JP2006107982A

JP2006107982A - 燃料電池発電システム及びその運転方法のコンピュータプログラム

Info

Publication number: JP2006107982A
Application number: JP2004294785A
Authority: JP
Inventors: Wataru Uchiyama; 亘内山
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-10-07
Filing date: 2004-10-07
Publication date: 2006-04-20

Abstract

【課題】燃料電池発電システムを設置した直後など学習演算手段が蓄積データ不足により燃料電池の発電指令出力ができない場合において、安定して燃料電池を発電運転する燃料電池発電システムを提供すること。
【解決手段】燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて電力と熱を発生させる燃料電池２と、燃料電池で発生する熱を湯水として貯える貯湯槽１０と、これらを逐次制御する制御装置１７からなる燃料電池発電システムであり、制御装置１７は、燃料電池を運転するか否かを指令する学習演算手段１５と、燃料電池の運転時間を計測する運転時間計測手段１９とを備え、制御装置１７は、運転時間計測手段１９により過去に運転した積算時間が所定の値に満たない場合、学習演算手段の運転指令によらず、一義的に燃料電池を運転するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力および熱を発生させる燃料電池発電システムに関するものである。

燃料電池は、水素などの燃料ガスと酸素などの酸化剤ガスを反応させて発電し、一方で、電力と同時に熱も発生するものである。燃料電池発電システムは、この発生した電力および熱を、家庭電化機器などの電力負荷や、シャワー給湯などの熱負荷からなる外部負荷に供給するものである（例えば特許文献１参照）。

さらに、近年では、外部負荷の使用状況をデータ蓄積し、過去にさかのぼって使用者の生活リズムを分析することにより、外部負荷の使用予測に応じて、燃料電池をきめ細かく発電運転および停止させる構成も提案されており、以下、その構成について説明する。

図６は、従来この種の燃料電池発電システムのブロック図であり、燃料生成器１は、外部より供給された天然ガスなどの原料を水蒸気雰囲気下で加熱して水素リッチな燃料ガスを生成する。燃料電池２には、燃料生成器１により生成された燃料ガスおよびブロア３にて空気などの酸化剤ガスが供給される。燃料電池２で発生した直流電流は図示はしないがインバータで交流電流に変換された後、商用電源と系統連系して外部電力負荷４に供給される。他方、燃料電池２で発生した熱は、以下のようにして給湯や暖房などの外部熱負荷５に供給される。却水循環ポンプ６は、燃料電池２で発生した熱を回収するために、冷却水循環路７を通して燃料電池２に冷却水を循環させ、熱交換器８にて放熱する。貯湯水循環ポンプ９は、あらかじめ（市水にて）満水状態にある貯湯槽１０底部より槽内の一番温度の水を抜き出し、貯湯水循環路１１を通して熱交換器８から熱を回収し、貯湯槽１０の上部へ帰還させる。これにより、貯湯槽１０内部の水は加熱される。このようにして得られた湯水（上限が６０℃程度）は、給湯や暖房などの外部熱負荷５に利用されるが、使用者の温度設定によりバックアップ給湯器１２を用いて（例えば沸騰水など）より高温の湯水を熱負荷５へ供給可能である。なお、制御装置１３は、マイコンなどからなる制御手段１４、後述する学習演算手段１５などから構成し、電力負荷検知手段１６により外部電力負荷４の消費電力を検知しつつ、燃料生成器１、燃料電池２、ブロア３、冷却水循環ポンプ６、貯湯水循環ポンプ９などを逐次制御するものである。

学習演算手段１５は、制御手段１４を介して、電力負荷検知手段１６より外部電力負荷４の消費電力を検知し、例えば、１時間毎の電力負荷消費電力を蓄積しておき、翌日の電力需要予測を立てて計画的に燃料電池の発電運転および停止を行うことにより、エネルギー効率の良いシステム運用を可能とするものである。

また、ここでは具体的な構成を挙げないが、学習演算手段１５は、制御手段１４を介して、貯湯槽１０の残湯量をも検知することが可能であり、上記の例で言えば、１時間毎の熱負荷消費状況を把握して蓄積することにより、若人が朝方に毎日シャワーを使う、あるいは、大所帯家族が夕方に集中して風呂に入るなど、おおよそ毎日変わりない生活のリズムを分析して算出する熱負荷需要予測に応じて燃料電池の運転を行い、つまり、お湯を使うタイミングに併せて直前にお湯を作ることにより発熱ロスを抑えた効率の良いシステム運用を可能とするものである。

次に、上記構成において動作を図６および図７のフローチャートを用いて説明する。

燃料電池発電システムを設置し、燃料生成器１へ原料（例えば天然ガスなど）と水を供給する配管工事を終え、図６の貯湯槽１０を市水にて満水にしてから、制御装置１３に商用電源の通電を行うと制御手段（マイコン）１４が起動してシステム動作を開始する。

図７のフローチャートに示すように、システム動作を開始すると、Ｓ１にて学習演算手段１５から発電運転または停止の指令値を呼び出し、Ｓ２にて指令値が発電運転の場合、Ｓ３にて発電起動処理（制御手段１４が燃料生成器１を用いて原料と水から燃料ガスを生成可能な状態にする処理）を行ったあと、Ｓ４にて発電処理（燃料ガスと空気を燃料電池２へ供給して発電を行う処理）へ移行する。この後、発電動作の状態を維持するが、Ｓ５およびＳ６にて学習演算手段１５からの停止指令を受け付けると、Ｓ７にて発電終了処理（発電を停止するのと平行して燃料電池２が高温である場合には冷却を行う後始末の処理）を行った後、一連のシステム動作は終了する。
特開２００４−５３１２０号公報

しかしながら、前記従来の構成では、学習演算手段１５は電力負荷検知手段１６から電力負荷４の消費電力を検知して蓄積を図り生活のリズムを分析するまでは時間がかかり、電力需要予測を立てるまでには現在の技術レベルでは数日間を要するため、それまでの間は制御手段１４に対して運転指令（あるいは停止指令）を出すことができない。つまり、使用者にとっては、燃料電池発電システムを設置してから数日間は燃料電池の発電運転ができないという言う課題を有していた。（発電運転ができないと言うことは、貯湯槽１０にお湯が貯めることも出来ないため、都度バックアップ給湯器１２による湯沸かしに頼るため、出湯に余裕を持って風呂にはいることが出来ないと言うことである）。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、燃料電池発電システムを設置した直後など、学習演算手段１５が蓄積データ不足により燃料電池２への発電運転指令（あるいは停止指令）出力ができない場合においても、安定して燃料電池２を発電運転する燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池発電システムは、発電運転を行った時間を計測し積算する手段を用いて、発電運転の積算時間が所定時間に満たない場合、一義的に、燃料電池２の発電運転を行うようにしたものである。

これによって、燃料電池発電システムを設置した直後など、学習演算手段１５が蓄積データ不足により燃料電池２への発電運転指令（あるいは停止指令）出力ができない場合においても、安定して燃料電池２を発電運転することができ、ひいては、貯湯槽１０にお湯を貯めることができる。

本発明の燃料電池発電システムは、発電運転を行った時間を計測し積算する手段を用いて、発電運転の積算時間が所定時間に満たない場合、一義的に、燃料電池の発電運転を行うようにしたものである。

これによって、燃料電池発電システムを設置した直後など、学習演算手段が蓄積データ不足により燃料電池への発電運転指令（あるいは停止指令）出力ができない場合においても、安定して燃料電池を発電運転することが可能となる。

また、発電運転を可能にすると言うことは、貯湯槽にお湯が貯めることができるため、バックアップ給湯器による湯沸かしを軽減させることができ、出湯に余裕を持って風呂にはいることができる。

第１の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて電力と熱を発生させる燃料電池と、前記燃料電池で発生する熱を湯水として貯える貯湯槽と、前記燃料電池を逐次制御する制御装置からなる燃料電池発電システムであり、前記制御装置は、前記燃料電池を運転するか否かを指令する学習演算手段と、前記燃料電池の運転時間を計測する運転時間計測手段とを備え、前記制御装置は、前記運転時間計測手段により過去に運転した積算時間が所定の値に満たない場合、前記学習演算手段の運転指令によらず、一義的に燃料電池を運転するようにしたことにより、燃料電池発電システムを設置した直後など、学習演算手段が蓄積データ不足により燃料電池への発電運転指令（あるいは停止指令）出力ができない場合においても、安定して燃料電池を発電運転することが可能となる。

第２の発明は、特に、第１の発明の燃料電池発電システムにて、制御装置は、電力負荷の消費電力を検知する電力負荷検知手段を備え、前記制御装置は、前記運転時間計測手段により過去に運転した積算時間が所定の値に満たない場合、前記電力負荷検知手段により検知した電力値を前記燃料電池の発電目標値とするようにしたことにより、学習演算手段の運転指令によらず一義的に燃料電池の発電運転行う場合でも、電力負荷検知手段により（例えば宅内にて）その時点で本当に必要としている消費電力量だけを発電することが可能となり、発電ロスを抑えることができる。

第３の発明は、特に、第１の発明の燃料電池発電システムにて、制御装置は、前記燃料電池の運転を行うか否かを設定する入力設定手段を備え、前記制御装置は、前記入力設定手段の設定内容により、一義的に燃料電池を運転しないようにしたことにより、電力負荷の使用状況にばらつきが大きく学習演算手段による電力負荷の需要予測が困難であり燃料電池への発電運転指令出力ができない場合においても、強制的に学習演算手段からの指令を切り離して燃料電池の発電運転ができる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか一つの発明の燃料電池発電システムにて、燃料電池は、燃料ガスに水素を、かつ、酸化剤ガスに酸素を用いて電力と熱を発生させるようにしたことにより、効率の良い燃料電池の発電運転ができる。

第５の発明は、特に、第１〜４のいずれか１つの発明の燃料電池発電システムの機能の少なくとも一つをコンピュータに実現させるためのプログラムである。この構成によれば、燃料電池発電システムは、発電運転を行った時間を計測し積算する手段を用いて、発電運転の積算時間が所定時間に満たない場合、一義的に、燃料電池の発電運転を行うようにしたものであり、燃料電池発電システムを設置した直後など、学習演算手段が蓄積データ不足により燃料電池への発電運転指令（あるいは停止指令）出力ができない場合においても、安定して燃料電池を発電運転することができ、ひいては、貯湯槽にお湯を貯めることができる。また、プログラムであるのでマイコンなどを用いて本発明の燃料電池発電システムの一部あるいは全てを容易に実現することができる。また記録媒体に記録したり通信回線を用いてプログラムを配信したりすることでプログラムの配布が簡単にできる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。なお、前記背景技術と同じ構成のものは同一符号を付して説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１の燃料電池発電システムのブロック図、図２は、制御装置における制御手段の要部動作を示すフローチャートである。なお、制御装置の内部ブロック図にて、１９は燃料電池の発電運転を行っている時間を計測する運転時間計測手段であり、計測した時間は累積して保持するので燃料電池の運転および停止を繰り返す場合にも総運転時間を保持することが可能である。その他は、制御装置１７、制御手段１８と表記している以外は従来の構成と同じである。

以上のように構成された燃料電池発電システムについて、以下その動作、作用を説明する。

従来の構成と同様に、燃料電池発電システムを設置し、燃料生成器１へ原料（例えば天然ガスなど）と水を供給する配管工事を終え、図１の貯湯槽１０を市水にて満水にしてから、制御装置１７に商用電源の通電を行うと制御手段（マイコン）１８が起動してシステム動作を開始する。

図２のフローチャートに示すように、システム動作を開始すると、Ｓ８にて運転時間計測手段１９から過去から現在までに燃料電池を発電した累積時間を呼び出し所定の時間（この例では１週間）に満たない場合、Ｓ１およびＳ２の処理を省略し、Ｓ３にて発電起動処理（制御手段１８が燃料生成器１を用いて原料と水から燃料ガスを生成可能な状態にする処理）を行ったあと、Ｓ４にて発電処理（燃料ガスと空気を燃料電池２へ供給して発電を行う処理）へ移行させつつ、Ｓ９にて発電運転時間の計測を開始するが、厳密に言えば、発電運転時間は過去からの累積時間なので計測した時間を過去の累積時間に更に足し込んでいくと言うものである。この後、Ｓ１０にて学習演算手段１５が過去の電力負荷４の使用状況を蓄積し電力負荷の需要予測を立てることが十分に可能な所定の時間（この例では１週間）は連続して１ｋＷの固定出力の発電動作を維持した後、Ｓ５およびＳ６にて学習演算手段１５からの停止指令を受け付けると、Ｓ１１にて運転時間計測手段１９の時間計測を停止し、Ｓ７にて発電終了処理（発電を停止するのと平行して燃料電池２が高温である場合には冷却を行う後始末の処理）を行った後、一連のシステム動作は終了する。

これにより、燃料電池発電システムを設置した直後など、学習演算手段が蓄積データ不足により燃料電池への発電運転指令（あるいは停止指令）出力ができない場合においても、安定して燃料電池を発電運転することが可能となる。

なお、本実施の形態では、学習演算手段１５が電力負荷４の使用状況を蓄積し電力負荷の需要予測を立てることが十分な時間を１週間と示し、また、固定出力発電の目標値を１ｋＷと具体的に示したが、この値は本発明を限定するものではない。

（実施の形態２）
図３は、本実施の形態２の制御装置における制御手段の要部動作を示すフローチャートである。なお、制御装置の内部ブロック図は実施の形態１と同じ構成である。

図３のフローチャートに示すように、本発明の実施の形態１からの変更点は、Ｓ１２およびＳ１３を追加しただけである。

つまり、Ｓ４にて本格的な発電処理へ入り、Ｓ９にて発電運転時間の計測を開始した後、Ｓ１２にて電力負荷検知手段により電力負荷４の消費電力を検知し、Ｓ１３にて検知した消費電力の値を燃料電池２の発電目標値に設定する（いわゆる負荷追従運転を行う）と言うものである。

これにより、学習演算手段の運転指令によらず一義的に燃料電池の発電運転行う場合でも、電力負荷検知手段により（例えば宅内にて）その時点で本当に必要としている消費電力量だけを発電することが可能となり、発電ロスを抑えることができる。

（実施の形態３）
図４は、本実施の形態３の燃料電池発電システムのブロック図、図５は、制御装置における制御手段の要部動作を示すフローチャートである。なお、制御装置の内部ブロック図にて、２２は燃料電池の運転を行うか否かを設定する入力設定手段である。その他は制御装置２０、制御手段２１と表記している以外は実施の形態１と同じ構成である。

図５のフローチャートに示すように、本発明の実施の形態１からの変更点は（実施の形態２にて追加したＳ１２およびＳ１３を除いて）Ｓ１４ａ、Ｓ１４ｂを追加しただけである。

つまり、Ｓ１４ａにてシステム動作開始直後で入力設定手段に設定されている値が運転切である場合、あるいは、Ｓ１４ｂにて発電運転中に入力設定手段により運転切の設定がなされた場合、強制的に発電運転を行わないと言うものである。

これにより、電力負荷の使用状況にばらつきが大きく学習演算手段による電力負荷の需要予測が困難であり燃料電池への発電運転指令出力ができない場合においても、強制的に学習演算手段からの指令を切り離して燃料電池の発電運転ができる。

以上のように、本発明にかかる燃料電池発電システムは、発電運転を行った時間を計測し積算する手段を用いて、発電運転の積算時間が所定時間に満たない場合には、一義的に、燃料電池の発電運転を行うようすることにより、燃料電池発電システムを設置した直後など、学習演算手段が蓄積データ不足により燃料電池への発電運転指令（あるいは停止指令）出力ができない場合においても、安定して燃料電池を発電運転すること可能になるので、同様にして、学習演算手段を用いた家電製品の制御に対して、場合によっては、学習演算手段からの指令値を抑制するなどの用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１の燃料電池発電システムのブロック図同システムの動作フローチャート本発明の実施の形態２の燃料電池発電システムの動作フローチャート本発明の実施の形態３の燃料電池発電システムのブロック図同システムの動作フローチャート従来の燃料電池発電システムのブロック図従来の燃料電池発電システムの動作フローチャート

符号の説明

１燃料生成器
２燃料電池
３ブロア（送風機）
４電力負荷
５熱負荷
８熱交換器
１０貯湯槽
１２バックアップ給湯器
１５学習演算手段
１７制御装置
１８制御手段
１９運転時間計測手段
２２入力設定手段

Claims

燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて電力と熱を発生させる燃料電池と、前記燃料電池で発生する熱を湯水として貯える貯湯槽と、前記燃料電池を逐次制御する制御装置からなる燃料電池発電システムであり、前記制御装置は、前記燃料電池を運転するか否かを指令する学習演算手段と、前記燃料電池の運転時間を計測する運転時間計測手段とを備え、前記制御装置は、前記運転時間計測手段により過去に運転した積算時間が所定の値に満たない場合、前記学習演算手段の運転指令によらず、一義的に燃料電池を運転するようにした燃料電池発電システム。
制御装置は、電力負荷の消費電力を検知する電力負荷検知手段を備え、前記制御装置は、運転時間計測手段により過去に運転した積算時間が所定の値に満たない場合、前記電力負荷検知手段により検知した電力値を前記燃料電池の発電目標値とするようにした請求項１記載の燃料電池発電システム。
制御装置は、燃料電池の運転を行うか否かを設定する入力設定手段を備え、前記制御装置は、前記入力設定手段の設定内容により、一義的に燃料電池を運転しないようにした請求項１記載の燃料電池発電システム。
燃料電池は、燃料ガスに水素を、かつ、酸化剤ガスに酸素を用いて電力と熱を発生させるようにした請求項１〜３いずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池発電システムにて少なくとも一つの手段をコンピュータに実行させるためのプログラム。