JP3904402B2 - 家庭用燃料電池システム - Google Patents

Description

【０００１】
【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)

1. 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。
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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