JP2014089890A - 燃料電池式発電装置及びコージェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】コージェネレーションシステムに採用される燃料電池式発電装置を改良するものでありガスセンサーを他の機器の寿命が尽きるまで使用可能にする方策を提案するものである。
【解決手段】次の通電停止条件（要件）が全て揃えば、通電停止機能を動作させてガスセンサーに対する通電を停止する（ステップ９）。「第１条件」燃料電池式発電装置１００が運転中であること（ステップ３）。「第２条件」ガスセンサー１０が通電中であること（ステップ４）。「第３条件」燃料電池式発電装置１００の稼働量が小さいこと（ステップ５）。「第４条件」燃料電池式発電装置１００の稼働状態が安定していること（ステップ６）。
【選択図】 図９

Description

本発明は、燃料電池を内蔵した発電装置に関するものである。本発明は、特に固体酸化物形燃料電池を用いた発電装置として好適である。また本発明は、燃料電池が発生する電気だけでなく、熱エネルギーも有効利用せんとするコージェネレーションシステムに関するものである。

発電装置と貯留タンクとを組み合わせた家庭用のコージェネレーションシステムが知られている。
家庭用コージェネレーションシステムに採用される発電装置には、ガスエンジンによって駆動される発電機を搭載したものや、燃料電池を搭載したものがある。
特許文献１に開示されたコージェネレーションシステムは、燃料電池が発生する電気を家庭内で使用すると共に、燃料電池が発生する熱を回収し、貯留タンク内の湯水を昇温して貯留しておき、必要に応じてこの湯を風呂等に供するものである。

ここで燃料電池は、水素等と空気（酸素）の化学反応による化学エネルギーを、熱変換処理を行わずに直接電気エネルギーとして取り出すことができるものである。
燃料電池には、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ；Solid Oxide Fuel Cells 以下ＳＯＦＣと略称する場合もある）、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ；Polymer Electrolyte
Fuel Cells）、りん酸形燃料電池（ＰＡＦＣ；Phosphoric Acid Fuel Cells ）、直接形燃料電池（ＤＦＣ；Direct Acid Fuel Cells ）等がある。
ここでＳＯＦＣは、高価な白金触媒を使用する必要がないという利点と、改質ガスを使用して発電することができるという利点がある。
即ちＳＯＦＣで消費される水素等は、都市ガス、天然ガス、プロパンなどの入手し易い燃料を改質装置によって改質することで得ることができる。

その一方でＳＯＦＣは、作動に適した温度（作動温度）が摂氏７００度〜摂氏１，０００度と高温であるため、起動してから安定した運転状態に至るまでに時間がかかる。そのためＳＯＦＣは、起動・停止を頻繁に行うことができないという欠点がある。

特開２０１０−１２７５８５号公報 特開２００９−２６６６１３号公報 特許第４１８７５０６号公報

前記した様にＳＯＦＣは、入手し易い燃料を改質装置によって改質して発電に供することができる。そこでこの利点を生かすために、コージェネレーションシステムの一部に改質装置が組み込まれ、コージェネレーションシステム内で水素が生成される。
しかしながら水素は、極めて燃えやすいガスである。また水素は分子量が小さく、漏れやすい。
そこで本発明者らは燃料電池を収納する筐体内に水素ガスを検知するガスセンサーを設けることを考えた。
しかしながら、要求される性能を満たすガスセンサーは、コージェネレーションシステムを構成する他の機器に比べて寿命が短いという問題に直面した。
即ち給湯装置や風呂装置は、一般に１０年程度の寿命が要求され、コージェネレーションシステムにおいても、同様に１０年程度の寿命が要求されている。
従って、コージェネレーションシステムを構成する各機器は、１０年程度の使用に耐えなければならない。そのためガスセンサーについても、１０年程度の使用に耐えるものでなければならない。

これに対して本発明者らが採用しようとするガスセンサーは、接触燃焼形のガスセンサーであり、通電状態で使用して水素濃度を検知するものである。
即ち本発明者らが採用したガスセンサーは、通電しておかなければ水素濃度を検出することができない。
そして当該ガスセンサーの寿命は約４万時間程度であり、約４万時間通電すると寿命が尽きて誤動作する懸念があった。

ここで家庭用の給湯器や風呂装置は、必要に応じて起動され、必要のないときは停止されているから、１０年間使用するといっても実際の稼働時間は４万時間を下回る。
ガスエンジンによる発電機を搭載したコージェネレーションシステムについても同様であり、必要なときに起動され、夜間等はエンジンを停止するので、１０年間使用するといっても実際の稼働時間は４万時間を下回る。
固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ；Polymer Electrolyte Fuel Cells）を搭載したコージェネレーションシステムについても同様であり、必要なときに起動され、夜間等は燃料電池の運転を停止するので、１０年間使用するといっても実際の稼働時間は、４万時間を下回る。

しかしながら、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を採用したコージェネレーションシステムは、前記した様に、作動温度が高温であり、起動してから安定した運転状態に至るまでに時間がかかるから、起動・停止を頻繁に行うことができない。そのためＳＯＦＣを採用したコージェネレーションシステムは、休止時間を置かずに連続運転される。
より具体的には、１か月間、連続運転され、一日程度の休止時間を挟んでさらに１か月間の連続運転されるといった稼働条件で使用される。
そのため固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を採用したコージェネレーションシステムに限っては、１０年間使用されると、実際の稼働時間が４万時間を大きく上回る。

そこで本発明は、従来技術の上記した問題点に注目し、ガスセンサーを他の機器の寿命が尽きるまで使用可能にする方策を提案するものである。

上記した課題を解決するための請求項１に記載の発明は、筐体内に燃料電池とガスセンサーとが内蔵された燃料電池式発電装置において、前記ガスセンサーは通電状態で可燃性ガスを検知するものであって、燃料電池が稼働中に通電されて筐体内のガスを検知し、燃料電池の稼働量を直接的に又は間接的に検出する稼働状態検出手段を備え、燃料電池の稼働量が一定値以下であることを条件としてガスセンサーに対する通電を遮断し、燃料電池の稼働量が所定値以上となった場合にガスセンサーに対する通電を再開することを特徴とする燃料電池式発電装置である。

本発明の燃料電池式発電装置では、燃料電池の稼働量が一定値以下であることを条件としてガスセンサーに対する通電を遮断する。従ってその間は、ガスセンサーは休止状態となる。そのため一日におけるガスセンサーの稼働時間が少なくなり、ガスセンサーの寿命が尽きるまでの日数が延びる。即ちガスセンサーの耐用年数が延びる。
本発明の燃料電池式発電装置では、ガスセンサーに対する通電を遮断するので、その間にガス漏れがあってもこれを知ることができない。しかしながら、本発明の燃料電池式発電装置では、燃料電池の稼働量が一定値以下であることを条件としてガスセンサーに対する通電を遮断するから、実質的に安全性は確保される。即ち、燃料電池の稼働量が一定値以下である場合は、使用される水素の量もわずかである。そのため、例えその水素が筐体内に漏れたとしても、爆発限界濃度には至らない。即ち筐体は、完全に密閉されるものではなく、当然に自然換気がある。また強制的に換気される場合もある。そのため燃料電池の稼働量が一定値以下である場合は、筐体内における水素ガスの濃度は一定値未満となる。一方、燃焼ガス（この場合は、主として水素）は、空気中の濃度が一定の範囲内でなければ燃焼しない。そのため自然換気等を考慮して、燃料電池の稼働量が一定値以下である場合は、爆発の危険はなく、ガスセンサーで水素濃度を監視する必要は無い。

請求項２に記載の発明は、燃料ガスを改質する改質装置を備え、前記燃料電池と改質装置とが一つのケースに内蔵されて燃料電池モジュールを形成し、燃料電池モジュールに燃料ガスを供給する燃料ガス供給路を備え、当該燃料ガス供給路には燃料ガスの流量を検知するガス流量検知手段が設けられ、前記稼働状態検出手段は前記ガス流量検知手段の検出値に基づいて燃料電池の稼働量を検出するものであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池式発電装置である。

本発明は、稼働状態検出手段としてガス流量検知手段を採用するものである。本発明によると、水素等の発生量を把握した上でガスセンサーに対する通電を遮断することとなるから、安全性が高い。

請求項３に記載の発明は、燃料電池の稼働量が一定値以下である状態が所定時間以上継続したことを追加条件としてガスセンサーに対する通電を遮断することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池式発電装置である。

本発明の燃料電池式発電装置では、稼働量が一定値以下である状態で安定している場合にガスセンサーに対する通電を遮断する。そのためガスセンサーに対して通電と停止とが頻繁に切り替わることが防止され、ガスセンサーの寿命を縮めない。

請求項４に記載の発明は、燃料電池の稼働量の変動が一定以下であることを追加条件としてガスセンサーに対する通電を遮断することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池式発電装置である。

本発明の燃料電池式発電装置においても、稼働量が一定値以下である状態で安定している場合にガスセンサーに対する通電を遮断する。そのためガスセンサーに対して通電と停止とが頻繁に切り替わることが防止され、ガスセンサーの寿命を縮めない。

請求項５に記載の発明は、燃料電池が稼働中であって且つガスセンサーに対する通電が遮断された状態が、一定時間以上継続した際には一旦ガスセンサーに対する通電を再開し、ガスセンサーによって検知されたガス濃度が一定値以下であった場合には再度ガスセンサーに対する通電を遮断することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池式発電装置である。

本発明によると、定期的にガスセンサーに通電されてガス漏れを確認することができるので、安全性が高い。

請求項６に記載の発明は、燃料ガスの流量の変化が一定値を超えた場合にガスセンサーに対する通電を再開することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池式発電装置である。

本発明によると、必要なときにガスセンサーに対する通電を再開する。

請求項７に記載の発明は、時刻を検知する時刻検知手段を備え、一定の時刻であることを追加条件として、ガスセンサーに対する通電を遮断することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料電池式発電装置である。

本発明では、例えば、夜間に限ってガスセンサーに対する通電を遮断するといった使用方法をとることができる。

請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載の燃料電池式発電装置と、熱回収装置によって構成され、熱回収装置は液体を貯留する貯留タンクを有し、燃料電池式発電装置が発生する熱によって昇温された液体を貯留タンクに貯留することを特徴とするコージェネレーションシステムである。

本発明によると、燃料電池式発電装置が発生する電気と熱とを有効利用することができる。また耐用期間中にガスセンサーを取り替える必要が無い。

本発明の燃料電池式発電装置は、不必要なときにガスセンサーに対する通電を停止するので、ガスセンサーの耐用年数を延ばすことができる。そのため本発明の燃料電池式発電装置は、全体としての耐用年数が長い。
本発明のコージェネレーションシステムについても、不必要なときにガスセンサーに対する通電を停止するので、ガスセンサーの耐用年数を延ばすことができ、全体としての耐用年数が長い。

本発明の一実施形態であるコージェネレーションシステムの作動原理図である。 図１のコージェネレーションシステムで採用する燃料電池式発電装置の作動原理図である。 図２の燃料電池式発電装置の作動原理図であり、カソード空気供給経路を黒塗りで示した図である。 図２の燃料電池式発電装置の作動原理図であり、燃料ガス供給経路を黒塗りで示した図である。 図２の燃料電池式発電装置の作動原理図であり、改質用空気導入経路を黒塗りで示した図である。 図２の燃料電池式発電装置の作動原理図であり、冷却水経路を黒塗りで示した図である。 図１に示すコージェネレーションシステムの作動原理図であり、熱エネルギー回収系統を黒塗りで示した図である。 図１に示すコージェネレーションシステムの作動原理図であり、給湯・給水系統を黒塗りで示した図である。 図１に示すコージェネレーションシステムにおける燃料電池式発電装置の制御を示すフローチャートである。 本発明の他の実施形態のコージェネレーションシステムにおける燃料電池式発電装置の制御を示すフローチャートである。

以下さらに本発明の実施形態について説明する。
本実施形態のコージェネレーションシステム１は、燃料電池式発電装置１００と熱回
収装置２００によって構成されている。燃料電池式発電装置１００と熱回収装置２００とは、それぞれユニット化されていてもよく、両者が一体化されていてもよい。以下、順次説明する。

燃料電池式発電装置１００は、図２に示す様に燃料電池モジュール２を中心とする装置である。燃料電池式発電装置１００は、燃料電池モジュール２内で化学反応を起こさせるための配管系統と、燃料電池モジュール２を冷却するための配管系統とを備えている。また燃料電池式発電装置１００は、水素の濃度を検知するガスセンサー１０を備えている。

即ち本実施形態で採用する燃料電池式発電装置１００は、筐体５０内に燃料電池モジュール２が内蔵されたものである。そして燃料電池モジュール２内で化学反応を起こさせるための配管系統として、カソード空気供給経路３と、燃料ガス供給経路５と、改質用空気導入経路６を有している。
また筐体５０内には燃料電池モジュール２を冷却するための冷却水経路４０が設けられており、当該冷却水経路４０に排熱を回収するための熱交換器５１が配されている。

筐体５０は、通気性を有するものであり、図示しない換気ファンが内蔵されている。そのため筐体５０内は、常に換気されている。
燃料電池モジュール２は、モジュールケース１１内に、少なくとも燃料電池７と改質装置８とを内蔵したものである。またモジュールケース１１内には、図示しないバーナー等の加熱装置が設けられている。
燃料電池７は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。
改質装置８は、公知のものと同様であり、燃料ガスをアノード反応ガスに改質可能である。本実施形態では、燃料ガスたる天然ガスを、水素と一酸化炭素に改質可能となっている。

カソード空気供給経路３は、図３の黒塗りのように、空気導入部２０と、燃料電池モジュール２とを接続する流路であり、カソード空気供給経路３は、モジュールケース１１内の燃料電池７のカソードに接続されている。
カソード反応ガスは、燃料電池７の発電時に燃料電池７のカソードで反応キャリアとして使用されるガスであり、具体的には、空気である。
カソード空気供給経路３は、空気の流れ方向上流側（空気導入部２０側）から下流側（燃料電池７側）に向けて順にカソードブロワ１２（カソード空気取込手段）と、流量センサー１５と、逆止弁１６が設けられている。
カソードブロワ１２は、公知の昇圧ブロワであり、空気の流量を制御可能となっている。
流量センサー１５は、公知の流量センサーであり、カソード空気供給経路３内を通過する空気の流量を検知するセンサーである。

燃料ガス供給経路５は、図４の黒塗りのように燃料ガス導入部２１と、燃料電池モジュール２とを接続する流路であり、原則的に燃料ガスが通過する流路である。燃料ガス供給経路５は、モジュールケース１１内の改質装置８に接続されている。
燃料ガスは、改質装置８によって改質されるガスであり、少なくとも組成に水素を含有するガスである。例えば、都市ガス、プロパンガスなどが採用されている。本実施形態では、天然ガスを利用するものとする。
燃料ガス供給経路５は、燃料ガスの流れ方向上流側（燃料ガス導入部２１側）から下流側（改質装置８側）に向けて順に流量調整部２２と、流量センサー２３と、脱硫器２５と、逆止弁２７が設けられている。
流量調整部２２は、燃料ガスの流量を調整する部位であり、バルブ６１やガバナ６２や昇圧ブロワ６３やバッファータンク６４を組み合わせて形成されている。
流量センサー２３は、燃料電池モジュール２に供給される燃料ガスの流量を検知するものである。

改質用空気導入経路６は、図５の黒塗りのように、空気導入部２０と、燃料ガス供給経路５とを接続する流路である。
改質用空気導入経路６は、燃料ガス供給経路５の脱硫器２５の燃料ガスの流れ方向下流側でかつ、逆止弁２７の上流側に接続されている。
改質用空気導入経路６は、空気の流れ方向上流側（空気導入部２０側）から下流側（燃料ガス供給経路５側）に向けて順に、逆止弁３０、改質用空気ブロワ３１（改質用空気取込手段）と、流量センサー３２と、閉止弁３３と、逆止弁３５が設けられている。

冷却水経路５２は、図６の黒塗りのように、燃料電池モジュール２及び熱交換器５１の一次側流路５８を含む環状流路である。
冷却水経路５２は、燃料電池モジュール２を始点とし、熱交換器５１（一次側流路５８）、膨張タンク５３、循環ポンプ５５、流量センサー５６及び逆止弁５７を経由して燃料電池モジュール２に戻る一連の流路である。
また熱交換器５１の二次側流路６０には循環ポンプ４８が接続されている。

本実施形態の燃料電池式発電装置１００では、筐体５０内にガスセンサー１０が設けられている。そしてガスセンサー１０によって水素ガス濃度を原則的に常時監視しており、水素ガス濃度が高い場合は、機器を停止し、警報を発する等の報知動作を実行する。
ここで本実施形態で採用するガスセンサー１０は、接触燃焼形のガスセンサーであり、制御装置６５から通電された状態で水素ガス濃度を検知するものである。
即ちガスセンサー１０は、制御装置６５から電力供給を受けて水素ガス濃度を検出するものであり、電力供給が停止すると、水素ガス濃度を検知することができなくなる。またガスセンサー１０は、通電を開始してからしばらくの間は動作が安定しない。そのためガスセンサー１０は、数分間のウォーミングアップ時間が必要である。

次に熱回収装置２００について説明する。熱回収装置２００は、湯水を貯留するための貯留タンク７０を中心として構成されており、貯留タンク７０の頂部に設けられた頂部接続部７１、並びに、底部に設けられた底部接続部７２に対して熱エネルギー回収系統Ｃおよび給湯・給水系統Ｈを構成する配管を接続した構成とされている。

熱エネルギー回収系統Ｃは、図７の黒塗りの様に、前記した燃料電池式発電装置１００の熱交換器５１と、貯留タンク７０とを環状に結ぶ流路である。
即ち熱エネルギー回収系統Ｃは、貯留タンク７０の底部接続部７２を始点とし、加熱側三方弁７５、ラジエータ７６を経て燃料電池式発電装置１００の熱交換器５１に入り、熱交換器５１を通過した湯水を貯留タンク７０の頂部側に戻す流路である。

燃料電池７が発生する熱は、燃料電池式発電装置１００の熱交換器５１で回収されて熱エネルギー回収系統Ｃを通過する湯水を昇温する。そして加熱された湯水は、貯留タンク７０の頂部から貯留タンク７０に流れ込む。その結果、貯留タンク７０に高温の湯が貯留される。

給湯・給水系統Ｈは、図８の黒塗りの様に、貯留タンク７０の頂部接続部７１に接続された給湯流路７７と、外部から給湯流路７７側や熱エネルギー回収系統Ｃ側に湯水を供給するための給水流路７８を備えている。

給湯流路７７は、貯留タンク７０からバックアップ熱源機８０を経てカラン３４に至る一連の流路を形成するものである。

給水流路７８は、外部から供給された冷水を貯留タンク７０の底側から導入する流路である。
給水流路７８を介して貯留タンク７０の底部に水を導入すると、貯留タンク７０の頂部側に溜まっている高温の湯水が押し上げられ、給湯流路７７に押し出される。

一方、外部の給水源から供給された低温の湯水の残部は、給湯用給水流路８１に流れ込み、給湯流路７７に導入される。この湯水は、貯留タンク７０の頂部接続部７１から排出され、給湯流路７７を流れている湯水に合流し、混合されてカラン３４から排出される。

次に本実施形態のコージェネレーションシステム１における特徴的な機能について説明する。
本実施形態のコージェネレーションシステム１は、原則として連続運転される。具体的には、１か月程度の間、休止時間を挟まずに連続運転され、一ヵ月に一日程度の間隔で、メンテナンス等のために休止される。

運転中は、燃料電池式発電装置１００が電気を発生させ、この電気は家庭内で消費される。また燃料電池式発電装置１００が発生する熱は、湯の昇温に利用され、貯留タンク７０に湯が溜められる。

本実施形態で採用する燃料電池式発電装置１００は、家庭内における電力需要に応じて、発電量を変化させる機能を備えている。即ち燃料電池式発電装置１００は、図示しない需要センサーによって家庭内の電力需要を検知し、電力需要が旺盛な場合は、燃料電池式発電装置１００の稼働量（稼働率）を上げて発電量を増大させる。逆に電力需要が小さい場合には、稼働量（稼働率）を低下させて無駄な発電を抑える。

具体的には、燃料ガス供給経路５を通過する天然ガスの流量を調節し、燃料電池式発電装置１００の稼働量（稼働率）を変化させる。即ち電力需要が旺盛な場合は、流量調整部２２を開いて天然ガスの流量を増大させる。具体的には流量センサー２３で天然ガスの通過流量を監視し、電力需要に見合う量となる様に流量調整部２２を開く。
逆に電力需要が小さい場合は、流量調整部２２を絞って天然ガスの流量を減少させる。具体的には流量センサー２３で天然ガスの通過流量を監視し、電力需要に見合う量となる様に流量調整部２２を絞る。
ただし、電力需要が極めて小さい場合であっても、最低限度の天然ガスの流量は維持し、燃料電池式発電装置１００の稼働を維持する。
なお電力需要の変化に応じて、他の流量も調整される。

即ち、本実施形態で採用する燃料電池式発電装置１００は、燃料電池モジュール２内で化学反応を起こさせるための配管系統として、カソード空気供給経路３と、燃料ガス供給経路５と、改質用空気導入経路６を有している。
そしてそれぞれの経路に流量センサー１５，２３，３２が設けられており、各経路を流れる流体の量が監視されている。そして燃料ガス供給経路５を通過する天然ガスの流量を流量センサー２３で検知し、この流量に見合うカソード空気量となる様にカソード空気供給経路３を通過する空気量が調節される。
同様に燃料ガス供給経路５を通過する天然ガスの流量を流量センサー２３で検知し、この流量に見合う改質用空気量となる様にカソード空気供給経路３を通過する空気量が調節される。

また本実施形態では、燃料電池式発電装置１００が稼働している場合は、原則として制御装置６５からガスセンサー１０に対して電力が供給され、筐体５０内の水素ガス濃度が検出される。そして水素ガス濃度が一定値を超えると、機器を停止すると共に警報を発する。 ただし本実施形態の燃料電池式発電装置１００では、燃料電池式発電装置１００の稼働量が小さく、かつ安定している場合には、ガスセンサー１０に対する通電を停止する。即ち本実施形態では、通電停止機能を備え、一定の条件下でガスセンサー１０に対する通電を停止する。また一定の復帰条件が整えば、ガスセンサー１０に対する通電を再開する。

本実施形態では、具体的に、次の通電停止条件（要件）が全て揃えば、通電停止機能を動作させてガスセンサー１０に対する通電を停止する。
（第１条件）燃料電池式発電装置１００が運転中であること。
（第２条件）ガスセンサー１０が通電中であること。
（第３条件）燃料電池式発電装置１００の稼働量が小さいこと。
例えば、フル稼働状態に対して、１０パーセント以下の稼働量であるが如く、燃料電池式発電装置１００の稼働量が一定値以下であること。第３条件の閾値は、例えばフル稼働状態に対して、５パーセント以下でもよく、３パーセント以下でもよい。稼働量は、前記した需要センサーによって家庭内の電力需要を検知し、電力需要が第３条件の閾値以下となった場合に第３条件を満足することとしてもよい。
また燃料ガス供給経路５に設けられた流量センサー２３による検出の結果、天然ガスの通過流量が一定値以下となった場合に、第３条件を満足することとしてもよい。
同様に、カソード空気供給経路３を流れる空気の流量や、改質用空気導入経路６を流れる空気の流量に基づいて第３条件を判定してもよい。
本実施形態では、燃料ガス供給経路５に設けられた流量センサー２３の検出値に基づいて燃料電池式発電装置１００の稼働量を検出することとする。
（第４条件）燃料電池式発電装置１００の稼働状態が安定していること。
例えば、一定時間あたりの電力需要の変化量や、燃料ガス供給経路５を流れる天然ガスの流量変化量によって第４条件を判定する。

そして上記した４条件を全て満足した場合には、ガスセンサー１０に対する通電を停止する。
また上記した４条件の内、第３条件又は第４条件のいずれかを満足できない状態となった場合には、ガスセンサー１０に対する通電を再開する。
即ち燃料電池式発電装置１００の稼働量が大きくなった場合にはガスセンサー１０に対する通電を再開する。また燃料電池式発電装置１００の稼働状態に一定の変化が見られた場合にもガスセンサー１０に対する通電を再開する。

さらにガスセンサー１０に対する通電が停止されている時間が一定時間を越えた場合には、一時的にガスセンサー１０に対する通電を再開し、水素ガス濃度を検知する。そして水素ガス濃度が正常であるならば、再度ガスセンサー１０に対する通電を停止する。ただしガスセンサー１０は、ある程度のウォーミングアップ時間が必要であるから、ガス濃度の検出は、ウォーミングアップ時間を経過した後に行うことが望ましい。

以下、図９のフローチャートを参照しつつ、本実施形態の動作を説明する。
即ちステップ１で燃料電池式発電装置１００が起動されると、ステップ２に移行して、ガスセンサー１０に対して自動的に通電が開始される。
そして続くステップ３からステップ６で、上記した４条件を具備するか否かを判定する。即ちステップ３では、燃料電池式発電装置１００が運転中であるか否かが判定される。即ちステップ３で第１条件が判定される。

続くステップ４では、ガスセンサー１０が通電中であることが確認される。即ちステップ４で第２条件が判定される。
続くステップ５では、燃料電池式発電装置１００の稼働量が小さいことが確認される。即ちステッ５で第３条件が判定される。前記した様に本実施形態では、燃料ガス供給経路５に設けられた流量センサー２３の検出値を監視し、天然ガスの流量によって燃料電池式発電装置１００の稼働量を知る。
続くステップ６では、燃料電池式発電装置１００の稼働状態が安定していることが確認される。即ちステップ６で第４条件が判定される。

そしてステップ３からステップ６が全てＹＥＳであり、停止条件を全て満足する場合には、ステップ７に移行し、ステップ３からステップ６を満足している時間が演算される。そしてステップ８でこの時間が所定の時間以上であるか否かが判断される。ステップ８における判断基準は、１０分とか、２０分といった比較的長い時間であり、５分以上であることが望ましい。
ステップ３からステップ６を全て満足している時間が所定の時間以上であるならばステップ９に移行して、ガスセンサー１０への通電を遮断し、ステップ３に戻り、前記した工程を繰り返す。
ステップ９を通過した後は、ガスセンサー１０への通電が停止されているから、ガスセンサー１０は実質的に非稼働であり、耐用年数を延ばすこととなる。

一方、ステップ９を通過した後は、解除条件が判定されることとなる。
即ちステップ９を通過した後は、ステップ３に戻り、先の工程が繰り返されることとなるが、ステップ９を通過した後は、ガスセンサー１０への通電が停止されているから、ステップ４の判定がＮＯとなる。その場合は、ステップ１０以降に移り、解除条件が判定されることとなる。
即ちステップ１０で、天然ガスの流量が一定量を超えているか否かが判断される。天然ガスの流量が一定量を超えていれば、前記した第３条件を具備しない状態となっているから、ステップ２に戻り、ガスセンサー１０の通電を再開する。

またステップ１１では、天然ガスの流量変化が一定量を超えているか否かが判断される。天然ガスの流量変化が一定量を超えていれば、前記した第４条件を具備しない状態となっているから、ステップ２に戻り、ガスセンサー１０の通電を再開する。

ステップ１０、ステップ１１が共にＮＯである場合には、ステップ１２に移行し、ガスセンサー１０への通電が停止されている時間を演算する。そしてステップ１３に移行し、その時間が、一定時間以上であるか否かが判断される。ステップ１３における判断基準は、１時間とか、２時間といった長い時間であり、３０分以上であることが望ましい。またステップ８における判断基準時間よりも長いことが望ましい。
ステップ１３で一定時間に渡ってガスセンサー１０への通電が停止され続けていると判断された場合には、ステップ１４に移行し、ガスセンサー１０に一時的に通電して水素ガスの濃度を検知する。
即ちステップ１３がＹＥＳであればステップ１４に移行してガスセンサー１０への通電を再開する。

そしてステップ１５で一定時間の経過を待つ。この時間は、ガスセンサー１０のウォーミングアップ時間である。
ウォーミングアップ時間が経過すると、ステップ１６に移行して水素ガス濃度を検出する。そして水素ガス濃度が低い場合（ステップ１７：ＮＯ）は、ステップ９に戻り、再度ガスセンサー１０への通電を停止する。
逆に水素ガス濃度が高い場合（ステップ１７：ＹＥＳ）は、異常状態であるから、ステップ１８に移行して機器を停止し、警報を発する等の報知動作を実行する。
なお本実施形態では、ガスセンサー１０によって水素ガス濃度を原則的に常時監視しており、一定の条件下でガスセンサー１０に対する通電を停止するものであるから、ガスセンサー１０への通電中に水素ガス濃度が高くなったことが判明した場合には機器を停止し、警報を発する等の報知動作を実行する。

以上は、上記した４条件を具備する場合について説明したが、燃料電池式発電装置１００が運転中ではなく、第１条件を具備しない場合は、ステップ３がＮＯ判定となり、一連の動作を終了させる。なお燃料電池式発電装置１００が運転中でない場合は、原則的にガスセンサー１０への通電は停止されているが、ソフトウェアの関係やその他の事情によってガスセンサー１０に通電がなされている場合には、ガスセンサー１０への通電を停止した上で一連の動作を終了させることが望ましい。

またガスセンサー１０への通電が行われている状態で、燃料電池式発電装置１００の稼働量が小さくない場合は、第３条件を具備せず、ステップ５がＮＯ判定となり、ステップ３に戻って一連の動作を繰り返す。
同様に、ガスセンサー１０への通電が行われている状態で、燃料電池式発電装置１００の稼働状態が安定していない場合は、第４条件を具備せず、ステップ６がＮＯ判定となり、ステップ３に戻って一連の動作を繰り返す。

本実施形態では、ガスセンサー１０が実質的に非稼働となる時間が生じるので、ガスセンサー１０の耐用年数を延ばすことができる。

上記した実施形態では、４つの通電停止条件（要件）を判定し、この４条件を全て満足する場合にガスセンサー１０に対する通電を停止することとしたが、本発明は、この４条件に限定されるものではなく、他の追加条件を加えてもよい。また前記した４条件の幾つかを省略したり、他の条件と入れ換えてもよい。

例えば、時刻を検知する時計を内蔵させ、一定の時刻に限ってガスセンサー１０に対する通電を停止することとしてもよい。
より具体的には、夜中の２時から明け方までという様に、電力需要が少ないと予想される時刻に限って、ガスセンサー１０に対する通電を停止することができる構成を採用することもできる。逆に、一定の時刻においては、他の条件に係わらす、ガスセンサー１０への通電を維持する構成とすることもできる。

図１０は、第４条件たる「燃料電池式発電装置１００の稼働状態が安定していること」に代わって、時刻の要件を停止条件に加えた場合のフローチャートである。
本実施形態においても、ガスセンサー１０によって水素ガス濃度を原則的に常時監視しており、一定の条件下でガスセンサー１０に対する通電を停止するものであるから、ガスセンサー１０への通電中に水素ガス濃度が高くなったことが判明した場合には機器を停止し、警報を発する等の報知動作を実行する。

１ コージェネレーションシステム
２ 燃料電池モジュール
３ カソード空気供給経路
５ 燃料ガス供給経路
６ 改質用空気導入経路
７ 燃料電池
８ 改質装置
１０ ガスセンサー
４０ 冷却水経路
５０ 筐体
１００ 燃料電池式発電装置
２００ 熱回収装置

Claims (8)

1. 筐体内に燃料電池とガスセンサーとが内蔵された燃料電池式発電装置において、前記ガスセンサーは通電状態で可燃性ガスを検知するものであって、燃料電池が稼働中に通電されて筐体内のガスを検知し、燃料電池の稼働量を直接的に又は間接的に検出する稼働状態検出手段を備え、燃料電池の稼働量が一定値以下であることを条件としてガスセンサーに対する通電を遮断し、燃料電池の稼働量が所定値以上となった場合にガスセンサーに対する通電を再開することを特徴とする燃料電池式発電装置。
2. 燃料ガスを改質する改質装置を備え、前記燃料電池と改質装置とが一つのケースに内蔵されて燃料電池モジュールを形成し、燃料電池モジュールに燃料ガスを供給する燃料ガス供給路を備え、当該燃料ガス供給路には燃料ガスの流量を検知するガス流量検知手段が設けられ、前記稼働状態検出手段は前記ガス流量検知手段の検出値に基づいて燃料電池の稼働量を検出するものであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池式発電装置。
3. 燃料電池の稼働量が一定値以下である状態が所定時間以上継続したことを追加条件としてガスセンサーに対する通電を遮断することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池式発電装置。
4. 燃料電池の稼働量の変動が一定以下であることを追加条件としてガスセンサーに対する通電を遮断することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池式発電装置。
5. 燃料電池が稼働中であって且つガスセンサーに対する通電が遮断された状態が、一定時間以上継続した際には一旦ガスセンサーに対する通電を再開し、ガスセンサーによって検知されたガス濃度が一定値以下であった場合には再度ガスセンサーに対する通電を遮断することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池式発電装置。
6. 燃料ガスの流量の変化が一定値を超えた場合にガスセンサーに対する通電を再開することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池式発電装置。
7. 時刻を検知する時刻検知手段を備え、一定の時刻であることを追加条件として、ガスセンサーに対する通電を遮断することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料電池式発電装置。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の燃料電池式発電装置と、熱回収装置によって構成され、熱回収装置は液体を貯留する貯留タンクを有し、燃料電池式発電装置が発生する熱によって昇温された液体を貯留タンクに貯留することを特徴とするコージェネレーションシステム。

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