JP2004335368A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池や、周辺機器の劣化を遅らせて耐久性を向上させた燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池ユニット１０で電気と熱とを生成し、電気を商用電源１に供給して電気機器５に出力すると共に熱を熱機器６に出力する燃料電池システムは、負荷追従運転と一定出力運転とを制御装置１５で切換えて運転する。このシステムは電力負荷計測手段２０をさらに備え、電力負荷計測手段で計測された電力負荷が所定値以下のときは一定出力運転を行ない、電力負荷が所定値より大きいときは負荷追従運転を行なうように制御する。また、タイマー手段２１をさらに備え、時間帯により負荷追従運転と一定出力運転とを切換えるようにしてもよい。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に、電力負荷状況に応じて運転方式を切換えることで耐久性を向上させた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の燃料電池システムとして、燃料電池システムの制御装置は、蓄電池と、運転スケジュール作成部と、制御部とを備え、運転スケジュール作成部は１日の時間帯を３つの時間帯として、高電気料金時間帯、等価時間帯、低電気料金時間帯に分割し、高電気料金時間帯では燃料電池は電力負荷が消費する量の電力を発電し、等価時間帯では燃料電池は消費されなかった電力を蓄電池に充電し、低電気料金時間帯では燃料電池を停止もしくは第一の運転能力で運転するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】
特開２００２−１９８０７９号公報（請求項１、図１）
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記構造の燃料電池システムの制御装置は、導入効果（ランニングコスト削減）を得るために、電力負荷に追従して出力を変動させる方式がとられるが、電力負荷は時々刻々で大きく変動するため、それに伴って燃料電池の周辺環境（温度、湿度等）も変動し、例えば熱ストレス等によって燃料電池スタック、特に高分子電解質膜やＭＥＡ（電解質膜と電極のアッセンブリー）、さらには周辺機器の劣化を早める虞があった。
【０００４】
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、燃料電池スタックに大きな熱ストレスを与えることを防止し、高分子電解質膜や電極アッセンブリーの耐久性を向上し、周辺機器の劣化を遅らせて耐久性を向上できる燃料電池システムを提供することにある。
【０００５】
【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システムは、燃料電池ユニットで電気と熱とを生成し、この電気を商用電源に供給して電気機器に出力すると共に、生成された熱を熱機器に出力するシステムであって、このシステムは、負荷追従運転と、定格出力より小さい一定出力運転とを切換えて運転することを特徴とする。
【０００６】
前記のごとく構成された本発明の燃料電池システムは、常時負荷追従運転を行なうのではなく、そのときの負荷状況に応じて負荷追従運転と、一定出力運転とを切換えて運転するため、負荷が大きく変動して燃料電池を頻繁に高負荷運転に切換えるというように、燃料電池ユニットの燃料電池スタックに大きな熱ストレスを与えることがなくなり、燃料電池スタックの耐久性を向上させることができる。また、停止状態と負荷追従運転とを切換えるシステムと比較すると、起動損を少なくできると共に、切換え時の熱ストレスが少ないため、耐久性を向上できる。
【０００７】
また、本発明に係る燃料電池システムの好ましい具体的な態様としては、前記システムは、電力負荷計測手段をさらに備え、電力負荷計測手段で計測された電力負荷が所定値以下のときは一定出力運転を行ない、電力負荷が所定値より大きいときは負荷追従運転を行なうことを特徴としている。この構成によれば、電力負荷が所定値以下で小さいときには一定出力運転して燃料電池ユニットで使用するエネルギーを削減し、電力負荷が所定値より大きいときだけ負荷追従運転をするためエネルギーを効率良く使用でき、燃料電池スタックに対する熱ストレスを少なくできる。
【０００８】
さらに、本発明に係る燃料電池システムの好ましい具体的な他の態様としては、前記システムは、タイマー手段をさらに備え、時間帯により負荷追従運転と一定出力運転とを切換えることを特徴としている。この構成によれば、夜間等の電力負荷の小さい時間帯は一定出力運転し、昼間等の電力負荷の大きい時間帯は負荷追従運転することで燃料電池スタック等への熱ストレスを少なくすることができ、耐久性を向上できる。しかも、簡単な構成で達成することができる。
【０００９】
また、前記システムは、電力負荷計測手段と時間計測手段とをさらに備え、通常は負荷追従運転を行ない、電力負荷計測手段で計測された電力負荷が所定値以下の状態が所定時間続いたときには一定出力運転に切換え、その状態で電力負荷が所定値以上の状態が所定時間続いたときには負荷追従運転に復帰させるように制御すると好適である。このように構成すると、電力負荷が瞬間的に、あるいは短時間だけ変動したときには運転状態を切換えないため、燃料電池スタックへの熱ストレスや周辺機器への影響を防止することができ、耐久性を向上させることができる。
【００１０】
さらに、前記システムは、電力負荷計測手段とその演算手段とをさらに備え、通常は負荷追従運転を行ない、電力負荷計測手段で計測され演算手段で積算された直前までの所定時間分の電力負荷積算量又は電力負荷平均値が所定値以下のときには一定出力運転に切換え、一定出力運転時に電力負荷積算量又は電力負荷平均値が所定値より大きいときには負荷追従運転に復帰させるように制御すると好ましい。このように構成すると、瞬間的な電力負荷の変動や、短時間の電力負荷の変動は電力負荷積算量や電力負荷平均値で均されるため、運転切換えが頻繁に行われず燃料電池スタックへの熱ストレスや周辺機器への影響を防止することができ、システムの耐久性を向上させることができる。また、エネルギーの消費を減らすことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池システムとして、燃料電池コジェネレーションシステムの第１の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システム構成図、図２は、図１のシステムのある１日の電力負荷の変動を示すグラフと、その切換え状態を示す運転パターン図である。
【００１２】
図１において、燃料電池コジェネレーションシステムは、都市ガス等の燃料ガス２が燃料電池ユニット１０に供給され、燃料電池ユニット１０で電気と熱とを生成し、電気を商用電源１に供給して電気機器５に出力すると共に、生成した熱を給湯等の熱機器６に出力するシステムである。燃料電池ユニット１０は、燃料を改質する改質装置１１、燃料電池スタック１２、インバータ１３及び熱交換器１４を備え、これらは制御装置１５により制御される。
【００１３】
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。燃料電池スタック１２は固体高分子型燃料電池であり、ここで水素と酸素を反応させて発生された直流電気はインバータ１３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。熱交換器１４は燃料電池スタック１２の反応熱回収の他に、改質装置１１の排熱回収を行ない、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機器６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、床暖房等の熱機器６に温水用の配管が接続される。なお、燃料ガス２は、都市ガス、ＬＰＧ、天然ガス等を用いてもよい。また、熱機器６の前に補助熱源７を設置し湯温が低いときに加熱するようにしてもよい。
【００１４】
制御装置１５はマイクロコンピュータ等で構成され、電気機器５や熱機器６の使用状況に対応して、燃料電池ユニット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てもよい。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。
【００１５】
このシステムは、電力負荷計測手段２０をさらに幹線ライン４に備えており、この電力負荷計測手段は、例えば住宅内で使用される電気機器６で使用される電力負荷を計測するものである。そして、制御装置１５は、電力負荷計測手段２０からの信号出力に基づき負荷追従運転と一定出力運転とを切換えてシステムを運転し、計測された電力負荷が所定値以下のときは一定出力運転を行ない、電力負荷が所定値より大きいときは負荷追従運転を行なう。負荷追従運転は、使用される電力負荷の量に応じて出力を変動させて運転するものである。また、一定出力運転は、電力負荷に関係なく、燃料電池ユニット１０の定格出力より低い一定の出力で運転するものである。
【００１６】
電力負荷に追従する負荷追従運転の場合、給湯等の熱負荷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。一定出力運転は、燃料電池ユニット１０の定格出力より少ない出力で運転するものであり、電力負荷が増えたときには商用電源１から足らない電力を供給して対応する。このシステムでは、燃料電池ユニット１０を停止させる間歇運転（ＤＳＳ運転等）は行なわないため、システムの起動、停止を行なう際の起動損によるデメリットが少なく、燃料電池スタック１２にかかる熱ストレスを少なくできる。
【００１７】
前記の如く構成された本実施形態の燃料電池コジェネレーションシステムの動作について以下に説明する。燃料電池コジェネレーションシステムの定格出力を１０００Ｗ、下限出力を２００Ｗとする。図２ａは一般的な家庭での１日の電力負荷を１時間おきにプロットしたグラフである。
【００１８】
図２ａに示すように、電力負荷は０時から５時までは電力負荷、及びその変動が小さく、５時から電力負荷は急激に増大し変動の大きい時間帯が翌日の０時まで続く。そこで、電力負荷計測手段２０で計測された電力負荷が所定値（例えば、２００Ｗ）以下のときは一定出力運転を行ない、電力負荷が所定値（例えば、２００Ｗ）より大きいときは負荷追従運転を行なうように制御装置１５が燃料電池ユニット１０の運転を制御する。
【００１９】
この結果、図２ｂに示すように、電気負荷が２００Ｗ以下となる、０時３０分頃から５時頃までの時間帯と、１４時から１５時の時間帯は一定出力運転を行ない、２００Ｗを超える５時から１４時の時間帯と、１５時から０時３０分までの時間帯は負荷追従運転を行なう。このようにシステムの運転を制御することにより、熱余りを防止してエネルギーコストを低減し、燃料電池スタック１２への熱ストレスを防止した効率の良い運転が可能となる。そして、燃料電池ユニット１０やこれに付随する周辺機器の耐久性を向上することができる。なお、夜間等の一定出力運転で発生する電力は売電することができ、このとき生成する熱は貯湯槽１６に蓄えられる。また、燃料電池ユニット１０で賄えない電力は商用電源から買電して対応する。
【００２０】
従来の負荷追従運転の場合、図７ａに示すように電力負荷に応じて出力を大きく変動させるため、燃料電池スタックへの熱ストレスが大きく変動して耐久性を落とす虞があるが、本実施形態の場合は図２ａに示すように、燃料電池（ＦＣ）出力を２００〜１０００Ｗの範囲で変動させて熱ストレスを低減できるため、耐久性を向上できる。また、従来のＤＳＳ運転は、図７ｂに示すように夜間の時間帯は燃料電池ユニット１０を停止している。この運転では夜間のエネルギーコストを「０」にできるためコスト低減が可能となるが、起動、停止に伴う熱ストレスや、起動時の起動損が大きいというデメリットがある。
【００２１】
つぎに、本発明の他の実施形態を図３，４に基づき詳細に説明する。図３は本発明に係る燃料電池コジェネレーションシステムの第２の実施形態のシステム構成図、図４はその運転パターン図である。なお、この実施形態のシステムは、前記した実施形態に対し、タイマー手段をさらに備え、時間帯により負荷追従運転と一定出力運転とを切換えることを特徴とする。そして、他の実質的に同等の構成については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
【００２２】
図４において、制御装置１５はタイマー手段２１を備えており、タイマー手段はプログラムタイマー機能を備えており、１日の時刻を計測すると共に、例えば所定の時刻に制御装置１５に切換え信号を送り燃料電池ユニット１０を負荷追従運転させると共に、他の所定時刻に制御装置１５に切換え信号を送って燃料電池ユニット１０を一定出力運転させる等の運転切換えを行なうことができる。１日に多数回、切換えを行なうことも勿論可能である。
【００２３】
この実施形態においては、図４に示すように、１時から５時までは燃料電池ユニット１０の下限出力である２００Ｗの一定出力運転を行ない、５時から翌日１時までは負荷追従運転を行なうように制御装置１５で制御する。この時間帯については、ユーザーが任意に設定してもよいし、システムに備えた電力負荷計測手段２０の計測値に基づいて設定してもよい。また、例えば平日は朝５時から負荷追従運転とし、休日は朝７時から負荷追従運転とする等、タイマー手段２１のプログラム機能により適宜変更することができる。これにより、燃料電池スタック１２への熱ストレスを防止した効率の良い運転が可能となると共に、燃料電池ユニット１０やこれに付随する周辺機器の耐久性を向上することができる。
【００２４】
さらに、本発明の他の実施形態を図５に基づき詳細に説明する。図５は本発明に係る燃料電池コジェネレーションシステムの第３の実施形態のシステム構成図である。なお、この実施形態のシステムは、前記した第１の実施形態に対し、システムは電力負荷計測手段と時間計測手段とをさらに備え、通常は負荷追従運転を行ない、電力負荷計測手段で計測された電力負荷が所定値以下の状態が所定時間続いたときには一定出力運転に切換え、その状態で電力負荷が所定値以上の状態が所定時間続いたときには負荷追従運転に復帰させるものである。
【００２５】
図５において、制御装置１５は前記第２の実施形態と同様のタイマー手段２１を時間計測手段として備えており、燃料電池ユニット１０を起動、停止させることができると共に、時間間隔を計測できるものである。すなわち、タイマー手段２１は電力負荷の変化の状態を時間計測することができ、例えば電力負荷が２００Ｗ以下や、２００Ｗ以上の状態がどの程度の時間続くかを計測できる機能を有する。
【００２６】
この実施形態においては、タイマー手段２１は電力負荷が、例えば２００Ｗ以下の状態が１０分間続いた場合は一定出力運転に切換え、その状態で電力負荷が２００Ｗ以上の状態が１０分間続いたときには負荷追従運転に復帰させるように、切換え信号を制御装置１５に送出する。このように運転を切換える制御を行なうと、例えば１０分未満の２００Ｗ以下の電力負荷変動は無視することができるため、一定出力運転への切換えは行われず、燃料電池スタック１２への熱ストレスを防止できる。なお、計測する時間間隔を任意に設定できることは勿論である。この運転パターンの場合も、燃料電池ユニット１０を起動、停止させないため、燃料電池スタック１２へ熱ストレスがかかることを防止でき、耐久性を向上できる。
【００２７】
さらに、本発明の他の実施形態を図６に基づき詳細に説明する。図６は本発明に係る燃料電池コジェネレーションシステムの第４の実施形態のシステム構成図である。なお、この実施形態のシステムは、前記した第１の実施形態に対し、システムは電力負荷計測手段とその演算手段とをさらに備え、通常は負荷追従運転を行ない、電力負荷計測手段で計測され演算手段で積算された直前までの所定時間分の電力負荷積算量又は電力負荷平均値が所定値以下のときには一定出力運転に切換え、一定出力運転時に電力負荷積算量又は電力負荷平均値が所定値より大きいときには負荷追従運転に復帰させることを特徴とする。
【００２８】
図６において、このシステムは電力負荷計測手段２０で計測した電力負荷を積算する演算手段２２とを備えており、演算手段２２の出力は制御装置１５に入力される。演算手段２２は演算する直前までの所定時間分の電力負荷積算量を算出できると共に、所定時間で割って電力負荷平均値を算出できる。そして、制御装置１５は演算装置２２で演算された電力負荷積算量又は電力負荷平均値を基準として、燃料電池ユニット１０の運転を切換えることができるものである。
【００２９】
すなわち、制御装置１５は、通常は負荷追従運転を行なうように制御し、演算装置２２で演算された例えば３０分間の電力負荷積算量又は電力負荷平均値が、例えば時間あたり２００Ｗ以下のときには一定出力運転に切換え、一定出力運転時に時間あたり２００Ｗより大きくなったときには負荷追従運転に復帰させるように制御する。
【００３０】
このため、瞬間的な電力負荷の低減や、３０分未満の電力負荷の低減は平均化されて演算装置２２から信号が出力されず、一定出力運転への切換えは行われない。なお、時間設定は３０分に限らず、任意の時間に設定できる。このように瞬間的、あるいは極短時間の電力負荷変動で運転が頻繁に切換えられることがなくなり、燃料電池スタック１２へ熱ストレスが頻繁にかかることを防止することができる。そして、周辺機器の劣化を遅らせることができる。
【００３１】
以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行なうことができるものである。例えば、燃料電池は固体高分子型燃料電池の例を示したが、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型等でもよいことは勿論である。
【００３２】
また、第２の実施形態のタイマー手段は制御装置内に設置されるものに限らず制御装置外でもよい。第３の実施形態のタイマー手段は制御装置と電力負荷計測手段との間に設置してもよい。第４の実施形態の演算手段は制御装置に含まれるように設置してもよい。さらに、前記の各実施形態では、燃料電池コジェネレーションシステムについて説明したが、コジェネレーションシステムでなくてもよいことは勿論である。
【００３３】
【発明の効果】
以上の説明から理解できるように、本発明の燃料電池システムは、負荷追従運転と一定出力運転とを切換えて運転するで、燃料電池スタックへの熱ストレスを少なくすることができ、燃料電池ユニットや周辺機器の耐久性を向上することができる。また、燃料電池ユニットを停止させないため、起動損を少なくしてエネルギー効率を高めることができる。
【００３４】
さらに、電力負荷計測手段を備えて、電力負荷に応じて一定出力運転と負荷追従運転を切換えると、エネルギー効率をさらに高めることができる。タイマー手段により時間帯を決めて運転状態を切換えると、簡単な構成でエネルギー効率を高めることができる。電力負荷計測手段と時間計測手段とを備えて運転状態を切換えると、瞬間的、あるいは短時間の電力負荷変動で運転を切換えないため、耐久性をさらに向上できる。また、電力負荷計測手段とその演算手段とを備えて運転状態を切換えると、同様に瞬間的、あるいは短時間の電力負荷変動で運転を切換えないため、耐久性をさらに向上できる。
【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第１の実施形態を示すシステム構成図。
【図２】（ａ）は図１のシステムのある１日の電力負荷の変動を示すグラフ、（ｂ）は第１の実施形態による切換え状態を示す運転パターン図。
【図３】本発明に係る燃料電池コジェネレーションシステムの第２の実施形態を示すシステム構成図。
【図４】図３の第２の実施形態による切換え状態を示す運転パターン図。
【図５】本発明に係る燃料電池コジェネレーションシステムの第３の実施形態を示すシステム構成図。
【図６】本発明に係る燃料電池コジェネレーションシステムの第４の実施形態を示すシステム構成図。
【図７】（ａ）は従来の負荷追従運転の運転パターン図、（ｂ）は従来のＤＳＳ運転の運転パターン図。
【符号の説明】
１…商用電源、２…燃料ガス、１０…燃料電池ユニット、１２…燃料電池スタック、１５…制御装置、２０…電力負荷計測手段、２１…タイマー手段、２２…演算手段

Claims (5)

1. 燃料電池ユニットで電気と熱とを生成し、該電気を商用電源に供給して出力すると共に前記熱を出力する燃料電池システムであって、
   前記システムは、負荷追従運転と一定出力運転とを切換えて運転することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記システムは、電力負荷計測手段をさらに備え、該電力負荷計測手段で計測された電力負荷が所定値以下のときは前記一定出力運転を行ない、前記電力負荷が所定値より大きいときは前記負荷追従運転を行なうことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記システムは、タイマー手段をさらに備え、時間帯により前記負荷追従運転と一定出力運転とを切換えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記システムは、電力負荷計測手段と時間計測手段とをさらに備え、通常は前記負荷追従運転を行ない、前記電力負荷計測手段で計測された電力負荷が所定値以下の状態が所定時間続いたときには前記一定出力運転に切換え、その状態で前記電力負荷が所定値以上の状態が所定時間続いたときには前記負荷追従運転に復帰させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記システムは、電力負荷計測手段とその演算手段とをさらに備え、通常は前記負荷追従運転を行ない、前記電力負荷計測手段で計測され前記演算手段で積算された直前までの所定時間分の電力負荷積算量又は電力負荷平均値が所定値以下のときには前記一定出力運転に切換え、前記一定出力運転時に前記電力負荷積算量又は電力負荷平均値が所定値より大きいときには前記負荷追従運転に復帰させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

Images