JP5895245B2 - 発電システム及び発電システムの運転方法 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池を有する発電システムに関する。
燃料電池を用いた発電システムは、発電効率が高く、大気汚染物質もほとんど排出しないため、省エネかつクリーンな発電装置として近年期待されている。特に、発電時に発生する熱を貯湯タンクに湯として回収し、その熱を給湯や暖房等に利用する燃料電池コージェネレーションシステムは、総合的なエネルギー効率が高く、家庭用のエネルギー機器としての普及が望まれている。ただ、発電に伴う熱の回収だけでは給湯や暖房用の熱としては十分ではないため、燃焼装置からなる補助熱源を用いて、貯湯タンク内部の湯または貯湯タンクから送出される湯を、必要に応じて加熱して利用するのが一般的である。
このような発電システムを建物内部に配置する場合、その給排気性能を向上させることを目的としたシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示されている燃料電池システムは、吸気口を備えた建物の内部に設置して使用される燃料電池システムであって、建物の外部の空気を燃料電池システムの内部へ導く空気導入口と、燃料電池システムの内部の空気を建物の外部へ排出する空気排出管と、換気手段を備えていて、換気手段が、建物外部の空気を吸気口を介して建物の内部に導き、さらに空気導入口を通して燃料電池システムの内部に導入し、さらに空気排出管を通して建物の外部へと排出する。
また、建物内部に配置した燃料電池システムで生じた排ガスの排気性能を向上することを目的として、上下方向に延びるダクトを具備する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に開示されている燃料電池システムでは、建物内部を上下方向に延び、上端部が外部に位置するダクトが、二重管であり、排ガス及び空気がダクトの内側又は外側をそれぞれ独立して流通するように、換気管及び排気管がダクトにそれぞれ連結されている。
このような発電システムを建物内に配置する場合に、特許文献１及び特許文献２に開示されている燃料電池システムを参照すると、以下のような構成をとることが考えられる。すなわち、燃料電池システムと燃焼装置とを別々に配置し、燃料電池システムと燃焼装置とが連通する同一の給排気管を設ける構成である。
ところで、燃料電池システムは、雰囲気温度が高い場合に運転されると、その内部にある、例えば、イオン交換樹脂からなる不純物除去手段の温度が上昇し、その耐久温度を超え、不純物除去手段の劣化が促進されてしまう。また、燃料電池、及び、例えば、空気供給器、ポンプ、センサ等の補機に関しても、その周囲温度がこれらの耐熱性を保証できる温度以上になると長期信頼性が阻害されてしまう。そこで、特許文献３に開示されている燃料電池システムは、外気温度が所定値よりも高い場合は、燃料電池システムの運転を許可しないものである。
特開２００６−７３４４６号公報 特開２００８−２１０６３１号公報 特開２００６−１４７２６５号公報
しかしながら、上記特許文献１〜３をはじめとする従来技術であっても更なる信頼性の向上（補機などの部品の劣化抑制）を確保するという観点からは、いまだ改善の余地があることを本発明者らは見出した。
そこで、本発明は、補機などの部品の故障及び劣化を抑制することで信頼性を向上し、従来より確実に、想定した寿命まで運転させることができる発電システムを提供することを目的とする。
上記従来技術の課題を鑑みて、本発明者らが鋭意検討をした結果、本発明者らは更なる信頼性の向上の観点からは、上記特許文献１〜３をはじめとする従来の燃料電池システムには以下の課題があることを見出した。
すなわち、給排気管を燃料電池システムと燃焼装置とで共用しており、燃焼装置を動作させることで燃料電池システムに供給される空気が給排気管における熱交換により加熱される場合がある。特に、燃料電池システムに外部から取り込む空気の温度が高くなると、例えば、イオン交換樹脂を備えている不純物除去手段の温度が上昇し、その耐久温度を超え、不純物除去手段の劣化が促進されるおそれがある。また、燃料電池又は、例えば、空気供給器、ポンプ、センサ等の補機の周囲温度がこれらの耐熱性を保証できる温度以上になることで、その寿命及び信頼性が低下するというおそれがある。
そこで、従来の課題を解決するために、本発明の発電システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池を収納する筐体と、前記筐体内に給気流路を介して外気を導入する空気供給器と、前記外気の温度を検知する温度検知器と、を有する燃料電池システムと、可燃物を燃焼し、燃焼排ガスを排出流路を介して排出するように構成されている燃焼装置と、制御器と、を備える発電システムであって、前記給気流路は、前記排出流路と熱交換されるように構成されており、前記温度検知器は、前記給気流路を通流して前記排出流路と熱交換する前の前記外気の温度を検知するように構成されており、前記制御器は、前記燃料電池システムを動作させる場合に前記温度検知器が検知した温度が予め設定される第１温度以上の場合は、前記燃焼装置の出力を低下させ、前記第１温度を前記燃焼装置の出力が大きいほど、温度が低くなるように変更し、前記燃焼装置の出力が小さいほど、温度が高くなるように変更することにより、前記第１温度を予め設定するように構成されている。
これによって、発電システムの燃焼装置が運転されるような場合も、燃料電池を収納する筐体内に供給される空気の温度上昇を抑制することが可能となり、燃料電池システム内部に設置された燃料電池及び、例えば、空気供給器、ポンプ、センサ等の補機の周囲温度をこれらの耐熱性を保証できる温度以下に抑制することが可能となる。
本発明の発電システム及び発電システムの運転方法は、発電システムの燃焼装置が運転される場合においても、燃料電池システム内部に設置された燃料電池及び、ポンプ及びセンサ等の補機の周囲温度の上昇を抑制することで、信頼性に優れ長期寿命を確保することができる。
図１は、本実施の形態１に係る発電システムの概略構成を示す模式図である。 図２は、本実施の形態１に係る発電システムの概略動作を示すフローチャートである。 図３は、本実施の形態２に係る発電システムの概略構成を示す模式図である。 図４は、本実施の形態２に係る発電システムの概略動作を示すフローチャートである。 図５は、本実施の形態２における変形例１の発電システムの概略動作を示すフローチャートである。 図６は、本実施の形態３に係る発電システムの概略動作を示すフローチャートである。 図７は、本実施の形態４に係る発電システムの概略構成を示す模式図である。 図８は、本実施の形態４に係る発電システムの概略動作を示すフローチャートである。
本発明に係る発電システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、燃料電池を収納する筐体と、筐体内に給気流路を介して外気を導入する空気供給器と、外気の温度を検知する温度検知器と、を有する燃料電池システムと、可燃物を燃焼し、燃焼排ガスを排出流路を介して排出するように構成されている燃焼装置と、制御器と、を備える発電システムであって、給気流路は、排出流路と熱交換されるように構成されており、温度検知器は、給気流路を通流して排出流路と熱交換する前の外気の温度を検知するように構成されており、制御器は、燃料電池システムを動作させる場合に温度検知器が検知した温度が予め設定される第１温度以上の場合は、燃焼装置の出力を低下させ、第１温度を燃焼装置の出力が大きいほど、温度が低くなるように変更し、燃焼装置の出力が小さいほど、温度が高くなるように変更することにより、第１温度を予め設定するように構成されている。
これにより、燃焼装置が運転されるような場合も、燃料電池を収納する筐体内に供給される空気の温度上昇を抑制することが可能となり、燃料電池システム内部に設置された燃料電池及び補機の周囲温度をこれらの耐熱性を保証できる温度以下に抑制することが可能となり、信頼性に優れた発電システムを提供することができる。
また、本発明に係る発電システムでは、給気流路は、燃焼装置から排出流路へ排出された燃焼排ガスと熱交換される第１給気流路を有し、温度検知器は、給気流路のうちの第１給気流路より上流側の流路に配置されていてもよい。
また、本発明に係る発電システムでは、制御器は、温度検知器が検知した温度が第１温度より高い温度である第２温度以上の場合は、燃焼装置を停止させてもよい。これにより、燃料電池を収納する筐体内に流入する空気が燃焼装置の運転により、温められることが完全になくなるため、給気温度が確実に抑制され、さらに信頼性の高い発電システムを提供することができる。
さらに、本発明に係る発電システムでは、燃料電池及び燃焼装置が供給する熱を蓄える蓄熱器と、蓄熱器に蓄えられている蓄熱量を検知する蓄熱量検知器と、をさらに備え、制御器は、蓄熱量検知器が検知する蓄熱量が予め定められる第１蓄熱量未満で、温度検知器が検知した温度が第１温度以上の場合は、燃焼装置の出力を低下させ、蓄熱量検知器が検知する蓄熱量が第１蓄熱量以上で、温度検知器が検知した温度が第１温度以上の場合は、燃焼装置を停止させてもよい。
これにより、蓄熱器の内部に所定値（第１蓄熱量）以上の蓄熱量が確保されている場合は、燃焼装置の燃焼による蓄熱を停止することで、外気の温度が高いような場合も、燃料電池を収納する筐体内に供給される空気の温度上昇を抑制することが可能となり、燃料電池システム内部に設置された燃料電池及び補機の周囲温度を抑制することが可能となり、信頼性に優れた発電システムを提供することができる。
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
（実施の形態１）
本実施の形態１に係る発電システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、燃料電池を収納する筐体と、筐体内に給気流路を介して外気を導入する空気供給器と、外気の温度を検知する温度検知器と、を有する燃料電池システムと、可燃物を燃焼し、燃焼排ガスを排出流路を介して排出するように構成されている燃焼装置と、制御器と、を備える発電システムであって、給気流路は、排出流路と熱交換されるように構成されており、制御器は、燃料電池システムを動作させる場合に温度検知器が検知した温度が予め設定される第１温度以上の場合は、燃焼装置の出力を低下させるように構成されている。
また、本実施の形態１に係る発電システムでは、温度検知器が、給気流路もしくは筐体内に配置されていてもよい。
さらに、本実施の形態１に係る発電システムでは、給気流路は、燃焼装置から排出流路へ排出された燃焼排ガスと熱交換される第１給気流路を含み、温度検知器は、第１給気流路、給気流路のうちの第１給気流路より下流側の流路、又は筐体内に配置されていてもよい。
以下、図１及び図２を参照しながら、本実施の形態１に係る発電システムの一例について、説明する。
［発電システムの構成］
図１は、本実施の形態１に係る発電システムの概略構成を示す模式図である。
図１に示すように、本実施の形態１に係る発電システム１００は、燃料電池システム６、給気流路３、排出流路７、燃焼装置８、及び制御器９を備えている。燃料電池システム６は、燃料電池１と、換気器４、燃料処理装置１４と、酸化剤ガス供給器１６と、燃焼空気供給器１７と、を備えていて、これらの機器は、筐体２内部に収納されている。
燃料処理装置１４は、原料ガスを用いて水素含有ガスを生成する改質器（図示せず）と該改質器を加熱するための燃焼器１４ａを有していて、生成された水素含有ガスは、燃料ガスとして、燃料ガス供給流路１８を介して、燃料電池１の燃料ガス流路（図示せず）に供給される。
燃料処理装置１４の改質器には、原料ガス流路と水供給流路が接続されている（いずれも図示さず）。原料ガス流路には、原料ガス供給器が設けられている。原料ガス供給器は、改質器にその流量を調整しながら、原料ガスを供給するように構成されている。原料ガス供給器としては、例えば、流量調整弁とポンプで構成されていてもよく、流量調整可能なポンプで構成されていてもよい。なお、原料ガスとしては、天然ガス又はＬＰガス等が例示される。
また、改質器は改質触媒を有している。この改質触媒としては、例えば、原料と水蒸気とから水素含有ガスを発生させる水蒸気改質反応を触媒することができれば、どの様な物質を使用してもよい。例えば、アルミナ等の触媒担体にルテニウム（Ｒｕ）を担持させたルテニウム系触媒又は、同様の触媒担体にニッケル（Ｎｉ）を担持させたニッケル系触媒等を使用することができる。
燃料処理装置１４の燃焼器１４ａには、オフ燃料ガス流路（図示せず）を介して、燃料電池１が接続されている。燃焼器１４ａでは、オフ燃料ガス流路を介して供給された原料ガス又は燃料電池で使用されなかった燃料ガスを燃焼して、燃焼排ガスが生成される。そして、燃焼器１４ａで生成された燃焼排ガスは、改質器を加熱した後に、排ガス流路（図示せず）に排出され、排ガス流路から排出流路７を介して、燃料電池システム６（発電システム１００）外に排出される。
酸化剤ガス供給器１６は、燃料電池１に酸化剤ガス（空気）をその流量を調整しながら供給することができれば、どのような構成であってもよく、例えば、ファン又はブロワ等のファン類で構成されていてもよい。酸化剤ガス供給器１６には、酸化剤ガス供給流路１９を介して、燃料電池１の酸化剤ガス流路（図示せず）が接続されている。
燃料電池１は、アノードとカソードを有している（いずれも図示せず）。燃料電池１では、燃料ガス流路に供給された燃料ガスが、アノードに供給される。また、酸化剤ガス流路に供給された酸化剤ガスが、カソードに供給される。そして、アノードに供給された燃料ガスとカソードに供給された酸化剤ガスとが、反応して電気と熱が発生する。
燃料電池１で使用されなかった燃料ガスは、オフ燃料ガスとして、オフ燃料ガス流路を介して、燃料処理装置１４の燃焼器１４ａに供給される。また、燃料電池１で使用されなかった酸化剤ガスは、排空気流路（図示せず）及び排出流路７を介して、オフ酸化剤ガスとして、燃料電池システム６（発電システム１００）外に排出される。
なお、発生した電気は、図示されない電力調整器により、外部電力負荷（例えば、家庭の電気機器）に供給される。また、発生した熱は、熱媒体流路２０を通流する熱媒体が回収する（図７参照）。熱媒体が回収した熱は、例えば、水を加熱するのに使用することができる。
また、本実施の形態１においては、燃料電池１は、高分子電解質形燃料電池、直接内部改質型固体酸化物形燃料電池、又は間接内部改質型固体酸化物形燃料電池等の各種の燃料電池を用いることができる。また、本実施の形態１においては、燃料電池１と燃料処理装置１４を別々に構成する態様を採用したが、これに限定されず、固体酸化物形燃料電池のように、燃料処理装置１４と燃料電池１とが一体で構成されていてもよい。この場合、燃料電池１と燃料処理装置１４とが共通の断熱材で覆われた一つのユニットとして構成され、燃焼器１４ａは、改質器だけでなく燃料電池１も加熱することができる。また、直接内部改質型固体酸化物形燃料電池においては、燃料電池１のアノードが改質器の機能を有することから、燃料電池１のアノードと改質器とが一体で構成されていてもよい。
換気器４は、筐体２内を換気するように構成されている。具体的には、換気器４が作動することにより、給気流路３から発電システム１００外の空気が筐体２内に給気され、筐体２内のガス（主として、空気）が排出流路７を介して、燃料電池システム６（発電システム１００）外に排出され、筐体２内が換気される。すなわち、本実施の形態１においては、換気器４が筐体２内に外気を導入する空気供給器を構成する。換気器４としては、ファン又はブロワ等のファン類で構成されていてもよい。
なお、本実施の形態１においては、空気供給器として、換気器４を用いたが、これに限定されない。例えば、酸化剤ガス供給器１６は、筐体２内に存在する空気を燃料電池１等を介して、排出流路７に排出するため、給気流路３から発電システム１００外の空気が筐体２内に給気され得る。同様に、燃焼空気供給器１７は、筐体２内に存在する空気を燃焼器１４ａ等を介して、排出流路７に排出するため、給気流路３から発電システム１００外の空気が筐体２内に給気され得る。このため、空気供給器として、酸化剤ガス供給器１６及び／又は燃焼空気供給器１７を用いてもよい。
また、例えば、給気流路３から筐体２内に外気を導入するように、ファン又はブロワ等を配置し、当該ファン等を空気供給器としてもよい。
燃焼装置８は、可燃物を燃焼し、燃焼により発生した熱を蓄熱器（図７参照）に蓄熱するように構成されている。燃焼装置８で生成された燃焼排ガスは、排出流路７を介して、大気に排出される。なお、可燃物としては、天然ガス等の可燃性ガス又は灯油等の液体燃料等が挙げられる。
また、筐体２を構成する壁の適所には、壁の厚み方向に貫通する孔が設けられている。該孔には、排出流路７と給気流路３が接続されている。排出流路７と給気流路３は、いわゆる二重配管で構成されている。給気流路３は、その下流端が筐体内に開口するように形成されている。給気流路３と排出流路７とは、二重管の外側を給気流路３、内側を排出流路７としている。
給気流路３と排出流路７は、燃料電池システム６及び燃焼装置８の双方に連通しており、それぞれに外部より新鮮な空気を供給するとともに、それぞれから発生する排ガスを外部に排気するものである。給気流路３を流れる空気と、排出流路７を流れるより高温の排ガスとは、二重管の内管表面を介して熱交換を行う。
より詳しくは、給気流路３は、途中で分岐されていて、給気流路３の上流端は、大気に開放されていて、２つの下流端は、筐体２及び燃焼装置８内部で、それぞれ、開口している。また、給気流路３の途中には、燃焼装置８から排出流路７へ排出された燃焼排ガスと熱交換されるように構成された第１給気流路３１（図１のハッチングで示した部分）を有している。
温度検知器５は、給気流路３内に配置されていて、給気流路３を通流する外気の温度を検知して、検知した温度を制御器９に出力する。本実施の形態１においては、温度検知器５は、給気流路３の第１給気流路３１、給気流路３における第１給気流路３１よりも下流側の流路、又は筐体２内に配置されていてもよい。これらの場所に配置すると、燃焼装置８から排出流路７へ排出された燃焼排ガスと熱交換された後の外気の直接の温度を検知することができる。
制御器９は、発電システム１００を構成する各機器を制御する機器であれば、どのような形態であってもよい。制御器９は、マイクロプロセッサ、ＣＰＵ等に例示される演算処理部と、各制御動作を実行するためのプログラムを格納した、メモリ等から構成される記憶部を備えている。そして、制御器９は、演算処理部が、記憶部に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、これらの情報を処理し、かつ、これらの制御を含む発電システム１００に関する各種の制御を行う。
なお、制御器９は、単独の制御器で構成される形態だけでなく、複数の制御器が協働して発電システム１００の制御を実行する制御器群で構成される形態であっても構わない。また、制御器９は、マイクロコントロールで構成されていてもよく、ＭＰＵ、ＰＬＣ(Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ)、論理回路等によって構成されていてもよい。
［発電システムの動作］
次に、本実施の形態１に係る発電システムの動作について、図１及び図２を参照しながら説明する。なお、発電システムにおける発電動作は、一般的な燃料電池システムの発電動作と同様に行われるので、その詳細な説明は省略する。
図２は、本実施の形態１に係る発電システムの概略動作を示すフローチャートである。
図２に示すように、制御器９は、燃料電池システム６の起動信号が入力されたか否かを判定する（ステップＳ１０１）。燃料電池システム６に作動指令が入力される例としては、例えば、燃料電池システム６の使用者が、図示されていないリモコンを操作して、燃料電池システム６が作動するように操作した場合や、予め設定された燃料電池システム６の作動開始時間になった場合などが挙げられる。
制御器９は、燃料電池システム６の作動指令が入力されていない場合（ステップＳ１０１でＮｏ）には、燃料電池システム６の作動指令が入力されるまで、ステップＳ１０１を繰り返す。一方、制御器９は、燃料電池システム６の作動指令が入力された場合（ステップＳ１０１でＹｅｓ）には、ステップＳ１０２に進む。
ステップＳ１０２では、制御器９は、温度検知器５から給気流路３を通流する外気の温度Ｔを取得する。ついで、制御器９は、ステップＳ１０２で取得した温度Ｔが第１温度Ｔ１以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０３）。
ここで、第１温度は、予め実験等で求められ、燃料電池１、又は燃焼空気供給器１７等の補機の耐熱温度等から適宜設定される。また、第１温度Ｔ１は、外気の温度及び燃焼装置８の出力等から設定されてもよい。燃料電池１又は補機の耐熱温度を第１温度Ｔ１として設定してもよい。また、第１温度Ｔ１としては、例えば、４０℃であってもよく、５０℃であってもよく、８０℃であってもよい。
制御器９は、温度Ｔが第１温度Ｔ１未満である場合（ステップＳ１０３でＮｏ）には、温度Ｔが第１温度Ｔ１以上になるまで、ステップＳ１０２及びステップＳ１０３を繰り返す。一方、制御器９は、温度Ｔが第１温度Ｔ１以上である場合（ステップＳ１０３でＹｅｓ）には、燃焼装置８の出力を低下させ（ステップＳ１０４）、本プログラムを終了する。
［発電システムの作用効果］
このように構成された本実施の形態１に係る発電システム１００では、燃焼装置８が運転されている場合に、給気流路３を通流する外気の温度上昇を抑制することができる。また、給気流路３から筐体２内に供給される外気の温度上昇が抑制されるため、筐体２内の温度が、筐体２内に配置されている燃料電池１及び補機の耐熱温度にまで上昇することを抑制することができる。特に、夏季等の外気温度が高い場合においては、その効果は顕著となる。
このため、本実施の形態１に係る発電システム１００では、燃料電池１及び補機の寿命が短くなることを抑制し、信頼性の高い発電システムを提供することができる。
また、本実施の形態１に係る発電システム１００では、給気流路３を通流する外気の温度が第１温度以上である場合には、燃焼装置８の出力を低下させて、燃焼装置８の運転を継続させる（燃焼装置８の運転時間を長くする）ことにより、燃焼装置８による蓄熱を維持することができる。
なお、本実施の形態１に係る発電システム１００では、給気流路３を通流する外気の流れに対して、燃焼装置８を上流側に、燃料電池システム６を下流側に設置する形態を採用したが、これに限定されるものではなく、燃料電池システム６を上流側に、燃焼装置８を下流側に設置する形態を採用してもよい。
また、本実施の形態１に係る発電システム１００では、制御器９を筐体２外に配置する形態を採用したが、これに限定されず、制御器９を筐体２内に配置する形態を採用してもよい。
さらに、本実施の形態１に係る発電システム１００では、燃料処理装置１４で生成された水素含有ガスが燃料ガスとして燃料電池１に供給される構成としたが、これに限定されない。例えば、燃料処理装置１４において、改質触媒で生成された水素を変成器が有する変成触媒に通すことにより一酸化炭素を低減し、更に、酸化触媒又はメタン化触媒を有する一酸化炭素除去器を通過させた後に、燃料電池１へ供給する構成を採用してもよい。変成触媒としては、銅−亜鉛系触媒を用いることができ、酸化触媒又はメタン化触媒としては、ルテニウム系触媒を用いることができる。
（実施の形態２）
本実施の形態２に係る発電システムは、実施の形態１に係る発電システムにおいて、温度検知器が、給気流路を通流して排出流路と熱交換する前の外気の温度を検知するように構成されている。
また、本実施の形態２に係る発電システムでは、給気流路は、燃焼装置から排出流路へ排出された燃焼排ガスと熱交換される第１給気流路を含み、温度検知器は、給気流路のうちの第１給気流路より上流側の流路に配置されていてもよい。
以下、図３及び図４を参照しながら、本実施の形態２に係る発電システムの一例について説明する。
［発電システムの構成］
図３は、本実施の形態２に係る発電システムの概略構成を示す模式図である。
図３に示すように、本実施の形態２に係る発電システム１００は、実施の形態１に係る発電システム１００と基本的構成は同じであるが、温度検知器５の配置される場所が異なる。具体的には、温度検知器５は、給気流路３を通流して排出流路７と熱交換する前の外気の温度を検知するように配置されている（構成されている）。より詳細には、温度検知器５は、給気流路３の第１給気流路３１よりも上流側の流路に配置されている。
ここで、本実施の形態２においては、給気流路３の第１給気流路３１よりも上流側の流路と排出流路７の下流側流路とは、熱交換されないように、二重配管が解消されている。具体的には、それぞれの流路を構成する配管が、互いに接触しないように配置されている。
これにより、給気流路３の第１給気流路３１よりも上流側の流路を通流する外気は、排出流路７の下流側流路を通流するガス（例えば、燃焼排ガス等）と熱交換されない。このため、温度検知器５は、給気流路３を通流して排出流路７と熱交換する前の外気の温度を検知することができる。
なお、本実施の形態２においては、温度検知器５を給気流路３の第１給気流路３１よりも上流側の流路に配置したが、これに限定されず、例えば、温度検知器５を筐体２、給気流路３、排出流路７、及び燃焼装置８外に配置してもよい。
［発電システムの動作］
次に、本実施の形態２に係る発電システム１００の動作について、図３及び図４を参照しながら説明する。
図４は、本実施の形態２に係る発電システムの概略動作を示すフローチャートである。
図４に示すように、制御器９は、燃料電池システム６の起動信号が入力されたか否かを判定する（ステップＳ２０１）。制御器９は、燃料電池システム６の作動指令が入力されていない場合（ステップＳ２０１でＮｏ）には、燃料電池システム６の作動指令が入力されるまで、ステップＳ２０１を繰り返す。一方、制御器９は、燃料電池システム６の作動指令が入力された場合（ステップＳ２０１でＹｅｓ）には、ステップＳ２０２に進む。
ステップＳ２０２では、制御器９は、温度検知器５から給気流路３を通流する外気の温度Ｔを取得する。ついで、制御器９は、燃焼装置８から該燃焼装置８の出力Ｐを取得する（ステップＳ２０３）。そして、制御器９は、ステップＳ２０２で取得した温度ＴとステップＳ２０３で取得した出力Ｐから筐体２内に供給される外気の温度Ｔ０を算出する（ステップＳ２０４）。なお、予め温度Ｔと出力Ｐから算出される温度Ｔ０をテーブルにして、制御器９の記憶部に記憶させ、制御器９は、当該テーブルを基に、温度Ｔ０を取得するように構成されていてもよい。
次に、制御器９は、ステップＳ２０４で算出した温度Ｔ０が第１温度Ｔ１以上であるか否かを判定する（ステップＳ２０５）。制御器９は、温度Ｔが第１温度Ｔ１未満である場合（ステップＳ２０５でＮｏ）には、温度Ｔ０が第１温度Ｔ１以上になるまで、ステップＳ２０２〜ステップＳ２０５を繰り返す。一方、制御器９は、温度Ｔ０が第１温度Ｔ１以上である場合（ステップＳ２０５でＹｅｓ）には、燃焼装置８の出力を低下させ（ステップＳ２０６）、本プログラムを終了する。
このように構成された、本実施の形態２に係る発電システム１００であっても、実施の形態１に係る発電システム１００と同様の作用効果を奏する。
［変形例１］
次に、本実施の形態２に係る発電システム１００の変形例について、説明する。
実施の形態２における変形例１の発電システムは、実施の形態２に係る発電システムにおいて、制御器が、第１温度の設定を燃焼装置の出力が大きいほど、温度が低くなるように変更し、燃焼装置の出力が小さいほど、温度が高くなるように変更するように構成されている。
以下、図５を参照しながら、本変形例１の発電システムの一例について説明する。なお、本変形例１の発電システム１００は、実施の形態２に係る発電システム１００と同様の構成であるため、構成の詳細な説明は省略する。
［発電システムの動作］
図５は、本実施の形態２における変形例１の発電システムの概略動作を示すフローチャートである。
図５に示すように、本変形例１の発電システム１００の動作は、実施の形態２に係る発電システム１００の動作と基本的には同様に実行されるが、ステップＳ２０３とステップＳ２０４との間に、ステップＳ２０３ａが実行される点が異なる。
具体的には、ステップＳ２０３ａでは、制御器９は、ステップＳ２０３で取得した出力Ｐに基づき、第１温度Ｔ１の設定を変更する。より詳細には、制御器９は、燃焼装置８の出力Ｐが大きいほど、設定温度（第１温度Ｔ１の温度）を低くし、燃焼装置８の出力Ｐが小さいほど、設定温度（第１温度Ｔ１の温度）を高くするように変更する。なお、予め第１温度Ｔ１の設定する温度と出力Ｐとをテーブルにして、制御器９の記憶部に記憶させておき、制御器９は、当該テーブルに基づいて、第１温度Ｔ１の設定を変更してもよい。
このように構成された、本変形例１の発電システム１００であっても、実施の形態２に係る発電システム１００と同様の作用効果を奏する。また、本変形例１の発電システム１００では、第１温度Ｔ１の設定を変更することにより、実施の形態２に係る発電システム１００に比して、燃焼装置８の運転を継続させる（燃焼装置８の運転時間を長くする）ことができ、燃焼装置８による蓄熱をより維持することができる。
（実施の形態３）
本実施の形態３に係る発電システムは、実施の形態１及び２（変形例を含む）に係る発電システムにおいて、制御器が、温度検知器が検知した温度が第１温度より高い第２温度以上の場合は、燃焼装置を停止させるように構成されている。
以下、図６を参照しながら、本実施の形態３に係る発電システムの一例について、説明する。なお、本実施の形態３に係る発電システムは、実施の形態１に係る発電システム１００と同様の構成であるため、その構成の詳細な説明は省略する。
［発電システムの動作］
図６は、本実施の形態３に係る発電システムの概略動作を示すフローチャートである。
図６に示すように、本実施の形態３に係る発電システム１００のステップＳ３０１〜ステップＳ３０３の動作は、実施の形態１に係る発電システム１００のステップＳ１０１〜ステップＳ１０３の動作と同じであるが、ステップＳ３０４以降の動作が異なる。以下、ステップＳ３０４以降の動作について、説明する。
制御器９は、ステップＳ３０２で取得した温度Ｔが第１温度Ｔ１以上である場合（ステップＳ３０３でＹｅｓ）には、ステップＳ３０４に進む。ステップＳ３０４では、制御器９は、ステップＳ３０２で取得した温度Ｔが第２温度Ｔ２以上であるか否かを判定する。
ここで、第２温度Ｔ２は、第１温度Ｔ１より高い温度であって、任意に設定される。第２温度Ｔ２は、予め実験等で求められ、燃料電池１又は補機の耐熱温度等から適宜設定される。また、第２温度Ｔ２は、外気の温度及び燃焼装置８の出力等から設定されてもよい。燃料電池１又は補機の耐熱温度を第２温度Ｔ２として設定してもよい。また、第２温度Ｔ２としては、例えば、４５℃であってもよく、５５℃であってもよく、８５℃であってもよい。
制御器９は、温度Ｔが第２温度Ｔ２以上である場合（ステップＳ３０４でＹｅｓ）には、燃焼装置８を停止させ（ステップＳ３０５）、本プログラムを終了する。一方、制御器９は、温度Ｔが第２温度Ｔ２未満である場合（ステップＳ３０４でＮｏ）には、燃焼装置８の出力を低下させ（ステップＳ３０６）、本プログラムを終了する。
このように構成された、本実施の形態３に係る発電システム１００であっても、実施の形態１に係る発電システム１００と同様の作用効果を奏する。
また、本実施の形態３に係る発電システム１００では、温度検知器５で検知した温度が第１温度よりも高い温度である第２温度以上のときには、燃焼装置８を停止させることにより、給気流路３から筐体２内に供給される外気の温度上昇が確実に抑制されるため、筐体２内の温度が、筐体２内に配置されている燃料電池１及び補機の耐熱温度にまで上昇することを抑制することができる。
このため、本実施の形態３に係る発電システム１００では、燃料電池１及び補機の寿命が短くなることを抑制し、さらに信頼性の高い発電システムを提供することができる。
（実施の形態４）
本実施の形態４に係る発電システムは、実施の形態１〜３（変形例含む）のいずれかに係る発電システムにおいて、燃料電池及び燃焼装置が供給する熱を蓄える蓄熱器と、蓄熱器に蓄えられている蓄熱量を検知する蓄熱量検知器と、をさらに備え、制御器は、蓄熱量検知器が検知する蓄熱量が予め定められる第１蓄熱量未満で、温度検知器が検知した温度が第１温度以上の場合は、燃焼装置の出力を低下させ、蓄熱量検知器が検知する蓄熱量が第１蓄熱量以上で、温度検知器が検知した温度が第１温度以上の場合は、燃焼装置を停止させるように構成されている。
以下、図７及び図８を参照しながら、本実施の形態４に係る発電システムの一例について、説明する。
［発電システムの構成］
図７は、本実施の形態４に係る発電システムの概略構成を示す模式図である。
図７に示すように、本実施の形態４に係る発電システム１００は、実施の形態１に係る発電システム１００と基本的構成は同じであるが、蓄熱器１０及び温度検知器１１をさらに備える点が異なる。
蓄熱器１０は、燃料電池１及び燃焼装置８が供給する熱を湯として蓄えるように構成されている。具体的には、蓄熱器１０は、鉛直方向に延びるように形成されているタンクで構成されている。
蓄熱器１０の内部には、第１熱交換器１５が配設されていて、第１熱交換器１５には、加熱流路１３を介して、燃焼装置８が接続されている。加熱流路１３は、燃焼装置８で発生した熱により加熱された水（湯）が通流するように構成されている。第１熱交換器１５は、加熱流路１３を通流する湯と蓄熱器１０内に貯えられている水を熱交換させるように構成されている。これにより、燃焼装置８で発生した熱が蓄熱器１０内に蓄えられる。
また、蓄熱器１０の下部には、排熱回収流路１２の上流端が接続されており、蓄熱器１０の上部（本実施の形態においては、上端部）には、排熱回収流路１２の下流端が接続されている。排熱回収流路１２の途中には、第２熱交換器２１が設けられている。第２熱交換器２１は、燃料電池１で発生した熱を回収する熱媒体流路２０と排熱回収流路１２とを熱交換させるように構成されている。これにより、燃料電池１で発生した熱が蓄熱器１０内に蓄えられる。なお、蓄熱器１０は、燃料処理装置１４の燃焼器１４ａ等で発生した熱を貯えるように構成されていてもよい。
さらに、蓄熱器１０の適所には、蓄熱器１０内の水の温度を検知する温度検知器１１が配設されている。温度検知器１１は、サーミスタ等を使用することができ、検知した温度を制御器９に出力するように構成されている。そして、制御器９では、温度検知器１１が検知した温度と蓄熱器１０の容量等から蓄熱器１０に蓄熱された熱量を算出する。このため、本実施の形態４においては、制御器９と温度検知器１１が蓄熱量検知器を構成する。
なお、温度検知器１１が、該温度検知器１１が検知した温度等から蓄熱器１０に蓄熱された熱量を算出して、制御器９に出力するように構成されていてもよい。この場合、温度検知器１１が、蓄熱量検知器を構成する。
［発電システムの動作］
次に、本実施の形態４に係る発電システムの動作について、図７及び図８を参照しながら説明する。
図８は、本実施の形態４に係る発電システムの概略動作を示すフローチャートである。
図８に示すように、制御器９は、燃料電池システム６の起動信号が入力されたか否かを判定する（ステップＳ４０１）。制御器９は、燃料電池システム６の作動指令が入力されていない場合（ステップＳ４０１でＮｏ）には、燃料電池システム６の作動指令が入力されるまで、ステップＳ４０１を繰り返す。一方、制御器９は、燃料電池システム６の作動指令が入力された場合（ステップＳ４０１でＹｅｓ）には、ステップＳ４０２に進む。
ステップＳ４０２では、制御器９は、温度検知器５から給気流路３を通流する外気の温度Ｔを取得する。ついで、制御器９は、蓄熱量検知器から蓄熱器１０に蓄えられている蓄熱量Ｈを取得する（ステップＳ４０３）。なお、ステップＳ４０２とステップＳ４０３は、その順序を入れ替えてもよい。また、ステップＳ４０２は、ステップＳ４０４の後で行ってもよい。
次に、制御器９は、ステップＳ４０３で取得した蓄熱量Ｈが、第１蓄熱量Ｈ１以上であるか否かを判定する（ステップＳ４０４）。ここで、第１蓄熱量Ｈ１は、予め任意に設定され、例えば、蓄熱器１０が満蓄状態にあるときの蓄熱器１０の蓄熱量の９０％の値であってもよく、満蓄状態にあるときの蓄熱量の８０％の値であってもよく、満蓄状態にあるときの蓄熱量の７０％の値であってもよい。
なお、満蓄状態とは、燃料電池１で発生した熱を、排熱回収流路１２を通流する水が吸収することができない状態をいう。具体的には、排熱回収流路１２を通流する水が、第２熱交換器２１において、燃料電池１で発生した熱を回収した熱媒体（熱媒体流路２０を通流する熱媒体）から熱を受けることができない状態をいう。
制御器９は、蓄熱量Ｈが、第１蓄熱量Ｈ１以上である場合（ステップＳ４０４でＹｅｓ）には、ステップＳ４０５に進む。ステップＳ４０５では、制御器９は、ステップＳ４０２で取得した温度Ｔが、第１温度Ｔ１以上であるか否かを判定する。
そして、制御器９は、温度Ｔが第１温度Ｔ１未満である場合（ステップＳ４０５でＮｏ）には、ステップＳ４０２に戻る。一方、制御器９は、温度Ｔが第１温度Ｔ１以上である場合（ステップＳ４０５でＹｅｓ）、すなわち、蓄熱量Ｈが第１蓄熱量Ｈ１以上であり、かつ、温度Ｔが第１温度Ｔ１以上である場合には、燃焼装置８の出力を停止させ（ステップＳ４０６）、本プログラムを終了する。
また、制御器９は、蓄熱量Ｈが、第１蓄熱量Ｈ１未満である場合（ステップＳ４０４でＮｏ）には、ステップＳ４０７に進む。ステップＳ４０７では、制御器９は、ステップＳ４０２で取得した温度Ｔが、第１温度Ｔ１以上であるか否かを判定する。
そして、制御器９は、温度Ｔが第１温度Ｔ１未満である場合（ステップＳ４０７でＮｏ）には、ステップＳ４０２に戻る。一方、制御器９は、温度Ｔが第１温度Ｔ１以上である場合（ステップＳ４０７でＹｅｓ）、すなわち、蓄熱量Ｈが第１蓄熱量Ｈ１未満であり、かつ、温度Ｔが第１温度Ｔ１以上である場合には、燃焼装置８の出力を低下させ（ステップＳ４０８）、本プログラムを終了する。
このように構成された、本実施の形態４に係る発電システム１００であっても、実施の形態１に係る発電システム１００と同様の作用効果を奏する。
また、本実施の形態４に係る発電システム１００では、蓄熱器１０の蓄熱量が第１蓄熱量未満であり、かつ、温度検知器５で検知した温度が第１温度以上である場合には、燃焼装置８の出力を低下させて、燃焼装置８の運転を継続させている。これにより、本実施の形態４に係る発電システム１００では、燃焼装置８による蓄熱を維持しつつ、燃料電池システム６の発電運転を実行することができる。
ところで、蓄熱器１０が満蓄状態のときには、燃料電池システム６の発電運転を実行するには、蓄熱器１０内に蓄えた熱（湯）を排出して、蓄熱器１０内に水（冷水）を供給する必要がある。しかしながら、本実施の形態４に係る発電システム１００では、蓄熱器１０の蓄熱量が第１蓄熱量以上であり、かつ、温度検知器５で検知した温度が第１温度以上である場合には、燃焼装置８を停止させている。
これにより、本実施の形態４に係る発電システム１００では、蓄熱器１０で蓄えた熱を排出することなく、燃料電池システム６の発電運転を実行することができ、エネルギー効率が優れた発電システムを提供することができる。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の形態を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の要旨を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。
本発明の発電システム及び発電システムの運転方法は、燃料電池及び補機等の寿命を担保することにより、信頼性を向上させることができるため、有用である。
１ 燃料電池
２ 筐体
３ 給気流路
４ 換気器
５ 温度検知器
６ 燃料電池システム
７ 排出流路
８ 燃焼装置
９ 制御器
１０ 蓄熱器
１１ 温度検知器
１２ 排熱回収流路
１３ 加熱流路
１４ 燃料処理装置
１４ａ 燃焼器
１５ 第１熱交換器
１６ 酸化剤ガス供給器
１７ 燃焼空気供給器
１８ 燃料ガス供給流路
１９ 酸化剤ガス供給流路
２０ 熱媒体流路
２１ 第２熱交換器
３１ 第１給気流路
１００ 発電システム

Claims (7)

  1. 燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池を収納する筐体と、前記筐体内に給気流路を介して外気を導入する空気供給器と、前記外気の温度を検知する温度検知器と、を有する燃料電池システムと、
    可燃物を燃焼し、燃焼排ガスを排出流路を介して排出するように構成されている燃焼装置と、
    制御器と、を備える発電システムであって、
    前記給気流路は、前記排出流路と熱交換されるように構成されており、
    前記温度検知器は、前記給気流路を通流して前記排出流路と熱交換する前の前記外気の温度を検知するように構成されており、
    前記制御器は、前記燃料電池システムを動作させる場合に前記温度検知器が検知した温度が予め設定される第１温度以上の場合は、前記燃焼装置の出力を低下させ、前記第１温度を前記燃焼装置の出力が大きいほど、温度が低くなるように変更し、前記燃焼装置の出力が小さいほど、温度が高くなるように変更することにより、前記第１温度を予め設定するように構成されている、発電システム。
  2. 前記給気流路は、前記燃焼装置から前記排出流路へ排出された前記燃焼排ガスと熱交換される第１給気流路を含み、
    前記温度検知器は、前記給気流路のうちの前記第１給気流路より上流側の流路に配置されている、請求項１に記載の発電システム。
  3. 前記制御器は、前記温度検知器が検知した温度が前記第１温度より高い第２温度以上の場合は、前記燃焼装置を停止させる、請求項１または２に記載の発電システム。
  4. 前記燃料電池及び前記燃焼装置が供給する熱を蓄える蓄熱器と、
    前記蓄熱器に蓄えられている蓄熱量を検知する蓄熱量検知器と、をさらに備え、
    前記制御器は、前記蓄熱量検知器が検知する蓄熱量が予め定められる第１蓄熱量未満で、前記温度検知器が検知した温度が前記第１温度以上の場合は、前記燃焼装置の出力を低下させ、前記蓄熱量検知器が検知する蓄熱量が前記第１蓄熱量以上で、前記温度検知器が検知した温度が前記第１温度以上の場合は、前記燃焼装置を停止させる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発電システム。
  5. 燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池を収納する筐体と、前記筐体内に給気流路を介して外気を導入する空気供給器と、前記外気の温度を検知する温度検知器と、を有する燃料電池システムと、
    可燃物を燃焼し、燃焼排ガスを排出流路を介して排出するように構成されている燃焼装置と、を備える発電システムの運転方法であって、
    前記給気流路は、前記排出流路と熱交換されるように構成されており、
    前記温度検知器は、前記給気流路を通流して前記排出流路と熱交換する前の前記外気の温度を検知するように構成され、
    前記燃料電池システムの起動信号が入力されるステップ（ａ）と、
    前記ステップ（ａ）の後、前記温度検知器が検知した温度が予め設定される第１温度以上の場合は、前記燃焼装置の出力を低下させるステップ（ｂ）と、
    前記ステップ（ａ）の後であって前記ステップ（ｂ）の前に、前記第１温度を前記燃焼装置の出力が大きいほど、温度が低くなるように変更し、前記燃焼装置の出力が小さいほど、温度が高くなるように変更することにより、前記第１温度を予め設定するステップ（ｃ）と、を備える、発電システムの運転方法。
  6. 前記ステップ（ａ）の後、前記温度検知器が検知した温度が前記第１温度より高い第２温度以上の場合は、前記燃焼装置を停止させるステップ（ｄ）をさらに備える、請求項５に記載の発電システムの運転方法。
  7. 前記燃料電池及び前記燃焼装置が供給する熱を蓄える蓄熱器と、
    前記蓄熱器に蓄えられている蓄熱量を検知する蓄熱量検知器と、をさらに備え、
    前記ステップ（ａ）の後、前記蓄熱量検知器が検知する蓄熱量が予め定められる第１蓄熱量未満で、前記温度検知器が検知した温度が前記第１温度以上の場合は、前記燃焼装置の出力を低下させるステップ（ｅ）と、
    前記ステップ（ａ）の後、前記蓄熱量検知器が検知する蓄熱量が前記第１蓄熱量以上で、前記温度検知器が検知した温度が前記第１温度以上の場合は、前記燃焼装置を停止させるステップ（ｆ）と、をさらに備える、請求項５又は６に記載の発電システム。
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