JP2007287604A - 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タイマー発電運転を行う燃料電池発電システムにおいて、発電運転終了の段階で次回起動時に燃料電池を加温できる熱量を貯湯槽に確保すること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、燃料電池２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、残存熱量検知手段１６からの残存熱量が、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越えてから発電を終了する。
【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、熱交換手段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、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にて日々の運転開始時刻（例えば午前７時）になると、Ｓ２にて燃料電池２は待機状態から起動行程を開始し、Ｓ３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Ｓ４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℃の湯水量を例えば６０リットルと決めて貯湯水循環路に流し込むことにより加温に要する熱量を熱交換手段８経由で燃料電池２に供給した後に、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）に移行する。

その後、半日以上の発電運転を行い、Ｓ８にて日々の運転終了予定時刻（例えば午後８時）になると、Ｓ９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、Ｓ９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、例えば午前７時から午後８時までなど毎日おおよそ決まった時間だけ発電を行うタイマー発電運転にて排熱を回収して貯湯槽に相当量の残存熱量を貯えることが可能な一方、使用者が発電中にも貯湯槽に貯めた湯水のすべてを外部熱負荷を用いて使用することができる。場合によっては、タイマー発電運転を終了する時点（この例で言えば午後８時の時点）で、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タイマー発電運転を行う燃料電池発電システムにおいて、発電運転終了の段階で、次回起動時に安定した燃料電池の加温が可能な熱量を貯湯槽に確保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、あらかじめ決められているタイマー発電運転の終了予定タイミングで、残存熱量検知手段からの残存熱量が次回発電起動時に燃料電池を加温するのに必要な加温熱量を下回る場合、発電運転を継続して加温熱量を上回る残存熱量を貯湯槽に確保してから発電運転を終了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、例えば毎日定期的に発電と停止を繰り返すタイマー発電運転を行う燃料電池発電システムにおいて、発電運転終了の段階で、次回発電起動時に燃料電池を加温するのに必要な加温熱量を貯湯槽に確保することが可能となり、ひいては、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、前記残存熱量検知手段からの残存熱量が、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越えてから発電を終了する。

これによって、例えば毎日定期的に発電と停止を繰り返すタイマー発電運転を行う燃料電池発電システムにおいて、発電運転終了の段階で、次回発電起動時に燃料電池を加温するのに必要な加温熱量を貯湯槽に残存熱量として確保することが可能となり、ひいては、毎回の発電起動時に安定した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、燃料電池発電システムは貯湯槽の湯水を使用禁止状態にする出湯禁止手段を備え、制御装置は、前記残存熱量検知手段からの残存熱量が、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、発電運転終了後に使用者が貯湯槽に貯めた湯水を使用する場合にも湯切れをおこす前に出湯の制限を行うことで、次回発電起動時に燃料電池を加温するのに必要な熱量を確保することできる。

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、発電時間が所定の時間を超える場合、発電を停止することにより、発電する環境が極寒であったり、何らかの要因で排熱回収ロスが大きく貯湯槽に湯水が極めて貯まりにくい場合であっても限度時間を持って発電運転を終了することができる。

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前記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、あらかじめ決められているタイマー発電運転の終了予定タイミングで、残存熱量検知手段からの残存熱量が次回発電起動時に燃料電池を加温するのに必要な加温熱量を下回る場合、発電運転を継続して加温熱量を上回る残存熱量を貯湯槽に確保してから発電運転を終了するようにしたものである。

これにより、定期的（例えば毎日）に発電と停止を繰り返すタイマー発電運転を行う燃料電池発電システムにおいて、発電運転終了の段階で、次回発電起動時に燃料電池２を加温するのに必要な加温熱量を貯湯槽に確保することが可能となり、ひいては、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、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、Ｓ１〜Ｓ８は従来の構成と同じなので説明を省略する。

Ｓ８にて日々の運転終了予定時刻（例えば午後８時）になると、Ｓ１０にて残存熱量検知手段１６から残存熱量を呼び出し、Ｓ１１にて残存熱量が次回発電起動時（明日）に燃料電池２を加温するのに必要な加温熱量を越えるまで発電を（実際には１〜２時間程度）継続した後、Ｓ９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、Ｓ９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。

これにより、定期的（例えば毎日）に発電と停止を繰り返すタイマー発電運転を行う燃料電池発電システムにおいて、発電運転終了の段階で、次回発電起動時に燃料電池２を加
温するのに必要な加温熱量を貯湯槽１０に残存熱量として確保することが可能となり、ひいては、毎回の発電起動時に安定した燃料電池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、１９は貯湯槽１０の湯水を使用禁止状態にする出湯禁止手段である。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、Ｓ１２〜Ｓ１４を追加したものである。つまり、Ｓ９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、Ｓ１２にて残存熱量検知手段１６から残存熱量を呼び出し、Ｓ１３にて残存熱量が次回発電起動時（明日）に燃料電池２を加温するのに必要な加温熱量の値を下回る場合、Ｓ１４にて出湯禁止手段１９を動作させる。

なお、出湯禁止手段１９の動作について補足するが、Ｓ９を終えてからＳ１２〜Ｓ１４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。しかし、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１９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１９は出湯可能な状態に戻される。

これにより、発電運転終了後に使用者が貯湯槽１０に貯めた湯水を使用する場合にも湯切れをおこす前に出湯の制限を行うことで、次回発電起動時に燃料電池２を加温するのに必要な熱量を確保することできる。

（実施の形態３）
図５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を追加したものである。

つまり、Ｓ８にて日々の運転終了予定時刻（例えば午後８時）になると、Ｓ１０〜Ｓ１１にて残存熱量検知手段１６からの残存熱量が次回発電起動時（明日）に燃料電池２を加温するのに必要な加温熱量を越えるまで発電を継続するが、Ｓ１５にて終了限度時刻（例えば午後１０時）になると、強制的にＳ９に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）を行った後、一連のシステム動作は終了する。

これにより、発電する環境が極寒であったり、何らかの要因で排熱回収ロスが大きく貯湯槽１０に湯水が極めて貯まりにくい場合であっても限度時間を持って発電運転を終了することができる。

なお、終了限度は時刻の他に連続運転５時間などの時間であってもよい。

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、制御装置が発電運転の終了予定タイミングで、残存熱量検知手段からの残存熱量が次回発電起動時に燃料電池を加温するのに必要な加温熱量を下回る場合、発電運転を継続して加温熱量を上回る残存熱量を貯湯槽に確保してから発電運転を終了する。

これによって、定期的（例えば毎日）に発電と停止を繰り返すタイマー発電運転を行う燃料電池発電システムにおいて、発電運転終了の段階で、次回発電起動時に燃料電池を加温するのに必要な加温熱量を貯湯槽に確保することが可能となり、ひいては、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。

同様にして、毎日定期的に運転と停止を繰り返す家電製品などの機器制御に対して次回の運転で用いる湯水や熱量をそれ以前の運転にて生成して確保することにより、次回運転時に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１８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２１の動作フロ−チャ−ト 本発明の実施の形態３の制御手段１８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
１９ 出湯禁止手段
１７、２０ 制御装置
１８、２１ 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、前記残存熱量検知手段からの残存熱量が、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越えてから前記燃料電池発電システムの発電を終了させる燃料電池発電システム。
2. 前記燃料電池発電システムは貯湯槽の湯水を使用禁止状態にする出湯禁止手段を備え、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に前記出湯禁止手段を動作させる請求項１記載の燃料電池発電システム。
3. 前記制御装置は、前記燃料電池発電システムの発電時間が所定の時間を超える場合、発電を停止する請求項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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