JP7431012B2 - コージェネレーションシステム - Google Patents

Description

本開示は、燃料電池装置と前記燃料電池装置の発熱により生じる排熱を利用する排熱利用装置とを有するコージェネレーションシステムに関する。

燃料ガスと空気とを用いて発電を行なう燃料電池を備える燃料電池装置と、燃料電池装置より排出される排熱を回収し、その排熱を出湯に利用する貯湯装置と、を備えるコージェネレーションシステムが知られている（例えば、特許文献１参照。）。このようなコージェネレーションシステムにおいては、燃料電池装置と貯湯装置との間で相互に通信を行うための通信手段を備えている。

特開２０１０－１４３７３号公報

燃料電池装置と貯湯装置は相互に通信を行いながら運転しているため、一方のメンテナンス等により、意図して発生する通信遮断の場合に、メンテナンス等を実施しない他方は正常な運転が可能な状態であるにも関わらず、燃料電池装置と貯湯装置の両方の運転停止がおこなわれる虞がある。

本開示の一態様であるコージェネレーションシステムは、
複数のモードで運転されて、需要家に電力を供給する燃料電池を備える燃料電池装置と、
前記燃料電池の発電により生じる排熱を利用する排熱利用装置と、を有するコージェネレーションシステムであって、
前記燃料電池装置と前記排熱利用装置との間で通信を行う通信手段と、
前記通信手段による通信の成立、不成立を判定する通信判定部と、
前記燃料電池装置の動作を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記通信判定部が、通信が不成立と判定した場合に前記燃料電池装置の動作モードを判定する動作判定制御を実行し、
前記燃料電池装置が第１モードである場合には、前記燃料電池の運転を停止させ、前記燃料電池装置または前記排熱利用装置のメンテナンスを実行する際に選択される第２モードである場合には、前記燃料電池装置または前記排熱利用装置の単独運転の可否を判定する単独運転判定制御を実行する。

本開示のコージェネレーションシステムによれば、燃料電池装置、または排熱利用装置の不必要な運転停止を抑制できる。

本開示の一実施形態に係るコージェネレーションシステムの構成図である。 コージェネレーションシステムの動作を説明するためのフローチャートである。 コージェネレーションシステムの動作を説明するためのフローチャートである。

以下、図面を用いて本開示の実施形態に係るコージェネレーションシステムについて説明する。図１は、実施形態に係るコージェネレーションシステムの概略的構成を示す図である。

実施形態のコージェネレーションシステム２００は、燃料電池装置１００と排熱利用装置５０を含む構成である。

実施形態の燃料電池装置１００は、燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電を行なう燃料電池１１を備える。燃料電池１１は、複数の燃料電池セルを含むセルスタック構造を有していてもよい。また、下記の説明においては、燃料電池セルとして固体酸化物形の燃料電池セルを有する燃料電池１１を用いて説明するが、例えば固体高分子形や、リン酸形等各種タイプを用いることができる。

燃料電池装置１００は、収納容器１０内に収容された燃料電池１１および燃料電池１１に供給する燃料ガスを生成する改質器１２を含むモジュール１を備える。改質器１２は、天然ガス、ＬＰガス等の原燃料ガスを改質し、燃料ガスを生成する。また、燃料電池装置１００は、改質器１２に原燃料ガスを供給する原燃料供給装置Ｇと、燃料電池１１に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給装置Ｆを含む、燃料電池１１の発電運転を補助するための補機を備える。なお、例えば、燃料電池セルとして固体高分子形を用いる場合には、改質器を別体として設けてもよい。

燃料電池装置１００は、また、モジュール１の排熱と熱媒との熱交換を行う第１熱交換器２および熱媒を貯留する蓄熱タンク３とを備える。なお、改質器を別体として設ける場合には、改質器からの排熱と熱媒との熱交換を行う熱交換器および熱媒を貯留する蓄熱タンクを設けてもよい。モジュール１から排出される排ガス（排熱）は、第１熱交換器２において、第１熱交換器２内を流れる熱媒と熱交換する。この際、排ガスに含まれる水分が結露して、凝縮水が生じ、生じた凝縮水は改質器１２に供給され、改質水として改質器１２における水蒸気改質反応に用いられる。水分が取り除かれた排ガスは、排ガス流路Ｅを介して、外部に排気される。

燃料電池装置１００は、第一循環経路ＨＣ１を備えている。第一循環経路ＨＣ１は、蓄熱タンク３と第１熱交換器２との間で熱媒が循環する経路である。第一循環経路ＨＣ１は、蓄熱タンク３と第１熱交換器２とを繋ぎ、熱媒が流過する配管を有している。第一循環経路ＨＣ１には、熱媒を循環させる循環ポンプや、熱媒を冷却する放熱器が設けられていてもよい。

また、燃料電池装置１００は、外部に供給する上水を加熱するための第二循環経路ＨＣ２を備えている。第二循環経路ＨＣ２は、第２熱交換器４と蓄熱タンク３との間で熱媒が循環する経路であり、第２熱交換器４で加熱された上水は排熱利用装置５０に供給される。排熱利用装置５０は例えば給湯器である。なお、蓄熱タンク３の熱媒を直接排熱利用装置５０にて利用する構成であってもよい。

また、燃料電池装置１００は、燃料電池各部の温度を計測する温度センサ、サーミスタ等の温度計測器または温度計（図示省略）等を複数備えることもできる。

燃料電池装置１００は、燃料電池１１の発電運転を補助するための補機として、パワーコンディショナ２０、制御装置３０を備える。また、制御装置３０には、燃料電池装置１００と排熱利用装置５０との間で通信を行う通信手段５２、通信手段５２による通信の成立を判定する通信判定部５３をさらに備える。

制御装置３０は、少なくとも１つのプロセッサおよび記憶装置等を含み、以下に詳細に述べるように、種々の機能を実行するための制御および処理能力を提供する。

種々の実施形態によれば、少なくとも１つのプロセッサは、単一の集積回路として、または、複数の通信可能に接続された集積回路および／もしくはディスクリート回路として、実行されてもよい。少なくとも１つのプロセッサは、種々の既知の技術にしたがって実行されることが可能である。

１つの実施形態において、プロセッサは、たとえば、関連するメモリに記憶された指示を実行することによって１以上のデータ計算手続または処理を実行するように構成された、１以上の回路またはユニットを含む。他の実施形態において、プロセッサは、１以上のデータ計算手続きまたは処理を実行するように構成された、ファームウェア、たとえばディスクリートロジックコンポーネントであってもよい。

種々の実施形態によれば、プロセッサは、１以上のプロセッサ、コントローラ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路、デジタル信号処理部、プログラマブルロジックデバイス、フィールドプログラマブルゲートアレイ、または、これらのデバイスもしくは構成の任意の組み合わせ、または、他の既知のデバイスおよび構成の組み合わせ、を含み、以下に説明される機能を実行してもよい。

制御装置３０は、記憶装置および表示装置（ともに図示省略）と、燃料電池装置１００を構成する各種構成部品および各種センサと接続され、これらの各機能部をはじめとして、燃料電池装置１００の全体を制御および管理する。制御装置３０は、それに付属する記憶装置に記憶されているプログラムを取得して、このプログラムを実行することにより、燃料電池装置１００の各部に係る、種々の機能を実現する。

制御装置３０から、他の機能部または装置に制御信号または各種の情報などを送信する場合、制御装置３０と他の機能部とは、有線または無線により接続されていればよい。制御装置３０が行う、実施形態に特徴的な制御については、後記で説明する。なお、実施形態において、制御装置３０は特に、燃料電池に繋がる外部装置の指示、指令や、先に述べた各種センサの指示や計測値に基づいて、各種補機を制御する。図では、制御装置３０と、燃料電池を構成する各装置および各センサとを結ぶ接続線の図示を、省略している場合がある。

図示しない記憶装置は、プログラムおよびデータを記憶できる。記憶装置は、処理結果を一時的に記憶する作業領域としても利用してもよい。記憶装置は、記録媒体を含む。記録媒体は、半導体記憶媒体、および磁気記憶媒体等の任意の非一時的（ｎｏｎ－ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ）な記憶媒体を含んでよい。また、記憶装置は、複数の種類の記憶媒体を含んでいてもよい。記憶装置は、メモリカード、光ディスク、または光磁気ディスク等の可搬の記憶媒体と、記憶の読み取り装置との組合せを含んでいてもよい。記憶装置は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の一時的な記憶領域として利用される記憶デバイスを含んでいてもよい。

なお、燃料電池装置１００の制御装置３０および記憶装置は、燃料電池装置１００の外部に有する構成として実現することもできる。さらに、本開示に係る制御装置３０における特徴的な制御工程を含む制御方法として実現したり、上記工程をコンピュータに実行させるための制御プログラムとして実現したりすることも可能である。

本開示の燃料電池装置１００は、定格出力で発電を行なう定格運転と、需要家の要求電力に基づいて発電量を制御する負荷追従運転とを、選択して実行可能である。また、燃料電池装置１００は発電または停止に関わらず、主電源が入っている場合に排熱利用装置５０と通信をおこない、排熱利用装置５０も同様に、主電源が入っている場合に燃料電池装置１００と通信をおこなう。

燃料電池装置１００と排熱利用装置５０は、予め設定された電文を送受信することで相互に通信をおこなっている。燃料電池装置１００側の通信手段５２ａは、燃料電池１１の発電状態をはじめとする種々の電文を排熱利用装置５０に送信する。燃料電池装置１００から電文を受信した排熱利用装置５０側の通信手段５２ｂは、給湯要求をはじめとする種々の電文を燃料電池装置１００に送信する。排熱利用装置５０から電文を受信した燃料電池装置１００は再度電文の送信をおこなう。

通信判定部５３は、燃料電池装置１００と排熱利用装置５０の間で送受信されている電文に基づいて通信の成立および不成立を判定する。設定されていない電文の送受信があった場合や、電文の欠落があった場合、所定時間経過しても電文の送受信がおこなわれなかった場合などが通信の不成立として例示できる。なお、通信不成立の判定基準は前述に限定されるものではなく、別の判定基準を設けてもよい。

制御装置３０は、通信判定部５３が通信不成立と判定した場合に、燃料電池装置１００の動作モードを判定する動作判定制御を実行し、燃料電池装置１００が第１モードである場合には、燃料電池１１の運転を停止させる。また、第１モードとは異なる第２モードである場合には、燃料電池装置１００または排熱利用装置５０の単独運転の可否を判定する単独運転判定制御を実行する。

第２モードは、燃料電池装置１００または排熱利用装置５０のメンテナンスを実行する際に選択されるモードである。また、第１モードはメンテナンスに関わる第２モードが選択されていない、いわゆる通常の発電モードである。なお、第１モードでは前述の定格運転と負荷追従運転のいずれかが選択実行可能に構成されている。制御装置３０は、通信判定部５３が通信不成立と判定した場合に、燃料電池装置１００の動作モードを判定することで、通信遮断（通信異常）がメンテナンスにより意図して発生したものか否かを判定する。

燃料電池装置１００がメンテナンスによらない第１モードである場合、燃料電池装置１００もしくは排熱利用装置５０の異常に起因して発生した意図せぬ通信異常であるため、燃料電池１１の破損等を抑制するために運転を停止する。一方、燃料電池装置１００がメンテナンスによる第２モードである場合、通信異常は意図して発生したものである。そこで、燃料電池装置１００もしくは排熱利用装置５０の運転を継続するために単独運転判定制御を実行する。これにより燃料電池装置１００、または排熱利用装置５０の不必要な運転停止を抑制できる。

第２モードは、排熱利用装置５０のメンテナンスを実行する際に選択される第３モードを含んでおり、燃料電池装置１００が第３モードである場合には、制御装置３０は、単独運転判定制御を実行して、メンテナンスを実行していない燃料電池装置１００の単独運転を許可する。また、制御装置３０は、燃料電池装置１００の単独運転時の発電モードとして第１モードで選択されていた運転を実行する。これにより、燃料電池装置１００の不必要な運転停止を抑制できる。

また、第２モードは、燃料電池装置１００のメンテナンスを実行する際に選択される第４モードを含んでおり、燃料電池装置１００の動作モードが第４モードである場合には、制御装置３０は、単独運転判定制御を実行して、メンテナンスを実行していない排熱利用装置５０の単独運転を許可する。これにより、排熱利用装置５０の不必要な運転停止を抑制できる。

また、燃料電池装置１００と通信可能であり、燃料電池装置１００の外部から発電開始を指示することができるリモコン装置５４をさらに備えている場合に、通信判定部５３が通信異常を検知した際の燃料電池装置１００の動作モードが第４モードであった場合には、燃料電池装置１００のメンテナンスが実行されていることが想定される。これに伴い、リモコン装置５４は、発電開始の表示を行なわない、または発電開始の操作を受け付けないことを表示する、もしくは発電開始の操作を受け付けない。これにより、需要家の誤操作による燃料電池装置１００の損傷を抑制することができる。

また、燃料電池装置１００の内部に、燃料電池装置１００の動作モードを設定可能な図示しない操作部を設け、燃料電池装置１００の第２モードの設定は該操作部からのみ可能とすることによって、需要家が、メンテナンスに基づいて選択される第２モードに誤って設定することを抑制できる。

図２および図３は、コージェネレーションシステムの動作を説明するためのフローチャートである。ステップＳ１で、通信判定部５３は、燃料電池装置１００側の通信手段５２ａと排熱利用装置５０側の通信手段５２ｂとの間の通信が遮断されたと判断した場合には、ステップＳ２に進み、燃料電池装置１００の動作モードを判定する動作判定制御を実行する。ステップＳ３で、通信判定部５３が、燃料電池装置１００の動作モードが第１モードであると判定した場合には、ステップＳ４に進み、燃料電池１１の運転を停止させる。ステップＳ３で、通信判定部５３が、燃料電池装置１００の動作モードが第１モードとは異なる第２モードであると判定した場合には、ステップＳ５に進み、燃料電池装置１００または排熱利用装置５０の単独運転の可否を判定する単独運転判定制御を実行する。

ステップＳ６で、通信判定部５３が、燃料電池装置１００の動作モードが排熱利用装置５０のメンテナンスを実行する第３モードであると判定した場合には、ステップＳ７に進み、制御装置３０は、メンテナンスを実行していない燃料電池装置１００の単独運転を許可し、ステップ８に進み、燃料電池装置１００に、第１モードで選択された発電モードで運転を継続する。

一方、ステップＳ６で、通信判定部５３が、燃料電池装置１００の動作モードが燃料電池装置１００のメンテナンスを実行する際に選択される第４モードであると判定した場合には、ステップＳ９に進み、制御装置３０は、メンテナンスを実行していない排熱利用装置５０の単独運転を許可し、ステップ１０に進み、燃料電池１１の発電を停止する。リモコン装置５４を備えている場合には、リモコン装置５４に、発電開始の表示を行なわない、または、発電開始の操作を受け付けないことを表示する、もしくは発電開始の操作を受け付けない。

なお、燃料電池装置１００の内部には、燃料電池装置１００の動作モードを設定可能な操作部を備えており、第２モードは該操作部からのみ設定可能である。これによって、リモコン装置５４を備えている場合であっても、需要家がリモコン装置５４を誤って操作して、第２モードの設定をすることを抑制できる。

通信判定部５３が、燃料電池装置１００の動作モードが、メンテナンスモードである第２モードから、通常モードである第１モードに遷移されたと判定した場合に、制御装置３０は、第２モードを解除する。

燃料電池装置１００の動作モードが、燃料電池１１のメンテナンスを実行する際に選択される第２モード（第３モードおよび第４モードを含む）に設定される場合について説明したが、排熱利用装置５０が撤去されている場合についても、同様の処理がされる。

このように、燃料電池装置１００または排熱利用装置５０のメンテナンス中において、通信判定部５３が、燃料電池装置１００側の５２ａと排熱利用装置５０側の通信手段５２ｂとの間の通信異常が発生した場合であっても、通信判定部５３が、燃料電池装置１００の動作モードが第１モードとは異なる第２モードであると判定した場合には、燃料電池装置１００および排熱利用装置５０のうち、メンテナンスを行なっていない一方の運転を行なうことができる。

１１ 燃料電池
３０ 制御装置
５０ 排熱利用装置
５２，５２ａ，５２ｂ 通信手段
５３ 通信判定部
１００ 燃料電池装置
２００ コージェネレーションシステム

Claims (6)

1. 複数のモードで運転されて、需要家に電力を供給する燃料電池を備える燃料電池装置と、
   前記燃料電池の発電により生じる排熱を利用する排熱利用装置と、を有するコージェネレーションシステムであって、
   前記燃料電池装置と前記排熱利用装置との間で通信を行う通信手段と、
   前記通信手段による通信の成立、不成立を判定する通信判定部と、
   前記燃料電池装置の動作を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記通信判定部が、通信が不成立と判定した場合に前記燃料電池装置の動作モードを判定する動作判定制御を実行し、
   前記燃料電池装置が第１モードである場合には、前記燃料電池の運転を停止させ、前記燃料電池装置または前記排熱利用装置のメンテナンスを実行する際に選択される第２モードである場合には、前記燃料電池装置または前記排熱利用装置の単独運転の可否を判定する単独運転判定制御を実行するコージェネレーションシステム。
2. 前記第２モードは、前記燃料電池装置が前記排熱利用装置のメンテナンスを実行する際に選択される第３モードを含んでおり、
   前記制御装置は、前記燃料電池装置が第３モードの場合に、前記単独運転判定制御を実行して前記燃料電池装置の単独運転を許可する請求項１記載のコージェネレーションシステム。
3. 前記燃料電池装置の前記第１モードでは、定格出力で発電を行なう定格運転と、需要家の要求電力に基づいて発電量を制御する負荷追従運転とを選択実行可能であり、
   前記制御装置は、前記通信判定部が、通信は不成立と判定した際に前記燃料電池装置が第３モードであった場合、前記第１モードで選択された運転を実行する請求項２記載のコージェネレーションシステム。
4. 前記第２モードは、前記燃料電池装置が前記燃料電池装置のメンテナンスを実行する際に選択される第４モードを含んでおり、
   前記制御装置は、前記燃料電池装置が第４モードの場合に、
   前記排熱利用装置の単独運転を許可する請求項１記載のコージェネレーションシステム。
5. 前記燃料電池装置と通信可能であり、前記燃料電池装置の外部から発電開始を指示することができるリモコン装置をさらに備え、
   前記リモコン装置は、前記通信判定部が、通信が不成立と判定した際に前記燃料電池装置が第４モードであった場合、前記発電開始の表示を行なわない、または発電開始の操作を受け付けないことを表示するもしくは前記発電開始の操作を受け付けない請求項４記載のコージェネレーションシステム。
6. 前記燃料電池装置の内部に前記燃料電池装置の動作モードを設定可能な操作部をさらに備え、
   前記第２モードは前記操作部からのみ設定可能である請求項５記載のコージェネレーションシステム。