JP2008112601A - 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】発電中に停電が発生すると（たとえ停電時に燃料ガスの供給が継続可能な環境下でも）発電を継続することができない燃料電池発電システムにおいて、停電発生時に燃料電池２を安定した状態で停止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、燃料ガスを燃料電池に供給する第１の供給手段１６と、酸化剤ガスまたは燃料ガスの一方を燃料電池に供給する第２の供給手段１７と、停電を検知する停電検知手段１８と、停電時に第２の供給手段を動作可能なバックアップ電源１９と、燃料電池や第１および第２の供給手段などを逐次制御する制御装置２０からなる燃料電池発電システムであり、制御装置２０は、停電検知手段１８により停電を検知した場合、バックアップ電源により第２の供給手段１７を動作させ燃料ガスを燃料電池２に供給するようにした。
【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、水素などの燃料ガスと酸素などの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り、例えば特許文献１のような構成のものが知られている。

従来の構成では、発電中に停電が発生したことを知ると、直ちに発電行程をやめて発電終了処理に移行させ、インバータの停止や燃料ガスの燃料電池供給の処理を開始していた。
特開２００４−５３１２０号公報

前記従来の構成では、発電中に停電が発生したことを知ると、直ちに発電行程をやめて発電終了処理に移行させ、インバータの停止や燃料ガスの燃料電池供給の処理を開始するが、実際には、停電状態に陥ると商用電源の供給は数秒以内に停止してしまうので、燃料電池の酸化剤ガス供給側内部は燃料ガスが供給されることなく酸化剤ガスが溜まった状態のまま放置される。その結果、燃料電池両側の二極間には電位差が生じし続けるがインバータが動作していないため行き場のない直流電流が停留し続けることにより、燃料電池にストレスがかけられたまま酸化剤ガスによる燃料電池内部触媒の酸化が急速に促進され著しい劣化を引き起こす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、発電中に停電が発生すると（たとえ停電時に燃料ガスの供給が継続可能な環境下でも）発電を継続することができない燃料電池発電システムにおいて、停電発生時に燃料電池を安定した状態で停止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、停電検知手段により停電を検知した場合、バックアップ電源を用いて第２の供給手段を動作するようにしたものである。

これにより、停電発生時に、バックアップ電源を用いて第２の供給手段内部の切替弁を動作させ燃料生成器により生成した燃料ガスを燃料電池に供給することで、燃料電池両側の二極間の電位差をほぼ無くすことができるので、燃料電池は安定した停止状態を保持することができ、ひいては（燃料電池内部の酸化剤ガス残留分もなくなるため）酸化剤ガスによる燃料電池内部触媒の劣化を抑えることが可能となる。

本発明の燃料電池発電システムによると、停電発生時に、バックアップ電源を用いて切替弁を動作させ燃料生成器により生成した燃料ガスを燃料電池に供給することで、燃料電池両側の二極間の電位差をほぼ無くすことができるので、燃料電池は安定した停止状態を保持することができ、ひいては（燃料電池内部の酸化剤ガス残留分もなくなるため）酸化剤ガスによる燃料電池内部触媒の劣化を抑え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、燃料ガスを前記燃料電池に供給する第１の供給手段と、前記燃料電池の発電時には酸化剤ガスを前記燃料電池に供給し、運転停止時には燃料ガスを前記燃料電池に供給する第２の供給手段と、停電を検知する停電検知手段と、停電時に前記第２の供給手段を動作可能なバックアップ電源と、前記燃料電池や前記第１および第２の供給手段などを制御する制御装置とを有し、前記制御装置は、前記停電検知手段により停電を検知した場合、前記バックアップ電源により前記第２の供給手段を動作させ燃料ガスを前記燃料電池に供給するように制御する燃料電池発電システムとすることにより、発電中に停電が発生すると（たとえ停電時に燃料ガスの供給が継続可能な環境下でも）発電を継続することができない燃料電池発電システムにおいて、停電発生時に、バックアップ電源を用いて第２の供給手段内部の切替弁を動作させ燃料生成器により生成した燃料ガスを燃料電池に供給することで燃料電池両側の二極間の電位差をほぼ無くすことができるので燃料電池は安定した停止状態を保持することができ、ひいては（燃料電池内部の酸化剤ガス残留分もなくなるため）酸化剤ガスによる燃料電池内部触媒の劣化を抑えることが可能となる。

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、バックアップ電源は充電可能な充電式電池とし、制御装置は、燃料電池発電システムが発電している時は、前記充電式電池を充電可能としたことにより、停電発生時に燃料電池への燃料ガス供給のため第２の供給手段を動作させるため、バックアップ電源を使い切った場合においても、次回発電時に発電した電力を用いてバックアップ電源を充電することによりバックアップ電源の再利用が可能であり環境にも優しい。

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、バックアップ電源は太陽光により発電可能な太陽光発電パネルを用いるようにしたことにより、屋外に設置した燃料電池発電システムにおいて日中に停電が発生した場合、第２の供給手段を動作させるために要するバックアップ電源を太陽光発電によりまかなうことが可能となる。

第４の発明は、第１の発明の燃料電池発電システムにて、バックアップ電源の使用時間を計測する使用時間計測手段と、交換時期であることを報知する報知手段を備え、制御装置は、前記使用時間計測手段により計測した時間が所定の時間を超えた場合、前記報知手段にて報知するようにしたことにより、バックアップ電源の自然放電などによる使用限度のタイミングを検知して停電になる前にバックアップ電源（あるいは電池）の交換時期を知ることが可能となる。

第５の発明は、第１の発明の燃料電池発電システムにて、燃料ガスを備蓄可能なガスタンクを備え、停電検知手段により停電を検知した場合には、前記ガスタンクから燃料ガスを供給可能としたことにより、地震などが発生して停電が発生後、まもなく家庭への都市ガスなどの原料ガス供給が停止し、新たに燃料ガスが生成できない場合においても、あらかじめガスタンクに備蓄しておいた燃料ガスを燃料電池２へ供給することが可能となる。

第６の発明は、特に、第１〜５のいずれかの発明の燃料電池発電システムにて、燃料ガスに水素を用い、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７の発明は、特に、第１〜５のいずれか１つの発明の燃料電池発電システムの機能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、停電検知手段により停電を検知した場合、バックアップ電源（例として後述する第２の供給手段を数分程度は動作可能な一次電池）を用いて第２の供給手段を動作するようにしたものである。

これにより、発電中に停電が発生すると（たとえ停電時に燃料ガスの供給が継続可能な環境下でも）発電を継続することができない燃料電池発電システムにおいて、停電発生時に、バックアップ電源を用いて第２の供給手段内部の切替弁を動作させ燃料生成器により生成した燃料ガスを燃料電池に供給することで、燃料電池両側の二極間の電位差をほぼ無くすことができるので、燃料電池は安定した停止状態を保持することができ、ひいては（燃料電池２内部の酸化剤ガス残留分もなくなるため）酸化剤ガスによる燃料電池内部触媒の劣化を抑え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。

（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。

図１において、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が第１の供給手段１６を経て、一方で、ブロア３にて空気などの酸化剤ガスが第２の供給手段１７を経て供給される。燃料電池２で発生した直流電流は図示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再加熱手段（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。また、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ている。

ここで、第１の供給手段１６および第２の供給手段１７について補足する。第１の供給手段１６は燃料生成器１により生成された燃料ガスを一定の圧力に加圧しながら燃料電池２に供給するものであり、一方、第２の供給手段１７は内部に切替弁を有しており通常は空気などの酸化剤ガスを一定の圧力に加圧しながら燃料電池２に供給するが、切替弁を動作させ燃料生成器１により生成した燃料ガスを燃料電池２に供給することも可能である。

なお、制御装置２０は、マイコンなどからなる制御手段２１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、第１の供給手段１６、第２の供給手段１７などを逐次制御するものである。また、停電検知手段１８は商用電源の電力供給が停止した（停電になった）ことを検知するものである。

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。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にて起動行程を開始し、燃料生成器１の内部を（原料ガスから燃料ガスを生成可能な温度である）６５０℃程度まで昇温させた後、Ｓ２にて発電処理に移行する。このとき燃料ガスは第１の供給手段にて燃料電池２へ供給され、酸化剤ガスは第２の供給手段にて燃料電池２へ供給されることにより、燃料電池２にて発電が行われる。その後、半日以上の発電運転を行い、Ｓ３にて日々の運転終了予定時刻（例えば午後８時）になった場合、あるいは、使用者が（図示はしないが）運転操作盤により運転終了操作を行った場合、Ｓ５の発電終了処理に移行し、発電を停止する（具体的にはインバータを停止させて燃料電池２で発生した直流電流を交流電流に変換する処理を止める）のと平行して、第２の供給手段１７内部の切替弁を動作させ燃料生成器１により生成した燃料ガスを燃料電池２に供給する。これにより、発電の際に燃料電池両側に燃料ガスと酸化剤ガスを供給していた時に生じていた二極間の電位差は（両側ともに燃料ガスを供給するので化学反応も発生しないので）ほぼ無くなり、燃料電池２は安定した停止状態を保持することができる。その後、システム状態としては待機状態に移行し、一連のシステム動作を終了する。なお、Ｓ５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。

一方で、発電中に停電が発生した場合、つまり、Ｓ４にて停電検知手段１８により停電を検知すると、Ｓ６にて第２の供給手段１７に対する電源の供給源を商用電源側からバックアップ電源１９に切り換え、Ｓ７にてバックアップ電源１９により第２の供給手段１７の動作を開始する。

その後の処理は、フローチャートの流れで言うと一旦はＳ５の発電終了処理に移行するが、実際には、即座に停電状態になり制御装置２０への商用電源の供給は停止するので、この時点で一連のフローチャートに示した処理は強制的に終えるが、第２の供給手段１７は燃料電池２に対してバックアップ電源１９により（その電池が完全に放電するまで）５分間程度の燃料ガス供給を行い、つまり、燃料電池内部の酸化剤ガス残留分（約３リットル）を燃料電池外部に押し出し、内部を燃料ガスで満たすことができる。

これにより、発電中に停電が発生すると（たとえ停電時に燃料ガスの供給が継続可能な環境下でも）発電を継続することができない燃料電池発電システムにおいて、停電発生時に、バックアップ電源１９を用いて第２の供給手段１７内部の切替弁を動作させ、燃料生成器１により生成した燃料ガスを燃料電池２に供給することで、燃料電池両側の二極間の電位差をほぼ無くすことができるので、燃料電池２は安定した停止状態を保持することができ、ひいては（燃料電池２内部の酸化剤ガス残留分もなくなるため）酸化剤ガスによる燃料電池内部触媒の劣化を抑えることが可能となる。

なお、本実施の形態では、発電中に停電が発生した場合の例を挙げて説明したが、発電起動時や発電終了処理中に停電が発生した場合も同様にバックアップ電源１９を用いて第２の供給手段１７を動作させても同様の効果を得ることができる。

また、本実施の形態では、停電時の燃料ガス供給量などを具体的な数値を挙げて説明したが、これは本発明を限定するものではない。

（実施の形態２）
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、および、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。

本発明の実施の形態１との違いは、バックアップ電源１９を充電可能な充電式電池（二次電池）を用いていることである。つまり、図２フローチャートで言うＳ２にて発電処理に移行すると主目的である発電を行い外部電力負荷４に電力供給を行う一方で、その電力のわずか一部をバックアップ電源１９の充電式電池（二次電池）に１時間程度かけて充電するものである。

これにより、停電発生時に燃料電池２への燃料ガス供給のため第２の供給手段１７を動作させるためバックアップ電源１９を使い切った場合においても、次回発電時に発電した電力を用いてバックアップ電源を充電することによりバックアップ電源の再利用が可能であり環境にも優しい。

（実施の形態３）
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、および、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。

本発明の実施の形態１との違いは、バックアップ電源１９を太陽光により発電可能な太陽光発電パネル用いるようにしたことである。現時点（燃料電池発電システムが市場に発売されて間もない時代背景）での燃料電池発電システムの設置環境は戸建て住宅の軒先など屋外に限られ、かつ、その使用目的は外部電力負荷４への電力供給もあるが、発電時の排熱を回収して貯湯槽１０に湯水を貯め熱負荷５に利用するウエイトが大きく、つまり、熱負荷５の代表格である夕方の入浴に利用する湯水を生成すべく日中に発電を行う場合が多いため、逆の言い方をすれば、日中の発電時に停電が発生した場合、（日中なので太陽が出ているため）太陽光パネルによる発電が期待でき、この発電電力により第２の供給手段１７を動作させようというものである。

これにより、屋外に設置した燃料電池発電システムにおいて日中に停電が発生した場合、燃料生成器１冷却に要するバックアップ電源１９を太陽光発電によりまかなうことが可能となる。

（実施の形態４）
図３は、本実施の形態４の燃料電池発電システムのシステムブロック図であり、制御装置の内部ブロック図にて、２２はバックアップ電源１９の使用時間を計測する使用時間計測手段であり、２３は交換時期であることを報知する報知手段である。その他は制御装置２４、制御手段２５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。

実施の形態４はフローチャートを用いることなく説明するが、図３の使用時間計測手段２２は燃料電池発電システムに商用電源が通電されている間じゅう時間計測を続け、時間計測の値が２年に達した場合、報知手段２３（電池交換ランプ）を動作させて電池交換を報知する。

これにより、バックアップ電源１９の自然放電などによる使用限度のタイミングを検知して停電になる前にバックアップ電源（あるいは電池）の交換時期を知ることが可能となる。

なお、実施の形態３は、バックアップ電源１９を用いた第２の供給手段１７の動作を２年の間、一度も行わなかった場合のバックアップ電源の交換（すなわち自由放電した一次電池の交換）を想定しており、ひとたび発電中の停電が発生するなどしてバックアップ電源を使用した場合には、時間計測を継続することなく、報知手段２３をすぐに動作させても良い。

（実施の形態５）
図４は、本実施の形態５の燃料電池発電システムのシステムブロック図であり、制御装置の内部ブロック図にて、２６は燃料ガスを一時的に備蓄可能なガスタンクである。その他は実施の形態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。

実施の形態５もフローチャートを用いることなく説明するが、図４のガスタンクは先述したように一時的な備蓄が目的なので容量も小さく３リットル少々であり、燃料生成器１により生成された燃料ガスをガスタンク２６の入口から常に取り込み備蓄しつつ、ガスタンク出口から第２の供給手段１７により燃料ガスを抜き出し燃料電池に安定して供給する。具体的には、停電検知手段１８により停電を検知した場合には、ガスタンク２６から燃料ガスを供給可能とした構成とする。

これにより、地震などが発生して停電が発生後、まもなく家庭への都市ガスなどの原料ガス供給が停止し、新たに燃料ガスが生成できない場合においても、あらかじめガスタンクに備蓄しておいた燃料ガスを燃料電池へ供給することが可能となる。

本発明にかかる燃料電池発電システムは、家庭用の燃料電池コージェネレーションシステムに利用可能である。

本発明の実施の形態１〜３における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１〜３における制御手段２１の動作フローチャート 本発明の実施の形態４における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５における燃料電池発電システムのシステムブロック図

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 再加熱手段
１８ 停電検知手段
１９ バックアップ電源
２０、２４ 制御装置
２１、２５ 制御手段
２２ 使用時間計測手段
２３ 報知手段

Claims (7)

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、燃料ガスを前記燃料電池に供給する第１の供給手段と、前記燃料電池の発電時には酸化剤ガスを前記燃料電池に供給し、運転停止時には燃料ガスを前記燃料電池に供給する第２の供給手段と、停電を検知する停電検知手段と、停電時に前記第２の供給手段を動作可能なバックアップ電源と、前記燃料電池や前記第１および第２の供給手段などを制御する制御装置とを有し、前記制御装置は、前記停電検知手段により停電を検知した場合、前記バックアップ電源により前記第２の供給手段を動作させ燃料ガスを前記燃料電池に供給するように制御する燃料電池発電システム。
2. バックアップ電源は充電可能な充電式電池とし、制御装置は、燃料電池発電システムが発電している時は、前記充電式電池を充電可能とした請求項１記載の燃料電池発電システム。
3. バックアップ電源は太陽光により発電可能な太陽光発電パネルを用いることを特徴とした請求項１記載の燃料電池発電システム。
4. バックアップ電源の使用時間を計測する使用時間計測手段と、交換時期であることを報知する報知手段を備え、制御装置は、前記使用時間計測手段により計測した時間が所定の時間を超えた場合、前記報知手段にて報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。
5. 燃料ガスを備蓄可能なガスタンクを備え、停電検知手段により停電を検知した場合には、前記ガスタンクから燃料ガスを供給可能とした請求項１記載の燃料電池発電システム。
6. 燃料ガスに水素を用い、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１〜５いずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
7. 請求項１〜５のいずれか１項に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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