JP5159707B2 - 発電システムの作動方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体電解質形燃料電池を含む発電システムの作動方法に関する。

下記特許文献１には、固体電解質形燃料電池を含む発電システムに給湯システムを組み合わせた発電・給湯コジェネレーションシステムが開示されている。この発電・給湯コジェネレーションシステムにおいては、発電システムから排出される高温の排ガスと給湯システムにおける給湯槽に流入される水との間で熱交換するための熱交換手段が配設されている。従って、発電システムにおける排ガスの熱が給湯システムにおける水の加熱に利用され、かくして資源の利用効率を向上せんとしている。

特開２００１−３２５９８２号公報

ところで、固体電解質形燃料電池を含む発電システムにおいては、固体電解質形燃料電池の作動温度が相当高く、例えば１０００℃程度であり、発電に使用されなかった燃料ガスと酸素含有ガス中の酸素とを燃焼させるようにしたものがある。

そこで、異常が検知された場合や停止信号が生成された場合に、常に停止モードに移行されると、発電システムの熱効率が低下してしまうおそれがある。

それゆえ、異常が検知された場合や停止信号が生成された場合に、待機モードまたは停止モードのいずれかに移行するかを判別するとともに、発電システムの熱効率の低下を抑制することができる発電システムの作動方法を提供することを目的とする。

本発明の発電システムの作動方法は、発電・燃焼室を有するハウジングと、前記発電・燃焼室内に収納された固体電解質形燃料電池を複数個配列してなる電池スタックと、炭化水素系ガスを水蒸気改質により前記燃料ガスに改質するための改質手段、該改質手段に水蒸気改質するための水を供給するための水供給手段および前記改質手段に空気を供給する送風手段を含み、前記固体電解質形燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記固体電解質形燃料電池に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段とを備え、前記固体電解質形燃料電池に前記燃料ガスと前記酸素含有ガスとを供給することで発電を行なうとともに、商用電源システムと接続されて負荷に電流を供給する発電システムの作動方法であって、
前記発電システムの通常作動時に異常を検知したかまたは停止信号が生成された場合において、前記発電システムを前記商用電源システムから切り離して待機モードまたは停止モードのいずれに移行するかを判別し、前記待機モードに移行する場合に、
前記電池スタックの温度に基づいて所定演算式により求められた前記炭化水素系ガスの供給量、前記水の供給量および前記酸素含有ガスの供給量となるように、前記酸素含有ガス供給手段、前記水供給手段、前記燃料ガス供給手段をこの順に制御することを特徴とする。

また、発電・燃焼室を有するハウジングと、前記発電・燃焼室内に収納された固体電解質形燃料電池を複数個配列してなる電池スタックと、炭化水素系ガスを水蒸気改質により前記燃料ガスに改質するための改質手段、該改質手段に水蒸気改質するための水を供給するための水供給手段および前記改質手段に空気を供給する送風手段を含み、前記固体電解質形燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記固体電解質形燃料電池に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段とを備え、前記固体電解質形燃料電池に前記燃料ガスと前記酸素含有ガスとを供給することで発電を行なうとともに、商用電源システムと接続されて負荷に電流を供給する発電システムの作動方法であって、
前記発電システムの通常作動時に異常を検知したかまたは停止信号が生成された場合において、前記発電システムを前記商用電源システムから切り離して待機モードまたは停止モードのいずれに移行するかを判別し、前記停止モードに移行する場合に、
前記燃料ガス供給手段の作動を停止させ、次いで前記電池スタック、前記改質手段および前記ハウジング近傍の温度がそれぞれ所定の温度に達すると、前記水供給手段の作動を停止させるとともに前記送風手段を一定時間作動させ、しかるのち前記酸素含有ガス供給手段の作動を停止させることを特徴とする。

好ましくは、前記待機モードに移行したあと、前記酸素含有ガス供給手段、前記水供給手段および前記燃料ガス供給手段を制御しても前記異常が回復しなかった場合に、前記電池スタック、前記改質手段および前記ハウジング近傍の温度またはガス漏れ濃度に基づいて、前記待機モードを継続するかまたは前記停止モードに移行することが好ましい。

また、好ましくは、前記待機モードに移行したあと、前記酸素含有ガス供給手段、前記水供給手段および前記燃料ガス供給手段を制御することにより前記異常が回復した場合に、前記商用電源システムと再接続させ、前記発電システムを通常作動させることが好ましい。

さらに、好ましくは、前記発電システムが、前記異常を検出した場合に異常警告を行なう警告手段を備え、前記発電システムが前記停止モードにおいて、前記酸素含有ガス供給手段の作動を停止させたあと、前記警告手段を作動させることが好ましい。

本発明の発電システムの作動方法によれば、発電システムにおいて生成される多量の熱を可及的に有効利用して資源の利用効率を充分に向上させることができる。

本発明に従って構成された発電システムと、給湯システムとのコジェネレーションシステムを示すブロック線図である。 図１の発電システムにおける発電・燃焼室を一部を簡略して示す断面図である。 図２の発電・燃焼室内に配設されている電池スタックを示す断面図である。 図１の発電システムと、商用電源との電気的構成要素を簡略に示すブロック線図である。 図１の発電システムにおける発電システムの、起動時の作動方法を示すフローチャートである。 図１の発電システムにおける発電システムの起動から通常作動への移行手順を示すフローチャートである。 図１の発電システムにおける発電システムの通常作動方法を示すフローチャートである。 図１の発電システムにおける発電システムの異常検出時の作動方法を示すフローチャートである。 図１の発電システムにおける発電システムの停止信号生成時の作動方法を示すフローチャートである。 給湯システムの作動方法を示す参考フローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明に従って構成された発電システムの好適実施形態について詳細に説明する。

図１は本発明に従って構成された発電システムの好適実施形態の全体的構成を簡略に示している。図示の発電システムは全体を番号２で示す発電システムと全体を番号４で示す給湯システムとを備えている。

図１と共に図２を参照して説明すると、発電システム２は燃料電池組立体６を具備しており、この燃料電池組立体６は略直方体形状のハウジング８を含んでいる。ハウジング８は耐熱金属板から形成された外枠体１０とこの外枠体１０の内面に配設された断熱材層１２とから構成されている。断熱材層１２は適宜のセラミックから形成することができる。ハウジング８の下部には実質上水平に延在する仕切壁１４が配設されており、ハウジング８は仕切壁１４よりも上方の発電・燃焼室１６と仕切壁１４よりも下方の付属室１８とに気密に区画されている。発電・燃焼室１６内には３個の電池スタック２０ａ、２０ｂ及び２０ｃが並列配置されている。付属室１８内には燃料ガスタンク２１が配設されている。

図２と共に図３を参照して説明を続けると、電池スタック２０ａ、２０ｂ及び２０ｃの各々は、鉛直方向、即ち図２において上下方向、図３において紙面に垂直な方向、に細長く延在する固体電解質形燃料電池２２を図２において紙面に垂直な方向、図３において上下方向に複数個（図示の場合は５個）配置して構成されている。図３に明確に図示する如く、燃料電池２２の各々は、電極支持基板２４、内側電極層である燃料極層２６、固体電解質層２８、外側電極層である酸素極層３０及びインターコネクタ３２から構成されている。図２から理解される如く、燃料電池２２の各々は仕切壁１４上に直立せしめられており、発電・燃焼室１６の上下方向中間部よりも幾分上方まで延びている。電極支持基板２４は鉛直方向に細長く延びる板状片であり、平坦な両面と半円形状の両側面とを有する。電極支持基板２４にはこれを鉛直方向に貫通する複数個（図示の場合は４個）のガス通路３４が形成されている。かような電極支持基板２４の各々は上記仕切壁１４上に、例えば耐熱性に優れたセラミック接着剤によって接合される。仕切壁１４には図２おいて左右方向及び紙面に垂直な方向に間隔をおいて左右方向に延びる複数個（図示の場合は１５個）のスリット（図示していない）が形成されており、電極支持基板２４の各々に形成されているガス通路３４がスリットの各々に連通せしめられている。ハウジング８の下端部に区画されている付属室１８に配設されている上記燃料ガスタンク２１の上壁は仕切壁１４によって規定されており、従って燃料ガスタンク２１内は仕切壁１４に形成されている上記スリットによって電極支持基板２４の各々に形成されているガス通路３４に連通せしめられている。インターコネクタ３２は電極支持基板２４の片面（図３の燃料電池スタック２０ａにおいて上面）上に配設されている。燃料極層２６は電極支持基板２４の他面（図３の燃料電池スタック２０ａにおいて下面）及び両側面に配設されており、その両端はインターコネクタ３２の両端に接合せしめられている。固体電解質層２８は燃料極層２６の全体を覆うように配設され、その両端はインターコネクタ３２の両端に接合せしめられている。酸素極層３０は、固体電解質層２８の主部上、即ち電極支持基板２４の上記他面を覆う部分上、に配置され、電極支持基板板２４を挟んでインターコネクタ３２に対向して位置せしめられている。

電池スタック２０ａ、２０ｂ及び２０ｃの各々における隣接する燃料電池２２間には集電部材３６が配設されており、一方の燃料電池２２のインターコネクタ３２と他方の燃料電池２２の酸素極層３０とを接続している。電池スタック２０ａ、２０ｂ及び２０ｃの各々において両端、即ち図３において上端及び下端に位置する燃料電池２２の片面及び他面にも集電部材３６が配設されている。そして、電池スタック２０ａ及び２０ｂの、図３において下端に配設された集電部材３６は導電部材３８によって接続され、電池スタック２０ｂ及び２０ｃの、図３において上端に配設された集電部材３６も導電部材３８によって接続されている。更に、電池スタック２０ａの、図３において上端に配設された集電部材３６には端子部材４０が接続され、電池スタック２０ｃの、図３において下端に配設された集電部材３６にも端子部材４０が接続されている。かくして、全ての燃料電池２２が電気的に直列接続され、直列接続の両端には端子部材４０が存在する。

燃料電池２２について更に詳述すると、電極支持基板２４は燃料ガスを燃料極層２６まで透過させるためにガス透過性であること、そしてまたインターコネクタ３２を介して集電するために導電性であることが要求され、かかる要求を満足する多孔質の導電性セラミック（もしくはサーメット）から形成することができる。燃料極層２６及び／又は固体電解質層２８との同時焼成により電極支持基板２４を製造するためには、鉄属金属成分と特定希土類酸化物とから電極支持基板２４を形成することが好ましい。所要ガス透過性を備えるために開気孔率が３０％以上、特に３５乃至５０％の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であるのが好ましい。燃料極層２６は多孔質の導電性セラミック、例えば希土類元素が固溶しているＺｒＯ_２（安定化ジルコニアと称されている）とＮｉ及び／又はＮｉＯとから形成することができる。固体電解質層２８は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有している
と同時に、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有するものであることが必要であり、通常、３〜１５モル％の希土類元素が固溶したＺｒＯ_２ から形成されている。酸素極層３０は所謂ＡＢＯ_３ 型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックから形成することができる。酸素極層３０はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が２０％以上、特に３０乃至５０％の範囲にあることが好ましい。インターコネクタ３２は導電性セラミックから形成することができるが、水素リッチなガスでよい燃料ガス及び空気でよい酸素含有ガスと接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、このためにランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ_３ 系酸化物）が好適に使用される。インターコネクタ３２は電極支持基板２４に形成されたガス通路３４を通る燃料ガス及び電極支持基板２４の外側を流動する酸素含有ガスのリークを防止するために緻密質でなければならず、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが望まれる。集電部材３６は弾性を有する金属又は合金から形成された適宜の形状の部材或いは金属繊維又は合金繊維から成るフェルトに所要表面処理を加えた部材から構成することができる。導電部材３８及び端子部材４０は適宜の金属又は合金から形成することができる。

図１及び図２を参照して説明を続けると、発電システム２は、更に、電池スタック２０ａ、２０ｂ及び２０ｃに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段４２、電池スタック２０ａ、２０ｂ及び２０ｃに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段４４、及び燃料電池組立体６のハウジング８内に区画されている発電・燃焼室１６内から排ガスを排出するための排ガス排出手段４６を具備している。

燃料ガス供給手段４２は、都市ガスの供給ライン或いはプロパンガスボンベでよい燃料ガス供給源４８に接続された供給ライン５０を含んでおり、この供給ライン５０には切断弁５１及び流量制御手段５２が配設されている。燃料ガス供給手段４２は、上記燃料電池組立体６のハウジング８内に区画されている発電・燃焼室１６の上端部に配置された改質手段５４及び気化手段５６も含んでいる（図２においては改質手段５４及び気化手段５６はブロックで簡略に図示している）。改質手段５４は、燃料ガスの部分改質及び水蒸気改質に必要なそれ自体は周知の触媒を収容した改質室（図示していない）を有する。上記供給ライン５０は発電・燃焼室１６内に延び、改質手段５４の入口に接続されている。改質手段５４の出口はハウジング８の側壁内に形成されている連通路５８及び接続管５９を介して上記燃料ガスタンク２１に接続されている。上記流量制御手段５２の下流側において、上記供給ライン５０には切断弁６０を介して送風手段６２が接続されている。燃料ガス供給手段４２は、更に、上水供給ラインでよい水供給源６４に接続された供給ライン６６を含んでおり、この供給ライン６６には切断弁６８、浄水手段７０及び流量制御手段７２が配設されている。供給ライン６６も発電・燃焼室１６内に延びており、上記気化手段５６の入口に接続されている。気化手段５６の出口は改質手段５４の上流側において上記供給ライン５０に接続、従って供給ライン５０を介して改質手段５４に接続されている。後に更に言及する如く、供給ライン５０を通して改質手段５４に都市ガス或いはプロパンガスでよい燃料ガスが供給され、改質手段５４において水素リッチな燃料ガスに改質された後に燃料ガスタンク２１に供給され、そして燃料電池２２、更に詳細にはその電極支持基板２４に形成されているガス通路３４に供給される。送風手段６２は、例えば起動時等に必要に応じて作動されて（更に詳しくは、ハウジング８内に区画されている発電・燃焼室１６内の温度が充分に上昇して気化手段５６が所要気化を遂行し得る状態になるまでの間に作動されて）改質手段５４に空気を供給する。発電システム２の正常運転時（即ちハウジング８内に区画されている発電・燃焼室１６内の温度が充分に上昇して気化手段５６が所要気化を遂行し得る状態の時）には、上水でよい水が浄水手段７０によって所要浄化処理を受けた後に気化手段５６に供給され、気化手段５６においては水蒸気が生成され、かかる水蒸気が所謂水蒸気改質のために改質手段５４に供給される。

酸素含有ガス供給手段４４は、燃料電池組立体６のハウジング８の側壁を貫通して発電・燃焼室１６の下部に延びる酸素含有ガス導入管７２まで延在する供給ライン７４を含んでいる。供給ライン７４の上流端には送風手段７６が配設されている。供給ライン７４には、更に、流量計７８及び第一の熱交換手段８０が配設されている。送風手段７６が作動せしめられると、空気でよい酸素含有ガスが供給ライン７４を通して流動せしめられて発電・燃焼室８内に流入せしめられ、燃料電池２２に供給される。

主として図２及び図３を参照して説明を続けると、後に更に言及するとおり、例えば燃料ガスを発電・燃焼室１６内で燃焼せしめることによって発電・燃焼室１６内の温度が所要温度以上になると、水素リッチな燃料ガスが燃料ガスタンク２１から燃料電池２２における電極支持基板２４のガス通路３４に供給されてガス通路３４を上昇し、そしてまた酸素含有ガスが酸素含有ガス導入管７２を通して発電・燃焼室１６内に導入せしめられることに起因して、燃料電池２２の各々においては、酸素極層３０で下記式（１）の電極反応が生成され、また燃料極層２６では下記式（２）の電極反応が生成されて発電される。そして、生成された電力は一対の端子部材４０を通して取り出される。
酸素極： １／２Ｏ_２ ＋２ｅ⁻ → Ｏ^２−（固体電解質） ・・・（１）
燃料極： Ｏ^２−（固体電解質）＋Ｈ_２ → Ｈ_２ Ｏ＋２ｅ⁻・・（２）
燃料電池２２における電極支持基板２４のガス通路３４を流動する燃料ガスの、電極反応に使用されなかった燃料ガスは、電極支持基板２４の上端から発電・燃焼室１６内に流出せしめられ、流出と同時に燃焼せしめられる。酸素含有ガス導入管７２を通して発電・燃焼室１６に導入された酸素含有ガス中の酸素で電極反応に使用されなかったものは燃焼に利用される。発電・燃焼室１６内は、燃料電池２２での発電及び燃焼ガスの燃焼に起因して例えば１０００℃程度の高温になる。而して、本発明に従って構成された図示の発電システムにおいては、燃料ガス供給手段４２における改質手段５４及び気化手段５６が発電・燃焼室１６内に配設されており、発電・燃焼室１６内の高温が燃料ガスの改質に効果的に利用され、そしてまた水の気化にも効果的に利用されることが留意されるべきである。

図１及び図２を参照して説明すると、上記排ガス排出手段４６は、ハウジング８の側壁の上端部を貫通して延びる排ガス導出管８４及びこの排ガス導出管８４から延びる排出ライン８６を含んでいる。排出ライン８６は上記第一の熱交換手段８０を通って延び、そして更に第二の熱交換手段８８を通って延びる。第一の熱交換手段８０においては排ガスの熱が発電・燃焼室１６に供給される酸素含有ガスに伝導される。また、第二の熱交換手段８８においては、後に更に言及する如く、排ガスの熱が給湯システム４における水の加熱に利用される。かくして、高温の排ガスが保有する熱が効果的に利用され、発電システムにおける熱効率及び資源有効利用率が充分に高い値にせしめられ得る。

図４は発電システム２に配設されている電気的構成要素を簡略に図示している。電池スタック２０ａ、２０ｂ及び２０ｃは、昇圧チョッパ９０、インバータ９２及び連係リレー９４を介して、商用電源システム９６と並列的に例えば家庭の電力負荷に接続されている。商用電源システム９６と負荷との間には、商用電源システム９６から負荷に供給されている電力量を計測するための電流変換器９５が配設されている。また、図示の実施形態においては、電池スタック２０ａ、２０ｂ及び２０ｃには降圧チョッパ９８及び充電器１００を介して蓄電器１０２も接続されている。この蓄電器１０２は昇圧チョッパ１０３及び上記昇圧チョッパ９０を介して上記インバータ９２に接続されている。発電システムには種々の交流駆動機器及び直流駆動機器が配設されているが、図４においては説明の便宜上種々の交流駆動機器を一括して番号１０４で示し、種々の直流駆動機器を一括して番号１０６で示している。直流駆動機器１０６には平滑回路１０８が付設されている。発電システム２の起動時には、交流駆動機器１０４には商用電源システム９６から直接交流を供給し、直流駆動機器１０６には商用電源システム９６からの交流を平滑回路１０８を介して供給する。電池スタック２０ａ、２０ｂ及び２０ｃにおいて発電が開始されると、発電された電気を昇圧チョッパ９０にて昇圧し、インバータ９２によって交流に変換し連係リレー９４を介して負荷に供給する。負荷に対して発電量が不充分である場合には、商用電源システム９６からも負荷に電力供給される。また、蓄電器１０２が充分に充電されていない時には、発電された電気の少なくとも一部を降圧チョッパ９８にて降圧して充電器１００に供給し、蓄電器１０２を充電する。電池スタック２０ａ、２０ｂ及び２０ｃが発電している時には、直流駆動機器１０６には発電された電気を降圧チョッパ９８を介して供給し、交流駆動機器１０４には発電された電気を昇圧チョッパ９０及びインバータ９２を介して供給する。蓄電器１０２は非常用であり、例えば発電システム２の起動時に商用電源システム９６が停電した場合には、直流駆動機器１０６には蓄電器１０２から直接的に直流を供給し、交流駆動機器１０４には昇圧チョッパ１０３、昇圧チョッパ９０及びインバータ９２を介して交流を供給する。

図１を参照して説明すると、給湯システム４は貯湯槽１１０を含んでおり、この貯湯槽１１０には水流入手段１１２と加熱水流出手段１１４とが付設されている。図示の実施形態における水流入手段１１２は一次供給ライン１１６及び二次供給ライン１１８を含んでいる。一次供給ライン１１６は上記水供給源６４から貯湯槽１１０の底部まで延在せしめられている。この一次供給ライン１１６には減圧弁１２０が配設されており、この減圧弁１２０は貯湯槽１１０内の水圧を例えば１乃至２気圧でよい所定水圧に維持する。二次供給ライン１１８は貯湯槽１１０の底部から上記第二の熱交換手段８８を通って貯湯槽１１０の上部まで延びている。この二次供給ライン１１８の上流部には送水ポンプ１２２が配設されている。送水ポンプ１２２が作動せしめられると、貯湯槽１１０の底部に存在する低温の水が二次供給ライン１１８を通して流動せしめられる。二次供給ライン１１８を流動する水は、第二の熱交換手段８８において排ガスと熱交換して加熱され、貯湯槽１１０の上部に流入せしめられる。本発明に従って構成された発電システムにおいては、発電・燃焼室１６から排出される高温の排ガスの熱が第一の熱交換手段８０において酸素含有ガスの加熱に利用され、次いで第二の熱交換手段８８において給湯システム４における水の加熱に利用され、かくして排ガスの熱が充分効果的に利用される。給湯システム４における水の所望加熱温度は発電システム２における酸素含有ガスの所望加熱温度よりも低く、従って給湯システム４における水の加熱に使用される第二の熱交換手段８８は排ガスの流動方向に見て酸素含有ガスの加熱に使用される第一の熱交換手段８０の下流に配置されている。

図示の実施形態においては、一次供給ライン１１６および二次供給ライン１１８を配設し、一旦貯湯槽１１０の底部に加熱前の水を流入せしめ、しかる後に貯湯槽１０の底部から水を流出せしめて加熱し、加熱した水を貯湯槽１１０の上部に流入せしめているが、所望ならば、一旦貯湯槽１１０に流入せしめることなく、水供給源６４からの水を加熱した後に貯湯槽１１０に流入せしめることもできる。また、第二の熱交換手段８８における熱交換によって排ガス中の水蒸気が少なくとも部分的に液化される場合、第二の熱交換手段８８において生成された水を気化手段５６に供給することもできる。

加熱水流出手段１１４は、混合手段１２４及び加熱手段１２６が配設されている流出ライン１２８を含んでいる。混合手段１２４は分岐ライン１３０によって上記一次供給ライン１１６に接続されており、従って分岐ライン１３０及び一次供給ライン１１６を介して水供給源６４に接続されている。貯湯槽１１０から流出せしめられる加熱水の温度が所要温度を超えている場合には、混合手段１２４において加熱水に水供給源６４から供給される水が混合されて所要温度に低下せしめられ、しかる後に使用に供される。一方、貯湯槽１１０から流出せしめられる加熱水が所要温度よりも低い場合には、加熱水は混合手段１２４において水と混合せしめられることなく混合手段１２４を通過し、周知のガス式或いは電気式給湯器から構成することができる加熱手段１２６において所要温度に加熱され、しかる後に使用に供される。

上述したとおりの発電システムには中央制御ユニットを含む制御手段（図示していない）も装備されており、かかる制御手段による制御の下に発電システムが作動せしめられる。発電システムの作動様式を要約して説明すると、次のとおりである。

図５は、発電システムにおける発電システムの起動時の作動方法を示すフローチャートである。例えば適宜の操作パネル（図示していない）に配設されている起動スイッチ（図示していない）が閉成されることによって発電システムが起動されると、ステップｎ−１において初期化チェックが遂行されて、前回の作動停止状況が確認され、必要に応じて各種機器の初期化が遂行される。次いで、ステップｎ−２において、異常の有無がチェックされる。例えば、燃料ガス供給源４８におけるガス圧力の異常、水供給源６４における水圧の異常（これらの異常は周知の検出器によって検出することができる）等がチェックされる。そして、異常が検出された場合には、ステップｎ−３に進行して異常警告し、作動停止する。異常警告は、例えば操作パネルに装備された警告灯の点灯或いは警告ブザーの作動でよい。更に、未だ起動していないにもかかわらず火炎を検出及び／又は出力電流を検出し（火炎、出力電流の検出については後に更に言及する）、或いはガス漏れを検出した場合も、異常検出としてステップｎ−３に進行する。ガス漏れ検出ついて付言すると、例えば発電・燃焼室１６から排出される排出ガス中に未燃焼の燃料ガスが含有されていることを検出した場合、或いは発電・燃焼室１６を規定しているハウジング８を囲繞しているケース（図示していない）内に燃料ガスが存在していることを検出した場合に、ガス漏れと判別する。上記ステップｎ−２において異常が検出されなかった場合にはステップｎ−４に進行し、酸素含有ガス供給手段４４における送風手段７６を始動し、供給ライン７４及び酸素含有ガス導入管７１を通して発電・燃焼室１６内に酸素含有ガスを供給する。次いで、ステップｎ−５に進行して燃料ガス供給手段４２における送風手段６２を始動し、ステップｎ−６に進行して切断弁６０を開き、かくして供給ライン５０を介した空気の供給を開始する。しかる後にステップｎ−７に進行し、発電・燃焼室１６の上部に配設されている着火手段（図示していない）を始動する。着火手段は例えば放電式のものでよい。次いで、ステップｎ−８に進行して燃料ガス供給手段４２における流量制御手段５２による規定流量を所定値に設定し、ステップｎ−９に進行して切断弁５１を開き、かくして供給ライン５０を介する燃料ガスの供給を開始する。供給ライン５０を介して供給される空気及び燃料ガスは改質手段５４に進入し、改質手段５４内においては所謂部分酸化改質が遂行される。次いで、改質された燃料ガスは連通路５８，接続管５９及び燃料ガスタンク２１を通して燃料電池２２のガス通路３４に供給され、少なくとも一部は燃料電池２２の上端から発電・燃焼室１６内に放出される。そして、燃料電池２２のガス通路３４を通して発電・燃焼室１６内に放出された燃料ガスと酸素含有ガス導入管７１を通して発電・燃焼室１６に導入された酸素含有ガスが着火手段によって着火され、発電・燃焼室１６内で燃焼が開始される。

次いで、ステップｎ−１０に進行し、発電・燃焼室１６内で開始された燃焼により発生する火炎を検出する。かかる火炎の検出は、それ自体は周知の火炎検出器によって例えば図２に符号Ａ−１で示す部位にて火炎を検出することによって好都合に遂行することができる。ステップｎ−１０において火炎を検出できなかった時、換言すれば発電・燃焼室１６内において燃焼を開始することができなかった時には、作動停止手順を遂行する。即ち、ステップｎ−１１において切断弁５１を閉じ、ステップｎ−１２において流量制御手段５２における流量設定を解除（即ち零復帰）し、ステップｎ−１３において切断弁６０を閉じ、ステップｎ−１４において送風手段６２の作動を停止する。所望ならば、切断弁５２を閉じた後に若干の時間間隔をおいて切断弁６０を閉じ、かくすることによって供給ライン５０、改質手段５４、連通路５８、接続管５９、燃料ガスタンク２１及び燃料電池２２のガス通路３４に存在する燃料ガスを空気によってパージすることができる。次いで、ステップｎ−１５に進行して発電・燃焼室１６内の燃焼ガスのパージを遂行する。即ち、燃料ガスの供給を停止した後も送風手段７６を所定時間作動し続け、酸素含有ガスによって発電・燃焼室１６内の燃料ガスをパージする。そして、ステップｎ−１６に進行して送風手段７６の作動を停止する。ステップｎ−１７においては上述した起動手順が例えば３回でよい所定回数繰り返し試みられたか否かが判別される。起動手順が既に所定回数試みられた時にはステップｎ−１８に進行して異常警告し、作動停止する。起動手順が所定回数以下である場合には、上記ステップｎ−１に戻る。

上記ステップｎ−１０において火炎が適切に検出された場合には、ステップｎ−１９に進行し、燃料電池組立体６の所定部位の温度が所定値以上に上昇したか否かが判別される。かかる温度検出は、例えば気化手段５６の特定部位Ａ−２（かかる部位の温度が所定値以上になると、水を気化手段５６に供給して気化せしめることが可能になる）、電池スタック２０ａ、２０ｂ及び２０ｃの中央部位Ａ−３、そして更にハウジング８の外枠体１０の側面近傍Ａ−４で遂行し、夫々の部位で夫々別個の規定温度以上に上昇したか否かを判別するのが好適である。検出温度が所定値未満である場合には上記ステップｎ−１０に戻る。検出温度が所定以上に上昇すると、ステップｎ−２０において流量制御手段７２による規定流量を所定値に設定し、ステップｎ−２１において切断弁６８を開き、かくして気化手段５６への水の供給を開始する。次いで、ステップｎ−２２において切断弁６０を閉じ、ステップｎ−２３において送風手段６２を停止し、かくして供給ライン５０への空気の供給を停止する。ステップｎ−２０乃至２３は燃料ガスの改質を部分酸化改質から水蒸気改質に変更するものである。

燃料ガスの改質が水蒸気改質に変更された後においては、図６に図示する移行手順、即ち起動から通常作動への移行手順が遂行される。ステップｎ−２４においては、各種異常の有無、例えば発電・燃焼室１６内での燃焼の停止等、が判別される。そして、異常が発生した場合にはステップｎ−２５に進行して切断弁５１を閉じ、ステップｎ−２６に進行して流量制御手段５２における流量設定を解除し、かくして燃料ガスの供給を停止する。改質手段５４及び燃料電池２２に対する水蒸気の供給は継続され、これによって改質手段５４に収容されている触媒および燃料電池２２の急激な酸化が防止される。次いで、ステップｎ−２７において上述した部位Ａ−２、Ａ−３及びＡ−４における検出温度が夫々所定値未満に低下したか否かが判別される。検出温度が所定値未満に低下すると、ステップｎ−２８において切断弁６０を空け、ステップｎ−２９において流量制御手段７２における流量設定を解除する。ステップｎ−３０においては、各種ライン等における水蒸気が温度低下によって凝縮するのを回避するために、水蒸気パージを遂行する。かかる水蒸気パージは、燃料ガス供給手段４２における送風手段６２を所定時間作動せしめることによって好都合に遂行され得る。しかる後にステップｎ−３１に進行して酸素含有ガス供給手段４４における送風手段７６を停止し、ステップｎ−３２に進行して異常警告し、作動停止する。

上記ステップｎ−２４において異常が検出されなかった場合には、ステップｎ−３３に進行して、上記部位Ａ−３における検出温度が所定値を超えたか否か、換言すれば燃料電池２２が適切に発電することができる温度に達したか否かが判別される。検出温度が所定値以下の場合は上記ステップｎ−２４に戻る。検出温度が所定値を超えると、ステップｎ―３４に進行して、発電システムにおける交流駆動機器１０４及び直流駆動機器１０６に対する電力供給を、商用電源システム９６（又は蓄電器１０２）から電池スタック２０ａ、２０ｂ及び２０ｃが発電する電力に変更する（図４も参照されたい）。この際には、必要に応じて、送風手段７６の駆動電力並びに流量制御手段５２及び７２における規定流量を、電力供給の変更に適した値に変更することができる。しかる後に、図７に図示する通常作動に移行する。

図７を参照して説明を続けると、通常作動に移行すると、ステップｎ−３５においてインバータ９２の外部出力がＯＮされて発電システムが商用電源システム９６に接続される（図４も参照されたい）。次いで、ステップｎ−３６において通常作動状態であることが、例えば操作パネル（図示していない）に配置されている通常作動表示ランプ（図示していない）を点灯することによって表示される。ステップｎ−３７においては、電池スタック２０ａ、２０ｂ及び２０ｃに接続された電流計（図示していない）によって測定される発電電流値が読み取られる。次いで、ステップｎ−３８において、商用電力システム９６から負荷に供給されている電力量、即ち商用電力使用が読み取られる。しかる後にステップｎ−３９に進行して、電池スタック２０ａ、２０ｂ及び２０ｃの発電量が負荷の必要電力量以上か否かが判別される。発電量が負荷の必要電力量よりも大きい場合にはステップｎ−４０に進行し、インバータ９２の出力を必要に応じて低減せしめて負荷の必要電力量に相当した値に設定し、インバータ９２から商用電源システム９６に電量が流入する所謂逆潮流の発生を回避する。次いで、ステップｎ−４１に進行し、電池スタック２０ａ、２０ｂ及び２０ｃの中央部位Ａ−３における検出温度が所定範囲内か否かが判別される。検出温度が所定範囲内である場合にはステップｎ−４２に進行して、所定演算式に従って送風手段７６の適正駆動電力並びに流量制御手段５２及び７２における適正規定流量が演算される。かかる演算にはステップｎ−３７において読み取られた電流値も使用される。そして、演算された値に基いて、ステップｎ−４３において送風手段７６の駆動電力、従って酸素含有ガスの供給量が適正値に設定され、ステップｎ−４４において流量制御手段７２の設定流量、従って水の供給量が適正値に設定され、ステップｎ−４５において流量制御手段５２の設定流量、従って燃料ガスの供給量が適正値に設定される。

上記ステップｎ−４１で読み取られる検出温度が所定範囲未満である場合には、ステップｎ−４６に進行して、所定演算式に従って送風手段７６の適正駆動電力並びに流量制御手段５２及び７２における適正規定流量が演算される。かかる演算は検出温度を上昇せしめるための方策、例えば発電・燃焼室１６内での燃焼を増大せしめるために燃料ガスの供給量を増大せしめる等、の方策が考慮されたものである。そして、演算された値に基いて、ステップｎ−４７において送風手段７６の駆動電力、従って酸素含有ガスの供給量が適正値に設定され、ステップｎ−４８において流量制御手段７２の設定流量、従って水の供給量が適正値に設定され、ステップｎ−４９において流量制御手段５２の設定流量、従って燃料ガスの供給量が適正値に設定される。上記ステップｎ−４１で読み取られる検出温度が所定範囲を超える場合には、ステップｎ−５０に進行して、所定演算式に従って送風手段７６の適正駆動電力並びに流量制御手段５２及び７２における適正規定流量が演算される。かかる演算は検出温度を下降せしめるための方策、例えば酸素含有ガスの供給量を増大せしめて燃料電池２２の冷却を助長する等、の方策が考慮されたものである。そして、演算された値に基いて、ステップｎ−５１において送風手段７６の駆動電力、従って酸素含有ガスの供給量が適正値に設定され、ステップｎ−５２において流量制御手段７２の設定流量、従って水の供給量が適正値に設定され、ステップｎ−５３において流量制御手段５２の設定流量、従って燃料ガスの供給量が適正値に設定される。次いで、ステップｎ−５４に進行して各種異常の有無が判別される。異常が発生した場合には図８に示す手順に進行する。異常がない場合にはステップｎ−５５に進行し、例えば操作パネル（図示していない）に配設されている停止スイッチ（図示していない）が閉成されることによって停止信号が生成されているか否かが判別される。停止信号が生成されていない場合には上記ステップｎ−３６に戻る。一方、停止信号が生成されている場合には、図９に示す手順に進行する。

上記ステップｎ−３９において発電量が負荷の必要電力量より小さい場合には、発電量を増大すべき、上記ステップｎ−４１乃至ｎ−５３と同様のステップｎ−５６乃至ｎ−６８が遂行され、しかる後にステップｎ−６９に進行してインバータ９２の出力を増大せしめる。そして、上記ステップｎ−５４に進行する。

図８を参照して説明を続けると、上記ステップｎ−５４において異常が検出された場合には、ステップｎ−７０に進行してインバータ９２の外部出力をＯＦＦにし、発電システムを負荷から切り離す。次いで、ステップｎ−７１に進行し、異常状態の如何に応じて待機モードに移行すべきか或いは停止モードに移行すべきかを判別する。例えば、上記ステップｎ−５４における異常が火炎を検出しないことである場合には、検出部位Ａ−３における温度も参照して検出温度が下限界（例えば６２０℃）以下である場合には停止モードに移行する。検出温度が下限界よりも高い場合には自然着火する可能性がある故に待機モードに移行する。異常状態がガス漏れ検知である場合には、ガス漏れ濃度に応じて判別する。例えば燃料ガスが都市ガスである場合、爆発下限界濃度の１／４を超えると停止モードに移行し、爆発下限界濃度の１／１００乃至１／４である場合には待機モードに移行する。検出部位Ａ−１、Ａ−２及びＡ−３の温度異常に関しては、例えば夫々の検出部位に関する第一下限界値以下の場合には待機モードに移行し、第一下限界値よりも低い第二下限界値以下になると停止モードに移行する。同様に、例えば夫々の検出部位に関する第一上限界値以上の場合には待機モードに移行し、第一上限界値よりも高い第二上限界値以上になると停止モードに移行する。異常状態が商用電源システム９６の停電の場合には待機モードに移行し、商用電源システム９６に代えて発電システムにおける発電を利用することを可能にするのが望ましい。

待機モードに移行すべき時には、ステップｎ−７２に進行して発電電流値を読み取る。これに先立ち、必要に応じて送風手段７６の駆動電力並びに流量制御手段５２及び７２における規定流量を、待機モードに適した値に変更することができる。次いで、図７に図示するステップｎ−４１乃至ｎ−５３同様のステップｎ−７３乃至ｎ−８５が遂行される。しかる後にステップｎ−８６に進行し、各種異常の有無が判別される。異常がない場合には上記ステップｎ−３５に進行して通常作動に復帰する。ステップｎ−８６において異常がある場合にはステップｎ−８７に進行して待機モードに進行すべきか停止モードに進行すべきかが判別される。待機モードに進行すべき場合には上記ステップｎ−７３に戻る。

上記ステップｎ−７１或いは上記ステップｎ−８７において停止モードに移行すべき場合には、上記ステップｎ−２５乃至ｎ−３２と同様のステップｎ−８８乃至ｎ−９５を遂行して作動停止する。

上記ステップｎ−５５（図７）において停止信号がある場合には、図９に図示するステップｎ−９６に進行し、インバータ９２の外部出力をＯＦＦにして発電システムを商用電源システム９６から切り離す。次いで、ステップｎ−９７において、停止信号が待機モードへの移行を指示する信号か作動停止を指示する信号かを判別する。待機モードへ移行すべき時には、図７に図示するステップｎ−７２乃至ｎ−８７と同様のステップｎ−９８乃至ｎ−１１３が遂行される。停止モードへ移行すべき時には、図８に図示するステップｎ−８８乃至ｎ−９５と同様のステップｎ−１１４乃至ｎ−１２０が遂行され、作動停止される。

図１０は給湯システムの作動方法を示すフローチャートを示す参考図である。図示の実施形態においては、給湯システム自体の作動制御は発電・給湯システムにおける発電システムの作動制御とは独立して遂行される故に、発電システムに異常が発生して発電システムが停止せしめられている場合でも、給湯システムを作動せしめて給湯を実現することが可能である。給湯システムの作動は、例えば給湯のための蛇口（図示していない）が開栓されることを検知することによって開始される。ステップｍ−１においては、初期化チェックが遂行されて前回の作動停止状況が確認され、必要に応じて各種機器の初期化が遂行される。次いで、ステップｍ−２において異常の有無がチェックされる。例えば、水供給源６４における水圧の異常、加熱手段１２６に対する供給ガス圧力の異常、商用電源システム９６における漏電乃至停電等の異常がチェックされる。異常が検出された場合には、ステップｍ−３に進行して異常警告し、作動停止する。異常警告は、発電システムの場合と同様に、操作パネルに装備された警告灯或いは警告ブザーの作動でよい。ステップｍ−２において異常がなかった場合にはステップｍ−４に進行し、貯湯槽１１０内に収容されている湯の上部の温度、即ち給湯の際に貯湯槽１１０から送出される湯の温度が例えば６０℃でよい所定値を超えているか否かが判別される。湯の温度が所定値を超えている場合には、ステップｍ−５に進行して混合手段１２４を作動せしめ、貯湯槽１１０からの湯を水供給源６４と混合して所要温度に冷却して給湯する。湯の温度が所定値以下の場合には、ステップｍ−６に進行して加熱手段１２６を作動せしめ、貯湯槽１１０からの湯を所要温度に加熱して給湯する。ステップｍ−７においては、給湯を継続すべきか否かが判別される。給湯を継続すべき場合には、上記ステップｍ−２に戻る。蛇口が閉栓され給湯を停止すべき場合には、ステップｍ−８に進行して作動されていた混合手段１２４或いは加熱手段１２６の作動を停止し、作動停止する。給湯システム４に配設されている送水ポンプ１２２は、第二の熱交換手段８８の下流側における二次供給ライン１１８内の水の温度に基いて制御することができる。この水の温度が所定範囲、例えば８０乃至９５℃、よりも低い場合には送水ポンプ８８による送水量を低減せしめ、所定範囲よりも高い場合には送水ポンプ８８による送水量を増大せしめる。

２：発電システム
４：給湯システム
６：燃料電池組立体
１６：発電・燃焼室
２０ａ：電池スタック
２０ｂ：電池スタック
２０ｃ：電池スタック
２２：燃料電池
４２：燃料ガス供給手段
４４：酸素含有ガス供給手段
４６：排ガス排出手段
５４：改質手段
５６：気化手段
８０：第一の熱交換手段
８８：第二の熱交換手段
１１０：貯湯槽
１２４：混合手段
１２６：加熱手段

Claims (5)

1. 発電・燃焼室を有するハウジングと、前記発電・燃焼室内に収納された固体電解質形燃料電池を複数個配列してなる電池スタックと、炭化水素系ガスを水蒸気改質により前記燃料ガスに改質するための改質手段、該改質手段に水蒸気改質するための水を供給するための水供給手段および前記改質手段に空気を供給する送風手段を含み、前記固体電解質形燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記固体電解質形燃料電池に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段とを備え、前記固体電解質形燃料電池に前記燃料ガスと前記酸素含有ガスとを供給することで発電を行なうとともに、商用電源システムと接続されて負荷に電流を供給する発電システムの作動方法であって、
   前記発電システムの通常作動時に異常を検知したかまたは停止信号が生成された場合において、前記発電システムを前記商用電源システムから切り離して待機モードまたは停止モードのいずれに移行するかを判別し、前記待機モードに移行する場合に、
   前記電池スタックの温度に基づいて所定演算式により求められた前記炭化水素系ガスの供給量、前記水の供給量および前記酸素含有ガスの供給量となるように、前記酸素含有ガス供給手段、前記水供給手段、前記燃料ガス供給手段をこの順に制御することを特徴とする発電システムの作動方法。
2. 発電・燃焼室を有するハウジングと、前記発電・燃焼室内に収納された固体電解質形燃料電池を複数個配列してなる電池スタックと、炭化水素系ガスを水蒸気改質により前記燃料ガスに改質するための改質手段、該改質手段に水蒸気改質するための水を供給するための水供給手段および前記改質手段に空気を供給する送風手段を含み、前記固体電解質形燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記固体電解質形燃料電池に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段とを備え、前記固体電解質形燃料電池に前記燃料ガスと前記酸素含有ガスとを供給することで発電を行なうとともに、商用電源システムと接続されて負荷に電流を供給する発電システムの作動方法であって、
   前記発電システムの通常作動時に異常を検知したかまたは停止信号が生成された場合において、前記発電システムを前記商用電源システムから切り離して待機モードまたは停止モードのいずれに移行するかを判別し、前記停止モードに移行する場合に、
   前記燃料ガス供給手段の作動を停止させ、次いで前記電池スタック、前記改質手段および前記ハウジング近傍の温度がそれぞれ所定の温度に達すると、前記水供給手段の作動を停止させるとともに前記送風手段を一定時間作動させ、しかるのち前記酸素含有ガス供給手段の作動を停止させることを特徴とする発電システムの作動方法。
3. 前記待機モードに移行したあと、前記酸素含有ガス供給手段、前記水供給手段および前記燃料ガス供給手段を制御しても前記異常が回復しなかった場合に、前記電池スタック、前記改質手段および前記ハウジング近傍の温度またはガス漏れ濃度に基づいて、前記待機モードを継続するかまたは前記停止モードに移行することを特徴とする請求項１に記載の発電システムの作動方法。
4. 前記待機モードに移行したあと、前記酸素含有ガス供給手段、前記水供給手段および前記燃料ガス供給手段を制御することにより前記異常が回復した場合に、前記商用電源システムと再接続させ、前記発電システムを通常作動させることを特徴とする請求項１に記載の発電システムの作動方法。
5. 前記発電システムが、前記異常を検出した場合に異常警告を行なう警告手段を備え、前記発電システムが前記停止モードにおいて、前記酸素含有ガス供給手段の作動を停止させたあと、前記警告手段を作動させることを特徴とする請求項２に記載の発電システムの作動方法。