JP2005044714A - 燃料電池システムの運転制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 負荷電力消費パターンが異なるため、また、暖気のための時間が必要となるため、負荷電力が多くなっても燃料電池システムからの電力供給がタイムリーに行えないという問題を有していた。
【解決手段】 燃料電池４と、電力負荷を検出する電力負荷検出手段７と、検出された電力負荷情報を蓄積する電力負荷蓄積手段８と、蓄積された電力負荷情報に基づいて電力負荷を予測する電力負荷予測手段９と、予測された電力負荷に基づいて燃料電池システムの起動を決定する運転制御手段Ａ１０を備え、運転開始から発電までにかかる起動時間を考慮して、前もって起動をかけることで、電力負荷が増大したタイミングには、燃料電池システムから電力供給できるようにすることで電力負荷パターンに対する燃料電池システムの電力寄与率を向上させることができる。
【選択図】 図１

Description

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システムの運転制御装置に関するものである。

図７に示すように、従来この種の燃料電池システムは、天然ガスやメタノールなどの原料燃料と水蒸気改質反応に必要な原料水から水素に富んだガスを生成する水素生成器１と、酸化剤ガスとしての空気を供給するためのブロアファンで構成される送風器２と、供給空気を加湿する空気加湿器３と、水素生成器１で得られた生成ガスと送風器２からの酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池４と、燃料電池４にて発電された直流電力を交流２００Ｖに変換するインバータ５と、燃料電池４からの熱を回収し給湯する貯湯タンク６と、起動から発電までの一連の動作を制御する制御器２０と、電力負荷での負荷電力を測定する電力負荷検知手段２１で構成されている。電力負荷検知手段２１で検知する負荷電力値とは、毎秒計測する瞬時負荷電力値を６０秒間積算し、その平均値を負荷電力値としている。すなわち一分間の負荷電力値である。ここで従来の燃料電池システムの運転開始条件として、図８に示したように、負荷電力が最大発電電力の３０％以上になってもすぐに運転開始しないで、負荷電力が燃料電池の最大発電電力の３０％以上になるのが３０分間中の８０％以上になってから運転開始していた。また水素生成器１から水素に富んだ生成ガスを安定して供給するためには、水素生成器１各部の温度が一定の範囲内で安定することが必要である。

しかしながら上記従来の構成では、燃料電池システムを運転する時間帯や、個々の設置場所および設置場所での季節の変化等により負荷電力消費パターンが異なるため、運転開始条件が成立するための判定時間が必要であった。また、燃料電池システムを起動してから、電力と温水との供給を開始するまで、いわゆる暖気のための時間（起動時間）が必要となるため、負荷電力が多くなっても燃料電池システムからの電力供給がタイムリーに行えないという問題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、燃料電池システムを運転する時間帯や、個々の設置場所および設置場所での季節の変化等に応じて負荷電力消費パターンが異なっても、燃料電池からの電力供給をタイムリーに行い、燃料電池システムの寄与率を向上することを目的としている。

前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムの運転制御装置は、電力負荷予測手段より、運転開始条件が成立する時期を予測し、運転開始から発電までにかかる起動時間を考慮して、前もって起動をかけるものである。

これによって、電力負荷が増大したタイミングには、燃料電池から電力供給できるようにすることで電力負荷パターンに対する燃料電池システムの電力寄与率を向上させることができる。

本発明の燃料電池システムの運転制御装置は、電力負荷が増大したタイミングには、燃料電池から電力供給できるようにすることで電力負荷パターンに対する燃料電池システムの電力寄与率を向上させることができる。

第１の発明は、水素生成器と、水素生成器で得られた生成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、電力負荷を検出する電力負荷検出手段と、検出された電力負荷情報を蓄積する電力負荷蓄積手段と、蓄積された電力負荷情報に基づいて電力負荷を予測する電力負荷予測手段と、予測された電力負荷に基づいて燃料電池装置の起動を決定する運転制御手段Ａを備え、電力負荷検知手段により負荷電力が、一定電力値以上となるのが一定時間以上になった場合に運転制御手段Ａにより運転を開始する条件において、電力負荷予測手段より、条件が成立する時期を予測し、運転開始から発電までにかかる起動時間を考慮して、前もって起動をかけることで、電力負荷が増大したタイミングには、燃料電池システムから電力供給できるようにすることで電力負荷パターンに対する燃料電池システムの電力寄与率を向上させることができる。

第２の発明は、水素生成器と、水素生成器で得られた生成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、電力負荷を検出する電力負荷検出手段と、検出された電力負荷情報を蓄積する電力負荷蓄積手段と、蓄積された電力負荷情報に基づいて電力負荷を予測する電力負荷予測手段と、予測された電力負荷に基づいて燃料電池システムの起動を決定する運転制御手段Ａを備え、電力負荷検知手段により負荷電力が、一定電力値以上となるのが一定時間以上になった場合に運転制御手段Ａにより運転を開始する条件において、電力負荷予測手段より、条件が成立する時期を予測し、運転制御手段Ａは、従来は起動判定が一定電力値以上となるのが一定時間以上になった場合に起動していたものを、予測した電力負荷パターンと実際との電力負荷パターンがほぼ一致することを検知するとすぐに起動することにより、起動判定時間を省略でき、起動時間のみで起動できるので、電力負荷が増大したタイミングには、燃料電池システムから電力供給できるようにすることで電力負荷パターンに対する燃料電池システムの電力寄与率を向上させることができる。

第３の発明は、特に、第２の発明の燃料電池システムの運転制御装置において、運転制御手段Ａは、従来は起動判定が一定電力値以上となるのが一定時間以上になった場合に起動していたものを、予測した電力負荷パターンと実際との電力負荷パターンがほぼ一致しないことを検知すると、従来制御で起動することにより、予測が外れた場合の無駄な運転開始を回避することができ、起動にかかるエネルギーロスを削減することができる。

第４の発明は、燃料電池における発電による排熱回収により生じた高温の湯を蓄積する貯湯タンクと、熱負荷を検出する熱負荷検出手段と、検出された熱負荷情報を蓄積する熱負荷蓄積手段と、蓄積された熱負荷情報に基づいて熱負荷を予測する熱負荷予測手段と、予測された熱負荷に基づいて燃料電池装置の起動を決定する運転制御手段Ｂを備え、過去の熱負荷パターンに基づいた学習機能を有する燃料電池システムで、貯湯タンクの残湯量を検知することにより、前もって燃料電池システムを起動し湯切れを生じさせることなく熱寄与率を向上させることができる。

第５の発明は、燃料の供給を受けて発電を行う燃料電池と、電力負荷を検出する電力負荷検出手段と、検出された電力負荷情報を蓄積する電力負荷蓄積手段と、蓄積された電力負荷情報に基づいて電力負荷を予測する電力負荷予測手段と、予測された電力負荷に基づいて燃料電池システムの起動を決定する運転制御手段Ａと、燃料電池における発電による排熱回収により生じた高温の湯を蓄積する貯湯タンクと、熱負荷を検出する熱負荷検出手段と、検出された熱負荷情報を蓄積する熱負荷蓄積手段と、蓄積された熱負荷情報に基づいて熱負荷を予測する熱負荷予測手段と、予測された熱負荷に基づいて燃料電池システムの起動を決定する運転制御手段Ｂと、運転制御手段Ａと運転制御手段Ｂのどちらの制御手段を優先するかを選択する選択スイッチを備え、電力負荷予測手段より、運転開始条件が成立する時期を予測し、運転開始から発電までにかかる起動時間を考慮して、電力負荷パターンに対する燃料電池システムの電力寄与率を向上させるか、あるいは熱負荷予測手段より、予測された熱負荷に基づいて燃料電池システムの起動を決定し、熱負荷パターンに対する燃料電池システムの熱寄与率を向上させるかのどちらかを燃料電池システムの使用者が選択することにより、電主または熱主で選択的に運転することが可能となり、燃料電池システムの使用者の使い勝手を向上することができる。

第６の発明は、特に、第１〜５のいずれか１つの発明において、燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭ）としたものである。ＰＥＭは他方式の燃料電池と違い固有の問題として起動時間を長く必要とするが、本発明の運転制御を行うことで、実質的な燃料電池システムの電力および熱寄与率を向上でき、固体高分子電解質型燃料電池システムの普及を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの運転制御装置の構成図を図２は燃料電池システムの運転制御装置の制御動作の説明を示すものである。

図１において、炭化水素系原料燃料と水蒸気改質反応に必要な原料水から水素に富んだガスを生成する水素生成器１と、酸化剤ガスとしての空気を供給するためのブロアファンで構成される送風器２と、供給空気を加湿する空気加湿器３と、水素生成器１で得られた生成ガスと送風器２からの酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池４と、燃料電池４にて発電された直流電力を交流２００Ｖに変換するインバータ５と、燃料電池４からの熱を回収し給湯する貯湯タンク６と、電力負荷での負荷電力を測定する電力負荷検知手段７と、検出された電力負荷情報を蓄積する電力負荷蓄積手段８と、蓄積された電力負荷情報に基づいて電力負荷を予測する電力負荷予測手段９と、予測された電力負荷に基づいて燃料電池装置４の起動を決定する運転制御手段Ａ１０で構成されている。

以上のように構成された燃料電池システムの運転制御装置について、以下その動作、作用を説明する。

通常は電力負荷検知手段７により負荷電力が、燃料電池の最大発電電力の３０％以上となるのが３０分間中の８０％以上になった場合に運転制御手段Ａ１０により燃料電池システムの運転を開始する（従来制御）。まず、都市ガス等の炭化水素系原料燃料と水蒸気改質反応に必要な原料水から水素に富んだガスを生成するために水素生成器１を一定の温度に達するまで昇温する。十分な水素が生成されれば燃料電池４に生成ガスが供給されると同時に送風機２から供給される空気を加湿器３で加湿して燃料電池４に供給され、水素と酸化剤が反応して直流電力が発電される。また、反応の際に発生した熱は熱回収され貯湯タンク６へお湯として蓄えられる。発電により発生した直流はインバータ５で交流２００Ｖに変換され系統へ戻される。このように通常に起動した場合は、負荷電力が一定電力値以上になるのが一定時間以上に達する必要のある起動条件成立までにかかる時間（起動判定時間）と、水素生成器１と燃料電池４の昇温にかかる時間（起動時間）の和が、実際に負荷が発生してから燃料電池システムが発電を開始するまでの時間差として生じることとなる。そこで、過去数日間の電力負荷パターンを蓄積した電力負荷蓄積手段８のデータに基づいて、本日の電力負荷パターンを電力負荷予測手段９より導き出すことで、負荷電力が増加するタイミングをあらかじめ予測し、起動時間を見越して、前もって燃料電池システムの起動をかける。例えば図２に示したように、電力負荷予測手段９により朝７時に負荷電力が増加すると予測されるならば、水素生成器１の昇温時間に約１時間要するとして、朝６時に起動をかければ朝７時の電力負荷増加時に燃料電池システムからの発電で電力がまかなえることとなる。

以上のように、本実施の形態においては電力負荷検知手段７により負荷電力が、一定電力値以上となるのが一定時間以上になった場合に運転制御手段Ａ１０により運転を開始する条件において、電力負荷予測手段９より、運転開始条件が成立する時期を予測し、運転開始から発電までにかかる起動時間を考慮して、前もって起動をかけることで、電力負荷が増大したタイミングには、燃料電池システムから電力供給できるようにすることで電力負荷パターンに対する燃料電池システムの電力寄与率を向上させることができる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の第２の実施の形態の燃料電池システムの運転制御装置の制御動作の説明図である。図３において、図２と異なる点は電力負荷予測情報より燃料電池システムの起動のタイミングを変えた点である。上記以外の構成要素は実施の形態１と同等であり、説明を省略する。

以上のように構成された燃料電池システムの運転制御装置について、以下その動作、作用を説明する。

電力負荷検知手段７により負荷電力が、燃料電池の最大発電電力の３０％以上となるのが３０分間中の８０％以上になった場合に運転制御手段Ａ１０により運転を開始する条件において、電力負荷予測手段９より、例えば過去３〜４日のデータを基に運転開始時刻を朝７時と予測し、運転当日の朝７時±１５分の間に実際の電力負荷が予測通り、最大発電電力の３０％以上を検知した場合、すぐに燃料電池システムを起動する。この制御を行うことによって、従来制御に要した起動判定時間３０分を短縮でき、燃料電池システムの暖気にかかる起動時間１時間のみで発電を開始できる。本例では朝８時に発電を開始でき、従来制御に比べ３０分電力負荷に対応する時刻を早めることができ、燃料電池システムの電力寄与率を向上させることができる。

また、上記例では、電力負荷予測手段９より予測される負荷電力の増加時刻と実際の増加時刻の差が±１５分としたが、運転開始条件が成立する時間（本例では３０分間）以内にすることで、運転開始条件短縮の機会を逃すことなく、運転開始条件が成立するのに要していた時間を短縮することができる。

また、上記例では、電力負荷予測手段９による予測データを過去３〜４日のデータとしたが、カレンダー機能を設け月曜日から金曜日・土日曜日のデータを当日の曜日によって適用し、生活実態に対応した予測をしても良いし、リモコン等で使用者が予測データを設定出来るようにしても良い。

（実施の形態３）
図４は、本発明の第３の実施の形態の燃料電池システムの運転制御装置の制御動作の説明図である。図４において、図２と異なる点は電力負荷予測情報より燃料電池システムの起動のタイミングを変えた点である。上記以外の構成要素は実施の形態１と同等であり、説明を省略する。

以上のように構成された燃料電池システムの運転制御装置について、以下その動作、作用を説明する。

電力負荷検知手段７により負荷電力が、燃料電池の最大発電電力の３０％以上となるのが３０分間中の８０％以上になった場合に運転制御手段Ａ１０により運転を開始する条件において、電力負荷予測手段９より、例えば過去３〜４日のデータを基に運転開始時刻を朝７時と予測し、運転当日の朝７時±１５分の間に実際の電力負荷が予測通り検知しない場合、燃料電池の朝７時の起動をキャンセルし、燃料電池の最大発電電力の３０％以上となるのが３０分間中の８０％以上になった場合に運転制御手段Ａ１０により運転を開始する従来制御で起動することになる。本例では、朝７時±１５分の間に電力負荷が最大発電電力の３０％以上にならないため、朝７時の起動をキャンセルし朝７時４０分に電力負荷が増加した時から従来制御を行い、朝８時１０分に起動を開始し朝９時１０分に発電開始となる。

よって、予測が外れた場合の無駄な運転開始を回避することができ、無駄な起動をすることなくエネルギーロスを削減することができる。

（実施の形態４）
図５は、本発明の第４の実施の形態の燃料電池システムの運転制御装置の構成図である。実施の形態１と同等の構成要素は、説明を省略する。燃料電池４における発電による排熱を回収し、排熱回収により生じた高温の湯を蓄積する貯湯タンク６と、熱負荷を検出する熱負荷検出手段１１と、検出された熱負荷情報を蓄積する熱負荷蓄積手段１２と、蓄積された熱負荷情報に基づいて熱負荷を予測する熱負荷予測手段１３と、予測された熱負荷に基づいて燃料電池装置の起動を決定する運転制御手段Ｂ１４で構成されている。

以上のように構成された燃料電池システムの運転制御装置について、以下その動作、作用を説明する。

過去数日間の熱負荷パターンを蓄積した熱負荷蓄積手段１２のデータに基づいて、本日の熱負荷パターンを熱負荷予測手段１３より導き出すことで、熱負荷が増加するタイミングをあらかじめ予測し、貯湯タンク６の残湯量を検知して、湯切れが発生すると判断される場合は前もって燃料電池システムの起動をかける。

以上のように本実施の形態においては、過去の熱負荷パターンに基づいた学習機能を有する燃料電池システムで、貯湯タンク６の残湯量を検知して、前もって燃料電池システムを起動し湯切れを生じさせないことで熱負荷パターンに対する燃料電池システムの熱寄与率を向上させることができる。

（実施の形態５）
図６は、本発明の第５の実施の形態の燃料電池システムの運転制御装置の構成図である。図６において、図１、図５と異なる点は運転制御手段Ａ１０と運転制御手段Ｂ１４のどちらの制御手段を優先するかを選択する選択スイッチ１５を構成した点である。上記以外の構成要素は実施の形態１、４と同等であり、説明を省略する。

以上のように本実施の形態においては、電力負荷予測手段９より、運転開始条件が成立する時期を予測し、運転開始から発電までにかかる起動時間を考慮して、電力負荷パターンに対する燃料電池システムの電力寄与率を向上させるか、あるいは熱負荷予測手段１３より、予測された熱負荷に基づいて燃料電池４の起動を決定し、熱負荷パターンに対する燃料電池システムの熱寄与率を向上させるかのどちらかを燃料電池システムの使用者が選択スイッチ１５により選択することが可能であり、燃料電池システムの使用者の生活パターンに合わせた運転モードが選択でき、使い勝手を向上することができる。

（実施の形態６）
燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭ）としたものである。ＰＥＭは他方式の燃料電池と違い固有の問題として起動時間を長く必要とするが、本発明の運転制御を行うことで、実質的な燃料電池システムの電力および熱寄与率を向上でき、固体高分子電解質型燃料電池システムの普及を図ることができる。

以上のように、本発明にかかる燃料電池システムの運転制御装置は、電力負荷が増大したタイミングには、燃料電池から電力供給できるようにすることで電力負荷パターンに対する燃料電池システムの電力寄与率を向上させることが可能となるので、燃料電池を用いて発電と排熱の回収を行う燃料電池システムの運転制御装置等の用途に適用できる。

本発明の実施の形態１における燃料電池システムの運転制御装置の構成図 本発明の実施の形態１における燃料電池システムの運転制御装置の制御動作の説明図 本発明の実施の形態２における燃料電池システムの運転制御装置の制御動作の説明図 本発明の実施の形態３における燃料電池システムの運転制御装置の制御動作の説明図 本発明の実施の形態４における燃料電池システムの運転制御装置の構成図 本発明の実施の形態５における燃料電池システムの運転制御装置の構成図 従来の燃料電池システムの運転制御装置の構成図 従来の燃料電池システムの運転制御装置の制御動作の説明図

符号の説明

１ 水素生成器
４ 燃料電池
６ 貯湯タンク
７ 電力負荷検出手段
８ 電力負荷蓄積手段
９ 電力負荷予測手段
１０ 運転制御手段Ａ
１１ 熱負荷検出手段
１２ 熱負荷蓄積手段
１３ 熱負荷予測手段
１４ 運転制御手段Ｂ
１５ 選択スイッチ

Claims (6)

1. 水素生成器と、前記水素生成器で得られた生成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、電力負荷を検出する電力負荷検出手段と、検出された電力負荷情報を蓄積する電力負荷蓄積手段と、蓄積された電力負荷情報に基づいて電力負荷を予測する電力負荷予測手段と、予測された電力負荷に基づいて燃料電池システムの起動を決定する運転制御手段Ａを備え、前記電力負荷検知手段により負荷電力が、一定電力値以上となるのが一定時間以上になった場合に前記運転制御手段Ａにより運転を開始する条件において、前記電力負荷予測手段より、前記条件が成立する時期を予測し、運転開始から発電までにかかる起動時間を考慮して、前もって起動をかけることで、電力負荷が増大したタイミングには、前記燃料電池システムから電力供給できるようにする燃料電池システムの運転制御装置。
2. 水素生成器と、前記水素生成器で得られた生成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、電力負荷を検出する電力負荷検出手段と、検出された電力負荷情報を蓄積する電力負荷蓄積手段と、蓄積された電力負荷情報に基づいて電力負荷を予測する電力負荷予測手段と、予測された電力負荷に基づいて燃料電池システムの起動を決定する運転制御手段Ａを備え、前記電力負荷検知手段により負荷電力が、一定電力値以上となるのが一定時間以上になった場合に前記運転制御手段Ａにより運転を開始する条件において、前記電力負荷予測手段より、前記条件が成立する時期を予測し、前記運転制御手段Ａは、従来は起動判定が一定電力値以上となるのが一定時間以上になった場合に起動していたものを、予測した電力負荷パターンと実際との電力負荷パターンがほぼ一致することを検知するとすぐに起動する燃料電池システムの運転制御装置。
3. 運転制御手段Ａは、従来は起動判定が一定電力値以上となるのが一定時間以上になった場合に起動していたものを、予測した電力負荷パターンと実際との電力負荷パターンがほぼ一致しないことを検知すると、従来制御で起動する請求項２に記載の燃料電池システムの運転制御装置。
4. 燃料電池における発電による排熱回収により生じた高温の湯を蓄積する貯湯タンクと、熱負荷を検出する熱負荷検出手段と、検出された熱負荷情報を蓄積する熱負荷蓄積手段と、蓄積された熱負荷情報に基づいて熱負荷を予測する熱負荷予測手段と、予測された熱負荷に基づいて燃料電池システムの起動を決定する運転制御手段Ｂを備え、過去の熱負荷パターンに基づいた学習機能を有する燃料電池システムで、前記貯湯タンクの残湯量を検知して、前もって燃料電池システムを起動し湯切れを生じさせない燃料電池システムの運転制御装置。
5. 燃料の供給を受けて発電を行う燃料電池と、電力負荷を検出する電力負荷検出手段と、検出された電力負荷情報を蓄積する電力負荷蓄積手段と、蓄積された電力負荷情報に基づいて電力負荷を予測する電力負荷予測手段と、予測された電力負荷に基づいて燃料電池システムの起動を決定する運転制御手段Ａと、前記燃料電池における発電による排熱回収により生じた高温の湯を蓄積する貯湯タンクと、熱負荷を検出する熱負荷検出手段と、検出された熱負荷情報を蓄積する熱負荷蓄積手段と、蓄積された熱負荷情報に基づいて熱負荷を予測する熱負荷予測手段と、予測された熱負荷に基づいて前記燃料電池システムの起動を決定する運転制御手段Ｂと、前記運転制御手段Ａと前記運転制御手段Ｂのどちらの制御手段を優先するかを選択する選択スイッチを備え、前記電力負荷予測手段より、運転開始条件が成立する時期を予測し、運転開始から発電までにかかる起動時間を考慮して、電力負荷パターンに対する燃料電池システムの電力寄与率を向上させるか、あるいは前記熱負荷予測手段より、予測された熱負荷に基づいて前記燃料電池システムの起動を決定し、熱負荷パターンに対する燃料電池システムの熱寄与率を向上させるかのどちらかを燃料電池システムの使用者が選択することが可能な燃料電池システムの運転制御装置。
6. 燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭ）とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転制御装置。

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