JP4584546B2 - 燃料電池コージェネレーションシステム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の住宅が集合した住宅群に導入される燃料電池コージェネレーションシステムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、発電とその発電に伴う排熱を同時に利用するコージェネレーションシステムにおいて、家庭用では、例えば、燃料電池で電気を取り出すとともに燃料電池の排熱を給湯に利用する形態があり、さらに、近年では、燃料電池を効率よく運転することが可能なものまで提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
【特許文献1】
特開2002−34161号公報(第6頁、第1図)
【0004】
ここで、個別住宅を対象とした従来の燃料電池コージェネレーションシステムの一例について説明すると、図3に示すように、燃料電池コージェネレーションシステム101は、燃料電池112や、貯湯タンク113、バックアップバーナー114、インバータ115などを備えている。
【0005】
この点、燃料電池112は、高分子電解質(PEFC)形で最高出力が1KWのものであり、PEFCスタック(発電モジュール)や、都市ガス等の化石燃料から水素リッチガスを生成する改質器、PEFCスタック及び改質器からの排熱をお湯として回収する熱交換器などから構成されている。また、貯湯タンク113は、その熱交換器からのお湯を貯めるものである。また、バックアップバーナー114は、貯湯タンク113からの温水(湯水)を加熱するためのものである。また、インバータ115は、燃料電池112で発電された直流電流を交流電流に変換するものであり、さらに、商用の系統電力104と接続するために必要な系統連系機能を有した連系装置118が構成要素となっている。
【0006】
従って、燃料電池112の発電電力は、インバータ115と連系装置118を介して、電力負荷116で消費される。このとき、燃料電池112の発電電力が不足していると、その電力の不足分は、連系装置118を介して、系統電力104から買電される。一方、燃料電池112の発電電力が余剰していると、その余剰電力は、インバータ115と連系装置118を介して、系統電力104に逆潮流されて売電される。また、貯湯タンク113のお湯は、熱負荷117で消費される。このとき、貯湯タンク113のお湯が不足していると、バックアップバーナー114による追い焚きが行われる。
【0007】
そして、図3の燃料電池コージェネレーションシステム101は、集合住宅の住戸毎に導入することも可能であるが、その場合であっても、住戸毎に買電・売電を行い、住戸毎にお湯の消費と追い焚きを行う。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図4の実線に示すように、集合住宅の一住戸における電力負荷116の需要電力量の変動は大きく、時間的なずれはあるものの、どの住戸も同じ傾向にある。従って、集合住宅の各住戸においては、図3の燃料電池コージェネレーションシステム101が電力負荷116の需要電力量の大きな変動に追従することができず、系統電力104からの買電が頻繁に発生していた。その結果、各住戸で構成される集合住宅の単位で見ても、系統電力104から買電した総電力量が大きくなり、経済的な効果を得ることができなかった。
【0009】
そこで、本発明は、上述した点を鑑みてなされたものであり、住宅群の全住宅における総買電電力量を抑えることにより、経済的な効果を得ることができる燃料電池コージェネレーションシステムを提供することを課題とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために構成された請求項1に係る発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、住宅群の全住宅にそれぞれ設置された各燃料電池と、各燃料電池の排熱を前記住宅群の各住宅の給湯に利用するための一又は複数の貯湯タンクと、前記住宅群の全住宅にそれぞれ分配された電力線網と、前記電力線網を電力系統に連系する第1連系手段と、前記住宅群の全住宅にそれぞれ設置されるとともに当該住宅の電力負荷を当該住宅の燃料電池と前記電力線網とに連系する各第2連系手段と、を備え、前記各燃料電池が、発電モジュールであるスタックと、化石燃料から水素リッチガスを生成する改質器とを有すること、を特徴としている。
【0011】
このような特徴を有する本発明の燃料電池コージェネレーションシステムでは、住宅群の各住宅において、第2連系手段を介し、燃料電池の余剰電力が電力線網に送電される一方で、電力負荷における電力不足分が電力線網から供給される。そのため、住宅群の一住宅において、当該住宅に設置された燃料電池の発電電力が不足した場合には、当該住宅の電力負荷における電力不足分は、住宅群内の住宅であって当該住宅以外の住宅に設置された燃料電池の余剰電力で賄われる。尚、住宅群の各住宅の電力負荷の需要電力量を合計した総需要電力量(以下、「住宅群の総需要電力量」という)が、住宅群の各住宅に設置された燃料電池の発電電力量を合計した総発電電力量(以下、「住宅群の総発電電力量」という)を超えた時は、第1連系手段を介し、電力系統の電力が電力線網に供給される。
【0012】
従って、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムでは、住宅群の一住宅に設置された燃料電池の余剰電力を、住宅群内の住宅であって当該住宅以外の住宅に融通させることができるので、住宅群の各住宅の電力負荷の需要電力量の変動に追従できないケースが減少し、電力系統の電力が電力線網に供給される頻度も減少する。
【0013】
さらに、住宅群の各住宅の電力負荷の需要電力量の変動には時間的なずれがあり、「住宅群の総需要電力量」の変動は平準化されるので、「住宅群の総需要電力量」が「住宅群の総発電電力量」を超えるケースが減少し、電力系統の電力が電力線網に供給される頻度も減少する。
【0014】
すなわち、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムでは、住宅群の各住宅の電力負荷の需要電力量の変動に追従できないケースが減少し、さらに、「住宅群の総需要電力量」が「住宅群の総発電電力量」を超えるケースが減少し、もって、電力系統の電力が供給される頻度も減少するので、住宅群の全住宅における総買電電力量を抑えることにより、経済的な効果を得ることができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照にして説明する。図1は、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステムの一例を示した模式図である。図1に示すように、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム1は、5戸の住戸11A,11B,11C,11D,11Eで構成された集合住宅に導入されたものである。
【0016】
また、図1に示すように、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム1では、集合住宅の全住戸11A,11B,11C,11D,11Eにおいて、各燃料電池12A,12B,12C,12D,12E及び、各貯湯タンク13A,13B,13C,13D,13E、各バックアップバーナー14A,14B,14C,14D,14E、各インバータ15A,15B,15C,15D,15Eがそれぞれ設置されている。また、集合住宅の全住戸11A,11B,11C,11D,11Eに対し、電力線網3がぞれぞれ分配されている。さらに、電力線網3に対し、連系装置2が接続されている。
【0017】
この点、各燃料電池12A,12B,12C,12D,12Eは、高分子電解質(PEFC)形で最高出力が1KWのものであり、PEFCスタック(発電モジュール)や、都市ガス等の化石燃料から水素リッチガスを生成する改質器、PEFCスタック及び改質器からの排熱をお湯として回収する熱交換器などから構成されている。また、各貯湯タンク13A,13B,13C,13D,13Eは、その熱交換器からのお湯を貯めるものである。また、各バックアップバーナー14A,14B,14C,14D,14Eは、各貯湯タンク113からの温水(お湯)を加熱するためのものである。
【0018】
また、各インバータ15A,15B,15C,15D,15Eは、燃料電池112で発電された直流電流を交流電流に変換するものであり、さらに、集合住宅の各住戸11A,11B,11C,11D,11Eにおいて、各電力負荷16A,16B,16C,16D,16Eを各燃料電池12A,12B,12C,12D,12Eと電力線網3とに接続するために必要な系統連系機能を有している。また、連系装置2は、商用の系統電力4を電力線網3に1点で接続させるものであり、系統電力4を電力線網3に接続するために必要な系統連系機能を有している。
【0019】
そして、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム1では、集合住宅の住戸11Aにおいて、インバータ15Aを介し、燃料電池12Aの発電電力が電力負荷16Aで消費されるとともに、燃料電池12Aの余剰電力が電力線網3に送電される一方で、電力負荷16Aにおける電力不足分が電力線網3から供給される。
【0020】
同様にして、集合住宅の住戸11Bにおいて、インバータ15Bを介し、燃料電池12Bの発電電力が電力負荷16Bで消費されるとともに、燃料電池12Bの余剰電力が電力線網3に送電される一方で、電力負荷16Bにおける電力不足分が電力線網3から供給される。
同様にして、集合住宅の住戸11Cにおいて、インバータ15Cを介し、燃料電池12Cの発電電力が電力負荷16Cで消費されるとともに、燃料電池12Cの余剰電力が電力線網3に送電される一方で、電力負荷16Cにおける電力不足分が電力線網3から供給される。
【0021】
同様にして、集合住宅の住戸11Dにおいて、インバータ15Dを介し、燃料電池12Dの発電電力が電力負荷16Dで消費されるとともに、燃料電池12Dの余剰電力が電力線網3に送電される一方で、電力負荷16Dにおける電力不足分が電力線網3から供給される。
同様にして、集合住宅の住戸11Eにおいて、インバータ15Eを介し、燃料電池12Eの発電電力が電力負荷16Eで消費されるとともに、燃料電池12Eの余剰電力が電力線網3に送電される一方で、電力負荷16Eにおける電力不足分が電力線網3から供給される。
【0022】
そのため、集合住宅の住戸11Aにおいて、当該住戸11Aに設置された燃料電池12Aの発電電力が不足した場合には、当該住戸11Aの電力負荷16Aにおける電力不足分は、インバータ15Aを介し、電力線網3から供給されるので、集合住宅内の当該住戸11A以外の住戸11B,11C,11D,11Eに設置された燃料電池12B,12C,12D,12Eの余剰電力で賄うことが可能となる。
【0023】
同様にして、集合住宅の住戸11Bにおいて、当該住戸11Bに設置された燃料電池12Bの発電電力が不足した場合には、当該住戸11Bの電力負荷16Bにおける電力不足分は、インバータ15Bを介し、電力線網3から供給されるので、集合住宅内の当該住戸11B以外の住戸11A,11C,11D,11Eに設置された燃料電池12A,12C,12D,12Eの余剰電力で賄うことが可能となる。
同様にして、集合住宅の住戸11Cにおいて、当該住戸11Cに設置された燃料電池12Cの発電電力が不足した場合には、当該住戸11Cの電力負荷16Cにおける電力不足分は、インバータ15Cを介し、電力線網3から供給されるので、集合住宅内の当該住戸11C以外の住戸11A,11B,11D,11Eに設置された燃料電池12A,12B,12D,12Eの余剰電力で賄うことが可能となる。
【0024】
同様にして、集合住宅の住戸11Dにおいて、当該住戸11Dに設置された燃料電池12Dの発電電力が不足した場合には、当該住戸11Dの電力負荷16Dにおける電力不足分は、インバータ15Dを介し、電力線網3から供給されるので、集合住宅内の当該住戸11D以外の住戸11A,11B,11D,11Eに設置された燃料電池12A,12B,12D,12Eの余剰電力で賄うことが可能となる。
同様にして、集合住宅の住戸11Eにおいて、当該住戸11Eに設置された燃料電池12Eの発電電力が不足した場合には、当該住戸11Eの電力負荷16Eにおける電力不足分は、インバータ15Eを介し、電力線網3から供給されるので、集合住宅内の当該住戸11E以外の住戸11A,11B,11D,11Dに設置された燃料電池12A,12B,12D,12Dの余剰電力で賄うことが可能となる。
【0025】
但し、集合住宅の各住戸11A,11B,11C,11D,11Eの電力負荷16A,16B,16C,16D,16Eの需要電力量を合計した総需要電力量(上述した「住宅群の総需要電力量」に相当するもの)が、集合住宅の各住戸11A,11B,11C,11D,11Eに設置された燃料電池12A,12B,12C,12D,12Eの発電電力量を合計した総発電電力量(上述した「住宅群の総発電電力量」に相当するもの)を超えた時は、連系装置2を介し、電力系統4の電力が電力線網3に供給される。
【0026】
逆に、集合住宅の各住戸11A,11B,11C,11D,11Eに設置された燃料電池12A,12B,12C,12D,12Eの発電電力量を合計した総発電電力量(上述した「住宅群の総発電電力量」に相当するもの)が、集合住宅の各住戸11A,11B,11C,11D,11Eの電力負荷16A,16B,16C,16D,16Eの需要電力量を合計した総需要電力量(上述した「住宅群の総需要電力量」に相当するもの)を超えた時は、連系装置2を介し、逆潮流が行われ、電力線網3から電力系統4に送電される。
【0027】
尚、集合住宅の各住戸11A,11B,11C,11D,11Eにおいて、電力使用に対する課金は、それぞれに電力メータを設置して、電力線網3とやり取りした電力量で課金すればよい。
【0028】
また、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム1では、集合住宅の各住戸11A,11B,11C,11D,11Eにおいて、各燃料電池12A,12B,12D,12Eなどから回収された排熱は給湯して利用され、その余剰分は、各貯湯タンク13A,13B,13C,13D,13Eに湯水として貯えられ、また、各貯湯タンク13A,13B,13C,13D,13Eからの湯水の温度が要求温度に達していない場合には、各バックアップバーナー14A,14B,14C,14D,14Eで追い焚きするようになっている。
【0029】
従って、集合住宅の住戸11Aにおいては、燃料電池12Aと貯湯タンク13Aとが設置されることにより、燃料電池12Aと貯湯タンク13Aとを結ぶ配管の長さを抑えることができるので、当該配管からの熱損失を抑えることができる。この点は、集合住宅の各住戸11B,11C,11D,11Eにおいても同様である。
【0030】
尚、各燃料電池12A,12B,12D,12Eなどから回収された排熱は、各貯湯タンク13A,13B,13C,13D,13Eに湯水として一旦貯えられ、その後に、各貯湯タンク13A,13B,13C,13D,13Eから給湯して利用される形態であってもよい。
【0031】
ここで、一般的な家庭での実際の生活を想定した電力量・給湯量による、集合住宅の一住戸あたりの買電電力量とCO2排出量のシミュレーション結果を図2に示す。図2の上欄は、従来技術の欄で説明した図3の燃料電池コージェネレーションシステム101を5住戸で構成された集合住宅に導入した際の、一住戸あたりの買電電力量とCO2排出量を示すものである。一方、図2の下欄は、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム1を5住戸で構成された集合住宅に導入した際の、一住戸あたりの買電電力量とCO2排出量を示すものである。
【0032】
但し、このシミュレーションでは、集合住宅の各住戸において、燃料電池の発電電力量が電力負荷の需要電力量に勝らないように、燃料電池コージェネレーションシステム1,101が制御されることを条件とした。
【0033】
図2の表によれば、従来技術の欄で説明した図3の燃料電池コージェネレーションシステム101における集合住宅の一住戸あたりの買電電力量を「100」とすると、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム1における集合住宅の一住戸あたりの買電電力量は「48.9」になった。また、従来技術の欄で説明した図3の燃料電池コージェネレーションシステム101における集合住宅の一住戸あたりのCO2排出量を「100」とすると、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム1における集合住宅の一住戸あたりのCO2排出量は「90.9」になった。
【0034】
従って、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム1は、従来技術の欄で説明した図3の燃料電池コージェネレーションシステム101と比べて、集合住宅の一住戸あたりの買電電力量とCO2排出量を低く抑えることができる。
【0035】
尚、CO2排出量を低く抑えることができる点については、電力系統4を管轄する電力会社から連系装置2による逆潮流が厳しく制限される場合には、逆潮流を避けるために、各燃料電池12A,12B,12D,12Eの低出力運転を余儀なくされ、各燃料電池12A,12B,12D,12Eがその特性として持つCO2排出量の削減効果を発揮しにくい状況となるので、非常に有効である。
【0036】
以上詳細に説明したように、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム1では、電力線網3を介して、集合住宅の住戸11Aに設置された燃料電池12Aの余剰電力を集合住宅の住戸11A以外の住戸11B,11C,11D,11Eに融通させることができ、集合住宅の住戸11Bに設置された燃料電池12Bの余剰電力を集合住宅の住戸11B以外の住戸11A,11C,11D,11Eに融通させることができ、集合住宅の住戸11Cに設置された燃料電池12Cの余剰電力を集合住宅の住戸11C以外の住戸11A,11B,11D,11Eに融通させることができ、集合住宅の住戸11Dに設置された燃料電池12Dの余剰電力を集合住宅の住戸11D以外の住戸11A,11B,11C,11Eに融通させることができ、集合住宅の住戸11Eに設置された燃料電池12Eの余剰電力を集合住宅の住戸11E以外の住戸11A,11B,11C,11Dに融通させることができるので、集合住宅の各住戸11A,11B,11C,11D,11Eの電力負荷16A,16B,16C,16D,16Eの需要電力量の変動に追従できないケースが減少し、電力系統4の電力が電力線網3に供給される頻度も減少する。
【0037】
また、集合住宅の各住戸11A,11B,11C,11D,11Eの電力負荷16A,16B,16C,16D,16Eの需要電力量の変動には時間的なずれがある。従って、図4の実線に示すように、集合住宅の全住戸11A,11B,11C,11D,11Eの電力負荷16A,16B,16C,16D,16Eの平均の需要電力量は、集合住宅の各住戸11A,11B,11C,11D,11Eの電力負荷16A,16B,16C,16D,16Eの需要電力量の変動(図4の点線はその一例)と比べて平準化される。
【0038】
よって、集合住宅の各住戸11A,11B,11C,11D,11Eの電力負荷16A,16B,16C,16D,16Eの需要電力量を合計した総需要電力量(上述した「住宅群の総需要電力量」に相当するもの)の変動も平準化されるので、集合住宅の各住戸11A,11B,11C,11D,11Eの電力負荷16A,16B,16C,16D,16Eの需要電力量を合計した総需要電力量(上述した「住宅群の総需要電力量」に相当するもの)が、集合住宅の各住戸11A,11B,11C,11D,11Eに設置された燃料電池12A,12B,12C,12D,12Eの発電電力量を合計した総発電電力量(上述した「住宅群の総発電電力量」に相当するもの)を超えるケースが減少し、電力系統4の電力が電力線網3に供給される頻度も減少する。
【0039】
すなわち、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム1では、集合住宅の各住戸11A,11B,11C,11D,11Eの電力負荷16A,16B,16C,16D,16Eの需要電力量の変動に追従できないケースが減少し、さらに、集合住宅の各住戸11A,11B,11C,11D,11Eの電力負荷16A,16B,16C,16D,16Eの需要電力量を合計した総需要電力量(上述した「住宅群の総需要電力量」に相当するもの)が、集合住宅の各住戸11A,11B,11C,11D,11Eに設置された燃料電池12A,12B,12C,12D,12Eの発電電力量を合計した総発電電力量(上述した「住宅群の総発電電力量」に相当するもの)を超えるケースが減少し、もって、電力系統4の電力が供給される頻度も減少するので、集合住宅の全住戸11A,11B,11C,11D,11Eにおける総買電電力量を抑えることにより、経済的な効果を得ることができる(図2参照)。
【0040】
また、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム1では、集合住宅の各住戸11A,11B,11C,11D,11Eのそれぞれから逆潮流が行われることはなく、一箇所の連系装置2を介し、逆潮流が行われ、電力線網3から電力系統4に送電される。この点、集合住宅の各住戸11A,11B,11C,11D,11Eのそれぞれから同時に逆潮流が行われると、電圧のずれ・電力波形のずれなどから系統電力4に悪影響を及ぼすおそれがあるが、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム1では、一箇所の連系装置2から逆潮流が行われるので、系統電力4に悪影響を及ぼすおそれがない。
【0041】
尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものでなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム1では、各燃料電池12A,12B,12C,12D,12Eは、それぞれの最高出力が1KWで同じであったが、この点、異なるものであってもよい。
【0042】
また、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム1では、5戸の住戸11A,11B,11C,11D,11Eで構成された集合住宅に導入されているが、この点、電力需要・給湯需要の間で最適の組合せをとれば、2戸、3戸、4戸、6戸以上のいずれかの複数の住戸で構成される集合住宅に導入させることもできる。
【0043】
また、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム1では、集合住宅の全住戸11A,11B,11C,11D,11Eにおいて、各貯湯タンク13A,13B,13C,13D,13Eがそれぞれ設置されているが、この点、5戸の住戸11A,11B,11C,11D,11Eで構成された集合住宅に対して、一つの貯湯タンクを設置し、当該貯湯タンクの湯水を、集合住宅の各住戸11A,11B,11C,11D,11Eに供給してもよい。
【0044】
【発明の効果】
本発明の燃料電池コージェネレーションシステムでは、住宅群の各住宅の電力負荷の需要電力量の変動に追従できないケースが減少し、さらに、「住宅群の総需要電力量」が「住宅群の総発電電力量」を超えるケースが減少し、もって、電力系統の電力が供給される頻度も減少するので、住宅群の全住宅における総買電電力量を抑えることにより、経済的な効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態による燃料電池コージェネレーションシステムを示した模式図である。
【図2】一般的な家庭での実際の生活を想定した電力量・給湯量による、集合住宅の一住戸あたりの買電電力量とCO2排出量のシミュレーション結果を示した図である。
【図3】個別住宅又は集合住宅の一住戸を対象とした従来の燃料電池コージェネレーションシステムの一例の模式図である。
【図4】集合住宅の一住戸における電力負荷の需要電力量の変動と集合住宅の全住戸(5住戸)における電力負荷の平均の需要電力量の変動とを比較した一例の図である。
【符号の説明】
1 燃料電池コージェネレーションシステム
2 連系装置
3 電力線網
4 電力系統
11A,11B,11C,11D,11E 集合住宅の住戸
12A,12B,12C,12D,12E 燃料電池
13A,13B,13C,13D,13E 貯湯タンク
15A,15B,15C,15D,15E インバータ
16A,16B,16C,16D,16E 電力負荷
Claims (2)
- 住宅群の全住宅にそれぞれ設置された各燃料電池と、
各燃料電池の排熱を前記住宅群の各住宅の給湯に利用するための一又は複数の貯湯タンクと、
前記住宅群の全住宅にそれぞれ分配された電力線網と、
前記電力線網を電力系統に連系する第1連系手段と、
前記住宅群の全住宅にそれぞれ設置されるとともに当該住宅の電力負荷を当該住宅の燃料電池と前記電力線網とに連系する各第2連系手段と、を備え、
前記各燃料電池が、発電モジュールであるスタックと、化石燃料から水素リッチガスを生成する改質器とを有すること、を特徴とする燃料電池コージェネレーションシステム。 - 請求項1に記載された燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、
前記住宅群の各住宅には、前記貯湯タンクが配設されていること、を特徴とする燃料電池コージェネレーションシステム。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003117965A JP4584546B2 (ja) | 2003-04-23 | 2003-04-23 | 燃料電池コージェネレーションシステム |
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
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