JP2006107983A - 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 - Google Patents

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などの理由から燃料電池の発電運転指令出力ができない場合において、燃料電池をエネルギー効率良く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２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、複数ある発電および停止の運転パターンから１つを選択する運転パターン選択手段１９とを備え、制御装置１７は、学習演算手段１５が運転指令を出力できない場合、運転パターン選択手段１９により選択した運転パターンに応じて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（以下、運転と呼ぶ）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７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。冷却水循環ポンプ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、翌日などの電力需要予測を立てて計画的に燃料電池２の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って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７および図８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７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８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にて燃料電池２は発電停止状態であり、Ｓ２にて学習演算手段１５からの指令を受けると、Ｓ３にて指令値が発電運転開始（指令値＝運転）の場合、Ｓ４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、Ｓ５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、発電動作の運転状態を維持するが、Ｓ６にて学習演算手段１５からの停止指令（指令値＝停止）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から外部電力負荷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るため、電力需要予測を立てるまでには現在の技術レベルにおいて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らざるを得ず、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）。

一方で、上記学習演算手段１５が生活のリズムを分析し電力需要予測を立てるまでの数日間は、とりあえず強制的に発電運転を行えばよいと荒っぽい考えもあるが、この場合、結果的に余剰発電や使用しないお湯を無駄に沸かすこととなり、つまり、環境に優しくエネルギー効率の高いシステムを実現するという本来の使命を逸脱することになりかねない。

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が蓄積データ不足などの理由により燃料電池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、燃料電池２をエネルギー効率良く運転可能な燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

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、学習演算手段１５が蓄積データ不足などの理由により燃料電池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、制御装置は、運転パターン選択手段を用いて予め複数個持っている発電や停止の運転パターンから１つを選択し、この運転パターンに則って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が蓄積データ不足などの理由により燃料電池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、燃料電池２を効率良く運転することができる。

本発明の燃料電池発電システムは、学習演算手段が蓄積データ不足などの理由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、制御装置は、運転パターン選択手段を用いて予め複数個持っている発電や停止の運転パターンから１つを選択して、この運転パターンに則って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が蓄積データ不足などの理由により燃料電池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、燃料電池２を効率良く運転することが可能となる。

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、複数ある発電および停止の運転パターンから１つを選択する運転パターン選択手段とを備え、前記制御装置は、前記学習演算手段が運転指令を出力できない場合、前記運転パターン選択手段により選択した運転パターンに応じて前記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などの理由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、燃料電池を効率良く運転することができる。

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、任意の運転パターンを設定する第１の入力設定手段を備え、前記制御装置は、前記第１の入力設定手段により運転パターン選択手段が選択する運転パターンを設定するようにしたことにより、使用者が燃料電池発電システムを設置する各家庭別の生活リズムに近い運転パターンを設定することが可能となり、ひいては、さらに燃料電池を効率良く運転することができる。

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、運転パターン選択手段を使用するか否かを設定する第２の入力設定手段を備え、前記制御装置は、前記第２の入力設定手段の設定内容により、一義的に運転パターン選択手段を使用しないようにしたことにより、使用者が予め用意されている運転パターンの中でいずれも選択したくない場合、あるいは、学習演算手段による運転指令が出力されるまでの数日間は発電運転をしたくない場合、使用者の設定により、学習演算手段による運転指令が出力されるまでの間、燃料電池発電システムの運転を強制的に停止することができる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか１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、学習演算手段が蓄積データ不足などの理由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、運転パターン選択手段を用いて予め複数個持っている発電や停止の運転パターンから１つを選択し、この運転パターンに則って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などの理由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、燃料電池を効率良く運転することができる。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は複数ある発電および停止の運転パターンから１つを選択する運転パターン選択手段であり、運転パターンとは一日の発電運転シーケンスであり、例えば、若人が朝方に毎日シャワーを使うことを想定した運転パターンでは「深夜０時から朝方５時まで発電運転を行い、排熱回収により朝までに貯湯する」運転計画が記述されており、一方、大所帯家族が夕方に集中して風呂に入ることを想定した運転パターンでは「お昼の１２時から夕方５時まで運転して夕方までに貯湯する」運転計画が記述されている。なお、本実施の形態では、これら複数個の運転パターンが記述されたデータベースは、運転パターン選択手段１９に内蔵されており、その中の１つを選択して制御手段へ発電シーケンスの内容を伝えるわけである。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、Ｓ１にて燃料電池２は発電停止状態であり、Ｓ２にて学習演算手段１５からの指令を受けつけるが、ここで従来の構成では学習演算手段１５からの指令がない場合には指令があるまでこれを受け待つ状態を継続するのに対して、本実施の形態では、Ｓ２にて学習演算手段１５からの指令がない場合、Ｓ８にて運転パターン選択手段１９により複数ある発電および停止の運転パターンから１つを選択し（この例では、運転パターン＝１として）この運転パターンを元にＳ４の発電起動処理を経て、Ｓ５にて燃料電池２の発電運転を行う。

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１５が蓄積データ不足などの理由により燃料電池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、燃料電池２を効率良く運転することが可能となる。

なお、本実施の形態では、複数個の運転パターンが記述されたデータベースを、運転パターン選択手段１９に内蔵する構成を挙げたが、データベースを保持する手段を運転パターン選択手段１９の外部に独立させてもよい。

（実施の形態２）
図３は、本実施の形態２の燃料電池発電システムのブロック図、図４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、２０は任意の運転パターンを設定する第１の入力設定手段であり、具体的にはボタンスイッチなどから構成される操作部により燃料電池発電システムを施工した業者、あるいは、使用するユーザなどが設置したユーザの生活リズムを考慮して幾つか用意されている運転パターンの中から適切な運転パターン番号を設定するものである。２１は前記第１の入力設定手段により設定した内容や燃料電池発電システムの運転状態を設定する表示手段である。その他は制御装置２２、制御手段２３と表記している以外は実施の形態１と同じ構成である。

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。

図４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、Ｓ８の処理に代えて、Ｓ９およびＳ１０を追加したものである。つまり、Ｓ２にて学習演算手段１５からの指令がない場合、Ｓ９にて第１の入力設定手段２０に設定された運転パターン番号を呼び出し、Ｓ１０にて運転パターン選択手段１９はＳ９にて呼び出した運転パターン番号に応じた運転パターンを選択し、この運転パターンを元にＳ４の発電起動処理を経て、Ｓ５にて燃料電池２の発電運転を行う。

これにより、使用者が燃料電池発電システムを設置する各家庭別の生活リズムに近い運転パターンを設定することが可能となり、ひいては、さらに燃料電池を効率良く運転することができる。

（実施の形態３）
図５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６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、２４は運転パターン選択手段を使用するか否かを設定する第２の入力設定手段である。その他は制御装置２５、制御手段２６と表記している以外は実施の形態１と同じ構成である。

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。

図６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Ｓ９およびＳ１０を除いて）Ｓ１１を追加したものである。

つまり、Ｓ２にて学習演算手段１５からの指令がない場合、Ｓ１１にて第２の入力設定手段に設定されている値が運転パターンによる運転禁止の設定値である場合、運転パターンによる発電運転へ移行せずに学習演算手段１５からの指令が出力するまで待ち続けると言うものである。

これにより、使用者が予め用意されている運転パターンの中でいずれも選択したくない場合、あるいは、学習演算手段による運転指令が出力されるまでの数日間は発電運転をしたくない場合、使用者の設定により、学習演算手段による運転指令が出力されるまでの間、燃料電池発電システムの運転を強制的に停止することができる。

以上のように、本発明にかかる燃料電池発電システムは、学習演算手段が蓄積データ不足などの理由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、制御装置は、運転パターン選択手段を用いて予め複数個持っている発電や停止の運転パターンから１つを選択して、この運転パターンに則って発電運転を行うようにすることにより、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などの理由により燃料電池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、燃料電池を効率良く運転することに可能になるので、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も、学習演算手段が本来の機能を果たすことが出来ない場合に、簡易的に機能を代換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−チャ−ト 本発明の実施の形態２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−チャ−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−チャ−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−チャ−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 外部電力負荷
５ 外部熱負荷
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、２２、２５ 制御装置
１８、２３、２６ 制御手段
１９ 運転パターン選択手段
２０ 第１の入力設定手段
２４ 第２の入力設定手段

Claims (5)

1. 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、複数ある発電および停止の運転パターンから１つを選択する運転パターン選択手段とを備え、前記制御装置は、前記学習演算手段が運転指令を出力できない場合、前記運転パターン選択手段により選択した運転パターンに応じて前記燃料電池を運転するようにした燃料電池発電システム。
2. 制御装置は、任意の運転パターンを設定する第１の入力設定手段を備え、前記制御装置は、前記第１の入力設定手段により運転パターン選択手段が選択する運転パターンを設定するようにした請求項１記載の燃料電池発電システム。
3. 制御装置は、運転パターン選択手段を使用するか否かを設定する第２の入力設定手段を備え、前記制御装置は、前記第２の入力設定手段の設定内容により、一義的に運転パターン選択手段を使用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。
4. 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。
5. 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。

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