(57)【要約】【課題】発電中に断水が発生した場合、貯湯槽１０の下部低温水を用いて安定した燃料電池２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、燃料電池の発電に伴う排熱を湯水に熱交換する熱交換手段８と、熱交換手段の湯水を貯える貯湯槽１０と、貯湯槽の湯水を熱交換手段との間で循環する経路である貯湯水循環路１１と、貯湯水循経路の湯水を循環させる貯湯水循環ポンプ９と、熱交換手段および貯湯槽および貯湯水循経路および貯湯水循環ポンプからなる燃料電池の冷却手段１６と、貯湯槽へ給水する水道の断水を検知する断水検知手段１７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、発電中に断水検知手段により断水を検知した場合、発電を停止させ冷却手段を最大限に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、燃料電池の発電に伴う排熱を湯水と熱交換する熱交換手段と、前記熱交換手段の湯水を貯える貯湯槽と、前記貯湯槽の湯水を熱交換手段との間で循環する貯湯水循環路と、前記貯湯水循経路の湯水を循環させる貯湯水循環ポンプと、前記熱交換手段および貯湯槽および貯湯水循経路および貯湯水循環ポンプとを有する燃料電池の冷却手段と、前記貯湯槽へ給水する水道の断水を検知する断水検知手段と、少なくとも前記燃料電池と冷却手段を制御する制御装置とを有し、前記制御装置は、発電中に断水検知手段により断水を検知した場合、発電を停止させ前記冷却手段を最大限に動作するようにした燃料電池発電システム。
【請求項２】
貯湯槽の湯水熱量を検知する残存熱量検知手段を備え、制御装置は、残存熱量検知手段により検知した残存熱量が所定の値に達するまで発電動作を継続し、冷却手段を動作させないようにした請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
燃料電池発電システムの状態を表示する表示手段を備え、制御手段は、断水検知手段により断水を検知した場合、表示手段に断水が発生した旨を表示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４】
貯湯槽内の湯水を攪拌する攪拌手段を備え、制御手段は、断水検知手段により断水を検知した場合、攪拌手段にて貯湯槽内の温度制御を行うようにした請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
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１〜４いずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に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が知られている。この際、燃料電池発電システムから発生する熱は、貯湯槽に湯として蓄えられる（例えば、特許文献１参照）。
【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】
しかしながら、従来の構成では、貯湯槽の内部は上部に高温水を下部に低温水を積層して保持する仕組みとなっており、燃料電池の冷却に用いる貯湯槽下部の低温水は絶えず外部水道水（市水）から供給可能であることを前提にしているため、仮に、干ばつ等により断水処置が取られた場合、断水を検知することなく発電運転をし続け、貯湯槽下部の低温水までも加熱された後に発電を停止しても、燃料電池を冷却することができずに高温状態のまま放置され、その結果、燃料電池内部の化学反応は標準のそれと比べて大幅に促進され、具体的には、酸化剤ガスによる燃料電池内部触媒の酸化が急速に促進され著しい劣化を引き起こすと言う課題を有していた。
【０００４】
本発明は、従来の課題を解決するもので、燃料電池で発生した熱を回収し貯湯槽に蓄熱する成層式貯湯槽を備えた燃料電池発電システムにおいて、発電中に断水が発生した場合、貯湯槽の下部低温水を用いて安定した燃料電池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】
【０００５】
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、発電中に断水検知手段により断水を検知した場合、熱交換手段および貯湯槽および貯湯水循環路および貯湯水循環ポンプからなる冷却手段を最大限に動作するようにしたものである。
【０００６】
これにより、燃料電池で発生した熱を回収し貯湯槽に蓄熱する成層式貯湯槽を備えた燃料電池発電システムにおいて、発電中に断水が発生した場合、発電運転を停止するのと平行して、冷却手段を最大限に動作させ、具体的には貯湯水循環ポンプを最大能力で動作させ貯湯槽下部の低温水を用いて低温水が加熱されて無くなるまでの間に熱交換手段による燃料電池の急速冷却ができ、ひいては燃料電池内部に溜まった酸化剤ガスによる触媒の酸化を抑えることができるため燃料電池の劣化を抑えることが可能となる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の燃料電池発電システムによれば、燃料電池で発生した熱を回収し貯湯槽に蓄熱する成層式貯湯槽を備えた燃料電池発電システムにおいて、発電中に断水が発生した場合、発電運転を停止するのと平行して、冷却手段を最大限に動作させ、具体的には貯湯水循環ポンプを最大能力で動作させ貯湯槽下部の低温水を用いて低温水が加熱されて無くなるまでの間に熱交換手段による燃料電池の急速冷却ができ、ひいては燃料電池内部に溜まった酸化剤ガスによる触媒の酸化を抑えることができるため燃料電池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】
【０００８】
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、燃料電池の発電に伴う排熱を湯水と熱交換する熱交換手段と、前記熱交換手段の湯水を貯える貯湯槽と、前記貯湯槽の湯水を熱交換手段との間で循環する貯湯水循環路と、前記貯湯水循経路の湯水を循環させる貯湯水循環ポンプと、前記熱交換手段および貯湯槽および貯湯水循経路および貯湯水循環ポンプとを有する燃料電池の冷却手段と、前記貯湯槽へ給水する水道の断水を検知する断水検知手段と、少なくとも前記燃料電池と冷却手段を制御する制御装置とを有し、前記制御装置は、発電中に断水検知手段により断水を検知した場合、発電を停止させ前記冷却手段を最大限に動作するようにした燃料電池発電システムとしたことにより、燃料電池で発生した熱を回収し貯湯槽に蓄熱する成層式貯湯槽を備えた燃料電池発電システムにおいて、発電中に断水が発生した場合、発電運転を停止するのと平行して、冷却手段を最大限に動作させ、具体的には貯湯水循環ポンプを最大能力で動作させ貯湯槽下部の低温水を用いて低温水が加熱されて無くなるまでの間に熱交換手段による燃料電池の急速冷却ができ、ひいては燃料電池内部に溜まった酸化剤ガスによる触媒の酸化を抑えることができるため燃料電池の劣化を抑えることが可能となる。
【０００９】
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、貯湯槽の湯水熱量を検知する残存熱量検知手段を備え、制御装置は、残存熱量検知手段により検知した残存熱量が所定の値に達するまで発電動作を継続し、冷却手段を動作させないようにしたことにより、停止行程中の冷却に用いる最低限の冷却水を確保できているうちは発電を継続することが可能であり、燃料電池発電システムの設置環境下における短時間の断水が発生しても過敏に発電を停止させることがなくなる。
【００１０】
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、燃料電池発電システムの状態を表示する表示手段を備え、制御手段は、断水検知手段により断水を検知した場合、表示手段に断水が発生した旨を表示するようにしたことにより、使用者に燃料電池発電システムが停止した理由を知らしめることが可能となり、また、希ではあるが外部水道水配管（市水が供給されてくる水道管）が破損していた場合に速やかに異変に気づくことできる。
【００１１】
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、貯湯槽内の湯水を攪拌する攪拌手段を備え、制御手段は、断水検知手段により断水を検知した場合、攪拌手段にて貯湯槽内の温度制御を行うようにしたことにより、貯湯槽１０内部の高温層の湯と低温層の水とを強制的に混合させることで、災害時に貯湯槽１０が転倒して槽内の湯水が外部に一気に飛散し、熱湯によって火傷をしてしまうなどの危険な状態を回避することができる。
【００１２】
第５の発明は、特に、第１〜４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。
【００１３】
第６の発明は、特に、第１〜４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。
【００１４】
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、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。
【００１５】
（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。以下、その構成について説明する。
【００１６】
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７０℃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。
【００１７】
制御装置１８は、マイコンなどからなる制御手段１９と貯湯槽へ給水する水道の断水を検知する断水検知手段１７を有し、断水検知手段１７は給水管内の圧力を逐次センサーにて入力し水圧が０．０５メガパスカルを割ると制御手段１９に対して断水信号を出力する。制御装置１８は、これらより構成し、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。
【００１８】
なお、上記したように制御手段１４により冷却水循環ポンプ６と貯湯水循環ポンプ９を動作させ、燃料電池２で発生した熱を回収する動作は言い換えれば燃料電池２を冷却する動作である。よって、燃料電池２を冷却する一連の機能をまとめて以降は冷却手段１６と称する。
【００１９】
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。
【００２０】
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１８に商用電源の通電を行うと制御手段（マイコン）１９が起動してシステム動作を開始する。
【００２１】
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、Ｓ４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電池２を冷却手段１６により緩やかに冷却させる後処理）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、Ｓ４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。
【００２２】
一方で、発電中に断水が発生した場合、つまり、Ｓ５にて断水検知手段１７により断水を検知すると、Ｓ６にて運転の終了指令を出力して発電運転を停止し、Ｓ７にて冷却手段１６を最大動作させ、具体的には１０分間ほど貯湯水循環ポンプ９の回転数を最大にして熱交換手段８を急激に冷却することで高温状態にある燃料電池２の内部温度をストレスのなくなる４０℃以下に下げる。また、同時に冷却水循環ポンプ６の回転数を最大にすることによって更なる冷却効果を高めることができる。また、冷却水循環ポンプ６の回転数を通常運転時より高めることでも冷却効果は高めることができる。
【００２３】
ここで補足するが、発電終了後まもなく間接的に熱交換手段８を急速冷却することで燃料電池２を急速に冷却することは温度変化により燃料電池内部触媒の劣化が促進されるので確かに望ましいことではないが、その悪さ度合いに比べて、断水による十分な燃料電池２の冷却ができない（高温のまま放置され酸化剤ガスによる燃料電池内部触媒の酸化がされる）悪さ度合いの方が遙かに大きく影響が甚大なため、前者の方法をとって、断水による燃料電池２への影響をより軽減しようというものである。
【００２４】
これにより、燃料電池２で発生した熱を回収し貯湯槽１０に蓄熱する成層式貯湯槽を備えた燃料電池発電システムにおいて、発電中に断水が発生した場合、発電運転を停止するのと平行して、冷却手段１６を最大限に動作させ、具体的には貯湯水循環ポンプ９を最大能力で動作させ貯湯槽１０下部の低温水を用いて低温水が加熱されて無くなるまでの間に熱交換手段８による燃料電池２の急速冷却ができ、ひいては燃料電池２内部に溜まった酸化剤ガスによる触媒の酸化を抑えることができるため燃料電池２の劣化を抑えることが可能となる。
【００２５】
なお、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燃料電池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。
【００２６】
（実施の形態２）
図３は、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、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、２０は貯湯槽の湯水熱量を検知する残存熱量検知手段であり、具体的には貯湯槽１０内部に温度を検知する複数のサーミスタなどから構成され、貯湯槽１０内部２００リットル容量のうち、どのぐらいの湯水が存在しているかを知ることができるため、逆に冷却を行うために必要な冷水の残り容量を知ることができる。
【００２７】
その他は制御装置２１、制御手段２２と表記している以外は実施の形態１と同じ構成である。
【００２８】
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。
【００２９】
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、Ｓ８、Ｓ９を追加しただけである。つまり、発電中に断水が発生した場合、Ｓ５にて断水検知手段１７により断水を検知すると、Ｓ８にて残存熱量検知手段２０から残存熱量Ｑを読み出し、Ｓ９にて残存熱量Ｑが｛４０℃＊１８０リットル｝に満たない場合、裏返せば発電停止時に最低限必要な４０℃より低い冷水が貯湯槽の容量２００リットルから１８０リットルを差し引いた２０リットルは確保できているので、引き続き発電を継続する。
【００３０】
これにより、停止行程中の冷却に用いる最低限の冷却水（容量）を確保できているうちは発電を継続することが可能であり、燃料電池発電システムの設置環境下において短時間の断水が発生しても過敏に発電を停止させることがなくなる。
【００３１】
（実施の形態３）
図５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であり、制御装置の内部ブロック図にて、２３は燃料電池発電システムの状態（運転状態やエラー状態など）を表示する表示手段である。その他は制御装置２４、制御手段２５と表記している以外は実施の形態１と同じ構成である。
【００３２】
実施の形態３は、実施の形態１とほぼ同様なので図２のフローチャートを用いて説明するが、Ｓ５にて断水検知手段１７が断水を検知したタイミングで、図５の表示手段２３にて断水検知異常の状態に入った旨の表示をする。
【００３３】
これにより、使用者に燃料電池発電システムが停止した理由を知らしめることが可能となり、また、希ではあるが外部水道水配管（市水が供給されてくる水道管）が破損していた場合に速やかに異変に気づくことできる。
【００３４】
（実施の形態４）
図６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であり、制御装置の内部ブロック図にて、２５は貯湯槽内の湯水を攪拌する攪拌手段であり、具体的にはモータ回転軸の先に攪拌翼が取り付けられており一方向あるいは正逆反転を繰り返して貯湯槽１０内部に水の流れ（噴流）を作り出すことにより、貯湯槽１０上部の高温である湯水と底部の低温水を強制的に混合することが可能なものである。その他は制御装置２７、制御手段２８と表記している以外は実施の形態１と同じ構成である。
【００３５】
実施の形態４も、実施の形態１とほぼ同様なので図２のフローチャートを用いて説明するが、Ｓ５にて断水検知手段１７が断水を検知したタイミングからＳ７の冷却手段１７による冷却動作を終了するまで間、図６の攪拌手段２６を連続あるいは間欠動作させる。
【００３６】
これにより、貯湯槽１０内部の高温層の湯と低温層の水とを強制的に混合させることで、災害時に貯湯槽１０が転倒して槽内の湯水が外部に一気に飛散し、熱湯によって火傷をしてしまうなどの危険な状態を回避することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
以上のように、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。
【００３８】
同様にして、脱水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）の冷却を効率よく効果的に実現するなどの用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】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
【図２】本発明の実施の形態１の制御手段１９の動作フローチャート
【図３】本発明の実施の形態２の燃料電池発電システムのシステムブロック図
【図４】本発明の実施の形態２の制御手段２２の動作フローチャート
【図５】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
【図６】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
【符号の説明】
【００４０】
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  冷却手段
１７  断水検知手段
１８、２１  制御装置
１９、２２  制御手段
２０  残存熱量検知手段
２３  表示手段
２６  攪拌手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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