JP2013206776A - 発電システムの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発電システムが寿命を迎え停止したときの保護動作を適正化した運転方法の提供。
【解決手段】発電ユニット１と発電ユニット１から排熱を有する流体が排気される流体流路７と流体流路７に接続された熱交換器６と熱交換器６で排熱を有する流体と熱交換する温水を貯湯する貯湯タンク２と貯湯タンク２と熱交換器６の間を温水が循環する第１循環路５と第１循環路５に設けられた加熱器８および第１ポンプ３と各機器を制御する制御器２０からなる発電システム１００において、制御器２０は使用継続を選択可能な第１の寿命停止時に第１の保護動作を実行するステップと、使用継続を選択できない第２の寿命停止時に、第２の保護動作を実行するステップとを備え、第１の保護動作は、第２の保護動作よりも多くの保護動作を備える、発電システム１００の運転方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電システムの運転方法に関する。

従来、寿命を迎えると、発電運転中であれば、運転を継続し、運転停止後は起動しない燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−２４４７４９号公報

上記燃料電池システムを含め、発電システムが寿命を迎え停止したときの発電システムの保護動作の扱いについて従来検討されていない。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、寿命停止時の発電システムの保護動作を適正化された発電システムの運転方法を提供することを目的とする。

本発明の発電システムの運転方法の一態様は、使用継続を選択可能な第１の寿命停止時に第１の保護動作を実行するステップと、使用継続を選択できない第２の寿命停止時に、第２の保護動作を実行するステップとを備え、前記第１の保護動作は、第２の保護動作よりも多くの保護動作を備える。

本発明の一態様によれば、寿命停止時の発電システムの保護動作が適正化される。

実施例１の発電システムの概略構成の一例を示す図 実施例１の発電システムの動作の一例を示すフロー図 実施例１の発電システムの動作の一例を示すフロー図 実施例２の発電システムの概略構成の一例を示す図 実施例２の発電システムの動作の一例を示すフロー図 実施例３の発電システムの概略構成の一例を示す図 実施例３の発電システムの動作の一例を示すフロー図

（実施の形態）
実施の形態の発電システムの運転方法は、使用継続を選択可能な第１の寿命停止時に第１の保護動作を実行するステップと、使用継続を選択できない第２の寿命停止時に、第２の保護動作を実行するステップとを備え、第１の保護動作は、第２の保護動作よりも多くの保護動作を備える。

かかる構成により、第１の寿命停止時に使用継続に必要な保護動作が実行されるとともに、第２の寿命停止時に無駄な保護動作が実行されず、保護動作に消費される消費エネルギーが低減される。つまり、寿命停止時の発電システムの保護動作が適正化される。

ここで、保護動作とは、発電システムの所定の機能を保護するための動作である。具体的には、発電システム内の水経路の凍結予防運転、発電システムの排熱を貯える貯湯タンク内の水を加熱殺菌する処理等が例示される。
［実施例１］
実施例１の発電システムの運転方法は、上記実施の形態の発電システムにおいて、第１の保護動作は、発電システム内の水経路の凍結を予防する凍結予防運転、及び発電システムの排熱を貯える貯湯タンク内の水を加熱殺菌する処理を備え、第２の保護動作は、凍結予防運転を備える。

図１は、実施の形態１における発電システム１００の概略構成の一例を示す図である。

図１に示すように、本実施の形態の発電システム１００は、発電ユニット１と、貯湯タンク２と、第１ポンプ３と、第１循環路５と、熱交換器６と、流体流路７と、制御器２０とを備える。

発電ユニット１は、原燃料を用いて発電する発電機を備えるユニットであり、具体的には、燃料電池ユニット、ガスエンジン発電ユニット等が例示される。

貯湯タンク２は、発電システム１００における排熱を蓄える。本例においては、発電ユニット１からの排熱を蓄える。貯湯タンク２に貯えられた湯は、風呂、シャワー等の給湯負荷に供給される。

第１ポンプ３は、第１循環路５に設けられている。

第１循環路５は、貯湯タンク２内から取り出された後、貯湯タンク２に戻る水が流れる。

熱交換器６は、流体流路７を流れる流体と第１循環路５を流れる水との間で熱交換する。

流体流路７は、発電ユニット１における排熱を有する流体が流れる流路である。ここで、上記流体としては、例えば、発電ユニット１の発電に利用されなかった排ガス、燃焼排ガス、発電ユニット１を冷却した冷媒等が挙げられる。発電ユニット１が、燃料電池ユニットであるとき、上記流体としては、燃料電池から排出される燃料ガス、酸化剤ガス、燃料ガスを燃焼処理して得られる燃焼排ガス、及び燃料電池を冷却した冷媒等が例示される。発電ユニット１が、ガスエンジン発電ユニットであるとき、上記流体としては、ガスエンジンから排出される燃焼排ガスが例示される。

加熱器８は、貯湯タンク２内の水を加熱する。加熱器８は、貯湯タンク２内の水を加熱できれば、いずれの箇所に設けられていてもよい。本例では、第１循環路５に設けられているが、貯湯タンク２内に設けられていてもよく、第１循環路５上に設けられた熱交換器に加熱流体を供給する流体流路上に設けられていてもよい。

また、加熱器８は、貯湯タンク２内の水を加熱可能であれば、その構成も任意である。加熱器８は、電気ヒータ、燃焼器等が例示される。

制御器２０は、使用継続を選択可能な第１の寿命停止時に第１の保護動作を実行するステップと、使用継続を選択できない第２の寿命停止時に、第２の保護動作を実行する。第１の保護動作は、発電システム内の水経路の凍結を予防する凍結予防運転、及び発電システムの排熱を貯える貯湯タンク内の水を加熱殺菌する処理を備え、第２の保護動作は、凍結予防運転を備える。

ここで、第１の寿命停止とは、使用継続を選択可能な寿命停止である。具体的には、発電システム１００が寿命を迎えており、使用停止が推奨されるが、使用者の選択により、メンテナンスを行って、使用継続が可能となる。

ここで、第２の寿命停止とは、使用継続を選択できない寿命停止である。具体的には、第１の寿命停止後、使用継続した後の発電システム１００の寿命停止であり、使用者が使用継続することはできず、発電システム１００は、廃棄される。

制御器２０は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。演算処理部としては、ＭＰＵ、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。制御器は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。

上記例において、水経路は、貯湯タンク２、第１循環路５がこれに相当する。水経路は、本例に限定されるものではなく、発電システム１００内に設けられた水経路ならいずれの形態であっても構わない。例えば、発電ユニット１内に設けられた水経路でもよい。発電ユニット１に設けられた水経路としては、例えば、発電ユニット１からの排ガスから凝縮した水を蓄える水タンク、発電ユニット１の排熱を回収する冷却水が流れる１次冷却水経路等が例示される。
［動作］
次に、本実施例の発電システム１００の動作について説明する。

図２、図３及び図４は、本実施例の発電システム１００の動作を示すフロー図である。

図２に示すように、発電システム１００の第１の寿命停止時及び第２の寿命停止時に、外気温が低下すると発電システム１００における水経路内の水の温度が低下する（ステップＳ１０１）。水経路の温度の低下により、水経路の水の凍結の恐れが生じると、凍結予防運転が開始される（ステップＳ１０２）。

本例では、水経路の凍結予防運転として、第１ポンプ３が動作し、貯湯タンク２内の湯が第１循環路５内を介して循環し、第１循環路５及び貯湯タンク２の水の凍結が抑制されるが、これに限定されるものではない。凍結予防運転が実行される水経路により凍結予防運転における具体的動作は適宜設定される。

なお、第１の寿命停止時及び第２の寿命停止時に使用者が遮断器（図示せず）を手動操作して給水源と貯湯タンクとの連絡を遮断しないと、排熱回収ユニットの温度が低下し、配管に亀裂等が生じたときに排熱回収ユニットに給水源からの給水圧が継続的にかかるため、亀裂から水が漏れ続けることになる。ここで、上記凍結予防運転により、第１の寿命停止時及び第２の寿命停止時に凍結で第１循環路５及び貯湯タンク２の少なくとも一部が破損し、水が漏れ続けるという問題が発生する可能性が低減する。

なお、水経路内の水の温度は、水経路内の水温を直接または間接的に検知する検知器を用いて検知される。水経路内の水温を間接的に検知する検知器は、水経路内の水温と相関する物理量を検知する検知器で、例えば、外気温等を検知する検知器が挙げられる。

検知器は、電気式検知器及び機械式検知器のいずれであってもよい。電気式検知器としては、サーミスタ、熱電対等が例示される。機械式検知器としては、バイメタルまたは形状記憶合金等が例示される。

検知器が、電気式検知器であるとき、制御器２０が検出器の検出値が水経路内の水の凍結の恐れがある値であると判定すると、制御器２０は、凍結予防運転を実行する。具体的には、検出器で検知された水温が、所定の閾値以下であるとき、制御器２０は、第１ポンプ３を作動させる。ここで、上記所定の閾値は、水経路内の水が凍結の恐れがある値として設定され、具体的には、例えば、５℃が設定される。

検知器が、機械式検知器であるとき、水経路内の水温が、凍結の恐れがある温度になると、機械式スイッチがＯＮされ、凍結予防運転が実行される。具体的には、水経路内の水温が、凍結の恐れがある温度になると、機械式スイッチがＯＮされ、第１ポンプ３が作動する。この時、制御器２０は、発電システム１００内の電源回路（図示せず）より第１ポンプ３に電力が供給されるようこれを制御している。

なお、上記動作例においては、第１循環路５及び貯湯タンク２の凍結予防運転として、第１ポンプ３を動作させているが、これに限定されるものではない。例えば、第１循環路５及び貯湯タンク２の少なくとも一部を加熱する加熱器（図示せず）を設け、凍結予防運転において、第１ポンプ３だけでなく加熱器を作動させてもよい。加熱器は、例えば、電気ヒータ、燃焼器等が用いられる。

また、図３に示すように、発電システム１００の第１の寿命停止時に、貯湯タンク２の湯の不使用が長期に継続すると（ステップＳ２０１）、貯湯タンク２内の水の加熱殺菌処理を実行する（ステップＳ２０２）。

これにより、第１の寿命停止時に、または第１の寿命停止後、使用者が発電システム１００を使用継続した場合に、貯湯タンク２より腐敗した水が給湯負荷に供給されることが抑制される。

ここで、貯湯タンク２の湯の不使用とは、貯湯タンク２内の湯の使用量が少なく、実質的に不使用である場合も含む。また、長期とは、貯湯タンク２の水の加熱殺菌が必要となる期間であり、その期間は、貯湯タンク２の容量及び貯湯タンク２内の水の水質等により適宜設定される。
［実施例２］
実施例２の発電システムの運転方法は、上記実施の形態の発電システムの運転方法において、第１の保護動作は、発電システム内の水経路の凍結を予防する凍結予防運転、及び発電システムの排熱を貯える貯湯タンク内から取り出された後、貯湯タンクに戻る水が流れる循環路に設けられたポンプの停止期間が長くなるとポンプを動作させる処理を備え、第２の保護動作は、凍結予防運転を備える。
［構成］
図４は、本実施例の発電システム１００の概略構成の一例を示す図である。

本実施例の発電システム１００の具体的構成は、加熱器８を備えていない点以外は、実施の形態１と同様であるので、その詳細な説明は省略する。
［動作］
次に、本実施例の発電システム１００の動作の一例について説明する。

図２及び図５は、本実施例の発電システム１００の動作の一例を示すフロー図である。

図２に示すように、発電システム１００の第１の寿命停止時及び第２の寿命停止時に、外気温が低下すると水経路内の水の温度が低下する（ステップＳ１０１）。水経路内の水の温度の低下により、水経路内の水の凍結の恐れが生じると、凍結予防運転が開始される。（ステップＳ１０２）。

なお、実施の形態１と同様に、水経路に加熱器（図示せず）を設け、凍結予防運転において、第１ポンプ３だけでなく加熱器を作動させてもよい。

また、水経路内の水の温度を検知する検知器及びこの検知器を用いた凍結予防運転の実行方法については、実施の形態１と同様であるので、その説明を省略する。

図５に示すように、発電システム１００の第１の寿命停止時に、第１ポンプ３の動作停止が長期に継続すると（ステップＳ３０１）、第１ポンプ３を動作させる処理を実行する（ステップＳ３０２）。

第１の寿命停止時に第１ポンプ３が長期に停止しても、貯湯タンク２は、給湯利用の度に市水が供給され、第１循環路５内の水に比べ新鮮である。そこで、第１ポンプ３を動作させ、貯湯タンク２内の水で第１循環路５内の水を置換することで、第１循環路５内の水の腐敗が抑制される。従って、発電システム１００を第１の寿命停止後に使用継続する際に、第１循環路５内で水の腐敗に伴う閉塞が生じ、運転できない等の問題が発生することが抑制される。

ここで、第１ポンプ３の動作停止は、例えば、発電システム１００の発電停止が、これに相当するとして判断してもよい。また、長期とは、第１循環路５の水が腐敗して第１循環路５に閉塞が生じる前に第１循環路５の水を貯湯タンク２内の水で置換する必要が生じる期間であり、その期間は、第１循環路５の容量及び第１循環路５内の水の水質等により適宜設定される。
［実施例３］
実施例３の発電システムの運転方法は、上記実施の形態の発電システムの運転方法において、発電システムは、原料から水素含有ガスを生成する改質器、及び水素含有ガスを用いて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであり、第１の保護動作は、凍結予防運転、及び燃料電池ユニット内のガス流路の内圧低下に伴い原料を補給する動作を備え、第２の保護動作は、凍結予防運転を備える。
［構成］
図６は、本実施例の発電システム１００の概略構成の一例を示す図である。

図６に示すように、本実施例の発電システム１００は、改質器１０と、燃料電池１１とを備える。

改質器１０は、原料から水素含有ガスを生成する。具体的には、改質器１０において、原料ガスが改質反応して、水素含有ガスが生成される。改質反応は、いずれの形態であってもよく、例えば、水蒸気改質反応、オートサーマル反応及び部分酸化反応等が挙げられる。図６には示されていないが、各改質反応において必要となる機器は適宜設けられる。例えば、改質反応が水蒸気改質反応であれば、改質器を加熱する燃焼器、水蒸気を生成する蒸発器、及び蒸発器に水を供給する水供給器が設けられる。改質反応がオートサーマル反応であれば、さらに、改質器に空気を供給する空気供給器（図示せず）が設けられる。なお、原料ガスは、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等の少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含むガスである。

なお、改質器１０の下流に改質器１０で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するためのＣＯ低減器を設けてもよい。ＣＯ低減器は、シフト反応により一酸化炭素を低減させる変成器と、酸化反応及びメタン化反応の少なくともいずれか一方により一酸化炭素を低減させるＣＯ除去器との少なくともいずれか一方を備える。

燃料電池１１は、水素含有ガスを用いて発電する。燃料電池としては、いずれの種類であっても良く、高分子電解質形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、及び燐酸形燃料電池等が例示される。なお、燃料電池が、固体酸化物形燃料電池の場合は、改質器と燃料電池とが１つの容器（ホットモジュール）内に内蔵されるよう構成される。

なお、本実施例の発電システム１００において、発電ユニット１は、燃料電池ユニットである。
［動作］
次に、本実施例の発電システム１００の動作の一例について説明する。

図２及び図７は、本実施例の発電システム１００の動作の一例を示すフロー図である。

図２に示すように、発電システム１００の第１の寿命停止時及び第２の寿命停止時に、外気温が低下すると発電システム１００における水経路内の水の温度が低下する（ステップＳ１０１）。水経路内の水の温度の低下により、水経路内の水の凍結の恐れが生じると、凍結予防運転が開始される。（ステップＳ１０２）。

なお、実施の形態１と同様に、水経路に加熱器（図示せず）を設け、凍結予防運転において、第１ポンプ３だけでなく加熱器を作動させてもよい。

また、水経路内の水の温度を検知する検知器及びこの検知器を用いた凍結予防運転の実行方法については、実施の形態１と同様であるので、その説明を省略する。

図７に示すように、発電システム１００の第１の寿命停止時には、改質器１０での水素含有ガスの生成が停止され、改質器１０の温度が低下する（ステップＳ５０１）。

改質器１０での水素含有ガスの生成停止時に、改質器１０の下流のガス流路は、遮断器（図示せず）で遮断され、改質器１０を含む空間は、封止されている。従って、改質器１０の温度低下に伴い改質器１０の内圧が低下する。

改質器１０の内圧が低下すると、改質器１０に原料を補給する動作を実行する（ステップＳ５０２）。

具体的には、改質器１０の内圧が低下すると原料供給器（図示せず）より改質器１０の原料を補給する。上記原料供給器は、少なくとも原料供給路（図示せず）を開閉する開閉器を備える。原料供給路は、供給圧を有する原料源に接続されているので、この開閉器により原料供給路を開放することで、改質器１０に原料が補給される。

改質器１０の内圧は、改質器１０内部の圧力を直接または間接的に検知する検知器により検知される。改質器１０内部の圧力を間接的に検知する検知器は、改質器１０の温度を検知する温度検知器、改質器１０での水素含有ガスの生成を停止してからの時間を計測する計時器等が例示される。

上記検知器の検出値に対して設定された所定の閾値以下になると、改質器１０に原料ガスが補給されるが、上記所定の閾値は、改質器１０の耐圧性能等を考慮して適宜設定される。

上記ステップＳ５０２により、改質器１０が過度に負圧になり改質器１０が変形することが抑制される。従って、第１の寿命停止後に発電システム１００を使用継続する際に、改質器１０の変形により運転できない等の問題が発生することが抑制される。
［実施例４］
実施例４の発電システムの運転方法は、実施の形態の発電システムの運転方法において、発電システムは、原料から水素含有ガスを生成する改質器、及び前記水素含有ガスを用いて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであり、第１の保護動作は、凍結予防運転、及び燃料電池ユニット内のガス流路のガス収縮に伴い原料を補給する動作を備え、第２の保護動作は、凍結予防運転を備える。
［構成］
図６は、本実施例の発電システム１００の概略構成の一例を示す図である。

本実施例の発電システム１００の具体的構成は、実施例３と同様であるので、その詳細な説明は省略する。
［動作］
次に、本実施例の発電システム１００の動作の一例について説明する。

図２及び図７は、本実施例の発電システム１００の動作の一例を示すフロー図である。

図２に示すように、発電システム１００の第１の寿命停止時及び第２の寿命停止時に、外気温が低下すると発電システム１００における水経路内の水の温度が低下する（ステップＳ１０１）。水経路内の水の温度の低下により、水経路内の水の凍結の恐れが生じると、凍結予防運転が開始される。（ステップＳ１０２）。

なお、実施の形態１と同様に、水経路に加熱器（図示せず）を設け、凍結予防運転において、第１ポンプ３だけでなく加熱器を作動させてもよい。

また、水経路内の水の温度を検知する検知器及びこの検知器を用いた凍結予防運転の実行方法については、実施の形態１と同様であるので、その説明を省略する。

図７に示すように、発電システム１００の第１の寿命停止時には、改質器１０での水素含有ガスの生成が停止され、改質器１０の温度が低下する（ステップＳ５０１）。

実施例３と異なり、本実施例の発電システム１００は、改質器１０での水素含有ガスの生成停止時に、改質器１０の下流のガス流路は、大気へ開放されている。従って、改質器１０の温度低下に伴い改質器１０内のガスが収縮するとともに、改質器１０の下流のガス流路より外気が流入する。

改質器１０内のガスが収縮すると原料ガスを補給する動作を実行する（ステップＳ５０２）。

具体的には、改質器１０内のガスが収縮すると原料供給器（図示せず）より改質器１０の原料を補給する。上記原料供給器の具体的構成及びこれを用いた改質器１０への原料の補給動作については、実施例４と同様であるので、その説明を省略する。

改質器１０のガス収縮は、これを間接的に検知する検知器により検知される。具体的には、改質器１０の温度を検知する温度検知器、改質器１０での水素含有ガスの生成を停止してからの時間を計測する計時器等が例示される。

上記検知器の検出値に対して設定された所定の閾値以下になると、改質器１０に原料ガスが補給されるが、上記所定の閾値は、外気が改質触媒、燃料電池の電極触媒に流入する前に原料ガスが補給されるよう適宜設定される。

上記ステップＳ５０２において、改質器１０の下流のガス流路より流入した外気により改質触媒、燃料電池の電極触媒等が劣化することが抑制される。改質器１０の下流にＣＯ低減器を備える場合は、ＣＯ低減器内の触媒が外気により劣化することも抑制される。従って、発電システム１００を第１の寿命停止後に使用継続する際に、改質触媒、燃料電池の電極触媒等の劣化により、運転できない等の問題が発生することが抑制される。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明によれば、寿命停止時の発電システムの保護動作が適正化され、ガスエンジン発電システム、燃料電池システム等の発電システムとして有用である。

１ 発電ユニット
２ 貯湯タンク
３ 第１ポンプ
５ 第１循環路
６ 熱交換器
７ 流体流路
８ 加熱器
１０ 改質器
１１ 燃料電池
２０ 制御器
１００ 発電システム

Claims (5)

1. 使用継続を選択可能な第１の寿命停止時に第１の保護動作を実行するステップと、使用継続を選択できない第２の寿命停止時に、第２の保護動作を実行するステップとを備え、前記第１の保護動作は、第２の保護動作よりも多くの保護動作を備える、発電システムの運転方法。
2. 前記第１の保護動作は、発電システム内の水経路の凍結を予防する凍結予防運転、及び前記発電システムの排熱を貯える貯湯タンク内の水を加熱殺菌する処理を備え、前記第２の保護動作は、前記凍結予防運転を備える、請求項１記載の発電システムの運転方法。
3. 前記第１の保護動作は、発電システム内の水経路の凍結を予防する凍結予防運転、及び前記発電システムの排熱を貯える貯湯タンク内から取り出された後、前記貯湯タンクに戻る水が流れる循環路に設けられたポンプの停止期間が長くなると前記ポンプを動作させる処理を備え、前記第２の保護動作は、前記凍結予防運転を備える、請求項１記載の発電システムの運転方法。
4. 前記発電システムは、原料から水素含有ガスを生成する改質器、及び前記水素含有ガスを用いて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであり、前記第１の保護動作は、前記凍結予防運転、及び前記燃料電池ユニット内のガス流路の内圧低下に伴い原料を補給する動作を備え、前記第２の保護動作は、前記凍結予防運転を備える、請求項１記載の発電システムの運転方法。
5. 前記発電システムは、原料から水素含有ガスを生成する改質器、及び前記水素含有ガスを用いて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであり、前記第１の保護動作は、前記凍結予防運転、及び前記燃料電池ユニット内のガス流路のガス収縮に伴い原料を補給する動作を備え、前記第２の保護動作は、前記凍結予防運転を備える、請求項１記載の発電システムの運転方法。

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