JP2014192087A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】停電が起こった場合に燃料電池システム１がガスメータ遮断回避の動作を有効に実行できない場合があった。
【解決手段】燃料電池ユニット２と、貯湯ユニット３と、を備えている燃料電池システム１であって、貯湯ユニット３は、可燃性ガスの流量を検知するマイコンメータの遮断を回避するために燃焼器６における可燃性ガスの燃焼量を変動させる遮断回避動作を実行するとともに、マイコンメータの遮断を回避するために必要なガス消費量の変動が起こっていない時間を計測する第１制御器を備え、燃料電池ユニット２は、商用電源１５からの電力供給が開始された場合に燃料電池ユニット２が燃料電池スタック１０から供給される電力により動作している場合は、遮断回避動作を実行させる必要がある旨の情報を第１制御器４に送信する第２制御器１２を備えているように、燃料電池システム１を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

従来、固体高分子形やリン酸形などの燃料電池を用いた燃料電池システムは、主にシステムなどで使用されており、発電と同時に発生する熱をお湯として回収することでエネルギーを有効に活用でき、高効率の分散型電源として注目されている。

この燃料電池システムは一般的にガス供給事業者からマイコンを搭載したガスメータ、いわゆるマイコンメータを介して供給されるガスを使用し発電を行う。このマイコンメータは所定の遮断対象変動範囲内の流量のガスが所定の監視時間連続して流れた時、当該ガスの流れを遮断するが、燃料電池システムでは発電中は通常一定のガス量を使用して発電するため、ガス流量の変動幅が一定範囲内となることが予想される。つまり、燃料電池システムが一定時間の発電状態を継続すると、マイコンメータの遮断条件が成り立ち、その結果ガス供給が遮断されるという事態が起こりえる。これを避けるために、燃料電池システムが発電中に所定時間内にガスを燃焼して発熱する燃焼器の出力を一時的に変化させることで、マイコンメータを通過するガスの流量を遮断対象範囲内に含まれない流量に一時的に変化させ、マイコンメータの遮断を回避している（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の燃料電池システムは、所定の監視時間に亘って連続して所定の遮断対象範囲内の流量の燃料ガスが流れた時に当該ガスの流れを遮断する遮断機能を有するガスメータと、ガスメータを介して燃料ガスが供給されて定格出力で発電する発電機並びに燃料ガスを燃焼して発熱する補助熱源機と、補助熱源及び発電機の出力制御を行う制御部から構成されている。

特開２００９−２４３７３６号公報

前記従来の構成では、発電状態が持続している場合に、所定の監視時間を計測する制御部が監視時間内に少なくとも１回以上、補助熱源又は発電機の少なくとも何れか一方の出力を一時的に変更させることで、マイコンメータを通過する燃料ガスの流量を遮断対象範囲内に含まれない流量に一時的に変化させる。しかしながら、前記従来の構成では、燃料電池システムが発電中に燃料電池スタックから電力が供給されている発電装置と、燃料電池スタックから電力が供給されていないその他の装置から構成され、前記所定の監視時間を計測する制御部が燃料電池スタックから電力が供給されていないその他の装置上にある場合がある。発電中に瞬停や停電などが発生した時、燃料電池スタックから電力が供給されている発電装置は動作しているが、燃料電池スタックから電力が供給されていないその他の装置は再起動を行う。また、メンテナンスなどで燃料電池スタックから電力が供給されていないその他の装置の電源をＯＦＦし、再び電源をＯＮされた場合も、再起動を行う。

燃料電池スタックから電力が供給されていないその他の装置が再起動を行った場合、燃料電池スタックから電力が供給されていないその他の装置上にある制御部も再起動を行い、前記所定の監視時間がクリアされるため、所定の監視時間内にマイコンメータの遮断回
避を行えない場合があり、マイコンメータの遮断が発生してしまう課題を有していた。

本発明は、前記従来のような課題を考慮し、燃料電池スタックから電力が供給されている発電装置以外の装置にリセットがかかっても、電源投入時に発電中かどうかを判断し、発電装置が発電中の場合は、マイコンメータの遮断回避の動作を行うことで、マイコンメータの遮断回避の動作を確実に行なえる燃料電池システムを提供する事を目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、
燃料と酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池スタックを備え、商用電源からの電力供給が停止した場合でも前記燃料電池スタックから電力が供給されて動作するように構成されている燃料電池ユニットと、
可燃性ガスを燃焼させて湯を作る燃焼器を備え、前記燃料電池スタックが発電をする際に発生する熱を蓄え、商用電源から電力が供給されて動作するように構成されている貯湯ユニットと、
を備えている燃料電池システムであって、
前記貯湯ユニットは、可燃性ガスの流量を検知するマイコンメータの遮断を回避するために前記燃焼器における可燃性ガスの燃焼量を変動させる遮断回避動作を実行するとともに、前記マイコンメータの遮断を回避するために必要なガス消費量の変動が起こっていない時間を計測する第１制御器を備え、
前記燃料電池ユニットは、前記商用電源からの電力供給が開始された場合に前記燃料電池ユニットが前記燃料電池スタックから供給される電力により動作している場合は、前記遮断回避動作を実行させる必要がある旨の情報を前記第１制御器に送信する第２制御器を備え、前記商用電源からの電力供給が開始された場合に、前記第１制御器が前記第２制御器からの前記遮断回避動作を実行させる必要がある旨の情報を受信した場合、マイコンメータ遮断回避を行うものである。

これによって、燃料電池システムが発電中に貯湯ユニットが再起動しても、マイコンメータの遮断回避の動作を行うことができる。

本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池ユニットが発電中に、貯湯ユニットの商用電源の電源供給が途絶えた後、再度電源供給が行われ、貯湯ユニットが立ち上げなおした場合でも、マイコンメータの遮断を回避することができる。

本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図 本発明の実施の形態１における燃料電池システムの運転制御を示すフローチャート

第１の発明は、燃料と酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池スタックを備え、商用電源からの電力供給が停止した場合でも前記燃料電池スタックから電力が供給されて動作するように構成されている燃料電池ユニットと、
可燃性ガスを燃焼させて湯を作る燃焼器を備え、前記燃料電池スタックが発電をする際に発生する熱を蓄え、商用電源から電力が供給されて動作するように構成されている貯湯ユニットと、を備えている燃料電池システムであって、
前記貯湯ユニットは、可燃性ガスの流量を検知するマイコンメータの遮断を回避するために前記燃焼器における可燃性ガスの燃焼量を変動させる遮断回避動作を実行するととも
に、前記マイコンメータの遮断を回避するために必要なガス消費量の変動が起こっていない時間を計測する第１制御器を備え、
前記燃料電池ユニットは、前記商用電源からの電力供給が開始された場合に前記燃料電池ユニットが前記燃料電池スタックから供給される電力により動作している場合は、前記遮断回避動作を実行させる必要がある旨の情報を前記第１制御器に送信する第２制御器を備えている、燃料電池システムである。

この構成により、貯湯ユニットの電源がＯＦＦした後、電源をＯＮした場合でも、燃料電池システムはマイコンメータの遮断を回避することが可能となる。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記第２制御器は、前記商用電源からの電力供給が開始されてから第１所定時間以内に前記遮断回避動作を実行させる、燃料電池システムである。

この構成により、貯湯ユニットの電源がＯＦＦした後、電源をＯＮした場合でも、燃料電池システムは貯湯ユニットの電源ＯＮにマイコンメータ遮断を回避することが可能となる。

第３の発明は、特に第１の発明と第２の発明において、
前記貯湯ユニットに設けられている貯湯タンクから前記燃料電池スタックに水を供給して、前記燃料電池スタックの熱を吸収した水を前記貯湯タンクに戻すように構成されている貯湯循環経路と、
前記燃料電池スタックより上流側の前記貯湯循環経路から分岐して、前記燃焼器を介して、前記燃料電池スタックより下流側の前記貯湯循環経路に戻るように構成されている分岐経路と、
前記分岐経路に配置されている第１循環器と、
前記貯湯循環経路に配置されている第２循環器と、
をさらに備え、
前記遮断回避動作を実行させる場合には、前記第１制御器は前記第１循環器と前記燃焼器とを動作させ、前記第２制御器は前記第２循環器を動作させる、燃料電池システムである。

この構成により、マイコンメータ遮断を回避する時に作られたお湯を貯湯タンクに貯めることができ、マイコンメータ遮断を回避する時に作られたお湯を無駄にせず、お客様が利用することが可能となる。

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は本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。

図１において、本実施の形態１に係る燃料電池システム１は、燃料電池ユニット２と貯湯ユニット３を備えている。

燃料電池ユニット２は、燃料と酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池スタック１０を備え、商用電源１５から供給される電力で動作することもできるが、商用電源１５が停電している場合には燃料電池スタック１０から電力が供給されて動作する自立発電機能を有しているように構成されている。燃料電池ユニット２は、商用電源１５からの電力
供給が開始された場合に前記燃料電池ユニットが前記燃料電池スタックから供給される電力により動作している場合は、前記遮断回避動作を実行させる必要がある旨の情報を前記第１制御器４に送信する第２制御器１２から構成されている。また、燃料電池ユニット２は、燃料電池ユニット２が備えている補機（換気ファンや電磁弁など）に供給する電力を、発電中は燃料電池スタック１０の発電電力と、発電停止中は商用電源からの電力と、の間で切り替えるための電源切り替え器１１を備えている。

また、貯湯ユニット３は、燃料電池スタック１０が発電をする際に発生する熱を蓄え、商用電源１５から電力が供給されて動作するように構成されている。具体的には、貯湯ユニット３内に備えられている貯湯タンク５から水を貯湯循環経路１３を介して燃料電池ユニット２に供給し、燃料電池スタック１０の熱を回収して、貯湯タンク５に戻るように構成している。また、貯湯ユニット３は、可燃性ガスの流量を検知するマイコンメータの遮断を回避するために燃焼器６における可燃性ガスの燃焼量を変動させる遮断回避動作を実行するとともに、マイコンメータの遮断を回避するために必要なガス消費量の変動が起こっていない時間を計測する第１制御器４を備えている。

また、貯湯循環経路１３から分岐して構成されている分岐経路７が構成されている。分岐経路７には第１循環器８が配置され、第１循環器８の下流側に燃焼器６が配置されている。この構成により、ユーザーが使用する熱（お湯など）を燃料電池ユニット２の熱でまかなえない場合に第１循環器８および燃焼器６を動作させることにより、貯湯タンク５内にお湯を供給することができる。

また、貯湯循環経路１３には貯湯三方弁９が配置されている。貯湯タンク５から貯湯循環経路１３をに流出した水は、熱交換器１６において燃料電池スタック１０の熱を受け取り、貯湯タンク５に戻される。貯湯タンク５に戻される水の温度を検知する温度検知器（図示せず）が配置されており、温度検知器が所定温度以下の場合は、貯湯タンク５に形成されたお湯の層が崩れるとして、貯湯タンク５の下部に戻すように貯湯三方弁９を切り替える。所定温度より高い場合は貯湯タンク５の上部に貯湯循環経路１３からの水を戻すように貯湯三方弁９を切り替える。

以上のように構成された燃料電池システムの発電中の停電時の動作、作用について、図２を参照しながら説明する。

図２は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの発電中に貯湯ユニットが商用電源からの電源供給が停止され、開始された時のマイコンメータの遮断回避を示すフローチャートである。

燃料電池システム１は、貯湯ユニット３の電源がＯＦＦの状態かどうかを判断する（Ｓ１０１）。貯湯ユニットの電源がＯＦＦの状態となるのは、停電や瞬停などにより貯湯ユニット３が商用電源１５からの電力供給が停止した場合がある。貯湯ユニット３の電源がＯＦＦの状態となるのは、貯湯ユニット３の電源スイッチをＯＦＦにする場合もある。燃料電池システム１は貯湯ユニット３の電源がＯＦＦ状態であれば、燃料電池ユニットが発電中かどうかを判断する（Ｓ１０２）。燃料電池ユニット２が発電中であれば、燃料電池ユニット２は発電を継続する（Ｓ１０３）。貯湯ユニット３は、貯湯ユニットの電源がＯＮかどうかを判断する（Ｓ１０４）。貯湯ユニットの電源がＯＮとなるのは、商用電源１５からの電力供給が再開された場合がある。貯湯ユニット３の電源がＯＮとなるのは、貯湯ユニット３の電源スイッチをＯＮにする場合もある。貯湯ユニット３の電源がＯＮとなったと判断した場合、第１制御器４と第２制御器１２が通信を行い、第１制御器４は第２制御器１２からマイコンメータの遮断回避を実行させる必要があるかどうかの情報を受信する（Ｓ１０５）。マイコンメータの遮断回避を実行させる必要があるかどうかの情報は
、燃料電池ユニットが発電中かどうかを示す情報であっても良い。マイコンメータの遮断回避を実行させる必要があるかどうかの情報は、燃料電池ユニットが発電中かどうかを示す情報と最後にマイコンメータの遮断回避を実行してからの経過時間でも良い。第１制御器４は第２制御器１２から受信したマイコンメータの遮断回避を実行させる必要があるかどうかの情報を元にマイコンメータの遮断回避を実行するかどうかを判断する（Ｓ１０６）。第２制御器１２から第１制御器４が受信したマイコンメータの遮断回避を実行させる必要があるかどうかの情報が、燃料電池ユニットが発電中かどうかを示す情報であった場合、発電中であれば、マイコンメータの遮断回避動作を行うと判断する。発電中でなければ、マイコンメータの遮断回避動作を行わないと判断する。第２制御器１２から第１制御器４が受信したマイコンメータの遮断回避を実行させる必要があるかどうかの情報が、燃料電池ユニットが発電中かどうかを示す情報と最後にマイコンメータの遮断回避を実行してからの経過時間の情報であった場合、発電中であれば、経過時間とマイコンメータ遮断が実施される時間の差が、予め決められた時間以下であれば、マイコンメータの遮断回避動作を行うと判断する。経過時間とマイコンメータ遮断が実施される時間の差が、予め決められた時間以上であれば、予め決められた時間以下になるまで遮断回避動作を行わないと判断する。

マイコンメータの遮断回避の動作を行うと判断した場合、貯湯ユニット３の電源供給が再開されてから所定時間内にマイコンメータの遮断回避を動作させる（Ｓ１０７）。第２制御器１２から第１制御器４が受信したマイコンメータの遮断回避を実行させる必要があるかどうかの情報が、燃料電池ユニットが発電中かどうかを示す情報であった場合、所定時間は、例えば５秒〜３０分の間で設定されている。

なお、第２制御器１２から第１制御器４が受信したマイコンメータの遮断回避を実行させる必要があるかどうかの情報と最後にマイコンメータの遮断回避を実行してからの経過時間の情報であった場合、所定時間は、経過時間とマイコンメータ遮断が実施される時間の差が、予め決められた時間以下になるまでの時間となり、効率よくマイコンメータの遮断回避を実施することができ、無駄なガスを消費しない。

マイコンメータの遮断回避を動作させる場合、貯湯ユニット３は燃焼器６における可燃ガスの燃焼量を変動させる遮断回避動作を実行する。この時、燃料電池システムは第１循環器８、第２循環器１４を動作させている。燃焼器は貯湯タンクが収納されている筐体内に収納されていなくても良い。例えば、その筐体の外側に別体として設けられていても良い。

これにより、燃料電池システム１は、発電中に、瞬停や停電、メンテナンスなどで、貯湯ユニット３が商用電源１５から電力の供給が停止し、再度開始された場合にも、マイコンメータの遮断回避動作を行うことができ、マイコンメータの遮断を回避することができる。

また、マイコンメータの遮断回避動作により作られたお湯を貯湯ユニットへためることがで、マイコンメータ遮断を回避する時に作られたお湯を無駄にせず、お客様が利用することが可能となる。

本発明の燃料電池システムによれば、発電中に瞬停が発生した場合も、適切な発電時間を算出する事で、発電を継続することが出来、商用電源から供給される電力で動作することもできるが、商用電源が停電している場合には燃料電池スタックから電力が供給されて動作する自立発電機能を有している燃料電池ユニットと、商用電源から供給される電力で動作する貯湯ユニットを有する燃料電池システムなどにおいて、有用である。

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池ユニット
３ 貯湯ユニット
４ 第１制御器
５ 貯湯タンク
６ 燃焼器
７ 分岐経路
８ 第１循環器
９ 貯湯三方弁
１０ 燃料電池スタック
１１ 電源切り替え器
１２ 第２制御器
１３ 貯湯循環経路
１４ 第２循環器
１５ 商用電源

Claims (3)

1. 燃料と酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池スタックを備え、商用電源からの電力供給が停止した場合でも前記燃料電池スタックから電力が供給されて動作するように構成されている燃料電池ユニットと、
   可燃性ガスを燃焼させて湯を作る燃焼器を備え、前記燃料電池スタックが発電をする際に発生する熱を蓄え、商用電源から電力が供給されて動作するように構成されている貯湯ユニットと、
   を備えている燃料電池システムであって、
   前記貯湯ユニットは、可燃性ガスの流量を検知するマイコンメータの遮断を回避するために前記燃焼器における可燃性ガスの燃焼量を変動させる遮断回避動作を実行するとともに、前記マイコンメータの遮断を回避するために必要なガス消費量の変動が起こっていない時間を計測する第１制御器を備え、
   前記燃料電池ユニットは、前記商用電源からの電力供給が開始された場合に前記燃料電池ユニットが前記燃料電池スタックから供給される電力により動作している場合は、前記遮断回避動作を実行させる必要がある旨の情報を前記第１制御器に送信する第２制御器を備えている、
   燃料電池システム。
2. 前記第２制御器は、前記商用電源からの電力供給が開始されてから第１所定時間以内に前記遮断回避動作を実行させる、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記貯湯ユニットに設けられている貯湯タンクから前記燃料電池スタックに水を供給して、前記燃料電池スタックの熱を吸収した水を前記貯湯タンクに戻すように構成されている貯湯循環経路と、
   前記燃料電池スタックより上流側の前記貯湯循環経路から分岐して、前記燃焼器を介して、前記燃料電池スタックより下流側の前記貯湯循環経路に戻るように構成されている分岐経路と、
   前記分岐経路に配置されている第１循環器と、
   前記貯湯循環経路に配置されている第２循環器と、
   をさらに備え、
   前記遮断回避動作を実行させる場合には、前記第１制御器は前記第１循環器と前記燃焼器とを動作させ、前記第２制御器は前記第２循環器を動作させる、
   請求項１又は２に記載の燃料電池システム。

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