JP2006294398A - 燃料電池発電システムおよびそのプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】学習演算手段の指令により発電運転および停止を行う燃料電池発電システムにおいて、発電起動中（発電起動処理を開始した時から実際に発電を開始するまでの間）に不用意なシステム停止を回避し燃料生成器への熱衝撃を軽減させる燃料電池発電システムを提供すること。
【解決手段】燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて電力と熱を発生させる燃料電池２と、燃料電池で発生する熱を湯水として貯える貯湯槽１０と、前記燃料電池を逐次制御する制御装置１７からなる燃料電池発電システムで、制御装置１７の制御手段１８は、発電起動中に学習演算手段１５からの運転停止指令を受け付けないようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力および熱を発生させる燃料電池発電システムおよびそのプログラムに関するものである。

燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電し、一方で、電力と同時に熱も発生するものである。燃料電池発電システムは、この発生した電力および熱を、家庭電化機器などの電力負荷や、シャワー給湯などの熱負荷からなる外部負荷に供給するものである（例えば特許文献１参照）。

さらに、近年では、外部負荷の使用状況をデータ蓄積し、過去にさかのぼって使用者の生活リズムを分析することにより、外部負荷の使用予測に応じて、燃料電池をきめ細かく発電運転（以下、運転）および停止させる構成も提案されており、以下、その構成について説明する。

図６は、従来この種の燃料電池発電システムのシステムブロック図である。燃料生成器１は、外部より供給された天然ガスなどの原料を水蒸気雰囲気下で加熱して水素リッチな燃料ガスを生成する。燃料電池２には、燃料生成器１により生成された燃料ガスおよびブロア３にて空気などの酸化剤ガスが供給される。燃料電池２で発生した直流電流は図示はしないがインバータで交流電流に変換された後、商用電源と系統連系して外部電力負荷４に供給される。

他方、燃料電池２で発生した熱は、以下のようにして給湯や暖房などの外部熱負荷５に供給される。冷却水循環ポンプ６は、燃料電池２で発生した熱を回収するために、冷却水循環路７を通して燃料電池２に冷却水を循環させ、熱交換器８にて放熱する。貯湯水循環ポンプ９は、あらかじめ（市水にて）満水状態にある貯湯槽１０底部より槽内の一番温度の低い水を抜き出し、貯湯水循環路１１を通して熱交換器８から熱を回収し、貯湯槽１０の上部へ帰還させる。これにより、貯湯槽１０内部の水は加熱される。

このようにして得られた湯水（上限が６０℃程度）は、給湯や暖房などの外部熱負荷５に利用されるが、使用者の温度設定によりバックアップ給湯器１２を用いて（例えば沸騰水など）より高温の湯水を熱負荷５へ供給可能である。

なお、制御装置１３は、マイコンなどからなる制御手段１４、後述する学習演算手段１５などから構成し、電力負荷検知手段１６により外部電力負荷４の消費電力を検知しつつ、燃料生成器１、燃料電池２、ブロア３、冷却水循環ポンプ６、貯湯水循環ポンプ９などを逐次制御するものである。

学習演算手段１５は、制御手段１４を介して、電力負荷検知手段１６より外部電力負荷４の消費電力を検知し、例えば、１時間毎の電力負荷消費電力を蓄積しておき、翌日などの電力需要予測を立てて計画的に燃料電池２の運転および停止を行うことにより、エネルギー効率の良いシステム運用を可能とするものである。

また、ここでは具体的な構成を挙げないが、学習演算手段１５は、制御手段１４を介して、貯湯槽１０の残湯量をも検知することが可能であり、上記の例で言えば、１時間毎の熱負荷消費状況を把握して蓄積することにより、若人が朝方に毎日シャワーを使う、あるいは、大所帯家族が夕方に集中して風呂に入るなど、おおよそ毎日変わりない生活のリズムを分析して算出する熱負荷需要予測に応じて燃料電池の運転を行い、つまり、お湯を使うタイミングにあわせて直前に必要な分だけお湯を作ることにより発熱ロスを抑えた効率の良いシステム運用を可能とするものである。

ここで、燃料生成器１による燃料ガスの生成について補足するが、燃料生成器１は（図示はしないが）内側底部に設けられたガスバーナー等の加熱手段を用いて段階的に加熱しながら水を用いて特定条件を満たす水蒸気雰囲気を形成した上で天然ガスなどの原料から水素リッチな燃料ガスを生成するものである。しかしながら、現在の技術では発電起動開始から燃料ガスを生成するまで（以下、発電起動中と言う）に要する時間は１時間以上かかる。つまり時間がかかる一方で、燃料生成器１は非常に精密な構造ゆえに急激なシステム停止による電源遮断や加熱停止は大きな熱衝撃（温度ストレス）となり、急激な劣化や部品破壊を引き起こす重大な原因となるので扱いには細心の注意が必要である。

次に、上記構成において動作を図６および図７のフローチャートを用いて説明する。

燃料電池発電システムを設置し、燃料生成器１へ原料（例えば都市ガスなど）と水を供給する配管工事を終え、図６の貯湯槽１０を（市水にて）満水にしてから、制御装置１３に商用電源の通電を行うと制御手段１４が起動してシステム動作を開始する。

図７のフローチャートに示すように、システム動作を開始すると、Ｓ１にて燃料電池２は発電停止状態であり、Ｓ２にて学習演算手段１５からの指令値が発電運転開始（指令値＝運転）の場合、Ｓ３にて発電起動処理を開始して制御手段１４は燃料生成器１を用いて原料と水から燃料ガスを生成可能な状態になるよう制御する。

この時、Ｓ４にて特に学習演算手段１５から停止指令（指令値＝停止）がない場合、Ｓ５にて燃料生成器１により燃料ガスの生成が十分に可能な状態だと判断すれば、Ｓ６にて発電処理（燃料ガスと空気を燃料電池２へ供給して発電を行う処理）へ移行する。

この後、発電動作の運転状態を維持し、Ｓ７にて学習演算手段１５からの停止指令（指令値＝停止）を受け付けると、Ｓ８にて発電終了処理（発電を停止するのと平行して燃料電池２が高温である場合には冷却を行う後始末の処理）を行った後、一連のシステム動作は終了する。

一方、Ｓ３の発電起動処理中に、Ｓ４にて学習演算手段１５から停止指令（指令値＝停止）が来た場合、発電処理を行うことなく、Ｓ８の発電終了処理へ移行する。
特開２００４−５３１２０号公報

しかしながら、前記従来の構成では、発電起動中に常に学習演算手段１５からの停止指令を受けつける構成（例えばＳ４）であるため、例えば、制御手段１４が燃料生成器１を段階的に７００℃程度まで加熱している過程で学習演算手段１５からの停止指令を受けつけた場合、燃料生成器１は発電終了処理にて急速に冷却されることから大きな熱衝撃（温度ストレス）をうけることになり、経年変化に比べて急激な劣化や部品破壊する恐れがあると言う課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、学習演算手段１５により発電運転（あるいは運転停止）の指令を行う燃料電池発電システムにおいて発電起動中（発電起動処理を開始した時から実際に発電を開始するまでの間）に不用意なシステム停止を回避することにより、燃料生成器１への熱衝撃を軽減させることを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池発電システムおよびそのプログラムは、制御装置が発電起動中（発電起動処理を開始した時から実際に発電を開始するまでの間）には、学習演算手段からの停止指令を受けつけないようにしたものである。

これによって、発電起動中に急に発電停止行程へ移行することもないため、つまり、段階的に７００℃程度まで加熱された燃料生成器を急激に冷却することもないことから、燃料生成器１への熱衝撃（温度ストレス）も軽減され急激な劣化や部品破壊を回避することが可能となる。

本発明の燃料電池発電システムおよびそのプログラムは、制御装置が発電起動中（発電起動処理を開始した時から実際に発電を開始するまでの間）には、学習演算手段からの停止指令を受けつけないようにしたものである。

これによって、発電起動中に急に発電停止行程へ移行することもないため、つまり、段階的に７００℃程度まで加熱された燃料生成器を急激に冷却することもないことから、燃料生成器への熱衝撃（温度ストレス）も軽減され急激な劣化や部品破壊を回避することが可能となる。

第１の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて電力と熱を発生させる燃料電池と、前記燃料電池で発生する熱を湯水として貯える貯湯槽と、前記燃料電池を逐次制御する制御装置からなる燃料電池発電システムであり、前記制御装置は、前記燃料電池を運転するか否かを指令する学習演算手段とを備え、前記制御装置は、発電起動中に前記学習演算手段からの運転停止指令を受け付けないようにした。

これにより、発電起動中に急に発電停止行程へ移行することもないため、つまり、段階的に７００℃程度まで加熱された燃料生成器を急激に冷却することもないことから、燃料生成器への熱衝撃（温度ストレス）も軽減され急激な劣化や部品破壊を回避することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の燃料電池発電システムにて、制御装置は、発電起動開始時より所定時間以内は、前記学習演算手段からの運転停止指令を受け付けるようにしたことにより、発電起動開始時より間もないタイミングでは、学習演算手段からの停止指令を受けつけて即座に発電終了処理へ移行しても、燃料生成器の温度が低いため燃料生成器への熱衝撃を回避でき、一方で、早期のシステム再起動が可能となる。

第３の発明は、特に、第１の発明の燃料電池発電システムにて、制御装置は、発電起動中に燃料電池発電システムの異常が発生した場合、前記学習演算手段からの運転停止指令を受け付けるようにしたことにより、発電起動中においてシステムの異常が発生して起動処理が継続できない場合に速やかにシステムを停止することができる。

第４の発明は、特に、第３の発明の燃料電池発電システムにて、制御装置は、発生した異常の重要度に応じて、前記学習演算手段からの運転停止指令を受け付けるか否かを選択するようにしたことにより、発電起動中において発生した異常によって起動処理が継続可能であれば処理を続行し、起動処理が継続できない場合に速やかにシステムを停止することができる。

第５の発明は、特に、第１〜４のいずれかの発明の燃料電池発電システムにて、燃料電池は、燃料ガスに水素を、かつ、酸化剤ガスに酸素を用いて電力と熱を発生させるようにしたことにより、効率の良い燃料電池の発電運転ができる。

第６の発明は、特に、第１〜４のいずれか１つの発明の燃料電池発電システムの手段の少なくとも一つをコンピュータに実現させるためのプログラムである。この構成によれば、燃料電池発電システムは、制御装置が発電起動中（発電起動処理を開始した時から実際に発電を開始するまでの間）には、学習演算手段からの停止指令を受けつけないようにしたものである。

これによって、発電起動中に急に発電停止行程へ移行することもないため、つまり、段階的に７００℃程度まで加熱された燃料生成器を急激に冷却することもないことから、燃料生成器への熱衝撃（温度ストレス）も軽減され急激な劣化や部品破壊を回避することが可能となる。

また、プログラムであるのでマイコンなどを用いて本発明の燃料電池発電システムの一部あるいは全てを容易に実現することができる。また記録媒体に記録したり通信回線を用いてプログラムを配信したりすることでプログラムの配布が簡単にできる。

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。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。なお、前記背景技術と同じ構成のものは同一符号を付して説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１の燃料電池発電システムのシステムブロック図、図２は、制御装置における制御手段の要部動作を示すフローチャートである。制御装置１７、制御手段１８と表記している以外は従来の構成（図６）と同じである。

以上のように構成された燃料電池発電システムについて、以下その動作、作用を説明する。

従来の構成と同様に、燃料電池発電システムを設置し、燃料生成器１へ原料（例えば都市ガスなど）と水を供給する配管工事を終え、図１の貯湯槽１０を（市水にて）満水にしてから、制御装置１７に商用電源の通電を行うと制御手段（マイコン）１８が起動してシステム動作を開始する。

図２のフローチャートに示すように、システム動作を開始すると、Ｓ１にて燃料電池２は発電停止状態であり、Ｓ２にて学習演算手段１５からの指令値が発電運転開始（指令値＝運転）の場合、Ｓ３にて発電起動処理を開始して制御手段１４は燃料生成器１を用いて原料と水から燃料ガスを生成可能な状態になるよう制御する。

この時、Ｓ９にて特に学習演算手段１５から停止指令（指令値＝停止）がない場合、Ｓ５にて燃料生成器１により燃料ガスの生成が十分に可能な状態だと判断すれば、Ｓ６にて発電処理（燃料ガスと空気を燃料電池２へ供給して発電を行う処理）へ移行する。

この後、発電動作の運転状態を維持し、Ｓ７にて学習演算手段１５からの停止指令（指令値＝停止）を受け付けると、Ｓ８にて発電終了処理（発電を停止するのと平行して燃料電池２が高温である場合には冷却を行う後始末の処理）を行った後、一連のシステム動作は終了する。

一方、Ｓ３の発電起動処理中に、Ｓ９にて学習演算手段１５から停止指令（指令値＝停止）が来た場合には、この停止指令を制御手段１８は受け取るが処理をせず、つまり発電起動処理を続行する。

これにより、発電起動中に急に発電停止行程へ移行する事象が発生しないため、つまり、段階的に７００℃程度まで加熱された燃料生成器を急激に冷却することもないことから、燃料生成器への熱衝撃（温度ストレス）も軽減され急激な劣化や部品破壊を回避することができる。

なお、本実施の形態では、発電起動中に制御手段１８が学習演算手段１５から停止指令を受け取り処理をしない例を挙げたが、学習演算手段１５からの停止指令自体を受け取らない構成や、学習演算手段１５が停止指令を出力しない構成としても良い。

（実施の形態２）
図３は、本実施の形態２の制御装置における制御手段の要部動作を示すフローチャートである。なお、燃料電池発電システムのシステムブロック図は実施の形態１（図１）と同じ構成である。

以上のように構成された燃料電池発電システムについて、以下その動作、作用を説明する。

図３のフローチャートに示すように、本発明の実施の形態１（図２）からの変更点は、Ｓ９の代わりにＳ１０を置き換え、Ｓ１１を追加しただけである。

つまり、発電起動中にＳ１０にて学習演算手段１５から停止指令（指令値＝停止）が来た場合には、Ｓ１１にて発電起動の開始時から５分以内であれば（Ｓ８へ移行して）発電終了処理（発電を停止するのと平行して燃料電池２が高温である場合には冷却を行う後始末の処理）を行い、Ｓ１１にて発電起動の開始時から５分を超えている場合には発電起動処理を続行する。

これにより、発電起動開始時より間もないタイミングでは、学習演算手段からの停止指令を受けつけて即座に発電終了処理へ移行しても、燃料生成器の温度が低いため燃料生成器への熱衝撃を回避でき、一方で、早期のシステム再起動が可能となる。

なお、本実施の形態では、発電起動を開始して間もない判断時間を具体的に５分としたが、この時間は本発明を限定するものではない。

なお、上記の実施の形態２ではＳ１１において発電起動開始時からの時間で判断したが、燃料生成器の温度を検出して、所定の温度以下であれば停止指令を受けつけて発電終了処理へ移行するようにしてもよい。

（実施の形態３）
図４は、本実施の形態３の制御装置における制御手段の要部動作を示すフローチャートである。なお、燃料電池発電システムのシステムブロック図は実施の形態１（図１）と同じ構成である。

以上のように構成された燃料電池発電システムについて、以下その動作、作用を説明する。

図４のフローチャートに示すように、本発明の実施の形態１（図２）からの変更点は、Ｓ９の代わりにＳ１２を置き換え、Ｓ１３を追加しただけである。つまり、発電起動中にＳ１２にて学習演算手段１５から停止指令（指令値＝停止）が来た場合で、かつ、Ｓ１３にて燃料電池発電システムにて異常が発生している場合には（Ｓ８へ移行して）発電終了処理（発電を停止するのと平行して燃料電池２が高温である場合には冷却を行う後始末の処理）を行い、Ｓ１３にて燃料電池発電システムにて異常が発生していない場合には発電起動処理を続行する。

これにより、発電起動中においてシステムの異常が発生して起動処理が継続できない場合に速やかにシステムを停止することができる。

（実施の形態４）
図５は、本実施の形態４の制御装置における制御手段の要部動作を示すフローチャートである。なお、燃料電池発電システムのシステムブロック図は実施の形態１（図１）と同じ構成である。

以上のように構成された燃料電池発電システムについて、以下その動作、作用を説明する。

図５のフローチャートに示すように、本発明の実施の形態３（図４）からの変更点は、Ｓ１４を追加しただけである。つまり、発電起動中にＳ１２にて学習演算手段１５から停止指令（指令値＝停止）が来た場合で、かつ、Ｓ１３にて燃料電池発電システムにて異常が発生している場合で、かつ、Ｓ１４にて発電起動処理の継続が不可能である場合、致命的な重故障と判断して（Ｓ８へ移行して）発電終了処理（発電を停止するのと平行して燃料電池２が高温である場合には冷却を行う後始末の処理）を行い、Ｓ１４にて発電起動処理の継続が可能であると判断した場合、軽微な故障である軽故障と判断して発電起動処理を続行する。

これにより、発電起動中において発生した異常によって起動処理が継続可能であれば処理を続行し、起動処理が継続できない場合に速やかにシステムを停止することができる。

なお、本発明の燃料電池は、燃料ガスに水素を、かつ、酸化剤ガスに酸素を用いて電力と熱を発生させるので、効率の良い燃料電池の発電運転ができる。

なお、本実施の形態で説明した手段は、ＣＰＵ（またはマイコン）、ＲＡＭ、ＲＯＭ、記憶・記録装置、Ｉ／Ｏなどを備えた電気・情報機器、コンピュータ、サーバー等のハードリソースを協働させるプログラムの形態で実施してもよい。プログラムの形態であれば、磁気メディアや光メディアなどの記録媒体に記録したりインターネットなどの通信回線を用いて配信することで新しい機能の配布・更新やそのインストール作業が簡単にできる。

以上のように、本発明にかかる燃料電池発電システムおよびそのプログラムは、制御装置が発電起動中（発電起動処理を開始した時から実際に発電を開始するまでの間）には、学習演算手段からの停止指令を受けつけないようにすることにより、発電起動中に急に発電停止行程へ移行することもないため、つまり、段階的に７００℃程度まで加熱された燃料生成器を急激に冷却することもないことから、燃料生成器への熱衝撃（温度ストレス）も軽減され急激な劣化や部品破壊を回避することが可能となるので、同様にして、学習演算手段を用いた家電製品の制御に対して、学習演算手段の指令制限を設けることにより機能部位（各センサーや動作負荷）へのストレス軽減などの用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１の燃料電池発電システムのシステムブロック図 本発明の実施の形態１の制御手段の動作フローチャート 本発明の実施の形態２の制御手段の動作フローチャート 本発明の実施の形態３の制御手段の動作フローチャート 本発明の実施の形態４の制御手段の動作フローチャート 従来の燃料電池発電システムのシステムブロック図 従来の燃料電池発電システムの制御手段の動作フローチャート

符号の説明

１ 燃料生成器
２ 燃料電池
３ ブロア（送風機）
４ 外部電力負荷
５ 外部熱負荷
８ 熱交換器
１０ 貯湯槽
１２ バックアップ給湯器
１５ 学習演算手段
１３、１７ 制御装置
１４、１８ 制御手段

Claims (6)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて電力と熱を発生させる燃料電池と、前記燃料電池で発生する熱を湯水として貯える貯湯槽と、前記燃料電池を逐次制御する制御装置からなる燃料電池発電システムであり、前記制御装置は、前記燃料電池を運転するか否かを指令する学習演算手段とを備え、前記制御装置は、発電起動中に前記学習演算手段からの運転停止指令を受け付けないようにした燃料電池発電システム。
2. 制御装置は、発電起動開始時より所定時間以内は、前記学習演算手段からの運転停止指令を受け付けるようにした請求項１記載の燃料電池発電システム。
3. 制御装置は、発電起動中に燃料電池発電システムの異常が発生した場合、前記学習演算手段からの運転停止指令を受け付けるようにした請求項１記載の燃料電池発電システム。
4. 制御装置は、発生した異常の重要度に応じて、前記学習演算手段からの運転停止指令を受け付けるか否かを選択するようにした請求項３記載の燃料電池発電システム。
5. 燃料ガスに水素を、かつ、酸化剤ガスに酸素を用いて電力と熱を発生させるようにした請求項１〜４いずれか記載の燃料電池発電システム。
6. 請求項１〜４のいずれか記載の燃料電池発電システムにて少なくとも一つの手段をコンピュータに実行させるためのプログラム。

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