JP4808939B2

JP4808939B2 - システム全体のエネルギー効率が向上する燃料電池システム、燃料電池システム制御方法および集合住宅

Info

Publication number: JP4808939B2
Application number: JP2004190212A
Authority: JP
Inventors: 博之遠藤; 信一芝原; 真壮井上; 一政染宮
Original assignee: Idemitsu Kosan Co Ltd; Japan Research Institute Ltd
Current assignee: Idemitsu Kosan Co Ltd; Japan Research Institute Ltd
Priority date: 2004-06-28
Filing date: 2004-06-28
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2024-06-28
Also published as: JP2006012689A

Description

本発明は、システム全体のエネルギー効率が向上する燃料電池システム、燃料電池システム制御方法および集合住宅に関する。特に本発明は、熱需要の大きな熱負荷の近傍の燃料電池を、より大きな出力で動作させ、電力の余剰が生じる燃料電池から電力ネットワークを用いて熱負荷へ電力を供給すると共に、電力負荷の消費電力が変動をした場合には、複数の燃料電池によって変動に対応させることにより、電力の応答速度を速める、燃料電池システム、燃料電池システム制御方法および集合住宅に関する。

燃料電池を用いた分散型電源においては、燃料電池の発電に伴う排熱を利用するコージェネレーションシステムがある。このようなシステムにおいては、例えば、住宅が備える負荷機器が消費する電力を燃料電池が提供し、燃料電池の発電に伴って生成される温水を、住宅が備える貯湯槽に供給する（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３-１９９２５４号公報

しかし、従来のシステムにおいては、各住宅がそれぞれ消費する電力に応じて燃料電池を発電させ、電力及び熱を生成している。このため、例えば熱の消費量に対して電力の使用量が多い時期においては、熱を余剰に生成するので、燃料電池の総合的なエネルギー効率が低下する。また、熱の消費量に対して電力の使用量が少ない時期においては、熱量が不足してしまう問題もある。

また一般に、電力を消費する負荷機器は１０ミリ秒程度で消費電力を変動させる場合があるが、燃料電池の発電量を変動させるには一般に数百ミリ秒程度の時間が必要である。したがって、燃料電池が負荷機器の必要とする電力を時間応答良く供給できないために、負荷機器が十分な電力を受け取ることができず、負荷機器が動作不良に陥る場合があった。また、燃料電池の発電電力が、負荷機器の必要とする電力に達するまでの間に発電される電力は、有効に消費されずに無駄になる。したがって、従来のシステムでは、負荷機器が必要とする電力を時間応答良く供給できないためにエネルギーのロスが大きく、システム全体のエネルギーの効率が更に低下する場合があった。

このような課題を解決するために、本発明の第１の形態における燃料電池システムは、分散して存在する、熱負荷および電力負荷の近傍に各々設けられている複数の燃料電池と、燃料電池が発電した電力を、他の燃料電池の近傍の電力負荷に送電する電力ネットワークと、熱需要の大きな熱負荷の近傍の燃料電池を、より大きな出力で動作させ、電力の余剰が生じる燃料電池から電力ネットワークを用いて電力負荷へ電力を供給すると共に、電力負荷の消費電力が変動をした場合には、複数の燃料電池によって変動に対応させることにより、電力の応答速度を速める制御部とを備えた。

制御部は熱需要の大きな熱負荷の近傍の燃料電池を、より大きな出力で動作させ、電力の余剰が生じる燃料電池から電力ネットワークを用いて熱負荷へ電力を供給すると共に、電力負荷の消費電力が変動をした場合には、複数の燃料電池によって変動に対応させることにより、電力の応答速度を速めるので、システム全体のエネルギー効率が向上する。

制御部は、電力負荷の消費電力がより速く変動をした場合には、消費電力がより穏やかに変動をした場合と比較して、より多くの燃料電池の出力を変更することにより、電力の応答速度を速める。このため、燃料電池の発電する電力値が、電力負荷が必要とする電力値に達するまでの時間を短縮し、その間に発生するエネルギーのロスを削減することができる。

制御部は、消費電力に対して十分な電力を燃料電池が発電した後に、再度、複数の燃料電池の各々の発電量を調整することにより、熱需要に合わせた出力で複数の燃料電池の各々を動作させる。このため、電力負荷の消費電力が変動した場合に、燃料電池が生産する熱量に過不足が生じても、過不足の状態を短時間で解消することができる。燃料電池は、各々が、近傍の熱負荷にのみ熱量を供給する。このため、熱負荷に熱量を移動させる間の熱損失を少なくすることができる。また、熱量を供給するための設備を小型にできる。

本発明の他の形態における燃料電池システム制御方法は、分散して存在する、熱負荷および電力負荷の近傍に各々設けられている複数の燃料電池を用いて発電するステップと、燃料電池が発電した電力を、他の燃料電池の近傍の電力負荷に電力ネットワークを用いて送電するステップと、熱需要の大きな熱負荷の近傍の燃料電池を、より大きな出力で動作させ、電力の余剰が生じる燃料電池から電力ネットワークを用いて電力負荷へ電力を供給すると共に、電力負荷の消費電力が変動をした場合には、複数の燃料電池によって変動に対応させることにより、電力の応答速度を速める制御ステップとを備えた。

本発明の他の形態における集合住宅は、各々が熱負荷および電力負荷を有する複数の住宅と、分散して存在する、熱負荷および電力負荷の近傍に各々設けられている複数の燃料電池と、燃料電池が発電した電力を、他の燃料電池の近傍の電力負荷に送電する電力ネットワークと、熱需要の大きな熱負荷の近傍の燃料電池を、より大きな出力で動作させ、電力の余剰が生じる燃料電池から電力ネットワークを用いて電力負荷へ電力を供給すると共に、電力負荷の消費電力が変動をした場合には、複数の燃料電池によって変動に対応させることにより、電力の応答速度を速める制御部とを備えた。

制御部は、電力負荷の消費電力がより速く変動をした場合には、消費電力がより穏やかに変動をした場合と比較して、より多くの燃料電池の出力を変更することにより、電力の応答速度を速める。制御部は、電力負荷の消費電力がより速く変動をした場合には、消費電力がより穏やかに変動をした場合と比較して、より多くの燃料電池の出力を変更することにより、電力の応答速度を速める。

制御部は、消費電力に対して十分な電力を燃料電池が発電した後に、再度、複数の燃料電池の各々の発電量を調整することにより、熱需要に合わせた出力で複数の燃料電池の各々を動作させる。燃料電池は、各々が、近傍の熱負荷にのみ熱量を供給する。

なお上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションも又発明となりうる。

本発明によれば、制御部は熱需要の大きな熱負荷の近傍の燃料電池を、より大きな出力で動作させ、電力の余剰が生じる燃料電池から電力ネットワークを用いて熱負荷へ電力を供給すると共に、電力負荷の消費電力が変動をした場合には、複数の燃料電池によって変動に対応させることにより、電力の応答速度を速めるので、システム全体のエネルギー効率が向上する。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、又実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の開発手段に必須であるとは限らない。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム３０の構成の一例を示す図である。本実施形態は、システム全体のエネルギー効率が向上する燃料電池システムを提供することを目的とする。

燃料電池システム３０は、例えば複数の住宅（５０ａ〜５０ｃ、以下５０と総称する。）を含む集合住宅に電力および熱を供給する。ここで、集合住宅とは、一の建築物に複数の住宅５０を設けたものであってよく、異なる領域に設けられた複数の建築物のそれぞれを住宅５０としたものであってもよい。

住宅５０ａは、負荷４８ａ、熱負荷４０ａ、および燃料電池４２ａを備える。住宅５０ｂおよび住宅５０ｃは住宅５０ａと同一の構成要素を持ち、各構成要素の符号の末尾にそれぞれｂおよびｃの符号を付けることにより、いずれの住宅５０の構成要素であるかを識別する。

すなわち、本実施形態の燃料電池システム３０は、複数の燃料電池（４２ａ〜４２ｃ、以下４２と総称する。）、複数の電力負荷（４８ａ〜４８ｃ、以下４８と総称する。）、および複数の熱負荷（４０ａ〜４０ｃ、以下４０と総称する。）を備える。また、燃料電池システム３０は、電力ネットワーク４４および制御部４６をさらに備える。

以下、住宅５０ａの各構成要素の動作について説明する。燃料電池４２ａは、電力負荷４８ａに電力を供給するとともに、発電で生じた熱を熱負荷４０ａに供給する。燃料電池４２ａは、例えば固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）である。また、燃料電池４２ａは、各住宅５０に供給される都市ガス、プロパンガス等を改質して燃料となる水素ガスを生成するものであってよく、また外部から供給される水素ガスを燃料とするものであってもよい。また燃料電池４２ａはバッテリを備え、当該バッテリを、非常時に燃料電池システム３０を機能させるための電源として使用してよく、また、燃料電池システム３０を立ち上げるときの電源として使用してもよい。

電力負荷４８ａは、燃料電池４２ａが発電した電力により動作する。熱負荷４０ａは、例えば燃料電池４２ａを冷却するための冷却水を循環させることにより、燃料電池４２ａからの排熱を受け取る。熱負荷４０ａは、例えば温水を蓄積する貯湯槽を含んでもよい。

以上、住宅５０ａの各構成要素の動作について説明したが、住宅５０ｂおよび住宅５０ｃの持つそれぞれの各構成要素の動作は、住宅５０ａの各構成要素の動作と同一であるので説明を省略する。

電力ネットワーク４４は、燃料電池４２が発電した電力を、いずれの住宅５０が有する電力負荷４８にも送電できるよう設けられている。このため、各々の住宅５０において、燃料電池４２が供給できる電力量が、電力負荷４８の消費する電力量に比べて不足する場合であっても、他の住宅５０に設けられた燃料電池４２から電力を当該電力負荷４８に供給できるので、負荷の幅広い変動に対応できる。

制御部４６は、熱負荷４０の熱需要量および電力負荷４８の電力消費量に基づいて、燃料電池４２および電力ネットワーク４４を制御する。すなわち、制御部４６は、熱需要の大きな熱負荷４０に熱量を供給する燃料電池４２を、より大きな出力で動作させるよう制御し、電力の余剰が生じる燃料電池４２から電力ネットワーク４４を用いて電力負荷４８へ電力を供給するよう電力ネットワーク４４を制御する。また、制御部４６は、電力負荷４８の消費電力が変動をした場合には、複数の燃料電池４２によって変動に対応させることにより、電力の応答速度を速める。

本実施形態の燃料電池システム３０では、複数の燃料電池４２が住宅５０に分散して設けられ、それぞれの住宅５０が備える燃料電池４２は、当該住宅５０が備える熱負荷４０にのみ熱量を供給する。つまり、燃料電池４２は各々の近傍に設けられた熱負荷４０にのみ熱量を供給するので、熱負荷４０に熱量を移動させる間の熱損失を少なくすることができる。また、熱量を供給するための設備を小型にできる。

また一般に、燃料電池４２の発電効率は燃料電池４２が発電する電力量が大きいほど高い。したがって、本実施例の燃料電池システム３０は、例えば一の燃料電池４２が全ての電力負荷４８に電力を供給するシステムに比べると、電力負荷４８が消費する電力に応じてそれぞれの燃料電池４２が発電する電力量を調整することでそれぞれの燃料電池４２をより高い負荷率で運転できるので、システム全体としてより高い効率で運転することができる。また、ある住宅５０の燃料電池４２が故障等によって運転を停止した場合であっても、他の住宅５０に設けられた燃料電池４２から電力を供給できる。

図２は、燃料電池４２が発電する電力の時間応答を示す図である。横軸は時刻、縦軸は燃料電池４２が発電する電力である。時刻ｈ１に電力負荷４８が必要とする電力がｗ１からｗ２に変化したときにおいて、線ＪＮは１台の燃料電池４２で消費電力量の増加に対応した場合の時間発展であり、線ＪＭは３台の燃料電池４２で消費電力量の増加に対応した場合の時間発展である。

すなわち、１台の燃料電池４２で対応した場合には電力負荷４８が必要とする電力ｗ２に時刻ｈ３において到達するが、３台の燃料電池４２で対応した場合には、時刻ｈ３よりも早い時刻ｈ２に、電力負荷４８が必要とする電力ｗ２に到達できる。また、電力負荷４８が必要とする電力ｗ２に到達するまでの期間に燃料電池４２が発電する電力は電力負荷４８に消費されずに無駄になる。この期間に無駄となるエネルギーの量は、１台の燃料電池４２で対応した場合は領域ＪＮＬの面積で表され、３台の燃料電池４２で対応した場合は領域ＪＭＫの面積で表される。つまり、３台の燃料電池４２で負荷変動に対応した場合、１台の燃料電池４２で負荷変動に対応した場合に比べて、負荷変動への応答速度を速めることができ、さらに、その間に発生する電力量の無駄を少なくすることができる。

また、電力負荷４８が消費する電力が減少する場合も同様に、より多くの燃料電池４２の発電する電力を減少させることで負荷変動への応答速度を速め、その間に発生するエネルギーのロスを削減できる。

本実施形態の燃料電池システム３０では、制御部４６が、電力負荷４８の消費電力が速く変動をした場合に、複数の燃料電池４２の出力を変更することによって、燃料電池４２の発電する電力値が電力負荷４８の必要とする電力値に達するまでの時間を短縮させることで、その間に発生するエネルギーのロスを削減できる。また、電力負荷４８が消費する電力が急激に変動する場合に備えて蓄電池を設置する場合であっても、蓄電池の容量を小さくすることができる。また、電力消費が急激に増加した場合に備えて、消費電力に対して燃料電池４２が予め余剰の電力を発電させておく場合であっても、余剰に発電する電力量を小さくすることができる。

図３は、制御部４６の動作の詳細を示す図である。Ｓ２０２において、制御部４６は、電力負荷４８が必要とする電力の変動量に応じて、出力を変更させる燃料電池４２を選択する。このとき、制御部４６は、出力を変更させる燃料電池４２として、電力の消費量が変動した電力負荷４８を有する住宅５０が備える燃料電池４２を第一に選択してよい。また、電力負荷４８の消費する電力がより速く変動した場合には、より多くの燃料電池４２を選択する。さらにＳ２０４において制御部４６は、Ｓ２０２において選択した燃料電池４２の出力を変更させる。このとき、制御部４６は、必要に応じて電力ネットワーク４４を通じて、電力の消費量が変動した電力負荷４８に電力を供給するよう電力ネットワーク４４を制御する。

Ｓ２０６において制御部４６は、燃料電池４２が発電する電力が、電力負荷４８が必要とする電力量に達したかどうかを判別する。Ｓ２０６において電力負荷４８が必要とする電力量に達していない場合は、Ｓ２０６の判定を繰り返す。

Ｓ２０６において、燃料電池４２が発電する電力が、電力負荷４８が必要とする電力量に達した場合、制御部４６は、各々の熱負荷４０の熱需要に基づいて、熱需要が大きい住宅５０の燃料電池４２の発電量が多くなるよう、燃料電池４２が発電する電力を再度調整する（Ｓ２０８）。このとき制御部４６は、燃料電池４２が発電する電力量が、電力負荷４８が消費する電力に比べて不足しないよう、燃料電池４２が発電する電力量を制御する。

Ｓ２１０において制御部４６は、電力負荷４８に電力を供給しなくてよい燃料電池４２に対しては、当該燃料電池４２自身の動作のための補機電力のみ発電するアイドリング状態に遷移させる。さらにＳ２１２において制御部４６は、予め定めた個数の燃料電池４２をアイドリング状態に維持し、処理を終了する。なおＳ２１２において、制御部４６は、アイドリング状態の燃料電池４２が予め定めた台数を越える場合には、予め定めた個数の燃料電池４２を選択してアイドリング状態を維持させ、アイドリング状態である他の燃料電池４２を停止させる。また、アイドリング状態の燃料電池４２が予め定めた個数よりも少ない場合には、停止状態の燃料電池４２をアイドリング状態に遷移させる。

以上説明したような制御を行うことで、電力負荷４８の消費電力がより速く変動をした場合には、消費電力がより穏やかに変動をした場合と比較して、より多くの燃料電池４２の出力を変更することによって、燃料電池４２の発電する電力値が電力負荷４８の必要とする電力値に達するまでの時間を短縮できる。また、その間に発生するエネルギーのロスを削減することができる。また、消費電力に対して十分な電力を燃料電池４２が発電した後に、再度、複数の燃料電池４２の各々の発電量を調整することにより、熱需要に合わせた出力で複数の燃料電池４２の各々を動作させるので、電力負荷４８の消費電力が変動した場合に、燃料電池４２が生産する熱量に過不足が生じても、過不足の状態を短時間で解消することができる。

制御部４６は、熱需要の大きい住宅５０が備える燃料電池４２の発電する電力が大きくなるよう燃料電池４２の発電電力を調整すべく、それぞれの熱負荷４０における熱消費量の履歴を、熱負荷４０に対応づけて管理してよい。例えば、制御部４６は、一日を複数の時間帯に分割して、それぞれの時間帯毎に、それぞれの熱負荷４０における熱消費量の履歴を管理してよい。また、燃料電池４２が温水を熱負荷４０に供給する場合には、制御部４６は、それぞれの熱負荷４０が消費する温水量を当該熱消費量として、それぞれの時間帯毎に管理してよい。また、それぞれの熱負荷４０に供給するべき温水の温度を当該熱消費量として、それぞれの時間帯毎に管理してもよい。また、制御部４６は、それぞれの熱負荷４０に供給するべき温水量、及びその温度を当該熱消費量として管理してもよい。

制御部４６は、制御部４６が管理する熱消費量の履歴に基づいて、それぞれの燃料電池４２が熱負荷４０に供給するべき熱量を算出し、算出した熱量を、それぞれの燃料電池４２が供給するよう発電量を調整する。つまり、燃料電池４２の排熱量が、各住宅５０の熱負荷４０の熱消費量と略同一になるように燃料電池４２の発電量を制御する。このような制御により、各住宅５０において熱量を余剰に生成することを防ぐことができる。

また、制御部４６は、熱負荷４０の熱消費量の履歴に基づいて、それぞれの熱負荷４０の将来における予め定めた期間の予測熱需要量を算出し、算出したそれぞれの予測熱需要量を給熱できるように、それぞれの燃料電池４２の発電量を制御してもよい。

例えば、制御部４６は、熱消費量の履歴のうち、前年、又は前月の同日の熱消費量の履歴に基づいて、当日のそれぞれの熱負荷４０における予測熱需要量を算出してよい。また、制御部４６は、一日を複数の時間帯に分割したそれぞれの時間帯における熱消費量の履歴の、予め定めた日数の平均値を、当日のそれぞれの時間帯における、それぞれの熱負荷４０の予測熱需要量として算出してもよい。また、制御部４６は、予め定めた期間における熱消費量の履歴を曜日毎に分類して、曜日毎に予測熱需要量を算出してもよい。この場合においても、それぞれの曜日を複数の時間帯に分割したそれぞれの時間帯における予測熱需要量を算出してよい。また、制御部４６は、現在の熱消費量に基づいて、将来の予測熱需要量を算出してもよい。例えば、燃料電池４２が温水を熱負荷４０に供給する場合においては、現在供給している温水の温度を検出し、当該温度の温水の継続供給時間の平均値を過去の履歴から算出してもよい。

また、制御部４６はさらに、電力負荷４８の消費電力量の履歴を、それぞれの電力負荷４８に対応付けて管理してよい。また、制御部４６は、住宅５０ごとに、熱消費量と電力消費量の履歴を管理してよい。

図４は、制御部４６が管理する、熱消費量および電力消費量の履歴の一例を示す図である。制御部４６は、住宅５０ごとに、図４に図示されるテーブルを管理する。すなわち、制御部４６は、熱消費量および電力消費量の履歴として、それぞれ平日ならびに土曜日および日曜日ごとに分類し、さらに一日を１時間ごとの時間帯に分割したそれぞれの時間帯ごとに、予め定めた日数の平均値を計算したものを管理する。熱消費量を表す単位は、例えば時間あたりに消費される熱量を、消費電力の単位と同じ単位に換算したものであってよい。

制御部４６は、熱消費量および電力消費量の履歴に基づいて、予め定めた期間内に消費される、総熱消費量および総熱生産量を予測し、予め定めた期間内に熱量が不足するか否かを判断できる。また、熱負荷４０が貯湯槽を含む場合は、熱負荷４０の熱消費量から、貯湯槽が燃料電池４２より受け取る熱量を除いたものを、熱消費量として管理してよい。この場合は、現在貯湯槽に蓄積された熱量、ならびに、予め定めた期間内における、熱消費量および消費電力量に基づいて、予め定めた期間内に熱量が不足するか否かを判断できる。

制御部４６が、各住宅５０の熱負荷４０の熱消費量に応じて燃料電池４２の発電量を調整した場合、各住宅５０が備える電力負荷４８の電力需要量に対して、燃料電池４２が電力を過剰、又は過小に生成する場合がある。制御部４６は、それぞれの燃料電池４２が発電した電力が、それぞれの燃料電池４２を有する住宅５０に備えられた電力負荷４８の電力需要量より大きい場合に、余剰の電力を電力ネットワーク４４に供給する。また制御部４６は、電力ネットワーク４４を制御して、それぞれの燃料電池４２が発電した電力が、それぞれの燃料電池４２を有する住宅５０と同じ住宅に備えられた電力負荷４８の電力需要量よりも小さい場合、他の燃料電池４２から受け取った余剰電力を、電力が不足する電力負荷４８に供給する。このような制御を行うことにより、それぞれの燃料電池４２が発電した電力を効率よく使用することができる。このため、複数の燃料電池４２全体のエネルギー効率を向上させることができる。

また、制御部４６が、それぞれの熱負荷４０の熱需要量に応じて燃料電池４２を発電させた場合、複数の燃料電池４２の総発電量が、複数の電力負荷４８の総電力需要量より小さい場合がある。このような場合に制御部４６は、不足電力を補うべく、予測熱需要量が最も近い将来に増加する熱負荷４０に熱量を供給する燃料電池４２の発電量を増加させるよう制御してよい。

図５は、燃料電池４２が発電する電力の時間発展の一例を示す図である。線６１０、線６２０、および線６３０は、それぞれ燃料電池４２ａ、燃料電池４２ｂ、および燃料電池４２ｃが発電する電力の時間発展を示す。なお、Ｐ２とＰ１との差、Ｐ３とＰ２との差、Ｐ４とＰ３との差、およびＰ５とＰ４との差は、全て同じである。時刻ｔ０において、燃料電池４２ａ、燃料電池４２ｂ、および燃料電池４２ｃの発電する電力はそれぞれＰ１、Ｐ２、およびＰ３であって、それぞれの発電する電力を、例えば電力負荷４８ａ、電力負荷４８ｂ、および電力負荷４８ｃが消費している。このとき、電力負荷４８ｃが消費する電力が、Ｐ４とＰ１との差の電力分増加し、更に電力を電力負荷４８ｃに供給する必要がある場合、制御部４６は燃料電池４２ａ、燃料電池４２ｂ、および燃料電池４２ｃが発電する電力を増加させ、時刻ｔ１にそれぞれＰ２、Ｐ３、およびＰ４となるよう制御する。さらに、燃料電池４２ａおよび燃料電池４２ｂが発電する余剰の電力を、電力負荷４８ｃに供給することで、電力負荷４８ｃが必要とする電力を時刻ｔ１において供給する。

さらに制御部４６は、時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけて、熱需要の多い熱負荷４０ａに多く熱量を供給すべく燃料電池４２ａが発電する電力を更に増加させてＰ５とし、熱需要の少ない熱負荷４０ｃに供給する熱量を低下させるべく燃料電池４２ｃが発電する電力を低下させてＰ１とする。このようにして、制御部４６は、複数の燃料電池４２を用いて電力負荷４８が消費する電力に迅速に対応した後に、燃料電池４２の全体が発電する電力と、電力負荷４８の全体が必要とする電力とが略同一になるよう保ちつつ、熱需要のより大きい熱負荷４０に熱量をより多く供給できるように、それぞれの燃料電池４２が発電する電力を調整する。

図６は、燃料電池４２が発電する電力に対する、燃料電池４２が生産する熱量を示す図である。横軸は電力、縦軸は熱量である。燃料電池４２が発電する電力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、およびＰ５のそれぞれに対して、燃料電池４２が生産する熱量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、およびＱ５がそれぞれ定まる。制御部４６は、それぞれの燃料電池４２の発電電力に対する熱生成量を、それぞれの燃料電池４２に対応させて管理しておくことで、熱負荷４０のそれぞれの熱需要量に基づいて、それぞれの燃料電池４２が発電すべき電力を決定できる。

図７は、各住宅５０における電力需要と熱需要の一例を示す図である。図７（ａ）、図７（ｂ）、および図７（ｃ）は、それぞれ時刻ｔ０、時刻ｔ１、および時刻ｔ２における各住宅５０の状態を示す。時刻ｔ０においては、住宅５０ａでは、電力負荷４８ａが消費する電力Ｐ３を燃料電池４２ａが供給し、燃料電池４２ａが生産する熱量Ｑ３を熱負荷４０ａが消費している。同様に、住宅５０ｂでは、電力負荷４８ｂが消費する電力Ｐ２を燃料電池４２ｂが供給し、燃料電池４２ｂが生産する熱量Ｑ２を熱負荷４０ｂが消費している。同様に、住宅５０ｃでは、電力負荷４８ｃが消費する電力Ｐ１を燃料電池４２ｃが供給し、燃料電池４２ｃが生産する熱量Ｑ１を熱負荷４０ｃが消費している。また、制御部４６は、過去の熱消費量の履歴に基づいて、熱負荷４０ａの将来における熱需要量をＱ５と予測し、熱負荷４０ｂの将来における熱需要量をＱ３と予測している。

住宅５０ｃの電力負荷４８ｃが必要とする電力がＰ４に増加したとき、制御部４６は電力負荷４８ｃに電力を迅速に供給すべく、燃料電池４２ａ、燃料電池４２ｂ、および燃料電池４２ｃが発電する電力を増加させてそれぞれＰ４、Ｐ３、およびＰ１とし、増加させた電力を電力負荷４８ｃへ更に供給する。図７（ｂ）は、電力負荷４８ｃの消費電力の変動に対応した直後である時刻ｔ１における状態を示す。

さらに、制御部４６は、時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけて、将来の予測熱需要の多い熱負荷４０ａに熱量を供給すべく、燃料電池４２ａが発電する電力をＰ５まで増加させて、燃料電池４２ａが生成する熱量をＱ５とする。また、熱需要の少ない熱負荷４０ｃに供給する熱量を低下させるべく燃料電池４２ａが発電する電力を時刻ｔ０と同じＰ１まで低下させる。なお、時刻ｔ１において燃料電池４２ｂが生産する熱量Ｑ３は、熱負荷４０ｃの将来の予測熱需要量と略同一であるので、燃料電池４２ｂが発電する電力量は変化させない。このように制御部４６は、消費電力の変動によって熱量の過不足状態が生じた場合に、燃料電池４２が発電する電力を熱負荷４０の熱需要に応じて再度配分する。図７（ｃ）は、制御部４６が燃料電池４２の発電する電力を再配分した直後である時刻ｔ２における状態を示す。

以上説明したような制御によって、本実施形態の燃料電池システム３０では、熱需要の大きな熱負荷４０の近傍の燃料電池４２をより大きな出力で動作させ、電力の余剰が生じる燃料電池４２から電力ネットワーク４４を用いて電力負荷４８へ電力を供給すると共に、電力負荷４８の消費電力が変動した場合には、複数の燃料電池４２によって変動に対応させて、電力の応答速度を速める。これにより、システム全体のエネルギー効率が向上する。

図８は、燃料電池システムを機能させるコンピュータ５００の構成の一例を示す。本例において、コンピュータ５００は、燃料電池システムを図１から図７において説明した燃料電池システム３０として機能させるプログラムを格納する。また、コンピュータ５００は、燃料電池システム３０の制御部４６として更に機能してもよい。

コンピュータ５００は、ＣＰＵ７００と、ＲＯＭ７０２と、ＲＡＭ７０４と、通信インターフェース７０６と、ハードディスクドライブ７１０と、フレキシブルディスクドライブ７１２と、ＣＤ−ＲＯＭドライブ７１４とを備える。ＣＰＵ７００は、ＲＯＭ７０２、ＲＡＭ７０４、ハードディスクドライブ７１０、フレキシブルディスク７２０、及び／又はＣＤ−ＲＯＭ７２２に格納されたプログラムに基づいて動作する。

例えば、燃料電池システム３０を機能させるプログラムは、コンピュータ５００を、図１から図７に関連して説明した制御部４６として機能させ、燃料電池４２および電力ネットワーク４４を図１から図７に関連して説明したように制御することにより、燃料電池システム３０を機能させる。

通信インターフェース７０６は、例えば燃料電池４２、電力負荷４８、熱負荷４０、電力ネットワーク４４と通信し、それぞれの状態等に関する情報を受信し、またそれぞれを制御する制御信号を送信する。格納装置の一例としてのハードディスクドライブ７１０、ＲＯＭ７０２、又はＲＡＭ７０４は、設定情報、及びＣＰＵ７００を動作させるためのプログラム等を格納する。また、当該プログラムは、フレキシブルディスク７２０、ＣＤ−ＲＯＭ７２２等の記録媒体に格納されていてもよい。

フレキシブルディスクドライブ７１２は、フレキシブルディスク７２２がプログラムを格納している場合、フレキシブルディスク７２２からプログラムを読み取りＣＰＵ７００に提供する。ＣＤ−ＲＯＭドライブ７１４は、ＣＤ−ＲＯＭ７２２がプログラムを格納している場合、ＣＤ−ＲＯＭ７２２からプログラムを読み取りＣＰＵ７００に提供する。

また、プログラムは記録媒体から直接ＲＡＭに読み出されて実行されても、一旦ハードディスクドライブ７１０にインストールされた後にＲＡＭ７０４に読み出されて実行されてもよい。更に、上記プログラムは単一の記録媒体に格納されても複数の記録媒体に格納されても良い。また記録媒体に格納されるプログラムは、オペレーティングシステムとの共同によってそれぞれの機能を提供してもよい。例えば、プログラムは、機能の一部または全部を行うことをオペレーティングシステムに依頼し、オペレーティングシステムからの応答に基づいて機能を提供するものであってもよい。

プログラムを格納する記録媒体としては、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭの他にも、ＤＶＤ、ＰＤ等の光学記録媒体、ＭＤ等の光磁気記録媒体、テープ媒体、磁気記録媒体、フラッシュメモリ、ＩＣカード、ミニチュアーカード等の半導体メモリー等を用いることができる。又、専用通信ネットワークやインターネットに接続されたサーバシステムに設けたハードディスクまたはＲＡＭ等の格納装置を記録媒体として使用してもよい。

以上の説明から明らかなように本実施形態によれば、制御部４６は熱需要の大きな熱負荷４０の近傍の燃料電池４２を、より大きな出力で動作させ、電力の余剰が生じる燃料電池４２から電力ネットワーク４４を用いて熱負荷４０へ電力を供給すると共に、電力負荷４８の消費電力が変動をした場合には、複数の燃料電池４２によって変動に対応させることにより、電力の応答速度を速めるので、システム全体のエネルギー効率が向上する。

制御部４６は電力負荷４８の消費電力がより速く変動をした場合には、消費電力がより穏やかに変動をした場合と比較して、より多くの燃料電池４２の出力を変更することにより、電力の応答速度を速めるので、燃料電池４２の発電する電力値が、電力負荷４８が必要とする電力値に達するまでの時間を短縮し、その間に発生するエネルギーのロスを削減することができる。

制御部４６は消費電力に対して十分な電力を燃料電池４２が発電した後に、再度、複数の燃料電池４２の各々の発電量を調整することにより、熱需要に合わせた出力で複数の燃料電池４２の各々を動作させるので、電力負荷４８の消費電力が変動した場合に、燃料電池４２が生産する熱量に過不足が生じても、過不足の状態を短時間で解消することができる。燃料電池４２は各々が、近傍の熱負荷４０にのみ熱量を供給するので、熱負荷４０に熱量を移動させる間の熱損失を少なくすることができる。また、熱量を供給するための設備を小型にできる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態に、多様な変更又は改良を加えることができることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

本発明の実施形態に係る燃料電池システム３０の構成の一例を示す。燃料電池４２が発電する電力の時間応答を示す。制御部４６の動作の詳細を示す。制御部４６が管理する、熱消費量および電力消費量の履歴の一例を示す。燃料電池４２が発電する電力の時間発展の一例を示す。燃料電池４２が発電する電力に対する、燃料電池４２が生産する熱量を示す。各住宅５０における電力需要と熱需要の一例を示す。燃料電池システムを機能させるコンピュータ５００の構成の一例を示す。

符号の説明

３０・・・燃料電池システム、４０・・・熱負荷、４２・・・燃料電池、４４・・・電力ネットワーク、４８・・・電力負荷、５０・・・住宅、５００・・・コンピュータ、７００・・・ＣＰＵ、７０２・・・ＲＯＭ、７０４・・・ＲＡＭ、７０６・・・通信インターフェイス、７１０・・・ハードディスクドライブ、７１２・・・フレキシブルディスクドライブ、７１４・・・ＣＤ−ＲＯＭドライブ、７２０・・・フレキシブルディスク、７２２・・・ＣＤ−ＲＯＭ

Claims

分散して存在する、熱負荷および電力負荷の近傍に各々設けられている燃料電池と、
前記燃料電池が発電した電力を、他の前記燃料電池の近傍の前記電力負荷に送電する電力ネットワークと、
熱需要の大きな前記熱負荷の近傍の前記燃料電池を、より大きな出力で動作させ、電力の余剰が生じる前記燃料電池から前記電力ネットワークを用いて前記電力負荷へ電力を供給すると共に、前記電力負荷の消費電力が変動をした場合には、複数の前記燃料電池によって変動に対応させることにより、電力の応答速度を速める制御部と
を備え、
前記制御部は、前記電力負荷の消費電力がより速く減少する場合に、より多くの前記燃料電池の出力を減少させることにより、電力の応答速度を速める
燃料電池システム。
前記制御部は、前記電力の応答速度を速めるべく複数の前記燃料電池によって変動に対応させた場合に、前記燃料電池の発電電力が前記電力負荷の消費電力に達した後に、再度、前記熱負荷の熱需要に基づいて複数の前記燃料電池の各々の発電量を調整することにより、熱需要に合わせた出力で複数の前記燃料電池の各々を動作させる
請求項１に記載の燃料電池システム。
前記制御部は、複数の前記燃料電池のうち予め定められた個数の燃料電池を、補機電力を発電し前記電力負荷に電力を供給しないアイドリング状態に維持する
請求項１または２に記載の燃料電池システム。
前記制御部は、前記熱負荷のそれぞれの熱消費量の履歴を管理しており、前記熱負荷のそれぞれの熱消費量の履歴に基づいて、前記熱負荷のそれぞれの将来における予め定めた期間の予測熱需要量を算出し、算出したそれぞれの予測熱需要量の熱量を供給すべく、複数の前記燃料電池のそれぞれの発電量を制御する
請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
前記制御部は、前記電力負荷のそれぞれの消費電力量の履歴をさらに管理しており、前記熱消費量の履歴および前記消費電力量の履歴に基づいて、前記予め定めた期間内の総熱消費量および総熱生産量を予測することにより、前記予測熱需要量を算出する
請求項４に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池は、各々が、近傍の前記熱負荷にのみ熱量を供給する請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料電池システムと、
各々が前記熱負荷および前記電力負荷を有する複数の住宅と
を備える集合住宅。
分散して存在する、熱負荷および電力負荷の近傍に各々設けられている燃料電池を用いて発電するステップと、
前記燃料電池を用いて発電した電力を、他の前記燃料電池の近傍の前記電力負荷に電力ネットワークを用いて送電するステップと、
熱需要の大きな前記熱負荷の近傍の前記燃料電池を、より大きな出力で動作させ、電力の余剰が生じる前記燃料電池から前記電力ネットワークを用いて前記電力負荷へ電力を供給すると共に、前記電力負荷の消費電力が変動をした場合には、複数の前記燃料電池によって変動に対応させることにより、電力の応答速度を速める制御ステップと
を備え、
前記制御ステップは、前記電力負荷の消費電力がより速く減少する場合に、より多くの前記燃料電池の出力を減少させることにより、電力の応答速度を速める
燃料電池システム制御方法。
前記制御ステップは、前記電力の応答速度を速めるべく複数の前記燃料電池によって変動に対応させた場合に、前記燃料電池の発電電力が前記電力負荷の消費電力に達した後に、再度、前記熱負荷の熱需要に基づいて複数の前記燃料電池の各々の発電量を調整することにより、熱需要に合わせた出力で複数の前記燃料電池の各々を動作させる
請求項８に記載の燃料電池システム制御方法。
前記制御ステップは、更に、複数の前記燃料電池のうち予め定められた個数の燃料電池を、補機電力を発電し前記電力負荷に電力を供給しないアイドリング状態に維持する
請求項８または９に記載の燃料電池システム制御方法。
前記制御ステップは、前記熱負荷のそれぞれの熱消費量の履歴に基づいて、前記熱負荷のそれぞれの将来における予め定めた期間の予測熱需要量を算出し、算出したそれぞれの予測熱需要量の熱量を供給すべく、複数の前記燃料電池のそれぞれの発電量を制御する
請求項８から１０のいずれか一項に記載の燃料電池システム制御方法。
前記制御ステップは、前記熱消費量の履歴および前記電力負荷のそれぞれの消費電力量の履歴に基づいて、前記予め定めた期間内の総熱消費量および総熱生産量を予測することにより、前記予測熱需要量を算出する
請求項１１に記載の燃料電池システム制御方法。