JP2005078976A - Fuel cell co-generation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力及び熱を発生させる燃料電池コジェネレーションシステムに関するものであり、特に熱を利用した給湯を安定して行なう技術に関する。 The present invention relates to a fuel cell cogeneration system that generates electric power and heat, and more particularly to a technique for stably performing hot water supply using heat.
近年、燃料電池を用いて発電を行うと共に、その発電過程で発生する熱、あるいは燃料電池に必要な水素リッチな改質ガスを燃料ガスから生成する過程で発生する熱を利用して給湯を行なえるようにした燃料電池コジェネレーションシステムの開発が進められている。
この燃料電池による発電は、外部から供給される天然ガス、LPG、ブタン等の炭化水素系ガスを燃料ガスとし、これを改質器において水蒸気雰囲気下で加熱して水素リッチな改質ガスを最初に生成する。次に生成した改質ガスを、空気等の酸化性ガスと共に燃料電池に供給し、電気化学反応により直流電力を生成するものである。生成された直流電力は通常、インバータにより商用周波数の交流電力に変換された後、商用電力系統に系統連系して外部の電力負荷に供給される。
In recent years, it has been possible to generate electricity using a fuel cell and to supply hot water using heat generated during the power generation process or heat generated during the process of generating the hydrogen-rich reformed gas necessary for the fuel cell from the fuel gas. The development of such a fuel cell cogeneration system is underway.
In the power generation by this fuel cell, a hydrocarbon gas such as natural gas, LPG, or butane supplied from the outside is used as a fuel gas, and this is heated in a steam atmosphere in a reformer to produce a hydrogen-rich reformed gas first. To generate. Next, the generated reformed gas is supplied to a fuel cell together with an oxidizing gas such as air, and DC power is generated by an electrochemical reaction. The generated DC power is usually converted into AC power having a commercial frequency by an inverter, and then connected to the commercial power system and supplied to an external power load.
燃料電池コジェネレーションシステムは、燃料電池で電力を発生させるだけなく、改質ガスを生成する過程で発生する排熱、燃料電池で直流発電する過程で発生する排熱の有効利用をも図らんとするシステムである。具体的には、熱交換器を使用し、排熱から温水を生成して貯湯槽に溜め、キッチンのための給湯や暖房用として外部の熱負荷に供給する。 燃料電池コジェネレーションシステムは、このように発電過程での発電損失である排熱を温水として回収して有効利用を図るために、エネルギー利用効率の非常に高い有効なシステムである。しかしながら、温水として回収される熱量と発電電力との間には一定の相関関係があるのに対して、温水(回収された熱量)の使用量と、発電した電力の使用量との間には相関がない。例えば、一般家庭での通常の生活を考えた場合、テレビや電気冷蔵庫のごとく電力のみを使用する電化製品もあれば、洗面時等、温水のみを使用する場合もある。更に、電気ポットのように電力と温水を同時に使用するものもある。そして、これらの使用は、基本的には各個人の生活に応じているためランダムである。 The fuel cell cogeneration system not only generates power in the fuel cell, but also aims to effectively use the exhaust heat generated in the process of generating reformed gas and the exhaust heat generated in the process of direct current power generation in the fuel cell. System. Specifically, using a heat exchanger, hot water is generated from the exhaust heat and stored in a hot water tank, and supplied to an external heat load for hot water supply or heating for the kitchen. The fuel cell cogeneration system is an effective system with very high energy utilization efficiency in order to recover the exhaust heat, which is a power generation loss in the power generation process, as hot water for effective use. However, while there is a certain correlation between the amount of heat recovered as hot water and the generated power, there is a correlation between the amount of used hot water (the amount of recovered heat) and the amount of generated power used. There is no correlation. For example, when considering a normal life in a general household, there are electrical appliances that use only electric power, such as televisions and electric refrigerators, and sometimes only hot water is used during washing. In addition, some electric pots use electric power and hot water at the same time. These uses are basically random because they depend on the life of each individual.
このため、電力需要に対して温水の需要が大き過ぎる場合には、貯湯槽の温水が不足して温水切れ(お湯切れ状態)を生じたり、給湯される温水の温度が低下し過ぎる事態を生ずる。また、逆に電力需要が温水需要を大きく上回る場合には、貯湯槽が温水で満水となって排熱を回収できなくなる事態を生ずる。このような事態が生じたのでは、エネルギーの有効利用というコジェネレーションシステムのメリットが減殺されてしまう。 For this reason, when the demand for hot water is too large relative to the power demand, the hot water in the hot water storage tank is insufficient, causing hot water to run out (hot water running out), or the temperature of hot water to be supplied to be too low. . On the other hand, when the electric power demand greatly exceeds the hot water demand, the hot water storage tank becomes full of hot water and the exhaust heat cannot be recovered. If such a situation occurs, the merit of the cogeneration system, which is the effective use of energy, will be diminished.
このような問題に対処する方法としては、貯湯槽の温水の出側に補助熱源としてガス瞬間沸騰器を直列に追加したり、太陽光からの熱を集積して回収する第2の熱交換器を付加したり(例えば、特許文献1参照)する方法等が提案されている。
本発明は、上述のような燃料電池コジェネレーションシステムの問題点を解決するためになされたもので、電力需要と温水需要とにアンバランスがある場合に発生する温水切れや給湯温度の低下といった不具合を、実用上問題とならないレベルにまで改善を図ること。併せて、燃料電池コジェネレーションシステムの停止時を含めて、温水生成、追炊きを常時可能とし、更に燃料電池コジェネレーションシステムの熱交換器にて生成可能な温度以上の高温水を給湯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を課題とする。 The present invention was made in order to solve the problems of the fuel cell cogeneration system as described above. Problems such as running out of hot water and a decrease in hot water temperature that occur when power demand and hot water demand are imbalanced. Improve to a level that does not cause any practical problems. In addition, fuel cells that can always generate hot water and make additional cooking, including when the fuel cell cogeneration system is stopped, and can supply hot water at a temperature higher than the temperature that can be generated by the heat exchanger of the fuel cell cogeneration system The issue is to provide a cogeneration system.
前記目的を達成するための請求項1に記載の発明は、電力と温水を生成し、生成した電力を単相3線式商用電力系統(2)を介してコジェネ電力負荷(3)に、生成した温水を温水使用機器(4)に供給する燃料電池コジェネレーションシステム(1)であって、
該燃料電池コジェネレーションシステムは、燃料電池発電部(11)と貯湯槽(12)とを備え、該貯湯槽はその下部冷水口(122)より取水した水を熱回収循環水として熱回収水循環ポンプ(13)により前記燃料電池発電部内の熱交換器(114)に送り、該熱交換器にて排熱と熱交換させて温水とし前記貯湯槽の上部の温水戻口(121)に戻すと共に、上部の出水口(123)より前記温水使用機器に給湯し、下部の入水口(124)より市水を補充するように構成されており、
前記熱回収循環水の量は、前記貯湯槽に戻る直前の熱回収循環水の温度を温度検出器(12T0)にて検出してその検出温度(T0)が指定された給湯温度(Tref)に等しくなるように前記熱回収水循環ポンプの吐出水量を循環ポンプ制御回路(15)にて比例積分制御することにより行なうように構成されており、
前記貯湯槽内には、下部に下部温度検出器(1T3)、中間部に中間部温度検出器(1T2)が取り付けられ、更に補助加熱用の電気ヒータ(12H)が取り付けられ、該電気ヒータにはヒータ電源切換制御回路(17)により制御されるヒータ電源切換リレー(16)の切り換え動作により前記単相3線式商用電力系統より単相200V電源または単相100V電源が供給されるように構成されており、
前記ヒータ電源切換制御回路は、前記下部温度検出器の検出温度(T3)が指定された給湯温度(Tref)以上である場合、及び前記下部温度検出器の検出温度が給湯温度未満で前記中間部温度検出器の検出温度(T2)が給湯温度以上であり且つ前記燃料電池発電部の発電電力(Pac)が単位時間当たりに所定量の温水を生成するのに必要な温水生成電力(Pwmin)以上である場合には前記電気ヒータへの電源供給を停止し、
前記下部温度検出器の検出温度が前記給湯温度未満で前記中間部温度検出器の検出温度が給湯温度以上であり且つ前記燃料電池発電部の発電電力(Pac)が前記温水生成電力(Pwmin)未満である場合には前記電気ヒータに前記単相100V電源を供給し、
前記下部温度検出器の検出温度及び前記中間部温度検出器の検出温度が共に前記給湯温度未満である場合には前記電気ヒータに前記単相200V電源を供給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である。
In order to achieve the above object, the invention according to
The fuel cell cogeneration system includes a fuel cell power generation unit (11) and a hot water storage tank (12), and the hot water storage tank uses heat taken from its lower cold water port (122) as heat recovery circulating water as a heat recovery water circulation pump. (13) is sent to the heat exchanger (114) in the fuel cell power generation unit, heat is exchanged with the exhaust heat in the heat exchanger to make hot water and return to the hot water return port (121) at the top of the hot water tank, Hot water is supplied to the hot water using equipment from the upper water outlet (123), and city water is replenished from the lower water inlet (124).
The amount of the heat recovery circulating water is determined by detecting the temperature of the heat recovery circulating water just before returning to the hot water storage tank with a temperature detector (12T0) and setting the detected temperature (T0) to the specified hot water supply temperature (Tref). The discharge water amount of the heat recovery water circulation pump is configured to be proportional and integral controlled by the circulation pump control circuit (15) so as to be equal,
In the hot water tank, a lower temperature detector (1T3) is attached to the lower portion, an intermediate temperature detector (1T2) is attached to the intermediate portion, and an electric heater (12H) for auxiliary heating is further attached to the electric heater. Is configured such that single-
The heater power supply switching control circuit includes the intermediate portion when the detected temperature (T3) of the lower temperature detector is equal to or higher than a specified hot water supply temperature (Tref) and when the detected temperature of the lower temperature detector is lower than the hot water supply temperature. The detected temperature (T2) of the temperature detector is equal to or higher than the hot water supply temperature, and the generated power (Pac) of the fuel cell power generation unit is equal to or higher than the hot water generation power (Pwmin) necessary for generating a predetermined amount of hot water per unit time. If it is, stop the power supply to the electric heater,
The detection temperature of the lower temperature detector is lower than the hot water supply temperature, the detection temperature of the intermediate temperature detector is higher than the hot water supply temperature, and the generated power (Pac) of the fuel cell power generation unit is lower than the hot water generation power (Pwmin). If so, supply the single-
A fuel cell cogeneration system that supplies the electric heater with the single-
このような構成によれば、燃料電池発電部の発電電力と温水需要との間にアンバランスがあり貯湯量が少なくなった場合には、電気ヒータによる補助加熱により温水生成量が増加させられるので、貯湯槽の温水切れ、給水温度の低下といった不具合事態が殆どなくすことができる。 According to such a configuration, when there is an imbalance between the generated power of the fuel cell power generation unit and the demand for hot water and the amount of hot water stored is reduced, the amount of hot water generated can be increased by auxiliary heating by the electric heater. It is possible to eliminate almost all problems such as running out of hot water in the hot water tank and lowering of the water supply temperature.
また、請求項2に記載の発明は、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において、前記下部温度検出器と中間部温度検出器に代えて、前記貯湯槽内に上部から下部にかけて上から順に第1、第2、第3、第4の温度検出器(2T1、2T2、2T3、2T4)をほぼ等間隔に取り付け、
前記ヒータ電源切換制御回路は前記第1、第2、第3、第4の温度検出器の検出した第1、第2、第3、第4の検出温度(T1、T2、T3、T4)を、個別に所定の第1の基準温度(T1ref)及びこれより低い第2の基準温度(T2ref)と比較し、検出温度が第1の基準温度以上の場合にはその重みを2とし、検出温度が第1の基準温度未満で第2の基準温度以上の場合にはその重みを1とし、検出温度が第2の基準温度未満である場合にはその重みを0とする重み付けを行なってそれらの合計値を求め、該合計値の、前記第1〜第4の検出温度が全て第1の基準温度以上であるとした場合の重み付け合計値に対する百分率を求めて温水推定割合(A)とし、
該温水推定割合が所定の第1の温水割合基準値(A1ref)以上である場合、及び該温水推定割合が第1の温水割合基準値未満で第2の温水割合基準値(A2ref)以上であり且つ前記燃料電池発電部の発電電力が前記温水生成電力(Pwmin)以上である場合には前記電気ヒータへの電源供給を停止し、
前記温水推定割合が前記第1の温水割合基準値未満で前記第2の温水割合基準値以上であり且つ前記燃料電池発電部の発電電力が前記温水生成電力未満である場合には前記電気ヒータに前記単相100V電源を供給し、
前記温水推定割合が前記第2の温水割合基準値未満である場合には前記電気ヒータに前記単相200V電源を供給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である。
Further, the invention according to
The heater power supply switching control circuit uses the first, second, third, and fourth detected temperatures (T1, T2, T3, T4) detected by the first, second, third, and fourth temperature detectors. Individually compared with a predetermined first reference temperature (T1ref) and a lower second reference temperature (T2ref), and when the detected temperature is equal to or higher than the first reference temperature, the weight is set to 2, and the detected temperature Is less than the first reference temperature and greater than or equal to the second reference temperature, the weight is set to 1, and when the detected temperature is less than the second reference temperature, the weight is set to 0 and the weight is set. Obtain a total value, obtain a percentage of the weighted total value when the first to fourth detection temperatures of the total value are all equal to or higher than the first reference temperature, and obtain a warm water estimated ratio (A),
When the estimated hot water ratio is greater than or equal to a predetermined first warm water ratio reference value (A1ref), and when the estimated warm water ratio is less than the first warm water ratio reference value and greater than or equal to the second warm water ratio reference value (A2ref) And when the generated power of the fuel cell power generation unit is equal to or higher than the hot water generation power (Pwmin), the power supply to the electric heater is stopped,
When the estimated hot water ratio is less than the first warm water ratio reference value and greater than or equal to the second warm water ratio reference value, and the power generated by the fuel cell power generation unit is less than the warm water generation power, the electric heater Supplying the single-
In the fuel cell cogeneration system, the single-
このような構成によれば、貯湯槽内の温水残量の推定精度が一層向上するので、請求項1に記載の発明と同様の効果をより確実に達成することができる。 According to such a configuration, the estimation accuracy of the remaining amount of hot water in the hot water tank is further improved, so that the same effect as that of the first aspect of the invention can be achieved more reliably.
また、請求項3に記載の発明は、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において、前記第1、第2、第3、第4の温度検出器に代えて、前記貯湯槽内の温水を上から順にほぼ等しい厚さd1〜dnのn個の層に分割して各層の中間高さに温度検出器(3T1〜3Tn)を取り付け、該温度検出器の検出温度を上から順にT1〜Tn、前記市水の温度をTc、前記給湯温度をTrefとして次式により温水推定割合(R)を計算し、
R=100×( Σ((Ti−Tc)・di))/ Σ((Tref−Tc)・di)
ただし、 i=1〜n
該計算値を請求項2に記載の温水推定割合(A)の代わりに使用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である。
Further, the invention according to
R = 100 × (Σ ((Ti−Tc) · di)) / Σ ((Tref−Tc) · di)
Where i = 1 to n
A fuel cell cogeneration system, wherein the calculated value is used in place of the hot water estimated ratio (A) according to
このような構成によれば、貯湯槽内の温水残量の推定精度が更に向上するので、請求項1に記載の発明と同様の効果をより確実に達成することができる。 According to such a configuration, the estimation accuracy of the remaining amount of hot water in the hot water tank is further improved, so that the same effect as that of the first aspect of the invention can be achieved more reliably.
また、請求項4に記載の発明は、請求項2又は3に記載の燃料電池コジェネレーションシステムにおいて、前記温水推定割合の直近の所定時間(Δt)内における減少量が所定値(K1)を超えている状態において、温水推定割合が前記第1の温水割合基準値(A1ref)未満で前記第2の温水割合基準値(A2ref)以上となった場合には、前記電気ヒータへ前記単相200V電源を供給するように修正を加えた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である。
According to a fourth aspect of the present invention, in the fuel cell cogeneration system according to the second or third aspect of the present invention, the amount of decrease in the hot water estimated ratio within the most recent predetermined time (Δt) exceeds a predetermined value (K1). When the estimated hot water ratio is less than the first hot water ratio reference value (A1ref) and is equal to or greater than the second hot water ratio reference value (A2ref), the single-
このような構成によれば、貯湯槽内の温水の量が急激に減少した場合には、電気ヒータに単相200V電源を供給した補助加熱により、急速に温水量の回復が図られるので、温水切れ、給湯温度の低下といった不具合を回避できる効果がある。
According to such a configuration, when the amount of hot water in the hot water tank rapidly decreases, the amount of hot water is rapidly recovered by auxiliary heating in which a single-
また、請求項5に記載の発明は、請求項2乃至4の何れかに記載の燃料電池コジェネレーションシステムにおいて、前記温水推定割合の値が前記第1の温水割合基準値(A1ref)より大きい所定の基準値(A1ref´)以上である場合には、前記燃料電池発電部の発電電力(Pac)を、該燃料電池発電部が発電を継続できる最低の発電電力(Pacmin)まで低下させ、その状態を所定時間(Δt1)継続してもなお温水推定割合が前記基準値(A1ref´)以上であった場合には、燃料電池発電部の発電を停止させ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である。 Further, according to a fifth aspect of the present invention, in the fuel cell cogeneration system according to any of the second to fourth aspects, the value of the hot water estimated ratio is a predetermined value greater than the first hot water ratio reference value (A1ref). Is equal to or higher than the reference value (A1ref ′), the generated power (Pac) of the fuel cell power generation unit is reduced to the lowest generated power (Pacmin) that the fuel cell power generation unit can continue to generate power. In the fuel cell cogeneration system, the power generation of the fuel cell power generation unit is stopped when the estimated ratio of hot water is still equal to or greater than the reference value (A1ref ′) even after the predetermined time (Δt1) is continued. is there.
このような構成によれば、貯湯槽内が温水で満水状態になった場合には、燃料電池発電部の発電電力が最小値又はゼロとされるので、排熱発生量が減少し、貯湯槽内の温水の過熱、燃料電池発電部の温度上昇といった危険な事態が回避される。 According to such a configuration, when the hot water tank is filled with hot water, the generated power of the fuel cell power generation unit is set to the minimum value or zero, so that the amount of exhaust heat generation is reduced, and the hot water tank Dangerous situations such as overheating of the hot water inside and temperature rise of the fuel cell power generation unit are avoided.
また、請求項6に記載の発明は、請求項2乃至5の何れかに記載の燃料電池コジェネレーションシステムにおいて、前記単相3線式商用電力系統から燃料電池コジェネレーションシステム及び前記コジェネ電力負荷に向けて供給される受電電力(Pr)が所定の受電電力目標値(Prmin)に一致するように前記燃料電池発電部の発電電力(Pac)を比例積分制御すると共に、該受電電力(Pr)が所定の第1の基準電力(Pr1)未満の場合には燃料電池発電部の発電を停止させ、
受電電力が第1の基準電力(Pr1)以上であり所定の第2の基準電力(Pr2)未満である状態において、前記温水推定割合の値が前記第2の温水割合基準値(A2ref)以上である場合には、前記電気ヒータへ少なくとも前記単相100V電源による補助加熱を行なわせるように変更を加えた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である。
The invention according to
In a state where the received power is greater than or equal to the first reference power (Pr1) and less than the predetermined second reference power (Pr2), the value of the warm water estimated ratio is greater than or equal to the second warm water ratio reference value (A2ref). In some cases, the fuel cell cogeneration system is modified so as to cause the electric heater to perform at least auxiliary heating by the single-
このような構成によれば、受電電力が低下した場合には、燃料電池発電部の発電電力が減少させられると共に、電気ヒータの消費電力が増加させらもるので、受電電力がマイナスとなる電力逆潮流状態が回避される。 According to such a configuration, when the received power decreases, the generated power of the fuel cell power generation unit is reduced and the power consumption of the electric heater may be increased. Reverse power flow conditions are avoided.
また、請求項7に記載の発明は、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において、前記単相3線式商用電力系統から燃料電池コジェネレーションシステム及び前記コジェネ電力負荷に向けて供給される受電電力(Pr)が所定の受電電力目標値(Prmin)に一致するように前記燃料電池発電部の発電電力(Pac)を比例積分制御すると共に、該受電電力(Pr)が所定の第1の基準電力(Pr1)未満の場合には燃料電池発電部の発電を停止させ、
受電電力が第1の基準電力(Pr1)以上であり所定の第2の基準電力(Pr2)未満である状態において、前記下部温度検出器の検出温度(T3)が前記給湯温度(Tref)未満で且つ未満で前記中間部温度検出器の検出温度(T2)が給湯温度以上である場合には、前記電気ヒータへ少なくとも前記単相100V電源による補助加熱を行なわせるように変更を加えた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である。
The invention according to
In a state where the received power is equal to or higher than the first reference power (Pr1) and lower than the predetermined second reference power (Pr2), the detected temperature (T3) of the lower temperature detector is lower than the hot water supply temperature (Tref). In addition, when the temperature detected by the intermediate temperature detector (T2) is less than or equal to or higher than the hot water supply temperature, the electric heater is changed so as to perform at least auxiliary heating by the single-
このような構成によれば、受電電力が低下した場合には、燃料電池発電部の発電電力が減少させられると共に、電気ヒータの消費電力が増加させらもるので、受電電力がマイナスとなる電力逆潮流状態が回避される。 According to such a configuration, when the received power decreases, the generated power of the fuel cell power generation unit is reduced and the power consumption of the electric heater may be increased. Reverse power flow conditions are avoided.
また、請求項8に記載の発明は、請求項1乃至7の何れかに記載の燃料電池コジェネレーションシステムにおいて、前記ヒータ電源切換制御回路が前記電気ヒータに前記単相200V電源を供給する場合と判定された状態において、貯湯量確保よりも受電電力料金低減を優先するように指定されていた場合には、現在の時間帯が受電電力料金単価が通常よりも高いか否かを判定し、高い時間帯であった場合には単相200V電源に代えて単相100V電源を供給するように変更を加えた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である。
The invention according to
このような構成によれば、受電電力料金単価の高い時間帯における受電電力量の減少が図られるので、受電電力料金を減らすことができる。 According to such a configuration, the amount of received power can be reduced in a time zone in which the received power rate unit price is high, so that the received power rate can be reduced.
また、請求項9に記載の発明は、請求項8に記載の燃料電池コジェネレーションシステムにおいて、前記給湯温度として通常よりも高い高温水温度(Thref)を指定して高温水供給要求がされた場合には、前記ヒータ電源切換制御回路は前記貯湯槽内の一番上の温度検出器の検出温度が、指定された高温水温度(Thref)未満であるか否かを判定し、未満である場合には前記単相200V電源を供給する場合と判定された状態とみなして、請求項9に記載の判定法に従い単相100V電源と単相200V電源の何れかの電源を前記電気ヒータに供給するように変更を加えた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である。
In the fuel cell cogeneration system according to
このような構成によれば、通常よりも高い温度の高温温水を迅速に生成して給湯することが可能となる。 According to such a configuration, it becomes possible to quickly generate and supply hot water at a temperature higher than usual.
また、請求項10に記載の発明は、請求項9に記載の燃料電池コジェネレーションシステムにおいて、前記給湯温度として通常よりも高い高温水温度(Thref)を指定して高温水供給要求がされた場合には、前記循環ポンプ制御回路は、前記貯湯槽に戻る直前の熱回収循環水の前記検出温度(T0)が該高温水温度に等しくなるように、比例積分制御により熱回収水循環ポンプの吐出水量を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である。 In the fuel cell cogeneration system according to claim 9, when a hot water supply request is made by designating a hot water temperature (Thref) higher than normal as the hot water supply temperature in the fuel cell cogeneration system according to claim 9. The circulating pump control circuit is configured to control the amount of water discharged from the heat recovery water circulation pump by proportional integral control so that the detected temperature (T0) immediately before returning to the hot water tank is equal to the high temperature water temperature. It is a fuel cell cogeneration system characterized by controlling.
このような構成によれば、通常よりも高い温度の高温温水を一層迅速に生成して給湯することが可能となる。 According to such a configuration, it is possible to generate hot water at a higher temperature than usual and supply hot water more quickly.
また、請求項11に記載の発明は、請求項9乃至10の何れかに記載の燃料電池コジェネレーションシステムにおいて、前記貯湯槽の前記上部の温水戻口の下位置に第2の温水戻口を設けると共に、前記熱交換器から戻る熱回収循環水の戻り口を該温水戻口と第2の温水戻口の何れかに切り換える切換弁(125)を設け、前記高温水供給要求がされた場合には、該切換弁を熱回収循環水が第2の温水戻口に戻るように切り換え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である。 An eleventh aspect of the invention is the fuel cell cogeneration system according to any of the ninth to tenth aspects, wherein a second hot water return port is provided at a position below the hot water return port on the upper part of the hot water tank. And a switching valve (125) for switching the return port of the heat recovery circulating water returning from the heat exchanger to either the warm water return port or the second warm water return port. The fuel cell cogeneration system is characterized in that the switching valve is switched so that the heat recovery circulating water returns to the second hot water return port.
このような構成によれば、熱交換器により生成可能な温度より高い高温温水の生成を、迅速、且つ効率良く行なうことができる。 According to such a structure, the production | generation of high temperature warm water higher than the temperature which can be produced | generated with a heat exchanger can be performed rapidly and efficiently.
また、請求項12に記載の発明は、請求項1乃至11の何れかに記載の燃料電池コジェネレーションシステムにおいて、
前記貯湯槽内の温水温度を検出する前記各温度検出器の取り付け方を、貯湯槽容器の外側からその外面の温度を検出する取り付け方に変更し、該取り付け状態で検出された各検出温度に対して予め実験で求めておいた補正を行ない、補正した値を貯湯槽内温水の各検出温度として使用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である。
The invention according to claim 12 is the fuel cell cogeneration system according to any one of
The method of attaching each temperature detector for detecting the temperature of hot water in the hot water tank is changed to the method of attaching to detect the temperature of the outer surface from the outside of the hot water tank container, and each detected temperature detected in the attached state is changed. On the other hand, the fuel cell cogeneration system is characterized in that the correction previously obtained through experiments is performed and the corrected value is used as each detected temperature of hot water in the hot water tank.
このような構成によれば、貯湯槽への温度検出の取り付け加工工数を大幅に減少させることが可能になる。 According to such a configuration, it is possible to significantly reduce the man-hours for attaching the temperature detection to the hot water tank.
本発明の燃料電池コジェネレーションシステムは、その発電電力及び商用電力系統からの受電が可能な電気ヒータを貯湯槽内に設けて、適宜、補助加熱を行なうので、電力需要と温水需要とにアンバランスがある場合に発生する温水切れや給湯温度の低下といった不具合を、実用上問題とならないレベルにまで改善を図ることができる。併せて、燃料電池コジェネレーションシステムの停止時を含めて、温水生成、追炊きが可能である他、熱交換器にて生成可能な温度以上の高温水も給湯できる利点を有する。 In the fuel cell cogeneration system of the present invention, an electric heater capable of receiving power from the generated power and the commercial power system is provided in the hot water storage tank, and auxiliary heating is appropriately performed. Therefore, the electric power demand and the hot water demand are unbalanced. Problems such as running out of hot water and a decrease in hot water supply temperature can be improved to a level that does not cause a problem in practice. In addition, hot water can be generated and cooked, including when the fuel cell cogeneration system is stopped, and hot water having a temperature higher than the temperature that can be generated by the heat exchanger can be supplied.
(第1の実施形態)
本実施形態は、請求項1に記載の発明に対応する実施形態である。図1は、本実施形態の燃料電池コジェネレーションシステム1の全体構成のブロック図と、それに接続される商用電力系統2、コジェネ電力負荷3及び温水使用機器4の接続関係を示したものである。
(First embodiment)
This embodiment is an embodiment corresponding to the invention described in
燃料電池コジェネレーションシステム1は、燃料電池発電部11、貯湯槽12、熱回収水循環ポンプ13、循環ポンプ制御回路15、ヒータ電源切換リレー16、ヒータ電源切換制御回路17を備えて構成される。
燃料電池発電部11は、改質器111、燃料電池112、インバータ113、熱交換器114、発電量制御回路115を備えて構成される。改質器111には燃料ガスとして天然ガス、LPG、ブタン、メタノール、灯油などの炭化水素系ガスが供給され、水蒸気雰囲気下で加熱して水素リッチな改質ガスが生成される。生成された改質ガスは燃料電池112に供給される。燃料電池112には、酸素原として例えば空気も供給される。
The fuel
The fuel cell
燃料電池112では、改質ガス中の水素と酸素とが触媒の助けをかりて電気化学反応を起こし、直流電力Pdcが生成される。生成された直流電力Pdcは、インバータ113により、電圧、周波数が商用電力系統2のそれと等しい交流の発電電力Pacに変換され、商用電力系統2に系統連系して供給される。燃料電池発電部11の発電電力Pacの値は、発電量制御回路115により制御される。
In the
発電量制御回路115は、発電電力Pacの値が目標値に一致するように燃料電池発電部11を制御する。発電電力Pacの制御は、改質器111への燃料ガス供給量の調整、インバータ113の出力電流の調整等によって行なわれる。発電電力Pacの目標値は、燃料ガス供給量、燃料電池112の発電能力、コジェネ電力負荷3の電力需要等の他、後述するような種々の条件を考慮して随時、決定される。
The power generation
本燃料電池コジェネレーションシステム1は、発電した電力を供給する商用電力系統として、交流100Vと200Vの2種類の電源を得ることが出来る単相3線式の商用電力系統2を想定している。インバータ113は、交流100Vの電圧で商用電力系統2に電力を供給する。
商用電力系統2には、コジェネ電力負荷3が接続されている。ただし、このコジェネ電力負荷3は、燃料電池コジェネレーションシステム1が発電した電力を主として使用して動作する負荷、例えば燃料電池コジェネレーションシステム1が設置された一軒の家屋で使用される家電製品による電力負荷を意味している。商用電力系統2は広域に給電を行なう電力系統であるので、図に示したコジェネ電力負荷3以外にも、図示しない多数の一般の電力負荷が接続されている。
This fuel
A
コジェネ電力負荷3が消費する電力が、燃料電池発電部11が発電する発電電力Pacを上回る場合には、その不足分は商用電力系統2から供給される。反対にコジェネ電力負荷3が消費する電力が発電電力Pacを下回る場合には、余剰の発電電力は商用電力系統2に供給される。
燃料電池発電部11内の改質器111における反応は吸熱反応であり、反応を促進させるための触媒の温度を700℃前後に維持する必要からバーナによる加熱が行なわれる。従って、その際に排熱が発生する。また、燃料電池112においても、水素ガスと酸素ガスとが電気化学反応を起こす際に熱も発生する。
When the power consumed by the
The reaction in the
これらの排熱は、熱交換器114に導かれ、貯湯槽12より熱回収水循環ポンプ13により送り込まれた低温の熱回収循環水と熱交換しこれを温水に変える。温水となった熱回収循環水は貯湯槽12に戻される。このようにして排熱の持つ熱エネルギーの回収が行なわれる。
The exhaust heat is guided to the
熱回収循環水の循環量は、熱回収水循環ポンプ13の吐出水量を、循環ポンプ制御回路15により制御することによって行なわれる。循環ポンプ制御回路15は、貯湯槽12への温水戻口121に近い配管中に挿入した温度検出器12T0により検出された温水温度T0が、所定の温水設定温度T0refに等しくなるように比例積分制御により熱回収水循環ポンプ13の吐出水量を制御する。従って、貯湯槽12に戻る温水温度は、排熱が十分に発生しており、熱回収水循環ポンプ13がその最低と最高の吐出水量の範囲内で動作している限りにおいては温水設定温度T0refに等しくなる。その量は、温水設定温度T0refが一定の場合においては、燃料電池発電部11の内部で発生する排熱量にほぼ比例した量となる。なお、温水設定温度T0refの値は、通常の運転状態においては、図示しない操作盤にて設定される給湯温度に等しい値とされる。
The circulation amount of the heat recovery circulating water is performed by controlling the discharge water amount of the heat recovery
熱交換器114にて生成された温水は、貯湯槽12内に一時的に貯湯される。温水は貯湯槽12の上部に設けられた温水戻口121より注入される。熱交換器114に供給される熱回収循環水は、貯湯槽12の底面または底面に近い下部に設けられた冷水口122より取り出される。従って、温水は比重の関係で貯湯槽12内の上部から蓄積され始め、量が増すに従って温水層の厚さが増していく。温水は、貯湯槽12の上部に設けられた出水口123より出て、温水使用機器4に給湯される。給湯により減少した水量は、貯湯槽12の底面または底面に近い下部に設けられた入水口124より市水を供給することで補充されるようになっており、貯湯槽12内は常に満水の状態に保たれている。
The hot water generated in the
このような構成と動作により、燃料電池発電部11で発電された発電電力Pacはコジェネ電力負荷3に、排熱は温水として温水使用機器4に供給される。しかし、このままでは温水使用機器4の温水使用量が一時的に大きくなった場合には、貯湯槽12の温水が足りなくなり温水切れ(お湯切れ状態)となったり、給湯温度が低下する不具合状態が生じ得る。また逆に、温水使用量が減少して貯湯槽12内が温水で満水状態になった場合には、貯湯槽12内の温水が過熱したり、熱交換器114において十分な排熱回収がなされないために燃料電池発電部11内の各部温度が上昇して発電を継続できないといった事態が起こり得る。
With such a configuration and operation, the generated power Pac generated by the fuel cell
次に、このような温水切れ(お湯切れ)、給湯温度の低下といった事態を、実用上問題のないレベルにまで改善を図る本実施形態の制御方法について説明する。本実施形態の貯湯槽12の内部には、上部に温度検出器1T1、中間部に温度検出器1T2、下部に温度検出器1T3の3個の温度検出器が取り付けられている。上部の温度検出器1T1は、出水口123とほぼ同じ高さに取り付けられており、上部の温水温度T1を検出する。下部の温度検出器1T3は、入水口124より僅かに高い位置に取り付けられており、貯湯槽12の下部の温水温度T3を検出する。中間部の温度検出器1T2は、貯湯槽12のほぼ中間の高さに取り付けられており、中間部の温水温度T2を検出する。 Next, a control method according to this embodiment for improving the situation such as running out of hot water (out of hot water) and lowering of the hot water supply temperature to a level where there is no practical problem will be described. Inside the hot water storage tank 12 of the present embodiment, three temperature detectors are attached: a temperature detector 1T1 at the top, a temperature detector 1T2 at the middle, and a temperature detector 1T3 at the bottom. The upper temperature detector 1T1 is mounted at substantially the same height as the water outlet 123, and detects the upper hot water temperature T1. The lower temperature detector 1T3 is attached to a position slightly higher than the water inlet 124, and detects the hot water temperature T3 in the lower portion of the hot water tank 12. The intermediate temperature detector 1T2 is mounted at a substantially intermediate height of the hot water storage tank 12, and detects the hot water temperature T2 in the intermediate portion.
更に、貯湯槽12の内部には、温水を補助加熱する電気ヒータ12Hが設けられている。電気ヒータ12Hは、貯湯槽12内部のほぼ中間の高さ以上の位置であって、温水戻口121、出水口123よりは下の位置に取り付けられている。この電気ヒータ12Hは、商用電力系統2より電源供給を受ける。電気ヒータ12Hと単相3線式の商用電力系統2との間には、2個のリレー16a、16bからなるヒータ電源切換リレー16が設けられており、リレー16aがONした場合には単相100Vが、リレー16bがONした場合には単相200Vが電気ヒータ12Hに供給されるようになっている。
Furthermore, an electric heater 12 </ b> H for auxiliary heating of hot water is provided inside the hot water tank 12. The electric heater 12 </ b> H is attached at a position that is approximately equal to or higher than the intermediate height in the hot water storage tank 12 and below the hot water return port 121 and the water outlet 123. The
ヒータ電源切換リレー16のON/OFFは、ヒータ電源切換制御回路17により制御される。ヒータ電源切換制御回路17には、前述した3個の温度検出器1T1、1T2、1T3が検出した温水温度T1、T2、T3が入力されている。また、燃料電池発電部11の発電電力Pacの値が、図示しない電力計により測定され入力されている。
ON / OFF of the heater power
次に、このヒータ電源切換制御回路17の制御ロジックについて説明する。図2は、ヒータ電源切換制御回路17の制御ロジックを説明するフロー図である。先ず、ステップS1では、貯湯槽12内の下部に取り付けられた温度検出器1T3の検出した温水温度T3が、給湯する温水の給湯温度Trefより高いか否かを判定する。この給湯温度Trefは、燃料電池コジェネレーションシステム1の図示しない操作盤から設定される。
Next, the control logic of the heater power supply
熱交換器114により昇温され貯湯槽12に戻る温水の温度は、前述したように循環ポンプ制御回路15によって、その温水設定温度T0refに制御される。従って、温水設定温度T0refの値として給湯温度Trefの値を設定すれば、貯湯槽12内には給湯温度Trefの温水が貯湯されることになる。しかし実際には、貯湯槽12で貯湯している間に放熱による温度低下が考えられるため、温水設定温度T0refとしては、給湯温度Trefより若干高めの温度を設定しておくことが望ましい。
The temperature of the hot water heated by the
検出した下部の温水温度T3が、給湯温度Tref以上である場合にはステップS2に移る。下部の温水温度T3が給湯温度Tref以上であることは、貯湯槽12が給湯温度Tref以上の温水で満水状態となっており、貯湯量は十分であることを意味する。従って、この場合は温水を補助加熱する必要はないのでヒータ電源切換リレー16を全てOFFして、電気ヒータ12Hを無通電状態とする。
If the detected lower hot water temperature T3 is equal to or higher than the hot water supply temperature Tref, the process proceeds to step S2. The fact that the lower hot water temperature T3 is equal to or higher than the hot water supply temperature Tref means that the hot water storage tank 12 is full of hot water equal to or higher than the hot water supply temperature Tref and the hot water storage amount is sufficient. Therefore, in this case, since it is not necessary to auxiliaryly heat the hot water, all the heater power supply switching relays 16 are turned off to turn off the
ステップS1で下部の温水温度T3が給湯温度Trefより低い場合は、貯湯槽12の下部は冷水状態であることを意味する。この場合はステップS3に移る。ステップS3では、貯湯槽12内の中間部に取り付けられた温度検出器1T2が検出した温水温度T2が、給湯温度Trefより高いか否かを判定する。
給湯温度Tref以上である場合はステップS4に移る。この場合は、貯湯槽12の中間より上部分は温水でありそれより下部分は冷水の状態となっている。この状態では、温水の量を増して貯湯槽12全体が温水で満たされる状態に近づける必要がある。
If the lower hot water temperature T3 is lower than the hot water supply temperature Tref in step S1, it means that the lower portion of the hot water tank 12 is in a cold water state. In this case, the process proceeds to step S3. In step S3, it is determined whether or not the hot water temperature T2 detected by the temperature detector 1T2 attached to the intermediate portion in the hot water storage tank 12 is higher than the hot water supply temperature Tref.
When it is higher than the hot water supply temperature Tref, the process proceeds to step S4. In this case, the upper part from the middle of the hot water tank 12 is hot water, and the lower part is in the state of cold water. In this state, it is necessary to increase the amount of hot water so that the entire hot water storage tank 12 is filled with hot water.
温水の量を増やす手段は2つある。一つは、熱交換器114で昇温されて戻ってくる温水により貯湯量が増加するのを待つ方法。二つ目は、電気ヒータ12Hで貯湯槽12内の水を補助加熱して温水量を増やす方法である。ステップS4では、この電気ヒータ12Hによる補助加熱が必要か否かの判定を行なう。
補助加熱が必要か否かの判定は、燃料電池発電部11の現在の発電電力Pacが、単位時間当たりに所定量の温水を生成するのに必要な温水生成電力Pwmin以上であるか否かで行なう。温水生成電力Pwminは、その排熱により例えば50℃の温水を毎分2リットル生成できるようにするために必要な燃料電池発電部11の発電電力である。
There are two ways to increase the amount of hot water. One is a method of waiting for the amount of stored hot water to increase due to the warm water that has been heated by the
Whether or not auxiliary heating is necessary is determined based on whether or not the current generated power Pac of the fuel cell
現在の発電電力Pacがこの温水生成電力Pwmin以上であれば、補助加熱なしに給湯温度Trefに等しい温水が単位時間当たり所定量生成されてくる筈である。これがステップS4でYESと判定される場合である。従って、この場合は当面、補助加熱は不必要と判断し、ステップS5に移ってヒータ電源切換リレー16を全てOFFし、電気ヒータ12Hを無通電状態とする。
If the current generated power Pac is equal to or higher than the hot water generation power Pwmin, a predetermined amount of hot water equal to the hot water supply temperature Tref should be generated without unit heating. This is a case where YES is determined in step S4. Therefore, in this case, it is determined that auxiliary heating is unnecessary for the time being, and the process proceeds to step S5 where all the heater power supply switching relays 16 are turned off, and the
ステップS4にて現在の発電電力Pacが上記温水生成電力Pwminより少ないと判定された場合には、ステップS6に移る。この場合は、現在の発電電力Pacでは排熱量が不足しているために、給湯温度Trefの温水を単位時間当たりに所定量だけ生成することができない。従って、このまま放置しておいたのでは、温水量が減少して温水切れや給湯温度の低下の事態を招くことになる。そこで、ステップS6では電気ヒータ12Hによる補助加熱を行なう。この場合はまだ貯湯槽12内の半分程度は温水で満たされた状態であり、温水を急速に増加させなけれぱならないという緊急事態ではない。そこで、ヒータ電源切換リレー16のリレー16aをONして単相100V電源を電気ヒータ12Hに供給し、低い発熱量で補助加熱を行なわせる。
If it is determined in step S4 that the current generated power Pac is less than the hot water generated power Pwmin, the process proceeds to step S6. In this case, since the amount of exhaust heat is insufficient with the current generated power Pac, the hot water at the hot water supply temperature Tref cannot be generated by a predetermined amount per unit time. Therefore, if it is left as it is, the amount of hot water decreases, leading to a situation where the hot water runs out or the hot water supply temperature decreases. Therefore, in step S6, auxiliary heating by the
ステップS3にて、貯湯槽12内の中間部の温水温度T2が給湯温度Trefより低い場合には、ステップS7に移る。ステップS7では、貯湯槽12内の上部に取り付けられた温度検出器1T1が検出した温水温度T1が、給湯温度Trefより高いか否かを判定する。高い場合はステップS8に移る。
ステップS8は、貯湯槽12の上部に少しだけ温水が残っている状態である。この場合は緊急に温水を増加させる必要があるので、現在の発電電力Pacの値に無関係に、電気ヒータ12Hに単相200V電源を供給して高い発熱量で補助加熱を行なわせる。そのために、ヒータ電源切換リレー16のリレー16bをONする。単相200Vの電源を供給した場合には、電気ヒータ12Hの発熱量は単相100V電源の場合の4倍となるので、短時間で大量の温水が生成される。
In step S3, when the hot water temperature T2 of the intermediate part in the hot water storage tank 12 is lower than the hot water supply temperature Tref, the process proceeds to step S7. In step S7, it is determined whether or not the hot water temperature T1 detected by the temperature detector 1T1 attached to the upper part of the hot water storage tank 12 is higher than the hot water supply temperature Tref. If it is higher, the process proceeds to step S8.
Step S <b> 8 is a state in which a little hot water remains in the upper part of the hot water tank 12. In this case, since it is necessary to increase hot water urgently, a single-
ステップS7にて貯湯槽12内の上部の温水温度T1が給湯温度Trefより低いと判定された場合は、ステップS9に移る。ステップS9は、貯湯槽12の上部も冷水であること、すなわち温水切れ(お湯切れ状態)を意味する。従って、この場合も温水の量を急速に回復させる必要があるため、ステップS8と同様にリレー16bをONして単相200Vを電気ヒータ12Hに供給し、高い発熱量で補助加熱を行なわせる。
When it is determined in step S7 that the hot water temperature T1 in the hot water tank 12 is lower than the hot water supply temperature Tref, the process proceeds to step S9. Step S9 means that the upper part of the hot water storage tank 12 is also cold water, that is, the hot water runs out (hot water running out state). Therefore, in this case as well, it is necessary to quickly recover the amount of hot water, so that the
本実施形態では、このような制御ロジックに従って電気ヒータ12Hの補助加熱の発熱量を制御して温水生成量を増加させるので、燃料電池発電部11の発電電力Pacと温水需要との間にアンバランスがある場合においても、貯湯槽12の温水切れ、給水温度の低下といった不具合事態が殆ど生じなくなる効果がある。
In the present embodiment, since the amount of hot water generated is increased by controlling the heat generation amount of the auxiliary heating of the
(第2の実施形態)
本実施形態は、請求項2に記載の発明に対応する実施形態である。図3は、本実施形態の燃料電池コジェネレーションシステム1の全体構成のブロック図と、それに接続される商用電力系統2、コジェネ電力負荷3、温水使用機器4の接続関係を示したものである。なお、第1の実施形態の図1と同一又は相当部分には同一符号を付してその説明を繰り返さない。
(Second Embodiment)
This embodiment is an embodiment corresponding to the invention described in
本実施形態が第1の実施形態と異なる点は、貯湯槽12内の温度検出器の取り付け方と、ヒータ電源切換制御回路17の制御ロジックである。本実施形態の貯湯槽12内には、上から順に第1の温度検出器2T1、第2の温度検出器2T2、第3の温度検出器2T3、第4の温度検出器2T4の4個の温度検出器がほぼ等間隔に取り付けられている。各温度検出器が検出した温度T1、T2、T3、T4は、ヒータ電源切換制御回路17に入力されている。
The difference between the present embodiment and the first embodiment is how to install the temperature detector in the hot water tank 12 and the control logic of the heater power supply
第1の実施形態では、3個の温度検出器が検出した温度が給湯温度Trefより高いか否かを判定することによって、貯湯槽12内の温水の量を推定した。本実施形態では、この温水の量の推定をもう少し精度を上げて行なう。そのために、第1の実施形態では、判定のための基準温度が給湯温度Trefの1種類であったのに対して、本実施形態では温水量推定のために第1の基準温度T1refと第2の基準温度T2refを設けている。 In the first embodiment, the amount of hot water in the hot water tank 12 is estimated by determining whether or not the temperature detected by the three temperature detectors is higher than the hot water supply temperature Tref. In this embodiment, the amount of warm water is estimated with a little more accuracy. Therefore, in the first embodiment, the reference temperature for determination is one type of the hot water supply temperature Tref, whereas in the present embodiment, the first reference temperature T1ref and the second reference temperature are used to estimate the amount of hot water. The reference temperature T2ref is provided.
第1の基準温度T1refの値は、給湯温度Trefに等しい温度または、これより少し低い温度(例えば、60℃)に設定する。第2の基準温度T2refは、第1の基準温度T1refより少し低く、貯湯槽12の下部から供給される市水の温度Tcよりは高い温度(例えば、50℃)に設定する。
そして、前記4つの検出温度T1〜T4を、この第1、第2の基準温度T1ref、T2refと比較することにより、検出温度に対する重み付けを行なう。例えば、検出した温度Ti(i=1〜4)の値が、第1の基準温度T1ref(60℃)より高い場合にはその重みa(Ti)の値を「2」とし、第1の基準温度T1ref(60℃)と第2の基準温度T2ref(50℃)の中間にある場合にはその重みa(Ti)の値を「1」とし、第2の基準温度T2ref(50℃)より低い場合はその重みa(Ti)の値を「0」とする。
The value of the first reference temperature T1ref is set to a temperature equal to or slightly lower than the hot water supply temperature Tref (for example, 60 ° C.). The second reference temperature T2ref is set to a temperature (for example, 50 ° C.) slightly lower than the first reference temperature T1ref and higher than the temperature Tc of city water supplied from the lower part of the hot water tank 12.
Then, the four detected temperatures T1 to T4 are compared with the first and second reference temperatures T1ref and T2ref to weight the detected temperatures. For example, when the detected temperature Ti (i = 1 to 4) is higher than the first reference temperature T1ref (60 ° C.), the value of the weight a (Ti) is set to “2”, and the first reference temperature T1ref (60 ° C.) is set. When it is intermediate between the temperature T1ref (60 ° C.) and the second reference temperature T2ref (50 ° C.), the weight a (Ti) is set to “1”, which is lower than the second reference temperature T2ref (50 ° C.). In this case, the value of the weight a (Ti) is set to “0”.
このような重み付けを検出温度T1〜T4のそれぞれについて行い、それらの重みの合計Σa(Ti)を計算する。
Σa(Ti)=a(T1)+a(T2)+a(T3)+a(T4) (1)式
この値は、例えば検出温度T1〜T4が全て第1の基準温度T1ref(60℃)より高い(例えば62℃)場合には、
Σa(Tn)=2+2+2+2=8 (2)式
となる。これは、貯湯槽12内が第1の基準温度T1ref(60℃)以上の温水で最下部まで満たされている場合に相当する。
Such weighting is performed for each of the detected temperatures T1 to T4, and the sum Σa (Ti) of the weights is calculated.
Σa (Ti) = a (T1) + a (T2) + a (T3) + a (T4) (1) Equation (1) In this value, for example, the detection temperatures T1 to T4 are all higher than the first reference temperature T1ref (60 ° C.) ( For example, 62 ° C)
Σa (Tn) = 2 + 2 + 2 + 2 = 8 (2). This corresponds to the case where the inside of the hot water tank 12 is filled to the bottom with warm water having a temperature equal to or higher than the first reference temperature T1ref (60 ° C.).
反対に、検出温度T1〜T4が全て第2の基準温度T2ref(50℃)より低い(例えば20℃)場合には、
Σa(Ti)=0+0+0+0=0 (3)式
となる。これは、貯湯槽12内が第2の基準温度T2ref(50℃)以下の冷水で満たされており、温水切れの状態に相当する。
On the other hand, when the detection temperatures T1 to T4 are all lower than the second reference temperature T2ref (50 ° C.) (for example, 20 ° C.),
Σa (Ti) = 0 + 0 + 0 + 0 = 0 (3) This is because the hot water tank 12 is filled with cold water having a temperature equal to or lower than the second reference temperature T2ref (50 ° C.), which corresponds to a state where the hot water runs out.
検出温度T1、T2、T3、T4が、例えば62℃、60℃、54℃、25℃の場合には、
Σa(Ti)=2+2+1+0=5 (4)式
となる。これは、貯湯槽12の約2/3程度が温水で、残りの約1/3が冷水の場合に相当する。
For example, when the detected temperatures T1, T2, T3, and T4 are 62 ° C., 60 ° C., 54 ° C., and 25 ° C.,
Σa (Ti) = 2 + 2 + 1 + 0 = 5 (4) This corresponds to a case where about 2/3 of the hot water tank 12 is hot water and the remaining about 1/3 is cold water.
このように、検出した温度T1〜T4について上記のような重み付けを行なってその合計を求めると、その合計値Σa(Ti)は、貯湯槽12内の温水量にほぼ比例した数値となる。この合計値Σa(Ti)から貯湯槽12内の温水の割合を推定する評価数値を得るために、この合計値Σa(Ti)を、貯湯槽12内が第1の基準温度T1ref(60℃)以上の温水で満水状態である場合の合計値で割って百分率(%)(以下、温水推定割合Aという。)を求める。 As described above, when the detected temperatures T <b> 1 to T <b> 4 are weighted as described above to obtain a total, the total value Σa (Ti) is a value that is substantially proportional to the amount of hot water in the hot water storage tank 12. In order to obtain an evaluation value for estimating the ratio of the hot water in the hot water tank 12 from the total value Σa (Ti), the total value Σa (Ti) is used as the first reference temperature T1ref (60 ° C.) in the hot water tank 12. The percentage (%) (hereinafter referred to as hot water estimated ratio A) is obtained by dividing by the total value when the hot water is full.
温水推定割合A=100×(Σa(Ti)/(温水で満水時のΣa(Ti)))
ただし、i=1〜4 (5)式
上に述べた例をこの式に当てはめて計算すると、(2)式で合計値が計算される貯湯槽12内が温水で満水状態の場合には、この温水推定割合Aの値は100%。(3)式で合計値が計算される温水切れ状態では温水推定割合Aの値は0%。(4)式で合計値が計算される温水が約2/3の場合には、温水推定割合Aの値は63%となる。このように、(5)式で計算される温水推定割合Aの数値は、貯湯槽12内に存在する温水の割合を、かなり良い精度で表わすことが分かる。
Hot water estimated ratio A = 100 × (Σa (Ti) / (Σa (Ti) when hot water is full))
However, if i = 1 to 4 (5) and the above-described example is applied to the calculation, the hot water tank 12 in which the total value is calculated by the equation (2) is hot and full. The value of the estimated ratio A of hot water is 100%. In the state of running out of hot water where the total value is calculated by the equation (3), the value of the hot water estimated ratio A is 0%. When the hot water whose total value is calculated by the equation (4) is about 2/3, the value of the hot water estimated ratio A is 63%. Thus, it can be seen that the numerical value of the hot water estimated ratio A calculated by the equation (5) represents the ratio of the hot water existing in the hot water tank 12 with considerably good accuracy.
本実施形態では、このように検出温度T1〜T4に対して前述のような重み付けを行ない、(5)式によって温水推定割合Aという評価数値を計算する。そして、その値に基づいて貯湯槽12内の電気ヒータ12Hの発熱量をヒータ電源切換制御回路17によって制御する。
In the present embodiment, the above-described weighting is performed on the detected temperatures T1 to T4 as described above, and the evaluation numerical value as the warm water estimated ratio A is calculated by the equation (5). Then, based on the value, the amount of heat generated by the
次に、このヒータ電源切換制御回路17の制御ロジックを図4の制御フローを参照しながら説明する。最初のステップS10では、検出温度T1〜T4のそれぞれの値に対して先に説明した重み付けを行い、評価数値である温水推定割合Aの値を(5)式により計算する。
Next, the control logic of the heater power supply
続くステップS11では、求めた温水推定割合Aが所定の第1の温水割合基準値A1ref以上であるか否かを判定する。この第1の温水割合基準値A1refは、例えば95%である。温水推定割合Aの値が第1の温水割合基準値A1ref(95%)以上である場合は、貯湯槽12内の温水の量が十分であると推定してステップS12に移る。この場合、温水の量は十分で補助加熱を必要としないので、ステップS12ではヒータ電源切換リレー16を全てOFFし、電気ヒータ12Hを無通電状態とする。
In subsequent step S11, it is determined whether or not the obtained hot water estimated ratio A is equal to or greater than a predetermined first hot water ratio reference value A1ref. The first warm water ratio reference value A1ref is, for example, 95%. When the value of the warm water estimated ratio A is equal to or greater than the first warm water ratio reference value A1ref (95%), it is estimated that the amount of warm water in the hot water tank 12 is sufficient, and the process proceeds to step S12. In this case, since the amount of hot water is sufficient and does not require auxiliary heating, all the heater power supply switching relays 16 are turned off in step S12 to turn off the
ステップS11で温水推定割合Aの値が、第1の温水割合基準値A1refより小さい場合はステップS13に移る。ステップS13では、温水推定割合Aの値が所定の第2の温水割合基準値A2refより大きいか否かを判定する。この第2の温水割合基準値A2refは、先の第1の温水割合基準値A1refよりは小さい値で、例えば40%である。
温水推定割合Aの値が第2の温水割合基準値A2ref以上の場合は、ステップS14に移る。この場合は、貯湯槽12内の温水の量は、第1の温水割合基準値A1refと第2の温水割合基準値A2refとの間(40〜95%)であると推定される。すなわち、貯湯量は中間状態と推定される。この状態では、温水の量を増して貯湯槽12全体が温水で満たされる状態に近づける必要がある。
When the value of the warm water estimated ratio A is smaller than the first warm water ratio reference value A1ref in step S11, the process proceeds to step S13. In step S13, it is determined whether or not the value of the hot water estimated ratio A is greater than a predetermined second hot water ratio reference value A2ref. The second warm water ratio reference value A2ref is a value smaller than the first warm water ratio reference value A1ref and is, for example, 40%.
When the value of the warm water estimated ratio A is equal to or greater than the second warm water ratio reference value A2ref, the process proceeds to step S14. In this case, the amount of hot water in the hot water tank 12 is estimated to be between the first hot water ratio reference value A1ref and the second hot water ratio reference value A2ref (40 to 95%). That is, the hot water storage amount is estimated to be in an intermediate state. In this state, it is necessary to increase the amount of hot water so that the entire hot water storage tank 12 is filled with hot water.
温水の量を増す手段は第1の実施形態の場合と同様に2つある。一つは、熱交換器114で昇温されて戻ってくる温水により貯湯量が増加するのを待つ方法。二つ目は、電気ヒータ12Hで貯湯槽12内の水を補助加熱して温水量を増やす方法である。
そこで、ステップS14では、この電気ヒータ12Hによる補助加熱が必要か否かの判定を行なう。補助加熱が必要か否かの判定は、第1の実施形態の場合と同様に、燃料電池発電部11での現在の発電電力Pacが、単位時間当たりに所定量の温水を生成するのに必要な温水生成電力Pwmin以上であるか否かで行なう。温水生成電力Pwminは、その排熱により例えば50℃の温水を毎分2リットル生成できるようにするために必要な燃料電池発電部11の発電電力である。
As with the first embodiment, there are two means for increasing the amount of hot water. One is a method of waiting for the amount of stored hot water to increase due to the warm water that has been heated by the
Therefore, in step S14, it is determined whether or not auxiliary heating by the
現在の発電電力Pacがこの温水生成電力Pwmin以上であれば、補助加熱なしに給湯温度Trefに等しい温水が単位時間当たり所定量生成されてくる筈である。これがステップS14でYESと判定される場合である。従って、この場合は当面、補助加熱は不必要と判断し、ステップS15に移ってヒータ電源切換リレー16を全てOFFし、電気ヒータ12Hを無通電状態とする。
If the current generated power Pac is equal to or higher than the hot water generation power Pwmin, a predetermined amount of hot water equal to the hot water supply temperature Tref should be generated without unit heating. This is a case where YES is determined in step S14. Therefore, in this case, it is determined that auxiliary heating is unnecessary for the time being, and the process proceeds to step S15 where all the heater power supply switching relays 16 are turned off to turn off the
ステップS14にて現在の発電電力Pacが上記温水生成電力Pwminより少ないと判定された場合には、ステップS16に移る。この場合は、現在の発電電力Pacでは排熱量が不足しているために、給湯温度Trefの温水を単位時間当たりに所定量だけ生成することができない。従って、このまま放置しておいたのでは、温水量が減少して温水切れや給湯温度の低下の事態を招くことになる。 If it is determined in step S14 that the current generated power Pac is less than the hot water generated power Pwmin, the process proceeds to step S16. In this case, since the amount of exhaust heat is insufficient with the current generated power Pac, the hot water at the hot water supply temperature Tref cannot be generated by a predetermined amount per unit time. Therefore, if it is left as it is, the amount of hot water decreases, leading to a situation where the hot water runs out or the hot water supply temperature decreases.
そこで、ステップS16では電気ヒータ12Hによる補助加熱を行なう。この場合はまだ貯湯槽12内に相当程度、温水が残っており、温水を急速に増加させなけれぱならない緊急事態ではない。そこで、ヒータ電源切換リレー16のリレー16aをONすることにより単相100V電源を電気ヒータ12Hに供給して、低い発熱量で補助加熱を行なわせる。
Therefore, in step S16, auxiliary heating is performed by the
ステップS13にて、温水推定割合Aの値が所定の第2の温水割合基準値A2refより小さいと判定された場合は、ステップS17に移る。ステップS17では、温水推定割合Aの値が所定の第3の温水割合基準値A3ref以上であるか否かを判定する。この所定の第3の温水割合基準値A3refは、先の第2の温水割合基準値A2refより更に小さい値で、例えば15%である。第3の温水割合基準値A3ref以上である場合は、ステップS18に移る。 When it is determined in step S13 that the value of the hot water estimated ratio A is smaller than the predetermined second hot water ratio reference value A2ref, the process proceeds to step S17. In step S17, it is determined whether the value of the estimated hot water ratio A is equal to or greater than a predetermined third warm water ratio reference value A3ref. The predetermined third hot water ratio reference value A3ref is a value smaller than the previous second hot water ratio reference value A2ref, for example, 15%. If it is greater than or equal to the third hot water ratio reference value A3ref, the process proceeds to step S18.
ステップS18では、貯湯槽12内の温水の量が、第3の温水割合基準値A3ref以上で第2の温水割合基準値A2ref以下(15〜40%の間)であると推定される。すなわち、温水の残量が少ないと判断される。この場合は、緊急に温水を増加させる必要があるので、現在の発電電力Pacの値に無関係に、電気ヒータ12Hに単相200Vを供給し、高い発熱量で補助加熱を行なわせる。そのために、ヒータ電源切換リレー16のリレー16bをONし、単相200Vの電源を供給して温水の量を急速に回復させる操作を行なう。単相200Vの電源を供給した場合には、電気ヒータ12Hの発熱量は単相100V電源の場合の4倍となるので、単位時間当たりの温水生成量が大幅に高まる。
In step S18, the amount of hot water in the hot water tank 12 is estimated to be not less than the third warm water ratio reference value A3ref and not more than the second warm water ratio reference value A2ref (between 15 and 40%). That is, it is determined that the remaining amount of hot water is small. In this case, since it is necessary to increase hot water urgently, regardless of the current value of the generated power Pac, single-
ステップS17にて、温水推定割合Aの値が所定の第3の温水割合基準値A3refより小さいと判定された場合には、ステップS19に移る。ステップS19では、温水の残量が第3の温水割合基準値A3ref(15%)以下であり温水切れ状態であると判断される。従って、この場合も温水の量を急速に回復させる必要があるため、ステップS18と同様にヒータ電源切換リレー16のリレー16bをONして単相200Vを電気ヒータ12Hに供給し、高い発熱量で補助加熱を行なわせる。
If it is determined in step S17 that the value of the hot water estimated ratio A is smaller than the predetermined third hot water ratio reference value A3ref, the process proceeds to step S19. In step S19, it is determined that the remaining amount of hot water is equal to or less than the third hot water ratio reference value A3ref (15%) and that the hot water is in a running out state. Therefore, in this case as well, since it is necessary to quickly recover the amount of hot water, the
このような制御ロジックに従ってヒータ電源切換制御回路17にヒータ電源切換リレー16を制御させて補助加熱を行なうことで、貯湯槽12の温水切れ、給水温度の低下といった事態を、実用上問題のないレベルにまで改善することが可能になる。
なお、本実施形態では、貯湯槽12内に4個の温度検出器を取り付けたが、この温度検出器の個数を更に増やして実施してもよい。一般に、温度検出器の個数を増やした方が、温水割合推定の精度は向上する。温度検出器をn個にした場合、温水推定割合Aは次式で計算される。
In accordance with such control logic, the heater power supply
In the present embodiment, four temperature detectors are attached in the hot water storage tank 12, but the number of temperature detectors may be further increased. In general, the accuracy of hot water ratio estimation is improved by increasing the number of temperature detectors. When the number of temperature detectors is n, the hot water estimated ratio A is calculated by the following equation.
温水推定割合A=100×(Σa(Ti)/(温水で満水時のΣa(Ti)))
ただし、i=1〜n (6)式
また、温水推定割合Aに対する第1の温水割合基準値A1ref、第2の温水割合基準値A2ref、第3の温水割合基準値A3refについては、変数化して可変できるようにしておくとよい。そのようにしておけば、温水使用機器4での温水利用状況、季節的要因、あるいは時間的要因により適宜、これらの値を設定変更することで、その時の実状にあった最適な温水生成制御を行なうことが可能になる。
Hot water estimated ratio A = 100 × (Σa (Ti) / (Σa (Ti) when hot water is full))
However, i = 1-n (6) Moreover, about the 1st warm water ratio reference value A1ref with respect to the warm water estimated ratio A, the 2nd warm water ratio reference value A2ref, and the 3rd warm water ratio reference value A3ref, it makes it variable. It is good to make it variable. By doing so, by setting and changing these values as appropriate according to the hot water usage status, seasonal factors, or time factors in the hot
例えば、夏期等、比較的温水需要が少ない時期には、第1の温水割合基準値A1ref、第2の温水割合基準値A2ref、第3の温水割合基準値A3refの値を小さい値に設定変更することで、電気ヒータ12Hによる補助加熱を少なくする(無通電状態を増やす)ことが可能になる。
For example, when the demand for hot water is relatively low, such as in summer, the first hot water ratio reference value A1ref, the second hot water ratio reference value A2ref, and the third hot water ratio reference value A3ref are set to small values. Thus, it is possible to reduce the auxiliary heating by the
(第3の実施形態)
本実施形態は、請求項3に記載の発明に対応する実施形態である。本実施形態は、貯湯槽12内の温水量の推定を第1、第2の実施形態の場合よりも一層精密に行なう実施形態である。
(Third embodiment)
This embodiment is an embodiment corresponding to the invention described in
本実施形態の燃料電池コジェネレーションシステムの構成は、貯湯槽12内の温度検出器の構成を除いて、第1、第2の実施形態の図1、図3に示した燃料電池コジェネレーションシステム1と同じである。燃料電池コジェネレーションシステム1の外部機器の構成も同じである。従って、それら同じ部分については図1を参照することとし説明を繰り返さない。
The configuration of the fuel cell cogeneration system of the present embodiment is the same as that of the first and second embodiments shown in FIGS. 1 and 3 except for the configuration of the temperature detector in the hot water tank 12. Is the same. The configuration of the external device of the fuel
図5に本実施形態における貯湯槽12の構成を示す。本実施形態では、貯湯槽12内の温水の割合を、温水の持つ総熱量を計算して推定する。ヒータ電源切換制御回路17が行なうその推定計算方法について説明する。
貯湯槽12内の温水を水平面で切ってn個に分割し、温水がn個の層から成り立っていると考える。このn分割は等分割が望ましい。各層の厚さを上から順にd1、d2、−−、dnとする。温度検出器は、各層の中間高さ位置に上から順に3T1、3T2、−−、3Tnのn個が取り付けられている。それらの温度検出器が検出した温度T1、T2、−−、Tnは、図1に示したヒータ電源切換制御回路17に入力されている。
FIG. 5 shows a configuration of the hot water tank 12 in the present embodiment. In this embodiment, the ratio of the hot water in the hot water tank 12 is estimated by calculating the total amount of heat that the hot water has. The estimation calculation method performed by the heater power supply
It is considered that the hot water in the hot water tank 12 is cut in a horizontal plane and divided into n pieces, and the hot water is composed of n layers. This n division is preferably equal division. The thickness of each layer is d1, d2,-, and dn in order from the top. Three temperature detectors 3T1, 3T2, --- 3Tn are attached in order from the top to the intermediate height position of each layer. The temperatures T1, T2,-, and Tn detected by these temperature detectors are input to the heater power supply
貯湯槽12の下部の入水口124より供給される市水(冷水)の温度をTcとする。この市水温度Tcは、温度検出器を取り付けて測定することが望ましいが、その温度が一定している場合には定数として扱ってもよい。その値は、ヒータ電源切換制御回路17に入力される。貯湯槽12に供給された市水は、熱交換器114における熱交換や、電気ヒータ12Hによる補助加熱によって熱エネルギーを吸収して温水となり、貯湯槽12内に貯湯されると共に出水口123より出て外部の温水使用機器4に供給される。
Let Tc be the temperature of city water (cold water) supplied from the water inlet 124 at the bottom of the hot water tank 12. The city water temperature Tc is preferably measured with a temperature detector attached, but may be treated as a constant when the temperature is constant. The value is input to the heater power supply
市水が、このような熱交換器114における熱回収と電気ヒータ12Hによる補助加熱により吸収した熱量の内、温水の形で貯湯槽12内に残っている熱量(以下、増分熱量QTという。)は、次式で近似計算できる。
QT=Σ((Ti−Tc)・S・di) , i=1〜n (7)式
ここで、Sは貯湯槽12内部の断面積で、その値は一定と仮定している。
Of the amount of heat absorbed by the city water by such heat recovery in the
QT = Σ ((Ti−Tc) · S · di), i = 1 to n (7) where S is a cross-sectional area inside the hot water tank 12 and its value is assumed to be constant.
貯湯槽12内が、給湯温度Trefの温水で満水状態の場合の増分熱量QTをQT´とすると、その値は次式で計算される。
QT´=Σ((Tref−Tc)・S・di) , i=1〜n (8)式
また、貯湯槽12内に温水が全く存在しない場合、即ち、温水切れの状態では、検出温度Tiは全て冷水温度Tcに等しくなるため、増分熱量QTはゼロとなる。
Assuming that QT ′ is an incremental heat quantity QT in the case where the hot water tank 12 is full of hot water at the hot water supply temperature Tref, the value is calculated by the following equation.
QT ′ = Σ ((Tref−Tc) · S · di), i = 1 to n (8) Also, when there is no hot water in the hot water tank 12, that is, when the hot water runs out, the detected temperature Ti Are all equal to the cold water temperature Tc, the incremental heat quantity QT is zero.
これらのことから、給湯温度Trefに等しい温度の温水で満水時の増分熱量QT´に対する(7)式で計算される増分熱量QTの割合Rは、貯湯槽12内の温水の占める割合を表わしていると考えることができる。すなわち、次式で計算されるRは、温水割合を表わしていると推定される。
R=100×QT/QT´
=100×( Σ((Ti−Tc)・di))/ Σ((Tref−Tc)・di)
ただし、i=1〜n (9)式
例えば、(9)式による温水推定割合Rの値は、貯湯槽12内が給湯温度Trefの温水で満水の場合には100%、温水切れの場合には0%となる。
From these facts, the ratio R of the incremental heat quantity QT calculated by the equation (7) with respect to the incremental heat quantity QT ′ when the water is full with hot water having a temperature equal to the hot water supply temperature Tref represents the ratio of the hot water in the hot water storage tank 12 to be occupied. Can be considered. That is, it is presumed that R calculated by the following formula represents the ratio of hot water.
R = 100 × QT / QT ′
= 100 × (Σ ((Ti−Tc) · di)) / Σ ((Tref−Tc) · di)
However, i = 1 to n (9) For example, the value of the estimated hot water ratio R according to the expression (9) is 100% when the hot water tank 12 is full of hot water at the hot water supply temperature Tref, and when the hot water runs out. Becomes 0%.
因みにn層を全て同じ厚さとした場合には、(9)式の温水推定割合Rの値は次のように計算される。
R=100×( Σ(Ti−Tc))/ n/(Tref−Tc) (10)式
(Σ(Ti−Tc))/ n は平均の温度上昇、(Tref−Tc)は市水温度Tcから給湯温度Trefまでの温度上昇である。従って、温水推定割合Rは、給湯温度Trefまでの温度上昇に対する現在の平均の温度上昇の割合を表わしていると言える。
Incidentally, when all the n layers have the same thickness, the value of the estimated hot water ratio R in equation (9) is calculated as follows.
R = 100 × (Σ (Ti−Tc)) / n / (Tref−Tc) (10) Equation (Σ (Ti−Tc)) / n is the average temperature rise, and (Tref−Tc) is the city water temperature Tc. To a hot water supply temperature Tref. Therefore, it can be said that the estimated hot water ratio R represents the current average temperature rise ratio with respect to the temperature rise up to the hot water supply temperature Tref.
ヒータ電源切換制御回路17は、(9)式で計算した温水推定割合Rの値に基づいてヒータ電源切換リレー16を切り換えて電気ヒータ12Hによる補助加熱の発熱量を制御する。その制御ロジックを図6に示す。その制御ロジックは、第2の実施形態の場合の図4の制御ロジックにおける温水推定割合Aを、(9)式で計算した温水推定割合Rに置き換えただけであるので説明を省略する。
The heater power supply
本実施形態における貯湯槽12内の温水量の推定ロジックは、第1、第2の場合の推定法よりも精密であるので、貯湯槽12の温水切れ、給水温度の低下といった事態をより効果的に、実用上問題のないレベルにまで改善することができる。 Since the estimation logic of the amount of hot water in the hot water storage tank 12 in this embodiment is more precise than the estimation methods in the first and second cases, it is more effective for situations such as running out of hot water in the hot water storage tank 12 and lowering the feed water temperature. In addition, it can be improved to a level where there is no practical problem.
(第4の実施形態)
本実施形態は、請求項4に記載の発明に対応する実施形態である。本実施形態は、前記第2、第3の実施形態において、ヒータ電源切換制御回路17による電気ヒータ12Hの制御中に、貯湯槽12内の温水の量が大量給湯によって急減した場合の処置を追加した実施形態である。
(Fourth embodiment)
This embodiment is an embodiment corresponding to the invention described in
ヒータ電源切換制御回路17に追加される新たな制御フローを図7に示す。最初のステップS20では、温水の急減が生じているか否かを知らせる温水急減フラグFdを設け、最初にそのフラグをOFFしておく。続くステップS21では、現在の温水推定割合を計算する。現在の温水推定割合の計算は、本実施形態を第2の実施形態に追加して実施する場合には(5)式によって推定し、第3の実施形態に追加する場合には(9)式によって推定する。推定した値は第2の実施形態に適用する場合にはA(t)として、第3の実施形態の場合にはR(t)として記憶する。なお、図7では便宜上、第2の実施形態の場合を想定してA(t)と記載してある。
A new control flow added to the heater power supply
続くステップS22では、所定時間Δtだけ待機する。Δt時間経過後、ステップS23に移り、再び温水推定割合Aを計算し、その値をA(t+Δt)(第3の実施形態の場合はR(t+Δt))として記憶する。
続くステップS24では、A(t)−A(t+Δt) の値を計算し、その値が所定の値K1より大きいか否かを判定する。A(t)−A(t+Δt)がK1より大きい場合に急減状態と判定する。所定値K1は、温水急減か否かを判定する基準の数値であり、燃料電池コジェネレーションシステム1の温水生成能力、貯湯槽12の容量等を考慮して決定しておく。
In the subsequent step S22, the process waits for a predetermined time Δt. After the lapse of Δt time, the process proceeds to step S23, the hot water estimated ratio A is calculated again, and the value is stored as A (t + Δt) (R (t + Δt) in the case of the third embodiment).
In the subsequent step S24, a value of A (t) −A (t + Δt) is calculated, and it is determined whether or not the value is larger than a predetermined value K1. When A (t) −A (t + Δt) is larger than K1, it is determined that the state is rapidly decreasing. The predetermined value K1 is a reference numerical value for determining whether or not the hot water is rapidly decreased, and is determined in consideration of the hot water generation capability of the fuel
温水急減と判定された場合は、ステップS25に移り温水急減フラグFdをONする。温水急減でない場合には、ステップS26に移り温水急減フラグFdをOFFする。
続くステップS27では、温水推定割合A(t+Δt)の値を温水推定割合A(t)に移し替える。そしてステップS22に戻り、再び温水の急減現象が生じているか否かの判定を繰り返す。
If it is determined that the hot water is suddenly decreased, the process proceeds to step S25, and the hot water rapid decrease flag Fd is turned ON. If it is not the hot water rapid decrease, the process proceeds to step S26 and the hot water rapid decrease flag Fd is turned OFF.
In the subsequent step S27, the value of the warm water estimated ratio A (t + Δt) is transferred to the warm water estimated ratio A (t). Then, the process returns to step S22, and the determination as to whether or not the sudden decrease in hot water has occurred is repeated.
次に、このような温水急減をも考慮に入れたヒータ電源切換制御回路17の制御ロジックを説明する。図8は、第2の実施形態である図4の制御フローに、温水急減を考慮した修正を加えたものである。図8の制御フローは、図4の制御フローにステップS13a、S13bを新たに追加した点が異なるのみでその他の部分は同じである。図7の制御フローと図8の制御フローとは並行して処理される。
Next, the control logic of the heater power supply
ステップS13において、温水推定割合Aの値が第2の温水割合基準値A2ref以上である場合にはステップS13aに移り、温水急減フラグFdがONであるか否かを判定する。ONになっていない場合には、図4の場合と同じようにステップS14以降の処理を実行する。
温水急減フラグFdがONであった場合には、ステップS13bに移る。ステップS13bでは、温水急減状態に対処して温水を急増させるために電気ヒータ12Hに対して単相200Vの給電を行なう。単相200V給電を行なえば大きな発熱量によって単位時間当たりの温水生成量が増加し、温水急減に対処することができる。
In step S13, when the value of the warm water estimated ratio A is equal to or greater than the second warm water ratio reference value A2ref, the process proceeds to step S13a, and it is determined whether or not the warm water rapid decrease flag Fd is ON. If it is not ON, the processing after step S14 is executed in the same manner as in FIG.
If the hot water rapid decrease flag Fd is ON, the process proceeds to step S13b. In step S13b, single-
図9は、第3の実施形態である図6の制御ロジックに、温水急減を考慮した修正を加えたものである。図9の制御フローも図8の場合と同様に図6の制御フローにステップS13a、S13bを追加した点が異なるのみで、その他の部分は同じであるので説明は省略する。
このように本実施形態では、温水の急激な減少が生じているか否かを検出し、急減が生じている場合には貯湯槽12内の貯湯量が少なくなるのを待たずに、直ぐさま単相200V電源を使用して補助加熱を行なう。従って、貯湯槽12内の温水が無くなる温水切れ、あるいは給湯温度の低下といった不具合状態を未然に防ぐことができる。
FIG. 9 is the control logic of FIG. 6 which is the third embodiment, with a modification taking into account the rapid decrease in hot water. The control flow in FIG. 9 differs from the control flow in FIG. 6 only in that steps S13a and S13b are added to the control flow in FIG.
As described above, in the present embodiment, it is detected whether or not a rapid decrease in hot water has occurred. If a rapid decrease has occurred, it is not necessary to wait for the amount of hot water stored in the hot water tank 12 to decrease, but immediately. Auxiliary heating is performed using a
(第5の実施形態)
本実施形態は、請求項5に記載の発明に対応する実施形態である。本実施形態は、前記第2〜第4の実施形態において、貯湯槽12内が温水で満水と判定された場合に追加の制御を実施する実施形態である。図10は、第2〜第4の実施形態に追加して実施される制御フローである。この制御フローは、図1あるいは図3中の発電量制御回路115にて実施される制御フローである。
(Fifth embodiment)
This embodiment is an embodiment corresponding to the invention described in claim 5. In the second to fourth embodiments, this embodiment is an embodiment in which additional control is performed when it is determined that the hot water storage tank 12 is full of hot water. FIG. 10 is a control flow executed in addition to the second to fourth embodiments. This control flow is a control flow executed by the power generation
最初のステップA1では、燃料電池発電部11の発電電力Pacの目標値を通常の値としている。この通常の値は、燃料電池発電部11が通常の運転状態にある場合の目標値であり、貯湯槽12内が温水で満水となっていない状態における目標値である。この通常の値は、燃料電池発電部11の設備能力の他、コジェネ電力負荷3の電力需要量なども考慮に入れて決められる。発電量制御回路115は、燃料電池発電部11の発電電力Pacの値がこの目標値に一致するように、改質器111への燃料ガス供給量、インバータ113の出力電流等を制御する。
In the first step A1, the target value of the generated power Pac of the fuel cell
続くステップA2では、貯湯槽12内が温水で満水状態であるか否かを判定する。この判定は、第2の実施形態の場合には(5)式で計算した温水推定割合Aの値が、図4の制御フローにおける所定の第1の温水割合基準値A1refより大きい所定の基準値A1ref´以上であるか否かにより行なう。
第3の実施形態の場合には、(9)式で計算した温水推定割合Rの値が、図6の制御フローにおける所定の第1の温水割合基準値A1refより大きい所定の基準値A1ref´以上であるか否かにより行なう。
In continuing step A2, it is determined whether the hot water tank 12 is full with warm water. In the case of the second embodiment, this determination is made with a predetermined reference value in which the value of the hot water estimated ratio A calculated by the equation (5) is larger than the predetermined first hot water ratio reference value A1ref in the control flow of FIG. This is performed depending on whether or not it is greater than or equal to A1ref ′.
In the case of the third embodiment, the value of the estimated hot water ratio R calculated by the equation (9) is greater than or equal to a predetermined reference value A1ref ′ greater than the predetermined first hot water ratio reference value A1ref in the control flow of FIG. Depending on whether or not.
第4の実施形態は、第2、第3の実施形態の変形実施形態であり、温水で満水状態であるか否の判定基準は、第2、第3の実施形態の場合と同じである。
熱交換器114にて熱交換して貯湯槽12に戻る温水の温度12T0は、循環ポンプ制御回路15により熱回収水循環ポンプ13の吐出水量を比例積分制御することで、温水設定温度T0ref(循環ポンプ制御回路15への入力設定温度)に制御される。この温水設定温度T0refは、前に述べたように通常運転状態では指定された給湯温度Trefに等しい値、又はそれよりも若干高い温度に設定されている。
The fourth embodiment is a modified embodiment of the second and third embodiments, and the criteria for determining whether or not the hot water is full is the same as in the second and third embodiments.
The temperature 12T0 of the hot water that exchanges heat with the
貯湯槽12の下部の冷水口122より熱交換器114に供給される熱回収循環水の温度が、温水設定温度T0refに近づいた場合には、熱交換器114において吸収しなければならない熱量は少なくて済むため、熱回収循環水が熱交換器114内を通過する時間は短くてよい。従ってその場合には、熱回収水循環ポンプ13の吐出水量は増大し、貯湯槽12に戻る温水の量は増大する。
When the temperature of the heat recovery circulating water supplied to the
ステップA2で貯湯槽12内が温水で満水と判定される状態では、冷水口122から熱交換器114に供給される熱回収循環水の温度は、殆ど温水設定温度T0refに等しくなるため、熱回収水循環ポンプ13の吐出水量は最大となる。この状態においても、なお燃料電池発電部11で発生した排熱が熱交換器114に供給され続けると、貯湯槽12に戻る温水の温度は、温水設定温度T0ref以上、即ち、給湯温度Tref以上となり過熱状態になってしまう。ここで給湯温度Trefより高い温度の温水が温水使用機器4に供給されることは、事故につながるために絶対に避けなければならない。
In the state where the hot water storage tank 12 is determined to be full of hot water in step A2, the temperature of the heat recovery circulating water supplied from the cold water port 122 to the
また、熱交換器114に供給される熱回収循環水の温度が上昇すると、燃料電池発電部11で発生した排熱が除去されにくくなるため、燃料電池発電部11の各部の温度が上昇して正常な運転を継続できなくなる事態に至る危険がある。
こうした危険な事態を避けるために、貯湯槽12が温水で満水状態と判定された場合には、次のステップA3において、発電電力Pacの目標値を設備の最低の発電電力Pacminに設定変更する。この設備の最低の発電電力Pacminとは、燃料電池発電部11が運転を継続することができる最低の発電電力である。これにより熱交換器114において熱回収循環水に与えられる単位時間当たりの熱量が最低の値に減少するため、貯湯槽12に戻る温水の温度が温水設定温度T0ref以上になる事態が生じにくくなる。同時に燃料電池発電部11の各部の温度上昇も少なくなる。
Further, when the temperature of the heat recovery circulating water supplied to the
In order to avoid such a dangerous situation, when it is determined that the hot water storage tank 12 is full of hot water, the target value of the generated power Pac is changed to the lowest generated power Pacmin of the facility in the next step A3. The minimum generated power Pacmin of this facility is the minimum generated power that the fuel cell
なお、ステップA2において貯湯槽12内が温水で満水状態と判定される場合は、図4、図6の制御フローにおいて、貯湯量十分と判定される場合でもあるので、電気ヒータ12Hは無通電状態となっている。
ステップA4では、この最低の発電電力Pacminの状態のまま所定の時間Δt1だけ待機する。Δt1時間経過後、ステップA5にて再びステップA2と同じようにして貯湯槽12内が温水で満水状態か否かの判定を行なう。
In addition, when it is determined in step A2 that the hot water storage tank 12 is filled with hot water, the
In step A4, the system waits for a predetermined time Δt1 while maintaining the minimum generated power Pacmin. After the lapse of Δt1 time, in step A5, it is determined again whether or not the hot water tank 12 is full of hot water in the same manner as in step A2.
そして、判定の結果、なおも温水で満水状態であった場合には、ステップA6に移り発電電力Pacの目標値をゼロにして燃料電池発電部11の発電を停止させる。これにより、熱交換器114に供給される熱量が速やかにゼロに減少するため、貯湯槽12内の温水が過熱状態となることが避けられる。
ステップA2及びステップA5にて温水で満水状態でないと判定された場合には、ステップA1に戻り通常の運転状態を続ける。
And as a result of determination, when it is still full with warm water, it moves to step A6 and makes the target value of generated electric power Pac zero, and stops the electric power generation of the fuel cell
If it is determined in step A2 and step A5 that the water is not full with warm water, the process returns to step A1 and the normal operation state is continued.
このように本実施形態では、貯湯槽12内が温水で満水状態と判定された場合には、燃料電池発電部11の発電電力Pacを運転継続可能な最低レベルに下げて暫く様子をみる。そのような状態を暫く維持してもなお温水で満水の状態が継続していた場合には、燃料電池発電部11の発電を停止させる。このようにして熱交換器114に供給される排熱量を減少させるため、貯湯槽12内の温水が過熱状態となることが防止される。また燃料電池発電部11内の各部の温度が異常に上昇することが避けられる。
As described above, in the present embodiment, when it is determined that the hot water storage tank 12 is filled with warm water, the generated power Pac of the fuel cell
(第6の実施形態)
本実施形態は、請求項6及び7に記載の発明に対応する実施形態である。本実施形態は、第1〜第5の実施形態に対して電力逆潮流状態にならないような制御を追加した実施形態である。即ち、燃料電池発電部11の発電電力Pacが、コジェネ電力負荷3と電気ヒータ12Hにおいて消費される電力の合計を上回って、余剰の差電力が商用電力系統2に供給されることがないようにする制御を追加した実施形態である。
(Sixth embodiment)
This embodiment is an embodiment corresponding to the inventions described in
この電力逆潮流防止の制御を行なうために、図1、図3の構成図において、商用電力系統2から燃料電池コジェネレーションシステム1およびコジェネ電力負荷3に向けて供給されている電力(以下、受電電力Prという。)を電力計(図示せず。)にて測定する。電力逆潮流防止の制御は、この受電電力Prの値がマイナスにならないように、また反対に大き過ぎて買電量が増えることもないように、所定の小さな目標値Prminに近い値に制御することで行なう。
In order to perform the control of the reverse power flow prevention, in the configuration diagrams of FIGS. 1 and 3, the electric power (hereinafter referred to as power reception) supplied from the
受電電力Prの値を所定の小さな目標値Prminに近い一定値に維持するためには、コジェネ電力負荷3の消費電力Plの変動分を、燃料電池発電部11の発電電力Pacの値を調整して吸収する必要がある。このような制御を実現するために、本実施形態では、発電量制御回路115により制御される発電電力Pacの目標値Pacrefの値を、図11に示すような回路で調整する。
In order to maintain the value of the received power Pr at a constant value close to a predetermined small target value Prmin, the fluctuation of the power consumption Pl of the
図11の制御回路では、上記受電電力目標値Prminと受電電力Prとの偏差を減算回路50で算出し、その偏差を比例積分演算回路51にて比例積分演算する。そして、その演算結果Pac´を、次のリミッタ回路52を通すことで上限、下限を制限し、その値を発電電力目標値Pacrefとする。発電量制御回路115は、発電電力Pacがその発電電力目標値Pacrefに等しくなるように燃料電池発電部11を制御する。
In the control circuit of FIG. 11, a deviation between the received power target value Prmin and the received power Pr is calculated by the subtracting
ここで、リミッタ回路52の上限値Pacmaxは、燃料電池発電部11の最大定格発電電力であり、下限値Pacminは最小定格発電電力、即ち、燃料電池発電部11が運転を継続できる最低の発電電力である。
比例積分演算回路51の比例積分演算の比例定数は符号がマイナスにしてあり、その演算結果Pac´は、受電電力Prが受電電力目標値Prminより大きい時に値が増大する。演算結果Pac´が増大すると、発電電力目標値Pacrefが増大して発電電力Pacが増大する。コジェネ電力負荷3の消費電力Plがその間一定であると、受電電力Prは減少して受電電力目標値Prminに近づく。
Here, the upper limit value Pacmax of the
The proportional constant of the proportional-integral calculation of the proportional-integral calculation circuit 51 has a minus sign, and the calculation result Pac ′ increases when the received power Pr is larger than the received power target value Prmin. When the calculation result Pac ′ increases, the generated power target value Pacref increases and the generated power Pac increases. If the power consumption Pl of the
逆に、受電電力Prが受電電力目標値Prminより小さい時には、発電電力目標値Pacrefが減少して発電電力Pacも減少する。コジェネ電力負荷3の消費電力Plがその間一定であると、受電電力Prは増大して受電電力目標値Prminに近づく。このような調整作用により、受電電力Prは常に受電電力目標値Prminに近づく方向に制御される。
しかし、ここで問題になるのは、コジェネ電力負荷3の消費電力Plが非常に少なくなった場合である。受電電力Pr、発電電力Pac、コジェネ電力負荷3の消費電力Pl、電気ヒータ12Hの消費電力Phの間には次の関係がある。
Conversely, when the received power Pr is smaller than the received power target value Prmin, the generated power target value Pacref decreases and the generated power Pac also decreases. If the power consumption Pl of the
However, the problem here is when the power consumption Pl of the
Pr+Pac=Pl+Ph (11)式
ここで、電気ヒータ12Hの消費電力Phがゼロの状態である時に、消費電力Plが急激に減少した場合を考える。この場合、左辺の供給電力(Pr+Pac)は急激に減少しなければならない。
ところで、燃料電池発電部11の発電電力Pacは、急激には減少させることができない。なぜなら、発電電力Pacを減らす場合には燃料電池112での直流発電電力Pdcを減少させないと意味がない。直流発電電力Pdcを減らすには、改質器111への燃料ガスの供給量を減少させ燃料電池112への改質ガス供給量を減らし、燃料電池112内での電気化学反応を弱める必要があるが、これらの運転状態の変更は急激には行なえないからである。
Pr + Pac = Pl + Ph (11) Here, let us consider a case where the power consumption Pl suddenly decreases when the power consumption Ph of the
By the way, the generated power Pac of the fuel cell
このため、消費電力Plが急減した場合には、受電電力Prの方が急減する。受電電力Prが減少すると、前述した図11の制御により発電電力目標値Pacrefが減少し、発電電力Pacも減少に向かうが、その減少速度は上述したように遅い速度である。更に、発電電力目標値Pacrefの値は、リミッタ回路52の下限値Pacmin以下には低下しない。従って、消費電力Plが燃料電池発電部11の最低発電電力Pacminを下回った場合や、下回らなくても急激に減少した場合には、受電電力Prがマイナスになる場合があり得る。即ち、電力逆潮流状態が生じ得る。
For this reason, when the power consumption Pl decreases rapidly, the received power Pr decreases more rapidly. When the received power Pr decreases, the generated power target value Pacref decreases due to the control of FIG. 11 described above, and the generated power Pac also decreases, but the rate of decrease is slow as described above. Furthermore, the value of the generated power target value Pacref does not fall below the lower limit value Pacmin of the
このようにコジェネ電力負荷3の消費電力Plが大幅に減少した場合、あるいは急減した場合に電力逆潮流状態を生じさせない手段としては、電気ヒータ12Hの消費電力Phを増加させて受電電力Prを増加させるか、燃料電池発電部11の発電を停止させて消費電力Plの全てを受電電力Prで賄うことが考えられる。本実施形態では、前述した図11の制御方式により発電電力目標値Pacrefを調整することに加えて、この電気ヒータ12Hの消費電力Phを増加させることと、燃料電池発電部11の発電停止という手段を講ずる。
As described above, when the power consumption Pl of the
次に、この電気ヒータ12Hの消費電力Phを増加させる制御と燃料電池発電部11の発電停止の制御方法について説明する。図12は、本実施形態を実施するために発電量制御回路115がこれまでの制御ロジックに追加して行なう制御フローである。
最初のステップB1では100V給電フラグF1を設け、これをOFFにする。続くステップB2では、商用電力系統2の受電電力Prと所定の第1の基準電力Pr1との大小関係を判定する。ここで第1の基準電力Pr1は、コジェネ電力負荷3の消費電力Plがもう少し減少したならば受電電力Prがマイナスとなる、即ち、電力逆潮流状態となってしまうという危険水準の電力値である。
Next, a control method for increasing the power consumption Ph of the
In the first step B1, a 100V power supply flag F1 is provided and turned off. In the subsequent step B2, the magnitude relation between the received power Pr of the
第1の基準電力Pr1以下であると判定された場合には、ステップB3に移り、燃料電池発電部11の発電を停止させる。燃料電池発電部11の発電を停止させれば、コジェネ電力負荷3の消費電力Plは全て商用電力系統2の受電電力Prにより賄われるため、受電電力Prがマイナスとなることはなく電力逆潮流状態の発生は防止される。発電停止後はステップB1に戻り、100V給電フラグF1をOFFして、受電電力Prのレベルチェックを繰り返す。
When it is determined that the power is equal to or lower than the first reference power Pr1, the process proceeds to step B3 and the power generation of the fuel cell
ステップB2において、受電電力Prが所定の第1の基準電力Pr1以上であると判定された場合はステップB4に移る。ステップB4では、燃料電池発電部11が停止中であれば発電を再開し、発電中であれば発電を継続する。
続く、ステップB5では、受電電力Prと所定の第2の基準電力Pr2との大小関係を判定する。ここで、第2の基準電力Pr2は、燃料電池発電部11の発電を直ちに停止しなけれはならない程に差し迫ってはいないが、かなり危険なレベルにまで受電電力Prが低下していると判断できる電力値である。
If it is determined in step B2 that the received power Pr is greater than or equal to the predetermined first reference power Pr1, the process proceeds to step B4. In step B4, power generation is resumed if the fuel cell
In subsequent step B5, the magnitude relation between the received power Pr and the predetermined second reference power Pr2 is determined. Here, the second reference power Pr2 is not so imminent that the power generation of the fuel cell
第2の基準電力Pr2未満である場合にはステップB6に移り、前記100V給電フラグF1をONしてステップB2に戻る。そして受電電力Prのレベルチェックを繰り返す。第2の基準電力Pr2以上である場合は、電力逆潮流状態となる危険性は低いため、ステップB1に戻り100V給電フラグF1をOFFして、受電電力Prのレベルチェックを繰り返す。 If it is less than the second reference power Pr2, the process proceeds to step B6, where the 100V power supply flag F1 is turned on and the process returns to step B2. Then, the level check of the received power Pr is repeated. If it is equal to or higher than the second reference power Pr2, the risk of a reverse power flow state is low, so the process returns to step B1 and the 100V power supply flag F1 is turned OFF, and the level check of the received power Pr is repeated.
次に、ステップB6にてONした100V給電フラグF1の効果について説明する。この100V給電フラグF1のON/OFF状態は、ヒータ電源切換制御回路17が電気ヒータ12Hの補助加熱電力を制御するフローの中でチェックされ、それにより制御フローの切り換えが行なわれる。従って、100V給電フラグF1のON/OFF状態は、ヒータ電源切換制御回路17に知らされる(図1、図3には図示せず。)。
Next, the effect of the 100V power supply flag F1 turned on in step B6 will be described. The ON / OFF state of the 100V power supply flag F1 is checked in the flow in which the heater power supply
図13は、第4の実施形態におけるヒータ電源切換制御回路17の制御フロー図(図8)に、本実施形態の制御を追加したものである。なお、図8の制御フローは、第2の実施形態である図4の制御フローに第4の実施形態の制御を追加したものであり、第2の実施形態のみに本実施形態を追加する場合には、図13の制御フローの中のステップS13aとS13bを除けばよい。
FIG. 13 is obtained by adding the control of this embodiment to the control flow diagram (FIG. 8) of the heater power supply
図13のフロー図が図8の制御フロー図と異なる点は、ステップS11a、S11b、S13c、S13dが追加されている点である。ステップS11において、温水推定割合Aの値が第1の温水割合基準値A1ref以上と判定された場合には、まずステップS11aにて前記100V給電フラグF1がONであるか否かを判定する。そして、OFFであっ場合には、図8の場合と同様のステップS12に移行して電気ヒータ12Hを無通電状態とする。
The flowchart of FIG. 13 is different from the control flowchart of FIG. 8 in that steps S11a, S11b, S13c, and S13d are added. If it is determined in step S11 that the value of the warm water estimated ratio A is equal to or greater than the first warm water ratio reference value A1ref, it is first determined in step S11a whether the 100V power supply flag F1 is ON. If it is OFF, the process proceeds to step S12 as in FIG. 8, and the
一方、100V給電フラグF1がONであった場合には、ステップS11bに移行して電気ヒータ12Hを単相100V電源で給電する。100V給電フラグF1がONにされるのは、図12の制御フローにおいて、受電電力Prの値が第1の基準電力Pr1以上であり第2の基準電力Pr2よりは小さい場合であった。即ち、燃料電池発電部11の発電を直ちに停止しなけれはならない程ではないが、電力逆潮流状態が起こるかもしれないかなり危険なレベルにまで受電電力Prが低下している場合であった。従って、このような場合に、ステップS11bにおいて電気ヒータ12Hを単相100V電源で給電すれば、受電電力Prが増加して電力逆潮流状態が生ずる危険性が減少することになる。
On the other hand, if the 100V power supply flag F1 is ON, the process proceeds to step S11b to supply power to the
ステップS13c、S13dを追加した理由も同様で、ステップS13aにてNOの判定がされた場合には、直ちにステップS14に移行するのではなく、その前にステップS13cにて前記100V給電フラグF1がONであるか否かを判定する。そして、ONであっ場合には、ステップ13dに移行して電気ヒータ12Hに単相100Vを給電する。このようにすれば、上記ステップS11bの場合と同様に、受電電力Prの値が増加して電力逆潮流状態が生ずる危険性を減少させることができる。
The reason for adding steps S13c and S13d is the same. If NO is determined in step S13a, the process does not immediately shift to step S14, but before that, the 100V power supply flag F1 is turned on in step S13c. It is determined whether or not. And when it is ON, it transfers to step 13d and supplies
図14は、第4の実施形態のヒータ電源切換制御回路17の他の制御フロー図(図9)に本実施形態の制御を追加した制御フロー図である。なお、この図9の制御フローは、第3の実施形態である図6の制御フローに第4の実施形態の制御を追加したものである。この図14の制御フロー図は、図13の制御フロー中の(5)式で計算した温水推定割合Aを(9)式で計算した温水推定割合Rに置き換えた点が異なるのみであるので、説明は省略する。
FIG. 14 is a control flow diagram in which the control of the present embodiment is added to another control flow diagram (FIG. 9) of the heater power supply
図15は、第1の実施形態のヒータ電源切換制御回路17の制御フロー図(図2)に本実施形態の制御を追加した制御フロー図である。図2の制御フローと異なる点は、ステップS3a、S3bが追加してある点である。ステップS3にてYESの判定がなされた場合には、直ちにステップS4に移行するのではなく、その前にステップS3aにて前記100V給電フラグF1がONであるか否かを判定する。そして、ONであっ場合には、ステップ3bに移行して電気ヒータ12Hに単相100Vを給電する。このようにすれば、受電電力Prの値が増加して電力逆潮流状態が生ずる危険性が減少することになる。
FIG. 15 is a control flow diagram in which the control of the present embodiment is added to the control flow diagram (FIG. 2) of the heater power supply
このように本実施形態では、電力逆潮流状態が生じないように、しかも受電電力Prが少なくなるように、図11の制御ロジックによって燃料電池発電部11の発電電力目標値Pacrefを決定して発電電力Pacを制御する。その上で、更に受電電力Prの値を監視し、その値が第1の基準電力Pr1よりは大きく第2の基準電力Pr2よりは小さい場合には、電気ヒータ12Hを少なくとも100Vで給電して受電電力Prを増加させ、電力逆潮流状態が起こる危険性を減少させる。そのようにしてもなお受電電力Prが減少して電力逆潮流状態が生じかけた場合には、燃料電池発電部11の発電を停止させて、全ての電力を受電電力Prで賄うようにする。このように燃料電池発電部11の発電電力Pac及び電気ヒータ12Hでの消費電力を調整するので、受電電力Prがマイナスになる危険性は殆ど無くなり、電力逆潮流状態の発生が効果的に防止される。
As described above, in the present embodiment, the generated power target value Pacref of the fuel cell
(第7の実施形態)
本実施形態は、請求項8に記載の発明に対応する実施形態である。本実施形態は、第1〜第6の実施形態において、電気ヒータ12Hに200Vを供給して補助加熱する場合に、季節別、時間帯別の受電電力単価を考慮に入れる点を追加した実施形態である。
一般に受電電力の料金単価は、電力を使用する時間帯、季節帯により異なる。燃料電池コジェネレーションシステム1での発電電力の不足分を補うための受電電力Prは、電力料金単価が高い時間帯、季節帯においては、その使用量は最小限に抑えることが望ましい。反面、受電電力Prを余り少なくし過ぎると、電気ヒータ12Hによる補助加熱が不十分となって温水切れ、給湯温度の低下といった不具合が生ずる他、電力逆潮流状態となることもあり得る。
(Seventh embodiment)
This embodiment is an embodiment corresponding to the invention described in
In general, the unit price of received power varies depending on the time and season of using power. The received power Pr for compensating for the shortage of generated power in the fuel
そこで、本実施形態においては、補助加熱を優先するか、即ち、温水切れ、給湯温度低下を回避することを優先するか、あるいは電気料金が安くなる運転を優先するかを外部から選択する。そして、補助加熱を優先する選択がなされた場合には、これまでの実施形態と同様の制御を実施するが、電気料金を優先する選択がなされた場合には、これまでの制御フローの中で電気ヒータ12Hに単相200V給電していた場合を、単相100V給電に変更することで受電電力Prを減少させ、電気料金を抑える運転を実施する。
Therefore, in the present embodiment, whether to give priority to auxiliary heating, that is, to give priority to avoiding hot water shortage and a decrease in hot water supply temperature, or to give priority to an operation that reduces the electricity bill is selected from the outside. When the priority is given to the auxiliary heating, the same control as in the previous embodiments is performed. However, if the priority is given to the electricity charge, the control flow in the past is performed. When the single-
このような考えを、第2の実施形態を発展させた第6の実施形態である図13の制御フローに追加したフローを図16に示す。図13と異なる点は、ステップS13b、S17、S18、S19を無くして、代わりにステップS17a、S17b、S18a、S18bを設けた点である。本実施形態は、上に述べたように、電気料金優先が選択された場合に、従来単相200給電していたものを単相100V給電に変更するものである。従って、図13の制御フローにおいて単相200V給電していたステップS13b、S18、S19がその対象となる。
FIG. 16 shows a flow in which such an idea is added to the control flow of FIG. 13 which is the sixth embodiment obtained by developing the second embodiment. The difference from FIG. 13 is that steps S13b, S17, S18, and S19 are eliminated, and steps S17a, S17b, S18a, and S18b are provided instead. As described above, in the present embodiment, when the electricity charge priority is selected, the conventional single-phase 200 power supply is changed to the single-
図16の制御フローでは、従来ならば単相200V給電に至ったステップS13aのYES判定、ステップS13のNO判定の後には、新たに設けたステップS17aの判定を行なう。ステップS17aでは、貯湯優先(温水切れ、給湯温度低下防止優先)と電気料金優先のどちらが選択されているかを判定する。この選択は、図示しない操作盤から行なわれる。
In the control flow of FIG. 16, after the determination of YES in step S <b> 13 a that has conventionally reached single-
貯湯優先が選択されていた場合には、ステップS18aに移行し、従来と同様に電気ヒータ12Hに単相200Vを給電して補助加熱を行なう。電気料金優先が選択されていた場合にはステップS17bに移る。ステップS17bでは、現在時刻が電気料金単価が通常よりも高い時間帯であるか否かを判定する。高い料金の時間帯でなければステップS18aに移行して単相200V給電を行なう。高い料金の時間帯であったならばステップS18bに移行し、従来ならば単相200V給電すべきであったところを単相100V給電に変更して補助加熱を実施する。
If hot water priority is selected, the process proceeds to step S18a, and the single heater 200H is fed to the
このようにすれば、電気料金単価が高い時間帯での受電電力Prの使用量が減少するので、電気料金の低減を図ることができる。しかし反面、従来と比べれば、温水切れ、給湯温度低下といった不具合が若干、生じ易くなることは否めない。
なお、本実施形態の考えは、第3の実施形態及びそれを発展させた実施形態、例えば第6の実施形態の図14の制御フローに対しても適用可能である。図14の制御フローに適用した場合のフローは、図16の制御フローにおける温水推定割合Aを(9)式の温水推定割合Rに置き換えただけのものであるので、図は省略する。
In this way, the usage amount of the received power Pr in the time zone where the electricity bill unit price is high is reduced, so that the electricity bill can be reduced. On the other hand, however, it cannot be denied that problems such as running out of hot water and a decrease in hot water supply temperature are slightly more likely to occur than in the past.
Note that the idea of the present embodiment can also be applied to the third embodiment and an embodiment obtained by developing the third embodiment, for example, the control flow of FIG. 14 of the sixth embodiment. Since the flow when applied to the control flow of FIG. 14 is merely a replacement of the hot water estimated ratio A in the control flow of FIG. 16 with the hot water estimated ratio R of equation (9), the figure is omitted.
同様に本実施形態の考えは、第1の実施形態及びそれを発展させた第7の実施形態の制御フローに対しても適用可能である。何れの場合も、従来なら単相200V給電していたステップ部分を、図16の制御フローにおけるステップS17a、S17b、S18a、S18bに置き換えることで実現することができる。
Similarly, the idea of the present embodiment can be applied to the control flow of the first embodiment and the seventh embodiment which is an extension of the first embodiment. In either case, it can be realized by replacing the step portion that has been conventionally supplied with single-
(第8の実施形態)
本実施形態は、請求項9に記載の発明に対応する実施形態である。本実施形態は、第1〜第7の実施形態において、一時的に通常よりも高温の温水(高い給湯温度)が要求された場合に対応する制御を追加した実施形態である。本実施形態では、この高温水を生成するために、貯湯槽12内の温水を一時的に電気ヒータ12Hで補助加熱して温度を上昇させる制御を追加して行なう。
(Eighth embodiment)
This embodiment is an embodiment corresponding to the invention described in claim 9. In the first to seventh embodiments, the present embodiment is an embodiment in which control corresponding to a case where hot water (high hot water supply temperature) higher than usual is temporarily required is added. In the present embodiment, in order to generate this high-temperature water, control is additionally performed to raise the temperature by temporarily heating the hot water in the hot water storage tank 12 with the
第7の実施形態の図16の制御フローに、高温水を得るための制御フローを追加したフローを図17に示す。図17の制御フローが図16の制御フローと異なる点は、ステップS10p、S10qを新たに追加した点である。
ステップS10pでは、高温水の要求があるか否かを判定する。この高温水の要求の有無の指定は、図示しない操作盤から行なわれる。高温水の要求がない場合は、直ちにステップS10に移り従来通りの制御を行なう。
FIG. 17 shows a flow in which a control flow for obtaining high-temperature water is added to the control flow of FIG. 16 of the seventh embodiment. The control flow of FIG. 17 differs from the control flow of FIG. 16 in that steps S10p and S10q are newly added.
In step S10p, it is determined whether there is a request for high-temperature water. The designation of whether or not there is a request for the high-temperature water is performed from an operation panel (not shown). If there is no request for high-temperature water, the process immediately proceeds to step S10 and the conventional control is performed.
高温水の要求がある場合は、ステップS10qに移る。ステップS10qでは、貯湯槽12内の一番上の温度検出器の検出温度を、高温水の指定温度Threfと比較する。高温水の指定温度Threfも、図示しない操作盤から指定される。一番上の温度検出器の検出温度が指定温度Thref以上であれば、ステップS10に移り従来通りの制御を行なう。 If there is a request for high-temperature water, the process proceeds to step S10q. In step S10q, the detected temperature of the uppermost temperature detector in the hot water tank 12 is compared with the specified temperature Thref of the high temperature water. The designated temperature Thref of the high temperature water is also designated from an operation panel (not shown). If the detected temperature of the uppermost temperature detector is equal to or higher than the specified temperature Thref, the process proceeds to step S10 and conventional control is performed.
貯湯槽12内の一番上の温度検出器の検出温度が指定温度Thref未満である場合には、電気ヒータ12Hによる補助加熱を行なって温水の温度を上昇させる。図17の制御フローの場合は、電気料金を優先するか否かの制御も取り入れているため、ステップS10qにおいて指定された高温水の指定温度Threfより低かった場合には、ステップS17aに移る。そして、選択に従って単相100V給電すべきか単相200V給電すべきかを判定して補助加熱を行なう。
When the temperature detected by the uppermost temperature detector in the hot water tank 12 is lower than the designated temperature Thref, auxiliary heating is performed by the
なお、このように電気料金を優先するか否かの選択を取り入れていない実施形態の場合には、単相200V給電を行なって高温水を生成する。
In the case of the embodiment that does not incorporate the selection of whether or not to prioritize the electricity charge, single-
このように本実施形態では、一時的な高温水の要求があった場合には、貯湯槽12内の一番上の温度検出器の検出温度が指定温度Thref以上になるように、電気ヒータ12Hにより補助加熱を行なう。従って、熱交換器114での熱交換だけでは達成できないような高温度の温水の給湯要求にも応えることができる。
Thus, in this embodiment, when there is a temporary high-temperature water request, the
なお、上記制御では、高温水を得るための温度検出として貯湯槽12内の一番上の温度検出器の検出温度を使用して制御したが、代わりに一番上ではなくそれより下の位置に取り付けられている温度検出器の検出温度を使用して制御してもよい。そのようにすれば、貯湯槽12内に貯湯される高温水の貯湯量を増加させることができる利点がある。
また、このような高温水要求が、定期的に短時間だけ自動要求されるようにしておいてもよい。そのようにすれば、貯湯槽12内の雑菌等の繁殖を防止する効果を期待できる。
In the above control, control is performed using the detection temperature of the uppermost temperature detector in the hot water tank 12 as temperature detection for obtaining high-temperature water, but instead of the uppermost position, a position below that is not the uppermost position. You may control using the detection temperature of the temperature detector attached to. By doing so, there is an advantage that the amount of hot water stored in the hot water storage tank 12 can be increased.
Moreover, such a high temperature water request | requirement may be automatically requested | required only for a short time regularly. By doing so, it is possible to expect the effect of preventing the propagation of germs and the like in the hot water tank 12.
(第9の実施形態)
本実施形態は、請求項10に記載の発明に対応する実施形態である。本実施形態も一時的に通常よりも高温の温水(高い給湯温度)が要求された場合に対応する実施形態であって、前記第8の実施形態に追加して実施される実施形態である。
第8の実施形態おいては、貯湯槽12内の温水を電気ヒータ12Hで補助加熱して高温水を生成させた。これに対して本実施形態においては、これに追加して、熱交換器114にて熱交換して貯湯槽12内に戻る温水の温度を、通常よりも上昇させることで高温水の生成を加速する制御を行なう。
(Ninth embodiment)
This embodiment is an embodiment corresponding to the invention described in claim 10. The present embodiment is also an embodiment corresponding to a case where hot water (high hot water supply temperature) higher than usual is temporarily required, and is an embodiment added in addition to the eighth embodiment.
In the eighth embodiment, the hot water in the hot water storage tank 12 is supplementarily heated by the
貯湯槽12内に戻る温水の温度は、図1、図3中の循環ポンプ制御回路15によって熱回収循環水の循環量を制御することで行なわれている。即ち、実施形態1の説明の中で述べたように、循環ポンプ制御回路15は、熱回収循環水の配管中に挿入した温度検出器12T0によって生成された温水温度を測定し、その温度T0が所定の温水設定温度T0refに等しくなるように、比例積分演算により熱回収水循環ポンプ13の吐出水量を制御している。従って、その温水設定温度T0refの値を変更することで、貯湯槽12内に戻る温水の温度を変更することができる。
The temperature of the hot water returning to the hot water tank 12 is controlled by controlling the circulation amount of the heat recovery circulating water by the circulation
この温水設定温度T0refは、通常は、図示しない操作盤から設定された給湯温度と等しい温度またはそれよりも若干高い温度に設定されている。従って、高温水給湯の要求が出され、その温度が操作盤から指定された場合には、その要求が出されている間のみ温水設定温度T0refの値をその指定された高温水温度に設定変更することで、貯湯槽12に戻る温水の温度を上昇させることができる。このようにすれば、第8の実施形態で説明した電気ヒータ12Hによる補助加熱と相まって、指定された温度の高温温水の生成を一層容易に達成することができる。
This hot water set temperature T0ref is normally set to a temperature equal to or slightly higher than the hot water supply temperature set from an operation panel (not shown). Accordingly, when a request for hot water supply is issued and the temperature is specified from the operation panel, the value of the hot water set temperature T0ref is changed to the specified high temperature water temperature only while the request is issued. By doing, the temperature of the hot water which returns to the hot water storage tank 12 can be raised. In this way, combined with the auxiliary heating by the
(第10の実施形態)
本実施形態は、請求項11に記載の発明に対応する実施形態である。本実施形態も一時的に通常よりも高温の温水(高い給湯温度)が要求された場合に対応する実施形態であって、第8及び第9の実施形態に更に追加して実施する実施形態である。本実施形態では、貯湯槽12への温水戻口を2個に増やし、通常よりも高温の温水が要求された場合に、2個の温水戻口の切り換えを行なう。
(Tenth embodiment)
This embodiment is an embodiment corresponding to the invention described in
図18に、貯湯槽12への温水戻口の取り付けの様子を示す。貯湯槽12には、従来からの温水戻口121の少し下方に、第2の温水戻口121aを追加して設ける。熱交換器114より戻った温水は、新たに設けた切換弁125に入り、その切り換え動作により温水戻口121又は温水戻口121aの何れかを通って貯湯槽12に戻る。
切換弁125は、図示しない操作盤からの高温水要求の有無を選択する信号を受けて、2つの温水戻口を選択切り換えする。その切り換えは、高温水要求がある場合には、熱交換器114からの温水が下側の第2の温水戻口121aを通って貯湯槽12に戻るように切り換える。なお、図18においては貯湯槽12内の温度検出器は省略してある。
FIG. 18 shows how the hot water return port is attached to the hot water tank 12. The hot water storage tank 12 is additionally provided with a second hot water return port 121 a slightly below the conventional hot water return port 121. The hot water returned from the
The switching
本実施形態は、前記第8及び第9の実施形態に追加して行なう制御である。第9の実施形態の場合には、電気ヒータ12Hによる補助加熱と、循環ポンプ制御回路15の温水設定温度T0refを上げて熱交換器114から戻る温水温度を上昇させる2つの手段で高温温水が生成された。
ところで、循環ポンプ制御回路15の温水設定温度T0refを上げて熱交換器114から戻る温水温度を上昇させる方法には、生成される温水温度に限界(上限)がある。その限度以上の高温水が要求された場合には、その不足分の温度上昇は電気ヒータ12Hによる補助加熱で昇温する必要がある。つまり、そのような場合には、熱交換器114から戻る温水温度は、要求された高温水の温度より低い温度となっている。
This embodiment is control performed in addition to the eighth and ninth embodiments. In the case of the ninth embodiment, high-temperature hot water is generated by two means for increasing the hot water temperature returned from the
By the way, the method of raising the warm water set temperature T0ref of the circulation
ここで、これまでの実施形態では、温水戻口121と出水口123とは、ほぼ同じ高さ位置に設けられていた。このような状態で、要求された温度より低い温度の温水が従来の温水戻口121から戻されると、折角、電気ヒータ12Hによる補助加熱により要求された高温度になっている最上層部の高温水と混ざり合って、その温度を下げてしまうという不具合を生ずる。
Here, in the embodiments so far, the hot water return port 121 and the water discharge port 123 are provided at substantially the same height. In such a state, when hot water having a temperature lower than the required temperature is returned from the conventional hot water return port 121, the high temperature of the uppermost layer that is at the required high temperature by the auxiliary heating by the
こうした不具合を改善するために本実施形態では、高温水の要求が出されている間は、切換弁125の切り換えにより、熱交換器114から戻る温水を、従来の出水口123よりも下方に設けた第2の温水戻口121aを通して貯湯槽12に戻す。
このようにすれば、熱交換器114から戻る要求温度より低い温水が、貯湯槽12の最上部に溜まっている高温水と混じり合う不具合が軽減される。貯湯槽12の最上層部には電気ヒータ12Hにより昇温された高温水が溜まり、それが温度を下げられることなく出水口123から給湯されるので、効率良く高温水の給湯を行なうことができるようになる。
In the present embodiment, in order to improve such problems, hot water returning from the
In this way, the problem that hot water lower than the required temperature returning from the
(第11の実施形態)
本実施形態は、請求項12に記載の発明に対応する実施形態である。本実施形態は、第1〜10の実施形態における貯湯槽12内の温水温度の測定方法に関するものである。これまでの実施形態では、貯湯槽12の側壁に孔を開け、そこに温度検出器を挿入、固定して検出してきた。
(Eleventh embodiment)
This embodiment is an embodiment corresponding to the invention described in claim 12. This embodiment relates to a method for measuring the hot water temperature in the hot water tank 12 in the first to tenth embodiments. In the embodiments so far, a hole has been made in the side wall of the hot water tank 12, and a temperature detector has been inserted and fixed therein for detection.
しかし、貯湯槽12は一般に金属で形成されているために、数多くの孔を開けて温度検出器を取り付けるには多くの加工工数を必要とする。本実施形態では、こうした加工工数を減少させるために、温度検出器を貯湯槽12の容器外表面に取り付けて温度を検出する。
貯湯槽12の容器材料は、銅、ステンレス等の熱伝導性の良い金属である場合が多く、、また、容器外側は放熱防止のために断熱材で覆われている。従って、容器外表面に接触して温度検出器を取り付ければ、容器内側の温水温度に近い温度を検出することができる。
However, since the hot water tank 12 is generally made of metal, a large number of processing steps are required to open a large number of holes and attach the temperature detector. In this embodiment, in order to reduce such processing man-hours, a temperature detector is attached to the outer surface of the hot water tank 12 to detect the temperature.
The container material of the hot water tank 12 is often a metal having good thermal conductivity such as copper or stainless steel, and the outside of the container is covered with a heat insulating material to prevent heat dissipation. Therefore, if a temperature detector is attached in contact with the outer surface of the container, a temperature close to the hot water temperature inside the container can be detected.
こうして検出した温度の精度を高めにために、予め実験により容器外表面で測定した温度とその内部の温水温度との温度差を求めておく。そして、温度検出時にその実験結果を利用して温度補正を施すことにより温水温度を推定する。
このように貯湯槽12の容器外表面に温度検出器を取り付けて内部温水温度を推定することとすれば、容器に孔を開ける必要がなくなるため、温度検出の取り付け加工工数を大幅に減少させることができる。
In order to increase the accuracy of the temperature thus detected, the temperature difference between the temperature measured in advance on the outer surface of the container by experiment and the hot water temperature inside the container is obtained. And the temperature of warm water is estimated by performing temperature correction using the experimental result at the time of temperature detection.
If the temperature detector is attached to the outer surface of the container of the hot water tank 12 to estimate the internal hot water temperature in this way, it is not necessary to make a hole in the container, so that the installation man-hour for temperature detection is greatly reduced. Can do.
図中、1は燃料電池コジェネレーションシステム、2は単相3線式商用電力系統、3はコジェネ電力負荷、4は温水使用機器、11は燃料電池発電部、12は貯湯槽、13は熱回収水循環ポンプ、15は循環ポンプ制御回路、16はヒータ電源切換リレー、17はヒータ電源切換制御回路、114は熱交換器、121は温水戻口、121aは第2の温水戻口、122は下部冷水口、123は上部出水口、124は下部入水口、125は切換弁、1T1〜1T3は温度検出器、2T1は第1の温度検出器、2T2は第2の温度検出器、2T3は第3の温度検出器、2T4は第4の温度検出器、12T0は温度検出器、12Hは電気ヒータ、A1refは第1の温水割合基準値、A2refは第2の温水割合基準値、Pacは燃料電池発電部の発電電力、Pwminは温水生成電力、Pacminは燃料電池発電部の最低の発電電力、Prは受電電力、Prminは受電電力目標値、Pr1は第1の基準電力、Pr2は第2の基準電力、T0は温度検出器12T0の検出温度、T1は第1の検出温度、T2は第2の検出温度、T3は第3の検出温度、T4は第4の検出温度、T1refは第1の基準温度、T2refは第2の基準温度、Tcは市水の温度、Trefは給湯温度、Threfは高温水温度を示す。
In the figure, 1 is a fuel cell cogeneration system, 2 is a single-phase three-wire commercial power system, 3 is a cogeneration power load, 4 is a device using hot water, 11 is a fuel cell power generation unit, 12 is a hot water tank, and 13 is a heat recovery unit. Water circulation pump, 15 is a circulation pump control circuit, 16 is a heater power supply switching relay, 17 is a heater power supply switching control circuit, 114 is a heat exchanger, 121 is a hot water return port, 121a is a second hot water return port, and 122 is lower cold water , 123 is an upper outlet, 124 is a lower inlet, 125 is a switching valve, 1T1 to 1T3 are temperature detectors, 2T1 is a first temperature detector, 2T2 is a second temperature detector, 2T3 is a third outlet Temperature detector, 2T4 is a fourth temperature detector, 12T0 is a temperature detector, 12H is an electric heater, A1ref is a first hot water ratio reference value, A2ref is a second hot water ratio reference value, and Pac is a fuel cell power generation unit Generated power, Pwm in is the generated hot water power, Pacmin is the lowest generated power of the fuel cell power generation unit, Pr is the received power, Prmin is the received power target value, Pr1 is the first reference power, Pr2 is the second reference power, and T0 is the temperature detection 12T0 detection temperature, T1 is the first detection temperature, T2 is the second detection temperature, T3 is the third detection temperature, T4 is the fourth detection temperature, T1ref is the first reference temperature, and T2ref is the second , Tc is the city water temperature, Tref is the hot water supply temperature, and Thref is the hot water temperature.
Claims (12)
該燃料電池コジェネレーションシステムは、燃料電池発電部(11)と貯湯槽(12)とを備え、該貯湯槽はその下部冷水口(122)より取水した水を熱回収循環水として熱回収水循環ポンプ(13)により前記燃料電池発電部内の熱交換器(114)に送り、該熱交換器にて排熱と熱交換させて温水とし前記貯湯槽の上部の温水戻口(121)に戻すと共に、上部の出水口(123)より前記温水使用機器に給湯し、下部の入水口(124)より市水を補充するように構成されており、
前記熱回収循環水の量は、前記貯湯槽に戻る直前の熱回収循環水の温度を温度検出器(12T0)にて検出してその検出温度(T0)が指定された給湯温度(Tref)に等しくなるように前記熱回収水循環ポンプの吐出水量を循環ポンプ制御回路(15)にて比例積分制御することにより行なうように構成されており、
前記貯湯槽内には、下部に下部温度検出器(1T3)、中間部に中間部温度検出器(1T2)が取り付けられ、更に補助加熱用の電気ヒータ(12H)が取り付けられ、該電気ヒータにはヒータ電源切換制御回路(17)により制御されるヒータ電源切換リレー(16)の切り換え動作により前記単相3線式商用電力系統より単相200V電源または単相100V電源が供給されるように構成されており、
前記ヒータ電源切換制御回路は、前記下部温度検出器の検出温度(T3)が指定された給湯温度(Tref)以上である場合、及び前記下部温度検出器の検出温度が給湯温度未満で前記中間部温度検出器の検出温度(T2)が給湯温度以上であり且つ前記燃料電池発電部の発電電力(Pac)が単位時間当たりに所定量の温水を生成するのに必要な温水生成電力(Pwmin)以上である場合には前記電気ヒータへの電源供給を停止し、
前記下部温度検出器の検出温度が前記給湯温度未満で前記中間部温度検出器の検出温度が給湯温度以上であり且つ前記燃料電池発電部の発電電力(Pac)が前記温水生成電力(Pwmin)未満である場合には前記電気ヒータに前記単相100V電源を供給し、
前記下部温度検出器の検出温度及び前記中間部温度検出器の検出温度が共に前記給湯温度未満である場合には前記電気ヒータに前記単相200V電源を供給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。 Fuel cell cogeneration that generates electric power and hot water, and supplies the generated electric power to the cogeneration power load (3) via the single-phase three-wire commercial power system (2) and the generated hot water to the hot water use equipment (4) System (1),
The fuel cell cogeneration system includes a fuel cell power generation unit (11) and a hot water storage tank (12), and the hot water storage tank uses heat taken from its lower cold water port (122) as heat recovery circulating water as a heat recovery water circulation pump. (13) is sent to the heat exchanger (114) in the fuel cell power generation unit, heat is exchanged with the exhaust heat in the heat exchanger to make hot water and return to the hot water return port (121) at the top of the hot water tank, Hot water is supplied to the hot water using equipment from the upper water outlet (123), and city water is replenished from the lower water inlet (124).
The amount of the heat recovery circulating water is determined by detecting the temperature of the heat recovery circulating water just before returning to the hot water storage tank with a temperature detector (12T0) and setting the detected temperature (T0) to the specified hot water supply temperature (Tref). The discharge water amount of the heat recovery water circulation pump is configured to be proportional and integral controlled by the circulation pump control circuit (15) so as to be equal,
In the hot water tank, a lower temperature detector (1T3) is attached to the lower portion, an intermediate temperature detector (1T2) is attached to the intermediate portion, and an electric heater (12H) for auxiliary heating is further attached to the electric heater. Is configured such that single-phase 200 V power or single-phase 100 V power is supplied from the single-phase three-wire commercial power system by switching operation of the heater power switching relay (16) controlled by the heater power switching control circuit (17). Has been
The heater power supply switching control circuit includes the intermediate portion when the detected temperature (T3) of the lower temperature detector is equal to or higher than a specified hot water supply temperature (Tref) and when the detected temperature of the lower temperature detector is lower than the hot water supply temperature. The detected temperature (T2) of the temperature detector is equal to or higher than the hot water supply temperature, and the generated power (Pac) of the fuel cell power generation unit is equal to or higher than the hot water generation power (Pwmin) necessary for generating a predetermined amount of hot water per unit time. If it is, stop the power supply to the electric heater,
The detection temperature of the lower temperature detector is lower than the hot water supply temperature, the detection temperature of the intermediate temperature detector is higher than the hot water supply temperature, and the generated power (Pac) of the fuel cell power generation unit is lower than the hot water generation power (Pwmin). If so, supply the single-phase 100V power to the electric heater,
A fuel cell cogeneration system that supplies the electric heater with the single-phase 200V power when both the temperature detected by the lower temperature detector and the temperature detected by the intermediate temperature detector are lower than the hot water supply temperature. system.
前記下部温度検出器と中間部温度検出器に代えて、前記貯湯槽内に上部から下部にかけて上から順に第1、第2、第3、第4の温度検出器(2T1、2T2、2T3、2T4)をほぼ等間隔に取り付け、
前記ヒータ電源切換制御回路は前記第1、第2、第3、第4の温度検出器の検出した第1、第2、第3、第4の検出温度(T1、T2、T3、T4)を、個別に所定の第1の基準温度(T1ref)及びこれより低い第2の基準温度(T2ref)と比較し、検出温度が第1の基準温度以上の場合にはその重みを2とし、検出温度が第1の基準温度未満で第2の基準温度以上の場合にはその重みを1とし、検出温度が第2の基準温度未満である場合にはその重みを0とする重み付けを行なってそれらの合計値を求め、該合計値の、前記第1〜第4の検出温度が全て第1の基準温度以上であるとした場合の重み付け合計値に対する百分率を求めて温水推定割合(A)とし、
該温水推定割合が所定の第1の温水割合基準値(A1ref)以上である場合、及び該温水推定割合が第1の温水割合基準値未満で第2の温水割合基準値(A2ref)以上であり且つ前記燃料電池発電部の発電電力が前記温水生成電力(Pwmin)以上である場合には前記電気ヒータへの電源供給を停止し、
前記温水推定割合が前記第1の温水割合基準値未満で前記第2の温水割合基準値以上であり且つ前記燃料電池発電部の発電電力が前記温水生成電力未満である場合には前記電気ヒータに前記単相100V電源を供給し、
前記温水推定割合が前記第2の温水割合基準値未満である場合には前記電気ヒータに前記単相200V電源を供給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。 The fuel cell cogeneration system according to claim 1,
In place of the lower temperature detector and the intermediate temperature detector, first, second, third, and fourth temperature detectors (2T1, 2T2, 2T3, 2T4) in the hot water tank from the top to the bottom in order. ) Are mounted at approximately equal intervals,
The heater power supply switching control circuit uses the first, second, third, and fourth detected temperatures (T1, T2, T3, T4) detected by the first, second, third, and fourth temperature detectors. Individually compared with a predetermined first reference temperature (T1ref) and a lower second reference temperature (T2ref), and when the detected temperature is equal to or higher than the first reference temperature, the weight is set to 2, and the detected temperature Is less than the first reference temperature and greater than or equal to the second reference temperature, the weight is set to 1, and when the detected temperature is less than the second reference temperature, the weight is set to 0 and the weight is set. Obtain a total value, obtain a percentage of the weighted total value when the first to fourth detection temperatures of the total value are all equal to or higher than the first reference temperature, and obtain a warm water estimated ratio (A),
When the estimated hot water ratio is greater than or equal to a predetermined first warm water ratio reference value (A1ref), and when the estimated warm water ratio is less than the first warm water ratio reference value and greater than or equal to the second warm water ratio reference value (A2ref) And when the generated power of the fuel cell power generation unit is equal to or higher than the hot water generation power (Pwmin), the power supply to the electric heater is stopped,
When the estimated hot water ratio is less than the first warm water ratio reference value and greater than or equal to the second warm water ratio reference value, and the power generated by the fuel cell power generation unit is less than the warm water generation power, the electric heater Supplying the single-phase 100V power supply;
The fuel cell cogeneration system, wherein the single-phase 200V power is supplied to the electric heater when the estimated hot water ratio is less than the second hot water ratio reference value.
前記第1、第2、第3、第4の温度検出器に代えて、前記貯湯槽内の温水を上から順にほぼ等しい厚さd1〜dnのn個の層に分割して各層の中間高さに温度検出器(3T1〜3Tn)を取り付け、該温度検出器の検出温度を上から順にT1〜Tn、前記市水の温度をTc、前記給湯温度をTrefとして次式により温水推定割合(R)を計算し、
R=100×( Σ((Ti−Tc)・di))/ Σ((Tref−Tc)・di)
ただし、 i=1〜n
該計算値を請求項2に記載の温水推定割合(A)の代わりに使用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。 The fuel cell cogeneration system according to claim 2,
Instead of the first, second, third, and fourth temperature detectors, the hot water in the hot water tank is divided into n layers of approximately equal thicknesses d1 to dn in order from the top, and the intermediate height of each layer is divided. Furthermore, a temperature detector (3T1 to Tn) is attached, the temperature detected by the temperature detector is T1 to Tn from the top, the temperature of the city water is Tc, the hot water supply temperature is Tref, and the estimated hot water ratio (R )
R = 100 × (Σ ((Ti−Tc) · di)) / Σ ((Tref−Tc) · di)
Where i = 1 to n
A fuel cell cogeneration system, wherein the calculated value is used instead of the estimated hot water ratio (A) according to claim 2.
前記温水推定割合の直近の所定時間(Δt)内における減少量が所定値(K1)を超えている状態において、温水推定割合が前記第1の温水割合基準値(A1ref)未満で前記第2の温水割合基準値(A2ref)以上となった場合には、前記電気ヒータへ前記単相200V電源を供給するように修正を加えた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。 In the fuel cell cogeneration system according to claim 2 or 3,
In a state where the amount of decrease in the hot water estimated ratio within the latest predetermined time (Δt) exceeds a predetermined value (K1), the hot water estimated ratio is less than the first hot water ratio reference value (A1ref) and the second The fuel cell cogeneration system is modified to supply the single-phase 200V power to the electric heater when the hot water ratio reference value (A2ref) is exceeded.
前記温水推定割合の値が前記第1の温水割合基準値(A1ref)より大きい所定の基準値(A1ref´)以上である場合には、前記燃料電池発電部の発電電力(Pac)を、該燃料電池発電部が発電を継続できる最低の発電電力(Pacmin)まで低下させ、その状態を所定時間(Δt1)継続してもなお温水推定割合が前記基準値(A1ref´)以上であった場合には、燃料電池発電部の発電を停止させ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。 The fuel cell cogeneration system according to any one of claims 2 to 4,
When the value of the estimated hot water ratio is equal to or greater than a predetermined reference value (A1ref ′) greater than the first warm water ratio reference value (A1ref), the generated power (Pac) of the fuel cell power generation unit is used as the fuel. When the battery power generation unit reduces the generated power (Pacmin) to the lowest possible power generation and continues the state for a predetermined time (Δt1), the hot water estimated ratio is still above the reference value (A1ref ′) A fuel cell cogeneration system characterized by stopping the power generation of the fuel cell power generation unit.
前記単相3線式商用電力系統から燃料電池コジェネレーションシステム及び前記コジェネ電力負荷に向けて供給される受電電力(Pr)が所定の受電電力目標値(Prmin)に一致するように前記燃料電池発電部の発電電力(Pac)を比例積分制御すると共に、該受電電力(Pr)が所定の第1の基準電力(Pr1)未満の場合には燃料電池発電部の発電を停止させ、
受電電力が第1の基準電力(Pr1)以上であり所定の第2の基準電力(Pr2)未満である状態において、前記温水推定割合の値が前記第2の温水割合基準値(A2ref)以上である場合には、前記電気ヒータへ少なくとも前記単相100V電源による補助加熱を行なわせるように変更を加えた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。 The fuel cell cogeneration system according to any one of claims 2 to 5,
The fuel cell power generation so that the received power (Pr) supplied from the single-phase three-wire commercial power system to the fuel cell cogeneration system and the cogeneration power load matches a predetermined received power target value (Prmin). Proportionally integral control of the generated power (Pac) of the fuel cell and when the received power (Pr) is less than the predetermined first reference power (Pr1), the power generation of the fuel cell power generator is stopped.
In a state where the received power is greater than or equal to the first reference power (Pr1) and less than the predetermined second reference power (Pr2), the value of the warm water estimated ratio is greater than or equal to the second warm water ratio reference value (A2ref). In some cases, the fuel cell cogeneration system is modified so as to cause the electric heater to perform at least auxiliary heating by the single-phase 100V power source.
前記単相3線式商用電力系統から燃料電池コジェネレーションシステム及び前記コジェネ電力負荷に向けて供給される受電電力(Pr)が所定の受電電力目標値(Prmin)に一致するように前記燃料電池発電部の発電電力(Pac)を比例積分制御すると共に、該受電電力(Pr)が所定の第1の基準電力(Pr1)未満の場合には燃料電池発電部の発電を停止させ、
受電電力が第1の基準電力(Pr1)以上であり所定の第2の基準電力(Pr2)未満である状態において、前記下部温度検出器の検出温度(T3)が前記給湯温度(Tref)未満で且つ未満で前記中間部温度検出器の検出温度(T2)が給湯温度以上である場合には、前記電気ヒータへ少なくとも前記単相100V電源による補助加熱を行なわせるように変更を加えた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。 The fuel cell cogeneration system according to claim 1,
The fuel cell power generation so that the received power (Pr) supplied from the single-phase three-wire commercial power system to the fuel cell cogeneration system and the cogeneration power load matches a predetermined received power target value (Prmin). Proportionally integral control of the generated power (Pac) of the fuel cell and when the received power (Pr) is less than the predetermined first reference power (Pr1), the power generation of the fuel cell power generator is stopped.
In a state where the received power is equal to or higher than the first reference power (Pr1) and lower than the predetermined second reference power (Pr2), the detected temperature (T3) of the lower temperature detector is lower than the hot water supply temperature (Tref). In addition, when the temperature detected by the intermediate temperature detector (T2) is less than or equal to or higher than the hot water supply temperature, the electric heater is changed so as to perform at least auxiliary heating by the single-phase 100V power source. Fuel cell cogeneration system.
前記ヒータ電源切換制御回路が前記電気ヒータに前記単相200V電源を供給する場合と判定された状態において、貯湯量確保よりも受電電力料低減を優先するように指定されていた場合には、現在の時間帯が受電電力料金単価が通常よりも高いか否かを判定し、高い時間帯であった場合には単相200V電源に代えて単相100V電源を供給するように変更を加えた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。 The fuel cell cogeneration system according to any one of claims 1 to 7,
In a state where the heater power supply switching control circuit is determined to supply the single-phase 200V power to the electric heater, if it is specified that priority is given to reducing the amount of received power over securing the amount of stored hot water, It was determined whether or not the received power unit price is higher than usual during the time period, and if it was a high time period, it was changed to supply single-phase 100V power instead of single-phase 200V power A fuel cell cogeneration system characterized by
前記給湯温度として通常よりも高い高温水温度(Thref)を指定して高温水供給要求がされた場合には、前記ヒータ電源切換制御回路は前記貯湯槽内の一番上の温度検出器の検出温度が、指定された高温水温度(Thref)未満であるか否かを判定し、未満である場合には前記単相200V電源を供給する場合と判定された状態とみなして、請求項9に記載の判定法に従い単相100V電源と単相200V電源の何れかの電源を前記電気ヒータに供給するように変更を加えた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。 The fuel cell cogeneration system according to claim 8,
When a hot water supply request is made by specifying a hot water temperature (Thref) higher than normal as the hot water supply temperature, the heater power supply switching control circuit detects the temperature detector at the top in the hot water storage tank. It is determined whether or not the temperature is lower than a specified high-temperature water temperature (Thref), and if it is lower, the state is determined to be the case where the single-phase 200V power supply is supplied. A fuel cell cogeneration system, wherein a change is made so that any one of a single-phase 100V power source and a single-phase 200V power source is supplied to the electric heater in accordance with the determination method described.
前記給湯温度として通常よりも高い高温水温度(Thref)を指定して高温水供給要求がされた場合には、前記循環ポンプ制御回路は、前記貯湯槽に戻る直前の熱回収循環水の前記検出温度(T0)が該高温水温度に等しくなるように、比例積分制御により熱回収水循環ポンプの吐出水量を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。 The fuel cell cogeneration system according to claim 9,
When a hot water supply request is made by specifying a hot water temperature (Thref) higher than normal as the hot water supply temperature, the circulation pump control circuit detects the heat recovery circulating water immediately before returning to the hot water storage tank. A fuel cell cogeneration system, wherein the amount of water discharged from the heat recovery water circulation pump is controlled by proportional integral control so that the temperature (T0) is equal to the high temperature water temperature.
前記貯湯槽の前記上部の温水戻口の下位置に第2の温水戻口を設けると共に、前記熱交換器から戻る熱回収循環水の戻り口を該温水戻口と第2の温水戻口の何れかに切り換える切換弁(125)を設け、前記高温水供給要求がされた場合には、該切換弁を熱回収循環水が第2の温水戻口に戻るように切り換え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。 The fuel cell cogeneration system according to any one of claims 9 to 10,
A second hot water return port is provided below the hot water return port in the upper part of the hot water tank, and a return port of the heat recovery circulating water returning from the heat exchanger is provided between the hot water return port and the second hot water return port. A switching valve (125) for switching to either one is provided, and when the high-temperature water supply request is made, the switching valve is switched so that the heat recovery circulating water returns to the second hot water return port. Battery cogeneration system.
前記貯湯槽内の温水温度を検出する前記各温度検出器の取り付け方を、貯湯槽容器の外側からその外面の温度を検出する取り付け方に変更し、該取り付け状態で検出された各検出温度に対して予め実験で求めておいた補正を行ない、補正した値を貯湯槽内温水の各検出温度として使用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。
The fuel cell cogeneration system according to any one of claims 1 to 11,
The method of attaching each temperature detector for detecting the temperature of hot water in the hot water tank is changed to the method of attaching to detect the temperature of the outer surface from the outside of the hot water tank container, and each detected temperature detected in the attached state is changed. The fuel cell cogeneration system is characterized in that the correction previously obtained through experiments is performed and the corrected value is used as each detected temperature of hot water in the hot water tank.
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JP2007323866A (en) * | 2006-05-30 | 2007-12-13 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system, and its control method |
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- 2003-09-01 JP JP2003309152A patent/JP2005078976A/en active Pending
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