JP6229156B2 - 発電システム - Google Patents

Description

本発明は、熱と電気を供給する発電システム及びその運転方法に関し、特に発電システムの構造に関する。

従来、この種の燃料電池システムは水素を含む燃料ガスと空気中の酸素を酸化剤ガスとして用い電気化学反応によって発電を行い、同時に水と熱を取り出すシステムである。

このような燃料電池システムにおいて、都市ガス等の原料ガスと水を反応させて改質し水素を生成する水素生成器を備えるものが知られている。ここでの反応は水蒸気改質反応と呼ばれ、水素生成器に内蔵されたバーナーにより温度を上昇さることで反応を進行させる。バーナーには原料ガスや燃料電池を通過した電気化学反応に用いられなかった燃料ガス（以下オフガス）と、燃焼酸化剤供給器より燃焼用酸化剤としての空気が供給され、燃焼する。また、電気化学反応を行う燃料電池スタックに酸化剤ガスとして空気を送り込む酸化剤ガス供給器を備えている。

また、建物内部に配置する発電システムの排気性能を向上させることを目的とした発電システムが知られている。（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示されている発電システムは、吸気口を備えた建物の内部に設置して使用される発電システムである。そして、建物内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発電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発電装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に開示されている発電装置では、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、排ガス又は空気がダクトの内側又は外側を個別に流通するように、換気管及び排気管がダクトにそれぞれ連結されている。

また、排出流路の閉塞を検知する閉塞検知器を具備する発電システムが知られている（例えば、特許文献３参照）。特許文献３に開示されている発電システムは、換気した空気を排出する換気器を備え、発電システムが作動中に、閉塞検知器から得られる情報に基づいて排出流路の閉塞を検知する。

特開２００６−７３４４６号公報 特開２００７−２１０６３１号公報 国際公開第２０１２／０８１２０７号

ところで、特許文献１や特許文献２に開示されている、換気ファン、燃料電池、及び燃料電池に燃料ガスを供給する水素生成器が設けられた燃料電池ユニットに排気流路を設け、建物外部に排ガスを排気する構成では、例えば、排気流路内で排ガス中の水分が凝縮した凝縮水や空気中の水分が結露した結露水が発生し燃料電池ユニット内部に逆流してくる
おそれがある。そのため、排気流路で発生した凝縮水又は結露水が燃料電池ユニットに流入することを防止するため、排気流路に逆流防止装置（逆流防止弁）を配置することが考えられる。逆流防止弁には、種々の種類があるが、弁体が弁座に当接することにより、ガスや液体の逆流を防止するものである。

しかしながら、排気流路内で発生した凝縮水又は結露水が逆流防止装置内に溜り、弁体又は弁座の表面に付着した場合に、弁体が水で固着し、発電システムの運転中に正常に開かなくなるおそれがあった。そして、この固着が発生した状態で発電システムを運転させた場合、バーナーで生成された燃焼ガス等の燃料電池ユニットから排出される排出ガスが建物の外部へ排出する性能が低下又は失われて、燃料電池システムを収容している外装容器内に高温の排出ガスが滞留し、外装容器内が高温化する。これにより、外装容器内に収納した補機（例えば、制御装置等）の温度を正常動作可能な温度に保つことができず、補機の効率低下が生じるおそれがある。

ここで、特許文献３に開示されている発電システムにおいて、排気流路の閉塞を検知する手段により、排気流路の異常を検知することが考えられる。しかしながら、排気流路の異常が、逆流防止装置の固着によるものか、それとも排気経路の閉塞によるものかを区別できないことが考えられる。そのため、排気流路の異常を検知した後、異常発生箇所を特定することができず、有効な異常解消手段を用いることができなかったり、メンテナンスに時間がかかったりするおそれがある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、逆流防止装置が固着することによって燃料電池ユニットから排出される排ガスが外部に排出することができない状態であることを検知するとともに、固着状態を解消する動作を実施する。これにより、筐体内の高温化を防止し、筐体内に収容された補機の効率低下を防止することができ、さらに、異常発生箇所を特定することができるため、メンテナンスを容易にすることができる発電システム及びその運転方法を提供することを目的とする。

上記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ユニットと、前記燃料電池ユニットから排出される排出ガスを下流端の開口から大気に排出する排出経路と、前記排出経路に配置された逆流防止装置と、前記排出経路のうち前記逆流防止装置より下流の経路に配置され、前記燃料電池ユニットから排出され、前記逆流防止装置の下流の前記排出経路の開口から大気に排出する排出ガスの状態を検知する経路センサと、前記逆流防止装置よりも上流に配置され、前記燃料電池ユニットから排出される排出ガスを流すガス供給器と、前記ガス供給器の駆動を制御する制御器と、を備えている。前記制御器は、前記燃料電池ユニットから排出ガスを排出するよう前記ガス供給器を制御している場合に、前記経路センサが検知した状態が異常状態であり、かつ、前記ガス供給器の駆動状態が異常状態である場合に、前記逆流防止装置の下流の前記排出経路の閉塞状態として判定し、前記経路センサが検知した状態が異常状態でなく、かつ、前記ガス供給器の駆動状態が異常状態である場合に、前記逆流防止装置の固着状態として判定する。

ここで、排出経路の閉塞状態とは、逆流防止装置の下流において何らかの原因（例えば、鳥が排出経路内に侵入し経路を塞ぐ等）で排出経路が閉塞した状態をいう。なお、ここでいう「閉塞」とは、排出経路が完全に閉じている場合に限らず、排出経路が詰まって排出経路に流れる排出ガスの流量が減少する場合も含まれる。これによって、排出ガスの異常が発生した際に、その異常箇所を特定でき、メンテナンスが容易な発電システムを提供することができる。

また、本発明の発電システムでは、前記制御器は、前記ガス供給器の回転数が一定とな
るよう制御し、前記ガス供給器への制御指令値が変化した場合に、前記ガス供給器の駆動状態が異常状態であると判定する。これによって、ガス供給器の制御方法が回転数一定制御である場合にガス供給器への制御指令値を監視することによってガス供給器の駆動常態が異常状態であるか判定することができる。

また、本発明の発電システムでは、前記制御器は、前記ガス供給器が流す排出ガスの制御指令値を一定とするよう制御し、前記ガス供給器の回転数が変化した場合に、前記ガス供給器の駆動状態が異常状態であると判定する。これによって、ガス供給器の制御方法が制御指令値一定制御である場合にガス供給器の回転数を監視することによってガス供給器の駆動常態が異常状態であるか判定することができる。

また、本発明の発電システムでは、前記制御器は、前記逆流防止装置の固着状態を検知した場合に、前記逆流防止装置の固着状態を解消するよう前記ガス供給器を動作させる。これによって、逆流防止装置の固着状態を解消することができ、筐体内が高温化することが防止され、筐体内に収納された補機の効率低下を防止することができる。

また、本発明の発電システムでは、前記制御器は、前記ガス供給器を動作させるときに前記ガス供給器の回転数または制御指令値を増減させる。これによって、逆流防止装置の固着状態を解消することができ、筐体内が高温化することが防止され、筐体内に収納された補機の効率低下を防止することができる。

また、本発明の発電システムは、前記経路センサは、前記排出経路の圧力を測定する圧力計、前記排出経路を流れる排出ガスの流量を測定する流量計、及び前記排出経路内の酸素濃度を測定する濃度計、のうち少なくとも１つを有していればよい。

また、本発明の発電システムは、燃焼装置をさらに備えていてもよく、前記排出経路は、前記燃料電池ユニットから排出される排出ガス及び前記燃焼装置から排出される排出ガスを大気に排出する排出経路であり、前記逆流防止装置は、前記排出経路のうち、前記燃料電池ユニットから排出される排出ガスと前記燃焼装置から排出される排出ガスとの合流部分よりも前記燃料電池ユニット側の経路に配置される。

本発明の発電システム及びその運転方法によれば、逆流防止装置が固着することによって燃料電池ユニットから排出される排ガスが外部に排出することができない状態であることを検知するとともに、固着状態を解消する動作を実施することで、筐体内の高温化を防止し、筐体内に収容された補機の効率低下を防止することができ、さらに、異常発生箇所を特定することができるため、メンテナンスを容易にすることが可能となる。

本発明の実施の形態１に係る発電システムの概略構成を示す模式図 本発明の実施の形態１に係る発電システムの燃料電池システムにおける運転動作を模式的に示すフローチャート 本発明の実施の形態１の変形例１に係る発電システムの燃料電池システムにおける運転動作を模式的に示すフローチャート 本発明の実施の形態２に係る発電システムの概略構成を示す模式図 本発明の実施の形態３に係る発電システムの概略構成を示す模式図

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ユニットと、燃料電池ユニットから排出される排出ガスを大気に排出する排出経路と、排出経路に配置された逆流防止装置と、排出経路のうち逆流防止装置より下流の経路に配置され、燃料電池ユニットから排出される排出ガスの状態を検知する経路センサと、逆流防止装置よりも上流に配置され、燃料電池ユニットから排出される排出ガスを流すガス供給器と、ガス供給器の駆動を制御する制御器と、を備えた発電システムである。そして、制御器は、燃料電池ユニットから排出ガスを排出するようガス供給器を制御している場合に、経路センサが検知した状態が異常状態であり、かつ、ガス供給器の駆動状態が異常状態である場合に、排出経路の閉塞状態として判定し、経路センサが検知した状態が異常状態でなく、かつ、ガス供給器の駆動状態が異常状態である場合に、逆流防止装置の固着状態として判定する態様を例示するものである。

ここで、排出経路の閉塞状態とは、逆流防止装置の下流において何らかの原因（例えば、鳥が排出経路内に侵入し経路を塞ぐ等）で排出経路が閉塞した状態をいう。なお、ここでいう「閉塞」とは、排出経路が完全に閉じている場合に限らず、排出経路が詰まって排出経路に流れる排出ガスの流量が減少する場合も含まれる。

［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に係る燃料電池システム１０１は、建物２００の内部に配置されている。燃料電池システム１０１は、燃料電池ユニット１９と逆流防止装置５１と、圧力計５２と、燃焼排ガス流路７１Ａと、オフ酸化剤ガス流路７１Ｂと、排ガス流路７１Ｃと、を備えている。また、燃料電池ユニット１９は、燃料電池１１と、水素生成器１３と、燃焼器１４と、燃焼酸化剤供給器１５と、換気ファン１６と、制御器１７と、酸化剤ガス供給器１８と、を備えている。

そして、制御器１７は、燃料電池ユニット１９から排出ガスを排出するようガス供給器を制御している場合に、経路センサが検知した状態が異常状態であり、かつ、ガス供給器の駆動状態が異常状態である場合に、排出経路の閉塞状態として判定し、経路センサが検知した状態が異常状態でなく、かつ、ガス供給器の駆動状態が異常状態である場合に、逆流防止装置５１の固着状態として判定する。

ここで、ガス供給器は、燃料電池システム１０１内でガスを供給するものであれば、どのような機器であってもよい。本実施の形態１においては、ガス供給器としては、燃焼酸化剤供給器１５、換気ファン１６及び酸化剤ガス供給器１８が例示される。また、ガス流路は、前記ガス供給器から供給されるガスが流通する流路をいう。本実施の形態１においては、ガス流路としては、燃焼排ガス流路７１Ａ、オフ酸化剤ガス流路７１Ｂ、排ガス流路７１Ｃ、燃焼空気供給流路７２、燃料ガス供給流路７３、酸化剤ガス供給流路７４、オフ燃料ガス流路７５が例示される。

また、経路センサは、経路センサの下流が閉塞したことを検知するものであれば、どのようなセンサであってもよい。本実施の形態１においては、経路センサとしては、圧力計５２が例示される。なお、本実施の形態１においては、発電システム１００は、建物２００の内部に配置されている構成を示したが、これに限定されず、燃料電池システム１０１の排気ガスが排ガス流路７１Ｃを通流して排出される構成であれば、建物２００の外部に
配置されている構成を採用してもよい。

燃料電池システム１０１の筐体１２内には、燃料電池１１、水素生成器１３、燃焼器１４、燃焼酸化剤供給器１５、換気ファン１６、酸化剤ガス供給器１８、逆流防止装置５１及び圧力計５２が配置されている。また、制御器１７も筐体１２内に配置されている。なお、本実施の形態１においては、制御器１７は、燃料電池システム１０１の筐体１２内に配置する構成を採用したが、これに限定されず、制御器１７は、筐体１２とは別に配置する構成を採用してもよい。

筐体１２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て、該孔には、排ガス流路７１Ｃを構成する配管が、隙間を有するようにして、挿通されている。そして、孔と排ガス流路７１Ｃとの隙間が、給気口２０を構成する。これにより、吸気口を介して、筐体１２内部に、発電システム１００外の空気が供給される。

なお、本実施の形態１においては、排ガス流路７１Ｃを構成する配管が挿通する孔と、給気口２０を構成する孔と、を１つの穴で構成したが、これに限定されない。排ガス流路７１Ｃを構成する配管が挿通する孔と、給気口２０を構成する孔と、を別々に筐体１２に設けてもよい。また、給気口２０は、筐体１２に１つの孔によって構成されてもよく、また、複数の孔によって構成されていてもよい。

本実施の形態１では、水素生成器１３には、燃料ガス供給流路７３を介して、燃料電池１１（正確には、燃料電池１１の燃料ガス流路１１Ａの入口）が接続されている。

燃料電池１１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１１では、燃料ガス流路１１Ａに供給された燃料ガスが、燃料ガス流路１１Ａを通流する間に、アノードに供給される。また、酸化剤ガス流路１１Ｂに供給された酸化剤ガスが、酸化剤ガス流路１１Ｂを通流する間に、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。なお、発生した電気は、図示されない電力長石により、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、図示されない熱媒体流路を通流する熱媒体が回収する。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１１は、高分子電解質形燃料電池や直接内部改質型固体酸化物形燃料電池や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１１と、水素生成器１３及び燃焼器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水素生成器１３及び燃焼器１４と、燃料電池１１とが一体で構成されていてもよい。この場合、燃料電池１１と水素生成器１３及び燃焼器１４とが共通の断熱材で覆われた一つのユニットして構成され、燃焼器１４は、水素生成器１３だけでなく燃料電池１１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１１の構成は、燃料電池１１のアノードが水素生成器１３の機能を有することから、燃料電池１１のアノードと水素生成器１３とが一体で構成されていてもよい。さらに、燃料電池１１の構成は、一般的な燃料電池と同様に構成されているため、その詳細な説明は省略する。

燃料ガス流路１１Ａの出口には、オフ燃料ガス流路７５の上流端が接続されている。オフ燃料ガス流路７５の下流端は燃焼器１４に接続されており、燃料ガス流路１１Ａ通過中に酸化反応されなかったオフ燃料ガス中に含まれる水素及び炭化水素を燃焼器１４のバーナーで燃焼させる。なお、このとき燃焼酸化剤としての空気は燃焼酸化剤供給器１５によって燃焼空気供給流路７２を通ってバーナーに供給される。また、酸化剤ガス流路１１Ｂ
の出口には、オフ酸化剤ガス流路７１Ｂの上流端が接続されている。オフ酸化剤ガス流路７１Ｂの下流端は、排ガス流路７１Ｃに接続されている。

換気ファン１６は、換気流路７１Ｄを介して排ガス流路７１Ｃと接続されている。換気ファン１６としては、筐体１２内を換気することができれば、どのような構成であってもよい。これにより、給気口２０から発電システム１００外の空気が筐体１２内に給気され、換気ファン１６を作動させることにより、筐体１２内のガス（主として、空気）が換気流路７１Ｄ及び排ガス流路７１Ｃを介して、建物２００外に排出され、筐体１２内が換気される。なお、本実施の形態１においては、換気器としてファンを用いたが、これに限定されず、ブロワを用いてもよい。換気ファン１６は、筐体１２内に配置するように構成したが、これに限定されない。換気ファン１６は、排ガス流路７１Ｃ内に配置するように構成してもよい。

本実施の形態１においては、逆流防止装置５１は、燃料電池システム１０１内の換気流路７１Ｄに設置されているが、これに限定されない。逆流防止装置５１は、排出経路内で発生した凝縮水又は結露水の逆流を防ぐ目的で、排出経路７１に設置される。したがって、換気流路７１Ｄ、オフ酸化剤ガス流路７１Ｂ、燃焼排ガス流路７１Ａのうち、いずれかに一つに設置されてもいいし、いずれかの２つに設置されてもいいし、全てに設置されてもよい。なお、排ガス流路７１Ｃに逆流防止装置５１を設置する場合は、その上流には逆流しないことから、換気流路７１Ｄ、オフ酸化剤ガス流路７１Ｂ、燃焼排ガス流路７１Ａに逆流防止装置５１を設置しないことが考えられる。また、逆流防止装置５１は、燃料電池システム１０１の外に設置しても構わない。また、逆流防止装置５１は、リフト式逆止弁、スイング式逆止弁、ボール式逆止弁及びダイヤフラム式逆止弁等の各種の逆止弁で構成することができる。いずれの構成においても、逆流防止装置５１は、ガス供給器が動作している場合はその押圧で「開」状態となり、ガス供給器が動作していない場合は、「閉」状態となる。これにより、ガス供給器が動作していない時に、排出経路で発生した凝縮水又は結露水が逆流してくることを防ぐことができる。本実施の形態１においては、逆流防止装置５１は、換気ファン１６が動作している場合はその押圧で「開」状態となり、換気ファン１６が動作していない場合は、「閉」状態となる。

圧力計５２は、本実施の形態１においては、換気流路７１Ｄ、オフ酸化剤ガス流路７１Ｂ、燃焼排ガス流路７１Ａの合流地点で燃料電池システム１０１内に設置する構成を採用したが、これに限定されない。圧力計５２は、逆流防止装置５１の下流に設置すればよく、燃料電池システム１０１の外に設置されてもよい。また、本実施の形態１においては経路センサとして、圧力計５２を用いたが、これに限定されない。経路センサは燃料電池ユニット１９から排出される排出ガスの状態を検知し、経路センサより下流が閉塞していると判断できるのであれば、どのようなセンサを用いてもよい。本実施の形態１において、圧力計５２より下流が閉塞した場合、換気ファン１６を動作させても排出ガスがまったく排出されないか、排出されにくくなる。このため、換気ファン１６から排出経路の閉塞地点までの圧力が閉塞していない時よりも上昇するので、圧力計５２でこの圧力上昇を検知することができる。これにより、排出経路が閉塞状態であると判断することができる。また、経路センサは、流量計であってもよい。この場合、流量計より下流が閉塞した場合、排出経路の排出ガスがまったく排出されないか、排出されにくくなる。このため、排出経路の流量が閉塞していない時よりも小さくなるので、流量計でこの流量低下を検知することができる。これにより、排出経路が閉塞状態であると判断することができる。また、経路センサは、酸素濃度計であってもよい。この場合、酸素濃度計より下流が閉塞した場合、排出経路の排出ガスがまったく排出されないか、排出されにくくなる。このため、排出経路の酸素濃度が閉塞していない時よりも低くなるので、酸素濃度計でこの酸素濃度低下を検知することができる。これにより、排出経路が閉塞状態であると判断することができる。

制御器１７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１７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１７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１７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。例えば、制御器１７は、換気ファン１６を制御し、他の制御器が発電システム１００の換気ファン１６以外の機器を制御するように構成されていてもよい。また、制御器１７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１００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１００の燃料電池システム１０１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。また、本実施の形態１においては、制御器１７が、１つの制御器で構成されていて、該制御器が、発電システム１００を構成する各機器を制御するものとして説明する。

図２は、本実施の形態１に係る発電システムの燃料電池システムにおける運転動作を模式的に示すフローチャートである。

上述したように、排気流路内で発生した凝縮水又は結露水が逆流防止装置内に溜り、弁体又は弁座の表面に付着した場合に、弁体が水で固着し、発電システムの運転中に正常に開かなくなるおそれがあった。そして、この固着が発生した状態で発電システムを運転させた場合、バーナーで生成された燃焼ガス等の燃料電池ユニットから排出される排出ガスが建物の外部へ排出する性能が低下又は失われて、燃料電池システムを収容している外装容器内に高温の排出ガスが滞留し、外装容器内が高温化する。これにより、外装容器内に収納した補機（例えば、制御装置等）の温度を正常動作可能な温度に保つことができず、補機の効率低下が生じるおそれがある。このため、本実施の形態１に係る発電システム１００では、以下のように、運転動作を実行する。なお、燃料電池システム１０１の該運転動作は、燃料電池システム１０１が起動中又は発電中で換気ファン１６が作動している場合に、実行される。

図２に示すように、制御器１７は、燃料電池システム１０１が起動中又は発電中において、換気ファン１６が作動中であるか否かを確認する（ステップＳ１０１）。

ステップＳ１０１で換気ファン１６が作動中であった場合、ステップＳ１０２Ａでは、制御器１７は、換気ファン１６の制御指令値Ｕを取得する。ここで、換気ファン１６の制御指令値Ｕを取得するのは、換気ファン１６の駆動状態が異常状態であるかどうかを、判定するためである。なお、本実施の形態１においては、換気ファン１６は回転数が一定となるように制御されるものとする。ここで、換気ファン１６の制御指令値を取得することで、どのように換気ファン１６の駆動状態が異常状態であるかを判定するのか、を説明する。
逆流防止装置５１が固着した場合又は逆流防止装置５１の下流の排出経路で閉塞が発生した場合、換気ファン１６において、排気抵抗が大きくなり、静圧が上昇するため、換気ファン１６の回転数は、閉塞していない状態よりも上昇する。しかし、上述のように、換気ファン１６は、回転数が一定となるように制御されているため、上昇した分、回転数を下
げるため、換気ファン１６の制御指令値を低下させるように制御器１７が制御を行う。このことから、換気ファン１６の制御指令値が所定の値よりも小さい場合、排出経路に異常があると判定することができる。

制御器１７は、ステップＳ１０３Ａにおいて、ステップＳ１０２Ａで取得した換気ファン１６の制御指令値Ｕと、予め定めておいた閾値制御指令値Ｕ１と、を比較し、制御指令値Ｕが閾値制御指令値Ｕ１以下であるか否かを確認する。制御指令値Ｕが閾値制御指令値Ｕ１以下である場合、制御器１７は、さらに、制御指令値Ｕが閾値制御指令値以下になった要因が、換気ファン１６が故障したことによるものなのかを判断するため、換気ファン１６の回転数Ｒを取得し（ステップＳ１０４）、取得した回転数Ｒが、制御目標回転数に対して所定の範囲内であるか否かを確認する（ステップＳ１０５）。ここで、換気ファン１６が故障した場合とは、例えば、換気ファン１６が、制御指令値による回転数の制御が不能になった状態である。

ステップＳ１０５において、回転数Ｒが、制御目標回転数に対して所定の範囲内であった場合、制御器１７は、逆流防止装置５１に固着が発生した又は逆流防止装置５１の下流の排出経路で閉塞が発生したと判定を行う。

次に、制御器１７は、ステップＳ１０６で圧力計５２の圧力値Ｐを取得し、ステップＳ１０７において、圧力値Ｐと、予め定めておいた閾値圧力Ｐ１と、を比較し、圧力値Ｐが閾値圧力Ｐ１以下であるか否かを確認する。圧力値Ｐが閾値圧力Ｐ１以下である場合、制御器１７は、逆流防止装置５１が固着していると判定する（ステップＳ１０８）。また、圧力値Ｐが閾値圧力Ｐ１より大きい場合は、制御器１７は、圧力計５２より下流の排気経路が閉塞していると判定する（ステップＳ１０９）。ここで、圧力計５２より下流の排気経路が閉塞していて、逆流防止装置５１が固着していない場合を考える。この場合、排出経路の排出ガスはまったく排出されないか、排出されにくくなっている。そのため、換気ファン１６から閉塞点の間の排出経路の圧力が上昇する。このため、圧力計５２の圧力値Ｐが上昇する。次に、圧力計５２より下流の排気経路が閉塞しておらず、逆流防止装置５１が固着している場合を考える。この場合、逆流防止装置５１より下流の排出経路で圧力上昇は起こらない。このため、圧力計５２の圧力値が所定の値より小さい場合、逆流防止装置５１が固着していると判定することができる。

ステップＳ１０９において、制御器１７が、排気経路が閉塞していると判定した場合、制御器１７は、ステップＳ１１１で、燃料電池システム１０１の作動を停止する。また、ステップＳ１０８において、制御器１７が、逆流防止装置５１が固着していると判定した場合、制御器１７は、換気ファン１６に固着解消動作を指示する。ここで、固着解消動作とは、逆流防止装置５１の固着を解消するために行うもので、例えば、換気ファン１６の制御指令値又は回転数を増加させる動作である。これにより、逆流防止装置５１の上流側と下流側の圧力差が大きくなり、固着部を押し開けることができ、逆流防止装置５１の固着を解消することができる。また、固着解消動作は、換気ファン１６の制御指令値又は回転数を増減させる動作であってもよい。これにより、逆流防止装置５１の上流側と下流側の圧力差を急激に変化させることができるため、固着部を押し開けることができ、逆流防止装置５１の固着を解消することができる。なお、換気ファン１６の制御指令値又は回転数を増減させる動作は、換気ファン１６が停止状態から最大制御値まで、制御指令値又は回転数を増減させてもよいし、第１の制御指令値又は回転数から、それよりも制御指令値又は回転数が大きな第２の制御指令値又は回転数へ変化させてもよい。また、換気ファン１６の制御指令値又は回転数を増減させる動作は、その動作を周期的に繰り返す動作であってもよい。これにより、逆流防止装置５１の固着状態を解消する効果を高め、より確実に逆流防止装置５１の固着を解消させることができる。

制御器１７は、ステップＳ１０８で固着解消動作を行った後、固着が解消されたか否かを確認するため、ステップＳ１１０において、再度、圧力値Ｐと、予め定めておいた閾値圧力Ｐ１と、を比較し、圧力値Ｐが閾値圧力Ｐ１以下であるか否かを確認する。圧力値Ｐが閾値圧力Ｐ１以下である場合、制御器１７は、逆流防止装置５１が、依然として固着状態であると判定し、制御器１７は、ステップＳ１１１において、燃料電池システム１０１の作動を停止する。なお、本実施の形態１では、制御器１７は、ステップＳ１１０において、再度、逆流防止装置５１が固着状態であると判定した場合に、ステップＳ１１１において、燃料電池システム１０１の作動を停止させたが、これに限定されない。制御器１７は、もう一度、固着解消動作を行ってもよいし、複数回ステップＳ１０８及びＳ１１０を繰り返しても、固着が解消されない場合に、ステップＳ１１１を実行してもよいし、逆流防止装置５１の固着状態が解消されたことが確認できるまで、ステップＳ１０８及びＳ１１０を繰り返し、固着解消動作を行ってもよい。

上記の発電システムの構成と、動作により、逆流防止装置が固着することによって燃料電池ユニットから排出される排ガスが外部に排出することができない状態であることを検知するとともに、固着状態を解消する動作を実施することで、筐体内の高温化を防止し、筐体内に収容された補機の効率低下を防止することができ、さらに、異常発生箇所を特定することができるため、メンテナンスを容易にすることができる。

ここで、本実施の形態１では、逆流防止装置５１を換気流路７１Ｄに設置し、逆流防止装置５１の固着判定に用いるガス供給器として、換気ファン１６を例示し、逆流防止装置５１の固着検知と固着解消動作について説明したが、これに限定されない。逆流防止装置５１は排出経路７１のいずれに設置されてもよく、例えば、燃焼排ガス流路７１Ａに設置されてもよい。この場合、逆流防止装置５１の固着判定に用いるガス供給器は、燃焼酸化剤供給器１５を用いる。このように構成された発電システム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、例えば、逆流防止装置５１は、オフ酸化剤ガス流路７１Ｂに設置されてもよい。この場合、逆流防止装置５１の固着判定に用いるガス供給器は、酸化剤ガス供給器１８を用いる。このように構成された発電システム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、例えば、逆流防止装置５１は、排ガス流路７１Ｃに設置されてもよい。この場合、逆流防止装置５１の固着判定に用いるガス供給器は、燃焼酸化剤供給器１５、換気ファン１６及び酸化剤ガス供給器１８のいずれかを用いてもよいし、いずれか２つを用いてもよいし、全てを用いてもよい。このように構成された発電システム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１に係る発電システム１００の変形例について説明する。

本実施の形態１における変形例１の発電システムは、換気ファン１６の制御方法として、制御指令値を一定とするように制御する方法を採用した場合の制御器１７の態様を例示するものである。なお、変形例１の発電システムの構成は、実施の形態１に係る発電システムの構成と同じであるため、その説明は省略する。

［発電システムの動作］
図３は、本変形例１に係る発電システムの燃料電池システムにおける運転動作を模式的に示すフローチャートである。

上述のように、本変形例１の発電システムにおける換気ファン１６は、制御指令値を一定とするように制御する方法を採用しているため、逆流防止装置５１が固着した場合又は逆流防止装置５１の下流の排出経路で閉塞が発生した場合においても、換気ファン１６の制御指令値は変化しない。この場合には、換気ファン１６の回転数Ｒを用いることで、換気ファン１６の駆動状態が異常状態であるかを判定することができる。以下に、その説明を行う。

逆流防止装置５１が固着した場合又は逆流防止装置５１の下流の排出経路で閉塞が発生した場合、換気ファン１６において、排気抵抗が大きくなり、静圧が上昇する。これにより、換気ファン１６の回転数は、閉塞していない状態よりも上昇する。したがって、ステップＳ１０２Ｂでは制御指令値Ｕではなく、回転数Ｒを取得する。そして、制御器１７は、ステップＳ１０３Ｂにおいて、ステップＳ１０２Ｂで取得した換気ファン１６の回転数Ｒと、予め定めておいた閾値回転数Ｒ１と、を比較し、回転数Ｒが閾値回転数Ｒ１以上であるか否かを確認する。回転数Ｒが閾値回転数Ｒ１以上である場合、制御器１７は、さらに、回転数Ｒが閾値回転数Ｒ１以上になった要因が、換気ファン１６が故障したことによるものなのかを判断するため、換気ファン１６の目標制御指令値を変更し（ステップＳ１１２）、回転数Ｒが所定値以上変化するか否かを確認する（ステップＳ１１３）。ここで、換気ファン１６が故障した場合とは、例えば、換気ファン１６が、制御指令値による回転数の制御が不能になった状態である。

ステップＳ１１３において、回転数Ｒが、回転数Ｒが所定値以上変化した場合、制御器１７は、逆流防止装置５１に固着が発生した又は逆流防止装置５１の下流の排出経路で閉塞が発生したと判定を行う。以降の動作は実施の形態１と同様である。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１に係る発電システム１００と同様の作用効果を奏する。

（実施の形態２）
本実施の形態２に係る発電システムは、燃焼装置をさらに備えており、排出経路は、燃料電池ユニットから排出される排出ガス及び燃焼装置から排出される排出ガスを大気に排出する排出経路であり、逆流防止装置は、排出経路のうち、燃料電池ユニットから排出される排出ガスと燃焼装置から排出される排出ガスとの合流部分よりも燃料電池ユニット側の経路に配置される態様を例示するものである。

［発電システムの構成］
図４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、筐体１２外に配置された燃焼装置１０２をさらに備えている点と、燃焼排ガス流路７７が排ガス流路７１Ｃと燃焼器２２を接続するように構成されている点と、が異なる。

具体的には、燃焼装置１０２は、燃焼器２２と燃焼ファン（燃焼酸化剤供給器）２１を有している。燃焼器２２と燃焼ファン２１は、燃焼空気供給流路７６を介して接続されている。燃焼ファン２１は、燃焼器２２に燃焼空気を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、ファンやブロア等のファン類で構成されていてもよい。

燃焼器２２には、図示されていない燃焼燃料供給器から天然ガス等の可燃性ガスや灯油等の液体燃料等の燃焼燃料が供給される。そして、燃焼器２２では、燃焼ファン２１から供給された燃焼空気と、燃焼燃料供給器から供給された燃焼燃料と、を燃焼して、熱が発生し、燃焼排ガスが生成される。なお、発生した熱は、水を加熱するのに使用することができる。燃焼装置１０２は、例えばボイラや燃料電池システムとして使用してもよい。

また、燃焼器２２には、燃焼排ガス流路７７の上流端が接続されていて、燃焼排ガス流路７７の下流端は、排ガス流路７１Ｃに接続されている。これにより、燃焼器２２で生成された燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路７７を介して、排ガス流路７１Ｃに排出される。すなわち、燃焼器２２で生成された燃焼排ガスが、燃焼装置１０２から排出される排出ガスとして、排ガス流路７１Ｃに排出される。

燃焼装置１０２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て、該孔には、燃焼排ガス流路７７を構成する配管が、隙間を有するようにして、挿通されている。そして、孔と燃焼排ガス流路７７との隙間が、給気口２３（給気流路７８）を構成する。これにより、給気口２３を介して、燃焼装置１０２内部に、発電システム１００外の空気が供給される。

すなわち、排ガス流路７１Ｃは、分岐されていて、２つの上流端は、給気口２０及び給気口２３のそれぞれに、接続されている。また、排ガス流路７１Ｃは、建物２００の外側にまで延びるように形成されていて、その下流端（開口）は、大気に開放されている。これにより、排ガス流路７１Ｃは、筐体１２と燃焼装置１０２を連通する。なお、本実施の形態２においては、燃焼排ガス流路７７を構成する配管が挿通する孔と、給気口２３を構成する孔と、を１つの孔で構成したが、これに限定されない。燃焼排ガス流路７７を構成する配管が挿通する（接続する）孔と、給気口２３を構成する孔と、を別々に燃焼装置１０２に設けてもよい。また、給気口２３は、燃焼装置１０２に１つの孔によって構成されてもよく、また、複数の孔によって構成されてもよい。さらに、給気口２３に配管を挿通して、給気流路７８を構成してもよい。

また、逆流防止装置５１は、排出経路７１のうち、燃料電池ユニット１９から排出される排出ガスと燃焼装置１０２から排出される排出ガスとの合流部分よりも燃料電池ユニット１９側の経路に配置されるものとする。

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。

（実施の形態３）
本実施の形態３に係る発電システムは、筐体と燃焼装置とを連通するように設けられ、燃料電池システム及び燃焼装置のそれぞれに外部から空気を供給する給気流路を備え、給気流路は、前記排気流路と熱交換可能なように設けられている態様を例示するものである。

ここで、給気流路が排出流路に熱交換可能なように設けられているとは、必ずしも給気流路と排気流路が接触して設けられている必要がなく、給気流路内のガスと排気流路内のガスとが熱交換可能な程度に離間して設けられている態様をも含む。このため、給気流路と排気流路が空間を挟んで設けられていてもよい。また、一方の流路の内側に他方の流路が設けられていてもよい。すなわち、給気流路を構成する配管と排気流路を構成する配管が、二重配管となるように設けられていてもよい。

［発電システムの構成］
図５は、本実施の形態３に係る発電システムの概略構成を示す模式図である。なお、図５においては、給気流路をハッチングで示している。

図５に示すように、本実施の形態３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、給気流路７８が設けられている点が異
なる。具体的には、給気流路７８は、燃焼装置１０２と燃料電池システム１０１の筐体１２を連通し、かつ、燃焼装置１０２及び燃料電池システム１０１のそれぞれに外部（ここでは、建物２００外）から空気を供給し、かつ、排ガス流路７１Ｃの外周を囲むように設けられている。すなわち、給気流路７８と排ガス流路７１Ｃは、いわゆる二重管で構成されている。

より詳しくは、給気流路７８は、途中で分岐されていて、２つの上流端は、給気口２０及び給気口２３のそれぞれに、接続されている。また、給気流路７８は、建物２００の外側にまで延びるように形成されていて、その下流端（開口）は、大気に開放されている。これにより、給気流路７８は、筐体１２と燃焼装置１０２を連通し、発電システム１００の外部から空気を燃料電池システム１０１及び燃焼装置１０２に供給することができる。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。

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態様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、上記実施の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その運転方法では、安定な発電を実現できるので、家庭用または業務用及び定置式や移動式の発電システム等の用途にも適用できる。

１１ 燃料電池
１１Ａ 燃料ガス流路
１１Ｂ 酸化剤ガス流路
１２ 筐体
１３ 水素生成器
１４ 燃焼器
１５ 燃焼酸化剤供給器（第１ガス供給器）
１６ 換気ファン（第２ガス供給器）
１７ 制御器
１８ 酸化剤ガス供給器（第３ガス供給器）
１９ 燃料電池ユニット
２０ 給気口
２１ 燃焼ファン
２２ 燃焼器
２３ 給気口
５１ 逆流防止装置
５２ 圧力計
７１ 排出経路
７１Ａ 燃焼排ガス流路
７１Ｂ オフ酸化剤ガス流路
７１Ｃ 排ガス流路
７１Ｄ 換気流路
７２ 燃焼空気供給流路
７３ 燃料ガス供給流路
７４ 酸化剤ガス供給流路
７５ オフ燃料ガス流路
７６ 燃焼空気供給流路
７７ 燃焼排ガス流路
７８ 給気流路
１００ 発電システム
１０１ 燃料電池システム
１０２ 燃焼装置
２００ 建物

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ユニットと、
   前記燃料電池ユニットから排出される排出ガスを下流端の開口から大気に排出する排出経路と、
   前記排出経路に配置された逆流防止装置と、
   前記排出経路のうち前記逆流防止装置より下流の経路に配置され、前記燃料電池ユニットから排出され、前記逆流防止装置の下流の前記排出経路の開口から大気に排出する排出ガスの状態を検知する経路センサと、
   前記逆流防止装置よりも上流に配置され、前記燃料電池ユニットから排出される排出ガスを流すガス供給器と、
   前記ガス供給器の駆動を制御する制御器と、
   を備えた発電システムにおいて、
   前記制御器は、前記燃料電池ユニットから排出ガスを排出するよう前記ガス供給器を制御している場合に、
   前記経路センサが検知した状態が異常状態であり、かつ、前記ガス供給器の駆動状態が異常状態である場合に、前記逆流防止装置の下流の前記排出経路の異常状態として判定し、
   前記経路センサが検知した状態が異常状態でなく、かつ、前記ガス供給器の駆動状態が異常状態である場合に、前記逆流防止装置の異常状態として判定する、
   発電システム。
2. 前記制御器は、前記ガス供給器の回転数が一定となるよう制御し、前記ガス供給器への制御指令値が変化した場合に、前記ガス供給器の駆動状態が異常状態であると判定する、請求項１記載の発電システム。
3. 前記制御器は、前記ガス供給器が流す排出ガスの制御指令値を一定とするよう制御し、前記ガス供給器の回転数が変化した場合に、前記ガス供給器の駆動状態が異常状態であると判定する、
   請求項１記載の発電システム。
4. 前記制御器は、前記逆流防止装置の異常状態を検知した場合に、前記逆流防止装置の異常状態を解消するよう前記ガス供給器を動作させる、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の発電システム。
5. 前記制御器は、前記ガス供給器を動作させるときに前記ガス供給器の回転数または制御指令値を増減させる、
   請求項４記載の発電システム。
6. 前記経路センサは、前記排出経路の圧力を測定する圧力計、前記排出経路を流れる排出ガスの流量を測定する流量計、及び前記排出経路内の酸素濃度を測定する濃度計、のうち少なくとも１つを有する、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の発電システム。
7. 燃焼装置をさらに備え、
   前記排出経路は、前記燃料電池ユニットから排出される排出ガス及び前記燃焼装置から排出される排出ガスを大気に排出する排出経路であり、
   前記逆流防止装置は、前記排出経路のうち、前記燃料電池ユニットから排出される排出ガスと前記燃焼装置から排出される排出ガスとの合流部分よりも前記燃料電池ユニット側の経路に配置されている、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の発電システム。
   

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