JP2006073265A

JP2006073265A - 燃料電池発電システム

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Publication number: JP2006073265A
Application number: JP2004253028A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Kusama; 伸行草間; Yukiteru Soga; 幸照曽我
Original assignee: Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2004-08-31
Filing date: 2004-08-31
Publication date: 2006-03-16

Abstract

【課題】需要家のリアルタイムの熱需要に応じて、燃料電池発電装置の運転可能な発電出力の決定や起動停止を行うことが可能な燃料電池発電システムを提供することである。
【解決手段】燃料電池１からの温水を貯めると共に該温水を外部に吐出可能な貯湯槽３と、
３内の温水の温度を計測するものであって、３内を仮想的に上下方向に少なくとも２個に分割し、該各仮想分割空間に対応して温水の温度をそれぞれ計測する少なくとも第１及び第２の温度計６と、各６の計測値を入力し、温度計の計測値が３内に１から供給される温水供給側の温度より低い第１の設定値以下で、かつ前記第２の温度計の計測値が該第１の設定値より低く前記燃料電池が許容し得る冷却温度に近似する第２の設定値以下のとき、１の発電出力の上限値を変化させる制御装置８を備えた燃料電池発電システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば家庭用の燃料電池発電装置により発生した熱を貯める貯湯タンクを備え、貯湯タンクの蓄熱量に応じてその燃料電池発電装置の出力を調整可能な燃料電池発電システムに関する。

従来から燃料の有している化学エネルギ−を直接電気に変換するシステムとして、燃料電池発電システムが知られている。この燃料電池発電システムは、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取り出すものであり、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができるシステムである。さらに、この燃料電池発電システムは大気汚染物質の排出が少なく、騒音も小さいという環境性に極めて優れた特徴を有する。

最近では家庭用コージェネレーションシステムとして給湯装置をもつ燃料電池発電設備の普及が期待されており、各所で実際の家庭に設置し、試験運転が行われている。工場等に設置されているコージェネレーションシステムとは規模が異なることから、特に、燃料電池発電装置から得られる電気と熱をいかに家庭の電力需要や熱需要と一致させるかが家庭への導入を促進するために重要となる。

しかし、家庭の電力需要や熱需要は家庭ごとに異なり、また季節や気温等の環境条件の変化によっても異なるため、一様な運転パターンを決められず、さらには、精度よく予測することも難しい。

そのため多くの計測機器や制御装置を新たに設置し、１日ごとの需要家の電力需要や熱需要を収集し、これらを使って需要予測を作り、この予測に基づいた運用する方法が多く提案されている（特許文献１〜６参照）。また、いずれの提案も、運転方法はエンジンコージェネがベースとなっているため、コージェネ機器は起動するか停止するかのＯＮ・ＯＦＦ運転しか想定されておらず、部分負荷運転ができる燃料電池の特徴を生かした運転方法に関する提案がされていなかった。
特開２００２−１３８９０２特開２００２−２１３３０３特開２００１−２４８９１０特開２００１−２４８９０９特開２００１−２４８９０７特開２００３−８７９７０

上述のように、これまでの提案は、１日ごとの需要家の電力・熱需要を如何に精度良く予測することに主眼が置かれている。言い換えると、起動するか停止するかのＯＮ・ＯＦＦ運転で、いつも同じ効率がでることを前提として、１日の終わりに丁度お湯を使いきる運転パターンを如何に正確に予想するかに主眼が置かれている。

具体的には、以上述べた各特許文献にあっては、以下の問題点がある。
(a)１日の終わりに丁度お湯を使いきる予測運転のため、夏場のように電力需要が多く給湯需要が少ない場合には、ほとんど運転しない運転パターンとなり、コージェネ装置としての意味をなさない。

確かに、コージェネ機器での省エネ性を向上させるために、需要以上の熱を極力発生させないようにすることが必要となるが、１日の終わりに丁度お湯を使いきるような設定では、夏場は特に給湯需要が少ないため、コージェネを運転する必要がなくなる。しかし、一方では、エアコン等の使用頻度が上がるため、電力需要は増加する。これに対する寄与が行われない。

（ｂ）想定外の需要変化には対応できず、また、その後の予測運転にも影響を及ぼし、経済性や省エネ性を低下させている。

過去の電力需要や熱需要に基づいた需要予測から得られた運転パターンでの運用や１日の運転パターンをスケジュール化した運用では、急な外出等により電気・熱需要が低下した場合や急な来客等で電気・熱需要が増加した場合には、需要に見合った運転はできない。また、短時間の想定外の変化であれば、その後の需要予測には特に影響しないが、１日単位での変化となると、その後の需要予測にも影響する。つまり、想定外の需要変化には対応できず、また、その後の予測運転にも影響を及ぼし、経済性や省エネ性を低下させている。

（ｃ）不在時にも、運転が行われている。

過去の電力需要や熱需要に基づいた需要予測から得られた運転パターンでの運用されている限り、上述の通り、急な外出時にも家庭用コージェネレーションは運転されたままとなる。都市ガスやＬＰガスを燃料とする発電装置であることから、保安上は停止させることが望まれる。これに対する対応ができていない。

（ｄ）燃料電池の部分負荷での出力を定義した提案がない。

特許文献６や工場等に設置されているコージェネレーションシステムでの運用のようなスケジュール運転では、コージェネ機器の停止タイミングは明確に定義されているが、ここでも、やはり、起動するか停止するかのＯＮ・ＯＦＦ運転しか考えられていない。

本発明は、以上のような状況を鑑みて提案されたものであり、その主たる目的は、需要家のリアルタイムの熱需要に応じて、燃料電池発電装置の運転可能な発電出力の決定や起動停止を行うことが可能な燃料電池発電システムを提供することである。

前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、電力を発生すると共に、該電力の発生に伴って生ずる排熱によって温められた温水を出力可能な燃料電池と、
前記燃料電池からの温水を貯めると共に該温水を外部に吐出可能な貯湯槽と、
前記貯湯槽内の温水の温度を計測する少なくとも第1及び第２の温度計と、
前記各温度計で計測された温度計測値に基づき得られる前記貯湯槽内の蓄熱量に応じて、前記燃料電池の発電出力を設定する手段と、
を備えた燃料電池発電システムである。

前記目的を達成するため、請求項２に対応する発明は、電力を発生すると共に、該電力の発生に伴って生ずる排熱によって温められた温水を出力可能な燃料電池と、
前記燃料電池からの温水を貯めると共に該温水を外部に吐出可能な貯湯槽と、
前記貯湯槽内の温水の温度を計測するものであって、該貯湯槽内を仮想的に上下方向に少なくとも２個に分割し、該各仮想分割空間に対応して温水の温度をそれぞれ計測する少なくとも第１及び第２の温度計と、
前記第１及び第２の温度計の計測値を入力し、前記第１の温度計の計測値が前記貯湯槽内に前記燃料電池から供給される温水供給側の温度より低い第１の設定値以下で、かつ前記第２の温度計の計測値が該第１の設定値より低く前記燃料電池が許容し得る冷却温度に近似する第２の設定値以下のとき、前記燃料電池の発電出力の上限値を変化させる発電出力変化手段と、
を備えた燃料電池発電システムである。

本発明によれば、需要家のリアルタイムの熱需要に応じて、燃料電池発電装置の運転可能な発電出力の決定や起動停止を行うことが可能な燃料電池発電システムを提供することができる。

以下、本発明に係る燃料電池発電システムの実施形態について、図面を参照して説明する。図１は本発明の概略構成を示すものである。

（実施形態１）
本発明の実施形態は、概略電力を発生すると共に、該電力の発生に伴って生ずる排熱によって温められた温水を出力可能な燃料電池と、前記燃料電池からの温水を貯めると共に該温水を外部に吐出可能な貯湯槽と、前記貯湯槽内の温水の温度を計測する少なくとも第1及び第２の温度計と、前記各温度計で計測された温度計測値に基づき得られる前記貯湯槽内の蓄熱量に応じて、前記燃料電池の発電出力を設定する手段とを備えた燃料電池発電システムである。

以下、これを具体的に説明する。本実施形態では、燃料電池１の熱は熱回収熱交換器２によって温水の形態で、配管（温水供給路）４を介して貯湯槽３に供給され、温水が貯められる。貯湯槽３内部の温水は、貯湯槽３の上部にその一端部が連結された吐出配管(利用する側への温水供給路)５の一部に設けられた図示しないバルブの開操作によって必要とする量だけ貯湯槽３の外部に取り出すことができるようになっている。また、貯湯槽３の
底部には、例えば水道水を供給するための配管７が連通され、貯湯槽３内の温水が使用されると、その使用量に応じた水量が補給されるようになっている。ここまでの構成は、従来と同じである。

ここでは、以下に述べる温度計６と、例えばマイクロコンピュータからなり、燃料電池１の発電出力を設定する発電出力変化手段(制御装置)８を新たに追加し、次のように構成したものである。すなわち、温度計６は、貯湯槽３内の温水の温度を計測する市販されている普通のものであって、該貯湯槽３内を仮想的に、例えば温度境界位置で上下方向に複数（ここでは６個）に分割し、該仮想分割空間に対応して温水の温度をそれぞれ計測できるように配設されている。

温度計６は、貯湯槽３内の温水の温度を計測するものであって、貯湯槽３内を仮想的に上下方向に少なくとも２個に分割し、各仮想分割空間に対応して温水の温度をそれぞれ計測する少なくとも第１及び第２の温度計からなっている。

発電出力変化手段(制御装置)８は、温度計６の計測値をそれぞれ入力し、第１の温度計６の計測値が貯湯槽３内に燃料電池１から供給される温水供給側の温度より低い第１の設定値例えば５５℃以下で、かつ第２の温度計６の計測値が第１の設定値より低く燃料電池１が許容し得る冷却温度に近似する第２の設定値例えば４０℃以下のとき、燃料電池１の発電出力の上限値を変化させるものである。

図３及び図４は、第１及び第２の温度設定値と電池出力の関係を示す図ならびに温度、電池出力と時間の関係を示す図である。

このように燃料電池１で発生した熱は、貯湯槽３に蓄熱される。蓄熱された温水は、需要家に供給される。この結果、次のような作用効果が得られる。

(１)夏場のような給湯需要が少なく、逆に電力需要が多い場合でも、極力燃料電池発電装置の運転を継続でき、経済性や省エネ性を向上させることができる。

(２)需要家のリアルタイムの熱需要に応じて、燃料電池発電装置の運転可能な発電出力の決定や起動停止を行うことが可能な燃料電池発電システムを提供すること需要家が不在の場合には、速やかに燃料電池１を停止させることにより、経済性や省エネ性の向上を行うと共に保安上の安全性も向上させることができる。

前述した発電出力変化手段(制御装置)８は、前述した実施形態において、第２の温度計６の計測値が第２の設定値を超えたとき、燃料電池１の発電運転を停止する機能を付加させてもよい。

また、前述した発電出力変化手段(制御装置)８は、前述した実施形態において、一定時間ごとの温度計測値の変化量を演算する機能を有し、得られた変化量が予め設定された変化量以下で予め設定された時間継続した場合には、前記燃料電池の発電運転を停止する機能を付加させてもよい。

さらに、前述した発電出力変化手段(制御装置)８は、前述した実施形態において、燃料電池１が停止中であっても、第２の温度計の計測値を取り込み、温度計測値が予め設定された値以下となった場合には、燃料電池１の運転を再開する機能を付加させてもよい。

また、前述した発電出力変化手段(制御装置)８は、前述した実施形態において、燃料電池１の起動停止回数を把握し、該起動停止回数が予め設定された値以上となった場合は燃料電池の起動を不可とする保護機能を付加させてもよい。

以上述べた実施形態は、発電出力変化手段(制御装置)８の入力として蓄熱量とほぼ比例関係にある、温度計６の計測値を取り込んだ例について説明したが、このり代わりに以下に述べる蓄熱量(貯湯槽内熱量)を取り込むようにしても、前述の実施形態と同様な効果が得られる。

発電出力変化手段(制御装置)８は、各温度計６で計測された温度計測値Ｔ１〜Ｔ２と、外気温度Ｔ６並びに貯湯槽３内の温水の体積Ｒ１〜Ｒ２に基いて、貯湯槽３内の仮想分割空間毎の貯湯槽内熱量をそれぞれ演算し、これらの総和から貯湯槽内全体の貯湯槽内熱量Ｑ_hwを演算する。

具体的には、（１）式により演算する。

Q_hw＝R1×（T1-T6）＋R2×（（T1+T2）/2−T6）・・・（１）式
ここで、Ｑ_hw：貯湯槽内熱量
Rn：体積（Ｒ１〜Ｒ２）
Tn：温度計測値（例えばＴ１〜Ｔ２）
T6：外気温度
また、電池排熱量演算手段は、燃料電池１の冷却水配管の入口側及び出口側にそれぞれ設けられた温度計９、１０により計測した温水の温度計測値ＴＩ、ＴＯと、燃料電池１の冷却水配管内の流量から燃料電池からの排熱量dQ_FCを求めるものである。この場合流量は、例えば冷却水配管の一部に設けられているポンプ８の回転数を所定時間例えば５秒毎にモニタしこれらの積算値から求めるものである。

これとは別に、（２）式によって排熱量ｄQ_FCを求めることもできる。

ｄQ_FC＝ｄＷ×Ａ・・・（２）式
ここで
ｄＷ：燃料電池発電電力
Ａ：熱電比（燃料電池の発電電力と排熱量比）
さらに、貯湯槽内熱量変化演算手段は、前記貯湯槽内熱量演算手段で演算された演算値から所定時間毎に貯湯槽内の熱量変化dQ_hwを演算するものである。

そして、このような構成を備えている演算装置７において、（３）式により
貯湯槽内の熱量変化dQ_hwと、燃料電池１から貯湯槽３へ供給する排熱量dQ_FCとあわせて、貯湯槽から利用側への熱需要量dQ_userを正確に推定することができる。

ｄQ_user＝ｄQ_hw＋ｄQ_FC ・・・（３）式
図２は、以上述べたことを説明するための図で、（ａ）は燃料電池１から貯湯槽３への熱量特性、（ｂ）は毎時刻毎の貯湯槽内熱量特性、（ｃ）は貯湯槽３から利用側の熱需要特性を示す。

本発明の実施形態を示す概略構成図。 (a)は燃料電池１から貯湯槽３への熱量特性であり、（ｂ）は毎時刻毎の貯湯槽内熱量特性であり、（ｃ）は貯湯槽３から利用側の熱需要特性を示す図。図1の実施形態の制御装置の機能を説明するための図。図1の実施形態の制御装置の機能を説明するための図。

符号の説明

１…燃料電池、２…熱回収熱交換器、３…貯湯槽、４…配管、５…吐出配管、７…配管、８…発電出力変化手段(制御装置)

Claims

電力を発生すると共に、該電力の発生に伴って生ずる排熱によって温められた温水を出力可能な燃料電池と、
前記燃料電池からの温水を貯めると共に該温水を外部に吐出可能な貯湯槽と、
前記貯湯槽内の温水の温度を計測する少なくとも第1及び第２の温度計と、
前記各温度計で計測された温度計測値に基づき得られる前記貯湯槽内の蓄熱量に応じて、前記燃料電池の発電出力を設定する手段と、
を備えた燃料電池発電システム。
電力を発生すると共に、該電力の発生に伴って生ずる排熱によって温められた温水を出力可能な燃料電池と、
前記燃料電池からの温水を貯めると共に該温水を外部に吐出可能な貯湯槽と、
前記貯湯槽内の温水の温度を計測するものであって、該貯湯槽内を仮想的に上下方向に少なくとも２個に分割し、該各仮想分割空間に対応して温水の温度をそれぞれ計測する少なくとも第１及び第２の温度計と、
前記第１及び第２の温度計の計測値を入力し、前記第１の温度計の計測値が前記貯湯槽内に前記燃料電池から供給される温水供給側の温度より低い第１の設定値以下で、かつ前記第２の温度計の計測値が該第１の設定値より低く前記燃料電池が許容し得る冷却温度に近似する第２の設定値以下のとき、前記燃料電池の発電出力の上限値を変化させる発電出力変化手段と、
を備えた燃料電池発電システム。
前記発電出力変化手段は、前記第２の温度計の計測値が前記第２の設定値を超えたとき、燃料電池の発電運転を停止する機能を有することを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電システム。
前記発電出力変化手段は、一定時間ごとの温度計測値の変化量を演算する機能を有し、得られた変化量が予め設定された変化量以下で予め設定された時間継続した場合には、前記燃料電池の発電運転を停止する機能を有することを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電システム。
前記発電出力変化手段は、前記燃料電池が停止中であっても、前記第１の温度計の計測値を取り込み、温度計測値が予め設定された値以下となった場合には、前記燃料電池の運転を再開する機能を有することを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電システム。
前記発電出力変化手段は、前記燃料電池の起動停止回数を把握し、該起動停止回数が予め設定された値以上となった場合は燃料電池発電設備の起動を不可とする保護機能を有した請求項２記載の燃料電池発電システム。