JP2002075391A

JP2002075391A - 燃料電池発電システム

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Publication number: JP2002075391A
Application number: JP2000268134A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Yoshida; 稔彦吉田; Yoichiro Kashiwagi; 陽一郎柏木; Soichi Tsuda; 壮一津田; Takeo Kojima; 健夫小島; Teruji Fukuda; 輝士福田
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2000-09-05
Filing date: 2000-09-05
Publication date: 2002-03-15
Anticipated expiration: 2020-09-05
Also published as: JP4501259B2

Abstract

(57)【要約】【課題】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。【解決手段】燃料電池１１からの排熱により製造した
湯を配管１８を介して貯湯槽１９に給湯可能に貯留す
る。制御装置１７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ているときに、貯湯槽１９に
湯が供給されるようにバルブ２０を開閉制御する。制御
装置１７には、貯湯槽１９に設けられた湯量計２２から
貯湯槽１９の湯量に関する信号が常時入力される。制御
装置１７は、この信号から把握される湯の消費パターン
に基づいて貯湯槽１９の目標貯湯量を決定するととも
に、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の動作を制御することで、貯湯槽１９への
湯の供給量を調節する。これによれば、湯の作りすぎを
抑えることができるようになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【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
たことを要旨とする。

【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、前記目標貯湯量は、一定値であること
を要旨とする。この発明によれば、貯湯槽の貯湯量が、
一定の量になるように調節されるようになる。この一定
の目標貯湯量は、例えば、湯の保温に適した量が設定さ
れる。この場合、前記貯湯槽の貯湯量が湯の保温に適し
た量になるように調節されることで、湯の保温が好適に
行われるようになる。

【００１０】請求項３に記載の発明は、請求項１または
２に記載の発明において、前記目標貯湯量は、入力装置
を介してマニュアル設定可能であることを要旨とする。
この発明によれば、目標貯湯量を、所望の値に設定する
ことが可能になるため、該目標貯湯量を過去の湯の消費
パターンに基づいて前記制御装置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、前記燃料電池の発電時間を意図的に変更
することが可能になる。

【００１１】請求項４に記載の発明は、請求項３に記載
の発明において、前記制御装置は、前記入力装置を介し
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ることを要旨とする。

【００１２】この発明によれば、所定時間後に貯湯槽の
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。

【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１
３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１
５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１
８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１
９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２
３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）請求項１〜４のいずれか一項に記
載の発明において、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）技術的思想（１）に記載の発明に
おいて、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、請求項１〜４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、１
６…商用電源、１７…制御装置、１９…貯湯槽、２３…
入力装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者津田壮一愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地株式会社豊田自動織機製作所内 (72)発明者小島健夫愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地株式会社豊田自動織機製作所内 (72)発明者福田輝士愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地株式会社豊田自動織機製作所内Ｆターム(参考） 5H027 AA02 BA01 CC06 DD06 KK00 MM16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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
たことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】前記目標貯湯量は、一定値である請求項
１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】前記目標貯湯量は、入力装置を介してマ
ニュアル設定可能である請求項１または２に記載の燃料
電池発電システム。
【請求項４】前記制御装置は、前記入力装置を介して
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る請求項３に記載の燃料電
池発電システム。