(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて制御手段が分散されている場合、それら制御手段間での通信異常時の安全性を高め、制御手段への補機割り当ての自由度を向上させる。【解決手段】燃料電池システムの起動、発電、停止に代表される燃料電池の一連の動作を制御する主制御手段と、主制御手段の制御により決定した補機制御を実施する副制御手段と、主制御手段と副制御手段を含む各制御手段から制御される空気や水を送るファンやポンプ、ガスや空気や水の流路を切替える弁を有し、主制御手段と副制御手段間で通信異常が発生した場合、主制御手段と副制御手段はそれぞれ単独で燃料電池の停止処理を実施することにより、各制御手段間で通信異常が発生した場合においても副制御手段に接続された補機を燃料電池の停止の為に副制御手段が制御する事が出来るため、通信異常発生時の燃料電池の安全性を向上させることができる。【選択図】図４
2010010029.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックで発電した電気を交流に変換するインバータと、
前記燃料電池スタック、前記インバータを制御する副制御手段と、
前記副制御手段の制御のほか、システムの起動、発電、停止を制御する主制御手段とから構成され、
前記主制御手段は前記副制御手段との通信異常を検知したときに、
単独停止処理を実施することを特徴とし、
前記副制御手段は前記主制御手段との通信異常を検知したときに、
単独停止処理を実施することを特徴とする
燃料電池システム。
【請求項２】
水素ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックで発電した電気を交流に変換するインバータと、
前記燃料電池スタック、前記インバータを制御する副制御手段と、
前記副制御手段の制御のほか、システムの起動、発電、停止を制御する主制御手段と、
前記主制御手段が前記副制御手段に接続された補機への電源供給を遮断する電源遮断手段とから構成され、
前記主制御手段と前記副制御手段との通信異常が発生したときに、
前記主制御手段は、前記通信異常が発生後一定時間ののち、前記副制御手段が制御する補機への電源供給を停止させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
水素ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックで発電した電気を交流に変換するインバータと、
前記燃料電池スタック、前記インバータを制御する副制御手段と、
前記副制御手段の制御のほか、システムの起動、発電、停止を制御する主制御手段とから構成され、
前記主制御手段は前記副制御手段との通信異常を検知したときに、
単独停止処理を実施することを特徴とし、
前記副制御手段は前記主制御手段との通信異常を検知したときに、
単独停止処理を実施することを特徴とする
燃料電池システムの制御回路。
【請求項４】
水素ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックで発電した電気を交流に変換するインバータと、
前記燃料電池スタック、前記インバータを制御する副制御手段と、
前記副制御手段の制御のほか、システムの起動、発電、停止を制御する主制御手段と、
前記主制御手段が前記副制御手段に接続された補機への電源供給を遮断する電源遮断手段とから構成され、
前記主制御手段と前記副制御手段との通信異常が発生したときに、
前記主制御手段は、前記通信異常が発生後一定時間ののち、前記副制御手段が制御する補機への電源供給を停止させることを特徴とする
燃料電池システムの制御回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池発電装置の構成に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、二酸化炭素排出を削減する為の新エネルギー開発が盛んに行われており、各家庭に設置し電力とお湯を提供する燃料電池コージェネシステムも実用化段階に入っている。
【０００３】
都市ガスを原料とする家庭用燃料電池システムは、炭化水素系の原料ガス中から水素を取り出す水素生成器、水素と酸素を反応させ発電を行うスタック、発電した直流電力を交流電力へ変換するインバータを主な構成要素とし、それらを制御する弁やポンプ、ヒータ、ファン等の様々な補機から構成され、また温度センサや流量センサも多数装着されている。
【０００４】
構成要素が多くそれらの要素も大きい為、自ずと燃料電池装置自身もその筐体が大きくなる。そこで、配線数削減と組み立て性向上を目的として、例えば特許文献１に示すように、制御装置を主制御装置と副制御装置のように分散する手法が知られている。
【特許文献１】特開２００７−２４２３３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし上述の構成では、制御装置間を通信により協調させることを前提とし、仮に制御装置間の通信がノイズや通信ラインの断線により通信異常となった場合、該当制御装置が制御する補機への電源供給を主制御装置が遮断する。よって、安全の為に動作させる方が好ましい補機を副制御手段に接続すると、通信異常が発生した場合に動作出来ない事象が発生する。
【０００６】
また、機内空気を換気する換気ファン等や燃料電池システムを冷却する冷却ファンの様に、燃料電池の故障停止時に動作させる必要がある補機をすべて主制御手段へ割り当てると、補機割り当てや配線の取り回しで大きく自由度が損なわれる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記従来の課題を解決する為に水素ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックで発電した電気を交流に変換するインバータと、前記燃料電池スタック、前記インバータを制御する副制御手段と、前記副制御手段の制御のほか、システムの起動、発電、停止を制御する主制御手段と、ガスや水などを遮断または経路を切替える弁と、ガスや水や空気などを送り込むポンプやファンと、ガスや水や空気などの温度や流量を計測するセンサを有し、前記副制御手段は前記主制御手段との通信の途絶を検知すると前記主制御手段からの補機制御指示によらず、冷却や換気を目的にファンやポンプを駆動し、ガスや水の供給や遮断を目的に弁を制御し、前記主制御手段は前記副制御手段との通信の途絶を検知すると、ガス供給を遮断する為にガス経路上の最上流に位置する弁を制御し、冷却や換気を目的にファンやポンプを駆動し、ガスや水の供給や遮断を目的に弁を制御し、前記副制御手段や前記主制御手段は各々の制御手段に接続された補機のみを制御して単独で燃料電池の停止処理を実施する。
【発明の効果】
【０００８】
これにより本発明の燃料電池装置は、燃料電池制御手段を主制御手段と副制御手段に分散し、それら制御手段間で通信異常が発生した場合、副制御手段は主制御手段の補機制御指令によらず補機制御出来るため、副制御手段に燃料電池を停止させる場合に動作させるべき補機を割り当てても、燃料電池装置を安全に停止させることが出来る。
【０００９】
さらに、補機配置と制御手段への割り当てに自由度が増す為、配線長や配線数を減少でき、製品コストを低減することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
第一の発明は、水素ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックで発電した電気を交流に変換するインバータと、前記燃料電池スタック、前記インバータを制御する副制御手段と、前記副制御手段の制御のほか、システムの起動、発電、停止を制御する主制御手段とから構成され、主制御手段と副制御手段間の通信が成立している場合、副制御手段は主制御手段に指示された通りの補機制御を実施し、また、センサやスイッチ入力結果を主制御手段へ送信し、主制御手段と副制御手段間で通信異常が発生した場合、副制御手段は副制御手段に接続されたファンやポンプを燃料電池装置の冷却と機内空気の換気を目的に制御し、弁をガスや空気の閉止と圧抜きを目的に制御し、主制御手段は原料となるガスの供給を停止する為、ガス経路における最上流の弁を閉止制御し、主制御手段に接続されたファンやポンプを燃料電池装置の冷却と機内空気の換気を目的に制御することを特徴とする燃料電池装置である。
【００１１】
上記構成と動作によると、主制御手段と副制御手段の様に制御手段が分散された燃料電池装置において、例えばノイズや通信ラインの断線、コネクタの接触不良、通信ＬＳＩの故障等により通信異常が発生した場合、主制御手段はガス経路における最上流の弁を閉止制御するため、新たなガスの流出を防止出来、副制御手段は燃料電池を停止するための制御を副制御手段単独で実施するため、主制御手段と副制御手段の間での通信異常発生時に、換気の為のファンを駆動する事で燃料電池装置内への可燃性ガスの滞留防止や、燃料電池装置とその構成部品の冷却が可能になる効果をもたらす。
【００１２】
なお、主制御手段に対する副制御手段は複数存在しても良い。
【００１３】
第二の発明は、第一の発明において、主制御手段は副制御手段へ接続された補機への電源供給を遮断出来る電源遮断手段を有し、前記主制御手段は前記副制御手段との通信異常が発生した場合、一定時間経過もしくは、燃料電池装置内における予め決定した部位の温度が一定温度以下に低下した後に、前記電源遮断手段により、補機への電源供給を遮断する事を特徴とする燃料電池システムである。
【００１４】
上記構成と動作によると、主制御手段と副制御手段間の通信異常が副制御手段の暴走に起因したとしても、主制御手段が一定時間経過後に通信異常が発生した制御手段に接続された補機への電源供給を遮断する事で、副制御手段の暴走に伴う長時間の補機の誤動作を防止できる。
【００１５】
第三の発明は、第一の発明において、システムを構成する各構成要素のうち、システムの制御に係わるいくつかの構成要素を１つの制御回路として集積した場合の、効果的な一つの例である。
【００１６】
第四の発明は、第二の発明において、システムを構成する各構成要素のうち、システムの制御に係わるいくつかの構成要素を１つの制御回路として集積した場合の、効果的な一つの例である。
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。本実施の形態は一例であり、本発明を制限するものでは無い。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は本発明における燃料電池装置のシステム全体の構成図の例を示しており、電力を供給する燃料電池装置１と燃料電池装置１で発生した排熱を回収して貯湯する貯湯装置１３の構成を示す。
【００１９】
燃料電池装置１は原料となる都市ガスから水素を生成する水素生成手段２と、水素生成手段２で生成した水素と空気ポンプ４で送り込まれた空気中の酸素とを反応させ電力を発電する燃料電池スタック３と、発電電力を直流から交流へ変換するインバータ８と、発電時に発生した排熱を回収する排熱回収手段１０と、貯湯装置１３と通信する為の対貯湯通信手段９とを有し、それらを制御するために、主制御手段５と副制御手段７が通信ライン６を介して接続されている。
【００２０】
また、貯湯装置１３は燃料電池装置１と通信するため通信ライン１１と、排熱回収手段１０から排熱回収水を得る排熱回収水経路１２と、排熱回収水を貯湯する貯湯手段１６とを有し、それらを制御する為に貯湯制御手段１４を有し、燃料電池装置１と接続される。
【００２１】
図２は燃料電池装置１のより詳細な図であり、主制御手段５は、原料ガスの最上流に設置されたガス制御弁２０と、弁２１と、ファン２２と、空気ポンプ４を制御し、副制御手段７は、弁２１と、ファン２２と、空気ポンプ４と、インバータ８を制御し、主制御手段５で決定された補機操作は通信ライン６を介して副制御手段７へ伝達され、また副制御手段７に接続されたセンサ２３で入力した温度や圧力や流量を、通信ライン６を介して主制御手段５へ伝達する。主制御手段５に接続されたセンサ２３は主制御手段５が直接的に制御する。
【００２２】
主制御手段５は副制御手段７との通信が正常に行われている場合、副制御手段７と補機出力を指令する為または、センサからの入力値を得るため通信する。主制御手段５は燃料電池装置１の起動、発電、停止に代表される一連の動作を制御し、副制御手段７に対して補機出力を指示することで各制御手段が協調して燃料電池装置１を動作させる。
【００２３】
なお、主制御手段５と副制御手段７は、各々が通信を監視していて通信異常に起因する通信途絶を検知出来る。主制御手段５と副制御手段７との間で通信途絶には、ノイズによる通信異常、通信ライン６の断線、通信ライン６を接続するコネクタの接触不良、通信制御するＬＳＩへの異常発生が考えられる。
【００２４】
図３（ａ）に示す主制御手段５の処理図のように、主制御手段５は副制御手段７との通信をステップ１００で監視しており、通信異常による通信の途絶が発生した場合、主制御手段５はステップ１０２でそれ自身に接続されたガス制御弁２０を閉止制御し、弁２１と、ファン２２と、空気ポンプ４を制御して燃料電池装置を安全に停止させる。
【００２５】
通信の途絶が発生していない場合は、ステップ１０１で副制御手段７と通信により協調して燃料電池装置１を起動、発電、停止に代表される一連の動作を制御する。
【００２６】
以降、主制御手段５もしくは副制御手段７が通信を介さず、対象となる制御手段に接続された補機のみにより燃料電池装置１を停止させる制御を単独停止処理と呼称する。
【００２７】
単独停止処理とは、例えば水素生成手段２内部で圧力が上昇した場合にガスを逃すため弁を制御する、燃料電池装置１を冷却もしくは機内空気を換気する為ファンもしくはポンプを制御することが例示できる。
【００２８】
主制御手段５はステップ１０３で単独停止処理を実施して一定時間経過後もしくは、予め決定された箇所の温度が一定温度まで低下後ならば、燃料電池装置１の停止処理を完了したものとみなし、単独停止処理を完了する。
【００２９】
なお、主制御手段５は単独停止実施中においてもステップ１００で副制御手段７との通信復帰を監視して、副制御手段７との通信が復帰した場合、副制御手段７と通信により協調して燃料電池装置１を停止処理しても良い。
【００３０】
図３（ｂ）に示す副制御手段７の処理図のように、副制御手段７は主制御手段５との通信をステップ１０４で常時監視しており、通信異常による通信の途絶が発生した場合、ステップ１０５で副制御手段５に接続された弁２１と、ファン２２と、空気ポンプ４と、インバータ８を制御して燃料電池装置を安全に停止させる。
【００３１】
通信の途絶が発生していない場合、ステップ１０５で主制御手段５から通信により指示された補機制御を実施して、主制御手段と協調して燃料電池装置１を制御する。
【００３２】
例えば、水素生成手段２内部で圧力が上昇した場合にガスを逃すため弁を制御する、燃料電池装置１を冷却もしくは機内空気を換気する為ファンもしくはポンプを制御することが例示できる。副制御手段７はステップ１０７で単独停止処理を実施して一定時間経過後もしくは、予め決定された箇所の温度が一定温度まで低下後ならば、燃料電池装置１の停止処理を完了したものとみなし、単独停止処理を完了する。
【００３３】
なお、副制御手段７は単独停止実施中においてもステップ１０４で主制御手段５との通信復帰を監視して、主制御手段５との通信が復帰した場合、主制御手段５から伝達された補機制御指令に従い制御を実施しても良い。
【００３４】
このように、燃料電池の安全性や劣化防止の観点から停止工程において動作させた方が好ましい弁やファンやポンプを、主制御手段５に集中して接続させる必要が無く、副制御手段７に接続出来るため、補機配置と補機制御のための配線レイアウトの自由度が増す。
【００３５】
（実施の形態２）
実施の形態２は、実施の形態１に加えて、主制御手段５が補機への電源供給を遮断出来る構成を追加したものであり、その他の構成と動作は実施の形態１と同じである。
【００３６】
以下では、実施の形態１との相異点を中心として説明し、その他の構成と動作は実施の形態１と同じとする。
【００３７】
図４は副制御手段７の暴走発生による通信途絶に副制御手段7に接続された補機の誤動作を防止する為、主制御手段５が電源供給手段３１から副制御手段７へ接続された補機への電源供給を遮断できる電源遮断手段３２から構成される例である。
【００３８】
図５に示す主制御手段５の処理図のように、主制御手段５はステップ１００で副制御手段７との通信途絶を検出すると、ステップ１０２で単独停止処理を実施し、ステップ１０３で単独停止処理を実施して一定時間経過後もしくは、予め決定された箇所の温度が一定温度まで低下後ならば、燃料電池装置１の停止処理を完了したものとみなし、単独停止処理を終了させ、ステップ１１０で電源遮断手段３２により副制御手段７へ接続された補機への電源供給を遮断する。
【００３９】
この構成により副制御手段７の暴走による通信途絶の場合であっても、副制御手段７に接続された補機が誤動作し続けることが解消される。
【００４０】
また、主制御手段５が暴走した場合、暴走検知手段３０は主制御手段５が発生させるウォッチドックパルスの途絶えにより暴走を検知し、電源遮断手段３２により電源供給手段３１から補機へ供給される電源を遮断する構成が知られている。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の燃料電池装置および制御回路は、燃料電池装置を分散制御した場合における安全性と配線レイアウトの自由度を向上させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す構成図
【図２】実施の形態１に係る燃料電池装置の内部を示す図
【図３】（ａ）実施の形態１に係る主制御手段の処理図、（ｂ）実施の形態１に係る副制御手段の処理図
【図４】実施の形態２に係る燃料電池装置の内部を示す図
【図５】実施の形態２に係る主制御手段の処理図
【符号の説明】
【００４３】
１  燃料電池装置
２  水素生成手段
３  燃料電池スタック
４  空気ポンプ
５  主制御手段
６  通信ライン
７  副制御手段
８  インバータ
９  対貯湯通信手段
１０  排熱回収手段
１１  通信ライン
１２  排熱回収水経路
１３  貯湯装置
１４  貯湯制御手段
１５  対燃料電池通信手段
１６  貯湯手段
１７  ガス又は空気又は水の経路
２０  ガス制御弁
２１  弁
２２  ファン
２３  センサ
３０  暴走検知手段
３１  電源供給手段
３２  電源遮断手段
【図１】
2010010029.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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