JP2006294399A - 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行う燃料電池発電システムにおいて、発電中に制御手段が学習演算手段からの運転停止指令を受け取ることが出来ない場合においても安全に発電を停止す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、燃料電池を逐次制御する制御装置１８からなる燃料電池発電システムであり、制御装置１８は、燃料電池を運転するか否かを指令する学習演算手段１５と、前記燃料電池の発電時間を計測する発電時間計測手段１７とを備え、制御装置は、発電時間計測手段により今回の発電時間が所定の値を超える場合、学習演算手段の運転指令によらず一意的に発電運転を停止するようにした。
【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り、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。

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（マイコン）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して燃料生成器１により燃料ガスの生成が十分に可能な状態になると、Ｓ４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、Ｓ５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、Ｓ６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。
特開２００４−５３１２０号公報

しかしながら、前記従来の構成では、燃料電池発電システムの発電時において、学習演算手段１５から制御手段１４への運転停止の指令は、指令内容に変化がなくとも同じ内容の指令を随時送られるものではなく、発電中に一度だけ運転停止指令の指令を送信するため、ノイズなどの要因により制御手段１４が学習演算手段１５からの指令を受け取ることが出来ない場合、発電を停止できない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、発電中に制御手段が学習演算手段からの運転停止指令を受け取ることが出来ない場合においても安全に発電を停止する燃料電池発電システムを提供す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、制御装置が発電時間を計測しておき、今回の運転における発電時間が所定の値（最大運転時間）を超えた場合、過去に学習演算手段からの停止指令があったものの指令受け取りに失敗していたと判断し、一意的に発電運転を停止するようにしたものである。

これにより、発電中に制御手段が学習演算手段からの運転停止指令を受け取ることが出来ない場合においても安全に発電を停止することができ、ひいては、限度を超えた連続発電運転による燃料生成器や燃料電池（発電素子）へのストレスが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、制御装置が発電時間を計測しておき、今回の運転における発電時間が所定の値（最大運転時間）を超えた場合、一意的に発電運転を停止するようにしたものである。

これによって、たとえば発電中に制御手段が学習演算手段からの運転停止指令を受け取ることが出来ない場合においても安全に発電を停止することができ、ひいては、限度を超えた連続発電運転による燃料生成器や燃料電池（発電素子）へのストレスが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、前記燃料電池の発電時間を計測する発電時間計測手段とを備え、前記制御装置は、前記発電時間計測手段により今回の発電時間が所定の値を超える場合、前記学習演算手段の運転指令によらず一意的に発電運転を停止するようにしたことにより、たとえば発電中に制御手段が学習演算手段からの運転停止指令を受け取ることが出来ない場合においても安全に発電を停止することができ、ひいては、限度を超えた連続発電運転による燃料生成器や燃料電池（発電素子）へのストレスが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、前記発電時間計測手段により今回の発電時間が所定の値を超える場合、前記学習演算手段の運転指令によらず一意的に発電運転を停止させ、かつ、前記学習演算手段へ発電を停止したこと通知するようにしたことにより、学習演算手段から制御装置への停止指令に対して実際に発電停止へ移行するまでに要した時間差などを学習演算手段は把握することが可能になり、ひいては、学習演算手段の扱うデータの信頼性が向上することから学習の精度が上がる。

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、運転の内容を設定する入力設定手段を備え、前記制御装置は、前記入力設定手段の設定により、前記発電時間計測手段により今回の発電時間が所定の値を超える場合においても発電を継続するようにしたことにより、途中で停止を伴わず連続して発電を行う目的の運転（たとえば連続耐久運転）を行う場合にも、発電を停止させてしまうことがなくなる。

第４の発明は、特に、第１〜３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５の発明は、特に、第１〜３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、制御装置が発電時間を計測しておき、今回の運転における発電時間が所定の値（最大運転時間）を超えた場合、過去に学習演算手段からの停止指令があったものの指令受け取りに失敗していたと判断し、一意的に発電運転を停止するようにしたものである。

これによって、発電中に制御手段が学習演算手段からの運転停止指令を受け取ることが出来ない場合においても安全に発電を停止することができ、ひいては、限度を超えた連続発電運転による燃料生成器や燃料電池（発電素子）へのストレスが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。なお、制御装置１８の内部ブロック図にて、１７は燃料電池の発電時間を計測する発電時間計測手段である。その他は制御装置１８、制御手段１９と表記している以外は実施の形態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。

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１８に商用電源の通電を行うと制御手段（マイコン）１９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１９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して燃料生成器１により燃料ガスの生成が十分に可能な状態になると、Ｓ４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。

Ｓ７にて発電時間計測手段１７を用いて今回の発電時間を計測開始し、Ｓ８にて発電時間がたとえば９６時間（４日間）を超える場合（Ｓ５の学習演算手段１５からの停止指令（指令値＝停止）を受け付けることなく）Ｓ６にて発電終了処理を行い、一連のシステム動作は終了する。

これにより、発電中に制御手段が学習演算手段からの運転停止指令を受け取ることが出来ない場合においても安全に発電を停止することができ、ひいては、限度を超えた連続発電運転による燃料生成器や燃料電池（発電素子）へのストレスが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、Ｓ８にて連続発電時間の限度時間を具体的に９６時間としたが、この時間は本発明を限定するものではない。

（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からの変更点は、Ｓ９を追加しただけである。つまり、Ｓ８にて発電時間が９６時間（４日間）を超える場合、学習演算手段１５に対して、学習演算手段１５からの停止指令（指令値＝停止）が要因でなく、制御手段１９の判断による運転停止を行った旨を通知した上で、Ｓ６にて発電終了処理を行い、一連のシステム動作は終了する。

これにより、学習演算手段から制御装置への停止指令に対して実際に発電停止へ移行するまでに要した時間差などを学習演算手段は把握することが可能になり、ひいては、学習演算手段の扱うデータの信頼性が向上することから学習の精度が上がる。

（実施の形態３）
図４は、本実施の形態３の燃料電池発電システムのシステムブロック図、図５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。なお、制御装置の内部ブロック図にて、２０は運転の内容を設定する入力設定手段である。その他は、制御装置２１、制御手段２２と表記している以外は実施の形態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１からの変更点は、Ｓ１０を追加しただけである。つまり、Ｓ８にて発電時間が９６時間（４日間）を超える場合、かつ、Ｓ１０にて入力設定手段２０の所定操作により予め運転内容が途中で停止を伴わず連続して発電を行う設定（たとえば連続耐久運転の設定）になっている場合には発電の停止をしないようにした。

これにより、途中で停止を伴わず連続して発電を行う目的の運転（連続耐久運転）を行う場合には、入力設定手段により予め連続運転の設定にしておけば、発電を停止させてしまうことがなくなる。

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、制御装置は、発電時間を計測しておき、今回の運転における発電時間が所定の値（最大運転時間）を超えた場合、一意的に発電運転を停止させることにより、たとえば発電中に制御手段が学習演算手段からの運転停止指令を受け取ることが出来ない場合においても安全に発電を停止することができ、ひいては、限度を超えた連続発電運転による燃料生成器や燃料電池（発電素子）へのストレスが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。

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が予想を大幅に超えて受けられない場合に運転を停止するなど運転動作時間に制限を設けることによって機能部位（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１９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１９の動作フローチャート 本発明の実施の形態３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３の制御手段２２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１４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
１７ 発電時間計測手段
１８、２１ 制御装置
１９、２２ 制御手段
２０ 入力設定手段

Claims (5)

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、前記燃料電池の発電時間を計測する発電時間計測手段とを備え、前記制御装置は、前記発電時間計測手段による発電時間が所定の値を超える場合、前記学習演算手段の運転指令によらず一意的に発電運転を停止するようにした燃料電池発電システム。
2. 制御装置は、前記発電時間計測手段による発電時間が所定の値を超える場合、前記学習演算手段の運転指令によらず一意的に発電運転を停止させ、かつ、前記学習演算手段へ発電を停止したこと通知す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、運転の内容を設定する入力設定手段を備え、前記制御装置は、前記入力設定手段の設定により、前記発電時間計測手段による発電時間が所定の値を超える場合においても発電を継続するようにした請求項１記載の燃料電池発電システム。
4. 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１〜３いずれか記載の燃料電池発電システム。
5. 請求項１〜３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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