(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から燃料供給を受けて燃料電池本体で発電し系統へ電力供給する系統連系運転中に所定の条件を満たした場合に、系統との解列を行い、非常用燃料に切り替えて前記燃料電池本体で発電する自立運転へ移行して、前記自立運転時の燃料電池発電装置から電力の供給を受ける負荷へ電力供給する燃料電池発電装置において、
前記所定の条件が、前記系統が停電する系統停電かつ周囲での火災発生を示す火災検知、または、前記外部からの燃料供給が遮断する燃料遮断の何れかであり、
前記所定の条件が前記燃料遮断の場合には、前記燃料遮断により自立運転へ切り替えた後、燃料遮断の検知から所定時間内に火災検知および系統停電の何れもが通知されない場合には前記自立運転を停止することを特徴とする燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、系統連系運転から自立運転へ切り替え可能な燃料電池発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電装置を防災対応型の非常用電源として用いる場合、系統連系運転から自立運転へ運転モードを切り替える機能が要求される。消防法では、災害を検知した時には４０秒以内に燃料を非常用燃料（例えば、ＬＮＧ)に切り替えて、特定の重要負荷（保安灯、誘導灯、スプリンクラー等）への電力供給を維持することが必須項目となっている。消防法では、災害検知として「停電」を挙げている。
【０００３】
従来、燃料電池に燃料、電気、水の少なくとも一つが供給されなくなった状態を検出して、系統連系運転から自立運転への切り替えるようにした燃料電池発電装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。燃料電池発電装置に供給される燃料としては「都市ガス」が挙げられる。
【特許文献１】特開２００６−６６２４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、消防法で災害検知として挙げている「停電」を系統連系運転から燃料を切り替える自立運転への切替え条件とした場合、系統の停電は実際の災害以外でも頻繁に発生するので、災害が発生していないにも拘わらず非常用燃料が消費されるといった問題がある。例えば、設置サイトによっては、短時間で復旧するような系統停電が頻繁に起こるケースがあるので、その都度、自立運転に切り替えて非常用燃料を使用していたのでは、非常用燃料を補給する作業が頻繁に生じることになる。
【０００５】
また、燃料が供給されなくなる「都市ガス遮断」を系統連系運転から自立運転への切替え条件とした場合、実際の災害以外の理由で「都市ガス遮断」が発生した場合には、災害が発生していないにも拘わらず非常用燃料が消費されるといった問題がある。例えば、都市ガス流量を計測するマイコンメータの近傍で工事が行われた場合に、工事の振動でマイコンメータの感震器が誤作動し、「都市ガス」の供給がストップするといった事例が想定される。
【０００６】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、災害時には確実に系統連系運転から自立運転への切替えが可能であると共に、「災害検知」の誤判定に基づく非常用燃料の消費及び補給作業の発生を防ぐことのできる燃料電池発電装置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】
本発明の燃料電池発電装置は、外部から燃料供給を受けて燃料電池本体で発電し系統へ電力供給する系統連系運転中に所定の条件を満たした場合に、系統との解列を行い、非常用燃料に切り替えて前記燃料電池本体で発電する自立運転へ移行して、前記自立運転時の燃料電池発電装置から電力の供給を受ける負荷へ電力供給する燃料電池発電装置において、前記所定の条件が、前記系統が停電する系統停電かつ周囲での火災発生を示す火災検知、または、前記外部からの燃料供給が遮断する燃料遮断の何れかであり、前記所定の条件が前記燃料遮断の場合には、前記燃料遮断により自立運転へ切り替えた後、燃料遮断の検知から所定時間内に火災検知および系統停電の何れもが通知されない場合には前記自立運転を停止することを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、燃料を切り替える自立運転への切り替え要件として、系統停電かつ火災検知、または燃料遮断としたので、災害時には確実に系統連系運転から自立運転への切替えが可能であると共に、非災害時には「火災検知」又は「停電」のいずれかの検知があっても燃料を切り替える自立運転への切替えを抑止でき、「災害検知」の誤判定に基づく非常用燃料の消費及び補給作業の発生を防ぐこともできる。
【００１０】
また、燃料遮断の検知から所定時間内に火災検知および系統停電の何れもが通知されない場合には運転を停止するので、燃料遮断時には火災検知の遅延もしくは異常を加味した対応となり、所定時間内に火災検知および系統停電の何れもがなければ運転停止するので、非常用燃料の消費量を最小限に抑えることができる。
【００１１】
なお、燃料電池本体は、りん酸型燃料電池で構成されたものを対象とすることができる。また、外部から供給される燃料は都市ガスを対象とすることができ、非常用燃料は備蓄ＬＮＧを用いることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、災害時には確実に系統連系運転から燃料を切り替える自立運転への切替えが可能であると共に、「災害検知」の誤判定に基づく非常用燃料の消費及び補給作業の発生を防ぐことができ、ランニングコストを下げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施の形態にかかる燃料電池発電装置の構成を示す図である。
本実施の形態にかかるりん酸型の燃料電池発電装置１００は、非災害時は原燃料である都市ガス燃料で系統連系運転を行い、災害時には系統と解列し、備蓄しておいた非常用燃料であるＬＰＧを用いた自立発電に切り替え、特定の自立負荷へ電力供給を行う。また、燃料電池発電装置１００は、耐火機能を備えたパッケージ構造を採用していることが望ましい。
【００１５】
まず、燃料電池発電装置１００のシステム構成について説明する。通常運転時は、都市ガス遮断弁１から原燃料である都市ガスを取り込んでおり、都市ガス流量計２及び都市ガス圧力計３で都市ガスの供給量を監視している。都市ガス遮断弁１から取り込んだ燃料を脱硫器４へと導き、都市ガスに含まれる硫黄分を除去している。そして、硫黄分を除去した都市ガスと気水分離器１１から供給される改質用蒸気とを混合して改質器５へ導入する。改質器５で水素を主成分とする改質ガスに変換し、ＣＯ変成器６でＣＯを除去してから燃料電池本体７へと導いている。
【００１６】
燃料電池本体７は、電気化学反応により発電を行い、直流の電気を発生させ、インバータ１３で交流に変換してから、遮断器１４を介して系統１５へ電力を供給する。また、インバータ１３には、遮断器１６を介して災害時に電力供給を受ける自立負荷１７が接続される。通常運転時は、遮断器１４を介して燃料電池本体７と系統１５とが連結されるが、災害発生時には遮断器１６を介して燃料電池本体７と自立負荷１７とが連結される。
【００１７】
燃料電池本体７で消費されずに一部残った水素等の可燃性ガスは、改質器５のバーナ８へと導いて燃焼し、改質器５での化学反応に必要な熱量を与える。燃焼用空気は、燃焼空気ブロア９を介してバーナ８へと導いている。反応空気ブロア１０は、燃料電池本体７において電気化学反応に必要な酸素を送り込む。電池冷却水ポンプ１２は、燃料電池本体７で電気エネルギーに変換されずに熱エネルギーとなった熱量を回収する電池冷却水を流通させるためのポンプである。電池冷却水ポンプ１２が回収した熱エネルギーは、気水分離器１１で加圧冷却水と改質用蒸気に分離される。
【００１８】
制御部２２は、系統連系運転から自立運転への運転モードの切替え条件を監視しており、切替え条件成立時に後述する切り替え制御を実行して非常用燃料であるＬＰＧ２１を用いた自立運転へ移行する。
【００１９】
図２は制御部２２における切替え条件成立判定ロジックの概念図である。
「系統停電」「火災検知」「都市ガス流量低」及び「都市ガス圧力低」の各検知信号を取り込み、「系統停電」と「火災検知」の論理積（Ａ）を判定すると共に、「都市ガス流量低」と「都市ガス圧力低」の論理和（Ｂ）を判定し、当該論理積（Ａ）と論理和（Ｂ）の論理和（Ｃ）が成立していれば、切替え条件成立と判断する。ただし、「燃料遮断」を判定する論理和（Ｂ）については、所定時間経過前に「火災検知」が入力されなければ運転停止する条件を付けている。このように、「系統停電」のみ又は「火災検知」のみで切替え条件成立とするのではなく、上記切替え条件成立判定ロジックを介することで、正確に災害の発生を判断し、自立運転への切り替えを行うようにしている。
【００２０】
具体的には、当該燃料電池発電装置１００の設置サイト及び周辺施設を含む周囲の火災検知器より通知される火災検知信号によって「火災検知」の条件を判定する。また、系統１５側から送られてくる停電検出信号によって「系統停電」の条件を判定する。さらに、都市ガス流量計２から送られてくる都市ガス流量信号と、都市ガス圧力計３から送られてくる都市ガス圧力信号とから都市ガス流量低下及び都市ガス圧力低下を監視して、「燃料遮断」の条件を判定する。
【００２１】
次に、以上のように構成された本実施の形態における運転モードの切り替え動作について説明する。
【００２２】
図３は「系統電源」「都市ガス」「火災検知」のいずれかに異常が発生した場合の燃料電池発電装置１００の動作を示す対応表である。
【００２３】
系統１５が正常であり、都市ガスの供給も正常であり、かつ、「火災検知」も無い場合（ケースＮｏ．０）、制御部２２における切替え条件は成立しない。したがって、遮断器１６は開いた状態のままとし、燃料電池本体７から遮断器１４を介して系統１５へ電力供給する系統連系運転が維持される。
【００２４】
次に、系統１５が正常であり、都市ガスの供給も正常であるが、「火災検知」が有りの場合（ケースＮｏ．１）、制御部２２における切替え条件は成立しない。したがって、遮断器１６は開いた状態のままとし、燃料電池本体７から遮断器１４を介して系統１５へ電力供給する系統運転が維持される。このように、都市ガス及び系統１５が正常に動作している場合、火災検知が誤りである可能性が高く、もしくは、系統１５から電源供給を続けても問題ない状態である可能性が高いので、通常運転を維持する。これにより、誤った火災検知及び系統１５から電源供給を続けても問題ない場合には非常用燃料への切り替えを行わないので、非常用燃料であるＬＰＧの消費を防止できる。
【００２５】
次に、系統１５が正常であり、都市ガスの供給は無いが、火災検知も所定時間以上無い場合（ケースＮｏ．２）は、以下の制御が行われる。この場合、系統１５が正常であり、かつ、火災検知も無いので切替え条件は成立しないが、都市ガスが遮断されていることから、火災検知の異常もしくは火災検知の遅れを考慮した制御を行う。すなわち、「都市ガス遮断」を検知すると、遮断器１４を開いて系統１５との解列を行い、同時にＬＰＧ遮断弁１８を開とし、ＬＰＧが脱硫器４へと流れ込むように切り替える。また、制御部２２は、ＬＰＧ遮断弁１８を開くと同時に都市ガス遮断弁１を閉じる。制御部２２は、この切り替え動作を数十秒で完了し、その間に各化学反応器の温度を安定させた後、自立負荷１７への遮断器１６を閉じ、自立負荷１７への電力供給を開始して暫定的に自立運転に入る。その後、所定の時間、火災検知が無い場合、火災検知が無かったと判断し、燃料電池発電装置１００の運転を停止する。上記の所定時間とは、火災検知器の精度に依存する。例えば、火災検知器が、各部屋毎など細かく配置されている場合には、所定時間は数１０秒程度でよい。一方、火災検知器が手動によるものである場合は、所定時間を１５分程度とする。これにより、所定時間火災検知がなければ運転停止するので、非常用燃料であるＬＰＧの消費量を最小限に抑えることができる。
【００２６】
次に、系統１５が正常であり、都市ガスの供給が無いが、火災検知は所定時間経過後に有りとなった場合（ケースＮｏ．３）は、以下の制御が行われる。この場合も、系統１５が正常であり、かつ、当初は火災検知も無いが、都市ガスが遮断されていることから、火災検知の遅れを考慮する。遮断機１４を開いて解列し、さらに、都市ガス遮断弁１を閉じると共にＬＰＧ遮断弁１８を開く。各化学反応器の温度を安定させた後、自立負荷１７への遮断器１６を閉じ、自立負荷１７への電力供給を開始して暫定的な自立運転に入る。その後、所定時間経過後に火災検知が有りとなったならば、この時点で制御部２２の切替え条件が成立してＬＰＧを用いた自立運転に完全に移行する。燃料電池発電装置１００は、自立負荷１７の変動に追従して必要な電力を供給する。
【００２７】
次に、系統１５が正常であるが、都市ガスの供給が無く、かつ、火災検知が有りの場合（ケースＮｏ．４）、制御部２２における切替え条件が成立するので、自立運転へ移行する。都市ガスが遮断され、かつ火災検知があったことから、高い信頼性で本当の災害があったと判断することができる。上記同様に、遮断器１４を開いて系統１５との解列を行い、同時にＬＰＧ遮断弁１８を開とし、ＬＰＧが脱硫器４へと流れ込むように切り替える。また、制御部２２は、ＬＰＧ遮断弁１８を開くと同時に都市ガス遮断弁１を閉じる。制御部２２は、この切り替え動作を数十秒で完了し、その間に各化学反応器の温度を安定させた後、自立負荷１７への遮断器１６を閉じ、自立負荷１７への電力供給を開始して自立運転に入る。
【００２８】
次に、系統１５が停電であり、都市ガスの供給が有り、かつ、火災検知が無い場合（ケースＮｏ．５）、制御部２２における切替え条件は成立しない。都市ガスが遮断されておらず、かつ火災検知が無いことから、単純な停電状態と判断する。そして、制御部２２は、遮断機１４を開いて解列するが、ＬＰＧ遮断弁１８を閉じたままとし、ＬＰＧへの燃料の切替えは行わない。このように、系統１５が停電した場合、解列はするが、災害発生ではなくＬＰＧによる自立運転は行わないので、非常用燃料の消費を防止することができる。
【００２９】
次に、都市ガスの供給が有るが、系統１５が停電であり、火災検知が有りの場合（ケースＮｏ．６）、制御部２２における切替え条件が成立する。ケースＮｏ．４と同様の手順にてＬＰＧガス２０を用いた自立運転へ移行する。
【００３０】
次に、都市ガスの供給が無く、かつ系統１５が停電であるが、火災検知が無い場合（ケースＮｏ．７）、制御部２２における切替え条件が成立する。ケースＮｏ．４と同様の手順にてＬＰＧガス２０を用いた自立運転へ移行する。
【００３１】
次に、都市ガスの供給が無く、かつ系統１５が停電であり、さらに火災検知が有る場合（ケースＮｏ．８）、制御部２２における切替え条件が成立する。ケースＮｏ．４と同様の手順にてＬＰＧガス２０を用いた自立運転へ移行する。
【００３２】
以上説明したように、本実施の形態によれば、「系統停電」と「火災検知」との論理積を判定し、論理積が成立した時に切替え条件成立として系統連系運転から自立運転へ切替える。また「燃料遮断」の場合には暫定的に自立運転に入るが、所定時間経過しても「火災検知」および「系統停電」のいずれもが無ければ、自立運転を停止する。したがって、災害時には確実に系統連系運転から自立運転への切替えが可能であると共に、非災害時には「都市ガス遮断」「系統停電」「火災検知」のイベントがあっても自立運転への切替えを適宜抑止し、非常用燃料の消費及び補給作業の発生を抑制し、ランニングコストを下げることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、防災対応型の非常用電源として適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施の形態にかかる燃料電池発電装置の構成図
【図２】上記実施の形態にかかる制御部の切替え条件判定ロジックを示す概念図
【図３】上記実施の形態にかかる制御部の動作を説明するための図
【符号の説明】
【００３５】
１…都市ガス遮断弁、２…都市ガス流量計、３…都市ガス圧力計、４…脱硫器、５…改質器、６…ＣＯ変成器、７…燃料電池本体、８…改質器バーナ、９…燃焼空気ブロア、１０…反応空気ブロア、１１…気水分離器、１２…電池冷却水ポンプ、１３…インバータ、１４、１６…遮断器、１５…系統、１７…自立負荷、１８…ＬＰＧ遮断弁、１９…ＬＰＧ流量計、２２…制御部、１００…燃料電池発電装置
【図１】
0005353055.tif 000002
【図２】
0005353055.tif 000003
【図３】
0005353055.tif 000004