JP2007287603A - 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】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。
【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と１０、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１８と、燃料電池２を逐次制御する制御装置２０からなり、制御装置２０は、燃料電池起動時に燃料電池２を昇温するため使用した熱量を記憶する使用熱量記憶手段１９を備え、残存熱量検知手段１６からの残存熱量が、使用熱量記憶手段１９からの使用熱量を下回る場合に出湯禁止手段１８を動作させる。
【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、温度検知手段１７は燃料電池２の温度を検知するものであり、これら残存熱量検知手段１６からの残存熱量や温度検知手段１７からの温度を制御手段１４は常に把握している。

次に、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、上記したように使用者が貯湯槽１０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６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６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へ導く。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開始する。

Ｓ３にて温度検知手段１７が加温完了の温度である４５℃を検知すると、Ｓ４にて加温処理を終了し、Ｓ５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、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）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、Ｓ７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、Ｓ７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、発電時の廃熱を利用して貯湯槽に貯めた湯水のすべてを使用者が外部熱負荷を用いて使うことが可能なため、いわゆる湯切れが発生して次回起動時に貯湯槽の湯水による燃料電池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、例えば毎日のように定期的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、本発明の燃料電池発電システムは、発電起動時にお
いて燃料電池を加温するのに使用した熱量を使用熱量記憶手段に記憶しておき、貯湯槽内部の残存熱量検知手段からの残存熱量が使用熱量記憶手段に記憶した使用熱量を下回る場合、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、次回発電起動時（明日）に燃料電池を加温するのに必要な使用熱量は、前回起動時に要したそれとおおよそ同じと見なすことにより、最低限必要な使用熱量を貯湯槽内部の残存熱量（残り湯水）として確保することで、毎回の発電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、前記燃料電池起動時に燃料電池を昇温するため使用した熱量を記憶する使用熱量記憶手段を備え、前記残存熱量検知手段からの残存熱量が、前記熱量記憶手段からの使用熱量を下回る場合、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、次回発電起動時（明日）に燃料電池を加温するのに必要な使用熱量は、前回起動時に要したそれとおおよそ同じと見なすことにより、最低限必要な使用熱量を貯湯槽内部の残存熱量（残り湯水）として確保することで、毎回の発電起動時に安定した燃料電池の加温が可能となる。

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、使用熱量記憶手段により一番検知度合いの高い使用熱量または過去に検知した使用熱量の平均値を真の使用熱量として、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、季節の境目など寒暖の差が激しい使用環境下における起動時の燃料電池の加温に要する使用熱量のばらつきが大きい場合にも安定して使用熱量を求めることが可能となり、最低限必要な使用熱量を貯湯槽内部の残存熱量（残り湯水）として安定して確保することで、毎回の発電起動時に安定した燃料電池の加温が可能となる。

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）に応じた使用熱量の補正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、発電起動時において燃料電池を加温するのに使用した熱量を使用熱量記憶手段に記憶しておき、貯湯槽内部の残存熱量検知手段からの残存熱量が使用熱量記憶手段に記憶した使用熱量を下回る場合、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。

これにより、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、次回発電起動時（明日）に燃料電池を加温するのに必要な使用熱量は、前回起動時に要したそれとおおよそ同じと見なすことにより、最低限必要な使用熱量を貯湯槽内部の残存熱量（残り湯水）として確保することで、毎回の発電起動時に安定した燃料電池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記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、１８は貯湯槽１０の湯水を使用禁止状態にする出湯禁止手段、１９は燃料電池起動時に燃料電池を加温するため使用した熱量を計測および記憶する使用熱量記憶手段である。その他は制御装置２０、制御手段２１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２０に商用電源の通電を行うと制御手段（マイコン）２１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へ導く。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開始する。

Ｓ８にて使用熱量記憶手段１９は使用熱量の計測を開始し、Ｓ３にて温度検知手段１７が加温完了の温度である４５℃を検知すると、Ｓ４にて加温処理を終了する。

Ｓ９にて使用熱量記憶手段１９は使用熱量の計測を終了し、Ｓ１０にて使用熱量記憶手段１９は今回の使用熱量（計測値）を記憶する。

その後、Ｓ５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、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）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、Ｓ７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、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の残存熱量が使用熱量記憶手段１９に記憶している使用熱量の値を下回る場合、Ｓ１３にて出湯禁止手段１８を動作させる。

なお、出湯禁止手段１８の動作について補足するが、Ｓ７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２１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１８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１８は出湯可能な状態に戻される。

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、次回発電起動時（明日）に燃料電池２を加温するのに必要な使用熱量は、前回起動時に要したそれとおおよそ同じと見なすことにより、最低限必要な使用熱量を貯湯槽１０内部の残存熱量（残り湯水）として確保することで、毎回の発電起動時に安定して燃料電池２の加温ができる。

（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、Ｓ１４を追加したものである。つまり、Ｓ４にて加温処理を終了し、Ｓ９にて使用熱量記憶手段１９は使用熱量の計測を終了し、Ｓ１４にて使用熱量記憶手段１９に記憶されていた過去１０回分の発電起動時の使用熱量と、今回計測したの使用熱量の平均から真の使用熱量を決定し、Ｓ１０にて使用熱量記憶手段１９は今回の使用熱量（計測値）および真の使用熱量を記憶する。

この後にポイントとなるのは、Ｓ１２にて貯湯槽１０内部の残存熱量検知手段からの残存熱量と比較する使用熱量記憶手段１９からの使用熱量であるが、ここで用いる使用熱量はＳ１４で算出して記憶した真の使用熱量である。よって、真の使用熱量を用いることにより毎回測定する使用熱量のばらつきを抑えることが可能となる。

これにより、季節の境目など寒暖の差が激しい使用環境下における起動時の燃料電池の加温に要する使用熱量のばらつきが大きい場合にも安定して使用熱量を求めることが可能となり、よって、最低限必要な使用熱量を貯湯槽１０内部の残存熱量（残り湯水）として安定して確保することで、毎回の発電起動時に安定した燃料電池２の加温が可能となる。

（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、燃料電池発電システムのブロック図にて、２２は運転回数を記憶する運転回数記憶手段である。その他は制御装置２３、制御手段２４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、Ｓ１５、Ｓ１６を追加したものである。

つまり、Ｓ１５にて運転回数記憶手段２２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、Ｓ１６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使用熱量に若干量だけ加算するなど、使用熱量に補正を行う。

Ｓ１２にて貯湯槽１０内部の残存熱量検知手段からの残存熱量が使用熱量記憶手段１９に記憶している使用熱量の値を下回る場合、Ｓ１３にて出湯禁止手段１８を動作させる。

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）に応じた使用熱量の補正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、本発明にかかる燃料電池発電システムは、制御装置が発電起動時に燃料電池を加温するのに使用した熱量を使用熱量記憶手段に記憶しておき、貯湯槽内部の残存熱量検知手段からの残存熱量が使用熱量記憶手段に記憶した使用熱量を下回る場合、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。

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、次回発電起動時（明日）に燃料電池を加温するのに必要な使用熱量は、前回起動時に要したそれとおおよそ同じと見なすことにより、最低限必要な使用熱量を貯湯槽内部の残存熱量（残り湯水）として確保することで、毎回の発電起動時に安定した燃料電池の加温が可能となる。

また、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などの機器制御に対して、前回の運転にて検知して記憶していたデータを今回の運転データとして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２１の動作フロ−チャ−ト 本発明の実施の形態２の制御手段２１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２４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 温度検知手段
１８ 出湯禁止手段
１９ 使用熱量記憶手段
２２ 運転回数記憶手段
２０、２３ 制御装置
２１、２４ 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、前記燃料電池起動時に燃料電池を昇温するため使用した熱量を記憶する使用熱量記憶手段を備え、前記残存熱量検知手段からの残存熱量が、前記熱量記憶手段からの使用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、前記使用熱量記憶手段により一番検知度合いの高い使用熱量または過去に検知した使用熱量の平均値を真の使用熱量として、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にて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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