JP2014191949A - Cogeneration apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
この発明はコージェネレーション装置に関し、より詳細には、発電部として燃料電池を備えたコージェネレーション装置に関する。 The present invention relates to a cogeneration apparatus, and more particularly to a cogeneration apparatus including a fuel cell as a power generation unit.
近時、商用電源などの電力系統に連系可能な分散型電源としての燃料電池を利用したコージェネレーション装置が提供されている。 Recently, a cogeneration system using a fuel cell as a distributed power source that can be connected to a power system such as a commercial power source has been provided.
この種のコージェネレーション装置は、周知のとおり、燃料電池の発電時に発生する排熱を利用して温水を生成するものであり、燃料電池発電部を備えた燃料電池ユニットと、排熱を利用して生成される温水を貯留する貯湯タンクを備えた貯湯ユニットとを主要部として構成されている。 As is well known, this type of cogeneration apparatus generates hot water using exhaust heat generated during power generation of a fuel cell, and uses a fuel cell unit equipped with a fuel cell power generation unit and exhaust heat. And a hot water storage unit having a hot water storage tank for storing hot water generated in this manner.
そして、このような燃料電池を用いたコージェネレーション装置では、燃料電池発電部の発電電力を消費しないと燃料電池が高温になりすぎることから、燃料電池発電部の余剰電力を消費して貯湯タンク内の湯水を加熱する電気ヒータを備えたものが提案されている(たとえば、特許文献1参照)。 In such a cogeneration apparatus using a fuel cell, the fuel cell becomes too hot unless the power generated by the fuel cell power generation unit is consumed. The thing provided with the electric heater which heats the hot and cold water of this is proposed (for example, refer patent document 1).
しかしながら、このようなコージェネレーション装置には以下の問題があり、その改善が望まれていた。 However, such a cogeneration apparatus has the following problems, and improvements have been desired.
この種のコージェネレーション装置では、電力系統が停電した場合に、燃料電池発電部を電力系統から切り離した(解列した)状態で発電を行う自立運転機能を備えたものがある。自立運転機能は、燃料電池発電部で発電された電力を所定の電源コンセント(自立運転用の電源コンセント)に供給し、当該電源コンセントで電力を消費できるようにするものであるが、この種のコージェネレーション装置において、貯湯ユニットは、通常、電力系統から電力供給を受けるように構成されているので、電力系統が停電すると、貯湯ユニットの電動部品(たとえば、貯湯タンク内の湯水を電気ヒータに強制循環させる電動ポンプや貯湯タンクの湯水の温度が所定温度を超える場合に冷却するラジエター用の電動ファンなど)が動作しなくなる。そのため、自立運転に伴って燃料電池発電部の余剰電力を電気ヒータで消費させると、貯湯タンク内の湯水の温度が高温になりすぎるという問題がある。 Some cogeneration apparatuses of this type have a self-sustaining operation function of generating power in a state where the fuel cell power generation unit is disconnected (disconnected) from the power system when the power system fails. The self-sustaining operation function supplies power generated by the fuel cell power generation unit to a predetermined power outlet (power outlet for self-sustained operation), and allows the power to be consumed at the power outlet. In a cogeneration system, a hot water storage unit is usually configured to receive power supply from an electric power system, so if the power system fails, the electric parts of the hot water storage unit (for example, hot water in the hot water storage tank is forced to the electric heater). When the temperature of the electric pump to circulate or the temperature of the hot water in the hot water storage tank exceeds a predetermined temperature, an electric fan for a radiator that cools, etc., does not operate. For this reason, if the surplus power of the fuel cell power generation unit is consumed by the electric heater during the self-sustaining operation, there is a problem that the temperature of the hot water in the hot water storage tank becomes too high.
この点に関して、貯湯タンク内の温水の温度上昇を回避するために燃料電池発電部の発電を停止させることも考えられるが、発電を停止させると自立運転用の電源コンセントが使用不能になる一方、電力系統からの電力供給がない状態では燃料電池発電部を再起動する(具体的には、燃料電池発電部を起動する補機を動作させる)ことができないため、自立運転を再開することができない。なお、補機の動作用に蓄電池などを備える場合であっても、燃料電池発電部はその起動に時間が掛かることから、発電を一旦停止させると再起動に時間が掛かり、その間自立運転ができないという問題もある。 In this regard, it is conceivable to stop the power generation of the fuel cell power generation unit in order to avoid the temperature rise of the hot water in the hot water storage tank, but when the power generation is stopped, the power outlet for independent operation becomes unusable, In the state where there is no power supply from the power system, the fuel cell power generation unit cannot be restarted (specifically, the auxiliary machine that starts the fuel cell power generation unit cannot be operated), so the independent operation cannot be resumed. . Even if a storage battery is provided for the operation of the auxiliary machine, the fuel cell power generation unit takes time to start. Therefore, once power generation is stopped, it takes time to restart, and during that time, independent operation cannot be performed. There is also a problem.
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、燃料電池発電部の発電を停止させずに自立運転を安定的に行うことができるコージェネレーション装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such conventional problems, and an object of the present invention is to provide a code that can stably perform independent operation without stopping the power generation of the fuel cell power generation unit. It is to provide a generation device.
上記目的を達成するため、本発明の請求項1に記載のコージェネレーション装置は、燃料電池発電部を備えた燃料電池ユニットと、上記燃料電池発電部で発電される電力で動作する電気ヒータにより加熱される温水を貯留する貯湯タンクを備えた貯湯ユニットとを有してなり、電力系統との連系を解列した状態で上記燃料電池発電部で発電された電力を所定の電源コンセントに供給する自立運転機能を備えたコージェネレーション装置において、上記自立運転機能は、上記燃料電池発電部の出力電力を所定の第1電力とし、当該発電電力を上記電源コンセントおよび上記電気ヒータに供給する第1動作と、上記第1動作中において、上記貯湯タンクの温水の温度が所定温度以上になると、上記燃料電池発電部の出力電力を上記第1電力より低い所定の第2電力とし、上記電気ヒータへの発電電力の供給を停止する第2動作と、上記第2動作中において、消費電力が上記燃料電池発電部の発電電力を超えるときは、上記燃料電池発電部の出力電力をその定格最大出力電力またはその近傍に設定された所定の第3電力とする第3動作と、を有していることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a cogeneration apparatus according to claim 1 of the present invention is heated by a fuel cell unit including a fuel cell power generation unit and an electric heater that operates with electric power generated by the fuel cell power generation unit. A hot water storage unit having a hot water storage tank for storing the hot water to be supplied, and supplies the electric power generated by the fuel cell power generation unit to a predetermined power outlet in a state where the connection with the power system is disconnected. In the cogeneration apparatus having a self-sustaining operation function, the self-sustaining operation function is a first operation in which the output power of the fuel cell power generation unit is set to a predetermined first power, and the generated power is supplied to the power outlet and the electric heater. During the first operation, when the temperature of the hot water in the hot water storage tank becomes equal to or higher than a predetermined temperature, the output power of the fuel cell power generation unit is lower than the first power. A second operation for stopping the supply of the generated power to the electric heater, and a power consumption exceeding the generated power of the fuel cell power generation unit during the second operation; And a third operation in which the output power of the power generation unit is set to the rated maximum output power or a predetermined third power set in the vicinity thereof.
この請求項1に記載のコージェネレーション装置では、電力系統の停電などによって自立運転機能が開始されると、燃料電池発電部は所定の第1電力で発電するとともに、その発電電力が電源コンセントおよび電気ヒータに供給される(第1動作)。これにより、電源コンセントが使用可能になるとともに、燃料電池発電部で発電された電力の余剰電力が電気ヒータで消費され、貯湯タンク内の湯水が加熱される。 In the cogeneration apparatus according to claim 1, when the self-sustaining operation function is started due to a power failure or the like of the power system, the fuel cell power generation unit generates power with the predetermined first power, and the generated power is supplied to the power outlet and the electricity. Supplied to the heater (first operation). As a result, the power outlet can be used, and surplus power generated by the fuel cell power generation unit is consumed by the electric heater, and the hot water in the hot water storage tank is heated.
そして、この第1動作により、貯湯タンク内の湯水の温度が所定温度以上になると、燃料電池発電部は上記第1電力より低い所定の第2電力で発電を行い、電気ヒータへの電力供給を停止する(第2動作)。すなわち、貯湯ユニットが自立運転用の電源コンセントに接続されない場合、貯湯タンク内の湯水の温度が上昇するので、その場合はこの第2動作によって、燃料電池発電部の余剰電力が抑制されるとともに、貯湯タンク内の湯水の温度上昇が抑制される。なお、この第2動作では、燃料電池発電部は発電を停止することなく発電を継続する。 When the temperature of the hot water in the hot water storage tank becomes equal to or higher than the predetermined temperature by the first operation, the fuel cell power generation unit generates power with the predetermined second power lower than the first power and supplies power to the electric heater. Stop (second operation). That is, when the hot water storage unit is not connected to the power outlet for independent operation, the temperature of the hot water in the hot water storage tank rises, and in this case, the surplus power of the fuel cell power generation unit is suppressed by this second operation, The temperature rise of the hot water in the hot water storage tank is suppressed. In this second operation, the fuel cell power generation unit continues power generation without stopping power generation.
そして、この第2動作中において、消費電力が燃料電池発電部の発電電力を超えるときは、燃料電池発電部はその定格最大出力電力またはその近傍に設定される所定の第3電力で発電を行う(第3動作)。すなわち、第2動作中において消費電力が発電電力を超える場合には貯湯ユニットが自立運転用の電源コンセントに接続されているとみなせるので、燃料電池発電部を能力最大(または最大付近)で発電させる。 During the second operation, when the power consumption exceeds the generated power of the fuel cell power generation unit, the fuel cell power generation unit generates power with the rated maximum output power or a predetermined third power set in the vicinity thereof. (Third operation). That is, when the power consumption exceeds the generated power during the second operation, it can be considered that the hot water storage unit is connected to the power outlet for self-sustained operation, so that the fuel cell power generation unit generates power at the maximum capacity (or near the maximum). .
このように、請求項1に記載のコージェネレーション装置では、自立運転にあたり、貯湯タンク内の湯水の温度や電気負荷による消費電力の多寡などの状況に応じて燃料電池発電部の発電電力を制御するので、可能な限り燃料電池発電部を停止させることなく自立運転を継続させることができる。 Thus, in the cogeneration apparatus according to the first aspect, in the self-sustaining operation, the generated power of the fuel cell power generation unit is controlled according to the situation such as the temperature of hot water in the hot water storage tank and the amount of power consumption due to the electric load. Therefore, the independent operation can be continued without stopping the fuel cell power generation unit as much as possible.
本発明の請求項2に記載のコージェネレーション装置は、請求項1に記載のコージェネレーション装置において、上記第1電力は、少なくとも上記貯湯ユニットの定格消費電力以上に設定されることを特徴とする。
The cogeneration apparatus according to
すなわち、この請求項2に記載のコージェネレーション装置では、自立運転機能の開始当初に、自立運転用の電源コンセントには少なくとも貯湯ユニットの定格消費電力以上の電力が供給されるので、この自立運転用の電源コンセントに貯湯ユニットの電源プラグを接続することで、貯湯ユニットを確実に動作させることができる。
That is, in the cogeneration apparatus according to
本発明の請求項3に記載のコージェネレーション装置は、請求項1に記載のコージェネレーション装置において、上記第1電力は、上記燃料電池発電部の定格最大出力電力またはその近傍に設定されることを特徴とする。
The cogeneration apparatus according to
すなわち、この請求項3に記載のコージェネレーション装置では、自立運転機能の開始当初から燃料電池発電部は定格最大出力電力またはそれに近い電力を発電するので、燃料電池発電部の発電を安定させることができる。また、定格最大出力電力またはそれに近い電力を発電するので、自立運転用の電源コンセントに多くの電気負荷を接続することができる。
That is, in the cogeneration apparatus according to
本発明の請求項4に記載のコージェネレーション装置は、請求項1から3のいずれかに記載のコージェネレーション装置において、上記第2電力は、少なくとも上記燃料電池発電部の定格最小出力電力またはその近傍に設定されることを特徴とする。 The cogeneration apparatus according to claim 4 of the present invention is the cogeneration apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the second power is at least the rated minimum output power of the fuel cell power generation unit or the vicinity thereof. It is characterized by being set to.
すなわち、この請求項4に記載のコージェネレーション装置では、上記第1動作中に貯湯タンクの温水の温度が所定温度以上になると、燃料電池発電部は定格最小出力電力またはその近傍で発電を行うので、余剰電力を可及的に少なくした状態で燃料電池発電部の発電を継続することができる。 That is, in the cogeneration apparatus according to claim 4, when the temperature of the hot water in the hot water storage tank becomes a predetermined temperature or higher during the first operation, the fuel cell power generation unit generates power at or near the rated minimum output power. The power generation of the fuel cell power generation unit can be continued in a state where surplus power is reduced as much as possible.
本発明の請求項5に記載のコージェネレーション装置は、請求項1から4のいずれかに記載のコージェネレーション装置において、上記燃料電池ユニットと上記貯湯ユニットとが通信接続されてなり、上記燃料電池発電部は、上記貯湯ユニットとの通信成立を条件に上記第3電力で発電することを特徴とする。 A cogeneration apparatus according to a fifth aspect of the present invention is the cogeneration apparatus according to any one of the first to fourth aspects, wherein the fuel cell unit and the hot water storage unit are connected in communication, The unit is characterized in that it generates power with the third power on condition that communication with the hot water storage unit is established.
すなわち、この請求項5に記載のコージェネレーション装置では、貯湯ユニットとの通信成立を条件として燃料電池発電部が第3電力で発電するので、自立運転用の電源コンセントへの貯湯ユニットの接続を確実に検出して燃料電池発電部を能力最大(または最大付近)で発電させることができる。
That is, in the cogeneration apparatus according to
本発明の請求項6に記載のコージェネレーション装置は、請求項1から5のいずれかに記載のコージェネレーション装置において、上記燃料電池発電部は、固体酸化物型燃料電池で構成されていることを特徴とする。 A cogeneration apparatus according to a sixth aspect of the present invention is the cogeneration apparatus according to any one of the first to fifth aspects, wherein the fuel cell power generation unit is composed of a solid oxide fuel cell. Features.
本発明によれば、貯湯タンク内の湯水の温度や電気負荷による消費電力の多寡などの状況に応じて燃料電池発電部の発電電力が制御されるので、可能な限り燃料電池発電部を停止させることなく自立運転を継続させることができる。 According to the present invention, the generated power of the fuel cell power generation unit is controlled according to the situation such as the temperature of the hot water in the hot water storage tank and the amount of power consumed by the electric load, so the fuel cell power generation unit is stopped as much as possible. Independent operation can be continued without any problems.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
実施形態1
図1は、本発明に係るコージェネレーション装置の概略構成を示している。この図1に示すコージェネレーション装置1は、燃料電池(FC:fuel cell)の発電時に発生する排熱を利用して温水を生成する熱電併給装置であって、図示しない燃料電池により発電を行う燃料電池発電部(以下、「FC発電部」と称する。)4を備えた燃料電池ユニット(以下、「FCユニット」と称する)2と、燃料電池の排熱を利用して生成される温水を貯留する貯湯タンク17を備えた貯湯ユニット3とを主要部として備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
Embodiment 1
FIG. 1 shows a schematic configuration of a cogeneration apparatus according to the present invention. A cogeneration apparatus 1 shown in FIG. 1 is a cogeneration apparatus that generates hot water using exhaust heat generated during power generation of a fuel cell (FC), and generates fuel by a fuel cell (not shown). A fuel cell unit (hereinafter referred to as “FC unit”) 2 provided with a battery power generation unit (hereinafter referred to as “FC power generation unit”) 4 and hot water generated by utilizing exhaust heat of the fuel cell are stored. A hot
FCユニット2は、FC発電部4およびその周辺機器などを収容してなる装置であって、このFCユニット2には、FC発電部4と、FC発電部4で発電された直流電力を商用電源などの電力系統CPに連系可能な交流電力に変換するパワーコンディショナ5と、FC発電部4を制御するFC制御部6とが備えられる他、本実施形態では、FC発電部5で発電された電力の余剰電力を利用して貯湯タンク17内の湯水を加熱する電気ヒータ7が備えられている。
The
FC発電部4は、図示しない燃料電池を備えた発電部である。本実施形態では、このFC発電部4には固体酸化物型燃料電池(SOFC)が用いられる。ここで、燃料電池の構造は周知であるのでその詳細な説明は省略するが、このFC発電部4には燃料電池本体(燃料電池スタック)の他、その周辺機器(たとえば、燃料ガスから水素を取り出す改質器や空気中の酸素を燃料電池スタックに供給する空気供給装置などの補機類)が備えられている。FC発電部4に備えられる補機類は、燃料電池を起動する際(すなわち、燃料電池が非発電中のとき)は電力系統CPから電力供給を受けて動作するように構成され、、燃料電池起動後(すなわち、燃料電池が発電中のとき)は燃料電池で発電された電力で動作するように構成されている。 The FC power generation unit 4 is a power generation unit including a fuel cell (not shown). In the present embodiment, a solid oxide fuel cell (SOFC) is used for the FC power generation unit 4. Here, since the structure of the fuel cell is well known, a detailed description thereof will be omitted. In addition to the fuel cell main body (fuel cell stack), the FC power generation unit 4 includes peripheral devices (for example, hydrogen from the fuel gas). Auxiliary equipment such as a reformer to be taken out and an air supply device for supplying oxygen in the air to the fuel cell stack. The auxiliary equipment provided in the FC power generation unit 4 is configured to operate by receiving power supply from the power system CP when the fuel cell is started (that is, when the fuel cell is not generating power), and the fuel cell After startup (that is, when the fuel cell is generating power), it is configured to operate with the power generated by the fuel cell.
パワーコンディショナ5は、FC発電部4で発電される直流電力を電力系統CPに連系可能な交流電力に変換する系統連系インバータ装置であって、FC発電部4で発電された直流電力を昇圧するDC/DCコンバータ9と、DC/DCコンバータ9で昇圧された直流電力を電力系統CPに連系可能な交流電力(たとえば、単相交流100V/200V)に変換するDC/ACインバータ10と、これらコンバータ9およびインバータ10を制御するパワコン制御部11とを主要部として構成されている。
The
ここで、DC/DCコンバータ9およびDC/ACインバータ10は、いずれも公知のコンバータ回路、インバータ回路で構成されている。また、パワコン制御部11は、制御中枢として図示しないマイコンを備えており、このマイコンの制御プログラムに従ってパワーコンディショナ5の各部の動作制御を行うようになっている。なお、これらパワーコンディショナ5も上述したFC発電部4と同様に、燃料電池が非発電中のときは電力系統CPから電力供給を受け、燃料電池発電中は燃料電池で発電された電力で動作するように構成されている。
Here, each of the DC /
12は系統連系リレーを示している。この系統連系リレー12は、パワコン制御部11によって開閉制御が行われるリレー接点で構成されており、電力系統CPが非停電の状態であり、かつ、FC発電部4が正常に発電しているとき(換言すれば、FC発電部4を電力系統CPに連系させてよいとき)には、パワコン制御部11が系統連系リレー12を閉成(短絡)させてFC発電部4を系統に連系させるようになっている。すなわち、系統連系時には、FC発電部4で発電される電力は、系統連系リレー12と電力系統CPとの間に接続される図示しない電気負荷によって消費されるようになっており、電気負荷で消費しきれない余剰電力が生じないように発電電力が調整される。
そして、FC発電部4が正常に発電している状態で、電力系統CPが停電した場合には、パワコン制御部11はこの停電を検知して系統連系リレー12を開成(開放)させて、FC発電部4を電力系統CPから解列し、FC発電部4で発電された電力を自立運転用の電源コンセント14に供給する。すなわち、FC発電部4で発電された直流電力をパワーコンディショナ5で電力系統CPと同様の交流電力に変換して電源コンセント14に供給するようになっている(自立運転機能)。なお、この電源コンセント14は、後述する貯湯ユニット3の電源プラグ20の差込接続が可能な配線用差込接続器で構成されている。13は、この自立運転機能の作動時に閉成される自立運転リレーを示しており、この自立運転リレー13もパワコン制御部11によって開閉制御が行われるように構成されている。
When the power generation system CP is generating power normally and the power system CP has a power failure, the
FC制御部6は、FC発電部4の動作を制御する制御装置であって、制御中枢として図示しないマイコンを備えており、このマイコンの制御プログラムに従ってFC発電部4を制御するように構成されている。すなわち、FC発電部4の発電量(発電電力)はこのFC制御部6によって制御されるようになっている。そして、このFC制御部6は、上記パワコン制御部11と通信線15によって通信接続され、パワコン制御部11と相互に情報のやり取りができるように構成されている。
The
電気ヒータ7は、FC発電部5で発電された電力の余剰電力を利用して貯湯タンク17内の湯水を加熱する加熱手段を構成するものであって、パワーコンディショナ5のDC/DCコンバータ9の出力側に接続され、DC/DCコンバータ9から出力される直流電力によって動作するようになっている。この電気ヒータ7には、図示しないスイッチが備えられており、このスイッチを後述するパワコン制御部11がオン/オフ制御することによって電気ヒータ7の作動/停止が制御されるように構成されている。そして、この電気ヒータ7は、貯湯タンク17の下部と上部との間に配設される湯水の循環配管16に備えられて配管内の湯水を加熱できるように配設されており、電気ヒータ7を作動させることで、貯湯タンク17の下部から取り出した湯水を加熱して貯湯タンク17の上部に戻すことができるようになっている。なお、循環配管16には、特に図示しないが、燃料電池(FC発電部4)の排熱を利用して貯湯タンク17内の湯水を加熱する熱交換器も備えられている。
The
符号8は、貯湯タンク17内の湯水の温度を検出する温度検出手段を構成するサーミスタであって、このサーミスタ8で検出される温度情報はFC制御部6に入力されるように構成されている。本実施形態では、このサーミスタ8は電気ヒータ7の下流側、すなわち、電気ヒータ7で加熱後の温水の温度を検出する位置に設けた場合を図示しているが、このサーミスタ8は、貯湯タンク17内の湯水の温度を直接または間接的に測定可能に配設されていればよく、たとえば、循環配管16における電気ヒータ7の上流側、さらには貯湯タンク17自体に備えられていてもよい。
一方、貯湯ユニット3は、貯湯タンク17およびその周辺機器などを収容してなる装置であって、貯湯タンク17と、循環ポンプ18と、貯湯ユニット制御部19とを主要部として備えている。
On the other hand, the hot
貯湯タンク17は、上述したように、FC発電部4の排熱を利用して生成される温水を貯留するタンクであるが、本実施形態では、循環配管16を流れる湯水は電気ヒータ7によっても加熱されるようになっているので、電気ヒータ7により加熱された温水を貯留するタンクとしても機能するようになっている。
As described above, the hot
循環ポンプ18は、貯湯タンク17内の湯水を循環配管16に強制循環させる電動ポンプであって、この循環ポンプ18が動作することにより、貯湯タンク17内の湯水は同タンクの下部から吸い出されて電気ヒータ7を介してタンク上部に循環するようになっている。貯湯ユニット制御部19は、貯湯ユニット3の各部を制御する制御装置であって、制御中枢として図示しないマイコンを備えており、このマイコンの制御プログラムに従って貯湯ユニット3の各部(たとえば、循環ポンプ18)を制御するように構成されている。なお、この貯湯ユニット3は、これらの他にも、たとえば、特に図示しないが、循環配管16内の湯水を冷却するラジエタ(冷却手段)やその空冷手段となる電動ファンを備えており、貯湯タンク17内の湯水が所定の上限温度以上にならないように構成されている。
The
そして、このように構成される貯湯ユニット3には、貯湯ユニット用の電源プラグ20が備えられており、電力系統CPが非停電の状態にあるときには、この電源プラグ20を電力系統CPから電力供給を受ける配線用差込接続器(図示せず)に差込接続するようになっている。すなわち、この貯湯ユニット3は、電力系統CPが非停電のときには、電力系統CPからの電力によって動作するようになっている。なお、電力系統CPの停電時には、後述するように、電源プラグ20を上記電源コンセント14に接続することで、FC発電部4で発電された電力で貯湯ユニット3を動作させることができるようになっている。
The hot
次に、このように構成されたコージェネレーション装置1における自立運転機能について図2に基づいて説明する。 Next, the independent operation function in the cogeneration apparatus 1 configured as described above will be described with reference to FIG.
図2は、コージェネレーション装置1における自立運転の手順を示している。
このコージェネレーション装置1では、電力系統CPが停電しておらず(非停電)、かつ、FC発電部4が正常に発電を行っている通常の状態にあるときには、上述したように、パワコン制御部11は系統連系リレー12を閉成させて、FC発電部4で発電された電力を電力系統CPに連系させる通常運転を行う(図2ステップS1参照)。
FIG. 2 shows the procedure of the independent operation in the cogeneration apparatus 1.
In this cogeneration apparatus 1, when the power system CP is not out of power (non-power failure) and the FC power generation unit 4 is in a normal state of generating power normally, as described above, the
この通常運転にあるとき、パワコン制御部11は、電力系統CPの停電の有無を常時(または定期的)に監視する(図2ステップS2参照)。この停電監視は、たとえば、電力系統CPからの入力電圧を監視する電圧センサ(図示せず)を用いて、当該入力電圧をパワコン制御部11で監視することなどにより行う。
During this normal operation, the
この停電監視において、パワコン制御部11が電力系統CPの停電を検出すると(図2ステップS2でYes)、自立運転機能が開始される。すなわち、まず、パワコン制御部11が系統連系リレー12を開成させて、FC発電部4を電力系統CPから解列させる(図2ステップS3参照)。この解列により、FC発電部4は電力系統CPと切り離された状態で発電(自立発電)を行うことになるので、パワコン制御部11は、系統連系リレー12を開成させるのと併せて、FC発電部4が自立発電となる旨をFC制御部6に送信する。
In this power failure monitoring, when the
ここで、電力系統CPが停電すると、電力系統CPから電力供給を受ける貯湯ユニット3は動作不能となるので、電力系統CPの停電中に貯湯ユニット3を動作させるには、電源プラグ20を自立運転用の電源コンセント14に差し替える必要がある(詳細は後述する)。これに対して、FCユニット2には、上述したように、FC発電部4で発電される電力が供給されるので、電力系統CPが停電してもFCユニット2は動作を継続する。
Here, when the power system CP fails, the hot
FC制御部6は、パワコン制御部11からFC発電部4が自立発電となる旨の通知を受け付けると、FC発電部4の発電電力(すなわち、FC発電部4の出力電力)を所定の第1電力(本実施形態では、この第1電力は、FC発電部の定格最大出力電力またはその近傍に設定される)となるようにFC発電部4を制御する。これにより、FC発電部4では、定格最大出力電力(または、その近傍)で発電運転(FC最大運転)が行われる(図2ステップS4参照)。
When the
FC発電部4がFC最大運転を行うと、パワコン制御部11は、FC制御部6との通信またはパワーコンディショナ5への入力電力からそれを検知し、自立運転リレー13を閉成させて自立運転用の電源コンセント14にFC発電部4で発電された電力を供給し、自立運転を開始させる(図2ステップS5参照)。この自立運転中、パワコン制御部11は電源コンセント14で消費されない余剰電力を電気ヒータ7に供給し、余剰電力が電気ヒータ7で消費されるようにする(図2ステップS6参照)。
When the FC power generation unit 4 performs the maximum FC operation, the power
このとき、貯湯ユニット3の電源プラグ20が自立運転用の電源コンセント14に接続されると、FC発電部4で発電された電力が貯湯ユニット3に供給されるようになる。つまり、循環ポンプ18が動作可能となり、電気ヒータ7で加熱される湯水が循環配管16を介して貯湯タンク17との間で強制循環される。このとき加熱後の温水(つまり、貯湯タンク17内の温水)が所定の上限温度付近まで上昇すると、貯湯ユニット制御部19はラジエタの電動ファンを動作させて貯湯タンク17内の温水が上限温度を超えないように冷却する。つまり、貯湯ユニット3を動作させることによって、FCユニット2は、FC発電部4で発電された電力の余剰電力を電気ヒータ7で消費しながら自立発電を継続することができるようになる。
At this time, when the
これに対して、貯湯ユニット3の電源プラグ20が自立運転用の電源コンセント14に接続されない場合、貯湯ユニット3は動作しないので、サーミスタ8の検出温度が徐々に上昇する。すなわち、電気ヒータ7で加熱された湯水は貯湯タンク17との間で強制循環されることなく滞留するので、サーミスタ8の検出温度が上昇する。そして、このサーミスタ8の検出温度があらかじめ設定された所定温度T1以上になると(図2ステップS7でYesになると)、FC制御部6は、FC発電部4の出力電力を上記第1電力よりも低い所定の第2電力(本実施形態では、この第2電力は、FC発電部4の定格最小出力電力またはその近傍に設定される)となるようにFC発電部4を制御する。これにより、FC発電部4は定格最小出力電力(または、その近傍)で発電運転(FC最小運転)を行う(図2ステップS8参照)。
On the other hand, when the
FC発電部4がFC最小運転を行うと、パワコン制御部11は、FC制御部6との通信またはパワーコンディショナ5への入力電力からそれを検知し、電気ヒータ7への電力供給を停止させる。具体的には、パワコン制御部11は電気ヒータ7のスイッチをオフにして、電気ヒータ7への電力供給を停止させる(図2ステップS9参照)。これにより、貯湯タンク17内の湯水の温度上昇は抑制される。
When the FC power generation unit 4 performs the minimum FC operation, the power
このように、本実施形態に示すコージェネレーション装置1では、電力系統CPが停電してFC発電部4が自立発電を行う場合、はじめはFC発電部4を最大電力(またはその近傍)で発電させて自立運転を開始し、自立運転開始後一定時間が経過しても(サーミスタ8の検出温度がT1以上になっても)自立運転用の電源コンセント14に貯湯ユニット3の電源プラグ20が接続されなければ、FC発電部4を最小電力(またはその近傍)で発電するようにして、FC発電部4での発電を継続しながら貯湯タンク17内の温水の温度上昇を抑制する。
As described above, in the cogeneration apparatus 1 shown in the present embodiment, when the power system CP is cut off and the FC power generation unit 4 performs self-sustaining power generation, the FC power generation unit 4 is first generated with the maximum power (or the vicinity thereof). The self-sustained operation is started, and the
そして、FC発電部4がFC最小運転のときに自立運転用の電源コンセント14に貯湯ユニット3の電源コンセント20が接続された場合の対応として、FC最小運転中はパワコン制御部11が電源コンセント14で消費される負荷電力を監視し、この負荷電力(消費電力)がFC発電部4の発電電力を超えるか否かを常時(または定期的に)判断するようにしている(図2ステップS10参照)。
Then, as a countermeasure when the
そして、自立運転用の電源コンセント14に貯湯ユニット3の電源プラグ20が接続されることによって負荷電力がFC発電部4の発電電力を超える場合には(図2ステップS10でYes)、パワコン制御部11は自立運転リレー13を開成させて自立運転を一旦停止させ(図2ステップS11参照)、FC制御部6に対してFC発電部4を所定の第3電力(この第3電力は、FC発電部4の定格最大出力電力またはその近傍に設定される)で発電させる旨の指示を行う。
When the
これにより、FC制御部6はFC発電部4を定格最大出力電力(またはその近傍)で発電するように制御し、FC発電部4による定格最大出力電力(または、その近傍)での発電運転(FC最大運転)が行われ(図2ステップS4参照)、自立運転が再開される(図2ステップS5参照)。
Thereby, the
なお、FC発電部4がFC最小運転の状態で自立運転用の電源コンセント14に貯湯ユニット3以外の電気負荷の電源コンセントが接続された場合にも負荷電力がFC発電部4の発電電力を超えることになり(図2ステップS10でYes)、FC発電部4がFC最大運転を行うことになるが(図2ステップS4参照)、その場合には、電気ヒータ7の動作に伴ってサーミスタ8の検出温度が所定温度T1以上になるので(図2ステップS7でYes)、FC発電部4はFC最小運転を行うことになる(図2ステップS8参照)。
Note that the load power exceeds the generated power of the FC power generation unit 4 even when the power generation outlet of the electric load other than the hot
一方、FC発電部4がFC最小運転のときに自立運転用の電源コンセント14に貯湯ユニット3の電源コンセント20が接続されないままのときの対応としては、この場合、負荷電力はFC発電部4の発電電力以下となるので(図2ステップS10でNo)、FC制御部6は、サーミスタ8の検出温度を監視し、この検出温度が上記所定温度T1よりも高く設定される第2所定温度T2以上となるか否かを判断し(図2ステップS12参照)、第2所定温度以上である場合には、FC発電部4での発電を停止させる(図2ステップS13参照)。つまり、電気ヒータ7を停止させてもなお貯湯タンク17内の湯水の温度上昇が止まらない場合には、FC発電部4の発電そのものを停止させるようにしている。
On the other hand, as a countermeasure when the
このように、本実施形態に示すコージェネレーション装置1では、電力系統CPの停電に伴って実行される自立運転において、貯湯タンク17内の湯水の温度や電気負荷による消費電力の多寡などの状況に応じて、FC発電部4の発電電力を調整しながら、可能な限りFC発電部4の発電を停止させることなく継続するので、自立運転を安定的に行うことができる。
As described above, in the cogeneration apparatus 1 shown in the present embodiment, in the self-sustaining operation executed in response to the power failure of the power system CP, the temperature of the hot water in the hot
実施形態2
次に、本発明の第2の実施形態について図3および図4に基づいて説明する。
ここで、図3は、本実施形態のコージェネレーション装置1の概略構成を示しており、図4は、同コージェネレーション装置1における自立運転の手順を示している。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
Here, FIG. 3 shows a schematic configuration of the cogeneration apparatus 1 of the present embodiment, and FIG. 4 shows a procedure of the self-sustained operation in the cogeneration apparatus 1.
この第2の実施形態に示すコージェネレーション装置1は、FC制御部6と貯湯ユニット制御部19とを通信線21で通信接続するとともに、自立運転機能の動作手順の一部を変更した改変例であって、その他の構成は上述した実施形態1に示すコージェネレーション装置1と同様である。したがって、構成が共通する部分には同一の符号を付して説明は省略する。
The cogeneration apparatus 1 shown in the second embodiment is a modified example in which the
本実施形態に示すコージェネレーション装置1は、上述したように、FCユニット2のFC制御部6と貯湯ユニット3の貯湯ユニット制御部19とが通信線21によって通信接続され、両制御部6,19の間で通信が行えるように構成される。
In the cogeneration apparatus 1 shown in the present embodiment, as described above, the
そして、本実施形態のコージェネレーション装置1では、自立運転が以下の手順で行われる。 And in the cogeneration apparatus 1 of this embodiment, a self-sustained operation is performed in the following procedures.
すなわち、このコージェネレーション装置1においても電力系統CPが非停電で、かつ、FC発電部4が正常に発電を行っている通常状態のときは、パワコン制御部11は系統連系リレー12を閉成させて、FC発電部4を電力系統CPに連系させる通常運転を行うとともに(図4ステップS1参照)、電力系統CPの停電監視を行うように構成されている(図4ステップS2参照)。
That is, also in this cogeneration apparatus 1, the power
そして、この停電監視においてパワコン制御部11が電力系統CPの停電を検出すると(図4ステップS2でYes)、パワコン制御部11はFC発電部4を電力系統CPから解列させ(図4ステップS3参照)、FC制御部6に対してFC発電部4が自立発電となる旨を送信する。
When the
そして、パワコン制御部11からこの通知を受け付けたFC制御部6は、FC発電部4の発電電力(すなわち、FC発電部4の出力電力)を所定の第1電力(本実施形態における第1電力は、少なくとも貯湯ユニット3の定格消費電力以上に設定される。具体的には、たとえば、貯湯ユニット3の定格消費電力値が第1電力とされる。)となるようにFC発電部4を制御する。これにより、FC発電部4では、最低限、貯湯ユニット3の動作が可能な電力での発電運転(FC貯湯運転)が行われる(図4ステップS4参照)。
The
FC発電部4がFC貯湯運転を行うと、パワコン制御部11は、FC制御部6との通信またはパワーコンディショナ5への入力電力からそれを検知し、自立運転リレー13を閉成させて自立運転用の電源コンセント14にFC発電部4で発電された電力を供給し、自立運転を開始させる(図4ステップS5参照)。そして、この自立運転中、余剰電力を電気ヒータ7に供給する(図4ステップS6参照)。
When the FC power generation unit 4 performs the FC hot water storage operation, the power
そして、この状態で貯湯ユニット3の電源プラグ20が自立運転用の電源コンセント14に接続され、貯湯ユニット3が動作を開始し、FC制御部6と貯湯ユニット制御部19との間の通信が開始されると(図4ステップS7でYes)、FC制御部6は、この通信開始を検知して、FC発電部4を定格最大出力電力(またはその近傍)で発電するように制御し、FC発電部4に定格最大出力電力(または、その近傍)で発電運転(FC最大運転)を行わせる(図4ステップS8参照)。
In this state, the
つまり、本実施形態に示すコージェネレーション装置1では、自立運転の開始当初はFC発電部4を貯湯ユニット3の動作に必要な最低限の電力で発電させておき、貯湯ユニット制御部19との通信検知によって貯湯ユニット3の動作開始を確認してから、FC発電部4を最大電力(またはその近傍)で発電させるようにしている。
That is, in the cogeneration apparatus 1 shown in the present embodiment, the FC power generation unit 4 is generated with the minimum power necessary for the operation of the hot
これに対して、FC制御部6が貯湯ユニット制御部19との通信を検知しない場合には(図4ステップS7でNo)、自立運転用の電源コンセント14に貯湯ユニット3の電源プラグ20が接続されていないとみなして、FC制御部6は、サーミスタ8の検出温度が所定温度T1以上であるか否かを判断し(図4ステップS9参照)、所定温度T1以上であれば(図4ステップS9でYes)、FC発電部4の出力電力を上記第1電力よりも低い所定の第2電力(本実施形態では、この第2電力は、FC発電部4の定格最小出力電力またはその近傍に設定される)となるようにFC発電部4を制御し、FC発電部4を定格最小出力電力(または、その近傍)で発電運転(FC最小運転)を行わせる(図4ステップS10参照)。
On the other hand, when the
そして、FC発電部4がFC最小運転になると、パワコン制御部11は、FC制御部6との通信またはパワーコンディショナ5への入力電力からそれを検知し、電気ヒータ7への電力供給を停止させて(図4ステップS11参照)、貯湯タンク17内の湯水の温度上昇を抑制する。
When the FC power generation unit 4 enters the minimum FC operation, the power
そして、FC発電部4がFC最小運転の状態で自立運転用の電源コンセント14に貯湯ユニット3の電源コンセント20が接続された場合の対応は、上述した実施形態1と略同様である。すなわち、FC最小運転中に負荷電力がFC発電部4の発電電力を超えると(図4ステップS12でYes)、パワコン制御部11は自立運転を一旦停止させて(図4ステップS13参照)、FC発電部4を上記第1電力で発電させ(図4ステップS4参照)、第1電力での自立運転を開始する(図4ステップS5参照)。
And the response | compatibility when the
これに対して、FC発電部4がFC最小運転のときに自立運転用の電源コンセント14に貯湯ユニット3の電源コンセント20が接続されないときは(図4ステップS12でNo)、FC制御部6は、サーミスタ8の検出温度が上記第2所定温度T2以上であるか否かを判断し(図4ステップS14参照)、第2所定温度T2以上である場合には、FC発電部4での発電を停止させる(図4ステップS15参照)。
On the other hand, when the
このように、本実施形態に示すコージェネレーション装置1においても、電力系統CPの停電に伴って実行される自立運転において、貯湯タンク17内の湯水の温度や電気負荷による消費電力の多寡などの状況に応じて、FC発電部4の発電電力を調整しながら、可能な限りFC発電部4の発電を停止させることなく継続させるので、自立運転を安定的に行うことができる。
Thus, also in the cogeneration apparatus 1 shown in the present embodiment, in the self-sustaining operation that is executed in response to the power failure of the power system CP, the temperature of hot water in the hot
なお、上述した実施形態は本発明の好適な実施態様を示すものであって、本発明はこれに限定されることなく発明の範囲内で種々の設計変更が可能である。 The above-described embodiment shows a preferred embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to this, and various design changes can be made within the scope of the invention.
たとえば、上述した実施形態では、循環配管16内の湯水を強制循環させる循環ポンプ18を貯湯ユニット3側に設ける構成を示したが、循環ポンプ8は循環配管16に備えられていればよく、FCユニット2側に備えられていてもよい。
For example, in the above-described embodiment, the configuration in which the
また、上述した実施形態ではFC発電部4に備えられる燃料電池が固体酸化物型燃料電池(SOFC)である場合を示したが、他の態様の燃料電池(たとえば、固体高分子型燃料電池(PEFC))で構成されていてもよい。 In the above-described embodiment, the fuel cell provided in the FC power generation unit 4 is a solid oxide fuel cell (SOFC). However, the fuel cell of another aspect (for example, a solid polymer fuel cell ( PEFC)).
さらに、上述した実施形態では、自立運転用の電源コンセント14をFCユニット2側に備える構成を示したが、この電源コンセント14は貯湯ユニット3側に設けられていてもよい。
Furthermore, in the above-described embodiment, the configuration in which the
1 コージェネレーション装置
2 燃料電池ユニット(FCユニット)
3 貯湯ユニット
4 燃料電池発電部(FC発電部)
5 パワーコンディショナ
6 FC制御部
7 電気ヒータ
8 サーミスタ
9 DC/DCコンバータ
10 DC/ACインバータ
11 パワコン制御部
12 系統連系リレー
13 自立運転リレー
14 自立運転用の電源コンセント
17 貯湯タンク
18 循環ポンプ
19 貯湯ユニット制御部
20 電源プラグ
CP 電力系統
1
3 Hot water storage unit 4 Fuel cell power generation unit (FC power generation unit)
5
Claims (6)
前記自立運転機能は、
前記燃料電池発電部の出力電力を所定の第1電力とし、当該発電電力を前記電源コンセントおよび前記電気ヒータに供給する第1動作と、
前記第1動作中において、前記貯湯タンクの温水の温度が所定温度以上になると、前記燃料電池発電部の出力電力を前記第1電力より低い所定の第2電力とし、前記電気ヒータへの発電電力の供給を停止する第2動作と、
前記第2動作中において、消費電力が前記燃料電池発電部の発電電力を超えるときは、前記燃料電池発電部の出力電力をその定格最大出力電力またはその近傍に設定された所定の第3電力とする第3動作と、
を有していることを特徴とするコージェネレーション装置。 A fuel cell unit including a fuel cell power generation unit, and a hot water storage unit including a hot water storage tank that stores hot water heated by an electric heater that is operated by power generated by the fuel cell power generation unit. In a cogeneration apparatus having a self-sustained operation function of supplying power generated by the fuel cell power generation unit to a predetermined power outlet in a state where the interconnection with the system is disconnected,
The autonomous operation function is
A first operation in which the output power of the fuel cell power generation unit is a predetermined first power, and the generated power is supplied to the power outlet and the electric heater;
During the first operation, when the temperature of the hot water in the hot water storage tank becomes equal to or higher than a predetermined temperature, the output power of the fuel cell power generation unit is set to a predetermined second power lower than the first power, and the generated power to the electric heater A second operation to stop the supply of
During the second operation, when the power consumption exceeds the generated power of the fuel cell power generation unit, the output power of the fuel cell power generation unit is set to the rated maximum output power or a predetermined third power set in the vicinity thereof. A third action to
A cogeneration apparatus characterized by comprising:
前記燃料電池発電部は、前記貯湯ユニットとの通信成立を条件に前記第3電力で発電することを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のコージェネレーション装置。 The fuel cell unit and the hot water storage unit are connected for communication,
5. The cogeneration apparatus according to claim 1, wherein the fuel cell power generation unit generates power with the third power on condition that communication with the hot water storage unit is established.
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