JP7354519B2 - 燃料発電システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料発電システムに関する。

下記特許文献１には、ガス漏れ検知機能の誤作動を防止しつつガス発電装置の運転により得られる効果を向上できる制御部を備えた電力システムが開示されている。具体的には、制御部はガス発電装置の連続運転の許容期間をガス漏れ検知機能によりガス漏れと判定される期間よりも短く設定すると共に許容期間の経過時よりも所定時間前の基準時から当該経過時までの期間においてガス発電装置の運転による効果を予測する。ここでの効果とは、例えば、光熱費の削減効果、エコロジー効果及びユーザ快適度の向上効果等である。これにより、制御部は予測した効果に基づいて対象期間の中からガス発電装置の連続運転を停止すべき運転停止時を選定する。

特開２０１４－１７１６１号公報

特許文献１に記載された電力システムによれば、例えば、ガス発電装置において発電を行う燃料電池のように、その種類によっては動作温度が高温となるため起動と停止に長時間を要する場合がある。このような燃料電池を備えたガス発電装置がガス漏れ検知機能の誤動作を防止するために停止された場合は、ガス発電装置を再起動するために長時間を要する。以上より、燃料発電装置をより効果的に運転するためには、燃料漏れ検知機能の誤動作を防止するための停止から再稼働までの時間を短縮できることが望ましい。

本発明は、上記事実を考慮し、燃料漏れ検知機能の誤動作を防止するための停止から再稼働までの時間を短縮することができる燃料発電装置を備えた燃料発電システムを得ることを目的とする。

第１の態様に係る燃料発電システムは、建物へ供給される燃料の供給経路の上流側に設けられ、前記供給経路を流れる当該燃料の流量を計測可能な流量計を備えると共に前記流量計により計測される当該燃料の流量が所定の期間に亘って連続して所定の流量を超えた場合に前記供給経路から前記建物への当該燃料の供給を遮断可能な燃料遮断装置と、前記燃料遮断装置よりも下流側の部位で前記供給経路と接続され、内周部に沿って断熱材が設けられた筐体の内部に配置されると共に当該燃料が供給されることにより発電可能な発電部を備えた燃料発電装置と、前記建物の屋内に配置され、前記建物の屋外から引き込まれた電源を当該屋内に分岐配線する分電盤と、前記筐体の内部において前記断熱材と前記発電部の間に配置されると共に前記分電盤と電気的に接続され、前記分電盤から供給される電力により前記発電部を保温可能な保温部と、前記分電盤と前記保温部との電気配線上に設けられ、前記供給経路から前記発電部への当該燃料の供給が遮断された際に前記分電盤から前記保温部へ通電することにより前記保温部を作動させる保温制御部と、を含んで構成されている。

第１の態様に係る燃料発電システムによれば、燃料遮断装置に備えられた流量計により計測される燃料の流量が所定の期間に亘って連続して所定の流量を超えた場合には、供給経路から建物への燃料の供給が遮断される。この際、保温制御部は、分電盤から保温部へ通電することにより保温部を作動させることができる。このため、保温部は燃料発電装置の発電部の動作温度を維持できる程度に保温することができると共に燃料発電装置の停止時に発電部の温度が大きく低下することを抑制することができる。これにより、燃料発電装置を再起動した際に短時間で燃料発電装置の動作温度まで発電部の温度を上昇させることができ、燃料漏れ検知機能の誤動作を防止するための燃料発電装置の停止から再稼働までの時間を短縮することができる。

第２の態様に係る燃料発電システムは、第１の態様において、前記保温部は、前記分電盤から供給される電力により発熱する電熱線を備えている。

第２の態様に係る燃料発電システムによれば、保温部は分電盤から供給される電力により発熱する電熱線を備えているため、電熱線の抵抗で消費された電力を効率よく熱に変換することができる。さらに、保温部は電熱線に電流を流すだけの構成であり、例えば、燃焼加熱のように排ガスも生じないため、保温部に排ガスを処理するための補助的な装置等を設ける必要がなく簡便に構成することができる。また、電熱線は容易に曲げ加工をすることができるため、発電部の形状に合わせて保温部を形成させることができる。これにより、保温部を簡便に構成することができると共に発電部を効率よく保温することができる。

第３の態様に係る燃料発電システムは、第１又は第２の態様の何れか１の態様において、前記燃料発電装置は、一方の端部が前記燃料発電装置の外側に設けられると共に他方の端部が前記発電部と接続され、略管状に形成された空気用配管と、前記空気用配管の当該一方の端部の側に設けられ、前記発電部が前記供給経路から供給される当該燃料によって発電する際には前記空気用配管の当該他方の端部の側へ向けて空気を送風し、前記供給経路から前記発電部への当該燃料の供給が遮断された際には作動を停止する送風装置と、を備えている。

第３の態様に係る燃料発電システムによれば、燃料発電装置は、空気用配管の一方の端部側に設けられ、発電部が供給経路から供給される燃料によって発電する際には空気用配管の当該他方の端部の側へ向けて空気を送風する送風装置を備えている。このため、発電部が発電をする際には、発電部に空気を供給することができる。また、送風装置は、供給経路から発電部への燃料の供給が遮断された際には作動を停止することができる。このため、供給経路から発電部への燃料の供給が遮断された際に発電部への空気の流入を防止又は抑制することができる。これにより、例えば、燃料が供給されずかつ保温されるだけの状態の発電部を構成する機器が空気に触れることによって酸化することを防止又は抑制することができる。

以上説明したように、第１の態様に係る燃料発電システムは、燃料漏れ検知機能の誤動作を防止するための燃料発電装置の停止から再稼働までの時間を短縮することができるという優れた効果を有する。

第２の態様に係る燃料発電システムは、保温部を簡便に構成することができると共に発電部を効率よく保温することができるという優れた効果を有する。

第３の態様に係る燃料発電システムは、供給経路から発電部への燃料の供給が遮断された際に発電部への空気の流入を防止又は抑制することができるという優れた効果を有する。

本実施形態に係る燃料発電システムのブロック図である。 本実施形態に係る燃料発電装置のブロック図である。 本実施形態に係る保温部が配置された状態を示す筐体の縦断面図である。 本実施形態に係る燃料発電装置の停止後から再稼働までの発電部の温度と時間の関係を示す図面である。

以下、図１～図４を用いて、本発明に係る燃料発電システムの一実施形態について説明する。

図１には、燃料発電システム１０を備えた電力システム１２の一例が示されている電力システム１２は、建物としての住宅１４に電力（電源）を供給するためのシステムであり、系統電源１６を含んで構成されている。系統電源１６は、電力会社によって管理され、交流電力を住宅１４に伝送する。

系統電源１６と住宅１４の間は、交流電力を伝送する系統電源ライン（電線）１８により接続されている。住宅１４の屋外ＯＤから屋内ＩＤへ引き込まれた系統電源ライン１８は、住宅１４の屋内ＩＤに設けられたスマートメーター２０と接続されている。また、系統電源ライン１８は、スマートメーター２０の下流側（屋内側）において住宅１４の屋内ＩＤに設けられると共に電源を屋内に分岐配線するための分電盤２２と接続されている。

スマートメーター２０は、住宅１４の屋内ＩＤに無線ネットワーク（図１中の点線）によって構築された屋内ネットワーク２４に接続されている。なお、以下の説明では、屋内ネットワーク２４は、無線ネットワークによって構築されているとして説明するが、これに限らずイーサネット（登録商標）等を用いた有線ネットワークにより構築されてもよい。また、屋内ネットワークの一部が電力線通信（ＰＬＣ）により系統電源ラインと共通化されてもよい。

スマートメーター２０は、屋外ＯＤに設けられた屋外ネットワーク２６とも接続されている。スマートメーター２０は、住宅１４の電力消費量を測定すると共に屋外ネットワーク２６を経由して測定した電力消費量の情報を送信することができるように構成されている。また、スマートメーター２０は、屋外ネットワーク２６を経由して伝送される電力制御情報（デマンドレスポンス）を受信する通信装置としての機能も備えている。このため、スマートメーター２０は、屋外ネットワーク２６を経由して電力の供給側（電力会社等）や需要家の節電量を取りまとめる中間業者（アリゲータ）からの電力制御情報を受信することができる。

分電盤２２から分岐配線された電源２８は、屋内ＩＤに設けられた図示しない複数のコンセントを介して住宅１４に配置されると共に入力された電力を消費して動作する複数の電気機器３０と各々接続されている。電気機器３０とは、例えば、屋内ＩＤで使用される図示しない家電機器（例えば、冷蔵庫、エアコン、照明等）である。なお、以下の説明では、複数の電気機器３０が電源２８と接続されているとして説明するが、これに限らず１台の電気機器だけが接続されていてもよく、１台の機器も接続されていなくてもよい。

住宅１４の屋外ＯＤには、住宅１４に隣接して配置されると共に系統電源ライン１８と接続された燃料発電装置４０が設けられている。ここでは、燃料発電装置４０には燃料電池（燃料電池スタック７２）が利用されている。燃料発電装置４０は、発電を行うと共に発電した電気を住宅１４の屋内ＩＤに供給する発電部としての燃料電池ユニット４４と、発電の際に発生する排熱を湯として貯える貯湯タンク８６（図２参照）から住宅１４の屋内ＩＤに供給する熱源機４６と、を含んで構成されている。

図２には、燃料発電装置４０のブロック図が示されている。燃料電池ユニット４４は、ホットモジュール４８と、パワーコンディショナ５０と、排熱回収装置５２と、貯湯ユニット５４と、モジュール制御部４８Ｂと、を含んで構成されている。

燃料発電装置４０には、燃料としての都市ガス又はＬＰガス（以下では、ガスと総称する。）が供給経路としてのガス管６０を介して供給されている。ガス管６０には、燃料発電装置４０及び住宅１４（図１参照）の上流側において燃料遮断装置としてのマイコンメータ６２が設けられている。マイコンメータ６２は、燃料（ガス）漏れ検知のための機能を備えたマイクロコンピューターを内蔵すると共にガスメータとしての機能を有している。マイコンメータ６２の住宅１４側（下流側）の端部には、ガス管６０を経由して燃料発電装置４０及び住宅１４へ供給されるガスの流量である第１流量Ｆ１を計測するための供給側流量計６６が設けられている。マイコンメータ６２の内部には、通信機能を有すると共に第１流量Ｆ１のデータを他の機器へ送信可能な第１出力部６２Ａが備えられている。

マイコンメータ６２は、ガス漏れが発生したと判断した場合には、警報を出したり、ガスの供給を遮断したりするガス漏れ検知機能を備えている。具体的には、例えば、予め定めた所定の流量以上のガスが所定の時間連続して流れ続けた場合及び所定の震度以上の地震を感知した場合等に、マイコンメータ６２はガス漏れが発生したと判断する。また、マイコンメータ６２の内部には、計数部６２Ｂが設けられている。計数部６２Ｂは、第１流量Ｆ１が所定の流量を連続して超えている時間を計数する。マイコンメータ６２は、計数部６２Ｂにより計数した時間が所定の判断期間を超えた場合にガス漏れが発生したと判断し、警報を出すと共にガスの供給を遮断できるように構成されている。ここで、所定の流量とは、例えば、供給側流量計６６の計測誤差程度の微少量が設定されている。

ホットモジュール４８は、燃料処理装置７０と燃料電池スタック７２を含んで構成されている。燃料処理装置７０と燃料電池スタック７２は、内周部が断熱材４９で覆われた筐体としての筐体部４８Ａの内部に配置されている。筐体部４８Ａには、燃料電池ユニット４４の外側（外部）と燃料電池スタック７２を連結する略管状に形成された空気用配管７４が設けられている。空気用配管７４の一方の端部としての燃料電池ユニット４４の外側端部の側には、送風装置としてのファン７４Ａが設けられている。ファン７４Ａは、ホットモジュール４８が発電する際に作動されることにより空気用配管７４の他方の端部の側としてのホットモジュール４８の側へ向けて空気を送風すると共にガス管６０から燃料発電装置４０へのガスの供給が遮断される際には作動を停止する。

筐体部４８Ａには、ガス管６０から分岐されると共に燃料処理装置７０内部にガスを送り込むための略管状に形成されたガス供給用配管７６が接続されている。ガス供給用配管７６には、燃料電池ユニット４４に供給されるガスの流量である第２流量Ｆ２を計測可能な発電側流量計７８が設けられている。また、発電側流量計７８には、通信機能を有すると共に計測した第２流量Ｆ２のデータを送信可能な第２出力部７８Ａが設けられている。

燃料処理装置７０は、燃料電池ユニット４４の外部から供給されたガスと水蒸気を反応させることにより水素を抽出する。抽出された水素は、燃料処理装置７０と燃料電池スタック７２を連結すると共に略管状に形成された処理部配管８２を介して燃料電池スタック７２へ送られる。燃料電池スタック７２は、燃料処理装置７０から送られてきた水素と空気用配管７４から流入された空気（酸素）の化学反応により発電を行う。

図３に示されるように、筐体部４８Ａの内部には、断熱材４９とホットモジュール４８の間に保温部５６が配置されている。保温部５６は、分電盤２２と電気的に接続されると共に略コイル状に形成され、分電盤２２から供給される電力により発熱する電熱線５６Ａにより構成されている。これにより、保温部５６は、分電盤２２から供給される電力によって発熱する電熱線５６Ａによりホットモジュール４８を保温することができる。

図２に示されるように、燃料電池スタック７２には、パワーコンディショナ５０が電気的に接続されている。パワーコンディショナ５０は、ホットモジュール４８において発電された直流電気を交流電力へ変換する。また、パワーコンディショナ５０は、系統電源１６と連系（系統連系）されており、系統電源ライン１８を介して交流電力を出力する。

ホットモジュール４８には、モジュール制御部４８Ｂが設けられている。ホットモジュール４８による発電量は、供給されるガス及び空気の量に応じて変化する。また、ホットモジュール４８による発電は、系統電源１６への逆潮流が生じない範囲で行われる。このため、モジュール制御部４８Ｂは、住宅１４の屋内ＩＤに設けられた複数の電気機器３０の電力消費量に合わせて燃料電池ユニット４４に供給されるガス及び空気の量を制御することにより発電量を制御する。また、モジュール制御部４８Ｂには、分電盤２２と保温部５６との電気配線上に設けられると共にガス管６０から燃料発電装置４０へのガスの供給が遮断される際に分電盤２２と保温部５６を電気的に接続する保温制御部８０が設けられている。このため、ガス管６０から燃料発電装置４０へのガスの供給が遮断される際には、保温部５６は、分電盤２２から供給される電力によりホットモジュール４８を保温することができる。

燃料電池スタック７２には、排熱回収装置５２が接続されている。燃料電池スタック７２による発電の際に発生する熱を帯びた排気ガスは、排熱回収装置５２へ送られる。排熱回収装置５２の内部には、貯湯ユニット５４に設けられた略管形状の循環用配管８４の一部が配置されている。循環用配管８４は、その両端部が貯湯ユニット５４に設けられると共に水道水を貯水（貯湯）する貯湯タンク８６の両端部と各々接続されている。また、貯湯タンク８６には、水道から水を供給する略管形状の水供給用配管８８が接続されている。このため、水供給用配管８８から供給されて貯湯タンク８６へ流入した水道水は、循環用配管８４へ一方の端部８４Ａから流入し、他方の端部８４Ｂ（排熱回収装置５２側の端部）から流出して再度を貯湯タンク８６へ流入する。これにより、循環用配管８４を通過する水道水が排熱回収装置５２の内部を通過する際に、排気ガスの排熱は循環用配管８４を介して水道水に熱回収される。また、伝熱された水道水は温度上昇するため貯湯タンク８６にはお湯として貯えられる。

貯湯タンク８６は、加熱器９０を備えた熱源機４６と給湯用配管９２を介して接続されている。熱源機４６には、貯湯タンク８６のお湯を必要に応じて別個に流入させた水道水と混合させると共に加熱器９０で温度制御した上で住宅１４の屋内ＩＤに設けられた室内給湯器９４（図１参照）へ供給することができる。

図１に示されるように、屋内ネットワーク２４には、発電管理システム９６が接続される。発電管理システム９６は、住宅１４における電力消費量を管理すると共に、スマートメーター２０、マイコンメータ６２及び燃料発電装置４０との通信可能に構成されると共にこれらの機器を制御可能に構成されている。

発電管理システム９６は、屋外ネットワーク２６を介して住宅１４の屋外ＯＤと通信可能に構成されている。このため、例えば、ガス漏れの有無や発電の状況等の情報を屋外にいる住宅１４の居住者（図示省略）に、例えば、携帯電話等にメールを送信する等の手段を用いて連絡することができる。これにより、屋外ＯＤにいる居住者に迅速にガス漏れの有無や発電の状況等の情報を連絡することができる。

次に、本実施形態の作用並びに効果について説明する。

図４には、ホットモジュール４８へのガスの供給を遮断した場合の温度の時系列の一例が示されている。図４の横軸は時間を表し、縦軸はホットモジュール４８の温度を表す。また、縦軸の原点（図４の縦軸の下端）は、燃料発電装置４０が設置されている場所における気温（常温）を表す。マイコンメータ６２に備えられた供給側流量計６６により計測されるガスの第１流量Ｆ１が所定の期間に亘って連続して所定の流量を超えた場合には、ガス管６０から住宅１４へのガスの供給が遮断される。このため、ホットモジュール４８は一旦停止される。ここで、ホットモジュール４８を保温する装置等を設けない場合は、図４に実線で示されるように、所定の時間Ｔ１をかけて常温まで冷却する（温度低下させる）。また、再起動する際には、所定の時間Ｔ２をかけて動作温度まで加熱する（温度上昇させる）。これらの所定の時間Ｔ１、Ｔ２は、ホットモジュール４８の動作温度が高い場合は長時間（例えば、数時間単位）を要する。

本実施形態に係る燃料発電システム１０によれば、分電盤２２と保温部５６との電気配線上に設けられた保温制御部８０は、ホットモジュール４８からガス供給が遮断されると分電盤２２から供給される電力により保温部５６を作動することができる。このため、図４に点線で示されるように、保温部５６は、ガス管６０からのガス供給の停止によって停止されたホットモジュール４８の動作温度を維持できるように保温すると共にホットモジュール４８の温度が大きく低下することを抑制することができる。これにより、燃料発電装置４０を再起動した際に比較的短時間Ｔ３でホットモジュール４８の動作温度まで温度を上昇させることができ、マイコンメータ６２の誤動作を防止するためのホットモジュール４８の停止から再稼働までの時間を短縮することができる。

また、本実施形態に係る燃料発電システム１０によれば、保温部５６は分電盤２２から供給される電力により発熱する電熱線５６Ａを備えているため、電熱線５６Ａの抵抗で消費された電力を効率よく熱に変換することができる。さらに、保温部５６は電熱線５６Ａに電流を流すだけの構成であり、例えば、燃焼加熱のように排ガスも生じないため、保温部５６に排ガスを処理するための補助的な装置等を設ける必要がなく簡便に構成することができる。また、電熱線５６Ａは容易に曲げ加工をすることができるため、ホットモジュール４８の形状に合わせて保温部５６を形成させることができる。これにより、保温部５６を簡便に構成することができると共にホットモジュール４８を効率よく保温することができる。

以上説明したように、本実施形態に係る燃料発電システム１０により、マイコンメータ６２の誤動作を防止するための燃料発電装置４０の停止から再稼働までの時間を短縮することができる。

さらに、本実施形態に係る燃料発電システム１０によれば、ホットモジュール４８は、空気用配管７４の一方の端部側に設けられ、ホットモジュール４８が発電する際に作動されることにより空気用配管７４の他方の端部側へ向けて空気を送風するファン７４Ａを備えている。このため、ホットモジュール４８において発電をする際に空気を必要とする場合には、ホットモジュール４８へ空気を供給することができる。また、ファン７４Ａは、ガス管６０から燃料発電装置４０へのガスの供給が遮断された際には作動を停止することができる。このため、ガス管６０から燃料発電装置４０へのガスの供給が遮断された際に外部からの空気の流入を抑制することができる。これにより、ガスが供給されずかつ保温されるだけの状態のホットモジュール４８を構成する機器が空気に触れることによって酸化することを防止又は抑制することができる。

なお、ここでは、燃料発電装置４０には、燃料電池（燃料電池スタック）を利用した発電装置が用いられているとして説明したが、これに限らず、燃料発電装置には、例えば、小型ガスエンジンを利用した発電装置が用いられてもよい。

さらに、ここでは、保温部５６は、ガス管６０から燃料発電装置４０へのガスの供給が遮断される際にホットモジュール４８を保温するとして説明したが、これに限らず、保温部は、ホットモジュールの起動時においてもホットモジュールを保温するように制御されてもよい。

また、ここでは、保温部５６は、略コイル状に形成され、分電盤２２から供給される電力により発熱する電熱線５６Ａにより構成されているとして説明したが、これに限らず、コイル状に形成された電線の内側に金属棒を備え、電磁誘導の原理を利用することによりホットモジュールが保温されてもよい。

さらに、ここでは、ガス供給用配管７６には、発電側流量計７８が設けられているとして説明したが、これに限らず、ガス供給用配管は、発電側流量計を設けずに構成されてもよい。

また、ここでは、保温制御部８０は、モジュール制御部４８Ｂに設けられているとして説明したが、これに限らず、保温制御部とモジュール制御部は別個に設けられてもよい。

さらに、ここでは、空気用配管７４に設けられたファン７４Ａを停止することにより空気の流入を防止又は抑制するとして説明したが、これに限らず、例えば、空気用配管のホットモジュール側の端部にヒンジ等を介して回動可能に取り付けられると共に所定値以上の圧力（風圧）で開く弁等が設けられてもよい。

１０ 燃料発電システム
１４ 住宅（建物）
２２ 分電盤
４０ 燃料発電装置
４８ ホットモジュール（発電部）
４８Ａ 筐体部（筐体）
４９ 断熱材
５６ 保温部
５６Ａ 電熱線
６０ ガス管（供給経路）
６２ マイコンメータ（燃料遮断装置）
６６ 供給側流量計（流量計）
７４ 空気用配管
７４Ａ ファン（送風装置）
８０ 保温制御部

Claims (2)

1. 建物へ供給される燃料の供給経路の上流側に設けられ、前記供給経路を流れる当該燃料の流量を計測可能な流量計を備えると共に前記流量計により計測される当該燃料の流量が所定の期間に亘って連続して所定の流量を超えた場合に前記供給経路から前記建物への当該燃料の供給を遮断可能な燃料遮断装置と、
   前記燃料遮断装置よりも下流側の部位で前記供給経路と接続され、内周部に沿って断熱材が設けられた筐体の内部に配置されると共に当該燃料が供給されることにより発電可能な発電部を備えた燃料発電装置と、
   前記建物の屋内に配置され、前記建物の屋外から引き込まれた電源を当該屋内に分岐配線する分電盤と、
   前記筐体の内部において前記断熱材と前記発電部の間に配置されると共に前記分電盤と電気的に接続され、前記分電盤から供給される電力により前記発電部を保温可能な保温部と、
   前記分電盤と前記保温部との電気配線上に設けられ、前記供給経路から前記発電部への当該燃料の供給が遮断された際に前記分電盤から前記保温部へ通電することにより前記保温部を作動させる保温制御部と、
   を含んで構成され、
   前記燃料発電装置は、
   一方の端部が前記燃料発電装置の外側に設けられると共に他方の端部が前記発電部と接続され、略管状に形成された空気用配管と、
   前記空気用配管の当該一方の端部の側に設けられ、前記発電部が前記供給経路から供給される当該燃料によって発電する際には前記空気用配管の当該他方の端部の側へ向けて空気を送風し、前記供給経路から前記発電部への当該燃料の供給が遮断された際には作動を停止する送風装置と、を備えている、
   燃料発電システム。
2. 前記保温部は、前記分電盤から供給される電力により発熱する電熱線を備える請求項１に記載の燃料発電システム。