JP2002373689A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 電力及び／又は熱量の需要変化に速やかに対
応して必要とされる電力及び／又は熱量を発生させるこ
とができる、発電と廃熱の回収を行う燃料電池を提供す
る。 【解決手段】 燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発
電を行う燃料電池１と、その燃料電池１に燃料ガスを供
給する燃料ガス供給手段２と、燃料電池１に酸化剤ガス
を供給する酸化剤ガス供給手段３と、時間を基準とする
必要な電力量のパターンを記憶する記憶手段１１と、そ
の記憶手段１１に記憶されている電力量のパターンに基
づいて、燃料ガス供給手段２から燃料電池１への燃料ガ
スの供給量、及び／又は、酸化剤ガス供給手段３から燃
料電池１への酸化剤ガスの供給量を制御する電力制御手
段１２及び流量制御手段４とを備える。このような構成
により、需要家固有の需要特性を最新負荷パターンとし
て学習し発電運転することにより安定運転と経済運転と
を両立できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池を用いて
発電と排熱の回収を行う燃料電池発電装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来の燃料電池発電システムは、特開平
６−３２５７７４などに開示されている。

【０００３】図６に従来例としての特開平６−３２５７
７４の構成を示す。図６において、４１は燃料電池で、
燃料ガス供給手段４２から供給される燃料ガスと空気供
給手段４３から供給される空気中の酸素とを反応させ直
流電流を発生させ、電力変換器４４によって交流電流に
変換され出力される。燃料電池４１の排熱は水蒸気分離
器４５を介して蓄熱器４６へ供給される。制御装置４７
は充放電装置４８と電力変換器４４を制御し、燃料電池
４１から出る電流値が一定であっても充放電装置４８か
らの放電または充放電装置４８への充電と蓄熱器４６へ
の熱供給、蓄熱器４６からの熱供給によって外部負荷に
応じた電力出力を制御することができるものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例（図６）の燃料電池発電システムでは、大きく変化
する外部負荷に応じて電力出力を制御する場合、燃料電
池４１から出る電流値が一定のため、充放電装置４８の
放電量または充電量がかなり大きなものとなり、そのた
めに容量の大きな充放電装置４８が必要となりコストが
高くなりシステムの設置スペースが大きくなる。

【０００５】ところで、電力、熱の使用量は図７，図８
に示すように１日のうちで大きく変化して朝方、昼、夕
方から夜中にかけて需要が高くなり、これ以外は低負
荷、低需要（図７の期間Ａ，図８の期間Ｂ）である。ま
た季節によっても夏季の冷房需要や冬季の暖房需要とい
った様々な需要変動があり、常時燃料電池４１の発電量
を一定に保つ運転では、充放電装置４８、蓄熱器４６へ
の蓄電量、蓄熱量に過不足をきたし非経済的運転となる
課題があった。

【０００６】コージェネレーション装置は、電力と熱の
それぞれの需要変化に速やかに対応し常時経済運転を行
うことが求められる。

【０００７】本発明は、上記従来の課題を考慮し、電力
及び／又は熱の需要変化に速やかに対応し、必要とされ
る電力量及び／又は熱量を発生させる燃料電池発電装置
を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、第１の本発明（請求項１に対応）は、燃料ガスと酸
化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、その燃
料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供
給手段と、時間を基準とする必要な電力量のパターンを
記憶する電力量記憶手段と、その電力量記憶手段に記憶
されている前記電力量のパターンに基づいて、前記燃料
ガス供給手段から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給
量、及び／又は、前記酸化剤ガス供給手段から前記燃料
電池への前記酸化剤ガスの供給量を制御するガス供給量
制御手段とを備えた燃料電池発電装置である。

【０００９】第２の本発明（請求項２に対応）は、実際
に消費された負荷電力量を検知する負荷電力量検知手段
と、前記電力量記憶手段に記憶されている前記電力量の
パターンを、前記負荷電力量検知手段に検知された負荷
電力量のパターンに更新する更新手段とを備え、前記ガ
ス供給量制御手段は、更新された後の前記電力量記憶手
段に記憶されている電力量のパターンに基づいて、前記
燃料電池への前記燃料ガス及び／又は前記酸化剤ガスの
供給量を制御する第１の本発明に記載の燃料電池発電装
置である。

【００１０】第３の本発明（請求項３に対応）は、前記
燃料電池で発電された電力を貯蔵する電力貯蔵手段と、
その電力貯蔵手段への充電と前記電力貯蔵手段からの放
電を制御する充放電制御手段とを備えた第１又は第２の
本発明に記載の燃料電池発電装置である。

【００１１】第４の本発明（請求項４に対応）は、前記
燃料電池における発電による排熱を回収する排熱回収手
段と、時間を基準とする必要な熱量のパターンを記憶す
る熱量記憶手段とをさらに備え、前記ガス供給量制御手
段は、前記熱量記憶手段に記憶されている前記熱量のパ
ターンをも利用して、前記燃料電池への前記燃料ガス及
び／又は前記酸化剤ガスの供給量を制御する第１から第
３のいずれかの本発明に記載の燃料電池発電装置であ
る。

【００１２】第５の本発明（請求項５に対応）は、前記
排熱回収手段によって回収された熱量をさらに増加させ
る加熱手段を備え、その加熱手段は前記燃料電池で発電
された電力を利用することができる第４の本発明に記載
の燃料電池発電装置である。

【００１３】第６の本発明（請求項６に対応）は、実際
に前記排熱回収手段から出力される熱出力量を検知する
熱負荷検知手段と、前記熱量記憶手段に記憶されている
前記熱量のパターンを、前記熱負荷検知手段に検知され
た熱出力量のパターンに更新する第２更新手段とを備
え、前記ガス供給量制御手段は、更新された後の前記熱
量記憶手段に記憶されている熱量のパターンを利用し
て、前記燃料電池への前記燃料ガス及び／又は前記酸化
剤ガスの供給量を制御する第４又は第５の本発明に記載
の燃料電池発電装置である。

【００１４】第７の本発明（請求項７に対応）は、前記
電力貯蔵手段の充電電力量を検知する充電電力量検知手
段を備え、前記負荷電力量検知手段によって検知された
負荷電力量が所定の値以下のとき、前記電力貯蔵手段の
充電電力量が所定の電力量に達するまで、前記ガス供給
量制御手段は、前記電力貯蔵手段に前記所定の電力量が
充電されるように、前記燃料電池への前記燃料ガス及び
／又は前記酸化剤ガスの供給量を制御する第３の本発明
に記載の燃料電池発電装置である。

【００１５】第８の本発明（請求項８に対応）は、燃料
ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池
と、その燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供
給手段と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸
化剤ガス供給手段と、前記燃料電池における発電による
排熱を回収する排熱回収手段と、時間を基準とする必要
な熱量のパターンを記憶する熱量記憶手段とを備え、そ
の熱量記憶手段に記憶されている前記熱量のパターンに
基づいて、前記燃料ガス供給手段から前記燃料電池への
前記燃料ガスの供給量、及び／又は、前記酸化剤ガス供
給手段から前記燃料電池への前記酸化剤ガスの供給量を
制御するガス供給量制御手段とを備えた燃料電池発電装
置である。

【００１６】第９の本発明（請求項９に対応）は、実際
に前記排熱回収手段から出力される熱出力量を検知する
熱負荷検知手段と、前記熱量記憶手段に記憶されている
前記熱量のパターンを、前記熱負荷検知手段に検知され
た熱出力量のパターンに更新する更新手段とを備え、前
記ガス供給量制御手段は、更新された後の前記熱量記憶
手段に記憶されている熱量のパターンを利用して、前記
燃料電池への前記燃料ガス及び／又は前記酸化剤ガスの
供給量を制御する第８の本発明に記載の燃料電池発電装
置である。

【００１７】第１０の本発明（請求項１０に対応）は、
前記ガス供給量制御手段が行う、前記燃料電池への前記
燃料ガス及び／又は前記酸化剤ガスの供給量の制御を変
更させるための指示を受け付ける変更指示受付手段をさ
らに備え、前記ガス供給量制御手段は、前記変更指示受
付手段が受け付けた指示に基づいて、前記燃料電池への
前記燃料ガス及び／又は前記酸化剤ガスの供給量を制御
する第１から第９のいずれかの本発明に記載の燃料電池
発電装置である。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面にもとづいて説明する。

【００１９】（実施の形態１）図１は本発明の実施の形
態１における燃料電池発電装置の構成図である。

【００２０】１は燃料電池で、改質器・水素貯蔵合金・
水素ボンベなどに代表される燃料ガス供給手段２と、送
風ファン・送風ポンプなどに代表される酸化剤ガス供給
手段３とが接続されている。４は、燃料ガス供給手段２
から供給される燃料ガス流量と酸化剤ガス供給手段３か
ら供給される酸化剤ガス流量とを制御する流量制御手段
である。５は電力変換手段で、燃料電池１からの直流電
力を交流電力に変換し出力するように接続されている。

【００２１】６は電力変換手段５に電気的に接続された
出力線で、途中で分岐され、一方は系統電源７に、もう
一方は負荷電力検知手段８と電力負荷９に、それぞれ電
気的に接続されている。１０は時刻、時間を計測するタ
イマー等の計時手段、１１は、各時刻の使用電力量を記
憶する半導体メモリ等の記憶手段、１２は記憶手段１１
を内蔵し、負荷電力検知手段８によって検知された負荷
電力量と計時手段１０からの計時信号と電力変換手段５
から燃料電池１の発生電圧、電流を入力し、各時刻にお
ける負荷電力量を記憶手段１１に記憶させ、かつ記憶手
段１１からの負荷電力量モニタ情報を基に流量制御手段
４へ電力負荷の日負荷特性に応じた燃料ガスと酸化剤ガ
スの流量制御信号を出力する電力制御手段である。

【００２２】つぎに、本実施の形態１における動作を説
明する。

【００２３】燃料ガス供給手段２から供給される燃料ガ
スと酸化剤ガス供給手段３から供給される酸化剤ガス中
の酸素は、燃料電池１の中で反応し直流電流を発生させ
る。発生した直流電流は電力変換手段５に送られ、系統
電源７と同じ電圧の交流電流に変換され、出力線６を通
って電力負荷９に供給される。ここで電力負荷９の負荷
電力に対し燃料電池１の出力電力に不足がある場合は系
統電源７からも電力を供給し、逆に負荷電力に対し出力
電力が過剰の場合は系統電源７へ電力を戻し、いわゆる
系統連系を行うものである。

【００２４】燃料電池発電装置で発電を行う目的の一つ
に発電効率の高さによる経済性が挙げられるが、負荷電
力に対し出力電力に不足がある場合は系統電源７から割
高の電力を購入し負荷電力に対し出力電力が過剰な場合
は系統電源７へ無料で（又は低価格で）電力を戻すため
一般的に経済性が悪化する。そのため負荷電力に対する
出力電力に過不足がないように、負荷電力の変化に応じ
て出力電力を追従させることが望まれる。

【００２５】この追従を行うための手段として、負荷電
力検知手段８によって電力負荷９の負荷電力をあらかじ
め検知しておき、その負荷電力の時間とともに変化する
パターンを電力制御手段１２が記憶手段１１に記憶させ
る。そして、その記憶手段１１に記憶されているパター
ンに基づいて、電力制御手段１２が電力負荷に見合った
発電出力になるように流量制御手段４に出力指令する。

【００２６】流量制御手段４は、燃料ガス供給手段２か
ら燃料電池１へ供給される燃料ガス流量と、酸化剤ガス
供給手段３から燃料電池１へ供給される酸化剤ガス流量
のいずれもが電力制御手段１２からの出力指令に応じた
流量になるように制御する。さらに電力変換手段５は燃
料電池１から発生する直流電流を系統電源７の交流電力
に変換する。

【００２７】ここで、出力電力の制御は電力変換手段５
の直流電流制御のみでも行うことができるが、例えば燃
料電池１から発生する直流電流を少なくした時でも燃料
電池１へ供給される燃料ガス流量が一定であった場合
は、燃料電池１内で反応される燃料ガスの比率（燃料ガ
ス利用率）が低下し多くの燃料ガスを捨ててしまうこと
となり、効率が著しく悪化する。そこで電力制御手段１
２が流量制御手段４を介して燃料ガス流量と酸化剤ガス
流量を適正値に制御することによって、効率を常に最適
に維持するものである。

【００２８】この一連の追従制御において、一般に家庭
などにおける負荷電力は図７に示すように、一日の中
で、短時間に激しく変化し、かつ平均電力も時刻ととも
に増減する。一般的に、最大電力使用時と最小電力使用
時では３：１ないし２：１の割合で変化する傾向があ
る。特に、需要家の活動停止期間である夜間から朝方
（図７の期間Ａ）にかけて最小電力使用が継続する。こ
のような電力負荷需要は、各家庭毎に概ね周期性、規則
性があり同様な負荷パターンが繰り返されることが多
い。

【００２９】電力制御手段１２は、負荷電力検知手段８
によって検知された負荷電力量を計時手段１０により時
刻に対する電力として負荷電力量モニタ情報（１日の時
刻と使用電力量の関係）として記憶手段１１に記憶させ
る。そして、この負荷電力量モニタ情報を基に、記憶後
の電力出力が負荷電力量モニタ情報と対応する各タイミ
ングにおいて同じ出力になるように、前記流量制御手段
４へ燃料ガスと酸化剤ガスの流量制御信号を出力する。

【００３０】さらに、電力制御手段１２は、常に負荷電
力検知手段８によって検知された負荷電力量を計時手段
１０により時刻に対する電力として負荷電力量モニタ情
報として記憶手段１１に更新記憶させるため、この負荷
電力量モニタ情報が変動時、例えば、家族人員の増減、
使用家庭電化機器の増減等の負荷パターン変化などに対
して常に最新の負荷電力パターンを需要家固有の需要特
性として記憶することができ、最新負荷パターンを学習
運転することにより経済運転可能な発電装置となる。

【００３１】また、季節による需要変動も、同様に日電
力負荷特性として日々更新していくことにより、年間を
通した経済運転が可能となる。また、実際の使用負荷電
力は短時間に激しく変化する場合が多いが、負荷電力量
モニタ情報による負荷パターンに応じた電力出力を燃料
電池１の負荷追随性能に見合う速度変化で予め行うこと
により燃料電池発電装置としての安定運転が実現し、長
寿命化、信頼性向上が得られる。

【００３２】なお、上述した実施の形態では、本発明の
燃料電池発電装置の、燃料電池の一例として燃料電池１
を、燃料ガス供給手段の一例として燃料ガス供給手段２
を、酸化剤ガス供給手段の一例として酸化剤ガス供給手
段３を、電力量記憶手段の一例として記憶手段１１を、
ガス供給量制御手段の一例として電力制御手段１２及び
流量制御手段４を、それぞれ用いた。

【００３３】また、上述した実施の形態では、本発明の
燃料電池発電装置の、負荷電力量検知手段の一例として
負荷電力検知手段８を、更新手段の一例として電力制御
手段１２を、それぞれ用いた。

【００３４】また、上述した実施の形態では、記憶手段
１１には時間とともに変化する必要な負荷電力量のパタ
ーンが記憶されており、電力制御手段１２が電力負荷に
見合った発電出力になるように流量制御手段４に出力指
令を発するとした。しかしながら、記憶手段１１には、
時間とともに変化する必要な負荷熱量のパターンが記憶
されており、そして、図１０に示すように、電力制御手
段１２に対応する熱出力量制御手段１２Ａが別途設けら
れていて、その熱出力量制御手段１２Ａが、記憶手段１
１に記憶されている負荷熱量のパターンに基づいて、熱
負荷に見合った発熱量が出力されるように流量制御手段
４に出力指令を発するとしてもよい。

【００３５】図１０において、１６Ａは、燃料電池１か
らの発電反応による排熱を回収する排熱回収手段として
の貯湯タンク（以下、貯湯タンク１６Ａとする）であ
り、燃料電池１と熱交換器１７Ａとを冷却水経路１８Ａ
によって接続し、冷却水循環ポンプ１９Ａにより冷却水
を循環させて燃料電池１の排熱を回収させる。熱交換器
１７Ａで熱交換された排熱は貯湯タンク１６Ａへ搬送さ
れ、貯湯される。２０Ａは、貯湯タンク１６Ａの排熱回
収量をさらに直流電力または交流電力により増加させる
加熱手段としてのヒータ（以下、ヒータ２０Ａとす
る）、２１Ａは、ヒータ２０Ａへの電源としての燃料電
池１の直流出力と系統電源７の交流出力を切り換える切
り換え手段である。また、２２Ａは、貯湯タンク１６Ａ
から出力される熱出力を検知する熱負荷検知手段であ
り、貯湯タンク１６Ａへの給水温度を検知する給水温度
センサ２３Ａからの給水温度と給湯流量と給湯温度とか
ら貯湯タンク１６Ａの熱出力を演算で求める。２４Ａは
貯湯タンク１６Ａへの水を供給するための給水バルブで
ある。

【００３６】また、排熱回収手段１６Ａから実際に出力
される熱出力量を検知する熱負荷検知手段２２Ａと、記
憶手段１１に記憶されている熱量のパターンを、熱負荷
検知手段２２Ａに検知された熱出力量のパターンに更新
する更新手段１２Ａとを設けてあるため、更新されたパ
ターンに基づいて、熱負荷に見合った発熱量が出力され
るように、熱出力量制御手段１２Ａが流量制御手段４に
出力指令を発することにより、熱負荷を優先した運転が
可能となり、熱負荷需要に対して常に過不足ない、発熱
量について経済的な運転をすることが可能となる。

【００３７】（実施の形態２）図２は本発明の実施の形
態２における燃料電池発電装置の構成図である。

【００３８】図２において、図１で示した実施の形態１
の燃料電池発電装置と同じ機能を有するものについて
は、同一符号を付与しており、それらの機能の詳細は、
図１のものに準ずるものとして説明を省略する。

【００３９】１３は燃料電池１で発電した直流電力を貯
蔵する２次電池であり、２次電池１３への充電と放電を
制御する充放電制御手段１４により、燃料電池１からの
充電と電力変換手段５への放電を制御されるように接続
されている。１５は負荷電力検知手段８によって検知さ
れた負荷電力量と計時手段１０からの計時信号とを入力
し各時刻における負荷電力量を記憶手段１１に記憶さ
せ、かつ記憶手段１１からの負荷電力量モニタ情報を基
に流量制御手段４へ電力負荷の日負荷特性に応じた燃料
ガスと酸化剤ガスの流量制御信号を出力するとともに充
放電制御手段１４を介して２次電池１３への充放電量を
制御する電力貯蔵制御手段である。

【００４０】２次電池１３を設けた目的は、実施の形態
１の系統連系において負荷電力に対する出力電力の過不
足による経済性の悪化に対して、２次電池１３の充放電
を利用し系統電源７からの電力供給量および系統電源７
への電力戻り量を極力少なくし、経済性を良化させるも
のである。

【００４１】つぎに、本実施の形態２における動作を説
明する。

【００４２】一般に家庭などにおける負荷電力は図７に
示すように、一日の中で、短時間に激しく変化し、かつ
平均電力も時刻とともに増減する。一般的に、最大電力
使用時と最小電力使用時では３：１ないし２：１の割合
で変化する傾向がある。特に、需要家の活動停止期間で
ある夜間から朝方（図７の期間Ａ）にかけて最小電力使
用が継続する。このような電力負荷需要は、各家庭毎に
概ね周期性、規則性があり同様な負荷パターンが繰り返
されることが多い。

【００４３】まず、負荷電力検知手段８によって電力負
荷９の負荷電力を検知しておき、その負荷電力の時間と
とも変化するパターンを電力貯蔵制御手段１５が記憶手
段１１に記憶させる。そして、その記憶手段１１に記憶
されているパターンに基づいて、電力貯蔵制御手段１５
が電力負荷に見合った発電出力になるように流量制御手
段４に出力指令する。流量制御手段４は、燃料ガス供給
手段２から燃料電池１へ供給される燃料ガス流量と、酸
化剤ガス供給手段３から燃料電池１へ供給される酸化剤
ガス流量のいずれもが電力貯蔵制御手段１５からの出力
指令に応じた流量になるように制御する。さらに電力変
換手段５は燃料電池１から発生する直流電流を系統電源
７の交流電力に変換する。

【００４４】ここで、電力貯蔵制御手段１５は、電力負
荷９に対する発電電力の不足分は２次電池１３より充放
電制御手段１４を介して補充出力させる。

【００４５】さらに、電力貯蔵制御手段１５は、負荷電
力検知手段８によって検知された負荷電力量を計時手段
１０により時刻に対する電力として負荷電力量モニタ情
報（１日の時刻と使用電力量の関係）として記憶手段１
１に記憶させる。そして、この負荷電力量モニタ情報を
基に、記憶後の電力出力が負荷電力量モニタ情報と対応
する各タイミングにおいて同じ出力になるように、前記
流量制御手段４へ燃料ガスと酸化剤ガスの流量制御信号
を出力する。さらに、電力貯蔵制御手段１５は燃料電池
１の電力負荷が低く、かつ２次電池１３の充電に適した
燃料電池１の出力電圧が高い時間帯（図７の期間Ａ）に
充放電制御手段１４を介して２次電池１３への充電を行
い充電時間を確保する。

【００４６】これら一連の運転制御は、実施の形態１に
おける追従制御に２次電池１３の蓄電量制御を加えたも
ので、負荷電力量モニタ情報に基づく平均出力電力に対
して実際の負荷電力は変動分が大きいため、２次電池１
３の蓄電量が常に補償されるような放電量と充電量がほ
ぼ同等になるような電力出力制御になるとは限らないた
め、記憶手段１１の負荷電力量モニタ情報により充電が
確保できる時間帯に２次電池１３の蓄電量を確保するよ
うにしたものである。

【００４７】つまり、負荷電力に対する出力電力に過不
足がないように、負荷電力の変化に極力忠実に出力電力
を追従させ、系統電源７からの電力授受を少なくでき経
済運転が可能になる。

【００４８】なお、上述した実施の形態では、本発明の
燃料電池発電装置の、電力貯蔵手段の一例として２次電
池１３を、充放電制御手段の一例として電力貯蔵制御手
段１５及び充放電制御手段１４を、それぞれ用いた。

【００４９】（実施の形態３）図３は本発明の実施の形
態３における燃料電池発電装置の構成図である。図３に
おいて、図１で示した実施の形態１の燃料電池発電装
置、図２で示した実施の形態２の燃料電池発電装置と同
じ機能を有するものについては、同一符号を付与してお
り、それらの機能の詳細は、図１、２のものに準ずるも
のとして説明を省略する。

【００５０】１６は、燃料電池１からの発電反応による
排熱を回収する排熱回収手段としての貯湯タンク（以
下、貯湯タンク１６とする）であり、燃料電池１と熱交
換器１７とを冷却水経路１８によって接続し、冷却水循
環ポンプ１９により冷却水を循環させて燃料電池１の排
熱を回収させる。熱交換器１７で熱交換された排熱は貯
湯タンク１６へ搬送され、貯湯される。２０は、貯湯タ
ンク１６の排熱回収量をさらに直流電力または交流電力
により増加させる加熱手段としてのヒータ（以下、ヒー
タ２０とする）、２１は、ヒータ２０への電源としての
燃料電池１の直流出力と系統電源７の交流出力を切り換
える切り換え手段である。また、２２は、貯湯タンク１
６から出力される熱出力を検知する熱負荷検知手段であ
り、貯湯タンク１６への給水温度を検知する給水温度セ
ンサ２３からの給水温度と給湯流量と給湯温度とから貯
湯タンク１６の熱出力を演算で求める。２４は貯湯タン
ク１６への水を供給するための給水バルブである。

【００５１】２５は、負荷電力検知手段８からの負荷電
力量と熱負荷検知手段２２からの熱負荷量と計時手段１
０からの計時信号とを入力し各時刻における負荷電力
量、熱負荷量を記憶手段１１に記憶させ、かつ記憶手段
１１からの負荷電力、熱負荷モニタ情報を基に流量制御
手段４へ電力負荷の日負荷特性に応じた燃料ガスと酸化
剤ガスの流量制御信号を出力するとともに充放電制御手
段１４を介して２次電池１３への充放電量を制御し、か
つ加熱手段（ヒータ）２０に熱負荷の日負荷特性に応じ
た加熱制御信号を出力する熱電力貯蔵制御手段である。

【００５２】２次電池１３を設けた目的は、実施の形態
２の場合と同様である。

【００５３】つぎに、本実施の形態３における動作を説
明する。

【００５４】一般に家庭などにおける負荷電力は図７に
示すように、一日の中で、短時間に激しく変化し、かつ
平均電力も時刻とともに増減する。一般的に、最大電力
使用時と最小電力使用時では３：１ないし２：１の割合
で変化する傾向がある。特に、需要家の活動停止期間で
ある夜間から朝方（図７の期間Ａ）にかけて最小電力使
用が継続する。このような電力負荷需要は、各家庭毎に
概ね周期性、規則性があり同様な負荷パターンが繰り返
されることが多い。

【００５５】また排熱回収手段（貯湯タンク）１６の熱
（湯）の使用量は図９に示すように１日のうちで大きく
変化して朝方、昼、夕方から夜中にかけて需要が高くな
り、これ以外は使用量は少ない。特に、需要家の活動停
止期間である夜間から朝方（図９の期間Ｃ）にかけて給
湯使用量がほぼ無くなる。このような熱（給湯）負荷需
要は、電力負荷需要と同様に、各家庭毎に概ね周期性、
規則性があり同様な負荷パターンが繰り返されることが
多い。

【００５６】まず、負荷電力検知手段８によって電力負
荷９の負荷電力を検知しておき、その負荷電力の時間と
とも変化するパターンを熱電力貯蔵制御手段２５が記憶
手段１１に記憶させる。そして、その記憶手段１１に記
憶されているパターンに基づいて、熱電力貯蔵制御手段
２５が電力負荷に見合った発電出力になるように流量制
御手段４に出力指令する。流量制御手段４は出力指令に
応じた燃料ガス供給手段２から供給される燃料ガス流量
と酸化剤ガス供給手段３から供給される酸化剤ガス流量
になるように制御する。さらに電力変換手段５は燃料電
池１から発生する直流電流を系統電源７の交流電力に変
換する。

【００５７】ここで、熱電力貯蔵制御手段２５は、電力
負荷９に対する発電電力の不足分は２次電池１３より充
放電制御手段１４を介して補充出力させる。

【００５８】さらに、熱電力貯蔵制御手段２５は、負荷
電力検知手段８によって検知された負荷電力量を計時手
段１０により時刻に対する電力として負荷電力量モニタ
情報（１日の時刻と使用電力量の関係）として記憶手段
１１に記憶させる。そして、この負荷電力量モニタ情報
を基に、記憶後の電力出力を負荷電力量モニタ情報と同
じ出力になるように、前記流量制御手段４へ燃料ガスと
酸化剤ガスの流量制御信号を出力する。さらに、熱電力
貯蔵制御手段２５は燃料電池１の電力負荷が低く、かつ
２次電池１３の充電に適した燃料電池１の出力電圧が高
い時間帯（図７の期間Ａ）に充放電制御手段１４を介し
て２次電池１３への充電を行い充電時間を確保する。

【００５９】これら一連の運転制御は、実施の形態１に
おける追従制御に２次電池１３の蓄電量制御を加えたも
ので、負荷電力量モニタ情報に基づく平均出力電力に対
して実際の負荷電力は変動分が大きいため、２次電池１
３の蓄電量が常に補償されるような放電量と充電量がほ
ぼ同等になるような電力出力制御になるとは限らないた
め、記憶手段１１の負荷電力量モニタ情報により充電が
確保できる時間帯に２次電池１３の蓄電量を確保するよ
うにしたものである。

【００６０】つまり、負荷電力に対する出力電力に過不
足がないように、負荷電力の変化に極力忠実に出力電力
を追従させ、系統電源７からの電力授受を少なくでき経
済運転が可能になる。

【００６１】また、熱電力貯蔵制御手段２５は、熱負荷
検知手段２２によって検知された熱負荷量を計時手段１
０により時刻に対する熱使用量として熱負荷モニタ情報
として記憶手段１１に記憶する。そして、この熱負荷モ
ニタ情報を基に、記憶後の前記電力負荷モニタ情報に基
づく燃料電池１の発電による排熱回収量を演算により求
め、熱負荷モニタ情報から得られた熱負荷実需要との差
を演算し、予め熱負荷実需要を供給できるだけの不足分
を図９の期間Ｃにおいて、加熱手段（ヒータ）２０への
電力供給分を加算して、燃料電池１の発電を行い熱供給
量を確保する。

【００６２】また、熱負荷モニタ情報から得られた熱負
荷実需要との差を演算し、その差が余剰分となれば、加
熱手段（ヒータ）２０への電力供給を行わず２次電池１
３の充電分のみの電力分を加算して、燃料電池１の発電
を行う。

【００６３】つまり、熱負荷需要に対する熱供給に過不
足がないように、熱負荷需要の変化に極力忠実に熱供給
を行い、需要家の熱需要に確実に対応できかつ経済運転
が可能になる。

【００６４】なお、上記実施の形態では、加熱手段（ヒ
ータ）２０への電力供給を燃料電池１の発電の直流電力
により賄うように運転しているが、系統電源７からの一
般交流電源の安価な深夜電力を利用しても同様の効果を
有することは言うまでもない。

【００６５】また、上述した実施の形態では、本発明の
燃料電池発電装置の、排熱回収手段の一例として排熱回
収手段１６（貯湯タンク１６）を、熱量記憶手段の一例
として記憶手段１１を、加熱手段の一例として加熱手段
（ヒータ）２０を、熱負荷検知手段の一例として熱負荷
検知手段２２を、それぞれ用いた。

【００６６】また、上記実施の形態における熱電力貯蔵
制御手段２５は、記憶手段１１に記憶されている電力量
のパターンを、負荷電力検知手段８によって検知された
負荷電力量のパターンに、及び／又は、記憶手段１１に
記憶されている熱量のパターンを、熱負荷検知手段２２
によって検知された熱負荷量のパターンに、更新すると
してもよい。その場合、更新後の燃料電池１への燃料ガ
スと酸化剤ガスの供給量は、更新されたパターンに基づ
いて決定されることになる。

【００６７】（実施の形態４）図４は本発明の実施の形
態４における燃料電池発電装置の構成図である。図４に
おいて、図１で示した実施の形態１の燃料電池発電装
置、図２で示した実施の形態２の燃料電池発電装置と同
じ機能を有するものについては、同一符号を付与してお
り、それらの機能の詳細は、図１、２のものに準ずるも
のとして説明を省略する。

【００６８】本実施の形態の特徴は、２次電池１３の充
電電力量を検知する充電電力量検知手段２６を設けた点
である。

【００６９】負荷電力検知手段８により検知された負荷
電力が所定の第１の電力値（燃料電池１の発電量が少な
く、発電電圧が２次電池１３の充電のための充電電流を
加算しても、発電電圧が２次電池１３の充電電圧以上確
保できる発電量：図７の第１の電力値）以下のとき、充
電電力量検知手段２６が検知する充電電力量が所定の充
電電力量（１００％充電）に達するまで、電力貯蔵制御
手段１５が流量制御手段４に２次電池１３への充電電力
を加算した電力を発生する流量制御信号を出力するもの
である。

【００７０】負荷電力量モニタ情報に基づく平均出力電
力に対して実際の負荷電力は変動分が大きいため、２次
電池１３の蓄電量が常に補償されるような放電量と充電
量がほぼ同等になるような電力出力制御になるとは限ら
ないため、記憶手段１１の負荷電力量モニタ情報により
充電が確保できる時間帯に２次電池１３の蓄電量を確保
するとともに、２次電池１３の充電完了したことを充電
電力量検知手段２６により検知することにより、過充電
による２次電池１３の性能劣化を防止し、燃料電池発電
装置の長寿命化が図れる。

【００７１】（実施の形態５）図５は本発明の実施の形
態５における燃料電池発電装置の構成図である。図５に
おいて、図１で示した実施の形態１の燃料電池発電装
置、図３に示した実施の形態３の燃料電池発電装置と同
じ機能を有するものについては、同一符号を付与してお
り、それらの機能の詳細は、図１、３のものに準ずるも
のとして説明を省略する。

【００７２】本実施の形態の特徴は、２次電池１３の充
電電力量を検知する充電電力量検知手段２６と、貯湯タ
ンク１６の排熱回収量を増加させる排熱回収量増加入力
手段（リモコン等により熱需要の緊急増加とその増加量
を入力するもの）２７とを設けた点である。

【００７３】負荷電力検知手段８により検知された負荷
電力が所定の第２の電力値（燃料電池１の発電量が少な
く、発電電圧が２次電池１３の充電のための充電電流と
貯湯タンク１６の排熱回収量を増加させるためのヒータ
２０への加熱電力量を供給する電流とを加算しても、発
電電圧が２次電池１３の充電電圧以上確保できる発電
量：図７の第２の電力値）以下のとき、熱電力貯蔵制御
手段２５が充電電力量検知手段２６が検知する充電電力
量が所定の充電電力量（例えば１００％充電）に達し、
かつヒータ２０への必要加熱電力量に達するまで、流量
制御手段４に２次電池１３への充電電力を加算した電力
を発生する流量制御信号を出力するものである。

【００７４】負荷電力量モニタ情報に基づく平均出力電
力に対して実際の負荷電力は変動分が大きいため、２次
電池１３の蓄電量が常に補償されるような放電量と充電
量がほぼ同等になるような電力出力制御になるとは限ら
ないため、記憶手段１１の負荷電力量モニタ情報により
充電が確保できる時間帯に２次電池１３の蓄電量を確保
するとともに、２次電池１３の充電完了したことを充電
電力量検知手段２６により検知することにより、過充電
による２次電池１３の性能劣化を防止し、燃料電池発電
装置の長寿命化が図れる。

【００７５】かつ、貯湯タンク１６の排熱回収量を増加
させる排熱回収量増加入力手段２７を設けたことによ
り、熱負荷検知手段２２と計時手段１０と記憶手段１１
とから求められた時刻に対する熱使用量として熱負荷モ
ニタ情報に基づいた排熱回収量で不足する緊急の熱需要
に対してヒータ２０により不足分の補償運転を需要家の
活動停止期間である夜間から朝方など低電力負荷需要時
間帯に行うことにより、必要熱需要量と２次電池の必要
充電量を確保できる。

【００７６】また、上述した実施の形態では、本発明の
燃料電池発電装置の、変更指示受付手段の一例として排
熱回収量増加入力手段２７を用いた。

【００７７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は、電力及び／又は熱の需要変化に速やかに対応し、必
要とされる電力量及び／又は熱量を発生させる燃料電池
発電装置を提供することができる。

【００７８】さらに本発明の燃料電池発電装置の効果を
以下に説明する。

【００７９】負荷電力量検知手段によって検知された負
荷電力量を計時手段からの計時信号により負荷電力量モ
ニタ情報として記憶手段に記憶させ、この負荷電力量モ
ニタ情報を基に流量制御手段へ電力負荷の日負荷特性に
応じた燃料ガスと酸化剤ガスの流量制御信号を出力する
構成としているため、常に最新の負荷電力パターンを需
要家固有の需要特性として記憶することができ、最新負
荷パターンを学習運転することにより、負荷追従の急変
のない安定運転と経済運転を両立させた発電装置とな
る。

【００８０】また、季節変化、需要家の人員増減等によ
る需要変動も、同様に日電力負荷特性として更新学習し
ていくことにより、常時負荷需要に見合った経済運転が
可能となる。

【００８１】また、燃料電池の負荷電力量モニタ情報を
基に、低負荷時間帯に２次電池への充電を行ことによ
り、充電電圧と充電時間を確保でき２次電池の劣化防
止、長寿命化が実現できる。

【００８２】また、熱負荷検知手段による熱負荷モニタ
情報を基に、低負荷時間帯に２次電池への充電と熱負荷
実需要との不足熱供給量を確保でき、需要家の熱需要に
確実に対応できかつ利便性がさらに向上する。

【００８３】また、２次電池の充電完了を充電電力量検
知手段により検知することにより、過充電による２次電
池の性能劣化を防止し、燃料電池発電装置の長寿命化が
図れる。

【００８４】また、排熱回収量増加入力手段（本発明の
燃料電池発電装置の変更指示受付手段の一例）により、
熱負荷モニタ情報に基づいた排熱回収量で不足する緊急
の熱需要に対して加熱手段により不足分の補償運転を行
うことにより、必要熱需要量を確保でき利便性がさらに
向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池発電装
置のブロック構成図

【図２】本発明の実施の形態２における燃料電池発電装
置のブロック構成図

【図３】本発明の実施の形態３における燃料電池発電装
置のブロック構成図

【図４】本発明の実施の形態４における燃料電池発電装
置のブロック構成図

【図５】本発明の実施の形態５における燃料電池発電装
置のブロック構成図

【図６】従来の燃料電池発電システムのブロック構成図

【図７】一般家庭の１日の時刻別電力使用量変化を示す
説明図

【図８】一般家庭の１日の時刻別熱需要変化を示す説明
図

【図９】一般家庭の１日の時刻別給湯需要変化を示す説
明図

【図１０】本発明の実施の形態１の他の燃料電池発電装
置のブロック構成図

【符号の説明】

１ 燃料電池 ２ 燃料ガス供給手段 ３ 酸化剤ガス供給手段 ４ 流量制御手段 ５ 電力変換手段 ７ 系統電源 ８ 負荷電力検知手段 ９ 電力負荷 １０ 計時手段 １１ 記憶手段 １２ 電力制御手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 懸 忍 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 5H027 AA02 BA08 DD03 DD06 KK52 MM04 MM09

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発
   電を行う燃料電池と、 その燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手
   段と、 前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供
   給手段と、 時間を基準とする必要な電力量のパターンを記憶する電
   力量記憶手段と、 その電力量記憶手段に記憶されている前記電力量のパタ
   ーンに基づいて、前記燃料ガス供給手段から前記燃料電
   池への前記燃料ガスの供給量、及び／又は、前記酸化剤
   ガス供給手段から前記燃料電池への前記酸化剤ガスの供
   給量を制御するガス供給量制御手段とを備えた燃料電池
   発電装置。
2. 【請求項２】 実際に消費された負荷電力量を検知する
   負荷電力量検知手段と、 前記電力量記憶手段に記憶されている前記電力量のパタ
   ーンを、前記負荷電力量検知手段に検知された負荷電力
   量のパターンに更新する更新手段とを備え、 前記ガス供給量制御手段は、更新された後の前記電力量
   記憶手段に記憶されている電力量のパターンに基づい
   て、前記燃料電池への前記燃料ガス及び／又は前記酸化
   剤ガスの供給量を制御する請求項１に記載の燃料電池発
   電装置。
3. 【請求項３】 前記燃料電池で発電された電力を貯蔵す
   る電力貯蔵手段と、その電力貯蔵手段への充電と前記電
   力貯蔵手段からの放電を制御する充放電制御手段とを備
   えた請求項１又は２に記載の燃料電池発電装置。
4. 【請求項４】 前記燃料電池における発電による排熱を
   回収する排熱回収手段と、時間を基準とする必要な熱量
   のパターンを記憶する熱量記憶手段とをさらに備え、 前記ガス供給量制御手段は、前記熱量記憶手段に記憶さ
   れている前記熱量のパターンをも利用して、前記燃料電
   池への前記燃料ガス及び／又は前記酸化剤ガスの供給量
   を制御する請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池
   発電装置。
5. 【請求項５】 前記排熱回収手段によって回収された熱
   量をさらに増加させる加熱手段を備え、その加熱手段は
   前記燃料電池で発電された電力を利用することができる
   請求項４に記載の燃料電池発電装置。
6. 【請求項６】 実際に前記排熱回収手段から出力される
   熱出力量を検知する熱負荷検知手段と、 前記熱量記憶手段に記憶されている前記熱量のパターン
   を、前記熱負荷検知手段に検知された熱出力量のパター
   ンに更新する第２更新手段とを備え、 前記ガス供給量制御手段は、更新された後の前記熱量記
   憶手段に記憶されている熱量のパターンを利用して、前
   記燃料電池への前記燃料ガス及び／又は前記酸化剤ガス
   の供給量を制御する請求項４又は５に記載の燃料電池発
   電装置。
7. 【請求項７】 前記電力貯蔵手段の充電電力量を検知す
   る充電電力量検知手段を備え、 前記負荷電力量検知手段によって検知された負荷電力量
   が所定の値以下のとき、前記電力貯蔵手段の充電電力量
   が所定の電力量に達するまで、前記ガス供給量制御手段
   は、前記電力貯蔵手段に前記所定の電力量が充電される
   ように、前記燃料電池への前記燃料ガス及び／又は前記
   酸化剤ガスの供給量を制御する請求項３に記載の燃料電
   池発電装置。
8. 【請求項８】 燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発
   電を行う燃料電池と、 その燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手
   段と、 前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供
   給手段と、 前記燃料電池における発電による排熱を回収する排熱回
   収手段と、 時間を基準とする必要な熱量のパターンを記憶する熱量
   記憶手段とを備え、 その熱量記憶手段に記憶されている前記熱量のパターン
   に基づいて、前記燃料ガス供給手段から前記燃料電池へ
   の前記燃料ガスの供給量、及び／又は、前記酸化剤ガス
   供給手段から前記燃料電池への前記酸化剤ガスの供給量
   を制御するガス供給量制御手段とを備えた燃料電池発電
   装置。
9. 【請求項９】 実際に前記排熱回収手段から出力される
   熱出力量を検知する熱負荷検知手段と、 前記熱量記憶手段に記憶されている前記熱量のパターン
   を、前記熱負荷検知手段に検知された熱出力量のパター
   ンに更新する更新手段とを備え、 前記ガス供給量制御手段は、更新された後の前記熱量記
   憶手段に記憶されている熱量のパターンを利用して、前
   記燃料電池への前記燃料ガス及び／又は前記酸化剤ガス
   の供給量を制御する請求項８に記載の燃料電池発電装
   置。
10. 【請求項１０】 前記ガス供給量制御手段が行う、前記
    燃料電池への前記燃料ガス及び／又は前記酸化剤ガスの
    供給量の制御を変更させるための指示を受け付ける変更
    指示受付手段をさらに備え、 前記ガス供給量制御手段は、前記変更指示受付手段が受
    け付けた指示に基づいて、前記燃料電池への前記燃料ガ
    ス及び／又は前記酸化剤ガスの供給量を制御する請求項
    １から９のいずれかに記載の燃料電池発電装置。