JP2005346986A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 マイコンメータの保護機能を無効にすることなく、ガスの流れの遮断を抑制し、連続して運転することができる燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】 マイコンメータ２を通過した商用ガスＧを導入し改質して水素に富む燃料ガスｈを生成する改質装置３１と、燃料ガスｈを導入して電気化学的反応により発電する燃料電池３２とを有する燃料電池ユニット３と；マイコンメータ２を通過した商用ガスＧの流量に応じた所定時間が経過するまでの間にマイコンメータ２を通過した商用ガスＧの流量の変動が所定幅内であったときに、燃料電池３２で発電する発電電流を変動させるのに伴ってマイコンメータ２を通過する商用ガスＧの流量を所定幅以上変動させる制御装置９を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に一定時間以上所定の流量のガスが流れたときにガスの流れを遮断する機能を持つメータを通過した商用ガスを燃料ガスに改質して導入する燃料電池を備える燃料電池システムに関するものである。

近年の環境保全に対する関心が高まる中、地球温暖化の原因となる二酸化炭素や窒素酸化物等の有害ガスの排出量を大幅に削減することができる燃料電池を備えた発電システムである燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、一般的に、改質器において原料燃料を改質して水素に富む燃料ガスを生成し、生成された燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電するシステムである。原料燃料は、都市ガス、ＬＰＧ、消化ガス、メタノール、ＧＴＬ（Ｇａｓ ｔｏ Ｌｉｑｕｉｄ）や灯油などの種種の原料燃料を使用することができるが、特に分散型電源として家庭に燃料電池システムが設置されるときは、入手容易性の観点から都市ガス等の商用ガスが用いられる。

ところで、商用ガスの供給を受けるときは、安全性の観点から一定時間以上所定の流量のガスが流れたときにガスの流れを遮断する機能を持つメータを介してガスの供給を受ける場合があり、特に家庭で商用ガスの供給を受ける場合は顕著である。このような保護機能を持つメータは一般にマイコンメータと呼ばれている。マイコンメータは、例えば、ゴム管が外れたときのようにガスが不自然に大量に流れた場合や、風呂のつけ放しのように必要以上にガスの使用時間が長い場合、ゴム管にヒビがありガスが漏れて微小量のガスが３０日以上流れ続けた場合のように、一定時間以上所定の流量のガスが流れたときに自動的にガスの流れを遮断する機能を持つメータである。

燃料電池も燃料ガスの原料燃料として商用ガスを用いる場合は、マイコンメータを通過したガスを改質器に導入することがあり、特に家庭においてはマイコンメータを介してガスの供給を受けることが一般的である。

しかしながら、一定の電力負荷が絶えずある場合は、燃料電池を常に運転させるために燃料電池の運転に合わせて改質器に商用ガスを導入していると、一定時間以上所定の流量のガスが流れたときに、それが正常な運転であってもマイコンメータはガス漏れがあったと誤認してガスの流れを遮断する場合がある。改質器に導入されるガスの流れが遮断されると燃料ガスの生成が停止され、燃料ガスの供給が絶たれた燃料電池も停止してしまう。安全性の観点からマイコンメータの保護機能を無効にすることは難しいが、燃料電池は起動・停止の際に予熱等の発電に供されない燃料を消費するため、電力負荷が大きい時間帯に燃料電池の運転が停止した場合は燃料電池システムのエネルギ損失が大きくなる。

本発明は上述の課題に鑑み、マイコンメータの保護機能を無効にすることなく、ガスの流れの遮断を抑制し、連続して運転することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために請求項１に記載の燃料電池システムは、例えば図１に示すように、一定時間以上所定の流量のガスが流れたときに該ガスの流れを遮断する機能を持つメータ２を通過した商用ガスＧを導入し商用ガスＧを改質して水素に富む燃料ガスｈを生成する改質装置３１と、燃料ガスｈを導入して電気化学的反応により発電して熱を発生する燃料電池３２とを有する燃料電池ユニット３と；メータ２を通過した商用ガスＧの流量に応じた所定時間が経過するまでの間にメータ２を通過した商用ガスＧの流量の変動が所定幅内であったときに、燃料電池３２で発電する発電電流を変動させるのに伴ってメータ２を通過する商用ガスＧの流量を該所定幅以上変動させる制御装置９を備える。

このように構成すると、メータを通過した商用ガスの流量に応じた所定時間が経過するまでの間にメータを通過した商用ガスの流量の変動が所定幅内であったときに、燃料電池で発電する発電電流を変動させるのに伴ってメータを通過する商用ガスの流量を該所定幅以上変動させるので、メータに備えられたガスの流れを遮断する機能が作動するのを回避することができ、燃料電池を連続して運転することができる。なお、「商用ガス」とは、都市ガスやプロパンガスなどの対価を支払って外部から供給を受けるガスをいう。また、「所定時間」とはメータにガスが流れ始めてからメータのガスの流れを遮断する機能が作動するまでの時間であり、「所定幅」とは所定時間の計測を中断するのに必要なガス流量の変動の幅である。

また、請求項２に記載の燃料電池システムは、例えば図１に示すように、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、発電電流の変動は発電電流の増加であって；増加した発電電流によって余剰となる電力を、蓄えるバッテリー６１、熱に変換する発熱体６２及び商用電源に逆潮流させるのに伴い計量する電力計３９の少なくとも一つを備える。

このように構成すると、増加した発電電流によって余剰となる電力を、電荷を蓄えるバッテリー、熱に変換する発熱体、及び商用電源に逆潮流させるのに伴い計量する電力計の少なくとも一つを備えるので、メータに備えられたガスの流れを遮断する機能が作動することを回避するために商用ガスの流量を所定幅以上増加させた結果増加した電流を有効に利用することができる。

また、請求項３に記載の燃料電池システムは、例えば図１に示すように、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムにおいて；前記制御装置に代えて、メータ２を通過した商用ガスＧの流量に応じた所定時間が経過するまでの間に改質装置３１に導入された商用ガスＧの流量の変動が所定幅内であったときに、燃料電池３２で発電する発電電流を変動させるのに伴って改質装置３１に導入される商用ガスＧの流量を該所定幅以上変動させる制御装置９とを備える。

このように構成すると、メータを通過した商用ガスの流量に応じた所定時間が経過するまでの間に改質装置に導入された商用ガスの流量の変動が所定幅内であったときに、燃料電池で発電する発電電流を変動させるのに伴って改質装置に導入される商用ガスの流量を所定幅以上変動させるので、メータに備えられたガスの流れを遮断する機能が作動することを回避することが可能になり、燃料電池を連続して運転することができる。

また、請求項４に記載の燃料電池システムは、例えば図１に示すように、請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池３２で発生した熱を温水を媒体として蓄えると共に、商用ガスＧを導入し燃焼して温水ｕを加熱する第１の補助加熱器４２Ａ及び商用ガスＧを導入し燃焼して外部から導入し循環する温水ｗを加熱する第２の補助加熱器４２Ｂの少なくとも一方を有する貯湯ユニット４と；前記制御装置に代えて、メータ２を通過した商用ガスＧの流量に応じた所定時間が経過するまでの間に改質装置３１に導入された商用ガスＧの流量と第１の補助加熱器４２Ａ及び第２の補助加熱器４２Ｂの少なくとも一方に導入された商用ガスＧの流量との合計の商用ガスＧの流量の変動が所定幅内であったときに、燃料電池３２で発電する発電電流を変動させるのに伴って合計の商用ガスＧの流量を該所定幅以上変動させる制御装置９とを備える。

このように構成すると、メータを通過した商用ガスの流量に応じた所定時間が経過するまでの間に改質装置に導入された商用ガスの流量と第１の補助加熱器及び第２の補助加熱器の少なくとも一方に導入された商用ガスの流量との合計の商用ガスの流量の変動が所定幅内であったときに、燃料電池で発電する発電電流を変動させるのに伴って合計の商用ガスの流量を該所定幅以上変動させるので、メータに備えられたガスの流れを遮断する機能が作動することを回避することができ、燃料電池を連続して運転することができる。なお、メータを通過した商用ガスの流量に応じた所定時間が経過するまでの間に改質装置に導入された商用ガスの流量と第１の補助加熱器及び第２の補助加熱器の少なくとも一方に導入された商用ガスの流量との合計の商用ガスの流量の変動が所定幅内であったときに、補助加熱器に商用ガスを導入して合計の商用ガス流量を該所定幅以上変動させてもよい。

本発明によれば、燃料電池で発電する発電電流を変動させるのに伴って商用ガスの流量を所定幅以上変動させるので、メータに備えられたガスの流れを遮断する機能が作動することを回避することができ、連続して運転することが可能な燃料電池システムとなる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一又は相当する装置には同一符号を付し、重複した説明は省略する。なお、図中、破線は制御信号を表す。

図１を参照して本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１を説明するブロック図である。燃料電池システム１は、燃料電池ユニット３と貯湯ユニット４と消費電力計３９と制御装置９と電力を蓄えるバッテリー６１とを備えている。

燃料電池ユニット３は、商用ガスＧを導入して改質し水素に富む燃料ガスｈを生成する改質装置３１と、燃料ガスｈと酸素を含有する酸化剤ガスａとを導入して電気化学的反応により発電し、水及び熱を発生する燃料電池３２とを備えている。

改質装置３１は、改質に必要な改質熱を得るための燃焼部３１ａを有する。また、改質装置３１は、商用ガスＧを導入するノズルと、改質剤ｓを導入するノズルと、改質反応により生成される燃料ガスｈを導出するノズルとを有する。さらに、燃焼部３１ａに、燃料電池３２から排出されるアノードオフガスｐを導入するノズルを有する。改質装置３１で生成された燃料ガスｈを導出するノズルは、燃料電池３２の燃料極３２ａと接続されている。商用ガスＧを導入するノズルには配管５３が接続されており、配管５３にはガス流量計３７と流量調整弁３８とが配置されている。配管５３は燃料電池ユニット３外の配管５２に接続されており、配管５２にはメータ２が配置されている。

ガス流量計３７と制御装置９との間には信号ケーブルが敷設されている。ガス流量計３７は、燃料電池ユニット３の改質装置３１に導入されるガスＧの流量を計測し、計測したガスＧの流量を信号として制御装置９に送信することができるように構成されている。

流量調整弁３８は電動二方弁で、改質装置３１に導入するガスＧの流量を調整し、ガスＧの流れを遮断できるように構成されている。流量調整弁３８と制御装置９との間には信号ケーブルが敷設されている。流量調整弁３８は制御装置９からの信号を受信して弁の開閉動作をすることにより、改質装置３１へのガスＧの導入を制御して燃料電池３２の運転及び停止を制御することができるように構成されている。

メータ２は、一定時間以上所定の流量のガスが流れたときにガスＧの流れを遮断する機能（安全装置）を持っており、マイコンメータと呼ばれることもある。メータ２は、例えば、ゴム管が外れたときのようにガスが不自然に大量に流れた場合や、風呂のつけ放しのように必要以上にガスの使用時間が長い場合、ゴム管にヒビがありガスが漏れて微小量のガスが流れ続けた場合のように、所定の流量のガスが一定時間以上流れ続けたときに自動的にガスＧの流れを遮断するように構成されている。メータ２にガスＧが流れ始めてから流れを遮断するまでに要する時間は、メータ２を流れるガスＧの流量によって異なる。例えば図２に示すように、メータ２を流れるガスＧの流量が比較的多い場合はガスＧの流れを遮断するまでに要する時間が比較的短かく、メータ２を流れるガスＧの流量が比較的少ない場合はガスＧの流れを遮断するまでに要する時間が比較的長い。この、ガスＧの流量とガスＧの流れを遮断するまでに要する時間との関係が「メータを通過した商用ガスの流量に応じた所定時間」に相当する。また、所定時間の計測は、ガスの流量の変動が所定量以上あった場合に中断され、改めて計測される。所定時間の計測を中断するのに必要なガス流量の変動幅は使用するメータによって異なり、典型的には、ある一定時間毎のガスＧの流量を積算して、ガスＧの積算量が直前の積算量に比べて一定量以上変動していれば所定時間の計測を中断するように構成されている。この所定時間の計測を中断するのに必要なガスの流量の変動幅が「所定幅」に相当する。メータ２と制御装置９との間には信号ケーブルが敷設され、メータ２を通過するガスＧの流量を信号として制御装置９に送信することができるよう構成されている。なお、メータ２を通過したガスＧは、改質装置３１、補助加熱器４２Ａ、４２Ｂ、及びシステム外のガスコンロ等のガス器具９９などに供給される。

燃料電池３２は、固体高分子形燃料電池であり、燃料極３２ａと空気極３２ｂと冷却水流路３２ｃとを有する。燃料極３２ａには、改質装置３１で生成され導入される燃料ガスｈを導入するノズルと、アノードオフガスｐを排出するノズルが配置されている。空気極３２ｂには、ブロワ８８から送出される酸化剤ガスａを導入するノズルと、カソードオフガスｑを排出するノズルが配置されている。冷却水流路３２ｃには、循環ポンプ３５により圧送される冷却流体としての冷却水ｃを導入するノズルと、冷却水ｃを導出するノズルが配置されている。

空気極３２ｂに酸化剤ガスａを送るブロワ８８と制御装置９との間には信号ケーブルが敷設されている。ブロワ８８は制御装置９からの信号を受信して回転翼の回転数を調整し、燃料極３２ａに送られる燃料ガスｈの流量に応じた流量の酸化剤ガスａを空気極３２ｂに送るように構成されている。

改質装置３１及び燃料電池３２を備える燃料電池ユニット３は、さらに燃料電池３２で発電された直流電流を交流電流に変換するインバータ３３、燃料電池３２で発生した熱を貯湯ユニット４に蓄えるために熱交換する熱交換器３４、冷却水流路３２ｃ及び熱交換器３４に冷却水ｃを循環させる循環ポンプ３５、熱交換器３４及び貯湯ユニット４に排熱温水ｔを循環させる循環ポンプ３６を備えている。

貯湯ユニット４は、燃料電池３２からの排熱を温水として蓄える貯湯槽４１と、貯湯槽４１から導出されて主として給湯に使用される消費温水ｕを加熱することができる補助加熱器４２Ａと、主として暖房や浴槽の追い炊き用に循環される循環温水ｗを加熱することができる補助加熱器４２Ｂと、消費温水ｕの流量を計測する消費温水流量計４９Ａと、循環温水ｗの流量を計測する循環温水流量計４９Ｂとを備えている。

貯湯槽４１は、上部には温度が上昇した排熱温水ｔを導入するノズルと給湯器具等の給湯負荷に向けて消費温水ｕを導出するノズルとが、下部には温度が下がった排熱温水ｔを熱交換器３４に向けて導出するノズルが配置されている。また、貯湯槽４１内の上部には電気で発熱する発熱体６２が配置されている。

補助加熱器４２Ａは、貯湯槽４１から導出される温度が高い消費温水ｕが流れる配管５４に配置されている。補助加熱器４２Ａは、流量調整弁４８Ａを介して商用ガスＧを導入し、導入したガスを燃焼させて配管５４内を流れる消費温水ｕを加熱できるように構成されている。流量調整弁４８Ａは電動二方弁で、補助加熱器４２Ａに導入するガスＧの流量を調整し、ガスＧの流れを遮断できるように構成されている。流量調整弁４８Ａと制御装置９との間には信号ケーブルが敷設されている。流量調整弁４８Ａは制御装置９からの信号を受信して弁の開閉動作をすることにより、補助加熱器４２ＡへのガスＧの導入を制御して配管５４内を流れる消費温水ｕの温度を制御することができるように構成されている。

補助加熱器４２Ｂは、循環温水ｗが流れる配管５５に配置されている。補助加熱器４２Ｂは、流量調整弁４８Ｂを介して商用ガスＧを導入し、導入したガスを燃焼させて配管５５内を流れる循環温水ｗを加熱できるように構成されている。流量調整弁４８Ｂは電動二方弁で、補助加熱器４２Ｂに導入するガスＧの流量を調整し、ガスＧの流れを遮断できるように構成されている。流量調整弁４８Ｂと制御装置９との間には信号ケーブルが敷設されている。流量調整弁４８Ｂは制御装置９からの信号を受信して弁の開閉動作をすることにより、補助加熱器４２ＢへのガスＧの導入を制御して配管５５内を流れる循環温水ｗの温度を制御することができるように構成されている。

補助加熱器４２Ａの上流側の配管５４には温度検知器４３が、下流側の配管５４には温度検知器４４がそれぞれ配置されている。補助加熱器４２Ｂの上流側の配管５５には温度検知器４５が、下流側の配管５５には温度検知器４６がそれぞれ配置されている。各温度検知器４３、４４、４５、４６と制御装置９との間には信号ケーブルがそれぞれ敷設されている。温度検知器４３、４４は配管５４内を流れる消費温水ｕの温度をそれぞれ検知し、検知した消費温水ｕの温度を信号として制御装置９にそれぞれ送信することができるように構成されている。温度検知器４５、４６は配管５５内を流れる循環温水ｗの温度をそれぞれ検知し、検知した循環温水ｗの温度を信号として制御装置９にそれぞれ送信することができるように構成されている。

温度検知器４４の下流側の配管５４及び温度検知器４６の下流側の配管５５には消費温水流量計４９Ａ、循環温水流量計４９Ｂがそれぞれ配置されている。消費温水流量計４９Ａは、貯湯槽４１から導出される消費温水ｕの量、すなわち温水負荷の量を計測できるように構成されている。循環温水流量計４９Ｂは、暖房器具や風呂の追い炊き配管を流れる循環温水ｗの量、すなわち暖房負荷や追い炊き負荷の量を計測できるように構成されている。消費温水流量計４９Ａ、循環温水流量計４９Ｂと制御装置９との間には信号ケーブルがそれぞれ敷設されており、消費温水流量計４９Ａ、循環温水流量計４９Ｂで計測される温水の流量の計測結果を随時信号としてそれぞれ制御装置９に送信することができるように構成されている。

消費電力計３９は、燃料電池３２で発電されインバータ３３で交流に変換された電気と商用電源から供給を受ける電気Ｅとを導入し、機器の動力や電灯などの電力負荷に電気を供給するように構成されている。消費電力計３９は、電力負荷がどれくらいあったか、燃料電池ユニット３の発電量はどれくらいあったか、商用電源の供給をどれくらい受けたかについて計測することができるように構成されている。また、燃料電池ユニット３で発電された電力が電力負荷よりも多い場合に余剰電力を商用電源に逆潮流させる場合があるが、消費電力計３９は、逆潮流する電力量を計測することができるように構成されている。消費電力計３９と制御装置９との間には信号ケーブルが敷設されており、消費電力計３９で計測される発電電流の量や電力負荷量の計測結果を随時信号として制御装置９に送信することができるように構成されている。

制御装置９は、メータ２からのガスＧ流量の信号を受信して又はガス流量計３７からのガスＧ流量の信号を受信して、燃料電池ユニット３に導入されるガスＧの流量とその流量に対応したメータを通過するガスＧの流れが遮断されるまでの時間を把握することができるように構成されている。また、制御装置９は、消費温水流量計４９Ａ及び温度検知器４３、４４並びに循環温水流量計４９Ｂ及び温度検知器４５、４６からの温水の流量及び温度の信号をそれぞれ受信して、補助加熱器４２Ａ、４２Ｂを通過する温水の流量と温度差を把握することにより、貯湯ユニット４に導入されたガスＧの流量を把握することができるように構成されている。つまり、補助加熱器４２Ａ、４２Ｂで使用されるガスＧの量は、理論上、（「温水流量」×「補助加熱器前後の温度差」）／「補助加熱器に導入するガスＧに固有の単位流量あたりの発熱量」から導かれる。また、制御装置９は、メータ２、ガス流量計３７、消費温水流量計４９Ａ及び循環温水流量計４９Ｂ、温度検知器４３、４４、４５、４６から受信したそれぞれの信号に基づいて、メータ２の安全装置が作動してガスＧの流れが遮断されてしまうことが無いように、必要に応じて流量調整弁３８、４８Ａ、４８Ｂに開度調節信号を送信し、必要に応じてブロワ８８に回転数調整信号を送信して燃料電池ユニット３の発電電流や貯湯ユニット４から導出される消費温水ｕ、循環温水ｗの温度を制御できるように構成されている。

バッテリー６１は、燃料電池ユニット３で発電された電力が電力負荷よりも多い場合に余剰電力を蓄えることができるように構成されている。また、バッテリー６１は、燃料電池ユニット３で発電された電力が電力負荷よりも少ない場合又は電力負荷がバッテリー６１の充電量で足りる場合には、放電して電力負荷の一部又は全部に充当することができるように構成されている。

なお、メータ２を通過した商用ガスＧは、燃料電池システム１を構成する燃料電池ユニット３及び貯湯ユニット４以外である、燃料電池システム１外のコンロ等のガス器具９９にも供給されている。

続いて図１を参照して燃料電池システム１の作用について説明する。
改質装置３１では、改質用水である改質剤ｓとメータ２を通過した商用ガスＧとが導入されて改質剤ｓと商用ガスＧとの水蒸気改質反応により水素に富む燃料ガスｈが生成される。水蒸気改質反応は吸熱反応であり、反応に必要な熱は燃焼部３１ａで燃焼用ガスが燃焼されることにより得られる。生成された燃料ガスｈは燃料電池３２の燃料極３２ａに送られる。

燃料電池３２では、燃料極３２ａに導入された燃料ガスｈとブロワ８８により空気極３２ｂに導入された酸化剤ガスａとの電気化学的反応により発電し、水と熱を発生する。反応に使われなかった燃料ガスｈ及び酸化剤ガスａは、それぞれアノードオフガスｐ、カソードオフガスｑとして燃料電池３２から排出される。アノードオフガスｐは改質装置３１の燃焼部３１ａに導かれ、水蒸気改質反応に必要な熱を得るために燃焼用ガスとして燃焼される。燃料電池３２で発電した電流は直流電流であり、インバータ３３にて交流電流に変換されて消費電力計３９に送電される。水は空気極３２ｂで発生し、発生した水が水蒸気の場合はカソードオフガスｑと混合して排出され、水滴の場合は酸化剤ガスａの風圧によりカソードオフガスｑと共に排出される。発生した熱は冷却水流路３２ｃを流れる冷却水ｃにより冷却される。冷却水流路３２ｃで受熱した冷却水ｃは循環ポンプ３５により熱交換器３４に圧送され、排熱温水ｔと熱交換される。

排熱温水ｔは、貯湯ユニット４の貯湯槽４１下部の温度が低い部分から採水されて循環ポンプ３６により熱交換器３４に圧送される。熱交換器３４で冷却水ｃから受熱して温度が上昇した排熱温水ｔは、貯湯槽４１上部に戻される。温度が上昇して貯湯槽４１に戻った温水は、貯湯槽４１の上部から消費温水ｕとして混合水栓などの給湯負荷に向けて導出される。貯湯槽４１から導出される消費温水ｕの温度が給湯負荷が必要とする温度以上であれば補助加熱器４２Ａは起動しないが、貯湯槽４１から導出される消費温水ｕの温度が給湯負荷が必要とする温度以下であれば流量調整弁４８Ａで流量調整されたガスＧが補助加熱器４２Ａに供給されて補助加熱器４２Ａが起動し、消費温水ｕを所定の温度になるように加熱する。補助加熱器４２Ａの発停の判断は温度検知器４３で検知される温度に基づいて行なわれ、流量調整弁４８Ａの開度調整は温度検知器４４で検知される温度に基づいて行なわれる。給湯負荷に向けて導出される消費温水ｕの流量は消費温水流量計４９Ａで計測され、計測された流量は信号として随時制御装置９に送信される。

一方、不図示の暖房器具や風呂の追い炊きなどが運転されると循環温水ｗが循環を開始し、暖房器具や風呂の追い炊きなどの運転が停止されると循環温水ｗの循環が停止する。循環温水ｗが循環している間は、流量調整弁４８Ｂで流量調整されたガスＧが補助加熱器４２Ｂに供給されて補助加熱器４２Ｂが起動し、循環温水ｗを所定の温度になるように加熱する。流量調整弁４８Ｂの開度調整は、温度検知器４６で検知される温度に基づいて行なわれる。流れる循環温水ｗの流量は消費温水流量計４９Ｂで計測され、計測された流量は信号として随時制御装置９に送信される。

燃料電池ユニット３から消費電力計３９に送電された電流は、不図示の電灯や電気機器などの電力負荷に向けて送電される。燃料電池ユニット３で発電された電力量では要求される電力負荷に対して不足する場合は、不足分の電力を商用電源から供給を受け、燃料電池ユニット３で発電された電力と商用電源から供給を受けた電力Ｅとが合流して電力負荷に送電される。電力負荷に送電される電力は、消費電力計３９で計測され、計測された電力量は信号として随時制御装置９に送信される。

上述のように商用ガスＧから供給を受けメータ２を通過したガスＧは、燃料電池ユニット３、貯湯ユニット４、燃料電池システム１外のガス器具９９などに分配される。電力負荷が安定していれば、燃料電池ユニット３は一定量のガスを導入して一定量の電流を発電するように運転を続ける。このとき、他のガスを使用する機器の運転も安定している場合はメータ２を通過するガス流量の変動が少なく、ガス流量の変動が所定幅内のままガス流量に対応する所定時間が経過するとメータ２の安全装置が作動してガスＧの供給が遮断され、ひいては燃料電池ユニット３で発電することができなくなる。また、燃料電池ユニット３は、一度停止すると再起動から定常運転に至るまでに相当の時間を要する。燃料電池ユニット３で発電されないときは商用電源から電力の供給を受けて電力負荷を賄うことになるが、このような場合は燃料電池ユニット３の立ち上がりに必要な時間と相俟って、燃料電池システム１のエネルギ損失が大きくなる。

このような不都合を回避するため、燃料電池システム１は、ガスＧの流量の変動が所定幅内であったときに、メータ２の安全装置が作動する前に強制的に燃料電池の発電電流を変化させることでメータ２を通過するガスＧの流量を変動させて、マイコンメータの保護機能を無効にすることなくメータ２でガスＧの流れが遮断されることを防ぎ、燃料電池ユニット３の連続運転を可能にしている。以下、図３を参照して燃料電池ユニット３が連続して運転する動作を説明する。なお、以下の説明で使用する構成の符号については、適宜図１を参照するものとする。

図３は、燃料電池ユニットを連続して運転する動作を説明するフローチャートである。
制御装置９は、メータ２からガスＧ流量の信号を受信してメータ２を流れるガスＧの流量情報を取得する（Ｓ３０１）。また、燃料電池システム１外で使用されるガスＧ流量が少ないとき又は使用時間が短かいときは、ガス流量計３７及び消費温水流量計４９Ａ、循環温水流量計４９Ｂ、温度検知器４３、４４、４５、４６から取得した情報に基づきメータ２を流れるガス流量を推定してもよい。

メータ２を流れるガスＧの流量情報を取得したら、ガス流量に応じた所定時間（図２参照）を割り出す（Ｓ３０２）。所定時間を割り出したら、ガスＧ流量の変動が所定幅内にあるか否かの判断をする（Ｓ３０３）。所定幅内でなければ所定時間の計測を中断して再びメータ２を通過するガスＧの流量情報を取得するステップ（Ｓ３０１）に戻り、所定幅内であれば次のステップに進む。

ガス流量の変動が所定幅内であるときは、ガス流量に応じた所定時間が経過するまで５分以上残っているか否かを判断する（Ｓ３０４）。５分以上残っていればガスＧ流量の変動が所定幅内にあるか否かの判断をするステップ（Ｓ３０３）に戻り、所定時間経過まで残り５分になると次のステップに進む。

ガスＧ流量の変動が所定幅内で且つ所定時間経過まで残り５分になると、燃料電池ユニット３の発電電流を変動させるために燃料電池ユニット３に導入するガスＧの流量を変動させる（Ｓ３０５）。燃料電池ユニット３で発電した電力は電力負荷に供給されるが、燃料電池ユニット３での発電電力が要求される電力負荷を上回るときは、バッテリー６１に蓄えられ、発熱体６２で熱に変換されて貯湯槽４１内の温水に蓄熱され、電力計３９を経由して商用電源に逆潮流される。このように余剰電力は捨てられることなく有効に利用される。

燃料電池ユニット３の発電電流を変動させた後、メータ２を通過するガスＧの流量がメータ２の安全装置が作動するのを回避できるまで変動しているか、すなわち所定幅以上ガスＧ流量が変動したか否かを判断する（Ｓ３０６）。所定幅以上ガスＧ流量が変動していなければ燃料電池ユニット３の発電電流を変動させるステップ（Ｓ３０５）に戻り、所定幅以上ガスＧ流量が変動していれば次のステップに進む。

所定幅以上ガスＧ流量が変動したら燃料電池ユニット３を定常の運転状態に戻す（Ｓ３０７）。燃料電池ユニット３が定常運転に戻るとメータ２を通過するガスＧの流量情報を取得するステップ（Ｓ３０１）に戻り、以下燃料電池ユニット３の運転が停止されるまで一連の動作を繰り返す。

上述の燃料電池ユニット３を連続して運転する動作の説明ではメータ２を流れるガスＧの流量情報をメータ２からの信号を受信することにより取得した（Ｓ３０１）が、メータ２からガスＧの流量情報を取得できない場合は、燃料電池ユニット３内のガス流量計３７から信号を受信して燃料電池ユニット３に導入されるガスＧの流量情報を取得するように本発明の実施の形態を変形することができる。現代における絶え間ない電力需要の環境下では燃料電池ユニット３は連続して運転する可能性が高く、燃料電池ユニット３の安定した連続運転はメータ２の安全装置が作動する原因となることが考えられる。このとき、メータ２からガスＧの流量情報を取得できなくてもガス流量計３７から取得した燃料電池ユニット３に導入されるガスＧの流量情報に基づき燃料電池ユニット３の改質装置３１に導入されるガスＧの流量を所定時間内に所定幅以上変動させると、一般的にこれに伴いメータ２を流れるガスＧの流量も所定幅以上変動していると考えられるから、メータ２の安全装置が作動するのを回避することができる。

また、上記と同様に、メータ２からガスＧの流量情報を取得できない場合に、燃料電池ユニット３に導入されるガスＧの流量と貯湯ユニット４に導入されるガスＧの流量とを合計したガスＧの流量の情報を取得するようにしてもよい。燃料電池ユニット３に導入されるガスＧの流量情報はガス流量計３７から取得することができ、貯湯ユニット４に導入されるガスＧの流量情報は消費温水流量計４９Ａ、循環温水流量計４９Ｂから取得できる温水の流量情報と温度検知器４３、４４、４５、４６から取得できる補助加熱器４２Ａ、４２Ｂ前後の温度差の情報とに基づいて取得することができる。このように、燃料電池ユニット３に導入されるガスＧの流量と貯湯ユニット４に導入されるガスＧの流量とを合計したガスＧの流量の情報を取得して所定時間内における合計のガスＧ流量の変動を監視する場合は、燃料電池ユニット３が安定した連続運転を行なっていても、所定時間内に所定幅以上の流量のガスＧが補助加熱器４２Ａ、４２Ｂに導入されればメータ２の安全装置が作動するのを回避することができるので、燃料電池ユニット３の発電電流を必要以上に変動させずに済む。

また、上記の燃料電池ユニット３に導入されるガスＧの流量と貯湯ユニット４に導入されるガスＧの流量とを合計したガスＧの流量を所定時間内に所定幅以上変動させる場合において、消費温水流量計４９Ａ、循環温水流量計４９Ｂからの温水の流量情報と温度検知器４３、４４、４５、４６からの補助加熱器４２Ａ、４２Ｂ前後の温度差の情報とが取得できずに貯湯ユニット４に導入されるガスＧの流量の情報が取得できない場合でも、補助加熱器４２Ａ、４２Ｂが起動したときの最低ガス消費量が所定幅以上であることがあらかじめ分かっている場合は、所定時間内に補助加熱器４２Ａ、４２Ｂが起動・停止の動作を行なったという信号を取得するのみで所定幅以上のガスの流量の変化があったと推測され、メータ２の安全装置が作動するのを回避すると判断できるため、この場合も燃料電池ユニット３の発電電流を必要以上に変動させずに済む。

以上の説明では、改質方式は水蒸気改質方式として説明したが、部分酸化改質方式やオートサーマル改質方式であってもよい。部分酸化改質方式やオートサーマル改質方式を採用した場合は燃焼部３１ａが不要になり、燃料電池ユニット３をコンパクトにすることができる。

以上の説明では、メータ２を通過するガスＧの流量の信号をメータ２から制御装置９へ送信することとしたが、メータ２から流量信号を出力することができない場合はメータ２の下流側の配管５２に流量計を設置して、メータ２を通過するガスＧの流量信号を流量計から制御装置９に送信するように構成してもよい。

以上の説明では、発熱体６２は貯湯槽４１の内部に設置されているが、その他の熱を必要とする部分、例えば消費温水ｕが流れる配管５４や循環温水ｗが流れる配管５５に設置してもよい。

以上のように、本実施の形態に係る燃料電池システム１は、メータ２の保護機能を無効にすることなく、ガスＧの流れの遮断を抑制し、連続して運転することができる。

本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１を説明するブロック図である。 メータを流れるガスの流量とガスの流れが遮断するまでに要する時間との関係の表を示す図である。 燃料電池ユニットを連続して運転する動作を説明するフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ メータ
３ 燃料電池ユニット
４ 貯湯ユニット
９ 制御装置
３１ 改質装置
３２ 燃料電池
３９ 消費電力計
４２Ａ、４２Ｂ 補助加熱器
４９Ａ 消費温水流量計
４９Ｂ 循環温水流量計
６１ バッテリー
６２ 発熱体
Ｇ 商用ガス
ｈ 燃料ガス
ｔ 排熱温水
ｕ 消費温水
ｗ 循環温水

Claims (4)

1. 一定時間以上所定の流量のガスが流れたときに該ガスの流れを遮断する機能を持つメータを通過した商用ガスを導入し該商用ガスを改質して水素に富む燃料ガスを生成する改質装置と、該燃料ガスを導入して電気化学的反応により発電して熱を発生する燃料電池とを有する燃料電池ユニットと；
   前記メータを通過した商用ガスの流量に応じた所定時間が経過するまでの間に前記メータを通過した商用ガスの流量の変動が所定幅内であったときに、前記燃料電池で発電する発電電流を変動させるのに伴って前記メータを通過する商用ガスの流量を該所定幅以上変動させる制御装置とを備える；
   燃料電池システム。
2. 前記発電電流の変動は発電電流の増加であって；
   前記増加した発電電流によって余剰となる電力を、蓄えるバッテリー、熱に変換する発熱体及び商用電源に逆潮流させるのに伴い計量する電力計の少なくとも一つを備える；
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムにおいて；
   前記制御装置に代えて、前記メータを通過した商用ガスの流量に応じた所定時間が経過するまでの間に前記改質装置に導入された商用ガスの流量の変動が所定幅内であったときに、前記燃料電池で発電する発電電流を変動させるのに伴って該改質装置に導入される商用ガスの流量を該所定幅以上変動させる制御装置とを備える；
   燃料電池システム。
4. 前記燃料電池で発生した熱を温水を媒体として蓄えると共に、商用ガスを導入し燃焼して該温水を加熱する第１の補助加熱器及び商用ガスを導入し燃焼して外部から導入し循環する温水を加熱する第２の補助加熱器の少なくとも一方を有する貯湯ユニットと；
   前記制御装置に代えて、前記メータを通過した商用ガスの流量に応じた所定時間が経過するまでの間に前記改質装置に導入された商用ガスの流量と前記第１の補助加熱器及び第２の補助加熱器の少なくとも一方に導入された商用ガスの流量との合計の商用ガスの流量の変動が所定幅内であったときに、前記燃料電池で発電する発電電流を変動させるのに伴って該合計の商用ガスの流量を該所定幅以上変動させる制御装置とを備える；
   請求項３に記載の燃料電池システム。
   

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