JP2009266476A

JP2009266476A - エネルギ供給システム

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Publication number: JP2009266476A
Application number: JP2008112722A
Authority: JP
Inventors: Kuniharu Kojima; 邦治児島
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-04-23
Filing date: 2008-04-23
Publication date: 2009-11-12

Abstract

【課題】負荷が低い際に、燃料電池の直流出力（エネルギ）を有効に利用できるシステムを提供する。
【解決手段】燃料電池５の余剰電力を貯留する蓄電池、及び、余剰電力を利用して水を温める温水器とを、燃料電池とインバータ１０の間の電気回路の途中に設け、蓄電池と温水器のいずれか一方にのみ余剰電力を送る切換手段９を備えている。また、温水器は５〜20個の電熱ヒータを備えていると共に、燃料電池の直流出力に対する余剰電力の割合に比例した個数の電熱ヒータにのみ通電させる演算制御手段を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、エネルギ供給システムに関する。

従来から、燃料電池を用いたエネルギ供給システムとしては、蓄電池を設けている場合が多い（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−２９６１６７号公報

しかしながら、上記特許文献１に用いられる蓄電池は、始動した直後に、大電力を要する負荷が掛かると燃料電池の運転が不安定となるのを防止するために、設けられている。その他にも、蓄電池を備えたエネルギ供給システムは多く知られてはいるが、燃料電池から得られる直流電力エネルギを無駄なく、効率的に、利用と保存とを行う上で、実用上、不十分なシステムであった。
そこで、本発明は、燃料電池から出力される直流電気エネルギを、効率的に、実用上有効的に、貯留及び利用できるシステムの提供を目的とする。

そこで、本発明は、燃料電池の直流出力を、インバータを介して交流電力として外部へ供給するシステムに於て、余剰電力を貯留する蓄電池、及び、該余剰電力を利用して水を温める温水器とを、上記燃料電池と上記インバータの間の電気回路の途中に設けたものである。
さらに、上記蓄電池と温水器のいずれか一方にのみ上記余剰電力を送る切換手段を備えているものである。
また、上記温水器は５〜20個の電熱ヒータを備えていると共に、上記燃料電池の直流出力に対する余剰電力の割合に比例した個数の電熱ヒータにのみ通電させる演算制御手段を具備している。

本発明に係るエネルギ供給システムによれば、余剰電力を蓄電池に貯留して、その後、有効活用できると共に、余剰電力は、さらに温水器の水を温めるように利用できて、（家庭の風呂，台所，洗面，等に無駄なく活用可能となる。
そして、温水器内を５〜20個の電熱ヒータに分割状として設けることにより、余剰電力の割合に対応して最も効率良く水を温めるように余剰電力を活用できることとなる。

図１〜図３は、本発明に係るエネルギ供給システムの回路図であって、ａ，ｂ，ｃ，ｄ………ｍ，ｎ、及び、ｐ，ｑ，ｒは、相互に接続されていて、図１〜図３全体にて一つの回路図を構成する。

以下、図１〜図３に基づいて本発明を詳説する。５は燃料電池であり、矢印Ａ方向から燃料を供給し、開閉バルブ６を介して燃料電池本体５Ａに送り込み、燃料のもっている化学エネルギを電気化学的に直接電気エネルギに変換して、発電する。開閉バルブ６は、バルブ開閉作動部６Ａによって、矢印Ｂの方向に開き、矢印Ｃの方向に閉じる。
10はインバータであり、燃料電池５の直流出力（直流電気エネルギ）を、このインバータ10によって、交流電力（交流電気エネルギ）として、外部の住宅負荷等の負荷20へ供給する。

燃料電池５とこのインバータ10の間の電気回路の途中に、余剰電力を貯留する蓄電池７及び、余剰電力を利用（消費）して水Ｗを温める温水器８とを、設けている。
そして、蓄電池７と温水器８のいずれか一方にのみ余剰電力を送る切換手段９を備える。具体的には、択一的に選択するためのスイッチ９ａを具備し、（図示省略するが）蓄電池７の充電量が所定値以上であれば、温水器８側に切換わり、上記充電量が所定値未満となれば蓄電池７側に切換わるように、電気的に制御する。あるいは、手動にてスイッチ９ａを切換えるようにすることも可能である。

ところで、上記温水器８は、５〜20個の電熱ヒータ11を備えている。即ち、電熱ヒータ11は大型の１個〜２個ではなくって、５〜20個に分割構造となっているといえる。図２では、電熱ヒータ11が10個の場合を例示する。そして、燃料電池５の直流出力に対する余剰電力の割合に比例した（階段状に増加変化する）個数の電熱ヒータ11にのみ通電するように、演算制御手段Ｚを備える。

この演算制御手段Ｚについて、以下説明する。
12は、燃料電池５の直流出力の（出力）電圧Ｅ₁を検出する電圧検出器（センサ）であり、マイクロプロセッサ30へ、符号ａ，ｂにて示す接続にて、燃料電池出力電圧（値）Ｅ₁が入力される。
13は、インバータ入力電流Ｉ₁を検出する第１電流検出器（センサ）であり、マイクロプロセッサ30へ、符号ｃ，ｄにて示す接続にて、燃料電池５からインバータ10へ送られる電流値Ｉ₁が、入力される。
14は、インバータ10以外───蓄電池７又は温水器８───へ送られる電流（値）Ｉ₂を検出する第２電流検出器である。この第２電流検出器14から、符号ｅ，ｆにて示す結線にて、マイクロプロセッサ30へ余剰電流値Ｉ₂が入力される。

そして、図２に示すように並列に結線された（10個の）電熱ヒータ11には、各々、マイクロプロセッサ30の指令信号Ｅ₀により順次作動する（10個の）継電器（スイッチ）15が設けられる。
マイクロプロセッサ30に於ける演算について説明すると、燃料電池出力（電力）Ｙは、次の数式で示される。
Ｙ＝Ｉ₁×Ｅ₁ 〔数１〕
余剰電力Ｘは、次の数式２で示される。
Ｘ＝Ｉ₂×Ｅ₁ 〔数２〕
そして、電熱ヒータ11の個数をＮ₀とすれば、Ｎ個の内の次の個数Ｎのものを通電すれば良い。
Ｎ＝Ｎ₀・（Ｘ／Ｙ）〔数３〕
但し、Ｎ₀・（Ｘ／Ｙ）は一般的に整数とならない場合が多いので、四捨五入する、又は、小数点以下を切り捨てる等にて、通電すべき個数（Ｎ）を演算して、指令信号Ｅ₀を送り出す。

このように、本発明に於て、燃料電池の直流出力（電力）Ｙに対する余剰電力Ｘの割合（Ｘ／Ｙ）に「比例した」個数Ｎ＝Ｎ₀・（Ｘ／Ｙ）とは、整数でない場合には、四捨五入や小数点以下の切り捨てによる場合を含むと定義する。
このように、燃料電池５の直流出力（電力）Ｙに対する余剰電力Ｘの割合に比例した個数Ｎの電熱ヒータ11にのみ通電させ、温水器８にて電力Ｘを能率良く熱エネルギーに変換させる演算制御手段Ｚは、マイクロプロセッサ30、継電器（スイッチ）15、電圧検出器12、第１・第２電流検出器13, 14等から構成されている。

次に、符号ｇ，ｈの結線は、マイクロプロセッサ30から、燃料電池５の開閉バルブ６のバルブ開閉作動部６Ａに指令信号を送るためのものであり、その結線から分岐して、インバータ・蓄電池切換器16を切換させる作動指示器17が接続されている。
また、符号ｉ，ｊ，ｓに示す結線は、過放電断路器18と過充電断路器19に接続され、蓄電池７の放電又は充電が過度になるとＯＦＦになる。

以下、作動（作用）及び追加説明をすれば、燃料電池用インバータは、資源エネルギー庁編集の「電力系統連系技術要件ガイドライン」によって、燃料電池の直流電源からインバータ10に入力し、その交流出力（符号ｐ，ｑ，ｒ参照）を介して商用電源22、及び、家庭用電気器具等の負荷20に、接続し、その際に、インバータ10の出力を負荷20に供給することは自由であるが、インバータ10の出力（交流電力）が余った場合に、系統連系の商用電源22に、その余った交流電力を流込む（送る）ことができない。しかしながら、負荷20の消費電力がインバータ10の出力電力よりも大きい場合、系統連系の商用電源22から電力の供給を受けることができる規則が存在する。そのため、燃料電池５から得られる分散形発電電力のすべては、分散形発電場所に於て、消費する必要があるが、本発明は、上述した如く、負荷20へインバータ10を介して電力を供給すると共に、余剰電力の全ては蓄電池７、及び／又は、温水器８へ貯留（保存）及び／又は消費（利用）できる。

蓄電池７への貯留（保存）は、負荷20がインバータ10の交流出力（電力）を全て消化できない場合、切換手段９のスイッチ９ａは、図１の状態で、かつ、定電圧装置23を介して、結線ｍ，ｎから蓄電池７へ充電する。この蓄電池７の十分な充電状態下で、負荷20に対し、蓄電池７の電気を、作動指示器17からの指令でインバータ・蓄電池切換器16が図１の実線から（図示省略の）下方へ切換わって、送り込むことができる。このとき、燃料電池５を停止しておくことも可能となる。蓄電池７の放電が完了した場合、燃料電池５が再び作動して、作動指示器17からの指令によってインバータ・蓄電池切換器16が図１の実線の状態に切換わって、インバータ10から交流電力が負荷20へ送られる。

さらに詳しく追加説明すると、燃料電池５の一例として、セル数を40スタック（ＤＣ28Ｖ）とし、蓄電池７の電圧を24Ｖとすると、燃料電池５が正常に動作して直流電力（燃料電池出力Ｙ）を、インバータ10の入力側に供給し、ＡＣ 200Ｖを出力として負荷20へ供給する。もし負荷20が適正消費電力以下の場合は、インバータ10の入力側の電流Ｉ₁はその比率で減少し、燃料電池５から送り出した余分な直流電流Ｉ₂は、第２電流検出器（センサ）14及びスイッチ９ａを経て、蓄電池７へ送られて、充電される。このような動作のための演算及び指令は、マイクロプロセッサ30にて行われる。

蓄電池７が満充電となると、マイクロプロセッサ30のプログラムにより、満充電（約24Ｖ）を検知し、符号ｇ，ｈの結線からの信号にて、作動指示器17を経てインバータ・蓄電池切換器16を切換えて、充電を停止させ、同時に、開閉バルブ６のバルブ開閉作動部６Ａを閉じて、燃料電池の燃料の供給を停止し、又は、切換手段９を切換えて、（後述の）温水器８側へ電力を送る。
インバータ10へは、切換器16を切換えることで、蓄電池７から放電して、電気エネルギの供給を開始する。
蓄電池７は徐々に電気エネルギを放出して、その電圧が（例えば）23.5Ｖに降下したとき、再び燃料電池５の開閉バルブ６が開き、燃料電池５は発電を開始する。燃料の種類によって、燃料電池５の発電開始まで、燃料電池の方式により数分から10時間を要するが、その間は、蓄電池７がインバータ10へ電気を供給し続けるため、負荷（電気器具）20は異常なく動作し続ける。

例えば、蓄電池７の電圧が22Ｖ程度まで降下したとき燃料電池５の発電が正常化し、電圧検出器12から、燃料電池出力電圧Ｅ₁が所定値に達したことをマイクロプロセッサ30へ結線ａ，ｂにて伝えられると、マイクロプロセッサ30から結線ｇ，ｈを介して作動指示器17へ指令信号が伝えられ、インバータ10へのエネルギ供給は、（蓄電池７から）燃料電池５に切換わる。
このように動作が繰り返されて、燃料は最低量として運行することができる。なお、燃料電池５の電圧Ｅ₁、及び、蓄電池７の電圧についての上記各数値は例示であり、実際上は、この各数値の増減は、状況に応じて行えば良い。

次に、温水器８の利用を主として追加説明を行うと、図２では、温水器８中の電熱ヒータ11は（10分割されて）10個設けられており、余剰電力の大小に相当する（比例する）個数の電熱ヒータ11のみに電気を供給し、もって、水Ｗを効率良く、温めることが可能である。燃料電池５は一旦停止すると立ち上がりに時間を要するので、負荷20が変動するとき等に、余剰電力を巧妙に、その余剰電力の程度に応じて、最適個数の電熱ヒータ11をＯＮとすることで、活用できる。

以上説明したように、本発明は、燃料電池５の直流出力を、インバータ10を介して交流電力として外部へ供給するシステムに於て、余剰電力を貯留する蓄電池７、及び、該余剰電力を利用して水Ｗを温める温水器８とを、上記燃料電池５と上記インバータ10の間の電気回路の途中に設けた構成であるので、負荷の消費を越える燃料電池の直流出力を、貯留できて、その後、有効活用でき、特に、燃料電池を停止させることも可能となる。さらに、余剰電力を、温水器の水を温めるのに利用できて、無駄なく発電した電気エネルギを活用できる。

また、上記蓄電池７と温水器８のいずれか一方にのみ上記余剰電力を送る切換手段９を備えているので、まず蓄電池へ充電し、引続いて、温水器の水を温めるのに利用できる。また、上記温水器８は５〜20個の電熱ヒータ11を備えていると共に、上記燃料電池５の直流出力に対する余剰電力の割合に比例した戸数の電熱ヒータ11にのみ通電させる演算制御手段Ｚを具備しているので、水を温めて熱エネルギに変換する効率が高まり、エネルギロスが減少する。このように、無駄なくエネルギ利用を図り得る。

本発明の実施の一形態を示すシステム回路図である。本発明の実施の一形態を示すシステム回路図である。本発明の実施の一形態を示すシステム回路図である。

符号の説明

５燃料電池
７蓄電池
８温水器
９切換手段
10 インバータ
11 電熱ヒータ
20 負荷
30 マイクロプロセッサ
Ｗ水
Ｚ演算制御手段

Claims

燃料電池（５）の直流出力を、インバータ（10）を介して交流電力として外部へ供給するシステムに於て、
余剰電力を貯留する蓄電池（７）、及び、該余剰電力を利用して水（Ｗ）を温める温水器（８）とを、上記燃料電池（５）と上記インバータ（10）の間の電気回路の途中に設けたことを特徴とするエネルギ供給システム。
燃料電池（５）の直流出力を、インバータ（10）を介して交流電力として外部へ供給するシステムに於て、
余剰電力を貯留する蓄電池（７）、及び、該余剰電力を利用して水（Ｗ）を温める温水器（８）とを、上記燃料電池（５）と上記インバータ（10）の間の電気回路の途中に設け、さらに、上記蓄電池（７）と温水器（８）のいずれか一方にのみ上記余剰電力を送る切換手段（９）を備えていることを特徴とするエネルギ供給システム。
燃料電池（５）の直流出力を、インバータ（10）を介して交流電力として外部へ供給するシステムに於て、
余剰電力を貯留する蓄電池（７）、及び、該余剰電力を利用して水（Ｗ）を温める温水器（８）とを、上記燃料電池（５）と上記インバータ（10）の間の電気回路の途中に設け、上記温水器（８）は５〜20個の電熱ヒータ（11）を備えていると共に、上記燃料電池（５）の直流出力に対する余剰電力の割合に比例した個数の電熱ヒータ（11）にのみ通電させる演算制御手段（Ｚ）を具備することを特徴とするエネルギ供給システム。