JP2014216174A - コージェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】凍結を防止するヒータのコネクタ抜けなどを含む断線を常温で確認可能とし、水経路の配管の破裂や亀裂による水漏れを防止すること。【解決手段】起動、発電、停止の一連の動作を制御する制御手段２と、環境温度およびヒータの通電による温度上昇を測定する温度計測手段３と、排熱回収手段の水経路を昇温させるヒータ７と、温度計測手段により計測した環境温度情報から前記ヒータのオン／オフを切換える制御スイッチ１５と、所定の温度になるとヒータのオン／オフを切換える温度スイッチ１４と、ヒータの電源とを有し、ヒータ７は、温度スイッチ１４と直列に接続され、制御スイッチ１５は、温度スイッチ１４と並列に接続される。ヒータ７のオンが常温で可能となるので、ヒータ７の断線を確認することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、発電により熱及び電気を発生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。

従来、燃料電池発電装置などのコージェネレーションシステムの排熱回収や給湯装置など水を使用する機器においては、冬季など外気温が低下すると排熱回収の水経路や給水経路が凍結しないように、循環ポンプを作動させたり、凍結予防ヒータにより水経路を昇温したりして、凍結破壊しない対策を施したものが提供されてきた（例えば、特許文献１参照）。

このような凍結予防ヒータを備える従来の燃料電池発電装置システムの構成例を図７に示す。図７において、燃料電池発電装置１は、炭化水素系原料ガスと水から水素を主成分とする燃料ガスを生成する水素生成器と、水素ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行うスタックと、前記スタックなどからの熱を回収する排熱回収手段と、起動、発電、停止の一連の動作を制御する制御手段と、前記制御手段の暴走を検出する暴走検出手段と、外気温を測定する温度計測手段と、前記排熱回収手段の水経路を昇温させるヒータと、前記温度計測手段により計測した外気温情報から前記ヒータのオン／オフを切換える制御スイッチと、所定の温度になるとヒータのオン／オフを切換える温度スイッチとを有している。

前記燃料電池発電装置は、マイコンなどの制御装置が暴走し制御不能な状態になった際に、燃料電池発電装置システムの設置環境の温度が低下しても、設置環境下の温度が所定の温度以下になったら凍結を防止するヒータがオンし、水経路の冷却水を加熱するので、水経路の配管の破裂や亀裂による水漏れを防止することができる。

特開２００９−２６７１９号公報

上述したように前記従来の構成は、マイコン暴走時は凍結予防ヒータが通電され、システムが置かれている環境が低温になった場合でも、排熱回収などの水経路の凍結を防止することができる。

しかし、前記従来の構成は、バイメタルなどの温度スイッチを使用し、所定の温度以下であるならば水経路の凍結を防止するヒータの通電を行うものである。

よって、温度スイッチが所定の温度以下でないと通電状態とならないため、製造工程での検査時、またはメンテナンス時など常温下での動作確認ができず、確認を行う場合には、冷却スプレーなどを使用し、温度スイッチを強制的に冷却するための手段が必要であった。本発明は、上記課題を解決するもので、凍結を防止するヒータのコネクタ抜けなどを含む断線を常温下で確認可能とし、水経路の配管の破裂や亀裂による水漏れを防止することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

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、起動、発電、停止の一連の動作を制御する制御手段と、環境温度を測定する温度計測手段と、前記排熱回収手段の水経路を昇温させるヒータと、前記温度計測手段により計測した環境温度情報から前記ヒータのオン／オフを切換える制御スイッチと、所定の温度になるとヒータのオン／オフを切換える温度スイッチと、前記ヒータの電源とを有し、前記ヒータは、前記温度スイッチと直列に接続され、前記制御スイッチは、前記温度スイッチと並列に接続される構成である。

本発明は、以上のように構成され、燃料電池システムの水経路の凍結を防止するヒータの動作を常温下で確認ができるという効果を奏する。

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 実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図 実施の形態１に係る燃料電池システムの運転制御を示すフローチャート 実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図 実施の形態３に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図 実施の形態４に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図 従来の燃料電池発電装置システムの構成を模式的に示すブロック図

第１の発明は、起動、発電、停止の一連の動作を制御する制御手段と、環境温度およびヒータの通電による温度上昇を測定する温度計測手段と、排熱回収手段の水経路を昇温させるヒータと、温度計測手段により計測した環境温度情報から前記ヒータのオン／オフを切換える制御スイッチと、所定の温度になるとヒータのオン／オフを切換える温度スイッチと、ヒータの電源とを有し、ヒータは、温度スイッチと直列に接続され、制御スイッチは、温度スイッチと並列に接続される燃料電池システムである。

これによって本発明は、ヒータのオン／オフ制御が常に可能となり、燃料電池システムの水経路の凍結を防止するヒータのコネクタ抜けなどを含む断線を常温下で確認でき、生産時の検査またはメンテナンス時に燃料電池発電装置の異常を報知することができる。

第２の発明は、第１の発明において、環境温度を測定する温度計測手段と、排熱回収手段の水経路を昇温させるヒータの温度上昇を測定する代わりにヒータの電流を検出する電流検出手段を有し、制御スイッチをオンにした時の電流を検出するものである。

上記構成、動作によると、ヒータの電流を検出することでヒータの温度上昇を確認するよりも速く、かつ、正確に断線が検知でき、生産時の検査またはメンテナンス時に燃料電池発電装置の異常を報知することができる。

第３の発明は、第１の発明において、温度スイッチと並列にヒータの断線を検知する断線検知手段、および制御スイッチを配し、制御スイッチをオンにした時の電流を検出するものである。

上記構成、動作によると、ヒータの温度上昇を確認するよりも速く、また実際にヒータを通電することなく断線が検知でき、生産時の検査またはメンテナンス時に燃料電池発電装置の異常を報知することができる。

第４の発明は、第３の発明において、温度スイッチに並列に接続されたヒータの断線を
検知する断線検知手段を有し、制御スイッチは温度スイッチに直列に接続するものである。
上記構成、動作によると、断線検知機能は保持したまま、温度スイッチが万一ショート故障した場合でも、温度計測手段により計測した環境温度情報からヒータのオン／オフを制御スイッチで切換えることができるので、温度スイッチがショート故障した場合にもヒータの異常過熱を防止することができる。

第５の発明は、第３の発明において、温度スイッチと並列にヒータの断線を検知する断線検知手段を配したものである。

上記構成、動作によると、ヒータの温度上昇を確認するよりも速く、また実際にヒータを通電することなく断線が検知でき、生産時の検査またはメンテナンス時に燃料電池発電装置の異常を報知することができる。
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、本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発電装置システムの構成を示すものである。

図１において、燃料電池システムは、都市ガスなどの原料ガスから水素を作って発電を行う燃料電池発電装置１と、発電する際に発生した熱を回収しお湯として貯湯タンク１２に貯える貯湯ユニット１１とから構成される。燃料電池発電装置１は、発電、停止の一連の動作を制御する制御手段２と、燃料電池発電装置１が設置されている環境の外気温を計測する温度計測手段３と、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行うスタック５と、前記スタック５などの冷却や水素を主成分とする燃料ガスを生成する水素生成器４からの排ガスからの熱を回収する排熱回収手段６と、前記排熱回収手段６の水経路の凍結を防止するヒータ７と、前記排熱回収手段６ａの水経路に冷却水を供給するポンプ８ａ、および前記排熱回収手段６ｂの水経路に貯湯ユニット１１からの排熱回収用の水を供給するポンプ８ｂを有している。

図２は本発明の第１の実施の形態における、燃料電池発電装置１における水経路の凍結防止の構成の例を示すものである。更に、ヒータ７と制御部分のブロック図である。
図２において、燃料電池発電装置１は、所定の温度になると水経路の凍結を防止するヒータ７のオン／オフを切換える温度スイッチ１４と、前記温度スイッチ１４と並列に接続され、制御手段２からの指令に基づいてヒータ７の断線を確認する制御スイッチ１５と、ヒータ７の近傍に配置され、ヒータ７の温度上昇および環境温度を測定する温度計測手段を有している。

ここで温度スイッチ１４は、代表的な部品としてバイメタルスイッチがあり、バイメタルスイッチは、スイッチが設置されている周辺の温度が所定の温度以下になるとスイッチがクローズ（通電可能状態）し、周辺の温度が所定の温度以上になるとスイッチがオープン（遮断状態）するようなものである。

燃料電池発電装置１を含む燃料電池発電装置システムは、通常その製品の大きさなどの性質上、屋外に設置される場合がほとんどである。また、燃料電池が発電する際にスタック５を冷却したり、発熱部位例えばスタック５の冷却に利用した水を回収して、貯湯タンク１２に蓄えたりするので、システムのあらゆる箇所に水の配管が通っている。夏場や、システムが動作している状態の場合は配管の中の水は流れ、また、装置内の温度も氷点よりも高いので、凍結のために水配管が破裂したり、ひびが入ったりする可能性は少ない。

しかし、冬場、特に寒冷地などで、しばらくの間システムが動作しないときには、水循環の経路の配管の水の流れが止まり、また、システムが動作していない場合は発熱箇所もないので、システム内部の温度は外気温とほぼ等しくなるため、配管内の水が凍結し、破壊やひびによる水漏れの発生原因となり、システムに大きなダメージを与えることが起こりうる。

そこで所定の温度以下になったらヒータ７で配管を温めたり、ポンプ８で水を巡回させたりして、配管内の水の凍結を防止することが重要である。

例えば、凍結防止用のヒータ７をシステムの水配管の凍結しやすい箇所に設置する。ヒータ７は、図２に示すように系統電源に接続されており、ヒータ７と直列に接続された温度スイッチ１４により、ヒータ７の通電のオン／オフを制御することで凍結を防止する。温度スイッチ１４については、温度が高いときには温度スイッチ１４は開いており、低温になると温度スイッチ１４は閉じ通電されるようになる。このとき、ヒータ７のオン／オフを制御する温度は、温度スイッチ１４の設定温度仕様のみで決定される。

温度スイッチ１４の仕様が、５℃以上でオープン、５℃以下でクローズする仕様とすると、生産時およびメンテナンス時など燃料電池発電装置１の環境温度が比較的高い場合においては、温度スイッチ１４はオープンの状態である。

生産時およびメンテナンス時においては、時々作業ミスによるコネクタ抜けが発生する。出荷前の検査にてヒータ７の断線を確認する必要があるが、温度スイッチ１４がオープンの状態ではヒータ７を通電して断線を確認することができない。

そのため、生産時およびメンテナンス時など燃料電池発電装置１の環境温度が比較的高い場合において、ヒータ７の断線を確認するための手段が必要である。
次に、本発明の実施の形態１における環境温度が比較的高い場合の断線検知動作について図２、図３を用いて説明する。図３は凍結防止用ヒータの断線検知における動作フローチャートである。なお、生産時およびメンテナンス時には、例えば、制御手段上に設けられたスイッチを押すことで断線検知動作を行う。

図３のフローチャートに示すように、まず、制御手段２は、温度計測手段３を用いて、燃料電池発電装置１の環境温度およびヒータ７周辺の温度を測定し（Ｓ１００）、温度スイッチ１４がオープン状態（動作例では、５℃以上）となっている温度であるか確認する。
環境温度およびヒータ７周辺の温度が５℃以上で、温度スイッチ１４がオープン状態の温度であれば（Ｓ１０１）、制御手段２は制御スイッチ１５をオンし、ヒータ７を通電する（Ｓ１０２）。制御スイッチとは、リレーやトライアックなどである。

ヒータ７の温度上昇を確認するためのタイマをセットし（Ｓ１０３）、タイマの時間内に温度計測手段によるヒータ７の温度上昇を確認する（Ｓ１０５）。温度計測手段によりヒータ７の温度上昇が確認できれば、ヒータ７の接続は正常であり（Ｓ１０６）、温度上昇が確認できなければ、ヒータ７は断線と判断する（Ｓ１０７）ことができる。なお、環境温度およびヒータ７周辺の温度が５℃以下においても、当然のように温度スイッチ１４がクローズ状態となり、ヒータ７は通電されるので、温度計測手段によりヒータ７の温度上昇を確認することで断線が検知できる。

よって、温度スイッチと並列に制御スイッチを接続する構成とすることで、燃料電池システムの水経路の凍結を防止するヒータ７のコネクタ抜けなども含むヒータ７の断線を常
温下で確認でき、生産時の検査またはメンテナンス時に燃料電池発電装置の異常を報知することができる。なお、上記説明では主に生産時およびメンテナンス時について説明してきたが、設置後の稼動状態において、温度計測手段３で計測した環境温度が温度スイッチのオープン状態となる温度の時に、例えば、１日に１回の割合で制御スイッチ１５をオンし、凍結を防止するヒータ７の断線検知動作を行うことで常にヒータ７の断線確認を行い、冬場配管が凍結する温度になる前に利用者に燃料電池発電装置の異常を報知することができる。

また、本発明の実施の形態１においては、燃料電池発電装置を例に詳細したが、ガスコージェネレーションシステムなどの水を取扱うその他のコージェネレーションシステムや、ヒートポンプ給湯器などの機器についても、凍結予防ヒータで水経路の配管を温める構成は変わらないので、発明の効果は変わらない。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２は、実施の形態１に加えて、排熱回収手段の水経路を昇温させるヒータの温度上昇を測定する代わりにヒータの電流を検出する電流検出手段を備える場合の実施例であり、その他の構成、動作は実施の形態１と同じである。

そこで以下では実施の形態２の構成、動作について、実施の形態１との相違点を中心に述べ、その他の構成、動作については実施の形態１と同じものとする。

図４は、ヒータの電流を検出する電流検出手段１６を備える場合の構成図の例である。

図４において、燃料電池発電装置１の環境温度を測定する温度計測手段３と、制御スイッチをオンした際にヒータに流れる電流を検出する電流検出手段１６を有している。

ここで電流検出手段１６は、代表的な部品としてカレントトランスがあり、カレントトランスは、回路に流れる電流を電圧に変換するようなものである。制御手段２は、変換された電圧を確認することで断線を検知する。

まず、制御手段２は、温度計測手段３を用いて、燃料電池発電装置１の環境温度の温度を測定し、温度スイッチ１４がオープン状態となっている温度であるか確認する。
環境温度が温度スイッチ１４のオープン状態となる温度であれば、制御手段２は、制御スイッチ１５をオンし、ヒータ７を通電する。

電流検出手段１６により、ヒータ７の通電が確認できれば、ヒータ７の接続は正常であり、通電が確認できなければ、ヒータ７は断線と判断することができる。ヒータの電流を検出することで、実施の形態１のヒータの温度上昇を確認するよりも速く、かつ、正確に燃料電池システムの水経路の凍結を防止するヒータ７のコネクタ抜けなども含む断線を検知でき、生産時の検査またはメンテナンス時に燃料電池発電装置の異常を報知することができる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３は、実施の形態１に加えて、排熱回収手段の水経路を昇温させるヒータの温度上昇を測定する代わりにヒータの断線を検知する断線検知手段を備える場合の実施例であり、その他の構成、動作は実施の形態１と同じである。そこで以下では実施の形態３の構成、動作について、実施の形態１との相違点を中心に述べ、その他の構成、動作については実施の形態１と同じものとする。

図５は、ヒータの断線を検出する断線検出手段１７を備える場合の構成図の例である。

図５において、燃料電池発電装置１の環境温度を測定する温度計測手段３と、制御スイッチをオンした際にヒータに流れる電流を検出する断線検出手段１７を有している。
ここで断線検知手段は、代表的な部品としてホトカプラがあり、ホトカプラは入力された電気信号を光に変換し、その光で受光素子を導通させることにより信号を伝達するようなものである。制御手段２は、受光側の電圧を確認することで断線を検知する。実施の形態１においては、実際にヒータを通電する必要があったが、実施の形態３では、ホトカプラ内部の発光素子を駆動する電流をヒータ７に流すことで断線の検知が可能である。
なお、ホトカプラ内部の発光素子は、長期の通電により劣化するので、制御スイッチ１５により断線の確認を行う場合のみオンにすることで、長寿命化することができる。
まず、制御手段２は、温度計測手段３を用いて、燃料電池発電装置１の環境温度およびヒータ７周辺の温度を測定し、温度スイッチ１４がオープン状態となっている温度であるか確認する。

環境温度が温度スイッチ１４のオープン状態となる温度であれば、制御手段２は、制御スイッチ１５をオンし、ヒータ７の通電を確認する。

断線検出手段１７により、ヒータ７の通電が確認できれば、ヒータ７の接続は正常であり、通電が確認できなければ、ヒータ７は断線と判断することができる。

ヒータの電流を検出することで、ヒータの温度上昇を確認するよりも速く、また実際にヒータを通電することなく燃料電池システムの水経路の凍結を防止するヒータ７のコネクタ抜けなども含む断線を検知でき、生産時の検査またはメンテナンス時に燃料電池発電装置の異常を報知することができる。

また、実施の形態３において制御スイッチを無くし、温度スイッチと並列に断線検知手段を接続する構成としても、温度スイッチ１４がオープン状態となっている温度であれば、断線検出手段１７は常時通電となるが、ヒータ７の通電を確認することができるので断線の検知が可能である。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４は、実施の形態３において、温度スイッチに並列に接続され、ヒータの断線を検知する断線検知手段を有し、制御スイッチは温度スイッチに直列に接続されるものである。

図６は、実施の形態４の構成図の例である。実施の形態３と同様のものについては、同一符号を付与し、その説明を省略する。
上記構成、動作によると、断線検知機能は保持したまま、温度スイッチ１４がショート故障した際には、温度計測手段３により計測した環境温度情報からヒータのオン／オフを切換える制御スイッチ１５を制御することができるので、温度スイッチ１４がショート故障した場合にもヒータの異常過熱を防止することができる。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池システムを始め、エンジン発電装置システムや、給湯機などの水配管を有するシステムの、配管の凍結防止に利用することが出来る。

１ 燃料電池発電装置
２ 制御手段
３ 温度計測手段
４ 水素生成器
５ スタック
６ａ 排熱回収手段
６ｂ 排熱回収手段
７ ヒータ
８ａ ポンプ
８ｂ ポンプ
９ 冷却水タンク
１１ 貯湯ユニット
１２ 貯湯タンク
１３ａ 通信ケーブル
１３ｂ 通信ケーブル
１４ 温度スイッチ
１５ 制御スイッチ
１６ 電流検出手段
１７ 断線検出手段
１８ 暴走検知手段
１９ 異常検知手段

Claims (3)

1. 発電より電気と熱を発生させる熱電併給装置と、前記熱電併給装置で発生する排熱を回収する排熱回収装置と、前記熱電併給装置の環境温度を測定する温度計測器と、前記排熱回収装置の水経路を昇温させるヒータと、前記ヒータと直列に接続され、前記温度計測器により計測された環境温度から前記ヒータのオンまたはオフを切換える制御スイッチと、
   前記制御スイッチと並列に接続され、所定の温度になると前記ヒータのオンまたはオフを切換える温度スイッチと、前記温度スイッチに並列に接続され、前記ヒータの断線を検知する断線検知器を備えたコージェネレーションシステム。
2. 発電より電気と熱を発生させる熱電併給装置と、前記熱電併給装置で発生する排熱を回収する排熱回収装置と、前記熱電併給装置の環境温度を測定する温度計測器と、前記排熱回収装置の水経路を昇温させるヒータと、前記ヒータと直列に接続され、所定の温度になると前記ヒータのオンまたはオフを切換える温度スイッチと、前記温度スイッチに並列に接続され、前記ヒータの断線を検知する断線検知器を備えたコージェネレーションシステム。
3. 前記断線検知器が断線を検出した際には、異常を報知する異常報知器をさらに備えた請求項１記載のコージェネレーションシステム。

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