JP2015065009A - コージェネレーション装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】自立運転中の余剰電力を減らすことにより、無駄な電力消費の少ないコージェネレーション装置を提供する。【解決手段】電力系統3の停電時において、燃料電池11を第1発電量で発電させ、その発電電力を用いて発電を継続させながら排熱回収装置14と1以上の自立運転コンセント35に電力を供給するとともに、余剰電力を余剰電力用ヒータ16で消費させ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、燃料電池の制御部15は、自立運転コンセント35から出力される合計の電流値が判定値以下の状態を所定時間継続したことを検知すると、燃料電池11の発電量を、少なくとも、燃料電池11の発電を継続させながら排熱回収運転を継続できる第2発電量まで低下させて、余剰電力を抑制する。【選択図】図1

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、電力系統の停電時に燃料電池が発電を継続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関する。
家庭向けのコージェネレーション装置である燃料電池式のコージェネレーション装置では、商用電源などの電力系統が停電したときでも燃料電池が発電を継続する自立運転機能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)。
このような自立運転機能を備えたコージェネレーション装置は、自立運転時に発電した電力を、燃料電池の発電継続に必要な電力(たとえば、燃料電池の補機や制御部の動作電力)として使用する他、停電時に使用可能な電力を供給する停電時用コンセント(自立運転コンセント)にも供給するように構成されている。そのため、電力系統の停電時に使用したい電気機器があるときは、当該電気機器を自立運転コンセントに接続することで、当該電気機器の使用が可能となる。
ところで、このようなコージェネレーション装置に用いられる燃料電池は、出力電力が急激に増加するとスタックの劣化を招くことから、自立運転コンセントへの電気機器の接続によってスタックが劣化しないように、自立運転中の発電量を一定(たとえば、350Wや700W)に制御しており、自立運転コンセントで使用されない余剰電力があるときは、当該余剰電力を所定の電気負荷(たとえば、電気ヒータ)で消費させるように構成されている。
特許第3293433号公報
しかしながら、このような従来のコージェネレーション装置には以下のような問題があり、その改善が望まれていた。
すなわち、余剰電力を消費する電気負荷として電気ヒータを用いる場合、電気ヒータで発生した熱を温水生成に利用できる利点があるが、温水を貯留する貯湯タンク内の温水の温度がそれ以上の昇温を必要としない所定温度以上であるとき(いわゆる満蓄のとき)には、余剰電力の消費だけを目的として電気ヒータを動作させなければならず(たとえば、貯湯タンク内の温水をラジエータなどの冷却手段で冷却しながら電気ヒータを動作させねばならず)、無駄な電力を消費することとなっていた。
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、自立運転中の余剰電力を減らすことにより、無駄な電力消費の少ないコージェネレーション装置を提供することにある。
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、燃料電池と、上記燃料電池の発電電力を電力系統に連系させるパワーコンディショナと、上記燃料電池の排熱を回収して温水を生成する排熱回収装置とを備えた発電ユニットと、貯湯タンクを備え、この貯湯タンクに上記排熱回収装置によって生成された温水を貯留する排熱回収運転機能と、当該貯湯タンク内の温水を給湯または熱交換の温水利用に提供する温水提供機能とを備えた貯湯ユニットとを備えてなり、上記発電ユニットは、上記電力系統の停電時において、上記燃料電池を所定の第1発電量で発電させ、その発電電力を用いて上記燃料電池の発電を継続させながら上記排熱回収装置と1以上の停電時用コンセントとに電力を供給するとともに余剰電力を所定の電気負荷で消費させ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、上記発電ユニットの制御部は、上記1以上の停電時用コンセントから出力される合計の電流値を検出する電流検出手段を備え、上記自立運転中において、上記停電時用コンセントの合計の電流値が所定の判定値以下の状態を所定時間継続したことを検知すると、上記燃料電池の発電量を、少なくとも、上記燃料電池の発電を継続させながら上記排熱回収運転を継続できる所定の第2発電量まで低下させる第1動作モードを備えていることを特徴とする。
請求項1に記載のコージェネレーション装置は、自立運転時には、貯湯ユニットの電源プラグを停電時用コンセント(自立運転コンセント)に接続することを前提にしたコージェネレーション装置である。このコージェネレーション装置では、自立運転中に停電時用コンセントから出力される合計の電流値が所定の判定値以下の状態を所定時間継続すると、燃料電池の発電量が第1発電量よりも小さい第2発電量となる。したがって、たとえば、上記判定値として、停電時用コンセントの出力電流+α(但し、α≧0)を用いることで、停電時用コンセントでの消費電力が少なく余剰電力が大きい状態が一定時間継続すると、燃料電池の発電量が第1発電量よりも小さい第2発電量に自動的に変更され、自立運転中における余剰電力が減少し、余剰電力の消費のみを目的とした電気負荷での電力消費が抑制される。
また、上記第2発電量は、少なくとも、燃料電池の発電を継続させながら排熱回収運転を継続できる発電量とされるので、燃料電池を第2発電量で発電させても燃料電池の発電と燃料電池の排熱回収は継続される。
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、上記発電ユニットの制御部は、上記貯湯ユニットの制御部との通信手段を備え、上記第2発電量で自立運転中に、上記通信手段を介して上記貯湯ユニットに対して上記温水提供機能の動作開始要求があったことを検知すると、上記燃料電池の発電量を上記第1発電量に復帰させる制御を実行するとともに、上記燃料電池の発電量が上記第1発電量に復帰するまでの間は、少なくとも1の上記停電時用コンセントへの電力供給を遮断させる制御構成を備えていることを特徴とする。
請求項2のコージェネレーション装置では、第2発電量で自立運転中に、貯湯ユニットに対して温水提供機能の動作要求(たとえば、温水暖房装置に対する温水供給の要求)があると、発電ユニットの制御部がそれを検知して、燃料電池の発電量を第1発電量に復帰させる。第1発電量への復帰にあたっては、燃料電池のスタックを劣化させないように発電量を徐々に増加させることになるので、発電ユニットの制御部は、燃料電池の発電量が第1発電量に到達するまでの間、停電時用コンセントへの電力供給を遮断して、発電量以上の電力が消費されるのを防止する。
ここで、この停電時用コンセントに対する電力供給の遮断は、少なくとも1の停電時用コンセントに対して行われればよいが、たとえば、すべての停電時用コンセントに対する電力供給を遮断したり、あるいは、貯湯ユニットの電源プラグ以外の電源プラグが接続された停電時用コンセントに対する電源供給を遮断するように構成してもよい。なお、このようにして行われる停電時用コンセントに対する電力供給の遮断は、燃料電池の発電量が第1発電量となった時点で解除される。つまり、燃料電池の発電量が第1発電量になると、停電時用コンセントへの電力供給が再開され停電時用コンセントが使用可能となる。
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2に記載のコージェネレーション装置において、上記発電ユニットの制御部は、上記第2発電量で自立運転中に、上記貯湯ユニットに対する上記温水提供機能の動作開始要求を検知したときは、上記貯湯ユニットの制御部に対して当該動作開始要求に対応する温水提供機能の動作開始の保留を指示するとともに、上記燃料電池の発電量が当該温水提供機能を動作させることができる所定の第3発電量まで上昇したことを検知すると、上記貯湯ユニットの制御部に対する動作保留を解除する指示を行う制御構成を備えたことを特徴とする。
請求項3に記載のコージェネレーション装置では、燃料電池が第2発電量で発電しているときに、貯湯ユニットに対して温水提供機能の動作要求(たとえば、温水暖房装置に対する温水供給の要求)があると、発電ユニットの制御部がそれを検知して、動作開始要求のあった温水提供機能の動作開始の保留を貯湯ユニットの制御部に指示する。これにより、貯湯ユニットは当該温水提供機能を動作せずに待機するので、当該温水提供機能が直ちに動作することによって生じ得る燃料電池の出力電流の急激な上昇を回避することができ、燃料電池の劣化を防止することができる。そして、温水提供機能の動作を保留させた状態で、燃料電池の発電量を第1発電量に復帰させる制御が行われ、この制御に伴って、燃料電池の発電量が当該温水提供機能を動作させることができる第3発電量まで上昇すると、発電ユニットの制御部が、貯湯ユニットの制御部に対する動作保留を解除する。これにより、燃料電池の出力電流の急激な上昇を伴わずに当該温水提供機能を動作させることができる。
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、上記発電ユニットの制御部は、上記パワーコンディショナへの入力電流値を検出する入力電流検出手段を備え、上記第2発電量で自立運転中に、パワーコンディショナへの入力電流値の増加を検知すると、上記燃料電池の発電量を上記第1発電量に復帰させる制御を実行するとともに、上記燃料電池の発電量が上記第1発電量に復帰するまでの間は、少なくとも1の停電時用コンセントへの電力供給を遮断させることを特徴とする。
請求項4に記載のコージェネレーション装置では、第2発電量で自立運転中に、パワーコンディショナへの入力電流値が増加すると、発電ユニットの制御部が燃料電池の発電量を第1発電量に復帰させるので、第2発電量で自立運転中においても停電時用コンセントに新たな電気機器を接続することができる。なお、この場合においても、燃料電池の発電量が上記第1発電量に復帰するまでは停電時用コンセントへの電力供給を遮断するのは請求項2のコージェネレーション装置と同様である。
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2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、上記発電ユニットの制御部は、少なくとも1の停電時用コンセントへの電力供給を遮断させたときには、当該電力供給の遮断を外部に報知する報知手段を備えていることを特徴とする。
請求項5に記載のコージェネレーション装置では、発電ユニットの制御部が停電時用コンセントへの電力供給を遮断させると、その旨が報知手段を通じて報知されるので、ユーザは報知手段による報知を確認することで、停電時用コンセントが使用できないことを認識することができる。
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2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、上記発電ユニットの制御部は、上記第2発電量で自立運転中において、上記燃料電池の発電量を上記第1発電量に復帰させる制御を実行した後に上記燃料電池の発電量が上記第1発電量に復帰したことを検知したときは、第1発電量への復帰を外部に報知する報知手段を備えていることを特徴とする。
請求項6に記載のコージェネレーション装置では、燃料電池の発電量が第2発電量から第1発電量に復帰すると、その旨が報知手段を通じて報知されるので、ユーザは報知手段による報知を確認することで、停電時用コンセントが使用可能となったことを認識することができる。
本発明の請求項7に記載のコージェネレーション装置は、請求項1から6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、上記発電ユニットの制御部は、上記自立運転中における上記燃料電池の発電量を上記第1発電量に固定する第2動作モードを備えており、所定の操作手段の操作に応じて上記第1動作モードと上記第2動作モードとが選択可能に構成されていることを特徴とする。
請求項7に記載のコージェネレーション装置では、自立運転中の燃料電池の発電量を第1発電量に固定するか、第2発電量への低下を許容するかをユーザが選択することができる。すなわち、余剰電力の低減を優先する場合は第2発電量への低下を許容する第1動作モードを選択し、停電時用コンセントの使用を優先する場合には第1発電量に固定する第2動作モードを選択することで、ユーザの希望に応じた仕様のコージェネレーション装置を提供することができる。
本発明によれば、燃料電池が自立運転中に、停電時用コンセントの合計の電流値が所定の判定値以下の状態が所定時間継続すると、燃料電池の発電量が第1発電量から、少なくとも燃料電池の発電を継続させながら排熱回収運転を継続できる第2発電量まで低下するので、たとえば、貯湯ユニットの温水提供機能が未使用の状態が継続したときなどに生じる余剰電力の発生が低減され、余剰電力消費のための無駄な電力消費が抑制される。
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すブロック図である。 同コージェネレーション装置における発電ユニットと貯湯ユニットの電気的接続の概要を示す回路図である。 同コージェネレーション装置において、燃料電池が自立運転中であるときの燃料電池ユニットの制御部の処理手順の一例を示すフローチャートである。
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。図1に示すように、本発明に係るコージェネレーション装置は、発電部として燃料電池(Fuel Cell)を備えた燃料電池式のコージェネレーション装置であって、発電ユニット1と給湯ユニット2を主要部として構成されている。
発電ユニット1は、発電部を構成する燃料電池を備えたユニットであって、燃料電池11と、燃料電池11の補機12と、燃料電池11で発電された直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナ13と、燃料電池11の排熱を回収して温水を生成する排熱回収部14と、発電ユニット1の制御部(以下、「FC制御部」と称する)15とを主要部として構成されるとともに、本実施形態に示す発電ユニット1では、燃料電池11で発電された電力のうち電気機器などで消費されない余剰電力を消費するための余剰電力用ヒータ(所定の電気負荷)16が備えられている。
燃料電池11は、周知のとおり、水素と酸素の電気化学反応によって得られる電気エネルギを直流電力として取り出す装置であって、本実施形態ではこの燃料電池11として、固体酸化物型燃料電池(SOFC)を用いている。なお、燃料電池11としては、固体酸化物型燃料電池以外の形式の燃料電池、たとえば、固体高分子型燃料電池(PEFC)を用いることも可能である。
補機12は、燃料電池11を動作させるための周辺機器で構成される。補機12の構成は公知であるので詳細な説明は省略するが、補機12には、たとえば、天然ガスから水素(水素リッチガス)を生成する燃料処理装置、酸素(空気)を供給する空気供給装置などが含まれる他、補機12に動作電力を供給する補機用の電源部が含まれている。なお、この補機用の電源部は、電源線45を介して後述するパワーコンディショナのDCリンク部から電力供給を受けるようになっている。すなわち、補機用の電源部は図示しない降圧回路を備えて構成され、この降圧回路を介してDCリンク部から直流電力の供給を受けるようになっている。
パワーコンディショナ13は、燃料電池11で発電された直流電力を電力系統3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、図2に示すように、DC/DCコンバータ31と、DC/ACインバータ32と、系統連系リレー33と、パワーコンディショナ13の制御部(以下、「PC制御部」と称する)34とを主要部として備える他、本実施形態に示すパワーコンディショナ13では、これらの基本的な構成に加えて、電力系統3の停電時に使用する自立運転コンセント(停電時用コンセント)35が備えられている。
DC/DCコンバータ31は、燃料電池11から電源線41を介して供給される直流電力を所定の電圧に昇圧する公知のコンバータ回路で構成されており、この回路によって燃料電池11から供給される直流電圧がDC350V程度の電圧に昇圧される。
DC/ACインバータ32は、DC/DCコンバータ31から電源線42を介して供給される直流電力を交流電力に変換する公知のインバータ回路で構成されており、この回路によってDC/DCコンバータ31から供給される直流電力が電力系統3に連系可能な周波数の交流電力(たとえば、単相交流100/200V)に変換される。なお、DC/DCコンバータ31とDC/ACインバータ32との間には、図示しないDCリンクコンデンサ(DCリンク部)が挿入されている。
系統連系リレー33は、DC/ACインバータ32と電力系統3とを接続する電源線43に介装される解列用のスイッチであって、系統連系リレー33の接点を開放することによってDC/ACインバータ32と電力系統3との連系が解列できるようになっている。
PC制御部34は、パワーコンディショナ13の各部を制御するための制御装置であって、このPC制御部34によって、パワーコンディショナ13から出力される交流電力の周波数や電圧の調整が行われる。具体的には、このPC制御部34には、図示しない各種センサ類(たとえば、電圧センサや電流センサなど)が接続されており、これらセンサ類から得られた情報に基づいてDC/DCコンバータ31やDC/ACインバータ32の動作制御が行われるようになっている。
また、このPC制御部34は、上記センサ類から得られる情報に基づいて電力系統3の停電を検知できるようになっており、電力系統3の停電を検知したときには自動的に系統連系リレー33の接点を開放して連系を解列するようになっている。
また、このPC制御部34は、通信線61を介してFC制御部15と通信接続されており、FC制御部15と情報を共有したり、FC制御部15からの指示を受けたり、FC制御部15に対して指示を行ったりできるようになっている。
なお、PC制御部34は、DC/DCコンバータ31とDC/ACインバータ32との間のDCリンク部から電源線44を介して動作用の電力供給を受けるようになっている。すなわち、PC制御部34も上述した補機用の電源部と同様に図示しない降圧回路を備えて構成され、この降圧回路を介してDCリンク部から動作用の直流電力の供給を受けるようになっている。
自立運転コンセント35は、電力系統3の停電時に燃料電池11で発電された電力を電気機器に供給するためのコンセントであって、本実施形態に示すパワーコンディショナ13では、この自立運転コンセント35として複数(図2では35a,35bに示す2個)のコンセントが備えられている。各自立運転コンセント35a,35bは、電源線47a,47bを介してそれぞれDC/ACインバータ32の交流出力部と接続されており、DC/ACインバータ32から所定の交流電力(たとえば、単相交流100V)が供給されるようになっている。
また、各電源線47a,47bには、それぞれPC制御部34によって独立して制御されるスイッチ36a,36bが備えられており、このスイッチ36a,36bの接点を開放することによってDC/ACインバータ32から自立運転コンセント35a,35bへの電力供給を遮断できるようになっている。なお、このスイッチ36a,36bは機械的な接点に限らず半導体による電気的な接点で構成されていてもよい。
排熱回収部14は、燃料電池11の電気化学反応によって発生する排熱を回収して温水を生成する排熱回収装置であって、この排熱回収部14には、後述する貯湯ユニット2に備えられる貯湯タンク21との間で温水を循環させる排熱回収用の配管4が接続されている。配管4には配管内の温水を強制循環させるポンプ17が備えられており、このポンプ17を動作させることによって排熱回収部14と貯湯タンク21との間で温水が強制循環されるようになっている。なお、本実施形態では、この循環ポンプ17を排熱回収部14の一部として発電ユニット1側に配置した場合を示したが、排熱回収部14とは独立の構成として貯湯ユニット2側に備えるようにしてもよい。その場合、循環ポンプ17は貯湯ユニット2の電源部23から電力供給を受けて動作するように構成される。
FC制御部15は、発電ユニット1の各部を制御するための制御装置であって、このFC制御部15によって、燃料電池11の発電量の調整が行われる。具体的には、このFC制御部15には、図示しない各種センサ類(たとえば、電圧センサや電流センサなど)が接続されており、これらセンサ類から得られた情報に基づいて燃料電池11および補機12を制御し、燃料電池11があらかじめ設定された所定の発電量(たとえば、350Wまたは700W、この発電量を「第1発電量」と称する)で発電を継続するようにしている。
また、FC制御部15は、上述したように、通信線(通信手段)61を介してPC制御部34と通信接続されており、PC制御部34と情報の共有や指示のやり取りを行うように構成されている他、通信線62を介して、後述する貯湯ユニット2の制御部22とも通信接続されており、タンク制御部22とも情報を共有したり、タンク制御部22からの指示を受けたり、タンク制御部22に対して指示を行ったりできるようになっている。
余剰電力用ヒータ16は、燃料電池11で発電された電力のうちの余剰電力を消費するための電気ヒータである。この余剰電力用ヒータ16は、上記配管4の周囲に配置されており、余剰電力によって電気ヒータを動作させたときに生じる熱を配管4内を循環する温水で回収(温水の加熱に利用)できるように構成されている。
この余剰電力用ヒータ16は、図2に示すように、電源線46を介してパワーコンディショナ13のDCリンク部と接続されており、DCリンク部から電力供給を受けて動作するようになっている。電源線46には、信号線63(図1参照)を介してPC制御部34によって制御されるヒータ用のスイッチ37(たとえば、FETで構成される。)が備えられており、燃料電池11で発電された電力に余剰電力があるときには、PC制御部24がこのスイッチ37の接点を閉成させて余剰電力用ヒータ16を動作させるように構成されている。
なお、本実施形態では、余剰電力を消費させる電気負荷として余剰電力用ヒータ(電気ヒータ)を使用した場合を示したが、余剰電力の消費に使用する電気負荷は電気ヒータに限られず適宜変更可能である。
一方、貯湯ユニット2は、貯湯タンク21を備えたユニットであって、貯湯タンク21に排熱回収部14で生成された温水を貯留する排熱回収運転機能と、貯湯タンク21内に貯留した温水を給湯や熱交換のために提供する温水提供機能とを備えている。すなわち、貯湯タンク21に貯留された温水は、周知のとおり、給湯栓(シャワーやミスト発生装置を含む)に供給する温水として、あるいは、温水暖房器の熱交換器や風呂追い焚き用の熱交換器の熱媒体などとして提供されるようになっている。なお、この温水提供機能の具体的な構成(給湯機能、風呂追い焚き機能、温水暖房機能等の組み合わせ)は適宜変更可能である。
そして、この貯湯ユニット2は、このような温水提供機能を実現するために、貯湯タンク21と、貯湯ユニット2の各部を制御する制御部(以下、「タンク制御部」と称する)22と、貯湯ユニット2の各部に動作用の電力を供給する電源部(以下、「タンク電源部」と称する)23と、貯湯タンク21内の温水を冷却するための冷却部24とを主要部として備えている。なお、図示例では、補助熱源機を図示していないが、貯湯ユニット2には、貯湯タンク21内の温水を加熱昇温させるための補助熱源機が備えられていてもよい。
貯湯タンク21は、内部に温水を貯留するタンクで構成されており、貯湯タンク21の上部および下部には上記配管4が接続されている。すなわち、上記排熱回収部14で熱回収後の温水が配管4を通って貯湯タンク21の上部に供給され、貯湯タンク21の下層に貯留する低温の温水が配管4を通って排熱回収部14に供給されるように構成されている。
そして、これに関連して、貯湯タンク21の下部に接続された配管4には冷却部24が備えられており、所定の条件を満たす場合に、貯湯タンク21から流出する温水を冷却するようになっている。すなわち、この冷却部24は、貯湯タンク21内の温水の温度が所定温度以上である(貯湯タンク21がいわゆる満蓄状態にある)ときに、燃料電池11による発電を継続させる必要が生じると動作するように構成されている。なお、この冷却部24は、図示しない電動ファンを備えたラジエータなどで構成されている。
タンク制御部22は、貯湯ユニット2の各部を制御するための制御装置であって、このタンク制御部22によって、上述した温水提供機能に関連する制御が行われる。すなわち、このタンク制御部22には、図示しない各種センサ類(たとえば、貯湯タンク21内の温水の温度を検出する温度センサや給湯栓が開かれたときの水流を検出する水量センサなど)が接続されており、これらセンサ類から得られた情報や後述するリモコン5から得られる情報に基づいて、貯湯タンク21内の温水を出湯させたり、あるいは、補助熱源機を動作させたりする制御を行うようになっている。また、上述した冷却部24の動作制御もタンク制御部22によって行われる。
また、タンク制御部22は、上述したように、通信線62を介してFC制御部15と通信接続されており、FC制御部15と情報の共有や指示のやり取りを行うように構成されている他、通信線54を介して、後述するリモコン5とも通信接続されており、リモコン5と情報を共有したり、リモコン5からの指示を受けたり、リモコン5に対して指示を行ったりできるように構成されている。
タンク電源部23は、貯湯ユニット2の各部に動作用の電力を供給する電源装置であって、このタンク電源部23は交流電力(たとえば、AC100V)の電力供給を受けて冷却部24や補助熱源機などに動作用の電力を供給するように構成されている。ここで、このタンク電源部23に交流電力を供給するための電源プラグ25は、電力系統3が停電していないときは電力系統3から電力供給を受ける電源コンセント26(図2参照)に接続され、電力系統3が停電し、燃料電池11が自立発電(自立運転)を行っているときには、自立運転コンセント35に接続して自立運転コンセント35から電力供給を受けるようになっている。
本実施形態では、電源プラグ25の接続は、図1に示すように、自立/系統切替部6を用いて行われている。自立/系統切替部6は、内部に接続先を自動または手動で切り替える切替スイッチ(図示せず)を備えて構成されており、電力系統3が停電していないときは切替スイッチを電力系統3側に接続して電源プラグ25が電力系統3に接続されるようにする一方、電力系統3が停電しているときには切替スイッチを自立運転コンセント35(図示例では35a)側に接続して電源プラグ25が自立運転コンセント35aに接続されるようになっている。
リモコン5は、発電ユニット1および貯湯ユニット2を遠隔制御するための操作装置である。このリモコン5は、図2に示すように、操作部51と、表示部52、制御部(以下、「リモコン制御部」と称する)53とを主要部として備えている。
操作部(操作手段)51は、発電ユニット1および貯湯ユニット2に対する遠隔操作を入力するための各種操作スイッチ(たとえば、押しボタン式のスイッチや十字キー式のスイッチなど)で構成されており、この操作部51で操作された内容はリモコン制御部53によって解析されるようになっている。
表示部(報知手段)52は、操作部51での操作内容を表示したり、発電ユニット1および貯湯ユニット2の状態などを表示する表示装置で構成されている。この表示部52としては、たとえば、文字や図形の表示が可能な液晶ディスプレイなどが使用される。
リモコン制御部53は、リモコン5の各部を制御するための制御装置であって、このリモコン制御部53によって、操作部51の操作内容の解析や表示部52の表示制御などが行われる。また、リモコン制御部53は、上述したように、通信線54を介してタンク制御部22と通信接続されており、タンク制御部22と情報の共有や指示のやり取りを行うように構成されている。なお、リモコン5とタンク制御部22とが通信接続されることにより、リモコン制御部53、タンク制御部22、FC制御部15およびPC制御部34は、直接又は間接的に相互に情報の共有や指示のやり取りができるようになっている。
次に、このように構成されたコージェネレーション装置の動作について説明する。
本発明に係るコージェネレーション装置は、電力系統3が停電していない状態のときは、公知のコージェネレーション装置と同様に系統連系を行う。すなわち、FC制御部15は、燃料電池11を第1発電量で発電させるとともに、系統連系リレー33の接点を閉成させて、パワーコンディショナ13で交流に変換された燃料電池11からの電力を電力系統3に連系させる。
これに対して、電力系統3が停電すると、PC制御部34は電力系統3の停電を検知して、系統連系リレー33の接点を開放させて系統との連系を解列し、燃料電池11の自立運転を開始させる。このとき、PC制御部34は、電力系統3が停電したことをFC制御部15に伝達し、電力系統3の停電情報をFC制御部15と共有する。FC制御部15は、自立運転の前後において、燃料電池11の発電量をそのまま維持する。つまり、自立運転の開始当初、FC制御部15は、燃料電池11の発電量を上述した第1発電量としたままで燃料電池11の発電を継続させる。
自立運転が開始されると、次に、PC制御部34は、スイッチ36a,36bの接点を閉成させて、DC/ACインバータ32から自立運転コンセント35a,35bに対して交流電力が供給されるようにする。これにより、自立運転コンセント35が使用可能な状態となる。なお、本実施形態では、貯湯ユニット2の電源プラグ25は、自立/系統切替部6を介して自立運転コンセント35に接続されていることから、自立運転コンセント35に電力が供給されると、タンク電源部23には自立運転コンセント35aを介して燃料電池11で発電された電力が供給される。
そして、本実施形態に示すコージェネレーション装置では、このように燃料電池11が自立運転を行っている状態で、後述する一定の条件が満たされると、FC制御部15は、燃料電池11の発電量を上記第1発電量よりも小さい所定の第2発電量に変更する制御を実行する。
ここで、燃料電池11の発電量を第2発電量に変更する一定条件は、複数の自立運転コンセント35の合計の電流値が、所定の判定値X以下の状態で所定時間Tが継続したことを条件とする。なお、自立運転コンセント35の合計の電流値は、パワーコンディショナ13に備えられる出力電流検出用の電流センサ(図示せず)の検出値に基づいてFC制御部15が演算する。すなわち、ここではFC制御部15が自立運転コンセント35の合計の電流値を検出する電流検出手段として用いられている。
そして、上記判定値Xは、自立運転コンセント35での消費電力が少ないときの出力電流値、たとえば、自立運転コンセント35に貯湯ユニット2のみが接続された状態において、貯湯ユニット2の温水提供機能が使用されていない(つまり、貯湯ユニット2が待機状態にある)ときの自立運転コンセント35の出力電流値Iout+α(但し、α≧0)が用いられる。
ここで、判定値Xとして、貯湯ユニット2が待機状態にあるときの自立運転コンセント35の出力電流値Iout+αを用いるのは、自立運転コンセント35に貯湯ユニット2しか接続されておらず、かつ、貯湯ユニット2が待機状態にあるときに、余剰電力がほぼ最大となるとみなせるからである。なお、この判定値Xにおけるαは出力電流値Ioutの変動を考慮して設定されるマージンであり、適宜設定される。
また、上記所定時間Tは適宜設定される。この所定時間Tが長すぎると長時間にわたって余剰電力ヒータ16で電力が消費されることになるので、あまり長すぎない時間、たとえば、10分〜30分程度に設定される。なお、この所定時間Tの設定は、あらかじめ設定した固定値とすることもできるが、リモコン5の操作部51を用いてユーザが設定できるように構成することも可能である。
また、上記第2発電量は、上記第1発電量未満で、かつ、少なくとも、燃料電池11の発電を継続させながら排熱回収運転を継続できる発電量以上の発電量とされる。本実施形態では、この第2発電量は、燃料電池11の発電を継続させながら排熱回収運転を継続できる最低限の発電量に加えて、貯湯ユニット2を待機状態で動作させるのに必要な最低限の電力を加算した値が用いられる。すなわち、本実施形態では、第2発電量で自立運転中に、燃料電池11の自立運転と、排熱回収部14による排熱回収運転とに加えて、貯湯ユニット2を待機状態に維持することができるようにするためである。
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では、燃料電池11の自立運転中に、複数の自立運転コンセント35の合計の電流値が所定の判定値X以下の状態で所定時間Tが継続したことをFC制御部15が検知すると、FC制御部15は、燃料電池11の発電量を第1発電量から第2発電量に低下させるので、自立運転中における余剰電力が減少し、余剰電力の消費のみを目的とした余剰電力用ヒータ16での電力消費が抑制される。なお、このように燃料電池11の自立運転中に一定の条件が満たされると燃料電池11の発電量を第2発電量に低下させることを許容するFC制御部15の動作を「第1動作モード」と称する。
そして、このように構成されたコージェネレーション装置は、リモコン5において、燃料電池11を第1発電量で運転させる操作、あるいは、貯湯ユニット2に対して温水提供機能の動作開始要求(たとえば、温水暖房器の暖房運転開始要求)操作が行われ、これらの指示がタンク制御部22に受け付けられると、FC制御部15は、当該指示をタンク制御部22が受け付けたことを検知して、燃料電池11の発電量を第1発電量に復帰させる制御を実行するとともに、燃料電池11の発電量が第1発電量に復帰するまでの間、自立運転用コンセント35への電力供給を遮断させる制御を実行する。
ここで、燃料電池11の発電量を第1発電量に復帰させる制御は、急激な出力電力の増加によって燃料電池11を劣化させないように、燃料電池11の発電量を徐々に増加させて行う。したがって、第2発電量から第1発電量に復帰するまでには一定時間を要する。そのため、FC制御部15は、燃料電池11の発電量が第1発電量に到達するまでの間、PC制御部34に対して電源線47に備えられたスイッチ36の接点を開放させる指示を出して、自立運転コンセント35への電力供給を遮断する。
なお、この電力供給の遮断は、すべての自立運転コンセント35a,35bに対して行うように構成することも可能であるが、本実施形態では、貯湯ユニット2の電源プラグ25が接続される自立運転コンセント35aを除く他の自立運転コンセント35bに対して行われる。すなわち、ここでの自立運転コンセント35に対する電力供給の遮断は、未だ第1発電量に至らない段階で自立運転コンセント35に電気機器が接続されることによって燃料電池11の出力電力が急激に増加するのを防止するためであり、したがって、燃料電池11の出力電力の急激な増加のおそれがなければ、ここでの電力供給の遮断は、少なくとも1以上の自立運転コンセント35に対して行われれば足りる。
そして、FC制御部15は、このように自立運転コンセント35に対する電力供給の遮断を行った場合、自立運転コンセント35への電力供給を遮断している旨を外部に報知する。すなわち、本実施形態では、FC制御部15は、タンク制御部22を介してリモコン5の表示部52に自立運転コンセント35への電力供給を遮断している旨を表示させる。
そして、FC制御部15は、燃料電池11の発電量が第1発電量に復帰したこと検知すると、自立運転コンセント35に対する電力供給の遮断を解除するとともに、燃料電池11の発電量が第1発電量に復帰した旨を外部に報知する。すなわち、FC制御部15は、PC制御部34に対してスイッチ36の接点を閉成させる指示を出すとともに、タンク制御部22を介してリモコン5の表示部52に自立運転コンセント35が使用可能になったことを表示させる。
図3は、上述した自立運転中におけるFC制御部15の処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートに基づいてFC制御部15の処理手順を整理すると、自立運転を開始したFC制御部15は、燃料電池11の発電量が第2発電量であるか否か(発電量抑制中であるか否か)を判断する(図3ステップS1参照)。
自立運転が開始された当初は、燃料電池11は第1発電量で自立運転を行っているので、図3ステップS1の判断は否定的となるので、FC制御部15は図3ステップS5に移行して、自立運転スイッチ35の合計の電流値Ioutが所定時間T継続して判定値X以下であるか否かを判断する。
そして、この判断が肯定的であれば、FC制御部15は、燃料電池11の発電量を第2発電量に低下させて燃料電池11の発電量を抑制する(図3ステップS6参照)。
これに対して、図3ステップS5の判断が否定的であれば、FC制御部15は、燃料電池11の発電量が上昇中であるか、すなわち、第2発電量から第1発電量に復帰途中であるか否かを判断する(図3ステップS7参照)。
そして、図3ステップS7の判断が否定的であれば、自立運転コンセント35で電力が使用されているとみなして処理を終了し、図3ステップS1に復帰する。一方、図3ステップS7の判断が肯定的であれば、燃料電池11の発電量が第1発電量(定格電力)まで上昇したか否かを判断し、第1発電量まで上昇していればスイッチ36を閉じて自立運転コンセント35への電力供給を開始する(図3ステップS9参照)。
また、図3ステップS1の判断が肯定的であるときは、図3ステップS2に移行して、FC制御部15は、第1発電量での発電を再開させる指示があったか否か、すなわち、リモコン5で燃料電池11を第1発電量で運転させる操作、あるいは、温水提供機能の動作開始要求の操作があったか否かを判断し、この判断が肯定的であれば、自立運転コンセント35への電力供給を停止させる(図3ステップS3参照)。
そして、この自立運転コンセント35に対する電力供給の停止と併せて、FC制御部15は、燃料電池11の発電量の抑制を解除する。すなわち、FC制御部15は、燃料電池11の発電量を第2発電量から第1発電量に復帰させる制御を行う(図3ステップS4参照)。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。
この第2の実施形態は、上述した実施形態1に示すコージェネレーション装置において、燃料電池11が第2発電量で自立運転中に、FC制御部15が貯湯ユニット2に対する温水提供機能の動作開始要求を検知したときの動作を追加したものであり、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同様である。したがって、構成が共通する部分については同一の符号を付して説明を省略する。
この第2の実施形態に示すコージェネレーション装置は、燃料電池11が第2発電量で自立運転中に、FC制御部15が貯湯ユニット2に対する温水提供機能の動作開始要求を検知すると、FC制御部15は、タンク制御部22に対して当該動作開始要求に対応する温水提供機能の動作開始の保留を指示するとともに、燃料電池11の発電量が当該温水提供機能を動作させることができる所定の第3発電量まで上昇したときに、タンク制御部22に対する動作保留の解除を指示するように構成されている。
すなわち、上述した実施形態1に示すコージェネレーション装置では、燃料電池11が第2発電量で自立運転中に、FC制御部15が貯湯ユニット2に対する温水提供機能の動作開始要求を検知すると、FC制御部15は、燃料電池11の発電量を第1発電量に復帰させる制御と、自立運転用コンセント35への電力供給を遮断させる制御を実行するようになっているが、実施形態1では、電力供給の遮断は、貯湯ユニット2が接続される自立運転コンセント35a以外の自立運転コンセント35bに対して行われるため、直ちに動作開始要求に対応した温水提供機能が動作を開始すると、その動作開始に伴って燃料電池11に急激な出力電流の増加が発生するおそれがあった。
そのため、本実施形態に示すコージェネレーション装置では、温水提供機能の動作開始要求を検知したFC制御部15は、タンク制御部22に対して当該動作開始要求に対応する温水提供機能の動作開始の保留を指示することで、燃料電池11に急激な出力電流の増加が発生するのを回避している。
そして、燃料電池11の発電量が当該温水提供機能の動作が可能な第3発電量まで上昇した時点で、FC制御部15は、タンク制御部22に対して指示した動作保留を解除する。これにより、貯湯ユニット2が温水提供機能を動作させても燃料電池11の出力電流が急激に上昇することはない。
ここで、第3発電量は、動作開始要求の内容(具体的には、給湯機能だけのように単一の機能についての動作要求か、給湯機能と温水暖房機能のように複数の機能についての動作要求か、さらには、いかなる機能についての動作要求であるかなど)によって相違する。したがって、この第3発電量は、あらかじめ温水提供機能の組み合わに応じて既定値をFC制御部15に記憶させておき、一定周期で定期的に燃料電池11の発電量とこの既定値とを比較して、燃料電池11の発電量が第3発電量まで上昇したかを判断する。
実施形態3
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。
この第3の実施形態は、自立運転中の燃料電池11の発電量を第2発電量から第1発電量に復帰させる条件を追加したものであって、その他の構成は上述した実施形態1または実施形態2に示すコージェネレーション装置同様である。したがって、構成が共通する部分については同一の符号を付して説明を省略する。
この実施形態3に示すコージェネレーション装置では、燃料電池11が第2発電量で自立運転しているときに、自立運転コンセント35に新たに電気機器が接続された場合にも、燃料電池11の発電量が第2発電量から第1発電量に復帰するように構成されている。
具体的には、この実施形態3に示すコージェネレーション装置では、FC制御部15が、パワーコンディショナ13への入力電流を監視するように構成され、燃料電池11が第2発電量で自立運転しているときに、パワーコンディショナ13への入力電流値の増加が検知されると、FC制御部15は、燃料電池11の発電量を第1発電量に復帰させるように構成されている。すなわち、自立運転コンセント35に新たな電気機器が接続されると、それに伴って燃料電池11の出力電流値(つまり、パワーコンディショナ13への入力電流値)が増加するので、FC制御部15は、この入力電流値の増加から自立運転コンセント35への新たな電気機器の接続を検出するようにされている。
本実施形態において、パワーコンディショナ13への入力電流値を検出する入力電流検出手段には、パワーコンディショナ13に備えられる入力電流検出用の電流センサ(図示せず)が用いられる。そして、FC制御部15は、この電流センサの検出値をPC制御部34から受け取って、上述した制御を行う。
なお、本実施形態において、燃料電池11の発電量が第2発電量から第1発電量に復帰するまでの間、自立運転コンセント35への電力供給を遮断させるのは、上述した実施形態1および実施形態2と同様である。
実施形態4
次に、本発明の第4の実施形態について説明する。
この第4の実施形態は、上述した実施形態1乃至3に示すコージェネレーション装置を改変したものであって、このコージェネレーション装置では、自立運転中における燃料電池11の発電量を第1発電量に固定する、つまり、発電量の抑制を行わない第2動作モードをFC制御部15に備えさせており、リモコン5の操作部51の所定操作に応じて、自立運転中に上記第1動作モードで動作するか、それとも第2動作モードで動作するかをユーザが選択できるように構成している。なお、その他の構成は上述した実施形態1乃至3に示すコージェネレーション装置同様である。したがって、構成が共通する部分については同一の符号を付して説明を省略する。
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。
たとえば、上述した実施形態では、燃料電池11の発電量に関する制御をすべてFC制御部15で行うように構成した場合を示したが、これらの制御はPC制御部34と分担して行うように構成することも可能である。すなわち、PC制御部34によって本発明の発電ユニットの制御部を構成することもできる。
また、上述した実施形態では、コージェネレーション装置が発電ユニット1と貯湯ユニット2の2つのユニットで構成される場合を示したが、たとえば、発電ユニット1と貯湯ユニット2を一体に構成してもよいし、貯湯ユニット2が貯湯タンク21を備えるユニットと補助熱源機を備えるユニットの2つのユニットで構成されていてもよい。
また、上述した実施形態では、コージェネレーション装置は、発電部として燃料電池11を備える燃料電池式のコージェネレーション装置を示したが、自立運転機能を備えるコージェネレーション装置であれば他の形式、たとえば、ガスエンジン式のコージェネレーション装置にも本発明は適用可能である。また、上述した実施形態では、自立運転コンセント35を2個備えるコージェネレーション装置を示したが、自立運転コンセント35は少なくとも1以上設けられていればよく、自立運転コンセント35を1個のみ備えるコージェネレーション装置にも本発明は適用可能である。
1 発電ユニット
2 貯湯ユニット
3 電力系統
5 リモコン
11 燃料電池
12 補機
13 パワーコンディショナ
14 排熱回収部(排熱回収装置)
15 燃料電池の制御部(FC制御部)
16 余剰電力用ヒータ(電気負荷)
31 DC/DCコンバータ
32 DC/ACインバータ
33 系統連系リレー
34 パワーコンディショナの制御部(PC制御部)
35 自立運転コンセント(停電時用コンセント)
51 リモコンの操作部(操作手段)
52 リモコンの表示部(報知手段)

Claims (7)

  1. 燃料電池と、前記燃料電池の発電電力を電力系統に連系させるパワーコンディショナと、前記燃料電池の排熱を回収して温水を生成する排熱回収装置とを備えた発電ユニットと、
    貯湯タンクを備え、この貯湯タンクに前記排熱回収装置によって生成された温水を貯留する排熱回収運転機能と、当該貯湯タンク内の温水を給湯または熱交換の温水利用に提供する温水提供機能とを備えた貯湯ユニットとを備えてなり、
    前記発電ユニットは、前記電力系統の停電時において、前記燃料電池を所定の第1発電量で発電させ、その発電電力を用いて前記燃料電池の発電を継続させながら前記排熱回収装置と1以上の停電時用コンセントとに電力を供給するとともに余剰電力を所定の電気負荷で消費させ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、
    前記発電ユニットの制御部は、前記1以上の停電時用コンセントから出力される合計の電流値を検出する電流検出手段を備え、前記自立運転中において、前記停電時用コンセントの合計の電流値が所定の判定値以下の状態を所定時間継続したことを検知すると、前記燃料電池の発電量を、少なくとも、前記燃料電池の発電を継続させながら前記排熱回収運転を継続できる所定の第2発電量まで低下させる第1動作モードを備えていることを特徴とするコージェネレーション装置。
  2. 前記発電ユニットの制御部は、前記貯湯ユニットの制御部との通信手段を備え、前記第2発電量で自立運転中に、前記通信手段を介して前記貯湯ユニットに対して前記温水提供機能の動作開始要求があったことを検知すると、前記燃料電池の発電量を前記第1発電量に復帰させる制御を実行するとともに、前記燃料電池の発電量が前記第1発電量に復帰するまでの間は、少なくとも1の前記停電時用コンセントへの電力供給を遮断させる制御構成を備えていることを特徴とする請求項1に記載のコージェネレーション装置。
  3. 前記発電ユニットの制御部は、前記第2発電量で自立運転中に、前記貯湯ユニットに対する前記温水提供機能の動作開始要求を検知したときは、前記貯湯ユニットの制御部に対して当該動作開始要求に対応する温水提供機能の動作開始の保留を指示するとともに、前記燃料電池の発電量が当該温水提供機能を動作させることができる所定の第3発電量まで上昇したことを検知すると、前記貯湯ユニットの制御部に対する動作保留を解除する指示を行う制御構成を備えたことを特徴とする請求項2に記載のコージェネレーション装置。
  4. 前記発電ユニットの制御部は、前記パワーコンディショナへの入力電流値を検出する入力電流検出手段を備え、前記第2発電量で自立運転中に、パワーコンディショナへの入力電流値の増加を検知すると、前記燃料電池の発電量を前記第1発電量に復帰させる制御を実行するとともに、前記燃料電池の発電量が前記第1発電量に復帰するまでの間は、少なくとも1の停電時用コンセントへの電力供給を遮断させることを特徴とする請求項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。
  5. 前記発電ユニットの制御部は、少なくとも1の停電時用コンセントへの電力供給を遮断させたときには、当該電力供給の遮断を外部に報知する報知手段を備えていることを特徴とする請求項2から4のいずれかに記載のコージェネレーション装置。
  6. 前記発電ユニットの制御部は、前記第2発電量で自立運転中において、前記燃料電池の発電量を前記第1発電量に復帰させる制御を実行した後に前記燃料電池の発電量が前記第1発電量に復帰したことを検知したときは、第1発電量への復帰を外部に報知する報知手段を備えていることを特徴とする請求項2から5のいずれかに記載のコージェネレーション装置。
  7. 前記発電ユニットの制御部は、前記自立運転中における前記燃料電池の発電量を前記第1発電量に固定する第2動作モードを備えており、所定の操作手段の操作に応じて前記第1動作モードと前記第2動作モードとが選択可能に構成されていることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載のコージェネレーション装置。
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