(57)【要約】【課題】  燃料電池装置の動作段階および部位ごとにそれぞれ異なる温度精度および応答速度を満足する温度計測制御を行う燃料電池システムを提供する。【解決手段】  本発明の燃料電池システム１は、燃料ガスおよび酸素含有ガスによって発電するセルスタック５を備える燃料電池装置１ａと、燃料電池装置１ａ内の予め定める複数の部位に設置され、設置された部位の温度を計測する温度計測部とを備え、制御部２が、外部負荷３への電力の供給が実行されているか否かを判定するとともに、外部負荷３への電力の供給が実行されている場合は、予め定める第１周期で複数の温度計測部に順に温度を計測させ、外部負荷への電力の供給が実行されていない場合は、第１周期とは異なる予め定める第２周期で複数の温度計測部に順に温度を計測させる。【選択図】  図１
2017135036.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスおよび酸素含有ガスによって発電する燃料電池を備える燃料電池装置と、
該燃料電池装置内の予め定める複数の部位に設置され、設置された部位の温度を計測する温度計測部と、
外部負荷への電力の供給が実行されているか否かを判定するとともに、外部負荷への電力の供給が実行されている場合は、予め定める第１周期で複数の前記温度計測部に順に温度を計測させ、外部負荷への電力の供給が実行されていない場合は、前記第１周期とは異なる予め定める第２周期で複数の前記温度計測部に順に温度を計測させる制御部と、を備える燃料電池システム。
【請求項２】
外部負荷への電力の供給が実行されていない場合が、前記燃料電池装置の起動時であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池装置が、前記発電で使用されなかった燃料ガスおよび酸素含有ガスで燃焼する燃焼部を備え、
前記温度計測部が前記燃焼部を測定する第１温度計測部を備えるとともに、前記第１周期のうち燃料電池装置の起動時における前記第１温度計測部の１周期あたりの時間が、前記第２周期における前記第１温度計測部の１周期あたりの時間よりも短いことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池装置が、前記燃焼部で生じた燃焼排ガスを燃焼させる燃焼触媒を備える排気部を有し、
前記温度計測部が前記排気部を測定する第２温度計測部を備えるとともに、前記第２周期における前記第２温度計測部の１周期あたりの時間が、前記第１周期のうち燃料電池装置の起動時における前記第２温度計測部の１周期あたりの時間よりも短いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第２周期における１周期あたりの時間が、前記第１周期における１周期あたりの時間よりも短いことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスおよび酸素含有ガスによって発電する燃料電池装置を備え、燃料電池装置を制御して外部負荷へ電力を供給する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代エネルギーとして、水素含有ガス（または燃料ガス）と酸素含有ガス（空気）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを複数個配列してなるセルスタック装置が知られており、セルスタック装置を収容容器内に収容してなる燃料電池モジュールや、燃料電池モジュールおよび各種補機を外装ケース内に収容してなる燃料電池装置が種々提案されている。また、発電に使用されなかった燃焼ガスを燃焼させて、その燃焼熱によって燃料電池セル等の温度を高温に維持する構成の燃料電池装置も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このような種々の燃料電池装置においては、その運転状態を管理するため、各部の温度を計測するための温度計測部を備え、これら温度計測部にて計測された温度に基づいて各種制御が実施される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１８５２８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池システムにおいては、上述した温度計測部の温度に基づいて各種制御を行なうが、温度計測部を複数備えている場合には、各温度計測部の温度測定に係る測定時間やその測定周期によっては、タイムリーに温度情報を得ることができず、応答速度に遅れが生じるなど、適切な制御を行なえないおそれがあった。また、温度計測部の測定時間や測定周期を早めた場合に、他の機器によるノイズの影響をうけ、正確な温度情報が得ることができないおそれがあった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施態様の、燃料電池システムは、燃料ガスおよび酸素含有ガスによって発電する燃料電池を備える燃料電池装置と、
該燃料電池装置内の予め定める複数の部位に設置され、設置された部位の温度を計測する温度計測部と、
外部負荷への電力の供給が実行されているか否かを判定するとともに、外部負荷への電力の供給が実行されている場合は、予め定める第１周期で複数の前記温度計測部に順に温度を計測させ、外部負荷への電力の供給が実行されていない場合は、前記第１周期とは異なる予め定める第２周期で複数の前記温度計測部に順に温度を計測させる制御部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の一実施態様の、燃料電池システムによれば、外部負荷への電力の供給が実行されている場合と、外部負荷への電力の供給が実行されていない場合とで、計測周期を異ならせることにより、効率よく燃料電池システムの運転を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態の燃料電池装置を備える燃料電池システムの構成の一例を示す構成図である。
【図２】本発明の一実施形態の制御部の構成の一例を示す構成図である。
【図３】本発明の一実施形態において制御部が行う温度計測制御の一例を示すタイミングチャートである。
【図４】本発明の一実施形態において制御部が行う温度計測制御の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を用いて本実施形態における燃料電池システム１について説明する。図１は、本実施形態の燃料電池装置１ａを備える燃料電池システム１の構成の一例を示す図である。なお、以降の図において同一の構成については同一の参照符を用いて説明する。図１に示す燃料電池システム１は、燃料電池装置１ａと、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯装置１ｂと、これらの装置間を水が循環するための循環配管２４および循環配管２４内で水を循環させる循環ポンプ１６と、燃料電池装置１ａおよび各種機器の動作を制御する制御部２と、外部負荷３とを含んで構成されている。なお、貯湯装置１ｂを設けない構成とすることもできる。
【００１０】
燃料電池装置１ａは、都市ガス等の原燃料を供給する燃料ガス供給装置１４、燃料ガスおよび水から水素を含む改質ガスを生成する改質器８、改質ガスおよび酸素含有ガスによって発電するセルスタック５、セルスタック５に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給装置１５を備えている。また燃料電池装置１ａは、セルスタック５で発電に使用されなかった未燃焼ガス（未燃焼の改質ガスと酸素含有ガスおよび燃料ガス）を燃焼させ、その燃焼熱によって改質器８やセルスタック５を加熱する燃焼部９と、燃焼部９で生じた燃焼排ガスを燃焼させる燃焼触媒１１を備え、排ガスを排出する排気部１０とをさらに備えている。改質ガスは改質ガス配管２７を介して供給され、排ガスは燃料電池装置１ａ内の流路を流れて外気に排出される。
【００１１】
また、燃料電池装置１ａにおいては、セルスタック５で発電により生じた排熱と水との熱交換を行なう熱交換器６と、熱交換器６で生成された凝縮水を純水に処理するための水処理装置１２、水処理装置１２にて処理された水（純水）を貯水するための水タンク１３とが設けられており、水タンク１３と水処理装置１２および熱交換器６との間が凝縮水供給管２５により接続されている。なお、水処理装置１２としては、イオン交換樹脂を備えるイオン交換樹脂装置を用いることが好ましい。水タンク１３に貯水された水は、水タンク１３と改質器８とを接続する水供給管２６に備えられた水ポンプ１７により改質器８に供給される。
【００１２】
さらに燃料電池装置１ａは、セルスタック５にて発電された直流電力を交流電力に変換して外部負荷３へ供給するとともに、変換された電力の外部負荷３への供給量を調整するパワーコンディショナ４を備えており、これらを構成する各装置を、外装ケース内に収納することで、設置や運搬等が容易な燃料電池装置１ａとすることができる。なお、貯湯装置１ｂは、温水を貯湯するための貯湯タンク７を具備して構成されている。
【００１３】
また、燃料電池システム１は、燃料電池装置１ａ内の予め定める複数の部位に熱電対３６が設置され、設置された部位の温度を予め定める周期で計測する温度計測部を備えている。本実施形態においては、燃焼部９の温度を計測する第１温度計測部１８と、燃焼触媒１１を有する排気部１０の温度を計測する第２温度計測部１９と、改質器８の温度を計測する第３温度計測部２０と、セルスタック５の温度を計測する第４温度計測部２１と、熱交換器６の入口に流れる水（循環水流）の水温を計測する入口水温計測部である第５温度計測部２２と、熱交換器６の出口に設けられ熱交換器６の出口を流れる水（循環水流）の水温を測定する出口水温計測部である第６温度計測部２３とが備えられている。前記温度計測部１８〜２３のそれぞれは、例えば熱電対３６によって実現される。
【００１４】
なお、運転状態を管理する上で温度情報が重要になる部位については、安全のために１つの部位に温度計測部を２つ以上設けて、１つの温度計測部が故障するリスクを回避することも可能である。装置を使用する上で安全上、温度情報が重要になる部位としては、例えば燃焼部９の温度を計測する第１温度計測部１８が挙げられる。
【００１５】
ここで、図１に示した燃料電池システム１の運転方法について説明する。セルスタック５の発電に必要な改質ガスを生成するにあたり、制御部２は燃料ガス供給装置１４、水ポンプ１７を作動させる。それによって、改質器８に燃料ガスと水とが供給され、改質器８で水蒸気改質を行なうことによって、水素を含む改質ガスが生成されてセルスタック５内の燃料電池セルの燃料極層側に供給される。
【００１６】
一方、制御部２は、酸素含有ガス供給装置１５を動作させることによって、燃料電池セルの酸素極層側に酸素含有ガスを供給する。なお、制御部２は、燃焼部９に配置された着火装置（着火ヒーター等）を作動させることによって、セルスタック５において発電に使用されなかった未燃焼ガスを燃焼させる。それによって、改質器８やセルスタック５の温度が上昇し、効率よい発電を行なうことができる。
【００１７】
セルスタック５の発電によって生じた排ガスは、浄化装置で浄化された後、熱交換器６に供給され、循環配管２４を流れる水との間で熱交換される。熱交換器６での熱交換により生じた高温水は、循環配管２４を流れて貯湯タンク７に貯水される。また、熱交換器６における熱交換によりセルスタック５から排出される排ガスに含まれる水が凝縮水となり、凝縮水供給管２５を流れて、水処理装置１２に供給される。
【００１８】
凝縮水は、水処理装置１２において純水とされ、水タンク１３に供給される。水タンク１３に貯水された水は、水ポンプ１７によって水供給管２６を流れて改質器８に供給される。このように、凝縮水を有効に利用することによって、外部から水を供給する必要が無く、自立した運転を行なうことができる。なお、貯湯装置１ｂを設けない構成においては、熱交換器６の代わりに冷却装置を備えることによって凝縮水を生成してもよい。
【００１９】
前述の例においては熱交換器６にて生成される凝縮水のみを改質器８に供給する構成の燃料電池装置１ａを用いて説明したが、改質器８に供給する水として水道水を利用することもでき、この場合には、水道水に含まれる不純物を除去するための水処理装置として、例えば、活性炭フィルターと逆浸透膜装置とイオン交換樹脂装置等とを、この順に接続することによって、純水を効率よく精製することができる。なお、水道水を用いる場合でも、水処理装置にて生成した純水が、水タンク１３に貯水されるように各装置を接続する。
【００２０】
次に、図２を用いて本実施形態の制御部２の構成について説明する。制御部２は、燃料電池装置１ａから外部負荷への電力の供給が実行されているか否かを継続的に判定する給電状態判定部３０と、運転状態を管理する運転状態管理部３１と、複数の温度計測部からの温度情報信号のうちの１つを選択するチャンネル切換え装置３２と、温度情報のアナログ信号を増幅するアンプ回路である増幅器３３と、温度情報をアナログ信号からデジタル信号へと変換するアナログ／デジタル変換器３４と、温度情報から運転状態を判定する演算等を行う演算処理装置（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ：略称ＣＰＵ）３５とを備えている。
【００２１】
またパワーコンディショナ４から給電状態判定部３０へパワーコンディショナ４が稼動しているか否かを伝達する稼動信号３８が入力されるとともに、チャンネル切換え装置３２は給電状態判定部３０からのチャンネル切換え指令３７に従ってチャンネルを切換える。給電状態判定部３０は、パワーコンディショナ４が稼動しているか否かを稼動信号３８により検知するのみならず、温度情報からもパワーコンディショナ４が稼動しているか否かを判定することが可能である。
【００２２】
ここで制御部２は、複数の温度計測部位に対して、時間ごとにそれぞれの計測部位に対応するチャンネルを切換えることにより全部位の値を読み取るので、全チャンネルの走査に要する時間は、１チャンネルあたりの時間を、チャンネルの数だけ加算した時間となる。すなわち、温度計測部位が多くなればなるほど、全チャンネルの走査に時間を要することになり、温度変化に対する応答が遅くなるおそれがある。これに対して、アンプ回路やアナログ／デジタル変換器を追加することが考えられるが、増設するとなると装置の体積、重量、消費電力が増加し、また装置が複雑化するとともに装置コストが増大する。また、温度変化に対する応答を速くするために、チャンネル切換え速度を大きくすることができるが、その場合には、各チャンネルのサンプリング時間が短くなり、ノイズレベルに対して信号レベルが相対的に低くなるので、信号対ノイズ比（ＳＮ比）が低下する。それゆえ、本実施形態においては、外部負荷への電力の供給が実行されているか否かによって、温度計測部での計測周期を異ならせる。
【００２３】
次に、図３のタイミングチャートを用いて、本実施形態において制御部２が行う温度計測制御について説明する。図３は、時間ｔを横軸に、温度Ｔを縦軸にとり、特定の野部位における温度変化を示すグラフＴＣに対して、温度計測のサンプリング時間とその変化の条件を示したものである。燃料電池システム１の起動時には消費電力を抑えるためパワーコンディショナ４を停止し、発電可能になってから初めて稼動させることができる。ここで発電開始の条件は、特定部位の温度が所定温度以上となること、または複数部位の温度がそれぞれ所定温度以上となることとされる。なお、発電可能か否かを判断する温度計測部としては、例えば、セルスタック５
の温度を計測する第４温度計測部２１を用いることができる。
【００２４】
燃料電池システム１が起動すると、制御部２は、予め定める第２周期で複数の温度計測部に順に温度を計測させる。温度が上昇し、発電開始の条件が満たされた場合、ここでは例えばＴＣが所定温度Ｔ１を超えた場合に、パワーコンディショナ４を起動し、発電が開始される。燃料電池システム１の起動からパワーコンディショナ４の起動までが燃料電池装置１ａが起動中の時間区間（起動時）であり、パワーコンディショナ４の起動後が燃料電池装置１ａが発電中の時間区間（発電時）となる。
【００２５】
発電が開始されると、制御部２は、第２周期とは異なる予め定める第１周期で複数の温度計測部に順に温度を計測させる。ここで第２周期における１周期あたりの時間Ｓ２は、第１周期における１周期あたりの時間Ｓ１よりも短い。発電中の温度ＴＣは、正常時はＴ２からＴ３の間で推移する。
【００２６】
次に、図４のフローチャートを用いて、本実施形態において制御部２が行う温度計測制御のフローについて説明する。給電状態判定部３０は、それぞれの部位の温度計測の各サンプリング時点において、計測を開始すると、パワーコンディショナ４が運転中か否かを判定し（ステップＳ１）、パワーコンディショナ４が運転中の場合には、ステップＳ３で計測の更新周期を第１周期として、更新周期を長くとりサンプリング周期を長くする。
【００２７】
またパワーコンディショナ４が運転中ではない場合には、温度計測結果の直近の履歴を参照し、温度が１分あたり摂氏ΔＴ度（ΔＴ［℃］／ｍｉｎ．）以上で変化しているか否かをさらに判定する（ステップＳ２）。ΔＴ以上で変化していない場合にはステップＳ４で計測の更新周期を第１周期よりも短い第２周期として、サンプリング周期を短くする。ΔＴ以上で変化している場合にはステップＳ５で計測の更新周期を、第２周期よりも短い第３周期として、サンプリング周期をさらに短くする。給電状態判定部３０がこのようにして判定した条件でチャンネル切換え指令３７が出力されてそれぞれの部位の温度計測が順に行われて完了すると、温度計測が終了する。
【００２８】
このようにして、温度が連続的に上昇する燃料電池装置１ａの起動時には、計測にかかる時間（サンプリング時間）を短くし、更新時間を短くすることにより、高い応答速度を得ることが可能となる。また、温度変化は小さいが僅かな温度差が燃料電池装置１ａの発電動作に影響を及ぼすため要求温度計測精度が高くなるとともに、パワーコンディショナ４が動作して強いノイズ耐性が必要となる発電時には、計測にかかる時間（サンプリング時間）を長くとることにより、計測精度を高めることが可能となる。さらに、燃料電池装置１ａの停止時にも、温度サンプリング周期を運転時よりも短くすることもできる。したがって、動作段階ごとに要求される温度精度、応答速度がそれぞれ異なる燃料電池装置１ａにおいて、それぞれを満足するような温度計測制御を行うことができる。
【００２９】
以上、第２周期における１周期あたりの時間Ｓ２が、第１周期における１周期あたりの時間Ｓ１よりも短い場合について説明したが、温度計測部位によって各周期の中でサンプリング周期を変化させてもよく、また制御の各段階におけるサンプリング周期の変化のさせ方を、温度計測部位ごとに異ならせてもよい。例えば、第１温度計測部（燃焼部９の温度計測部）については、第２周期（起動時）において燃焼部９の着火検知を早めるために１周期あたりの時間Ｓ２を前述の通り短くすることが望ましい。
【００３０】
逆に、第２温度計測部（排気部１０の温度計測部）については、第１周期（発電時）において燃焼部９の失火検知を早めるために１周期あたりの時間Ｓ１を短くすることが考えられる。燃焼部９の失火を生じた場合には、改質器８やセルスタック５を高温に維持することができず、結果として発電量が低下してしまうおそれがあるため、失火の検知を早めることは運転状態を管理する上で重要な内容となる。また温度が上がりすぎた場合には、セルスタック５における反応をシャットダウンさせて、各ガスや空気および水の供給、循環、排出のみを一定時間行って停止したのちに再起動する、復旧モードに入る制御を行うことも可能である。
【００３１】
なお、第１周期と第２周期の長短の２段階制御のみではなく、中間段階の第３周期を設ける等、３段階以上の制御を行うことももちろん可能であり、また起動時のみではなく停止時にも同様の制御を行ってもよい。
【符号の説明】
【００３２】
１      燃料電池システム
１ａ    燃料電池装置
１ｂ    貯湯装置
２      制御部
３      外部負荷
４      パワーコンディショナ
５      セルスタック
６      熱交換器
７      貯湯タンク
８      改質器
９      燃焼部
１０    排気部
１１    燃焼触媒
１２    水処理装置
１３    水タンク
１４    燃料ガス供給装置
１５    酸素含有ガス供給装置
１６    循環ポンプ
１７    水ポンプ
１８    第１温度計測部
１９    第２温度計測部
２０    第３温度計測部
２１    第４温度計測部
２２    第５温度計測部
２３    第６温度計測部
２４    循環配管
２５    凝縮水供給管
２６    水供給管
２７    改質ガス配管
３０    給電状態判定部
３１    運転状態管理部
３２    チャンネル切換え装置
３３    増幅器
３４    アナログ／デジタル変換器
３６    熱電対
３７    チャンネル切換え指令
３８    稼動信号
【図１】
2017135036.tif 000003
【図２】
2017135036.tif 000004
【図３】
2017135036.tif 000005
【図４】
2017135036.tif 000006