JP4501259B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、家庭で用いられる燃料電池発電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ビルや住宅の電力エネルギー源として燃料電池を用いることが検討されている。燃料電池は、周知のように、たとえば酸素と水素とを化学反応させることで生じる起電力を利用するものであり、化学エネルギーが直接的に電気エネルギーに変換されるので優れた変換効率が得られる。
【０００３】
また、燃料電池の作動は発熱を伴うため、さらにその熱を利用してトータルなエネルギー効率を高め、これによりトータルコスト効率を高めることが検討されている。
【０００４】
特開２０００−１８７１８公報には、燃料電池からの排熱を利用して湯を製造、貯留及び給湯可能とすることで、電力と湯との両方が得られるシステムが開示されている。このシステムには、電力を発生する燃料電池と、該燃料電池の動作を制御する制御装置と、湯を給湯可能に貯えることができる貯湯槽と、前記燃料電池の排熱によって前記貯湯槽内の湯を加熱可能な熱交換器とが備えられている。前記制御装置には、前記貯湯槽に設けられたセンサから該貯湯槽内の貯湯量及び湯温に関する情報が送られるようになっている。また、前記貯湯槽には、前記燃料電池の電力を利用して該貯湯槽内の湯を加熱可能な電熱ヒータが備えられている。そしてこのシステムでは、前記貯湯量及び湯温と、前記燃料電池の電力を消費する負荷側の消費電力と、予め定められた所望の貯湯量及び湯温との比較に基づいて、前記制御装置が前記燃料電池の動作及び前記電熱ヒータの出力の制御を行うようになっている。これにより、所望の貯湯量及び湯温の湯が効率よく製造できるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記システムでは、前記貯湯量が所望のものと記載されているのみで、その具体的な湯量に関しては格別な配慮がなされていない状態であった。
【０００６】
本発明の目的は、湯の製造量（貯湯量）の適正化により、トータルコスト効率を高くすることができる燃料電池発電システムを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、燃料電池で発生した直流電力を交流に変換するインバータを備え、該インバータ及び配電盤を介して前記燃料電池と商用電源とを連系させるとともに、前記燃料電池からの排熱を利用して湯を製造するようにした燃料電池発電システムにおいて、過去の前記湯の消費パターンに基づいて貯湯槽の目標貯湯量を決定するとともに、貯湯量が前記目標貯湯量になるように前記燃料電池の動作を制御する制御装置を設け、前記制御装置は、決定された目標貯湯量が一定値よりも小さくて前記湯の保温には不適な場合に前記目標貯湯量を一定値に引き上げることを要旨とする。
【０００８】
この発明では、燃料電池からの廃熱を利用して湯が製造される。制御装置は、前記燃料電池の動作を制御することで湯の製造量を調節する。前記制御装置は、過去の湯の消費パターンに基づいて貯湯槽の目標貯湯量を決定する。この目標貯湯量は、消費が予想される湯量を満足し、かつ、その湯量から過大にならない範囲内で設定される。そして、前記制御装置は、前記貯湯槽の貯湯量が前記目標貯湯量になるように前記燃料電池の動作を制御する。つまり、この発明によれば、無用な湯の作りすぎを抑えることができるようになるため、トータルコスト効率をよくすることができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記過去の湯の消費パターンは、過去所定期間の最大消費湯量であることを要旨とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記過去の湯の消費パターンは、過去所定期間の平均消費湯量であることを要旨とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図１に従って説明する。
図１に示すように、燃料電池発電システムは、燃料電池１１、改質器１２及びインバータ１３を備えている。燃料電池１１は例えば固体高分子形の燃料電池からなり、改質器１２で原燃料から改質された改質ガスと、空気とが供給され、改質ガス中の水素を空気中の酸素と反応させて直流の電気エネルギー（直流電力）を発生する。原燃料としては例えば都市ガスやＬＰガス等が使用される。
【００１４】
インバータ１３は入力側が燃料電池１１の出力側に接続され、出力側が配電盤１４を介して負荷１５に接続されている。インバータ１３は、燃料電池１１からの直流電力を交流電力に変換する。その交流電力は、配電盤１４を介して負荷１５側に供給されるようになっている。
【００１５】
配電盤１４は、商用電源（系統電源）１６とも接続されている。配電盤１４は、原則的にはインバータ１３からの交流電力を負荷１５側に供給し、この供給電力が負荷１５の要求電力に足りないときには商用電源１６から電力を補うように構成されている。
【００１６】
この燃料電池発電システムには、燃料電池１１に湯を製造可能なほどの排熱を伴う発電をさせるか否かをコントロール可能な制御装置１７が設けられている。制御装置１７からは、燃料電池１１に前述の発電をさせるか否かをコントロールするための制御信号が、改質器１２に対して出力されるようになっている。この制御信号により、改質器１２から燃料電池１１への前記改質ガスの供給量が増減され、燃料電池１１の発電がコントロールされるようになっている。例えば、前記制御信号が、燃料電池１１に湯を製造可能なほどの排熱を伴う発電をさせる旨のものである場合には、改質器１２から燃料電池１１には、該燃料電池１１が所定の一定出力で発電するように前記改質ガスが供給される。このときの燃料電池１１の出力値は、該燃料電池１１の燃費効率や寿命を考慮したものに決定される。また、前記制御信号が、燃料電池１１に前述の発電をさせない旨のものである場合には、改質器１２から燃料電池１１には、該燃料電池１１がスタンバイ状態を保つことができる程度の量の前記改質ガスが供給されるようになっている。
【００１７】
燃料電池１１には、配管１８が連結されている。燃料電池１１は、該配管１８の途中に介在するように配置されている。配管１８の上流側は、水道に連結され、下流側は貯湯槽１９に連結されている。配管１８の上流側の途中、つまり前記水道と燃料電池１１との間には、バルブ２０が設けられている。バルブ２０は、制御装置１７からの制御信号に基づいて開閉するようになっている。制御装置１７は、燃料電池１１を前述の所定の一定出力で発電させているとき（湯を製造可能なほどの排熱を伴う発電をさせているとき）には、バルブ２０が開くように該バルブ２０に対して制御信号を出力するようになっている。バルブ２０が開状態になると、前記水道側から、単位時間当たり一定流量の水道水が配管１８の上流側を介して燃料電池１１に供給されるようになっている。この水道水は、燃料電池１１からの排熱により加熱されて湯となった後に配管１８の下流側を介して貯湯槽１９に供給されるようになっている。なお、燃料電池１１は、この水道水に熱を奪われることによって、発電に適した温度に保たれるようになっている。
【００１８】
燃料電池１１が前述の所定の一定出力で発電していないとき（湯を製造可能なほどの排熱を伴う発電をしていないとき）には、制御装置１７はバルブ２０に対して該バルブ２０が閉じるように制御信号を出力するようになっている。この制御信号によりバルブ２０が閉状態となると、貯湯槽１９には湯が供給されないようになっている。なお、燃料電池１１がスタンバイ状態のときに発する熱は、大気中に放熱され、配管１８内の湯の温度を過度に上昇させるようには作用しないようになっている。
【００１９】
貯湯槽１９に貯えられた湯は、該貯湯槽１９に連結された給湯管２１から、風呂や台所などに供給されるようになっている。貯湯槽１９内の貯湯量は、該貯湯槽１９に設けられた湯量計２２によって計測可能になっている。制御装置１７には、この湯量計２２によって計測された貯湯量に関する計測信号が常時入力されるようになっている。制御装置１７は、この計測信号から把握される貯湯槽１９内の貯湯量を常時監視するようになっており、この貯湯量の変化から、湯の消費量及びその消費量の変化つまり湯の消費パターンを把握できるようになっている。
【００２０】
制御装置１７は、過去の前記湯の消費パターンに基づいて、貯湯槽１９の目標貯湯量を決定するようになっている。この目標貯湯量は、１日を複数の時間帯に分けて、その時間帯別に決定されるようになっている。例えば、１日を、食事の前後、入浴時、夜間及び昼間に分けて、これらの時間帯別に把握された前記湯の消費パターンによってそれぞれの時間帯別に前記目標貯湯量が決定されるようになっている。この目標貯湯量は、例えば、前記各時間帯における過去１ケ月内の最大消費湯量よりもやや多い湯量に決定される。そして、制御装置１７は、燃料電池１１の発電時間の長さ（即ち、貯湯槽１９への湯の供給時間の長さ）を制御することで、貯湯槽１９の貯湯量を、該貯湯量が前記目標貯湯量になるように調整するようになっている。なお、時刻の経過により前記時間帯が替わり、前記目標貯湯量が実際の貯湯槽１９の貯湯量を下回るように変化した場合には、その後に湯が使用されて実際の貯湯量が前記目標貯湯量を下回るようになるまで貯湯槽１９には湯が供給されないようになっている。
【００２１】
また、制御装置１７には、外部からの情報入力が可能な入力装置２３が接続されている。前記目標貯湯量は、この入力装置２３を介してマニュアル設定できるようになっている。例えば、制御装置１７によって決定された前記目標貯湯量は、この操作により設定変更できるようになっている。なお、入力装置２３から制御装置１７へは前記外部情報に関する入力信号が送られるようになっている。また、制御装置１７から入力装置２３へは前記設定内容や貯湯槽１９の貯湯量などを含む制御装置１７の各種情報を入力装置２３側のモニタに表示するための表示信号が送られるようになっている。
【００２２】
本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
（１） 例えば、必要以上に湯が製造され続け、貯湯槽１９が満タンになった場合、それ以上に製造された分の湯は廃棄されることになり、エネルギーが無駄に消費されたことになり、トータルコスト効率は低くなる。また、たとえ貯湯槽１９が満タンになるまでに至らなかったとしても、要求湯量よりも余分に製造された分の湯に関してはその製造過程において無駄にエネルギーが消費されたことになり、又保存過程において余分にエネルギーが消費されたことになる。これに対し、本実施形態では、制御装置１７が、過去の湯の消費パターンに基づいて貯湯槽１９の目標貯湯量を決定し、貯湯槽１９の貯湯量が前記目標貯湯量になるように燃料電池１１の動作を制御するようにした。前記目標貯湯量は、消費が予想される湯量を満足するとともにその湯量から過大にならない程度のものとして、過去１ケ月内の最大消費湯量よりもやや多い量に決定されるようにした。つまり、貯湯槽１９の貯湯量が、実際の要求湯量に近くなるように調節可能になる。これにより、無用な湯の作りすぎを抑えることが可能になるため、燃料電池発電システムのトータルコスト効率をよくすることができる。
【００２３】
（２） 前記目標貯湯量を、１日を複数の時間帯に分けて、その時間帯別に決定するようにした。これにより、前記目標貯湯量を、さらに高精度に実際の要求湯量に近づかせることができるようになる。つまり、無用な湯の作りすぎをさらに抑えることができるようになる。したがって、燃料電池発電システムのトータルコスト効率をさらによくすることができるようになる。
【００２４】
（３） 入力装置２３を介して、前記目標貯湯量をマニュアル設定できるようにした。これにより、前記目標貯湯量を、過去の湯の消費パターンに基づいて制御装置１７が決定したものとは異なる値に変更することができるようになる。したがって、例えば、イレギュラーな湯の消費状況にも対応可能となる。また、燃料電池１１の発電時間を意図的に変更することが可能になる。
【００２５】
（４） 一般に燃料電池は大幅な出力の増減が繰り返されるとその寿命が短くなるという性質を持っている。これに対し、本実施形態の燃料電池１１は、湯を製造可能なほどの排熱を伴う発電時の出力が一定値となるように動作されるようになっている。これにより、燃料電池１１の寿命を延ばすことが可能になる。また、燃料電池１１の出力値が燃費効率や寿命を考慮したものに決定されることで、燃料電池１１の寿命がさらに長くなるとともにエネルギー効率がよくなる。
【００２６】
実施の形態は前記に限定されるものではなく、例えば、以下の様態としてもよい。
○ 前記実施形態では、１日を、食事の前後、入浴時、夜間及び昼間に分けて、これらの時間帯別に把握された前記湯の消費パターンによってそれぞれの時間帯別に前記目標貯湯量を決定するようにした。しかし、時間帯の分け方は、これに限定されない。さらに多くの時間帯に分けてもよく、少なくてもよい。また、時間帯分けをせず、前記目標貯湯量を終日同じ値を示すものとしてもよい。
【００２７】
○ 前記実施形態では、前記目標貯湯量を、過去１ケ月内の湯の消費パターンに基づいて決定するようにしたが、１ケ月に限定されない。例えば、数日であってもよく、数週間または数ケ月であってもよい。
【００２８】
○ 前記目標貯湯量を、過去の曜日別の湯の消費パターンに基づいて曜日別に決定するようにしてもよい。また、曜日別ではなく、平日と休日とに分けて決定するようにしてもよい。これらによれば、前記目標貯湯量を、前記湯の消費パターンの曜日などによる変化に対応させることができるため、該目標貯湯量がより実情に即したものとなる。
【００２９】
○ 前記実施形態では、前記目標貯湯量を、過去の最大消費湯量よりもやや多い湯量に決定するようにしたが、これに限定されない。例えば、前記目標貯湯量が貯湯槽１９のキャパシティに対して過小で、湯の保温には不適なものである場合には、前記目標貯湯量を、湯の保温に適した一定値（所定湯量）にまで引き上げて決定するようにしてもよい。この場合、湯の保温効率をよくすることができる。
【００３０】
○ 過去の消費湯量のピーク値（最大消費湯量）が過大で、これに基づいて決定された前記目標貯湯量が無用に大きなものとなる場合には、過去の消費湯量の平均値に基づいて前記目標貯湯量を決定するようにしてもよい。また、この平均値は、前記ピーク値など、特異な値を除いたものであってもよい。これによれば、前記目標貯湯量をより実情に即したものにすることができる。
【００３１】
○ 貯湯槽１９に、該貯湯槽１９内の湯を加熱可能な電熱ヒータを設けてもよい。これによれば、湯温の低下を抑えたり、湯温の上昇を早めたりすることができるようになる。また、燃料電池１１の電力を利用して前記電熱ヒータを駆動可能にすることで、燃料電池１１の余剰電力を熱に変換して利用することができる。なお、前記余剰電力は、燃料電池１１の発電量に対して負荷１５側の消費電力量が少ないときの、前記発電量と前記消費電力量との差を指している。
【００３２】
○ 燃料電池１１の出力した直流電力を充電可能な二次電池（蓄電池）を設け、該燃料電池１１の余剰電力を貯えるようにしてもよい。これによれば、要求電力量が多い場合などに前記二次電池の電力を利用することで、商用電源１６側からの電力量を減らすことができる。
【００３３】
○ 配管１８の途中に、燃料電池１１から貯湯槽１９に供給された湯量を計測するとともに制御装置１７に対してその湯量に関する信号を出力可能な供給量計を設けてもよい。これによれば、制御装置１７が湯量計２２による貯湯量情報のみを参照する場合に比較して、前記供給量計からの湯量情報を併せて参照可能とすることで、湯の消費パターンがより把握され易くなる。なお、給湯管２１の途中に、貯湯槽１９から排出された湯量を計測するとともに制御装置１７に対してその湯量に関する信号を出力可能な排出量計を設けて、制御装置１７がこの排出量計からの湯量情報と湯量計２２からの貯湯量情報とを参照するようにしてもよい。
【００３４】
○ 制御装置１７は、入力装置２３を介して前記目標貯湯量と共にマニュアル設定された時間情報に基づいて、前記目標貯湯量を所定時間後に所望値に変更するタイマー機能を備えていてもよい。これによれば、所定時間後に貯湯槽１９の目標貯湯量を所望のものにすることができる。したがって、前記目標貯湯量の所望値設定を、前記目標貯湯量が所望値に変更される時点よりも所定時間だけ前に行うことができる。
【００３５】
○ 制御装置１７は、入力装置２３を介して前記目標貯湯量と共にマニュアル設定された時間情報に基づいて、貯湯槽１９の貯湯量が所定時間後に前記目標貯湯量の所望値になるように燃料電池１１の動作を制御する機能を備えていてもよい。これによれば、所定時間後に貯湯槽１９の貯湯量を所望のものにすることができる。したがって、所望の時間後に所望の貯湯量を確保することが可能になるため、湯を有効に使うことができるようになる。
【００３６】
○ 入力装置２３は設けられていなくてもよい。つまり、前記目標貯湯量を入力装置２３などを介して外部から入力可能な構成となっていなくてもよい。
次に、前記実施形態から把握できる請求項に記載した発明以外の技術的思想について、その効果とともに以下に記載する。
【００３７】
（１） 前記貯湯槽の目標貯湯量は、一日のうちの複数の時間帯別に決定されること。これによれば、貯湯槽の目標貯湯量が、１日の中で変化する要求湯量に対して、より沿ったものとなる。
【００３８】
（２） 前記一日のうちの複数の時間帯は、食事の前後、入浴時、夜間及び昼間であること。食事の前後と入浴時と夜間と昼間とは、互いに要求湯量に大きく差が出易い時間帯であるため、これによれば、それぞれの時間帯について目標貯湯量を決定することで、該目標貯湯量がより実際の要求湯量に即したものとなる。
【００３９】
【発明の効果】
以上詳述したように、各請求項に記載の発明によれば、燃料電池発電システムにおいて、湯の製造量（貯湯量）の適正化により、トータルコスト効率を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態の燃料電池発電システムの概要を示す構成図。
【符号の説明】
１１…燃料電池、１３…インバータ、１４…配電盤、１６…商用電源、１７…制御装置、１９…貯湯槽、２３…入力装置。

Claims (3)

1. 燃料電池で発生した直流電力を交流に変換するインバータを備え、該インバータ及び配電盤を介して前記燃料電池と商用電源とを連系させるとともに、前記燃料電池からの排熱を利用して湯を製造するようにした燃料電池発電システムにおいて、
   過去の前記湯の消費パターンに基づいて貯湯槽の目標貯湯量を決定するとともに、貯湯量が前記目標貯湯量になるように前記燃料電池の動作を制御する制御装置を設け、
   前記制御装置は、決定された目標貯湯量が一定値よりも小さくて前記湯の保温には不適な場合に前記目標貯湯量を一定値に引き上げることを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 前記過去の湯の消費パターンは、過去所定期間の最大消費湯量である請求項１に記載の燃料電池発電システム。
3. 前記過去の湯の消費パターンは、過去所定期間の平均消費湯量である請求項１に記載の燃料電池発電システム。

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