JP4490647B2 - 燃料電池コージェネレーションシステム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の住宅が集合した住宅群に導入される燃料電池コージェネレーションシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、発電とその発電に伴う排熱を同時に利用するコージェネレーションシステムにおいて、家庭用では、例えば、燃料電池で電気を取り出すとともに燃料電池の排熱を給湯に利用する形態があり、さらに、近年では、燃料電池を効率よく運転することが可能なものまで提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−３４１６１号公報（第６頁、第１図）
【０００４】
もっとも、上記特許文献１は、個別住宅を対象とした燃料電池コージェネレーションシステムの一例であるが、近年では、複数の住戸で構成された集合住宅を対象した燃料電池コージェネレーションシステムも登場している。そこで、集合住宅に導入される従来の燃料電池コージェネレーションシステムについて、図７に基づいて説明する。
【０００５】
図７に示すように、燃料電池コージェネレーションシステム１０１では、５戸の住戸１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃ，１１１Ｄ，１１１Ｅで構成された集合住宅の全体に対して、１台の燃料電池１２０及び１台の貯湯タンク１３１が設置されている。さらに、集合住宅の各住戸１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃ，１１１Ｄ，１１１Ｅにおいては、各バックアップバーナー１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃ，１１２Ｄ，１１２Ｅがそれぞれ設置されている。また、集合住宅の全住戸１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃ，１１１Ｄ，１１１Ｅに対して、電力線網１０３がぞれぞれ分配されている。さらに、電力線網１０３に対し、インバータ１０２が接続されている。
【０００６】
この点、燃料電池１２０は、高分子電解質（ＰＥＦＣ）形で最高出力が５ＫＷのものであり、ＰＥＦＣスタック（発電モジュール）や、都市ガス等の化石燃料から水素リッチガスを生成する改質器、ＰＥＦＣスタック及び改質器からの排熱をお湯として回収する熱交換器、ＰＥＦＣスタック及び改質器などの運転を制御する制御装置１０５などから構成されている。また、貯湯タンク１３１は、その熱交換器からのお湯を貯めるものである。また、各バックアップバーナー１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃ，１１２Ｄ，１１２Ｅは、貯湯タンク１３１からの温水（お湯）を加熱するためのものである。
【０００７】
また、インバータ１０２は、燃料電池１２０で発電された直流電流を交流電流に変換するものであり、さらに、集合住宅の各住戸１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃ，１１１Ｄ，１１１Ｅに対し、電力線網１０３を介して、各電力負荷１１３Ａ，１１３Ｂ，１１３Ｃ，１１３Ｄ，１１３Ｅを燃料電池１２０と系統電力１０４とに接続するために必要な系統連系機能を有している。
【０００８】
そして、図７の燃料電池コージェネレーションシステム１０１では、燃料電池１２０の発電電力は、インバータ１０２及び電力線網１０３を介して、集合住宅の各住戸１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃ，１１１Ｄ，１１１Ｅの電力負荷１１３Ａ，１１３Ｂ，１１３Ｃ，１１３Ｄ，１１３Ｅで消費される。このとき、燃料電池１２０の発電電力が不足していると、その電力の不足分は、インバータ１０２を介して、系統電力１０４から買電される。一方、燃料電池１２０の余剰電力は、インバータ１０２を介した逆潮流により、電力系統１０４に売電される。
【０００９】
尚、図７の燃料電池コージェネレーションシステム１０１では、燃料電池１２０などから回収された排熱は給湯して利用され、その余剰分は、貯湯タンク１３１に湯水として貯えられ、また、貯湯タンク１３１からの湯水の温度が要求温度に達していない場合には、集合住宅の各住戸１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃ，１１１Ｄ，１１１Ｅにおいて、各バックアップバーナー１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃ，１１２Ｄ，１１２Ｅで追い焚きするようになっている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図７の燃料電池コージェネレーションシステム１０１では、通常、電力系統１０４を管轄する電力会社により逆潮流を厳しく制限されるので、集合住宅の各住戸１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃ，１１１Ｄ，１１１Ｅの電力負荷１１３Ａ，１１３Ｂ，１１３Ｃ，１１３Ｄ，１１３Ｅの需要電力量を合計した総需要電力量に合わせた運転を行わなければならず、かかる総需要電力量が小さいときは、例えば、１０％といった非常に低い負荷率で運転を行わなければならなかった。この点、非常に低い負荷率で運転を行われると、放熱や補機類のエネルギー消費割合が増加することなどによって、発電効率や排熱回収効率がともに大幅に低下するので、総合効率も非常に低いものとなり、ひいては、省エネルギーやＣＯ2削減といった特性を十分に発揮することができなかった。
【００１１】
そこで、本発明は、上述した点を鑑みてなされたものであり、総需要電力量の変動があっても、発電効率や排熱回収効率が高い運転状態が維持されることにより、総合効率を向上させた燃料電池コージェネレーションシステムを提供することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために成された発明は、燃料電池コージェネレーションシステムであって、住宅群に設置されるとともに独立運転可能な複数の発電モジュールで構成された燃料電池と、前記住宅群に設置されるとともに前記燃料電池の廃熱を前記住宅群の各住宅の給湯にそれぞれ利用するための貯湯タンクと、前記住宅群の全住宅の電力負荷にそれぞれ分配された電力線網と、前記電力線網を前記燃料電池の各発電モジュールと電力系統とに連係する連係手段と、を備えたこと、を特徴としている。
【００１３】
このような特徴を有する本発明の燃料電池コージェネレーションシステムでは、燃料電池の発電電力が、連系手段及び電力線網で分電されて、住宅群の各住宅の電力負荷で消費される。このとき、燃料電池は、住宅群の各住宅の電力負荷の需要電力量を合計した総需要電力量に合わせた運転を行わなければならなくても、独立運転可能な複数の発電モジュールで構成されていることから、各発電モジュールの発電量と発電効率を考慮し、全入力原料に対して発電量が最大となるように、また、各発電モジュールの排熱回収量と排熱回収効率を考慮し、全入力原料に対して排熱回収量が最大となるように、各発電モジュールの運転状態を決定することができる。
【００１４】
すなわち、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムでは、各発電モジュールの発電量と発電効率を考慮し、全入力原料に対して発電量が最大となるように、また、各発電モジュールの排熱回収量と排熱回収効率を考慮し、全入力原料に対して排熱回収量が最大となるように、各発電モジュールの運転状態を決定することができるので、住宅群の総需要電力量の変動があっても、発電効率や排熱回収効率が高い運転状態が維持されることにより、総合効率を向上させることができる。
【００１５】
また、本発明は、燃料電池コージェネレーションシステムであって、独立運転可能な複数の発電モジュールで構成された燃料電池と、前記燃料電池の排熱を給湯に利用するための貯湯タンクと、を備えたこと、を特徴としている。
【００１６】
このような特徴を有する本発明の燃料電池コージェネレーションシステムでは、燃料電池は、総需要電力量に合わせた運転を行わなければならなくても、独立運転可能な複数の発電モジュールで構成されていることから、各発電モジュールの発電量と発電効率を考慮し、全入力原料に対して発電量が最大となるように、また、各発電モジュールの排熱回収量と排熱回収効率を考慮し、全入力原料に対して排熱回収量が最大となるように、各発電モジュールの運転状態を決定することができる。
【００１７】
すなわち、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムでは、各発電モジュールの発電量と発電効率を考慮し、全入力原料に対して発電量が最大となるように、また、各発電モジュールの排熱回収量と排熱回収効率を考慮し、全入力原料に対して排熱回収量が最大となるように、各発電モジュールの運転状態を決定することができるので、総需要電力量の変動があっても、発電効率や排熱回収効率が高い運転状態が維持されることにより、総合効率を向上させることができる。
【００１８】
また、本発明は、上記に記載する燃料電池コージェネレーションシステムであって、前記燃料電池の各発電モジュールは、順次に運転が開始されるものであり、運転中の発電モジュールが最高出力状態になったことを条件として、未運転の発電モジュールの運転が開始されること、を特徴としている。
【００１９】
また、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、燃料電池の各発電モジュールが、順次に運転が開始されるものであり、各発電モジュールの運転状態を決定するに際し、運転中の発電モジュールが最高出力状態になったことを条件として、未運転の発電モジュールの運転が開始されるようにすれば、運転中の発電モジュールの最高出力状態に維持される時間が長く確保され、運転中の発電モジュールを一定の負荷率で運転を行うことができるので、熱疲労を軽減差させることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照にして説明する。図１は、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステムの一例を示した模式図である。図１に示すように、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム１は、５戸の住戸１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅで構成された集合住宅に導入されたものであり、例えば、マンションの一つのフロアーに導入される。
【００２１】
そして、図１に示すように、燃料電池コージェネレーションシステム１では、５戸の住戸１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅで構成された集合住宅の全体に対して、１台の燃料電池２０及び１台の貯湯タンク３１が設置されている。さらに、集合住宅の各住戸１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅにおいては、各バックアップバーナー１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ，１２Ｅがそれぞれ設置されている。また、集合住宅の全住戸１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅに対して、電力線網３がぞれぞれ分配されている。さらに、電力線網３に対し、インバータ２が接続されている。
【００２２】
この点、燃料電池２０は、高分子電解質（ＰＥＦＣ）形で最高出力が５ＫＷのものであり、ＰＥＦＣスタック（発電モジュール）や、都市ガス等の化石燃料から水素リッチガスを生成する改質器、ＰＥＦＣスタック及び改質器からの排熱をお湯として回収する熱交換器、ＰＥＦＣスタック及び改質器などの運転を制御する制御装置５などから構成されている。そして、燃料電池２０は、最高出力が１ＫＷの５つの発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５を有し、各発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５を制御装置５で独立に運転することができる。
【００２３】
また、貯湯タンク３１は、燃料電池２０の熱交換器からのお湯を貯めるものである。また、各バックアップバーナー１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ，１２Ｅは、貯湯タンク３１からの温水（お湯）を加熱するためのものである。
【００２４】
また、インバータ２は、燃料電池２０で発電された直流電流を交流電流に変換するものであり、さらに、集合住宅の各住戸１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅに対し、電力線網３を介して、各電力負荷１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅを燃料電池２０と系統電力４とに接続するために必要な系統連系機能を有している。
【００２５】
そして、図１の燃料電池コージェネレーションシステム１では、燃料電池２０の発電電力は、インバータ２及び電力線網３を介して、集合住宅の各住戸１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅの電力負荷１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅで消費される。このとき、燃料電池２０の発電電力が不足していると、その電力の不足分は、インバータ２を介して、系統電力４から買電される。一方、燃料電池２０の余剰電力は、インバータ２を介した逆潮流により、電力系統４に売電される。
【００２６】
ところで、一般に、燃料電池コージェネレーションシステムでは、図１の燃料電池コージェネレーションシステム１も含めて、燃料電池の負荷率に応じて、放熱や補機類のエネルギー消費割合が増減することなどにより、発電効率や排熱回収効率が図２に示すような傾向にある。さらに、図３及び図４に示すように、燃料電池の発電モジュールの最高出力が大きくなれば、発電効率と排熱回収効率がともに高くなる傾向にある。
【００２７】
従って、図３に示すように、例えば、２ＫＷの発電を行う場合には、５ＫＷの最高出力をもつ発電モジュールで発電すれば、発電効率は３０％程度にとどまるが、各最高出力が１ＫＷにある２台の発電モジュールを最高出力状態の運転で発電すれば、発電効率は最高の３２％程度となる。
尚、前者（５ＫＷの最高出力をもつ発電モジュールでの発電）は、従来技術の欄で説明した図７の燃料電池コージェネレーションシステム１０１で実施されるものであり、後者（各最高出力が１ＫＷにある２台の発電モジュールを最高出力状態で運転する発電）は、本実施の形態の図１の燃料電池コージェネレーションシステム１で実施することができる。
【００２８】
そこで、図１の燃料電池コージェネレーションシステム１では、燃料電池２０を、各最高出力が１ＫＷの５つの発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５で構成し、制御装置５により、各発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５を順次に運転する。
【００２９】
具体的に言えば、集合住宅の各住戸１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅの電力負荷１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅの需要電力量を合計した総需要電力量が０．８ＫＷの場合は、例えば、一つの発電モジュール２１を０．８ＫＷで運転する。さらに、総需要電力量が０．８ＫＷから１．８ＫＷに上昇した場合は、運転中の発電モジュール２１を１．０ＫＷにまで上昇させて運転すると同時に、未運転中の発電モジュール２２の運転を開始して０．８ＫＷで運転する。さらに、総需要電力量が１．８ＫＷから２．８ＫＷに上昇した場合は、運転中の発電モジュール２１を１．０ＫＷで運転する一方、運転中の発電モジュール２２を１．０ＫＷにまで上昇させて運転すると同時に、未運転中の発電モジュール２３の運転を開始して０．８ＫＷで運転する。また、総需要電力量が２．８ＫＷから３．８ＫＷに上昇した場合は、運転中の発電モジュール２１，２２を１．０ＫＷで運転する一方、運転中の発電モジュール２３を１．０ＫＷにまで上昇させて運転すると同時に、未運転中の発電モジュール２４の運転を開始して０．８ＫＷで運転する。また、総需要電力量が３．８ＫＷから４．８ＫＷに上昇した場合は、運転中の発電モジュール２１，２２，２３を１．０ＫＷで運転する一方、運転中の発電モジュール２４を１．０ＫＷにまで上昇させて運転すると同時に、未運転中の発電モジュール２５の運転を開始して０．８ＫＷで運転する。
【００３０】
さらに、総需要電力量が４．８ＫＷから５．０ＫＷに上昇した場合は、運転中の発電モジュール２１，２２，２３，２４を１．０ＫＷで運転する一方、運転中の発電モジュール２５を１．０ＫＷにまで上昇させて運転する。さらに、総需要電力量が５．０ＫＷより大きい場合は、５つの発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５を１．０ＫＷで運転すると同時に、電力の不足分を、インバータ２を介して、系統電力４から買電する。
【００３１】
一方、総需要電力量が５．０ＫＷ以上から４．８ＫＷに下降した場合は、例えば、４つの発電モジュール２１，２２，２３，２４を１．０ＫＷで運転すると同時に、一つの発電モジュール２５を０．８ＫＷで運転する。さらに、総需要電力量が４．８ＫＷから３．８ＫＷに下降した場合は、発電モジュール２５の運転を停止する一方、３つの発電モジュール２１，２２，２３を１．０ＫＷで運転すると同時に、一つの発電モジュール２４を０．８ＫＷで運転する。さらに、総需要電力量が３．８ＫＷ以上から２．８ＫＷに下降した場合は、発電モジュール２５，２４の運転を停止する一方、２つの発電モジュール２１，２２を１．０ＫＷで運転すると同時に、一つの発電モジュール２３を０．８ＫＷで運転する。さらに、総需要電力量が２．８ＫＷから１．８ＫＷに下降した場合は、発電モジュール２５，２４，２３の運転を停止する一方、一つの発電モジュール２１を１．０ＫＷで運転すると同時に、一つの発電モジュール２２を０．８ＫＷで運転する。さらに、総需要電力量が１．８ＫＷから０．８ＫＷに下降した場合は、発電モジュール２５，２４，２３，２２の運転を停止する一方、一つの発電モジュール２１を０．８ＫＷで運転する。
尚、各発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５の運転の組合せは、これに限定されるものではない。
【００３２】
そして、上述した具体例のように、各発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５を順次に運転すれば、図１の燃料電池コージェネレーションシステム１の発電効率は、最高出力が１ＫＷの５つの発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５を一つとして燃料電池２０の負荷率を想定することにより、図５のように評価することができる。従って、燃料電池２０の負荷率（総需要電力量）が低い領域でも、燃料電池２０の負荷率（総需要電力量）が高い領域でも、最高又は最高に近い発電効率を維持することができる。
この点は、図１の燃料電池コージェネレーションシステム１の排熱回収効率についても、同様である。
【００３３】
尚、図１の燃料電池コージェネレーションシステム１では、燃料電池２０などから回収された排熱は給湯して利用され、その余剰分は、貯湯タンク３１に湯水として貯えられ、また、貯湯タンク３１からの湯水の温度が要求温度に達していない場合には、集合住宅の各住戸１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅにおいて、各バックアップバーナー１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ，１２Ｅで追い焚きするようになっている。
【００３４】
ここで、一般的な家庭での実際の生活を想定した電力量・給湯量による、集合住宅の一住戸あたりの買電電力量とＣＯ2排出量のシミュレーション結果を図６に示す。図６の上欄は、従来技術の欄で説明した図７の燃料電池コージェネレーションシステム１０１を５住戸で構成された集合住宅に導入した際の、一住戸あたりの買電電力量とＣＯ2排出量を示すものである。一方、図６の下欄は、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム１を５住戸で構成された集合住宅に導入した際の、一住戸あたりの買電電力量とＣＯ2排出量を示すものである。
【００３５】
但し、このシミュレーションでは、集合住宅の各住戸において、燃料電池の発電電力量が電力負荷の需要電力量に勝らないように、燃料電池コージェネレーションシステム１，１０１が制御されることを条件とした。さらに、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム１では、制御装置５により、上述したように、各発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５が順次に運転される。
【００３６】
図６の表によれば、従来技術の欄で説明した図７の燃料電池コージェネレーションシステム１０１における集合住宅の一住戸あたりの買電電力量を「１００」とすると、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム１における集合住宅の一住戸あたりの買電電力量は「８１．８」になった。また、従来技術の欄で説明した図７の燃料電池コージェネレーションシステム１０１における集合住宅の一住戸あたりのＣＯ2排出量を「１００」とすると、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム１における集合住宅の一住戸あたりのＣＯ2排出量は「９７．５」になった。
【００３７】
従って、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム１は、従来技術の欄で説明した図７の燃料電池コージェネレーションシステム１０１と比べて、集合住宅の一住戸あたりの買電電力量とＣＯ2排出量を低く抑えることができる。
【００３８】
尚、ＣＯ2排出量を低く抑えることができる点については、電力系統４を管轄する電力会社から連系装置２による逆潮流が厳しく制限される場合には、逆潮流を避けるために、燃料電池２０の低出力運転を余儀なくされ、燃料電池２０がその特性として持つＣＯ2排出量の削減効果を発揮しにくい状況となるので、非常に有効である。
【００３９】
以上詳細に説明したように、本実施の燃料電池コージェネレーションシステム１では、燃料電池２０の発電電力が、インバータ２及び電力線網３で分電されて、集合住宅の各住戸１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅの電力負荷１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅで消費される。このとき、燃料電池２０は、独立運転可能な５つの発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５で構成されており、制御装置５によって、各発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５が順次に運転されるので、集合住宅の各住戸１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅの電力負荷１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅの需要電力量を合計した総需要電力量に合わせた運転が行われる際に、各発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５の発電量と発電効率を考慮し（図３参照）、都市ガス等の化石燃料の全入力量に対して発電量が最大となるように、また、各発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５の排熱回収量と排熱回収効率を考慮し（図４参照）、都市ガス等の化石燃料の全入力量に対して排熱回収量が最大となるように、各発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５の運転状態を決定している。
【００４０】
すなわち、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム１では、各発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５の発電量と発電効率を考慮し（図３参照）、都市ガス等の化石燃料の全入力量に対して発電量が最大となるように、また、各発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５の排熱回収量と排熱回収効率を考慮し（図４参照）、都市ガス等の化石燃料の全入力量に対して排熱回収量が最大となるように、各発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５の運転状態を決定しているので、５戸の住戸１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅで構成される集合住宅の総需要電力量の変動があっても、発電効率や排熱回収効率が高い運転状態が維持されることにより（図５参照）、総合効率を向上させることができる。
【００４１】
また、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム１では、燃料電池２０の各発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５が、順次に運転が開始されるものであり、制御装置５によって、各発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５の運転状態を決定するに際し、運転中の発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５が最高出力状態になったことを条件として、未運転の発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５の運転が開始されるようにしており、運転中の発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５の最高出力状態に維持される時間が長く確保され、運転中の発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５を一定の負荷率（１００％）で運転を行うことができるので、燃料電池２０の熱疲労を軽減させることができる。
【００４２】
また、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム１では、燃料電池２０は、独立運転可能な５つの発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５で構成されている。従って、５つの発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５のいずれかが故障しても、残りのもので対応することができるので、インバータ２を介して、系統電力４から買電する頻度が減少する。また、別の観点から言えば、５つの発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５のいずれかがメンテナンスのために運転できなくても、残りのもので対応することができる。
【００４３】
尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものでなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム１では、燃料電池２０を、各最高出力が１ＫＷにある５台の発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５で構成していたが、この点、各最高出力が異なる発電モジュールで構成してもよい。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の燃料電池コージェネレーションシステムでは、各発電モジュールの発電量と発電効率を考慮し、全入力原料に対して発電量が最大となるように、また、各発電モジュールの排熱回収量と排熱回収効率を考慮し、全入力原料に対して排熱回収量が最大となるように、各発電モジュールの運転状態を決定することができるので、住宅群の総需要電力量の変動があっても、発電効率や排熱回収効率が高い運転状態が維持されることにより、総合効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による燃料電池コージェネレーションシステムを示した模式図である。
【図２】燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、燃料電池の負荷率に対する発電効率や排熱回収効率の傾向を示した図である。
【図３】燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、燃料電池の発電モジュールの最高出力が１ＫＷと５ＫＷのときの、燃料電池の負荷率に対する発電効率の傾向を示した図である。
【図４】燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、燃料電池の発電モジュールの最高出力が１ＫＷと５ＫＷのときの、燃料電池の負荷率に対する排熱回収効率の傾向を示した図である。
【図５】本発明の一実施の形態による燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、燃料電池の負荷率に対する見かけ上の発電効率を示した図である。
【図６】一般的な家庭での実際の生活を想定した電力量・給湯量による、集合住宅の一住戸あたりの買電電力量とＣＯ2排出量のシミュレーション結果を示した図である。
【図７】集合住宅を対象とした従来の燃料電池コージェネレーションシステムの一例の模式図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池コージェネレーションシステム
２ インバータ
３ 電力線網
４ 電力系統
１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅ 集合住宅の住戸
１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅ 電力負荷
２０ 燃料電池
２１，２２，２３，２４，２５ 発電モジュール
３１ 貯湯タンク
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の住宅が集合した住宅群に導入される燃料電池コージェネレーションシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、発電とその発電に伴う排熱を同時に利用するコージェネレーションシステムにおいて、家庭用では、例えば、燃料電池で電気を取り出すとともに燃料電池の排熱を給湯に利用する形態があり、さらに、近年では、燃料電池を効率よく運転することが可能なものまで提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−３４１６１号公報（第６頁、第１図）
【０００４】
もっとも、上記特許文献１は、個別住宅を対象とした燃料電池コージェネレーションシステムの一例であるが、近年では、複数の住戸で構成された集合住宅を対象した燃料電池コージェネレーションシステムも登場している。そこで、集合住宅に導入される従来の燃料電池コージェネレーションシステムについて、図７に基づいて説明する。
【０００５】
図７に示すように、燃料電池コージェネレーションシステム１０１では、５戸の住戸１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃ，１１１Ｄ，１１１Ｅで構成された集合住宅の全体に対して、１台の燃料電池１２０及び１台の貯湯タンク１３１が設置されている。さらに、集合住宅の各住戸１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃ，１１１Ｄ，１１１Ｅにおいては、各バックアップバーナー１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃ，１１２Ｄ，１１２Ｅがそれぞれ設置されている。また、集合住宅の全住戸１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃ，１１１Ｄ，１１１Ｅに対して、電力線網１０３がぞれぞれ分配されている。さらに、電力線網１０３に対し、インバータ１０２が接続されている。
【０００６】
この点、燃料電池１２０は、高分子電解質（ＰＥＦＣ）形で最高出力が５ＫＷのものであり、ＰＥＦＣスタック（発電モジュール）や、都市ガス等の化石燃料から水素リッチガスを生成する改質器、ＰＥＦＣスタック及び改質器からの排熱をお湯として回収する熱交換器、ＰＥＦＣスタック及び改質器などの運転を制御する制御装置１０５などから構成されている。また、貯湯タンク１３１は、その熱交換器からのお湯を貯めるものである。また、各バックアップバーナー１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃ，１１２Ｄ，１１２Ｅは、貯湯タンク１３１からの温水（お湯）を加熱するためのものである。
【０００７】
また、インバータ１０２は、燃料電池１２０で発電された直流電流を交流電流に変換するものであり、さらに、集合住宅の各住戸１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃ，１１１Ｄ，１１１Ｅに対し、電力線網１０３を介して、各電力負荷１１３Ａ，１１３Ｂ，１１３Ｃ，１１３Ｄ，１１３Ｅを燃料電池１２０と系統電力１０４とに接続するために必要な系統連系機能を有している。
【０００８】
そして、図７の燃料電池コージェネレーションシステム１０１では、燃料電池１２０の発電電力は、インバータ１０２及び電力線網１０３を介して、集合住宅の各住戸１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃ，１１１Ｄ，１１１Ｅの電力負荷１１３Ａ，１１３Ｂ，１１３Ｃ，１１３Ｄ，１１３Ｅで消費される。このとき、燃料電池１２０の発電電力が不足していると、その電力の不足分は、インバータ１０２を介して、系統電力１０４から買電される。一方、燃料電池１２０の余剰電力は、インバータ１０２を介した逆潮流により、電力系統１０４に売電される。
【０００９】
尚、図７の燃料電池コージェネレーションシステム１０１では、燃料電池１２０などから回収された排熱は給湯して利用され、その余剰分は、貯湯タンク１３１に湯水として貯えられ、また、貯湯タンク１３１からの湯水の温度が要求温度に達していない場合には、集合住宅の各住戸１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃ，１１１Ｄ，１１１Ｅにおいて、各バックアップバーナー１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃ，１１２Ｄ，１１２Ｅで追い焚きするようになっている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図７の燃料電池コージェネレーションシステム１０１では、通常、電力系統１０４を管轄する電力会社により逆潮流を厳しく制限されるので、集合住宅の各住戸１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃ，１１１Ｄ，１１１Ｅの電力負荷１１３Ａ，１１３Ｂ，１１３Ｃ，１１３Ｄ，１１３Ｅの需要電力量を合計した総需要電力量に合わせた運転を行わなければならず、かかる総需要電力量が小さいときは、例えば、１０％といった非常に低い負荷率で運転を行わなければならなかった。この点、非常に低い負荷率で運転を行われると、放熱や補機類のエネルギー消費割合が増加することなどによって、発電効率や排熱回収効率がともに大幅に低下するので、総合効率も非常に低いものとなり、ひいては、省エネルギーやＣＯ2削減といった特性を十分に発揮することができなかった。
【００１１】
そこで、本発明は、上述した点を鑑みてなされたものであり、総需要電力量の変動があっても、発電効率や排熱回収効率が高い運転状態が維持されることにより、総合効率を向上させた燃料電池コージェネレーションシステムを提供することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために成された発明は、燃料電池コージェネレーションシステムであって、住宅群に設置されるとともに独立運転可能な複数の発電モジュールで構成された燃料電池と、前記住宅群に設置されるとともに前記燃料電池の廃熱を前記住宅群の各住宅の給湯にそれぞれ利用するための貯湯タンクと、前記住宅群の全住宅の電力負荷にそれぞれ分配された電力線網と、前記電力線網を前記燃料電池の各発電モジュールと電力系統とに連係する連係手段と、を備えたこと、を特徴としている。
【００１３】
このような特徴を有する本発明の燃料電池コージェネレーションシステムでは、燃料電池の発電電力が、連系手段及び電力線網で分電されて、住宅群の各住宅の電力負荷で消費される。このとき、燃料電池は、住宅群の各住宅の電力負荷の需要電力量を合計した総需要電力量に合わせた運転を行わなければならなくても、独立運転可能な複数の発電モジュールで構成されていることから、各発電モジュールの発電量と発電効率を考慮し、全入力原料に対して発電量が最大となるように、また、各発電モジュールの排熱回収量と排熱回収効率を考慮し、全入力原料に対して排熱回収量が最大となるように、各発電モジュールの運転状態を決定することができる。
【００１４】
すなわち、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムでは、各発電モジュールの発電量と発電効率を考慮し、全入力原料に対して発電量が最大となるように、また、各発電モジュールの排熱回収量と排熱回収効率を考慮し、全入力原料に対して排熱回収量が最大となるように、各発電モジュールの運転状態を決定することができるので、住宅群の総需要電力量の変動があっても、発電効率や排熱回収効率が高い運転状態が維持されることにより、総合効率を向上させることができる。
【００１５】
また、本発明は、燃料電池コージェネレーションシステムであって、独立運転可能な複数の発電モジュールで構成された燃料電池と、前記燃料電池の排熱を給湯に利用するための貯湯タンクと、を備えたこと、を特徴としている。
【００１６】
このような特徴を有する本発明の燃料電池コージェネレーションシステムでは、燃料電池は、総需要電力量に合わせた運転を行わなければならなくても、独立運転可能な複数の発電モジュールで構成されていることから、各発電モジュールの発電量と発電効率を考慮し、全入力原料に対して発電量が最大となるように、また、各発電モジュールの排熱回収量と排熱回収効率を考慮し、全入力原料に対して排熱回収量が最大となるように、各発電モジュールの運転状態を決定することができる。
【００１７】
すなわち、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムでは、各発電モジュールの発電量と発電効率を考慮し、全入力原料に対して発電量が最大となるように、また、各発電モジュールの排熱回収量と排熱回収効率を考慮し、全入力原料に対して排熱回収量が最大となるように、各発電モジュールの運転状態を決定することができるので、総需要電力量の変動があっても、発電効率や排熱回収効率が高い運転状態が維持されることにより、総合効率を向上させることができる。
【００１８】
また、本発明は、上記に記載する燃料電池コージェネレーションシステムであって、前記燃料電池の各発電モジュールは、順次に運転が開始されるものであり、運転中の発電モジュールが最高出力状態になったことを条件として、未運転の発電モジュールの運転が開始されること、を特徴としている。
【００１９】
また、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、燃料電池の各発電モジュールが、順次に運転が開始されるものであり、各発電モジュールの運転状態を決定するに際し、運転中の発電モジュールが最高出力状態になったことを条件として、未運転の発電モジュールの運転が開始されるようにすれば、運転中の発電モジュールの最高出力状態に維持される時間が長く確保され、運転中の発電モジュールを一定の負荷率で運転を行うことができるので、熱疲労を軽減差させることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照にして説明する。図１は、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステムの一例を示した模式図である。図１に示すように、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム１は、５戸の住戸１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅで構成された集合住宅に導入されたものであり、例えば、マンションの一つのフロアーに導入される。
【００２１】
そして、図１に示すように、燃料電池コージェネレーションシステム１では、５戸の住戸１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅで構成された集合住宅の全体に対して、１台の燃料電池２０及び１台の貯湯タンク３１が設置されている。さらに、集合住宅の各住戸１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅにおいては、各バックアップバーナー１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ，１２Ｅがそれぞれ設置されている。また、集合住宅の全住戸１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅに対して、電力線網３がぞれぞれ分配されている。さらに、電力線網３に対し、インバータ２が接続されている。
【００２２】
この点、燃料電池２０は、高分子電解質（ＰＥＦＣ）形で最高出力が５ＫＷのものであり、ＰＥＦＣスタック（発電モジュール）や、都市ガス等の化石燃料から水素リッチガスを生成する改質器、ＰＥＦＣスタック及び改質器からの排熱をお湯として回収する熱交換器、ＰＥＦＣスタック及び改質器などの運転を制御する制御装置５などから構成されている。そして、燃料電池２０は、最高出力が１ＫＷの５つの発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５を有し、各発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５を制御装置５で独立に運転することができる。
【００２３】
また、貯湯タンク３１は、燃料電池２０の熱交換器からのお湯を貯めるものである。また、各バックアップバーナー１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ，１２Ｅは、貯湯タンク３１からの温水（お湯）を加熱するためのものである。
【００２４】
また、インバータ２は、燃料電池２０で発電された直流電流を交流電流に変換するものであり、さらに、集合住宅の各住戸１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅに対し、電力線網３を介して、各電力負荷１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅを燃料電池２０と系統電力４とに接続するために必要な系統連系機能を有している。
【００２５】
そして、図１の燃料電池コージェネレーションシステム１では、燃料電池２０の発電電力は、インバータ２及び電力線網３を介して、集合住宅の各住戸１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅの電力負荷１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅで消費される。このとき、燃料電池２０の発電電力が不足していると、その電力の不足分は、インバータ２を介して、系統電力４から買電される。一方、燃料電池２０の余剰電力は、インバータ２を介した逆潮流により、電力系統４に売電される。
【００２６】
ところで、一般に、燃料電池コージェネレーションシステムでは、図１の燃料電池コージェネレーションシステム１も含めて、燃料電池の負荷率に応じて、放熱や補機類のエネルギー消費割合が増減することなどにより、発電効率や排熱回収効率が図２に示すような傾向にある。さらに、図３及び図４に示すように、燃料電池の発電モジュールの最高出力が大きくなれば、発電効率と排熱回収効率がともに高くなる傾向にある。
【００２７】
従って、図３に示すように、例えば、２ＫＷの発電を行う場合には、５ＫＷの最高出力をもつ発電モジュールで発電すれば、発電効率は３０％程度にとどまるが、各最高出力が１ＫＷにある２台の発電モジュールを最高出力状態の運転で発電すれば、発電効率は最高の３２％程度となる。
尚、前者（５ＫＷの最高出力をもつ発電モジュールでの発電）は、従来技術の欄で説明した図７の燃料電池コージェネレーションシステム１０１で実施されるものであり、後者（各最高出力が１ＫＷにある２台の発電モジュールを最高出力状態で運転する発電）は、本実施の形態の図１の燃料電池コージェネレーションシステム１で実施することができる。
【００２８】
そこで、図１の燃料電池コージェネレーションシステム１では、燃料電池２０を、各最高出力が１ＫＷの５つの発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５で構成し、制御装置５により、各発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５を順次に運転する。
【００２９】
具体的に言えば、集合住宅の各住戸１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅの電力負荷１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅの需要電力量を合計した総需要電力量が０．８ＫＷの場合は、例えば、一つの発電モジュール２１を０．８ＫＷで運転する。さらに、総需要電力量が０．８ＫＷから１．８ＫＷに上昇した場合は、運転中の発電モジュール２１を１．０ＫＷにまで上昇させて運転すると同時に、未運転中の発電モジュール２２の運転を開始して０．８ＫＷで運転する。さらに、総需要電力量が１．８ＫＷから２．８ＫＷに上昇した場合は、運転中の発電モジュール２１を１．０ＫＷで運転する一方、運転中の発電モジュール２２を１．０ＫＷにまで上昇させて運転すると同時に、未運転中の発電モジュール２３の運転を開始して０．８ＫＷで運転する。また、総需要電力量が２．８ＫＷから３．８ＫＷに上昇した場合は、運転中の発電モジュール２１，２２を１．０ＫＷで運転する一方、運転中の発電モジュール２３を１．０ＫＷにまで上昇させて運転すると同時に、未運転中の発電モジュール２４の運転を開始して０．８ＫＷで運転する。また、総需要電力量が３．８ＫＷから４．８ＫＷに上昇した場合は、運転中の発電モジュール２１，２２，２３を１．０ＫＷで運転する一方、運転中の発電モジュール２４を１．０ＫＷにまで上昇させて運転すると同時に、未運転中の発電モジュール２５の運転を開始して０．８ＫＷで運転する。
【００３０】
さらに、総需要電力量が４．８ＫＷから５．０ＫＷに上昇した場合は、運転中の発電モジュール２１，２２，２３，２４を１．０ＫＷで運転する一方、運転中の発電モジュール２５を１．０ＫＷにまで上昇させて運転する。さらに、総需要電力量が５．０ＫＷより大きい場合は、５つの発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５を１．０ＫＷで運転すると同時に、電力の不足分を、インバータ２を介して、系統電力４から買電する。
【００３１】
一方、総需要電力量が５．０ＫＷ以上から４．８ＫＷに下降した場合は、例えば、４つの発電モジュール２１，２２，２３，２４を１．０ＫＷで運転すると同時に、一つの発電モジュール２５を０．８ＫＷで運転する。さらに、総需要電力量が４．８ＫＷから３．８ＫＷに下降した場合は、発電モジュール２５の運転を停止する一方、３つの発電モジュール２１，２２，２３を１．０ＫＷで運転すると同時に、一つの発電モジュール２４を０．８ＫＷで運転する。さらに、総需要電力量が３．８ＫＷ以上から２．８ＫＷに下降した場合は、発電モジュール２５，２４の運転を停止する一方、２つの発電モジュール２１，２２を１．０ＫＷで運転すると同時に、一つの発電モジュール２３を０．８ＫＷで運転する。さらに、総需要電力量が２．８ＫＷから１．８ＫＷに下降した場合は、発電モジュール２５，２４，２３の運転を停止する一方、一つの発電モジュール２１を１．０ＫＷで運転すると同時に、一つの発電モジュール２２を０．８ＫＷで運転する。さらに、総需要電力量が１．８ＫＷから０．８ＫＷに下降した場合は、発電モジュール２５，２４，２３，２２の運転を停止する一方、一つの発電モジュール２１を０．８ＫＷで運転する。
尚、各発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５の運転の組合せは、これに限定されるものではない。
【００３２】
そして、上述した具体例のように、各発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５を順次に運転すれば、図１の燃料電池コージェネレーションシステム１の発電効率は、最高出力が１ＫＷの５つの発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５を一つとして燃料電池２０の負荷率を想定することにより、図５のように評価することができる。従って、燃料電池２０の負荷率（総需要電力量）が低い領域でも、燃料電池２０の負荷率（総需要電力量）が高い領域でも、最高又は最高に近い発電効率を維持することができる。
この点は、図１の燃料電池コージェネレーションシステム１の排熱回収効率についても、同様である。
【００３３】
尚、図１の燃料電池コージェネレーションシステム１では、燃料電池２０などから回収された排熱は給湯して利用され、その余剰分は、貯湯タンク３１に湯水として貯えられ、また、貯湯タンク３１からの湯水の温度が要求温度に達していない場合には、集合住宅の各住戸１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅにおいて、各バックアップバーナー１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ，１２Ｅで追い焚きするようになっている。
【００３４】
ここで、一般的な家庭での実際の生活を想定した電力量・給湯量による、集合住宅の一住戸あたりの買電電力量とＣＯ2排出量のシミュレーション結果を図６に示す。図６の上欄は、従来技術の欄で説明した図７の燃料電池コージェネレーションシステム１０１を５住戸で構成された集合住宅に導入した際の、一住戸あたりの買電電力量とＣＯ2排出量を示すものである。一方、図６の下欄は、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム１を５住戸で構成された集合住宅に導入した際の、一住戸あたりの買電電力量とＣＯ2排出量を示すものである。
【００３５】
但し、このシミュレーションでは、集合住宅の各住戸において、燃料電池の発電電力量が電力負荷の需要電力量に勝らないように、燃料電池コージェネレーションシステム１，１０１が制御されることを条件とした。さらに、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム１では、制御装置５により、上述したように、各発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５が順次に運転される。
【００３６】
図６の表によれば、従来技術の欄で説明した図７の燃料電池コージェネレーションシステム１０１における集合住宅の一住戸あたりの買電電力量を「１００」とすると、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム１における集合住宅の一住戸あたりの買電電力量は「８１．８」になった。また、従来技術の欄で説明した図７の燃料電池コージェネレーションシステム１０１における集合住宅の一住戸あたりのＣＯ2排出量を「１００」とすると、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム１における集合住宅の一住戸あたりのＣＯ2排出量は「９７．５」になった。
【００３７】
従って、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム１は、従来技術の欄で説明した図７の燃料電池コージェネレーションシステム１０１と比べて、集合住宅の一住戸あたりの買電電力量とＣＯ2排出量を低く抑えることができる。
【００３８】
尚、ＣＯ2排出量を低く抑えることができる点については、電力系統４を管轄する電力会社から連系装置２による逆潮流が厳しく制限される場合には、逆潮流を避けるために、燃料電池２０の低出力運転を余儀なくされ、燃料電池２０がその特性として持つＣＯ2排出量の削減効果を発揮しにくい状況となるので、非常に有効である。
【００３９】
以上詳細に説明したように、本実施の燃料電池コージェネレーションシステム１では、燃料電池２０の発電電力が、インバータ２及び電力線網３で分電されて、集合住宅の各住戸１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅの電力負荷１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅで消費される。このとき、燃料電池２０は、独立運転可能な５つの発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５で構成されており、制御装置５によって、各発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５が順次に運転されるので、集合住宅の各住戸１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅの電力負荷１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅの需要電力量を合計した総需要電力量に合わせた運転が行われる際に、各発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５の発電量と発電効率を考慮し（図３参照）、都市ガス等の化石燃料の全入力量に対して発電量が最大となるように、また、各発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５の排熱回収量と排熱回収効率を考慮し（図４参照）、都市ガス等の化石燃料の全入力量に対して排熱回収量が最大となるように、各発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５の運転状態を決定している。
【００４０】
すなわち、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム１では、各発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５の発電量と発電効率を考慮し（図３参照）、都市ガス等の化石燃料の全入力量に対して発電量が最大となるように、また、各発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５の排熱回収量と排熱回収効率を考慮し（図４参照）、都市ガス等の化石燃料の全入力量に対して排熱回収量が最大となるように、各発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５の運転状態を決定しているので、５戸の住戸１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅで構成される集合住宅の総需要電力量の変動があっても、発電効率や排熱回収効率が高い運転状態が維持されることにより（図５参照）、総合効率を向上させることができる。
【００４１】
また、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム１では、燃料電池２０の各発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５が、順次に運転が開始されるものであり、制御装置５によって、各発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５の運転状態を決定するに際し、運転中の発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５が最高出力状態になったことを条件として、未運転の発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５の運転が開始されるようにしており、運転中の発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５の最高出力状態に維持される時間が長く確保され、運転中の発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５を一定の負荷率（１００％）で運転を行うことができるので、燃料電池２０の熱疲労を軽減させることができる。
【００４２】
また、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム１では、燃料電池２０は、独立運転可能な５つの発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５で構成されている。従って、５つの発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５のいずれかが故障しても、残りのもので対応することができるので、インバータ２を介して、系統電力４から買電する頻度が減少する。また、別の観点から言えば、５つの発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５のいずれかがメンテナンスのために運転できなくても、残りのもので対応することができる。
【００４３】
尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものでなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステム１では、燃料電池２０を、各最高出力が１ＫＷにある５台の発電モジュール２１，２２，２３，２４，２５で構成していたが、この点、各最高出力が異なる発電モジュールで構成してもよい。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の燃料電池コージェネレーションシステムでは、各発電モジュールの発電量と発電効率を考慮し、全入力原料に対して発電量が最大となるように、また、各発電モジュールの排熱回収量と排熱回収効率を考慮し、全入力原料に対して排熱回収量が最大となるように、各発電モジュールの運転状態を決定することができるので、住宅群の総需要電力量の変動があっても、発電効率や排熱回収効率が高い運転状態が維持されることにより、総合効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による燃料電池コージェネレーションシステムを示した模式図である。
【図２】燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、燃料電池の負荷率に対する発電効率や排熱回収効率の傾向を示した図である。
【図３】燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、燃料電池の発電モジュールの最高出力が１ＫＷと５ＫＷのときの、燃料電池の負荷率に対する発電効率の傾向を示した図である。
【図４】燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、燃料電池の発電モジュールの最高出力が１ＫＷと５ＫＷのときの、燃料電池の負荷率に対する排熱回収効率の傾向を示した図である。
【図５】本発明の一実施の形態による燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、燃料電池の負荷率に対する見かけ上の発電効率を示した図である。
【図６】一般的な家庭での実際の生活を想定した電力量・給湯量による、集合住宅の一住戸あたりの買電電力量とＣＯ2排出量のシミュレーション結果を示した図である。
【図７】集合住宅を対象とした従来の燃料電池コージェネレーションシステムの一例の模式図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池コージェネレーションシステム
２ インバータ
３ 電力線網
４ 電力系統
１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅ 集合住宅の住戸
１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅ 電力負荷
２０ 燃料電池
２１，２２，２３，２４，２５ 発電モジュール
３１ 貯湯タンク
Claims (2)
- 住宅群に設置されるとともに独立運転可能な複数の発電モジュールで構成された燃料電池と、
前記住宅群に設置されるとともに前記燃料電池の廃熱を前記住宅群の各住宅の給湯にそれぞれ利用するための共通の貯湯タンクと、
前記住宅群の全住宅の電力負荷にそれぞれ分配された電力線網と、
前記電力線網を前記燃料電池の各発電モジュールと電力系統とに連係する連係手段と、を備えたこと、
前記連係手段が、インバータであり、複数の前記発電モジュールおよび複数の前記住宅に対して共通の前記インバータが使用されていること、
前記燃料電池の各発電モジュールは、順次に運転が開始されるものであり、運転中の発電モジュールが最高出力状態になったことを条件として、未運転の発電モジュールの運転が開始されること、を特徴とする燃料電池コージェネレーションシステム。 - 請求項１に記載する燃料電池コージェネレーションシステムであって、
前記住宅群の各住宅にバックアップバーナーが設けられていること、を特徴とする燃料電池コージェネレーションシステム。
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