JP5502299B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、電力供給に好適な燃料電池システムに関する。

従来の家庭用燃料電池システムにおいては、例えば図６に示すように家庭の電力需要量をリアルタイムで計測し、その値に電力供給量が追従するように燃料電池を制御する運転方式が採用されている。

このような運転方式を採用した燃料電池システムにおいて、家庭で使用されるヘアドライヤー、電子レンジ、トースターなどのように電力消費量が多く、使用時間の短い電気機器を負荷として燃料電池の発電出力を追従させた場合、電気機器の使用開始と同時に発電出力が急峻な上昇となり、また、当該電気機器の使用終了と同時に発電出力が急激に低下する。

しかし、燃料電池の制御によりこれら急峻な発電出力上昇や急激な発電出力低下が行われると燃料電池の寿命低下に影響を与える。また、図７に示すように前述した電気機器の使用終了時に電力需要に急激な低下が生じ、これに燃料電池の出力低下が追従することができない場合、燃料電池に余剰電力が発生する。この余剰電力は、電力系統に逆潮流させるか、ヒータなどで湯を温めて消費することが一般的である。

また、余剰電力を電力系統へ逆潮流させると、系統が不安定になる要因の一つとなり、また、ヒータでの湯の加熱は燃料電池システムの湯供給計画からの逸脱要因となり、湯が貯湯槽に余るいわゆる湯余り状態になる。

そこで、最近では、電力需要の変化を時間帯毎に特徴付けて、発電出力上昇時及び発電出力減少時の変化率、出力制御信号を受けてから制御を行わせる駆動信号を出力するまでの無駄時間（待ち時間）及び使用電力から差引く偏差（オフセット）の設定を各時間帯に設け、電力需要が急激に変化しても追従しないようにしたものがある（引用文献１）。
特開２００２−２９１１６１号公報

しかしながら、上記従来の燃料電池発電装置では、家庭ごとの使用電力負荷に適応することが困難であった。すなわち、特許文献１の技術の場合、予め設定すべき変化率、むだ時間及びオフセットは、本来家庭毎に異なるため、それぞれの家庭での最適な値を算出することは困難である。さらに、季節変化やライフスタイルの変化などにより機器の使用状況が変わり、使用電力が大きく変化する場合などにも対応することが困難である。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたもので、電気機器の使用時間や使用時期によらず、電力系統への逆潮流、湯余り、寿命低下を防止又は低減させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するため、次のような手段により燃料電池システムを構成する。

（１）本発明は、発電電力を出力して設置サイトに電気と湯を供給する燃料電池と、前記燃料電池の設置サイトの消費電力を計測する電力需要量計測手段と、この電力需要量計測手段により計測された電力需要データを蓄積する需要データ蓄積手段と、予め電気機器に関する各種のデータが記憶されている電気機器データ保存手段と、前記需要データ蓄積手段に蓄積された電力需要データと前記電気機器データ保存手段に記憶されているデータとを照らし合わせて、ユーザが使用し始めた或いは使用時の電気機器を同定する使用電気機器同定手段と、この使用電気機器同定手段で同定された電気機器に該当するデータをもとに前記燃料電池の発電出力を制御する発電出力制御手段とを備える。

（２）本発明は、上記（１）の構成に加えて、前記使用電気機器同定手段で同定された電気機器がどのように使用されるかを、前記電気機器データ保存手段に保存されているデータを用いて予測する電気機器使用形態予測手段を設け、前記発電出力制御手段は、前記電気機器使用形態予測手段で予測された当該電気機器の使用方法に関するデータをもとに前記燃料電池の発電出力を制御する。

本発明によれば、電気機器の使用時間や使用時期によらず、電力系統への逆潮流、湯余り、寿命低下を防止又は低減させることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明が適用される燃料電池システムの基本的な構成を示すブロック図である。

図１において、１０１は都市ガス、ＬＰガス、灯油などの燃料を制御する燃料制御手段、１０２はこの燃料制御手段１０１により制御されて供給される燃料を水素リッチなガスに改質する改質手段、１０３は改質手段１０２により改質された水素リッチなガスが供給されると改質ガス中の水素と空気中の酸素とを反応させて直流電力を発電する燃料電池本体、１０４はこの燃料電池本体１０３で発電された直流電力を所定の周波数の交流電力に変換して家庭用電力負荷１２０に供給するインバータで、これら燃料制御手段１０１、改質手段１０２、燃料電池本体１０３及びインバータ１０４は、燃料電池発電装置ＦＣを構成している。

一方、１０５は燃料電池発電装置ＦＣの出力に関する運転計画を立てる運転計画策定手段、１０６はこの運転計画策定手段１０５で立てた運転計画とインバータ１０４から家庭用電力負荷１２０に供給している電力情報を取込んで、瞬時的に出力すべき電力を算出して燃料制御手段１０１に制御指令を与える運転制御手段である。

ここで、運転制御手段１０６で算出される値としては、時間帯ごとに策定された運転計画の出力そのものである場合と、インバータ１０４から出力される電力が家庭用電力負荷１２０で消費される電力以上になることを回避するために運転計画の出力よりも下げ、家庭用電力負荷１２０に負荷追従させる場合とがある。

図２は、本発明による燃料電池システムの第１の実施形態を示すブロック図である。

家庭用電力負荷として、ドライヤー、電子レンジ、トースターなどの電気機器の使用が開始された時刻に、燃料電池発電装置ＦＣが負荷追従運転していた場合、当該電気機器の使用を終えると同時に余剰電力が生じ易い。

そこで、第１の実施形態では、運転制御手段１０６において、家庭用電力負荷１２０で消費される電力情報から家庭で使用し始めた電気機器を同定し、それが上記のような特徴を持つ電気機器であれば、一時的に燃料電池発電装置の負荷追従運転を解除するようにしたものである。

図２において、電力需要計測手段１は、燃料電池発電装置ＦＣより負荷に供給される電力需要量をリアルタイムで計測し、この電力需要計測手段１により計測された電力需要量は、需要データ蓄積手段２に蓄積される。

一方、電気機器データ保存手段４は、予め電気機器ごとの平均使用時間や消費電力などのデータが保存されている。この電気機器データ保存手段４に保存されるデータ（例えば、消費電力、型番、メーカー名等）は、ユーザが直接登録しても良く、またユーザが使用する電気機器のみを登録し、その電気機器に関する情報はインターネットなどを通して取得するようにしても良い。

また、使用電気機器同定手段５は、需要データ蓄積手段２に蓄積された電力需要データと電気機器データ保存手段４に記憶されているデータとを照らし合わせて、ユーザが使用し始めた電気機器を同定する。実際には、需要データ蓄積手段２に蓄積されているデータの中で、数秒程度前からの急激な電力需要上昇と、電気機器データ保存手段４に記憶されている電気機器ごとの消費電力とを照らし合わせて同定する。

この場合、電気機器の同定では、家電機器Ａなどのように同定すればよく、「ドライヤー」などのように電気機器を同定する必要はない。

さらに、電気機器使用形態予測手段６は、使用電気機器同定手段５で同定された電気機器がどのように使用されるかを、電気機器データ保存手段４に保存されているデータを用いて予測する。

また、発電出力制御手段７は、電気機器使用形態予測手段６によって予測された当該電気機器の使用方法に関するデータをもとに燃料電池発電装置（ＦＣ）８の発電出力を制御する。例えば消費電力が多く、使用時間も短い電気機器の使用が予測された場合は、電力需要に合わせて発電出力を上昇させないなどの制御をする。

ここで、家庭で１５００Ｗのドライヤーを使用し始めた直後の場合を例にとって詳細に説明する。

いま、電力需要計測手段1により計測され、需要データ蓄積手段２に格納された過去１秒間の電力需要データは、家庭での電力需要が約１５００Ｗ上昇しているものとする。この場合、他の電気機器の使用状況により、この電力需要の増加量は１４００Ｗや１６００Ｗなどにもなり得る。

使用電気機器同定手段５では、電気機器データ保存手段４に格納されている表1の情報と上記の電力需要の増加量とを照らし合わせて、使用され始めた電気機器が電気機器Ｂであると同定する。

また、電気機器使用形態予測手段６では、電気機器データ保存手段４に格納されている表２の情報をもとに、使用電気機器同定手段５で同定された電気機器Ｂの使用時間が５〜１０分であるという情報を得る。

従って、発電出力制御手段７は、上記電気機器使用形態予測手段６での使用時間の予測が５〜１０分と短いため、電力需要量が１３００〜１７００Ｗ／ｓだけ減少するまでは、電力需要に負荷追従せず、発電電力を一定に保つよう、燃料電池発電装置（ＦＣ）８を制御する。

ただし、電気機器Ｂの使用時間が３０分以上の長さである場合には、負荷追従運転を継続する。また、使用時間の予測が５〜１０分と短いために負荷追従運転をやめたとしても、１０分以上経過しても上記のような電力需要の減少が見られない場合は、再び負荷追従運転に戻る。

以上は、本発明の一例で、本発明を何ら限定するものではない。例えば、電力需要の過去1秒間の変化量で、使用し始めた電気機器の同定を行ったが、より短い過去０．５秒間の変化量でもよい。負荷追従を行うかいなかを判定するための判断基準として、電気機器の使用時間が３０分としたが、これは1時間などの他の時間長でもよい。

このように第１の実施形態では、電力需要計測手段１により常に燃料電池発電装置８より家庭用負荷に供給される電力需要量を計測して需要データ蓄積手段２に蓄積し、使用電気機器同定手段５により需要データ蓄積手段２に蓄積された電力需要データと電気機器データ保存手段４に記憶されているデータとを照らし合わせて、ユーザが使用し始めた電気機器を同定すると共に、電気機器使用形態予測手段６により使用電気機器同定手段５で同定された電気機器がどのように使用されるかを、電気機器データ保存手段４に保存されているデータを用いて予測し、当該電気機器の使用方法に関するデータをもとに燃料電池発電装置８の発電出力を制御するようにしたので、特質をもった電気機器の使用終了直後でも、燃料電池発電装置の発電出力を低く制御しておくことにより、余剰電力の発生を回避することができる。これにより、余剰電力の逆潮流、湯余り、燃料電池の寿命低下を回避することができる。

図３は、本発明による燃料電池システムの第２の実施形態を示すブロック図で、図２と同一機能部分には同一符号を付して説明する。

第２の実施形態では、電力需要計測手段１と湯需要計測手段１１をそれぞれ設けて電力需要と湯需要の両方を計測し、これら二つの需要パターンを用いてユーザが使用し始めた電気機器を同定して燃料電池発電装置（ＦＣ）８の出力を制御するようにしたものである。

ここで、需要データ蓄積手段２には、電力需要データに加えて湯需要データが蓄積され、また電気機器データ保存手段４には、電力需要に関するデータに加えて湯の需要に関するデータも保存されている。

家庭用電力負荷として、ヘアドライヤーなどのように電気機器の特質上、使用前に湯の利用を伴うことが多々ある。また、電気機器によっては使用と同時に湯を利用するもの、電力を消費し始めた後に湯を利用するものが考えられる。

したがって、電力需要と湯需要の両方を用いることで、使用電気機器同定手段５の同定精度を上げることができる。この電気機器同定方法の例として、第１の実施形態で述べた電力需要の特定パターンから、例えば電気機器Ａと電気機器Ｂの使用を同定した場合を考える。電気機器Ａは使用前のある時間帯範囲において、特定の湯需要パターンを有するもので、電気機器Ｂは電力と同時に湯を利用するものとし、これらの情報は電気機器データ保存手段４に記憶されている。

電力需要の特定パターンの同時刻に湯の需要がなく、かつその電力需要パターンの前に電気機器Ａの使用形態と一致する湯需要の特定パターンがある場合、その電力需要の特定パターンは電気機器Ａの使用によるものと同定することができる。

したがって、発電出力制御手段７は、電気機器使用形態予測手段６によって予測された当該電気機器の使用方法に関するデータをもとに、燃料電池発電装置（ＦＣ）８を制御する。例えば、消費電力が高く、使用時間も短い電気機器の使用が予測された場合は、電力需要に合わせて発電出力を上昇させないなどの制御をする。

このように第２の実施形態では、需要データ蓄積手段２に電力需要データに加えて湯需要データを蓄積し、また電気機器データ保存手段４に電力需要に関するデータに加えて湯の需要に関するデータを保存しておき、これら電力需要と湯需要の両方を用いて使用電気機器同定手段５により使用電気機器を同定しているので、その同定精度を上げることができる。

図４は、本発明による燃料電池システムの第３の実施形態を示すブロック図で、図２と同一機能部には同一符号を付して説明する。

第３の実施形態では、ユーザが使用する電気機器の増減や、使用形態の変化に対応させるため、需要データ蓄積手段２に蓄積されている電力需要量を需要データ演算手段１０に入力して演算処理し、その出力により電気機器データ保存手段４に保存されているデータを更新するようにしたものである。

また、使用電気機器同定手段５で使用中であると同定された電気機器に対し、当該電気機器使用の終了を判定するための電気機器使用終了判定手段９を設け、この電気機器使用終了判定手段９に電気機器使用形態予測手段６で作成された電気機器の使用終了の判定条件を取込んで電気機器使用の終了が判定されると、その旨を需要データ演算手段１０及び発電出力制御手段７に与えるようにしている。この場合、電気機器の使用終了の判定条件としては、例えば電力需要の所定分の瞬間的な減少である。

このような構成の燃料電池システムにおいて、電気機器使用終了判定手段９により電気機器の使用が終了したと判定すると、需要データ演算手段１０では使用開始から使用終了までの需要データ蓄積手段２のデータを演算処理する。例えば、当該電気機器の使用時間や、湯の需要との関係のデータを計算する。この計算結果を電気機器データに反映または追加させることで、使用電気機器同定手段５の同定精度を上げることができる。

図５は、本発明による燃料電池システムの第４の実施形態を示すブロック図で、図４と同一機能部分には同一符号を付して説明する。

第４の実施形態では、需要データ蓄積手段２より使用電気機器同定手段５に送られてくる需要データ対して、使用電気機器の同定開始条件を設定する特定電気機器使用判定手段３を設け、需要データ蓄積手段２より送られてくる需要データが使用電気機器の同定開始条件を満たしているときのみ使用電気機器を同定するようにしたものである。

この場合、使用電気機器の同定開始条件としては、例えば電力需要が５００Ｗ／ｓ以上の上昇などがある。また、この同定開始条件は電気機器データ保存手段４の情報により変更しても良い。

したがって、このような構成とすれば、使用電気機器同定手段５での同定のタイミングを最適化することができ、演算装置にかかる負担を軽減することができる。

本発明が適用される燃料電池システムの基本的な構成を示すブロック図。 本発明による燃料電池システムの第１の実施形態を示すブロック図。 本発明による燃料電池システムの第２の実施形態を示すブロック図。 本発明による燃料電池システムの第３の実施形態を示すブロック図。 本発明による燃料電池システムの第４の実施形態を示すブロック図。 電力需要に対し負荷追従を行う燃料電池システムの電力供給の経時変化を説明するため図。 同じく燃料電池システムにおける余剰電力の発生を説明するための図。

符号の説明

１…電力需要計測手段、２…需要データ蓄積手段、３…特定電気機器使用判定手段、４…電気機器データ保存手段、５…使用電気機器同定手段、６…電気機器使用形態予測手段、７…発電出力制御手段、８…燃料電池発電装置（ＦＣ）、９…電気機器使用終了判定手段、１０…需要データ演算手段、１１…湯需要計測手段、１０１…燃料制御手段、１０２…改質手段、１０３…燃料電池本体、１０４…インバータ、１０５…運転計画策定手段、１０６…運転制御手段

Claims (4)

1. 発電電力を出力して設置サイトに電気と湯を供給する燃料電池と、
   前記燃料電池の設置サイトの消費電力を計測する電力需要量計測手段と、
   この電力需要量計測手段により計測された電力需要データを蓄積する需要データ蓄積手段と、
   予め電気機器の使用形態に関するデータが記憶されている電気機器データ保存手段と、
   前記需要データ蓄積手段に蓄積された電力需要データと前記電気機器データ保存手段に記憶されているデータとを照らし合わせて、ユーザが使用し始めた或いは使用時の電気機器を同定する使用電気機器同定手段と、
   この使用電気機器同定手段で同定された電気機器に該当するデータをもとに前記燃料電池の発電出力を制御する発電出力制御手段と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   前記使用電気機器同定手段で同定された電気機器がどのように使用されるかを、前記電気機器データ保存手段に保存されているデータを用いて予測する電気機器使用形態予測手段を設け、
   前記発電出力制御手段は、前記電気機器使用形態予測手段で予測された当該電気機器の使用方法に関するデータをもとに前記燃料電池の発電出力を制御することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は請求項２記載の燃料電池システムにおいて、
   前記電気機器データ保存手段は、ユーザが使用する電気機器、電気機器に関する情報、電気機器の使用形態のうち、少なくとも一つが登録可能なことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記使用電気機器同定手段は、電力需要が所定の同定開始条件を満たしたときのみに前記電気機器の同定を行うことを特徴とする燃料電池システム。

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