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公開番号2021009825
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210128
出願番号2019123777
出願日20190702
発明の名称燃料電池装置
出願人京セラ株式会社,ダイニチ工業株式会社
代理人個人
主分類H01M 8/04 20160101AFI20201225BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】自立運転時の耐久性および信頼性に優れた燃料電池装置を提供する。
【解決手段】本開示の燃料電池装置100は、燃料電池11と、燃料電池11の排熱と熱交換した熱媒を蓄える蓄熱タンク3と、燃料電池11の動作を制御する制御装置30と、蓄熱タンク3に蓄えられた熱を利用して出湯を行う出湯装置60とを備える。制御装置30は、自立運転中に発電抑制条件を満たした場合に定格よりも低い出力で発電運転を行う発電抑制運転が実行可能であり、自立運転中に出湯装置60の動作指示があった場合、出湯装置60の動作を実行する、出湯制御を備える。
【選択図】 図1
特許請求の範囲【請求項1】
発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の排熱と熱交換した熱媒を蓄える蓄熱タンクと、
前記燃料電池の動作を制御する制御装置と、
前記蓄熱タンクに蓄えられた熱を利用して出湯を行う出湯装置と、を備え、
前記制御装置は、自立運転中に発電抑制条件を満たした場合に定格よりも低い出力で発電運転を行う発電抑制運転が実行可能であり、自立運転中に前記出湯装置の動作指示があった場合、前記出湯装置の動作を実行する、出湯制御を備えている、燃料電池装置。
続きを表示(約 700 文字)【請求項2】
前記発電抑制条件は、前記蓄熱タンクに貯水された前記熱媒の温度に関する第1条件を含む、請求項1記載の燃料電池装置。
【請求項3】
前記制御装置は、前記第1条件を満たして、前記発電抑制運転を実行中である場合は、前記発電抑制運転を解除するとともに、前記出湯制御を実行する、請求項2記載の燃料電池装置。
【請求項4】
前記制御装置は、前記出湯装置の動作を停止した後に、前記発電抑制条件を満たしているかを判定し、前記第1条件を満たしているときには前記発電抑制運転を実行する請求項3記載の燃料電池装置。
【請求項5】
前記制御装置は、前記出湯装置の動作中に前記発電抑制条件が解消された場合に、前記出湯装置の動作指示の種類に応じて、前記出湯装置の動作を継続するか、停止するかを判定する継続判定制御を実行する請求項3記載の燃料電池装置。
【請求項6】
前記制御装置は、前記第1条件が満たされて、前記出湯制御を実行するにあたり、予め定められた特定の出湯装置を動作させるか使用者に選択させる報知を行う請求項2〜5のいずれかに記載の燃料電池装置。
【請求項7】
前記発電抑制条件は、前記燃料電池の温度に関する第2条件を含み、
前記制御装置は、該第2条件を満たす場合は、前記出湯制御を実行しない請求項1〜6のいずれかに記載の燃料電池装置。
【請求項8】
前記制御装置は、前記出湯動作の実行中に、前記第2条件を満たした場合は、出湯動作を停止し、前記発電抑制運転を実行する請求項7記載の燃料電池装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本開示は、燃料電池装置に関する。
続きを表示(約 5,500 文字)【背景技術】
【0002】
発電を行う燃料電池と、燃料電池からの排熱を熱媒に回収して蓄積する排熱回収系とを備え、燃料電池から出力される電力と系統電源から供給される電力とを組み合わせて外部負荷に供給する燃料電池装置が知られている。また、停電など系統電源からの電力供給が停止した場合、燃料電池が発電する電力のみを外部負荷に供給する自立運転を行う燃料電池装置も知られている(例えば、特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2017−098153号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
従来の燃料電池装置では、自立運転時において、熱媒の温度が高くなり、燃料電池装置の耐久性および信頼性が低下することがあった。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本開示の燃料電池装置は、発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の排熱と熱交換した熱媒を蓄える蓄熱タンクと、
前記燃料電池の動作を制御する制御装置と、
前記蓄熱タンクに蓄えられた熱を利用して出湯を行う出湯装置と、を備え、
前記制御装置は、自立運転中に発電抑制条件を満たした場合に定格よりも低い出力で発電運転を行う発電抑制運転が実行可能であり、自立運転中に前記出湯装置の動作指示があった場合、前記出湯装置の動作を実行する、出湯制御を備えている。
【発明の効果】
【0006】
本開示の燃料電池装置によれば、自立運転時において、熱媒の温度が高くなることを抑制し、燃料電池装置の耐久性および信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
実施形態の燃料電池装置の概略構成図である。
外装ケース内の燃料電池装置の構成を示す斜視図である。
実施形態の制御の一例を示すフローチャートである。
実施形態の制御の他の一例を示すフローチャートである。
熱媒高温抑制制御を示すフローチャートである。
実施形態の制御の他の一例を示すフローチャートである。
燃料電池高温抑制制御を示すフローチャートである。
継続判定制御を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、図面を用いて本開示の実施形態に係る燃料電池装置について説明する。図1は、実施形態の燃料電池装置の概略構成図であり、図2は、外装ケース内の燃料電池装置の構成を示す斜視図である。
【0009】
実施形態の燃料電池装置100は、燃料電池11と、蓄熱タンク3と、制御装置30と、出湯装置60とを備える。
【0010】
燃料電池11は、燃料ガスと空気とを用いて発電を行なう。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。燃料電池セルは、固体酸化物形燃料電池セルであってもよい。燃料電池装置100は、収納容器10内に燃料電池11と改質器12とを収納してなる燃料電池モジュール(モジュールともいう)1を有している。
【0011】
発電に用いられる空気は、空気ブロアB2と、空気流量計AM1と、空気流路である配管Aとを含む空気供給装置14を介して燃料電池11に導入される。空気流量計AM1としては、エアフローメータなどの公知の流量計を用いることができる。発電に用いられる燃料ガスは、燃料ガスポンプB1と、原燃料ガス流路である配管Gとを含む燃料ガス供給装置15を介して、燃料ガスを改質するための改質水とともに、改質器12に導入される。
【0012】
燃料電池装置100は、燃料電池11の温度を測定する第1温度測定部TM1を有している。第1温度測定部TM1としては、熱電対など公知の温度測定装置を用いることができる。本実施形態では、燃料電池11の温度の代表値として、燃料電池11の中心位置における温度を第1温度測定部TM1で測定している。
【0013】
燃料電池装置100は、第1熱交換器2、水などの熱媒を蓄える蓄熱タンク3、ヒータ4、蓄熱タンク3から熱媒を循環させる熱媒ポンプP1およびこれらを繋ぐ流路配管などを含む排熱回収システムである第1の熱循環系HC1を備えている。例えば図1に示すように、第1の熱循環系HC1における熱媒の循環方向において、第1熱交換器2、ヒータ4および蓄熱タンク3は、この順に設けられている。
【0014】
第1熱交換器2では、燃料電池11の排ガス(排熱ともいう)と熱媒とが熱交換し、排ガスに含まれる水分が結露して凝縮水が生じる。生じた凝縮水は、凝縮水流路Cを経由して回収され、改質水タンク6に貯留される。水分が取り除かれた排ガスは、排ガス流路Eを介して、装置外部に排気される。改質水タンク6に貯水された改質水は、改質水流路Rおよび改質水ポンプP3を介して、改質器12に供給され、燃料ガスの水蒸気改質に利用される。蓄熱タンク3には、燃料電池11の排熱と熱交換した熱媒が貯留される。ヒータ4は、第1の熱循環系HC1を循環する熱媒に熱を与える。ヒータ4は、例えば図1に示すように、熱媒の循環方向における第1熱交換器2の下流かつ蓄熱タンク3の上流に位置している。
【0015】
燃料電池装置100は、蓄熱タンク3内に貯留された熱媒の温度を測定する第2温度測定部TM2を有している。第2温度測定部TM2としては、サーミスタなどの公知の温度測定装置を用いることができる。本実施形態では、蓄熱タンク3の底部における熱媒の温度を第2温度測定部TM2で測定している。
【0016】
燃料電池装置100は、第1の熱循環系HC1を循環する熱媒の温度を測定する第3温度測定部TM3および第4温度測定部TM4を有している。第3温度測定部TM3および第4温度測定部TM4としては、サーミスタなどの公知の温度測定装置を用いることができる。本実施形態では、ヒータ4の出口、すなわち熱媒の循環方向におけるヒータ4の下流かつ蓄熱タンク3の上流での熱媒の温度を第3温度測定部TM3で測定している。また、本実施形態では、熱媒の循環方向における蓄熱タンク3の下流かつ第1熱交換器2の上流での熱媒の温度を第4温度測定部TM4で測定している。
【0017】
燃料電池装置100は、第2熱交換器5、蓄熱タンク3から熱媒を循環させる与熱ポンプP2およびこれらを繋ぐ流路配管などを有する排熱回収システムである第2の熱循環系HC2を備えている。第2熱交換器5では、蓄熱タンク3に蓄えられた高温の熱媒と、供給流路Kinを介して上水道から供給された低温の水道水とが熱交換する。第2熱交換器5で加温された水道水(温水ともいう)は、送給流路Koutを介して出湯装置60に送給される。供給流路Kinは、上水道から供給された水道水の温度を測定する第5温度測定部TM5を有している。第5温度測定部TM5としては、サーミスタなどの公知の温度測定装置を用いることができる。
【0018】
出湯装置60は、蓄熱タンク3に蓄えられた熱を利用して出湯を行う。出湯装置60は、送給流路Koutを介して送給される温水を、例えば家庭内の風呂、台所、洗面台などに出湯する。出湯された温水は、生活用水として使用される。
【0019】
燃料電池装置100は、発電および出湯などを行う場合に必要となる各種の構成をさらに備えていてもよい。上記に示した各構成は、一例であって、後述する各種制御に必要な構成以外は、任意の構成である。
【0020】
燃料電池装置100は、燃料電池モジュール1などの他、その発電運転を補助する補機として、パワーコンディショナ20、制御装置30、表示装置や操作パネルを含む操作基板40などを備える。パワーコンディショナ20は、燃料電池11で発生した電力を、系統電源と連系して外部負荷に供給する。パワーコンディショナ20は、系統電源からの電力供給が停止した場合、そのことを検知することができる。燃料電池装置100は、例えば、図2に示すような、各フレーム51と各外装パネル52とからなるケース50の中に配設されている。
【0021】
そして、燃料電池装置100は、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ために、少なくとも1つのプロセッサおよび記憶装置などを含む制御装置30を備える。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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の各部にかかる、種々の機能を実現する。
【0026】
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、本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、本実施形態において、制御装置30は特に、燃料電池装置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、燃料ガスポンプB1などの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。
【0027】
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く、後述する熱媒高温抑制制御や燃料電池高温抑制制御で使用するフラグなどを記憶している。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などの任意の非一時的(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など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)など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。
【0028】
なお、燃料電池装置の制御装置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。
【0029】
制御装置30は、燃料電池11の発電運転を、複数の運転モードを適宜切り替えて制御する。複数の運転モードは、通常運転モードおよび自立運転モードを含んでいる。
【0030】
通常運転モードは、系統電源からの電力供給が継続している場合に、燃料電池11の発電運転を制御するものである。通常運転モードは、定格運転モードおよび部分負荷運転モードを含んでいる。定格運転モードは、定格の発電電力(第1出力ともいう)W1で発電運転を行う運転モードであり、第1出力W1で発電運転を行うために予め定められた供給量に基づいて、燃料電池11に燃料ガスおよび空気を供給し、第1出力W1の出力となるように動作させる。部分負荷運転モードは、外部負荷の変動に応じて出力を変動させる運転モードである。
(【0031】以降は省略されています)

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