JP2018125269A

JP2018125269A - 燃料電池装置

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Publication number: JP2018125269A
Application number: JP2017021226A
Authority: JP
Inventors: 亮野口; Akira Noguchi
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2017-01-30
Filing date: 2017-02-08
Publication date: 2018-08-09
Anticipated expiration: 2037-02-08
Also published as: JP6810627B2

Abstract

【課題】エネルギーの利用効率を改善しつつ、使い勝手の良い燃料電池装置を提供する。【解決手段】発電ユニットと、前記発電ユニットの発電にともなって排出される排ガスからの熱により温水を生成する温水生成ユニットと、前記温水を貯湯装置へ送る温水供給ユニットと、前記貯湯装置の貯湯量の水位を前記貯湯装置から受信する第１の受信ユニットと、前記貯湯装置から出された温水使用量を前記貯湯装置から受信する第２の受信ユニットと、前記貯湯装置へ供給する温水供給量を検出する検出ユニットと、前記貯湯量と前記第温水使用量と前記温水供給量に応じて、複数の動作のなかから１つの動作を選択して制御する、少なくとも１つのプロセッサと、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、水素含有ガス（燃料ガス）と酸素含有ガス（通常は空気）とを用いて電力を得ることができる燃料電池装置の開発が進められている。燃料電池装置においては、発電に伴って発生する排熱を利用して生成した温水を貯湯槽に蓄積し、温水需要に対する供給を行っている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００２−２８０００６号公報

しかしながら、貯湯槽に蓄積する温水がその上限に達した場合は、燃料電池装置における発電を停止するか、発電を維持する（すなわち、燃料電池発電に付随する熱交換を維持する）ために、貯湯槽から温水を廃棄する必要があった。

また、発電の停止および再稼動には数時間から半日程度を要し、その間は、温水需要への対応が不十分となる。このため、燃料電池装置においては、エネルギーの利用効率の点および使い勝手の点でさらなる改善が求められている。

そこで、本発明は、エネルギーの利用効率を改善しつつ、使い勝手の良い燃料電池装置を提供することを目的とする。

本開示の燃料電池装置は、発電ユニットと、前記発電ユニットの発電にともなって排出される排ガスからの熱により温水を生成する温水生成ユニットと、前記温水を貯湯装置へ送る温水供給ユニットと、前記貯湯装置の貯湯量の水位を前記貯湯装置から受信する第１の受信ユニットと、前記貯湯装置から出された温水使用量を前記貯湯装置から受信する第２の受信ユニットと、前記貯湯装置へ供給する温水供給量を検出する検出ユニットと、前記貯湯量と前記第温水使用量と前記温水供給量に応じて、複数の動作のなかから１つの動作を選択して制御する、少なくとも１つのプロセッサと、を有することを特徴とする。

本開示の燃料電池装置によれば、エネルギーの利用効率を改善しつつ、使い勝手のよい燃料電池装置を提供することが可能となる。

第１の実施形態に係る燃料電池装置の構成例の概略を示すブロック図である。第１の実施形態に係る制御装置の構成の一例を示すブロック図である。第１の実施形態に係る給湯状況モデルの一例を示すチャートである。第１の実施形態に係る燃料電池装置における制御の流れの一例を示すフローチャートである。第１の実施形態に係る燃料電池装置における制御の流れの一例を示すフローチャートである。

本実施形態に係る燃料電池装置について、添付の図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る燃料電池装置の構成例の概略を示すブロック図である。

燃料電池装置１００は、燃料電池による発電時に発生する熱量を利用して給湯を行う装置であり、少なくとも、貯湯量と温水使用量と温水供給量のうちの１つに基づいて、温水の廃棄を抑制するとともに、給湯需要に好適に対応し得る発電給湯システムである。燃料電池装置１００は、燃料電池ユニット１０、貯湯ユニット２０、センサユニット３０、ヒートポンプ４０および制御装置５０を備える。なお、ヒートポンプ４０を備えずに本装置１００を構成することも可能である。

燃料電池ユニット１０は、セルスタック１１、熱交換器１２および燃料電池（Fuel Cell）制御部（以下、「ＦＣ制御部」で略称する）１３等を備えるユニットであり、発電時に生成される排熱を利用して温水を生成して貯湯ユニット２０に供給する。セルスタック１１は、都市ガス等の燃料ガスを利用する電気化学反応に基づいて発電を行う発電ユニットである。熱交換器１２は、燃料電池セルから排出される排ガスと熱媒体（例えば、水）との間で熱交換を行う。ＦＣ制御部１３は、燃料電池ユニット１０における全体の動作を制御する。具体的には、燃料電池ユニット１０における発電または給湯についての制御を行う。

燃料電池装置１００は、以下にさらに詳細に述べられるように、種々の機能を実行するための制御および処理能力を提供するために、少なくとも１つのプロセッサ（ＦＣ制御部１３）を含む。種々の実施形態によれば、少なくとも１つのプロセッサは、単一の集積回路（ＩＣ）として、又は複数の通信可能に接続された集積回路ＩＣ及び／又はディスクリート回路（discrete circuits）として実行されてもよい。少なくとも１つのプロセッサは、種々の既知の技術に従って実行されることが可能である。

ある実施形態において、プロセッサは、１以上のデータ計算手続又は処理を実行するために構成された１以上の回路又はユニットを含む。例えば、プロセッサは、１以上のプロセッサ、コントローラ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路（Application Specific Integrated Circuit：ＡＳＩＣ）、デジタル信号処理装置、プログラマブルロジックデバイス、フィールドプログラマブルゲートアレイ、又はこれらのデバイス若しくは構成の任意の組み合わせ、又は他の既知のデバイスおよび構成の組み合わせを含み、以下に説明される機能を実行してもよい。

なお、上記のセルスタック１１は、例えば、固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）のセルスタックであるが、必ずしもスタック構造でなくてもよい。

貯湯ユニット２０は、燃料電池ユニット１０またはヒートポンプ４０によって生成された温水を保持する給湯装置であり、貯湯タンク２１等を備える。なお、貯湯ユニット２０は、本開示に係る貯湯装置の一例である。

センサユニット３０は、本装置１００の給湯に関する各種のセンサを備えている。具体例としては、汎用の流量センサ３１（例えば、超音波式流量センサ）によって、貯湯タンク２１から出された温水の使用量を検出してもよい。なお、他の流量センサ（図示せず）では、燃料電池ユニット１０，ヒートポンプ４０から貯湯タンク２１に供給される温水の供給量を検出してもよい。流量センサは、温水が流れている流量を検出し、流量の合計量は制御装置５０で算出してもよい。さらに、水位センサ３２（例えば、圧力式水位センサ）によって貯湯タンク２１における貯湯量を検出するとともに、温度センサ３３によって貯湯タンク２１における水温を検出する。さらに、センサユニット３０は、これらの各センサにおいて計測されたアナログデータをデジタルデータに変換（以下、「Ａ／Ｄ変換」と略称する）して制御装置５０に送信する。なお、センサユニット３０は、上記の各センサが個別にＡ／Ｄ変換を行い、制御装置５０に送信する構成としてもよい。なお、センサユニット３０は、本開示に係る検出ユニットの一例である。なお、図１としてセンサユニット３０は、貯湯ユニットおよび燃料電池ユニットとは別体として記載されているが、貯湯ユニットおよび燃料電池ユニットのいずれか又はいずれにも含まれていてもよい。

ヒートポンプ４０は、ＦＣ制御部１３または制御装置５０の指示によって稼動して温水を生成し、生成した温水を貯湯ユニット２０に供給する。

制御装置５０は、当該装置１００における各装置の動作を制御する装置であり、プロセッサ、マイクロコンピュータ、ＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory）等を備える。プロセッサは前述した内容と同等でよい。制御装置５０は、上記の流量センサ、水位センサまたは温度センサ等のデータに基づいて、予め規定した期間に一定量の給湯の需要がない場合は本装置における発電を停止し（または低出力の発電を行う）、また燃料電池ユニット１０の給湯能力を超える給湯の需要がある場合は、ヒートポンプ４０を稼動して温水の生成を行う。

図２は、本実施形態に係る制御装置の構成の一例を示すブロック図である。制御装置５０は、コンバータ５１、インバータ５２、第１リレースイッチ５３、第２リレースイッチ５４、電力計測部５５、通信部５６、操作部５７、システム制御部５８を備える。

コンバータ５１は、燃料電池ユニット１０において発電された直流電圧（例えば、４０Ｖ）を昇圧する（例えば、３５０Ｖ）ＤＣ／ＤＣコンバータである。

インバータ５２は、コンバータ５１において変換された直流電圧を交流電圧（例えば、１００Ｖまたは２００Ｖ）に変換するＤＣ／ＡＣコンバータである。

第１リレースイッチ５３は、システム制御部５８の指示によって、インバータ５２において変換された交流電力または系統電源の電力の何れかをヒートポンプ４０に供給するように切換えを行う。なお、ヒートポンプ４０には、インバータを通さずに電力が供給されてもよい。

第２リレースイッチ５４は、システム制御部５８の指示によって、インバータ５２において変換された交流電圧を切り換える。

電力計測部５５は、予め規定した箇所（例えば、ヒートポンプ４０）の消費電力を計測し、システム制御部５８に送信する。

通信部５６は、センサユニット３０等から受信したデータをシステム制御部５８に送信する。

操作部５７は、ボタンまたはタッチパネル等を備え、ユーザからの指示を受け付け、その指示を表すデータをシステム制御部５８に送信する。

システム制御部５８は、本装置１００における各ユニットまたは装置の動作を制御する制御回路であり、例えば、ＲＯＭおよびＲＡＭ等を備えるマイクロコンピュータ、または少なくとも１つのプロセッサである。この場合、マイクロコンピュータなどにおけるＣＰＵ（Central Processing Unit）のようなプロセッサは、ＲＯＭに格納されている制御プログラムに基づいて、上記の制御を実行する。さらに、システム制御部５８は、本装置１００における複数の動作モード（例えば、高出力モード、定格モード、低出力モード、保温モードおよび待機モード）間の遷移、および各動作モードにおける各ユニットなどの動作を制御する。

さらに、システム制御部５８は、電力計測部５５またはＦＣ制御部１３から受信した消費電力を示すデータを受信し、これらのデータに基づいて系統電源を制御する。ここで、燃料電池ユニット１０において計測された補機（図示せず）の消費電力を、ＦＣ制御部１３を介してシステム制御部５８が受信してもよい。なお、通信部５６は、本開示に係る第１の受信ユニットおよび第２の受信ユニットの一例である。

図３は、本実施形態に係る給湯状況モデルの一例を示すチャートである。図３には、１週間における貯湯タンク２１内の温水の貯蓄量の変化を実線で示し、温度の変化を破線で示している。

図３に示されるモデルの場合は、１日目の「６時−９時の間に３０％」、「１８時−２１時の間に５０％」および「２１時−２４時の間に１０％」の温水を使用し、２日目の「６時−９時の間に２５％」、「６時−９時の間に５％」の温水を使用している。さらに、「２日目の１２時−６日目の１８時」の間は温水の使用がなく、７日目の「６時−９時の間に３０％」の温水を使用している。そして、温水の温度の変化がこの時間経過に従って変化する様子が示されている。なお、４日目の１２時（全体では８４時間目）においては、発電を停止して各センサによる監視のみを行う「待機モード」に遷移している。この待機モードでは、保温も行わないため、徐々に温水の温度が下がり、４日目の２１時頃（全体では９３時間目頃）には３０［℃］になっている。

本実施形態における前提条件（初期状態）は、満蓄状態の７５℃の温水が貯湯タンク２１に保持され、温水の保温のみを行う「保温モード」（ヒートポンプ４０は停止）で本装置１００が運用されているものとする。

図４Ａおよび図４Ｂは、システム制御部５８における制御の内容を示すフローチャートである。なお、以下はシステム制御部５８による制御を記載しているが、本発明はこれに限定されず、例えば、ＦＣ制御部１３により以下が制御されてもよい。最初に、システム制御部５８は、初期設定を行い（Ｓ１００）、計時および各センサによる計測を開始する（Ｓ１０２）。

初期設定としては、以下の各値が設定される。例えば、制御開始後の第１の経過時間Ｔ_１＝１０［ｓ］、同じく第２の経過時間Ｔ_２＝２［ｍｉｎ］、同じく第３の経過時間Ｔ_３＝４８［ｈ］、貯湯タンク２１における第１の水位Ｈ_１＝（貯湯タンク２１における満蓄状態の高さを１００％とした場合の）４０％、貯湯タンクにおける第２の水位Ｈ_２＝６０％、貯湯タンクにおける第３の水位Ｈ_３＝８０％、第１の給湯量Ｌ_１＝０．５［Ｌ／１０ｓ］、第２の給湯量Ｌ_２＝２［Ｌ／１０ｓ］、給湯能力に関する係数Ａ＝１．５および給湯能力に関する係数Ｂ＝０．５とする。

システム制御部５８は、予め規定した時間Ｔ_３および時間Ｔ_２が経過しておらず（ステップＳ（以下、「Ｓ」で略称する）１０４およびＳ１０６でいずれもＮｏ）、時間Ｔ_１が経過した時点（Ｓ１０８でＹｅｓ）で温水の使用量Ｖ_１および水位Ｗ_１を計測し（Ｓ１１０）、使用量Ｖ_１が０か否かを判定する（Ｓ１１２）。ここで、「温水の使用量」とは、所定時間における温水の流量の積算値をいう。

ここで、水位Ｗ_１が高さ「Ｈ_１」未満で（Ｓ１１４でＹｅｓ）、使用量Ｖ_１が、給湯量「Ｌ_２」を超える場合は（Ｓ１１６でＹｅｓ）、「大量の給湯需要あり」と判定して、ヒートポンプ４０を稼動して（Ｓ１２０）、本装置１００における最大の給湯量を生成する「高出力モード」で運用する（Ｓ１２２）。ここで、システム制御部５８は、燃料電池ユニット１０による発電だけでは、電力量が不足する場合は、系統電源も使用するように、第１リレースイッチ５３および第２リレースイッチ５４を制御してもよい。

一方、システム制御部５８は、上記の水位Ｗ_１が、高さ「Ｈ_１」以上で（Ｓ１１４でＮｏ）、「Ｈ_２」未満の場合は（Ｓ１２４でＹｅｓ）、「一定の給湯需要あり」と判定し、ヒートポンプ４０を稼動して（Ｓ１２８）、本装置１００における定格の給湯量を生成する「定格モード」で運用する（Ｓ１３０）。

さらに、上記の水位Ｗ_１が高さ「Ｈ_２」以上で（Ｓ１２４でＮｏ）、上記の使用量Ｖ_１が給湯量「Ｌ_１」未満の場合（Ｓ１３２でＹｅｓ）、かつ、水位Ｗ_１が、高さ「Ｈ_３」以上の場合は（Ｓ１３３でＹｅｓ）、「給湯需要は小さく貯湯量に余裕がある」と判定し、ヒートポンプ４０を停止して（Ｓ１３６）、本装置１００における最低の給湯量を生成する「低出力モード」で運用する（Ｓ１３８）。一方、上記の使用量Ｖ_１が給湯量「Ｌ_１」未満であるが（Ｓ１３２でＹｅｓ）、水位Ｗ_１が、高さ「Ｈ_３」未満の場合は（Ｓ１３３でＮｏ）、「給湯需要は小さいが、貯湯量に大きな余裕はない」と判定し、ヒートポンプ４０を停止して（Ｓ１３７）、「定格モード」で運用する（Ｓ１３９）。なお、上記の使用量Ｖ_１が給湯量「Ｌ_１」以上の場合は（Ｓ１３２でＮｏ）、「一定の給湯需要がある」と判定して、上述の「定格モード」で運用する（Ｓ１３０）。

その後、システム制御部５８は、時間Ｔ_２が経過した時点で（Ｓ１０６でＹｅｓ）、温水の使用量Ｖ_２および水位Ｗ_２を計測し（Ｓ１４０）、使用量Ｖ_２が０か否かを判定する（Ｓ１４２）。使用量Ｖ_２が０の場合は（Ｓ１４２でＹｅｓ）、Ｓ１０４に戻る。

一方、使用量Ｖ_２が０以外で（Ｓ１４２でＮｏ）、水位Ｗ_２が高さＨ_３以上の場合は（Ｓ１４４でＹｅｓ）、保温モード（Ｓ１５６）で運用し、水位Ｗ_２が高さＨ₃未満であり（Ｓ１４４でＮｏ）、使用量Ｖ_２が、燃料電池ユニット１０の給湯能力のＡ倍を超える場合は（Ｓ１４６でＹｅｓ）、高出力モード（Ｓ１２２）で運用し、給湯能力のＢ倍未満の場合は（Ｓ１４８でＹｅｓ）、低出力モード（Ｓ１３８）で運用し、給湯能力のＢ倍以上の場合は（Ｓ１４８でＮｏ）、定格モード（Ｓ１３０）で運用する。

さらにまた、システム制御部５８は、時間Ｔ_３が経過した時点で（Ｓ１０４でＹｅｓ）、温水の使用量Ｖ_３および水位Ｗ_３を計測し（Ｓ１５０）、使用量Ｖ_３が、０か否かを判定する（Ｓ１５２）。使用量Ｖ_３が０の場合は（Ｓ１５２でＹｅｓ）、待機モードで運用する（Ｓ１６０）。

一方、使用量Ｖ_３が０以外で（Ｓ１５２でＮｏ）、水位Ｗ_３が高さ「Ｈ_３」以上の場合は（Ｓ１５４でＹｅｓ）、保温モード（Ｓ１５６）で運用し、水位Ｗ_３が高さ「Ｈ_３」未満の場合は（Ｓ１５４でＮｏ）、低出力モード（Ｓ１３８）で運用する。

上記の構成により、ユーザの給湯需要に応じて燃料電池装置の運用モードを変更しつつ、長期間の給湯需要がない場合は燃料電池装置の発電を停止するので、エネルギーの利用効率を改善し得る燃料電池装置を実現することが可能となる。

以上、各実施形態について詳細に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更、改良等が可能である。

１０燃料電池ユニット
１１セルスタック
１２熱交換器
１３ＦＣ制御部
２０貯湯ユニット
２１貯湯タンク
３０センサユニット
４０ヒートポンプ
５０制御装置
５１コンバータ
５２インバータ
５３第１リレースイッチ
５４第２リレースイッチ
５５電力計測部
５６通信部
５７操作部
５８システム制御部
１００燃料電池装置

Claims

発電ユニットと、
前記発電ユニットの発電にともなって排出される排ガスからの熱により温水を生成する温水生成ユニットと、
前記温水を貯湯装置へ送る温水供給ユニットと、
前記貯湯装置の貯湯量の水位を前記貯湯装置から受信する第１の受信ユニットと、
前記貯湯装置から出された温水使用量を前記貯湯装置から受信する第２の受信ユニットと、
前記貯湯装置へ供給する温水供給量を検出する検出ユニットと、
少なくとも、前記貯湯量と前記温水使用量と前記温水供給量のうちの１つに応じて、複数の温水供給に関連する動作のなかから１つの動作を選択して制御する、少なくとも１つのプロセッサと、
を有する、燃料電池装置。
前記少なくとも１つのプロセッサは、
第一の期間内に前記温水使用量の変化がないと判断された場合に、前記複数の動作のなかから、前記発電ユニットの稼動を停止させる待機モードを選択して制御する、請求項１記載の燃料電池装置。
前記少なくとも１つのプロセッサは、
第一の期間よりも短い第二の期間内に、前記温水使用量が所定以上であり且つ前記水位が所定未満である場合に、前記複数の動作のなかで最も温水を生成する高出力モードを選択して制御する、請求項１または２記載の燃料電池装置。
さらにヒートポンプを含み、
前記高出力モードにて制御する場合は、前記ヒートポンプを稼働させる、請求項３記載の燃料電池装置。
前記少なくとも１つのプロセッサは、
第一の期間内に前記温水使用量の変化がないと判断された場合に、前記複数の動作のなかから、前記発電ユニットの発電を停止させ、前記検出ユニットは稼働させる待機モードを選択して制御する、請求項１記載の燃料電池装置。