JP4286186B2 - コージェネレーションシステム及びその運転制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば燃料電池やガスエンジン等を備えたコージェネレーションシステムと、その運転制御方法に関する。

例えば燃料電池によるコージェネレーションシステム（ガスエンジンコージェネレーションシステムであっても良い）を保有する家庭において、家庭内のガス機器（気体燃料である都市ガスを消費する燃料消費機器）を一切使用せず、当該家庭内の電力負荷が比較的安定している場合には、当該家庭全体のガス使用量（気体燃料である都市ガスの使用量、すなわち、燃料消費量）は燃料電池によるものだけとなる。そのため、当該家庭におけるガス使用量は一定に近い幅の変動で継続する、換言すれば、当該家庭におけるガス使用量の変動量はかなり小さくなることが予想される。

図４は、燃料電池１と、例えば前記燃料電池１の排熱を蓄えるが、バーナー等の加熱器を備えて、蓄えた排熱をさらに加熱できる貯湯槽（熱源機）３及び運転制御用パネル４を備えた温水供給システム２と、その温水供給システム２の温水を利用する床暖房パネル５と、床暖房パネル５を制御する床暖房コントローラ６とを供えたコージェネレーションシステムである。当該システムには、燃料電池及び前記貯湯槽（熱源機）３へのガス供給ラインＰ（気体燃料である都市ガス供給系統）に「マイコンメータ」と称されるガスメータ７が介装されている。

マイコンメータと呼ばれる現在のガスメータ７は、ガス漏れ時（燃料漏洩時）にガス（気体燃料）の供給を自動遮断する機能を有している。例えば、図５に示すように、ガス消費量における変動が、一定時間（例えば３０秒毎）に所定の変化率（例えば１分間当たり６％の変化率）以下（ｑ≦０．０６Ｑ：ｑはそれまでの消費量Ｑに対する変化率）である場合は、ガス消費量は一定値と見做す。そして、ガス消費量が一定値と見做された状態が、マイコン内の設定時間（Ｔｘ）以上経過すると、ガスメータ７（マイコンメータ）は「燃料（気体燃料である都市ガス）の漏洩が生じている」と判断する。その結果、メータ内の遮断弁が自動的に閉じ、燃料（気体燃料である都市ガス）の供給が遮断（図５のＤ）されてしまう。

ここで、上述した様に、燃料電池以外の機器（燃料を消費する機器：例えば、気体燃料である都市ガスを消費する機器）を使用しない場合や、床暖房と燃料電池のみを使用する場合では、燃料であるガスの漏洩が生じていなくても、ガスの消費量（燃料消費量）が一定になる。そして、ガスの消費量（燃料消費量）が一定となり、ガス消費量（燃料消費量）の変動幅が小さくなると、ガスメータ７（マイコンメータ）は「燃料（気体燃料である都市ガス）の漏洩が生じている」と判断して、メータ内の遮断弁が自動的に閉じ、燃料（例えば、気体燃料である都市ガス）の供給が遮断されてしまう。
燃料である都市ガスの供給が遮断されることによって、燃料電池が運転可能であるにもかかわらず、燃料電池が突然停止してしまう事態が起こりうる。特に、冬季における床暖房使用時は、前記マイコンの設定時間が燃料（例えば、都市ガス）流量増によって短く設定されているので、短時間で停止してしまうと言う問題を生じる。

ここで、燃料電池を運転する場合に、計画外の燃料電池の停止は、省エネ性の低下の原因や、機器の耐久性への影響に繋がるため、抑制するべきである。
しかし、ガスメータ７（マイコンメータ）が上述した様な制御を行っている従来技術では、燃料電池以外のガス機器（燃料消費機器）を使用しない場合や、床暖房と燃料電池のみを使用する場合に、ガスメータ７（マイコンメータ）が気体燃料であるガスの漏洩が生じている旨の判断をしてしまい、燃料ガス（気体燃料）の供給を遮断してしまう（誤作動してしまう）ので、燃料電池が計画外に停止してしまう恐れが存在する。

コントローラの運転・停止の時間幅をメータ遮断の閾値の時間以下にすることで、床暖房使用時の自動メータ遮断を抑制する技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。
しかしながら、その技術では、燃料電池の使用は想定されておらず、燃料電池を使用しただけガス消費量（燃料消費量）が上乗せされる分、メータマイコン内の設定時間のレンジが異なるものが適用されるため、そのままではガスメータの遮断が抑制されないことが起こりうる。

一方、燃料電池コージェネレーションを例にとれば、燃料電池は起動時に水素製造のため改質器の温度を上昇させる必要があり、電気及び／又はガスバーナにより加熱しなくてはならない。即ち、例えば、燃料電池を備えた家庭において、当該燃料電池を稼動させている場合等、ある程度の電力消費が増加することとなる。

図６の電力消費量の経時変化を示した特性図に示す如く、起動時エネルギ電力Ｅｓにより、電力消費量が増加することは、家庭の電力負荷が契約電力ＷＬ付近、例えば、４０Ａ契約の場合、３８Ａ（＝約３．８ｋＷ）消費している場合、起動電力Ｅｓ分の電力消費が起こるので、契約電力を超えてしまう（図６においてハッチングを施した領域ΔＥ）ことになり、その状態が或る時間以上継続するために、家庭用分電記のブレーカーが落ちてしまい、結局、燃料電池も停止を余儀なくされる。

従来技術において、コージェネレーションシステム（例えば、燃料電池コージェネレーションシステム）の起動エネルギ量を軽減する技術が提案されている（特許文献２参照）。
しかしながら、起動エネルギにより、家庭用ブレーカーが落ちてしまう現象を抑止する運転制御方法は未だ提案されていない。
特開平１１−２４８１７２号公報 特開２００４−３９４３０号公報

本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、燃料（例えば、気体燃料である都市ガス）の消費量が一定ではあるが、燃料の漏洩が発生していない状態であるにも拘らず、燃料が漏洩していると誤判断されてしまうこと（燃料が都市ガスであれば、いわゆる「ガス漏れ」と誤判断されてしまうこと）を確実に防止することが出来るコージェネレーションシステム及びその運転制御方法の提供を目的としている。

本発明のコージェネレーションシステムは、ガス漏洩時にガスの供給を自動遮断する機能を有するガスメータ（７）を介して燃料ガスを供給されるコージェネレーションシステムであって、燃料により熱及び電気を出力する手段（１）と、前記燃料により熱及び電気を出力する手段（１）からの排熱を蓄える貯湯槽と、前記貯湯槽内の水を加熱する熱源機（３）と、前記熱及び電気を出力する手段（１）におけるガスメータ（７）と、前記熱源機（３）におけるガスメータ（７）と、前記熱及び電気を出力する手段（１）における燃料消費量と、前記熱源機（３）における燃料消費量との合計の変動率が所定値未満の状態である時間を計測するタイマと、制御手段（４）とを有しており、該制御手段（４）は、前記タイマでの計測時間が閾値以上連続した場合に、前記熱源機（３）の出力を低減する制御を行う様に構成されていることを特徴としている（請求項１）。

また、本発明のコージェネレーションシステムの運転制御方法は、ガス漏洩時にガスの供給を自動遮断する機能を有するガスメータ（７）を介して燃料ガスを供給されるコージェネレーションシステムの運転制御方法であって、燃料により熱及び電気を出力する手段（１）による燃料消費量と、前記燃料により熱及び電気を出力する手段（１）からの排熱を蓄える貯湯槽内の水を加熱する熱源機（３）による燃料消費量との合計値を求める工程（Ｓ３）と、該合計値の変動率を求める工程（Ｓ４）と、前記熱及び電気を出力する手段（１）における燃料消費量と前記熱源機（３）における燃料消費量との合計の変動率が所定値未満の状態である時間を計測する工程（Ｓ２）と、前記変動率が所定値未満の状態が閾値以上連続した場合に、前記熱源機（３）の出力を低減する工程（Ｓ７）、とを有することを特徴としている（請求項２）。

本発明を実施する前提として、燃料の供給量（熱及び電気を出力する手段１と熱源機３への供給量：例えば、家庭への都市ガス供給量）を計測する計測手段（ガスメータ７）が設置されており、該計測手段（ガスメータ７）は、燃料の消費量の変動率が所定値（例えば１分間当たり６％）未満の状態が閾値以上継続すると、（いわゆる「ガス漏れ」と判断して）燃料の供給を遮断する（例えば、燃料ガス管に設けた遮断弁により当該ガス管を閉鎖する）制御を行う（図３のフローチャートに示す制御）ように構成されている（その様な制御を行う制御手段、コンピュータ４等、を設けている）。

上述した構成及び制御方法を具備した本発明によれば、制御手段（コントロールパネル４）は、熱及び電気を出力する手段１による燃料消費量と燃料消費機器の燃料消費量との合計（ガス消費量の合計値）の変動率が所定値（例えば、ガスメータ７側が「ガス漏れ」と判定する変動率）未満の状態が閾値以上連続した場合に、熱源機３の出力を低減する（例えば、床暖房装置５を停止する：熱源機３を停止する場合を包含する）制御を行う様に構成されているので、家庭用の床暖房装置５と、燃料により熱及び電気を出力する手段（例えば、燃料電池１）とを連続運転して、その燃料消費量（例えば、ガス消費量）が一定値に近い変化量しかない場合に、ガスメータ（マイコンメータ７）による燃料供給の遮断（ガス遮断）を防止することが出来る。

上記効果は、既に市販されている燃料機器の、既存の通信回路を利用することで、大きなコスト増加もなく実現可能である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
なお、以下の実施形態では、熱及び電気を出力する機器として、燃料電池を採用し、燃料として気体燃料である都市ガスを使用する場合について説明する。

先ず、図１〜図３を参照して１実施形態を説明する。
図１〜図３の１実施形態は、燃料であるガスの使用量が一定となる場合、特に床暖房を使用している場合、における短時間でのガスメータ側のガス供給の遮断と回避するための制御方法であり、その制御に応じたシステムである。

図１において、全体を符号Ａで示すコージェネレーションシステムは、燃料電池（燃料により熱及び電気を出力する手段）１と、熱源機であるガス給湯器（燃料消費機器）３と運転制御基板であるコントロールパネル４とからなる温水供給装置２と、前記ガス給湯器３から温水熱を供給される床暖房パネル５と、前記ガス給湯器３に接続され床暖房パネル５のＯＮ，ＯＦＦ及び温度調整を行う床暖房コントローラ６と、燃料電池１及び熱源機３にガスを供給するガス供給管Ｐ１〜Ｐ３から構成されている。

前記コントロールパネル４は、燃料電池１から、例えば通信線により、家庭内電力需要値、発電量を受信している。そして、燃料電池１への発電指令値及び起動停止指令を送出している。また、コントロールパネル４は、温水供給装置内の熱源機（給湯器）３内の図示しない基板と接続され、同様に通信線によって給湯器３内の床暖房使用熱量などの情報が取得可能に構成されている。さらに、給湯器３に接続された床暖房コントローラ６の情報、設定が通信を介して可能となっている。

前記ガス供給管Ｐ１にはガスメータ７が介装されており、そのガスメータ７の下流側には分岐点Ｊが設けられ、分岐点Ｊにおいて、一方が前記燃料電池１と接続される供給管Ｐ２、他方が前記熱源機に接続されるＰ３に分岐している。なお、ガスメータ７は、燃料電池１用のガスメータとしての機能と、熱源機（給湯器）３用のガスメータとしての機能とを、併せ持つタイプとして構成されている。もちろん、燃料電池１用のガスメータと、熱源機（給湯器）３用のガスメータとを、別個に設けても良い。

前記床暖房パネル５は、温水供給ラインＴｈによって給湯器３と温水が循環可能に接続されている。

前記コントロールパネル４は燃料電池１及び熱源機３にそれぞれ制御信号ラインＬ１、Ｌ２で接続されている。

なお、明確には図示されていないが、燃料電池１及び／又は熱源機３には、ガス消費量計測器が組み込まれている。若しくは、使用熱量をサーミスタや流量計によりカウントし、ガス消費量に積算可能である。

上述した１実施形態のコージェネレーションシステムＡでは、ガスメータ７側の制御ルーチンにより「ガス漏れ」と誤判断されない様に、使用ガス量が変動しない状態が所定時間続いた場合に、床暖房を停止（或いは出力削減）して、使用ガス量（ガス消費量）を強制的に変動させる制御を行う。
以下、図３を参照して、その制御方法を説明する。

先ず、ステップＳ１において、コントロールパネル４は、燃料電池１は運転を開始したか、且つ暖房をつけているか否かを判断する。
燃料電池の運転は開始していなく、且つ暖房をつけていなければ（ステップＳ１のＮＯ）、ステップＳ１のループを繰り返し、燃料電池１の運転を開始し、且つ暖房をつけていれば（ステップＳ１のＹＥＳ）、ステップＳ２に進む。
なお、燃料電池が停止した場合は、フローチャートには記述していないが、当該制御ルーチンは終了するものとする。

ステップＳ２では、計時を開始して、ガス消費量の合計、即ち、燃料電池の運転に使われたガス消費量と床暖房に使われたガス消費量及びガス消費機器におけるガス消費量の合計をカウントする（ステップＳ３）。

次のステップＳ４では、コントロールパネル４はガス消費量の合計の変動率を演算して、次のステップＳ５に進む。

ステップＳ５では、例えば、３０秒以内に、ガス消費量の合計の変動率が所定値、例えば６％以下であるか否かを判断する。

３０秒間におけるガス消費量の変動率が所定値である１分間当たり６％以下であれば（ステップＳ５のＹＥＳ）、次のステップＳ６に進み、６％を超えていれば（ステップＳ５のＮＯ）、タイマをリセットして（ステップＳ１０）、ステップＳ２に戻り、再びステップＳ２以降を繰り返す。

ステップＳ６では、コントロールパネル４は、ガス消費量の変動率が所定値である１分間当たり６％以下の状態が所定時間ｘ分（例えば１０分）経過したか否かを判断する。
所定時間経過していなければ（ステップＳ６のＮＯ）、ステップＳ３まで戻り、ステップＳ３以降を繰り返す。所定時間経過していれば（ステップＳ６のＹＥＳ）、ステップＳ７に進み、床暖房５の停止命令を発令する。

次のステップＳ８では、床暖房の停止時間が所定時間（ｙ分、例えば３０分）経過するまで監視しており、所定時間が経過した（ステップＳ８のＹＥＳ）なら、次のステップＳ９で床暖房を再起動する。床暖房再起動の後、ステップＳ１まで戻り、再びステップＳ１以降の制御を行う。

図２のガス消費量の経時変化について、図３のフローチャートのステップと対応させて説明する。

先ず、フローチャートのステップＳ１は、図２の経過時間ｔ２とｔ３の間で行われている。即ち、経過時間ｔ３以前では燃料電池１が運転されていると共に床暖房もついている。経過時間ｔ３の直前（所定時間経過のｘ分前）のステップＳ７では、床暖房５の停止命令が発令され、ｔ３時点で、床暖房が停止される。
すると、それまで相当量あったガス使用量（Ｑ１）は大幅に減少し（Ｑ２）、その状態で経過時間ｔ４に至る。ｔ４はｔ３からｙ分経過しており（ステップＳ８のＹＥＳ）、経過時間ｔ４において床暖房は再起動される（ステップＳ９）。そして、使用ガス量はＱ１と同程度のＱ３まで増加する。ここで、ｔ３及び／又はｔ４〜ｔ５の時点でガス使用量の変動率が所定値以上となるため、「ガス漏洩」と誤判断されてしまうことが防止できる。

係る構成及び制御方法の１実施形態によれば、コントロールパネル４は、燃料電池１による燃料ガス消費量と給湯器３の燃料ガス消費量との合計（ガス消費量の合計値）の変動率が所定値（例えば、ガスメータ７側が「ガス漏れ」と判定する変動率）未満の状態が閾値以上連続した場合に、給湯器３の出力を低減する（例えば、床暖房装置５を停止する）（給湯器３を停止する場合を包含する）制御を行う様に構成されているので、家庭用の床暖房装置５と、燃料ガスにより燃料電池１とを連続運転して、そのガス消費量が一定値に近い変化量しかない場合に、ガスメータ７によるガス遮断を防止することが出来る。

上記効果は、既に市販されている燃料機器の、既存の通信回路を利用することで、大きなコスト増加もなく実現可能である。

なお、図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない。
例えば、図示の実施形態では、燃料電池コージェネレーションシステムが例示されているが、熱及び電気を発生する手段は燃料電池に限定されるものではなく、例えば、ガスエンジンの様な内燃機関等を用いることが可能である。
また、ガス消費量が一定の場合について、燃料電池と床暖房を同時に使用した場合について例示及び説明しているが、ガス使用機器についても、床暖房用の機器に限定されるものではない。
さらに、燃料は都市ガスに限定される訳ではなく、都市ガス以外の気体燃料や、石油や灯油の様な液体燃料や、固体燃料（例えば、粉粒状の石炭等）であっても良い。

本発明の１実施形態の全体構成を示すブロック図。 本発明の１実施形態に関して、ガス消費量の経時変化を説明する特性図。 本発明の１実施形態の制御方法を示す制御フローチャート。 従来技術におけるコージェネレーションシステムの全体構成を示すブロック図。 従来技術におけるコージェネレーションシステムのガス消費量の経時変化を説明する特性図。 従来技術におけるコージェネレーションシステムの電力消費量の経時変化を説明する特性図。

１・・・燃料電池
２・・・温水供給装置
３・・・熱源機
４・・・運転制御基板／コントロールユニット
５・・・床暖房パネル
６・・・床暖房コントローラ
７・・・ガスメータ／マイコンメータ
Ａ・・・コージェネレーションシステム
Ｐ１〜Ｐ３・・・ガス供給管
Ｊ・・・分岐点

Claims (2)

1. ガス漏洩時にガスの供給を自動遮断する機能を有するガスメータ（７）を介して燃料ガスを供給されるコージェネレーションシステムであって、燃料により熱及び電気を出力する手段（１）と、前記燃料により熱及び電気を出力する手段（１）からの排熱を蓄える貯湯槽と、前記貯湯槽内の水を加熱する熱源機（３）と、前記熱及び電気を出力する手段（１）におけるガスメータ（７）と、前記熱源機（３）におけるガスメータ（７）と、前記熱及び電気を出力する手段（１）における燃料消費量と、前記熱源機（３）における燃料消費量との合計の変動率が所定値未満の状態である時間を計測するタイマと、制御手段（４）とを有しており、該制御手段（４）は、前記タイマでの計測時間が閾値以上連続した場合に、前記熱源機（３）の出力を低減する制御を行う様に構成されていることを特徴とするコージェネレーションシステム。
2. ガス漏洩時にガスの供給を自動遮断する機能を有するガスメータ（７）を介して燃料ガスを供給されるコージェネレーションシステムの運転制御方法であって、燃料により熱及び電気を出力する手段（１）による燃料消費量と、前記燃料により熱及び電気を出力する手段（１）からの排熱を蓄える貯湯槽内の水を加熱する熱源機（３）による燃料消費量との合計値を求める工程（Ｓ３）と、該合計値の変動率を求める工程（Ｓ４）と、前記熱及び電気を出力する手段（１）における燃料消費量と前記熱源機（３）における燃料消費量との合計の変動率が所定値未満の状態である時間を計測する工程（Ｓ２）と、前記変動率が所定値未満の状態が閾値以上連続した場合に、前記熱源機（３）の出力を低減する工程（Ｓ７）、とを有することを特徴とするコージェネレーションシステムの運転制御方法。

Images