JP2007155188A - Heat pump type heat source device using solid oxide fuel cell as power source to carry out driving, and its operating method - Google Patents

Heat pump type heat source device using solid oxide fuel cell as power source to carry out driving, and its operating method Download PDF

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Naoaki Ishikawa
直明 石川
Teruhiro Sakurai
輝浩 桜井
Yoshio Matsuzaki
良雄 松崎
Hisataka Yakabe
久孝 矢加部
Kunihiro Nishizaki
邦博 西崎
Hiroyuki Tsuda
博之 津田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To efficiently operate the whole device without applying high stress to a fuel cell in a heat pump type heat source device using the fuel cell as a power source to carry out driving. <P>SOLUTION: In the heat pump type heat source device using the fuel cell as a power source to carry out driving, a solid oxide fuel cell 2 is used as the fuel cell. Output voltage of the solid oxide fuel cell 2 is controlled by a DC-DC converter 3, and it is supplied to a direct-current compressor 5a of a heat pump. The device is provided with a storage battery 7 capable of storing electric power of the solid oxide fuel cell 2, and the compressor 5a of the heat pump can be also operated by electric power from the storage battery 7. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池、特に固体酸化物形燃料電池を電源として駆動するヒートポンプ式熱源装置とその運転方法に関する。   The present invention relates to a heat pump type heat source device that drives a fuel cell, particularly a solid oxide fuel cell as a power source, and an operation method thereof.

商業ビルなどでの空調システムの熱源装置としてヒートポンプ式熱源装置が用いられている。ヒートポンプ式熱源装置は、電力により駆動するもの(EHP)とガスにより駆動するもの(GHP)とに大別される。このうち、電力にて駆動するもの(EHP)は、系統からの交流電力により圧縮機を駆動させるタイプが主流となっているが、交流駆動の圧縮機は効率が80%程度と低く、入力の20%程度の損失が発生する。このため、近年は系統交流電力を内部に持つAC−DCコンバータで直流電力に変換し、比較して高効率の直流圧縮機を駆動することにより効率の改善を図っている。しかし、AC−DCコンバータの変換効率は92〜93%程度であり、変換ロスが発生するのを避けられない。このような変換に伴う損失は1台当たりでは小さいが、普及状況から考えると総量としては非常に大きなものとなる。   A heat pump type heat source device is used as a heat source device of an air conditioning system in a commercial building or the like. Heat pump type heat source devices are broadly classified into those driven by electric power (EHP) and those driven by gas (GHP). Among these, those driven by electric power (EHP) are mainly driven by the AC power from the system, but the AC-driven compressor has a low efficiency of about 80%, and the input power A loss of about 20% occurs. For this reason, in recent years, an AC-DC converter having system AC power inside is converted into DC power, and compared with this, efficiency is improved by driving a high-efficiency DC compressor. However, the conversion efficiency of the AC-DC converter is about 92 to 93%, and it is inevitable that a conversion loss occurs. Although the loss due to such conversion is small per unit, the total amount is very large considering the spread situation.

駆動源の電力を系統交流電力ではなく、燃料電池からの直流電力を用いて圧縮機を駆動するようにしたヒートポンプ式熱源装置も提案されている。特許文献1、2には、燃料電池の直流電力を交流駆動の圧縮機に供給するようにした燃料電池駆動ヒートポンプシステムが記載されている。特許文献2には余剰電力の一部をDC−DCコンバータを介してバッテリ(2次電池)に蓄電することも記載されている。特許文献3にはコジェネシステムに用いる冷凍装置に関して記載されており、そこにおいて、発電装置として燃料電池を用い得ること、圧縮機は発電装置の直流電力で駆動できること、等の記載がある。   There has also been proposed a heat pump type heat source device in which the compressor is driven by using direct current power from a fuel cell instead of system alternating current power as drive power. Patent Documents 1 and 2 describe a fuel cell drive heat pump system in which DC power of a fuel cell is supplied to an AC drive compressor. Patent Document 2 also describes storing a part of surplus power in a battery (secondary battery) via a DC-DC converter. Patent Document 3 describes a refrigeration apparatus used in a cogeneration system, in which a fuel cell can be used as a power generation apparatus, a compressor can be driven by DC power of the power generation apparatus, and the like.

特開平8−5190号公報JP-A-8-5190 特開2003−130491号公報JP 2003-130491 A 特開2003−222429号公報JP 2003-222429 A

ヒートポンプ式熱源装置において、特許文献1に記載のように、燃料電池の直流電力を交流に変換して交流駆動の圧縮機を駆動する形態のものは、前記のように交流駆動の圧縮機の効率が高くないことから、熱効率の観点からは十分なものとはいえない。特許文献3に提案されているように、燃料電池からの直流電力で直流圧縮機を駆動することにより、高い熱効率が得られるものと期待できる。   In the heat pump heat source device, as described in Patent Document 1, the configuration in which the direct current power of the fuel cell is converted into alternating current to drive the alternating current drive compressor is the efficiency of the alternating current drive compressor as described above. Is not high from the viewpoint of thermal efficiency. As proposed in Patent Document 3, it is expected that high thermal efficiency can be obtained by driving a DC compressor with DC power from a fuel cell.

しかし、空調システム等で用いるヒートポンプ式熱源装置では、実運用下においては頻繁にON/OFFが繰り返されることや空調システム側での出力変動幅も大きいこと等から、それに対応して燃料電池の運転制御を適切に行うことが困難なこと、また、商用ビルのような比較的規模の大きい空調システムの運転電力を燃料電池からの発電電力でまかなう場合には、発電効率の高い燃料電池を用いないと、全体として実用に耐えるだけの高い運転効率を得られないこと、などの理由から、燃料電池を電源として駆動するヒートポンプ式熱源装置にはまだ解決すべき課題が多く残っており、実用レベルには達していないのが実情である。   However, in heat pump heat source devices used in air conditioning systems, etc., the fuel cell operation is corresponding to the fact that the ON / OFF is frequently repeated under actual operation and the output fluctuation range on the air conditioning system side is large. When it is difficult to perform control properly, and when the operating power of a relatively large air conditioning system such as a commercial building is provided by the power generated from the fuel cell, a fuel cell with high power generation efficiency is not used. However, there are still many problems to be solved in the heat pump type heat source device that drives the fuel cell as a power source because it cannot obtain high operating efficiency enough to withstand practical use as a whole. The situation is not reached.

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池を含め装置全体としての運転制御が容易であり、かつ高い運転効率を達成することのできる、燃料電池を電源として駆動するヒートポンプ式熱源装置とその運転方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the circumstances as described above, and is easy to control the operation of the entire apparatus including the fuel cell, and can achieve high operating efficiency. The fuel cell is driven as a power source. An object of the present invention is to provide a heat pump type heat source device and an operation method thereof.

本発明は、燃料電池を電源として駆動するヒートポンプ式熱源装置であって、燃料電池は固体酸化物形燃料電池であり、固体酸化物形燃料電池の出力電圧を制御するDC−DCコンバータを備え、ヒートポンプの圧縮機はDC−DCコンバータで電圧制御された直流電力で駆動する直流圧縮機であり、かつ、固体酸化物形燃料電池の電力を蓄電可能な蓄電池を備えており、蓄電池からの電力によってもヒートポンプの圧縮機は作動可能となっていることを特徴とする。   The present invention is a heat pump heat source device that drives a fuel cell as a power source, the fuel cell is a solid oxide fuel cell, and includes a DC-DC converter that controls the output voltage of the solid oxide fuel cell, The compressor of the heat pump is a DC compressor that is driven by DC power that is voltage-controlled by a DC-DC converter, and includes a storage battery that can store the power of the solid oxide fuel cell. The heat pump compressor is also operable.

また、本発明は、固体酸化物形燃料電池を電源として駆動するヒートポンプ式熱源装置の運転方法であって、固体酸化物形燃料電池の発電電力をDC−DCコンバータを経由してヒートポンプの直流圧縮機に供給すると共に、固体酸化物形燃料電池の発電電力を蓄電池に蓄電しておき、ヒートポンプの負荷変動に対しては、蓄電池からの電力をヒートポンプの圧縮機に供給することによって、負荷変動に対する固体酸化物形燃料電池運転時の出力電力平準化を可能としたことを特徴とする。   The present invention also relates to an operation method of a heat pump heat source apparatus that drives a solid oxide fuel cell as a power source, and the generated power of the solid oxide fuel cell is compressed by a DC of the heat pump via a DC-DC converter. The power generated by the solid oxide fuel cell is stored in the storage battery, and the load from the heat pump is reduced by supplying the power from the storage battery to the compressor of the heat pump. The output power leveling during the operation of the solid oxide fuel cell is made possible.

本発明では、燃料電池として固体酸化物形燃料電池(SOFC)を採用する。その理由は、固体高分子形燃料電池(PEFC)やりん酸形燃料電池(PAFC)のような他の形態の燃料電池と比較して、固体酸化物形燃料電池は高い発電効率を持つこと、また、都市ガスをメタンまで改質すれば燃料ガスとして使用でき、簡便なシステム構成で低コストでの運転が可能なこと、などによる。   In the present invention, a solid oxide fuel cell (SOFC) is employed as the fuel cell. The reason is that solid oxide fuel cells have higher power generation efficiency compared to other types of fuel cells such as polymer electrolyte fuel cells (PEFC) and phosphoric acid fuel cells (PAFC). Moreover, if city gas is reformed to methane, it can be used as fuel gas, and it can be operated at low cost with a simple system configuration.

本発明では、固体酸化物形燃料電池の出力電圧を制御するDC−DCコンバータを備えるようにし、出入力電圧を適合させた状態の直流電力でヒートポンプの直流圧縮機を駆動する。DC−DCコンバータの変換効率は高く、かつ直流圧縮機の熱効率も交流駆動の圧縮機と比べて高いことから、運転効率の極めて高いヒートポンプ式熱源装置および運転方法とすることができる。   In the present invention, a DC-DC converter for controlling the output voltage of the solid oxide fuel cell is provided, and the DC compressor of the heat pump is driven by DC power in a state where the input / output voltage is adapted. Since the conversion efficiency of the DC-DC converter is high and the thermal efficiency of the DC compressor is higher than that of the AC-driven compressor, a heat pump heat source device and operation method with extremely high operation efficiency can be obtained.

一方において、固体酸化物形燃料電池は作動温度が700〜1000℃と高く、発電、発電停止、再発電のように発停の繰り返しが困難なこと、また、負荷変動に対する耐性も小さいこと、から、固体酸化物形燃料電池をヒートポンプ式熱源装置の電源として用いた場合、固体酸化物形燃料電池に大きなストレスがかかり運転が不安定となる恐れがある。それを回避して固体酸化物形燃料電池を安定的に運転するために、本発明の装置では、固体酸化物形燃料電池の電力を蓄電可能な蓄電池を備えるようにし、該蓄電池からの電力によってもヒートポンプの圧縮機を作動できるようにしている。   On the other hand, the solid oxide fuel cell has a high operating temperature of 700 to 1000 ° C., is difficult to repeat on / off like power generation, power generation stop, and re-power generation, and has low resistance to load fluctuations. When a solid oxide fuel cell is used as a power source for a heat pump heat source device, a large stress is applied to the solid oxide fuel cell and operation may become unstable. In order to avoid this and stably operate the solid oxide fuel cell, the apparatus of the present invention is provided with a storage battery capable of storing the power of the solid oxide fuel cell, and the power from the storage battery is used. Has also made it possible to operate the compressor of the heat pump.

この構成とすることにより、例えば、a.ヒートポンプ式熱源装置の起動時などのように固体酸化物形燃料電池が定常運転に至っていないときには、蓄電池からの電力のみで、あるいは不足分を蓄電池からの電力で補って運転する、b.固体酸化物形燃料電池が定常運転に入った状態では必要電力をすべて燃料電池から供給する、c.ヒートポンプ側の停止時等において余剰電力が発生したときには、その電力を蓄電池に蓄える、というように固体酸化物形燃料電池に過度のストレスをかけない状態で、ヒートポンプ式熱源装置を長時間にわたって運転することが可能となり、固体酸化物形燃料電池の運転を安定したものとすることができる。すなわち、負荷変動に対する固体酸化物形燃料電池運転の平準化が可能となる。   With this configuration, for example, a. When the solid oxide fuel cell does not reach steady operation, such as when the heat pump heat source device is started up, it is operated with only the electric power from the storage battery or with the shortage supplemented with the electric power from the storage battery, b. When the solid oxide fuel cell is in steady operation, all the necessary power is supplied from the fuel cell, c. When surplus power is generated when the heat pump is stopped, etc., the heat pump heat source device is operated for a long time without applying excessive stress to the solid oxide fuel cell, such as storing the power in the storage battery. This makes it possible to stabilize the operation of the solid oxide fuel cell. That is, it becomes possible to level the solid oxide fuel cell operation with respect to load fluctuations.

本発明の装置および方法において、AC−DCコンバータをさらに備えるようにし、必要に応じて系統電源を電圧制御した直流電力で直流圧縮機を駆動するとともに、必要に応じて固体酸化物形燃料電池の電力の余剰分を系統連系などにより交流電力として出力できるようにすることは、好ましい態様である。   In the apparatus and method of the present invention, an AC-DC converter is further provided, and if necessary, the DC compressor is driven by DC power obtained by controlling the voltage of the system power supply, and if necessary, the solid oxide fuel cell It is a preferable aspect that the surplus power can be output as AC power by grid connection or the like.

この態様では、固体酸化物形燃料電池、および/または蓄電池からの供給電力で対処できないほどのピーク負荷が生じることが予測されるような場合には、系統電源を利用し、それをAC−DCコンバータで直流電力に変換して、ヒートポンプの圧縮機に供給することが可能となり、また、急激に空調負荷が低下した場合、固体酸化物形燃料電池からの供給電力を系統連系などにより(例えば、DC−ACコンバータ(インバータ)で)交流電力に変換して、電力系統や交流負荷に供給する手段を設けることもできる。これにより、固体酸化物形燃料電池に多大にストレスをかけることなくシステム全体の運用が可能となる。   In this aspect, when it is predicted that a peak load that cannot be dealt with by the power supplied from the solid oxide fuel cell and / or the storage battery will occur, the system power source is used, and the AC-DC is used. It can be converted to DC power by a converter and supplied to the compressor of the heat pump, and when the air conditioning load suddenly decreases, the power supplied from the solid oxide fuel cell is connected to the grid (for example, It is also possible to provide means for converting to AC power by a DC-AC converter (inverter) and supplying it to the power system or AC load. As a result, the entire system can be operated without significantly stressing the solid oxide fuel cell.

本発明の装置において、蓄電池として、固体酸化物形燃料電池からの余剰電力を蓄電可能な蓄電池に加えて、例えばエレベータの回生電力を蓄電する回生電力蓄電用の蓄電池をさらに設け、双方の蓄電池を共用できるようにしておいてもよい。この形態では、例えば夜間に蓄えられる固体酸化物形燃料電池からの電力とエレベータ側の回生電力とを、ヒートポンプの圧縮機と共にエレベータ側の巻上機でも利用できことが可能となり、蓄電池運転の平準化が図られて、それぞれのシステムを有効かつ効率よく運転することが可能となる。固体酸化物形燃料電池の余剰電力を蓄電する蓄電池に前記回生電力をも蓄電できるようにしておいても、同様な作用効果が得られる。   In the apparatus of the present invention, as a storage battery, in addition to a storage battery capable of storing surplus power from a solid oxide fuel cell, for example, a storage battery for storing regenerative power for storing regenerative power of an elevator is further provided, and both storage batteries are provided. You may be able to share it. In this mode, for example, the power from the solid oxide fuel cell stored at night and the regenerative power on the elevator side can be used in the elevator hoist along with the compressor of the heat pump. Therefore, each system can be operated effectively and efficiently. Even if the regenerative power can be stored in the storage battery that stores the surplus power of the solid oxide fuel cell, the same effect can be obtained.

本発明の装置は、好ましくは、ヒートポンプの運転状態を予測する運転状態予測手段と、運転状態予測手段からの情報により蓄電池の充電開始および蓄電池から圧縮機への給電開始を少なくとも制御する運転制御手段とをさらに備える。そして、前記給電制御手段は運転状態予測手段からの情報により固体酸化物形燃料電池の出力を調整する調整手段をさらに含むようにしてもよい。   The apparatus of the present invention is preferably an operation state prediction means for predicting the operation state of the heat pump, and an operation control means for controlling at least the start of charging of the storage battery and the start of power supply from the storage battery to the compressor based on information from the operation state prediction means. And further comprising. The power supply control means may further include an adjustment means for adjusting the output of the solid oxide fuel cell based on information from the operating state prediction means.

このような予測手段および運転制御手段を備えることにより、固体酸化物形燃料電池を定格で安定的に運転することが一層容易となる。運転状態予測手段の一例として、例えばヒートポンプ式熱源装置が空調システムでのものである場合、室温、湿度等の室内環境データを捕捉する手段と、過去の当該建物の負荷データとを対比して今後の運転パターンを予測する手段とからなるような予測手段が挙げられる。また、季節別の代表的もしくは固有の負荷データからその後の運転パターンを予測する手段なども挙げられる。   By providing such prediction means and operation control means, it becomes even easier to operate the solid oxide fuel cell stably at the rated value. As an example of the operation state prediction means, for example, when the heat pump heat source device is an air conditioning system, the means for capturing room environment data such as room temperature and humidity and the load data of the building in the past will be compared in the future. And a predicting means including a means for predicting the driving pattern. In addition, a means for predicting a subsequent driving pattern from representative or unique load data for each season is also included.

運転制御手段は、運転状態予測手段からの情報に基づいて、蓄電池の充電開始時期や蓄電池から圧縮機への給電開始タイミングなどを制御するものであり、例えば、固体酸化物形燃料電池の定格運転下において、運転状態予測手段が負荷増大を予測した場合には、蓄電池からの電力供給が可能なように準備をしておき、負荷増大時に蓄電池から圧縮機への給電を開始する、あるいは、負荷低下を予測した場合には、蓄電池の蓄電準備を整えておき、負荷が低下して余剰電力が生じたときに、余剰電力を直ちに蓄電池への蓄電に振り向ける、などの制御を行う。このような手段を設けることにより、固体酸化物形燃料電池と蓄電池を統合して制御することが容易となり、固体酸化物形燃料電池を安定的かつ効率よく運転することが可能となる。   The operation control means controls the charging start timing of the storage battery and the power supply start timing from the storage battery to the compressor based on the information from the operating state prediction means. For example, the rated operation of the solid oxide fuel cell Below, when the operation state predicting means predicts an increase in load, prepare to enable power supply from the storage battery, and start power supply from the storage battery to the compressor when the load increases, or load When a decrease is predicted, the storage battery is prepared for storage, and when the load decreases and surplus power is generated, control is performed such that the surplus power is immediately diverted to storage in the storage battery. By providing such means, it becomes easy to integrate and control the solid oxide fuel cell and the storage battery, and the solid oxide fuel cell can be operated stably and efficiently.

本発明によれば、ベースとなる電力として固体酸化物形燃料電池からの電力を用い、かつ固体酸化物形燃料電池の安定した運転を継続することが可能となるので、結果として、総量としてのCO削減効果ならびに省エネルギー効果ももたらされ、環境に優しいものとなる。 According to the present invention, it is possible to use the power from the solid oxide fuel cell as the base power and continue the stable operation of the solid oxide fuel cell. A CO 2 reduction effect and an energy saving effect are also brought about, which is environmentally friendly.

なお、本発明による燃料電池を電源として駆動するヒートポンプ式熱源装置とその運転方法は、空調システムについてはもちろん、冷凍ショーケースなどの熱源装置についても、そのままで適用できるなど、幅広い応用が可能である。   In addition, the heat pump type heat source device that drives the fuel cell according to the present invention as a power source and the operation method thereof can be applied to a heat source device such as a refrigeration showcase as well as an air conditioning system, and can be widely applied. .

本発明によれば、燃料電池を電源として駆動するヒートポンプ式熱源装置において、燃料電池に高いストレスをかけることなく装置全体を運転制御することができ、かつ高い運転効率を得ることができる。そのために、本発明によるヒートポンプ式熱源装置は、燃料電池の電力をベースとなる駆動源としながら、きわめて実用性の高いものとなる。   According to the present invention, in a heat pump heat source device that drives a fuel cell as a power source, the entire device can be controlled without applying high stress to the fuel cell, and high operating efficiency can be obtained. For this reason, the heat pump heat source device according to the present invention has extremely high practicality while using the power of the fuel cell as a base drive source.

以下、図面を参照しながら本発明を実施の形態に基づき説明する。図1は本発明によるヒートポンプ式熱源装置を空調に用いた場合のシステム構成の一例を示すブロック図であり、図2は図1に示すシステム構成において回生電力を利用する場合の蓄電池の状態を説明する図である。図3は図1に示すシステム構成において運転状態予測手段の一例を備えた場合のブロック図であり、図4は図3に示したシステムの運転シーケンスの概要を示すフローチャートである。   Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing an example of a system configuration when the heat pump heat source apparatus according to the present invention is used for air conditioning, and FIG. 2 explains the state of a storage battery when using regenerative power in the system configuration shown in FIG. It is a figure to do. FIG. 3 is a block diagram in the case where an example of the operation state prediction means is provided in the system configuration shown in FIG. 1, and FIG. 4 is a flowchart showing an outline of the operation sequence of the system shown in FIG.

図1において、1は固体酸化物形燃料電池(SOFC)設備であり、固体酸化物形燃料電池2はこの空調装置でのベースとなる電源を発電し供給する。限定されるものではないが、燃料ガスとして都市ガスが用いられており、供給される都市ガスは固体酸化物形燃料電池設備1内においてメタンに改質され、固体酸化物形燃料電池2の燃料極に送られる。   In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a solid oxide fuel cell (SOFC) facility, and a solid oxide fuel cell 2 generates and supplies power as a base in this air conditioner. Although not limited, city gas is used as fuel gas, and the supplied city gas is reformed into methane in the solid oxide fuel cell facility 1, and the fuel of the solid oxide fuel cell 2. Sent to the pole.

3はDC−DCコンバータであり、固体酸化物形燃料電池2が発電した直流電力の電圧調整を行う。4は空調用室外機であり、直流圧縮機5aを備えたヒートポンプを持つ。直流圧縮機5aにはDC−DCコンバータ3で電圧制御された直流電力が供給される。必須のものではないが、図示の空調用室外機4は第2の直流圧縮機5bを備えており、例えばピーク負荷時などに、系統電力がAC−DCコンバータ(双方向インバータ)6を介して供給される。また、急激に空調負荷が低下したような場合、固体酸化物形燃料電池2からの供給電力をDC−ACコンバータ6で交流電力に変換して、電力系統や交流負荷に供給する。   A DC-DC converter 3 adjusts the voltage of the direct-current power generated by the solid oxide fuel cell 2. Reference numeral 4 denotes an outdoor unit for air conditioning, which has a heat pump provided with a DC compressor 5a. The direct current power controlled by the DC-DC converter 3 is supplied to the direct current compressor 5a. Although not shown, the illustrated outdoor unit 4 for air conditioning is provided with a second DC compressor 5 b, and the system power is supplied via an AC-DC converter (bidirectional inverter) 6 during peak load, for example. Supplied. Further, when the air conditioning load suddenly decreases, the power supplied from the solid oxide fuel cell 2 is converted into AC power by the DC-AC converter 6 and supplied to the power system and AC load.

7は蓄電池であり、立ち上げ時などの固体酸化物形燃料電池2が定常運転に到達していないときなどに、圧縮機5aに直流電力を供給する。固体酸化物形燃料電池2が定常運転に到達時点で、蓄電池7からの電力供給を停止する。固体酸化物形燃料電池2の定常運転時に、空調側の負荷が小さくなり、固体酸化物形燃料電池2の発電量に余剰電力が生じたときには、その余剰電力を蓄電池7に蓄電し、次ぎに備える。   Reference numeral 7 denotes a storage battery, which supplies DC power to the compressor 5a when the solid oxide fuel cell 2 has not reached steady operation, such as at startup. When the solid oxide fuel cell 2 reaches steady operation, the power supply from the storage battery 7 is stopped. When the load on the air conditioning side is reduced during the steady operation of the solid oxide fuel cell 2 and surplus power is generated in the power generation amount of the solid oxide fuel cell 2, the surplus power is stored in the storage battery 7, and then Prepare.

商用ビルなどにおいては、夜間に空調を停止することが起こるが、その場合でも、固体酸化物形燃料電池2はその特性上から発電を停止することはできず、最少出力での運転を行うこととなる。その電力を蓄電池7に蓄電しておく。ビルでの空調を開始するときに、固体酸化物形燃料電池2は低出力状態にあり、圧縮機5aに必要な電力を迅速に供給することができないため、不足する電力を夜間に充電しておいた蓄電池7から圧縮機5aに供給する。それにより、空調側では十分な立ち上がり運転が可能となり、固体酸化物形燃料電池2側では負荷変動による過剰なストレスが生じるのは回避できる。また、不要に固体酸化物形燃料電池2の運転を断続することも回避でき、固体酸化物形燃料電池2を安定的に運転することが可能となる。   In commercial buildings, etc., air conditioning is sometimes stopped at night, but even in that case, the solid oxide fuel cell 2 cannot stop power generation due to its characteristics, and must be operated at the minimum output. It becomes. The electric power is stored in the storage battery 7. When the air conditioning in the building is started, the solid oxide fuel cell 2 is in a low output state and cannot supply the necessary power to the compressor 5a quickly. The stored battery 7 is supplied to the compressor 5a. As a result, a sufficient start-up operation is possible on the air conditioning side, and excessive stress due to load fluctuations can be avoided on the solid oxide fuel cell 2 side. In addition, it is possible to avoid intermittently interrupting the operation of the solid oxide fuel cell 2 and to stably operate the solid oxide fuel cell 2.

固体酸化物形燃料電池2は高い発電効率を持ち、DC−DCコンバータ3の変換ロスはきわめて小さく、直流圧縮機5aの持つ効率は極めて大きい。そのために、上記の空調装置は全体として高い効率での運転が可能となる。また、固体酸化物形燃料電池2を安定的に継続運転することができるので、長期間にわたって低コストとでの空調運転が可能となる。   The solid oxide fuel cell 2 has high power generation efficiency, the conversion loss of the DC-DC converter 3 is extremely small, and the efficiency of the DC compressor 5a is extremely large. Therefore, the above air conditioner can be operated with high efficiency as a whole. In addition, since the solid oxide fuel cell 2 can be stably operated continuously, it is possible to perform an air conditioning operation at a low cost over a long period of time.

前記したように、図1に示す装置では、第2の直流圧縮機5bを備えており、設計値以上のピーク負荷が一時的に空調側にかかったときには、系統電源からの電力で第2の直流圧縮機5bをも作動させる。それにより、固体酸化物形燃料電池2に過剰なストレスをかけることなく、過剰なピーク負荷を乗り切ることもできる。また、逆も可能であり、空調負荷が急激に小さくなった場合には、燃料電池からの余剰電力を蓄電池7、もしくはAC−DCコンバータ(双方向インバータ)6を介して系統側に供給することも可能である。   As described above, the apparatus shown in FIG. 1 includes the second DC compressor 5b, and when the peak load exceeding the design value is temporarily applied to the air conditioning side, the second power is supplied from the system power supply. The DC compressor 5b is also operated. Thereby, an excessive peak load can be overcome without applying excessive stress to the solid oxide fuel cell 2. In addition, the reverse is also possible, and when the air conditioning load suddenly decreases, surplus power from the fuel cell is supplied to the system side via the storage battery 7 or the AC-DC converter (bidirectional inverter) 6. Is also possible.

また、図1に示す装置では、空調用室外機4のヒートポンプで使用する冷媒によって固体酸化物形燃料電池2からの排ガスあるいは大気から水分を回収し、それを固体酸化物形燃料電池2側での都市ガスの改質用水として利用するようにしている。これによっても、システム全体の熱効率を改善することができる。   Further, in the apparatus shown in FIG. 1, moisture is recovered from exhaust gas or air from the solid oxide fuel cell 2 by the refrigerant used in the heat pump of the outdoor unit 4 for air conditioning, and this is recovered on the solid oxide fuel cell 2 side. It is used as water for reforming city gas. This can also improve the thermal efficiency of the entire system.

商用ビルにはエレベータが設けてあり、エレベータ巻上機から生じる下げ荷時の回生電力を蓄電する蓄電池が通常設けられている。本発明によるヒートポンプ式熱源装置を同じビルの空調設備に利用する場合には、そのようなエレベータ回生電力蓄電用の蓄電池をヒートポンプ式熱源装置用の蓄電池7と共用することもできる。また、図2に示すように、ヒートポンプ式熱源装置用の蓄電池7に直接エレベータ巻上機8からのエレベータ回生電力を蓄電するようにしてもよい。前記した夜間に蓄えられる固体酸化物形燃料電池2からの電力とエレベータ側の回生電力とを、圧縮機5aと共にエレベータ巻上機8でも利用できるようにすることにより、それぞれのシステムを有効かつ効率よく運転することが可能となる。   An elevator is provided in a commercial building, and a storage battery for storing regenerative electric power at the time of unloading generated from the elevator hoisting machine is usually provided. When the heat pump heat source device according to the present invention is used for air conditioning equipment in the same building, such a storage battery for elevator regenerative power storage can be shared with the storage battery 7 for the heat pump heat source device. Further, as shown in FIG. 2, the regenerative electric power from the elevator hoisting machine 8 may be directly stored in the storage battery 7 for the heat pump heat source device. By making the power from the solid oxide fuel cell 2 stored at night and the regenerative power on the elevator side available to the elevator hoist 8 together with the compressor 5a, each system can be effectively and efficiently used. It is possible to drive well.

図3は、本発明によるヒートポンプ式熱源装置を空調装置に用いる場合の他の例を示しており、ここでは、ヒートポンプの運転状態を予測する運転状態予測手段と、運転状態予測手段からの情報により蓄電池の充電開始および蓄電池から圧縮機への給電開始等を制御する運転制御手段とをさらに備えている。図示の例では、これらの手段はCPUとして示されている。また、図3において、図1に示したものと同じ部材には、同じ符号を付している。   FIG. 3 shows another example of the case where the heat pump heat source device according to the present invention is used for an air conditioner. Here, the operation state prediction means for predicting the operation state of the heat pump and the information from the operation state prediction means are used. And an operation control means for controlling the start of charging of the storage battery and the start of power supply from the storage battery to the compressor. In the example shown, these means are shown as CPUs. In FIG. 3, the same members as those shown in FIG.

この例において、CPUには、空調を行う領域の室内環境データ(例えば、温度と湿度)に関する情報、一般的な運転パターンおよび過去の運転履歴による運転パターンに応じた建物負荷データに関する情報、蓄電池データ(例えば、蓄電残量、電圧Vb)に関する情報、DC−DCコンバータデータ(例えば、出口電圧Vs)に関する情報、が取り込まれる。CPUは室内環境データと建物負荷データを対比させ、今後の運転パターンを予測する。   In this example, the CPU includes information related to indoor environment data (for example, temperature and humidity) in an area to be air-conditioned, information related to building load data according to general operation patterns and operation patterns based on past operation history, and storage battery data. Information relating to (for example, the remaining amount of power storage, voltage Vb) and information relating to DC-DC converter data (eg, outlet voltage Vs) are captured. The CPU compares the indoor environment data with the building load data and predicts a future driving pattern.

さらにCPUは、現在の運転モードと、予測した今後の運転パターンと、蓄電池データとを対比して、固体酸化物形燃料電池2に過度のストレスがかからない運転状態を選択する。より具体的には、前記したように、固体酸化物形燃料電池2と蓄電池7のどちらを優先して運転するのが適切か、あるいは、双方からの電力供給を行うのが適切か、などを選択する。また、蓄電池の蓄電状況により、どの時点で蓄電を行うことが必要かもなども判断する。   Further, the CPU compares the current operation mode, the predicted future operation pattern, and the storage battery data, and selects an operation state in which the solid oxide fuel cell 2 is not excessively stressed. More specifically, as described above, whether the solid oxide fuel cell 2 or the storage battery 7 should be operated with priority, or whether it is appropriate to supply power from both sides, etc. select. In addition, it is also determined at what point it is necessary to store electricity depending on the storage status of the storage battery.

固体酸化物形燃料電池2と蓄電池7のどちらを優先して運転するかは、例えば、CPUがDC−DCコンバータデータ3の出口電圧Vsを調圧制御により行うことができる。出口電圧Vs>蓄電池電圧Vbであれば固体酸化物形燃料電池優先運転となり、逆の場合、すなわち出口電圧Vs<蓄電池電圧Vbであれば蓄電池優先運転となる。   Whether the solid oxide fuel cell 2 or the storage battery 7 is preferentially operated can be determined, for example, by the CPU by adjusting the outlet voltage Vs of the DC-DC converter data 3 by the CPU. If the outlet voltage Vs> the storage battery voltage Vb, the solid oxide fuel cell is preferentially operated. In the opposite case, that is, if the outlet voltage Vs <the storage battery voltage Vb, the storage battery is preferentially operated.

さらに、CPUは、固体酸化物形燃料電池2の運転出力についても、予測した今後の運転パターンと蓄電池状況によって、最適な運転出力状況が得られるように調整する。   Further, the CPU adjusts the operation output of the solid oxide fuel cell 2 so that an optimum operation output state can be obtained according to the predicted future operation pattern and storage battery state.

このように、今後の運転パターンを加味した運転制御を行うことにより、固体酸化物形燃料電池2の安定運転と蓄電池7を有効利用した省エネルギー運転を実現することが可能となる。   In this way, by performing operation control that takes into account future operation patterns, it is possible to realize stable operation of the solid oxide fuel cell 2 and energy-saving operation that effectively uses the storage battery 7.

図4に示すフローチャートにより、ヒートポンプ式熱源装置の運転シーケンスの一例をより詳しく説明する。なお、図4は固体酸化物形燃料電池(SOFC)2と蓄電池7とヒートポンプ式熱源装置を組み合わせたシステムの例であり、これを基本として系統交流電力とのやりとりを追加することも可能である。   An example of the operation sequence of the heat pump heat source apparatus will be described in more detail with reference to the flowchart shown in FIG. FIG. 4 shows an example of a system in which a solid oxide fuel cell (SOFC) 2, a storage battery 7, and a heat pump type heat source device are combined. Based on this, it is also possible to add exchange with system AC power. .

S1でCPUは運転モードの確認を行う。システムが停止中かどうかを判断し(S2)、停止中であれば、蓄電池充電状況を確認する(S3)。確認は蓄電池7がフル充電か否かで行い(S4)、フル充電でありかつシステムが停止中を継続する場合には、SOFCの運転を停止する(S5)。フル充電でない場合にはSOFC2の最低負荷での運転を継続し(S6)、蓄電池がフル充電になるのを待つ。   In S1, the CPU confirms the operation mode. It is determined whether or not the system is stopped (S2). If the system is stopped, the state of charge of the storage battery is confirmed (S3). The confirmation is made based on whether or not the storage battery 7 is fully charged (S4). When the battery is fully charged and the system continues to be stopped, the operation of the SOFC is stopped (S5). If the battery is not fully charged, the operation at the minimum load of the SOFC 2 is continued (S6), and the battery is waited until it is fully charged.

システムが稼働している場合には、CPUは起動中かどうかを判断する(S11)。起動中の場合には、CPUは大きな運転変化率が予測されるかどうか、すなわち起動初期かどうかを判断する(S31)。大きな変化が予測される場合(起動初期の場合)には、蓄電池充電状況の確認を行う(S32)。充電の有無を判断し(S33)、充電されていれば、蓄電池よりDC−DCコンバータ3への給電を開始し(S34)、さらに運転を継続する。充電されていない場合には、SOFC2に過剰のストレスを与えることが予測されるので、起動を停止する(S35)。   If the system is operating, the CPU determines whether it is running (S11). In the case of activation, the CPU determines whether or not a large operation change rate is predicted, that is, whether or not the activation is in the initial stage (S31). When a large change is predicted (in the initial stage of startup), the storage battery charging status is confirmed (S32). The presence / absence of charge is determined (S33). If the battery is charged, power supply from the storage battery to the DC-DC converter 3 is started (S34), and the operation is continued. If the battery is not charged, it is predicted that excessive stress will be applied to the SOFC 2, so the activation is stopped (S 35).

S31で予測される変化率が大きくない場合、すなわち起動後期の場合には、CPUは同様に蓄電池充電状況の確認を行い(S36)、充電の有無を判断する(S37)、充電されていれば、蓄電池よりDC−DCコンバータ3への給電を開始し(S38)、さらに運転を継続する。充電されていない場合には、SOFC2の立ち上げは後期に入っておりそのまま運転を継続してもSOFC2には大きなストレスはかからないので、SOFC2による給電を開始すると同時に、蓄電池の充電も行いながら(S40)、運転を継続する。   When the rate of change predicted in S31 is not large, that is, in the late stage of startup, the CPU similarly checks the storage battery charging status (S36), determines whether or not charging is performed (S37), and if charged. Then, power supply from the storage battery to the DC-DC converter 3 is started (S38), and the operation is continued. If the battery is not charged, the SOFC 2 has started up late and no significant stress is applied to the SOFC 2 even if the operation is continued. Therefore, while the power supply by the SOFC 2 is started, the storage battery is charged (S40). ) Continue driving.

上記のようにして起動後の定常運転が進行している過程で、CPUはヒートポンプ式熱源装置の運転変化率の予測を行う(S36)。出力増加があるかどうかを予測し(S13)、大きな出力増加が予測されたときには、蓄電池充電状況を確認する(S14)。確認は蓄電池7がフル充電か否かで行い(S15)、フル充電の場合はそのまま待機(運転を継続)し、負荷が増大したときに蓄電池7の電力を放電して圧縮機5aに電力を追加供給する(S16)。その状態で運転を継続する。S15でフル充電でない場合には、SOFC2の運転を継続すると同時に、蓄電池の充電も行う(S17)。その状態で運転を継続する。   In the process of steady operation after startup as described above, the CPU predicts the operation change rate of the heat pump heat source device (S36). Whether or not there is an increase in output is predicted (S13), and when a large increase in output is predicted, the state of charge of the storage battery is confirmed (S14). The confirmation is made based on whether or not the storage battery 7 is fully charged (S15). If the storage battery is fully charged, the battery is kept on standby (continues operation), and when the load increases, the storage battery 7 is discharged to supply power to the compressor 5a. Additional supply is performed (S16). Continue driving in that state. If the battery is not fully charged in S15, the operation of the SOFC 2 is continued and the storage battery is also charged (S17). Continue driving in that state.

S13で出力増加がないまたは小さいと予測したときにも、CPUは蓄電池充電状況を確認する(S18)。この場合、確認は蓄電池7が充電されているか否かで行い(S19)、充電されている場合は、運転を継続しつつ蓄電池7から給電して強制放電し蓄電池をほぼ空にしておく(S20)。これは、負荷減少時に、SOFC2からの余剰となる電力を蓄電するための準備であり、このステップを踏むことにより、負荷減少時にSOFC2の出力を低下する運転制御を回避できる。S19で蓄電池7が充電なしの場合には、そのままSOFC2での運転を継続する(S21)。   Even when it is predicted that there is no increase or small output in S13, the CPU confirms the state of charge of the storage battery (S18). In this case, the confirmation is made based on whether or not the storage battery 7 is charged (S19). If the storage battery 7 is charged, power is supplied from the storage battery 7 while the operation is continued, and the storage battery 7 is almost discharged (S20). ). This is a preparation for accumulating surplus power from the SOFC 2 when the load is reduced. By taking this step, it is possible to avoid operation control that reduces the output of the SOFC 2 when the load is reduced. If the storage battery 7 is not charged in S19, the operation with the SOFC 2 is continued as it is (S21).

上記のようなステップを踏んで本発明によるヒートポンプ式熱源装置の運転を行うことにより、発停が困難でありかつ負荷変動耐性の小さい固体酸化物形燃料電池(SOFC)2を、負荷変動に応じて頻繁に断続したり、大きく出力調整したりすることなく、固体酸化物形燃料電池(SOFC)2を最も安定的かつ効率よく運転する、すなわち運転の平準化を図ることができる。また、固体酸化物形燃料電池(SOFC)2と蓄電池7を統合的に制御することで、蓄電池運転の平準化も図ることができる。   By operating the heat pump heat source device according to the present invention through the steps as described above, a solid oxide fuel cell (SOFC) 2 that is difficult to start and stop and has low load fluctuation resistance can be obtained in accordance with load fluctuations. Thus, the solid oxide fuel cell (SOFC) 2 can be operated most stably and efficiently, that is, the operation can be leveled, without frequent interruption or large output adjustment. Further, by controlling the solid oxide fuel cell (SOFC) 2 and the storage battery 7 in an integrated manner, the operation of the storage battery can be leveled.

本発明によるヒートポンプ式熱源装置を空調に用いた場合のシステム構成の一例を示すブロック図。The block diagram which shows an example of the system configuration at the time of using the heat pump type heat source apparatus by this invention for an air conditioning. 図1に示すシステム構成において回生電力を利用する場合の蓄電池の状態を説明する図。The figure explaining the state of a storage battery in the case of using regenerative electric power in the system configuration | structure shown in FIG. 図1に示すシステム構成において運転状態予測手段をさらに備えた場合のブロック図。The block diagram at the time of further providing the driving | running state prediction means in the system configuration | structure shown in FIG. 図3に示したシステムの運転シーケンスの概要を示すフローチャート。The flowchart which shows the outline | summary of the driving | operation sequence of the system shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1…固体酸化物形燃料電池(SOFC)設備、2…固体酸化物形燃料電池(SOFC)、3…DC−DCコンバータ、4…空調用室外機、5a,5b…ヒートポンプ用直流圧縮機、6…AC−DCコンバータ(双方向インバータ)、7…蓄電池、8…エレベータ巻上機 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Solid oxide fuel cell (SOFC) equipment, 2 ... Solid oxide fuel cell (SOFC), 3 ... DC-DC converter, 4 ... Outdoor unit for air conditioning, 5a, 5b ... DC compressor for heat pump, 6 ... AC-DC converter (bidirectional inverter), 7 ... Storage battery, 8 ... Elevator hoisting machine

Claims (8)

燃料電池を電源として駆動するヒートポンプ式熱源装置であって、燃料電池は固体酸化物形燃料電池であり、固体酸化物形燃料電池の出力電圧を制御するDC−DCコンバータを備え、ヒートポンプの圧縮機はDC−DCコンバータで電圧制御された直流電力で駆動する直流圧縮機であり、かつ、固体酸化物形燃料電池の電力を蓄電可能な蓄電池を備えており、蓄電池からの電力によってもヒートポンプの圧縮機は作動可能となっていることを特徴とするヒートポンプ式熱源装置。   A heat pump heat source device that drives a fuel cell as a power source, the fuel cell being a solid oxide fuel cell, comprising a DC-DC converter that controls the output voltage of the solid oxide fuel cell, and a heat pump compressor Is a DC compressor that is driven by DC power that is voltage-controlled by a DC-DC converter, and has a storage battery that can store the power of the solid oxide fuel cell. The heat pump can also be compressed by the power from the storage battery. A heat pump heat source device characterized in that the machine is operable. AC−DCコンバータをさらに備え、必要に応じて系統電源を電圧制御した直流電力で直流圧縮機を駆動するとともに、必要に応じて固体酸化物形燃料電池の電力の余剰分を系統連系などにより交流電力として出力可能となっていることを特徴とする請求項1に記載のヒートポンプ式熱源装置。   An AC-DC converter is further provided, and the DC compressor is driven by DC power whose voltage is controlled by the system power supply as required, and surplus power of the solid oxide fuel cell is supplied by system interconnection as necessary. The heat pump type heat source device according to claim 1, wherein the heat pump type heat source device can be output as AC power. 回生電力蓄電用の蓄電池をさらに備え、回生電力蓄電用の蓄電池と固体酸化物形燃料電池の電力を蓄電する蓄電池とは共用可能となっていることを特徴とする請求項1または2に記載のヒートポンプ式熱源装置。   The storage battery for regenerative power storage is further provided, and the storage battery for storing regenerative power and the storage battery for storing the power of the solid oxide fuel cell can be used in common. Heat pump type heat source device. 固体酸化物形燃料電池の電力を蓄電可能な蓄電池は回生電力をも蓄電できるようにされていることを特徴とする請求項1または2に記載のヒートポンプ式熱源装置。   The heat pump heat source apparatus according to claim 1 or 2, wherein the storage battery capable of storing electric power of the solid oxide fuel cell is also configured to store regenerative power. ヒートポンプの運転状態を予測する運転状態予測手段と、運転状態予測手段からの情報により蓄電池の充電開始および蓄電池から圧縮機への給電開始を少なくとも制御する運転制御手段とをさらに備えることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のヒートポンプ式熱源装置。   An operation state prediction means for predicting the operation state of the heat pump, and an operation control means for controlling at least the start of charging of the storage battery and the start of power supply from the storage battery to the compressor based on information from the operation state prediction means, The heat pump type heat source device according to any one of claims 1 to 4. 給電制御手段は運転状態予測手段からの情報により固体酸化物形燃料電池の出力を調整する調整手段をさらに含むことを特徴とする請求項5に記載のヒートポンプ式熱源装置。   6. The heat pump heat source apparatus according to claim 5, wherein the power supply control means further includes adjustment means for adjusting the output of the solid oxide fuel cell based on information from the operating state prediction means. 固体酸化物形燃料電池を電源として駆動するヒートポンプ式熱源装置の運転方法であって、固体酸化物形燃料電池の発電電力をDC−DCコンバータを経由してヒートポンプの直流圧縮機に供給すると共に、固体酸化物形燃料電池の発電電力を蓄電池に蓄電しておき、ヒートポンプの負荷変動に対しては、蓄電池からの電力をヒートポンプの圧縮機に供給することによって、負荷変動に対する固体酸化物形燃料電池運転の平準化を可能としたことを特徴とするヒートポンプ式熱源装置の運転方法。   An operation method of a heat pump heat source device that drives a solid oxide fuel cell as a power source, and supplies generated power of the solid oxide fuel cell to a DC compressor of the heat pump via a DC-DC converter, The power generated by the solid oxide fuel cell is stored in a storage battery, and for the load fluctuation of the heat pump, the power from the storage battery is supplied to the compressor of the heat pump, so that the solid oxide fuel cell against the load fluctuation An operation method of a heat pump heat source device, characterized in that the operation can be leveled. AC−DCコンバータをさらに備え、必要に応じて系統電源を電圧制御した直流電力で直流圧縮機を駆動するとともに、必要に応じて固体酸化物形燃料電池の電力の余剰分を系統連系などにより交流電力として出力することを特徴とする請求項7に記載のヒートポンプ式熱源装置の運転方法。   An AC-DC converter is further provided, and the DC compressor is driven by DC power whose voltage is controlled by the system power supply as required, and surplus power of the solid oxide fuel cell is supplied by system interconnection as necessary. It outputs as alternating current power, The operating method of the heat pump type heat source apparatus of Claim 7 characterized by the above-mentioned.
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