JP4669654B2 - Small fuel cell system - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、家庭用や業務用の標準的な小型燃料電池システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
現在、家庭用や業務用の小型燃料電池システムに用いられる燃料電池としては、200W〜30kW級程度の発電容量の小さい機種が開発されており、逐次市場に投入されようとしている(特許文献1参照)。
【0003】
例えば家庭用の小型燃料電池システムでは、図15に示すように、700W〜1.5kW程度の固体高分子形燃料電池501が1台設置されている。そして、都市ガス等を燃料として燃料電池501が発電し、発生した電力を家庭のテレビ、冷蔵庫、エアコン、照明等の電気機器502に供給する。この燃料電池501の出力は制御部505がセンサ5021,5041で検知される電力・熱負荷の需要量から判断して指令するが、電力不足となる場合は商用電力の供給を受け、余剰となる場合は商用電力として売電することができる。燃料電池501で発電する際には熱も発生するために、発生した熱を温水として貯湯槽503に蓄え、その温水を風呂、台所、床暖房等の熱需要機器54に供給する。業務用の燃料電池システムの場合も、利用する電気機器や熱需要機器が業務用の機器に変わるが、その利用形態は家庭用と基本的には変わらない。
【0004】
【特許文献1】
特開2003−51316号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、小口需要家の電力・熱負荷の需要量は、業種や規模により様々である。例えば小病院の場合は、各病院の保有ベット数により電力・熱負荷の需要量は大きく異なる。また、美容院の場合は受け入れる客数により電力・熱負荷の需要量は大きく異なる。さらに、季節や時間帯によって電力・熱負荷の需要量は変化しており、数kW〜数十kWの小型燃料電池を経済的に運用するにはそれらの負荷にうまく追従させて運転し、余剰となる電力や熱の発生を極力少なくさせる必要がある。
【0006】
家庭の場合も、家族の人数により電力・熱負荷の需要量は大きく異なり、家族の加齢と共に家族数が変化する。さらに、この場合も季節や時間帯によって電力・熱負荷は変化しており、数百W〜数kWの小型燃料電池を経済的に運用するにはそれらの負荷にうまく追従させて運転し、余剰となる電力や熱の発生を極力少なくさせることが必要である。図16は、例えば関西地区の4人家族構成の標準家庭における季節(春夏秋冬)別、時間帯(0〜24時)別の電力負荷の需要量及び給湯(熱)負荷の需要量の変動パターン(負荷パターン)を示している。
【0007】
このような、様々な電力・熱負荷の需要量に対して最適な容量の小型燃料電池を導入する必要があるが、1台の小型燃料電池の設置では最適な容量の機器が設置できない場合があり、また、経時的に電力・熱負荷の需要量が変わった場合に最適な燃料電池容量が変わり、買い換えが必要になることも考えられる。一方、燃料電池のメーカとしては様々な電力・熱負荷の需要量に対して最適な燃料電池を準備するには、多種類の発電容量の燃料電池を開発してラインナップすることとなり、開発費や在庫等を考えると経済的な負担が増加する。また、顧客からの注文生産ではコストアップは避けられない。
【0008】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであった、その目的とするところは、小口需要家への電力・熱供給のために、複数台の小型燃料電池を設置してそれらの最適な運用を図る小型燃料電池システムを提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の一の局面に係る小型燃料電池システムは、電力負荷及び熱負荷に追従させて運転する小口需要家向けの小型燃料電池システムにおいて、各々発電が可能であると共に熱交換部を有する複数台の小型燃料電池と、各々の前記熱交換部を経由する配管を通して水が供給される貯湯槽と、前記電力負荷及び熱負荷の少なくとも一方についての負荷パターンを予測する負荷予測手段と、前記負荷予測手段により予測された負荷パターンに基づいて各小型燃料電池を個別に運転制御する運転制御手段と、を備え、前記運転制御手段は、深夜の最低負荷での運転制御が可能となる負荷領域で少なくとも1台の小型燃料電池を運転制御するものであることを特徴とする。
【0010】
この構成によれば、小口需要家へは、複数台の小型燃料電池を、電力負荷や熱負荷に対して最適となる容量分だけ設置しておいて、負荷パターンに応じて各小型燃料電池を個別に制御することにより、複数台の小型燃料電池をシステム全体として最適な運転制御することができる。
【0011】
一般に、家庭や業務用の深夜電力負荷は少ないために、深夜も小型燃料電池を運転するならば最低の電力負荷を小さくして運転するのが好ましい。そこで、上記発明のように、運転制御手段は、深夜の最低負荷での運転制御が可能となる負荷領域で少なくとも1台の小型燃料電池を運転制御するものであることとすれば、深夜には不要な小型燃料電池を停止し、システム全体の最低負荷を下げることにより、深夜の少ない電力需要に応じることができる。
【0012】
本発明の他の局面に係る小型燃料電池システムは、電力負荷及び熱負荷に追従させて運転する小口需要家向けの小型燃料電池システムにおいて、各々発電が可能であると共に熱交換部を有する複数台の小型燃料電池と、各々の前記熱交換部を経由する配管を通して水が供給される貯湯槽と、前記電力負荷及び熱負荷の少なくとも一方についての負荷パターンを予測する負荷予測手段と、前記負荷予測手段により予測された負荷パターンに基づいて各小型燃料電池を個別に運転制御する運転制御手段と、を備え、前記複数台の小型燃料電池は、起動時間が異なる小型燃料電池を含み、前記運転制御手段は、第1の起動時間を有する小型燃料電池とこの第1の起動時間よりも短い第2の起動時間を有する小型燃料電池とを組み合わせて、システム全体の起動損失を低減させるように各小型燃料電池を運転制御することを特徴とする。
【0013】
上記の発明のように、起動時間の異なる小型燃料電池を設置しておき、運転制御手段は、第1の起動時間を有する小型燃料電池とこの第1の起動時間よりも短い第2の起動時間を有する小型燃料電池とを組み合わせて、システム全体の起動損失を低減させるように各小型燃料電池を運転制御するものであることとすれば、予測される負荷パターンに対して停止すべき小型燃料電池を選定して、システム全体としての起動時の損失を少なくさせるように運用することができる。例えば、通常の水蒸気改質法による燃料電池改質器の起動時間(第1の起動時間に相当する。)は30分から1時間程度を必要とするが、部分酸化燃焼法による改質器では十分程度の起動時間(第2の起動時間に相当する。)となるので、ベース負荷用としては通常の改質器の固体高分子形燃料電池や起動停止をしない固体電解質形燃料電池を運転し、昼間のピーク用には部分酸化燃焼法による改質器をもつ起動時間の早い固体高分子形燃料電池を運転すればよい。
【0014】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の一実施形態に係る小型燃料電池システム構成を示すブロック図であって、(a)は全体構成図、(b)は制御部の構成図である。本システムは、図1(a)に示すように、3台の固体高分子形の小型燃料電池(PEFC(Polymer Electrolyte Fuel Cell))1a,1b,1cと、例えば家庭におけるテレビ、冷蔵庫、エアコン、照明等の電気機器2と、高温・中温・低温貯留槽3a,3b,3cと、台所や洗面所、風呂用等の熱需要機器4と、運転制御手段としての制御部5とを備えている。この制御部5には、メモリ6と、タイマ7と、検出手段としての電力需要検知用のセンサ21と、同熱需要検知用のセンサ41とがそれぞれ電気的に接続されている。メモリ6は所定の負荷パターン等を記憶しておくためのものである。なお、センサ21としては、例えば電力供給ラインに設置された電圧計や電流計、エアコンのスイッチ等が使用でき、センサ41としては、例えば貯留槽に設置された温度計やレベル計等が使用できる。
【0015】
制御部5は、さらに図(b)に示すように、負荷予測手段としての負荷パターン読込部51、同運転負荷設定部52、運転制御手段としての起動・停止部53、同効率判断部54、同運転負荷判断部55を備えている。各部51〜55は、例えば制御部5を構成するCPUに図略のROMからシステム起動時に読み込まれる各種プログラムにより具体化されるものである。
【0016】
このうちの負荷パターン読込部51は、メモリ6に記憶された負荷パターンを読み込むためのものである。運転負荷設定部52は、上記読み込んだ負荷パターンにおける電力負荷及び熱負荷を、タイマ7を用いて所定時刻における運転負荷としてそれぞれ設定して、これに見合うだけの小型燃料電池の運転台数を決定し、さらにそれらの負荷分担を設定するものであるが、エアコン等の大型電気機器については、スイッチがオンされた時の運転信号を取り込んで上記運転負荷を設定して、小型燃料電池の運転台数の決定とその負荷分担の設定とを行うことができる。起動・停止部53は、運転負荷設定部52によって決定された運転台数、負荷分担に従い、3台の小型燃料電池1a,1b,1cをそれぞれ起動して出力上昇(運転負荷を増大)させ、或いは出力降下(運転負荷を減少)させて停止させるものである。効率判断部54は、運転する小型燃料電池1a,1b,1cの特性データに基づいてそれらの負荷をどのように配分すれば最も効率が高くなるかを計算して判断し、この判断に基づいて上記起動・停止部53に指令を発するものである。
【0017】
この特性データは、例えば中効率機の小型燃料電池では、100%出力のときには、発電効率が33.5%、排熱効率が30.0%、総合効率が64.0%であり、75%出力のときには、発電効率が32.9%、排熱効率が15.3%、総合効率が48.2%であり、50%出力のときには、発電効率が31.8%、排熱効率が3.1%、総合効率が34.9%であり、25%出力のときには、発電効率が29.7%、排熱効率が0.0%、総合効率が29.7%である。このように、50%出力以下では、排熱効率は非常に低くなることがわかっている。なお、発電効率とは、燃料の発熱量に対する小型燃料電池の電気出力(出力)の割合、排熱効率とは、燃料の発熱量に対する小型燃料電池の熱出力(排熱量)の割合、総合効率とは、発電効率と排熱効率との合計をいう。運転負荷判断部55は、上記負荷パターン等に基づき設定された運転負荷と、センサ21,41によって検知された電力需要及び熱需要との差があるか、もしあるとすればそれが不足しているのか、或いは、余剰となっているのかを判断し、その判断結果をフィードバックするものである。この判断に応じて、上記運転負荷設定部52は、運転負荷の再設定を行うようになっている。
【0018】
図2に固体高分子形燃料電池のシステム構成を示す。同図において、各小型燃料電池1a,1b,1cは、例えば1kW程度の小電力を発生させるものであって、従来例における1台の小型燃料電池501の発生電力(3kW)を、その3台で賄うことができる。
【0019】
各小型燃料電池1a,1b,1cは同様の構成であるので、以下ではそのうちの1台(1a)についてのみ説明する。それぞれ脱硫器11、改質器12、CO変成器13、電池本体部14、空気ブロア15及び選択酸化器16を備えている。脱硫器11は、燃料としての都市ガス(プロパンガス、ナフサ、灯油等でもよい。)中に含まれる付臭材としての硫黄分を除去するもので、その都市ガスが供給されるように、ガス供給管と接続されている。改質器12は、脱硫器11のガス出口側に接続され、脱硫された都市ガスと水蒸気とをバーナ121で加熱して、反応させることにより、二酸化炭素と水素とを主成分とする改質ガスを生成するものである。CO変成器13は、改質器12のガス出口側に接続され、セル電極の被毒及び発電効率の低下を防止するために、改質ガス中に含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変化させるものである。選択酸化器16は、セル電極の被毒防止を行うため、CO変成器13から送られてきたガスに含まれるCO濃度を10ppm以下にするものである。電池本体部14は、CO変成器13から送られる水素が供給される負極と、空気ブロア15から送られる空気中の酸素が供給される正極とを備え、各極で起電反応を行わせて発電するものである。
【0020】
以下、この小型燃料電池1aの動作について説明する。都市ガスは脱硫器11で脱硫された後、水蒸気と混合して改質器12に入る。この混合物は改質器12中でバーナ121加熱により約800℃に昇温され、ついで触媒の作用により水素を主成分とする改質ガスに変換される。この改質ガスがCO変成器13、選択酸化器14を介して電池本体部16の中に入り、空気ブロア15から送られる空気中の酸素と化学反応をして発電する。
【0021】
ここで発生した電力は、図略のインバータで直流から交流に変換されて電気機器2に供給される。電池本体部16内では水素と酸素が化学反応するために発熱するが、小型燃料電池1aを一定温度に保つために水で冷却して、余剰となる熱を除去する。この余剰となる熱(排熱)を利用して水道水を加熱して60〜80℃程度の温水(湯)を得ることができる。この熱を貯湯槽3に貯めておき、必要に応じて熱需要機器4に供給する。小型燃料電池1aは電力と熱とを供給する機能を備えている。他の小型燃料電池1b、1cについても同様である。
【0022】
引き続き、図3を参照して、これらの小型燃料電池1a,1b,1cを備えたシステムの動作について説明する。なお、図3は、本システムの動作例を示す説明図であって、(a)はフローチャート、(b)は負荷パターン、(c)は運転台数ごとの運転可能範囲を示すものである。図3(a)において、制御部5の負荷パターン読込部51は、メモリ6に予め記憶しておいた負荷パターンを読み込む(ステップS1)。負荷パターンは、例えば図16に示したように、標準家庭の電力負荷及び熱負荷(需要負荷)を、季節や時間帯等別に収集したものをベースとしたものである。ここでは、図3(b)に示すように、ある時刻における負荷2.5kWが読み込まれたものとする。
【0023】
運転負荷設定部52は、タイマ7の刻時にて、その時点における負荷(現状負荷)と今後の負荷予想より運転台数を決定して、起動・停止部53に指令を発するが、このときにエアコン等の大型電気機器のスイッチがオンされると、その運転信号をも取り込んで上記運転台数の決定を行う(ステップS2)。ここでは、運転負荷設定部52より、まず1台の小型燃料電池を起動するための指令が発せられるが、その1台の運転中に負荷が1kWから2.5kWに急増し、その後も負荷は増加する時間帯となってくるため、図3(c)に示すように、合計の運転台数は3台と選定される。
【0024】
起動・停止部53は、上記指令を受けると、事前に設定した運転順序に従い、1台目の小型燃料電池(例えば1a)を起動し、続いて2台目(1b)、3台目(1c)を起動する。また、停止する場合も事前に設定した運転順序に従い、1c→1b→1aの順に停止する(ステップS3)。いま、すでに1台目が運転されているとすると、運転負荷設定部52より、その1台目については運転継続指令が発せられ、2,3台目には起動指令が発せられる。
【0025】
ついで効率判断部54は、負荷配分を最適化するため、運転する各小型燃料電池の負荷分担をどのようにすれば、それらの小型燃料電池の効率が最も高くなるかを計算して判断し、その判断に基づく指令を起動・停止部53に発する(ステップS4)。
【0026】
ここでは、負荷が2.5kWであるので、負荷分担としては、ケースA(1kW×2台、0.5kW×1台)、ケースB(1kW×1台、0,75kW×2台)のいずれかの選択が可能であるが、ケースAの負荷分担が選択されると、運転中の小型燃料電池1aは1kWにまで出力を上昇し、小型燃料電池1bは起動して、その起動後は1kWまで出力を上昇し、小型燃料電池1cは起動して、その起動後は0.5kWまで出力を上昇することにより、システム全体としての運転負荷が増大する(ステップS5)。
【0027】
ついで、運転負荷判断部55は、運転負荷と需要負荷との差を検出し、この差に基づくフィードバックをかけるか否かを判断する(ステップS6)。そして、運転負荷と需要負荷との差が、小型燃料電池の負荷制御幅や一定の設定量よりも大きくなれば、ステップS2の直前に戻る。ここでは、負荷の差が小型燃料電池の負荷制御幅の1/2よりも大きいか小さいかで判断されるものとする。そして、1/2よりも小さい場合は現状維持し、1/2よりも大きくなると、ステップS2の直前に戻り、運転負荷設定部52は、今度は、フィードバックされた運転負荷と需要負荷との差を加味して、運転台数を決定する。
【0028】
例えばシステム全体として2.5kWで各小型燃料電池1a,1b,1cを運転中、電力負荷需要が2.4kWに下がっても、負荷制御が可能な最低負荷範囲が250Wであるので、上記運転負荷と需要負荷との差に基づくフィードバックをかけても、各小型燃料電池1a,1b,1cの負荷は変化しない。一方、2.3kWにまで下がれば、運転負荷設定部52は2.5kWで運転するか、2.25kWで運転するか否かの判断を行い、2.25kWで運転することになれば、小型燃料電池の出力を下げる。このとき、ケースA(1kW×2台、0.5kW×1台)、ケースB(1kW×1台、0.75kW×2台)、ケースC(1kW×1台、0.75kW×1台、0.5kW×1台)のいずれかを選択可能となる。この場合、ケースBの負荷配分では発電効率、排熱効率ともに最高となるので、ケースBの負荷配分を選択する。各小型燃料電池1a,1b,1cに負荷指令を送ることにより、小型燃料電池1aは1kWのままで維持し、1bは1kWから0.75kWまでに負荷降下し、1cは0.5kWの負荷を維持するように起動・停止部53に指令を発する。そして、システムが停止されるまで上記ステップS2〜S6をくり返す。
【0029】
ここで、本システムの妥当性についての検討結果を説明する。具体的には、システムの発電効率、排熱効率又は総合効率について、3kWの小型燃料電池1台の場合と、1kWの小型燃料電池3台の場合との比較を行った。複数台の小型燃料電池を設置する場合、低負荷時にはその出力が不要となる小型燃料電池を停止し、負荷が高くなれば次の小型燃料電池を起動して運転するいわゆる直列運用をする。なお1kWの小型燃料電池3台を同時に起動して運転するいわゆる並列運用では、3kWの小型燃料電池1台を起動して運転する場合と同じとなる。
【0030】
図4は発電効率の比較を示す。図4中の符号A1で示す3kWの小型燃料電池1台の場合には、750Wから3000Wまでの出力上昇につれて、発電効率が30%から33.5%まで上昇している。これに対して、同符号B1で示す1kWの小型燃料電池3台の場合には、1台目の起動による250Wから1000Wまでの出力上昇につれて、発電効率が30%から33.5%まで一気に上昇している。ついで、2台目の起動による1000Wから2000Wまでの出力上昇する間、発電効率は2台分の平均値であるので一旦32%にまで下がるが、その後すぐに回復して33.5%まで上昇している。そして、3台目の起動による2000Wから3000Wまでの出力上昇する間、発電効率は3台の平均値であるので一旦32.5%に下がるが、その後すぐに回復して33.5%まで上昇している。このように、3kWの小型燃料電池1台の場合に比べて、1kWの小型燃料電池3台の場合には、2kW以下の出力では発電効率が1〜3%向上し、部分負荷での運用が多い小口需要家では経済性がかなり改善される。また、最低負荷も、3kWの小型燃料電池1台の場合では750Wであるのに対して、1kWの小型燃料電池3台の場合では、250Wにまで低下し、深夜の燃料電池運用に大きいメリットを与えることがわかった。
【0031】
図5は排熱量の比較を示す。図5中の符号A2で示す3kWの小型燃料電池1台の場合には、1250W以下の出力では排熱量は0Wであり、1250Wから3000Wまでの出力上昇につれて、排熱量が0Wから2750Wまで増加している。これに対して、同符号B2で示す1kWの小型燃料電池3台の場合には、1台目の起動による500W以下の出力では排熱量は0Wであり、500Wから1000Wまでの出力上昇につれて、排熱量が0Wから900Wまで上昇している。ついで、2台目の起動による1000Wから2000Wまでの出力上昇の間、1kWで2台目を起動する場合、1台は250W、もう1台は750Wになるために排熱量は一旦300Wまで低下するが、その後すぐに回復して1800Wまで上昇している。そして、3台目の起動による2000Wから3000Wまでの出力上昇の間、2kWで3台目を起動する場合、1台は250W、1台は750Wになるために排熱量は一旦1300Wまで低下するが、その後すぐに回復して2800Wまで上昇している。図5より、3kWの小型燃料電池1台の場合に比べて、1kWの小型燃料電池3台の場合には、2.5kW以下の出力では排熱量がより多く増加し、2kW以下では倍増することとなることがわかる。部分負荷での運用時間が長く、熱需要の多い需要家では、このように排熱量が増加すること、特に負荷の低い夜間にも熱を貯蔵できることは経済性が大幅に改善するものと予想される。また、排熱が得られる最低負荷も3kWの小型燃料電池1台の場合に1250Wであるのに対して、1kWの燃料電池3台の場合には、500Wにまで低下しており、したがって、深夜に小型燃料電池を運転しても熱を貯蔵することができるようになって、夜間暖房や貯湯槽に溜めることが可能となる。図6に排熱効率の改善程度を示すが、同様に、図6中の符号A2’で示す3kWの小型燃料電池1台の場合には、同符号B2’で示す1kWの小型燃料電池3台の場合に比べて、部分負荷での排熱効率の改善は顕著なものとなる。
【0032】
図7に総合効率の改善程度を示す。図7より、符号B3で示す1kWの小型燃料電池3台の場合には、750Wから3kWまでの範囲で総合効率は50%を越え、同符号A3で示す3kWの小型燃料電池1台の場合よりも、総合効率は大幅に改善される。
【0033】
図8には最大発電効率が31,33,37%の3kWの小型燃料電池を1台設置した場合と、最大発電効率が31,33,37%の1kWの小型燃料電池を各1台設置し合計3kWとした場合との比較を示す。図中の符号A11は、最大発電効率が31%の3kWの小型燃料電池、同符号A12は、最大発電効率が33%の小型燃料電池、同符号A13は、最大発電効率が37%の小型燃料電池の場合である。同符号B11は、1kWの小型燃料電池を31%、33%、37%の順に起動した場合である。同符号B12は1kWの小型燃料電池を37%、33%、31%の順に起動した場合である。符号B11の運用では、最大発電効率が33%の3kWの小型燃料電池1台の場合(符号A12)とほとんど差はないが、符号B13では部分負荷での発電効率は大幅に向上する。
【0034】
図9には排熱量の比較を示す。図中の符号A14は、発電効率が31%の3kWの小型燃料電池、同符号A15は、発電効率が33%の小型燃料電池、同符号A16は、発電効率が37%の小型燃料電池の場合である。図中の符号B14は、1kWの小型燃料電池を31%、33%、37%の順に起動した場合である。同符号B15は1kWの小型燃料電池を37%、33%、31%の順に起動した場合である。排熱量については符号B14,B15ともに部分負荷で向上するが、符号15で運用した場合の増加の方が若干大きくなる。図10に排熱効率の比較を示すが、同じ傾向を示している。なお、図中の各符号は図9中の符号にダッシュ(’)をつけて対応させている。
【0035】
図11に総合効率を示すが、図中の符号A17は、最大発電効率が31%の3kWの小型燃料電池、同符号A18は、最大発電効率が33%の小型燃料電池、同符号A19は、最大発電効率が37%の小型燃料電池の場合である。同符号B17は、1kWの小型燃料電池を31%、33%、37%の順に起動した場合である。同符号B18は1kWの小型燃料電池を37%、33%、31%の順に起動した場合である。図11より、定格負荷で3kWの小型燃料電池1台の場合と同等となる以外の全負荷領域で、総合効率は大幅に改善する。また、最低負荷も低下し、負荷変化範囲が広くなるために運用性が向上する。
【0036】
このように1kWの小型燃料電池を3台有するシステムにあって、低負荷時は出力が不要となる小型燃料電池を停止し、負荷が高くなれば次の小型燃料電池を運転する直列運用する方が、3kWの小型燃料電池1台を設置して運用する場合よりも、発電効率、排熱効率、総合効率は高くなる。ただし、停止時間が短かい頻繁な起動停止は起動損失が大きくなるので避けるのが好ましい。また、排熱量は直列運用で、各小型燃料電池の負荷を制御して排熱量を最大にするように運用することにより広い負荷範囲で増加させることができる。ただし、符号B12,B14,B14’,B17に示すように発電効率の高い方を重視する場合は、符号B11,B15,B15’,B18に示すよう排熱効率の高い方を重視する場合に比べて、その排熱量がいくらか減少する。
【0037】
これらの運用は年間を通して固定して運用する必要はない。例えば、電力需要が多く、熱需要が少ない夏季は発電効率が高くなるケース(符号B12,B14,B14’,B17)で運用し、熱需要が多い冬季は排熱が多くとれるケース(符号B11,B15,B15’,B18)で運用する方が良く、制御部5はこのような運用判断と運転機器の切り替えを行う機能を持つものとする。
【0038】
以上のように、本実施形態の小型燃料電池システムでは、複数台(3台)の小型燃料電池1a,1b,1cを設置し、その発電効率、排熱効率又は総合効率を高くする運用を行うことにより、全負荷領域で高効率化が達成でき、経済性が向上する。しかし、複数台の小型燃料電池の設置は設備コストの面で割高となる心配があるが、小型燃料電池の場合、従来機器よりもスケールメリット効果が少なく、排熱設備等の共用部分によるコストダウンにより帳消しになるものと予想される。
【0039】
また、複数台の小型燃料電池の内、1台が故障しても残りの小型燃料電池が運転でき、全ての小型燃料電池が同時に停止するおそれは少ない。このため、定期点検、旧型機の更新、故障時の対応が容易となり、システムの信頼性が向上する。
【0040】
さらに、小口需要家は、自らの電力・熱負荷に対して小型燃料電池の仕様を目的別に選択して組み合わすことができるので、電力・熱負荷需要に対する選択の自由度が増し、最適なシステムを構築することが可能となる。
【0041】
一方、製造メーカは、数々の小口需要家に対しても、標準仕様の小型燃料電池(標準ユニット)を数種類準備しておけば良く、標準化によるコストダウン効果が得られる。標準化ユニットを大量に使用するために大量生産により、製造メーカでのコストダウン化が進み、低コストとなる。
【0042】
なお、本実施形態については、様々な変形例が考えられる。以下説明する。
【0043】
(変形例1)
上記実施形態では、従来の3kWの小型燃料電池1台に対して、1kWの小型燃料電池3台を備えることとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば要求電力・熱負荷に応じて小型燃料電池の発電容量や設置台数等を選択することとしてもよいし、さらに一旦設置した小型燃料電池の運用順序の組み合わせ方を選定することとしてもよい。その場合にも、上記と同様にして、小口需要家による電力負荷需要及び熱負荷需要の少なくとも一方に対して、システムを最低負荷から定格負荷までの負荷領域で例えば最も高い効率が得られるように運転制御することができる。
【0044】
また、例えば図16に示したような標準家庭の電力・熱負荷に対しては、最も経済性が高いのは500W〜1kWの小型燃料電池を設置した場合である。このような家庭において、1kWの小型燃料電池を1台設置する場合に対して、500Wの燃料電池を2台設置することにより、業務用の場合と同等の効果を得ることができる。特に、家庭の深夜の電力負荷は小さく、燃料電池システムの最低負荷は定格負荷容量に係わらず、定格負荷の25〜30%と言われており、1kWの小型燃料電池を設置する場合は、250Wが最低負荷となる。これに対し、500Wの小型燃料電池を2台設置する場合には、その1台を停止し、残りの1台を運用すれば、最低負荷は125Wとなり、家庭の深夜負荷200W〜300Wよりも低くなる。このように、深夜も必要な電力のみを発電し、経済的な運用が可能となる。
【0045】
また、排熱利用についても、1kWの小型燃料電池では、50%負荷(500W)以下では排熱がほとんどなくなるが、500Wの小型燃料電池を2台設置する場合は、25%負荷(250W)までは熱が利用でき、深夜運転でも熱が発生して貯湯槽に温水を貯蔵することが可能となる。また、発電効率にしても500Wの小型燃料電池を2台設置する場合は、500W以下では、その1台を停止することにより、残り1台の500Wの小型燃料電池の負荷を高くして発電効率を高いレベルに維持することが可能となる。このように、運転機器の台数制御により高効率を達成することが可能となる。
【0046】
(変形例2)
上記変形例1において、500Wの小型燃料電池として、その2台の仕様が異なったものを導入する事によりさらに経済性を改善できる。
【0047】
例えば、発電効率は高いが排熱は少ない小型燃料電池と、発電効率は低いが排熱は多い小型燃料電池を組み合わせることが考えられる。一般にベース負荷に相当する箇所は発電効率が高い小型燃料電池を運転するのが経済的であるので発電効率の高い小型燃料電池を連続運転し、運転時間が制限される時間帯には排熱の多い小型燃料電池を運転して電力や熱の余剰が生じないように運転するのが経済的となる。発電効率が高い小型燃料電池としては、高効率の固体高分子形燃料電池や固体電解質形燃料電池があげられる。
【0048】
(変形例3)
また、1台は高効率だが起動停止に30分から1時間程度(第1の起動時間に相当する。)を必要とする設備を備えた小型燃料電池と、もう1台を効率は若干劣るが、起動時間が10分程度(第2の起動時間に相当する。)の機動性の良い設備を備えた小型燃料電池とを組み合わせることも考えられる。
【0049】
このような起動時間の異なる小型燃料電池を組み合わせることにより、ベース負荷を起動時間の長い小型燃料電池で分担し、負荷の高いところを起動時間の短い小型燃料電池で対応することにより、システム全体の効率を改善することが可能となる。発電効率が高いが起動停止が制約される小型燃料電池として固体電解質形燃料電池、発電効率が高いが起動停止が長い小型燃料電池として通常の水蒸気改質器を備えた固体高分子形燃料電池、発電効率がやや低いが起動が早い小型燃料電池として部分酸化改質器を備えた固体高分子形燃料電池がある。小型燃料電池以外にガスエンジン等との組み合わせも可能である。
【0050】
このような複数台の小型燃料電池システムを運用する方法としては、季節あるいは月別の電力・熱負荷の時刻別のデータから、何時にはどの燃料電池を何台運用すべきかとの予測をしておき、起動時間を加味して負荷増加前に運転準備に入ることが好ましい。上記実施形態は、かかる予測による負荷パターンを用いたものである。ただし。季節や時間帯の一方だけ、或いは、電力負荷及び熱負荷の一方だけの負荷パターンや、その他のパラメータによる負荷パターンを用いてもよい。
【0051】
(変形例4)
ところで、複数台の小型燃料電池を設置した場合の排熱利用方法において、基本となるシステムでは、図12に示すように、小型燃料電池1a,1b,1c毎に1台の貯湯槽3a,3b,3cが設けられているが、図13に示すように、これらの貯湯槽3a,3b,3cを集約することが考えられる。図12,13に複数台の固体高分子形燃料電池を設置した場合の排熱利用システムを示す。
【0052】
図12は、上記実施形態に対応するものであって、貯湯槽3a,3b,3cは、固体高分子形の小型燃料電池1a,1b,1c毎に設置されており、各小型燃料電池1a,1b,1cには水供給配管11からの水が供給される。この水供給配管11から供給される水は、各小型燃料電池1a,1b,1cの熱交換部(図略)で熱交換されて温水となり、各小型燃料電池1a,1b,1cから排出される。一方、各小型燃料電池1a,1b,1cと貯湯槽3a,3b,3cとは連絡配管40で連結されており、この連絡配管40中には図略の制御部からの指令により開閉制御される制御弁31〜39が適宜位置に配置されている。そして、制御弁31〜39を開閉制御することによって、負荷が低い場合は一つの貯湯槽に集中して熱貯蔵をさせることが可能となる。例えば、高温貯湯槽3aに集中する場合には、制御部からの指令により、制御弁31,33,37,34を開状態、残りの制御弁32,38,39,35,36を閉状態とする。制御弁31〜39としては、例えば電磁弁や空気作動弁等を用いることができる。
【0053】
また、貯湯槽3a,3b,3cは、熱供給先により貯湯容量や温水温度を変えることができる。例えば、高温貯湯槽3aは90℃、中温貯湯槽3bは80℃、低温貯湯槽3cは60℃とすることができ、この高温貯湯槽3aのように、小型燃料電池1a,1b,1cの排熱温度(80℃)より高い温水が必要な場合は、同貯湯槽3aに図略の電気ヒータやガスバーナを備えておいて、この電気ヒータを余剰電力で加熱し、或いはガスバーナで加熱する。この結果、各貯湯槽3a,3b,3cの利便性が高くなる。さらに、1aの小型燃料電池として固体電解質形燃料電池を採用した場合は、排熱温度は90℃と高いために主として高温貯湯槽3aに温水を溜め、適宜制御弁31,38を通して中温貯湯槽3bにもその温水を入れて温度を80℃とすることも可能であり、この場合は加熱用ガスヒータや電気ヒータは不要となる。
【0054】
図13は、大型の1基の貯湯槽3を設置することにより、この貯湯槽3に小型燃料電池1a,1b,1cからの温水を集合させて排熱を溜める方式であり、この場合には、貯湯槽の設備費の低減や、制御弁や配管が簡素となり、コストや設置スペース減少面でメリットが生じる。ただし、図13と図12との中間案として、2基の貯湯槽を設置することとしてもよい。
【0055】
(変形例5)
ところで、家庭用の0.8〜1.5kW程度の小型燃料電池を複数台設置する場合には、1台の小型燃料電池の容量は通常は200〜300W機ならば3〜4台、大きくても500W機ならば2〜3台になる。しかし、200〜300W機の単体では、25%、50%、75%、100%の部分負荷運転をできるようにするためには、小さすぎて負荷制御部が複雑化するためにコストアップを招きかねない。
【0564】
そこで、このような小容量機の場合には、各小型燃料電池は、停止か、定格負荷運転のみを行い、システムとしては、ステップ状に負荷変化を行わせることができる。この場合、例えば図14に示すように、制御部は、ベース負荷に対しては1台目の小型燃料電池を運用し、負荷パターンに応じて2台目、3台目、4台目といったように、起動・停止のタイミングを変化させることにより、各小型燃料電池をそれぞれ一定出力で運転制御する。同図中のハッチング部分は商用電力等で賄う。このような負荷変化のみを行うシステムとしては、小型燃料電池単体のコストが低減でき、運転制御も簡単化されるので、家庭用や小規模の業務用として好適である。
【0057】
【発明の効果】
本発明によれば、小口需要家へは、複数台の小型燃料電池を、電力負荷や熱負荷に対して最適となる容量分だけ設置しておいて、負荷パターンに応じて各小型燃料電池を個別に制御することにより、複数台の小型燃料電池をシステム全体として最適な運転制御することができる。また、複数台の小型燃料電池の内、1台が故障しても残りの小型燃料電池が運転でき、全ての小型燃料電池が同時に停止するおそれは少ない。このため、定期点検、旧型機の更新、故障時の対応が容易となり、システムの信頼性が向上する。さらに、小口需要家は、自らの電力・熱負荷に対して小型燃料電池の仕様を目的別に選択して組み合わすことができるので、電力・熱負荷需要に対する選択の自由度が増し、最適なシステムを構築することが可能となる。一方、製造メーカは、数々の小口需要家に対しても、標準仕様の小型燃料電池(標準ユニット)を数種類準備しておけば良く、標準化によるコストダウン効果が得られる。標準化ユニットを大量に使用するために大量生産により、製造メーカでのコストダウン化が進み、低コストとなる。
【0058】
また、特に一定時間に渡って負荷が低くなる場合には、一部の小型燃料電池を停止し、運転している小型燃料電池は発電効率や排熱効率の高い高負荷で運転し、複数台の小型燃料電池をシステム全体として高い発電効率や排熱効率となるように複数台の小型燃料電池を運転制御することができるので、小口需要家による電力負荷需要及び熱負荷需要の少なくとも一方に対して、複数台の小型燃料電池からなるシステムを最低負荷から定格負荷迄の負荷領域で例えば最も高い効率が得られるように運転制御することができる。
【0059】
また、最適な小型燃料電池の発電容量、仕様、設置台数を選定すること、一旦設置した小型燃料電池の運用順序を組み合わせ方を選定することにより、小口需要家による電力負荷需要及び熱負荷需要の少なくとも一方に対して、複数台の小型燃料電池からなるシステムを最低負荷から定格負荷迄の負荷領域で例えば最も高い効率が得られるように運転制御することができる。
【0060】
また、深夜には不要な小型燃料電池を停止し、システム全体の最低負荷を下げることにより、深夜の少ない電力需要に応じることができる。
【0061】
また、予測される負荷パターンに対して停止すべき小型燃料電池を選定して、システム全体としての起動時の損失を少なくさせるように運用することができる。
【0062】
また、複数台の小型燃料電池の合計容量をステップ状に変化させることができる。このようなステップ状の容量変化のみを行う構成とすることで、小型燃料電池単体のコストが下がり、運転制御も簡単化されるので、特に家庭用や小規模な業務用として好適である。
【0063】
また、最も経済性が高くなるように複数台の小型燃料電池を選定して運用することができる。そして、小口需要家の熱力・電負荷のデータに応じて、季節、月、時刻別に最適な運転ユニット(運転する小型燃料電池)を選定して最も経済的になるように複数台の小型燃料電池を運用することができるとともに、予測外の大きな負荷(例えばエアコンの運転)が加わったとしても、それを検出して対処することができる。
【0064】
また、各貯湯槽の容量や保持温度が熱供給先毎により選定され、温水供給用の連絡配管や制御弁が設置されることによって、小型燃料電池から得られる排熱は、細かい熱需要に応じることができる。貯湯槽としては、例えば高温水用、低温水用等に分離し、用途により使い分けるものとする。固体高分子形燃料電池を使用する場合は高温水用の貯湯槽の昇温には余剰電力やガスヒータを使用すればよいが、固体電解質形燃料電池の場合は排熱をそのまま利用できる。あるいは、貯湯槽を集約してシステム構成を簡素化し、その運転制御を簡単なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態に係る小型燃料電池システム構成を示すブロック図であって、(a)は全体構成図、(b)は制御部の構成図である。
【図2】 固体高分子形燃料電池のシステム構成を示す図である。
【図3】 本システムの動作例を示す説明図であって、(a)はフローチャート、(b)は負荷パターン、(c)は運転台数ごとの運転可能範囲を示すものである。
【図4】 発電効率の検討図である。
【図5】 排熱量の検討図である。
【図6】 排熱効率の検討図である。
【図7】 総合効率の検討図である。
【図8】 発電効率の検討図である。
【図9】 排熱量の検討図である。
【図10】 排熱効率の検討図である。
【図11】 総合効率の検討図である。
【図12】 小型燃料電池ごとに湯槽がある場合のシステム構成図である。
【図13】 共用する湯槽がある場合のシステム構成図である。
【図14】 ステップ状の運転制御を示す説明図である。
【図15】 従来例に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。
【図16】 標準家庭の電力・熱負荷パターンを示す例図である。
【符号の説明】
1a,1b,1c 小型燃料電池
2 電気機器
3,3a,3b,3c 貯留槽
4 熱負荷機器
5 制御部(運転制御手段に相当する。)
51 負荷パターン読込部
52 運転負荷設定部
53 起動・停止部
54 効率判断部
55 運転負荷判断部
6 メモリ
7 タイマ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a standard small fuel cell system for home use and business use.
[0002]
[Prior art]
Currently, as a fuel cell used in a small-sized fuel cell system for home use or business use, a model having a small power generation capacity of about 200 W to 30 kW has been developed, and is going to be put on the market one after another (see Patent Document 1). ).
[0003]
For example, in a small fuel cell system for home use, as shown in FIG. 15, one solid polymer fuel cell 501 of about 700 W to 1.5 kW is installed. Then, the fuel cell 501 generates electricity using city gas or the like as fuel, and supplies the generated electric power to an electric device 502 such as a home TV, refrigerator, air conditioner, or lighting. The output of the fuel cell 501 is instructed by the control unit 505 based on the demand amount of the power / heat load detected by the sensors 5021 and 5041. However, when the power is insufficient, the supply of commercial power is received and surplus In this case, it can be sold as commercial power. Since heat is also generated when power is generated by the fuel cell 501, the generated heat is stored as hot water in the hot water storage tank 503, and the hot water is supplied to a heat demanding device 54 such as a bath, kitchen, floor heating or the like. In the case of a commercial fuel cell system, the electrical equipment and heat demand equipment used are changed to commercial equipment, but the usage form is basically the same as that for home use.
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2003-51316 A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the amount of demand for electric power and heat load of small consumers varies depending on the type of business and scale. For example, in the case of small hospitals, the demand for power and heat load varies greatly depending on the number of beds held by each hospital. In the case of a beauty salon, the demand for power and heat load varies greatly depending on the number of customers. In addition, the demand for power and heat load varies depending on the season and time of day, and in order to economically operate a small fuel cell of several kW to several tens of kW, it is necessary to follow the load well and operate the surplus. It is necessary to minimize the generation of electric power and heat.
[0006]
In the case of households, the demand for power and heat load varies greatly depending on the number of family members, and the number of families changes as the family ages. Furthermore, in this case as well, the power and heat load changes depending on the season and time zone. To economically operate a small fuel cell of several hundred watts to several kW, it is necessary to follow the load well and operate. It is necessary to minimize the generation of electric power and heat. FIG. 16 shows, for example, fluctuations in demand for electric power load and hot water supply (heat) load by season (spring, summer, autumn and winter) and by time zone (0-24 o'clock) in a standard family with a family of four in the Kansai region. A pattern (load pattern) is shown.
[0007]
It is necessary to introduce a small fuel cell with an optimal capacity for such demands of various electric power and heat loads. However, there is a case where an apparatus with an optimal capacity cannot be installed with one small fuel cell. In addition, when the demand amount of the electric power / heat load changes with time, the optimum fuel cell capacity may change and replacement by purchase is necessary. On the other hand, as a fuel cell manufacturer, in order to prepare an optimal fuel cell for various power and heat load demands, a fuel cell with various types of power generation capacity will be developed and lineup will be required. Considering inventory, the economic burden increases. In addition, cost increases are unavoidable in order production from customers.
[0008]
The present invention has been made in view of the above circumstances. The purpose of the present invention is to install a plurality of small fuel cells for the purpose of supplying electric power and heat to small consumers. It is to provide a small fuel cell system to be operated.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
Small fuel cell system according to one aspect of the present invention Is a small fuel cell system for small-sized customers that operates by following an electric load and a thermal load, each of which is capable of generating power and having a plurality of small fuel cells having a heat exchanging unit, and each of the heat exchanging units. A hot water storage tank to which water is supplied through a pipe passing through, a load prediction means for predicting a load pattern for at least one of the power load and the thermal load, and each small size based on the load pattern predicted by the load prediction means Operation control means for individually controlling the operation of the fuel cell; The operation control means controls the operation of at least one small fuel cell in a load region in which the operation control with the lowest load at midnight is possible. It is characterized by that.
[0010]
According to this configuration, for small consumers, a plurality of small fuel cells are installed for the capacity that is optimal for the electric power load and heat load, and each small fuel cell is installed according to the load pattern. By individually controlling, a plurality of small fuel cells can be optimally controlled as a whole system.
[0011]
In general, since there is little midnight power load for home and business use, it is preferable to operate with a minimum power load if the small fuel cell is operated at midnight. Therefore, the above As in the invention, if the operation control means controls the operation of at least one small fuel cell in a load region in which operation control at the lowest load at midnight is possible, a small size unnecessary at midnight. By stopping the fuel cell and lowering the minimum load of the entire system, it is possible to meet the low power demand at midnight.
[0012]
Small fuel cell system according to another aspect of the present invention Is a small fuel cell system for small-sized customers that operates by following an electric load and a thermal load, each of which is capable of generating power and having a plurality of small fuel cells having a heat exchanging unit, and each of the heat exchanging units. A hot water storage tank to which water is supplied through a pipe passing through, a load prediction means for predicting a load pattern for at least one of the power load and the thermal load, and each small size based on the load pattern predicted by the load prediction means Operation control means for individually controlling the operation of the fuel cell; And the plurality of small fuel cells include small fuel cells having different start times, and the operation control means includes a small fuel cell having a first start time and a second shorter than the first start time. In combination with a small fuel cell having a start-up time, the operation of each small fuel cell is controlled so as to reduce the start-up loss of the entire system. It is characterized by that.
[0013]
the above As described in the invention, small fuel cells having different start times are installed, and the operation control means has a small fuel cell having the first start time and a second start time shorter than the first start time. If each small fuel cell is to be operated and controlled so as to reduce the startup loss of the entire system in combination with the small fuel cell, the small fuel cell to be stopped against the predicted load pattern It can be selected and operated so as to reduce the loss at the start-up of the entire system. For example, the start-up time of the fuel cell reformer by the normal steam reforming method (corresponding to the first start-up time) requires about 30 minutes to 1 hour, but the reformer by the partial oxidation combustion method is sufficient. Since the start-up time is about the same (corresponding to the second start-up time), for the base load, an ordinary reformer solid polymer fuel cell or a solid oxide fuel cell that does not start and stop are operated. For the daytime peak, a polymer electrolyte fuel cell with a fast start-up time having a reformer by the partial oxidation combustion method may be operated.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a small fuel cell system according to an embodiment of the present invention, where (a) is an overall configuration diagram and (b) is a configuration diagram of a control unit. As shown in FIG. 1A, this system includes three polymer electrolyte small fuel cells (PEFCs) 1a, 1b, and 1c, for example, a television set at home, a refrigerator, an air conditioner, Electrical equipment 2 such as lighting, high-temperature / medium-temperature / low-temperature storage tanks 3a, 3b, 3c, heat demand equipment 4 for kitchens, toilets, baths, etc., and a control unit 5 as operation control means Have . The control unit 5 is electrically connected to a memory 6, a timer 7, a power demand detection sensor 21 as a detection means, and a heat demand detection sensor 41. The memory 6 is for storing a predetermined load pattern and the like. As the sensor 21, for example, a voltmeter or ammeter installed in a power supply line, an air conditioner switch, or the like can be used. As the sensor 41, for example, a thermometer or level meter installed in a storage tank can be used. .
[0015]
The control unit 5 further includes a load pattern reading unit 51 as a load prediction unit, an operation load setting unit 52, an activation / stop unit 53 as an operation control unit, an efficiency determination unit 54, as shown in FIG. The driving load determination unit 55 Have . Each of the units 51 to 55 is embodied by various programs that are read into the CPU constituting the control unit 5 from a ROM (not shown) when the system is started.
[0016]
Among them, the load pattern reading unit 51 is for reading a load pattern stored in the memory 6. The operation load setting unit 52 sets the power load and the heat load in the read load pattern as the operation loads at a predetermined time using the timer 7, and determines the number of small fuel cells to be operated corresponding to the load. In addition, for large electric devices such as air conditioners, the operation load when the switch is turned on is set and the above operation load is set, and the number of small fuel cells operated is set. Determination and setting of load sharing can be performed. The start / stop unit 53 starts each of the three small fuel cells 1a, 1b, and 1c according to the number of operating units and the load sharing determined by the operating load setting unit 52 to increase the output (increase the operating load), or The output is lowered (reduced operating load) and stopped. The efficiency determining unit 54 calculates and determines how to distribute these loads based on the characteristic data of the small fuel cells 1a, 1b, and 1c to be operated, and determines based on this determination. A command is issued to the start / stop unit 53.
[0017]
For example, in a small fuel cell of a medium efficiency machine, this characteristic data shows that at 100% output, the power generation efficiency is 33.5%, the exhaust heat efficiency is 30.0%, the total efficiency is 64.0%, and the output is 75%. The power generation efficiency is 32.9%, the exhaust heat efficiency is 15.3%, the total efficiency is 48.2%, and the power generation efficiency is 31.8% and the exhaust heat efficiency is 3.1% at 50% output. The total efficiency is 34.9%, and when the output is 25%, the power generation efficiency is 29.7%, the exhaust heat efficiency is 0.0%, and the total efficiency is 29.7%. Thus, it is known that the exhaust heat efficiency becomes very low at 50% output or less. The power generation efficiency is the ratio of the electric output (output) of the small fuel cell to the amount of heat generated by the fuel, and the exhaust heat efficiency is the ratio of the heat output (exhaust heat amount) of the small fuel cell to the amount of heat generated by the fuel. Means the sum of power generation efficiency and exhaust heat efficiency. The operation load determination unit 55 determines whether there is a difference between the operation load set based on the load pattern or the like and the electric power demand and the heat demand detected by the sensors 21 and 41, if any. It is determined whether or not there is a surplus, and the determination result is fed back. In response to this determination, the operating load setting unit 52 resets the operating load.
[0018]
FIG. 2 shows the system configuration of the polymer electrolyte fuel cell. In the figure, each small fuel cell 1a, 1b, 1c generates, for example, a small power of about 1 kW, and the generated power (3 kW) of one small fuel cell 501 in the conventional example is three of them. Can be covered.
[0019]
Since each small fuel cell 1a, 1b, 1c has the same configuration, only one (1a) of them will be described below. A desulfurizer 11, a reformer 12, a CO converter 13, a battery body 14, an air blower 15, and a selective oxidizer 16 are respectively provided. Have . The desulfurizer 11 removes sulfur as an odorant contained in city gas (propane gas, naphtha, kerosene, etc.) as fuel, and gas is supplied so that the city gas is supplied. Connected to the supply pipe. The reformer 12 is connected to the gas outlet side of the desulfurizer 11, and the desulfurized city gas and water vapor are heated by the burner 121 to react with each other, thereby reforming mainly carbon dioxide and hydrogen. It produces gas. The CO converter 13 is connected to the gas outlet side of the reformer 12, and changes carbon monoxide contained in the reformed gas into carbon dioxide in order to prevent poisoning of the cell electrode and reduction in power generation efficiency. Is. The selective oxidizer 16 reduces the CO concentration contained in the gas sent from the CO converter 13 to 10 ppm or less in order to prevent poisoning of the cell electrode. The battery body 14 includes a negative electrode to which hydrogen supplied from the CO transformer 13 is supplied and a positive electrode to which oxygen in the air sent from the air blower 15 is supplied, and causes an electromotive reaction at each electrode. It generates electricity.
[0020]
Hereinafter, the operation of the small fuel cell 1a will be described. The city gas is desulfurized by the desulfurizer 11 and then mixed with steam to enter the reformer 12. This mixture is heated to about 800 ° C. by heating the burner 121 in the reformer 12 and then converted into a reformed gas mainly composed of hydrogen by the action of the catalyst. This reformed gas enters the battery main body 16 via the CO converter 13 and the selective oxidizer 14 and generates a power by chemically reacting with oxygen in the air sent from the air blower 15.
[0021]
The generated electric power is converted from direct current to alternating current by an unillustrated inverter and supplied to the electric device 2. The battery body 16 generates heat due to a chemical reaction between hydrogen and oxygen. In order to keep the small fuel cell 1a at a constant temperature, it is cooled with water to remove excess heat. Hot water (hot water) of about 60 to 80 ° C. can be obtained by heating the tap water using this excess heat (exhaust heat). This heat is stored in the hot water tank 3 and supplied to the heat demanding device 4 as needed. The small fuel cell 1a has a function of supplying electric power and heat. The same applies to the other small fuel cells 1b and 1c.
[0022]
Next, the operation of the system including these small fuel cells 1a, 1b, and 1c will be described with reference to FIG. FIG. 3 is an explanatory diagram showing an example of the operation of this system, where (a) is a flowchart, (b) is a load pattern, and (c) is an operable range for each number of operating units. In FIG. 3A, the load pattern reading unit 51 of the control unit 5 reads a load pattern stored in advance in the memory 6 (step S1). As shown in FIG. 16, for example, the load pattern is based on a standard household power load and heat load (demand load) collected by season, time zone, and the like. Here, it is assumed that a load of 2.5 kW at a certain time is read as shown in FIG.
[0023]
The operating load setting unit 52 determines the number of units to be operated based on the load at the time (current load) and the expected future load and issues a command to the start / stop unit 53 at this time. When a switch of a large electric device such as the above is turned on, the operation signal is also taken in and the number of operating units is determined (step S2). Here, the operation load setting unit 52 first issues a command for starting one small fuel cell, but the load suddenly increases from 1 kW to 2.5 kW during the operation of the one unit, and the load continues thereafter. Since the time zone increases, the total number of operating units is selected as three as shown in FIG.
[0024]
Upon receiving the above command, the start / stop unit 53 starts the first small fuel cell (for example, 1a) according to the preset operation sequence, and then starts the second (1b), third (1c) ). Moreover, also when stopping, according to the driving | operation order set beforehand, it stops in order of 1c->1b-> 1a (step S3). Assuming that the first unit is already in operation, the operation load setting unit 52 issues an operation continuation command for the first unit, and issues a start command for the second and third units.
[0025]
Next, in order to optimize load distribution, the efficiency determination unit 54 calculates and determines how the load sharing of each small fuel cell to be operated will maximize the efficiency of those small fuel cells, A command based on the determination is issued to the start / stop unit 53 (step S4).
[0026]
Here, since the load is 2.5 kW, load sharing can be either Case A (1 kW × 2 units, 0.5 kW × 1 unit) or Case B (1 kW × 1 unit, 0,75 kW × 2 units). However, if the load sharing of case A is selected, the small fuel cell 1a in operation increases its output to 1 kW, the small fuel cell 1b is activated, and 1 kW after the activation. The small fuel cell 1c is started up and the output is raised to 0.5 kW after the start-up, thereby increasing the operation load of the entire system (step S5).
[0027]
Next, the driving load determination unit 55 detects the difference between the driving load and the demand load, and determines whether to apply feedback based on this difference (step S6). Then, if the difference between the operation load and the demand load becomes larger than the load control width of the small fuel cell or a certain set amount, the process returns immediately before step S2. Here, it is determined whether the load difference is larger or smaller than ½ of the load control width of the small fuel cell. If it is smaller than 1/2, the current state is maintained, and if it is larger than 1/2, the operation load setting unit 52 returns to the difference between the fed back operation load and demand load. To determine the number of units to be operated.
[0028]
For example, while operating the small fuel cells 1a, 1b, and 1c at 2.5 kW as a whole system, even if the power load demand drops to 2.4 kW, the minimum load range in which load control is possible is 250 W. Even if feedback based on the difference between the load and the demand load is applied, the load of each small fuel cell 1a, 1b, 1c does not change. On the other hand, if the driving load is reduced to 2.3 kW, the driving load setting unit 52 determines whether to drive at 2.5 kW or 2.25 kW. Reduce the fuel cell output. At this time, Case A (1 kW × 2 units, 0.5 kW × 1 unit), Case B (1 kW × 1 unit, 0.75 kW × 2 units), Case C (1 kW × 1 unit, 0.75 kW × 1 unit), One of 0.5 kW × 1 unit) can be selected. In this case, since the power generation efficiency and the exhaust heat efficiency are the highest in the case B load distribution, the case B load distribution is selected. By sending a load command to each small fuel cell 1a, 1b, 1c, the small fuel cell 1a is maintained at 1 kW, 1b is dropped from 1 kW to 0.75 kW, and 1c is loaded with 0.5 kW. A command is issued to the start / stop unit 53 so as to be maintained. Then, the above steps S2 to S6 are repeated until the system is stopped.
[0029]
Here, the examination result about the validity of this system is explained. Specifically, the power generation efficiency, exhaust heat efficiency, or total efficiency of the system was compared between the case of one 3 kW small fuel cell and the case of three 1 kW small fuel cells. When a plurality of small fuel cells are installed, a small fuel cell whose output is unnecessary is stopped at a low load, and a so-called serial operation is performed in which the next small fuel cell is started and operated when the load becomes high. The so-called parallel operation in which three 1 kW small fuel cells are activated and operated simultaneously is the same as the case where one 3 kW small fuel cell is activated and operated.
[0030]
FIG. 4 shows a comparison of power generation efficiency. In the case of one 3 kW small fuel cell indicated by reference numeral A1 in FIG. 4, the power generation efficiency increases from 30% to 33.5% as the output increases from 750 W to 3000 W. On the other hand, in the case of three 1 kW small fuel cells indicated by the same symbol B1, the power generation efficiency increases rapidly from 30% to 33.5% as the output increases from 250 W to 1000 W by starting the first unit. is doing. Next, while the output increases from 1000W to 2000W due to the start-up of the second unit, the power generation efficiency is the average value of two units, so it temporarily decreases to 32%, but then recovers immediately and increases to 33.5%. is doing. And while the output increases from 2000W to 3000W due to the start of the third unit, the power generation efficiency decreases to 32.5% because it is the average value of the three units, but then recovers immediately and increases to 33.5% is doing. Thus, compared to the case of one 3 kW small fuel cell, in the case of three 1 kW small fuel cells, the power generation efficiency is improved by 1 to 3% at an output of 2 kW or less, and operation at a partial load is possible. The economy is considerably improved for many small consumers. In addition, the minimum load is 750 W in the case of one 3 kW small fuel cell, whereas it decreases to 250 W in the case of three 1 kW small fuel cells, which is a great advantage for midnight fuel cell operation. I knew that to give.
[0031]
FIG. 5 shows a comparison of the amount of exhaust heat. In the case of one 3 kW small fuel cell indicated by reference character A2 in FIG. 5, the exhaust heat amount is 0 W at an output of 1250 W or less, and the exhaust heat amount increases from 0 W to 2750 W as the output increases from 1250 W to 3000 W. ing. On the other hand, in the case of three 1 kW small fuel cells indicated by the same symbol B2, the amount of heat exhausted is 0 W at an output of 500 W or less by the start of the first unit, and the exhaust amount increases as the output increases from 500 W to 1000 W. The amount of heat has risen from 0W to 900W. Next, when the second unit is started at 1 kW during the output increase from 1000 W to 2000 W due to the start of the second unit, the amount of exhaust heat once decreases to 300 W because one unit is 250 W and the other unit is 750 W. However, it recovered immediately and rose to 1800W. And when the third unit is started at 2kW during the output increase from 2000W to 3000W due to the start of the third unit, the amount of exhaust heat once decreases to 1300W because one unit is 250W and one unit is 750W. After that, it recovered immediately and increased to 2800W. As shown in FIG. 5, in the case of three 1 kW small fuel cells, the amount of exhaust heat increases more at an output of 2.5 kW or less, and doubles at 2 kW or less, compared to the case of one 3 kW small fuel cell. It turns out that it becomes. For customers with long operation hours under partial load and high heat demand, it is expected that the increase in exhaust heat in this way, especially the ability to store heat even at night when the load is low, will greatly improve the economy. The Further, the minimum load for obtaining exhaust heat is 1250 W in the case of one 3 kW small fuel cell, whereas it is reduced to 500 W in the case of three 1 kW fuel cells. Even when a small fuel cell is operated, heat can be stored, and can be stored in night heating or hot water storage tanks. FIG. 6 shows the degree of improvement in exhaust heat efficiency. Similarly, in the case of one 3 kW small fuel cell indicated by reference symbol A2 ′ in FIG. 6, three small 1 kW fuel cells indicated by reference symbol B2 ′ are provided. Compared to the case, the improvement of the exhaust heat efficiency at the partial load becomes remarkable.
[0032]
FIG. 7 shows the degree of improvement in overall efficiency. From FIG. 7, in the case of three 1 kW small fuel cells indicated by symbol B3, the overall efficiency exceeds 50% in the range from 750 W to 3 kW, compared to the case of one 3 kW small fuel cell indicated by symbol A3. However, overall efficiency is greatly improved.
[0033]
In FIG. 8, one small fuel cell of 3 kW with a maximum power generation efficiency of 31, 33, 37% is installed, and one small fuel cell of 1 kW with a maximum power generation efficiency of 31, 33, 37% is installed. A comparison with the case of 3 kW in total is shown. In the figure, A11 is a 3 kW small fuel cell having a maximum power generation efficiency of 31%, A12 is a small fuel cell having a maximum power generation efficiency of 33%, and A13 is a small fuel having a maximum power generation efficiency of 37%. This is the case for batteries. The same sign B11 is a case where a 1 kW small fuel cell is started in the order of 31%, 33%, and 37%. The symbol B12 is a case where a 1 kW small fuel cell is started in the order of 37%, 33%, and 31%. In the operation of reference B11, there is almost no difference from the case of one 3 kW small fuel cell having a maximum power generation efficiency of 33% (reference A12), but in the reference B13, the power generation efficiency at a partial load is greatly improved.
[0034]
FIG. 9 shows a comparison of the amount of exhaust heat. In the figure, symbol A14 is a 3 kW small fuel cell having a power generation efficiency of 31%, symbol A15 is a small fuel cell having a power generation efficiency of 33%, and symbol A16 is a small fuel cell having a power generation efficiency of 37%. It is. Symbol B14 in the figure is a case where a 1 kW small fuel cell is started in the order of 31%, 33%, and 37%. The symbol B15 is a case where a 1 kW small fuel cell is started in the order of 37%, 33%, and 31%. Regarding the amount of exhaust heat, both symbols B14 and B15 improve with partial load, but the increase when operating with symbol 15 is slightly larger. FIG. 10 shows a comparison of exhaust heat efficiency, which shows the same tendency. In addition, each code | symbol in a figure respond | corresponds by attaching | subjecting a dash (') to the code | symbol in FIG.
[0035]
FIG. 11 shows the overall efficiency. In the figure, symbol A17 is a 3 kW small fuel cell having a maximum power generation efficiency of 31%, symbol A18 is a small fuel cell having a maximum power generation efficiency of 33%, and symbol A19 is This is the case of a small fuel cell with a maximum power generation efficiency of 37%. The symbol B17 is a case where a 1 kW small fuel cell is started in the order of 31%, 33%, and 37%. The symbol B18 is a case where a 1 kW small fuel cell is started in the order of 37%, 33%, and 31%. From FIG. 11, the overall efficiency is greatly improved in the entire load region except that the rated load is equivalent to that of one small fuel cell of 3 kW. Further, the minimum load is also reduced, and the load change range is widened, so that the operability is improved.
[0036]
In a system having three small fuel cells of 1 kW as described above, a small fuel cell that does not require output is stopped at low load, and the next small fuel cell is operated in series when the load increases. However, the power generation efficiency, exhaust heat efficiency, and overall efficiency are higher than when a single 3 kW small fuel cell is installed and operated. However, it is preferable to avoid frequent start / stop with a short stop time because the start-up loss increases. Further, the exhaust heat amount can be increased in a wide load range by operating in series operation so as to maximize the exhaust heat amount by controlling the load of each small fuel cell. However, when emphasizing the higher power generation efficiency as indicated by reference signs B12, B14, B14 ′, and B17, compared to the case of attaching importance to the higher heat exhaust efficiency as indicated by reference signs B11, B15, B15 ′, and B18. The amount of exhaust heat is somewhat reduced.
[0037]
These operations do not need to be fixed throughout the year. For example, it is operated in a case where power generation efficiency is high (reference numerals B12, B14, B14 ′, B17) in summer when there is a large amount of power demand and heat demand is low, and a large amount of exhaust heat can be obtained in the winter season when heat demand is high (reference numerals B11, B15, B15 ′, and B18) are better operated, and the control unit 5 has a function of performing such operation determination and switching of operating devices.
[0038]
As described above, in the small fuel cell system of the present embodiment, a plurality of (three) small fuel cells 1a, 1b, and 1c are installed, and the power generation efficiency, exhaust heat efficiency, or overall efficiency is increased. As a result, high efficiency can be achieved in the entire load region, and economic efficiency is improved. However, there is a concern that the installation of multiple small fuel cells may be expensive in terms of equipment costs, but in the case of small fuel cells, the economies of economies of scale are less than conventional equipment, and costs are reduced due to shared parts such as waste heat equipment This is expected to be canceled.
[0039]
Further, even if one of the plurality of small fuel cells breaks down, the remaining small fuel cells can be operated, and there is little possibility that all the small fuel cells stop simultaneously. For this reason, periodic inspection, renewal of the old model, and handling at the time of failure are facilitated, and the reliability of the system is improved.
[0040]
In addition, small consumers can select and combine the specifications of small fuel cells for their own power / heat load according to their purpose, which increases the degree of freedom of choice for power / heat load demand, and the optimal system. Can be built.
[0041]
On the other hand, a manufacturer only needs to prepare several types of standard small fuel cells (standard units) for a number of small consumers, and the cost reduction effect due to standardization can be obtained. The mass production of standardized units leads to cost reduction at the manufacturer, resulting in lower costs.
[0042]
Various modifications can be considered for this embodiment. This will be described below.
[0043]
(Modification 1)
In the embodiment described above, three 1 kW small fuel cells are provided for one conventional 3 kW small fuel cell. However, the present invention is not limited to this, for example, required power / heat load. The power generation capacity and the number of installed small fuel cells may be selected in accordance with the above, and the method of combining the operation order of the small fuel cells once installed may be selected. Even in that case, in the same manner as described above, for example, the highest efficiency can be obtained in the load region from the lowest load to the rated load with respect to at least one of the electric power load demand and the thermal load demand by the small consumer. Operation control is possible.
[0044]
For example, for a standard household power / heat load as shown in FIG. 16, the most economical is when a small fuel cell of 500 W to 1 kW is installed. In such a home, when one small fuel cell of 1 kW is installed, by installing two 500 W fuel cells, an effect equivalent to that for business use can be obtained. In particular, it is said that the electric power load at home is small and the minimum load of the fuel cell system is 25 to 30% of the rated load regardless of the rated load capacity. When a small fuel cell of 1 kW is installed, 250 W Is the minimum load. On the other hand, when two 500 W small fuel cells are installed, if one of them is stopped and the remaining one is operated, the minimum load is 125 W, which is lower than the midnight load of 200 W to 300 W at home. Become. In this way, only necessary power is generated even at midnight, and economical operation becomes possible.
[0045]
In addition, with regard to the use of exhaust heat, in a 1 kW small fuel cell, exhaust heat is almost lost at 50% load (500W) or less, but when two 500W small fuel cells are installed, up to 25% load (250W). The heat can be used, and heat is generated even at midnight operation, and hot water can be stored in the hot water tank. Also, when two 500 W small fuel cells are installed in terms of power generation efficiency, at 500 W or less, by stopping one of them, the load of the remaining one 500 W small fuel cell is increased and the power generation efficiency is increased. Can be maintained at a high level. Thus, high efficiency can be achieved by controlling the number of operating devices.
[0046]
(Modification 2)
In the first modification, the economical efficiency can be further improved by introducing two 500 W small fuel cells having different specifications.
[0047]
For example, it is conceivable to combine a small fuel cell with high power generation efficiency but low exhaust heat and a small fuel cell with low power generation efficiency but high exhaust heat. In general, it is economical to operate a small fuel cell with high power generation efficiency at a location corresponding to the base load, so the small fuel cell with high power generation efficiency is operated continuously, and exhaust heat is exhausted during the time when the operation time is limited. It is economical to operate a large number of small fuel cells so as not to generate surplus power and heat. Examples of small fuel cells with high power generation efficiency include high-efficiency polymer electrolyte fuel cells and solid electrolyte fuel cells.
[0048]
(Modification 3)
In addition, one unit is highly efficient, but small fuel cells equipped with facilities that require about 30 minutes to 1 hour to start and stop (corresponding to the first start time) and the other unit are slightly inefficient, It is also conceivable to combine with a small fuel cell equipped with a facility with good maneuverability with a start-up time of about 10 minutes (corresponding to the second start-up time).
[0049]
By combining such small fuel cells with different start-up times, the base load is shared by small fuel cells with long start-up times, and small fuel cells with short start-up times are used to handle places with high loads. Efficiency can be improved. A solid electrolyte fuel cell as a small fuel cell with high power generation efficiency but limited start-stop; a solid polymer fuel cell with a normal steam reformer as a small fuel cell with high power generation efficiency but long start-stop; There is a polymer electrolyte fuel cell equipped with a partial oxidation reformer as a small fuel cell having a slightly low power generation efficiency but quick start-up. In addition to a small fuel cell, a combination with a gas engine or the like is also possible.
[0050]
As a method of operating such a plurality of small fuel cell systems, predict which fuel cell should be operated at what time based on the time-dependent data of seasonal power or heat load. In consideration of the startup time, it is preferable to start operation preparation before the load increases. The said embodiment uses the load pattern by such prediction. However. You may use the load pattern by only one of a season and a time slot | zone, or only one of an electric power load and a heat load, and the load pattern by another parameter.
[0051]
(Modification 4)
By the way, in the exhaust heat utilization method when a plurality of small fuel cells are installed, in the basic system, as shown in FIG. 12, one hot water tank 3a, 3b is provided for each small fuel cell 1a, 1b, 1c. , 3c are provided, but it is conceivable to consolidate these hot water tanks 3a, 3b, 3c as shown in FIG. FIGS. 12 and 13 show an exhaust heat utilization system when a plurality of polymer electrolyte fuel cells are installed.
[0052]
FIG. 12 corresponds to the above-described embodiment, and the hot water storage tanks 3a, 3b, 3c are installed for the respective solid polymer type small fuel cells 1a, 1b, 1c, and each small fuel cell 1a, Water from the water supply pipe 11 is supplied to 1b and 1c. The water supplied from the water supply pipe 11 is heat-exchanged at the heat exchange section (not shown) of each small fuel cell 1a, 1b, 1c to become hot water, and is discharged from each small fuel cell 1a, 1b, 1c. . On the other hand, each small fuel cell 1a, 1b, 1c and hot water storage tank 3a, 3b, 3c are connected by a communication pipe 40, and the connection pipe 40 is controlled to be opened and closed by a command from a control unit (not shown). Control valves 31 to 39 are disposed at appropriate positions. And by controlling the opening and closing of the control valves 31 to 39, when the load is low, it is possible to concentrate heat in one hot water storage tank and store heat. For example, when concentrating on the high-temperature hot water tank 3a, the control valves 31, 33, 37, and 34 are opened and the remaining control valves 32, 38, 39, 35, and 36 are closed according to a command from the control unit. To do. As the control valves 31 to 39, for example, electromagnetic valves or air operated valves can be used.
[0053]
The hot water storage tanks 3a, 3b, 3c can change the hot water storage capacity and the hot water temperature depending on the heat supply destination. For example, the high temperature hot water tank 3a can be set to 90 ° C., the intermediate temperature hot water tank 3b can be set to 80 ° C., and the low temperature hot water tank 3c can be set to 60 ° C. As in the high temperature hot water tank 3a, the small fuel cells 1a, 1b, 1c can be discharged. When hot water higher than the heat temperature (80 ° C.) is required, the hot water storage tank 3a is provided with an electric heater and a gas burner (not shown), and the electric heater is heated with surplus power or heated with a gas burner. As a result, the convenience of each hot water storage tank 3a, 3b, 3c becomes high. Further, when a solid oxide fuel cell is adopted as the small fuel cell 1a, the exhaust heat temperature is as high as 90 ° C., so that hot water is mainly stored in the high temperature hot water storage tank 3a, and the intermediate temperature hot water storage tank 3b is appropriately passed through the control valves 31 and 38. It is also possible to add the hot water to a temperature of 80 ° C. In this case, a heating gas heater or an electric heater is unnecessary.
[0054]
FIG. 13 shows a system in which a large hot water storage tank 3 is installed to collect hot water from the small fuel cells 1a, 1b, 1c in the hot water storage tank 3 to collect exhaust heat. This reduces the cost of hot water tanks, simplifies control valves and piping, and offers advantages in terms of cost and installation space. However, two hot water storage tanks may be installed as an intermediate plan between FIG. 13 and FIG.
[0055]
(Modification 5)
By the way, when installing a plurality of small fuel cells of about 0.8 to 1.5 kW for home use, the capacity of one small fuel cell is usually 3 to 4 for 200 to 300 W machines, If it is 500W machine, it becomes 2-3. However, a single unit of 200-300W machine is too small to make the partial load operation of 25%, 50%, 75% and 100%, and the load control unit becomes complicated, resulting in an increase in cost. It might be.
[0564]
Therefore, in the case of such a small capacity machine, each small fuel cell is stopped or only rated load operation is performed, and the load can be changed stepwise as a system. In this case, for example, as shown in FIG. 14, the control unit operates the first small fuel cell for the base load, and the second unit, the third unit, the fourth unit, etc. according to the load pattern. In addition, the operation of each small fuel cell is controlled at a constant output by changing the start / stop timing. The hatched parts in the figure are covered with commercial power. As a system that performs only such load changes, the cost of a small fuel cell alone can be reduced, and operation control can be simplified. Therefore, the system is suitable for home use or small-scale business use.
[0057]
【The invention's effect】
According to the present invention, for small consumers, a plurality of small fuel cells are installed for the capacity that is optimal for the electric power load and the heat load, and each small fuel cell is set according to the load pattern. By individually controlling, a plurality of small fuel cells can be optimally controlled as a whole system. Further, even if one of the plurality of small fuel cells breaks down, the remaining small fuel cells can be operated, and there is little possibility that all the small fuel cells stop simultaneously. For this reason, periodic inspection, renewal of the old model, and handling at the time of failure are facilitated, and the reliability of the system is improved. In addition, small consumers can select and combine the specifications of small fuel cells for their own power / heat load according to their purpose, which increases the degree of freedom of choice for power / heat load demand, and the optimal system. Can be built. On the other hand, a manufacturer only needs to prepare several types of standard small fuel cells (standard units) for a number of small consumers, and the cost reduction effect due to standardization can be obtained. The mass production of standardized units leads to cost reduction at the manufacturer, resulting in lower costs.
[0058]
Also Especially, when the load becomes low for a certain period of time, some small fuel cells are stopped, and the small fuel cells that are operating are operated with a high load with high power generation efficiency and exhaust heat efficiency. Since it is possible to control the operation of a plurality of small fuel cells so that the fuel cell as a whole system has high power generation efficiency and exhaust heat efficiency, a plurality of fuel cells can be controlled for at least one of the power load demand and the heat load demand by small consumers. It is possible to control the operation of a system composed of a small fuel cell so that, for example, the highest efficiency can be obtained in the load region from the lowest load to the rated load.
[0059]
Also By selecting the optimal power generation capacity, specifications, number of installed small fuel cells, and by combining the operation order of the small fuel cells once installed, at least the power load demand and heat load demand by small consumers On the other hand, a system composed of a plurality of small fuel cells can be controlled to obtain the highest efficiency in the load region from the lowest load to the rated load.
[0060]
Also By stopping unnecessary small fuel cells at midnight and lowering the minimum load of the entire system, it is possible to meet the low power demand at midnight.
[0061]
Also A small fuel cell to be stopped with respect to the predicted load pattern can be selected and operated so as to reduce the loss at the start-up of the entire system.
[0062]
Also The total capacity of a plurality of small fuel cells can be changed stepwise. By adopting a configuration that performs only such a step-like change in capacity, the cost of a small fuel cell alone is reduced and the operation control is simplified, so it is particularly suitable for home use and small-scale business use.
[0063]
Also A plurality of small fuel cells can be selected and operated so as to be most economical. Then, according to the thermal power / electric load data of small customers, select the most suitable operation unit (small fuel cell to be operated) according to the season, month, and time, so that multiple small fuel cells can be most economical. Can be operated, and even if an unexpectedly large load (for example, operation of an air conditioner) is applied, it can be detected and dealt with.
[0064]
Also In addition, the capacity and holding temperature of each hot water tank are selected for each heat supply destination, and the waste heat obtained from the small fuel cell must meet the detailed heat demand by installing the connecting pipe and control valve for supplying hot water. Can do. As a hot water storage tank, it isolate | separates into the object for high temperature water, the object for low temperature water etc., and shall use it properly by a use. In the case of using a polymer electrolyte fuel cell, surplus power or a gas heater may be used to raise the temperature of the hot water storage tank, but in the case of a solid electrolyte fuel cell, the exhaust heat can be used as it is. Or , Saving The hot water tanks can be consolidated to simplify the system configuration, and the operation control can be simplified.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a small fuel cell system according to an embodiment of the present invention, where (a) is an overall configuration diagram and (b) is a configuration diagram of a control unit.
FIG. 2 is a diagram showing a system configuration of a polymer electrolyte fuel cell.
FIGS. 3A and 3B are explanatory diagrams showing an operation example of the system, wherein FIG. 3A is a flowchart, FIG. 3B is a load pattern, and FIG. 3C is an operable range for each number of operating units;
FIG. 4 is a view for examining power generation efficiency.
FIG. 5 is a view for examining the amount of exhaust heat.
FIG. 6 is a view for examining exhaust heat efficiency.
FIG. 7 is a view for examining overall efficiency.
FIG. 8 is a view for examining power generation efficiency.
FIG. 9 is a view for examining the amount of exhaust heat.
FIG. 10 is a view for examining exhaust heat efficiency.
FIG. 11 is a diagram for examining overall efficiency.
FIG. 12 is a system configuration diagram when there is a hot water tank for each small fuel cell.
FIG. 13 is a system configuration diagram when there is a shared hot water bath.
FIG. 14 is an explanatory diagram showing step-like operation control.
FIG. 15 is a block diagram showing an overall configuration of a fuel cell system according to a conventional example.
FIG. 16 is an example diagram showing a power / heat load pattern of a standard household.
[Explanation of symbols]
1a, 1b, 1c Small fuel cell
2 Electrical equipment
3, 3a, 3b, 3c Reservoir
4 Thermal load equipment
5 Control unit (corresponds to operation control means)
51 Load pattern reading section
52 Operating load setting section
53 Start / stop unit
54 Efficiency Judgment Department
55 Operating load judgment section
6 memory
7 Timer

Claims (2)

電力負荷及び熱負荷に追従させて運転する小口需要家向けの小型燃料電池システムにおいて、
各々発電が可能であると共に熱交換部を有する複数台の小型燃料電池と、
各々の前記熱交換部を経由する配管を通して水が供給される貯湯槽と、
前記電力負荷及び熱負荷の少なくとも一方についての負荷パターンを予測する負荷予測手段と、
前記負荷予測手段により予測された負荷パターンに基づいて各小型燃料電池を個別に運転制御する運転制御手段と、を備え、
前記運転制御手段は、深夜の最低負荷での運転制御が可能となる負荷領域で少なくとも1台の小型燃料電池を運転制御するものであることを特徴とする小型燃料電池システム。
In a small fuel cell system for small-sized customers that operate by following an electric load and a thermal load,
A plurality of small fuel cells each capable of generating electricity and having a heat exchange section;
A hot water tank to which water is supplied through a pipe passing through each of the heat exchange parts;
Load prediction means for predicting a load pattern for at least one of the power load and the thermal load;
Operation control means for individually controlling the operation of each small fuel cell based on the load pattern predicted by the load prediction means ,
The operation control means controls operation of at least one small fuel cell in a load region in which operation control with a minimum load at midnight is possible .
電力負荷及び熱負荷に追従させて運転する小口需要家向けの小型燃料電池システムにおいて、
各々発電が可能であると共に熱交換部を有する複数台の小型燃料電池と、
各々の前記熱交換部を経由する配管を通して水が供給される貯湯槽と、
前記電力負荷及び熱負荷の少なくとも一方についての負荷パターンを予測する負荷予測手段と、
前記負荷予測手段により予測された負荷パターンに基づいて各小型燃料電池を個別に運転制御する運転制御手段と、を備え、
前記複数台の小型燃料電池は、起動時間が異なる小型燃料電池を含み、
前記運転制御手段は、第1の起動時間を有する小型燃料電池とこの第1の起動時間よりも短い第2の起動時間を有する小型燃料電池とを組み合わせて、システム全体の起動損失を低減させるように各小型燃料電池を運転制御することを特徴とする小型燃料電池システム。
In a small fuel cell system for small-sized customers that operate by following an electric load and a thermal load,
A plurality of small fuel cells each capable of generating electricity and having a heat exchange section;
A hot water tank to which water is supplied through a pipe passing through each of the heat exchange parts;
Load prediction means for predicting a load pattern for at least one of the power load and the thermal load;
Operation control means for individually controlling the operation of each small fuel cell based on the load pattern predicted by the load prediction means ,
The plurality of small fuel cells include small fuel cells having different start times,
The operation control means combines a small fuel cell having a first startup time with a small fuel cell having a second startup time shorter than the first startup time so as to reduce the startup loss of the entire system. A small fuel cell system characterized in that the operation of each small fuel cell is controlled .
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