JP2022073460A - 発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】発電装置からの排熱と熱交換液体との熱交換を行なう排熱処理用熱交換器を備える発電システムにおいて、簡易な構成により排熱処理用熱交換器の異常を判定する。【解決手段】発電システムは、熱交換液体の循環路に組み込まれ、熱交換液体を貯留すると共に上部に大気開放口を有するタンクと、タンク内の液位を検知する液位センサと、排熱処理用熱交換器に異常が生じているか否かを判定する判定部とを備える。判定部は、液位センサにより検出される液位の変化時間に基づいて排熱処理用熱交換器に異常が生じているか否かを判定する。【選択図】図３

Description

本発明は、発電システムに関する。

従来、この種の発電システムとしては、燃焼排ガス中の水蒸気を貯湯水との熱交換で凝縮し凝縮水を生成する熱交換器と、熱交換器から供給された凝縮水を貯蔵する水タンクと、水タンクに設けられた導電率計と、水タンクの凝縮水を加熱するヒータと、を備える燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このシステムでは、導電率計によって検出された凝縮水の導電率が所定値以上か否かに基づいて凝縮水の導電率が異常か否かを判定し、導電率が異常である場合にヒータにより凝縮水を加熱し、導電率の異常が所定時間継続している場合には、熱交換器が破損していると判定する。

特開２０１３－２６６４５９号公報

上述した特許文献１記載のシステムでは、熱交換器の破損を検出するために、導電率計に加えてヒータが必要となり、消費電力が増加すると共にコストアップを招く。

本発明の発電システムは、発電装置からの排熱と熱交換液体との熱交換を行なう排熱処理用熱交換器を備えるものにおいて、簡易な構成により排熱処理用熱交換器の異常を判定することができる発電システムを提供することを主目的とする。

本発明の発電システムは、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の第１の発電システムは、
排熱の発生を伴って発電する発電装置と、
熱交換液体が循環する第１循環路と、
前記第１循環路に組み込まれ、前記熱交換液体を圧送する第１ポンプ、
前記第１循環路に組み込まれ、前記発電装置からの排熱と前記熱交換液体との熱交換を行なう排熱処理用熱交換器と、
前記第１循環路に組み込まれ、前記熱交換液体を貯留すると共に上部に大気開放口を有するタンクと、
前記タンクに前記熱交換液体を補給する熱交換液体補給装置と、
前記タンク内の液位を検知する液位センサと、
前記液位センサにより検出される液位の変化時間に基づいて前記排熱処理用熱交換器に異常が生じているか否かを判定する判定部と、
を備えることを要旨とする。

この本発明の第１の発電システムは、熱交換液体の第１循環路に組み込まれ、熱交換液体を貯留すると共に上部に大気開放口を有するタンクと、タンクに熱交換液体を補給する熱交換液体補給装置と、タンク内の液位を検知する液位センサと、排熱処理用熱交換器に異常が生じているか否かを判定する判定部とを備える。判定部は、液位センサにより検出される液位の変化時間に基づいて排熱処理用熱交換器に異常が生じているか否かを判定する。排熱処理用熱交換器が破損し、熱交換液体が漏れ出ると、大気開放口から負圧が逃げることで、タンクの液位は、通常よりも速いスピードで低下する。このため、液位センサにより検出される液位の変化時間を監視することで、排熱処理用熱交換に異常が生じているか否かを判定することができる。この結果、タンクに大気開放口と液位センサとを設ける簡易な構成により、排熱処理用熱交換器の異常の有無を判定することが可能となる。

こうした本発明の第１の発電システムにおいて、前記液位センサにより検出される液位が第１閾値以下になったときに該第１閾値よりも大きい第２閾値以上となるまで、前記タンクに前記熱交換液体が補給されるよう前記熱交換液体補給装置を制御する補給制御を実行する制御部を備え、前記判定部は、前記補給制御の実行時間間隔を計測し、該計測した補給制御の実行時間間隔が通常よりも所定時間以上短くなる場合に、前記排熱処理用熱交換器に異常が生じていると判定してもよい。こうすれば、大気開放口から熱交換液体が自然蒸発してもタンクの液位を適正範囲に保持することができる。また、排熱処理用熱交換器の異常によるタンクの液位低下のスピードは、自然蒸発によるものに比して速いため、液体供給制御の実行時間間隔を監視することで、排熱処理用熱交換器の異常の有無を適正に判定することができる。

また、本発明の第１の発電システムにおいて、前記タンクに接続され、前記熱交換液体が循環する、前記第１循環路とは異なる第２循環路と、前記第２循環路に組み込まれ、前記熱交換用液体を圧送する第２ポンプと、前記第２循環路に組み込まれ、前記熱交換用液体とシステム外に供給される加熱対象媒体との熱交換を行なう加熱用熱交換器と、を備えてもよい。タンクに第２循環路を接続すると共に当該第２循環路に第２ポンプと加熱用熱交換器とを設けるだけで、発電システムをコージェネレーションシステムとして構成することが可能となる。

本発明の第２の発電システムは、
排熱の発生を伴って発電する発電装置と、
熱交換液体としてロングライフクーラント（ＬＬＣ）が循環する循環路と、
前記循環路に組み込まれ、前記熱交換液体を圧送するポンプと、
前記循環路に組み込まれ、前記発電装置からの排熱と前記熱交換液体との熱交換を行なう排熱処理用熱交換器と、
前記循環路に組み込まれ、前記熱交換液体を貯留すると共に上部に大気開放口を有するタンクと、
所定のタイミングで前記タンクに添加剤を供給する添加剤供給装置と、
前記タンク内の液位を検知する液位センサと、
前記液位センサにより検出される液位が第１閾値以下となったときに、前記排熱処理用熱交換に異常が生じていると判定する判定部と、
を備えることを要旨とする。

この本発明の第２の発電システムは、熱交換液体としてロングライフクーラント（ＬＬＣ）の循環路に組み込まれ、熱交換液体を貯留すると共に上部に大気開放口を有するタンクと、所定のタイミングでタンクに添加剤を供給する添加剤供給装置と、タンク内の液位を検知する液位センサと、排熱処理用熱交換器に異常が生じているか否かを判定する判定部とを備える。判定部は、液位センサにより検出される液位が第１閾値以下となったときに、排熱処理用熱交換器に異常が生じていると判定する。熱交換液体としてＬＬＣを使用することで熱交換液体の定期交換が不要とすることができる。また、熱交換液体の補給を不要としたことで、通常、タンクの液位が低下することはないものの、排熱処理用熱交換器が破損し、熱交換液体が漏れ出ると、タンクの液位は低下する。このため、液位センサにより検出される液位が第１閾値以下であるか否かを監視することで、排熱処理用熱交換に異常が生じているか否かを判定することができる。この結果、タンクに大気開放口と液位センサとを設ける簡易な構成により、排熱処理用熱交換器の異常の有無を判定することが可能となる。

さらに、本発明の第１または第２の発電システムにおいて、前記発電装置は、水蒸気改質により原燃料ガスを燃料ガスに改質する改質器と、前記燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、前記燃料電池のオフガスを燃焼させる燃焼部と、を有し、前記排熱処理用熱交換器は、前記燃焼部からの燃焼排ガスを凝縮して前記水蒸気改質に必要な水を生成するものとしてもよい。

本実施形態の発電システムの概略構成図である。 蓄熱タンクの概略構成図である。 熱交換器状態判定処理の一例を示すフローチャートである。 第２実施形態の発電システムの概略構成図である。 第２実施形態に係る熱交換器状態判定処理の一例を示すフローチャートである。 第３実施形態の発電システムの概略構成図である。 第４実施形態の発電システムの概略構成図である。 第４実施形態に係る熱交換器状態判定処理の一例を示すフローチャートである。 第５実施形態の発電システムの概略構成図である。

本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、発電システムの概略構成図であり、図２は、蓄熱タンクの概略構成図である。本実施形態（第１実施形態）の発電システム１０は、図１に示すように、アノードガス（燃料ガス）中の水素とカソードガス（酸化剤ガス）中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池スタック２１を含む発電モジュール２０と、発電モジュール２０にアノードガスの原料となる原燃料ガス（例えば天然ガスやＬＰガス）を供給する原燃料ガス供給装置３０と、発電モジュール２０に原燃料ガスからアノードガスへの改質（水蒸気改質）に必要な改質水を供給する改質水供給装置４０と、発電モジュール２０（燃料電池スタック２１）にカソードガスとしてのエアを供給するエア供給装置５０と、発電モジュール２０において発生した燃焼排ガス中に含まれる水蒸気を蓄熱タンク７０に貯留される湯水（水道水）との熱交換により凝縮する凝縮用熱交換器６２を含む凝縮水生成装置６０と、を備える燃料電池システムとして構成される。更に、本実施形態の発電システム１０は、蓄熱タンク７０内の湯水を用いてシステムの外部に設置された外部装置に熱を供給する熱供給装置８０を備えるコージェネレーションシステムとして構成される。これらは、筐体１２に収容されている。筐体１２には、吸気口１２ａと排気口１２ｂとが形成されており、吸気口１２ａの近傍には、外気を取り込んで筐体１２の内部を換気するための換気ファン１４が設置されている。

発電モジュール２０は、燃料電池スタック２１や、気化器２２、２つの改質器２３を含み、これらは、断熱性を有するモジュールケース２９に収容されている。本実施形態では、発電モジュール２０は、２つの燃料電池スタック２１を有し、２つの燃料電池スタック２１は、間隔をおいて互いに対向するようにモジュールケース２９内に配置されたマニホールド２４上に設置される。

各燃料電池スタック２１は、酸化ジルコニウム等の電解質と当該電解質を挟持するアノード電極およびカソード電極とをそれぞれ有すると共に図１中、左右方向（水平方向）に配列された複数の固体酸化物形の単セルを有する。各単セルのアノード電極内には、図示しないアノードガス通路が単セルの配列方向と直交する方向すなわち上下方向に延在するように形成されている。また、各単セルのカソード電極の周囲には、カソードガスを流通させる図示しないカソードガス通路が単セルの配列方向に直交する方向すなわち上下方向に延在するように形成されている。各単セルのアノードガス通路は、マニホールド２４に接続され、各単セルのカソードガス通路は、モジュールケース２９内のエア通路に接続される。更に、２つの燃料電池スタック２１の間（近傍）には、両者との距離が同一となるように温度センサ１０４が設置されている。温度センサ１０４は、各燃料電池スタック２１の温度に相関する温度Ｔ４を検出する。

発電モジュール２０の気化器２２および改質器２３は、モジュールケース２９内の２つの燃料電池スタック２１の上方に両者と間隔をおいて配設される。本実施形態では、一方の燃料電池スタック２１の上方に気化器２２および一方の改質器２３が配置され、他方の燃料電池スタック２１の上方に他方の改質器２３が配置される。更に、一方の燃料電池スタック２１と気化器２２および一方の改質器２３との間、並びに他方の燃料電池スタック２１と他方の改質器２３との間には、燃料電池スタック２１の作動や、気化器２２および改質器２３での反応に必要な熱を発生させる燃焼部２５が画成されている。各燃焼部２５には、着火ヒータ２６が設置されている。

気化器２２は、燃焼部２５からの熱により原燃料ガス供給装置３０からの原燃料ガスと改質水供給装置４０からの改質水とを加熱し、原燃料ガスを予熱すると共に改質水を蒸発させて水蒸気を生成する。気化器２２により予熱された原燃料ガスは、水蒸気と混合され、その混合ガスは、当該気化器２２から改質器２３に流入する。また、改質器２３には、当該改質器２３に流入する混合ガスの温度Ｔ１を検出する温度センサ１０１が設置されている。

改質器２３は、その内部に充填された例えばＲｕ系またはＮｉ系の改質触媒を有し、燃焼部２５からの熱の存在下で、改質触媒による気化器２２からの混合ガスの反応（水蒸気改質反応）によって水素ガスと一酸化炭素とを生成する。更に、改質器２３は、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気との反応（一酸化炭素シフト反応）によって水素ガスと二酸化炭素とを生成する。これにより、改質器２３によって、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の原燃料ガス等を含むアノードガスが生成されることになる。改質器２３により生成されたアノードガスは、配管やマニホールド２４を介して各単セルのアノードガス通路へ流入し、アノード電極に供給される。

また、燃料電池スタック２１の各単セルのカソード電極には、モジュールケース２９内に形成されたエア通路を介してカソードガスとしてのエアが供給される。各単セルのカソード電極では、酸化物イオン（Ｏ^2-）が生成され、当該酸化物イオンが電解質を透過してアノード電極で水素や一酸化炭素と反応することにより電気エネルギが得られる。各単セルにおいて電気化学反応（発電）に使用されなかったアノードガス（以下、「アノードオフガス」という）およびカソードガス（以下、「カソードオフガス」という）は、各単セルのアノードガス通路やカソードガス通路から上方の燃焼部２５へと流出する。

各単セルから燃焼部２５に流入したアノードオフガスは、水素や一酸化炭素等の燃料成分を含む可燃性ガスであり、各単セルから燃焼部２５に流入した酸素を含むカソードオフガスと混合される。以下、アノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガスを「オフガス」という。そして、着火ヒータ２６により点火させられて燃焼部２５でオフガスが着火すると、当該オフガスの燃焼により、燃料電池スタック２１の作動や、気化器２２での原燃料ガスの予熱や水蒸気の生成、改質器２３での水蒸気改質反応等に必要な熱が発生することになる。また、燃焼部２５では、未燃燃料や水蒸気を含む燃焼排ガスが生成され、当該燃焼排ガスは、燃焼触媒２７を介して凝縮用熱交換器６２へ供給される。燃焼触媒２７は、燃焼排ガス中の未燃燃料を再燃焼させるための酸化触媒である。更に、燃焼触媒２７が設けられたガス通路には、燃焼触媒２７を暖機するための触媒ヒータ２８や、燃焼排ガスの温度Ｔ８を検出する図示しない温度センサが設置されている。

原燃料ガス供給装置３０は、原燃料ガスを供給する原燃料供給源１と気化器２２とを接続する原燃料ガス供給管３１と、当該原燃料ガス供給管３１に設置された開閉弁（２連弁）３２，３３、オリフィス３４、ガスポンプ３５および脱硫器３６とを有する。原燃料ガスは、ガスポンプ３５を作動させることで、原燃料供給源１から脱硫器３６を介して気化器２２へと圧送（供給）される。脱硫器３６は、例えば常温脱硫式の脱硫器として構成される。また、原燃料ガス供給管３１の開閉弁３３とオリフィス３４との間には、原燃料ガス供給管３１内の圧力を検出する圧力センサ３７や、原燃料ガス供給管３１を流れる原燃料ガスの単位時間当りの流量（ガス流量Ｑｇ）を検出する流量センサ３８が設置されている。

改質水供給装置４０は、改質水を貯留する改質水タンク４２と、改質水タンク４２と気化器２２とを接続する改質水供給管４１と、改質水供給管４１に設置された改質水ポンプ４３とを有する。改質水タンク４２内の改質水は、改質水ポンプ４３を作動させることで、当該改質水ポンプ４３により気化器２２へと圧送（供給）される。改質水タンク４２には、当該改質水タンク４２内の改質水の水位を検出する図示しない水位センサ（フロートスイッチ）が設置されている。

エア供給装置５０は、モジュールケース２９内に形成されたエア通路に接続されるエア供給管５１と、エア供給管５１の入口に設けられたエアフィルタ５２と、エア供給管５１に設置されたエアポンプ５３とを有する。エアポンプ５３を作動させることで、カソードガスとしてのエアは、エアフィルタ５２を介してエア供給管５１に吸引され、モジュールケース２９内のエア通路を経て各燃料電池スタック２１（カソード電極）へと圧送（供給）される。

凝縮水生成装置６０は、湯水（水道水）を貯留する蓄熱タンク７０と、発電モジュール２０の燃焼部２５で生成された燃焼排ガスと蓄熱タンク７０の湯水とを熱交換する凝縮用熱交換器６２と、蓄熱タンク７０と凝縮用熱交換器６２とを接続する循環配管６１と、循環配管６１に設置された循環ポンプ６４と、循環配管６１の凝縮用熱交換器６２と循環ポンプ６４との間に設置されたラジエータ６５とを有する。凝縮用熱交換器６２は、例えば伝熱プレートを隔てて燃焼排ガスと湯水とがそれぞれ流動するよう流路が形成されたプレート式の熱交換器として構成されている。凝縮用熱交換器６２の湯水側の流路は、循環配管６１を介して蓄熱タンク７０に接続され、蓄熱タンク７０内に貯留されている湯水は、循環ポンプ６４を作動させることで、凝縮用熱交換器６２へと導入され、凝縮用熱交換器６２で燃焼排ガスとの熱交換によって昇温させられた後、蓄熱タンク７０へと返送される。凝縮用熱交換器６２で湯水との熱交換によって燃焼排ガス中の水蒸気が凝縮し、これにより凝縮水が生成される。

また、凝縮用熱交換器６２の燃焼排ガス側の流路は、凝縮水配管６６を介して改質水タンク４２に接続されており、燃焼排ガス中の水蒸気が凝縮することにより生成された凝縮水は、当該凝縮水配管６６を介して改質水タンク４２内へと導入される。なお、凝縮水配管６６には、図示しない水精製器が設置され、凝縮用熱交換器６２で生成された凝縮水は、改質水タンク４２へ導入される前に当該水精製器により精製される。更に、凝縮用熱交換器６２の燃焼排ガス側の流路は、燃焼排ガス排出管６７に接続されている。発電モジュール２０の燃焼部２５から排出されて凝縮用熱交換器６２で水分が除去された排気ガスは、燃焼排ガス排出管６７を介して大気中に排出される。

また、改質水タンク４２には、給水配管４５を介して図示しない給水源からの給水ポート１５が接続されている。給水配管４５には、開閉弁４６が設置されており、開閉弁４６を開弁することにより、給水源からの水道水は、当該給水配管４５を介して改質水タンク４２へと導入される。なお、給水配管４５の開閉弁４６と改質水タンク４２との間には逆流を防止するための図示しない逆止弁が設置されている。また、給水配管４５の開閉弁４６と改質水タンク４２との間には、図示しない水精製器が設置され、給水ポート１５から導入された水道水は、改質水タンク４２へ導入される前に当該水精製器により精製される。これにより、発電システム１０の運転開始時や、システム運転中に改質水が不足したときに、改質水タンク４２へ改質水を補給することができる。

蓄熱タンク７０は、凝縮用熱交換器６２よりも高い位置に設置され、図２に示すように、断熱性を有するタンク本体７１と、タンク本体７１の上部に設けられた常時開放の大気開放口７２と、タンク本体７１の水位を検出する水位センサ７４とを有する。タンク本体７１の略中央には、水平方向に延在する邪魔板７３が設置されている。邪魔板７３は、タンク本体７１の内部空間を上下に区画するように設置され、貯留されている湯水の温度成層を維持する。

水位センサ７４は、本実施形態においては、２つのフロート（第１および第２フロート７４ａ，７４ｂ）と、対応するフロートの位置を検出する３つのスイッチ（第１～第３スイッチＬＳＷＬｏｗ，ＬＳＷＨｉｇｈ，ＨＳＷ）とを有するフロート式の水位センサとして構成されている。第１フロート７４ａは、蓄熱タンク７０の水位制御範囲の上限位置と下限位置との間を上下するように設置され、第１スイッチＬＳＷＬｏｗは、第１フロート７４ａが下限位置に到達するとオンし、第２スイッチＬＳＷＨｉｇｈは、第１フロート７４ａが上限位置に到達するとオンするように設置される。また、第２フロート７４ｂは、第１フロート７４ａよりも高い位置と満水位置（大気開放口７２よりも若干低い位置）との間を上下するように設置され、第３スイッチＨＳＷは、第２フロート７４ｂが満水位置に到達するとオンするように設置される。

熱供給装置８０は、外部装置として暖房装置（例えば温水式床暖房装置）からの加熱対象媒体（例えばロングライフクーラント（ＬＬＣ））と蓄熱タンク７０からの湯水とを熱交換する加熱用熱交換器８２と、蓄熱タンク７０と加熱用熱交換器８２とを接続する循環配管８３と、循環配管８３に設置された循環ポンプ８４とを有する。加熱用熱交換器８２は、例えば伝熱プレートを隔てて湯水と加熱対象媒体とがそれぞれ流動するよう流路が形成されたプレート式の熱交換器として構成されている。加熱用熱交換器８２の湯水側の流路は、循環配管８１を介して蓄熱タンク７０に接続され、蓄熱タンク７０内に貯留されている湯水は、循環ポンプ８４を作動させることで、加熱用熱交換器８２へと導入され、加熱用熱交換器８２で加熱対象媒体との熱交換によって冷却させられた後、蓄熱タンク７０へと返送される。加熱用熱交換器８２における加熱対象媒体側の流路には、導入ポート１６ａおよび導出ポート１６ｂを介して外部装置が接続され、外部装置から導入ポート１６ａを介して導入された加熱対象媒体は、加熱用熱交換器８２で湯水との熱交換によって加熱させられた後、導出ポート１６ｂを介して外部装置へと返送される。

蓄熱タンク７０には、給水配管７５を介して上述した給水ポート１５が接続されている。給水配管７５には、開閉弁７６が設置されており、開閉弁７６を開弁することにより、給水源からの水道水は、当該給水配管７５を介して蓄熱タンク７０へと導入される。なお、給水配管７５の開閉弁７６と蓄熱タンク７０との間には逆流を防止するための図示しない逆止弁が設置されている。これにより、システム運転中に蓄熱タンク７０の水位が下がったときに、蓄熱タンク７０へ水道水を補給することができる。

燃料電池スタック２１の出力端子には、パワーコンディショナ９５の入力端子が接続され、当該パワーコンディショナ９５の出力端子には、図示しないリレーを介して電力系統２から負荷４への電力ライン３に接続される。パワーコンディショナ９５は、燃料電池スタック２１から出力された直流電圧を所定電圧（例えば、ＤＣ２５０Ｖ～３００Ｖ）に変換するＤＣ／ＤＣコンバータや、変換された直流電圧を電力系統２と連系可能な交流電圧（例えば、ＡＣ２００Ｖ）に変換するインバータを有する。燃料電池スタック２１の出力端子には、当該燃料電池スタック２１から出力される電流Ｉを検出する図示しない電流センサが設けられ、燃料電池スタック２１の出力端子間には、燃料電池スタック２１の端子間電圧を検出する図示しない電圧センサが設けられている。

パワーコンディショナ９５から分岐した電力ラインには電源基板９６が接続されている。電源基板９６は、燃料電池スタック２１からの直流電圧や電力系統２からの交流電圧を補機類の作動に適した直流電圧に変換して当該補機類に供給するものである。実施形態では、補機類としては、換気ファン１４や開閉弁３２，３３，４６，７６、ガスポンプ３５、改質水ポンプ４３、エアポンプ５３、循環ポンプ６４，８４などを挙げることができる。

制御装置９０は、ＣＰＵ９１を中心としたマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ９１の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ９２と、データを一時的に記憶するＲＡＭ９３と、計時を行なうタイマ９４と、図示しない不揮発性メモリと、図示しない入出力ポートと、を備える。制御装置９０には、圧力センサ３７や流量センサ３８、温度センサ１０１，１０４，水位センサ７４などからの各種検出信号が入力ポートを介して入力されている。また、制御装置９０からは、換気ファン１４のファンモータや開閉弁３２，３３，４６，７６のソレノイド、ガスポンプ３５のポンプモータ、改質水ポンプ４３のポンプモータ、エアポンプ５３のポンプモータ、循環ポンプ６４，８４のポンプモータ、ラジエータ６５（ラジエータファン）のファンモータ、パワーコンディショナ９５のＤＣ／ＤＣコンバータやインバータ、電源基板９６、着火ヒータ２６、触媒ヒータ２８、所定の警告表示を行なう表示装置９９などへの各種制御信号が出力ポートを介して出力されている。

次に、こうして構成された本実施形態の発電システム１０の動作について説明する。制御装置９０のＣＰＵ９１は、システムが起動し、発電が要求されると、要求される発電出力に応じた目標電流Ｉｔａｇが燃料電池スタック２１から出力されるよう原燃料ガス、改質水およびエア（空気）の供給量を制御して発電を行なう。原燃料ガスの供給量の制御は、目標電流Ｉｔａｇに基づいて所定の燃料利用率Ｕｆとなるように目標ガス流量Ｑｇｔａｇを設定し、流量センサ３７ｂにより検出されるガス流量Ｑｇが設定した目標ガス流量Ｑｇｔａｇに一致するようガスポンプ３５を制御することにより行なわれる。改質水の供給量の制御は、改質器２３におけるスチームカーボン比ＳＣ（原燃料ガス中の炭化水素に含まれる炭素と水蒸気改質のために添加される水蒸気とのモル比）が予め定められた目標比ＳＣｔａｇに一致するように目標ガス流量Ｑｇｔａｇに基づいて目標改質水流量Ｑｗｔａｇを設定し、設定した目標改質水流量Ｑｗｔａｇの改質水が供給されるよう改質水ポンプ４３を制御することにより行なわれる。エアの供給量の制御は、温度センサ１０４により検出される温度Ｔ４が予め定められた目標温度Ｔ４ｔａｇに一致するようにフィードバック制御により目標エア流量Ｑａｔａｇを設定し、設定した目標エア流量Ｑａｔａｇのエアが供給されるようエアポンプ５３を制御することにより行なわれる。

次に、システムの運転中に、凝縮用熱交換器６２や加熱用熱交換器８２の状態を判定する際の動作について説明する。図３は、制御装置９０のＣＰＵ９１により実行される熱交換器状態判定処理の一例を示すフローチャートである。この処理は、システムが起動された後、当該システムが停止されるまで実行される。

熱交換器状態判定処理では、制御装置９０のＣＰＵ９１は、まず、システム累積運転時間Ｔの前回値（前回Ｔ）を値０に初期化すると共に（ステップＳ１００）、タイマ９４をスタートさせてシステム累積運転時間の今回値（今回Ｔ）の計測を開始する（ステップＳ１１０）。

続いて、水位センサ７４の第１スイッチＬＳＷＬｏｗがオンであるか否かを判定する（ステップＳ１２０）。第１スイッチＬＳＷＬｏｗがオンでないと判定すると、ステップＳ１２０に戻る。一方、第１スイッチＬＳＷＬｏｗがオンであると判定すると、第１フロート７４ａが水位制御範囲の下限位置に到達しており、蓄熱タンク７０の水位が下限位置まで低下したと判断する。この場合、システム累積運転時間の今回値（今回Ｔ）がその前回値（前回Ｔ）よりも小さく、且つ、前回Ｔから今回Ｔを減じた偏差（前回Ｔ－今回Ｔ）が所定値Ｔｒｅｆ未満であるか否かを判定する（ステップＳ１３０）。この処理は、後述するステップＳ１４０で今回実行する給水制御（補給制御）の実行時間間隔が前回実行した給水制御の実行時間間隔よりも短くなったか否かを判定するものであり、これによって、凝縮用熱交換器６２に異常が生じていないかを判定する。詳細については後述する。なお、システム起動してから最初に第１スイッチＬＳＷＬｏｗがオンしたときには、ステップＳ１００で前回Ｔには値０が設定されているため、今回Ｔは前回Ｔよりも必ず大きくなり、ステップＳ１３０の判定は否定的な判定（「Ｎｏ」）となる。

ステップＳ１３０の判定が否定的な判定（「Ｎｏ」）である場合には、開閉弁７６を開弁することにより、蓄熱タンク７０の低下した水位を回復させるために当該蓄熱タンク７０へ給水する給水制御を開始する（ステップＳ１４０）。そして、給水制御を実行したまま状態で、第２スイッチＬＳＷＨｉｇｈがオンとなるまで待ち（ステップＳ１５０）、第２スイッチＳＷＨｉｇｈがオンすると、開閉弁７６を閉弁することにより給水制御を終了する（ステップＳ１６０）。これにより、水位制御範囲の下限位置まで低下した蓄熱タンク７０の水位は、給水制御によって水位制御範囲の上限位置まで回復することとなる。上述したように、蓄熱タンク７０の上部には、大気開放口７２が設けられており、蓄熱タンク７０の水位は、蓄熱タンク７０内の湯水の自然蒸発により時間の経過と共に徐々に低下していく。このため、本実施形態では、定期的に給水制御を実行することで、蓄熱タンク７０の水位を水位制御範囲内に維持するようにした。給水制御を終了すると、今回Ｔを前回Ｔに記憶すると共に（ステップＳ１７０）、タイマ９４をリセットしてからスタートすることにより今回Ｔの計測を新たに開始し（ステップＳ１８０）、システムの運転を正常復帰させて（ステップＳ１９０）、ステップＳ１２０に戻る。

ステップＳ１３０の判定が肯定的な判定（「ＹＥＳ」）である場合には、凝縮用熱交換器６２に異常が生じていると判定する（ステップＳ２００）。そして、その判定結果を表示装置９９やシステムの設置宅の屋内に設置された図示しないリモートコントローラに出力（表示）すると共に（ステップＳ２１０）、システムの運転を停止して（ステップＳ２２０）、熱交換器状態判定処理を終了する。上述したように、本実施形態では、蓄熱タンク７０の水位は水の自然蒸発により徐々に低下するため、給水制御は、通常は、ある一定の時間間隔で実行されることとなる。しかし、凝縮用熱交換器６２が破損して破損箇所から水漏れが発生すると、大気開放口７２から内部の負圧が逃げることで、凝縮用熱交換器６２よりも高い位置に設置された蓄熱タンク７０の水位は、水の自然蒸発よりも速いスピードで低下する。すなわち、凝縮用熱交換器６２に異常が生じた場合の給水制御の実行時間間隔は、水漏れがない場合に比して短くなる。本実施形態では、ステップＳ１３０により給水制御の実行時間間隔を監視することで、水漏れ発生の有無を判定することができ、凝縮用熱交換器６２の異常を適正に判定することが可能となる。

以上説明した本実施形態の発電システム１０では、凝縮用熱交換器６２に循環配管６１を介して接続される蓄熱タンク７０の上部に大気開放口７２が設けられると共に、蓄熱タンク７０の水位を検出する水位センサ７４が設けられたものにおいて、水位センサ７４により蓄熱タンク７０の水位が水位制御範囲の下限位置に達したことが検出されると、水位制御範囲の上限位置に回復するまで蓄熱タンク７０へ給水する給水制御を実行する。そして、給水制御の実行時間間隔を監視し、今回実行する給水制御の実行時間間隔が前回実行した給水制御の実行時間間隔よりも所定値Ｔｒｅｆ以上短縮されたか否かに基づいて凝縮用熱交換器６２に異常（破損など）が生じたか否かを判定する。この結果、簡易な構成により、凝縮用熱交換器６２の異常を判定することが可能となる。

図４は、第２実施形態の発電システムの概略構成図である。第２実施形態の発電システム１１０は、図４に示すように、熱供給装置１８０として、加熱対象媒体として水道水を加熱用熱交換器８２で加熱して出湯する給湯装置を備えるものである。この第２実施形態の発電システム１１０では、加熱用熱交換器８２の加熱対象媒体側の流路の一端には、給水ポート１５が接続され、加熱対象媒体側の流路の他端には、導出ポート１６ｂが接続される。これにより、給水源から給水ポート１５を介して導入された水道水（加熱対象媒体）は、加熱用熱交換器８２で蓄熱タンク７０の湯水との熱交換により加熱させられた後、導出ポート１６ｂから出湯される。この第２実施形態の発電システム１１０では、凝縮用熱交換器６２の状態の判定に加えて、加熱用熱交換器８２の状態判定も行なうことが可能である。

図５は、第２実施形態に係る熱交換器状態判定処理の一例を示すフローチャートである。図５の熱交換器状態判定処理の各処理のうち図３の熱交換器状態判定処理と同一の処理については同一のステップ番号を付し、その説明は重複するから省略する。第２実施形態に係る熱交換器状態判定処理では、制御装置９０のＣＰＵ９１は、ステップＳ１２０において、第１スイッチＬＳＷＬｏｗがオンでないと判定すると、第２スイッチＬＳＷＨｉｇｈおよび第３スイッチＨＳＷのいずれもがオンであるか否かを判定する（ステップＳ２３０，Ｓ２４０）。第２スイッチＬＳＷＨｉｇｈがオンでないと判定したり、第２スイッチＬＳＷＨｉｇｈがオンであっても第３スイッチＨＳＷがオンでないと判定すると、ステップＳ１２０に戻る。一方、ステップＳ１３０，Ｓ１４０において第２スイッチＬＳＷＨｉｇｈおよび第３スイッチＨＳＷのいずれもがオンであると判定すると、加熱用熱交換器８２に異常が生じていると判定する（ステップＳ２５０）。そして、その判定結果を表示装置９９やシステムの設置宅の屋内に設置された図示しないリモートコントローラに出力（表示）して（ステップＳ２６０）、ステップＳ１２０に戻る。

第２実施形態では、給水ポート１５が加熱用熱交換器８２と接続されており、加熱用熱交換器８２が破損して、給水ポート１５からの水道水が循環配管６１側に流入すると、水圧によって蓄熱タンク７０の水位が上昇し、やがて、蓄熱タンク７０が満水状態に至る。
このため、第３スイッチＨＳＷによって蓄熱タンク７０が満水状態に至ったか否かを監視することで、加熱用熱交換器８２の異常を判定することが可能となる。

図６は、第３実施形態の発電システムの概略構成図である。第３実施形態の発電システム２１０は、図６に示すように、熱供給装置を備えないモノジェネレーションシステムとして構成されるものである。このシステムにおいても、蓄熱タンク７０への給水制御の実行時間間隔を監視することで、簡易な構成により、凝縮用熱交換器６２の異常の有無を判定することが可能となる。また、本実施形態の発電システムでは、熱供給装置の有無によってモノジェネレーションシステムとコージェネレーションシステムを双方に対応することができ、部品の共通化等によりコスト低減を図ることができる。

図７は、第４実施形態の発電システムの概略構成図である。第４実施形態の発電システム３１０は、蓄熱タンク７０と凝縮用熱交換器６２との間を循環させる熱交換液体としてロングライフクーラント（ＬＬＣ）を用いたものである。この第４実施形態の発電システム３１０では、蓄熱タンク７０よりも高い位置に設置されると共にＬＬＣの酸化や蒸発を防止するための酸化防止液を貯留する酸化防止液タンク３７７と、酸化防止液タンク３７７と蓄熱タンク７０とを接続する供給配管３７５と、供給配管３７５に設置された開閉弁３７６とを有する。制御装置９０のＣＰＵ９１は、システム運転中に予め定められた所定時間（例えば数ヶ月）が経過する度に開閉弁３７６が開弁するよう制御する。これにより、ＬＬＣの定期交換を不要とすることができ、メンテナンスを低減することができる。また、ＬＬＣを用いることで、図７に示すように、外部装置からのＬＬＣを導入ポート１６ａから蓄熱タンク７０に直接導入し、蓄熱タンク７０から導出ポート１６ｂから直接導出することができるため、より簡易な構成のコージェネレーションシステムを構築することが可能となる。更に、凝縮用熱交換器６２やラジエータ６５、配管等の耐食性が向上したり、凝縮用熱交換器６２の冷却性能の向上によりラジエータ６５のファンを小型化したりすることが可能となる。

図８は、第４実施形態に係る熱交換器状態判定処理の一例を示すフローチャートである。第４実施例に係る熱交換器状態判定処理では、制御装置９０のＣＰＵ９１は、まず、水位センサ７４の第１スイッチＬＳＷＬｏｗがオンとなるまで待つ（ステップＳ３００）。第１スイッチＬＳＷＬｏｗがオンとなったと判定すると、凝縮用熱交換器６２に異常が生じていると判定する（ステップＳ３１０）。そして、その判定結果を表示装置９９やシステムの設置宅の屋内に設置された図示しないリモートコントローラに出力（表示）すると共に（ステップＳ３２０）、システムの運転を停止して（ステップＳ３３０）、熱交換器状態判定処理を終了する。第４実施形態では、蓄熱タンク７０に定期交換が不要なＬＬＣを貯留させているため、通常、蓄熱タンク７０の水位が低下することはないが、凝縮用熱交換器６２が破損して破損箇所から水漏れが生じると、蓄熱タンク７０の水位は低下する。したがって、第４実施形態では、第１スイッチＬＳＷＬｏｗがオンしたとき（蓄熱タンク７０の水位が下限位置に達したとき）に、凝縮用熱交換器６２に異常が生じていると判定することができる。

なお、第４実施形態の発電システム３１０では、コージェネレーションシステムとして構成されたが、図９の第５実施形態の発電システム４１０に示すように、蓄熱タンク７０にＬＬＣを用いたモノジェネレーションシステムとして構成されてもよい。

上述した実施形態では、蓄熱タンク７０の上部に常時開放の大気開放口７２が設けられたが、大気開放口７２を開閉する開閉弁が更に設けられてもよい。この場合、例えば、通常運転時は、大気開放口７２を閉鎖しておき、凝縮用熱交換器６２の異常を判定する場合に、大気開放口７２を開放し、水位センサ７４の第１スイッチＬＳＷＨｉｇｈがオンするまで（蓄熱タンク７０の水位が水位制御範囲の上限位置に到達するまで）蓄熱タンク７０に給水した後、水位センサ７４の第２スイッチＬＳＷＬｏｗがオンするまでの所要時間を監視し、当該所要時間と予め定めた基準時間とを比較することで凝縮用熱交換器６２の異常の有無を判定するようにすればよい。

上述した実施形態では、本発明の発電システムを燃料電池システムに適用して説明したが、これに限定されるものではなく、発電装置からの排熱を熱交換する熱交換器を備えるものであれば、如何なる発電システム（例えばエンジンと発電機とを備えるエンジンシステム）に適用されてもよい。

実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施形態では、燃料電池スタック２１が「発電装置」に相当し、循環配管６１が「第１循環路」に相当し、循環ポンプ６４が「第１ポンプ」に相当し、凝縮用熱交換器６２が「排熱処理用熱交換器」に相当し、蓄熱タンク７０が「タンク」に相当し、給水配管７５と開閉弁７６とが「熱交換液体補給装置」に相当し、水位センサ７４が「液位センサ」に相当し、図３の熱交換器状態判定処理のステップＳ１３０の処理を実行する制御装置９０のＣＰＵ９１が「判定部」に相当する。熱交換器状態判定処理のステップＳ１４０～Ｓ１６０の処理を実行する制御装置９０のＣＰＵ９１が「制御部」に相当する。また、循環配管８１が「第２循環路」に相当し、循環ポンプ８４が「第２ポンプ」に相当し、加熱用熱交換器８２が「加熱用熱交換器」に相当する。また、供給配管３７５と開閉弁３７６と酸化防止液タンク３７７とが「添加剤供給装置」に相当し、図８の熱交換器状態判定処理を実行する制御装置９０のＣＰＵ９１が「判定部」に相当する。また、改質器２３が「改質器」に相当し、燃料電池スタック２１が「燃料電池」に相当し、燃焼部２５が「燃焼部」に相当する。

なお、実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施形態が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段
の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施形態は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、発電システムの製造産業などに利用可能である。

１ 原燃料供給源、２ 電力系統、３ 電力ライン、４ 負荷、１０，１１０，２１０，３１０，４１０ 発電システム、１２ 筐体、１２ａ 吸気口、１２ｂ 排気口、１４ 換気ファン、１５ 給水ポート、１６ａ 導入ポート、１６ｂ 導出ポート、２０ 発電モジュール、２１ 燃料電池スタック、２２ 気化器、２３ 改質器、２４ マニホールド、２５ 燃焼部、２６ 着火ヒータ、２７ 燃焼触媒、２８ 触媒ヒータ、２９ モジュールケース、３０ 原燃料ガス供給装置、３１ 原燃料ガス供給管、３２，３３ 開閉弁、３４ オリフィス、３５ ガスポンプ、３６ 脱硫器、３７ 圧力センサ、３７ｂ 流量センサ、３８ 流量センサ、４０ 改質水供給装置、４１ 改質水供給管、４２ 改質水タンク、４３ 改質水ポンプ、４５ 給水配管、４６ 開閉弁、５０ エア供給装置、５１ エア供給管、５２ エアフィルタ、５３ エアポンプ、６０ 凝縮水生成装置、６１ 循環配管、６２ 凝縮用熱交換器、６４ 循環ポンプ、６５ ラジエータ、６６ 凝縮水配管、６７ 燃焼排ガス排出管、７０ 蓄熱タンク、７１ タンク本体、７２ 大気開放口、７３ 邪魔板、７４ 水位センサ、７４ａ 第１フロート、７４ｂ 第２フロート、７５ 給水配管、７６ 開閉弁、８０ 熱供給装置、８１ 循環配管、８２ 加熱用熱交換器、８３ 循環配管、８４ 循環ポンプ、９０ 制御装置、９１ ＣＰＵ、９２ ＲＯＭ、９３ ＲＡＭ、９４ タイマ、９５ パワーコンディショナ、９６ 電源基板、９９ 表示装置、１０１，１０４ 温度センサ、１８０ 熱供給装置、３７５ 供給配管、３７６ 開閉弁、３７７ 酸化防止液タンク、ＬＳＷＬｏｗ 第１スイッチ、ＬＳＷＨｉｇｈ 第２スイッチ、ＨＳＷ 第３スイッチ。

Claims (5)

1. 排熱の発生を伴って発電する発電装置と、
   熱交換液体が循環する第１循環路と、
   前記第１循環路に組み込まれ、前記熱交換液体を圧送する第１ポンプ、
   前記第１循環路に組み込まれ、前記発電装置からの排熱と前記熱交換液体との熱交換を行なう排熱処理用熱交換器と、
   前記第１循環路に組み込まれ、前記熱交換液体を貯留すると共に上部に大気開放口を有するタンクと、
   前記タンクに前記熱交換液体を補給する熱交換液体補給装置と、
   前記タンク内の液位を検知する液位センサと、
   前記液位センサにより検出される液位の変化時間に基づいて前記排熱処理用熱交換器に異常が生じているか否かを判定する判定部と、
   を備える発電システム。
2. 請求項１に記載の発電システムであって、
   前記液位センサにより検出される液位が第１閾値以下になったときに該第１閾値よりも大きい第２閾値以上となるまで、前記タンクに前記熱交換液体が補給されるよう前記熱交換液体補給装置を制御する補給制御を実行する制御部を備え、
   前記判定部は、前記補給制御の実行時間間隔を計測し、該計測した補給制御の実行時間間隔が通常よりも所定時間以上短くなる場合に、前記排熱処理用熱交換器に異常が生じていると判定する、
   発電システム。
3. 請求項１または２に記載の発電システムであって、
   前記タンクに接続され、前記熱交換液体が循環する、前記第１循環路とは異なる第２循環路と、
   前記第２循環路に組み込まれ、前記熱交換用液体を圧送する第２ポンプと、
   前記第２循環路に組み込まれ、前記熱交換用液体とシステム外に供給される加熱対象媒体との熱交換を行なう加熱用熱交換器と、
   を備える発電システム。
4. 排熱の発生を伴って発電する発電装置と、
   熱交換液体としてロングライフクーラント（ＬＬＣ）が循環する循環路と、
   前記循環路に組み込まれ、前記熱交換液体を圧送するポンプと、
   前記循環路に組み込まれ、前記発電装置からの排熱と前記熱交換液体との熱交換を行なう排熱処理用熱交換器と、
   前記循環路に組み込まれ、前記熱交換液体を貯留すると共に上部に大気開放口を有するタンクと、
   所定のタイミングで前記タンクに添加剤を供給する添加剤供給装置と、
   前記タンク内の液位を検知する液位センサと、
   前記液位センサにより検出される液位が第１閾値以下となったときに、前記排熱処理用熱交換に異常が生じていると判定する判定部と、
   を備える発電システム。
5. 請求項１ないし４いずれか１項に記載の発電システムであって、
   前記発電装置は、水蒸気改質により原燃料ガスを燃料ガスに改質する改質器と、前記燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、前記燃料電池のオフガスを燃焼させる燃焼部と、を有し、
   前記排熱処理用熱交換器は、前記燃焼部からの燃焼排ガスを凝縮して前記水蒸気改質に必要な水を生成する、
   発電システム。

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