JP4746165B2 - エネルギー供給装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池により住宅内等に電灯線電力を供給するエネルギー供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は燃料である水素Ｈ2と酸素Ｏ2を化学反応させ、水を生成すると同時に電気と熱を取り出すものである。
燃料電池は高効率かつ環境適合性に優れた発電装置であり、その実用化が期待されている。従来の発電方式が熱エネルギー→運動エネルギー→電気エネルギーの経路をたどり、カルノーサイクルの制約を受けるのに対し、燃料電池は化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するため発電効率が高い。
従来の燃料電池を用いた給電システムとして、特開昭６３−１１０９２１号公報には、負荷の増減時に燃料電池の出力電力の一部を供給又は貯蔵することによって、燃料電池の出力の急変を避ける給電システムが記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、燃料電池には以下の課題が存在する。
(1).発電に多量の発熱が伴うため冷却する必要がある。例えば通常の燃料電池の場合、発生する熱エネルギーと電気エネルギーの比は約５０：５０と言われており、所望の電力を得ようとすると、発電と同時に発生する熱が無駄になってしまう。
(2).大きな電力負荷変動に対応するためには、燃料電池の最大出力を大きくするか、燃料電池で発生する電気を蓄える蓄電池の蓄電容量を大きくしなければならない。
(3).熱を蓄熱槽に蓄えても、夏期には使い道が限定されて無駄になる。
本発明は、上記問題点に鑑み、住宅に用いる燃料電池の発熱を有効利用するエネルギー供給装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明のエネルギー供給装置は、燃料電池と、該燃料電池の発電電力を蓄え、その電力を電灯線電力として供給する蓄電池と、前記燃料電池から発生する熱を蓄え、給湯する貯湯槽と、を備えるものである。
また、商用電力を前記蓄電池に供給する系統連係装置と、前記貯湯槽に熱を供給する補助熱源と、を更に備えることで、燃料電池では不足する電力又は熱を補うことができるので、燃料電池の出力規模を最適化することができる。
【０００５】
さらに、夏期は前記貯湯槽の温度に基づいて前記燃料電池の運転を夏期運転モードに制御し、冬期は前記蓄電池の蓄電量に基づいて前記燃料電池の運転を冬期運転モードに制御する制御回路を更に備えることで、夏期に、余剰熱を捨てずにすみ、冬期に、過剰になる発電電力で蓄熱槽を加熱したり、必要以上に発電するといったエネルギーロスを防げる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態によるエネルギー供給装置の構成を示す図である。図２は、燃料電池１１、貯湯槽１２及び充放電制御回路１３の具体的構成を示す図である。
【０００７】
第１実施の形態において、燃料電池１１は、上記したものであって、通常のいかなるタイプのものであってもよい。貯湯槽１２は、水３１（給湯のため通常は湯となっている）（図２参照）を収容し、その湯３１の温度Ｔを高めることで熱を蓄える。燃料電池１１が発生する熱は熱回収用熱交換器３２によって回収し、回収した熱は熱媒配管３３によって移動させられ、加熱用熱交換器３４によって貯湯槽１２内の湯３１を加熱する。熱媒としては水を用いて水冷とすることが、安全、効率的かつ安価で望ましい。また、電熱ヒータ３５は充放電制御回路１３によって給電されて湯３１を加熱する。貯湯槽１２内の湯３１は一般給湯１４のために給湯配管を通じて供給される。充放電制御回路１３は、燃料電池１１の電力を蓄電池１５に蓄え、また、燃料電池１１又は蓄電池１５からの電力を湯３１を加熱するために電熱ヒータ３５に供給し、また、燃料電池１１又は蓄電池１５からの電力を直流交流変換器１６によって直流から交流に変換して一般家電機器負荷１７に供給する。
【０００８】
つぎに、第１実施の形態における制御を説明する。まず、貯湯槽１２内の湯３１の温度Ｔ又は蓄電池１５がどの程度蓄電しているかを示す蓄電量Ｓがそれぞれ所定下限値Ｔth1又はＳth1 以上となるように燃料電池１１を運転することを基本とする。これにより、燃料電池１１で発生する電気又は熱の少なくともいずれかが蓄積される。一般家電機器負荷１７の使用量が少なくて、燃料電池１１の出力電力が上回っているために、蓄電量Ｓが所定上限値Ｓth2に到達する場合には、電気を貯めずに貯湯槽１２内の電熱ヒータ３５で消費して湯３１を温める。一般家電機器負荷１７の使用量が多くて、燃料電池１１の出力電力が大きいために、貯湯槽１２内の湯３１の温度Ｔが所定上限値Ｔth2に到達する場合は、蓄熱せずに従来通り排熱する、すなわち、熱回収用熱交換器３２、熱媒配管３３及び加熱用熱交換器３４の運転を停止する。
【０００９】
第２実施の形態は、図１に図示するように、第１実施の形態に更に付加する構成を有する。追加される補助ボイラー１８は、貯湯槽１２内の湯３１の温度Ｔが低い場合に温めて一般給湯１４に供給する。その際のエネルギー源としては、ガス、灯油又は商用電源等何でもよい。補助ボイラー１８は貯湯槽１２から給湯する場合にその給湯の過程において湯３１を温めてもよいし、貯湯槽１２に貯められている湯３１を温めてもよい。系統連係装置１９は、商用電源（主に深夜電力）２０からのＡＣ２００Ｖ電力を一般家電機器負荷１７に供給したり、直流交流変換器１６によって商用交流を直流に変換して充放電制御回路１３に供給して、蓄電池１５に蓄電する。
【００１０】
第２実施の形態においては次のように制御する。一般家電機器負荷１７の使用量が多くて、燃料電池１１の出力電力容量を上回り、かつ、蓄電池１５の蓄電量Ｓが不足する場合は、商用電源２０を利用する。また、貯湯槽１２の温度Ｔが所定下限値Ｔth1を下回り給湯に必要な温度が得られない場合は、補助ボイラー１８を運転して湯３１を必要な温度にまで上げて給湯する。
【００１１】
第３実施の形態は、第２実施の形態の構成において、次のように制御する。すなわち、一般家庭では、給湯に必要な熱量が季節によって大きく変動するので季節により制御方法を変更する。夏期には、貯湯槽１２内の湯３１の温度Ｔに従って燃料電池１１の運転を制御する。例えば、夜間の大量の給湯に備えて、昼間に貯湯槽１２内の湯３１の温度Ｔが４０℃になるまで燃料電池１１を最適条件で運転して４０℃を越える場合には運転を停止して、発電電力が不足する分は商用電源２０で補う。これにより、発電で発生する熱を給湯に利用するという省エネの使用形態で燃料電池１１を使用することができる。冬期には、蓄電池１５の蓄電量Ｓに従って燃料電池１１の運転を制御する。例えば、蓄電量Ｓが２０％を下回ったら１００％になるまで燃料電池１１を最適条件で運転して１００％である場合には運転を停止して、燃料電池１１を停止したために発熱量が不足し、貯湯槽１２内の湯３１の温度Ｔが不足する分は補助ボイラー１８で加熱し補う。これにより、やはり燃料電池１１の発電と発熱とをすべて利用する省エネの使用形態で燃料電池１１を使用することができる。季節の判定方法として、制御装置のカレンダー機能を利用しても良いし、気温を温度センサでモニターしても良いし、給湯使用量をモニターしても良い。
【００１２】
図３は、第３実施の形態の上記制御の具体例を説明するフロー図である。図３(a) は夏期の場合の具体例であって、まず、貯湯槽１２内の湯３１の温度Ｔが４０℃以上か否かを判断し（ステップＳ１）、ＮＯで４０℃以上でなければ、蓄電池１５の蓄電量Ｓが２０％以下か否かを判断し（ステップＳ２）、ＮＯで２０％以下でなければ、ステップＳ１に戻って、その運転状況を継続し、ステップＳ１でＹＥＳで温度Ｔが４０℃以上の場合は、燃料電池１１の運転を停止して（ステップＳ３）、ステップＳ５に進み、ステップＳ２でＹＥＳで蓄電量Ｓが２０％以下の場合は、燃料電池１１の運転を開始して（ステップＳ４）、ステップＳ５に進む。ステップＳ５では蓄電量Ｓが１０％以下か否かを判断し、ＮＯで１０％以下でなければ何もせずにステップＳ１へ進み、ＹＥＳで１０％以下であれば、商用電源２０を使用して（ステップＳ６）、ステップＳ１へ進む。
【００１３】
図３(b) は冬期の場合の具体例であって、まず、蓄電池１５の蓄電量Ｓが１００％か否かを判断し（ステップＳ１１）、ＹＥＳで１００％である場合は、燃料電池１１の運転を停止して（ステップＳ１２）、ステップＳ１に戻る。ＮＯで１００％でない場合は、蓄電量Ｓが２０％以下か否かを判断し（ステップＳ１３）、ＮＯで２０％以下でなければ、ステップＳ１１に戻り、ＹＥＳで２０％以下であれば、燃料電池１１の運転を開始する（ステップＳ１４）。つぎに、蓄電量Ｓが１０％以下か否かを判断し（ステップＳ１５）、ＮＯで１０％以下でなければステップＳ１１に戻り、ＹＥＳで１０％以下であれば、商用電源２０を使用して（ステップＳ１６）、ステップＳ１１に戻る。なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
【００１４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、
（１）燃料電池を最適条件で運転できるので、長寿命化が図れる。排熱を有効利用することで省エネにつながる。燃料電池を冷却する必要がなくなる。
（２）加えて、燃料電池出力、蓄電池及び貯湯槽容量の最適化が図れ、設備の肥大化を防ぐことができる。
（３）夏期に貯湯槽内の湯の温度が高くなったときに運転を停止することで、余剰熱を捨てずにすみ、冬期に蓄電量が満たされたときに運転を停止することで、過剰になる発電電力で蓄熱槽を加熱するといったエネルギーロスを防げる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１、第２実施の形態によるエネルギー供給装置の構成を示す図である。
【図２】燃料電池、貯湯槽及び充放電制御回路の具体的構成を示す図である。
【図３】第３実施の形態の制御の具体例を説明するフロー図である。
【符号の説明】
１１ 燃料電池
１２ 貯湯槽
１３ 充放電制御回路
１４ 一般給湯
１５ 蓄電池
１６ 直流交流変換器
１７ 一般家電機器負荷
１８ 補助ボイラー（補助熱源）
１９ 系統連係装置
２０ 商用電源
３１ 湯
３２ 熱回収用熱交換器
３３ 熱媒配管
３４ 加熱用熱交換器
３５ 電熱ヒータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池により住宅内等に電灯線電力を供給するエネルギー供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は燃料である水素Ｈ2と酸素Ｏ2を化学反応させ、水を生成すると同時に電気と熱を取り出すものである。
燃料電池は高効率かつ環境適合性に優れた発電装置であり、その実用化が期待されている。従来の発電方式が熱エネルギー→運動エネルギー→電気エネルギーの経路をたどり、カルノーサイクルの制約を受けるのに対し、燃料電池は化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するため発電効率が高い。
従来の燃料電池を用いた給電システムとして、特開昭６３−１１０９２１号公報には、負荷の増減時に燃料電池の出力電力の一部を供給又は貯蔵することによって、燃料電池の出力の急変を避ける給電システムが記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、燃料電池には以下の課題が存在する。
(1).発電に多量の発熱が伴うため冷却する必要がある。例えば通常の燃料電池の場合、発生する熱エネルギーと電気エネルギーの比は約５０：５０と言われており、所望の電力を得ようとすると、発電と同時に発生する熱が無駄になってしまう。
(2).大きな電力負荷変動に対応するためには、燃料電池の最大出力を大きくするか、燃料電池で発生する電気を蓄える蓄電池の蓄電容量を大きくしなければならない。
(3).熱を蓄熱槽に蓄えても、夏期には使い道が限定されて無駄になる。
本発明は、上記問題点に鑑み、住宅に用いる燃料電池の発熱を有効利用するエネルギー供給装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明のエネルギー供給装置は、燃料電池と、該燃料電池の発電電力を蓄え、その電力を電灯線電力として供給する蓄電池と、前記燃料電池から発生する熱を蓄え、給湯する貯湯槽と、を備えるものである。
また、商用電力を前記蓄電池に供給する系統連係装置と、前記貯湯槽に熱を供給する補助熱源と、を更に備えることで、燃料電池では不足する電力又は熱を補うことができるので、燃料電池の出力規模を最適化することができる。
【０００５】
さらに、夏期は前記貯湯槽の温度に基づいて前記燃料電池の運転を夏期運転モードに制御し、冬期は前記蓄電池の蓄電量に基づいて前記燃料電池の運転を冬期運転モードに制御する制御回路を更に備えることで、夏期に、余剰熱を捨てずにすみ、冬期に、過剰になる発電電力で蓄熱槽を加熱したり、必要以上に発電するといったエネルギーロスを防げる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態によるエネルギー供給装置の構成を示す図である。図２は、燃料電池１１、貯湯槽１２及び充放電制御回路１３の具体的構成を示す図である。
【０００７】
第１実施の形態において、燃料電池１１は、上記したものであって、通常のいかなるタイプのものであってもよい。貯湯槽１２は、水３１（給湯のため通常は湯となっている）（図２参照）を収容し、その湯３１の温度Ｔを高めることで熱を蓄える。燃料電池１１が発生する熱は熱回収用熱交換器３２によって回収し、回収した熱は熱媒配管３３によって移動させられ、加熱用熱交換器３４によって貯湯槽１２内の湯３１を加熱する。熱媒としては水を用いて水冷とすることが、安全、効率的かつ安価で望ましい。また、電熱ヒータ３５は充放電制御回路１３によって給電されて湯３１を加熱する。貯湯槽１２内の湯３１は一般給湯１４のために給湯配管を通じて供給される。充放電制御回路１３は、燃料電池１１の電力を蓄電池１５に蓄え、また、燃料電池１１又は蓄電池１５からの電力を湯３１を加熱するために電熱ヒータ３５に供給し、また、燃料電池１１又は蓄電池１５からの電力を直流交流変換器１６によって直流から交流に変換して一般家電機器負荷１７に供給する。
【０００８】
つぎに、第１実施の形態における制御を説明する。まず、貯湯槽１２内の湯３１の温度Ｔ又は蓄電池１５がどの程度蓄電しているかを示す蓄電量Ｓがそれぞれ所定下限値Ｔth1又はＳth1 以上となるように燃料電池１１を運転することを基本とする。これにより、燃料電池１１で発生する電気又は熱の少なくともいずれかが蓄積される。一般家電機器負荷１７の使用量が少なくて、燃料電池１１の出力電力が上回っているために、蓄電量Ｓが所定上限値Ｓth2に到達する場合には、電気を貯めずに貯湯槽１２内の電熱ヒータ３５で消費して湯３１を温める。一般家電機器負荷１７の使用量が多くて、燃料電池１１の出力電力が大きいために、貯湯槽１２内の湯３１の温度Ｔが所定上限値Ｔth2に到達する場合は、蓄熱せずに従来通り排熱する、すなわち、熱回収用熱交換器３２、熱媒配管３３及び加熱用熱交換器３４の運転を停止する。
【０００９】
第２実施の形態は、図１に図示するように、第１実施の形態に更に付加する構成を有する。追加される補助ボイラー１８は、貯湯槽１２内の湯３１の温度Ｔが低い場合に温めて一般給湯１４に供給する。その際のエネルギー源としては、ガス、灯油又は商用電源等何でもよい。補助ボイラー１８は貯湯槽１２から給湯する場合にその給湯の過程において湯３１を温めてもよいし、貯湯槽１２に貯められている湯３１を温めてもよい。系統連係装置１９は、商用電源（主に深夜電力）２０からのＡＣ２００Ｖ電力を一般家電機器負荷１７に供給したり、直流交流変換器１６によって商用交流を直流に変換して充放電制御回路１３に供給して、蓄電池１５に蓄電する。
【００１０】
第２実施の形態においては次のように制御する。一般家電機器負荷１７の使用量が多くて、燃料電池１１の出力電力容量を上回り、かつ、蓄電池１５の蓄電量Ｓが不足する場合は、商用電源２０を利用する。また、貯湯槽１２の温度Ｔが所定下限値Ｔth1を下回り給湯に必要な温度が得られない場合は、補助ボイラー１８を運転して湯３１を必要な温度にまで上げて給湯する。
【００１１】
第３実施の形態は、第２実施の形態の構成において、次のように制御する。すなわち、一般家庭では、給湯に必要な熱量が季節によって大きく変動するので季節により制御方法を変更する。夏期には、貯湯槽１２内の湯３１の温度Ｔに従って燃料電池１１の運転を制御する。例えば、夜間の大量の給湯に備えて、昼間に貯湯槽１２内の湯３１の温度Ｔが４０℃になるまで燃料電池１１を最適条件で運転して４０℃を越える場合には運転を停止して、発電電力が不足する分は商用電源２０で補う。これにより、発電で発生する熱を給湯に利用するという省エネの使用形態で燃料電池１１を使用することができる。冬期には、蓄電池１５の蓄電量Ｓに従って燃料電池１１の運転を制御する。例えば、蓄電量Ｓが２０％を下回ったら１００％になるまで燃料電池１１を最適条件で運転して１００％である場合には運転を停止して、燃料電池１１を停止したために発熱量が不足し、貯湯槽１２内の湯３１の温度Ｔが不足する分は補助ボイラー１８で加熱し補う。これにより、やはり燃料電池１１の発電と発熱とをすべて利用する省エネの使用形態で燃料電池１１を使用することができる。季節の判定方法として、制御装置のカレンダー機能を利用しても良いし、気温を温度センサでモニターしても良いし、給湯使用量をモニターしても良い。
【００１２】
図３は、第３実施の形態の上記制御の具体例を説明するフロー図である。図３(a) は夏期の場合の具体例であって、まず、貯湯槽１２内の湯３１の温度Ｔが４０℃以上か否かを判断し（ステップＳ１）、ＮＯで４０℃以上でなければ、蓄電池１５の蓄電量Ｓが２０％以下か否かを判断し（ステップＳ２）、ＮＯで２０％以下でなければ、ステップＳ１に戻って、その運転状況を継続し、ステップＳ１でＹＥＳで温度Ｔが４０℃以上の場合は、燃料電池１１の運転を停止して（ステップＳ３）、ステップＳ５に進み、ステップＳ２でＹＥＳで蓄電量Ｓが２０％以下の場合は、燃料電池１１の運転を開始して（ステップＳ４）、ステップＳ５に進む。ステップＳ５では蓄電量Ｓが１０％以下か否かを判断し、ＮＯで１０％以下でなければ何もせずにステップＳ１へ進み、ＹＥＳで１０％以下であれば、商用電源２０を使用して（ステップＳ６）、ステップＳ１へ進む。
【００１３】
図３(b) は冬期の場合の具体例であって、まず、蓄電池１５の蓄電量Ｓが１００％か否かを判断し（ステップＳ１１）、ＹＥＳで１００％である場合は、燃料電池１１の運転を停止して（ステップＳ１２）、ステップＳ１に戻る。ＮＯで１００％でない場合は、蓄電量Ｓが２０％以下か否かを判断し（ステップＳ１３）、ＮＯで２０％以下でなければ、ステップＳ１１に戻り、ＹＥＳで２０％以下であれば、燃料電池１１の運転を開始する（ステップＳ１４）。つぎに、蓄電量Ｓが１０％以下か否かを判断し（ステップＳ１５）、ＮＯで１０％以下でなければステップＳ１１に戻り、ＹＥＳで１０％以下であれば、商用電源２０を使用して（ステップＳ１６）、ステップＳ１１に戻る。なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
【００１４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、
（１）燃料電池を最適条件で運転できるので、長寿命化が図れる。排熱を有効利用することで省エネにつながる。燃料電池を冷却する必要がなくなる。
（２）加えて、燃料電池出力、蓄電池及び貯湯槽容量の最適化が図れ、設備の肥大化を防ぐことができる。
（３）夏期に貯湯槽内の湯の温度が高くなったときに運転を停止することで、余剰熱を捨てずにすみ、冬期に蓄電量が満たされたときに運転を停止することで、過剰になる発電電力で蓄熱槽を加熱するといったエネルギーロスを防げる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１、第２実施の形態によるエネルギー供給装置の構成を示す図である。
【図２】燃料電池、貯湯槽及び充放電制御回路の具体的構成を示す図である。
【図３】第３実施の形態の制御の具体例を説明するフロー図である。
【符号の説明】
１１ 燃料電池
１２ 貯湯槽
１３ 充放電制御回路
１４ 一般給湯
１５ 蓄電池
１６ 直流交流変換器
１７ 一般家電機器負荷
１８ 補助ボイラー（補助熱源）
１９ 系統連係装置
２０ 商用電源
３１ 湯
３２ 熱回収用熱交換器
３３ 熱媒配管
３４ 加熱用熱交換器
３５ 電熱ヒータ
Claims (3)
- 燃料電池と、
該燃料電池の発電電力を蓄え、その電力を電灯線電力として供給する蓄電池と、
前記燃料電池から発生する熱を蓄え、給湯する貯湯槽と、
前記燃料電池の運転を制御する制御回路と
を備え、
該制御回路は、前記貯湯槽の温度が所定値よりも低く、前記蓄電池の蓄電量が所定値以下であることを条件に前記燃料電池を運転開始し、前記貯湯槽の温度が当該所定値に達したときには当該燃料電池を運転停止させる夏期運転モードと、前記蓄電池の蓄電量が所定値以下であることを条件に前記燃料電池を運転開始し、当該蓄電池が満蓄電状態になったときには当該燃料電池を運転停止させる冬期運転モードとを有し、夏期又は冬期に応じて両運転モードを対応切り替えして前記燃料電池を運転制御する
ことを特徴とするエネルギー供給装置。 - 前記制御回路は、カレンダー機能を備え、当該カレンダー機能により夏期又は冬期を判定して両運転モードを対応切り替えする
ことを特徴とする請求項１記載のエネルギー供給装置。 - 前記制御回路は、温度センサを用いて気温をモニターし、当該気温により夏期又は冬期を判定して両運転モードを対応切り替えする
ことを特徴とする請求項１記載のエネルギー供給装置。
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| JP30263599A JP4746165B2 (ja) | 1999-10-25 | 1999-10-25 | エネルギー供給装置 |
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| JP30263599A Expired - Fee Related JP4746165B2 (ja) | 1999-10-25 | 1999-10-25 | エネルギー供給装置 |
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