JP2007287602A - 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】発電と停止を繰り返す燃料電池発電システムの使用環境下において、排熱を回収して貯湯槽に貯めた湯水を用いて次回起動時に安定した燃料電池の加温を可能とする。
【解決手段】燃料電池２の発電に伴う排熱を湯水に熱交換する熱交換手段８と、熱交換手段８の湯水を貯える貯湯槽１０と、貯湯槽１０の湯水を熱交換手段８に循環させる貯湯水循環路１１と、貯湯槽１０の湯水熱量を検知する残存熱量検知手段１６と、貯湯槽１０の湯水を使用禁止状態にする出湯禁止手段１７と、燃料電池２を逐次制御する制御装置１９からなり、制御装置１９は、日付情報が読み出し可能なカレンダー手段１８を備え、残存熱量検知手段１６からの残存熱量と、カレンダー手段１８からの日付情報に基づき求めた熱量が、燃料電池起動時に燃料電池２を昇温するため必要な熱量を下回る場合、出湯禁止手段１７を動作する。
【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、発電時の廃熱により生成した湯水を一度は貯湯層に貯め、次回起動時に貯湯層から高温の湯水を抜き出して燃料電池を加温す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７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底部より貯湯槽内の一番温度の低い水を抜き出し、貯湯水循環路１１を通して熱交換手段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などから構成し、電力負荷検知手段１５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。

また、残存熱量検知手段１６は貯湯槽１０内部の温度や湯量から残存している熱量を検知するものであり、この残存熱量を制御手段１４は常に把握している。

次に、燃料電池の起動時に貯湯槽からの湯水を用いて燃料電池を加温する構成を説明する。

発電運転を終えた後、貯湯槽１０には上部から下部にかけて高温の湯水が十分に満たされており、上記したように上部から湯水を抜き出しバックアップ給湯器１２を経由して外
部熱負荷５で利用可能である。

一方で、次回起動のタイミングで冷え切った燃料電池２を加温する方法として、貯湯水循環ポンプ９を逆転方向に回転動作させることにより図７に示した貯湯水循環路１１の矢印方向とは逆の向きに湯水を循環させ貯湯槽１０上部に貯められた高温の湯水を熱交換手段８へ導き、冷却水循環ポンプ６を動作させて冷却水循環路７により熱交換手段８の熱量は燃料電池２に供給され加温が可能となる。

次に、上記構成において動作を図８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７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８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は待機状態から起動行程を開始し、Ｓ２にて冷え切った燃料電池２を４５℃程度（燃料ガスと酸化剤ガスを送り込むと発電可能な温度）まで加温する処理を開始する。

具体的には、貯湯水循環ポンプ９を逆転方向に回転動作させることにより貯湯槽１０の上部に溜まっている湯水を抜き出し、図７に示した貯湯水循環路１１の矢印方向とは逆の向きに湯水を循環させ貯湯槽１０上部に貯められた高温の湯水を熱交換手段８へ導き、一方で、冷却水循環ポンプ６を動作させて冷却水循環路７により熱交換手段８の熱量を徐々に燃料電池２へ伝えることにより加温する処理を行う。

ここで補足するが、燃料電池２の加温を終了するタイミングについて、燃料電池２に温度検知手段を取り付け所定の温度に到達するまで上記した加温処理を行うのも１つであるが、単純な方法として貯湯槽１０上部の均質化された６０℃の湯水を貯湯水循環路１１に所定容量だけ流して終了する方法があげられる。

具体的には、フローチャートのＳ３にて貯湯水循環路１１に流し込む貯湯槽１０上部の均質化された６０℃の湯水量（以下、加温容量と呼ぶ）を例えば６０リットルと決め、Ｓ４にて貯湯水循環路に流し込んだ循環容量が加温容量になるまで加温処理を継続した後、Ｓ５にて加温処理を終了し、Ｓ６にて燃料生成器１が燃料ガスを生成可能な状態になった時点で起動行程を終え、Ｓ７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）を開始する。

ここでは発電を停止する方法の詳細は避けるが、その後、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。なお、Ｓ８を終えてから再び運転を開始する場合にはＳ１に戻ると考えて良い。
特開２００４−５３１２０号公報

しかしながら、前記従来の構成では、加温容量を一定の値に決めていたため、冬期など季節によっては十分な加温ができなかったり、また、使用者が外部熱負荷５を用いて貯湯槽１０内部に貯めた湯水を使うことにより湯切れが発生して次回起動時に貯湯槽１０の湯水による燃料電池２の加温処理が出来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、定期的（例えば毎日）に発電と停止を繰り返す燃料電池発電システムの使用環境下において、排熱を回収して貯湯槽に貯めた湯水を用いて次回起動時に安定した燃料電池の加温が可能な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、本発明は、日付情報を読み出し可能なカレンダー手段を用いて、日付（季節）に応じた加温容量（燃料電池の加温するのに最低限必要な貯湯槽の湯水容量）を算出し、貯湯槽内部の残存熱量検知手段から算出した湯水容量が加温容量を下回る場合、出湯禁止手段を用いて、燃料電池の加温に必要な湯水を確保するようにしたものである。

上記の本発明の燃料電池発電システムによって、例えば朝７時など毎日おおよそ決まった時刻に発電を開始する使用環境下において、次回発電開始時（明日）の外気温を本日の外気温とおおよそ同じと見なすことにより、本日の日付情報に基づき求めた加温容量を貯湯槽に確保することで、次回起動時に安定した燃料電池の加温が可能となる。

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、前記燃料電池の発電に伴う排熱を湯水に熱交換する熱交換手段と、前記熱交換手段の湯水を貯える貯湯槽と、前記貯湯槽の湯水を前記熱交換手段に循環させる貯湯水循環路と、前記貯湯槽の湯水熱量を検知する残存熱量検知手段と、前記貯湯槽の湯水を使用禁止状態にする出湯禁止手段と、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、日付情報が読み出し可能なカレンダー手段を備え、前記制御装置は、前記残存熱量検知手段からの残存熱量と、前記カレンダー手段からの日付情報に基づき求めた熱量が、前記燃料電池起動時に燃料電池を昇温するため必要な熱量を下回る場合、前記出湯禁止手段を動作する。

これによって、例えば毎日朝７時など定期的に発電を開始する使用環境下において、次回発電開始時（明日）の外気温を本日の外気温とおおよそ同じと見なすことにより、本日の日付情報に基づき求めた加温容量を貯湯槽に確保することで、次回起動時に安定して燃料電池の加温ができる。

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、前回の運転終了から経過した時間を計測する計時手段を備え、前記制御装置は、前記計時手段からの経過時間に基づき求めた補正値を用いて、前記出湯禁止手段を動作するか否かの判断を行う。

これによって、前回運転終了時から間もないタイミングで再度運転を開始する場合、加温容量を抑えることが可能となり起動時間の短縮のみならず、使用者が貯湯水内の湯水をより多く外部熱負荷５として利用することが可能となる。

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、運転回数を記憶する運転回数記憶手段を備え、前記制御装置は、前記運転回数記憶手段からの運転回数に基づき求めた補正値を用いて、前記出湯禁止手段を動作するか否かの判断を行う。

これによって、燃料電池発電システムの長期にわたる使用により燃料電池の経年変化（劣化）に応じた加温容量の設定を行い次回起動時に安定して燃料電池の加温ができる。

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制御装置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、制御装置が日付情報を読み出し可能なカレンダー手段を用いて、日付（季節）に応じた加温容量を算出して貯湯槽内部の残存熱量が手段から算出した湯水容量が加温容量を下回る場合、出湯禁止手段を用いて、燃料電池の加温に必要な湯水を確保するようにしたものである。

これによって、毎日おおよそ決まった時刻（例えば朝７時など）に発電を開始する使用環境下において、次回発電開始時（明日）の外気温を本日の外気温とおおよそ同じと見なすことにより、本日の日付情報に基づき求めた加温容量を貯湯槽に確保することで、次回起動時に安定した燃料電池２の加温が可能となる。

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制御装置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、燃料電池発電システムのブロック図にて、１７は貯湯槽１０の湯水を使用禁止状態にする出湯禁止手段、１８は現在の日付情報を読み出し可能なカレンダー手段である。その他は制御装置１９、制御手段２０と表記している以外は従来と同じ構成である。

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１９に商用電源の通電を行うと制御手段（マイコン）２０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は待機状態から起動行程を開始し、Ｓ２にて冷え切った燃料電池２を４５℃程度（燃料ガスと酸化剤ガスを送り込むと発電可能な温度）まで加温する処理を開始する。

具体的には、貯湯水循環ポンプ９を逆転方向に回転動作させることにより貯湯槽１０の上部に溜まっている湯水を抜き出し、図１に示した貯湯水循環路１１の矢印方向とは逆の向きに湯水を循環させ貯湯槽１０上部に貯められた高温の湯水を熱交換手段８へ導き、一方で、冷却水循環ポンプ６を動作させて冷却水循環路７により熱交換手段８の熱量を徐々に燃料電池２へ伝えることにより加温する処理を行う。

ここで従来の構成では貯湯水循環路１１に流し込む貯湯槽１０上部の均質化された６０
℃の湯水量（加温容量）を例えば６０リットルと固定した値としていたのに対して、本実施の形態では、Ｓ９にてカレンダー手段１８より本日の日付を呼び出し、Ｓ１０にて日付や季節、カレンダーに応じた加温容量を算出し（実際には日付に応じて一対一対応にテーブル上に定義された値を今回の加温容量の値として呼び出し）、例えば夏場であれば加温容量を５５リットル、冬場であれば加温容量を６５リットルなどとして、Ｓ４にて貯湯水循環路に流し込んだ循環容量が加温容量になるまで加温処理を継続した後、Ｓ５にて加温処理を終了する。

Ｓ６にて燃料生成器１が燃料ガスを生成可能な状態になった時点で起動行程を終え、Ｓ７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）を行い、その後、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）を行う。

そして、システムの状態としては待機状態のまま、Ｓ１１にて残存熱量検知手段１６から残存熱量を呼び出し、Ｓ１２にて貯湯槽１０内部の残存熱量検知手段から算出した湯水容量が加温容量を下回る場合、Ｓ１３にて出湯禁止手段１７を動作させる。

なお、出湯禁止手段１７の動作について補足する。Ｓ８を終えてからＳ１１〜Ｓ１３を実行中に再び運転を開始する場合にはＳ１に戻ると考えて良いが、Ｓ１に戻る直前で（フローチャートに図示しないが）制御手段２０が制御対象とする燃料生成器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、出湯禁止手段１７などの各アクチュエータを初期化する処理を行っており出湯禁止手段１７は出湯可能な状態に戻される。

これにより、定期的に（例えば毎日朝７時など）に発電を開始する使用環境下において、次回発電開始時（明日）の外気温を本日の外気温とおおよそ同じと見なすことにより、本日の日付情報に基づき求めた加温容量を貯湯槽１０に確保することで、次回起動時に安定して燃料電池２の加温ができる。

なお、本実施の形態では、Ｓ１０にて加温容量の算出について詳細な数値を挙げて説明したが、この数値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の燃料電池発電システムのシステムブロック図、図４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、燃料電池発電システムのブロック図にて、２１は燃料電池の前回の運転終了から経過した時間を計測する計時手段である。その他は制御装置２２、制御手段２３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からの変更点は、Ｓ１４〜Ｓ１７の追加である。つまり、Ｓ１４にて今回の運転終了時から計時手段２１にてタイマー計測を開始し、Ｓ１１にて残存熱量検知手段１６から残存熱量を呼び出し、Ｓ１５にて計時手段２１のタイマー値に応じて（例えば前回発電終了時から２時間しか経過していない場合には加温容量から２０リットル減算するなど）加温容量に補正を行い、Ｓ１２にて貯湯槽１０内部の残存熱量検知手段から算出した湯水容量が加温容量を下回る場合、Ｓ１３にて出湯禁止手段１７を動作させる。

一方で、Ｓ８を終えてからＳ１１〜Ｓ１５を実行中に再び運転を開始する場合にはＳ１に戻るため、次回起動時には、Ｓ９にてカレンダー手段１８から呼び出した日付情報と、Ｓ１６にて計時手段から呼び出した前回発電終了時からのタイマー値（実際にはＳ１５にて使用した計時手段から呼び出した前回発電終了時からのタイマー値とあまり変わりない値）とから、Ｓ１７にて加温容量を算出する。

これにより、前回運転終了時から間もないタイミングで再度運転を開始する場合、加温容量を抑えることが可能となり起動時間の短縮のみならず、使用者が貯湯水１０内の湯水をより多く外部熱負荷５として利用することが可能となる。

（実施の形態３）
図５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６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、燃料電池発電システムのブロック図にて、２４は燃料電池の運転回数（あるいは運転時間でもよい）を記憶する運転回数記憶手段である。その他は制御装置２５、制御手段２６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６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、Ｓ１８〜Ｓ２０の追加である。

つまり、Ｓ１８にて運転回数記憶手段２４から現在の運転回数を呼び出し、Ｓ１１にて残存熱量検知手段１６から残存熱量を呼び出し、Ｓ１９にて運転回数に応じて（例えば運転回数が１００００回を越える場合、燃料電池２の経年変化より加温しにくくなるため加温容量から１０リットル加算するなど）加温容量に補正を行い、Ｓ１２にて貯湯槽１０内部の残存熱量検知手段から算出した湯水容量が加温容量を下回る場合、Ｓ１３にて出湯禁止手段１７を動作させる。

一方で、Ｓ８を終えてからＳ１１〜Ｓ１３、Ｓ１８、Ｓ１９を実行中に再び運転を開始する場合にはＳ１に戻るため、次回起動時には、Ｓ９にてカレンダー手段１８から呼び出した日付情報と、Ｓ２０にて運転回数記憶手段から呼び出した運転回数とから、Ｓ２１にて加温容量を算出する。

これにより、燃料電池発電システムの長期にわたる使用により燃料電池２の経年変化（劣化）に応じた加温容量の設定を行い次回起動時に安定して燃料電池２の加温ができる。

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、本発明は、制御装置が日付情報を読み出し可能なカレンダー手段を用いて、日付（季節）に応じた加温容量（燃料電池の加温するのに最低限必要な貯湯槽の湯水
容量）を算出し、貯湯槽内部の残存熱量検知手段から算出した湯水容量が加温容量を下回る場合、出湯禁止手段を用いて、次回起動時に燃料電池の加温に必要な湯水を確保する。

これにより、毎日おおよそ決まった時刻（例えば朝７時など）に発電を開始する使用環境下において、次回起動時に安定した燃料電池の加温が可能となるので、同様にして、季節の寒暖差により動作の影響を受けやすい家電製品の制御に対して、あらかじめ日付（季節）に応じた制御補正値を用いることにより安定した制御動作を行う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２０の動作フロ−チャ−ト 本発明の実施の形態２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２の制御手段２３の動作フロ−チャ−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２６の動作フロ−チャ−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−チャ−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
６ 冷却水循環ポンプ
７ 冷却水循環路
８ 熱交換手段
９ 貯湯水循環ポンプ
１０ 貯湯槽
１１ 貯湯水循環路
１２ バックアップ給湯器
１６ 残存熱量検知手段
１７ 出湯禁止手段
１８ カレンダー手段
２１ 計時手段
２４ 運転回数記憶手段
１９、２２、２５ 制御装置
２０、２３、２６ 制御手段

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、前記燃料電池の発電に伴う排熱を湯水に熱交換する熱交換手段と、前記熱交換手段の湯水を貯える貯湯槽と、前記貯湯槽の湯水を前記熱交換手段に循環させる貯湯水循環路と、前記貯湯槽の湯水熱量を検知する残存熱量検知手段と、前記貯湯槽の湯水を使用禁止状態にする出湯禁止手段と、前記燃料電池を逐次制御する制御装置と、からなる燃料電池発電システムであり、
   前記制御装置は、日付情報が読み出し可能なカレンダー手段を備え、前記残存熱量検知手段からの残存熱量と、前記カレンダー手段からの日付情報に基づき求めた熱量が、前記燃料電池の起動時に燃料電池を昇温するため必要な熱量を下回る場合に前記出湯禁止手段を動作させる燃料電池発電システム。
2. 前記制御装置は、前記燃料電池の前回の運転終了から経過した時間を計測する計時手段を備え、前記計時手段からの経過時間に基づき求めた補正値を用いて、前記出湯禁止手段を動作するか否かの判断を行う請求項１記載の燃料電池発電システム。
3. 前記制御装置は、前記燃料電池の運転回数を記憶する運転回数記憶手段を備え、前記制御装置は、前記運転回数記憶手段からの運転回数に基づき求めた補正値を用いて、前記出湯禁止手段を動作するか否かの判断を行う請求項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の前記制御装置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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