燃料電池システム
【課題】燃料電池システムの各状態において回転機,遮断弁,センサなどで消費される電力を最小限に抑える。
【解決手段】燃料電池システム３０は、燃料ガスｇ１を水素に変換する燃料処理装置５０および当該燃料処理装置５０から燃料ガスｇ１が供給されて発電する発電システム４３およびこの発電システム４３の稼動制御を行う制御ユニット４４を備えた燃料電池ユニット４１と、燃料処理装置５０からの排熱を利用して温水ｗ５を生成する貯湯タンク４２とから構成される。制御ユニット４４は、発電システム４３の稼動停止時に、回転機群Ｍ，遮断弁群Ｖおよびセンサ群Ｓの少なくとも一群への電力供給を停止するよう制御する。
【解決手段】燃料電池システム３０は、燃料ガスｇ１を水素に変換する燃料処理装置５０および当該燃料処理装置５０から燃料ガスｇ１が供給されて発電する発電システム４３およびこの発電システム４３の稼動制御を行う制御ユニット４４を備えた燃料電池ユニット４１と、燃料処理装置５０からの排熱を利用して温水ｗ５を生成する貯湯タンク４２とから構成される。制御ユニット４４は、発電システム４３の稼動停止時に、回転機群Ｍ，遮断弁群Ｖおよびセンサ群Ｓの少なくとも一群への電力供給を停止するよう制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムにおける補機への電源供給制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、化石燃料が有している化学エネルギーを直接電気に変換し、この発電を自動車や家庭用として応用するシステムが開発されている。
【０００３】
燃料電池システムの燃料電池は、燃料である水素と酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて直接電気を発生させるものであり、高い発電効率で電気エネルギーを取り出すことができる。
【０００４】
また、この種の燃料電池システムは、燃料電池本体にて発電に伴い生成される排熱を温水として回収することで、総合効率の向上を図ることができるとともに、静かで有害な排ガスを出さないという環境性に優れた特徴を有している。
【０００５】
近年まで、比較的大型のＰＡＦＣ（りん酸形燃料電池）が主に開発されてきたが、最近では小型のＰＥＦＣ（固体高分子型燃料電池）の開発が活性化し、家庭用燃料電池システムの普及も間近な状況となっている。
【０００６】
この燃料電池システムの燃料電池は、都市ガスやＬＰＧなどの燃料を水素に変換する燃料処理装置、発電部である燃料電池本体、燃料電池本体より発電された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ、制御装置、熱交換器、ポンプやブロワなどの回転機、センサ、電磁弁などから構成されている。
【０００７】
従来の典型的な燃料電池システムは、電気と同時に有効に利用できる熱を発生し、エネルギーを多段的に活用しつつ最大限の省エネルギー性を達成することが可能なシステムが提供されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
図４は、従来の燃料電池システムの構成を示す概要図である。図５は、従来の燃料電池システムの出力制御装置の構成を示すブロック図である。
【０００９】
図４に示す従来の燃料電池システム１は、燃料電池本体２、インバータ３、排熱熱交換器４、余剰電力ヒータ５、発電制御部（燃料処理装置）６、暖房熱交換器７、貯湯槽８、補助熱源９および給湯用制御部１０を備えている。
【００１０】
燃料電池本体２は、供給された天然ガスから水素を作り出し水素および空気から発電を行うと共に、発電時に発生する熱（以下、「排熱」という。）を出力する。インバータ３には、燃料電池本体２から出力される電気と商用電源から送電される電気とが入力される。
【００１１】
そして、インバータ３は、電力負荷で要求される電力に応じて、燃料電池本体２から出力される電力を施設内の電気機器等の電力負荷に供給するようになっている。
【００１２】
燃料電池本体２において発電時に発生する排熱は、燃料電池本体２の冷却水により取り出される。
【００１３】
インバータ３は、電力負荷で要求される電力に応じて、燃料電池本体２から出力される電力を施設内の電気機器等の電力負荷に供給するために設けられる。
【００１４】
排熱熱交換器４は、蓄熱装置である貯湯槽８から供給される循環水と熱交換される。この循環水は、循環ポンプ１１により貯湯槽８の下部から取り出され、排熱熱交換器４に送られる。排熱熱交換器４において排熱が供給された循環水は、余剰電力ヒータ５及び暖房熱交換器７を経て貯湯槽８の上部に戻される。
【００１５】
ここで、余剰電力ヒータ５は、余剰な電力を消費させ、燃料電池本体２から商用電源側への電力の逆潮流を防止する働きをする。また、余剰電力ヒータ５は、供給される電力を熱に変換し、電熱変換により発生する熱を、循環水に供給する。これにより、余剰電力は循環水により熱として回収されるようになっている。
【００１６】
発電制御部６は、電流センサ１２により電力負荷に供給される電流を検出するとともに、電流センサ１３により商用電源から供給される電流を検出する。これにより、発電制御部６は、電力負荷において消費された電力及び商用電源から供給された電力を検出することができる。
【００１７】
暖房熱交換器７は、循環水に供給された熱を、暖房機器等の暖房負荷（図示せず）に循環される熱媒体に熱交換する。暖房負荷の熱媒体は、熱媒循環ポンプ１４により暖房負荷から暖房熱交換器７に送られた後、補助熱源９を通って再び暖房負荷に戻される。
【００１８】
貯湯槽８は、台所、風呂等の給湯負荷へ温湯を供給する場合には、貯湯槽８の上層の温湯が、補助熱源９を介して送水される。そして、給湯による貯湯槽８内の水の減少分は、貯湯槽８の底部からの給水により補われる。この給水量は、流量センサ１１により検出される。また、給水時の水の温度は、温度センサ１２により検出される。
【００１９】
給湯用制御部１０は、複数の温度センサ１２や流量センサ１１により検出される湯温や給水量、補助熱源９により発生した熱量、熱媒循環ポンプ１３の熱媒循環流量等から、暖房負荷や給湯負荷において実際に消費された熱量や貯湯槽８における放熱損失を検出するように設けられる。
【００２０】
また、燃料電池システム１には省エネ度が最大となる演算機能を有する出力制御装置１５を備えている。この出力制御装置１５は、図５に示すように、負荷消費量予測手段１６、負荷記憶手段１７、有効消費エネルギー算出手段１８、省エネ性評価手段１９、発電出力最適化手段２０、運転計画記憶手段２１及びシステム制御手段２２を有している。
【００２１】
特に、システム制御手段２２によれば、燃料電池システム１の燃料電池本体２、インバータ３、余剰電力ヒータ５、補助熱源９、循環ポンプ２３、熱媒循環ポンプ１３等の運転制御を行う。このシステム制御手段２２は、燃料電池本体運転制御手段２４を有している。この燃料電池本体運転制御手段２４は、運転計画記憶手段２１に格納された１日の発電出力｛Ｗｐ（ｎ）；ｎ＝０，…，２３｝に従って燃料電池本体２の発電出力の制御を行う。
【００２２】
この制御により、消費電力量のみならず消費熱量も含めてコージェネレーション装置の省エネ量又は省エネ度が最大となるように最適化することができる。
【００２３】
従って、従来よりも省エネルギー性に優れた燃料電池システムとなり、発電量を最適化しようとする点において有効となるものである。
【特許文献１】特開２００５−１２９０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
しかしながら、従来の燃料電池システムによれば、燃料電池システムの運転停止時（不稼動時）や運転停止後の降温過程において、強制空冷用のポンプやブロワなどの回転機,遮断弁,センサに常時電源が供給されており、待機電力を消費していた。また、運転時にもセンサによるプロセスデータの連続監視や遮断弁の保持電力などにより電力を消費しており、発電効率の向上を阻害するという課題があった。
【００２５】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、燃料電池システムの不稼動時あるいは更に運転時において回転機,遮断弁,センサなどで消費される電力を最小限に抑えることにより、省エネルギー性に優れた高い発電効率を保持した燃料電池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】
【００２６】
上記目的を達成するために、本発明によれば、燃料ガスを水素に変換する燃料処理装置および当該燃料処理装置から前記燃料ガスが供給されて発電する発電システムおよびこの発電システムの稼動制御を行う制御ユニットを備えた燃料電池ユニットと、前記燃料処理装置からの排熱を利用して生成された温水を蓄える貯湯タンクとから構成される燃料電池システムであって、
前記発電システムは、前記燃料処理装置へ改質水を供給する貯水タンクと、
前記燃料処理装置からの排熱を、排熱空気を介して前記貯湯タンク側へ伝熱する熱交換器システムと、前記燃料処理装置，燃料電池本体，貯水タンクおよび熱交換器システムへの燃料ガス，空気，改質水のそれぞれを供給するブロワ用回転機群およびポンプと、前記燃料処理装置，燃料電池本体，貯水タンク，熱交換器システムへの燃料ガス，空気，改質水それぞれの供給を遮断する遮断弁群と、
前記燃料処理装置，燃料電池本体，貯水タンク，熱交換器システムへの燃料ガス，空気，改質水の供給量を検知するセンサ群と、を備え、前記制御ユニットは、前記発電システムの稼動停止時に、前記回転機群，遮断弁群およびセンサ群の少なくとも一群への電力供給を停止するよう制御することを特徴とする燃料電池システムを提供する。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、燃料電池システムの不稼動時あるいは更に運転時において回転機,遮断弁,センサなどで消費される電力を最小限に抑えることにより、省エネルギー性に優れた高い発電効率を保持した燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明に係る燃料電池システムの実施形態について説明する。
【００２９】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施形態を示す概要図である。図２は、図１に示す燃料電池システムの燃料電池ユニットの発電システムおよび出力制御装置を示す系統図である。
【００３０】
図１に示す燃料電池システム３０は、一般家屋３１において実施した例を示している。燃料電池システム３０は、１ＫＷ程度の電力供給を標準として利用可能になされたものであって、例えば室内の電灯３２あるいはエアコン３３の電源として利用したり、また、燃料電池システム３０の温水供給機能を利用して、一般家屋３１内の例えば風呂における温水用のシャワー３５、台所の蛇口３６あるいは床暖房システム３４に接続して利用することができるものである。
【００３１】
この燃料電池システム３０は、図２に示すように、燃料電池ユニット４１と、貯湯タンク４２とから構成される。
【００３２】
燃料電池ユニット４１は、発電システム４３と、制御ユニット４４とから構成される。
【００３３】
発電システム４３は、発電制御機能を有する燃料処理装置５０と、この燃料処理装置５０により発電制御される燃料電池本体５１と、燃料処理装置５０および燃料電池本体５１に対して水成分ｗ１を供給する貯水タンク５２と、貯湯タンク４２へ温水を供給する機能を有する熱交換器システム５３を備える。
【００３４】
また、発電システム４３には、燃料処理装置５０に対して燃料ガスｇを供給するバーナ燃焼ラインＬ１と、発電用空気ａ１を供給する空気供給ラインＬ２と、選択酸化用空気ａ２を供給する選択酸化用空気供給ラインＬ３と、貯水タンク５２から改質水ｗ２を供給する改質水供給ラインＬ４と、バーナ燃焼ラインＬ１内には、燃料処理装置５０にて生成された水素の一部に余剰が生じた場合、リサイクルさせるためにリサイクル遮断弁Ｖ３を有するリサイクルラインＬ５が設けられる。燃料電池本体５１に対しては、水素極５１ａに対して燃料ガスｇ１を供給する燃料ガス供給ラインＬ６が設けられる。また、燃料処理装置５０から燃料電池本体５１へ供給した燃料ガスｇ１の残余分を燃料処理装置５０へフィードバックさせる残余燃料戻しラインＬ７が設けられる。
【００３５】
また、バーナ燃焼ラインＬ１側へ流れる燃料ガスｇ１の残余の燃料ガスｇ１は、燃料遮断弁Ｖ４および燃料供給圧力センサＳ２を介して燃料処理装置５０内への燃料供給を行う燃料供給ラインＬ８が設けられる。
【００３６】
バーナ燃焼ラインＬ１は、燃料元遮断弁Ｖ１，燃料元圧センサＳ１，燃料流量計６０，燃料供給ブロワ用回転機Ｍ１およびバーナ燃料遮断弁Ｖ２を直列に接続し、燃料処理装置５０に接続される。
【００３７】
空気供給ラインＬ２は、燃料処理装置５０に対して発電用空気ａ１を供給するために、バーナ空気ブロワ用回転機Ｍ２に直列にバーナ空気流量計６１が直列に接続して構成され、バーナ燃焼ラインＬ１と燃料処理装置５０の接合部に共通に接合して設けられる。
【００３８】
選択酸化用空気供給ラインＬ３は、燃料処理装置５０に対して選択酸化用空気ａ２を供給するために、選択酸化用空気ブロワ用回転機Ｍ３に直列に選択酸化用空気遮断弁Ｖ５が直列に接続して構成され、この選択酸化用空気遮断弁Ｖ５側が燃料処理装置５０に接続される。
【００３９】
改質水供給ラインＬ４は、燃料処理装置５０に対して貯水タンク５２から改質水ｗ２を供給するために改質水ポンプＰ１を介して接続される。
【００４０】
残余燃料戻しラインＬ７は、燃料処理装置５０燃料電池本体５１へ供給された燃料ガスｇ１のうち、消費されなかった残燃料ｇ１を電池出口燃料遮断弁Ｖ７を介してリサイクルさせるために設けられる。
【００４１】
また、燃料処理装置５０からは、排熱空気である排ガスａ３を、後述する熱交換器システム５３の熱交換器５４の放熱側５４ａに熱伝導させるための第一の排ガスラインＬ９が設けられる。
【００４２】
また、燃料電池本体５１に対しては、水素極５１ａに対して燃料ガスｇ１を供給する燃料ガス供給ラインＬ６と、燃料電池本体５１の酸素極５１ｂに対して発電用空気ａ１を供給する空気供給ラインＬ１０と、燃料電池本体５１へ貯水タンク５２から水成分ｗ１を供給する冷却水供給ラインＬ１１とを備えている。
【００４３】
燃料ガス供給ラインＬ６は、燃料電池本体５１の水素極５１ａに対して改質された燃料ガス（以下、改質ガスという。）ｇ２を供給するラインで、燃料供給量を調節する電池出口燃料遮断弁Ｖ７が設けられる。
【００４４】
空気供給ラインＬ１０は、燃料電池本体５１の酸素極５１ｂに対して発電用空気ａ１を供給するラインで、この空気ａ１を供給するカソード空気ブロワ用回転機Ｍ４，カソード空気流量計６２および電池入口空気遮断弁Ｖ８が設けられる。
【００４５】
冷却水供給ラインＬ１１は、燃料電池本体５１に対して貯水タンク５２から水成分ｗ１を供給するためのラインで、このラインの電池冷却水圧を検知して水圧信号を出力する水圧センサＳ３を備えている。
【００４６】
更に、燃料電池本体５１から出た排ガスａ３を電池出口空気遮断弁Ｖ９を介して第一の排ガスラインＬ９に通じるように第二の排ガスラインＬ１２が設けられる。
【００４７】
更に、燃料電池本体５１には、冷却水供給ラインＬ１１で供給された電池冷却水ｗ３の余剰分を電池冷却水ポンプＰ２を介して貯水タンク５２へ戻す電池冷却水循環ラインＬ１３が設けられる。
【００４８】
また、燃料電池本体５１には、貯水タンク５２に対して熱交換器５４で熱交換した後の凝縮水ｗ４を回収する凝縮水供給ラインＬ１４とを備えている。
【００４９】
更には、貯水タンク５２には、水位センサＳ４が設けられ、水位が監視されるようになっている。
【００５０】
熱交換器システム５３は、放熱側５４ａと吸熱側５４ｂが設けられ、そしてこの吸熱側５４ｂには、任意に受水する給湯用水を貯湯タンク４２へ強制循環させる循環水ポンプＰ３が設けられる。
【００５１】
次に、制御ユニット４４について説明する。
【００５２】
制御ユニット４４は、図２に示すように、出力制御装置４５と、消費電力検出手段４６とから構成される。
【００５３】
出力制御装置４５は、燃料電池本体５１に対して供給される燃料ガスｇ１，改質ガスｇ２，水成分ｗ１，改質水ｗ２，電池冷却水ｗ３等の供給あるいは循環させる流体の供給量を発電力に応じて自動的に制御可能に設けられる。
【００５４】
消費電力検出手段４６は、出力制御装置４５にて制御された結果、得られた電力量に応じて常に最適なシステム運用ができるように出力制御装置４５側と協同作動するものである。
【００５５】
一方、貯湯タンク４２は、図２に示すように、燃料電池ユニット４１側に設けられる熱交換システム５３の貯湯用水の循環水ポンプＰ３を介して熱交換器５４の吸熱側５４ｂに循環させて吸熱した温水ｗ５が蓄えられる。そしてこの温水ｗ５が、例えば図示しない給湯器へ供給可能に設けられる。
【００５６】
出力制御装置４５は、具体的には図３に示すように、図示しない運転指令部より運転指令（発電出力指令）を受けて運転時様態の監視を始める運転状態監視部７０と、消費電力検出手段４６から消費電力検出信号を受けて補機電源最適化制御部７１と、この補機電源最適化制御部７１により演算された最適化データをデータ収集してセンサ群Ｓ（Ｓ１〜Ｓ４）の検出値の制御を行うデータ収集制御部７２と、補機電源最適化制御部７１の最適化制御信号を受けつつセンサ群Ｓの設定値の範囲でシステム制御するシステム制御部７３とより構成される。
【００５７】
補機電源電力としては、通常運転時で５０〜６０Ｗ程度であるが、待機時にあっては、ほぼ１０Ｗ程度が消費されている。
【００５８】
この出力制御装置４５は、運転指令部より運転指令を受けることにより、センサ群Ｓ、ポンプ群Ｐ、ブロワ用回転機群Ｍ、ファンＦおよび遮断弁群Ｖの省電力な最適的制御を行うことができるものである。
【００５９】
次に、燃料電池システム３０の作用を燃料電池システムの運転（発電）時および運転停止時に区分して説明する。
【００６０】
［燃料電池システムの運転時］
燃料電池システム３０の運転時において、都市ガスやＬＰＧなどの燃料ガスｇ１は、発電システム４３のバーナ燃焼ラインＬ１に導入され、燃料元遮断弁Ｖ１を介して燃料処理装置５０へ導入される。
【００６１】
先ず、バーナ燃焼ラインＬ１に供給された燃料ガスｇ１は、燃料元圧センサＳ１および燃料流量計６０にて状態監視がなされ、燃料供給ブロワ用回転機Ｍ１により流量調整がなされる。
【００６２】
そして、燃料供給ブロワ用回転機Ｍ１を通じた燃料ガスｇ１の一部は、バーナ燃料ガスとしてバーナ燃料遮断弁Ｖ２を介する一方、空気供給ラインＬ２のバーナ空気ブロワ用回転機Ｍ２にて調整された空気ａ１と混合して、燃料処理装置５０のバーナ燃焼に利用する。このバーナ空気量はバーナ空気流量計６１にて監視され、バーナ空気ブロワ用回転機Ｍ２にて適切な流量に調整される。なお、この流量調整時には、燃料元圧センサＳ１および燃料流量計６０への電源供給（電力消費）がなされると同時に制御ユニット４４の出力制御装置４５においてデータ収集を連続的または断続的に行なう。
【００６３】
また、このバーナ空気ブロワ用回転機Ｍ２にての流量の調整時に、バーナ空気流量計６１への電源供給およびデータ収集を連続的または断続的に行なつてもよい。
【００６４】
また、バーナ燃焼ラインＬ１から導入された燃料ガスｇ１の残りの燃料ガスｇ１はリサイクルラインＬ５のリサイクル遮断弁Ｖ３を介して燃料処理装置５０へ導入され、改質水供給ラインＬ４の改質水ポンプＰ１にて燃料処理装置５０へ導入された改質水ｗ２の作用により、主に水素と二酸化炭素に改質される。この時、燃料処理装置５０内部の圧力は燃料供給圧力センサＳ２にて監視される。ここで、燃料供給圧力センサＳ２への電源供給も行われ、また、出力制御装置４５によるデータ収集も行われる。
【００６５】
さらに、燃料処理装置５０の触媒の種類により燃料処理装置５０で生成した水素の一部を、燃料供給ブロワ用回転機Ｍ１の上流に戻すことが必要になる場合があるが、この場合は、リサイクルラインＬ５のリサイクル遮断弁Ｖ３を介してなされる。また、燃料処理装置５０へは、改質ガスｇ２中の一酸化炭素を二酸化炭素に変換する目的で、選択酸化用空気供給ラインＬ３の選択酸化用空気ブロワ用回転機Ｍ３にて選択酸化用空気遮断弁Ｖ５を介して空気が送られる。
【００６６】
改質ガスｇ２は、燃料ガス供給ラインＬ６の電池入口燃料遮断弁Ｖ６を介して、燃料電池本体５１へ供給される。この電池本体５１にて消費されなかった残燃料は、残余燃料戻しラインＬ７の電池出口燃料遮断弁Ｖ７を介して、再度、燃料処理装置５０へ供給され、バーナ燃焼に利用される。さらに、燃焼後の排ガスａ３は、第二の排ガスラインＬ１２から熱交換器５４を介して外部へ放出される。この熱交換器５４の２次側、すなわち、吸熱側５４ｂには、循環水ポンプＰ３により外部から水が供給され、排ガスａ３と熱交換がなされることにより温水ｗ５が生成され、例えば家庭用給湯として利用される。
【００６７】
また、燃料電池本体５１へは電池入口空気遮断弁Ｖ８を介して、カソード空気ブロワ用回転機Ｍ４にて空気が供給される。このカソード空気量はカソード空気流量計６２にて監視され、カソード空気ブロワ用回転機Ｍ４にて適切な流量に調整される。ここで、カソード空気流量計６２への電源供給がなされ、また、出力制御装置４５により連続的あるいは断続的にデータ収集がなされる。そして、燃料電池本体５１を出た空気は第二の排ガスラインＬ１２を介して、第一の排ガスラインＬ９と混合し、熱交換器５４を介して外部へ排出される。
【００６８】
また、燃料電池本体５１へは、貯水タンク５２から電池冷却水ポンプＰ２により水が供給され、燃料電池本体５１入口の電池冷却水の水圧センサＳ３により、圧力が監視される。この貯水タンク５２の水位は、水位センサＳ４により監視される。ここで、電池冷却水の水圧センサＳ３及び水位センサＳ４への電源供給がなされる一方、出力制御装置４５のセンサ群Ｓによるデータ収集を連続的あるいは断続的に行なわれる。
【００６９】
次に、以上に記したセンサ群Ｓへの連続的あるいは断続的な電源供給および出力制御装置４５によるデータ収集について、図３を参照して具体的に説明する。
【００７０】
図３に示す運転状態監視部７０にて発電システム４３の状態が確認され、補機電源最適化制御部７１にて間欠的な電源供給およびデータ収集の方法が選択される。その結果が、システム制御部７３へ伝えられ、圧力センサＳ１〜Ｓ３、水位センサＳ４、流量計６０〜６２の連続的あるいは断続的な電源供給および出力制御装置４５によるデータ収集がなされる。
【００７１】
以上の作用により、発電システム４３の発電時においてセンサ群Ｓや流量計６０〜６２で消費される電力を必要最小限に抑えることができる。
【００７２】
また、燃料電池システム３０の発電出力が一定である場合は、状態変化が少ないと考えられるので通常より長い間隔とし、発電出力を変動させる場合は、データ収集を密に行ない監視する必要があるため通常より短かい間隔とする。これにより、プロセスの状態監視による電源消費を必要最小限に低減することができる。
【００７３】
そして、センサ群Ｓや流量計６０〜６２への電源供給およびデータ収集は、図３に示す出力制御装置４５にてなされるので、運転状態監視部７０にて発電システム４３の状態が常に確認され、補機電源最適化制御部７１にて断続的な電源供給およびデータ収集の方法が選択できる。その結果が、システム制御部７３へ伝えられ、圧力センサＳ１〜Ｓ３、水位センサＳ４、流量計６０〜６２の断続的な電源供給およびデータ収集がなされる。
【００７４】
したがって、発電システム４３の稼動時にあっては、遮蔽弁群Ｖの開閉状態を、例えば永久磁石などで機械的に保持する機構を備えた遮断弁、例えば通常遮断弁は外部からの電源により開または閉位置が電気的に保持されるが、位置を保持するのに電力を要しない弁を用いることにより、遮断弁群Ｖによる消費電力を低減させることができる。
【００７５】
このような弁を採用することにより、一層の省エネルギー性が高められる。
【００７６】
［燃料電池システムの運転停止時］
燃料電池システム３０の運転停止時には、燃料処理装置５０の内部圧力を一定の範囲に保持するため、燃料供給ラインＬ８の燃料供給圧力センサＳ２にて圧力状態の監視がなされ、必要に応じてバーナ燃焼ラインＬ１の燃料元遮断弁Ｖ１および燃料供給ライン燃料遮断弁Ｖ４が開放される。また、燃料処理装置５０の温度が一定値以上となっている場合は、空気供給ラインＬ２のバーナ空気ブロワ用回転機Ｍ２の強制動作により、降温操作がなされる。ここで、バーナ空気流量はバーナ空気流量計６１にて監視され、バーナ空気ブロワ用回転機Ｍ２にて適切な流量に調整される。一方、貯湯タンク４２の循環水ポンプＰ３は、貯湯タンク４２独自の外部指令により、本指令に応じた動作がなされる。
【００７７】
その他の回転機群Ｍ，センサ群Ｓについては、燃料電池システム３０の停止時に動作する必要がないので、図３に示す出力制御装置４５にて電源停止操作がなされる。
【００７８】
具体的には、運転状態監視部７０にて燃料電池システム３０の状態が確認され、補機電源最適化制御部７１にて電源供給の必要性について判断される。
【００７９】
その結果、システム制御部７３により不要な補機への電源供給が停止される。
【００８０】
電源供給が停止される対象は、まず回転機群Ｍとしては、燃料供給ブロワ用回転機Ｍ１、選択酸化用空気ブロワ用回転機Ｍ３、カソード空気ブロワ用回転機Ｍ４、電池冷却水ポンプＰ２、改質水ポンプＰ１、が挙げられる。次に、センサ群Ｓとしては、燃料元圧センサＳ１，水圧センサＳ３および水位センサＳ４、バーナ空気流量計６１およびカソード空気流量計６２が挙げられる。
【００８１】
また、発電システム４３の停止過程で、燃料処理装置５０の内部温度を降温させるため、空気供給ラインＬ２のバーナ空気ブロワ用回転機Ｍ２、改質水供給ラインＬ４の改質水ポンプＰ１を動作させる。このバーナ空気量はバーナ空気流量計６１にて監視され、バーナ空気ブロワ用回転機Ｍ２にて適切な流量に調整される。また、循環水ポンプＰ３は、制御ユニット４４からの図示しない外部指令により、本指令に応じた動作がなされる。
【００８２】
その他の回転機群Ｍ，センサ群Ｓについては、発電システム４３の運転停止時と同様に、システム制御部７３により不要な補機への電源供給が停止される。
【００８３】
電源供給が停止される対象もまた発電システム４３の運転停止時と同様である。
【００８４】
なお、燃料電池システム３０により得られた直流電力は、別途図示しないインバータを通して、交流化して家庭用機器等の電源として利用することができる。
【００８５】
また、発電システム４３の稼動時にあって、電力不使用時などで電力の逆潮が生じ得る場合には、燃料電池ユニット４１内に設けられるヒータ（図示せず）に接続して電力消費させるようにすることもできる。
【００８６】
以上説明したように、本発明の燃料電池システム３０によれば、
燃料ガスｇ１を水素に変換する燃料処理装置５０および当該燃料処理装置５０から燃料ガスｇ１が供給されて発電する発電システム４３およびこの発電システム４３の稼動制御を行う制御ユニット４４を備えた燃料電池ユニット４１と、燃料処理装置５０からの排熱を利用して生成された温水を蓄える貯湯タンク４２とから構成され、燃料電池ユニット４１は、発電システム４３および当該発電システム４３の発電を制御する制御ユニット４４を具備する。
【００８７】
発電システムは、燃料処理装置５０へ改質水ｗ２を供給する貯水タンク５２と、燃料処理装置５０からの排熱を、排ガスａ３を介して貯湯タンク４２側へ伝熱する熱交換器システム５３の熱交換器５４と、燃料処理装置５０，燃料電池本体５１，貯水タンク５２および熱交換器５４への燃料ガスｇ１，空気ａ１，ａ２，改質水ｗ２それぞれを供給するブロワ用回転機群Ｍと、燃料処理装置５０，燃料電池本体５１，貯水タンク５２，熱交換器５４への燃料ガスｇ１，空気ａ１，ａ２，改質水ｗ２それぞれの供給を遮断する遮断弁群Ｖと、燃料処理装置５０，燃料電池ユニット４１，貯水タンク５２，熱交換器５４への燃料ガスｇ１，空気ａ１，ａ２，改質水ｗ２の供給量を検知するセンサ群Ｓを備える。制御ユニット４４は、発電システム４３の稼動停止時に、回転機群Ｍ，遮断弁群Ｖおよびセンサ群Ｓの少なくとも一群への電力供給を停止するよう制御するようにしたから、
燃料電池システム３０の種々の状態において回転機群Ｍ,遮断弁群Ｖ,センサ群Ｓなどで消費される電力を最小限に抑えることにより、省エネルギー性に優れた高い発電効率を保持した燃料電池システムを提供することができる。
【００８８】
また、本発明の燃料電池システム３０によれば、センサ群Ｓは、発電システム４３の稼動時において、特に稼動状態が安定している場合には、当該センサ群Ｓの電力受給を断続的に行なうことができるようにシステム構成したから、より一層の省電力を効果が得られる。
【００８９】
更に、センサ群Ｓは、当該センサ群Ｓへの電力受給間隔を、前記発電システム４３による発電出力が一定である場合には、発電出力が変動している場合より長くなるようにシステム構成したから、さらにより一層の省電力を効果が得られる。
【００９０】
更にまた、センサ群Ｓは、発電システム４３の稼動停止後の燃料処理装置の降温過程では、上記降温過程でのシステム制御上の変動要因が少ないことから、電力受給間隔を通常時と比べ相対的に長くさせたシステム構成としたから、更にまた、より一層の省電力を効果が得られる。
【００９１】
また、遮断弁群Ｖは、発電システム４３の稼動時においても、遮断または開放時の消費電力が伴わない構成を採用することにより、当該遮断弁群Ｖに関わる電力消費を皆無とすることができるので、より一層の省電力を効果が得られる。
【００９２】
更に、発電システム４３の稼動停止後の燃料処理装置５０の降温過程で、ブロワ用回転機群Ｍのバーナ空気ブロワ用回転機Ｍ２により、燃料処理装置５０を強制空冷するように設けた構成を採用したので、間接的に発電システム４３の発電効率向上に寄与させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施形態を示す概要図。
【図２】図１に示す燃料電池システムの燃料電池ユニットの発電システムおよび出力制御装置を示す系統図。
【図３】図１に示す燃料電池システムの制御ユニットを示すブロック図。
【図４】従来の燃料電池システムの構成を示す概要図。
【図５】従来の燃料電池システムの発電システムに対する出力制御装置の関係を示すブロック図。
【符号の説明】
【００９４】
３０ 燃料電池システム
３１ 一般家屋
３２ 電灯
３３ エアコン
３４ 床暖房システム
３５ シャワー
３６ 蛇口
４１ 燃料電池ユニット
４２ 貯湯タンク
４３ 発電システム
４４ 制御ユニット
４５ 出力制御装置
４６ 消費電力検出手段
５０ 燃料処理装置
５１ 燃料電池本体
５１ａ 水素極
５１ｂ 酸素極
５２ 貯水タンク
５３ 熱交換器システム
５４ 熱交換器
５４ａ 放熱側
５４ｂ 吸熱側
６０ 燃料流量計
６１ バーナ空気流量計
６２ カソード空気流量計
７０ 運転状態監視部
７１ 補機電源最適化制御部
７２ データ収集制御部
７３ システム制御部
Ｌ１ バーナ燃焼ライン
Ｌ２，Ｌ１０ 空気供給ライン
Ｌ３ 選択酸化用空気供給ライン
Ｌ４ 改質水供給ライン
Ｌ５ リサイクルライン
Ｌ６ 燃料ガス供給ライン
Ｌ７ 残余燃料戻しライン
Ｌ８ 燃料供給ライン
Ｌ９ 第一の排ガスライン
Ｌ１１ 冷却水供給ライン
Ｌ１２ 第二の排ガスライン
Ｌ１３ 電池冷却水循環ライン
Ｌ１４ 凝縮水供給ライン
ａ１ 発電用空気
ａ２ 選択酸化用空気
ａ３ 排ガス（排熱空気）
ｇ１ 燃料ガス
ｇ２ 改質ガス（燃料ガス）
ｗ１ 水成分
ｗ２ 改質水
ｗ３ 電池冷却水
ｗ４ 凝縮水
ｗ５ 温水
Ｖ（Ｖ１〜Ｖ９） 遮断弁群
Ｖ１ 燃料元遮断弁
Ｖ２ バーナ燃料遮断弁
Ｖ３ リサイクル遮断弁
Ｖ４ 燃料遮断弁
Ｖ５ 選択酸化用空気遮断弁
Ｖ６ 電池入口燃料遮断弁
Ｖ７ 電池出口燃料遮断弁
Ｖ８ 電池入口空気遮断弁
Ｖ９ 電池出口空気遮断弁
Ｍ（Ｍ１〜Ｍ４） ブロワ用回転機群
Ｍ１ 燃料供給ブロワ用回転機
Ｍ２ バーナ空気ブロワ用回転機
Ｍ３ 選択酸化用空気ブロワ用回転機
Ｍ４ カソード空気ブロワ用回転機
Ｆ ファン
Ｐ（Ｐ１〜Ｐ３） ポンプ群
Ｐ１ 改質水ポンプ
Ｐ２ 電池冷却水ポンプ
Ｐ３ 循環水ポンプ
Ｓ（Ｓ１〜Ｓ８）センサ群
Ｓ１ 燃料元圧力センサ
Ｓ２ 燃料供給圧力センサ
Ｓ３ 水圧センサ
Ｓ４ 水位センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムにおける補機への電源供給制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、化石燃料が有している化学エネルギーを直接電気に変換し、この発電を自動車や家庭用として応用するシステムが開発されている。
【０００３】
燃料電池システムの燃料電池は、燃料である水素と酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて直接電気を発生させるものであり、高い発電効率で電気エネルギーを取り出すことができる。
【０００４】
また、この種の燃料電池システムは、燃料電池本体にて発電に伴い生成される排熱を温水として回収することで、総合効率の向上を図ることができるとともに、静かで有害な排ガスを出さないという環境性に優れた特徴を有している。
【０００５】
近年まで、比較的大型のＰＡＦＣ（りん酸形燃料電池）が主に開発されてきたが、最近では小型のＰＥＦＣ（固体高分子型燃料電池）の開発が活性化し、家庭用燃料電池システムの普及も間近な状況となっている。
【０００６】
この燃料電池システムの燃料電池は、都市ガスやＬＰＧなどの燃料を水素に変換する燃料処理装置、発電部である燃料電池本体、燃料電池本体より発電された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ、制御装置、熱交換器、ポンプやブロワなどの回転機、センサ、電磁弁などから構成されている。
【０００７】
従来の典型的な燃料電池システムは、電気と同時に有効に利用できる熱を発生し、エネルギーを多段的に活用しつつ最大限の省エネルギー性を達成することが可能なシステムが提供されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
図４は、従来の燃料電池システムの構成を示す概要図である。図５は、従来の燃料電池システムの出力制御装置の構成を示すブロック図である。
【０００９】
図４に示す従来の燃料電池システム１は、燃料電池本体２、インバータ３、排熱熱交換器４、余剰電力ヒータ５、発電制御部（燃料処理装置）６、暖房熱交換器７、貯湯槽８、補助熱源９および給湯用制御部１０を備えている。
【００１０】
燃料電池本体２は、供給された天然ガスから水素を作り出し水素および空気から発電を行うと共に、発電時に発生する熱（以下、「排熱」という。）を出力する。インバータ３には、燃料電池本体２から出力される電気と商用電源から送電される電気とが入力される。
【００１１】
そして、インバータ３は、電力負荷で要求される電力に応じて、燃料電池本体２から出力される電力を施設内の電気機器等の電力負荷に供給するようになっている。
【００１２】
燃料電池本体２において発電時に発生する排熱は、燃料電池本体２の冷却水により取り出される。
【００１３】
インバータ３は、電力負荷で要求される電力に応じて、燃料電池本体２から出力される電力を施設内の電気機器等の電力負荷に供給するために設けられる。
【００１４】
排熱熱交換器４は、蓄熱装置である貯湯槽８から供給される循環水と熱交換される。この循環水は、循環ポンプ１１により貯湯槽８の下部から取り出され、排熱熱交換器４に送られる。排熱熱交換器４において排熱が供給された循環水は、余剰電力ヒータ５及び暖房熱交換器７を経て貯湯槽８の上部に戻される。
【００１５】
ここで、余剰電力ヒータ５は、余剰な電力を消費させ、燃料電池本体２から商用電源側への電力の逆潮流を防止する働きをする。また、余剰電力ヒータ５は、供給される電力を熱に変換し、電熱変換により発生する熱を、循環水に供給する。これにより、余剰電力は循環水により熱として回収されるようになっている。
【００１６】
発電制御部６は、電流センサ１２により電力負荷に供給される電流を検出するとともに、電流センサ１３により商用電源から供給される電流を検出する。これにより、発電制御部６は、電力負荷において消費された電力及び商用電源から供給された電力を検出することができる。
【００１７】
暖房熱交換器７は、循環水に供給された熱を、暖房機器等の暖房負荷（図示せず）に循環される熱媒体に熱交換する。暖房負荷の熱媒体は、熱媒循環ポンプ１４により暖房負荷から暖房熱交換器７に送られた後、補助熱源９を通って再び暖房負荷に戻される。
【００１８】
貯湯槽８は、台所、風呂等の給湯負荷へ温湯を供給する場合には、貯湯槽８の上層の温湯が、補助熱源９を介して送水される。そして、給湯による貯湯槽８内の水の減少分は、貯湯槽８の底部からの給水により補われる。この給水量は、流量センサ１１により検出される。また、給水時の水の温度は、温度センサ１２により検出される。
【００１９】
給湯用制御部１０は、複数の温度センサ１２や流量センサ１１により検出される湯温や給水量、補助熱源９により発生した熱量、熱媒循環ポンプ１３の熱媒循環流量等から、暖房負荷や給湯負荷において実際に消費された熱量や貯湯槽８における放熱損失を検出するように設けられる。
【００２０】
また、燃料電池システム１には省エネ度が最大となる演算機能を有する出力制御装置１５を備えている。この出力制御装置１５は、図５に示すように、負荷消費量予測手段１６、負荷記憶手段１７、有効消費エネルギー算出手段１８、省エネ性評価手段１９、発電出力最適化手段２０、運転計画記憶手段２１及びシステム制御手段２２を有している。
【００２１】
特に、システム制御手段２２によれば、燃料電池システム１の燃料電池本体２、インバータ３、余剰電力ヒータ５、補助熱源９、循環ポンプ２３、熱媒循環ポンプ１３等の運転制御を行う。このシステム制御手段２２は、燃料電池本体運転制御手段２４を有している。この燃料電池本体運転制御手段２４は、運転計画記憶手段２１に格納された１日の発電出力｛Ｗｐ（ｎ）；ｎ＝０，…，２３｝に従って燃料電池本体２の発電出力の制御を行う。
【００２２】
この制御により、消費電力量のみならず消費熱量も含めてコージェネレーション装置の省エネ量又は省エネ度が最大となるように最適化することができる。
【００２３】
従って、従来よりも省エネルギー性に優れた燃料電池システムとなり、発電量を最適化しようとする点において有効となるものである。
【特許文献１】特開２００５−１２９０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
しかしながら、従来の燃料電池システムによれば、燃料電池システムの運転停止時（不稼動時）や運転停止後の降温過程において、強制空冷用のポンプやブロワなどの回転機,遮断弁,センサに常時電源が供給されており、待機電力を消費していた。また、運転時にもセンサによるプロセスデータの連続監視や遮断弁の保持電力などにより電力を消費しており、発電効率の向上を阻害するという課題があった。
【００２５】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、燃料電池システムの不稼動時あるいは更に運転時において回転機,遮断弁,センサなどで消費される電力を最小限に抑えることにより、省エネルギー性に優れた高い発電効率を保持した燃料電池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】
【００２６】
上記目的を達成するために、本発明によれば、燃料ガスを水素に変換する燃料処理装置および当該燃料処理装置から前記燃料ガスが供給されて発電する発電システムおよびこの発電システムの稼動制御を行う制御ユニットを備えた燃料電池ユニットと、前記燃料処理装置からの排熱を利用して生成された温水を蓄える貯湯タンクとから構成される燃料電池システムであって、
前記発電システムは、前記燃料処理装置へ改質水を供給する貯水タンクと、
前記燃料処理装置からの排熱を、排熱空気を介して前記貯湯タンク側へ伝熱する熱交換器システムと、前記燃料処理装置，燃料電池本体，貯水タンクおよび熱交換器システムへの燃料ガス，空気，改質水のそれぞれを供給するブロワ用回転機群およびポンプと、前記燃料処理装置，燃料電池本体，貯水タンク，熱交換器システムへの燃料ガス，空気，改質水それぞれの供給を遮断する遮断弁群と、
前記燃料処理装置，燃料電池本体，貯水タンク，熱交換器システムへの燃料ガス，空気，改質水の供給量を検知するセンサ群と、を備え、前記制御ユニットは、前記発電システムの稼動停止時に、前記回転機群，遮断弁群およびセンサ群の少なくとも一群への電力供給を停止するよう制御することを特徴とする燃料電池システムを提供する。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、燃料電池システムの不稼動時あるいは更に運転時において回転機,遮断弁,センサなどで消費される電力を最小限に抑えることにより、省エネルギー性に優れた高い発電効率を保持した燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明に係る燃料電池システムの実施形態について説明する。
【００２９】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施形態を示す概要図である。図２は、図１に示す燃料電池システムの燃料電池ユニットの発電システムおよび出力制御装置を示す系統図である。
【００３０】
図１に示す燃料電池システム３０は、一般家屋３１において実施した例を示している。燃料電池システム３０は、１ＫＷ程度の電力供給を標準として利用可能になされたものであって、例えば室内の電灯３２あるいはエアコン３３の電源として利用したり、また、燃料電池システム３０の温水供給機能を利用して、一般家屋３１内の例えば風呂における温水用のシャワー３５、台所の蛇口３６あるいは床暖房システム３４に接続して利用することができるものである。
【００３１】
この燃料電池システム３０は、図２に示すように、燃料電池ユニット４１と、貯湯タンク４２とから構成される。
【００３２】
燃料電池ユニット４１は、発電システム４３と、制御ユニット４４とから構成される。
【００３３】
発電システム４３は、発電制御機能を有する燃料処理装置５０と、この燃料処理装置５０により発電制御される燃料電池本体５１と、燃料処理装置５０および燃料電池本体５１に対して水成分ｗ１を供給する貯水タンク５２と、貯湯タンク４２へ温水を供給する機能を有する熱交換器システム５３を備える。
【００３４】
また、発電システム４３には、燃料処理装置５０に対して燃料ガスｇを供給するバーナ燃焼ラインＬ１と、発電用空気ａ１を供給する空気供給ラインＬ２と、選択酸化用空気ａ２を供給する選択酸化用空気供給ラインＬ３と、貯水タンク５２から改質水ｗ２を供給する改質水供給ラインＬ４と、バーナ燃焼ラインＬ１内には、燃料処理装置５０にて生成された水素の一部に余剰が生じた場合、リサイクルさせるためにリサイクル遮断弁Ｖ３を有するリサイクルラインＬ５が設けられる。燃料電池本体５１に対しては、水素極５１ａに対して燃料ガスｇ１を供給する燃料ガス供給ラインＬ６が設けられる。また、燃料処理装置５０から燃料電池本体５１へ供給した燃料ガスｇ１の残余分を燃料処理装置５０へフィードバックさせる残余燃料戻しラインＬ７が設けられる。
【００３５】
また、バーナ燃焼ラインＬ１側へ流れる燃料ガスｇ１の残余の燃料ガスｇ１は、燃料遮断弁Ｖ４および燃料供給圧力センサＳ２を介して燃料処理装置５０内への燃料供給を行う燃料供給ラインＬ８が設けられる。
【００３６】
バーナ燃焼ラインＬ１は、燃料元遮断弁Ｖ１，燃料元圧センサＳ１，燃料流量計６０，燃料供給ブロワ用回転機Ｍ１およびバーナ燃料遮断弁Ｖ２を直列に接続し、燃料処理装置５０に接続される。
【００３７】
空気供給ラインＬ２は、燃料処理装置５０に対して発電用空気ａ１を供給するために、バーナ空気ブロワ用回転機Ｍ２に直列にバーナ空気流量計６１が直列に接続して構成され、バーナ燃焼ラインＬ１と燃料処理装置５０の接合部に共通に接合して設けられる。
【００３８】
選択酸化用空気供給ラインＬ３は、燃料処理装置５０に対して選択酸化用空気ａ２を供給するために、選択酸化用空気ブロワ用回転機Ｍ３に直列に選択酸化用空気遮断弁Ｖ５が直列に接続して構成され、この選択酸化用空気遮断弁Ｖ５側が燃料処理装置５０に接続される。
【００３９】
改質水供給ラインＬ４は、燃料処理装置５０に対して貯水タンク５２から改質水ｗ２を供給するために改質水ポンプＰ１を介して接続される。
【００４０】
残余燃料戻しラインＬ７は、燃料処理装置５０燃料電池本体５１へ供給された燃料ガスｇ１のうち、消費されなかった残燃料ｇ１を電池出口燃料遮断弁Ｖ７を介してリサイクルさせるために設けられる。
【００４１】
また、燃料処理装置５０からは、排熱空気である排ガスａ３を、後述する熱交換器システム５３の熱交換器５４の放熱側５４ａに熱伝導させるための第一の排ガスラインＬ９が設けられる。
【００４２】
また、燃料電池本体５１に対しては、水素極５１ａに対して燃料ガスｇ１を供給する燃料ガス供給ラインＬ６と、燃料電池本体５１の酸素極５１ｂに対して発電用空気ａ１を供給する空気供給ラインＬ１０と、燃料電池本体５１へ貯水タンク５２から水成分ｗ１を供給する冷却水供給ラインＬ１１とを備えている。
【００４３】
燃料ガス供給ラインＬ６は、燃料電池本体５１の水素極５１ａに対して改質された燃料ガス（以下、改質ガスという。）ｇ２を供給するラインで、燃料供給量を調節する電池出口燃料遮断弁Ｖ７が設けられる。
【００４４】
空気供給ラインＬ１０は、燃料電池本体５１の酸素極５１ｂに対して発電用空気ａ１を供給するラインで、この空気ａ１を供給するカソード空気ブロワ用回転機Ｍ４，カソード空気流量計６２および電池入口空気遮断弁Ｖ８が設けられる。
【００４５】
冷却水供給ラインＬ１１は、燃料電池本体５１に対して貯水タンク５２から水成分ｗ１を供給するためのラインで、このラインの電池冷却水圧を検知して水圧信号を出力する水圧センサＳ３を備えている。
【００４６】
更に、燃料電池本体５１から出た排ガスａ３を電池出口空気遮断弁Ｖ９を介して第一の排ガスラインＬ９に通じるように第二の排ガスラインＬ１２が設けられる。
【００４７】
更に、燃料電池本体５１には、冷却水供給ラインＬ１１で供給された電池冷却水ｗ３の余剰分を電池冷却水ポンプＰ２を介して貯水タンク５２へ戻す電池冷却水循環ラインＬ１３が設けられる。
【００４８】
また、燃料電池本体５１には、貯水タンク５２に対して熱交換器５４で熱交換した後の凝縮水ｗ４を回収する凝縮水供給ラインＬ１４とを備えている。
【００４９】
更には、貯水タンク５２には、水位センサＳ４が設けられ、水位が監視されるようになっている。
【００５０】
熱交換器システム５３は、放熱側５４ａと吸熱側５４ｂが設けられ、そしてこの吸熱側５４ｂには、任意に受水する給湯用水を貯湯タンク４２へ強制循環させる循環水ポンプＰ３が設けられる。
【００５１】
次に、制御ユニット４４について説明する。
【００５２】
制御ユニット４４は、図２に示すように、出力制御装置４５と、消費電力検出手段４６とから構成される。
【００５３】
出力制御装置４５は、燃料電池本体５１に対して供給される燃料ガスｇ１，改質ガスｇ２，水成分ｗ１，改質水ｗ２，電池冷却水ｗ３等の供給あるいは循環させる流体の供給量を発電力に応じて自動的に制御可能に設けられる。
【００５４】
消費電力検出手段４６は、出力制御装置４５にて制御された結果、得られた電力量に応じて常に最適なシステム運用ができるように出力制御装置４５側と協同作動するものである。
【００５５】
一方、貯湯タンク４２は、図２に示すように、燃料電池ユニット４１側に設けられる熱交換システム５３の貯湯用水の循環水ポンプＰ３を介して熱交換器５４の吸熱側５４ｂに循環させて吸熱した温水ｗ５が蓄えられる。そしてこの温水ｗ５が、例えば図示しない給湯器へ供給可能に設けられる。
【００５６】
出力制御装置４５は、具体的には図３に示すように、図示しない運転指令部より運転指令（発電出力指令）を受けて運転時様態の監視を始める運転状態監視部７０と、消費電力検出手段４６から消費電力検出信号を受けて補機電源最適化制御部７１と、この補機電源最適化制御部７１により演算された最適化データをデータ収集してセンサ群Ｓ（Ｓ１〜Ｓ４）の検出値の制御を行うデータ収集制御部７２と、補機電源最適化制御部７１の最適化制御信号を受けつつセンサ群Ｓの設定値の範囲でシステム制御するシステム制御部７３とより構成される。
【００５７】
補機電源電力としては、通常運転時で５０〜６０Ｗ程度であるが、待機時にあっては、ほぼ１０Ｗ程度が消費されている。
【００５８】
この出力制御装置４５は、運転指令部より運転指令を受けることにより、センサ群Ｓ、ポンプ群Ｐ、ブロワ用回転機群Ｍ、ファンＦおよび遮断弁群Ｖの省電力な最適的制御を行うことができるものである。
【００５９】
次に、燃料電池システム３０の作用を燃料電池システムの運転（発電）時および運転停止時に区分して説明する。
【００６０】
［燃料電池システムの運転時］
燃料電池システム３０の運転時において、都市ガスやＬＰＧなどの燃料ガスｇ１は、発電システム４３のバーナ燃焼ラインＬ１に導入され、燃料元遮断弁Ｖ１を介して燃料処理装置５０へ導入される。
【００６１】
先ず、バーナ燃焼ラインＬ１に供給された燃料ガスｇ１は、燃料元圧センサＳ１および燃料流量計６０にて状態監視がなされ、燃料供給ブロワ用回転機Ｍ１により流量調整がなされる。
【００６２】
そして、燃料供給ブロワ用回転機Ｍ１を通じた燃料ガスｇ１の一部は、バーナ燃料ガスとしてバーナ燃料遮断弁Ｖ２を介する一方、空気供給ラインＬ２のバーナ空気ブロワ用回転機Ｍ２にて調整された空気ａ１と混合して、燃料処理装置５０のバーナ燃焼に利用する。このバーナ空気量はバーナ空気流量計６１にて監視され、バーナ空気ブロワ用回転機Ｍ２にて適切な流量に調整される。なお、この流量調整時には、燃料元圧センサＳ１および燃料流量計６０への電源供給（電力消費）がなされると同時に制御ユニット４４の出力制御装置４５においてデータ収集を連続的または断続的に行なう。
【００６３】
また、このバーナ空気ブロワ用回転機Ｍ２にての流量の調整時に、バーナ空気流量計６１への電源供給およびデータ収集を連続的または断続的に行なつてもよい。
【００６４】
また、バーナ燃焼ラインＬ１から導入された燃料ガスｇ１の残りの燃料ガスｇ１はリサイクルラインＬ５のリサイクル遮断弁Ｖ３を介して燃料処理装置５０へ導入され、改質水供給ラインＬ４の改質水ポンプＰ１にて燃料処理装置５０へ導入された改質水ｗ２の作用により、主に水素と二酸化炭素に改質される。この時、燃料処理装置５０内部の圧力は燃料供給圧力センサＳ２にて監視される。ここで、燃料供給圧力センサＳ２への電源供給も行われ、また、出力制御装置４５によるデータ収集も行われる。
【００６５】
さらに、燃料処理装置５０の触媒の種類により燃料処理装置５０で生成した水素の一部を、燃料供給ブロワ用回転機Ｍ１の上流に戻すことが必要になる場合があるが、この場合は、リサイクルラインＬ５のリサイクル遮断弁Ｖ３を介してなされる。また、燃料処理装置５０へは、改質ガスｇ２中の一酸化炭素を二酸化炭素に変換する目的で、選択酸化用空気供給ラインＬ３の選択酸化用空気ブロワ用回転機Ｍ３にて選択酸化用空気遮断弁Ｖ５を介して空気が送られる。
【００６６】
改質ガスｇ２は、燃料ガス供給ラインＬ６の電池入口燃料遮断弁Ｖ６を介して、燃料電池本体５１へ供給される。この電池本体５１にて消費されなかった残燃料は、残余燃料戻しラインＬ７の電池出口燃料遮断弁Ｖ７を介して、再度、燃料処理装置５０へ供給され、バーナ燃焼に利用される。さらに、燃焼後の排ガスａ３は、第二の排ガスラインＬ１２から熱交換器５４を介して外部へ放出される。この熱交換器５４の２次側、すなわち、吸熱側５４ｂには、循環水ポンプＰ３により外部から水が供給され、排ガスａ３と熱交換がなされることにより温水ｗ５が生成され、例えば家庭用給湯として利用される。
【００６７】
また、燃料電池本体５１へは電池入口空気遮断弁Ｖ８を介して、カソード空気ブロワ用回転機Ｍ４にて空気が供給される。このカソード空気量はカソード空気流量計６２にて監視され、カソード空気ブロワ用回転機Ｍ４にて適切な流量に調整される。ここで、カソード空気流量計６２への電源供給がなされ、また、出力制御装置４５により連続的あるいは断続的にデータ収集がなされる。そして、燃料電池本体５１を出た空気は第二の排ガスラインＬ１２を介して、第一の排ガスラインＬ９と混合し、熱交換器５４を介して外部へ排出される。
【００６８】
また、燃料電池本体５１へは、貯水タンク５２から電池冷却水ポンプＰ２により水が供給され、燃料電池本体５１入口の電池冷却水の水圧センサＳ３により、圧力が監視される。この貯水タンク５２の水位は、水位センサＳ４により監視される。ここで、電池冷却水の水圧センサＳ３及び水位センサＳ４への電源供給がなされる一方、出力制御装置４５のセンサ群Ｓによるデータ収集を連続的あるいは断続的に行なわれる。
【００６９】
次に、以上に記したセンサ群Ｓへの連続的あるいは断続的な電源供給および出力制御装置４５によるデータ収集について、図３を参照して具体的に説明する。
【００７０】
図３に示す運転状態監視部７０にて発電システム４３の状態が確認され、補機電源最適化制御部７１にて間欠的な電源供給およびデータ収集の方法が選択される。その結果が、システム制御部７３へ伝えられ、圧力センサＳ１〜Ｓ３、水位センサＳ４、流量計６０〜６２の連続的あるいは断続的な電源供給および出力制御装置４５によるデータ収集がなされる。
【００７１】
以上の作用により、発電システム４３の発電時においてセンサ群Ｓや流量計６０〜６２で消費される電力を必要最小限に抑えることができる。
【００７２】
また、燃料電池システム３０の発電出力が一定である場合は、状態変化が少ないと考えられるので通常より長い間隔とし、発電出力を変動させる場合は、データ収集を密に行ない監視する必要があるため通常より短かい間隔とする。これにより、プロセスの状態監視による電源消費を必要最小限に低減することができる。
【００７３】
そして、センサ群Ｓや流量計６０〜６２への電源供給およびデータ収集は、図３に示す出力制御装置４５にてなされるので、運転状態監視部７０にて発電システム４３の状態が常に確認され、補機電源最適化制御部７１にて断続的な電源供給およびデータ収集の方法が選択できる。その結果が、システム制御部７３へ伝えられ、圧力センサＳ１〜Ｓ３、水位センサＳ４、流量計６０〜６２の断続的な電源供給およびデータ収集がなされる。
【００７４】
したがって、発電システム４３の稼動時にあっては、遮蔽弁群Ｖの開閉状態を、例えば永久磁石などで機械的に保持する機構を備えた遮断弁、例えば通常遮断弁は外部からの電源により開または閉位置が電気的に保持されるが、位置を保持するのに電力を要しない弁を用いることにより、遮断弁群Ｖによる消費電力を低減させることができる。
【００７５】
このような弁を採用することにより、一層の省エネルギー性が高められる。
【００７６】
［燃料電池システムの運転停止時］
燃料電池システム３０の運転停止時には、燃料処理装置５０の内部圧力を一定の範囲に保持するため、燃料供給ラインＬ８の燃料供給圧力センサＳ２にて圧力状態の監視がなされ、必要に応じてバーナ燃焼ラインＬ１の燃料元遮断弁Ｖ１および燃料供給ライン燃料遮断弁Ｖ４が開放される。また、燃料処理装置５０の温度が一定値以上となっている場合は、空気供給ラインＬ２のバーナ空気ブロワ用回転機Ｍ２の強制動作により、降温操作がなされる。ここで、バーナ空気流量はバーナ空気流量計６１にて監視され、バーナ空気ブロワ用回転機Ｍ２にて適切な流量に調整される。一方、貯湯タンク４２の循環水ポンプＰ３は、貯湯タンク４２独自の外部指令により、本指令に応じた動作がなされる。
【００７７】
その他の回転機群Ｍ，センサ群Ｓについては、燃料電池システム３０の停止時に動作する必要がないので、図３に示す出力制御装置４５にて電源停止操作がなされる。
【００７８】
具体的には、運転状態監視部７０にて燃料電池システム３０の状態が確認され、補機電源最適化制御部７１にて電源供給の必要性について判断される。
【００７９】
その結果、システム制御部７３により不要な補機への電源供給が停止される。
【００８０】
電源供給が停止される対象は、まず回転機群Ｍとしては、燃料供給ブロワ用回転機Ｍ１、選択酸化用空気ブロワ用回転機Ｍ３、カソード空気ブロワ用回転機Ｍ４、電池冷却水ポンプＰ２、改質水ポンプＰ１、が挙げられる。次に、センサ群Ｓとしては、燃料元圧センサＳ１，水圧センサＳ３および水位センサＳ４、バーナ空気流量計６１およびカソード空気流量計６２が挙げられる。
【００８１】
また、発電システム４３の停止過程で、燃料処理装置５０の内部温度を降温させるため、空気供給ラインＬ２のバーナ空気ブロワ用回転機Ｍ２、改質水供給ラインＬ４の改質水ポンプＰ１を動作させる。このバーナ空気量はバーナ空気流量計６１にて監視され、バーナ空気ブロワ用回転機Ｍ２にて適切な流量に調整される。また、循環水ポンプＰ３は、制御ユニット４４からの図示しない外部指令により、本指令に応じた動作がなされる。
【００８２】
その他の回転機群Ｍ，センサ群Ｓについては、発電システム４３の運転停止時と同様に、システム制御部７３により不要な補機への電源供給が停止される。
【００８３】
電源供給が停止される対象もまた発電システム４３の運転停止時と同様である。
【００８４】
なお、燃料電池システム３０により得られた直流電力は、別途図示しないインバータを通して、交流化して家庭用機器等の電源として利用することができる。
【００８５】
また、発電システム４３の稼動時にあって、電力不使用時などで電力の逆潮が生じ得る場合には、燃料電池ユニット４１内に設けられるヒータ（図示せず）に接続して電力消費させるようにすることもできる。
【００８６】
以上説明したように、本発明の燃料電池システム３０によれば、
燃料ガスｇ１を水素に変換する燃料処理装置５０および当該燃料処理装置５０から燃料ガスｇ１が供給されて発電する発電システム４３およびこの発電システム４３の稼動制御を行う制御ユニット４４を備えた燃料電池ユニット４１と、燃料処理装置５０からの排熱を利用して生成された温水を蓄える貯湯タンク４２とから構成され、燃料電池ユニット４１は、発電システム４３および当該発電システム４３の発電を制御する制御ユニット４４を具備する。
【００８７】
発電システムは、燃料処理装置５０へ改質水ｗ２を供給する貯水タンク５２と、燃料処理装置５０からの排熱を、排ガスａ３を介して貯湯タンク４２側へ伝熱する熱交換器システム５３の熱交換器５４と、燃料処理装置５０，燃料電池本体５１，貯水タンク５２および熱交換器５４への燃料ガスｇ１，空気ａ１，ａ２，改質水ｗ２それぞれを供給するブロワ用回転機群Ｍと、燃料処理装置５０，燃料電池本体５１，貯水タンク５２，熱交換器５４への燃料ガスｇ１，空気ａ１，ａ２，改質水ｗ２それぞれの供給を遮断する遮断弁群Ｖと、燃料処理装置５０，燃料電池ユニット４１，貯水タンク５２，熱交換器５４への燃料ガスｇ１，空気ａ１，ａ２，改質水ｗ２の供給量を検知するセンサ群Ｓを備える。制御ユニット４４は、発電システム４３の稼動停止時に、回転機群Ｍ，遮断弁群Ｖおよびセンサ群Ｓの少なくとも一群への電力供給を停止するよう制御するようにしたから、
燃料電池システム３０の種々の状態において回転機群Ｍ,遮断弁群Ｖ,センサ群Ｓなどで消費される電力を最小限に抑えることにより、省エネルギー性に優れた高い発電効率を保持した燃料電池システムを提供することができる。
【００８８】
また、本発明の燃料電池システム３０によれば、センサ群Ｓは、発電システム４３の稼動時において、特に稼動状態が安定している場合には、当該センサ群Ｓの電力受給を断続的に行なうことができるようにシステム構成したから、より一層の省電力を効果が得られる。
【００８９】
更に、センサ群Ｓは、当該センサ群Ｓへの電力受給間隔を、前記発電システム４３による発電出力が一定である場合には、発電出力が変動している場合より長くなるようにシステム構成したから、さらにより一層の省電力を効果が得られる。
【００９０】
更にまた、センサ群Ｓは、発電システム４３の稼動停止後の燃料処理装置の降温過程では、上記降温過程でのシステム制御上の変動要因が少ないことから、電力受給間隔を通常時と比べ相対的に長くさせたシステム構成としたから、更にまた、より一層の省電力を効果が得られる。
【００９１】
また、遮断弁群Ｖは、発電システム４３の稼動時においても、遮断または開放時の消費電力が伴わない構成を採用することにより、当該遮断弁群Ｖに関わる電力消費を皆無とすることができるので、より一層の省電力を効果が得られる。
【００９２】
更に、発電システム４３の稼動停止後の燃料処理装置５０の降温過程で、ブロワ用回転機群Ｍのバーナ空気ブロワ用回転機Ｍ２により、燃料処理装置５０を強制空冷するように設けた構成を採用したので、間接的に発電システム４３の発電効率向上に寄与させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施形態を示す概要図。
【図２】図１に示す燃料電池システムの燃料電池ユニットの発電システムおよび出力制御装置を示す系統図。
【図３】図１に示す燃料電池システムの制御ユニットを示すブロック図。
【図４】従来の燃料電池システムの構成を示す概要図。
【図５】従来の燃料電池システムの発電システムに対する出力制御装置の関係を示すブロック図。
【符号の説明】
【００９４】
３０ 燃料電池システム
３１ 一般家屋
３２ 電灯
３３ エアコン
３４ 床暖房システム
３５ シャワー
３６ 蛇口
４１ 燃料電池ユニット
４２ 貯湯タンク
４３ 発電システム
４４ 制御ユニット
４５ 出力制御装置
４６ 消費電力検出手段
５０ 燃料処理装置
５１ 燃料電池本体
５１ａ 水素極
５１ｂ 酸素極
５２ 貯水タンク
５３ 熱交換器システム
５４ 熱交換器
５４ａ 放熱側
５４ｂ 吸熱側
６０ 燃料流量計
６１ バーナ空気流量計
６２ カソード空気流量計
７０ 運転状態監視部
７１ 補機電源最適化制御部
７２ データ収集制御部
７３ システム制御部
Ｌ１ バーナ燃焼ライン
Ｌ２，Ｌ１０ 空気供給ライン
Ｌ３ 選択酸化用空気供給ライン
Ｌ４ 改質水供給ライン
Ｌ５ リサイクルライン
Ｌ６ 燃料ガス供給ライン
Ｌ７ 残余燃料戻しライン
Ｌ８ 燃料供給ライン
Ｌ９ 第一の排ガスライン
Ｌ１１ 冷却水供給ライン
Ｌ１２ 第二の排ガスライン
Ｌ１３ 電池冷却水循環ライン
Ｌ１４ 凝縮水供給ライン
ａ１ 発電用空気
ａ２ 選択酸化用空気
ａ３ 排ガス（排熱空気）
ｇ１ 燃料ガス
ｇ２ 改質ガス（燃料ガス）
ｗ１ 水成分
ｗ２ 改質水
ｗ３ 電池冷却水
ｗ４ 凝縮水
ｗ５ 温水
Ｖ（Ｖ１〜Ｖ９） 遮断弁群
Ｖ１ 燃料元遮断弁
Ｖ２ バーナ燃料遮断弁
Ｖ３ リサイクル遮断弁
Ｖ４ 燃料遮断弁
Ｖ５ 選択酸化用空気遮断弁
Ｖ６ 電池入口燃料遮断弁
Ｖ７ 電池出口燃料遮断弁
Ｖ８ 電池入口空気遮断弁
Ｖ９ 電池出口空気遮断弁
Ｍ（Ｍ１〜Ｍ４） ブロワ用回転機群
Ｍ１ 燃料供給ブロワ用回転機
Ｍ２ バーナ空気ブロワ用回転機
Ｍ３ 選択酸化用空気ブロワ用回転機
Ｍ４ カソード空気ブロワ用回転機
Ｆ ファン
Ｐ（Ｐ１〜Ｐ３） ポンプ群
Ｐ１ 改質水ポンプ
Ｐ２ 電池冷却水ポンプ
Ｐ３ 循環水ポンプ
Ｓ（Ｓ１〜Ｓ８）センサ群
Ｓ１ 燃料元圧力センサ
Ｓ２ 燃料供給圧力センサ
Ｓ３ 水圧センサ
Ｓ４ 水位センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスを水素に変換する燃料処理装置および当該燃料処理装置から前記燃料ガスが供給されて発電する発電システムおよびこの発電システムの稼動制御を行う制御ユニットを備えた燃料電池ユニットと、前記燃料処理装置からの排熱を利用して生成された温水を蓄える貯湯タンクとから構成される燃料電池システムであって、
前記発電システムは、前記燃料処理装置へ改質水を供給する貯水タンクと、
前記燃料処理装置からの排熱を、排熱空気を介して前記貯湯タンク側へ伝熱する熱交換器システムと、
前記燃料処理装置，燃料電池本体，貯水タンクおよび熱交換器システムへの燃料ガス，空気，改質水のそれぞれを供給するブロワ用回転機群およびポンプと、
前記燃料処理装置，燃料電池本体，貯水タンク，熱交換器システムへの燃料ガス，空気，改質水それぞれの供給を遮断する遮断弁群と、
前記燃料処理装置，燃料電池本体，貯水タンク，熱交換器システムへの燃料ガス，空気，改質水の供給量を検知するセンサ群と、を備え、
前記制御ユニットは、前記発電システムの稼動停止時に、前記回転機群，遮断弁群およびセンサ群の少なくとも一群への電力供給を停止するよう制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記センサ群は、発電システムの稼動時において、当該センサ群の電力受給を断続的に行なうことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記センサ群は、当該センサ群への電力受給間隔を、前記発電システムによる発電出力が一定である場合には、発電出力が変動している場合より長くすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記センサ群は、発電システムの稼動停止後の燃料処理装置の降温過程で、電力受給間隔を通常時と比べ相対的に長くしたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記遮断弁群は、発電システムの稼動時において、遮断または開放時の消費電力が伴わない構成としたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記ブロワ用回転機群のバーナ空気ブロワ用回転機は、発電システムの稼動停止後の燃料処理装置の降温過程で、当該燃料処理装置が強制空冷されるようにしたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１】
燃料ガスを水素に変換する燃料処理装置および当該燃料処理装置から前記燃料ガスが供給されて発電する発電システムおよびこの発電システムの稼動制御を行う制御ユニットを備えた燃料電池ユニットと、前記燃料処理装置からの排熱を利用して生成された温水を蓄える貯湯タンクとから構成される燃料電池システムであって、
前記発電システムは、前記燃料処理装置へ改質水を供給する貯水タンクと、
前記燃料処理装置からの排熱を、排熱空気を介して前記貯湯タンク側へ伝熱する熱交換器システムと、
前記燃料処理装置，燃料電池本体，貯水タンクおよび熱交換器システムへの燃料ガス，空気，改質水のそれぞれを供給するブロワ用回転機群およびポンプと、
前記燃料処理装置，燃料電池本体，貯水タンク，熱交換器システムへの燃料ガス，空気，改質水それぞれの供給を遮断する遮断弁群と、
前記燃料処理装置，燃料電池本体，貯水タンク，熱交換器システムへの燃料ガス，空気，改質水の供給量を検知するセンサ群と、を備え、
前記制御ユニットは、前記発電システムの稼動停止時に、前記回転機群，遮断弁群およびセンサ群の少なくとも一群への電力供給を停止するよう制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記センサ群は、発電システムの稼動時において、当該センサ群の電力受給を断続的に行なうことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記センサ群は、当該センサ群への電力受給間隔を、前記発電システムによる発電出力が一定である場合には、発電出力が変動している場合より長くすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記センサ群は、発電システムの稼動停止後の燃料処理装置の降温過程で、電力受給間隔を通常時と比べ相対的に長くしたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記遮断弁群は、発電システムの稼動時において、遮断または開放時の消費電力が伴わない構成としたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記ブロワ用回転機群のバーナ空気ブロワ用回転機は、発電システムの稼動停止後の燃料処理装置の降温過程で、当該燃料処理装置が強制空冷されるようにしたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−１８１９４１（Ｐ２００９−１８１９４１Ａ）
【公開日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２２６５４（Ｐ２００８−２２６５４）
【出願日】平成２０年２月１日（２００８．２．１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（３０１０６０２９９）東芝燃料電池システム株式会社 (358)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月１日（２００８．２．１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（３０１０６０２９９）東芝燃料電池システム株式会社 (358)
【Ｆターム（参考）】
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