JP4984418B2 - 燃料電池発電システムおよびその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力および熱を発生させる燃料電池発電システムおよびその運転方法に関するものである。

燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電し、一方で、電力と同時に熱も発生するものである。燃料電池発電システムは、この発生した電力および熱を、家庭電化機器などの電力負荷や、シャワー給湯などの熱負荷からなる外部負荷に供給するものである（例えば特許文献１参照）。

さらに、近年では、外部負荷の使用状況をデータ蓄積し、過去にさかのぼって使用者の生活リズムを分析することにより、外部負荷の使用予測に応じて、燃料電池をきめ細かく発電運転（以下、運転）および停止させる構成も提案されており、以下、その構成について説明する。

図７は、従来この種の燃料電池発電システムのシステムブロック図である。燃料生成器１は、外部より供給された天然ガスなどの原料を水蒸気雰囲気下で加熱して水素リッチな燃料ガスを生成する。燃料電池２には、燃料生成器１により生成された燃料ガスおよびブロア３にて空気などの酸化剤ガスが供給される。燃料電池２で発生した直流電流は図示はしないがインバータで交流電流に変換された後、商用電源と系統連系して外部電力負荷４に供給される。

他方、燃料電池２で発生した熱は、以下のようにして給湯や暖房などの外部熱負荷５に供給される。冷却水循環ポンプ６は、燃料電池２で発生した熱を回収するために、冷却水循環路７を通して燃料電池２に冷却水を循環させ、熱交換器８にて放熱する。貯湯水循環ポンプ９は、あらかじめ（市水にて）満水状態にある貯湯槽１０底部より槽内の一番温度の低い水を抜き出し、貯湯水循環路１１を通して熱交換器８から熱を回収し、貯湯槽１０の上部へ帰還させる。これにより、貯湯槽１０内部の水は加熱される。

このようにして得られた湯水（上限が６０℃程度）は、給湯や暖房などの外部熱負荷５に利用されるが、使用者の温度設定によりバックアップ給湯器１２を用いて（例えば沸騰水など）より高温の湯水を熱負荷５へ供給可能である。なお、制御装置１３は、マイコンなどからなる制御手段１４、後述する学習演算手段１５などから構成し、電力負荷検知手段１６により外部電力負荷４の消費電力を検知しつつ、燃料生成器１、燃料電池２、ブロア３、冷却水循環ポンプ６、貯湯水循環ポンプ９などを逐次制御するものである。

学習演算手段１５は、制御手段１４を介して、電力負荷検知手段１６より外部電力負荷４の消費電力を検知し、例えば、１時間毎の電力負荷消費電力を蓄積しておき、翌日などの電力需要予測を立てて計画的に燃料電池２の運転および停止を行うことにより、エネルギー効率の良いシステム運用を可能とするものである。

また、ここでは具体的な構成を挙げないが、学習演算手段１５は、制御手段１４を介して、貯湯槽１０の残湯量をも検知することが可能であり、上記の例で言えば、１時間毎の熱負荷消費状況を把握して蓄積することにより、若人が朝方に毎日シャワーを使う、あるいは、大所帯家族が夕方に集中して風呂に入るなど、おおよそ毎日変わりない生活のリズムを分析して算出する熱負荷需要予測に応じて燃料電池の運転を行い、つまり、お湯を使うタイミングにあわせて直前に必要な分だけお湯を作ることにより発熱ロスを抑えた効率の良いシステム運用を可能とするものである。

次に、上記構成において動作を図７および図８のフローチャートを用いて説明する。

燃料電池発電システムを設置し、燃料生成器１へ原料（例えば都市ガスなど）と水を供給する配管工事を終え、図７の貯湯槽１０を（市水にて）満水にしてから、制御装置１３に商用電源の通電を行うと制御手段（マイコン）１４が起動してシステム動作を開始する。

図８のフローチャートに示すように、システム動作を開始すると、Ｓ１にて燃料電池２は発電停止状態であり、Ｓ２にて学習演算手段１５からの指令を受け、Ｓ３にて指令値が発電運転開始（指令値＝運転）の場合、Ｓ４にて発電起動処理（制御手段１４が燃料生成器１を用いて原料と水から燃料ガスを生成可能な状態にする処理）を行ったあと、Ｓ５にて発電処理（燃料ガスと空気を燃料電池２へ供給して発電を行う処理）へ移行する。

この後、発電動作の運転状態を維持し、Ｓ６にてシステムに異常がない場合、Ｓ７にて学習演算手段１５からの指令を受け、Ｓ８にて学習演算手段１５からの停止指令（指令値＝停止）を受け付けると、Ｓ９にて発電終了処理（発電を停止するのと平行して燃料電池２が高温である場合には冷却を行う後始末の処理）を行った後、一連のシステム動作は終了する。

一方、Ｓ６にてシステムに異常が発生したことを検知した場合、Ｓ１０にて学習演算手段１５に異常を発生したことを通知する（この場合、学習演算手段１５はシステムに異常が発生して発電動作が継続できないと判断し、制御手段１４に停止指令（指令値＝停止）を送信するため、Ｓ７〜Ｓ９にてシステムは発電を停止するわけである）。
特開２００４−５３１２０号公報

しかしながら、前記従来の構成では、システムに異常が発生した場合、制御手段１４は学習演算手段１５に対して異常が発生したことを通知するが、実際にシステム動作を停止させるには学習演算手段１５からの停止指令を待つしかなく、停止指令を待つ間は発電運転を継続してしまう。例えば、システム異常の１つである電力負荷検知手段１６が故障した場合（外部電力負荷４の消費電力が検知できないため）直ちにシステムを停止させたい反面、学習演算手段１５から停止指令を受け取るまでの時間が（例えば、数秒以上と）長い場合に、異常状態下での無理な発電により燃料電池２を破壊しかねないという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、学習演算手段１５により発電運転（あるいは運転停止）の指令を行う燃料電池発電システムにおいて異常が発生した場合、速やかに動作の停止が可能となる燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池発電システムおよびその運転方法は、システム異常を検知した場合、記憶手段に異常内容を記憶しつつ、一方で、学習演算手段からの発電運転指令（あるいは発電停止指令）に関係なく一義的に発電運転を停止させるようにしたものである。

これによって、システム異常が発生した場合に、制御装置は記憶手段に対して異常内容を記憶し（学習演算手段からの停止指令を待つことなく）速やかにシステムを停止するため、異常状態下での無理な発電継続を避けることでき、ひいては燃料電池の破壊など拡大被害を食い止める事が可能となる。

本発明の燃料電池発電システムおよびその運転方法は、制御装置がシステム異常を検知した場合、記憶手段に異常内容を記憶しつつ、学習演算手段からの発電運転指令（あるいは発電停止指令）に関係なく一義的に発電運転を停止させるようにしたものである。

これによって、システム異常が発生した場合に、制御装置は記憶手段に対して異常内容を記憶して（学習演算手段からの停止指令を待つことなく）速やかにシステムを停止するため、異常状態下での無理な発電継続を避けることでき、ひいては燃料電池の破壊など拡大被害を食い止める事が可能となる。

また、これにより、異常発生のタイミングで異常内容を記憶手段（電源を切っても記憶内容を保持し続ける不揮発性メモリなど）に記憶し、この異常内容が記憶されている限り発電運転を一義的に行わないので、部品の故障が原因でシステム異常が発生した場合、故障部品の交換前に、異常停止した燃料電池発電システムの電源ブレーカを切り入り操作しても（過去に異常が発生した旨の内容が不揮発性メモリに記憶されていることにより発電起動しないので）拡大被害を防ぐことができる。

第１の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて電力と熱を発生させる燃料電池と、前記燃料電池を逐次制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記燃料電池を運転するか否かを指令する学習演算手段と、異常発生時に異常内容を記憶する記憶手段と、を備え、前記燃料電池発電システムに異常が発生した場合、前記記憶手段に異常内容を記憶し、かつ、前記記憶手段に異常内容が記憶されている場合、前記学習演算手段の運転指令によらず一意的に前記燃料電池を停止するようにした。

これにより、システム異常が発生した場合に、制御装置は学習演算手段に対して異常が発生したことを通知して学習演算手段の内部論理を正常に維持しつつ、学習演算手段からの停止指令を待つことなく速やかにシステムを停止するので、異常状態下での無理な発電継続を避けることでき、ひいては燃料電池２の破壊など拡大被害を食い止める事ができる。

これにより、異常発生のタイミングで異常内容を記憶手段（電源を切っても記憶内容を保持し続ける不揮発性メモリなど）に記憶し、この異常内容が記憶されている限り発電運転を一義的に行わないので、部品の故障が原因でシステム異常が発生した場合、故障部品の交換前に、異常停止した燃料電池発電システムの電源ブレーカを切り入り操作しても（過去に異常が発生した旨の内容が不揮発性メモリに記憶されていることにより発電起動しないので）拡大被害を防ぐことができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の燃料電池発電システムにて、制御装置は、運転の内容を設定する入力設定手段を備え、前記入力設定手段の操作により前記記憶手段に記憶した異常内容を消去するようにした。これにより、部品の故障が原因でシステム異常が発生した場合、故障部品の交換後に、入力設定手段の所定操作により記憶手段に記憶した過去に異常が発生した旨の内容をクリアすることにより、タイミングを決めて、学習演算手段による運転を再開することができる。

第３の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて電力と熱を発生させる燃料電池を備える燃料電池発電システムの運転方法であって、前記燃料電池発電システムに異常が発生した場合、記憶手段に異常内容を記憶し、かつ、前記記憶手段に異常内容が記憶されている場合、前記燃料電池を運転するか否かを指令する学習演算手段の運転指令によらず一意的に前記燃料電池を停止する運転方法である。

第４の発明は、特に、第３の発明の燃料電池発電システムの運転方法において、運転の内容を設定する入力設定手段の操作により、前記記憶手段に記憶した異常内容を消去する運転方法である。

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、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。なお、前記背景技術と同じ構成のものは同一符号を付して説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１の燃料電池発電システムのシステムブロック図、図２は、制御装置における制御手段の要部動作を示すフローチャートである。制御装置１７、制御手段１８と表記している以外は従来の構成（図７）と同じである。

以上のように構成された燃料電池発電システムについて、以下その動作、作用を説明する。

従来の構成と同様に、燃料電池発電システムを設置し、燃料生成器１へ原料（例えば都市ガスなど）と水を供給する配管工事を終え、図１の貯湯槽１０を（市水にて）満水にしてから、制御装置１７に商用電源の通電を行うと制御手段（マイコン）１８が起動してシステム動作を開始する。

図２のフローチャートに示すように、システム動作を開始すると、Ｓ１にて燃料電池２は発電停止状態であり、Ｓ２にて学習演算手段１５からの指令を受け、Ｓ３にて指令値が発電運転開始（指令値＝運転）の場合、Ｓ４にて発電起動処理（制御手段１８が燃料生成器１を用いて原料と水から燃料ガスを生成可能な状態にする処理）を行ったあと、Ｓ５にて発電処理（燃料ガスと空気を燃料電池２へ供給して発電を行う処理）へ移行する。

この後、発電動作の運転状態を維持し、Ｓ１１にてシステムに異常がない場合、Ｓ７にて学習演算手段１５からの指令を受け、Ｓ８にて学習演算手段１５からの停止指令（指令値＝停止）を受け付けると、Ｓ９にて発電終了処理（発電を停止するのと平行して燃料電池２が高温である場合には冷却を行う後始末の処理）を行った後、一連のシステム動作は終了する。

一方、ここからが従来例と大きく異なるが、Ｓ１１にてシステムに異常が発生したことを検知した場合、Ｓ１２にて学習演算手段１５に異常が発生したことを通知すると、Ｓ７、およびＳ８を処理せずに、Ｓ９にて燃料電池発電システムを終了させる動作に移行する。

ここで、この場合の学習演算手段１５の動作を補足するが、学習演算手段１５は制御手段１８からの異常発生通知を受けてシステムに異常が発生して発電動作が継続できないと判断し、やがて、制御手段１８に停止指令（指令値＝停止）を送信するが、この停止指令を制御手段１８は受け取らない、あるいは、受け取るが処理をしない。

これにより、システム異常が発生した場合に、制御手段は学習演算手段に対して異常が発生したことを通知して学習演算手段の内部論理を正常に維持しつつ、学習演算手段からの停止指令を待つことなく速やかにシステムを停止するので、異常状態下での無理な発電継続を避けることでき、ひいては燃料電池２の破壊など拡大被害を食い止めることが可能となる。

（実施の形態２）
図３は、本実施の形態２の燃料電池発電システムのシステムブロック図、図４は、制御装置における制御手段の要部動作を示すフローチャートである。

制御装置の内部ブロック図（図３）にて、１９は異常発生時に異常が発生したことを記憶する記憶手段であり、一度記憶した内容は電源を切っても保持し続ける不揮発性メモリである。その他は、制御装置２０、制御手段２１と表記している以外は実施の形態１（図１）と同じ構成である。

以上のように構成された燃料電池発電システムについて、以下その動作、作用を説明する。

図４のフローチャートに示すように、本発明の実施の形態１からの変更点は、Ｓ１３およびＳ１４を追加しただけである。つまり、Ｓ１１にてシステムに異常が発生したことを検知した場合、Ｓ１２にて学習演算手段１５に異常が発生したことを通知すると、Ｓ１３にて記憶手段１９に異常が発生したことを記憶（異常フラグをセット）し、Ｓ９にて燃料電池発電システムを終了させる動作に移行する。

一方、システム動作を終了した燃料電池発電システムのブレーカを落として電源供給を絶ち、その後、ブレーカを入れて再度電源を供給した場合、フローチャートは最初から始まるので、Ｓ１にて燃料電池２は発電停止状態であり、Ｓ１４にて記憶手段１９に異常フラグが記憶されているか否かを判断して、異常フラグがセットされている場合、つまり、過去に異常が発生したことを知ると、学習演算手段１５からの指令を一切受け付けないで停止状態を維持する（発電起動に移行しない）と言うものである。

これにより、部品の故障が原因でシステム異常が発生した場合、故障部品の交換前に、異常停止した燃料電池発電システムの電源ブレーカを切り入り操作しても（過去に異常が発生した旨の内容が不揮発性メモリに記憶されていることにより発電起動しないので）拡大被害を防ぐことができる。

（実施の形態３）
図５は、本実施の形態３の燃料電池発電システムのシステムブロック図、図６は、制御装置における制御手段の要部動作を示すフローチャートである。

制御装置の内部ブロック図（図５）にて、２２は運転の内容を設定する入力設定手段である。その他は制御装置２３、制御手段２４と表記している以外は実施の形態２（図３）と同じ構成である。

以上のように構成された燃料電池発電システムについて、以下その動作、作用を説明する。

図６のフローチャートに示すように、本発明の実施の形態２からの変更点はＳ１４の代わりにＳ１５を置き換え、Ｓ１６およびＳ１７を追加しただけである。

つまり、異常発生後にシステム動作を終了した燃料電池発電システムのブレーカを落として電源供給を絶ち、故障した部品を交換するなどして異常発生の原因を取り除いた後、ブレーカを入れて再度電源を供給した場合、Ｓ１にて燃料電池２は発電停止状態であり、Ｓ１５にて記憶手段１９に異常フラグが記憶されているか否かを判断する。

ここで異常フラグがセットされている場合、つまり、過去に異常が発生したことを知る
と、学習演算手段１５からの指令を一切受け付けないで停止状態を維持しつつ、Ｓ１６にて入力設定手段２２の所定操作（異常解除を行う特殊な操作）を行った場合、Ｓ１７にて記憶手段１９に記憶されている過去に異常が発生した情報を消去（異常フラグをクリア）することにより、再度、Ｓ１５の分岐判断にて今度は記憶手段１９に異常フラグがクリアされているので、Ｓ２へ移行して学習演算手段１５の運転指令に基づき発電が可能な状態に復帰する。

これにより、部品の故障が原因でシステム異常が発生した場合、故障部品の交換後に、入力設定手段の所定操作により記憶手段に記憶した過去に異常が発生した旨の内容をクリアすることにより、タイミングを決めて、学習演算手段による運転を再開することができる。

なお、本発明の燃料電池は、燃料ガスに水素を、かつ、酸化剤ガスに酸素を用いて電力と熱を発生させるので、効率の良い燃料電池の発電運転ができる。

なお、本実施の形態で説明した手段は、ＣＰＵ（またはマイコン）、ＲＡＭ、ＲＯＭ、記憶・記録装置、Ｉ／Ｏなどを備えた電気・情報機器、コンピュータ、サーバー等のハードリソースを協働させるプログラムの形態で実施してもよい。プログラムの形態であれば、磁気メディアや光メディアなどの記録媒体に記録したりインターネットなどの通信回線を用いて配信することで新しい機能の配布・更新やそのインストール作業が簡単にできる。

以上のように、本発明にかかる燃料電池発電システムおよびその運転方法は、システム異常が発生した場合、記憶手段に異常内容を記憶し、一方で、学習演算手段からの発電運転指令（あるいは発電停止指令）に関係なく一義的に発電運転を停止させるようにすることにより、システム異常が発生した場合に、制御装置は学習演算手段に対して異常が発生したことを通知するだけで（学習演算手段からの停止指令を待つことなく）速やかにシステムを停止するため、異常状態下での無理な発電継続を避けることでき、ひいては燃料電池の破壊など拡大被害を食い止める事が可能となるので、同様にして、学習演算手段を用いた家電製品の制御に対して、異常発生時の緊急停止処理などの用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１の燃料電池発電システムのシステムブロック図 本発明の実施の形態１の制御手段の動作フローチャート 本発明の実施の形態２の燃料電池発電システムのシステムブロック図 本発明の実施の形態２の制御手段の動作フローチャート 本発明の実施の形態３の燃料電池発電システムのシステムブロック図 本発明の実施の形態３の制御手段の動作フローチャート 従来の燃料電池発電システムのシステムブロック図 従来の燃料電池発電システムの制御手段の動作フローチャート

１ 燃料生成器
２ 燃料電池
３ ブロア（送風機）
４ 外部電力負荷
５ 外部熱負荷
８ 熱交換器
１０ 貯湯槽
１２ バックアップ給湯器
１５ 学習演算手段
１７、２０、２３ 制御装置
１８、２１、２４ 制御手段
１９ 記憶手段
２２ 入力設定手段

Claims (4)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて電力と熱を発生させる燃料電池と、前記燃料電池を逐次制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記燃料電池を運転するか否かを指令する学習演算手段と、異常発生時に異常内容を記憶する記憶手段と、を備え、前記燃料電池発電システムに異常が発生した場合、前記記憶手段に異常内容を記憶し、かつ、前記記憶手段に異常内容が記憶されている場合、前記学習演算手段の運転指令によらず一意的に前記燃料電池を停止するよう制御する、燃料電池発電システム。
2. 制御装置は、運転の内容を設定する入力設定手段を備え、前記入力設定手段の操作により前記記憶手段に記憶した異常内容を消去するよう制御する、請求項１記載の燃料電池発電システム。
3. 燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて電力と熱を発生させる燃料電池を備える燃料電池発電システムの運転方法であって、
   前記燃料電池発電システムに異常が発生した場合、記憶手段に異常内容を記憶し、かつ、前記記憶手段に異常内容が記憶されている場合、前記燃料電池を運転するか否かを指令する学習演算手段の運転指令によらず一意的に前記燃料電池を停止する、燃料電池発電システムの運転方法。
4. 運転の内容を設定する入力設定手段の操作により、前記記憶手段に記憶した異常内容を消去する、請求項３記載の燃料電池発電システムの運転方法。

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