JP3904402B2 - 家庭用燃料電池システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気と熱とを発生させる燃料電池からの排熱により加熱された湯を貯湯槽に蓄えるとともに、燃料電池の発電電力量を制御する制御手段とを備えて構成した家庭用燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
この種の家庭用燃料電池システムでは、燃料電池の発電電力に応じて発生する熱を貯湯槽に一旦蓄え、給湯需要に応じて供給するようにしている。給湯需要が多くて、貯湯槽内の蓄熱量が不足した場合、別途設置したボイラーなどの補助加熱装置によって温水を補充している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来一般に、使用電力に応じて発電電力量を制御する、いわゆる電主熱従運転が主体であり、給湯需要が少なくて、貯湯槽内に上限温度の湯が満杯に蓄えられた場合、燃料電池からの排熱を放熱しながら発電を継続しており、排熱の回収効率が低下して省エネルギー性が低下する欠点があった。
【0004】
また、放熱を回避するために、大型の貯湯槽を設けることも考えられたが、イニシャルコストが増大するとともに、貯湯槽およびそれに付帯する設備自体からの放熱量も多くなってエネルギーロスを生じやすく、省エネルギー性が低下する欠点があった。
【0005】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、請求項1に係る発明は、燃料電池を継続して運転できながら、燃料電池からの排熱の放熱を極力減少させて省エネルギー性を向上できるようにすることを目的とし、また、請求項2に係る発明は、燃料電池を継続して運転できながら、燃料電池からの排熱の放熱を極力減少させて省エネルギー性を向上できるとともに給湯需要のピークに対して良好に対応できるようにすることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係る発明は、上述のような目的を達成するために、
電気と熱とを発生させる燃料電池と、
前記燃料電池からの排熱により加熱された湯を蓄える貯湯槽と、
前記燃料電池の発電電力量を制御する制御手段とを備えた家庭用燃料電池システムにおいて、
前記貯湯槽内に蓄えられた熱量を測定する蓄熱量センサと、
前記貯湯槽内の最大蓄熱量よりも低い蓄熱量を設定する蓄熱量設定手段と、
前記蓄熱量センサで測定される蓄熱量と前記蓄熱量設定手段で設定された蓄熱量とを比較し、測定蓄熱量が設定蓄熱量まで上昇したときに指令信号を出力する蓄熱量比較手段と、
前記指令信号に応答して前記制御手段による制御発電電力量が最大発電電力量よりも小さい設定電力量になるように調整する発電電力量調整手段とを備えて構成する。
【0007】
また、請求項2に係る発明は、前述のような目的を達成するために、
電気と熱とを発生させる燃料電池と、
前記燃料電池からの排熱により加熱された湯を蓄える貯湯槽と、
前記燃料電池の発電電力量を制御する制御手段とを備えた家庭用燃料電池システムにおいて、
前記貯湯槽内に蓄えられた熱量を測定する蓄熱量センサと、
前記貯湯槽内の最大蓄熱量よりも少ない二段階の高蓄熱量と低蓄熱量とを設定する蓄熱量設定手段と、
前記蓄熱量センサで測定される蓄熱量と前記蓄熱量設定手段で設定された低蓄熱量と高蓄熱量とを比較し、測定蓄熱量が設定低蓄熱量まで上昇したときに低蓄熱指令信号を、測定蓄熱量が設定高蓄熱量まで上昇したときに高蓄熱量指令信号をそれぞれ出力する蓄熱量比較手段と、
給湯需要の経時的変化から給湯需要のピークとなる時間帯を特定するピーク需要特定手段と、
前記低蓄熱指令信号に応答して、その信号出力時刻が前記ピーク需要特定手段で特定されているピークとなる時間帯の直前かどうかを判別し、直前のときに直前信号を出力する直前判別手段と、
前記低蓄熱指令信号に応答して、前記直前判別手段からの直前信号の有無を判別し、前記直前信号が無いときには、前記制御手段による制御発電電力量が最大発電電力量よりも小さい設定電力量になるように調整し、前記直前信号が有るときには、前記制御手段を作動させず、かつ、前記高蓄熱指令信号に応答して、前記制御手段による制御発電電力量が最大発電電力量よりも小さい設定電力量になるように調整する発電電力量調整手段とを備えて構成する。
【0008】
【作用】
請求項1に係る発明の家庭用燃料電池システムの構成によれば、貯湯槽内に蓄えられた熱量が増加していくときに、最大蓄熱量よりも低い設定蓄熱量になった時点で、燃料電池の発電電力量を最大発電電力量よりも小さい設定電力量になるように調整し、排熱量の発生量を抑えて貯湯槽内の蓄熱量が満杯になるまでの時間を延ばすことができる。
【0009】
また、請求項2に係る発明の家庭用燃料電池システムの構成によれば、給湯需要の経時的変化を考慮し、給湯需要のピークとなる時間帯に近くないときには、貯湯槽内に蓄えられた熱量が増加していくときに、最大蓄熱量よりも低い値に設定した高設定蓄熱量よりも更に低い低設定蓄熱量になった時点で、燃料電池の発電電力量を最大発電電力量よりも小さい設定電力量になるように調整し、排熱量の発生量を抑えて貯湯槽内の蓄熱量が満杯になるまでの時間を延ばすことができる。
一方、給湯需要のピークとなる時間帯に近いときには、貯湯槽内に蓄えられた熱量が増加していくときに、最大蓄熱量よりも低いが低設定蓄熱量よりも高い値に設定した高設定蓄熱量になった時点で、燃料電池の発電電力量を最大発電電力量よりも小さい設定電力量になるように調整し、排熱量の発生量を抑えて貯湯槽内の蓄熱量が満杯になるまでの時間を延ばすとともに、ピークとなる時間帯になったときに、極力多量の蓄熱量を確保しておくようにできる。
【0010】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図1は、本発明に係る家庭用燃料電池システムの第1実施例のシステム構成図であり、電気と熱とを発生させる燃料電池1と貯湯槽2とが、循環ポンプ3を介装した循環配管4を介して接続され、燃料電池1で発生する排熱により水を加熱して湯を得、その湯を貯湯槽2に蓄えるように構成されている。
【0011】
燃料電池1からの電力出力線5に負荷としての家電機器6が接続されるとともに、電力出力線5に商用電源7が系統連係され、燃料電池1からの発電電力を家電機器6に供給するとともに不足分の電力を商用電源7からの電力で補うように構成されている。
【0012】
貯湯槽2には給湯管8が接続され、台所や浴槽に注湯するように構成されている。貯湯槽2からの湯は、循環配管や熱交換器などを図示していないが、床暖房や浴槽乾燥の熱源としても利用できる。図中9は市水を供給する給水管を示している。
【0013】
貯湯槽2に、槽内に蓄えられた熱量を測定する蓄熱量センサとしての湯温を測定する湯温センサ10が設けられ、この湯温センサ10がコントローラ11に接続されるとともにコントローラ11が燃料電池1の発電電力量を制御する制御手段12(図2参照)に接続されている。
【0014】
コントローラ11には、図2の制御系のブロック図に示すように、蓄熱量比較手段13と発電電力量調整手段14とが備えられ、更に、コントローラ11に蓄熱量設定手段15が接続されている。
【0015】
蓄熱量設定手段15では、貯湯槽2内の最大蓄熱量[上限貯湯温度(例えば、70℃)]よりも少ない蓄熱量[貯湯温度(例えば、60℃)]を設定するようになっている。
【0016】
蓄熱量比較手段13では、湯温センサ10で測定される蓄熱量[湯の温度]と蓄熱量設定手段15で設定された蓄熱量[設定貯湯温度(例えば、60℃)]とを比較し、測定蓄熱量[湯の温度]が設定蓄熱量[設定貯湯温度(例えば、60℃)]まで上昇したときに指令信号を出力するようになっている。
【0017】
発電電力量調整手段14では、蓄熱量比較手段13からの指令信号に応答して制御手段12による制御発電電力量が最大発電電力量(上限出力)よりも小さい設定電力量になるように調整するようになっている。ここでいう最大発電電力量とは、制御手段12で出力する値の上限値であり、例えば、家電機器6の電力負荷がこの上限値より大きい値の場合は、燃料電池1は上限値の電力を出力し、一方、家電機器6の電力負荷が上限値より小さい値の場合は、燃料電池1は上限値まで出力せず、電力負荷に対応した値を出力することになる。
【0018】
これにより、図3の貯湯槽温度と燃料電池上限出力との相関のグラフに示すように、燃料電池1を最大発電電力量(上限出力)Max で運転している状態で、貯湯槽2内の温度が設定蓄熱量[設定貯湯温度]TLになった段階で、制御発電電力量を、最大発電電力量(上限出力)Max より、順次、蓄熱量(貯湯槽温度)の上昇とともに減少させ、上限側の設定蓄熱量[上限側の設定貯湯温度]Max になった段階で、最大発電電力量を小さい設定電力量Min となるように変更することにより、貯湯槽2内の温度が最大蓄熱量[上限貯湯温度]になるまで運転する。このため、貯湯槽2内の温度が最大蓄熱量になるまでの時間を延長することができる。
【0019】
図4は、本発明に係る家庭用燃料電池システムの第2実施例の制御系を示すブロック図であり、コントローラ11に、第1の比較手段21aと第2の比較手段21bとから成る蓄熱量比較手段21と、直前判別手段22と発電電力量調整手段23とが備えられ、そのコントローラ11に蓄熱量設定手段24とピーク需要特定手段25とが接続されている。
【0020】
蓄熱量設定手段24では、貯湯槽2内の最大蓄熱量[上限貯湯温度(例えば、70℃)]よりも少ない二段階の高蓄熱量[設定貯湯温度(例えば、60℃)]と低蓄熱量[設定貯湯温度(例えば、50℃)]を設定するようになっている。
【0021】
ピーク需要特定手段25では、給湯需要の経時的変化から、台所や浴槽への注湯など、給湯需要のピークとなる時間帯(例えば、午後6時から午後9時など)を特定するようになっている。
【0022】
蓄熱量比較手段21では、第1の比較手段21aにおいて、湯温センサ10で測定される蓄熱量[測定湯温]と蓄熱量設定手段24で設定された低蓄熱量[設定低貯湯温度(例えば、50℃)]とを比較し、測定蓄熱量[測定湯温]が設定低蓄熱量[設定低貯湯温度(例えば、50℃)]まで上昇したときに低蓄熱指令信号を出力するようになっている。
また、第2の比較手段21bにおいて、湯温センサ10で測定される蓄熱量[測定湯温]と蓄熱量設定手段24で設定された高蓄熱量[設定高貯湯温度(例えば、60℃)]とを比較し、測定蓄熱量[測定湯温]が設定高蓄熱量[設定高貯湯温度(例えば、60℃)]まで上昇したときに高蓄熱指令信号を出力するようになっている。
【0023】
直前判別手段22では、第1の比較手段21aからの低蓄熱指令信号に応答してその信号出力時刻が前記ピーク需要特定手段で特定されているピークとなる時間帯の直前かどうかを判別し、直前のときに直前信号を出力するようになっている。
【0024】
発電電力量調整手段23では、第1の比較手段21aからの低蓄熱指令信号に応答して、直前判別手段22からの直前信号の有無を判別し、前記直前信号が無いときには、制御手段12による制御発電電力量が最大発電電力量(上限出力)よりも小さい設定電力量になるように調整するようになっている。
一方、直前信号が有るときには、低蓄熱指令信号が出力されても制御手段12を作動させずに、高蓄熱指令信号に応答して、制御手段12による制御発電電力量が最大発電電力量(上限出力)よりも小さい設定電力量になるように調整するようになっている。
【0025】
これにより、図5の貯湯槽温度と燃料電池上限出力との相関のグラフに示すように、燃料電池1を最大発電電力量(上限出力)Max で運転している状態で、貯湯槽2内の蓄熱量[貯湯温度]が設定低蓄熱量[設定低貯湯温度]TLになった段階で、その時点が給湯需要のピークとなる時間帯の直前かどうかを判別し、直前であれば、そのまま最大発電電力量(上限出力)Max での運転を継続し、設定高蓄熱量[設定高貯湯温度(例えば、60℃)]THまで上昇したときに、制御発電電力量を、最大発電電力量(上限出力)Max より、順次、蓄熱量(貯湯槽温度)の上昇とともに減少させ、上限側の設定蓄熱量[上限側の設定貯湯温度]Max になった段階で、最大発電電力量を小さい設定電力量Min となるように変更することにより、貯湯槽2内の蓄熱量[貯湯温度]が最大蓄熱量[上限貯湯温度]になるまで運転する。このため、貯湯槽2内の蓄熱量[貯湯温度]を極力多くしながら、貯湯槽2内の蓄熱量[貯湯温度]が最大蓄熱量[上限貯湯温度]になるまでの時間を延長することができる。
【0026】
そして、燃料電池1を最大発電電力量(上限出力)Max で運転している状態で、貯湯槽2内の蓄熱量[貯湯温度]が設定低蓄熱量[設定低貯湯温度]TLになった段階で、給湯需要のピークとなる時間帯の直前で無いときには、制御発電電力量を、最大発電電力量(上限出力)Max より、順次、蓄熱量(貯湯槽温度)の上昇とともに減少させ、上限側の設定蓄熱量[上限側の設定貯湯温度]Max になった段階で、最大発電電力量を小さい設定電力量Min となるように変更することにより、貯湯槽2内の温度が最大蓄熱量[上限貯湯温度]になるまで運転する。このため、貯湯槽2内の蓄熱量[貯湯温度]が最大蓄熱量[上限貯湯温度]になるまでの時間を延長することができる。
【0027】
図6は、本発明に係る家庭用燃料電池システムの第3実施例のシステム構成図であり、第1実施例と異なるところは、次の通りである。
すなわち、貯湯槽2が成層貯湯タイプで構成されている。
【0028】
貯湯槽2に、その高温状態の湯の位置(成層境界位置)を検知して蓄熱量を測定する蓄熱量センサとしての3個の第1,第2および第3の接触センサT1,T2,T3が設けられ、その第1,第2および第3の接触センサT1,T2,T3がコントローラ11に接続されている。第1,第2および第3の接触センサT1,T2,T3として貯湯槽2内の湯の温度を測定する温度センサを用い、温度成層を形成する設定温度と比較し、測定温度が設定温度になったことを判別することにより高温状態の湯の位置(成層境界位置)を検知して蓄熱量を測定するように蓄熱量センサを構成しても良い。
【0029】
コントローラ11には、図7の制御系のブロック図に示すように、直前判別手段31と発電電力量調整手段32とが備えられ、そのコントローラ11にピーク需要特定手段33が接続されている。
【0030】
ピーク需要特定手段33では、給湯需要の経時的変化から、夕食や浴槽への注湯など、給湯需要のピークとなる時間帯(例えば、午後6時から午後9時など)を特定するようになっている。
【0031】
第1および第2の接触センサT1,T2は、蓄熱量設定手段34を構成するとともに蓄熱量センサを兼用するものである。
すなわち、第1の接触センサT1では、低蓄熱量として貯湯槽2内に、例えば、最大蓄熱量の30%が貯められた状態を設定するとともにその設定低蓄熱量を高温成層との接触によって測定できるようになっている。
第2の接触センサT2では、高蓄熱量として貯湯槽2内に、例えば、最大蓄熱量の60%が貯められた状態を設定するとともにその設定高蓄熱量を高温成層との接触によって測定できるようになっている。
【0032】
これにより、図8の貯湯槽温度と燃料電池上限出力との相関のグラフに示すように、燃料電池1を最大発電電力量(上限出力)Max で運転している状態で、第1の接触センサT1がONすることにより、貯湯槽2内の蓄熱量が設定低蓄熱量になったことを測定した段階で、その時点が給湯需要のピークとなる時間帯の直前かどうかを判別し、直前であれば、そのまま最大発電電力量(上限出力)Max での運転を継続する。そして、第2の接触センサT2がONすることにより、貯湯槽2内の蓄熱量が設定高蓄熱量になったことを測定した段階で、制御発電電力量を、最大発電電力量(上限出力)Max より、電力量P2に減少させ、上限側の設定蓄熱量[上限側の設定貯湯温度]を検出する第3の接触センサT3がONになった段階で、最大発電電力量を小さい設定電力量Min となるように変更することにより、貯湯槽2内の温度が最大蓄熱量[上限貯湯温度]になるまで運転する。このため、貯湯槽2内の蓄熱量を極力多くしながら、貯湯槽2内の蓄熱量が最大蓄熱量になるまでの時間を延長することができる。
【0033】
一方、燃料電池1を最大発電電力量(上限出力)Max で運転している状態で、第1の接触センサT1がONすることにより、貯湯槽2内の蓄熱量が設定低蓄熱量になったことを測定した段階で、その時点が給湯需要のピークとなるまでの時間帯の直前で無いときには、制御発電電力量を、最大発電電力量(上限出力)Max より、電力量P1に減少させ、さらに、第2の接触センサT2がONすることにより、貯湯槽2内の蓄熱量が設定高蓄熱量になったことを測定した段階で、制御発電電力量を、電力量P1から電力量P2に減少させ、上限側の設定蓄熱量[上限側の設定貯湯温度]を検出する第3の接触センサT3がONになった段階で、最大発電電力量を小さい設定電力量Min となるように変更することにより、貯湯槽2内の温度が最大蓄熱量[上限貯湯温度]になるまで運転する。このため、貯湯槽2内の蓄熱量が最大蓄熱量になるまでの時間を延長することができる。
【0034】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項1に係る発明の家庭用燃料電池システムによれば、貯湯槽内に蓄えられた熱量が最大蓄熱量よりも低い設定蓄熱量になった時点で、燃料電池の発電電力量を減少させて排熱量の発生量を抑え、貯湯槽内の蓄熱量が満杯になるまでの時間を延ばすから、燃料電池を継続して運転できながら、燃料電池からの排熱の放熱を極力減少させて省エネルギー性を向上できる。
【0035】
また、請求項2に係る発明の家庭用燃料電池システムによれば、給湯需要のピークとなる時間帯に近くないときには、貯湯槽内に蓄えられた熱量が最大蓄熱量よりも低い値に設定した高設定蓄熱量よりも更に低い低設定蓄熱量になった時点で、燃料電池の発電電力量を減少させて排熱量の発生量を抑え、貯湯槽内の蓄熱量が満杯になるまでの時間を延ばすから、燃料電池を継続して運転できながら、燃料電池からの排熱の放熱を極力減少させて省エネルギー性を向上できる。
一方、例えば、夕方で台所や浴槽に注湯するなど、給湯需要のピークとなる時間帯に近いときには、貯湯槽内に蓄えられた熱量が最大蓄熱量よりも低いが低設定蓄熱量よりも高い値に設定した高設定蓄熱量になった時点で、燃料電池の発電電力量を減少させて排熱量の発生量を抑え、貯湯槽内の蓄熱量が満杯になるまでの時間を延ばすから、燃料電池を継続して運転しながら、燃料電池からの排熱の放熱を極力減少させて省エネルギー性を向上でき、しかも、ピークとなる時間帯に近くないときよりも高い高設定蓄熱量で燃料電池の発電電力量を減少させるから、ピークとなる時間帯になったときに、極力多量の蓄熱量を確保しておけるようにでき、給湯需要のピークに対して良好に対応できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る家庭用燃料電池システムの第1実施例のシステム構成図である。
【図2】制御系のブロック図である。
【図3】貯湯槽温度と燃料電池上限出力との相関を示すグラフである。
【図4】本発明に係る家庭用燃料電池システムの第1実施例の制御系のブロック図である。
【図5】貯湯槽温度と燃料電池上限出力との相関を示すグラフである。
【図6】本発明に係る家庭用燃料電池システムの第3実施例のシステム構成図である。
【図7】制御系のブロック図である。
【図8】貯湯槽温度と燃料電池上限出力との相関を示すグラフである。
【符号の説明】
1…燃料電池
2…貯湯槽
10…湯温センサ
12…制御手段
13,21…蓄熱量比較手段
14,23,32…発電電力量調整手段
15,24,34…蓄熱量設定手段
22,31…直前判別手段
25,33…ピーク需要特定手段
Claims (2)
- 電気と熱とを発生させる燃料電池と、
前記燃料電池からの排熱により加熱された湯を蓄える貯湯槽と、
前記燃料電池の発電電力量を制御する制御手段とを備えた家庭用燃料電池システムにおいて、
前記貯湯槽内に蓄えられた熱量を測定する蓄熱量センサと、
前記貯湯槽内の最大蓄熱量よりも低い蓄熱量を設定する蓄熱量設定手段と、
前記蓄熱量センサで測定される蓄熱量と前記蓄熱量設定手段で設定された蓄熱量とを比較し、測定蓄熱量が設定蓄熱量まで上昇したときに指令信号を出力する蓄熱量比較手段と、
前記指令信号に応答して前記制御手段による制御発電電力量が最大発電電力量よりも小さい設定電力量になるように調整する発電電力量調整手段とを備えたことを特徴とする家庭用燃料電池システム。 - 電気と熱とを発生させる燃料電池と、
前記燃料電池からの排熱により加熱された湯を蓄える貯湯槽と、
前記燃料電池の発電電力量を制御する制御手段とを備えた家庭用燃料電池システムにおいて、
前記貯湯槽内に蓄えられた熱量を測定する蓄熱量センサと、
前記貯湯槽内の最大蓄熱量よりも少ない二段階の高蓄熱量と低蓄熱量とを設定する蓄熱量設定手段と、
前記蓄熱量センサで測定される蓄熱量と前記蓄熱量設定手段で設定された低蓄熱量と高蓄熱量とを比較し、測定蓄熱量が設定低蓄熱量まで上昇したときに低蓄熱指令信号を、測定蓄熱量が設定高蓄熱量まで上昇したときに高蓄熱量指令信号をそれぞれ出力する蓄熱量比較手段と、
給湯需要の経時的変化から給湯需要のピークとなる時間帯を特定するピーク需要特定手段と、
前記低蓄熱指令信号に応答して、その信号出力時刻が前記ピーク需要特定手段で特定されているピークとなる時間帯の直前かどうかを判別し、直前のときに直前信号を出力する直前判別手段と、
前記低蓄熱指令信号に応答して、前記直前判別手段からの直前信号の有無を判別し、前記直前信号が無いときには、前記制御手段による制御発電電力量が最大発電電力量よりも小さい設定電力量になるように調整し、前記直前信号が有るときには、前記制御手段を作動させず、かつ、前記高蓄熱指令信号に応答して、前記制御手段による制御発電電力量が最大発電電力量よりも小さい設定電力量になるように調整する発電電力量調整手段とを備えたことを特徴とする家庭用燃料電池システム。
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