JP2003308864A

JP2003308864A - 燃料電池コジェネレーションシステム

Info

Publication number: JP2003308864A
Application number: JP2002110680A
Authority: JP
Inventors: Motoharu Ataka; 元晴安宅; Hiroto Takeuchi; 裕人竹内
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2002-04-12
Filing date: 2002-04-12
Publication date: 2003-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】熱効率や発電効率を含めた総合効率を高める
ことができる燃料電池コジェネレーションシステムを提
供する。【解決手段】燃料を改質して水素を得る燃料改質装置
１１と、燃料改質装置から水素を供給され発電する燃料
電池本体１２と、燃料電池本体及び燃料改質装置から発
生する排熱を回収する排熱回収装置１４と、燃料改質装
置、燃料電池本体及び排熱回収装置を制御する制御装置
１５とを備え、制御装置１５は、１日中作動している連
続運転方式と１日の中で１回以上の起動と停止を行う間
歇運転方式とを切り替える自動運転するか、又は、自動
運転を停止制御する。制御装置１５は、時間帯によって
自動運転と、自動運転停止を切り替えるようにしてもよ
い。また、時間帯は曜日によって切り替えることが好ま
しい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、都市ガス等の燃料
を使用する燃料電池コジェネレーションシステムに係
り、特に負荷が小さいときは起動を停止して総合的な効
率を向上し、ランニングコストを低減できる燃料電池コ
ジェネレーションシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の燃料電池コジェネレーシ
ョンシステムとして、特開平１１−３１７２３３号公報
に記載の燃料電池発電システムがある。このシステム
は、水素原料及び水へ所定の反応熱を供給し水素原料に
含まれる炭化水素又はアルコールを水と反応させて水素
を発生する改質器と、改質器から供給された水素を空気
中の酸素と反応させて電気エネルギーを発生する燃料電
池と、改質器へ供給する水を蓄えた貯水タンクへ配置さ
れ、駆動電流が供給されると共に貯水タンク内の水を昇
温するヒータと、を有し、ヒータを所定の深夜時間帯内
のみ駆動可能とし、深夜時間帯に貯水タンク内の水が予
め設定された目標温度となるようにヒータの駆動を制御
するヒータ制御手段を有することを特徴とする。燃料電
池から得られた直流の電気は、インバータで交流に変換
されたあと、商用電力に連系され、家庭内の電力として
利用される。また、燃料電池と改質器から回収された排
熱は貯湯タンクに蓄えられ、給湯などに利用される。

【０００３】前記の発電システムにおいては、深夜時間
帯にヒータが貯水タンク内の水を目標温度へ昇温するこ
とにより、改質器へは十分な熱量が予め供給された水を
天然ガスと共に供給できるので、改質器が水及び天然ガ
スへ所要の反応熱を供給するために消費する天然ガスを
減少できる。この結果、改質器から排出される熱量が少
ない発電開始直後の期間に、改質器へ供給される水の温
度が低くなり改質器により消費される天然ガスが増大す
ることを防止できるので、システムの発電効率の低下を
効果的に防止できるものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記した燃
料電池発電システムにおいては、改質器は数１００℃と
いう高温で運転するため、停止状態から再起動する時に
は大量のエネルギーを投入して昇温する必要がある。こ
のような起動される際のエネルギー投入が起動損とな
り、結果的にこのような燃料発電システムの総合効率を
低下させてしまうという問題があった。また、負荷が小
さいときには低効率で運転するため、総合効率を低下さ
せていた。

【０００５】本発明は、このような問題に鑑みてなされ
たものであって、その目的とするところは、季節による
気温の変化や、導入される市水の変化に対応して運転方
式を切り替えることにより、熱効率や発電効率を含めた
総合効率を高めることができ、負荷が小さいときにはシ
ステムを起動停止状態として効率を高めることにより、
ランニングコストを低減できる燃料電池コジェネレーシ
ョンシステムを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成すべく、
本発明に係る燃料電池コジェネレーションシステムは、
燃料を改質して水素を得る燃料改質装置と、燃料改質装
置から水素を供給され発電する燃料電池本体と、燃料電
池本体及び燃料改質装置から発生する排熱を回収する排
熱回収装置と、燃料改質装置、燃料電池本体及び排熱回
収装置を制御する制御装置とを備え、制御装置は、１日
中運転している連続運転方式と、１日の中で１回以上の
起動と停止を行う間歇運転方式とを切り替える自動運転
により、このシステムを運転するか、又は、自動運転を
停止制御することを特徴とする。

【０００７】また、本発明に係る燃料電池コジェネレー
ションシステムの好ましい具体的な態様としては、制御
装置は時間帯によって自動運転と、自動運転停止とを切
り替えることを特徴とする。さらに、制御装置は、カレ
ンダー機能を備え、曜日によって時間帯を切り替えるよ
うに構成してもよい。

【０００８】このように構成された本発明の燃料電池コ
ジェネレーションシステムは、１日中運転している連続
運転方式と、１日の中で１回以上の起動と停止を行う間
歇運転方式を切り替えて自動運転すると共に、システム
を停止状態に切り替えるため、システムの起動損等を少
なくできると共に低効率での運転を防止でき、総合効率
を向上させることができる。

【０００９】また、時間帯によって自動運転から自動運
転停止状態に切り替え、負荷が小さいときにはシステム
を停止するので、低効率の運転を防止するため効率を高
めることができる。例えば、電気の使用量の少ない夜間
の時間帯には自動運転停止とし、それ以外のときは自動
運転とすることにより、導入されるエネルギーを削減で
きシステムの総合効率を向上させることができる。時間
帯を切り替えるプログラムを複数備え、曜日によってプ
ログラムを変更して時間帯を切り替えるようにすると休
日等の自動運転停止の時間帯をずらすことができて効率
を上げることができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る燃料電池コジ
ェネレーションシステムの一実施形態を図面に基づき詳
細に説明する。図１は、本実施形態に係る燃料電池コジ
ェネレーションシステムの概略構成図である。

【００１１】図１において、燃料電池コジェネレーショ
ンシステムは、商用電源１及び燃料ガスとして都市ガス
２、プロパンガス等が供給され、供給される都市ガス２
からコジェネレーション装置１０で電気と熱とを生成し
て出力し、出力された電気と熱を商用電源１と共に外部
に出力するシステムであり、コジェネレーション装置１
０は、燃料改質装置１１、燃料電池本体１２、インバー
タ１３及び排熱回収装置１４を備え、これらは制御装置
１５により制御される。

【００１２】燃料改質装置１１は高温の状態で燃料ガス
２の炭化水素に水蒸気を加えることによって改質し、水
素を得る装置である。燃料電池本体１２は固体高分子型
燃料電池（ＰＥＦＣ）であって、電解質としてポリマー
を使用し、約１００℃以下の低い運転温度と、３０〜４
０％の高いエネルギー変換効率を持つ燃料電池である。
燃料電池本体１２で発生された直流電気はインバータ１
３に供給され、交流に変換されて商用電源１の幹線ライ
ン４に出力される。

【００１３】排熱回収装置１４は燃料電池本体１２の反
応熱回収の他に、燃料改質装置１１の排熱回収を行い、
温水を循環させて排熱を市水３が導入された貯湯槽１６
に蓄熱し、冷暖房や給湯等の熱源として利用する。幹線
ライン４は各種電気機器等の電気負荷５に接続され、貯
湯槽１６から給湯器、床暖房等の熱負荷６に配管が接続
される。なお、都市ガス２は、天然ガスを用いてもよ
い。

【００１４】制御装置１５はマイクロコンピュータ等で
構成され、電気負荷５や熱負荷６に対応して、コジェネ
レーション装置１０を起動、停止させ、要求される電力
や熱を発生させるものであり、プログラムタイマー機能
を備えている。プログラムタイマーは、１日の時刻を計
測すると共に、例えば所定の時刻にシステムを起動さ
せ、他の所定時刻にシステムを停止させることができる
ものであり、時刻を入力して時間帯を設定する入力キー
や運転切り替えスイッチ等を備えている。

【００１５】制御装置１５は、１日中運転している連続
運転と、１日の中で１回以上の起動と停止を行う間歇運
転とを切り替える自動運転を行うか、又は、システムを
自動運転停止状態とすることができる。連続運転は、起
動、停止を行うことなく、連続的に運転するものであ
り、常に定格出力で運転する定格運転と、負荷に合わせ
て出力を変動させる負荷追従運転に分けられる。この負
荷追従運転は、電気負荷に追従する電主負荷追従運転
と、給湯等の熱負荷に追従する熱主負荷追従運転とがあ
る。

【００１６】電主負荷追従運転の場合、給湯負荷量に関
係なく運転されるため、給湯負荷の小さい温暖期には熱
余りを発生させ、総合効率を低下させる可能性がある。
また、熱主負荷追従運転の場合、離散的に発生する給湯
負荷に追従して運転するため、頻繁に起動、停止が行わ
れ、システムを再起動するために発生するエネルギー損
失が多発してシステムの総合効率を低下させる可能性が
ある。

【００１７】間歇運転は、連続運転に対して、前記のよ
うに１日の中で１回以上の起動と停止を行う運転方式で
あり、ＤＳＳ（Daily Start-Up Shutdown ）運転とも呼
ばれている。自動運転は、連続運転と間歇運転を切り替
えて運転するものであり、例えば導入する市水の温度が
所定値以上の高いときには間歇運転し、低いときには連
続運転する等の切り替えを行う。また、気温が高い温暖
期には間歇運転とし、気温が低い寒冷期には連続運転す
るように切り替えを行うようにすることができると共
に、貯湯槽１６の温度等の状況で、温度が高い場合は間
歇運転とし、温度が低い場合は連続運転するように制御
してもよい。

【００１８】このように、自動運転により連続運転と間
歇運転を切り替えることで、市水の温度が高いときや温
暖期には熱余りを削減し総合効率を向上させることがで
き、また、市水の温度が低いときや寒冷期には前記のメ
リットよりも、起動、停止を行う際の起動損によるデメ
リットが大きくなり、総合効率を低下させる可能性があ
るので連続運転として効率を向上させている。

【００１９】制御装置１５は、前記のように連続運転と
間歇運転を切り替えて自動運転するか、又は、この自動
運転を停止状態に切り替えることができる。制御装置１
５がシステムを自動運転停止にすると、コジェネレーシ
ョン装置１０は停止状態となり、都市ガス２の供給も停
止する。そして、この自動運転停止状態は、間歇運転に
おける例えば夜間の停止状態より優先するように設定す
る。

【００２０】本実施形態は前記した構成であり、以下に
動作について説明する。システムを制御する制御装置１
５の入力キーで自動運転と、自動運転停止状態を切り替
える時間帯を入力する。時間帯は複数通り設定でき、例
えば平日用をプログラム１とし、休日用をプログラム２
として設定する。時間帯は個人の生活に合わせて設定す
るもので、例えば平日用のプログラム１は、７時に起床
する場合は７時００分から自動運転とし、２３時に就寝
する場合は２３時００分から自動運転停止とする。ま
た、休日用のプログラム２は、８時から自動運転とし、
０時に自動運転停止とする等の設定を行う。

【００２１】このように、時間帯によって自動運転と、
自動運転停止状態に切り替えることにより電気負荷が小
さい場合の低効率な運転を防止できるため、総合効率を
向上させることができる。そして、自動運転停止時に電
気負荷がある場合は商用電力１から買電して対応する。
電気負荷５が小さい場合にコジェネレーション装置１０
を起動して発電すると、効率が低くエネルギー消費が多
くなるため、コジェネレーション装置１０を停止して、
商用電源１から供給される電力を使用して買電により対
応する方が高効率となる。

【００２２】また、自動運転で寒冷期や、市水の温度が
低いとき、或いは貯湯槽１６の温度が低い状態のとき、
連続運転に切り替えることにより、連続運転のメリット
が間歇運転の起動損によるデメリットより大きくなる。
このため、十分な熱供給が可能となり、給湯や暖房に利
用でき、電力供給が使用電力量より多い場合は売電する
ことが可能となる。このように、寒冷期等には給湯等の
熱使用も増えるため連続運転とし、起動損を少なくでき
るため総合効率の低下を抑えることができる。

【００２３】さらに、自動運転で温暖期や、市水の温度
が高いとき、或いは貯湯槽１６の温度が高い状態のとき
間歇運転を行い、熱余りを防止して効率を高めることが
できる。このように間歇運転による夜間等の電気使用量
の少ない時間帯の停止時に、電気負荷がある場合には買
電により商用電力１で対応し、低効率の運転を防止して
総合効率の向上を達成する。

【００２４】一般的に、燃料電池コジェネレーションシ
ステムは、電気負荷と熱負荷の両方に対応して駆動して
いるときは、商用電力や都市ガスより割安となるが、電
気負荷のみにより駆動しているときや、熱負荷のみに対
応して駆動しているときは割高となる。また、使用者が
睡眠中等で負荷の発生が小さいときは部分負荷効率の影
響でシステムを低効率で運転するため、結果として総合
効率を低下させる。しかし、本実施形態に係るシステム
では、低効率で運転する場合はシステムを自動運転停止
とし、商用電力からの買電を効率よく行うことにより、
総合的な効率を高めることができる。

【００２５】また、制御装置１５を、カレンダー機能を
備えるもので構成し、平日、休日の情報に基づいて時間
帯を切り替えるようにしてもよい。例えば平日にはプロ
グラム１を使用して、２３時００分〜６時５９分までの
時間帯は自動運転停止とし、７時００分〜２２時５９分
までの時間帯は自動運転とする。また、休日にはプログ
ラム２を使用して、０時００分〜７時５９分までの時間
帯は自動運転停止とし、８時００分〜２３時５９分まで
の時間帯は自動運転とする。

【００２６】このように構成することにより、使用者が
就寝しており、電気使用量が少ない時間帯は自動運転停
止状態として、低効率の運転を防止する。また、熱負荷
の多い寒冷期に対応して連続運転を行い排熱を多くし、
暖かい期間には熱負荷が少ないため間歇運転とすること
により、システム全体の総合効率を高めることができ、
ランニングコストを低減できる。この場合も、自動運転
停止時に電気負荷がある場合は買電により対応し、連続
運転時に電気負荷が少ない場合は売電することが可能と
なる。

【００２７】なお、間歇運転として、１日に１回起動、
停止を行う例を示したが、１日に２回以上起動、停止を
行うように制御してもよい。この場合、例えば、熱の使
用量の多い時間帯の前に自動運転で連続運転とし、他の
時間帯では自動運転停止状態としておくように制御し、
電気負荷のある場合は買電で対応するようにしてもよ
い。

【００２８】

【発明の効果】以上の説明から理解できるように、本発
明の燃料電池コジェネレーションシステムは、１日中運
転している連続運転方式と１日に１回以上起動、停止を
行う間歇運転方式を自動運転方式により運転制御する
か、自動運転を停止制御することができるため、熱効
率、発電効率を含めた総合効率を向上させることができ
る。また、時間帯によって自動運転と自動運転停止を切
り替えることにより、システムの総合効率を向上させる
ことができ、低効率での運転を防止してランニングコス
トを低減できる。制御装置にカレンダー機能を持たせ、
平日、休日の情報に基づいて自動運転と自動運転停止を
切り替えることによっても、システム全体の総合効率を
向上させることができ、ランニングコストを低減するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃料電池コジェネレーションシス
テムの実施形態の概略構成図。

【符号の説明】

１商用電源、２都市ガス、３市水、
４幹線ライン、５電気負荷、６
熱負荷、１０コジェネレーション装置、１１燃料改
質装置、１２燃料電池本体、１３インバータ、１
４排熱回収装置、１５制御装置、１６貯湯槽

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料を改質して水素を得る燃料改質装置
と、該燃料改質装置から水素を供給され発電する燃料電
池本体と、該燃料電池本体及び前記燃料改質装置から発
生する排熱を回収する排熱回収装置と、前記燃料改質装
置、燃料電池本体及び排熱回収装置を制御する制御装置
とを備える燃料電池コジェネレーションシステムであっ
て、前記制御装置は、１日中運転している連続運転方式と、
１日の中で１回以上の起動と停止を行う間歇運転方式と
を切り替える自動運転により該システムを運転制御する
か、又は、前記自動運転を停止制御することを特徴とす
る燃料電池コジェネレーションシステム。
【請求項２】前記制御装置は、時間帯によって前記自
動運転と、前記自動運転停止とを切り替えることを特徴
とする請求項１に記載の燃料電池コジェネレーションシ
ステム。
【請求項３】前記制御装置は、カレンダー機能を備
え、曜日によって前記時間帯を切り替えることを特徴と
する請求項２に記載の燃料電池コジェネレーションシス
テム。