(57)【要約】【課題】発電中に停電が発生すると、たとえ原料ガスの供給があったとしても、発電を継続することのできない燃料電池発電システムにおいて、地震による停電が発生した場合、地震を検知する特別な装置を用いずに安定して燃料生成器１の冷却が可能な燃料電池発電システムを提供すること。【解決手段】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２と、原料ガスから燃料ガスを生成する燃料生成器１と、原料ガスの供給が停止したことを検知するガス遮断検知手段１９と、燃料生成器を冷却する冷却手段１７と、停電時に冷却手段を動作可能なバックアップ電源１８と、燃料電池や冷却手段などを逐次制御する制御装置２０からなる燃料電池発電システムであり、制御装置は、ガス遮断検知手段により原料ガス供給の停止を検知すると、バックアップ電源により冷却手段を動作するようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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、原料ガスから燃料ガスを生成する燃料生成器と、原料ガスの供給が停止したことを検知するガス遮断検知手段と、燃料生成器を冷却する冷却手段と、停電時に冷却手段を動作可能なバックアップ電源と、燃料電池や冷却手段などを逐次制御する制御装置からなる燃料電池発電システムであり、制御装置は、ガス遮断検知手段により原料ガス供給の停止を検知すると、バックアップ電源により冷却手段を動作するようにした燃料電池発電システム。
【請求項２】
バックアップ電源は充電可能な充電式電池を用いて、制御装置は、燃料電池発電システムが発電している場合、充電式電池を充電するようにした請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
バックアップ電源は太陽光により発電可能な太陽光発電パネル用いることを特徴とした請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
燃料生成器の温度を検知する温度検知手段を備え、制御装置は、原料ガス遮断時に温度検知手段により検知した温度が所定の値に満たない場合、冷却手段を動作させないようにした請求項１〜３いずれか記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
バックアップ電源の使用時間を計測する使用時間計測手段、および、交換時期であることを報知する報知手段を備え、制御装置は、使用時間計測手段により計測した時間が所定の時間を超えた場合、報知手段にて報知するようにした請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
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ようにした請求項１〜５いずれか記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか記載の燃料電池発電システムにて少なくとも一つの手段をコンピュータに実行させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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プログラムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素などの燃料ガスと酸素などの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り、例えば特許文献１等の構成が知られている。
【特許文献１】特開２００４−５３１２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の構成では、使用者が運転操作盤により運転終了操作を行った場合、直ちに発電行程をやめて発電終了処理に移行させ、燃料生成器を冷却する処理を開始していた。しかし、発電中に地震による停電が発生した場合は、直ちに発電行程をやめて発電終了処理に移行させ、燃料生成器を冷却する処理を開始する方法を取ると、実際には、停電状態に陥ると制御手段や冷却手段に対する商用電源の供給は数秒以内に停止してしまうので、冷却手段による冷却動作も中断され、燃料生成器は高温状態のまま放置される。その結果、燃料生成器内部に溜まった原料ガスは急速に炭化され、燃料生成の中核部品である触媒部品の著しい劣化を引き起こすと言う第１の課題を有していた。
【０００４】
一方で、この課題解決の方法として、停電検知手段にて停電を検知した場合に（後述する）停電時にも冷却手段を動作可能なバックアップ電源を用いて燃料生成器を冷却する方法もあるが、実際に停電が発生してからでは、システムそのものの動作が不安定になるため、制御手段が冷却手段への電源供給元を商用電源からバックアップ電源へ切り換える指令を出力しても、それが本当に実行される可能性は不定であり、しばしばバックアップ電源が起動せずに燃料生成器１が高温状態のまま放置されると言う第２の課題も有していた。
【０００５】
さらに、この課題解決方法として、停電の前に発生する地震そのものを検知する地震検知手段など専用装置を設ける方法もあるが、地震を検知するセンサーは精度も要求されるため高価であり、反面、通常に復帰した場合に行うリモコン解除操作などの手間が煩雑であり利便性を損ねる第３の課題を有していた。
【０００６】
本発明は、従来の課題を解決するもので、発電中に停電が発生すると、たとえ原料ガスの供給があったとしても発電を継続することのできない燃料電池発電システムにおいて、地震による停電が発生した場合、地震を検知する特別な装置を用いずに安定して燃料生成器の冷却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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、ガス遮断検知手段により原料ガス供給の停止を検知した場合、ガス供給経路に設置されているガスメーター（マイコンメーター）の地震安全機能が働いた、つまり、地震が発生したと判断し、冷却手段への電源供給元を商用電源からバックアップ電源へ切り換えバックアップ電源（例として後述する冷却手段を数十分程度は動作可能な一次電池）を用いて冷却手段を動作するようにしたものである。
【０００８】
これにより、発電中に停電が発生すると、たとえ原料ガスの供給があったとしても、発電を継続することのできない燃料電池発電システムにおいて、地震による停電が発生した場合、地震を検知する特別な装置を用いずに安定して燃料生成器の冷却ができ、ひいては、燃料生成器内部に溜まった原料ガスの炭化を抑えることができるため燃料生成器の劣化を抑えることが可能となる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の燃料電池発電システムは、ガス遮断検知手段により原料ガス供給の停止を検知した場合、ガス供給経路に設置されているガスメーター（マイコンメーター）の地震安全機能が働いた、つまり、地震が発生したと判断し、冷却手段への電源供給元を商用電源からバックアップ電源へ切り換えバックアップ電源（例として後述する冷却手段を数十分程度は動作可能な一次電池）を用いて冷却手段を動作するようにしたものである。
【００１０】
これにより、発電中に停電が発生すると、たとえ原料ガスの供給があったとしても、発電を継続することのできない燃料電池発電システムにおいて、地震による停電が発生した場合、地震を検知する特別な装置を用いずに安定して燃料生成器の冷却ができ、ひいては燃料生成器内部に溜まった原料ガスの炭化を抑えることができるため、燃料生成器の劣化を抑えることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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、原料ガスから燃料ガスを生成する燃料生成器と、原料ガスの供給が停止したことを検知するガス遮断検知手段と、燃料生成器を冷却する冷却手段と、停電時に冷却手段を動作可能なバックアップ電源と、燃料電池や冷却手段などを逐次制御する制御装置からなる燃料電池発電システムであり、制御装置は、ガス遮断検知手段により原料ガス供給の停止を検知すると、バックアップ電源により冷却手段を動作するようにしたことにより、発電中に停電が発生すると、たとえ原料ガスの供給があったとしても、発電を継続することのできない燃料電池発電システムにおいて、地震による停電が発生した場合、地震を検知する特別な装置を用いずに安定して燃料生成器の冷却ができ、ひいては燃料生成器内部に溜まった原料ガスの炭化を抑えることができるため、燃料生成器の劣化を抑えることが可能となる。
【００１２】
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、バックアップ電源は充電可能な充電式電池を用いて、制御装置は、燃料電池発電システムが発電している場合、充電式電池を充電するようにしたことにより、地震による停電発生時に燃料生成器の冷却にバックアップ電源を使い切った場合においても、次回発電時に発電した電力を用いてバックアップ電源を充電することによりバックアップ電源の再利用が可能であり環境にも優しい。
【００１３】
第３の発明は、特に、第１の発明の燃料電池発電システムにて、バックアップ電源は太陽光により発電可能な太陽光発電パネル用いるようにしたことにより、屋外に設置した燃料電池発電システムにおいて日中に地震による停電が発生した場合、燃料生成器１冷却に要するバックアップ電源を太陽光発電によりまかなうことが可能となる。
【００１４】
第４の発明は、特に、第１〜３のいずれかの発明の燃料電池発電システムにて、燃料生成器の温度を検知する温度検知手段を備え、制御装置は、原料ガス遮断時に温度検知手段により検知した温度が所定の値に満たない場合、冷却手段を動作させないようにしたことにより、低温の環境下で燃料電池発電システムを使用するなど、燃料生成器が高温でない状態で地震による停電が発生した場合には無駄な冷却動作をせずに済む。
【００１５】
第５の発明は、第１の発明の燃料電池発電システムにて、バックアップ電源の使用時間を計測する使用時間計測手段、および、交換時期であることを報知する報知手段を備え、制御装置は、使用時間計測手段により計測した時間が所定の時間を超えた場合、報知手段にて報知するようにしたことにより、バックアップ電源の自然放電などによる使用限度のタイミングを検知して地震による停電が発生する前にバックアップ電源（あるいは電池）の交換時期を知ることが可能となる。
【００１６】
第６の発明は、特に、第１〜５のいずれか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ようにしたことにより、効率の良い燃料電池の発電運転ができる。
【００１７】
第７の発明は、特に、第１〜５の発明の燃料電池発電システムの少なくとも一つをコンピュータに実行させるためのプログラムである。この構成によれば、プログラムであるのでマイコンなどを用いて本発明の燃料電池発電システムの一部あるいは全てを容易に実現することができる。また記録媒体に記録したり通信回線を用いてプログラムを配信したりすることでプログラムの配布が容易にできる。
【００１８】
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。
【００１９】
（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。
【００２０】
図１は、本発明の燃料電池発電システムのシステムブロック図であり、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。
【００２１】
なお、制御装置２０は、マイコンなどからなる制御手段２１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、停電検知手段１６は商用電源の電力供給が停止した（停電になった）ことを検知するものであり、冷却手段１７は燃料生成器１を冷却するものである。
【００２２】
なお、制御装置の内部ブロック図にて、１８はバックアップ電源（例えば単１電池を直列に８本接続した一次電池）であり、１９は原料ガス供給の停止を検知するガス遮断検知手段である。
【００２３】
ここで、ガス遮断検知手段１９が原料ガス供給の停止を検知する動作原理を説明する。初めに、原料ガスが各家庭に供給するまでの過程を説明するが、原料ガスは都市ガスであるため、ガス会社が輸入したＬＮＧ（液化天然ガス）を工場にて加工生成し（ガスホルダー（巨大な球形ガスタンク）に貯蔵しつつ）ガス配管を用いて各家庭向けに高圧力で送出され、途中、町単位程度の地区単位でガバナ（整圧器）と称するガス圧を一定の圧力（各家庭のガス機器にて使用するレベルのガス圧）に調整した後に各家庭に送出され、各家庭の入り口に設置しているガスメーターを経由して宅内のガス機器にガスが供給され、同様に本発明の燃料電池発電システムにもガスが供給される。
【００２４】
次に、ガスメーターの動作について補足するが、ガスメーターは各家庭で使用したガス量をカウントする基本機能の他に内蔵されているマイコンにより安全機能と称して災害時の配管外れが原因で極めて多くのガス使用を検知した場合や、内蔵している震度検知センサーにより震度５以上の地震を検知した場合に、安全を確保するため内蔵する遮断弁を動作させ宅内へのガス供給を停止する。
【００２５】
また、本発明の燃料電池発電システムのガス遮断検知手段１９の検知動作について補足するが、ガス遮断検知手段１９は、圧力により応動するダイヤフラムに磁性体を取着しておき対設したコイルとの隙間がガス圧によって変化する関係を、コイルを発振回路に接続することでインダクタンスが変化するようにして、ガス圧が増大すると発振周波数は低くなる周波数特性の出力を制御手段２１に与えるものであり、最初から地震を検知する地震センサーを新設するよりも簡素で安価にガス圧を検知することができ、特に上記したマイコンメーターの地震安全機能によるガス遮断が行われた場合に急激なガス圧低下を即時検知することが可能である。つまり、地震が発生したタイミングから、送電設備の倒壊、送電線の断線、あるいは、各家庭における電力オーバによるブレーカ作動などが原因で、実際に停電が発生するタイミングまでの時間差をより多く確保できるため、この時間差を利用して停電前に安定してバックアップ電源１８を起動することが可能となる。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
図２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にて起動行程を開始し、燃料生成器１の内部を（原料ガスから燃料ガスを生成可能な温度である）６５０℃程度まで昇温させた後、Ｓ２にて発電処理（燃料ガスと酸化剤ガスを燃料電池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、Ｓ３にて日々の運転終了予定時刻（例えば午後８時）になった場合、あるいは、使用者が（図示はしないが）運転操作盤により運転終了操作を行った場合、Ｓ５にて発電終了処理（発電を停止するのと平行して高温状態にある燃料生成器１を冷却手段１７により冷却させる後処理）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、Ｓ５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。
【００２９】
一方で、発電中に地震による停電が発生した場合、間接的ではあるが、Ｓ６にてガス遮断検知手段１９により原料ガス供給の停止を検知することで地震が発生したと判断し、Ｓ７にて冷却手段１７に対する電源の供給源を商用電源側からバックアップ電源１８に切り換え、Ｓ８にてバックアップ電源１８により冷却手段１７の動作を開始する。
【００３０】
その後の処理は、フローチャートの流れで言うと一旦はＳ５の発電終了処理に移行するが、実際には、即座に停電状態になり制御装置２０への商用電源の供給は停止するので、この時点で一連のフローチャートに示した処理は強制的に終えるが、冷却手段１７はバックアップ電源１８により（その電池が完全に放電するまで）１時間程度の冷却動作を続け、燃料生成器１の内部温度を１５０℃以下に下げることができる。
【００３１】
これにより、発電中に停電が発生すると、たとえ原料ガスの供給があったとしても、発電を継続することのできない燃料電池発電システムにおいて、地震による停電が発生した場合、地震を検知する特別な装置を用いずに安定して燃料生成器１の冷却ができ、ひいては、燃料生成器１内部に溜まった原料ガスの炭化を抑えることができるため、燃料生成器１の劣化を抑えることが可能となる。
【００３２】
なお、本実施の形態では、発電中に地震による停電が発生した場合の例を挙げて説明したが、発電起動時や発電終了処理中に地震による停電が発生した場合も同様にバックアップ１８電源を用いて冷却手段１７を動作させても同様の効果を得ることができる。
【００３３】
また、本実施の形態では、起動時に燃料生成器１を昇温する目標温度や冷却時の目標温度を具体的な数値を挙げて説明したが、これは本発明を限定するものではない。
【００３４】
（実施の形態２）
本実施の形態２の燃料電池発電システムのシステムブロック図、および、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は実施の形態１と同じ構成である。
【００３５】
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。
【００３６】
本発明の実施の形態１との違いは、バックアップ電源１８を充電可能な充電式電池（二次電池）を用いていることである。つまり、図２フローチャートで言うＳ２にて発電処理に移行すると主目的である発電を行い外部電力負荷４に電力供給を行う一方で、その電力のわずか一部をバックアップ電源１８の充電式電池（二次電池）に１０時間程度かけて充電するものである。
【００３７】
これにより、地震による停電発生時に燃料生成器１の冷却にバックアップ電源１８を使い切った場合においても、次回発電時に発電した電力を用いてバックアップ電源を充電することによりバックアップ電源の再利用が可能であり環境にも優しい。
【００３８】
（実施の形態３）
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、および、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は実施の形態１と同じ構成である。
【００３９】
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。
【００４０】
本発明の実施の形態１との違いは、バックアップ電源１８を太陽光により発電可能な太陽光発電パネル用いるようにしたことである。現時点での燃料電池発電システムの設置環境は戸建て住宅の軒先など屋外に限られ、かつ、その使用目的は外部電力負荷４への電力供給もあるが、発電時の排熱を回収して貯湯槽１０に湯水を貯め熱負荷５に利用するウエイトが大きく、つまり、熱負荷５の代表格である夕方の入浴に利用する湯水を生成すべく日中に発電を行う場合が多いため、逆の言い方をすれば、日中の発電時に地震による停電が発生した場合、日中なので太陽が出ているため、太陽光パネルによる発電が期待でき、この発電電力により冷却手段１７を動作させようというものである。
【００４１】
これにより、屋外に設置した燃料電池発電システムにおいて日中に地震による停電が発生した場合、燃料生成器１冷却に要するバックアップ電源１８を太陽光発電によりまかなうことが可能となる。
【００４２】
（実施の形態４）
図３は、本実施の形態４の燃料電池発電システムのシステムブロック図、図４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、制御装置の内部ブロック図にて、２２は燃料生成器１の温度を検知する温度検知手段である。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。
【００４３】
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。
【００４４】
図４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、Ｓ９、Ｓ１０を追加しただけである。つまり、発電中に地震による停電が発生した場合、Ｓ６にてガス遮断検知手段１９により原料ガス供給の停止を検知することで地震が発生したと判断し、Ｓ９にて温度検知手段２２により燃料生成器１の温度を検知し、Ｓ１０にて燃料生成器１の温度が１５０℃以上の場合はＳ７にて冷却手段１７に対する電源の供給源を商用電源側からバックアップ電源１８に切り換えてＳ８にてバックアップ電源１８により冷却手段１７の動作を開始するが、一方で、１０にて燃料生成器１の温度が１５０℃に満たない場合はＳ７およびＳ８をスキップする。
【００４５】
これにより、低温の環境下で燃料電池発電システムを使用するなど、燃料生成器１が高温でない状態で地震による停電が発生した場合には無駄な冷却動作をせずに済む。
【００４６】
（実施の形態５）
図５は、本実施の形態５の燃料電池発電システムのシステムブロック図であり、制御装置の内部ブロック図にて、２６はバックアップ電源１８の使用時間を計測する使用時間計測手段であり、２７は交換時期であることを報知する報知手段である。その他は制御装置２８、制御手段２９と表記している以外は実施の形態１と同じ構成である。
【００４７】
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。
【００４８】
実施の形態５はフローチャートを用いることなく説明するが、図５の使用時間検知手段２６は燃料電池発電システムに商用電源が通電されている間じゅう時間計測を続け、時間計測の値が２年に達した場合、報知手段２７（電池交換ランプ）を動作させて電池交換を報知する。
【００４９】
これにより、バックアップ電源１８の自然放電などによる使用限度のタイミングを検知して地震による停電が発生する前にバックアップ電源（あるいは電池）の交換時期を知ることが可能となる。
【００５０】
なお、実施の形態５は、バックアップ電源１８を用いた冷却手段１７の動作を２年の間、一度も行わなかった場合のバックアップ電源の交換（すなわち自由放電した一次電池の交換）を想定しており、ひとたび発電中の停電が発生するなどしてバックアップ電源を使用した場合には、時間計測を継続することなく、報知手段２５をすぐに動作させても良い。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明にかかる燃料電池発電システムは、燃料電池により発電するとともに、排熱を利用して湯を沸かして貯湯し給湯する燃料電池コージェネシステムに利用可能である。
【００５２】
また、地震による停電が発生してシステムがダウンするプラント制御に対して、高温な機能部位（アクチュエータ）の冷却を制御装置による逐次制御なしで実現するなどの用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施の形態１〜３の燃料電池発電システムのシステムブロック図
【図２】本発明の実施の形態１〜３の制御手段２１の動作フローチャート
【図３】本発明の実施の形態４の燃料電池発電システムのシステムブロック図
【図４】本発明の実施の形態４の制御手段２４の動作フローチャート
【図５】本発明の実施の形態５の燃料電池発電システムのシステムブロック図
【符号の説明】
【００５４】
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
１７  冷却手段
１８  バックアップ電源
１９  ガス遮断検知手段
２０、２３、２８  制御装置
２１、２４、２９  制御手段
２２  温度検知手段
２６  使用時間計測手段
２７  報知手段
【図１】
2008153000.tif 000003
【図２】
2008153000.tif 000004
【図３】
2008153000.tif 000005
【図４】
2008153000.tif 000006
【図５】
2008153000.tif 000007