃料電池スタック１４の燃料極４８へ燃料ガスが供給される一方で、空気極５０へのカソード空気の供給が停止している状態が一定時間継続されることで、燃料電池スタック１４に含まれる触媒の活性が回復される。
ステップ１１６で一定時間が経過すると、次のステップ１１８において、制御部１６は、燃料電池スタック１４の燃料極４８への燃料ガスの供給を停止させる。そしてステップ１２０において、制御部１６は、回復処理の完了を通知し、発電停止制御処理を終了する。なお、回復処理完了の通知先としては、例えば、燃料電池スタック１４で発電を再開させる処理を制御部１６で行うためのプログラムが挙げられるが、これに限定されるものではなく、回復処理の完了を受けて燃料電池スタック１４での発電が再開される通知先であればよく、前記プログラムの起動を制御する別のプログラムであってもよい。上記のように、回復処理を経て発電を再開することで、低下していた燃料電池スタック１４の発電電圧が回復し、低下していた発電の効率も回復することになる。
このように、本第１実施形態では、停止条件テーブル８８に設定する停止条件情報を、発電電圧又は出力電力の値によって連続発電の停止条件を規定し、かつ燃料電池システム１０の稼働期間が長くなるに従って、停止条件に相当する発電電圧及び出力電力の値が小さくなるように設定している。そして、燃料電池システム１０の現在の稼働年数に対応する停止条件情報を停止条件テーブル８８から取得し、燃料電池スタック１４の発電電圧が停止条件情報が表す発電電圧の値以下になった場合に、利用者から許可されれば燃料電池スタック１４の発電を停止させる。これにより、燃料電池システム１０の経年変化に伴い、効率が大幅に低下する状態となるまで発電を継続したり、連続発電時間が非常に短くなることを抑制することができる。
また、本第１実施形態では、燃料電池スタック１４の発電電圧が停止条件に相当する値まで低下した場合に、発電停止の可否を利用者に問い合わせるメッセージ等を表示部８４に表示し、発電停止を許可する情報が入力部８６を介して入力された場合に、燃料電池スタック１４の発電を停止させている。これにより、発電停止の可否を利用者に問い合わせるメッセージ等を表示部８４に表示した際に、例えば停電時等の非常時である等のときには、利用者が、燃料電池スタック１４の発電を継続させることも可能となり、利便性が向上する。
また、燃料電池スタック１４の発電を停止させた場合に、燃料電池スタック１４に含まれる触媒の活性を回復させるための回復処理を行うので、発電電圧及び効率が回復した状態で燃料電池スタック１４の発電を再開することができる。
なお、上記では停止条件テーブル８８が、燃料電池システム１０の稼働年数が「〜２年」、「〜４年」、「〜６年」、「〜８年」、「〜１０年」、「１０年以降」の各場合毎に、停止条件である発電電圧及び出力電力の値が各々設定されている場合を説明した。しかし、停止条件テーブル８８は上記に限られるものではなく、例えば図６に示すように、燃料電池システム１０の稼働年数に代えて燃料電池システム１０の累積発電時間を適用し、例えば累積発電時間が「〜１万時間」、「〜２万時間」、「〜３万時間」、「〜４万時間」、「〜５万時間」、「５万時間以上」の各場合毎に停止条件を各々設定するようにしてもよい。
また、例えば図７に示すように、燃料電池システム１０の稼働年数に代えて燃料電池システム１０の累積発電電力量を適用し、例えば累積発電電力量が「〜0.5万ｋＷｈ」、「〜１万ｋＷｈ」、「〜1.5万ｋＷｈ」、「〜２万ｋＷｈ」、「〜2.5万ｋＷｈ」、「2.5万ｋＷｈ以上」の各場合毎に停止条件を各々設定するようにしてもよい。累積発電電力量は累積発電時間と相関があり、累積発電時間を間接的に判断するためのパラメータの１つである。
また、例えば図８に示すように、燃料電池システム１０の稼働年数に代えて燃料電池システム１０の累積原料ガス流量を適用し、例えば累積原料ガス流量が「〜1000ｍ3」、「〜2000ｍ3」、「〜3000ｍ3」、「〜4000ｍ3」、「〜5000ｍ3」、「5000ｍ3以上」の各場合毎に停止条件を各々設定するようにしてもよい。累積原料ガス流量も累積発電時間と相関があり、累積発電時間を間接的に判断するためのパラメータの１つである。
また、例えば図９に示すように、燃料電池システム１０の稼働年数に代えて燃料電池システム１０の累積カソード空気流量を適用し、例えば累積カソード空気流量が「〜10000ｍ3」、「〜20000ｍ3」、「〜30000ｍ3」、「〜40000ｍ3」、「〜50000ｍ3」、「50000ｍ3以上」の各場合毎に停止条件を各々設定するようにしてもよい。累積カソード空気流量も累積発電時間と相関があり、累積発電時間を間接的に判断するためのパラメータの１つである。
また、例えば図１０に示すように、燃料電池システム１０の稼働年数に代えて燃料電池システム１０の累積改質水流量を適用し、例えば累積改質水流量が「〜4000L」、「〜8000L」、「〜12000L」、「〜16000L」、「〜20000L」、「20000L以上」の各場合毎に停止条件を各々設定するようにしてもよい。累積改質水流量も累積発電時間と相関があり、累積発電時間を間接的に判断するためのパラメータの１つである。
〔第２実施形態〕
次に本発明の第２実施形態を説明する。なお、第１実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
次に本発明の第２実施形態を説明する。なお、第１実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
図１１には、本第２実施形態に係る停止条件テーブル８８を示す。本第２実施形態では、燃料電池システム１０の運転モードとして、発電時間優先モードと効率優先モードが設けられており、本第２実施形態に係る停止条件テーブル８８は、燃料電池システム１０の稼働年数が各年数のときの停止条件(発電電圧及び出力電力の値)を表す停止条件情報が、各モード毎に各々設定されている。また、発電時間優先モードに対応する停止条件は、効率優先モードに対応する停止条件と比較して、稼働年数が２年以降の期間における発電電圧及び出力電力の値の低下度合いが大きくされている。
次に本第２実施形態の作用を説明する。本第２実施形態では、燃料電池システム１０の運転モードとして、発電時間優先モード及び効率優先モードの何れかが利用者により操作部８２を介して予め選択される。利用者によって選択された燃料電池システム１０の運転モードは、例えば制御部１６の記憶部７６に記憶される。
図１２に示すように、本第２実施形態に係る発電停止制御処理は、第１実施形態で説明した発電停止制御処理(図３)と比較して、ステップ１００に代えてステップ１２２の処理を行う点でのみ相違している。本第２実施形態に係る発電停止制御処理のステップ１２２において、制御部１６は、記憶部７６に記憶されている燃料電池システム１０の現在の稼働年数及び運転モードを取得し、取得した稼働年数及び運転モードと対応付けて停止条件テーブル８８に設定されている停止条件情報を停止条件テーブル８８から取得する。
上記のステップ１２２で取得した停止条件情報はステップ１０４の判定に用いられる。すなわち、本第２実施形態に係る発電停止制御処理のステップ１０４において、制御部１６は、燃料電池スタック１４の発電電圧が、ステップ１００で停止条件テーブル８８から取得した停止条件、すなわち燃料電池システム１０の稼働年数及び運転モードに応じた停止条件を満足したか否か判定する。
前述のように、発電時間優先モードに対応する停止条件は、効率優先モードに対応する停止条件と比較して、稼働年数が２年以降の期間における発電電圧及び出力電力の値の低下度合いが大きく設定されているので、燃料電池システム１０の運転モードが発電時間優先モードの場合には、燃料電池システム１０の運転モードが効率優先モードの場合よりもステップ１０４の判定が肯定されるタイミングが遅くなり、燃料電池スタック１４の連続発電時間がより長くなる。一方、燃料電池システム１０の運転モードが効率優先モードの場合には、燃料電池システム１０の運転モードが発電時間優先モードの場合よりも、燃料電池スタック１４の発電電圧がより高い状態、すなわち発電の効率がより高い状態で燃料電池スタック１４の連続発電が停止されるので、燃料電池スタック１４の発電の効率が大きく低下することが抑制される。
このように、本第２実施形態では、利用者が、燃料電池システム１０の運転モードとして発電時間優先モード又は効率優先モードを選択することで、燃料電池スタック１４における発電を、効率が大きく低下しないことを優先して行わせるか、発電時間がなるべく長くすることを優先して行わせるか、を切り替えることができる。従って、特に燃料電池システム１０の経年変化が大きくなった期間における燃料電池の発電に、利用者の好みを反映させることができる。なお、その他の効果は第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。
なお、上記の第２実施形態では、発電時間優先モードに対応する停止条件と、効率優先モードに対応する停止条件と、について、稼働年数が２年以降の期間における発電電圧及び出力電力の値を相違させた態様を説明したが、発電電圧又は出力電力の値を相違させる期間は上記に限定されるものではなく、発電開始時の発電電圧の低下や発電中の発電電圧の低下、発電中の出力電力の低下がより顕著となる期間、例えば稼働年数が６年以降や８年以降の期間について発電電圧又は出力電力の値を相違させるようにしてもよい。
また、上記の第２実施形態では、燃料電池システム１０の運転モードとして発電時間優先モードと効率優先モードが設けられた態様を説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、稼働年数が２年以降の期間における発電電圧及び出力電力の値を発電時間優先モードと効率優先モードとの間に相当する値とした標準モードを追加してもよい。
また、上記の第２実施形態に係る停止条件テーブル８８についても、燃料電池システム１０の経年変化を表すパラメータとして、燃料電池システム１０の稼働年数に代えて、燃料電池システム１０の累積発電時間、累積発電電力量、累積原料ガス流量、累積カソード空気流量、及び、累積改質水流量の何れか１つを適用するようにしてもよいし、稼働年数、累積発電時間、累積発電電力量、累積原料ガス流量、累積カソード空気流量、及び、累積改質水流量の中から選択した２つ以上のパラメータを、燃料電池システム１０の経年変化を表すパラメータとして適用するようにしてもよい。
更に、上記では、燃料電池システム１０の経年変化を表すパラメータが各値のときの停止条件を表す停止条件情報を停止条件テーブル８８に設定・記憶する態様を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、停止条件を規定する閾値を、燃料電池システム１０の経年変化を表すパラメータ(燃料電池システム１０の稼働年数、累積発電時間、累積発電電力量、累積原料ガス流量、累積カソード空気流量、及び、累積改質水流量の何れでもよい)を変数とする関数の形で規定して記憶するようにしてもよい。
また、上記では、燃料電池システムの一例として、単一の燃料電池スタックを備え、当該燃料電池スタックからの排ガスを循環させ、排ガスに含まれる未反応の水素を再利用する循環式の構成を説明したが、本発明に係る燃料電池システムは、上記構成に限られるものではなく、燃料電池スタックを複数備え、前段の燃料電池スタックからの排ガスに含まれる未反応の水素を後段の燃料電池スタックで再利用する多段式の構成であってもよい。
また、上記では発電停止制御処理を行うためのプログラムを含む運転制御プログラム９０が記憶部７６に予め記憶（インストール）されている態様を説明したが、上記のプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤ−ＲＯＭ、メモリカード等の記録媒体に記録されている形態で提供することも可能である。
１０…燃料電池システム、１２…改質器、１４…燃料電池スタック、１６…制御部、４４…燃料電池セル、５６…インバータ、７６…記憶部、８０…計測部／駆動部、８２…操作部、８４…表示部、８６…入力部、８８…停止条件テーブル、９２…メッセージ、９４…ボタン
Claims (6)
- 燃料ガスにより発電する燃料電池と、
前記燃料電池の発電中に前記燃料電池の発電電圧及び前記燃料電池を含む燃料電池システムの出力電力の少なくとも一方が閾値まで低下する度に前記燃料電池の発電を停止させると共に、前記燃料電池システムの稼働期間又は前記燃料電池の累積発電時間が長くなるに従って前記閾値を小さくする制御部と、
を含む燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池の発電電圧及び燃料電池システムの出力電力の少なくとも一方が閾値まで低下した場合に、発電停止の可否を問い合わせる情報を出力し、発電停止を許可する情報が入力された場合に、前記燃料電池の発電を停止させる燃料電池システム。 - 燃料ガスにより発電する燃料電池と、
前記燃料電池の発電中に前記燃料電池の発電電圧及び前記燃料電池を含む燃料電池システムの出力電力の少なくとも一方が閾値まで低下する度に前記燃料電池の発電を停止させると共に、前記燃料電池システムの稼働期間又は前記燃料電池の累積発電時間が長くなるに従って前記閾値を小さくする制御部と、
を含む燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムには、発電時間優先モードと効率優先モードとを含む複数の運転モードが設けられており、
前記制御部は、前記燃料電池システムの運転モードとして発電時間優先モードが選択された場合に、前記燃料電池システムの運転モードとして効率優先モードが選択された場合よりも、少なくとも、前記燃料電池システムの稼働期間又は前記燃料電池の累積発電時間が所定値以上の期間における前記閾値の低下度合いを大きくする燃料電池システム。 - 前記制御部は、前記燃料電池の発電を停止させた場合に、前記燃料電池に含まれる触媒の活性を回復させるための回復処理を行わせる請求項１又は請求項２記載の燃料電池システム。
- 前記制御部は、累積発電電力量、累積原料ガス流量、累積カソード空気流量及び累積改質水流量の少なくとも１つに基づいて、前記燃料電池の累積発電時間を判断する請求項１〜請求項３の何れか１項記載の燃料電池システム。
- 燃料ガスにより発電する燃料電池を含む燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の発電中に前記燃料電池の発電電圧及び前記燃料電池システムの出力電力の少なくとも一方が閾値まで低下する度に前記燃料電池の発電を停止させると共に、前記燃料電池システムの稼働期間又は前記燃料電池の累積発電時間が長くなるに従って前記閾値を小さくする燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池の発電電圧及び燃料電池システムの出力電力の少なくとも一方が閾値まで低下した場合に、発電停止の可否を問い合わせる情報を出力し、発電停止を許可する情報が入力された場合に、前記燃料電池の発電を停止させる燃料電池システムの運転方法。 - 燃料ガスにより発電する燃料電池を含む燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の発電中に前記燃料電池の発電電圧及び前記燃料電池システムの出力電力の少なくとも一方が閾値まで低下する度に前記燃料電池の発電を停止させると共に、前記燃料電池システムの稼働期間又は前記燃料電池の累積発電時間が長くなるに従って前記閾値を小さくする燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池システムには、発電時間優先モードと効率優先モードとを含む複数の運転モードが設けられており、
前記燃料電池システムの運転モードとして発電時間優先モードが選択された場合に、前記燃料電池システムの運転モードとして効率優先モードが選択された場合よりも、少なくとも、前記燃料電池システムの稼働期間又は前記燃料電池の累積発電時間が所定値以上の期間における前記閾値の低下度合いを大きくする燃料電池システムの運転方法。
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