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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-09-08
(45)【発行日】2022-09-16
(54)【発明の名称】燃料電池装置
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04228 20160101AFI20220909BHJP
H01M 8/04303 20160101ALI20220909BHJP
H01M 8/2475 20160101ALI20220909BHJP
H01M 8/04014 20160101ALI20220909BHJP
H01M 8/0432 20160101ALI20220909BHJP
H01M 8/04664 20160101ALI20220909BHJP
H01M 8/04746 20160101ALI20220909BHJP
H01M 8/04313 20160101ALI20220909BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04228
H01M8/04303
H01M8/2475
H01M8/04014
H01M8/0432
H01M8/04664
H01M8/04746
H01M8/04313
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2021511306
(86)(22)【出願日】2020-03-06
(86)【国際出願番号】 JP2020009820
(87)【国際公開番号】W WO2020203059
(87)【国際公開日】2020-10-08
【審査請求日】2021-09-06
(31)【優先権主張番号】P 2019068634
(32)【優先日】2019-03-29
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000006633
【氏名又は名称】京セラ株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】000109026
【氏名又は名称】ダイニチ工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100075557
【弁理士】
【氏名又は名称】西教 圭一郎
(72)【発明者】
【氏名】山内 亨祐
(72)【発明者】
【氏名】嶌田 光隆
(72)【発明者】
【氏名】重久 高志
【審査官】大内 俊彦
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１０－１００５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－２１８８１１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－１８５５０７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－１９３９３６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１２５０９９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－１００２９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｍ ８／００－８／２４９５
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
筐体内に、燃料電池と、
該燃料電池の運転に必要な複数の補機と、
制御装置と、を備え、
前記複数の補機が、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガスポンプと、
前記燃料電池に水を供給する水ポンプと、
前記燃料電池に空気を供給するブロワと、
前記燃料電池からの排ガスと熱交換するための熱交換器に、熱媒を循環させる熱媒ポンプと、
前記筐体内を換気する換気ファンと、を備え、
前記制御装置は、前記燃料電池のシャットダウンを実行する際に、シャットダウンの種類に応じて、前記補機のうち、稼動させる補機と稼動停止する補機とを設定してシャットダウンを実行し、
前記燃料電池に関連する温度が第１の所定温度以下を満たさない場合に、前記シャットダウンにおいて、上記燃料ガスポンプ、前記水ポンプ、前記ブロワ、前記熱媒ポンプおよび前記換気ファンに異常が生じていない場合には、すべてを稼動させつつシャットダウンを実行するとともに、
前記燃料電池に関連する温度が第２の所定温度以下を満たした場合に、前記燃料ガスポンプ、前記ブロワ、前記熱媒ポンプおよび前記換気ファンを第２の所定時間稼動させて、前記シャットダウンを継続する燃料電池装置。
【請求項2】
前記シャットダウンを実行して第１所定時間経過後に、前記燃料電池に関連する温度が第１の所定温度以下を満たさない場合に、前記燃料ガスポンプ、前記水ポンプおよび前記ブロワを停止して、シャットダウンを継続する請求項１記載の燃料電池装置。
【請求項3】
前記第２の所定時間経過後に、前記燃料ガスポンプを停止させる請求項１または請求項２記載の燃料電池装置。
【請求項4】
前記第２の所定時間経過後に、前記ブロワの稼動を増大させる請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
【請求項5】
前記シャットダウンにおいて、第１異常判定基準を満たし、かつ前記燃料電池に関連する温度が第１の所定温度以下を満たさない場合に、前記熱媒ポンプを稼動させつつシャットダウンを実行する請求項１記載の燃料電池装置。
【請求項6】
前記シャットダウンにおいて、前記第１異常判定基準とは異なる第２異常判定基準を満たし、かつ前記燃料電池に関連する温度が第１の所定温度以下を満たさない場合に、前記補機をすべて停止してシャットダウンを実行する請求項５記載の燃料電池装置。
【請求項7】
前記シャットダウンが、メンテナンスの指示によるシャットダウンの場合、シャットダウン完了後の時間を計測し、第３の所定時間以内であれば、再起動を可能とする請求項１記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来技術の一例は、特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特許第６０４８６６２号公報
【発明の概要】
【0004】
本開示の燃料電池装置は、筐体内に、燃料電池と、該燃料電池の運転に必要な複数の補機と、制御装置と、を備え、前記複数の補機が、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガスポンプと、前記燃料電池に水を供給する水ポンプと、前記燃料電池に空気を供給するブロワと、前記燃料電池からの排ガスと熱交換するための熱交換器に、熱媒を循環させる熱媒ポンプと、前記筐体内を換気する換気ファンと、を備え、前記制御装置は、前記燃料電池のシャットダウンを実行する際に、シャットダウンの種類に応じて、前記補機のうち、稼動させる補機と稼動停止する補機とを設定してシャットダウンを実行し、前記燃料電池に関連する温度が第１の所定温度以下を満たさない場合に、前記シャットダウンにおいて、上記燃料ガスポンプ、前記水ポンプ、前記ブロワ、前記熱媒ポンプおよび前記換気ファンに異常が生じていない場合には、すべてを稼動させつつシャットダウンを実行するとともに、前記燃料電池に関連する温度が第２の所定温度以下を満たした場合に、前記燃料ガスポンプ、前記ブロワ、前記熱媒ポンプおよび前記換気ファンを第２の所定時間稼動させて、前記シャットダウンを継続する構成である。
【図面の簡単な説明】
【0005】
本開示の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。
【0006】
【図1】本開示の実施形態の燃料電池装置のブロック図である。
【図2】実施形態の燃料電池装置の斜視図である。
【図3】実施形態のシャットダウンの過程を示すフローチャートである。
【図4】実施形態のシャットダウンの過程を示すフローチャートである。
【図5】実施形態のシャットダウンの過程を示すフローチャートである。
【図6】実施形態のシャットダウンの過程を示すフローチャートである。
【図7】実施形態のシャットダウンの過程を示すフローチャートである。
【図8】実施形態のシャットダウンの過程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】
【0007】
まず、本開示の燃料電池装置が基礎とする構成の燃料電池装置について説明する。
【0008】
近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と空気（酸素含有ガス）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積層したセルスタックを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている。
【0009】
燃料電池装置の動作中に何らかの不具合が生じた場合、あるいは、燃料電池装置のメンテナンス等で燃料電池装置を短時間停止させたい場合には、半強制的に装置の作動を停止させるシャットダウンを実行することがある。
【0010】
しかしながら、シャットダウン動作をする場合に、燃料電池装置の状態はさまざまであり、燃料電池装置の状態に関わらず一律のシャットダウン動作を行うと、スタックの破損、燃料電池装置の降温の遅延および熱媒の沸騰などの不具合が起こるおそれがある。
【0011】
【0012】
実施形態の燃料電池装置１００は、天然ガス等の原燃料ガスと空気とを使用して発電を行う燃料電池モジュール１と、第１熱交換器２、蓄熱タンク３、熱媒ポンプＰ２およびこれらをつなぐ循環流路等を有する排熱回収システムを備える。排熱回収システムである第１の熱循環系（ヒートサイクル）は、図１中に符号ＨＣ１で表記されている。
【0013】
また、燃料電池装置１００は、符号ＨＣ２で示すように、前述の蓄熱タンク３に貯留された高温の熱媒を用いて、外部から供給された水道水等の水を加温し、加温された水を外部の給湯器（図示せず）等の再加熱装置に向けて送給する、第２の熱循環系ＨＣ２を備える。第２の熱循環系ＨＣ２は、第２熱交換器４（上水熱交換器ともいう）と、前述の蓄熱タンク３から熱媒を循環させる循環ポンプＰ３およびこれらをつなぐ流路配管とを備える。
【0014】
燃料電池モジュール１は、収納容器１０に収容されたセルスタック１１と改質器１２とを含む。燃料電池モジュール１から排出された排ガスは、第１熱交換器２で、排ガスと第１熱交換器２内を流れる水等の熱媒または冷媒との間で熱交換が行われる。この際、排ガスに含まれる水分が結露して凝縮水が生じる。生じた凝縮水は、凝縮水流路Ｃを経由して回収され、改質水タンク６に貯留される。
【0015】
水分が取り除かれた排ガスは、排ガス流路Ｅを介して、燃料電池装置１００の外に排気される。また、改質水タンク６に貯水された改質水は、改質水流路Ｒおよび水ポンプである改質水ポンプＰ１を介して、燃料電池モジュール１内の改質器１２に供給され、原燃料ガスの水蒸気改質に利用される。
【0016】
燃料電池モジュール１での発電に用いられる空気は、ブロワＢ２を含む空気流路である配管Ｆを介してセルスタック１１に導入される。原燃料ガスは、燃料ガスポンプＢ１を含む原燃料ガス流路である配管Ｇを介して、改質水流路Ｒを経由した改質水とともに、改質器１２に導入される。
【0017】
燃料電池装置１００は、前述の燃料電池モジュール１等の他、その発電運転を補助する補機として、第１熱交換器２、蓄熱タンク３、第２熱交換器４、改質水タンク６、燃料ガスポンプＢ１、ブロワＢ２、改質水ポンプＰ１、熱媒ポンプＰ２、循環ポンプＰ３、換気ファン６０、パワーコンディショナ２０、制御装置３０、表示装置や操作パネルを含む操作基板４０等を備える。そして、燃料電池装置１００は、図２に示すような、各フレーム５１と各外装パネル５２とからなるケース５０の中に配設されている。このケース５０の中の、燃料電池モジュール１および各補機の周りや流路、配管等に、複数の計測機器やセンサ等が設けられている。
【0018】
改質器１２内は、原燃料と改質水とを混合して加熱する気化部と、原燃料と改質水を気化させて生成した水蒸気とを反応させて原燃料を改質する改質部とに分かれており、気化部の改質部に接続する部分の温度である改質入口温度Ｔ１を計測するための温度計ＴＣ１が取り付けられている。また、セルスタック１１上部に燃料電池モジュール１の中心温度Ｔ２を計測するための温度計ＴＣ２が取り付けられている。制御装置３０は温度計ＴＣ１およびＴＣ２から改質入口温度Ｔ１および燃料電池モジュール１の中心温度Ｔ２を取得することが可能である。
【0019】
そして、燃料電池装置１００は、以下に詳細に述べるように、種々の機能を実行するための制御および処理能力を提供するために、少なくとも１つのプロセッサおよび記憶装置等を含む制御装置３０を備える。
【0020】
種々の実施形態によれば、少なくとも１つのプロセッサは、単一の集積回路として、または、複数の通信可能に接続された集積回路および／もしくはディスクリート回路として、実行されてもよい。少なくとも１つのプロセッサは、種々の既知の技術にしたがって実行されることが可能である。
【0021】
１つの実施形態において、プロセッサは、たとえば、関連するメモリに記憶された指示を実行することによって１以上のデータ計算手続または処理を実行するように構成された、１以上の回路またはユニットを含む。他の実施形態において、プロセッサは、１以上のデータ計算手続または処理を実行するように構成された、ファームウェア、たとえばディスクリートロジックコンポーネントであってもよい。
【0022】
種々の実施形態によれば、プロセッサは、１以上のプロセッサ、コントローラ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路、デジタル信号処理部、プログラマブルロジックデバイス、フィールドプログラマブルゲートアレイ、または、これらのデバイスもしくは構成の任意の組合わせ、または、他の既知のデバイスおよび構成の組合わせ、を含み、以下に説明される機能を実行してもよい。
【0023】
制御装置３０は、記憶装置および表示装置（ともに図示省略）と、燃料電池装置１００を構成する各種構成部品および各種センサと接続され、これらの各機能部をはじめとして、燃料電池装置１００の全体を制御および管理する。制御装置３０は、それに付属する記憶装置に記憶されているプログラムを取得して、このプログラムを実行することによって、燃料電池装置１００の各部にかかる、種々の機能を実現する。
【0024】
制御装置３０から、他の機能部または装置に制御信号または各種の情報などを送信する場合、制御装置３０と他の機能部とは、有線または無線により接続されていればよい。制御装置３０が行う本実施形態に特徴的な制御については、後記で説明する。なお、本実施形態において、制御装置３０は特に、燃料電池装置１００につながる外部装置の指示、指令や、先に述べた各種センサの指示や計測値に基づいて、燃料ガスポンプＢ１等の原燃料供給装置を制御する。図１では、制御装置３０と、燃料電池を構成する各装置および各センサとを結ぶ接続線の図示を、省略している場合がある。
【0025】
図示しない記憶装置は、プログラムおよびデータを記憶できる。記憶装置は、処理結果を一時的に記憶する作業領域としても利用してもよい。記憶装置は、記録媒体を含む。記録媒体は、半導体記憶媒体、および磁気記憶媒体等の任意の非一時的（ｎｏｎ－ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ）な記憶媒体を含んでよい。また、記憶装置は、複数の種類の記憶媒体を含んでいてもよい。記憶装置は、メモリカード、光ディスク、または光磁気ディスク等の可搬の記録媒体と、記憶の読み取り装置との組合せを含んでいてもよい。記憶装置は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の一時的な記憶領域として利用される記憶デバイスを含んでいてもよい。
【0026】
なお、燃料電池装置１００の制御装置３０および記憶装置は、燃料電池装置１００の外部に有する構成として実現することもできる。さらに、本開示に係る制御装置３０における特徴的な制御工程を含む制御方法として実現したり、上記工程をコンピュータに実行させるための制御プログラムとして実現したりすることも可能である。
【0027】
なお、以下のフローは、前述の給湯先での温水の利用開始により、水道水流路Ｌの一部を構成する上水配管Ｊを通ってケース５０内に供給された比較的低温の水道水が、第２熱交換器４を経由して温められ、水温の上昇した加温水として、水道水流路Ｌの一部である給湯配管Ｋを経由して給湯器等の外部機器に送給および給湯される、排熱の間接的な利用を想定したものである。
【0028】
燃料電池装置１００における、排ガスから回収した凝縮水（改質水）を用いた発電運転（いわゆる、水自立運転）について簡単に説明する。
【0029】
発電運転中の燃料電池装置１００においては、燃料電池モジュール１に隣接して配置された第１熱交換器２で、モジュールから排出された排ガスと、第１熱交換器２内を流れる水等の熱媒との間で熱交換が行われ、排ガスに含まれる水分が結露して凝縮水が生じる。
【0030】
生じた凝縮水は、気液分離器等により分離され、イオン交換樹脂等の浄化装置を経由して浄化された後、凝縮水流路Ｃを通じて、改質水タンク６に貯留される。一方、水分が取り除かれた排ガスは、排ガス流路Ｅを介して、燃料電池装置１００の外に排気される。
【0031】
改質水タンク６に貯留された改質水は、改質水流路Ｒおよび改質水ポンプＰ１を介して、燃料電池モジュール１内の改質器１２に供給され、改質水を用いた原燃料の水蒸気改質に利用される。
【0032】
燃料電池装置１００を停止させるシャットダウンは、燃料電池装置１００の動作中に不具合が生じて正常な運転が困難である場合、あるいは、燃料電池装置のメンテナンス等で燃料電池装置を停止させる必要がある場合などに実行される。
【0033】
燃料電池装置１００のシャットダウンにおいてすべての補機を停止させると、燃料電池装置１００の余熱によって、熱媒が沸騰したり、ファンが動作しないため降温に時間がかかったりして、シャットダウンによる燃料電池装置１００への熱による悪影響が大きくなるおそれがある。そこで、以下の本実施形態においては、燃料ガスポンプＢ１、ブロワＢ２、改質水ポンプＰ１、熱媒ポンプＰ２、および換気ファン６０に着目して、シャットダウン時におけるこれらの補機の稼動について説明する。
【0034】
シャットダウンの基本制御である、第１シャットダウン制御では、燃料ガスポンプＢ１、ブロワＢ２、改質水ポンプＰ１、熱媒ポンプＰ２、および換気ファン６０をすべて稼動させてシャットダウンを行う。それによりシステム内の冷却を速やかに行うことができる。
【0035】
一方、燃料電池装置１００の稼動に必要である流体に関する異常である、第１異常判定基準を満たした場合は、第２シャットダウン制御を実行する。第２シャットダウン制御では、補機である燃料ガスポンプＢ１、ブロワＢ２、改質水ポンプＰ１および換気ファン６０を動作させずにシャットダウンを行う。
【0036】
また、第１の熱循環系ＨＣ１や第２の熱循環系ＨＣ２の熱媒体に関する異常である、第２異常判定基準を満たした場合は、第３のシャットダウン制御を実行する。第３のシャットダウン制御では、燃料ガスポンプＢ１、ブロワＢ２、改質水ポンプＰ１、熱媒ポンプＰ２および換気ファン６０を動作させずにシャットダウンを行う。
【0037】
また、燃料電池装置１００のメンテナンスの場合に行う第４シャットダウン制御では、燃料電池装置１００の停止時間をできるだけ短くして燃料電池装置１００の稼動効率を高めるような方法が求められる。そこで、最低限の燃料電池モジュール１保護のため燃料ガスポンプＢ１を動作させずにシャットダウンを行う。
【0038】
このように制御装置３０は、シャットダウンの種類に応じて、稼動させる補機と稼動停止する補機とを設定してシャットダウンを実行することによって、最適なシャットダウン工程を選択できる。それにより、燃料電池装置１００のシャットダウン時の燃料電池装置１００および周辺環境への悪影響を軽減することが可能になる。また、燃料電池装置１００を保護することができるので燃料電池装置１００の信頼性を高めることができる。また、燃料電池装置１００の稼動効率を高めることができる。
【0039】
以下、図３～図５を用いて第１シャットダウン制御の動作について説明する。これらの図３～図５では、「ステップ」を「Ｓ」と略称するとともに、チャート内においては、判断制御における「正」（フラグ＝１）を［Ｙｅｓ］で、「否」（フラグ＝０）を［Ｎｏ］で表している。
【0040】
運転中にシャットダウンが発生した場合、シャットダウン制御を開始する（ステップＳ０）。なお、燃料電池装置１００においては、改質入口温度Ｔ１と燃料電池モジュール１の中心温度Ｔ２が、温度計ＴＣ１と温度計ＴＣ２により連続して測定されている。
【0041】
次に、ステップＳ１で、改質入口温度Ｔ１および燃料電池モジュール１の中心温度Ｔ２が第１の所定温度を超えているか判断する。第１の所定温度は、たとえば、シャットダウン制御における改質水ポンプＰ１、ブロワＢ２、燃料ガスポンプＢ１の稼動に伴って、改質器１２やセルスタック１１が破損することを抑制するための温度である。シャットダウン直前に発電を正常に行っている状態では、改質入口温度Ｔ１および燃料電池モジュール１の中心温度Ｔ２は第１の所定温度を超えている。この場合、ステップＳ２に移行する。また、起動直後にシャットダウンを行って改質入口温度Ｔ１および燃料電池モジュール１中心温度Ｔ２がともに第１の所定温度を超えていない場合には、ステップＳ５に移行する。なお、以降の説明において、燃料ガスポンプＢ１、ブロワＢ２、改質水ポンプＰ１、熱媒ポンプＰ２、および換気ファン６０の稼動時間、稼動量は燃料電池装置の大きさ等や各補機の能力等に応じて適宜設定することができる。
【0042】
ステップＳ２において、燃料電池装置１００を冷却するために、換気ファン６０、熱媒ポンプＰ２を動作させるとともに、改質水ポンプＰ１、ブロワＢ２を動作させて、配管Ｆから空気を供給する。このとき、燃料ガスポンプＢ１を停止させ、配管Ｇからの原燃料ガスの供給を停止する。この状態を第１所定時間ｔ１継続する。このように、第１シャットダウン制御では、換気ファン６０が動作しているので燃料電池装置１００内に可燃性ガスが滞留しないため安全性を高めることができる。また、熱媒ポンプＰ２を動作させているので、熱媒の沸騰を防止することができる。また、配管Ｆから空気を供給することによって、燃料電池装置１００内の排ガスを外部に放出することができる。また、改質水ポンプＰ１を動作させて改質水を供給して、配管Ｆからの空気が改質水流路Ｒに逆流しないようにすることができる。ステップＳ２によって燃料電池モジュール１内のオフガスが外部に排出される。
【0043】
続いて、図４に示すステップＳ３において、改質入口温度Ｔ１と燃料電池モジュール１の中心温度Ｔ２が第１の所定温度以下となったかを判定する。改質入口温度Ｔ１と燃料電池モジュール１の中心温度Ｔ２のどちらかが、第１の所定温度を超えている場合には、ステップＳ４に進み、さらに燃料電池装置１００を冷却する。一方、改質入口温度Ｔ１と燃料電池モジュール１の中心温度Ｔ２がともに第１の所定温度に以下になっている場合には、ステップＳ５に進む。
【0044】
ステップＳ４においては、換気ファン６０および熱媒ポンプＰ２を動作させ、ブロワＢ２を停止して配管Ｆから空気の供給を停止し、燃料ガスポンプＢ１を停止して、配管Ｇからの原燃料ガスの供給を停止し、また、改質水ポンプＰ１を停止して改質水の供給を停止する。この状態を第２所定時間ｔ２継続する。なお、ステップＳ４においては、補機は間欠運転を繰り返すこともできる。この場合、たとえば、換気ファン６０は時間ｔ３間の動作および時間ｔ４間の待機を繰り返し、熱媒ポンプＰ２は、時間ｔ５間の作動後、時間ｔ６間の待機する動作を繰り返すことができる。なおｔ３、ｔ４、ｔ５、ｔ６のそれぞれの時間は、適宜設定すればよい。
【0045】
第２所定時間ｔ２経過後、ステップＳ３に戻り、改質入口温度Ｔ１と燃料電池モジュール１の中心温度Ｔ２がともに第１の所定温度に以下になっているか判断する。第１の所定温度以下の場合は次のステップＳ５に移行する。改質入口温度Ｔ１と燃料電池モジュール１の中心温度Ｔ２の少なくとも一方が、第１の所定温度を超えている場合は、ステップＳ４に再度移行する。
【0046】
続いて、図５に示すステップＳ５において、改質入口温度Ｔ１と燃料電池モジュール１の中心温度Ｔ２がともに第２の所定温度以下になったかを判定する。改質入口温度Ｔ１と燃料電池モジュール１の中心温度Ｔ２がともに第２の所定温度以下になった時点で、次のステップＳ６に移行する。ステップＳ５では、燃料ガスポンプＢ１、ブロワＢ２、改質水ポンプＰ１、熱媒ポンプＰ２、および換気ファン６０をすべてが停止している。第２の所定温度は、たとえば、次のステップにて、改質器１２や燃料電池モジュール１内の水蒸気を排出すべく、燃料ガスポンプＢ１およびブロワＢ２を動作させた場合に、改質器１２やセルスタック１１に悪影響を及ぼさない温度で設定することができる。
【0047】
続いて、ステップＳ６において、換気ファン６０および熱媒ポンプＰ２を動作させたまま、燃料ガスポンプＢ１を動作させて配管Ｇから原燃料ガスを供給し、ブロワＢ２を動作させて配管Ｆから空気を供給する。また、改質水ポンプＰ１は停止している。ステップＳ６は第３所定時間ｔ７継続する。なお、ステップＳ６では、駆動時間が異なるように補機を動作させることもできる。たとえば、燃料ガスポンプを時間ｔ８だけ稼動させ、その後、燃料ガスポンプＢ１を停止して原燃料ガスの供給を停止する。原燃料ガスを供給することで燃料電池セル内部に改質水が結露することを防止することができる。また、ブロワＢ２は、ステップＳ２よりも多くの空気量が供給されるように動作させることもできる。この場合、配管Ｆから多量の空気を供給して燃料ガスを薄めて燃料電池の外に流出させることができる。
【0048】
続いて、ステップＳ７において、換気ファン６０および熱媒ポンプＰ２を動作させるとともに、ブロワＢ２を駆動させて、配管Ｆから空気を供給して燃料電池装置１００を冷却する。また、改質水ポンプＰ１と燃料ガスポンプＢ１は停止している。ステップＳ７は第４所定時間ｔ９継続する。
【0049】
第４所定時間ｔ９が経過したらステップＳ８に移行し、改質入口温度Ｔ１と燃料電池モジュール１の中心温度Ｔ２とがともに第３の所定温度以下になっているか判断する。ここで第３の所定温度は、例えば、熱媒ポンプＰ２が停止しても熱媒の沸騰が発生しない温度や、メンテナンスを実行できる程度に十分冷却された温度に設定することができる。改質入口温度Ｔ１と燃料電池モジュール１の中心温度Ｔ２とがともに第３の所定温度以下の場合は、ステップＳ９に移行する。改質入口温度Ｔ１と燃料電池モジュール１の中心温度Ｔ２の少なくとも一方が、第３の所定温度を超えている場合は、ステップＳ７に再度移行する。
【0050】
続いて、ステップＳ９において、換気ファン６０、熱媒ポンプＰ２およびブロワＢ２を停止して配管Ｆから空気の供給を停止して、機器を停止させる。次に、ステップＳ１０で、燃料電池装置１００は、待機状態に移行する。
【0051】
次に、燃料電池装置１００の稼動に必要である流体に関する異常である、第１異常判定基準を満たした場合は、第２シャットダウン制御を実行する。このような異常としては、たとえば、燃料ガスに関する異常、改質水に関する異常、空気に関する異常、換気に関する異常等が例示できる。なお、第２シャットダウン制御は、直接的に流体の異常を検知できる補機動作、流量、濃度、電圧に関する異常だけでなく、間接的に流体の異常を推察できる温度、圧力に関する異常を含むなど、異常判定基準は適宜設定してよい。第２シャットダウン制御の動作を図６のフローチャートを用いて説明する。
【0052】
ステップＳ２０において、燃料電池装置１００の稼動に必要である流体に異常が発生した場合は、燃料電池装置１００はシャットダウン制御を開始する。続いて、ステップＳ２１において、熱媒ポンプＰ２を動作させる。燃料ガスポンプＢ１を停止して燃料供給を停止し、また、ブロワＢ２を停止して空気の供給を停止する。また、改質水ポンプＰ１を停止して改質水の供給を停止する。さらに換気ファン６０を停止する。
【0053】
ステップＳ２２で示されるように、燃料電池装置１００は改質入口温度Ｔ１と燃料電池モジュール１の中心温度Ｔ２が第４の所定温度以下になるまで冷却を続ける。この場合の第４の所定温度は、たとえば、メンテナンスを実行できる程度に十分冷却された温度である。
【0054】
改質入口温度Ｔ１および燃料電池モジュール１の中心温度Ｔ２が第４の所定温度以下になると、ステップＳ２３に移行して熱媒ポンプＰ２を停止する。次にステップＳ２４で機器を停止させ、ステップＳ２５にて燃料電池装置１００は待機状態に移行する。このように、熱媒ポンプＰ２を循環させることで燃料電池装置１００の冷却を促進する。さらに燃料ガスポンプＢ１、ブロワＢ２、改質水ポンプＰ１および換気ファン６０を停止することにより、セルスタック１１や改質器１２の破損や、燃料電池モジュール１の排ガスや残留ガスの排出を抑制する。
【0055】
次に、燃料電池装置１００は、第１異常判定基準と異なる第２判定基準を満たした場合、第３シャットダウン制御を実行する。このような異常としては、たとえば、第１の熱循環系ＨＣ１や第２の熱循環系ＨＣ２の熱媒体に関する異常が例示できる。たとえば、熱媒ポンプＰ２の回転異常が発生した場合は、第３シャットダウン制御を実行する。なお、第３シャットダウン制御は、直接的に熱媒体の異常を検知できる補機動作、流量、電圧に関する異常だけでなく、間接的に熱媒体の異常を推察できる温度、水位に関する異常を含むなど、異常判定基準は適宜設定してよい。第３シャットダウン制御の動作を図７のフローチャートを用いて説明する。
【0056】
ステップＳ３０において、第１の熱循環系ＨＣ１や第２の熱循環系ＨＣ２の熱媒体に異常が発生した場合は、燃料電池装置１００はシャットダウン制御を開始する。続いて、ステップＳ３１において、熱媒ポンプＰ２を停止する。また、換気ファン６０を停止する。さらに、改質水ポンプＰ１を停止して、改質水の供給を停止し、また、燃料ガスポンプＢ１を停止して原燃料ガスの供給を停止し、ブロワＢ２を停止して空気の供給を停止する。
【0057】
ステップＳ３２で示されるように、改質入口温度Ｔ１と燃料電池モジュール１の中心温度Ｔ２が第５の所定温度以下になるまで、補機である、燃料ガスポンプＢ１、ブロワＢ２、改質水ポンプＰ１、熱媒ポンプＰ２、および換気ファン６０を停止する。この場合の第５の所定温度は、たとえば、メンテナンスを実行できる程度に十分冷却された温度である。
【0058】
改質入口温度Ｔ１および燃料電池モジュール１の中心温度Ｔ２が第５の所定温度以下になると、ステップＳ３３に移行して機器を停止させ、ステップ３４にて燃料電池装置１００は待機状態に移行する。このように、燃料ガスポンプＢ１、ブロワＢ２、改質水ポンプＰ１を停止させることで、燃料電池モジュール１の高温排ガスや残留ガスが第１熱交換器２に流入することにより発生する熱媒体の過熱や沸騰を防止する。さらに、熱媒ポンプＰ２を停止させることで、熱媒体漏出時には漏れの拡大を防止するとともに、換気ファン６０を停止させることで、漏れた水の飛散を防止する。
【0059】
次にメンテナンスにより燃料電池装置１００を短時間停止させたい場合に実行する第４シャットダウン制御の動作を図８のフローチャートを用いて説明する。
【0060】
メンテナンスを行う操作者は、燃料電池装置１００が動作中に、操作基板４０より燃料電池装置１００をメンテナンスモードに移行させることができる。また、メンテナンスモードにおいて、操作基板４０の操作より、燃料電池装置１００は第４シャットダウン制御を開始することができる。
【0061】
ステップ４０において、メンテナンスを行う操作者は、操作基板４０よりシャットダウン制御を開始する。次にステップＳ４１において、改質入口温度Ｔ１および燃料電池モジュール１の中心温度Ｔ２が第６の所定温度を超えているか判断する。この場合の第６の所定温度は、たとえば、改質器１２やセルスタック１１に悪影響を及ぼさない温度で設定することができる。
【0062】
第６の所定温度以下の場合は、機器を停止するステップＳ４３に移行し、改質入口温度Ｔ１と燃料電池モジュール１の中心温度Ｔ２の少なくとも一方が、第６の所定温度を超えている場合は、ステップＳ４２に移行する。
【0063】
ステップＳ４２において、燃料電池装置１００を冷却するために、換気ファン６０、改質水ポンプＰ１、熱媒ポンプＰ２を動作させるとともに、ブロワＢ２を動作させて、配管Ｆから空気を供給する。このとき、燃料ガスポンプＢ１を停止させ、配管Ｇからの原燃料ガスの供給を停止する。ステップＳ４２は第５所定時間ｔ１０継続する。
【0064】
第５所定時間ｔ１０を経過後、ステップＳ４３において、ブロワＢ２、改質水ポンプＰ１、熱媒ポンプＰ２、および換気ファン６０を停止して機器を停止させる。
【0065】
次にステップＳ４４において、燃料電池装置１００は待機状態に移行し、待機状態に移行した時刻Ｔａを記憶する。
【0066】
ステップＳ４５において、メンテナンス終了後等に再起動指示を受け付けると、ステップＳ４６に移行して、再起動指示を受け付けた時刻Ｔｂを取得する
【0067】
次にステップＳ４７において、再起動指示を受け付けた時刻Ｔｂと待機状態に移行した時刻Ｔａより、再起動指示が第６所定時間ｔ１１以内に行われたか判定する。所定時間以内の場合は、ステップＳ４８に移行して再起動し、所定時間を超えている場合は、ステップＳ４９に移行して燃料電池装置１００が十分に冷却されるまで待機する。
【0068】
このように、シャットダウン動作をする場合に、燃料ガスポンプＢ１、ブロワＢ２、改質水ポンプＰ１、熱媒ポンプＰ２、および換気ファン６０の駆動、及び停止を適宜選択することで、燃料電池装置１００を保護することができ燃料電池装置１００の信頼性を高めることができる。さらに、メンテナンスの指示によるシャットダウンの場合、シャットダウン完了後の時間を計測し、第６所定時間ｔ１１以内であれば再起動を可能とすることによって、メンテナンスによる燃料電池装置１００の発電停止時間を短縮することができる。
【0069】
本開示は次の実施の形態が可能である。
【0070】
本開示の燃料電池装置は、筐体内に、燃料電池と、該燃料電池の運転に必要な複数の補機と、制御装置と、を備え前記制御装置は、前記燃料電池のシャットダウンを実行する際に、シャットダウンの種類に応じて、前記補機のうち、稼動させる補機と稼動停止する補機とを設定してシャットダウンを実行する構成ある。
【0071】
本開示の燃料電池装置によると、燃料電池装置のシャットダウン時に燃料電池装置を保護することができ、燃料電池装置の信頼性を高めることができる。
【0072】
本開示は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できる。したがって、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本開示の範囲は特許請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、特許請求の範囲に属する変形や変更は全て本開示の範囲内のものである。
【符号の説明】
【0073】
１ 燃料電池モジュール
２ 第１熱交換器
３ 蓄熱タンク
４ 第２熱交換器
６ 改質水タンク
１０ 収納容器
１１ セルスタック
１２ 改質器
２０ パワーコンディショナ
３０ 制御装置
４０ 操作基板
５０ ケース
５１ フレーム
５２ 外装パネル
６０ 換気ファン
１００ 燃料電池装置
Ｂ１ 燃料ガスポンプ
Ｂ２ ブロワ
２ 第１熱交換器
３ 蓄熱タンク
４ 第２熱交換器
６ 改質水タンク
１０ 収納容器
１１ セルスタック
１２ 改質器
２０ パワーコンディショナ
３０ 制御装置
４０ 操作基板
５０ ケース
５１ フレーム
５２ 外装パネル
６０ 換気ファン
１００ 燃料電池装置
Ｂ１ 燃料ガスポンプ
Ｂ２ ブロワ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
