JP2008066016A - Operation method of fuel cell system and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池システムの運転方法及び燃料電池システムに関し、特に蓄熱槽内に蓄熱可能な熱量を考慮して燃料電池システムの運転を効率よく行う燃料電池システムの運転方法及び燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system operation method and a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system operation method and a fuel cell system for efficiently operating a fuel cell system in consideration of the amount of heat that can be stored in a heat storage tank. is there.
近年の地球環境保全意識の高まりを背景に、地球温暖化抑制に資する燃料電池の普及が期待されている。燃料電池は水素と酸素との電気化学的反応により発電する電力を取り出す装置であり、電気化学的反応を行う際に熱を発生する。燃料電池の発電を継続するには燃料電池を所定の温度に維持する必要があるため、冷却水を供給して発生した熱を奪うことが行われている。そして燃料電池で発生した熱を有効利用すべく、冷却水を供給して奪った熱を蓄熱槽に蓄熱し、必要に応じて熱需要に供給するコージェネレーションシステムを構築するのが一般的である。一般に、蓄熱槽への蓄熱量には上限があり、燃料電池での発熱が熱需要よりも多く蓄熱量が上限に達した場合(このような状態は一般に「満蓄」といわれている。)は、燃料電池の運転を停止するか、燃料電池の運転を継続する場合はラジエータを用いるなどして放熱して燃料電池の冷却を可能な状態を維持する必要がある。あるいは、満蓄になるのを避けるために、燃料電池の発電出力を制限し、燃料電池からの熱回収量を減らすような運転(一般に「温熱抑制」といわれている。)をする必要がある。 With the recent increase in awareness of global environmental conservation, the spread of fuel cells that contribute to the prevention of global warming is expected. A fuel cell is a device that extracts electric power generated by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and generates heat when the electrochemical reaction is performed. In order to continue the power generation of the fuel cell, it is necessary to maintain the fuel cell at a predetermined temperature, so that the generated heat is taken away by supplying cooling water. And in order to effectively use the heat generated in the fuel cell, it is common to build a cogeneration system that supplies the cooling water and stores the heat taken away in the heat storage tank and supplies it to the heat demand as needed. . Generally, there is an upper limit to the amount of heat stored in the heat storage tank, and when the amount of heat generated in the fuel cell is greater than the heat demand, and the amount of stored heat reaches the upper limit (this state is generally referred to as “full storage”). Therefore, when the operation of the fuel cell is stopped, or when the operation of the fuel cell is continued, it is necessary to maintain a state in which the fuel cell can be cooled by radiating heat by using a radiator or the like. Alternatively, in order to avoid full storage, it is necessary to perform an operation (generally referred to as “thermal suppression”) that limits the power generation output of the fuel cell and reduces the amount of heat recovered from the fuel cell. .
従来、蓄熱槽が満蓄状態か否かは、蓄熱槽内に出入りする流体(蓄熱媒体)の温度を温度センサー等でそれぞれ検出して蓄熱槽内の蓄熱媒体の平均温度を求め、これを満蓄時の蓄熱媒体の温度と比較することにより検出されていた。そして、蓄熱槽への蓄熱可能な熱量は、蓄熱槽の、満蓄時の熱量と現在の蓄熱量との差で演算されていた。なお、蓄熱槽の、満蓄時の熱量及び現在の蓄熱量は、以下の式で算出される。ただし、蓄熱槽内の満蓄時の蓄熱媒体の温度をTf、蓄熱媒体の平均温度をTa、蓄熱媒体の基準温度をTb、蓄熱槽容量(有効容量)をVe、蓄熱媒体の比熱をCwで表す。なお、蓄熱媒体は典型的には水道水であり、このときの基準温度Tbは系外からコージェネレーションシステムに供給される際の水道水の温度である。
(満蓄時の熱量)=(Tf―Tb)×Ve×Cw
(現在の熱量)=(Ta―Tb)×Ve×Cw
Conventionally, whether or not the heat storage tank is fully charged is determined by detecting the temperature of the fluid (heat storage medium) entering and exiting the heat storage tank with a temperature sensor or the like to obtain the average temperature of the heat storage medium in the heat storage tank. It was detected by comparing with the temperature of the heat storage medium during storage. The amount of heat that can be stored in the heat storage tank has been calculated by the difference between the heat storage tank's full heat storage amount and the current heat storage amount. In addition, the heat amount at the time of full storage and the current heat storage amount of the heat storage tank are calculated by the following formula. However, Tf is the temperature of the heat storage medium at the time of full storage in the heat storage tank, Ta is the average temperature of the heat storage medium, Tb is the reference temperature of the heat storage medium, Ve is the heat storage tank capacity (effective capacity), and Cw is the specific heat of the heat storage medium. To express. The heat storage medium is typically tap water, and the reference temperature Tb at this time is the temperature of tap water when being supplied from outside the system to the cogeneration system.
(Amount of heat at full storage) = (Tf−Tb) × Ve × Cw
(Current heat amount) = (Ta−Tb) × Ve × Cw
しかしながら従来は、簡易的な温熱抑制の方法として蓄熱槽内の蓄熱媒体の平均温度が閾値を超えた場合に燃料電池の発電出力を抑制することがあったが、熱需要が小さい場合などは燃料電池の発電出力を抑制して運転時間を延長するよりも抑制させない方がシステムの発電効率及び熱回収効率共に高くなる(したがって省エネルギー性が高くなる)場合もあり、簡易的な温熱抑制は必ずしも効果的であるということはできなかった。 However, in the past, as a simple method of suppressing heat, the power generation output of the fuel cell was sometimes suppressed when the average temperature of the heat storage medium in the heat storage tank exceeded a threshold value. In some cases, both the power generation efficiency and heat recovery efficiency of the system will be higher (and therefore energy savings will be higher) if the power generation output of the system is not suppressed rather than extending the operating time, and simple thermal suppression is not necessarily effective. I couldn't say that.
本発明は上述の課題に鑑み、蓄熱槽内に蓄熱可能な熱量を考慮して燃料電池システムの運転を効率よく行うことができる燃料電池システムの運転方法及び燃料電池システムを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a fuel cell system operation method and a fuel cell system capable of efficiently operating a fuel cell system in consideration of the amount of heat that can be stored in a heat storage tank. To do.
上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明に係る燃料電池システムの運転方法は、例えば図1及び図2に示すように、水素と酸素との電気化学的反応により発電し発熱する燃料電池15と、燃料電池15で発生した熱を蓄える蓄熱槽31と、を有する燃料電池システム100の運転方法であって;過去の運転実績に基づいて、所定時間先までの、電力需要及び熱需要を予測する工程(S10)と;前記需要を予測する工程で得た結果に基づいて、燃料電池15の運転計画を作成する工程(S20)と;前記運転計画に基づいて燃料電池15を運転する工程(S30)とを備え;前記運転計画を作成する工程が、蓄熱槽31に蓄熱可能な燃料電池15の発熱量の範囲内で燃料電池15を運転する温熱抑制運転計画と、蓄熱槽31に蓄熱可能な燃料電池15の発熱量を考慮しない定常運転計画とを作成し、前記定常運転計画通りに燃料電池15を運転したと仮定したときよりも前記温熱抑制運転計画通りに燃料電池15を運転したと仮定したときの方が所定の基準に従って算出した値が向上する場合に前記温熱抑制運転計画を燃料電池15の運転の基礎となる運転計画とするように構成されている。
In order to achieve the above object, the fuel cell system operating method according to the first aspect of the present invention generates electricity by generating an electric power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, as shown in FIGS. 1 and 2, for example. An operation method of a
このように構成すると、定常運転計画通りに燃料電池を運転したと仮定したときよりも温熱抑制運転計画通りに燃料電池を運転したと仮定したときの方が所定の基準に従って算出した値が向上する場合に温熱抑制運転計画を燃料電池の運転の基礎となる運転計画とするので、燃料電池システムを効率よく運転することができる。 With this configuration, the value calculated according to the predetermined standard is improved when it is assumed that the fuel cell is operated according to the thermal suppression operation plan rather than when the fuel cell is assumed to be operated according to the steady operation plan. In this case, since the thermal heat suppression operation plan is an operation plan that is the basis of the operation of the fuel cell, the fuel cell system can be operated efficiently.
また、請求項2に記載の発明に係る燃料電池システムの運転方法は、請求項1に記載の燃料電池システムの運転方法において、前記所定の基準が、消費エネルギー削減に関する基準、コスト削減に関する基準、排出二酸化炭素削減に関する基準のうちのいずれかである。 The fuel cell system operating method according to claim 2 is the fuel cell system operating method according to claim 1, wherein the predetermined standard is a standard for energy consumption reduction, a standard for cost reduction, One of the standards for reducing carbon dioxide emissions.
このように構成すると、消費エネルギー削減に関する基準、コスト削減に関する基準、排出二酸化炭素削減に関する基準のうちから選択した要素に対して効果的な運転を実施する燃料電池システムの運転方法となる。 If comprised in this way, it will become a driving | running method of the fuel cell system which implements an effective driving | operation with respect to the element selected from the standard regarding energy consumption reduction, the standard regarding cost reduction, and the standard regarding emission carbon dioxide reduction.
また、請求項3に記載の発明に係る燃料電池システムの運転方法は、例えば図1に示すように、請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システムの運転方法において、蓄熱槽31に蓄熱可能な熱量が、蓄熱槽31を所定の数に区分した該区分ごとに算出した蓄熱可能な熱量の和で表される。
Moreover, the operation method of the fuel cell system according to the invention described in claim 3 is the operation method of the fuel cell system according to claim 1 or claim 2, for example, as shown in FIG. The amount of heat that can be stored is represented by the sum of the amount of heat that can be stored for each of the divisions obtained by dividing the
このように構成すると、蓄熱槽に蓄熱可能な熱量が、蓄熱槽を所定の数に区分した該区分ごとに算出した蓄熱可能な熱量の和で表されるので、蓄熱槽内の温度分布が崩れた場合でも適切な蓄熱可能熱量を算出することができる。 When configured in this way, the amount of heat that can be stored in the heat storage tank is represented by the sum of the amount of heat that can be stored for each division of the heat storage tank divided into a predetermined number, so the temperature distribution in the heat storage tank collapses. Even in the case that the amount of heat that can be stored is appropriate.
前記蓄熱槽を区分する際は、前記蓄熱媒体の導入口と導出口とを結ぶ線上で区分するようにしてもよい。 When the heat storage tank is divided, the heat storage tank may be divided on a line connecting the inlet and the outlet of the heat storage medium.
このように構成すると、蓄熱槽に形成された温度成層に沿った適切な蓄熱可能熱量を算出することができる。 If comprised in this way, the suitable amount of heat which can be stored heat along the temperature stratification formed in the thermal storage tank is computable.
上記目的を達成するために、請求項4に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図1に示すように、水素と酸素との電気化学的反応により発電し発熱する燃料電池15と;燃料電池15で発生した熱を蓄える蓄熱槽31と;請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システムの運転方法に従って燃料電池システム100を制御する制御装置50とを備える。
In order to achieve the above object, a fuel cell system according to a fourth aspect of the present invention includes a
このように構成すると、高効率運転が可能な燃料電池システムとなる。 If comprised in this way, it will become a fuel cell system in which a highly efficient driving | operation is possible.
上記目的を達成するために、請求項5に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図1に示すように、水素と酸素との電気化学的反応により発電し発熱する燃料電池15と;燃料電池15で発生した熱を蓄える蓄熱槽31と;蓄熱槽31内の蓄熱媒体wを2以上の所定の数に区分した該区分のそれぞれの両端の温度を検出する温度検出器38と;温度検出器38で検出した蓄熱媒体wの温度から前記区分ごとに蓄熱可能な熱量を算出し、前記区分ごとの蓄熱可能な熱量を合計して蓄熱槽13全体の蓄熱可能な熱量を算出し、算出した蓄熱槽13全体の蓄熱可能な熱量に基づいて燃料電池15の出力を制限する制御装置50とを備える。
In order to achieve the above object, a fuel cell system according to a fifth aspect of the present invention includes a
このように構成すると、蓄熱槽内の温度分布が崩れた場合でも適切な蓄熱可能熱量を算出して運転することができる燃料電池システムとなる。 If comprised in this way, even if the temperature distribution in a thermal storage tank collapses, it will become a fuel cell system which can be calculated and calculated and can operate | move appropriately.
本発明によれば、定常運転計画通りに燃料電池を運転したと仮定したときよりも温熱抑制運転計画通りに燃料電池を運転したと仮定したときの方が所定の基準に従って算出した値が向上する場合に温熱抑制運転計画を燃料電池の運転の基礎となる運転計画とするので、燃料電池システムを効率よく運転することができる。また、蓄熱槽に蓄熱可能な熱量が、蓄熱槽を所定の数に区分した該区分ごとに算出した蓄熱可能な熱量の和で表される場合は、蓄熱槽内の温度分布が崩れた場合でも適切な蓄熱可能熱量を算出することができる。 According to the present invention, the value calculated according to the predetermined standard is improved when it is assumed that the fuel cell is operated according to the thermal suppression operation plan rather than when the fuel cell is operated as per the steady operation plan. In this case, since the thermal heat suppression operation plan is an operation plan that is the basis of the operation of the fuel cell, the fuel cell system can be operated efficiently. In addition, when the amount of heat that can be stored in the heat storage tank is represented by the sum of heat amounts that can be stored for each of the divisions of the heat storage tank divided into a predetermined number, even if the temperature distribution in the heat storage tank collapses Appropriate amount of heat that can be stored can be calculated.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each drawing, the same or corresponding members are denoted by the same or similar reference numerals, and redundant description is omitted.
まず図1を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム100の構成について説明する。図1は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム100を説明する系統図である。図1中、各機器をつなぐ実線は配管を、一点鎖線は電気ケーブルを、破線は制御信号を表す。燃料電池システム100は、水素に富む改質ガスgを生成する改質器11と、水素と酸素との電気化学的反応により発電し発熱する燃料電池15と、冷却水cと蓄熱媒体wとの間で熱交換をする熱交換器21と、蓄熱槽としての貯湯タンク31と、燃料電池システム100を制御する制御装置50とを備えている。
First, the configuration of a
改質器11は、原料燃料mと水蒸気(不図示)とを導入し加熱して改質することにより水素に富む改質ガスgを生成する装置である。水素に富む改質ガスgとは、水素を40体積%以上、典型的には70〜80体積%程度含んだ、燃料電池15に供給するガスである。改質ガスg中の水素濃度は80体積%以上でもよく、すなわち燃料電池15に供給したときに酸化剤ガスt中の酸素との電気化学的反応により発電可能な濃度であればよい。改質器11には、原料燃料mを導入するための原料燃料管12と、改質ガスgを燃料電池15に向けて導出する改質ガス管13が接続されている。また、改質器11は、改質に必要な改質熱を生成するための加熱部(不図示)を有している。
The
燃料電池15は、典型的には固体高分子型燃料電池である。燃料電池15は、図1では簡易的に示されているが、実際には、固体高分子膜を、改質ガスgを導入する燃料極と酸化剤ガスtを導入する空気極とで挟んで単一のセルが形成され、このセルを冷却部を介し複数枚積層して構成されている。燃料電池15では、燃料極に供給された改質ガスg中の水素が水素イオンと電子とに分解し、水素イオンが固体高分子膜を通過して空気極に移動すると共に電子が燃料極と空気極とを結ぶ外部電線41を通って空気極に移動して、空気極に供給された酸化剤ガスt中の酸素と反応して水を生成し、この反応の際に発熱する。この反応における、電子が外部電線41を通ることにより、直流の電力を取り出すことができる。燃料電池15には、直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナー42が接続されている。また、燃料電池15には、改質ガスgを導入するための改質ガス管13と、酸化剤ガスt(典型的には空気が用いられる)を導入するための酸化剤ガス管14とが接続されている。また、燃料電池15には、電気化学的反応による発熱を奪う冷却水cを循環する冷却水管16が接続されている。冷却水管16には、冷却水cを循環する冷却水ポンプ18が配設されている。また、燃料電池15は、制御装置50との間で制御信号の受け渡しを行うための信号ケーブルが接続されている。
The
熱交換器21は、冷却水cと蓄熱媒体w(典型的には液体である水)との間で熱交換を行わせて、冷却水cの温度を下げ、蓄熱媒体wの温度を上げる機器である。熱交換器21は、典型的にはプレート熱交換器が用いられるが、シェルアンドチューブ型、その他の熱交換器を用いてもよい。熱交換器21には、冷却水cを導入し導出する冷却水管16と、蓄熱媒体wを導入し導出する蓄熱媒体管22とが接続されている。熱交換器21を用いることにより冷却水管16を密閉流路とすることができ、これにより酸素や不純物等の混入を防いで燃料電池15を腐食から保護することができる。また、熱交換器21を用いることにより、熱需要に送水する温水hとなる蓄熱媒体wと冷却水cとの縁を切ることができる。
The
貯湯タンク31は、燃料電池15における電気化学的反応で発生した熱を蓄えるタンクである。燃料電池15で発生した熱は、冷却水c及び熱交換器21を介して蓄熱媒体wに伝達され、蓄熱媒体wに保有される形で貯湯タンク31に蓄えられる。貯湯タンク31には、蓄熱媒体wを導入し導出する蓄熱媒体管22が接続されている。蓄熱媒体管22は、蓄熱媒体wの導入側は貯湯タンク31の上部、好適には貯湯タンク31内の液面の直下部分に接続されており、導出側は貯湯タンク31の下部、好適には底部に接続されている。このように接続されることにより、貯湯タンク31内の蓄熱媒体wに温度成層が形成される。また、蓄熱媒体wが貯湯タンク31に導入される際の動圧により、及び貯湯タンク31内の一部分のみから蓄熱媒体wが導出されることにより温度成層を崩さないため、貯湯タンク31への蓄熱媒体管22の接続口を複数設け及び/又は貯湯タンク31の内部の上下に蓄熱媒体管22の接続口を囲うように堰を設けることが好ましい。貯湯タンク31にはまた、内部に蓄えられた蓄熱媒体wを温水hとして熱需要(不図示)に向けて送水する温水供給管32と、熱需要に送水して減少した水を補うための補給水を導入する補給水管33が接続されている。温水供給管32には、温水hを熱需要(不図示)に向けて圧送する温水ポンプ34と、熱需要に送られる温水hの流量を検出する流量計35が配設されている。流量計35には、制御装置50に流量信号を送信するための信号ケーブルが接続されている。また、温水供給管32には、熱需要(不図示)に向けて送水する温水hを加熱するバックアップボイラ36が配設されている。バックアップボイラ36には、制御装置50から制御信号を受信するための信号ケーブルが接続されている。
The hot
貯湯タンク31には、蓄熱可能量を検出するために貯湯タンク31内の熱媒体の温度を検出する温度検出器38が配設されている。温度検出器38は、貯湯タンク31内を温度成層が形成される方向に仮想的に分割して蓄熱可能量を算出するために、複数のセンサー38a〜38fを有している。本実施の形態では、貯湯タンク31内を仮想的に5分割とし、仮想的に区分した領域の境界にセンサーを配置したため、センサーを6個有している。センサーは、貯湯タンク31内の仮想の分割数に応じた適切な数を設ければよい。
The hot
熱交換器21より上流側の蓄熱媒体管22には、蓄熱媒体wを熱交換器21と貯湯タンク31との間で循環させる蓄熱媒体ポンプ23が配設されている。熱交換器21より下流側の蓄熱媒体管22には、逆潮ヒータ24が配設されている。逆潮ヒータ24は、燃料電池15の発電電力が電力需要を上回っているときに、その上回っている余剰電力が商用電源45に逆潮流することを防ぐために、余剰電力を熱に変換するために設けられている。
A heat
逆潮ヒータ24の下流側の蓄熱媒体管22には、三方弁26が配設されている。三方弁26の、蓄熱媒体管22とは接続されていない接続口にはバイパス管25が接続されている。バイパス管25の他端は、蓄熱媒体ポンプ23の吸い込み側の蓄熱媒体管22に接続されている。バイパス管25には、放熱器としてのラジエータ28が配設されている。ラジエータ28は、貯湯タンク31内がもはや蓄熱できないほど蓄熱されている(満蓄)が燃料電池15の運転を継続させる必要があるときに、冷却水cを燃料電池15の冷却に必要な温度にするための冷熱を保有する蓄熱媒体wを熱交換器21に供給すべく、蓄熱媒体wを強制的に冷却する装置である。ラジエータ28には、制御装置50から制御信号を受信するための信号ケーブルが接続されている。ラジエータ28は、バイパス管25に配設されたフロースイッチ(不図示)とインターロックされているファンを有している。蓄熱媒体wが貯湯タンク31とバイパス管25のいずれに導かれるかは、三方弁26を切り替えることにより決まる。三方弁26には、制御装置50から制御信号を受信するための信号ケーブルが接続されている。
A three-
パワーコンディショナー42には、燃料電池15と接続されている外部電線41の他に、交流電力を送電するケーブル43及びケーブル49が接続されている。ケーブル43は、商用電源45と電力負荷とを接続するケーブル44に接続されている。すなわち、燃料電池による発電電力は系統電力と連系されている。連系点より上流のケーブル44には、電力を検出する電力計48が配設されている。電力計48は、順潮流及び逆潮流の両方の電力を検出することができるように構成されている。電力計48には、制御装置50に電力信号を送信するための信号ケーブルが接続されている。ケーブル49は逆潮ヒータ24に接続されており、系統電力への逆潮流が許されていないときに燃料電池15で発生した余剰電力を逆潮ヒータ24に送電できるように構成されている。
In addition to the external
制御装置50は、燃料電池システム100の運転を制御するための、計時手段、演算手段、データ保持手段を有している。典型的には、計時手段はタイマー、演算手段はCPU及びメモリー、データ保管手段はメモリーで構成されている。制御装置50は、燃料電池15、三方弁26、ラジエータ28、流量計35、バックアップボイラ36、温度検出器38、電力計48と、それぞれ信号ケーブルで接続されている。
The
引き続き図1を参照して、燃料電池システム100の作用について説明する。燃料電池システム100が起動すると、改質器11に原料燃料mと水蒸気(不図示)とが導入され加熱されて、改質ガスgが生成される。改質器11の起動直後は改質ガスgの組成が安定しないため、燃料電池15に送らずに、改質器11の加熱部(不図示)に送って燃焼させ、改質熱を生成することが好ましい。改質器11で生成される改質ガスgの組成が安定してきたら、改質ガスgを燃料電池15に導入すると共に、酸化剤ガスtを燃料電池15に導入する。すると燃料電池15では、改質ガスg中の水素と酸化剤ガスt中の酸素との電気化学的反応により発電し、発熱する。発電した直流電力はパワーコンディショナー42で交流電力に変換されて、系外の電力需要に送電され、あるいは酸化剤ガスtを燃料電池15に送気するブロワ(不図示)や燃料電池システム100の冷却水ポンプ18の動力として用いられる。
With continued reference to FIG. 1, the operation of the
他方、冷却水ポンプ18で圧送された冷却水cが燃料電池15に導入され、電気化学的反応により発生した熱を奪い、温度が上昇して燃料電池15から導出される。温度が上昇した冷却水cは熱交換器21に導入され、ここで蓄熱媒体wと熱交換して温度が下がって熱交換器21から導出され、再び燃料電池15に導入される。熱交換器21で冷却水cと熱交換して温度が上昇した蓄熱媒体wは、蓄熱媒体管22を流れて貯湯タンク31にその上部から導入される。冷却水cと熱交換器21で熱交換するための温度が低い蓄熱媒体wは、貯湯タンク31の下部から導出される。
On the other hand, the cooling water c pumped by the cooling
貯湯タンク31に導入された温度が上昇した蓄熱媒体wは、温水hとして系外の熱需要に温水ポンプ34にて圧送される。このとき、温水hの温度が系外の熱需要が要求する温度に達していない場合は、バックアップボイラ36で加熱される。貯湯タンク31内には、系外の熱需要に送水されることにより減少した水量に相当する蓄熱媒体w(典型的には補給水)が補給水管33より補充される。
The heat storage medium w having an increased temperature introduced into the hot
貯湯タンク31内に温度が高い蓄熱媒体wが蓄えられ、冷却水cを冷却できるほど低い温度の蓄熱媒体wがないが燃料電池15の運転を継続したい場合、制御装置50は三方弁26を切り替えて蓄熱媒体wを、貯湯タンク31をバイパスしてラジエータ28に流し、放熱させて所定の温度に降下させた後、熱交換器21に導く。貯湯タンク31内に冷却水cを冷却することができる温度の蓄熱媒体wが残存しているか否かは、温度検出器38によって検出される。
When the heat storage medium w having a high temperature is stored in the hot
次に図2を参照して、燃料電池システムの運転方法について説明する。なお、以下の説明においても適宜図1を参照することとする。図2は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの運転方法を説明するフローチャートである。本発明では、満蓄による燃料電池15の運転停止やラジエータ28の稼働によるロスを防ぐために、以下に説明する温熱抑制制御を行う。
Next, a method for operating the fuel cell system will be described with reference to FIG. In the following description, FIG. 1 will be referred to as appropriate. FIG. 2 is a flowchart illustrating a method for operating the fuel cell system according to the embodiment of the present invention. In the present invention, in order to prevent a loss due to operation stop of the
まず、制御装置50は、過去の運転実績に基づいて電力需要及び熱需要の予測をする(S10)。電力需要及び熱需要の予測をするのは、燃料電池システムの以下に説明する特性があるからである。燃料電池システム100は、起動してすぐに燃料電池15の発電を開始することはできず、改質ガスgの生成や、燃料電池15、改質ガスg、酸化剤ガスtを所定の温度にするために1時間程度のリードタイムが必要である。リードタイムの間は燃料を消費する一方で発電及び発熱がないため、燃料ロスが発生する。貯湯タンク31が満蓄になると、ラジエータ28を用いる等して熱を系外に棄てない限り燃料電池15の運転の継続ができなくなる。燃料電池15を一旦停止した場合は、起動時のリードタイムで消費する、ポンプ等の付帯機器の電力や燃料のロスが発生する。
First, the
電力需要が多い時間帯に貯湯タンク31が満蓄の状態だと、燃料電池15を停止して商用電源45から電力の供給を受けるか、あるいはラジエータ28で放熱しつつ燃料電池15を運転する必要がある。そこで、本発明では、原則として、電力需要が多い時間帯に貯湯タンク31が満蓄になることによる燃料電池15の停止やラジエータ28の作動を防ぎ、このようなロスの発生を極力防ぐために電力需要及び熱需要を予測することとしている。なお、例えば、電力需要が多くなるまでの時間が比較的長く、電力需要が多くなる時間帯に燃料電池15を作動させるためにそこに至るまでの時間帯で燃料電池15の低出力運転を維持すると総合的にみて却ってエネルギーロスが発生する場合(一般に低出力運転は燃料電池の発電効率が低い)は、貯湯タンク31が満蓄になった時点で燃料電池15を停止させた方がエネルギーロスを抑制できる場合があり、このような判断をするためにも電力需要及び熱需要を予測する意義がある。
If the hot
過去の運転実績に基づいて電力需要及び熱需要の予測をする工程(S10)においては、予測を所定時間先まで行うが、この所定時間は、典型的には24時間(1日)である。所定時間を24時間としたのは、例えば家庭においては1日単位のサイクルで電力需要や熱需要が繰り返されることが多いからである。集合住宅や事務所あるいは工場などの場合であっても、一般的には1日単位で電力需要や熱需要が繰り返される。しかしながら、電力需要や熱需要が1日単位ではなく、例えば1週間を最小単位として繰り返されるときには、1週間単位で行ってもよく、あるいは48時間、72時間、96時間、2週間、1ヶ月等、他の時間単位で行ってもよい。また、過去の実績は、季節、曜日、気温、天候等の、電力需要及び熱需要がほぼ同等となると考えられる諸因子を考慮して、その同等となると考えらる条件の範囲内における平均値で決定するとよい。このとき、ユーザーの不在等で、同じ条件下であっても例外的に実測値が予測値と大幅に異なった場合は除外して過去の実績を決定することで予測の精度を高めることができる。 In the step of predicting power demand and heat demand based on past operation results (S10), prediction is performed up to a predetermined time ahead, and this predetermined time is typically 24 hours (one day). The reason why the predetermined time is set to 24 hours is that, for example, at home, demand for electric power and heat are often repeated in a cycle of one day. Even in the case of apartment houses, offices, factories, etc., power demand and heat demand are generally repeated on a daily basis. However, when power demand and heat demand are not repeated on a daily basis, for example, when repeated for a week as a minimum unit, it may be performed in a weekly unit, or 48 hours, 72 hours, 96 hours, 2 weeks, a month, etc. It may be performed in other time units. In addition, the past results are the average values within the range of conditions that are considered to be equivalent, considering various factors such as season, day of the week, temperature, weather, etc. It is good to decide by. At this time, the accuracy of the prediction can be improved by excluding the case where the actually measured value is significantly different from the predicted value even under the same conditions due to the absence of the user, etc. and determining the past results. .
過去の運転実績に基づいて電力需要及び熱需要の予測をしたら、制御装置50は、次に運転計画を作成する(S20)。運転計画は、過去の運転実績から電力需要及び熱需要が発生する時間帯を予測して、電力及び/又は熱の需要が発生する時間と、現在の燃料電池15の状態及び貯湯タンク31の蓄熱量の状態と、リードタイムとを考慮しつつ、燃料電池15を運転する予定時間及び予定発電量並びに上限発電量(燃料電池15の出力制限)を決定するものである。
If the electric power demand and the heat demand are predicted based on the past operation results, the
予定発電量は、典型的には、電力需要の予測値より所定の分だけ下回った値に設定する。設定する値は、例えば、電力需要の予測値の90%の値や、電力需要の予測値から100W差し引いた値等とする。所定の分だけ下回った値とするのは、燃料電池15の発電電力が商用電源45に逆潮流しないことを前提にしているためである。すなわち、一般に、燃料電池は電力需要に完全に追随して発電することができないため、系統電力への逆潮流が許されていない場合は、電力需要が変動しても逆潮流しないように、電力需要よりも所定の分だけ下回った値の電力を発電出力とする場合が多い。また、予定発電量の上限は、上限発電量が設定されない限り、燃料電池15の定格出力とする。たとえ電力需要の予測値より所定の分だけ下回った値が燃料電池15の定格出力以上の値であったとしても、定格出力の値を上限とする。定格出力を超えて運転させると、燃料電池15が損傷するからである。上限発電量が設定される場合はこれを上限とするが、上限発電量はその趣旨から通常は定格出力以下となるので、燃料電池15の損傷を防ぐことができる。また、使用する燃料電池の特性からみて予定発電量の下限を設けた方がよい場合は、適宜下限を設ける。例えば、定格出力が1kWの燃料電池では、300W以下の出力での運転では発電効率が急激に低下し、熱バランスが崩れるため、300W以下の出力での運転は適さない。このような場合には、予定発電量の下限を300Wに設定するとよい。
The scheduled power generation amount is typically set to a value that is lower than the predicted value of power demand by a predetermined amount. The value to be set is, for example, a value of 90% of the predicted value of power demand or a value obtained by subtracting 100 W from the predicted value of power demand. The reason why the value is lower than the predetermined amount is because it is assumed that the generated power of the
ここで図3を参照して、運転計画を作成する手順について説明する。図3は、運転計画を作成する手順を説明するフローチャートである。制御装置50は、まず燃料電池15の冷却可能量を算出する(S21)。冷却可能量は、言い換えれば、貯湯タンク31に蓄熱可能な燃料電池15の発熱量である。燃料電池15を冷却するために冷却水cとして利用できる温度には上限があり、一般に、燃料電池15の入口において約50〜70℃である。冷却水cの温度がこの温度以下であれば、燃料電池15を冷却して所定の温度に維持することができる。燃料電池15から熱を奪った冷却水cは、60〜80℃程度に昇温する。冷却可能量を、単に貯湯タンク31内の蓄熱媒体wの保有熱量で算出することは困難である。熱交換器21の熱交換効率を考慮すると、貯湯タンク31内に貯留されている40〜50℃以下の蓄熱媒体wの量が冷却可能量と相関関係を有することとなる(以下、冷却可能な冷却水温度に熱交換効率を考慮した温度を「導出熱媒体上限温度Tc」という。)。上部から貯湯タンク31に導入される蓄熱媒体wの温度(以下「導入熱媒体温度Tr」という。)は、下部から導出される蓄熱媒体wの温度よりも高く、貯湯タンク31には温度成層が形成されているので、温度が低い蓄熱媒体wは、貯湯タンク31の下部に貯留されていることとなる。しかし、貯湯タンク31に出入りする蓄熱媒体wの動圧、その他何らかの原因により、貯湯タンク31内の温度成層が崩れる場合も起こりうる。従来から用いられている蓄熱槽内の蓄熱媒体の平均温度から蓄熱可能な熱量を求める方法は、蓄熱槽内に温度成層が形成され維持されているときは比較的正しく蓄熱可能な熱量を求めることができるものの、温度成層が崩れた場合には計算上で満蓄となる前に実際には満蓄となる場合が多く、蓄熱可能な熱量を正しく求めることができないことが多い。そこで、以下に説明するように、貯湯タンク31内を5つに区分して各区分ごとに冷却可能量を算出するとよい。なお、貯湯タンク内を区分する数は、5つに限らず、2以上の他の数に区分してもよい。
Here, with reference to FIG. 3, a procedure for creating an operation plan will be described. FIG. 3 is a flowchart illustrating a procedure for creating an operation plan. The
区分する際は、貯湯タンク31の蓄熱媒体wの導入口と導出口とを結ぶ線上で行うことが好ましい。例えば、貯湯タンク31が縦に長く、蓄熱媒体wが上部から流入して下部から流出するように温度成層が鉛直方向に形成される場合は、鉛直方向に区分する。貯湯タンク31が横長で、貯湯タンク31内での蓄熱媒体wの流れが水平方向になるように蓄熱媒体wの流入口及び流出口が形成され、温度成層が水平方向に形成される場合は、水平方向に区分する。本実施の形態では、図1に示す貯湯タンク31内に配設された温度検出器38のセンサー38a〜38fにより、鉛直方向で5つの領域に区分されている。
When dividing, it is preferable to carry out on the line which connects the inlet and outlet of the heat storage medium w of the hot
ここで図4を参照して、冷却可能量の算出について説明する。まず、5つに区分した各領域について、図4(a)〜(c)のいずれに該当するかを検出する。なお、以下の図4の説明において示す数式では、当該領域の、冷却可能熱量をQj(Wh)、両端の温度をT1、T2(℃)、蓄熱媒体量をV(L)、比熱をC(J/g・℃)で表す。なお、T1<T2とし、jは区分した領域数に応じて整数で表される変数である。また、3.6で除しているのは単位の換算のためである。 Here, the calculation of the coolable amount will be described with reference to FIG. First, it is detected which of the regions divided into five corresponds to one of FIGS. In the numerical formula shown in the description of FIG. 4 below, the amount of heat that can be cooled is Qj (Wh), the temperatures at both ends are T1, T2 (° C.), the amount of heat storage medium is V (L), and the specific heat is C ( J / g · ° C.) Note that T1 <T2 and j is a variable represented by an integer according to the number of divided areas. Also, the division by 3.6 is for unit conversion.
図4(a)は、区分された領域の両端の温度のいずれもが導出熱媒体上限温度Tc以下である場合を示している。この場合は、当該領域のすべての蓄熱媒体量を燃料電池15の冷却に利用することが可能であり、当該領域の冷却可能熱量は以下の(1)式で表される。
Qj={Tr−(T1−T2)/2}×V×C×(1/3.6) ・・・(1)
図4(b)は、区分された領域の両端の温度のいずれもが導出熱媒体上限温度Tcを超えている場合を示している。この場合は、燃料電池15の冷却をすることができず、当該領域の冷却可能熱量は(2)式で表されるように0となる。
Qj=0 ・・・(2)
図4(c)は、区分された領域の両端の温度のうち、温度T1が導出熱媒体上限温度Tc以下であり、温度T2が導出熱媒体上限温度Tcを超えている場合を示している。この場合は、当該領域の一部の蓄熱媒体量を燃料電池15の冷却に利用することが可能であり、当該領域の冷却可能熱量は以下の(3)式で表される。
Qj={Tr−(Tc+T1)/2}×V×{(Tc−T1)/(T2−T1)}×C×(1/3.6) ・・・(3)
FIG. 4A shows a case where both the temperatures at both ends of the divided area are equal to or lower than the derived heat medium upper limit temperature Tc. In this case, it is possible to use all of the heat storage medium amount in the region for cooling the
Qj = {Tr− (T1−T2) / 2} × V × C × (1 / 3.6) (1)
FIG. 4B shows a case where both the temperatures at both ends of the divided area exceed the derived heat medium upper limit temperature Tc. In this case, the
Qj = 0 (2)
FIG. 4C shows a case where the temperature T1 is equal to or lower than the derived heat medium upper limit temperature Tc and the temperature T2 exceeds the derived heat medium upper limit temperature Tc among the temperatures at both ends of the divided area. In this case, a part of the heat storage medium amount in the region can be used for cooling the
Qj = {Tr− (Tc + T1) / 2} × V × {(Tc−T1) / (T2−T1)} × C × (1 / 3.6) (3)
区分された各領域について、上記(1)〜(3)の式により冷却可能熱量Qjを算出したら、これを合計したものが貯湯タンク31の冷却可能量となる。すなわち、貯湯タンク31の冷却可能量Qtは、以下の(4)式で表される。
再び図3に戻って運転計画を作成する手順の説明を続ける。上記のように冷却可能量を算出したら、熱需要の予測値から燃料電池15の必要運転時間(h)を算出する(S22)。「必要運転時間」とは、温熱抑制制御の開始以降、燃料電池15が運転した時点(温熱抑制制御の開始時に燃料電池15が運転している場合は温熱抑制制御の開始時)から、最初に閾値以上の熱需要が発生するまでの時間であり、余裕時間を加えたものも含む。閾値以上の熱需要がない場合は、所定時間(24時間)先までで最大の熱需要が発生するまでの時間を必要運転時間とする。
Returning to FIG. 3 again, the description of the procedure for creating the operation plan will be continued. When the coolable amount is calculated as described above, the required operation time (h) of the
必要運転時間を算出したら、燃料電池15の上限発電量(W)を算出する(S23)。上限発電量は、前2工程(S21、S22)で算出した冷却可能量及び必要運転時間と、燃料電池15固有の発電効率と、燃料電池システム100の熱回収効率に基づいて、以下のように算出する。
「上限発電量」=「冷却可能量」×「発電効率」/(「熱回収効率」×「必要運転時間」)
After calculating the required operation time, the upper limit power generation amount (W) of the
“Maximum power generation amount” = “Coolable amount” × “Power generation efficiency” / (“Heat recovery efficiency” × “Necessary operation time”)
次に、上記のように算出した上限発電量の範囲内で予定発電量を設定して作成した運転計画である温熱抑制運転計画と、上限発電量を考慮せずに作成した運転計画である定常運転計画とを作成する(S24)。そして、定常運転計画通りに燃料電池15を運転したと仮定したときよりも温熱抑制運転計画通りに燃料電池15を運転したと仮定したときの方が所定の基準に従って算出した値が向上するか否かを判断する(S25)。ここで、各運転計画通りに燃料電池15を運転したと仮定するのは、後述するように、運転計画はあくまでも1つの目安であって実際に燃料電池15を運転する際は必ずしも運転計画通りに運転するとは限らないからである。また、所定の基準は、省エネルギー性、経済性、環境保全等の観点からみた基準であるが、以下の説明においては消費エネルギー削減に関する基準を例に説明する。所定の基準に従って算出した値(以下「運転計画選択基準値」という。)は、温熱抑制運転計画を採用するか否かの判断を行うための値であり、以下に説明するシミュレーションによって求める。ここでは、運転計画選択基準値が高いほど消費エネルギー削減に資するものとする。
Next, a thermal control operation plan that is an operation plan created by setting the planned power generation amount within the range of the upper power generation amount calculated as described above, and a steady operation plan that is created without considering the upper limit power generation amount An operation plan is created (S24). Whether or not the value calculated according to the predetermined standard is improved when it is assumed that the
運転計画選択基準値は、現実には様々な形態で消費されているエネルギーに関して、1つの基準に換算した値である。典型的には、燃料電池システム100に投入される原料燃料mや、発電所で発電するために用いるエネルギー等を同一の次元に換算した値が用いられる。運転計画選択基準値を算出するために用いられる数式は、制御装置50の演算手段に予め記憶されている。制御装置50は、現在の燃料電池15の運転状態や貯湯タンク31の蓄熱量の状態、作成した運転計画の情報を基に運転計画選択基準値を算出する。
The operation plan selection reference value is actually a value converted into one reference for energy consumed in various forms. Typically, a value obtained by converting the raw material fuel m input to the
図5は、運転計画選択基準値を算出する計算手順を説明するフローチャートである。なお、本実施の形態では、以下のシミュレーションの対象となる範囲は必要運転時間内とする。まず、運転計画の電力需要の予測と予定発電量とから買電量を求める(S301)。通常、電力需要の予測値が予定発電量を上回るように運転計画を作成しているので(段落0039参照)、買電量は正の値となるが、予定発電量が電力需要の予測値を上回る場合は買電量を0とする。このように、予定発電量が電力需要の予測値を上回る場合は買電量を0とするが、逆潮流が認められる場合は負の値として表してもよい。次に逆潮ヒータ24の加熱量を算出する(S302)。逆潮ヒータ24の加熱量は、予定発電量から電力需要の予測値を引いた電力値と、逆潮ヒータ24の効率と、所定の計算時間間隔(シミュレーションを行う単位であり、例えば1時間)との積で求められる。なお、予定発電量から電力需要の予測値を引いた電力値は、逆潮電力量となる。
FIG. 5 is a flowchart for explaining a calculation procedure for calculating the operation plan selection reference value. In the present embodiment, the range to be subjected to the following simulation is within the required operation time. First, the power purchase amount is obtained from the prediction of power demand in the operation plan and the planned power generation amount (S301). Usually, since the operation plan is prepared so that the predicted value of power demand exceeds the planned power generation amount (see paragraph 0039), the power purchase amount is a positive value, but the planned power generation amount exceeds the predicted power demand value. In this case, the power purchase amount is set to zero. In this way, when the planned power generation amount exceeds the predicted value of power demand, the power purchase amount is set to 0, but when a reverse power flow is recognized, it may be expressed as a negative value. Next, the heating amount of the
次に燃料電池15の発電効率及び熱回収効率を求める(S303)。発電効率及び熱回収効率は、燃料電池15に固有の値であるが、一般的には一定値ではなく、予定発電量を定格出力値で除した値であるターンダウン比ρ(ρ=「予定発電量」/「定格出力値」)に伴って変化する場合が多い。そのため発電効率及び熱回収効率の値は各ターンダウン比ρに対応する値としてデータベース化した上で制御装置50のデータ保持手段に記憶させておき、データベースからその時刻のターンダウン比ρに対応する発電効率及び熱回収効率を算出する。次に熱回収量を求める(S304)。熱回収量は、「熱回収量」=「予定発電量」×「発電効率」×「所定の計算時間間隔(例えば1時間)」/「熱回収効率」で求められる。次に配管系統熱ロス量を求める(S305)。配管系統熱ロスは、燃料電池15と熱交換器21とを接続する冷却水管16からの放熱、及び熱交換器21と貯湯タンク31とを接続する蓄熱媒体管22からの放熱である。配管系統熱ロス量は、冷却水管16及び蓄熱媒体管22の断熱状態等で定まる排熱回収時配管熱ロス率と、前工程で求めた熱回収量との積で求められる。
Next, the power generation efficiency and heat recovery efficiency of the
次に貯湯タンク31の熱ロス量を求める(S306)。貯湯タンク31の熱ロス量は、貯湯タンク31内の蓄熱量と、貯湯タンク31の断熱状態等で定まる貯湯タンク熱ロス率と、所定の計算時間間隔(例えば1時間)との積で求められる。次に給湯利用前貯湯量を求める(S307)。給湯利用前貯湯量は、貯湯タンク31内の蓄熱量から貯湯タンク熱ロス率を引いた値と、熱回収量から配管系統熱ロス量を引いた値との和で求められる。次に貯湯タンク31からの給湯熱量及びバックアップボイラの加熱量を求める(S308)。給湯利用前貯湯量が熱需要の予測値以上のとき、貯湯タンク31からの給湯熱量は熱需要の値と等しく、バックアップボイラの加熱量は0となる。他方、給湯利用前貯湯量が熱需要の予測値を下回っているとき、貯湯タンク31からの給湯熱量は給湯利用前貯湯量と等しく、熱需要の予測値と貯湯タンク31からの給湯熱量との差がバックアップボイラの加熱量となる。
Next, the amount of heat loss in the hot
次に給湯利用後貯湯量及びラジエータ28の放熱量を求める(S309)。給湯利用前貯湯量と貯湯タンク31からの給湯熱量との差が貯湯タンク31の蓄熱量の最大値以下の場合、給湯利用後貯湯量は給湯利用前貯湯量と貯湯タンク31からの給湯熱量との差で求められ、ラジエータ28の放熱量は0となる。他方、給湯利用前貯湯量と貯湯タンク31からの給湯熱量との差が貯湯タンク31の蓄熱量の最大値よりも大きい場合、給湯利用後貯湯量は貯湯タンク31の蓄熱量の最大値となり、ラジエータ28の放熱量は、「ラジエータの放熱量」=(「給湯前貯湯量」−「貯湯タンク31からの給湯熱量」)−「貯湯タンク31の蓄熱量の最大値」で求められる。なお、貯湯タンク31の蓄熱量の最大値は、(「満蓄時の貯湯タンク温度」−「補給水温度」)×「貯湯タンク容量」×「比熱」で求められる。
Next, the amount of stored hot water after use of hot water and the amount of heat released from the
次にラジエータ28の消費電力量を求める(S310)。ラジエータ28の消費電力量は、「ラジエータ消費電力量」=「ラジエータ放熱量」/「ラジエータ効率」で求められる。ここで「ラジエータ効率」は、単位放熱量当たりに使用する電力量の値で、ラジエータ固有の値である。次に燃料電池システム100の消費燃料量を求める(S311)。これは、「燃料電池システムの消費燃料量」=(「発電量」/「発電効率」)×「所定の計算時間間隔(例えば1時間)」/「原料燃料の発熱量」で求められる。次にバックアップボイラ消費燃料量を求める(S312)。これは、「バックアップボイラ消費燃料量」=(「バックアップボイラ加熱量」/「バックアップボイラ効率」)/「燃料の発熱量」で求められる。
Next, the power consumption of the
次に、必要運転時間内に予定発電量がない場合(定常運転計画にその可能性がある)に起動時消費電力及び起動時消費燃料量を求める(S313)。必要運転時間内に予定発電量がある場合は、起動時消費電力及び起動時消費燃料量の値は0となる。ここで、起動時消費電力及び起動時消費燃料量の値は燃料電池システム100に固有の値である。一般に、燃料電池15の起動時には改質器11を所定の温度まで昇温する必要があるが、燃料電池15が停止している時間が短い方が停止している時間が長いよりも改質器11の温度低下が小さくなるため起動時消費電力及び起動時消費燃料量が少なくなる。逆に燃料電池15が停止している時間が長いと改質器11の温度低下が大きくなり、起動時消費電力及び起動時消費燃料量が多くなる。そのため、起動時消費電力及び起動時消費燃料量を燃料電池15の停止時間に対応する値としてデータベース化した上で制御装置50のデータ保持手段に記憶させておき、データベースからそのときの起動時消費電力及び起動時消費燃料量を算出する。次に、停止時消費電力及び停止時消費燃料量を求める(S314)。停止時消費電力及び停止時消費燃料量は、燃料電池15が停止する場合(定常運転計画にその可能性がある)に加算される。停止時消費電力及び停止時消費燃料量は、起動時消費電力及び起動時消費燃料量の算出(S313)と同様に、それぞれ、燃料電池15が停止している時間からデータベースを参照して算出される。次に待機時消費電力量を算出する(S315)。待機時消費電力量(定常運転計画にその可能性がある)は、燃料電池システム100に固有の一定の値である。
Next, when there is no planned power generation amount within the required operation time (there is a possibility in the steady operation plan), the power consumption at startup and the fuel consumption at startup are obtained (S313). When there is a planned power generation amount within the required operation time, the values of power consumption at startup and fuel consumption at startup are zero. Here, the power consumption at start-up and the fuel consumption at start-up are values specific to the
上述の工程(S301)〜工程(S315)の演算は必要運転時間先まで所定の計算時間間隔で行う。例えば、本実施の形態では必要運転時間先まで1時間間隔で行う。このため、待機時消費電力量の算出(S315)までしたら、必要運転時間先まで演算したか否かの判断を行う(S316)。必要運転時間先までの演算が終了していない場合は買電量を求める工程(S301)に戻って上述の一連の演算を行う。必要運転時間先までの演算が終了した場合は一次エネルギー使用量の合計を求める(S317)。合計一次エネルギーの使用量Pfcは、電力総使用量Efc、燃料総使用量Gfc、電力の一次エネルギー換算係数Ke、燃料発熱量Hfとを用いて以下のように表される。
Pfc=Ke×Efc+Hf×Gfc
上式のうち、工程(S301)〜工程(S315)で求めた値を利用して、電力総使用量Efcは、Efc=「買電量」+「ラジエータ消費電力量」+「起動時消費電力量」+「停止時消費電力量」+「待機時消費電力量」で表される。燃料総使用量Gfcは、Gfc=「燃料電池消費燃料量」+「バックアップボイラ燃料消費量」+「起動時消費燃料量」+「停止時消費燃料量」で表される。電力の一次エネルギー換算係数Keとしては、例えば9.84kJ/Whという値を用いることができるが、換算係数は複数のものが提唱されているので、適切な値を用いるとよい。
The operations in the above-described steps (S301) to (S315) are performed at predetermined calculation time intervals until the required operating time. For example, in this embodiment, it is performed at an interval of 1 hour until the required operating time. For this reason, after calculating the standby power consumption (S315), it is determined whether or not the calculation has been performed up to the required operating time (S316). If the calculation up to the required operating time has not been completed, the process returns to the step (S301) for determining the amount of power purchase, and the above-described series of calculations is performed. When the calculation up to the required operating time is completed, the total primary energy consumption is obtained (S317). The total primary energy consumption Pfc is expressed as follows using the total power consumption Efc, the total fuel consumption Gfc, the primary energy conversion factor Ke of power, and the fuel heat generation amount Hf.
Pfc = Ke × Efc + Hf × Gfc
Of the above formulas, using the values obtained in the steps (S301) to (S315), the total power consumption Efc is Efc = “power purchase amount” + “radiator power consumption” + “power consumption at startup” "+" Power consumption during stop "+" power consumption during standby ". The total fuel consumption Gfc is expressed by Gfc = “fuel consumption amount of fuel cell” + “backup boiler fuel consumption amount” + “consumption fuel amount at startup” + “consumption fuel amount at stop”. As the primary energy conversion factor Ke for power, for example, a value of 9.84 kJ / Wh can be used, but since a plurality of conversion factors have been proposed, an appropriate value may be used.
燃料電池システムの運転計画の評価は、電力需要へは系統電力から供給し熱需要へはボイラから供給する従来システムとの比較で行うことが多い。従来システムの一次エネルギー使用量Ppは、電力需要の予測値ELと、燃料の消費量GLと、上述の電力の一次エネルギー換算係数Ke及び燃料発熱量Hfとを用いて以下のように表される。
Pp=Ke×EL+Hf×GL
なお、上式において、電力需要の予測値ELは、電力需要への電力がすべて系統電力から供給されることを前提としている。また、燃料の消費量GLは、「熱需要」÷「ボイラ効率」÷「燃料発熱量」で算出され、熱需要への熱がすべてボイラから供給されることを前提としている。上記のようにして求められた合計一次エネルギーの使用量Pfcと従来システムの一次エネルギー使用量Ppとにより、一次エネルギー削減率ηeは以下の式により求められる。
ηe=(Pp−Pfc)/Pp
このようにして算出した一次エネルギー削減率ηeが運転計画選択基準値となる。なお、一次エネルギー削減率ηeの概念には様々な考え方があって、その算出には複数の方法が提案されており、そのいずれを用いてもよく、上述の算出方法は1つの例示である。これまで説明したシミュレーションによって温熱抑制運転計画及び定常運転計画のそれぞれについて運転計画選択基準値を算出する。
Evaluation of the operation plan of the fuel cell system is often performed by comparison with a conventional system in which power demand is supplied from grid power and heat demand is supplied from a boiler. The primary energy use amount Pp of the conventional system is expressed as follows using the predicted value EL of power demand, the fuel consumption amount GL, the primary energy conversion coefficient Ke of the power and the fuel heat generation amount Hf described above. .
Pp = Ke × EL + Hf × GL
In the above formula, the predicted value EL of the power demand is based on the premise that all power to the power demand is supplied from the grid power. The fuel consumption GL is calculated by “heat demand” ÷ “boiler efficiency” ÷ “fuel heat generation amount”, and it is assumed that all heat to the heat demand is supplied from the boiler. The primary energy reduction rate ηe is obtained by the following equation based on the total primary energy use amount Pfc obtained as described above and the primary energy use amount Pp of the conventional system.
ηe = (Pp−Pfc) / Pp
The primary energy reduction rate ηe calculated in this way becomes the operation plan selection reference value. There are various concepts in the concept of the primary energy reduction rate ηe, and a plurality of methods have been proposed for the calculation. Any one of them may be used, and the above-described calculation method is an example. The operation plan selection reference value is calculated for each of the thermal suppression operation plan and the steady operation plan by the simulation described so far.
再び図3に戻って運転計画を作成する手順の説明を続ける。温熱抑制運転計画及び定常運転計画のそれぞれについて運転計画選択基準値を算出したら、温熱抑制運転計画通りに燃料電池15を運転したと仮定したときが定常運転計画通りに燃料電池15を運転したと仮定したときよりも運転計画選択基準値が向上したか否か(S25)がわかるので、向上している場合は温熱抑制運転計画を燃料電池15の運転の基礎となる運転計画として採用する(S26)。運転計画選択基準値が向上していない場合は定常運転計画を燃料電池15の運転の基礎となる運転計画として採用する(S27)。温熱抑制運転計画を採用した場合は貯湯タンク31が満蓄になることによる燃料電池15の停止やラジエータ28の作動を防ぐことができる。定常運転計画を採用した場合は、発電量を制限することによる発電効率や熱回収効率の低下を防ぐことができる。
Returning to FIG. 3 again, the description of the procedure for creating the operation plan will be continued. When the operation plan selection reference value is calculated for each of the thermal suppression operation plan and the steady operation plan, when it is assumed that the
次に図2に戻って、燃料電池システムの運転方法の説明を続ける。運転計画を作成したら、作成した運転計画に基づいて燃料電池15の運転を行う(S30)。燃料電池15の運転は、必ずしも作成された運転計画通りに行われるのではなく、温熱抑制が必要ないときは、作成された運転計画を参考にしつつ、実際の電力需要及び熱需要に従った燃料電池15の出力で運転が行われる。他方、前工程(S20)で作成した運転計画中に上限発電量が設定されている場合(温熱抑制が必要な場合)は、上限発電量を超えない範囲で実際の電力需要及び熱需要に従った燃料電池15の出力で運転が行われる。なお、燃料電池15の運転を行う工程(S30)における「運転」には、電力及び/又は熱の需要がなくなり燃料電池15を停止する場合も含む。
Next, returning to FIG. 2, the description of the operation method of the fuel cell system will be continued. After the operation plan is created, the
以上で説明した温熱抑制制御は、適切な間隔で実行することが好ましい。電力需要及び熱需要の予測と、実際の消費電力及び消費熱量とが常に一致するとは限らず、貯湯タンク31の蓄熱量が予測値から乖離していくことも多い。したがって、適宜、電力需要及び熱需要の予測(S10)、運転計画の作成(S20)を見直し、現在の貯湯タンク31の蓄熱量に応じた燃料電池15の運転(S30)を行うことが好ましい。
The thermal suppression control described above is preferably executed at an appropriate interval. The prediction of power demand and heat demand and the actual power consumption and heat consumption do not always coincide, and the heat storage amount of the hot
以上の説明では、燃料電池15は固体高分子型燃料電池として説明したが、固体高分子型燃料電池の他、りん酸型燃料電池、固体酸化物形燃料電池等、他の種類の燃料電池も用いることができる。しかしながら、固体高分子型燃料電池とすると、比較的低温で運転でき、また装置が小型化できるので、家庭用、小規模集合住宅あるいは小規模事業所用に用いるのに好適である。
In the above description, the
15 燃料電池
21 熱交換器
24 逆潮ヒータ
28 ラジエータ
31 貯湯タンク(蓄熱槽)
38 温度検出器
50 制御装置
100 燃料電池システム
15
38
Claims (5)
過去の運転実績に基づいて、所定時間先までの、電力需要及び熱需要を予測する工程と;
前記需要を予測する工程で得た結果に基づいて、前記燃料電池の運転計画を作成する工程と;
前記運転計画に基づいて前記燃料電池を運転する工程とを備え;
前記運転計画を作成する工程が、前記蓄熱槽に蓄熱可能な前記燃料電池の発熱量の範囲内で前記燃料電池を運転する温熱抑制運転計画と、前記蓄熱槽に蓄熱可能な前記燃料電池の発熱量を考慮しない定常運転計画とを作成し、前記定常運転計画通りに前記燃料電池を運転したと仮定したときよりも前記温熱抑制運転計画通りに前記燃料電池を運転したと仮定したときの方が所定の基準に従って算出した値が向上する場合に前記温熱抑制運転計画を前記燃料電池の運転の基礎となる運転計画とするように構成された;
燃料電池システムの運転方法。 A method for operating a fuel cell system, comprising: a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen and generates heat; and a heat storage tank that stores heat generated in the fuel cell;
Predicting power demand and heat demand up to a predetermined time ahead based on past operating results;
Creating an operation plan for the fuel cell based on the result obtained in the step of predicting the demand;
Operating the fuel cell based on the operation plan;
The step of creating the operation plan includes: a heat suppression operation plan for operating the fuel cell within a range of heat generation amount of the fuel cell capable of storing heat in the heat storage tank; and a heat generation of the fuel cell capable of storing heat in the heat storage tank. A steady operation plan that does not consider the amount, and when it is assumed that the fuel cell is operated according to the thermal suppression operation plan rather than when the fuel cell is operated according to the steady operation plan. The thermal suppression operation plan is configured to be an operation plan that is a basis for the operation of the fuel cell when a value calculated according to a predetermined standard is improved;
Operation method of fuel cell system.
請求項1に記載の燃料電池システムの運転方法。 The predetermined standard is any one of a standard for energy consumption reduction, a standard for cost reduction, and a standard for emission carbon dioxide reduction;
The operation method of the fuel cell system according to claim 1.
請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システムの運転方法。 The amount of heat that can be stored in the heat storage tank is represented by the sum of the amount of heat that can be stored for each section obtained by dividing the heat storage tank into a predetermined number;
The operation method of the fuel cell system according to claim 1 or 2.
前記燃料電池で発生した熱を蓄える蓄熱槽と;
請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システムの運転方法に従って燃料電池システムを制御する制御装置とを備える;
燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity and generates heat by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen;
A heat storage tank for storing heat generated in the fuel cell;
A control device for controlling the fuel cell system according to the method for operating the fuel cell system according to any one of claims 1 to 3;
Fuel cell system.
前記燃料電池で発生した熱を蓄える蓄熱槽と;
前記蓄熱槽内の蓄熱媒体を2以上の所定の数に区分した該区分のそれぞれの両端の温度を検出する温度検出器と;
前記温度検出器で検出した前記蓄熱媒体の温度から前記区分ごとに蓄熱可能な熱量を算出し、前記区分ごとの蓄熱可能な熱量を合計して前記蓄熱槽全体の蓄熱可能な熱量を算出し、算出した前記蓄熱槽全体の蓄熱可能な熱量に基づいて前記燃料電池の出力を制限する制御装置とを備える;
燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity and generates heat by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen;
A heat storage tank for storing heat generated in the fuel cell;
A temperature detector for detecting the temperature at both ends of each of the divided heat storage media in the heat storage tank into two or more predetermined numbers;
Calculate the amount of heat that can be stored for each section from the temperature of the heat storage medium detected by the temperature detector, calculate the amount of heat that can be stored in the entire heat storage tank by summing the amount of heat that can be stored for each section, A control device that limits the output of the fuel cell based on the calculated amount of heat that can be stored in the entire heat storage tank;
Fuel cell system.
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