JP6767210B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、燃料電池発電システムに関する。
燃料電池発電システムとは、燃料から取り出した水素と空気中の酸素とを用いた電気化学反応によって、燃料の化学エネルギーから直接、電気エネルギーを取り出すシステムである。燃料電池発電システムは、電気を使う場所で発電するので、送電で発生する無駄がない。また、燃料電池発電システムでは、発電時の熱を利用して給湯が可能なので、システムに給湯用のボイラーや貯湯用のタンクなどを含めることで、コージェネレーションシステムとして用いられている。
このような燃料電池発電システムは、ＣＯ２排出も少なく、静音性や環境性に優れている。そのため、燃料電池発電システムは高い需要を得ており、中でも、換気装置を備えたＦＦタイプの燃料電池発電システムは、建物の内部に設置されるシステムとして、広く普及している。
ＦＦタイプの燃料電池発電システムでは、燃料電池本体を収容する筐体（以下、ＦＣユニットとも呼ぶ）が、集合住宅などの建物内部に複数設置されており、各ＦＣユニット内にはＦＣユニット内の給排気を強制的に行う換気装置が設けられている。換気装置としては、換気風量を一定出力で制御する換気ファンなどが採用されている。
具体的な配管構成としては、ＦＣユニットには給気口あるいは給気ダクトが設けられており、給気口あるいは給気ダクトから空気がＦＣユニット内に取り込まれる。また、ＦＣユニット内に換気ファンが配置されており、換気ファンの出口側には排気ダクトが接続されている。排気ダクトの上端部は建物外部に位置している。
このような燃料電池発電システムでは、換気ファンが作動すると、ＦＣユニットの排ガス（主に空気）は排気ダクトを通って建物外部へと排出される。なお、燃料電池発電システムに給湯用のボイラーが設置されている場合には、ボイラーとＦＣユニットは隣接して配置される。そのため、ボイラーの排ガスはＦＣユニットから延びる排気ダクトに合流されて、建物外部へと排出されるのが一般的となっている。
特許第５０８９８２９号公報
ＦＦタイプの燃料電池発電システムでは、建物内におけるＦＣユニットの設置場所の違いによって、換気装置に接続されるダクトの長さには、かなりの違いが出る。しかし、従来の換気装置では換気風量を一定出力で制御しているため、ダクトの長さによる圧損に応じて、実際の換気風量は変動することになる。また、ダクトの圧損は経時的に増加するので、この圧損の増加によっても換気装置の換気風量が低下することがある。
したがって、従来の燃料電池発電システムにおいては、ダクト長の違いや圧損増加が原因となって、換気装置が所望の換気風量を発揮することは難しくなっていた。特に、ＦＣユニットに接続された排気ダクトに、ボイラーの排ガスを合流させる配管構成の場合には、ボイラーの燃焼状態が変動することで、換気装置の換気風量が不安定になり易い。そのため、換気風量を常に一定値以上に担保することが非常に困難であった。
換気装置を備えた燃料電池発電システムにて、換気装置の換気風量を一定値以上とする単純な対策としては、換気装置に与える操作量を、十分な裕度を持って増大させる制御が考えられる。なお、「換気装置の操作量を増加させる制御」とは、換気装置が換気する流体の流量及び圧力のうち少なくとも一方を増加させるように制御することを言う。
しかしながら、上記のような操作量の増加制御では、十分な裕度を持たせる分、換気装置の操作量が過度に大きくなり易く、換気装置の換気風量が増え過ぎることになる。換気風量が増え過ぎると、換気装置の動力消費が無駄に増大するだけではなく、ボイラーの燃焼や、燃料電池の性能にまで、悪影響を及ぼすおそれがあった。
本発明が解決しようとする課題は、換気風量が所定の閾値となる換気装置の操作量を記憶することで一定値以上の換気風量を確保することが可能な燃料電池発電システムを提供することである。
本実施形態の燃料電池発電システムは、
筐体内の換気風量を可変可能な換気装置と、
前記換気風量が予め設定された必要風量以上となるような必要操作量を、前記換気装置に与える制御装置と、
前記換気風量を計測する風量計測手段と、を備え、
前記制御装置は、燃料電池発電システムの運転中に、前記風量計測手段によって計測される前記換気風量が前記必要風量以上である場合、前記換気装置に与える操作量を任意のタイミングで強制的に、前記予め設定された必要風量となるまで低減させることを特徴とする。
第１の実施形態のブロック図。 第１の実施形態の全体構成を示すイメージ図。 第１の実施形態における換気ファンの動作イメージ図。 第２の実施形態のブロック図。
［第１の実施形態］
［構成］
以下では、図１〜図３を参照して、第１の実施形形態の構成について説明する。本実施形態は、換気装置を備えたＦＦタイプやＦＥタイプの燃料電池発電システムに適用されるものである。図１は第１の実施形態のブロック図、図２は第１の実施形態の全体構成を示すイメージ図、図３は第１の実施形態における換気ファンの動作イメージである。
図１及び図２に示すように、燃料電池発電システムにおいて、建物３内には、ＦＣユニット１と貯湯ユニット２とが隣接して設置されている。図２に示すように、ＦＣユニット１及び貯湯ユニット２は、建物３の所定の位置に複数配置されている。ＦＣユニット１及び貯湯ユニット２の上部には排気ダクト１２が接続されている。排気ダクト１２としては、給気ダクトと排気ダクトを同心円状に設けた二重筒構造のダクトを用いるようにしてもよい。二重筒構造のダクトであればスペース性が良好となる。
貯湯ユニット２は、建物３内の所定の箇所へ給湯するためのユニットであって、貯湯槽１３、補助用のボイラー１４、ボイラー１４用の燃焼ファン１５などを備えている。ＦＣユニット１及びボイラー１４の排ガスは、排気ダクト１２に合流されて建物３の屋根３ａから外部へと排出される。図中の符号１２ａは、ＦＣユニット１及びボイラー１４から流れる排ガスの合流部を示している。
図１に示すように、排気ダクト１２の合流部１２ａのＦＣユニットの上流部には、流量オリフィス９が設置されている。流量オリフィス９は、前後の圧力差から、本実施形態における換気装置（後述する換気ファン７）の換気風量を求めるものである。流量オリフィス９に近接して、流量オリフィス９の前後つまり上流側と下流側の圧力を測定する圧力計１０が設けられている。これら流量オリフィス９及び圧力計１０が、換気ファン７の風量計測手段となる。
ＦＣユニット１は、燃料電池４、燃料ガス供給器５及び酸化剤ガス供給器６、換気ファン７並びに制御装置８を収容する筐体である。燃料電池４では、燃料ガスは燃料ガス流路を通流する間にアノードに供給され、酸化剤ガスは酸化剤ガス流路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することで電気と熱が発生する。燃料電池４にて発生した電気は電力調整器等を介して外部の電力負荷に供給され、燃料電池４にて発生した熱は貯湯ユニット２側にて利用される。
燃料電池４において、燃料ガス流路の入口に燃料ガス供給器５が接続され、酸化剤ガス流路の入口に酸化剤ガス供給器６が接続される。燃料ガス供給器５は、燃料電池４に燃料ガスの流量を供給するものであり、例えば、水素生成装置、水素ボンベ等を含む機器からなる。酸化剤ガス供給器６は、燃料電池４に酸化剤ガスである空気の流量を供給するものであって、例えば、ファンやブロワ等からなる。
換気ファン７は、ＦＣユニット１内の換気風量を可変とすることが可能な換気装置である。換気ファン７が作動すると、ＦＣユニット１内のガス、主として空気が、排気ダクト１２を介して建物３の外部に排出され、ＦＣユニット１内が換気される。換気ファン７の換気風量は、排気ダクト１２に設置された流量オリフィス９及び圧力計１０によって計測される。
制御装置８は、換気ファン７に対して所定の操作量を与えることで換気ファン７を動作させる装置である。制御装置８は、ＣＰＵ等の演算処理部と、各制御動作を実行するためのプログラムを格納した記憶部等から構成される。また、制御装置８は、燃料電池発電システムの運転中に、風量計測手段である流量オリフィス９または圧力計１０によって計測される換気風量が予め設定された必要風量以上である場合、換気ファン７に与える操作量を、定期的あるいに任意のタイミングで低減させる。換気ファン７に与える操作量を低減させる場合の下限値は、圧力計１０によって計測される換気風量の圧力が、予め設定された必要風量での圧力を下回る値である。
さらに、制御装置８が、換気ファン７に与える操作量を低減させた場合に、圧力計１０によって計測される換気風量の圧力が、予め設定された必要風量での圧力を下回ると、換気ファン７に与える操作量を、一定値以上増加させる。これにより、制御装置８は、必要風量以上となるような換気ファン７の操作量を、換気ファン７に与えるようになっている。
制御装置８には、必要操作量を記憶する操作量記憶部１１が組み込まれている。操作量記憶部１１に記憶される必要操作量とは、換気ファン７の換気風量が予め設定された必要風量以上となるような換気ファン７の操作量である。
操作量記憶部１１は、燃料電池発電システムの出荷試験時または設置後またはメンテナンス後を含む初起動時に、制御装置８が換気ファン７に与える操作量を徐々に増やしていき、その過程で、上記の必要操作量を決定して、これを記憶するように構成されている。操作量記憶部１１が必要操作量を記憶した後は、制御装置８は、操作量記憶部１１から必要操作量を呼び出し、換気ファン７に必要操作量以上の操作量を与えて換気ファン７を動作させる。
続いて、貯湯ユニット２側の構成要素について説明する。貯湯槽１３は、燃料電池４の発電時の熱を利用して加温した湯を貯めるタンクである。貯湯槽１３は、貯湯ユニット２の大半を占めて設置される。補助用のボイラー１４及びボイラー１４用の燃焼ファン１５は、貯湯槽１３の上部に設置されている。補助用のボイラー１４は、貯湯槽１３から流出する湯を所定の温度まで加温するものである。燃料電池４とボイラー１４とは同一種類の燃料で動作するように構成されてもよい。
ボイラー１４用の燃焼ファン１５は、ボイラー１４に燃焼用の空気を送り込むための送風手段である。燃焼ファン１５の送風能力は、ＦＣユニット１内の換気ファン７が作動している最中にボイラー１４を作動させても、排気ダクト１２を流れるボイラー１４の排ガスが、ＦＣユニット１側に逆流しないように設定されている。これは、ボイラー１４の排ガスがＦＣユニット１内に流れ込んで燃料電池４内の酸化剤ガス濃度が低下することを回避するためである。
［作用と効果］
以上の第１の実施形態における作用及び効果は、以下の通りである。
（換気風量の確保）
第１の実施形態では、燃料電池発電システムの出荷試験時または設置後またはメンテナンス後等を含む初起動時に、制御装置８が換気ファン７に与える操作量を徐々に増やしていき、操作量記憶部１１が必要操作量を決定してこれを記憶する。すなわち、必要風量以上の換気風量を確保するための換気ファン７の必要操作量は、排気ダクト１２の経時的な圧損増加が発生していないシステムの初起動状態を基準として、決められている。
操作量記憶部１１が換気ファン７の必要操作量を記憶した場合、制御装置８は、操作量記憶部１１から必要操作量を呼び出し、換気ファン７に対して必要操作量以上の操作量を与えて換気ファン７を動作させることになる。したがって、制御装置８から必要操作量以上の操作量を与えられる換気ファン７は、予め設定された必要風量以上で動作することが可能である。
例えば、図３のグラフに示す点線を必要風量とする。また、図３において、上側の折れ線が換気ファン７の回転数の変化、下側の折れ線が換気ファン７の換気風量の変化を示している。図３のグラフに示すように、例えば、ボイラー１４が動作を開始して排気ダクト１２を流れる排ガスの流量が増えると、換気ファン７の回転数が低下して、換気ファン７の換気風量が必要風量を割り込むことがある。このとき、制御装置８は、換気ファン７に対し必要操作量以上の操作量を与えるので、換気ファン７の回転数が上がり換気ファン７の換気風量は高くなって、換気ファン７の換気風量は必要風量を超えることになる。
このような第１の実施形態によれば、建物３内におけるＦＣユニット１の設置場所の違いによって、換気ファン７に接続される排気ダクト１２の長さに違いが出たとしても、換気ファン７の換気風量は必要風量を超えて動作するため、換気ファン７の換気風量の低下を防ぐことができる。また、ダクトの圧損が経時的に増加したとしても、換気ファン７の換気風量は必要風量を超えて動作するので、換気ファン７の換気風量を割り込むことを抑止することができる。
また、第１の実施形態では、ＦＣユニット１に接続される排気ダクト１２に、ボイラー１３の排ガスを合流させる構成である。このような構成では、ボイラー１３の燃焼状態によっては換気ファン７の換気風量が低下し易い。しかし、本実施形態では、制御装置８が換気ファン７に対して常に必要操作量を与えるので、換気ファン７は常時、必要風量以上で動作することが可能となる。そのため、換気ファン７の換気風量を一定値以上に担保することができ、システムの信頼性が向上する。
（過剰な換気風量増大の抑止）
上述したように、換気ファン７の換気風量を増やし過ぎると、動力消費の増大を招くだけではなく、ボイラー１４の燃焼や燃料電池４の性能に悪影響を及ぼすおそれがある。そこで、本実施形態の制御装置８では、燃料電池発電システムの運転中に、制御装置８が換気ファン７に与える操作量を、定期的あるいに任意のタイミングで低減させる。つまり、圧力計１０により計測される換気風量の圧力を強制的に低下させている。
そして、圧力計１０によって計測される換気風量での圧力が、必要風量における圧力を下回った場合に限り、制御装置８は、換気ファン７に与える操作量を、一定値以上増加させて、必要風量以上となる換気ファン７の必要操作量を換気ファン７に与える。そのため、換気ファン７は必要風量を超えた換気風量にて動作することができる（図３参照）。
第１の実施形態では、燃料電池発電システムの運転中に、制御装置８が換気ファン７に与える操作量を、定期的あるいに任意のタイミングで、あえて低減させることで過剰な換気風量の有無を確認している。つまり、第１の実施形態においては、圧力計１０によって計測される換気風量の圧力が、予め設定された必要風量の圧力を下回らないのであれば、換気ファン７に与える操作量の低減制御を続けることになる。
このような第１の実施形態によれば、過剰な換気風量を確実に抑止することが可能である。したがって、換気ファン７による換気風量が増え過ぎることがなく、過剰な換気風量の増大を抑止することができる。これにより、換気ファン７における動力消費増大を回避することができる。また、換気ファン７による過剰な換気風量が、ボイラー１４の燃焼や燃料電池４の性能に悪影響を与える心配も無い。
［第２の実施形態］
［構成］
第２の実施形態の構成は基本的に第１の実施形態と同様であり、同一部材に関しては同一符号を付して説明は省略する。第２の実施形態では、図４に示すように、圧力計１０の診断部１６を備えている。
燃料電池発電システムの起動時もしくは一定時間運転を継続した場合に、制御装置８が換気ファン７に与える操作量を増減させる。このとき、診断部１６は、制御装置８が増減させた操作量に対応して圧力計１０の計測結果が増減するか否かを確認するようになっている。
すなわち、診断部１６は、制御装置８が増減させた操作量に対応して圧力計１０の計測結果が増減した場合には、圧力計１０が正常であるとの診断を下すことになる。また、診断部１６は、制御装置８が増減させた操作量に対応して圧力計１０の計測結果が増減しなかった場合には、圧力計１０に異常があるとの診断を下すことになる。
［作用と効果］
（風量計測手段の自己診断）
以上の第２の実施形態では、制御装置８が換気ファン７に与える操作量を増減させ、増減させた操作量に対応して圧力計１０によって計測される換気風量の圧力が増減するか否かを、診断部１６が確認する。このような診断部１６を備えた第２の実施形態によれば、圧力計１０の異常を自己診断することができ、システムの信頼性をさらに高めることが可能である。
［他の実施形態］
本明細書においては、本発明に係る複数の実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。以上のような実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
例えば、ＦＣユニット１や貯湯ユニット２の構成、燃料電池４の種類や設置数等は適宜選択可能である。例えば、燃料電池４において、アノード及びカソードの排ガスが排気される構成としてもよいし、アノード排ガスはいったん改質装置のバーナーに戻り、改質装置のバーナー燃焼ガスとカソード排ガスが換気と合流して排気される構成としてもよい。また、ＦＣユニット１及び貯湯ユニット２の建物３内での配置場所なども適宜変更可能である。排気ダクト１２は、二重筒構造のダクトに限らず、給気ダクトと排気ダクトを別々に設けるようにしてもよい。
換気装置としては、ＦＣユニット１内を換気することができればよく、換気風量が可変可能であれば、換気ファン７に限らず、ブロワ等を用いるようにしてもよい。また、換気装置の配置位置としては、ＦＣユニット１内ではなく、排気ダクト１２内に配置してもよい。より具体的には、ＦＣユニット１及び貯湯ユニット２から延びる排気ダクト１２の合流部１２ａの上流側あるいは下流側に配置してもよい。
第１の実施形態では、ＦＣユニット１内に制御装置８を配置したが、貯湯ユニット２内に制御装置８を配置してもよいし、ＦＣユニット１や貯湯ユニット２とは別に、独立して制御装置８を配置するようにしてもよい。制御装置８は、換気ファン７の動作を制御するだけではなく、ＦＣユニット１や貯湯ユニット２に含まれる各機器を制御するようにしてもよい。
第１の実施形態では、燃料電池発電システムの運転中に、制御装置８が換気ファン７に与える操作量をあえて低減させて風量計測手段により計測される換気風量の低下という事態を強制的に発生させたが、風量計測手段により計測される換気風量が、自然に低下した場合にも適応可能である。
例えば、故障などにより換気ファン７の換気風量が低下した場合に、制御装置８は、この換気風量の低下を検知して、換気ファン７に与える操作量を増加させるようにしてもよい。この実施形態によれば、換気ファン７の換気風量が急に低下しても、これを確実に検知して、換気風量の低下を防止することができる。
また、上記の実施形態において、制御装置８が換気ファン７に与える操作量を一定値以上増加させるタイミングは、換気ファン７の換気風量が、図３の点線で示した必要風量に達した時点でなくともよい。例えば、必要風量の値にある程度近づいた時点で、制御装置８が換気ファン７に与える操作量を一定値以上増加させるように設定して、必要風量以上となる換気ファン７の操作量を、換気ファン７に与えるようにしてもよい。このような実施形態によれば、換気ファン７による換気風量の確保という効果を、確実に発揮することができる。
風量計測手段の配置位置としては、排気ダクト１２内に限らず、ＦＣユニット１内に配置してもよい。また、風量計測手段の構成としては、第１の実施形態で示した流量オリフィス９と圧力計１０との組み合わせだけではなく、例えば、流量オリフィス９に代えて、換気装置の出口に逆止弁を設置し、この逆止弁の前後に圧力計１０を配置してもよいし、流量オリフィス９あるいは逆止弁と圧力計１０との組み合わせに代えて、流量計を用いるようにしてもよい。
逆止弁及び圧力計１０を風量計測手段とした実施形態では、設置が面倒な流量オリフィス９を削減できるので、設置作業の作業性を高めることができる。また、排気ダクト１２に流れるガス中に含まれる水分が多かったとしても、逆止弁であれば、水分による計測精度が低下することがなく、風量計測の精度が向上する。さらに、逆止弁を用いたことで、ボイラー１４の排ガスが排気ダクト１２を逆流してＦＣユニット１側に流れることがない。したがって、ボイラー１４の排ガスによるＦＣユニット１内の燃料電池４の性能低下を確実に防止することが可能である。
１…ＦＣユニット
２…貯湯ユニット
３…建物
３ａ…屋根
４…燃料電池
５…燃料ガス供給器
６…酸化剤ガス供給器
７…換気ファン
８…制御装置
９…流量オリフィス
１０…圧力計
１１…操作量記憶部
１２…排気ダクト
１３…貯湯槽
１４…ボイラー
１５…燃焼ファン
１６…診断部

Claims (6)

  1. 筐体内の換気風量を可変可能な換気装置と、
    前記換気風量が予め設定された必要風量以上となるような必要操作量を、前記換気装置に与える制御装置と、
    前記換気風量を計測する風量計測手段と、を備え、
    前記制御装置は、燃料電池発電システムの運転中に、前記風量計測手段によって計測される前記換気風量が前記必要風量以上である場合、前記換気装置に与える操作量を任意のタイミングで強制的に、前記予め設定された必要風量となるまで低減させることを特徴とする燃料電池発電システム。
  2. 出荷試験時または設置後またはメンテナンス後を含む初起動時に、前記制御装置が前記換気装置に与える操作量を徐々に増やすことで前記必要操作量を記憶する操作量記憶部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
  3. 前記換気風量を計測する風量計測手段を備え、
    前記制御装置は、燃料電池発電システムの運転中に、前記風量計測手段によって計測される前記換気風量が前記必要風量を下回った場合、前記必要風量以上となる前記換気装置の操作量を前記換気装置に与えることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池発電システム。
  4. 前記換気風量を計測する風量計測手段と、
    燃料電池発電システムの起動時もしくは一定時間運転を継続した場合に、前記制御装置が前記換気装置に与える操作量を増減させ、増減させた操作量に対応して前記風量計測手段の計測結果が増減するか否かを確認する前記風量計測手段の診断部と、を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
  5. 前記換気装置の出口には前記筐体の排ガスを外部へと排出する排気ダクトを接続し、
    前記排気ダクト内に前記風量計測手段を設置したことを特徴とする請求項３又は４に記載の燃料電池発電システム。
  6. 給湯用のボイラーを備え、
    前記換気装置の出口には前記筐体の排ガスを外部へと排出する排気ダクトを接続し、
    前記排気ダクトに前記ボイラーの排ガスを合流させることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
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