JP2005063748A

JP2005063748A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2005063748A
Application number: JP2003290378A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Enokitsu; 豊榎津; Koichi Sakamoto; 浩一坂本
Original assignee: Hitachi Home and Life Solutions Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2003-08-08
Filing date: 2003-08-08
Publication date: 2005-03-10

Abstract

【課題】システムの運転継続を優先して燃料電池の発電電力を制御すること。
【解決手段】家庭内負荷１３を４段階の負荷レベル１００％、７５％、５０％、２５％に分類し、貯湯タンク５の湯水貯湯量を通常運転時、貯湯量高位時の２段階に分類し、家庭内負荷１３の電力を家庭内電力負荷測定器１２で計測し、貯湯タンク５の湯水貯湯量を温度センサ１５で計測し、家庭内電力負荷測定器１２の測定値と温度センサ１５の検出値を基に制御ユニット９で燃料電池４の発電電力を制御する過程で、貯湯タンク５の湯水貯湯量が通常運転時のレベルにあるときに、家庭内負荷の負荷レベルが１００％のときには１００％の発電出力で運転し、貯湯タンク５の湯水貯湯量が高位または満杯レベルになったときには、負荷レベルが１００％であっても１段階低い７５％の発電出力で燃料電池４の発電電力を制御し、システムの運転継続を優先した制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、電力系統に系統連系された発電を行う燃料電池の発電電力を負荷に供給するとともに、燃料電池の排熱を利用して貯湯タンク内の水を加熱するに好適な燃料電池システムに関する。

燃料電池システムとしては、例えば、家庭内の機器を負荷とした家庭用燃料電池システムが知られている。この種の燃料電池システムにおいては、燃料電池の発電に伴って発生する排熱を利用して貯湯タンク内に湯水を蓄え、家庭内需要に応じて燃料電池による発電を行ない、この発電に伴う電力および湯水を家庭に供給するようになっている。家庭内電力負荷を超える発電電力については、系統電力への逆潮流もしくは、ヒータなどの電気・熱変換器により電力を熱に変換し、蓄熱として利用している。一方、家庭内使用電力負荷に対して、給湯需要が少なく、貯湯タンク内の湯水が満杯になった場合は、回収した熱を放熱して運転を継続するか、または運転を停止する必要がある。この場合、熱を放熱しての運転は、回収した熱を捨てる、モノジェネレーション運転となるため、エネルギー効率が低下することになる。また運転を停止した場合は、燃料電池システムは、起動停止時に大きな損失が生じるため、結果として効率の低下を招くことになる。

そこで、貯湯タンク内に蓄えられた熱量を測定する蓄熱量センサを設け、蓄熱量センサで計測される蓄熱量が設定蓄熱量まで上昇したとき、発電電力を最大発電電力量より小さい設定電力量となるように調整する方式が提案されている（特許文献１参照）。この方式によれば、貯湯タンクの湯水貯湯量が上昇したときには、燃料電池の発電電力を低下させることにより、発生する熱量を下げ、結果として運転時間を継続させることに対して有効になる。

特開２００２−２８９２３９号公報（第２頁から第４頁、図１〜図３）

しかし、従来技術による方式は、発電電力の調整を蓄熱量の大きさのみで行うものであり、家庭内電力負荷が大きい場合には、発電電力量を小さくすることで、貯湯量の調整を行うことはできるが、家庭内負荷が小さい場合には、発電電力量の調整は不要な場合がある。また、燃料電池システムで発電電力を制御するためには、燃料の供給量、酸素の供給量、水蒸気の供給量などの多くの要素を制御する必要があり、機械的な遅れ、熱化学反応の遅れなどにより、発電電力の切替時間が必要であり、損失が発生する。そのため、貯湯タンクの湯水貯湯量（排熱回収量）に比例して発電電力を制御することは、発電電力の切替に常に遅れを伴い、切替ロスが発生し、効率の低下に繋がるとともに、制御系が複雑になる。

本発明の課題は、システムの運転継続を優先して燃料電池の発電電力を制御することで、発電運転の最適化を行うことにある。

前記課題を解決するために、本発明は、負荷の電力（消費電力）を計測する電力計測手段の計測値と貯湯タンクの湯水貯湯量を測定する湯水貯湯量測定手段の測定値を基に燃料電池の発電電力を制御するに際して、負荷の消費電力を複数レベルの発電出力に関連づけて複数の負荷レベルに分類するとともに、貯湯タンクの湯水貯湯量を複数レベルの発電出力に関連づけて複数の貯湯量レベルに分類し、電力計測手段の計測値に対応した負荷レベルと湯水貯湯量測定手段の測定値に対応した貯湯量レベルを基にいずれかのレベルの発電出力を決定し、この決定に従って燃料電池の発電電力を制御するようにしたものである。

前記した手段によれば、負荷の消費電力と貯湯タンク内の湯水貯湯量を基に燃料電池の発電電力を段階的に制御することで、システムの運転を継続するための制御を行うことができ、発電運転の最適化が行え、結果としてエネルギー効率を向上させ、省エネルギー性を高めることが可能になる。

電力計測手段の計測値に対応した負荷レベルと湯水貯湯量測定手段の測定値に対応した貯湯量レベルを基にいずれかのレベルの発電出力を決定し、この決定に従って燃料電池の発電電力を制御するに際しては、以下の方法を採用することができる。

（１）前記制御手段は、前記決定に従って前記燃料電池の発電電力を制御している過程で、前記湯水貯湯量測定手段の測定値が高位レベルまたは満杯レベルを示す貯湯量レベルになったときには、前記決定された発電出力を下位レベルの発電出力に修正し、前記修正された発電出力に従って前記燃料電池の発電電力を制御してなる。

（２）前記制御手段は、前記決定に従って前記燃料電池の発電電力を制御している過程で、前記湯水貯湯量測定手段の測定値が高位レベルまたは満杯レベルを示す貯湯量レベルになったときに、前記決定された発電出力が最下位レベルの発電出力のときには前記決定された発電出力を維持しながら前記燃料電池の発電電力を制御し、前記決定された発電出力が最下位レベル以外のときには、前記決定された発電出力を下位レベルの発電出力に修正し、前記修正された発電出力に従って前記燃料電池の発電電力を制御してなる。

（３）前記制御手段は、前記修正に従って前記燃料電池の発電電力を制御している過程で、前記湯水貯湯量測定手段の測定値が高位レベルまたは満杯レベルを示す貯湯量レベルにあることを条件として、前記電力計測手段の計測による負荷レベルが上昇しても前記修正された発電出力を維持しながら前記燃料電池の発電電力を制御し、前記電力計測手段の計測による負荷レベルが低下したときには、前記修正された発電出力を下位レベルの発電出力に再修正し、前記再修正された発電出力に従って前記燃料電池の発電電力を制御してなる。

（４）前記制御手段は、前記修正に従って前記燃料電池の発電電力を制御している過程で、前記湯水貯湯量測定手段の測定値が高位レベルまたは満杯レベルを示す貯湯量レベルにあることを条件として、前記電力計測手段の計測による負荷レベルが上昇しても前記修正された発電出力を維持しながら前記燃料電池の発電電力を制御し、前記電力計測手段の計測による負荷レベルが低下したときに、前記修正された発電出力が最下位レベルの発電出力のときには前記修正された発電出力を維持しながら前記燃料電池の発電電力を制御し、前記修正された発電出力が最下位レベル以外のときには前記修正された発電出力を下位レベルの発電出力に再修正し、前記再修正された発電出力に従って前記燃料電池の発電電力を制御してなる。

また、本発明は、燃料電池の他に二次電池を有する場合には、負荷の消費電力を複数レベルの発電出力に関連づけて複数の負荷レベルに分類するとともに、貯湯タンクの湯水貯湯量を前記複数レベルの発電出力に関連づけて複数の貯湯量レベルに分類し、且つ二次電池の充放電残量を複数レベルの発電出力に関連づけて複数の充放電残量レベルに分類し、電力計測手段の計測値に対応した負荷レベルと湯水貯湯量測定手段の測定値に対応した貯湯量レベルおよび二次電池の充放電残量を測定する充放電残量の測定手段の測定値に対応した充放電残量レベルを基にいずれかのレベルの発電出力を決定し、この決定に従って燃料電池の発電電力を制御するようにしたものである。

二次電池を備えた燃料電池システムの場合、負荷に追従させた運転を行ったときには、二次電池の充放電量のばらつきにより過充電状態または過放電状態となり、系統からの充電のための電力購入、逆潮流による発電電力の損失が発生することがある。ところが、負荷の消費電力と貯湯タンクの湯水貯湯量および二次電池の充放電残量を基に燃料電池の発電電力を段階的に制御することで、システムの運転を継続するための制御を行うことができ、発電運転の最適化が行え、結果として、エネルギー効率を向上させ、省エネルギー性を高めることが可能になる。

負荷と貯湯タンクの湯水貯湯量および二次電池の充放電残量に基づいて燃料電池の発電電力を制御するに際しては、以下の方法を採用することができる。

（１）前記制御手段は、前記充放電残量測定手段の測定値による充放電残量レベルが中位レベルよりも上位のレベルに移行したときには、前記決定された発電出力を前記電力計測手段の計測による負荷レベルから定まる発電出力よりも下位レベルの発電出力に修正し、前記修正された発電出力に従って前記燃料電池の発電電力を制御し、前記充放電残量測定手段の測定値による充放電残量レベルが中位レベルよりも下位のレベルに移行したときには、前記決定された発電出力を前記電力計測手段の計測による負荷レベルから定まる発電出力よりも上位レベルの発電出力に修正し、前記修正された発電出力に従って前記燃料電池の発電電力を制御してなる。

（２）前記制御手段は、前記充放電残量測定手段の測定値による充放電残量レベルが満杯レベルにあるときには、前記決定された発電出力を前記電力計測手段の計測による負荷レベルによらず最下位レベルの発電出力に修正し、前記修正された発電出力に従って前記燃料電池の発電電力を制御し、前記充放電残量測定手段の測定値による充放電残量レベルが空位レベルにあるときには、前記決定された発電出力を前記電力計測手段の計測による負荷レベルによらず最上位レベルの発電出力に修正し、前記修正された発電出力に従って前記燃料電池の発電電力を制御してなる。

（３）前記制御手段は、前記湯水貯湯量測定手段の測定値が高位レベルまたは満杯レベルを示す貯湯量レベルにあることを条件として、前記充放電残量測定手段の測定値による充放電残量レベルが中位レベルまたは高位レベルにあるときには、前記決定された発電出力を前記電力計測手段の計測による負荷レベルから定まる発電出力よりも下位レベルの発電出力に修正し、前記修正された発電出力に従って前記燃料電池の発電電力を制御し、前記充放電残量測定手段の測定値による充放電残量レベルが満杯レベルまたは空レベルにあるときには、前記決定された発電出力を最下位レベルの発電出力に修正し、前記修正された発電出力に従って前記燃料電池の発電電力を制御してなる。

本発明によれば、システムの運転継続を優先するための制御を行うようにしたので、発電運転の最適化が行え、結果としてエネルギー効率を向上させ、省エネルギー性を高めることが可能になる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態を示す燃料電池システムのブロック構成図である。図１において、本実施形態における燃料電池システムは、負荷として家庭内負荷１３を対象とした家庭用燃料電池システムとして、改質器２、燃料電池４、貯湯タンク５、制御ユニット９、家庭内電力負荷測定器１２、温度センサ１５などを備えて構成されている。

改質器２は、原燃料１の供給を受けて燃料ガス３を生成し、この燃料ガス３を燃料電池４に供給するようになっている。燃料電池４は、改質器２から燃料ガス３の供給を受けて発電し、この発電電力を電力変換器（図示省略）、電力出力線１０を介して家庭内負荷１３に供給するようになっている。家庭内負荷１３は、商用電源（電力系統）１１と系統連系されており、燃料電池４の発電電力では不足する電力が商用電源１１から電力出力線１０を介して家庭内負荷１３に供給されるようになっている。そして家庭内負荷１３に供給される電力は家庭内電力負荷測定器（電力計測手段）１２によって計測され、この計測値（消費電力）が制御ユニット９に供給されるようになっている。また燃料電池４は、貯湯タンク５から供給された冷却水７を、発電に伴う排熱によって加熱して排熱回収湯水８として貯湯タンク５に供給するようになっている。

貯湯タンク５は、給水系から水道水６の供給を受けて水道水６を貯留するとともに、貯留した水を冷却水７として燃料電池４に供給し、燃料電池４から排熱回収湯水８の供給を受けて湯水８を貯留し、貯留した湯水８の一部を給湯系の給湯配管１４に排出するようになっている。この貯湯タンク５には、貯湯タンク５内の湯水貯湯量を測定する湯水貯湯量測定手段としての温度センサ１５が設置されており、温度センサ１５の検出温度は検出信号として制御ユニット９に供給されるようになっている。すなわち、温度センサ１５は、貯湯タンク５内の湯水貯湯量を湯水の温度に対応づけて検出し、検出信号を制御ユニット９に出力するようになっている。また、温度センサ１５は、貯湯タンク５内の湯水８の温度が均一に変化していることを前提として、貯湯タンク５内の湯水の温度を検出し、この検出温度を湯水貯湯量として測定するようになっている。

なお、貯湯タンク５が積層式の場合には、図２に示すように、温度センサ１５の代わりに、温度センサ１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄを貯湯タンク５の鉛直方向に沿って配置し、各温度センサ１５ａ〜１５ｄによって貯湯タンク５内の湯水の温度を検出するようになっている。この場合、貯湯タンク５内の湯水は上部側から順次貯湯されるため、温度センサ１５ａが貯湯量高位時の設定温度、例えば、５５℃を検出したときには、貯湯タンク５内の貯湯量は高位に達したことになる。

制御ユニット９は、家庭内電力負荷測定器１２の計測値と温度センサ（湯水貯湯量測定手段）１５の測定値を基に燃料電池４の発電電力を制御する制御手段として構成されており、家庭内負荷１３の消費電力を複数レベルの発電出力に関連づけて複数の負荷レベルに分類するとともに、貯湯タンク５の湯水貯湯量を複数レベルの発電出力に関連づけて複数の貯湯量レベルに分類し、家庭内電力負荷測定器１２の測定値に対応した負荷レベルと温度センサ１５の測定値に対応した貯湯量レベルを基にいずれかのレベルの発電出力を決定（選択）し、この決定にしたがって燃料電池４の発電電力を制御するようになっている。

具体的には、図３に示すように、家庭内負荷１３を４レベルの発電出力（１００％発電出力、７５％発電出力、５０％発電出力、２５％発電出力）に関連づけて４つの負荷レベル、例えば、『１００％』、『７５％』、『５０％』、『２５％』に分類するとともに、貯湯タンク５の湯水貯湯量を４レベルの発電出力（１００％発電出力、７５％発電出力、５０％発電出力、２５％発電出力）に関連づけて２つの貯湯量レベル、例えば、通常運転時の貯湯量レベルと貯湯量高位時の貯湯量レベルに分類し、家庭内電力負荷測定器１２の計測値に対応した負荷レベルと温度センサ１５の測定値に対応した貯湯量レベルを基にいずれかのレベルの発電出力を決定（選択）し、この決定にしたがって燃料電池４の発電電力を制御することとしている。

例えば、貯湯タンク５の湯水貯湯量を通常運転時と貯湯量高位時の２段階に分類したときには、通常運転時には、家庭内負荷１３の負荷レベルに相当する発電出力となるように燃料電池４の発電電力を制御する運転が行われる。すなわち、家庭内負荷１３の負荷レベルが１００％のときには１００％発電出力で燃料電池４の運転が行なわれ、負荷レベルが７５％のときには７５％発電出力で燃料電池４の運転が行われ、負荷レベルが５０％のときには５０％の発電出力で燃料電池４の運転が行なわれ、負荷レベルが２５％のときには２５％の発電出力で燃料電池４の運転が行われる。

一方、通常運転が行われているとき、例えば、家庭内負荷１３の負荷レベルが１００％で、発電出力が１００％で燃料電池４が運転されている過程で、温度センサ１５の検出による湯水貯湯量が高位レベルになったときには、家庭内負荷１３の負荷レベルが１００％であっても、発電出力を１段階低下させて７５％とする修正が実行され、この修正された発電出力（７５％）に従って燃料電池４の運転が行われる。すなわち、燃料電池４の排熱の発生量を抑え、燃料電池システムの運転継続を優先するための制御が行われることになる。

同様に、通常運転が行われているとき、家庭内負荷１３の負荷レベルが７５％で、発電出力が７５％で燃料電池４が運転されている過程で、温度センサ１５の検出による湯水貯湯量が高位レベルになったときには、家庭内負荷１３の負荷レベルが７５％であっても、発電出力を１段階低下させて５０％とする運転が行われる。また、家庭内負荷１３の負荷レベルが５０％で、発電出力が５０％で燃料電池４が通常運転されている過程で、温度センサ１５の検出による湯水貯湯量が高位レベルになったときには、家庭内負荷１３の負荷レベルが５０％であっても、発電出力を１段階低下させて２５％とする運転が行われる。

なお、家庭内負荷１３のレベルが２５％で、発電出力が２５％で運転中のときには、発電出力の切替は行わず、発電出力を２５％とした状態でシステムの運転を継続する。このように、湯水貯湯量レベルによる一時的な発電出力の切替でなく、家庭内負荷１３の負荷レベルに応じた運転を行うことにより、家庭内負荷１３に対する電力の供給を継続することを優先し、燃料電池システムの運転を最適化することができる。

このように、本実施形態においては、温度センサ１５の測定値が高位レベルまたは満杯レベルを示す貯湯量レベルになったときには、決定された発電出力をそれよりも下位レベルの発電出力に修正したり、あるいは、温度センサ１５の測定値が高位レベルまたは満杯レベルを示す貯湯量レベルになったときに、決定された発電出力が最下位レベルの発電出力のときには決定された発電出力を維持し、決定された発電出力が最下位レベル以外のときには決定された発電出力をそれよりも下位レベルの発電出力に修正するようにしたため、燃料電池４の排熱の発生量を抑え、燃料電池システムの運転を継続することができる。

また、温度センサ１５の測定値が高位レベルまたは満杯レベルを示す貯湯量レベルになったときに、家庭内負荷１３の負荷レベルが２５％のときに、発電出力を２５％よりも低い発電出力、例えば、２０％、１５％にすることも可能である。

温度センサ１５の測定値が高位レベルまたは満杯レベルを示す貯湯量レベルにあるときに、家庭内負荷１３の負荷レベルが１００％のときには７５％の発電出力、７５％の負荷レベルのときには５０％の発電出力、５０％の負荷レベルのときには２５％の発電出力、２５％の負荷レベルのときには２５％の発電出力による運転が行われ、この運転が行われている過程で、負荷レベルが変化したときには、図４に示すように、家庭内負荷１３の負荷レベルにしたがって燃料電池４の発電出力を切替ることとしている。

例えば、負荷レベルが７５％で、発電出力が７５％による通常運転が行われているときに、貯湯量が高位レベルになったときには、発電出力を１段階低下させて、発電出力を５０％にする運転が行われ、この運転が行われている過程で、家庭内負荷１３の負荷レベルが１００％になっても、発電出力は変更せずに、５０％の発電出力の運転を継続し、一方、家庭内負荷１３の負荷レベルが７５％から５０％に低下したときには、発電出力を５０％から２５％に１段階低下させる運転を行う。

すなわち、本実施形態においては、貯湯タンク５の湯水貯湯量が高位レベルまたは満杯レベルを示す貯湯量レベルにあるときには、家庭内負荷１３の負荷レベルの上昇に対しては制御は行わず、負荷レベルが低下したときにのみ発電出力を１段階低下させるための運転を行う。ただし負荷レベルが５０％から２５％に低下したときには発電出力は２５％に維持されている。ただし、この場合、発電出力を２５％よりも低い値に設定することも可能である。

このように、本実施形態においては、貯湯タンク５内の湯水貯湯量が高位レベルまたは満杯レベルを示す貯湯量レベルにあることを条件として（貯湯タンク５内の湯水貯湯量が高位レベルまたは満杯レベルを示す貯湯量レベルから外れるまでは）、負荷レベルが上昇しても修正された発電出力を維持し、負荷レベルが低下したときに、発電出力が最下位レベルの発電出力のときには決定された発電出力を維持し、発電出力が最下位レベル以外のときには修正された発電出力よりも下位レベルの発電出力に再修正するようにしたため、貯湯タンク５の湯水貯湯量が満杯にあるときに運転の起動停止を行う必要がなく、運転の起動停止にかかわる損失を最低限に抑え、且つ家庭内負荷１３への電力の供給を継続し、燃料電池システムの発電を有効に活用することができるとともに、省エネルギー効果のある運転を行うことが可能になる。

次に、本発明の他の実施形態を図５にしたがって説明する。本実施形態は、燃料電池４の他に二次電池２０を設け、燃料電池４の発電に伴う電力を電力出力線１０を介して家庭内負荷１３に供給するとともに、二次電池２０の発電に伴う電力を電力変換器（図示省略）、電力出力線１０を介して家庭内負荷１３に供給するようにしたものであり、他の構成は図１のものと同様である。なお、二次電池２０の充放電残量を測定する充放電レベル検出器（充放電残量測定手段）２１が設けられており、充放電レベル検出器２１の検出出力が制御ユニット９に供給されるようになっている。

本実施形態は、家庭内負荷１３の電力を４つの負荷レベル、例えば、１００％、７５％、５０％、２５％に分類するとともに、貯湯タンク５の湯水貯湯量を通常運転時と貯湯量高位時の２段階のレベルに分類し、さらに二次電池２１の充放電残量を４レベルの発電出力（１００％、７５％、５０％、２５％）に関連づけて複数の充放電残量レベル、例えば、「満レベル」、「高位レベル」、「中位レベル」、「低位レベル」、「空レベル」の５段階に分類し、制御ユニット９において家庭内電力負荷測定器１２の測定値と温度センサ１５の検出温度および充放電レベル検出器２１の検出値（測定値）に基づいていずれかの発電電力を決定（選択）し、この決定に従って燃料電池４の発電電力を制御するようにしたものである。なお、二次電池２０の充放電残量レベルをさらに細分化することにより、極め細かい制御を行うことも可能である。

次に、二次電池２０の充放電残量レベルを５段階に分類したときの発電出力制御パターンの構成を図６にしたがって説明する。まず、通常運転時には、二次電池２０の充放電残量レベルとして中位レベルが検出されているため、家庭内負荷１３の負荷レベルにしたがって発電出力が決定される。すなわち、図３に示す通常運転時と同じ運転が行われる。このとき充放電レベル検出器２１の検出値を基に二次電池２０の充放電残量レベルが高位レベルになったときには、家庭内負荷１３の負荷レベルから決定される発電出力よりも１段階低下した発電出力とする。燃料電池４の発電出力のレベルを１段階低下させることにより、燃料電池４の発電だけでは家庭内負荷１３に対する電力の供給を賄えないため、二次電池２０の放電が促され、二次電池２０の充放電量が中庸域に向かうことになる。逆に二次電池２０の充放電残量レベルが低位レベルに移行したときには、燃料電池４の発電出力を負荷レベルから決定される発電出力よりも１段階高い発電出力に設定する。燃料電池４の発電出力を１段階上昇させることにより、家庭内負荷１３に対する余剰発電電力が生じるため、この余剰発電電力により二次電池２０の充電が促され、二次電池２０の充放電量が中庸域に向かうことになる。このように、二次電池２０の充放電残量レベルに応じて燃料電池４の発電出力を切替ることにより、二次電池２０の充放電残量を中庸域に安定させ、燃料電池システムの運転を継続することができ、省エネルギー効果、運転効率の向上を図ることが可能になる。

一方、二次電池２０の充放電残量レベルが満レベルに移行したときには、家庭内負荷１３の負荷レベルによらず、燃料電池４の発電出力を最低発電出力レベルとする。すなわち２５％の発電出力とする。燃料電池４の発電出力を最低発電出力レベルとすることにより、燃料電池４の発電だけでは家庭内負荷１３に対する電力の供給を賄えないため、二次電池２０からの放電が促され、二次電池２０の充放電レベルが高位レベル、あるいは中庸域である中位レベルに向かうことになる。

また、二次電池２０の充放電残量レベルが空レベルになったときには、家庭内負荷１３の負荷レベルによらず、燃料電池４の発電出力を最大発電出力レベル、例えば、１００％発電出力にすることで、家庭内負荷１３に対して余剰発電電力が生じ、この余剰発電電力により二次電池２０の充電が促され、二次電池２０の充放電残量レベルを低位レベルあるいは中庸域である中位レベルに向かわせることができる。

このように、本実施形態においては、二次電池の充放電残量レベルにしたがって燃料電池４の発電電力を制御することにより、二次電池２０が過充電、過放電とならずに、燃料電池システムの運転を継続することができるとともに、逆潮流による発電電力の損失を抑えるとともに、二次電池２０からの放電により家庭内負荷１３に対して電力を供給することが可能になる。

次に、貯湯タンク５の湯水貯湯量が高位レベルまたは満杯レベルを示す湯水貯湯量レベルにあるときには、図７に示すような制御パターンにしたがって燃料電池４の運転が行われる。

まず、二次電池２０の充放電残量が中位レベルにあるときには、燃料電池４の発電出力は、家庭内負荷１３の負荷レベルで決定される発電出力よりも１段階低い発電出力に設定される。このような運転が行われる過程で、二次電池２０の充放電残量が高位レベルに移行したときには、家庭内負荷１３の負荷レベルで決定される発電出力よりも１段階低い発電出力とする。すなわち、中位レベル、高位レベルにおいては家庭内負荷１３の負荷レベルで決定される発電出力よりも１段階低下させた発電出力で燃料電池４の発電電力を制御し、燃料電池システムの発電運転を継続させ、起動停止にかかるロスを抑えることができる。

一方、二次電池２０の充放電残量レベルが満レベル、あるいは低レベル、または空レベルになったときには、家庭内負荷１３の負荷レベルによらず最低発電出力、例えば、２５％の発電出力による運転を行うこととしている。

すなわち、貯湯タンク５の湯水貯湯量が高位または満杯レベルになったときには二次電池２０の充放電レベルによらず、湯水貯湯量レベルを優先して制御するようにしているため、燃料電池システムの発電運転を継続させ、起動停止にかかるロスを抑えることができる。この場合、二次電池２０の充放電残量レベルによらず、全てのレベルにおいて最低発電電力で運転することでも同様な効果が得られる。

本発明の第１実施形態を示す燃料電池システムのブロック構成図である。本発明の第２実施形態を示す燃料電池システムのブロック構成図である。家庭内負荷レベルと発電出力との関係を説明するための図である。貯湯量高位時における家庭内負荷レベルと発電出力との関係を説明するための図である。本発明の第３実施形態を示す燃料電池システムのブロック構成図である。二次電池充放電残量レベルと燃料電池発電出力レベルとの関係を説明するための図である。貯湯タンク高位レベル時における二次電池充放電残量レベルと燃料電池発電出力レベルとの関係を説明するための図である。

符号の説明

１原燃料
２改質器
３燃料ガス
４燃料電池
５貯湯タンク
６水道水
７冷却水
８排熱回収湯水
９制御ユニット
１０電力出力線
１１商用電源
１２家庭内電力負荷測定器
１３家庭内負荷
１５、１５ａ〜１５ｄ温度センサ

Claims

燃料ガスにより発電して発電電力を負荷に供給する燃料電池と、給水系からの水を貯留し、貯留した水を前記燃料電池の排熱により湯水として貯留し、湯水の一部を給湯系に排出する貯湯タンクと、前記負荷の電力を計測する電力計測手段と、前記貯湯タンクの湯水貯湯量を測定する湯水貯湯量測定手段と、前記電力計測手段の計測値と前記湯水貯湯量測定手段の測定値を基に前記燃料電池の発電電力を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記負荷の電力を複数レベルの発電出力に関連づけて複数の負荷レベルに分類するとともに、前記貯湯タンクの湯水貯湯量を前記複数レベルの発電出力に関連づけて複数の貯湯量レベルに分類し、前記電力計測手段の計測値に対応した負荷レベルと前記湯水貯湯量測定手段の測定値に対応した貯湯量レベルとを基に前記いずれかのレベルの発電出力を決定し、この決定に従って前記燃料電池の発電電力を制御してなる燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記決定に従って前記燃料電池の発電電力を制御している過程で、前記湯水貯湯量測定手段の測定値が高位レベルまたは満杯レベルを示す貯湯量レベルになったときには、前記決定された発電出力を下位レベルの発電出力に修正し、前記修正された発電出力に従って前記燃料電池の発電電力を制御してなる燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記決定に従って前記燃料電池の発電電力を制御している過程で、前記湯水貯湯量測定手段の測定値が高位レベルまたは満杯レベルを示す貯湯量レベルになったときに、前記決定された発電出力が最下位レベルの発電出力のときには前記決定された発電出力を維持しながら前記燃料電池の発電電力を制御し、前記決定された発電出力が最下位レベル以外のときには、前記決定された発電出力を下位レベルの発電出力に修正し、前記修正された発電出力に従って前記燃料電池の発電電力を制御してなることを特徴とする燃料電池システム。
請求項２または３に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記修正に従って前記燃料電池の発電電力を制御している過程で、前記湯水貯湯量測定手段の測定値が高位レベルまたは満杯レベルを示す貯湯量レベルにあることを条件として、前記電力計測手段の計測による負荷レベルが上昇しても前記修正された発電出力を維持しながら前記燃料電池の発電電力を制御し、前記電力計測手段の計測による負荷レベルが低下したときには、前記修正された発電出力を下位レベルの発電出力に再修正し、前記再修正された発電出力に従って前記燃料電池の発電電力を制御してなることを特徴とする燃料電池システム。
請求項２または３に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記修正に従って前記燃料電池の発電電力を制御している過程で、前記湯水貯湯量測定手段の測定値が高位レベルまたは満杯レベルを示す貯湯量レベルにあることを条件として、前記電力計測手段の計測による負荷レベルが上昇しても前記修正された発電出力を維持しながら前記燃料電池の発電電力を制御し、前記電力計測手段の計測による負荷レベルが低下したときに、前記修正された発電出力が最下位レベルの発電出力のときには前記修正された発電出力を維持しながら前記燃料電池の発電電力を制御し、前記修正された発電出力が最下位レベル以外のときには前記修正された発電出力を下位レベルの発電出力に再修正し、前記再修正された発電出力に従って前記燃料電池の発電電力を制御してなることを特徴とする燃料電池システム。
燃料ガスにより発電して発電電力を負荷に供給する燃料電池と、前記燃料電池の発電電力または電力系統の電力を受けて充電するとともに、放電により前記負荷に電力を供給する２次電池と、給水系からの水を貯留し、貯留した水を前記燃料電池の排熱により湯水として貯留し、湯水の一部を給湯系に排出する貯湯タンクと、前記負荷の電力を計測する電力計測手段と、前記２次電池の充放電残量を測定する充放電残量測定手段と、前記貯湯タンクの湯水貯湯量を測定する湯水貯湯量測定手段と、前記電力計測手段の計測値と前記湯水貯湯量測定手段の測定値及び前記充放電残量測定手段の測定値を基に前記燃料電池の発電電力を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記負荷の電力を複数レベルの発電出力に関連づけて複数の負荷レベルに分類するとともに、前記貯湯タンクの湯水貯湯量を前記複数レベルの発電出力に関連づけて複数の貯湯量レベルに分類し、かつ前記２次電池の充放電残量を前記複数レベルの発電出力に関連づけて複数の充放電残量レベルに分類し、前記電力計測手段の計測値に対応した負荷レベルと前記湯水貯湯量測定手段の測定値に対応した貯湯量レベル及び前記充放電残量測定手段の測定値に対応した充放電残量レベルを基に前記いずれかのレベルの発電出力を決定し、この決定に従って前記燃料電池の発電電力を制御してなる燃料電池システム。
請求項６に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記充放電残量測定手段の測定値による充放電残量レベルが中位レベルよりも上位のレベルに移行したときには、前記決定された発電出力を前記電力計測手段の計測による負荷レベルから定まる発電出力よりも下位レベルの発電出力に修正し、前記修正された発電出力に従って前記燃料電池の発電電力を制御し、前記充放電残量測定手段の測定値による充放電残量レベルが中位レベルよりも下位のレベルに移行したときには、前記決定された発電出力を前記電力計測手段の計測による負荷レベルから定まる発電出力よりも上位レベルの発電出力に修正し、前記修正された発電出力に従って前記燃料電池の発電電力を制御してなることを特徴とする燃料電池システム。
請求項６に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記充放電残量測定手段の測定値による充放電残量レベルが満杯レベルにあるときには、前記決定された発電出力を前記電力計測手段の計測による負荷レベルによらず最下位レベルの発電出力に修正し、前記修正された発電出力に従って前記燃料電池の発電電力を制御し、前記充放電残量測定手段の測定値による充放電残量レベルが空位レベルにあるときには、前記決定された発電出力を前記電力計測手段の計測による負荷レベルによらず最上位レベルの発電出力に修正し、前記修正された発電出力に従って前記燃料電池の発電電力を制御してなることを特徴とする燃料電池システム。
請求項６に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記湯水貯湯量測定手段の測定値が高位レベルまたは満杯レベルを示す貯湯量レベルにあることを条件として、前記充放電残量測定手段の測定値による充放電残量レベルが中位レベルまたは高位レベルにあるときには、前記決定された発電出力を前記電力計測手段の計測による負荷レベルから定まる発電出力よりも下位レベルの発電出力に修正し、前記修正された発電出力に従って前記燃料電池の発電電力を制御し、前記充放電残量測定手段の測定値による充放電残量レベルが満杯レベルまたは空レベルにあるときには、前記決定された発電出力を最下位レベルの発電出力に修正し、前記修正された発電出力に従って前記燃料電池の発電電力を制御してなることを特徴とする燃料電池システム。