JP2005026009A

JP2005026009A - 燃料電池発電システム

Info

Publication number: JP2005026009A
Application number: JP2003188448A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Kaneko; 隆之金子; Nobuyuki Kusama; 伸行草間
Original assignee: Toshiba International Fuel Cells Corp
Current assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2005-01-27

Abstract

【課題】貯湯槽から利用側への熱需要を演算することが可能な燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】燃料電池１からの温水を貯める貯湯槽３と、３内の温水の温度を計測する複数の温度計６と、各６で計測された温度計測値と、外気温度並びに前記貯湯槽内の温水の体積に基いて３内の仮想分割空間毎の貯湯槽内熱量をそれぞれ演算し、これらの総和から貯湯槽内全体の貯湯槽内熱量を演算し、また１の入口側及び出口側の温水の温度計測値と、１内の温水の量に基いて電池排熱量を演算し、さらに前記貯湯槽内熱量から所定時間毎に貯湯槽内の熱量変化を演算する演算装置７とを備えたもの。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池の排熱によって発生した温水を貯湯槽に貯め、該貯湯槽内の温水を必要とするときに、使用可能な例えば家庭用燃料電池発電システムに係り、特に燃料電池の排熱量と併せて貯湯槽からの熱需要を推定可能な燃料電池発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、低温で取り扱いの容易な固体高分子燃料電池を用いた家庭用燃料電池の市場への浸透が予想されている。燃料電池は発電を行うとともに排熱を有効活用することにより総合効率は８０％超に達する。
【０００３】
従来の燃料電池発電システムとして、燃料電池の排熱は熱回収熱交換器によって温水の形態で、貯湯槽に供給され、利用側の熱需要に応じて貯湯槽からの温水を利用側に供給可能に構成したものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２４８９１０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した燃料電池発電システムでは、以下に示すような課題がある。
【０００６】
一般的に燃料電池システムは、発電とともに熱を利用するコージェネレーションの利用を行うことでより高い経済性、優れた環境性を実現する。一般家庭が燃料電池システムを導入する際には、発電による電力の利用のみならず発電の際に発生した熱を温水の形態に変換して、例えば家庭内の給湯源の一部として利用することにより電力料金の低減のみならず、給湯熱源の削減も同時に行い、よって光熱費の大きな削減を可能とする。
【０００７】
しかしながら電気と熱はその利用形態が大きく異なる。すなわち、燃料電池で発電した電気を家庭で利用する場合には電気はバッテリー等に貯めずに発電と同時に消費する。そのため、家庭内の電力負荷の変動に伴い燃料電池の発電出力も変化させている。例えば昼間の電量負荷が大きい際には発電電力量を増加させ、夜間の電力負荷が小さいときは発電負荷を低下させて対応する。
【０００８】
熱の利用は上述のように燃料電池で発生させた温水を一旦貯湯槽に貯めて利用する形態が一般的である。これは、燃料電池で発生させる単位時間あたりの温水量は比較的小さく、例えば入浴時など多量の温水が必要な場合には燃料電池の熱だけでは不足してしまう。また、家庭の温水負荷は電気負荷と異なり、炊飯時あるいは入浴時など一日のうち利用する時間が非常に短期的である。そこで、燃料電池で温水を生成し、貯湯槽に貯め、必要なときに貯湯槽から利用側に供給する必要がある。
【０００９】
このような熱利用形態では次のような問題が発生した。
【００１０】
すなわち、一日を通して熱需要が発生する時間及び熱需要量が不明であるため、常時可能な限り貯湯槽内に蓄熱する必要があった。蓄熱量が不十分であった場合には利用側での熱不足、いわゆる湯切れが発生し利用側に不便を与える可能性がある。一方、十分貯湯槽に蓄熱しても熱需要が少ない場合には、貯湯量から熱需要を差し引いた余剰熱は放熱で排出することになり、燃料電池で発生させた熱が十分に活用できないため、結果的に総合効率及び省エネ性は低下してしまう。これらは何れも、利用側の熱需要量が不明であるために発生している。このような不具合を解消するために利用側の熱需要を測定する目的で熱利用側に熱量計などを設置する方法も考えられるが、一般的に熱量計は構成が複雑で高価であるため、あまり実用的でない。
【００１１】
そこで本発明は、比較的簡単な構成であって、精度よく、貯湯槽内の熱量を演算することができると共に、燃料電池から貯湯槽へ温水の形態で供給した熱量と併せて、貯湯槽から利用側への熱需要を演算することが可能な燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に対応する発明は、電力を発生すると共に、該電力の発生に伴って生ずる排熱によって温められた温水を出力可能な燃料電池と、前記燃料電池からの温水を貯めると共に該温水を必要とするときに外部に吐出可能な貯湯槽と、前記貯湯槽内の温水の温度を計測する温度計と、前記温度計で計測された温度計測値と、外気温度並びに前記貯湯槽内の温水の体積に基いて前記貯湯槽内の熱量を演算する貯湯槽内熱量演算手段と、前記燃料電池の入口側及び出口側の温水の温度計測値と、前記燃料電池内の温水の量に基いて電池排熱量を演算する電池排熱量演算手段と、前記貯湯槽内熱量演算手段で演算された演算値から所定時間毎に貯湯槽内の熱量変化を演算する貯湯槽内熱量変化演算手段と、を備え、前記貯湯槽内の温水の熱需要量を演算可能な燃料電池発電システムである。
【００１３】
また、上記の目的を達成するために、請求項２に対応する発明は、電力を発生すると共に、該電力の発生に伴って生ずる排熱によって温められた温水を出力可能な燃料電池と、前記燃料電池からの温水を貯めると共に該温水を必要とするときに外部に吐出可能な貯湯槽と、前記貯湯槽内の温水の温度を計測するものであって、該貯湯槽内を仮想的に上下方向に複数に分割し、該仮想分割空間に対応して温水の温度をそれぞれ計測する複数の温度計と、前記各温度計で計測された温度計測値と、外気温度並びに前記貯湯槽内の温水の体積に基いて前記貯湯槽内の仮想分割空間毎の貯湯槽内熱量をそれぞれ演算し、これらの総和から貯湯槽内全体の貯湯槽内熱量を演算する貯湯槽内熱量演算手段と、前記燃料電池の入口側及び出口側の温水の温度計測値と、前記燃料電池内の温水の量に基いて電池排熱量を演算する電池排熱量演算手段と、前記貯湯槽内熱量演算手段で演算された演算値から所定時間毎に貯湯槽内の熱量変化を演算する貯湯槽内熱量変化演算手段と、を備え、前記貯湯槽内の温水の熱需要量を演算可能な燃料電池発電システムである。
【００１４】
さらに、上記の目的を達成するために、請求項３に対応する発明は、電力を発生すると共に、該電力の発生に伴って生ずる排熱によって温められた温水を出力可能な燃料電池と、前記燃料電池からの温水を貯めると共に該温水を必要とするときに外部に吐出可能な貯湯槽と、前記貯湯槽内の温水の温度を計測するものであって、該貯湯槽内を仮想的に上下方向に複数に分割すると共に、該各仮想分割空間の容積は、下部側に比べて上部側を小さく形成し、該各仮想分割空間に対応して温水の温度をそれぞれ計測する複数の温度計と、前記各温度計で計測された温度計測値と、外気温度並びに前記貯湯槽内の温水の体積に基いて前記貯湯槽内の仮想分割空間毎の貯湯槽内熱量をそれぞれ演算し、これらの総和から貯湯槽内全体の貯湯槽内熱量を演算する貯湯槽内熱量演算手段と、前記燃料電池の入口側及び出口側の温水の温度計測値と、前記燃料電池内の温水の量に基いて電池排熱量を演算する電池排熱量演算手段と、前記貯湯槽内熱量演算手段で演算された演算値から所定時間毎に貯湯槽内の熱量変化を演算する貯湯槽内熱量変化演算手段と、を備え、前記貯湯槽内の温水の熱需要量を演算可能な燃料電池発電システムである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による燃料電池発電プラントの実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１６】
（第１の実施の形態）
図１は第１の実施の形態を説明するための概略構成図である。
【００１７】
本実施形態では、燃料電池１の熱は熱回収熱交換器２によって温水の形態で、配管（温水供給路）４を介して貯湯槽３に供給され、温水が貯められる。貯湯槽３内部の温水は、貯湯槽３の上部にその一端部が連結された吐出配管（利用する側への温水供給路）５の一部に設けられた図示しないバルブの開操作によって必要とする量だけ貯湯槽３の外部に取り出すことができるようになっている。ここまでの構成は、従来と同じである。
【００１８】
ここでは、以下に述べる温度計６と、例えばマイクロコンピュータからなり、る演算装置７を新たに追加し、次のように構成したものである。すなわち、温度計６は、貯湯槽３内の温水の温度を計測する市販されている普通のものであって、該貯湯槽３内を仮想的に、例えば温度境界位置で上下方向に複数（ここでは６個）に分割し、該仮想分割空間に対応して温水の温度をそれぞれ計測できるように配設されている。
【００１９】
演算装置７は、貯湯槽内熱量演算手段と、電池排熱量演算手段と、貯湯槽内熱量変化演算手段とからなり、これらから貯湯槽３内の温水の利用側熱需要量ｄＱ_ｕｓｅｒを演算可能なものである。
【００２０】
貯湯槽内熱量演算手段は、各温度計６で計測された温度計測値Ｔ１〜Ｔ５と、外気温度Ｔ６並びに貯湯槽３内の温水の体積Ｒ１〜Ｒ６に基いて、貯湯槽３内の仮想分割空間毎の貯湯槽内熱量をそれぞれ演算し、これらの総和から貯湯槽内全体の貯湯槽内熱量Ｑ_ｈｗを演算する。
【００２１】
具体的には、（１）式により演算する。
【００２２】

ここで、Ｑ_ｈｗ：貯湯槽内熱量
Ｒｎ：体積（Ｒ１〜Ｒ６）
Ｔｎ：温度計測値（例えばＴ１〜Ｔ５）
Ｔ６：外気温度
また、電池排熱量演算手段は、燃料電池１の冷却水配管の入口側及び出口側にそれぞれ設けられた温度計９、１０により計測した温水の温度計測値ＴＩ、ＴＯと、燃料電池１の冷却水配管内の流量から燃料電池からの排熱量ｄＱ_ＦＣを求めるものである。この場合流量は、例えば冷却水配管の一部に設けらているポンプ８の回転数を所定時間例えば５秒毎にモニタしこれらの積算値から求めるものである。
【００２３】
これとは別に、（２）式によって排熱量ｄＱ_ＦＣを求めることもできる。
【００２４】
ｄＱ_ＦＣ＝ｄＷ×Ａ・・・（２）式
ここで
ｄＷ：燃料電池発電電力
Ａ：熱電比（燃料電池の発電電力と排熱量比）
さらに、貯湯槽内熱量変化演算手段は、前記貯湯槽内熱量演算手段で演算された演算値から所定時間毎に貯湯槽内の熱量変化ｄＱ_ｈｗを演算するものである。
【００２５】
そして、このような構成を備えている演算装置７において、（３）式により
貯湯槽内の熱量変化ｄＱ_ｈｗと、燃料電池１から貯湯槽３へ供給する排熱量ｄＱ_ＦＣとあわせて、貯湯槽から利用側への熱需要量ｄＱ_ｕｓｅｒを正確に推定することができる。
【００２６】
ｄＱ_ｕｓｅｒ＝ｄＱ_ｈｗ＋ｄＱ_ＦＣ・・・（３）式
図２は、以上述べたことを説明するための図で、（ａ）は燃料電池１から貯湯槽３への熱量特性、（ｂ）は毎時刻毎の貯湯槽内熱量特性、（ｃ）は貯湯槽３から利用側の熱需要特性を示す。
【００２７】
以上述べた実施形態によれば、貯湯槽３に設置した複数の温度計６と、四則演算例えば（１）、（２）式の演算が行なえる演算装置７を、使用するだけで貯湯槽３内の熱量を精度よく算出し、また燃料電池１から貯湯槽３への熱量と併せて貯湯槽３から利用側への熱需要量を正確に推定する効果を有する。このように簡単な構成でありながら、精度よく演算することができることから、カロリメータのごとき構成が複雑で高価な熱量計をしなくてもすむことから、きわめて実用的的である。
【００２８】
また、以上述べた演算結果を用いて、例えば利用側の将来の熱需要の時間及び量の予測に活用することが可能となる。この結果将来の熱需要予測に従って燃料電池を運用することで、燃料電池からの熱を最大限活用した高い総合効率の燃料電池及び熱利用システムを供給することが可能になる。
【００２９】
（第２の実施例）
図３は、第２の実施の形態を説明するための概略構成図である。第１の実施の形態と異なる点は、貯湯槽３の外周面に配設する複数の温度計６の配置を次のように代えたものである。第１の実施の形態は、複数の温度計６の配置を貯湯槽３の外周面の上下方向にほぼ等間隔に配置した例であるが、第２の実施の形態は、図３に示すように貯湯槽３の上部側を下部側に比べて配置間隔を狭くしたものである。
【００３０】
具体的には、貯湯槽３内の温水の温度を計測する複数の温度計６は、貯湯槽３内を仮想的に上下方向に複数に分割すると共に、該各仮想分割空間の容積は、下部側に比べて上部側を小さく形成し、該各仮想分割空間に対応した温度境界毎に、温度計６を配置したものである。これを、言い換えると、温度計６を貯湯槽３の上部側は密に、温度計６を下部側は疎に設置したものである。
【００３１】
このような構成のものにおいて、燃料電池１の排熱は温水の形態で貯湯槽３に供給されるが、温水は貯湯槽３上部に導入されるため、貯湯槽３内の熱は上部から溜まってゆく。一方貯湯槽３から利用側への熱は同様に貯湯槽３上部から供給されてゆく。
【００３２】
そのため、貯湯槽３内の熱量は常時上部に溜まり、下部には熱が溜まらないことが推定される。特に、燃料電池１の熱を最適に利用し、余剰あるいは不足熱量を極力発生させない運転の場合には貯湯槽３の下部まで完全に熱がたまるような運用を行わず、貯湯槽３上部に必要な熱量がたまっている状態が好ましい。
【００３３】
このように、最適な運転を行った場合には、貯湯槽３上部に熱が溜まり、そのため上部の温度変化が大きいことが推定される。
【００３４】
図４はこれを説明するための図で、図４（ｂ）は図３の実施形態の場合の貯湯槽３内の温度特性を示す。図４（ａ）は、図１の実施形態の場合の貯湯槽３内の温度特性を示している。なお、図４において、１、２、３、４、５は、それぞれ各温度計６の計測値に対応している。
【００３５】
ここで、燃料電池１から貯湯槽３への熱供給（通常は例えば６０℃から７０℃の温水の形態で供給）が進むにつれ、上部から温度が上昇してゆく。図４（ａ）に示すように１、２、３、４、５の順に温度が上昇する。そして、十分時間がたつと１から５の全てが同じ温度に到達する。一方、貯湯槽３への熱供給の途中で熱を利用した場合は図４（ｂ）のようになる。すなわち、温度計Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の位置まで熱（すなわち温水）が貯まっている。温度計Ｔ３の位置以下の位置では未だ温度は低い。熱利用は貯湯槽３の上部から温水を供給する形態である。
【００３６】
貯湯槽３の上部の温水を利用すると、温度計Ｔ３の位置まで貯まっていた温水が上部に移動する。そのため、３の温度は急速に低下する。さらに温水を利用すると、温度計Ｔ２の位置まで温度が低下し、２の温度も下がる。ここで、熱を有効に利用することとは、貯湯槽３が満杯になってから利用するのではなく、ある程度「熱が貯まってから利用する」ことを繰り返すことが好ましい。そのような熱利用の場合は貯湯槽３の下部の温度（この場合４、５）の温度はあまり変わらず、貯湯槽３の上部の温度（１、２、３）の変化が大きいと考えられる。そのため、第２の実施の形態は、温度変化の激しい上部の温度計の間隔を狭めて、より精度の高い熱量の推定が可能になる。
【００３７】
図４の温度特性から、第２の実施形態によれば、貯湯槽３上部に密に温度計を設置することにより、第１の実施例と同様に貯湯槽３に設置した温度計６を用いて、特に貯湯槽３上部の熱量を正確に算出することができる。また、上部に密に熱電対を設置することで貯湯槽上部の熱量をより正確に推定することができる。
【００３８】
本発明は、前述した実施形態に限定されず、例えば次のように変形して実施できる。前述した各実施形態は、いずれも温度計が複数の場合であるが、用途等によっては温度計が１個の場合も、前述の実施形態と同様の作用効果が得られる。
【００３９】
また、前述した各実施形態において、複数の温度計の配置位置は、温度境界層具体的には温度が変化する位置に配置することが望ましいが、場合によってはこれに限らず他の配置位置であってもよい。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、比較的簡単な構成であって、精度よく、貯湯槽内の熱量を演算することができると共に、燃料電池から貯湯槽へ温水の形態で供給した熱量と併せて、貯湯槽から利用側への熱需要を演算することが可能な燃料電池発電システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池発電システムに係る第１の実施形態を説明するための概略構成図。
【図２】図１の実施形態の利用側熱需要の予測例を説明するための図。
【図３】本発明の燃料電池発電システムに係る第２の実施形態を説明するための概略構成図。
【図４】図１及び図３の貯湯槽内における温度特性を示す図。
【符号の説明】
１…燃料電池、２…熱回収熱交換器、３…貯湯槽、４…配管、５…吐出配管
６…温度計、７…演算装置、８…ポンプ。

Claims

電力を発生すると共に、該電力の発生に伴って生ずる排熱によって温められた温水を出力可能な燃料電池と、
前記燃料電池からの温水を貯めると共に該温水を必要とするときに外部に吐出可能な貯湯槽と、
前記貯湯槽内の温水の温度を計測する温度計と、
前記温度計で計測された温度計測値と、外気温度並びに前記貯湯槽内の温水の体積に基いて前記貯湯槽内の熱量を演算する貯湯槽内熱量演算手段と、
前記燃料電池の入口側及び出口側の温水の温度計測値と、前記燃料電池内の温水の量に基いて電池排熱量を演算する電池排熱量演算手段と、
前記貯湯槽内熱量演算手段で演算された演算値から所定時間毎に貯湯槽内の熱量変化を演算する貯湯槽内熱量変化演算手段と、
を備え、前記貯湯槽内の温水の熱需要量を演算可能な燃料電池発電システム。
電力を発生すると共に、該電力の発生に伴って生ずる排熱によって温められた温水を出力可能な燃料電池と、
前記燃料電池からの温水を貯めると共に該温水を必要とするときに外部に吐出可能な貯湯槽と、
前記貯湯槽内の温水の温度を計測するものであって、該貯湯槽内を仮想的に上下方向に複数に分割し、該仮想分割空間に対応して温水の温度をそれぞれ計測する複数の温度計と、
前記各温度計で計測された温度計測値と、外気温度並びに前記貯湯槽内の温水の体積に基いて前記貯湯槽内の仮想分割空間毎の貯湯槽内熱量をそれぞれ演算し、これらの総和から貯湯槽内全体の貯湯槽内熱量を演算する貯湯槽内熱量演算手段と、
前記燃料電池の入口側及び出口側の温水の温度計測値と、前記燃料電池内の温水の量に基いて電池排熱量を演算する電池排熱量演算手段と、
前記貯湯槽内熱量演算手段で演算された演算値から所定時間毎に貯湯槽内の熱量変化を演算する貯湯槽内熱量変化演算手段と、
を備え、前記貯湯槽内の温水の熱需要量を演算可能な燃料電池発電システム。
電力を発生すると共に、該電力の発生に伴って生ずる排熱によって温められた温水を出力可能な燃料電池と、
前記燃料電池からの温水を貯めると共に該温水を必要とするときに外部に吐出可能な貯湯槽と、
前記貯湯槽内の温水の温度を計測するものであって、該貯湯槽内を仮想的に上下方向に複数に分割すると共に、該各仮想分割空間の容積は、下部側に比べて上部側を小さく形成し、該各仮想分割空間に対応して温水の温度をそれぞれ計測する複数の温度計と、
前記各温度計で計測された温度計測値と、外気温度並びに前記貯湯槽内の温水の体積に基いて前記貯湯槽内の仮想分割空間毎の貯湯槽内熱量をそれぞれ演算し、これらの総和から貯湯槽内全体の貯湯槽内熱量を演算する貯湯槽内熱量演算手段と、
前記燃料電池の入口側及び出口側の温水の温度計測値と、前記燃料電池内の温水の量に基いて電池排熱量を演算する電池排熱量演算手段と、
前記貯湯槽内熱量演算手段で演算された演算値から所定時間毎に貯湯槽内の熱量変化を演算する貯湯槽内熱量変化演算手段と、
を備え、前記貯湯槽内の温水の熱需要量を演算可能な燃料電池発電システム。