JP4399553B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は燃料電池システムに関し、特に一定時間以上所定の流量のガスが流れたときにガスの流れを遮断する機能を持つメータを通過した商用ガスを燃料ガスに改質して導入する燃料電池を備える燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell in which commercial gas that has passed through a meter having a function of shutting off the flow of gas when a predetermined flow rate of gas flows for a certain period of time is reformed and introduced into fuel gas. The present invention relates to a fuel cell system provided.
近年の環境保全に対する関心が高まる中、地球温暖化の原因となる二酸化炭素や窒素酸化物等の有害ガスの排出量を大幅に削減することができる燃料電池を備えた発電システムである燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、一般的に、改質器において原料燃料を改質して水素に富む燃料ガスを生成し、生成された燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電するシステムである。原料燃料は、都市ガス、LPG、消化ガス、メタノール、GTL(Gas to Liquid)や灯油などの種種の原料燃料を使用することができるが、特に分散型電源として家庭に燃料電池システムが設置されるときは、入手容易性の観点から都市ガス等の商用ガスが用いられる。 A fuel cell system that is a power generation system equipped with a fuel cell that can significantly reduce emissions of harmful gases such as carbon dioxide and nitrogen oxides, which cause global warming, in recent years, with increasing interest in environmental conservation. Is attracting attention. In general, a fuel cell system reforms a raw material fuel in a reformer to generate a fuel gas rich in hydrogen, and generates electric power by an electrochemical reaction between the generated fuel gas and an oxidant gas containing oxygen. System. As the raw material fuel, various raw material fuels such as city gas, LPG, digestion gas, methanol, GTL (Gas to Liquid) and kerosene can be used. In particular, a fuel cell system is installed at home as a distributed power source. Sometimes, commercial gas such as city gas is used from the viewpoint of availability.
ところで、商用ガスの供給を受けるときは、安全性の観点から一定時間以上所定の流量のガスが流れたときにガスの流れを遮断する機能を持つメータを介してガスの供給を受ける場合があり、特に家庭で商用ガスの供給を受ける場合は顕著である。このような保護機能を持つメータは一般にマイコンメータと呼ばれている。マイコンメータは、例えば、ゴム管が外れたときのようにガスが不自然に大量に流れた場合や、風呂のつけ放しのように必要以上にガスの使用時間が長い場合、ゴム管にヒビがありガスが漏れて微小量のガスが30日以上流れ続けた場合のように、一定時間以上所定の流量のガスが流れたときに自動的にガスの流れを遮断する機能を持つメータである。 By the way, when receiving supply of commercial gas, from the viewpoint of safety, there is a case where the supply of gas is received through a meter having a function of blocking the flow of gas when a predetermined flow rate of gas flows for a certain time or more. This is particularly noticeable when supplying commercial gas at home. A meter having such a protection function is generally called a microcomputer meter. For example, when the gas flowed unnaturally, such as when the rubber tube is removed, or when the gas usage time is longer than necessary, such as leaving the bath, the micrometer will crack. It is a meter that has a function of automatically shutting off the gas flow when a predetermined flow rate of gas flows for a certain period of time or more, such as when a certain gas leaks and a minute amount of gas continues to flow for 30 days or more.
燃料電池も燃料ガスの原料燃料として商用ガスを用いる場合は、マイコンメータを通過したガスを改質器に導入することがあり、特に家庭においてはマイコンメータを介してガスの供給を受けることが一般的である。 When using commercial gas as a raw material for fuel gas, the fuel cell may also introduce gas that has passed through the microcomputer meter into the reformer. In general, the gas is supplied via the microcomputer meter at home. Is.
しかしながら、一定の電力負荷が絶えずある場合は、燃料電池を常に運転させるために燃料電池の運転に合わせて改質器に商用ガスを導入していると、一定時間以上所定の流量のガスが流れたときに、それが正常な運転であってもマイコンメータはガス漏れがあったと誤認してガスの流れを遮断する場合がある。改質器に導入されるガスの流れが遮断されると燃料ガスの生成が停止され、燃料ガスの供給が絶たれた燃料電池も停止してしまう。安全性の観点からマイコンメータの保護機能を無効にすることは難しいが、燃料電池は起動・停止の際に予熱等の発電に供されない燃料を消費するため、電力負荷が大きい時間帯に燃料電池の運転が停止した場合は燃料電池システムのエネルギ損失が大きくなる。 However, when there is a constant power load, if a commercial gas is introduced into the reformer in accordance with the operation of the fuel cell in order to always operate the fuel cell, a gas having a predetermined flow rate flows for a certain time or more. Even if it is normal operation, the microcomputer meter may mistakenly recognize that there is a gas leak and shut off the gas flow. When the flow of gas introduced into the reformer is interrupted, the production of fuel gas is stopped, and the fuel cell from which the supply of fuel gas is cut off is also stopped. Although it is difficult to disable the protection function of the microcomputer meter from the viewpoint of safety, the fuel cell consumes fuel that is not used for power generation such as preheating at the time of starting and stopping. When the operation is stopped, the energy loss of the fuel cell system increases.
本発明は上述の課題に鑑み、マイコンメータの保護機能を無効にすることなく、ガスの流れの遮断を抑制し、連続して運転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。 In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of continuously operating without suppressing a gas flow interruption without invalidating a protection function of a microcomputer meter.
上記の目的を達成するために請求項1に記載の燃料電池システムは、例えば図1に示すように、一定時間以上所定の流量のガスが流れたときに該ガスの流れを遮断する機能を持つメータ2を通過した商用ガスGを導入し商用ガスGを改質して水素に富む燃料ガスhを生成する改質装置31と、燃料ガスhを導入して電気化学的反応により発電して熱を発生する燃料電池32とを有する燃料電池ユニット3と;メータ2を通過した商用ガスGの流量に応じた所定時間が経過するまでの間にメータ2を通過した商用ガスGの流量の変動が所定幅内であったときに、燃料電池32で発電する発電電流を変動させるのに伴ってメータ2を通過する商用ガスGの流量を該所定幅以上変動させる制御装置9を備える。
In order to achieve the above object, the fuel cell system according to
このように構成すると、メータを通過した商用ガスの流量に応じた所定時間が経過するまでの間にメータを通過した商用ガスの流量の変動が所定幅内であったときに、燃料電池で発電する発電電流を変動させるのに伴ってメータを通過する商用ガスの流量を該所定幅以上変動させるので、メータに備えられたガスの流れを遮断する機能が作動するのを回避することができ、燃料電池を連続して運転することができる。なお、「商用ガス」とは、都市ガスやプロパンガスなどの対価を支払って外部から供給を受けるガスをいう。また、「所定時間」とはメータにガスが流れ始めてからメータのガスの流れを遮断する機能が作動するまでの時間であり、「所定幅」とは所定時間の計測を中断するのに必要なガス流量の変動の幅である。 With this configuration, the fuel cell generates power when fluctuations in the flow rate of the commercial gas that has passed through the meter are within a predetermined range until the predetermined time corresponding to the flow rate of the commercial gas that has passed through the meter elapses. Since the flow rate of the commercial gas passing through the meter is fluctuated more than the predetermined width as the generated current is fluctuated, it can be avoided that the function of blocking the gas flow provided in the meter is activated, The fuel cell can be operated continuously. The “commercial gas” refers to a gas that is supplied from outside by paying consideration such as city gas and propane gas. The “predetermined time” is the time from when the gas begins to flow to the meter until the function of shutting off the gas flow of the meter is activated, and the “predetermined width” is the time required to interrupt the measurement for the predetermined time. This is the range of fluctuation of the gas flow rate.
また、請求項2に記載の燃料電池システムは、例えば図1に示すように、請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、発電電流の変動は発電電流の増加であって;増加した発電電流によって余剰となる電力を、蓄えるバッテリー61、熱に変換する発熱体62及び商用電源に逆潮流させるのに伴い計量する電力計39の少なくとも一つを備える。
Further, in the fuel cell system according to
このように構成すると、増加した発電電流によって余剰となる電力を、電荷を蓄えるバッテリー、熱に変換する発熱体、及び商用電源に逆潮流させるのに伴い計量する電力計の少なくとも一つを備えるので、メータに備えられたガスの流れを遮断する機能が作動することを回避するために商用ガスの流量を所定幅以上増加させた結果増加した電流を有効に利用することができる。 If comprised in this way, since it has at least one of the battery which accumulates electric power which becomes surplus by the generated power generation current, the heating element which converts it into heat, and the wattmeter which measures it as it reversely flows into the commercial power source In order to avoid the function of blocking the gas flow provided in the meter from being activated, it is possible to effectively use the current increased as a result of increasing the flow rate of the commercial gas by a predetermined width or more.
また、請求項3に記載の燃料電池システムは、例えば図1に示すように、請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システムにおいて;前記制御装置に代えて、メータ2を通過した商用ガスGの流量に応じた所定時間が経過するまでの間に改質装置31に導入された商用ガスGの流量の変動が所定幅内であったときに、燃料電池32で発電する発電電流を変動させるのに伴って改質装置31に導入される商用ガスGの流量を該所定幅以上変動させる制御装置9とを備える。
Moreover, the fuel cell system according to
このように構成すると、メータを通過した商用ガスの流量に応じた所定時間が経過するまでの間に改質装置に導入された商用ガスの流量の変動が所定幅内であったときに、燃料電池で発電する発電電流を変動させるのに伴って改質装置に導入される商用ガスの流量を所定幅以上変動させるので、メータに備えられたガスの流れを遮断する機能が作動することを回避することが可能になり、燃料電池を連続して運転することができる。 With this configuration, when the change in the flow rate of the commercial gas introduced into the reformer is within a predetermined range until a predetermined time corresponding to the flow rate of the commercial gas that has passed through the meter has elapsed, Since the flow rate of the commercial gas introduced into the reformer is fluctuated by more than a predetermined width as the generated current generated by the battery is changed, the function of shutting off the gas flow provided in the meter is avoided. The fuel cell can be operated continuously.
また、請求項4に記載の燃料電池システムは、例えば図1に示すように、請求項3に記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池32で発生した熱を温水を媒体として蓄えると共に、商用ガスGを導入し燃焼して温水uを加熱する第1の補助加熱器42A及び商用ガスGを導入し燃焼して外部から導入し循環する温水wを加熱する第2の補助加熱器42Bの少なくとも一方を有する貯湯ユニット4と;前記制御装置に代えて、メータ2を通過した商用ガスGの流量に応じた所定時間が経過するまでの間に改質装置31に導入された商用ガスGの流量と第1の補助加熱器42A及び第2の補助加熱器42Bの少なくとも一方に導入された商用ガスGの流量との合計の商用ガスGの流量の変動が所定幅内であったときに、燃料電池32で発電する発電電流を変動させるのに伴って合計の商用ガスGの流量を該所定幅以上変動させる制御装置9とを備える。
Further, as shown in FIG. 1, for example, in the fuel cell system according to claim 4, in the fuel cell system according to
このように構成すると、メータを通過した商用ガスの流量に応じた所定時間が経過するまでの間に改質装置に導入された商用ガスの流量と第1の補助加熱器及び第2の補助加熱器の少なくとも一方に導入された商用ガスの流量との合計の商用ガスの流量の変動が所定幅内であったときに、燃料電池で発電する発電電流を変動させるのに伴って合計の商用ガスの流量を該所定幅以上変動させるので、メータに備えられたガスの流れを遮断する機能が作動することを回避することができ、燃料電池を連続して運転することができる。なお、メータを通過した商用ガスの流量に応じた所定時間が経過するまでの間に改質装置に導入された商用ガスの流量と第1の補助加熱器及び第2の補助加熱器の少なくとも一方に導入された商用ガスの流量との合計の商用ガスの流量の変動が所定幅内であったときに、補助加熱器に商用ガスを導入して合計の商用ガス流量を該所定幅以上変動させてもよい。 With this configuration, the flow rate of the commercial gas introduced into the reformer, the first auxiliary heater, and the second auxiliary heating until a predetermined time corresponding to the flow rate of the commercial gas that has passed through the meter elapses. When the fluctuation of the total commercial gas flow rate with the flow rate of the commercial gas introduced into at least one of the reactors is within a predetermined range, the total commercial gas is changed along with the fluctuation of the power generation current generated by the fuel cell. Therefore, it is possible to avoid the function of blocking the gas flow provided in the meter from being operated, and the fuel cell can be operated continuously. Note that the flow rate of the commercial gas introduced into the reforming apparatus and at least one of the first auxiliary heater and the second auxiliary heater until a predetermined time corresponding to the flow rate of the commercial gas that has passed through the meter elapses. When the fluctuation of the total commercial gas flow rate with respect to the flow rate of the commercial gas introduced into is within a predetermined range, the commercial gas is introduced into the auxiliary heater to change the total commercial gas flow rate by more than the predetermined width. May be.
本発明によれば、燃料電池で発電する発電電流を変動させるのに伴って商用ガスの流量を所定幅以上変動させるので、メータに備えられたガスの流れを遮断する機能が作動することを回避することができ、連続して運転することが可能な燃料電池システムとなる。 According to the present invention, the flow rate of the commercial gas is fluctuated by a predetermined width or more as the generated current generated by the fuel cell is fluctuated, so that the function of blocking the gas flow provided in the meter is avoided. Therefore, the fuel cell system can be operated continuously.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一又は相当する装置には同一符号を付し、重複した説明は省略する。なお、図中、破線は制御信号を表す。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each figure, the same or equivalent devices are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In the figure, a broken line represents a control signal.
図1を参照して本発明の実施の形態に係る燃料電池システム1の構成について説明する。図1は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム1を説明するブロック図である。燃料電池システム1は、燃料電池ユニット3と貯湯ユニット4と消費電力計39と制御装置9と電力を蓄えるバッテリー61とを備えている。
A configuration of a
燃料電池ユニット3は、商用ガスGを導入して改質し水素に富む燃料ガスhを生成する改質装置31と、燃料ガスhと酸素を含有する酸化剤ガスaとを導入して電気化学的反応により発電し、水及び熱を発生する燃料電池32とを備えている。
The
改質装置31は、改質に必要な改質熱を得るための燃焼部31aを有する。また、改質装置31は、商用ガスGを導入するノズルと、改質剤sを導入するノズルと、改質反応により生成される燃料ガスhを導出するノズルとを有する。さらに、燃焼部31aに、燃料電池32から排出されるアノードオフガスpを導入するノズルを有する。改質装置31で生成された燃料ガスhを導出するノズルは、燃料電池32の燃料極32aと接続されている。商用ガスGを導入するノズルには配管53が接続されており、配管53にはガス流量計37と流量調整弁38とが配置されている。配管53は燃料電池ユニット3外の配管52に接続されており、配管52にはメータ2が配置されている。
The
ガス流量計37と制御装置9との間には信号ケーブルが敷設されている。ガス流量計37は、燃料電池ユニット3の改質装置31に導入されるガスGの流量を計測し、計測したガスGの流量を信号として制御装置9に送信することができるように構成されている。
A signal cable is laid between the
流量調整弁38は電動二方弁で、改質装置31に導入するガスGの流量を調整し、ガスGの流れを遮断できるように構成されている。流量調整弁38と制御装置9との間には信号ケーブルが敷設されている。流量調整弁38は制御装置9からの信号を受信して弁の開閉動作をすることにより、改質装置31へのガスGの導入を制御して燃料電池32の運転及び停止を制御することができるように構成されている。
The flow
メータ2は、一定時間以上所定の流量のガスが流れたときにガスGの流れを遮断する機能(安全装置)を持っており、マイコンメータと呼ばれることもある。メータ2は、例えば、ゴム管が外れたときのようにガスが不自然に大量に流れた場合や、風呂のつけ放しのように必要以上にガスの使用時間が長い場合、ゴム管にヒビがありガスが漏れて微小量のガスが流れ続けた場合のように、所定の流量のガスが一定時間以上流れ続けたときに自動的にガスGの流れを遮断するように構成されている。メータ2にガスGが流れ始めてから流れを遮断するまでに要する時間は、メータ2を流れるガスGの流量によって異なる。例えば図2に示すように、メータ2を流れるガスGの流量が比較的多い場合はガスGの流れを遮断するまでに要する時間が比較的短かく、メータ2を流れるガスGの流量が比較的少ない場合はガスGの流れを遮断するまでに要する時間が比較的長い。この、ガスGの流量とガスGの流れを遮断するまでに要する時間との関係が「メータを通過した商用ガスの流量に応じた所定時間」に相当する。また、所定時間の計測は、ガスの流量の変動が所定量以上あった場合に中断され、改めて計測される。所定時間の計測を中断するのに必要なガス流量の変動幅は使用するメータによって異なり、典型的には、ある一定時間毎のガスGの流量を積算して、ガスGの積算量が直前の積算量に比べて一定量以上変動していれば所定時間の計測を中断するように構成されている。この所定時間の計測を中断するのに必要なガスの流量の変動幅が「所定幅」に相当する。メータ2と制御装置9との間には信号ケーブルが敷設され、メータ2を通過するガスGの流量を信号として制御装置9に送信することができるよう構成されている。なお、メータ2を通過したガスGは、改質装置31、補助加熱器42A、42B、及びシステム外のガスコンロ等のガス器具99などに供給される。
The
燃料電池32は、固体高分子形燃料電池であり、燃料極32aと空気極32bと冷却水流路32cとを有する。燃料極32aには、改質装置31で生成され導入される燃料ガスhを導入するノズルと、アノードオフガスpを排出するノズルが配置されている。空気極32bには、ブロワ88から送出される酸化剤ガスaを導入するノズルと、カソードオフガスqを排出するノズルが配置されている。冷却水流路32cには、循環ポンプ35により圧送される冷却流体としての冷却水cを導入するノズルと、冷却水cを導出するノズルが配置されている。
The
空気極32bに酸化剤ガスaを送るブロワ88と制御装置9との間には信号ケーブルが敷設されている。ブロワ88は制御装置9からの信号を受信して回転翼の回転数を調整し、燃料極32aに送られる燃料ガスhの流量に応じた流量の酸化剤ガスaを空気極32bに送るように構成されている。
A signal cable is laid between the
改質装置31及び燃料電池32を備える燃料電池ユニット3は、さらに燃料電池32で発電された直流電流を交流電流に変換するインバータ33、燃料電池32で発生した熱を貯湯ユニット4に蓄えるために熱交換する熱交換器34、冷却水流路32c及び熱交換器34に冷却水cを循環させる循環ポンプ35、熱交換器34及び貯湯ユニット4に排熱温水tを循環させる循環ポンプ36を備えている。
The
貯湯ユニット4は、燃料電池32からの排熱を温水として蓄える貯湯槽41と、貯湯槽41から導出されて主として給湯に使用される消費温水uを加熱することができる補助加熱器42Aと、主として暖房や浴槽の追い炊き用に循環される循環温水wを加熱することができる補助加熱器42Bと、消費温水uの流量を計測する消費温水流量計49Aと、循環温水wの流量を計測する循環温水流量計49Bとを備えている。
The hot water storage unit 4 includes a hot
貯湯槽41は、上部には温度が上昇した排熱温水tを導入するノズルと給湯器具等の給湯負荷に向けて消費温水uを導出するノズルとが、下部には温度が下がった排熱温水tを熱交換器34に向けて導出するノズルが配置されている。また、貯湯槽41内の上部には電気で発熱する発熱体62が配置されている。
The hot
補助加熱器42Aは、貯湯槽41から導出される温度が高い消費温水uが流れる配管54に配置されている。補助加熱器42Aは、流量調整弁48Aを介して商用ガスGを導入し、導入したガスを燃焼させて配管54内を流れる消費温水uを加熱できるように構成されている。流量調整弁48Aは電動二方弁で、補助加熱器42Aに導入するガスGの流量を調整し、ガスGの流れを遮断できるように構成されている。流量調整弁48Aと制御装置9との間には信号ケーブルが敷設されている。流量調整弁48Aは制御装置9からの信号を受信して弁の開閉動作をすることにより、補助加熱器42AへのガスGの導入を制御して配管54内を流れる消費温水uの温度を制御することができるように構成されている。
The auxiliary heater 42 </ b> A is disposed in the
補助加熱器42Bは、循環温水wが流れる配管55に配置されている。補助加熱器42Bは、流量調整弁48Bを介して商用ガスGを導入し、導入したガスを燃焼させて配管55内を流れる循環温水wを加熱できるように構成されている。流量調整弁48Bは電動二方弁で、補助加熱器42Bに導入するガスGの流量を調整し、ガスGの流れを遮断できるように構成されている。流量調整弁48Bと制御装置9との間には信号ケーブルが敷設されている。流量調整弁48Bは制御装置9からの信号を受信して弁の開閉動作をすることにより、補助加熱器42BへのガスGの導入を制御して配管55内を流れる循環温水wの温度を制御することができるように構成されている。
The
補助加熱器42Aの上流側の配管54には温度検知器43が、下流側の配管54には温度検知器44がそれぞれ配置されている。補助加熱器42Bの上流側の配管55には温度検知器45が、下流側の配管55には温度検知器46がそれぞれ配置されている。各温度検知器43、44、45、46と制御装置9との間には信号ケーブルがそれぞれ敷設されている。温度検知器43、44は配管54内を流れる消費温水uの温度をそれぞれ検知し、検知した消費温水uの温度を信号として制御装置9にそれぞれ送信することができるように構成されている。温度検知器45、46は配管55内を流れる循環温水wの温度をそれぞれ検知し、検知した循環温水wの温度を信号として制御装置9にそれぞれ送信することができるように構成されている。
A
温度検知器44の下流側の配管54及び温度検知器46の下流側の配管55には消費温水流量計49A、循環温水流量計49Bがそれぞれ配置されている。消費温水流量計49Aは、貯湯槽41から導出される消費温水uの量、すなわち温水負荷の量を計測できるように構成されている。循環温水流量計49Bは、暖房器具や風呂の追い炊き配管を流れる循環温水wの量、すなわち暖房負荷や追い炊き負荷の量を計測できるように構成されている。消費温水流量計49A、循環温水流量計49Bと制御装置9との間には信号ケーブルがそれぞれ敷設されており、消費温水流量計49A、循環温水流量計49Bで計測される温水の流量の計測結果を随時信号としてそれぞれ制御装置9に送信することができるように構成されている。
A consumed hot
消費電力計39は、燃料電池32で発電されインバータ33で交流に変換された電気と商用電源から供給を受ける電気Eとを導入し、機器の動力や電灯などの電力負荷に電気を供給するように構成されている。消費電力計39は、電力負荷がどれくらいあったか、燃料電池ユニット3の発電量はどれくらいあったか、商用電源の供給をどれくらい受けたかについて計測することができるように構成されている。また、燃料電池ユニット3で発電された電力が電力負荷よりも多い場合に余剰電力を商用電源に逆潮流させる場合があるが、消費電力計39は、逆潮流する電力量を計測することができるように構成されている。消費電力計39と制御装置9との間には信号ケーブルが敷設されており、消費電力計39で計測される発電電流の量や電力負荷量の計測結果を随時信号として制御装置9に送信することができるように構成されている。
The
制御装置9は、メータ2からのガスG流量の信号を受信して又はガス流量計37からのガスG流量の信号を受信して、燃料電池ユニット3に導入されるガスGの流量とその流量に対応したメータを通過するガスGの流れが遮断されるまでの時間を把握することができるように構成されている。また、制御装置9は、消費温水流量計49A及び温度検知器43、44並びに循環温水流量計49B及び温度検知器45、46からの温水の流量及び温度の信号をそれぞれ受信して、補助加熱器42A、42Bを通過する温水の流量と温度差を把握することにより、貯湯ユニット4に導入されたガスGの流量を把握することができるように構成されている。つまり、補助加熱器42A、42Bで使用されるガスGの量は、理論上、(「温水流量」×「補助加熱器前後の温度差」)/「補助加熱器に導入するガスGに固有の単位流量あたりの発熱量」から導かれる。また、制御装置9は、メータ2、ガス流量計37、消費温水流量計49A及び循環温水流量計49B、温度検知器43、44、45、46から受信したそれぞれの信号に基づいて、メータ2の安全装置が作動してガスGの流れが遮断されてしまうことが無いように、必要に応じて流量調整弁38、48A、48Bに開度調節信号を送信し、必要に応じてブロワ88に回転数調整信号を送信して燃料電池ユニット3の発電電流や貯湯ユニット4から導出される消費温水u、循環温水wの温度を制御できるように構成されている。
The
バッテリー61は、燃料電池ユニット3で発電された電力が電力負荷よりも多い場合に余剰電力を蓄えることができるように構成されている。また、バッテリー61は、燃料電池ユニット3で発電された電力が電力負荷よりも少ない場合又は電力負荷がバッテリー61の充電量で足りる場合には、放電して電力負荷の一部又は全部に充当することができるように構成されている。
The
なお、メータ2を通過した商用ガスGは、燃料電池システム1を構成する燃料電池ユニット3及び貯湯ユニット4以外である、燃料電池システム1外のコンロ等のガス器具99にも供給されている。
The commercial gas G that has passed through the
続いて図1を参照して燃料電池システム1の作用について説明する。
改質装置31では、改質用水である改質剤sとメータ2を通過した商用ガスGとが導入されて改質剤sと商用ガスGとの水蒸気改質反応により水素に富む燃料ガスhが生成される。水蒸気改質反応は吸熱反応であり、反応に必要な熱は燃焼部31aで燃焼用ガスが燃焼されることにより得られる。生成された燃料ガスhは燃料電池32の燃料極32aに送られる。
Next, the operation of the
In the
燃料電池32では、燃料極32aに導入された燃料ガスhとブロワ88により空気極32bに導入された酸化剤ガスaとの電気化学的反応により発電し、水と熱を発生する。反応に使われなかった燃料ガスh及び酸化剤ガスaは、それぞれアノードオフガスp、カソードオフガスqとして燃料電池32から排出される。アノードオフガスpは改質装置31の燃焼部31aに導かれ、水蒸気改質反応に必要な熱を得るために燃焼用ガスとして燃焼される。燃料電池32で発電した電流は直流電流であり、インバータ33にて交流電流に変換されて消費電力計39に送電される。水は空気極32bで発生し、発生した水が水蒸気の場合はカソードオフガスqと混合して排出され、水滴の場合は酸化剤ガスaの風圧によりカソードオフガスqと共に排出される。発生した熱は冷却水流路32cを流れる冷却水cにより冷却される。冷却水流路32cで受熱した冷却水cは循環ポンプ35により熱交換器34に圧送され、排熱温水tと熱交換される。
In the
排熱温水tは、貯湯ユニット4の貯湯槽41下部の温度が低い部分から採水されて循環ポンプ36により熱交換器34に圧送される。熱交換器34で冷却水cから受熱して温度が上昇した排熱温水tは、貯湯槽41上部に戻される。温度が上昇して貯湯槽41に戻った温水は、貯湯槽41の上部から消費温水uとして混合水栓などの給湯負荷に向けて導出される。貯湯槽41から導出される消費温水uの温度が給湯負荷が必要とする温度以上であれば補助加熱器42Aは起動しないが、貯湯槽41から導出される消費温水uの温度が給湯負荷が必要とする温度以下であれば流量調整弁48Aで流量調整されたガスGが補助加熱器42Aに供給されて補助加熱器42Aが起動し、消費温水uを所定の温度になるように加熱する。補助加熱器42Aの発停の判断は温度検知器43で検知される温度に基づいて行なわれ、流量調整弁48Aの開度調整は温度検知器44で検知される温度に基づいて行なわれる。給湯負荷に向けて導出される消費温水uの流量は消費温水流量計49Aで計測され、計測された流量は信号として随時制御装置9に送信される。
The waste heat hot water t is sampled from a portion at a lower temperature of the hot
一方、不図示の暖房器具や風呂の追い炊きなどが運転されると循環温水wが循環を開始し、暖房器具や風呂の追い炊きなどの運転が停止されると循環温水wの循環が停止する。循環温水wが循環している間は、流量調整弁48Bで流量調整されたガスGが補助加熱器42Bに供給されて補助加熱器42Bが起動し、循環温水wを所定の温度になるように加熱する。流量調整弁48Bの開度調整は、温度検知器46で検知される温度に基づいて行なわれる。流れる循環温水wの流量は消費温水流量計49Bで計測され、計測された流量は信号として随時制御装置9に送信される。
On the other hand, when a heating appliance (not shown) or a reheating bath is operated, the circulating hot water w starts to circulate. When an operation such as a heating appliance or a reheating bath is stopped, the circulation of the circulating hot water w stops. . While the circulating hot water w is circulating, the gas G whose flow rate is adjusted by the flow
燃料電池ユニット3から消費電力計39に送電された電流は、不図示の電灯や電気機器などの電力負荷に向けて送電される。燃料電池ユニット3で発電された電力量では要求される電力負荷に対して不足する場合は、不足分の電力を商用電源から供給を受け、燃料電池ユニット3で発電された電力と商用電源から供給を受けた電力Eとが合流して電力負荷に送電される。電力負荷に送電される電力は、消費電力計39で計測され、計測された電力量は信号として随時制御装置9に送信される。
The current transmitted from the
上述のように商用ガスGから供給を受けメータ2を通過したガスGは、燃料電池ユニット3、貯湯ユニット4、燃料電池システム1外のガス器具99などに分配される。電力負荷が安定していれば、燃料電池ユニット3は一定量のガスを導入して一定量の電流を発電するように運転を続ける。このとき、他のガスを使用する機器の運転も安定している場合はメータ2を通過するガス流量の変動が少なく、ガス流量の変動が所定幅内のままガス流量に対応する所定時間が経過するとメータ2の安全装置が作動してガスGの供給が遮断され、ひいては燃料電池ユニット3で発電することができなくなる。また、燃料電池ユニット3は、一度停止すると再起動から定常運転に至るまでに相当の時間を要する。燃料電池ユニット3で発電されないときは商用電源から電力の供給を受けて電力負荷を賄うことになるが、このような場合は燃料電池ユニット3の立ち上がりに必要な時間と相俟って、燃料電池システム1のエネルギ損失が大きくなる。
As described above, the gas G supplied from the commercial gas G and passing through the
このような不都合を回避するため、燃料電池システム1は、ガスGの流量の変動が所定幅内であったときに、メータ2の安全装置が作動する前に強制的に燃料電池の発電電流を変化させることでメータ2を通過するガスGの流量を変動させて、マイコンメータの保護機能を無効にすることなくメータ2でガスGの流れが遮断されることを防ぎ、燃料電池ユニット3の連続運転を可能にしている。以下、図3を参照して燃料電池ユニット3が連続して運転する動作を説明する。なお、以下の説明で使用する構成の符号については、適宜図1を参照するものとする。
In order to avoid such an inconvenience, the
図3は、燃料電池ユニットを連続して運転する動作を説明するフローチャートである。
制御装置9は、メータ2からガスG流量の信号を受信してメータ2を流れるガスGの流量情報を取得する(S301)。また、燃料電池システム1外で使用されるガスG流量が少ないとき又は使用時間が短かいときは、ガス流量計37及び消費温水流量計49A、循環温水流量計49B、温度検知器43、44、45、46から取得した情報に基づきメータ2を流れるガス流量を推定してもよい。
FIG. 3 is a flowchart for explaining the operation of continuously operating the fuel cell unit.
The
メータ2を流れるガスGの流量情報を取得したら、ガス流量に応じた所定時間(図2参照)を割り出す(S302)。所定時間を割り出したら、ガスG流量の変動が所定幅内にあるか否かの判断をする(S303)。所定幅内でなければ所定時間の計測を中断して再びメータ2を通過するガスGの流量情報を取得するステップ(S301)に戻り、所定幅内であれば次のステップに進む。
When the flow rate information of the gas G flowing through the
ガス流量の変動が所定幅内であるときは、ガス流量に応じた所定時間が経過するまで5分以上残っているか否かを判断する(S304)。5分以上残っていればガスG流量の変動が所定幅内にあるか否かの判断をするステップ(S303)に戻り、所定時間経過まで残り5分になると次のステップに進む。 When the fluctuation of the gas flow rate is within the predetermined range, it is determined whether or not it remains for 5 minutes or more until a predetermined time corresponding to the gas flow rate elapses (S304). If more than 5 minutes remain, the process returns to the step of determining whether or not the fluctuation of the gas G flow rate is within the predetermined range (S303), and if the remaining 5 minutes until the predetermined time elapses, the process proceeds to the next step.
ガスG流量の変動が所定幅内で且つ所定時間経過まで残り5分になると、燃料電池ユニット3の発電電流を変動させるために燃料電池ユニット3に導入するガスGの流量を変動させる(S305)。燃料電池ユニット3で発電した電力は電力負荷に供給されるが、燃料電池ユニット3での発電電力が要求される電力負荷を上回るときは、バッテリー61に蓄えられ、発熱体62で熱に変換されて貯湯槽41内の温水に蓄熱され、電力計39を経由して商用電源に逆潮流される。このように余剰電力は捨てられることなく有効に利用される。
When the fluctuation of the gas G flow rate is within the predetermined range and the remaining 5 minutes until the predetermined time elapses, the flow rate of the gas G introduced into the
燃料電池ユニット3の発電電流を変動させた後、メータ2を通過するガスGの流量がメータ2の安全装置が作動するのを回避できるまで変動しているか、すなわち所定幅以上ガスG流量が変動したか否かを判断する(S306)。所定幅以上ガスG流量が変動していなければ燃料電池ユニット3の発電電流を変動させるステップ(S305)に戻り、所定幅以上ガスG流量が変動していれば次のステップに進む。
After the generated current of the
所定幅以上ガスG流量が変動したら燃料電池ユニット3を定常の運転状態に戻す(S307)。燃料電池ユニット3が定常運転に戻るとメータ2を通過するガスGの流量情報を取得するステップ(S301)に戻り、以下燃料電池ユニット3の運転が停止されるまで一連の動作を繰り返す。
If the gas G flow rate fluctuates by more than a predetermined width, the
上述の燃料電池ユニット3を連続して運転する動作の説明ではメータ2を流れるガスGの流量情報をメータ2からの信号を受信することにより取得した(S301)が、メータ2からガスGの流量情報を取得できない場合は、燃料電池ユニット3内のガス流量計37から信号を受信して燃料電池ユニット3に導入されるガスGの流量情報を取得するように本発明の実施の形態を変形することができる。現代における絶え間ない電力需要の環境下では燃料電池ユニット3は連続して運転する可能性が高く、燃料電池ユニット3の安定した連続運転はメータ2の安全装置が作動する原因となることが考えられる。このとき、メータ2からガスGの流量情報を取得できなくてもガス流量計37から取得した燃料電池ユニット3に導入されるガスGの流量情報に基づき燃料電池ユニット3の改質装置31に導入されるガスGの流量を所定時間内に所定幅以上変動させると、一般的にこれに伴いメータ2を流れるガスGの流量も所定幅以上変動していると考えられるから、メータ2の安全装置が作動するのを回避することができる。
In the description of the operation of continuously operating the
また、上記と同様に、メータ2からガスGの流量情報を取得できない場合に、燃料電池ユニット3に導入されるガスGの流量と貯湯ユニット4に導入されるガスGの流量とを合計したガスGの流量の情報を取得するようにしてもよい。燃料電池ユニット3に導入されるガスGの流量情報はガス流量計37から取得することができ、貯湯ユニット4に導入されるガスGの流量情報は消費温水流量計49A、循環温水流量計49Bから取得できる温水の流量情報と温度検知器43、44、45、46から取得できる補助加熱器42A、42B前後の温度差の情報とに基づいて取得することができる。このように、燃料電池ユニット3に導入されるガスGの流量と貯湯ユニット4に導入されるガスGの流量とを合計したガスGの流量の情報を取得して所定時間内における合計のガスG流量の変動を監視する場合は、燃料電池ユニット3が安定した連続運転を行なっていても、所定時間内に所定幅以上の流量のガスGが補助加熱器42A、42Bに導入されればメータ2の安全装置が作動するのを回避することができるので、燃料電池ユニット3の発電電流を必要以上に変動させずに済む。
Similarly to the above, when the flow rate information of the gas G cannot be acquired from the
また、上記の燃料電池ユニット3に導入されるガスGの流量と貯湯ユニット4に導入されるガスGの流量とを合計したガスGの流量を所定時間内に所定幅以上変動させる場合において、消費温水流量計49A、循環温水流量計49Bからの温水の流量情報と温度検知器43、44、45、46からの補助加熱器42A、42B前後の温度差の情報とが取得できずに貯湯ユニット4に導入されるガスGの流量の情報が取得できない場合でも、補助加熱器42A、42Bが起動したときの最低ガス消費量が所定幅以上であることがあらかじめ分かっている場合は、所定時間内に補助加熱器42A、42Bが起動・停止の動作を行なったという信号を取得するのみで所定幅以上のガスの流量の変化があったと推測され、メータ2の安全装置が作動するのを回避すると判断できるため、この場合も燃料電池ユニット3の発電電流を必要以上に変動させずに済む。
In addition, when the flow rate of the gas G, which is the sum of the flow rate of the gas G introduced into the
以上の説明では、改質方式は水蒸気改質方式として説明したが、部分酸化改質方式やオートサーマル改質方式であってもよい。部分酸化改質方式やオートサーマル改質方式を採用した場合は燃焼部31aが不要になり、燃料電池ユニット3をコンパクトにすることができる。
In the above description, the reforming method has been described as the steam reforming method, but it may be a partial oxidation reforming method or an autothermal reforming method. When the partial oxidation reforming method or the autothermal reforming method is adopted, the
以上の説明では、メータ2を通過するガスGの流量の信号をメータ2から制御装置9へ送信することとしたが、メータ2から流量信号を出力することができない場合はメータ2の下流側の配管52に流量計を設置して、メータ2を通過するガスGの流量信号を流量計から制御装置9に送信するように構成してもよい。
In the above description, the flow rate signal of the gas G passing through the
以上の説明では、発熱体62は貯湯槽41の内部に設置されているが、その他の熱を必要とする部分、例えば消費温水uが流れる配管54や循環温水wが流れる配管55に設置してもよい。
In the above description, the
以上のように、本実施の形態に係る燃料電池システム1は、メータ2の保護機能を無効にすることなく、ガスGの流れの遮断を抑制し、連続して運転することができる。
As described above, the
1 燃料電池システム
2 メータ
3 燃料電池ユニット
4 貯湯ユニット
9 制御装置
31 改質装置
32 燃料電池
39 消費電力計
42A、42B 補助加熱器
49A 消費温水流量計
49B 循環温水流量計
61 バッテリー
62 発熱体
G 商用ガス
h 燃料ガス
t 排熱温水
u 消費温水
w 循環温水
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記メータを通過した商用ガスの流量に応じた所定時間が経過するまでの間に前記メータを通過した商用ガスの流量の変動が所定幅内であったときに、前記燃料電池で発電する発電電流を変動させるのに伴って前記メータを通過する商用ガスの流量を該所定幅以上変動させる制御装置とを備える;
燃料電池システム。 Reformation that introduces a commercial gas that has passed through a meter having a function of interrupting the flow of the gas when a predetermined flow rate of gas flows for a certain period of time and reforms the commercial gas to produce a fuel gas rich in hydrogen A fuel cell unit having a device and a fuel cell that introduces the fuel gas and generates heat by an electrochemical reaction to generate heat;
Generated current generated by the fuel cell when fluctuations in the flow rate of the commercial gas passing through the meter are within a predetermined range until a predetermined time corresponding to the flow rate of the commercial gas passing through the meter elapses. And a control device that varies the flow rate of the commercial gas passing through the meter as the predetermined width is varied.
Fuel cell system.
前記増加した発電電流によって余剰となる電力を、蓄えるバッテリー、熱に変換する発熱体及び商用電源に逆潮流させるのに伴い計量する電力計の少なくとも一つを備える;
請求項1に記載の燃料電池システム。 The fluctuation of the generated current is an increase of the generated current;
Including at least one of a battery for storing surplus power due to the increased generated current, a heating element for converting to heat, and a wattmeter that measures the reverse power to a commercial power source;
The fuel cell system according to claim 1.
前記制御装置に代えて、前記メータを通過した商用ガスの流量に応じた所定時間が経過するまでの間に前記改質装置に導入された商用ガスの流量の変動が所定幅内であったときに、前記燃料電池で発電する発電電流を変動させるのに伴って該改質装置に導入される商用ガスの流量を該所定幅以上変動させる制御装置とを備える;
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or claim 2;
When the flow rate of the commercial gas introduced into the reformer is within a predetermined range until a predetermined time corresponding to the flow rate of the commercial gas that has passed through the meter has elapsed instead of the control device. And a control device that fluctuates the flow rate of the commercial gas introduced into the reformer by the predetermined width or more as the generated current generated by the fuel cell is changed;
Fuel cell system.
前記制御装置に代えて、前記メータを通過した商用ガスの流量に応じた所定時間が経過するまでの間に前記改質装置に導入された商用ガスの流量と前記第1の補助加熱器及び第2の補助加熱器の少なくとも一方に導入された商用ガスの流量との合計の商用ガスの流量の変動が所定幅内であったときに、前記燃料電池で発電する発電電流を変動させるのに伴って該合計の商用ガスの流量を該所定幅以上変動させる制御装置とを備える;
請求項3に記載の燃料電池システム。
Heat generated in the fuel cell is stored using hot water as a medium, and a first auxiliary heater that introduces and burns commercial gas and heats the hot water, and hot water that circulates by introducing and combusting and introducing from the outside A hot water storage unit having at least one of a second auxiliary heater for heating
Instead of the control device, the flow rate of the commercial gas introduced into the reforming device, the first auxiliary heater, and the first time until a predetermined time corresponding to the flow rate of the commercial gas passing through the meter elapses. When the fluctuation of the total commercial gas flow rate with the commercial gas flow rate introduced into at least one of the two auxiliary heaters is within a predetermined range, the generation current generated by the fuel cell is changed. And a control device that varies the flow rate of the total commercial gas by more than the predetermined width;
The fuel cell system according to claim 3.
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