JP5162843B2 - 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、発電時の廃熱により生成した湯水を一度は貯湯層に貯め、次回起動時に貯湯層から高温の湯水を抜き出して燃料電池を加温す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６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、熱交換手段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底部より貯湯槽内の一番温度の低い水を抜き出し、貯湯水循環路１１を通して熱交換手段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再加熱手段（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などから構成し、電力負荷検知手段１５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。

また、残存熱量検知手段１６は貯湯槽１０内部の温度や湯量から残存している熱量を検知するものであり、温度検知手段１７は燃料電池２の温度を検知するものであり、これら残存熱量検知手段１６からの残存熱量や温度検知手段１７からの温度を制御手段１４は常に把握している。

次に、起動時に貯湯槽からの湯水を用いて燃料電池を加温する構成を説明する。

発電運転を終えた後、貯湯槽１０には上部から下部にかけて高温の湯水が十分に満たされており、上記したように使用者が貯湯槽１０上部から湯水を抜き出し再加熱手段１２を経由して外部熱負荷５で利用可能である。

一方で、次回起動のタイミングで冷え切った燃料電池２を加温する方法として、貯湯水循環ポンプ９を逆転方向に回転動作させることにより図６に示した貯湯水循環路１１の矢印方向とは逆の向きに湯水を循環させ貯湯槽１０上部に貯められた高温の湯水を熱交換手段８へ導き、冷却水循環ポンプ６を動作させて冷却水循環路７により熱交換手段８の熱量は燃料電池２に供給され加温が可能となる。

次に、上記構成において動作を図７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６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７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にて日々の運転開始時刻（例えば午前７時）になると、Ｓ２にて燃料電池２は待機状態から起動行程を開始し、Ｓ３にて冷え切った燃料電池２を４５℃程度（燃料ガスと酸化剤ガスを送り込むと発電可能な温度）まで加温する処理を開始する。

具体的には、貯湯水循環ポンプ９を逆転方向に回転動作させることにより貯湯槽１０の上部に溜まっている湯水を抜き出し、図６に示した貯湯水循環路１１の矢印方向とは逆の向きに湯水を循環させ貯湯槽１０上部に貯められた高温の湯水を熱交換手段８へ導く。

一方で、冷却水循環ポンプ６を動作させて冷却水循環路７により熱交換手段８の熱量を徐々に燃料電池２へ伝えることにより加温する処理を開始し、Ｓ４にて温度検知手段１７が加温完了の温度である４５℃を検知すると、Ｓ５にて加温処理を終了する。

Ｓ６にて燃料生成器１が燃料ガスを生成可能な状態になった時点で起動行程を終え、Ｓ７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）に移行する。

その後、半日以上の発電運転を行い、Ｓ８にて日々の運転終了予定時刻（例えば午後８時）になると、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、システムの状態としては待機状態に移行し、一連のシステム動作を終了する。

なお、Ｓ９を終えてから再び運転を開始する場合にはＳ１に戻ると考えて良い。
特開２００４−５３１２０号公報

しかしながら、前記従来の構成では、発電運転を終えた直後は、貯湯槽には上部から下部にかけて高温の湯水が十分に満たされており次回起動のタイミングで冷え切った燃料電池を加温するために要する熱量を十分に確保しているが、その後、使用者が発電中にも貯湯槽に貯めた湯水の多くを外部熱負荷を用いて使用したり、あるいは、冬場で貯湯槽の放熱ロスが大きい場合、いわゆる湯切れが発生して次回の運転開始時（この例で言えば午前７時の時点）で、貯湯槽の湯水による燃料電池の加温処理が出来ないと言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、例えば毎日定期的に発電と停止を繰り返すタイマー発電運転を行う燃料電池発電システムにおいて、運転開始時に安定した燃料電
池の加温が可能な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は、運転開始のタイミングより所定時間前に、残存熱量検知手段からの残存熱量が次回発電起動時に燃料電池を加温するのに必要な加温熱量を下回る場合、再加熱手段および再加熱水帰還ポンプを動作させて貯湯槽の冷えた湯水を再加熱して再加熱水帰還路経由で貯湯槽へ戻すことにより、貯湯槽内部の残存熱量が加温熱量より多い状態に保つようにし、貯湯槽の湯水を使用禁止状態にする出湯禁止手段を備え、再加熱手段および再加熱水帰還ポンプを動作させた場合、出湯禁止手段を動作させるものである。

上記の本発明の燃料電池発電システムによって、発電運転を開始するタイミングが不定な燃料電池発電システムにおいても、常に貯湯槽には加温熱量より多い残存熱量を確保で
き、つまり、発電起動時に安定した燃料電池の加温が可能となる。また、発電終了後の湯水利用や放熱ロスから湯切れが発生して再加熱手段を使って貯湯槽に確保した残存熱量を出湯制限することにより確実に補完することで、より発電起動時に安定した燃料電池の加温が可能となる。

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、前記燃料電池で発生した熱を回収する冷却水を循環する冷却水循環路と、前記冷却水循環路を通して前記燃料電池に冷却水を循環させる冷却水循環ポンプと、前記冷却水の熱を湯水に熱交換する熱交換手段と、前記熱交換手段で熱交換した湯水を貯える貯湯槽と、前記熱交換手段から熱を回収する湯水を循環する貯湯水循環路と、前記貯湯水循環路を通して前記貯湯槽の湯水を前記熱交換手段に循環させる貯湯水循環ポンプと、前記貯湯槽の湯水を再加熱する再加熱手段と、前記再加熱手段により再加熱した湯水を前記貯湯槽に帰還させる再加熱水帰還路と、前記貯湯槽の湯水を前記再加熱手段に送り、前記再加熱手段から前記再加熱水帰還路を通して前記貯湯槽に戻す再加熱水帰還ポンプと、前記貯湯槽の湯水熱量を検知する残存熱量検知手段と、起動時に、前記冷却水循環ポンプ及び前記貯湯水循環ポンプを動作させて、前記貯湯槽からの湯水を用いて前記燃料電池を加温するよう制御する制御装置と、前記貯湯槽の湯水を使用禁止状態にする出湯禁止手段と、を備え、前記制御装置は、発電終了後、前記残存熱量検知手段が検知する残存熱量が、起動時に前記燃料電池を昇温するため必要な熱量を下回る場合、前記再加熱手段および前記再加熱水帰還ポンプを動作させ、前記再加熱手段および前記再加熱水帰還ポンプを動作させた場合、前記出湯禁止手段を動作させる。

これによって、例えば毎日定期的に発電と停止を繰り返すタイマー発電運転を行う燃料電池発電システムにおいて、実際に運転開始する少し前から貯湯槽内に加温熱量より多い残存熱量を確保することができ、つまり、発電起動時に安定した燃料電池の加温が可能となる。また、発電終了後の湯水利用や放熱ロスから湯切れが発生して再加熱手段を使って貯湯槽に確保した残存熱量を出湯制限することにより確実に補完することで、より発電起動時に安定した燃料電池の加温が可能となる。

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、前記再加熱手段および再加熱水帰還ポンプの動作時間が所定の時間を超える場合、動作を停止する。

これによって、発電する環境が極寒であったり、何らかの要因で排熱回収ロスが大きく貯湯槽に湯水が極めて貯まりにくい場合であっても限度時間を持って再加熱処理を終了することができる。

第３の発明は、特に、第１又は第２の発明の燃料電池発電システムにて、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ことにより、効率の良い燃料電池の発電運転ができる。

第４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、前記燃料電池で発生した熱を回収する冷却水を循環する冷却水循環路と、前記冷却水の熱を湯水に熱交換する熱交換手段と、前記熱交換手段で熱交換した湯水を貯える貯湯槽と、前記熱交換手段から熱を回収する前記貯湯槽の湯水を循環する貯湯水循環路と、前記貯湯槽の湯水を再加熱する再加熱手段と、を備える燃料電池発電システムの運転方法であって、起動時に、前記冷却水循環路の冷却水を循環させ、かつ、前記貯湯水循環路の湯水を循環させて、前記貯湯槽からの湯水を用いて前記燃料電池を加温する工程と、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを前記燃料電池に供給して発電する工程と、前記燃料電池の発電を終了する工程と、発電終了後、前記貯湯槽の残存熱量が、起動時に前記燃料電池を昇温するため必要な熱量を下回る場合、前記貯湯槽の湯水を再加熱する工程と、再加熱した場合、出湯を禁止する工程と、を備える燃料電池発電システムの運転方法である。

これにより、定例えば毎日期的に発電と停止を繰り返すタイマー発電運転を行う燃料電池発電システムにおいて、実際に運転開始する少し前から貯湯槽内に加温熱量より多い残存熱量を確保することができ、つまり、発電起動時に安定した燃料電池の加温が可能となる。また、発電終了後の湯水利用や放熱ロスから湯切れが発生して再加熱手段を使って貯湯槽に確保した残存熱量を出湯制限することにより確実に補完することで、より発電起動時に安定した燃料電池の加温が可能となる。

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。

なお、燃料電池発電システムのブロック図にて、１８は再加熱水帰還ポンプ、１９は再加熱手段１２により再加熱した湯水を貯湯槽１０に帰還させる再加熱水帰還路であり、その他は制御装置２０、制御手段２１と表記している以外は従来の構成と同じである。

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２０に商用電源の通電を行うと制御手段（マイコン）２１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、Ｓ１〜Ｓ９は従来の構成と同じなので説明を省略する。ポイントは、Ｓ１の毎日決まったタイマー運転開始時刻の前にＳ１０〜Ｓ１４の処理が追加していることである。

具体的には、Ｓ１０にてＳ１の毎日決まったタイマー運転開始時刻（例えば午前７時）から所定時間前（この例では２時間前の午前５時）になると、Ｓ１１にて残存熱量検知手段１６からの残存熱量が次回発電起動時に燃料電池２を加温するのに必要な熱量（加温熱量）を下回ると、Ｓ１２にて貯湯水１０内湯水の再加熱を開始する。

具体的には、再加熱水帰還ポンプ１８を動作させると貯湯槽１０上部より湯水が抜き出されて再加熱手段１２（バックアップ給湯器）に送り込まれ再加熱後に再加熱水帰還路１９を経由して貯湯槽１０の中部に戻される。

この再加熱処理は、Ｓ１３にて必要な加温熱量に相当する残存熱量を残存熱量検知手段
１６が検知するまで行われ、Ｓ１４にて貯湯槽１０の上部から中部にわたる湯水の再加熱が完了し、次回起動時に燃料電池２の加温に要する熱量は十分に確保される。

ここで補足するが、Ｓ１にてタイマー運転開始時刻（午前７時）になっていない場合の戻り先は、Ｓ１１の判断分岐前に戻している。つまり、Ｓ１０以降で運転開始時刻までの待機状態中は、必要に応じてＳ１１〜Ｓ１４の再加熱処理を行い、常に貯湯槽１０には加温熱量より多い残存熱量を確保するというものである。

これにより、例えば毎日定期的に発電と停止を繰り返すタイマー発電運転を行う燃料電池発電システムにおいて、実際に運転開始する少し前から貯湯槽１０内に加温熱量より多い残存熱量を確保することができ、つまり、発電起動時に安定した燃料電池２の加温が可能となる。

（実施の形態２）
図３は本実施の形態２の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。なお、燃料電池発電システムのシステムブロック図は実施の形態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３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、Ｓ１５を追加したものである。つまり、Ｓ１２にて貯湯水１０内湯水の再加熱を開始して（貯湯槽１０の大きさ、再加熱手段１２の加熱能力にもよるが）貯湯槽１０の上部から中部にかけて冷めた湯水を再加熱し加温熱量に相当する残存熱量を得るのに十分な限度時間（この例では１時間としている）を経過しても目標の熱量を確保できない場合、Ｓ１５にて強制的に再加熱動作を終了させる。

これにより、発電する環境が極寒であったり、何らかの要因で排熱回収ロスが大きく貯湯槽１０に湯水が極めて貯まりにくい場合であっても限度時間を持って再加熱処理を終了することができる。

（実施の形態３）
図４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５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。

なお、燃料電池発電システムのブロック図にて、２２は貯湯槽１０の湯水を使用禁止状態にする出湯禁止手段である。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５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、Ｓ１６、Ｓ１７を追加したものである。つまり、Ｓ１４にて貯湯槽１０の上部から中部にわたる湯水の再加熱が完了すると、Ｓ１６にて出湯禁止手段２２を動作させて（たとえ使用者が外部熱負荷５を動作させても）貯湯槽１０内部の湯水（残存熱量）を使用させない。

一方で、Ｓ１にて運転を開始すると、Ｓ１７にて出湯禁止手段２２は解除するが貯湯槽１０には燃料電池２を加温するのに十分な残存熱量が確保されているので問題ない。

これにより、発電終了後の湯水利用や放熱ロスから湯切れが発生して再加熱手段１２を使って貯湯槽１０に確保した残存熱量を出湯制限することにより確実に補完することで、より発電起動時に安定した燃料電池２の加温が可能となる。

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は、制御装置が運転開始のタイミングより所定時間前に、残存熱量検知手段からの残存熱量が次回発電起動時に燃料電池を加温するのに必要な加温熱量を下回る場合、再加熱手段を動作させて貯湯槽の冷えた湯水を再加熱して再加熱水帰還路経由で貯湯槽へ戻すことにより、貯湯槽内部の残存熱量が加温熱量より多い状態に保つ。

これにより、例えば毎日定期的に発電と停止を繰り返すタイマー発電運転を行う燃料電池発電システムにおいて、実際に運転開始する少し前から貯湯槽内に加温熱量より多い残存熱量を確保することができる。つまり、発電起動時に安定した燃料電池の加温が可能となる。

同様にして、毎日定期的に運転と停止を繰り返す家電製品などの機器制御に対して次回の運転で用いる湯水や熱量を実際に運転開始するタイミングの少々前に生成して確保することにより、次回運転時に安定した起動動作を行うことができる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２１の動作フロ−チャ−ト 本発明の実施の形態２の制御手段２１の動作フロ−チャ−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２４の動作フロ−チャ−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１４の動作フロ−チャ−ト

符号の説明

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
６ 冷却水循環ポンプ
７ 冷却水循環路
８ 熱交換手段
９ 貯湯水循環ポンプ
１０ 貯湯槽
１１ 貯湯水循環路
１２ 再加熱手段
１６ 残存熱量検知手段
１８ 再加熱水帰還ポンプ
１９ 再加熱水帰還路
２０、２３ 制御装置
２１、２４ 制御手段
２２ 出湯禁止手段

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、
   前記燃料電池で発生した熱を回収する冷却水を循環する冷却水循環路と、
   前記冷却水循環路を通して前記燃料電池に冷却水を循環させる冷却水循環ポンプと、
   前記冷却水の熱を湯水に熱交換する熱交換手段と、
   前記熱交換手段で熱交換した湯水を貯える貯湯槽と、
   前記熱交換手段から熱を回収する湯水を循環する貯湯水循環路と、
   前記貯湯水循環路を通して前記貯湯槽の湯水を前記熱交換手段に循環させる貯湯水循環ポンプと、
   前記貯湯槽の湯水を再加熱する再加熱手段と、
   前記再加熱手段により再加熱した湯水を前記貯湯槽に帰還させる再加熱水帰還路と、
   前記貯湯槽の湯水を前記再加熱手段に送り、前記再加熱手段から前記再加熱水帰還路を通して前記貯湯槽に戻す再加熱水帰還ポンプと、
   前記貯湯槽の湯水熱量を検知する残存熱量検知手段と、
   起動時に、前記冷却水循環ポンプ及び前記貯湯水循環ポンプを動作させて、前記貯湯槽からの湯水を用いて前記燃料電池を加温するよう制御する制御装置と、
   前記貯湯槽の湯水を使用禁止状態にする出湯禁止手段と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記燃料電池の運転開始のタイミングより所定時間前に、前記残存熱量検知手段が検知する残存熱量が、起動時に前記燃料電池を昇温するため必要な熱量を下回る場合、前記再加熱手段および前記再加熱水帰還ポンプを動作させ、前記再加熱手段および前記再加熱水帰還ポンプを動作させた場合、前記出湯禁止手段を動作させる燃料電池発電システム。
2. 前記制御装置は、前記再加熱手段および前記再加熱水帰還ポンプの動作時間が所定の時間を超える場合、動作を停止させる請求項１記載の燃料電池発電システム。
3. 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請求項１又は２記載の燃料電池発電システム。
4. 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、
   前記燃料電池で発生した熱を回収する冷却水を循環する冷却水循環路と、
   前記冷却水の熱を湯水に熱交換する熱交換手段と、
   前記熱交換手段で熱交換した湯水を貯える貯湯槽と、
   前記熱交換手段から熱を回収する前記貯湯槽の湯水を循環する貯湯水循環路と、
   前記貯湯槽の湯水を再加熱する再加熱手段と、
   を備える燃料電池発電システムの運転方法であって、
   起動時に、前記冷却水循環路の冷却水を循環させ、かつ、前記貯湯水循環路の湯水を循環させて、前記貯湯槽からの湯水を用いて前記燃料電池を加温する工程と、
   前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを前記燃料電池に供給して発電する工程と、
   前記燃料電池の発電を終了する工程と、
   発電終了後、前記貯湯槽の残存熱量が、起動時に前記燃料電池を昇温するため必要な熱量を下回る場合、前記貯湯槽の湯水を再加熱する工程と、
   再加熱した場合、出湯を禁止する工程と、
   を備える燃料電池発電システムの運転方法。

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