JP4870326B2 - 燃料電池と公共配電網への接続とを備えた空間暖房システムおよび当該空間暖房システムを作動させる方法 - Google Patents

Description

本発明は、特許請求の範囲の請求項１の前文に記載の燃料電池と公共配電網への接続を備えた空間暖房システム並びに当該システムを作動させる方法とに関するものである。

空間暖房システムは欧州特許第１２０５９９３号から知られており、該特許においては、高温の燃料電池によって水素および一酸化炭素を含有する気体混合物から熱および電気エネルギが回収され、それらを利用することができる。当該システムの安定し、無害の作動が保証される特定の制御方法が説明されている。熱エネルギは水道水の加熱および（または）暖房に使用することができる。電気エネルギは（例えばポンプを作動させるための）センサやアクチュエータを起動させるために使用することができる。この形態のエネルギの余剰分はまた、公共の配電網に供給することができる。気体混合物は燃料電池の上流側に配置された主ガス弁を通して導かれる。この弁の制御装置は、弁制御のために必要な電流が中断されると、弁が閉鎖され、従って燃料電池のエネルギ送給作動が停止するように構成されている。長時間に亘り中断されるとその結果燃料電池を冷却する。作動の中断は燃料電池を損傷させる。何故なら、冷却して、新たに加熱することを伴う熱サイクルは燃料電池の電気化学的に活性の要素を急速に老化させるからである。従って、公共の配電網における停電は必ずしも発生させなくてもよいような燃料電池の老化をもたらす。例えば、化学電池あるいは非常発電機の支援により、配電網の停電時に必要に応じて空間暖房システムの作動を維持することができる。しかしながら、そのような支援手段は可能性のある配電網の停電だけのために追加コストが生じることを意味する。また、それらは定期的な検査や、例えば電池の再充電や交換のような保守業務を必要とする。

従って、本発明の目的は、保全業務を伴う種類の支援手段ではない手段によって配電網の停電時当該システムの作動を継続させることができる保護手段が設置されている空間暖房システムを提供することである。この目的は特許請求の範囲の請求項１に記載の暖房システムによって達成される。

燃料電池を備えた空間暖房システムは公共の配電網に対する接続を有している。このシステムにおいては、熱および電気エネルギを生成するための燃料は主ガス弁を通して気体の形態で燃料電池に供給される。主ガス弁は、供給電気の停電時自動的に作動を中断させる制御装置を有している。当該システムは電気エネルギを少なくとも部分的に配電網に送給し、かつ暖房回路に熱エネルギを放出することが可能であり、暖房回路もまた配電網からの電気エネルギによって作動することが可能である。燃料電池の直流電気を交流電気に変換することができる電気インバータは、一方では公共配電網への、他方では当該システムのアイランド配線網への送給作動である二種類の作動モードで作動することができる。例えば化学電池による支援なしに燃料電池への燃料の供給を第１優先とする、空間暖房システムの必要機能を短時間維持することを保証する手段が公共配電網の停電に関連して設けられている。更に、少なくとも暖房システムの必要機能が燃料電池からの電気エネルギによって維持され続けることを可能とする制御装置や回路が設けられている。

特許請求の範囲の従属項２から５までは本発明による空間暖房システムの有利な実施例に関するものである。本発明によるシステムの作動方法は請求項６から１０までの主体を形成している。

図面を参照して本発明を以下説明する。

図２に示す暖房システムの一部である図１に示すシステムの部分１００を前述した欧州特許第１２０５９９３号に記載の種々の変形を参照して詳細に説明する。前記システムは、直列に接続された燃料電池の積重体１１を有し、二種類の気体状遊離体ＡおよびＢにより電気エネルギ（電圧Ｕ）と高温の排気ガスとが生成される燃料電池からなる蓄電池１０を含む。電気エネルギは２個の電極１２ａ，１２ｂを介して暖房システムの別の部分まで送給される。この別の部分は図２に示されている。前記の２個の電極１２ａ，１２ｂは図２においては単一の端子、すなわち電気出力部１２として表わされている。前記遊離体ＡおよびＢは、それぞれ配管１および２並びに入力部１３ａおよび１３ｂを介して蓄電池１０に供給される。高温の排気ガスは出力部１３ｃにおいてファン１６によって吸出され、配管３並びに熱交換器１５を介して移送される。冷却された排気ガスＣが周囲環境へ排出される。排気ガスを吸出するファン１６は安全上の理由から蓄電池１０の下流側に配置されている。この吸出手段はまた、蓄電池１０の上流側に配置されたファンに代えることも可能である。しかしながら、その場合、作動中に燃料電池が過度に与圧される。

熱交換器１５によって高温の排ガスから回収された廃熱は回路１７を介してポンプ１７’によって伝熱媒体（有利には水である）により蓄熱器１８まで搬送される。廃熱は第２の回路１９を介してポンプ１９’により蓄熱器１８から、例えば建物の輻射暖房機である消費先２０に供給することができる。２個の暖房回路、すなわち回路１７と回路１９とは以下の説明においては「生成回路」および「消費回路」とそれぞれ称され、引き続きこれらの暖房回路に対して参照数字１７および１９を使用する。

遊離体Ａは原則として、環境から吸引される空気である。遊離体Ｂは気体状であるか、あるいは気体状とされる燃料である。この気体は、主ガス弁およびその性能を制御する手段とが配置されているプラントの部分２００を通して導入される（欧州特許第１２０５９９３号を参照）。停電の発生時、蓄電池の作動が停止するように前記主ガス弁が閉鎖する。主ガス弁の制御はプラントの部分１４によって行われる。この制御装置１４は配線１４０ａを介して蓄電池１０のセンサに、配線１４０ｂを介してプラントの部分２００に、そして配線１４２を介してファン１６に接続されている。遊離体ＡおよびＢの送入は接続部１ａおよびプラントの部分２００を介して相互に結合されている。

本発明の特徴が図２に示されている。ライン搬送用の配線は二重線で示され、（アクチュエータの）制御用配線は単一線で示され、（センサの）情報伝達用配線は点線で示されている。図１に示すプラントの部分１００は電気出力部１２を介して電気インバータ４に接続され、該インバータによって燃料電池の直流電気は交流電気に変換される。インバータ４は二種類の作動モードで作動しうる。一方の状態において、交流電気は配線４０，５０を介して公共の配電網に供給され、他方の状態において、交流電気は配線４１を介して、本発明によるシステムに所属するアイランド配線網に送給される。公共配電網において停電が発生した場合に対して、配線４０と５０との間に「配線網解除」装置、すなわち装置５が配置されており、それによって配電網への交流電気の送給は停止され、アイランド配線網において適当な作動が開始される。

アイランド配線網はシステム制御装置６によって設定されたプラグラム化状態にある。前記システム制御装置６はまた、例えば蓄熱器１８のチャージ状態が管理される空間暖房システムのエネルギ管理を含む。第１のスイッチ５１（制御装置６５１）および第２のスイッチ５２（制御装置６５２）はシステム制御装置６によって起動させることができる。主ガス弁と、暖房システムの部分１００（プラントの部分１００）とはそれぞれ制御用配線６２および６３を介してシステム制御装置６にそれぞれ接続されている。別の制御用配線６４がインバータ４まで導かれている。配電網解除装置５とシステム制御装置６とは情報用配線５６を介して接続されている。制御用配線６２は「配電網停電ブリッジ」を含み、それにより燃料電池への燃料の供給を第１優先とする暖房システムの必要な機能を短時間維持することが、例えば化学電池による支援なしに保証される。

配線６７ａ，７０ａおよび６７ｂがそれぞれ、生成回路１７（矢印７１）に付属したシステムセンサ７ａと、同様に生成回路１７（矢印７２）に付属したシステムアクチュエータ７ｂとの間に存在している。公共配電網から、あるいはインバータ４からシステム制御装置６まで交流電気を送給するための配線６０が存在しており、また前記配線６０に「配電網停電ブリッジ」６０’も設けられている。システムアクチュエータ７０ｂには分岐配線７０ｂを介して電気エネルギが供給される。最後に、システム制御装置６は配線８６および６８を介して、消費回路１９のためのセンサやアクチュエータ（それぞれ矢印８１および８２）を内蔵しているシステムの部分８に接続されている。このシステム部分８に必要とされる交流電気はスイッチ５２に繋がっている配線８０を介して供給される。交流電気は配電網から（配線５０’により）、あるいはインバータ４から（配線４２により）取り出すことができる。

インバータ４は比較的短時間Δｔ内で一方の作動モードから他方の作動モードへ切り替えることができる。この時間Δｔというのは約０．１秒未満である。燃料電池への燃料供給が中断せずに行われるように、例えばコンデンサ６２’を含むバッファによってΔｔより長い時間の間に制御用配線６２によって弁制御用電力供給が確保される。

本発明による空間暖房システムは以下の三種類のモードに従って作動することができる。

モードＭ１：スイッチ５１と５２とは図２に示す状態を有している。蓄電池１０を備えたプラントの部分１００は作動していないか、あるいは正に作動に入ろうとしているところである。蓄電池１０によって送給される電力は１００Ｗ以下である（これは以下の説明においても維持される数値例である。１００Ｗという値は修正することも可能である。このことは別の数値に対しても適用される）。インバータ４はその第１の作動モードにある。生成された全体の電力は公共配電網に供給される。生成回路１７と消費回路１９とは前記配電網から電力を受け取る。

モードＭ２： システムの部分１００の電気性能は１００Ｗ以上、２００Ｗ以下である。スイッチ５１が入れられ、システム制御装置６およびアクチュエータ７ｂがインバータ４から直接給電されうるようにインバータ４は十分な交流電気を生成させる。

モードＭ３：燃料電池の電気性能は２００Ｗ以上である。インバータ４は生成回路１７および消費回路１９の双方に給電するに十分な交流電気を生成させる。この目的に対して、インバータからの電気エネルギはまた消費回路１９へも送給可能なようにスイッチ５２が作動する。消費回路１９は蓄熱器１８からの熱を更に消費先２０まで搬送したり、かつこの熱搬送を制御するための手段を含んでいる。

配電網の停電時、配電網解除装置５が配線４０および５０を遮断する。システム制御装置６およびアクチュエータ７ｂがインバータ４から直接給電されうるようにスイッチ５１が入れられる。切り替え時間Δｔの間、一方では給電配線６０にある配電網停電ブリッジがインバータ４の切り替えの後まで、システム制御装置６が暖房システムの必要な機能を維持するよう保証し、他方では、配線６２にある配電網停電ブリッジが（遊離体Ｂのための）主ガス弁が短時間の停電時開放状態に留まり続けるよう保証する。生成回路１７の作動は切り替え時間Δｔの間遮断された状態に留まる。消費回路１９は消費先２０（暖房された建物）の熱緩衝作用のお陰で配電網の停電後も数分間は作動しないようにしうる。この時間は気体燃料供給量を増し、そのため電力生成を十分な程度まで増大させるに十分である。この電力はしきい値Ｎ２を上回る必要がある。

燃料電池により生成した電力のためのシステムの特性、すなわち生成回路１７を作動させるための電力の要件および暖房回路１７および１９の双方を作動させるための電力の要件に対して予め設定しておく二つのしきい値Ｎ１およびＮ２がある。前述した数値例においては、Ｎ１＝１００Ｗで、Ｎ２＝２００Ｗである。二つのしきい値に関する電力要件に応じて、作動は三種類のモード中の一つに従って実行され、２個のスイッチ５１，５２はシステム制御装置６によって選択されるモードに従って切り替えられる。配電網停電時プラントが遮断されないようにするために、しきい値Ｎ１を永続的に上回るように気体燃料供給がシステム制御装置によって制御される。気体燃料供給量はしきい値Ｎ１およびＮ２によって作動を諸モードに分割するので広範囲で調整することができる。

三種類のモードに従って、その結果種々の異なる作動方法が提供される。

燃料電池によって生成された電力はＮ１以下（モードＭ１）である。この電力は当該システムの全ての要素を作動させるには十分ではない。従って、公共の配電網から電力が取り出される。

燃料電池によって生成された電力はＮ１以上（モードＭ２）である。この電力は生成回路１７まで送給される。もしも配電網解除装置５が配線４０および５０に接続されるとすれば、余剰の電力は公共の配電網まで送給される。

燃料電池によって生成された電力がＮ２以上（モードＭ３）である。この電力は生成回路、消費回路および、もしも配電網解除装置５が配線４０および５０に接続されているとすれば、公共配電網まで送給される。

空間暖房システムの一部を概略示す。 作動の中断を阻止するための手段が実現されている空間暖房システム全体を示す。

符号の説明

４ インバータ
６ システム制御装置
１０ 蓄電池
１１ 燃料電池
１４ 主ガス弁制御装置
１５ 熱交換器
１７ 生成回路
１８ 蓄熱器
１９ 消費回路
２０ 消費先
５０ 公共配電網
５１，５２ スイッチ
６０’、６２’ コンデンサ
２００ 主ガス弁およびその制御装置
Ｂ 燃料

Claims (12)

1. 高温燃料電池（１１）と公共配電網（５０）への接続とを備えた空間暖房システムであって、前記システムにおいて熱エネルギおよび電気エネルギを生成するために主ガス弁（２００）を介して気体の形態で燃料（Ｂ）を燃料電池に供給することが可能で、前記主ガス弁が、電流供給が遮断されると自動的に作動を停止させる制御装置を有し、前記システムが電気エネルギを少なくとも部分的に前記公共配電網へ送給し、熱エネルギを前記配電網からの電気エネルギによって作動可能である暖房回路へ送給することが可能である高温燃料電池と公共配電網への接続とを備えた空間暖房システムにおいて、
   燃料電池の直流電気を交流電気に変換することができる電気インバータ（４）が二種類の作動状態、すなわち一方では公共配電網への送給と、他方では暖房システムのアイランド配線網への送給のために作動することが可能であり、公共配電網の停電に関して、燃料電池への燃料供給を第一優先とした空間暖房システムの必要な機能を短時間維持することが、化学電池または非常用発電機による支援なくして保証されるようにするバッファが設けられ、少なくとも暖房システムの必要機能が燃料電池からの電気エネルギによって維持され続けうるようにする制御装置および回路が設けられていることを特徴とする高温燃料電池（１１）と公共配電網（５０）への接続とを備えた空間暖房システム。
2. 前記インバータ（４）が比較的短時間Δｔ内で一方の作動状態から他方の作動状態へ切り替え可能であり、この時間Δｔが０．１秒以下であり、主ガス弁の制御装置への給電が、コンデンサ（６２’）を含むバッファによってΔｔより長い時間確保され、そのため燃料電池への燃料供給が間断なく行われ、システム制御装置（６）への給電も、別のコンデンサ（６０’）を含むバッファによって確保され、そのため前記システム制御装置が機能状態に留まることを特徴とする請求項１に記載の空間暖房システム。
3. 生成回路（１７）が設けられており、前記生成回路は燃料電池の高温の排ガスから熱交換器（１５）において回収可能である廃熱を搬送するポンプ（１７’）を備えた暖房回路であり、前記生成回路が前記インバータの一方の作動モードに基づいて前記燃料電池（１１）からの電気エネルギによって作動することが可能であることを特徴とする請求項２に記載の空間暖房システム。
4. 前記生成回路（１７）が蓄熱器（１８）を含んでおり、熱を前記蓄熱器から消費先（２０）まで、ポンプ（１９’）を含む消費回路（１９）によって前記蓄熱器から搬送することが可能であり、前記公共配電網の停電の場合、燃料電池（１１）による電気エネルギの十分な供給によって前記消費回路は燃料電池から送給される電力によって作動状態に設定可能であることを特徴とする請求項３に記載の空間暖房システム。
5. 熱が前記蓄熱器から暖房システムの輻射暖房機まで、ポンプ（１９’）を含む消費回路（１９）によって搬送されることが可能であることを特徴とする請求項４に記載の空間暖房システム。
6. 電気アイランド配線網、システム制御装置（６）および２個のスイッチ（５１，５２）が当該システムの構成要素であり、前記スイッチが前記システム制御装置に作動接続されていることを特徴とする請求項５に記載の空間暖房システム。
7. 請求項６に記載のシステムを作動させる方法において、燃料電池によって生成された電力に対して二つのしきい値Ｎ１およびＮ２が予め設定され、二つのしきい値に関して生成された電力に応じて三種類の作動モードの一つにおいて作動が実行され、システム制御装置によって選択されたモードに従って２個のスイッチが切り替えられ、前記第１のしきい値Ｎ１が第２のしきい値Ｎ２よりも小さく、および前記燃料電池でもって生成された電力が前記第１のモードにおいてＮ１よりも小さく、第２のモードにおいてＮ１よりも大きくかつ第３のモードにおいてＮ２よりも大きいことを特徴とする空間暖房システムを作動させる方法。
8. 前記第１のモードにおいて燃料電池によって生成された電力が公共配電網に送給され、一方前記システムの全ての要素を作動させるための電力は公共配電網から取り出されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記第２のモードにおいて燃料電池によって生成された電力は生成回路（１７）まで送給されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
10. 燃料電池によって生成された電力が前記生成回路（１７）および消費回路（１９）まで送給されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 公共配電網の停電時、前記システムが前記第２または第３のモードにおいて作動することを特徴とする請求項７、９または１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 公共配電網の停電時、前記システムは、燃料電池によって生成された電力がＮ１よりも大きいように設定されることを特徴とする請求項７、または９から１１までのいずれか１項に記載の方法。