JP4984344B2

JP4984344B2 - Fuel cell system and supply power switching method

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Publication number: JP4984344B2
Application number: JP2000387088A
Authority: JP
Inventors: 勝司山下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-12-20
Filing date: 2000-12-20
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2020-12-20
Also published as: JP2002190308A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池装置から発生された電力と外部から導入された電力の両方を同時に電気負荷に供給することが可能な燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
環境に優しく省エネルギに優れた燃料電池システムは、家庭などで使用する、小型の据え置き型発電システムとしても、利用価値が検討されている。例えば、家庭では、燃料電池の発電時に発生する熱を風呂などの給湯に利用することができるため、コジェネレーション効果によって、一層高いエネルギ効率を達成することができる。
【０００３】
このような家庭などで使用される燃料電池システムとして、現在提案されているものは、例えば、都市ガスなどの商用ガスから改質器によって水素リッチな燃料ガスを生成し、この燃料ガスと、空気などの酸化ガスを燃料電池に供給して、電気化学反応により発電するシステムである。そして、この発電により得られる電圧は、直流であるため、ＤＣ−ＡＣインバータにより交流に変換されて、エアコンや照明器具などの家庭内電気負荷に使用される。
【０００４】
また、上記したＤＣ−ＡＣインバータと家庭内電気負荷との間に、電力会社からの外線を接続することにより、燃料電池による自家発電エネルギの不足分を、この外線を介して電力会社から購入し、過剰分を、この外線を介して電力会社に販売することも可能となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような燃料電池システムを使用する場合、燃料電池によって自家発電する際のコスト（主に、ガス料金）が、電力会社から電力を購入する際のコスト（電気料金）に比べて安い場合には、ランニング利益を生む。しかし、自家発電する際のコストが安いからと言って、過剰に発電し過ぎると、過剰分を電力会社に販売することになるため、その際の販売価格が、その過剰分を発電するのに必要なガス代より安い場合には、ランニング損益を生むことになる。従って、そのような過剰分はできる限り少なくした方が、コストメリット上、好ましい。要するに、家庭内電気負荷で消費される電力に最も近い量を燃料電池によって発電し、過渡的な電力の不足分や過剰分を、電力会社からの購入や電力会社への販売によって賄うことが、システム運転の基本となる。
【０００６】
しかしながら、近い将来、このような家庭などでの燃料電池システムの利用が拡大するに連れて、燃料電池によって自家発電する際のガス料金と、電力会社から電力を購入する際の電気料金と、が拮抗することが予測される。そのような場合には、燃料電池による自家発電と電力会社からの電力の購入とを時々刻々切り換えて行うことが、トータルのランニングコストを抑えることになる。しかし、具体的に、どのように切り換えていくかが課題となる。
【０００７】
従って、本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、トータルのランニングコストを最適に抑えることが可能な燃料電池システムを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の第１の燃料電池システムは、燃料の供給を受けて電力を発生する燃料電池装置を備え、該燃料電池装置から発生された電力と外部から導入された電力の両方を同時に電気負荷に供給することが可能な燃料電池システムであって、
前記燃料電池装置からの電力と外部からの電力とを切り換えて、両者のうち、少なくとも一方を前記電気負荷に供給する切換部と、
前記電気負荷に供給すべき電力を前記燃料電池装置からの電力によって賄う場合に掛かる前記燃料のコストと、前記電気負荷に供給すべき電力を外部からの電力によって賄う場合に掛かる前記電力のコストと、を算出し、これら算出したコストに基づいて、トータルコストが安くなるように、前記切換部における電力の切り換えを制御する制御部と、
を備えることを要旨とする。
【０００９】
また、本発明の第１の供給電力切換方法は、燃料の供給を受けて電力を発生する燃料電池装置を備え、該燃料電池装置から発生された電力と外部から導入された電力の両方を同時に電気負荷に供給することが可能な燃料電池システムにおける供給電力の切換方法であって、
（ａ）前記電気負荷に供給すべき電力を前記燃料電池装置からの電力によって賄う場合に掛かる前記燃料のコストと、前記電気負荷に供給すべき電力を外部からの電力によって賄う場合に掛かる前記電力のコストと、を算出する工程と、
（ｂ）これら算出したコストに基づいて、トータルコストが安くなるように、前記燃料電池装置からの電力と外部からの電力とを切り換えて、両者のうち、少なくとも一方を前記電気負荷に供給する工程と、
を備えることを要旨とする。
【００１０】
このように、第１の燃料電池システムまたは供給電力切換方法では、まず、電気負荷に供給すべき電力を燃料電池装置からの電力によって賄う場合に掛かる燃料のコストと、外部からの電力によって賄う場合に掛かる電力のコストと、を算出し、次に、算出したコストに基づいて、トータルコストが安くなるように、燃料電池装置からの電力と外部からの電力とを切り換えて、両者のうち、少なくとも一方を電気負荷に供給するようにしている。
【００１１】
従って、第１の燃料電池システムまたは供給電力切換方法によれば、時々刻々、トータルコストがより安くなるように、電力の供給源が選択できるため、トータルのランニングコストを最適に抑えることが可能となる。また、このような電力の切り換えは、自動的に行なわれるため、ユーザは切り換えを気にすることなく、電力を使用することができ、省労力を実現することができる。
【００１２】
本発明の第２の燃料電池システムは、燃料の供給を受けて電力を発生すると共に、電力発生時に生じた熱を廃棄する燃料電池装置を備え、該燃料電池装置から発生された電力と外部から導入された電力の両方を同時に電気負荷に供給することが可能であると共に、前記燃料電池からの廃熱を熱負荷に与えることが可能な燃料電池システムであって、
前記燃料電池装置からの電力と外部からの電力とを切り換えて、両者のうち、少なくとも一方を前記電気負荷に供給する切換部と、
前記電気負荷に供給すべき電力を前記燃料電池装置からの電力によって賄う場合に掛かる前記燃料のコストと、前記電気負荷に供給すべき電力を外部からの電力によって賄う場合に掛かる前記電力のコストと、前記熱負荷に与えるべき熱を前記燃料を燃焼させることによって得られる熱で賄う場合に掛かる前記燃料のコストと、前記熱負荷に与えるべき熱を前記燃料電池からの廃熱によって賄い、その不足分を前記燃料を燃焼させることによって得られる熱で賄う場合に掛かる前記燃料のコストと、をそれぞれ算出し、これら算出したコストに基づいて、トータルコストが安くなるように、前記切換部における電力の切り換えを制御する制御部と、
を備えることを要旨とする。
【００１３】
本発明の第２の供給電力切換方法は、燃料の供給を受けて電力を発生すると共に、電力発生時に生じた熱を廃棄する燃料電池装置を備え、該燃料電池装置から発生された電力と外部から導入された電力の両方を同時に電気負荷に供給することが可能であると共に、前記燃料電池からの廃熱を熱負荷に与えることが可能な燃料電池システムにおける供給電力の切換方法であって、
（ａ）前記電気負荷に供給すべき電力を前記燃料電池装置からの電力によって賄う場合に掛かる前記燃料のコストと、前記電気負荷に供給すべき電力を外部からの電力によって賄う場合に掛かる前記電力のコストと、前記熱負荷に与えるべき熱を前記燃料を燃焼させることによって得られる熱で賄う場合に掛かる前記燃料のコストと、前記熱負荷に与えるべき熱を前記燃料電池からの廃熱によって賄い、その不足分を前記燃料を燃焼させることによって得られる熱で賄う場合に掛かる前記燃料のコストと、をそれぞれ算出する工程と、
（ｂ）これら算出したコストに基づいて、トータルコストが安くなるように、前記燃料電池装置からの電力と外部からの電力とを切り換えて、両者のうち、少なくとも一方を前記電気負荷に供給する工程と、
を備えることを要旨とする。
【００１４】
このように、第２の燃料電池システムまたは供給電力切換方法では、まず、電気負荷に供給すべき電力を燃料電池装置からの電力によって賄う場合に掛かる燃料のコストと、外部からの電力によって賄う場合に掛かる電力のコストと、熱負荷に与えるべき熱を燃料を燃焼させることによって得られる熱で賄う場合に掛かる燃料のコストと、燃料電池からの廃熱によって賄い、その不足分を燃料を燃焼させることによって得られる熱で賄う場合に掛かる燃料のコストと、をそれぞれ算出し、次に、これら算出したコストに基づいて、トータルコストが安くなるように、燃料電池装置からの電力と外部からの電力とを切り換えて、両者のうち、少なくとも一方を電気負荷に供給するようにしている。
【００１５】
従って、第２の燃料電池システムまたは供給電力切換方法においても、時々刻々、トータルコストがより安くなるように、電力の供給源が選択できるため、トータルのランニングコストを最適に抑えることが可能となる。また、このような電力の切り換えは、自動的に行なわれるため、ユーザは切り換えを気にすることなく、電力を使用することができ、省労力を実現することができる。さらに、燃料電池からの廃熱を熱負荷に与えるなど、コジェネレーションも積極的に考慮しているので、システム全体のエネルギ効率を向上させることができる。
【００１６】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池装置からの電力と外部からの電力のうち、何れか一方のみを前記電気負荷に供給するよう、前記切換部における電力の切り換えを制御することが好ましい。
【００１７】
このように、電力の切り換えを制御することにより、切り換えの仕方が簡素化されるため、制御方法が複雑化しなくて済む。
【００１８】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池装置は、
前記燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質器と、
生成された前記燃料ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、
を備えることが好ましい。
【００１９】
このように、改質器を利用することにより、燃料として、商用ガスなどを利用して、燃料電池による発電を行なうことができる。
【００２０】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記切換部は、
前記燃料電池装置から出力される直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ−ＡＣインバータと、
前記燃料電池装置から前記ＤＣ−ＡＣインバータを介して前記電気負荷に電力を供給するための第１の電力供給線と、
外部から前記電気負荷に電力を供給するための第２の電力供給線と、
前記第１の電力供給線上に配置され、該第１の電力供給線に対する通電／遮断を切り換える第１のスイッチと、
前記第２の電力供給線上に配置され、該第２の電力供給線に対する通電／遮断を切り換える第２のスイッチと、
を備え、
前記制御部は、前記ＤＣ−ＡＣインバータ、並びに前記第１および第２のスイッチを制御することが好ましい。
【００２１】
このように構成することによって、ＤＣ−ＡＣインバータを制御することにより、燃料電池装置からの出力電流を確実に制御できると共に、第１および第２のスイッチを制御することによって、燃料電池装置からの電力と外部からの電力とを容易に切り換えることができる。
【００２２】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池装置は、
前記燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質器と、
生成された前記燃料ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、
を備えると共に、前記切換部は、
前記燃料電池装置から出力される直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ−ＡＣインバータと、
前記燃料電池装置から前記ＤＣ−ＡＣインバータを介して前記電気負荷に電力を供給するための第１の電力供給線と、
外部から前記電気負荷に電力を供給するための第２の電力供給線と、
前記第１の電力供給線上に配置され、該第１の電力供給線に対する通電／遮断を切り換える第１のスイッチと、
前記第２の電力供給線上に配置され、該第２の電力供給線に対する通電／遮断を切り換える第２のスイッチと、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの量から、前記燃料電池から出力されるべき目標電流値を算出すると共に、前記第１のスイッチを通電から遮断に、または、遮断から通電に切り換える際には、切り換え直前の所定時間、前記燃料電池から前記目標電流値に相当する電流が出力されるよう、前記ＤＣ−ＡＣインバータを制御することが好ましい。
【００２３】
このように制御することによって、第１のスイッチが通電から遮断に切り換える際に、改質器で生成された燃料ガスが、燃料電池で消費されずに大気中に流出してしまうのを防ぐことができると共に、エネルギ効率の低下を抑えることができる。また、第１のスイッチが遮断から通電に切り換える際に、改質器で生成された分だけ、燃料ガスを燃料電池において過不足なく消費して、発電動作を行うので、分極反応を生じさせることなく、徐々に定常状態に近づけることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．実施例の構成：
Ｂ．各構成要素の機能および動作：
Ｃ．制御部による制御内容：
Ｄ．変形例：
Ｄ−１．変形例１：
Ｄ−２．変形例２：
Ｄ−３．その他の変形例：
【００２５】
Ａ．実施例の構成：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図１に示す燃料電池システムは、家庭などで使用可能な燃料電池システムであって、燃料として商用ガスである都市ガスを用い、その都市ガスから水素リッチな燃料ガスを生成し、この生成した燃料ガスを利用して発電を行い、家庭内の電気負荷に電力を供給すると共に、発電の際に発生した熱を風呂などの給湯に利用して、コジェネレーション効果を得ている。
【００２６】
この燃料電池システムは、主として、都市ガスと水から水素リッチな燃料ガスを生成する改質器１００と、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて電気化学反応により起電力を発生する燃料電池２００と、電力会社からの電力と燃料電池２００からの電力とを切り換えるインバータＢＯＸ３００と、ＣＰＵなどで構成される制御部６００と、を備えている。なお、改質器１００と燃料電池２００とで、燃料電池装置７００を構成している。
【００２７】
このうち、改質器１００は、都市ガスおよび水の供給を受けてこれらを気化・昇温させる蒸発部１０２と、蒸発部１０２で要する熱を発生する燃焼部１０４と、燃焼部１０４で発生した熱を蒸発部１０２に伝える熱交換器１０６と、改質反応により燃料ガスを生成する改質部１０８と、改質部１０８で生成された燃料ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）濃度を酸化反応により低減するＣＯ酸化部１１０と、を備えている。
【００２８】
燃料電池２００は、燃料ガスが供給される水素極２０２と、酸化ガスが供給される酸素極２０４と、を備えている。また、インバータＢＯＸ３００は、燃料電池２００からの直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ−ＡＣインバータ３０２と、燃料電池２００からの電力の通電／遮断を切り換えるリレースイッチＡと、電力会社からの電力の通電／遮断を切り換えるリレースイッチＢと、を備えている。
【００２９】
その他、蒸発部１０２には、商用ガスである都市ガスを供給するためのガス流路５２と、外部から水を供給するための水流路５４が接続されている。ガス流路５２には、流量制御弁５８と、流量センサ６０が設けられており、水流路５４には、流量制御弁６２と、流量センサ６４が設けられている。また、燃焼部１０４には、燃焼燃料を供給するための燃焼燃料流路５６が接続されており、その燃焼燃料流路５６には、流量制御弁６６が設けられている。
【００３０】
また、燃焼部１０４，改質部１０８，ＣＯ酸化部１１０および燃料電池２００には、酸化ガスである空気を圧縮して供給するブロア１１６，１１２，１１４および２０６がそれぞれ接続されている。
【００３１】
また、インバータＢＯＸ３００の入力には、燃料電池２００からの出力線と、電力会社からの外線が接続されており、その出力は電力センサ４０２を介して家庭内電気負荷４００に接続されている。なお、家庭内電気負荷４００としては、エアコン，電気ファンヒータ，冷蔵庫，電子レンジ，電気炊飯器，洗濯機，電気乾燥機，照明器具，掃除機などが挙げられる。
【００３２】
また、家庭内には、家庭内電気負荷４００の他に、風呂，床暖房などの給湯対象５００が存在する。この給湯対象５００には、ガス給湯器５０４からの給湯と熱交換器５０２からの給湯が可能となっている。ガス給湯器５０４には、商用ガスである都市ガスを供給するためのガス流路５０６が接続されており、熱交換器５０２には、燃料電池２００から導かれた冷却水路２０８が接続されている。
【００３３】
Ｂ．各構成要素の機能および動作：
流量制御弁５８および流量制御弁６２は、それぞれ、図示せざる制御線によって制御部６００に接続されており、制御部６００からの制御信号に基づいて、蒸発部１０２に供給される都市ガス量および水の量を調節する。また、流量センサ６０および流量センサ６４は、それぞれ、図示せざる検出線を介して制御部６００に接続されており、蒸発部１０２に実際に供給されている都市ガス量および水の量を検出して、その検出結果を制御部６００に送信する。
【００３４】
蒸発部１０２は、水流路５４を介して供給される水を気化させて、ガス流路５２を介して供給される都市ガスと混合し、都市ガスと水蒸気とから成る原燃料ガスを生成し、これを所定の温度に昇温して、改質部１０８に供給する。
【００３５】
また、蒸発部１０２には、都市ガスおよび水を気化・昇温させるための熱源として、内部に燃焼触媒を備えた燃焼部１０４が併設されている。この燃焼部１０４には、燃焼燃料流路５６を介して燃焼燃料が供給されると共に、併設されたブロワ１１６によって酸化ガスである空気が供給される。流量制御弁６６は、図示せざる制御線によって制御部６００に接続されており、制御部６００からの制御信号に基づいて、燃焼部１０４に供給される燃焼燃料の量を調節する。
【００３６】
燃焼部１０４では、燃焼燃料が供給されると、この燃料と空気とを用いて触媒上で燃焼反応が進行し、所望の熱を発生する。燃焼部１０４と蒸発部１０２との間には熱交換器１０６が設けられており、この熱交換器１０６によって燃焼部１０４で発生した熱が蒸発部１０２に伝えられる。なお、燃焼部１０４に供給される燃焼燃料としては、商用ガスである都市ガスを用いても良いし、後述する燃料電池２００から排出される燃料オフガスを用いても良い。
【００３７】
改質部１０８は、内部に改質触媒を備えており、供給された都市ガスと水蒸気とから成る原燃料ガスを水蒸気改質反応によって改質して、水素リッチな燃料ガスを生成し、ＣＯ酸化部１１０に供給する。都市ガスの主成分はメタンであり、改質触媒としては、例えば、ニッケル触媒を用いることができる。水蒸気改質反応は、式（１）に従って起こる。
【００３８】
ＣＨ₄＋２Ｈ₂Ｏ → ４Ｈ₂＋ＣＯ₂ （１）
【００３９】
このように、改質部１０８では、水蒸気改質反応によって水素リッチな燃料ガスを生成しているが、改質部１０８には、さらに、併設されたブロワ１１２によって、酸化ガスである空気が供給されており、都市ガス（メタン）の部分酸化反応によっても、水素の生成がなされている。この場合、水蒸気改質反応で要する熱を、部分酸化反応で生じる熱によって賄うことが可能となる。
【００４０】
ＣＯ酸化部１１０は、改質部１０８で生成された燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減して、燃料電池２００に供給する。改質部１０８で生成された燃料ガスは、所定量の一酸化炭素を含有しており、燃料電池２００にこのまま供給されると、燃料ガス中の一酸化炭素によって触媒が被毒して、電気化学反応が阻害されるからである。ＣＯ酸化部１１０で進行する反応は、燃料ガス中に豊富に含まれる水素に優先して、一酸化炭素を酸化する一酸化炭素選択酸化反応である。このため、ＣＯ酸化部１１０には、併設されたブロア１１４によって、酸化ガスである空気が供給されていると共に、一酸化炭素の選択酸化触媒である白金触媒、ルテニウム触媒、パラジウム触媒、金触媒、あるいはこれらを第１元素とした合金触媒を担持した担体が充填されている。
【００４１】
燃料電池２００は、改質器１００から水素リッチな燃料ガスの供給を受けると共に、併設されたブロア２０６によって酸化ガスである空気の供給を受けて、水素極２０２と酸素極２０４において、下記に示すような反応式に従って、電気化学反応を起こし、電力を発生させる。
【００４２】
即ち、水素極２０２に水素リッチな燃料ガスが、酸素極２０４に酸化ガスである空気がそれぞれ供給されると、水素極側では式（２）の反応が、酸素極側では式（３）の反応がそれぞれ起こり、燃料電池全体としては、式（４）の反応が行なわれる。
【００４３】
Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- （２）
２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ（３）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ（４）
【００４４】
また、燃料電池２００は、複数の単セルが積層されたスタック構造となっており、１つの単セルは、電解質膜（図示せず）と、それを両側から挟み込む拡散電極である水素極２０２及び酸素極２０４と、さらにそれらを両側から挟み込む２枚のセパレータ（図示せず）と、で構成されている。セパレータの両面には、凹凸が形成されており、挟み込んだ水素極２０２と酸素極２０４との間で、単セル内ガス流路を形成している。このうち、水素極２０２との間で形成される単セル内ガス流路には、前述したごとく供給された燃料ガスが、酸素極２０４との間で形成される単セル内ガス流路には、酸化ガスが、それぞれ流れている。そして、上記電気化学反応に供された燃料ガスおよび酸化ガスは、オフガスとして排出される。また、数層毎に、単セルと単セルとの間には冷却水路が形成されており、その中に冷却水を流すことによって、上記した電気化学反応等で生じた熱を取り除いている。
【００４５】
燃料電池２００で発生される電圧は直流電圧であるのに対し、家庭内電気負荷４００で用いられる電圧は交流電圧である。そのため、燃料電池２００と家庭内電気負荷４００との間には、ＤＣ−ＡＣインバータ３０２が設けられており、これによって、燃料電池２００で発生された直流電圧を交流電圧に変換している。
【００４６】
燃料電池２００からＤＣ−ＡＣインバータ３０２を介して入力された電力は、リレースイッチＡを介して、家庭内電気負荷４００に供給される。また、燃料電池２００からの電力の他に、電力会社から外線を介して電力が入力されており、この電力は、リレースイッチＢを介して、家庭内電気負荷４００に供給される。
リレースイッチＡ，Ｂは、それぞれ、図示せざる制御線を介して制御部６００に接続されており、制御部６００からの制御信号に基づいて、ＯＮ／ＯＦＦが切り換えられる。
【００４７】
インバータＢＯＸ３００と家庭内電気負荷４００との間に設けられた電力センサ４０２は、図示せざる検出線を介して制御部６００に接続されており、家庭内電気負荷４００で消費される電力を検出して、その検出結果を制御部６００に送信する。
【００４８】
一方、熱交換器５０２には、燃料電池２００から冷却水路２０８を介して、暖められた冷却水が供給されている。熱交換器５０２では、その冷却水に燃料電池２００によって捨てられた廃熱を回収し、その回収した熱を利用して、風呂などの給湯対象５００に対して給湯を行う。
【００４９】
また、ガス給湯器５０４には、ガス流路５０６を介して都市ガスが供給されており、その都市ガスを燃焼させることによって、給湯対象５００に対して給湯を行う。
【００５０】
制御部６００は、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ（図示せず）や、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ（図示せず）や、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ（図示せず）や、流量センサ６０，６４および電力センサ４０２等の各種センサからの検出結果などを入力すると共に、ＣＰＵでの演算結果に応じて既述した各ブロワや流量制御弁などの制御対象に制御信号を出力する入出力ポートなどを備えている。制御部６００は、このように各種の信号を入出力することによって、燃料電池システム全体の運転状態を制御する。
【００５１】
以上のように、本実施例の燃料電池システムは、家庭内電気負荷４００に対しては、燃料電池２００による自家発電によって得られる電力と、電力会社から購入して得られる電力と、をリレースイッチＡ，Ｂによって切り換えて供給することができるようになっている。また、給湯対象５００に対しては、都市ガスを用いて給湯ができる他、燃料電池２００からの廃熱を利用して給湯ができるようにもなっている。
【００５２】
Ｃ．制御部による制御内容：
本実施例では、このような燃料電池システムにおいて、制御部６００が、電力供給に掛かるコストの他、給湯に掛かるコストも考慮した上で、トータルコストが有利になるように、リレースイッチＡ，Ｂを切り換えるようにしている。なお、制御部６００がリレースイッチＡ，Ｂを切り換える際には、一方のリレースイッチをＯＮしたときには、他方のリレースイッチはＯＦＦするように切り換える。
【００５３】
図２および図３は図１の燃料電池システムにおける制御部６００の制御手順を示すフローチャートである。図２における丸Ａは、図３における丸Ａに続いている。図２および図３に示す制御ルーチンは、制御部６００によって一定時間毎に繰り返される。
【００５４】
図２に示す制御ルーチンが開始されると、制御部６００は、家庭内での電力消費に掛かるコストを求めるために、まず、家庭内電気負荷４００で消費される電力を、電力会社からの購入によって賄うと仮定した場合のコストを求める（ステップＳ１０２）。具体的には、以下の処理を行う。
【００５５】
即ち、まず、制御部６００は、電力センサ４０２からの検出結果を入力して、家庭内電気負荷４００で消費される電力：Ｕｋｉ［ｋＷ］を、サンプル時間：ＤＴ（＝１ｓｅｃ）毎に測定し、式（５）に従って、サンプル６０点を積分することで、過去１分間の使用電力量：Ｘｋ［ｋＷｈ］を算出する。
【００５６】
Ｘｋ［ｋＷｈ］＝Σ（Ｕｋｉ×ＤＴ）（５）
【００５７】
次に、制御部６００は、この過去１分間の使用電力量Ｘｋ［ｋＷｈ］を、電力会社から購入によって賄う場合のコスト：Ｃｅ［円］を、式（６）に従って算出する。
【００５８】
Ｃｅ［円］＝Ｋｅ１＋Ｋｅ２×Ｘｋ（６）
【００５９】
ここで、Ｋｅ１は、過去１分間の電気の基本料金に相当する定数であり、Ｋｅ２は、電気の従量料金単価に相当する係数である。
【００６０】
こうして、電力会社からの購入によって電力を賄うと仮定した場合のコストを求めることができる。
【００６１】
次に、制御部６００は、家庭内電気負荷４００で消費される電力を、燃料電池２００による自家発電によって賄うと仮定した場合のコストを求める（ステップＳ１０４）。具体的には、以下の処理を行う。
【００６２】
即ち、まず、制御部６００は、家庭内電気負荷４００で消費される電力：Ｕｋ［ｋＷ］を賄うために、燃料電池２００から出力すべき電流：Ｉｆｃ［Ａ］を、式（７）に従って算出する。
【００６３】
Ｉｆｃ［Ａ］＝Ｋｄｃａｃ×Ｕｋ／Ｖｆｃ（７）
【００６４】
ここで、ＫｄｃａｃはインバータＢＯＸ３００内のＤＣ−ＡＣインバータ３０２の変換効率などを含む定数であり、Ｖｆｃ［Ｖ］は燃料電池２００から出力される電圧である。なお、この出力電圧は電圧センサ（図示せず）によって検出された値であっても良いし、近似的な名目上の定数であっても良い。
【００６５】
次に、制御部６００は、前述した燃料電池２００における反応式（２）を基に、燃料電池２００から、この算出した電流：Ｉｆｃ［Ａ］を出力させるのに必要な水素量：Ｆｈ［ｍｏｌ／ｓ］を計算する。具体的には、式（８）に従って算出する。
【００６６】
Ｆｈ［ｍｏｌ／ｓ］＝Ｉｆｃ×Ｋｆｃｈ／（２×Ｆ）（８）
【００６７】
ここで、Ｆはファラデ定数であり、Ｋｆｃｈは燃料電池２００における水素利用率の逆数である。
【００６８】
次に、制御部６００は、前述した改質器１００における反応式（１）を基に、この算出した水素量：Ｆｈ［ｍｏｌ／ｓ］を改質器１００で生成させるのに必要なメタン流量：Ｆｍ［ｍｏｌ／ｓ］を計算する。具体的には、式（９）に従って算出する。
【００６９】
Ｆｍ［ｍｏｌ／ｓ］＝Ｆｈ／４（９）
【００７０】
次に、制御部６００は、この算出したメタン流量：Ｆｍ［ｍｏｌ／ｓ］を改質器１００で使用させるために、改質器１００に供給すべき都市ガスの流量：Ｆｋ［ｍｏｌ／ｓ］は、式（１０）に従って算出する。
【００７１】
Ｆｋ［ｍｏｌ／ｓ］＝Ｋｍ２ｋ×Ｆｍ（１０）
【００７２】
都市ガスには、一般に天然ガスが用いられており、或る一定の割合で窒素が混入されている。従って、この窒素分を考慮して補正するために、式（９）では、係数としてＫｍ２ｋが掛けられている。
【００７３】
こうして、制御部６００は、サンプル時間：ＤＴ（＝１ｓｅｃ）毎に、改質器１００に供給すべき都市ガスの流量：Ｆｋｉ［ｍｏｌ／ｓ］を算出し、式（１１）に従って、サンプル６０点を積分することで、過去１分間の使用ガス量：Ｖｋ［ｍ³］を算出する。
【００７４】
Ｖｋ［ｍ³］＝Ｋｍ２ｖ×Σ（Ｆｋｉ×ＤＴ）（１１）
【００７５】
ここで、Ｋｍ２ｖは、モル数を標準状態（２０℃，１気圧）の容積に変換するための係数である。
【００７６】
即ち、この算出した過去１分間の使用ガス量Ｖｋ［ｍ³］が、改質器１００で都市ガスを改質し燃料電池２００で自家発電を行うことによって、前述した過去１分間の使用電力量Ｘｋ［ｋＷｈ］を賄うのに必要となるガス量である。
そこで、次に、制御部６００は、この算出した過去１分間の使用ガス量Ｖｋ［ｍ³］から、都市ガスを用いて燃料電池２００による自家発電を行うことにより、過去１分間の使用電力量Ｘｋ［ｋＷｈ］を賄う場合のコスト：Ｃｇ［円］を、式（１２）に従って算出する。
【００７７】
Ｃｇ［円］＝Ｋｇ１＋Ｋｇ２×Ｖｋ（１２）
【００７８】
ここで、Ｋｇ１は、過去１分間のガスの基本料金に相当する定数であり、Ｋｇ２は、ガスの従量料金単価に相当する係数である。
【００７９】
こうして、燃料電池による自家発電によって電力を賄うと仮定した場合のコストを求めることができる。
【００８０】
次に、制御部６００は、現在、家庭内で、風呂などの給湯対象５００に給湯がされているか否かを判定し（ステップＳ１０６）、給湯がされていない場合には、給湯に掛かるコストを考慮しなくて良いため、ステップＳ１０８の処理に進み、給湯がされている場合には、給湯に掛かるコストを考慮する必要があるため、ステップＳ１１４に進む。
【００８１】
ステップＳ１０８では、制御部６００は、ステップＳ１０２で求めた電力会社からの購入によって賄うと仮定した場合のコスト（過去１分間のコスト：Ｃｅ［円］）と、ステップＳ１０４で求めた燃料電池２００による自家発電によって賄うと仮定した場合のコスト（過去１分間のコスト：Ｃｇ［円］）と、を比較して、後者（自家発電）のコストＣｇ［円］の方が、前者（電力会社からの購入）のコストＣｅ［円］よりも安い場合には、式（１３）に従って、燃料電池側のリレースイッチＡに対応するリレーフラッグＲＬＹａをＯＮにし、外線側のリレースイッチＢに対応するリレーフラッグＲＬＹｂをＯＦＦにする（ステップＳ１１０）。
【００８２】
IF Ｃｅ≧Ｃｇ THEN ＲＬＹａ＝ＯＮ，ＲＬＹｂ＝ＯＦＦ（１３）
【００８３】
反対に、前者（電力会社からの購入）のコストＣｅ［円］の方が、後者（自家発電）のコストＣｇ［円］よりも安い場合には、式（１４）に従って、燃料電池側のリレースイッチＡに対応するリレーフラッグＲＬＹａをＯＦＦにし、外線側のリレースイッチＢに対応するリレーフラッグＲＬＹｂをＯＮにする（ステップＳ１１２）。
【００８４】
IF Ｃｅ＜Ｃｇ THEN ＲＬＹａ＝ＯＦＦ，ＲＬＹｂ＝ＯＮ（１４）
【００８５】
但し、この時点では、制御部６００は、リレースイッチＡ，Ｂの切り換えを行わない。
【００８６】
以上が、家庭内で給湯がされていない場合の処理である。なお、この処理が終了したら、図２の丸Ａに続く図３の丸Ａ以降の処理に進む。
【００８７】
一方、家庭内で給湯がされている場合には、制御部６００は、家庭内での給湯に掛かるコストを求めるために、まず、都市ガスのみを利用することによって給湯を行う（具体的には、ガス給湯器５０４のみによって給湯を行う）と仮定した場合のコストを求める（ステップＳ１１４）。このように、都市ガスのみを利用して給湯を行う場合とは、燃料電池２００が自家発電を行っておらず、燃料電池２００の廃熱を利用できない場合（コジェネレーションがない場合）、即ち、上記した、家庭内電気負荷４００での消費電力を電力会社からの購入によって賄う場合に相当する。制御部６００は、具体的には、以下の処理を行う。
【００８８】
制御部６００は、まず、給湯に必要な熱量：Ｈｂ［ｋｃａｌ／ｓ］を取得し、この熱量Ｈｂ［ｋｃａｌ／ｓ］を都市ガスの利用のみによって賄う場合の、給湯に必要な都市ガスの流量：Ｆｂ［ｍｏｌ／ｓ］を、式（１５）に従って算出する。
【００８９】
Ｆｂ［ｍｏｌ／ｓ］＝Ｋｈ２ｆ×Ｈｂ（１５）
【００９０】
ここで、Ｋｈ２ｆは、都市ガスの主成分であるメタンの燃焼熱、ガス給湯器５０４の熱交換率などから成る変換係数である。
【００９１】
なお、給湯に必要な熱量Ｈｂ［ｋｃａｌ／ｓ］は、図示せざる温度センサからの検出結果や、蓄積された過去のデータなどに基づいて取得する。
【００９２】
こうして、制御部６００は、サンプル時間：ＤＴ（＝１ｓｅｃ）毎に、給湯に必要な都市ガスの流量：Ｆｂｉ［ｍｏｌ／ｓ］を算出し、式（１６）に従って、サンプル６０点を積分することで、過去１分間の使用ガス量（給湯のみ）：Ｖｂ［ｍ³］を算出する。
【００９３】
Ｖｂ［ｍ³］＝Ｋｍ２ｖ×Σ（Ｆｂｉ×ＤＴ）（１６）
【００９４】
ここで、Ｋｍ２ｖは、前述したとおり、モル数を標準状態（２０℃，１気圧）の容積に変換するための係数である。
【００９５】
次に、制御部６００は、この算出した過去１分間の使用ガス量（給湯のみ）Ｖｂ［ｍ³］から、都市ガスのみを利用して、過去１分間、給湯を行う場合のコスト：Ｃｇｂ［円］を、式（１７）に従って算出する。
【００９６】
Ｃｇｂ［円］＝Ｋｇ１＋Ｋｇ２×Ｖｂ（１７）
【００９７】
ここで、Ｋｇ１は、前述したとおり、過去１分間のガスの基本料金に相当する定数であり、Ｋｇ２は、ガスの従量料金単価に相当する係数である。
【００９８】
こうして、都市ガスのみを利用することによって給湯を行うと仮定した場合のコストを求めることができる。
【００９９】
次に、制御部６００は、燃料電池２００からの廃熱を少なくとも利用することによって給湯を行うと仮定した場合（コジェネレーションがある場合）のコストを求める（ステップＳ１１６）。このように、燃料電池２００からの廃熱を利用して給湯を行う場合とは、家庭内電気負荷４００での消費電力を、燃料電池２００による自家発電によって賄う場合に相当し、燃料電池２００からの廃熱のみを利用して給湯を行う（具体的には、熱交換器５０２のみによって給湯を行う）場合と、燃料電池２００からの廃熱を利用する他、都市ガスも利用して給湯を行う（即ち、熱交換器５０２とガス給湯器５０４の両方によって給湯を行う）場合と、に分けられる。制御部６００は、具体的には、以下の処理を行う。
【０１００】
即ち、まず、制御部６００は、式（１８）に示すように、前述のステップＳ１０４において算出した燃料電池２００の出力電流Ｉｆｃ［Ａ］に基づいて、予めＲＯＭ（図示せず）に格納されているマップから、回収熱量：Ｈｒｅｃ［ｋｃａｌ／ｓ］を求める。
【０１０１】
Ｈｒｅｃ［ｋｃａｌ／ｓ］＝ＭＡＰ（Ｉｆｃ）（１８）
【０１０２】
ここで、Ｈｒｅｃは、冷却水に燃料電池２００によって捨てられた廃熱を、熱交換器５０２で回収した際の回収熱量である。この回収熱量Ｈｒｅｃは、燃料電池２００の出力電流Ｉｆｃ［Ａ］と、例えば、図４に示すような相関がある。
【０１０３】
次に、制御部６００は、給湯に必要な熱量：Ｈｂ［ｋｃａｌ／ｓ］を取得し、この熱量Ｈｂ［ｋｃａｌ／ｓ］を都市ガスの利用と燃料電池２００からの廃熱の利用とによって賄う場合の、給湯に必要な都市ガスの流量：Ｆｂｃ［ｍｏｌ／ｓ］を、式（１９）に従って算出する。
【０１０４】
但し、Ｈｂ≦Ｈｒｅｃの場合、給湯に必要な熱量Ｈｂは燃料電池２００の廃熱から回収した熱量Ｈｒｅｃによって全て賄うことができるので、給湯のために、都市ガスを利用する必要がない。そのため、給湯に必要な都市ガスの流量Ｆｂｃは、０となる。
【０１０５】
反対に、Ｈｂ＞Ｈｒｅｃの場合、給湯に必要な熱量Ｈｂは燃料電池２００の廃熱から回収した熱量Ｈｒｅｃだけでは不足するのて、都市ガスを用いて熱量を補う必要がある。そのため、給湯に必要な都市ガスの流量Ｆｂｃは、式（１９）に従う。
【０１０６】
Ｆｂｃ［ｍｏｌ／ｓ］＝Ｋｈ２ｆ×（Ｈｂ−Ｈｒｅｃ）（１９）
【０１０７】
ここで、Ｋｈ２ｆは、前述したとおり、都市ガスの主成分であるメタンの燃焼熱、ガス給湯器５０４の熱交換率などから成る変換係数である。
【０１０８】
こうして、制御部６００は、サンプル時間：ＤＴ（＝１ｓｅｃ）毎に、給湯に必要な都市ガスの流量：Ｆｂｃｉ［ｍｏｌ／ｓ］を算出し、式（２０）に従って、サンプル６０点を積分することで、過去１分間の使用ガス量（給湯のみ）：Ｖｂｃ［ｍ³］を算出する。
【０１０９】
Ｖｂｃ［ｍ³］＝Ｋｍ２ｖ×Σ（Ｆｂｃｉ×ＤＴ）（２０）
【０１１０】
ここで、Ｋｍ２ｖは、前述したとおり、モル数を標準状態（２０℃，１気圧）の容積に変換するための係数である。
【０１１１】
次に、制御部６００は、この算出した過去１分間の使用ガス量（給湯のみ）Ｖｂｃ［ｍ³］から、都市ガスと燃料電池２００からの廃熱を利用して、過去１分間、給湯を行う場合のコスト：Ｃｇｂｃ［円］を、式（２１）に従って算出する。
【０１１２】
Ｃｇｂｃ［円］＝Ｋｇ１＋Ｋｇ２×Ｖｂｃ（２１）
【０１１３】
ここで、Ｋｇ１は、前述したとおり、過去１分間のガスの基本料金に相当する定数であり、Ｋｇ２は、ガスの従量料金単価に相当する係数である。
【０１１４】
こうして、燃料電池２００からの廃熱を少なくとも利用することによって給湯を行うと仮定した場合のコストを求めることができる。
【０１１５】
以上の通り、家庭内で給湯がされている場合、次の２つの利用形態が考えられる。即ち、１つ目は、家庭内電気負荷４００での電力消費を、電力会社からの購入によって賄い、給湯対象５００への給湯を都市ガスのみを利用することによって行う形態、即ち、コジェネレーションがない場合の形態である。また、２つ目は、家庭内電気負荷４００での電力消費を、燃料電池２００による自家発電によって賄い、給湯対象５００への給湯を燃料電池２００からの廃熱を少なくとも利用することによって行う形態、即ち、コジェネレーションがある場合の形態である。
【０１１６】
前者の利用形態の場合に掛かるコストは、ステップＳ１０２で求めた電力会社からの購入によって賄うと仮定した場合のコスト（過去１分間のコスト：Ｃｅ［円］）と、ステップＳ１１４で求めた都市ガスのみを利用して給湯を行うと仮定した場合のコスト（過去１分間分のコスト：Ｃｇｂ［円］）と、の和Ｃｅ＋Ｃｇｂ［円］である。一方、後者の利用形態の場合に掛かるコストは、ステップＳ１０４で求めた燃料電池２００による自家発電によって賄うと仮定した場合のコスト（過去１分間のコスト：Ｃｇ［円］）と、ステップＳ１１６で求めた燃料電池２００からの廃熱を少なくとも利用して給湯を行うと仮定した場合のコスト（過去１分間分のコスト：Ｃｇｂｃ［円］）と、の和Ｃｇ＋Ｃｇｂｃ［円］である。
【０１１７】
そこで、制御部６００は、前者の利用形態の場合に掛かるコスト（過去１分間のコスト：Ｃｅ＋Ｃｇｂ［円］）と、後者の利用形態の場合に掛かるコスト（過去１分間のコスト：Ｃｇ＋Ｃｇｂｃ［円］）と、を比較して、後者の利用形態（自家発電など）の場合に掛かるコストＣｇ＋Ｃｇｂｃ［円］の方が、前者の利用形態（電力会社からの購入など）の場合に掛かるコストＣｅ＋Ｃｇｂ［円］よりも安い場合には、式（２２）に従って、燃料電池側のリレースイッチＡに対応するリレーフラッグＲＬＹａをＯＮにし、外線側のリレースイッチＢに対応するリレーフラッグＲＬＹｂをＯＦＦにする（ステップＳ１２０）。
【０１１８】
IF Ｃｅ＋Ｃｇｂ≧Ｃｇ＋Ｃｇｂｃ THEN ＲＬＹａ＝ＯＮ，ＲＬＹｂ＝ＯＦＦ
（２２）
【０１１９】
反対に、前者の利用形態（電力会社からの購入など）の場合に掛かるコストＣｅ＋Ｃｇｂ［円］の方が、後者の利用形態（自家発電など）の場合に掛かるコストＣｇ＋Ｃｇｂｃ［円］よりも安い場合には、式（２３）に従って、燃料電池側のリレースイッチＡに対応するリレーフラッグＲＬＹａをＯＦＦにし、外線側のリレースイッチＢに対応するリレーフラッグＲＬＹｂをＯＮにする（ステップＳ１２２）。
【０１２０】
IF Ｃｅ＋Ｃｇｂ＜Ｃｇ＋Ｃｇｂｃ THEN ＲＬＹａ＝ＯＦＦ，ＲＬＹｂ＝ＯＮ
（２３）
【０１２１】
但し、この時点では、制御部６００は、リレースイッチＡ，Ｂの切り換えを行わない。
【０１２２】
以上が、家庭内で給湯がされている場合の処理である。なお、この処理が終了したら、図２の丸Ａに続く図３の丸Ａ以降の処理に進む。
【０１２３】
ところで、一般に、燃料電池システムにおいては、改質器の応答が燃料電池のそれよりも約１０倍遅いと言う特徴がある。このため、例えば、運転中の燃料電池システムを急停止させる場合、インバータによる燃料電池からの電流の引き抜きを急停止することは可能であるが、改質器においては、都市ガスの供給を急停止しても、改質反応はしばらく（数秒）持続するため、その間に生成された燃料ガス（水素を含む）を大気中に廃棄せざるを得ず、エネルギ効率が低下してしまうという問題があった。逆に、停止している燃料電池システムを起動する場合、燃料電池において急激に発電しようとしても、改質器での燃料ガスの生成が間に合わず、この状態で、インバータにより燃料電池から電流を引こうとすると、燃料電池において分極反応が顕著に現れ、燃料電池の出力電圧が急激に低下するという問題があった。
【０１２４】
前者の問題は、図１に示す燃料電池システムにおいては、リレースイッチＡをＯＮからＯＦＦに切り換えた際に、後者の問題は、リレースイッチＡをＯＦＦからＯＮに切り換えた際に、それぞれ、生じる恐れがある。そこで、本実施例においては、以下に述べるとおり、燃料電池２００に供給される水素量から、ＤＣ−ＡＣインバータ３０２の目標電流値を算出し、リレースイッチＡのＯＮ／ＯＦＦを切り換える際に、その目標電流値を用いてＤＣ−ＡＣインバータ３０２の協調制御を行うようにしている。以下、制御部６００の具体的に処理について説明する。
【０１２５】
即ち、図３に示す制御ルーチンでは、まず、制御部６００は、燃料電池２００に供給される水素量から、ＤＣ−ＡＣインバータ３０２の目標電流値を求める（ステップＳ１２４）。具体的には、以下の通りとなる。
【０１２６】
制御部６００は、まず、流量センサ６０の検出結果から、都市ガス流量の計測値：Ｆｋ［ｍｏｌ／ｓ］を取得し、その値から、改質器モデルを用いて、燃料電池２００に供給される水素量の推定値：Ｆｈｅｓｔ［ｍｏｌ／ｓ］を算出する。
例えば、改質器１００を「１次遅れ＋むだ時間」系で表すとすると、上記推定値Ｆｈｅｓｔ［ｍｏｌ／ｓ］は、式（２４）の如くになる。
【０１２７】
Ｆｈｅｓｔ［ｍｏｌ／ｓ］＝ｅｘｐ（τｋ×Ｓ）／（Ｔｋ×Ｓ＋１）×Ｆｋ
（２４）
【０１２８】
ここで、τｋ，Ｔｋは改質器１００のむだ時間，時定数であり、Ｓはラプラス演算子である。
【０１２９】
なお、式（２４）は、いわゆる開ループ推定であるが、精度をさらに上げるために、カルマンフィルタ等を用いて、閉ループ推定としても良い。
【０１３０】
次に、制御部６００は、算出した水素量の推定値Ｆｈｅｓｔ［ｍｏｌ／ｓ］に対して、この水素量が燃料電池２００に供給され、燃料電池２００において、その水素量が過不足なく消費されて、適切に発電が行われた場合の、燃料電池２００の出力電流Ｉｆｃ［Ａ］を、式（８）を逆算することによって求め、その値をＤＣ−ＡＣインバータ３０２の目標電流値：Ｉｉｎｖ［Ａ］とする。即ち、ＤＣ−ＡＣインバータ３０２によって、燃料電池２００から目標電流値Ｉｉｎｖ［Ａ］分、電流を引くことにより、燃料電池２００では、供給された上記水素量Ｆｈｅｓｔ［ｍｏｌ／ｓ］が過不足なく消費されて発電されることになる。
【０１３１】
ＤＣ−ＡＣインバータ３０２の目標電流値Ｉｉｎｖ［Ａ］は、具体的には、式（２５）の如くになる。
【０１３２】
Ｉｉｎｖ［Ａ］＝Ｆｈｅｓｔ×（２×Ｆ）／Ｋｆｃｈ（２５）
【０１３３】
次に、制御部６００は、リレースイッチＡ，ＢのＯＮ／ＯＦＦ状態と、リレーフラッグＲＬＹａ，ＲＬＹｂのＯＮ／ＯＦＦ状態を、それぞれ確認する（ステップＳ１２６）。そして、確認の結果、リレースイッチＡがＯＮであり、かつ、リレーフラッグＲＬＹａがＯＦＦであるならば（ステップＳ１２８）、リレースイッチＡのＯＮからＯＦＦへの切換処理を許可して（ステップＳ１３０）、図３に示す制御ルーチンを抜ける。また、リレースイッチＡがＯＦＦであり、かつ、リレーフラッグＲＬＹａがＯＮであるならば（ステップＳ１３２）、リレースイッチＡのＯＦＦからＯＮへの切換処理を許可して（ステップＳ１３２）、図３に示す制御ルーチンを抜ける。さらに、上記以外の場合には、そのまま図３に示す制御ルーチンを抜ける。以上で、図３に示す制御ルーチンの説明を終了する。
【０１３４】
次に、図５はリレースイッチＡのＯＮからＯＦＦへの切換処理の処理手順を示すフローチャートである。
【０１３５】
リレースイッチＡのＯＮからＯＦＦへの切換処理が許可された場合、制御部６００は、一定時間毎に繰り返される図２および図３に示す制御ルーチンと並行して、図５に示す切換処理を開始する。まず、制御部６００は、流量制御弁５８を制御して、改質器１００への都市ガスの供給を停止する（ステップＳ２０２）。次に、制御部６００は、図３のステップＳ１２４の処理が繰り返される毎に、算出される目標電流値Ｉｉｎｖ［Ａ］に基づいて、ＤＣ−ＡＣインバータ３０２の協調制御を行う（ステップＳ２０４）。即ち、制御部６００は、燃料電池２００から目標電流値Ｉｉｎｖ［Ａ］に相当する電流を出力電流として引き出すように、ＤＣ−ＡＣインバータ３０２を制御する。そして、都市ガスの供給停止から所定時間経過後、制御部６００は、ＤＣ−ＡＣインバータ３０２の協調制御を終了し、リレースイッチＡをＯＮからＯＦＦへ切り換えると同時に、リレースイッチＢをＯＦＦからＯＮへ切り換える（ステップＳ２０６）。こうして、リレースイッチＡのＯＮからＯＦＦへの切換処理を終了する。
【０１３６】
この場合のタイミングチャートを図６に示す。図６において、（ａ）は改質器１００に対する都市ガスの供給／停止状態を示し、（ｂ）はリレースイッチＡのＯＮ／ＯＦＦ状態を示し、（ｃ）はＤＣ−ＡＣインバータ３０２の目標電流値Ｉｉｎｖを示す。なお、横軸は時間である。
【０１３７】
図６に示すように、改質器１００への都市ガスの供給を停止した後、目標電流値Ｉｉｎｖに従ってＤＣ−ＡＣインバータ３０２の協調制御を行い、目標電流値Ｉｉｎｖが少なくなった所定時間経過後に、リレースイッチＡをＯＮからＯＦＦに切り換える。
【０１３８】
このように、リレースイッチＡのＯＮからＯＦＦへの切り換え時に、ＤＣ−ＡＣインバータ３０２の協調制御を行うことにより、改質器１００への都市ガスの供給を停止した後、改質器１００において、しばらく改質反応が持続し、燃料ガスが生成されても、その燃料ガスを燃料電池２００において過不足なく消費して、徐々に発電動作を終了することになるので、燃料ガスを大気中に廃棄することなく、エネルギ効率を向上させることができる。
【０１３９】
次に、図７はリレースイッチＡのＯＦＦからＯＮへの切換処理の処理手順を示すフローチャートである。
【０１４０】
反対に、リレースイッチＡのＯＦＦからＯＮへの切換処理が許可された場合には、制御部６００は、一定時間毎に繰り返される図２および図３に示す制御ルーチンと並行して、図７に示す切換処理を開始する。まず、制御部６００は、流量制御弁５８を制御して、改質器１００への都市ガスの供給を開始する（ステップＳ３０２）。次に、制御部６００は、図３のステップＳ１２４の処理が繰り返される毎に、算出される目標電流値Ｉｉｎｖ［Ａ］に基づいて、上述したと同様のＤＣ−ＡＣインバータ３０２の協調制御を行う（ステップＳ３０４）。そして、都市ガスの供給開始から所定時間経過したら、制御部６００は、ＤＣ−ＡＣインバータ３０２の協調制御を終了し、リレースイッチＡをＯＦＦからＯＮへ切り換えると同時に、リレースイッチＢをＯＮからからＯＦＦへ切り換える（ステップＳ３０６）。こうして、リレースイッチＡのＯＦＦからＯＮへの切換処理を終了する。
【０１４１】
この場合のタイミングチャートを図８に示す。図８において、（ａ）は改質器１００に対する都市ガスの供給／停止状態を示し、（ｂ）はリレースイッチＡのＯＮ／ＯＦＦ状態を示し、（ｃ）はＤＣ−ＡＣインバータ３０２の目標電流値Ｉｉｎｖを示す。なお、横軸は時間である。
【０１４２】
図８に示すように、改質器１００への都市ガスの開始を停止した後、目標電流値Ｉｉｎｖに従ってＤＣ−ＡＣインバータ３０２の協調制御を行い、目標電流値Ｉｉｎｖが上昇してきた所定時間経過後に、リレースイッチＡをＯＦＦからＯＮに切り換える。
【０１４３】
このように、リレースイッチＡのＯＦＦからＯＮへの切り換え時に、ＤＣ−ＡＣインバータ３０２の協調制御を行うことにより、改質器１００への都市ガスの供給開始後、改質器１００で生成された分だけ、燃料ガスを燃料電池２００において過不足なく消費して、発電動作を行うので、分極反応を生じさせることなく、徐々に定常状態に近づけることができる。
【０１４４】
以上説明したように、本実施例によれば、時々刻々、トータルコストがより安くなるように、燃料電池２００からの電力か、電力会社からの電力かを切り換えて、電力の供給源を選択できるため、トータルのランニングコストを最適に抑えることが可能となる。また、このような電力の切り換えは、自動的に行なわれるため、ユーザは切り換えを気にすることなく、電力を使用することができ、省労力を実現することができる。またさらに、燃料電池２００からの廃熱を給湯に利用するなど、コジェネレーションも積極的に考慮しているので、システム全体のエネルギ効率を向上させることができる。
【０１４５】
なお、本発明は上記した実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。
【０１４６】
Ｄ．変形例：
Ｄ−１．変形例１：
上記した実施例においては、制御部６００は、リレースイッチＡ，Ｂを切り換える際には、一方のリレースイッチをＯＮしたときには、他方のリレースイッチはＯＦＦするように切り換えていた。しかしながら、リレースイッチＡがＯＮで、燃料電池２００による自家発電によって得られた電力を家庭内電気負荷４００に供給している場合に、電気負荷の急増が起こり、かつ、改質器１００における燃料ガスの生成が追いつかない場合（過渡最悪ケース）、過渡的に、電力会社から外線を介して電力の供給を受けて、不足分を補い必要がある。そこで、そのような制御を付加した変形例について、説明する。
【０１４７】
この変形例では、制御部６００は、リレースイッチＡがＯＮである時、必要に応じて、リレースイッチＢをＯＮする。
【０１４８】
図９はこの変形例における制御部６００の制御手順の主要部を示すフローチャートである。図９に示す処理は、図２および図３の制御ルーチンの最後尾に追加される。
【０１４９】
図９に示すように、制御部６００は、図３のステップＳ１２６で確認した結果、リレースイッチＡがＯＮである場合（ステップＳ１３６）に、図２のステップＳ１０４中で算出した、家庭内電気負荷４００での消費電力を賄うために燃料電池２００から出力すべき電流Ｉｆｃ［Ａ］、即ち、要求値と、図３のステップＳ１２４中で算出した、供給された水素量が過不足なく消費されて適切に発電が行われた場合の燃料電池２００の出力電流（ＤＣ−ＡＣインバータ３０２の目標電流値）Ｉｉｎｖ［Ａ］、即ち、実現可能値と、の差を求め、その差（Ｉｆｃ−Ｉｉｎｖ）がしきい値Ｋｔｈより大きいか否かを判定する（ステップＳ１３８）。ここで、Ｋｔｈは、リレースイッチＡがＯＮの時に、リレースイッチＢのＯＮを許可するためのしきい値である。
【０１５０】
そして、判定の結果、差（Ｉｆｃ−Ｉｉｎｖ）がしきい値Ｋｔｈより大きい場合、即ち、燃料電池２００の出力電流の要求値Ｉｆｃが、実現可能値Ｉｉｎｖに比べて大き過ぎる場合、電気負荷が急増して、それに対して改質器１００での燃料ガスの生成が追いついていない（つまり、過渡最悪ケース）と判断して、制御部６００は、リレースイッチＢをＯＮにする（ステップＳ１４０）。
【０１５１】
それ以外の場合には、制御部６００は、何もしないで、図２および図３の制御ルーチンをそのまま抜ける。
【０１５２】
このような制御を行うことによって、電気負荷の急増が起こり、かつ、改質器１００における燃料ガスの生成が追いつかない場合（過渡最悪ケース）でも、電力会社から電力の供給を受けて、不足分を補うことができる。また、図５のステップＳ２０４で行う協調制御時に、過渡的に、燃料電池２００による発電能力が足りなくなった場合でも、安定運転を確保することができる。
【０１５３】
Ｄ−２．変形例２：
上記した実施例においては、図３のステップＳ１２４において、ＤＣ−ＡＣインバータ３０２の目標電流値Ｉｉｎｖ［Ａ］を求める際、流量センサ６０の検出結果である、都市ガス流量の計測値Ｆｋから、燃料電池２００に供給される水素量を推定したが、改質器１００から燃料電池２００に至るガス流路中（好ましくは、燃料電池２００の燃料ガスに、所望のセンサを設けて、燃料電池２００に供給される水素量を直接計測するようにしても良い。その場合、制御部６００は、その計測値：Ｆｈｍｅｓ［ｍｏｌ／ｓ］から、式（２６）に従って、ＤＣ−ＡＣインバータ３０２の目標電流値Ｉｉｎｖ［Ａ］を求めるようにする。
【０１５４】
Ｉｉｎｖ［Ａ］＝Ｆｈｍｅｓ×（２×Ｆ）／Ｋｆｃｈ（２６）
【０１５５】
このような方法を用いることにより、より精度よく、ＤＣ−ＡＣインバータ３０２の目標電流値Ｉｉｎｖ［Ａ］を求めることができる。
【０１５６】
Ｄ−３．その他の変形例：
上記した実施例では、熱負荷として、給湯対象を例として挙げたが、風呂などの場合、給湯を熱交換器５０２，ガス給湯器５０４で行う他、追い炊きをガス釜で行う場合も考えられる。このような場合にも、本発明は当然に適用可能である。
【０１５７】
また、燃料電池装置７００に供給する燃料としては、商用ガスである都市ガスやプロパンガスの他、エタノール，メタノールなどのアルコールや、ガソリン，灯油などの石油系燃料や、アルデヒド，エーテルなども含まれる。
【０１５８】
また、本発明の燃料電池システムは、家庭用のみならず、オフィスやコンビニエンスストアなど事業用としても、利用可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】図１の燃料電池システムにおける制御部６００の制御手順の前半部分を示すフローチャートである。
【図３】図１の燃料電池システムにおける制御部６００の制御手順の後半部分を示すフローチャートである。
【図４】図１における燃料電池２００の出力電流Ｉｆｃと熱交換器５０２での回収熱量Ｈｒｅｃとの相関関係を示すグラフである。
【図５】図１におけるリレースイッチＡのＯＮからＯＦＦへの切換処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図６】図１におけるリレースイッチＡのＯＮからＯＦＦへ切り換える際の改質器１００に対する都市ガスの供給／停止状態、リレースイッチＡのＯＮ／ＯＦＦ状態、およびＤＣ−ＡＣインバータ３０２の目標電流値Ｉｉｎｖを示すタイミングチャートである。
【図７】図１におけるリレースイッチＡのＯＦＦからＯＮへの切換処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図８】図１におけるリレースイッチＡのＯＦＦからＯＮへ切り換える際の改質器１００に対する都市ガスの供給／停止状態、リレースイッチＡのＯＮ／ＯＦＦ状態、およびＤＣ−ＡＣインバータ３０２の目標電流値Ｉｉｎｖを示すタイミングチャートである。
【図９】変形例における制御部６００の制御手順の主要部を示すフローチャートである。
【符号の説明】
５２…ガス流路
５４…水流路
５６…燃焼燃料流路
５８…流量制御弁
６０…流量センサ
６２…流量制御弁
６４…流量センサ
６６…流量制御弁
１００…改質器
１０２…蒸発部
１０４…燃焼部
１０６…熱交換器
１０８…改質部
１１０…ＣＯ酸化部
１１２…ブロワ
１１４…ブロア
１１６…ブロア
２００…燃料電池
２０２…水素極
２０４…酸素極
２０６…ブロア
２０８…冷却水路
３００…インバータＢＯＸ
３０２…ＤＣ−ＡＣインバータ
４００…家庭内電気負荷
４０２…電力センサ
５００…給湯対象
５０２…熱交換器
５０４…ガス給湯器
５０６…ガス流路
６００…制御部
７００…燃料電池装置
Ａ…リレースイッチ
Ｂ…リレースイッチ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to the power generated from the fuel cell device and the power introduced from the outside. Both at the same time The present invention relates to a fuel cell system capable of supplying an electric load.
[0002]
[Prior art]
The fuel cell system, which is environmentally friendly and excellent in energy saving, has been studied for its utility value as a small stationary power generation system used at home. For example, at home, the heat generated during power generation by the fuel cell can be used for hot water supply such as a bath, so that higher energy efficiency can be achieved by the cogeneration effect.
[0003]
As a fuel cell system currently used in such a home or the like, what is currently proposed is, for example, that hydrogen-rich fuel gas is generated from a commercial gas such as city gas by a reformer, and the fuel gas and air In this system, an oxidizing gas such as is supplied to a fuel cell to generate electricity through an electrochemical reaction. And since the voltage obtained by this electric power generation is a direct current, it is converted into alternating current by a DC-AC inverter, and is used for domestic electric loads, such as an air conditioner and a lighting fixture.
[0004]
In addition, by connecting an external line from the power company between the DC-AC inverter and the electrical load in the home, a shortage of self-generated energy from the fuel cell is purchased from the power company via this external line. The excess can be sold to the electric power company through this external line.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
When such a fuel cell system is used, if the cost (mainly gas fee) for generating electricity by the fuel cell is lower than the cost (electricity fee) for purchasing power from the power company , Running profits. However, because the cost of private power generation is low, if you generate too much power, the excess will be sold to the power company, so the selling price at that time will generate the excess. If it is cheaper than the necessary gas bill, it will generate a profit or loss of running. Accordingly, it is preferable in view of cost merit to reduce such excess as much as possible. In short, it is possible to generate the closest amount to the power consumed by the household electrical load with the fuel cell, and to cover the shortage or excess of the transient power by purchasing from the power company or selling to the power company. This is the basis of system operation.
[0006]
However, in the near future, as the use of fuel cell systems in such homes expands, there will be gas charges for self-power generation by fuel cells and electricity charges for purchasing power from electric power companies. Antagonism is expected. In such a case, it is possible to suppress the total running cost by switching the self-power generation by the fuel cell and the purchase of power from the power company every moment. However, specifically, how to switch is an issue.
[0007]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of solving the above-described problems of the prior art and optimally suppressing the total running cost.
[0008]
[Means for solving the problems and their functions and effects]
In order to achieve at least a part of the above object, a first fuel cell system of the present invention includes a fuel cell device that generates electric power upon receipt of fuel, and includes electric power generated from the fuel cell device. Of externally introduced power Both at the same time A fuel cell system capable of supplying an electric load,
Switching between the electric power from the fuel cell device and the electric power from the outside, a switching unit for supplying at least one of the two to the electric load,
The cost of the fuel when the power to be supplied to the electrical load is covered by the power from the fuel cell device, and the cost of the power when the power to be supplied to the electrical load is covered by power from the outside , And based on these calculated costs, a control unit that controls switching of power in the switching unit so that the total cost is reduced, and
It is a summary to provide.
[0009]
The first supply power switching method of the present invention includes a fuel cell device that generates power upon receipt of fuel supply, and the electric power generated from the fuel cell device and the electric power introduced from the outside. Both at the same time A method for switching power supply in a fuel cell system capable of supplying an electric load,
(A) The fuel cost when the power to be supplied to the electric load is covered by the power from the fuel cell device, and the power to be charged when the electric power to be supplied to the electric load is supplied from the outside Calculating the cost of
(B) Based on these calculated costs, a step of switching between electric power from the fuel cell device and external electric power so as to reduce the total cost, and supplying at least one of them to the electric load When,
It is a summary to provide.
[0010]
As described above, in the first fuel cell system or the supply power switching method, first, when the power to be supplied to the electric load is covered by the power from the fuel cell device, the fuel cost and the external power are used. Next, based on the calculated cost, the electric power from the fuel cell device and the external electric power are switched so that the total cost is reduced, and at least one of the two is selected. One is supplied to an electric load.
[0011]
Therefore, according to the first fuel cell system or the supply power switching method, since the power supply source can be selected so that the total cost becomes lower every moment, the total running cost can be optimally suppressed. Become. In addition, since such power switching is automatically performed, the user can use the power without worrying about switching, and can save labor.
[0012]
The second fuel cell system of the present invention includes a fuel cell device that receives power to generate fuel and generates electric power and discards heat generated when the electric power is generated, and the electric power generated from the fuel cell device is externally supplied. Of installed power Both at the same time A fuel cell system capable of supplying an electric load and waste heat from the fuel cell to a heat load,
Switching between the electric power from the fuel cell device and the electric power from the outside, a switching unit for supplying at least one of the two to the electric load,
The cost of the fuel when the power to be supplied to the electrical load is covered by the power from the fuel cell device, and the cost of the power when the power to be supplied to the electrical load is covered by power from the outside The cost of the fuel when the heat to be given to the heat load is covered by the heat obtained by burning the fuel, and the heat to be given to the heat load is covered by the waste heat from the fuel cell, the shortage And calculating the cost of the fuel when the fuel is covered by the heat obtained by burning the fuel, and based on the calculated cost, the power of the switching unit is reduced so that the total cost is reduced. A control unit for controlling the switching;
It is a summary to provide.
[0013]
A second supply power switching method of the present invention includes a fuel cell device that receives power supply to generate electric power and discards heat generated when the electric power is generated, and the electric power generated from the fuel cell device and the external Of power introduced from Both at the same time A method for switching supply power in a fuel cell system that can be supplied to an electrical load and that can supply waste heat from the fuel cell to a heat load,
(A) The fuel cost when the power to be supplied to the electric load is covered by the power from the fuel cell device, and the power to be charged when the electric power to be supplied to the electric load is supplied from the outside The cost of the fuel when the heat to be given to the heat load is covered by the heat obtained by burning the fuel, and the heat to be given to the heat load is covered by the waste heat from the fuel cell Calculating the cost of the fuel when the shortage is covered by the heat obtained by burning the fuel; and
(B) Based on these calculated costs, a step of switching between electric power from the fuel cell device and external electric power so as to reduce the total cost, and supplying at least one of them to the electric load When,
It is a summary to provide.
[0014]
As described above, in the second fuel cell system or the supply power switching method, first, when the power to be supplied to the electric load is covered by the power from the fuel cell device, the cost of the fuel and the power from the outside are covered. The cost of electric power required for the heat, the cost of the fuel when the heat to be given to the heat load is covered by the heat obtained by burning the fuel, and the waste heat from the fuel cell are covered, and the shortage is burned Then, the cost of fuel to be covered by the heat obtained from the above is calculated, and then the electric power from the fuel cell device and the electric power from the outside so that the total cost is reduced based on the calculated cost And at least one of them is supplied to the electric load.
[0015]
Therefore, also in the second fuel cell system or the supply power switching method, since the power supply source can be selected so that the total cost is reduced every moment, the total running cost can be optimally suppressed. . In addition, since such power switching is automatically performed, the user can use the power without worrying about switching, and can save labor. Furthermore, since cogeneration is actively considered, such as giving waste heat from the fuel cell to the heat load, the energy efficiency of the entire system can be improved.
[0016]
In the fuel cell system of the present invention, the control unit controls switching of electric power in the switching unit so that only one of electric power from the fuel cell device and electric power from the outside is supplied to the electric load. It is preferable to do.
[0017]
In this way, by controlling the power switching, the switching method is simplified, so that the control method does not have to be complicated.
[0018]
In the fuel cell system of the present invention, the fuel cell device comprises:
A reformer that reforms the fuel to produce a hydrogen-rich fuel gas;
A fuel cell that generates electric power in response to the supply of the generated fuel gas;
It is preferable to provide.
[0019]
Thus, by using the reformer, power can be generated by the fuel cell using commercial gas or the like as the fuel.
[0020]
In the fuel cell system of the present invention, the switching unit includes:
A DC-AC inverter that converts a DC voltage output from the fuel cell device into an AC voltage;
A first power supply line for supplying power from the fuel cell device to the electric load via the DC-AC inverter;
A second power supply line for supplying power to the electrical load from the outside;
A first switch disposed on the first power supply line and configured to switch between energization / cutoff with respect to the first power supply line;
A second switch disposed on the second power supply line and configured to switch energization / cutoff with respect to the second power supply line;
With
Preferably, the control unit controls the DC-AC inverter and the first and second switches.
[0021]
With this configuration, the output current from the fuel cell device can be reliably controlled by controlling the DC-AC inverter, and the first and second switches can be used to control the output current from the fuel cell device. It is possible to easily switch between power and external power.
[0022]
In the fuel cell system of the present invention, the fuel cell device comprises:
A reformer that reforms the fuel to produce a hydrogen-rich fuel gas;
A fuel cell that generates electric power in response to the supply of the generated fuel gas;
And the switching unit includes:
A DC-AC inverter that converts a DC voltage output from the fuel cell device into an AC voltage;
A first power supply line for supplying power from the fuel cell device to the electric load via the DC-AC inverter;
A second power supply line for supplying power to the electrical load from the outside;
A first switch disposed on the first power supply line and configured to switch between energization / cutoff with respect to the first power supply line;
A second switch disposed on the second power supply line and configured to switch energization / cutoff with respect to the second power supply line;
With
The control unit calculates a target current value to be output from the fuel cell from the amount of the fuel gas supplied to the fuel cell, and switches the first switch from energization to cutoff. When switching to energization, it is preferable to control the DC-AC inverter so that a current corresponding to the target current value is output from the fuel cell for a predetermined time immediately before switching.
[0023]
By controlling in this way, the fuel gas generated by the reformer is prevented from flowing into the atmosphere without being consumed by the fuel cell when the first switch switches from energization to cutoff. And a decrease in energy efficiency can be suppressed. In addition, when the first switch switches from shut-off to energization, fuel gas is consumed in the fuel cell as much as the amount generated by the reformer and power generation operation is performed, so that a polarization reaction is caused. And can gradually approach a steady state.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. Example configuration:
B. Function and operation of each component:
C. Control contents by control unit:
D. Variations:
D-1. Modification 1:
D-2. Modification 2:
D-3. Other variations:
[0025]
A. Example configuration:
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a fuel cell system as an embodiment of the present invention. The fuel cell system shown in FIG. 1 is a fuel cell system that can be used at home, etc., and uses city gas, which is a commercial gas, as fuel, generates hydrogen-rich fuel gas from the city gas, and the generated fuel Power is generated using gas to supply electric power to the household electrical load, and the heat generated during power generation is used for hot water supply such as a bath to obtain a cogeneration effect.
[0026]
This fuel cell system mainly includes a reformer 100 that generates hydrogen-rich fuel gas from city gas and water, and a fuel cell 200 that generates an electromotive force by an electrochemical reaction when supplied with the fuel gas and the oxidizing gas. , An inverter BOX 300 for switching between electric power from the electric power company and electric power from the fuel cell 200, and a control unit 600 composed of a CPU or the like. The reformer 100 and the fuel cell 200 constitute a fuel cell device 700.
[0027]
Among them, the reformer 100 is generated in the evaporation section 102 that receives the supply of city gas and water to vaporize and raise the temperature thereof, the combustion section 104 that generates heat required for the evaporation section 102, and the combustion section 104. A heat exchanger 106 that transfers heat to the evaporation unit 102, a reforming unit 108 that generates a fuel gas by a reforming reaction, and a carbon monoxide (CO) concentration in the fuel gas generated by the reforming unit 108 is oxidized. The CO oxidation unit 110 is reduced.
[0028]
The fuel cell 200 includes a hydrogen electrode 202 to which a fuel gas is supplied and an oxygen electrode 204 to which an oxidizing gas is supplied. The inverter BOX 300 includes a DC-AC inverter 302 that converts a direct current voltage from the fuel cell 200 into an alternating current voltage, a relay switch A that switches between energization / interruption of electric power from the fuel cell 200, and energization of electric power from an electric power company. Relay switch B for switching between / off.
[0029]
In addition, a gas flow path 52 for supplying city gas, which is a commercial gas, and a water flow path 54 for supplying water from the outside are connected to the evaporation unit 102. The gas flow path 52 is provided with a flow control valve 58 and a flow sensor 60, and the water flow path 54 is provided with a flow control valve 62 and a flow sensor 64. In addition, a combustion fuel flow path 56 for supplying combustion fuel is connected to the combustion unit 104, and a flow rate control valve 66 is provided in the combustion fuel flow path 56.
[0030]
Also, blowers 116, 112, 114 and 206 are connected to the combustion section 104, the reforming section 108, the CO oxidation section 110 and the fuel cell 200, respectively, by compressing and supplying air as an oxidizing gas.
[0031]
In addition, an output line from the fuel cell 200 and an external line from the electric power company are connected to the input of the inverter BOX 300, and the output is connected to the home electrical load 400 via the power sensor 402. Examples of the electrical load 400 in the home include an air conditioner, an electric fan heater, a refrigerator, a microwave oven, an electric rice cooker, a washing machine, an electric dryer, a lighting fixture, and a vacuum cleaner.
[0032]
In addition to the electrical load 400 in the home, there are hot water supply objects 500 such as baths and floor heating in the home. The hot water supply object 500 can be supplied with hot water from the gas water heater 504 and hot water from the heat exchanger 502. The gas water heater 504 is connected to a gas flow path 506 for supplying city gas which is commercial gas, and the heat exchanger 502 is connected to a cooling water path 208 led from the fuel cell 200. .
[0033]
B. Function and operation of each component:
The flow rate control valve 58 and the flow rate control valve 62 are respectively connected to the control unit 600 by a control line (not shown). Based on a control signal from the control unit 600, the amount of city gas supplied to the evaporation unit 102 and Adjust the amount of water. The flow sensor 60 and the flow sensor 64 are connected to the control unit 600 via detection lines (not shown), respectively, and detect the amount of city gas and water actually supplied to the evaporation unit 102. Then, the detection result is transmitted to the control unit 600.
[0034]
The evaporation unit 102 vaporizes the water supplied through the water flow path 54 and mixes it with the city gas supplied through the gas flow path 52 to generate a raw fuel gas composed of the city gas and water vapor. This is heated to a predetermined temperature and supplied to the reforming unit 108.
[0035]
Further, the evaporation unit 102 is provided with a combustion unit 104 provided with a combustion catalyst therein as a heat source for vaporizing and raising the temperature of city gas and water. Combustion fuel is supplied to the combustion unit 104 through the combustion fuel flow path 56, and air, which is an oxidizing gas, is supplied by a blower 116 provided side by side. The flow rate control valve 66 is connected to the control unit 600 through a control line (not shown), and adjusts the amount of combustion fuel supplied to the combustion unit 104 based on a control signal from the control unit 600.
[0036]
In the combustion unit 104, when combustion fuel is supplied, a combustion reaction proceeds on the catalyst using the fuel and air to generate desired heat. A heat exchanger 106 is provided between the combustion unit 104 and the evaporation unit 102, and heat generated in the combustion unit 104 is transmitted to the evaporation unit 102 by the heat exchanger 106. In addition, as combustion fuel supplied to the combustion part 104, city gas which is commercial gas may be used, and fuel off gas discharged | emitted from the fuel cell 200 mentioned later may be used.
[0037]
The reforming unit 108 includes a reforming catalyst therein, reforms the raw fuel gas composed of the supplied city gas and steam by a steam reforming reaction to generate a hydrogen-rich fuel gas, and CO 2 Supply to the oxidation unit 110. The main component of the city gas is methane, and as the reforming catalyst, for example, a nickel catalyst can be used. The steam reforming reaction occurs according to equation (1).
[0038]
CH _Four + 2H ₂ O → 4H ₂ + CO ₂ (1)
[0039]
As described above, the reforming unit 108 generates hydrogen-rich fuel gas by the steam reforming reaction. However, the reforming unit 108 is further supplied with air, which is an oxidizing gas, by the blower 112 provided in the reforming unit 108. Hydrogen is also generated by the partial oxidation reaction of city gas (methane). In this case, the heat required for the steam reforming reaction can be covered by the heat generated by the partial oxidation reaction.
[0040]
The CO oxidation unit 110 reduces the concentration of carbon monoxide in the fuel gas generated by the reforming unit 108 and supplies it to the fuel cell 200. The fuel gas generated in the reforming unit 108 contains a predetermined amount of carbon monoxide. When the fuel gas is supplied to the fuel cell 200 as it is, the catalyst is poisoned by the carbon monoxide in the fuel gas. This is because the chemical reaction is inhibited. The reaction that proceeds in the CO oxidation unit 110 is a carbon monoxide selective oxidation reaction that oxidizes carbon monoxide in preference to hydrogen abundantly contained in the fuel gas. For this reason, the CO oxidation unit 110 is supplied with air, which is an oxidizing gas, by a blower 114 provided together with the platinum catalyst, the ruthenium catalyst, the palladium catalyst, the gold catalyst, which are selective oxidation catalysts for carbon monoxide, Or the support | carrier which carry | supported the alloy catalyst which made these the 1st element is filled.
[0041]
The fuel cell 200 receives the supply of hydrogen-rich fuel gas from the reformer 100 and the supply of air, which is an oxidizing gas, by the blower 206 provided therewith. In accordance with such a reaction formula, an electrochemical reaction is caused to generate electric power.
[0042]
That is, when the hydrogen-rich fuel gas is supplied to the hydrogen electrode 202 and the air that is the oxidizing gas is supplied to the oxygen electrode 204, the reaction of the equation (2) occurs on the hydrogen electrode side, and the equation (3) on the oxygen electrode side. Each reaction occurs, and the reaction of the formula (4) is performed for the entire fuel cell.
[0043]
H ₂ → 2H ⁺ + 2e ^- (2)
2H ⁺ + 2e ^- + (1/2) O ₂ → H ₂ O (3)
H ₂ + (1/2) O ₂ → H ₂ O (4)
[0044]
The fuel cell 200 has a stack structure in which a plurality of single cells are stacked. One single cell includes an electrolyte membrane (not shown), a hydrogen electrode 202 that is a diffusion electrode sandwiching the electrolyte membrane from both sides, and The oxygen electrode 204 is composed of two separators (not shown) that sandwich them from both sides. Irregularities are formed on both surfaces of the separator, and a gas flow path in the single cell is formed between the sandwiched hydrogen electrode 202 and oxygen electrode 204. Among these, the fuel gas supplied as described above is supplied to the gas flow path in the single cell formed between the hydrogen electrode 202 and the gas flow path in the single cell formed between the oxygen electrode 204 and the oxygen gas 204. Each of the oxidizing gas flows. Then, the fuel gas and the oxidizing gas subjected to the electrochemical reaction are discharged as off-gas. Further, a cooling water channel is formed between the single cells for every several layers, and the heat generated by the above-described electrochemical reaction or the like is removed by flowing the cooling water into the cooling water channels.
[0045]
While the voltage generated in the fuel cell 200 is a DC voltage, the voltage used in the household electrical load 400 is an AC voltage. For this reason, a DC-AC inverter 302 is provided between the fuel cell 200 and the household electrical load 400, thereby converting a DC voltage generated in the fuel cell 200 into an AC voltage.
[0046]
The electric power input from the fuel cell 200 via the DC-AC inverter 302 is supplied to the household electrical load 400 via the relay switch A. In addition to the electric power from the fuel cell 200, electric power is input from an electric power company via an external line, and this electric power is supplied to the household electric load 400 via the relay switch B.
The relay switches A and B are each connected to the control unit 600 via a control line (not shown), and ON / OFF is switched based on a control signal from the control unit 600.
[0047]
A power sensor 402 provided between the inverter BOX 300 and the household electrical load 400 is connected to the control unit 600 via a detection line (not shown), and detects the power consumed by the household electrical load 400. Then, the detection result is transmitted to the control unit 600.
[0048]
On the other hand, warmed cooling water is supplied from the fuel cell 200 to the heat exchanger 502 via the cooling water channel 208. In the heat exchanger 502, the waste heat discarded by the fuel cell 200 is recovered in the cooling water, and hot water is supplied to the hot water supply target 500 such as a bath using the recovered heat.
[0049]
Moreover, city gas is supplied to the gas water heater 504 through the gas flow path 506, and hot water is supplied to the hot water supply target 500 by burning the city gas.
[0050]
The control unit 600 stores in advance a CPU (not shown) that executes predetermined calculations in accordance with a preset control program, and control programs and control data that are necessary for executing various calculation processes by the CPU. ROM (not shown), RAM (not shown) for temporarily reading and writing various data necessary for performing various arithmetic processes by the CPU, and various sensors such as flow sensors 60 and 64 and power sensor 402 The input / output port etc. which output a control signal to control objects, such as each blower already mentioned according to the calculation result in CPU, and a flow control valve, etc. are provided. The controller 600 controls the operating state of the entire fuel cell system by inputting and outputting various signals in this way.
[0051]
As described above, the fuel cell system according to the present embodiment uses the relay switch for the home electrical load 400 to generate power obtained by private power generation by the fuel cell 200 and power obtained by purchasing from an electric power company. A and B can be switched and supplied. In addition, the hot water supply target 500 can be supplied with hot water using city gas and can also be supplied with waste heat from the fuel cell 200.
[0052]
C. Control contents by control unit:
In this embodiment, in such a fuel cell system, the control unit 600 considers the cost for supplying hot water as well as the cost for supplying hot water, and the relay switches A and B so that the total cost is advantageous. Is switched. When the controller 600 switches the relay switches A and B, when one relay switch is turned on, the other relay switch is turned off.
[0053]
2 and 3 are flowcharts showing the control procedure of the control unit 600 in the fuel cell system of FIG. A circle A in FIG. 2 follows the circle A in FIG. The control routine shown in FIGS. 2 and 3 is repeated by the control unit 600 at regular intervals.
[0054]
When the control routine shown in FIG. 2 is started, the control unit 600 first purchases the electric power consumed by the electric load 400 in the home from the electric power company in order to obtain the cost for the electric power consumption in the home. The cost when it is assumed that it will be covered by is obtained (step S102). Specifically, the following processing is performed.
[0055]
That is, first, the control unit 600 inputs the detection result from the power sensor 402, and measures the power consumed by the household electrical load 400: Uki [kW] every sample time: DT (= 1 sec). Integrating 60 samples according to the equation (5), the power consumption amount Xk [kWh] for the past one minute is calculated.
[0056]
Xk [kWh] = Σ (Uki × DT) (5)
[0057]
Next, the control unit 600 calculates a cost: Ce [yen] when the power consumption Xk [kWh] used for the past one minute is purchased from an electric power company according to the equation (6).
[0058]
Ce [yen] = Ke1 + Ke2 × Xk (6)
[0059]
Here, Ke1 is a constant corresponding to the basic charge of electricity for the past one minute, and Ke2 is a coefficient corresponding to a unit charge unit price of electricity.
[0060]
In this way, it is possible to obtain the cost when it is assumed that power is provided by purchase from the power company.
[0061]
Next, the control part 600 calculates | requires the cost at the time of assuming that the electric power consumed by the household electrical load 400 is covered by the private power generation by the fuel cell 200 (step S104). Specifically, the following processing is performed.
[0062]
That is, first, the control unit 600 calculates the current: Ifc [A] to be output from the fuel cell 200 in order to cover the power consumed by the home electrical load 400: Uk [kW] according to the equation (7). To do.
[0063]
Ifc [A] = Kdcac × Uk / Vfc (7)
[0064]
Here, Kdcac is a constant including the conversion efficiency of the DC-AC inverter 302 in the inverter BOX 300, and Vfc [V] is a voltage output from the fuel cell 200. The output voltage may be a value detected by a voltage sensor (not shown) or an approximate nominal constant.
[0065]
Next, based on the reaction formula (2) in the fuel cell 200 described above, the control unit 600 outputs the calculated current: Ifc [A] from the fuel cell 200 to the amount of hydrogen: Fh [mol / S]. Specifically, it is calculated according to equation (8).
[0066]
Fh [mol / s] = Ifc × Kfch / (2 × F) (8)
[0067]
Here, F is the Faraday constant, and Kfch is the reciprocal of the hydrogen utilization rate in the fuel cell 200.
[0068]
Next, the controller 600, based on the reaction formula (1) in the reformer 100 described above, the methane flow rate necessary for generating the calculated hydrogen amount: Fh [mol / s] in the reformer 100. : Calculate Fm [mol / s]. Specifically, it is calculated according to equation (9).
[0069]
Fm [mol / s] = Fh / 4 (9)
[0070]
Next, in order for the control unit 600 to use the calculated methane flow rate: Fm [mol / s] in the reformer 100, the flow rate of city gas to be supplied to the reformer 100: Fk [mol / s]. Is calculated according to equation (10).
[0071]
Fk [mol / s] = Km2k × Fm (10)
[0072]
Natural gas is generally used as city gas, and nitrogen is mixed at a certain rate. Therefore, in order to correct in consideration of this nitrogen content, in equation (9), Km2k is multiplied as a coefficient.
[0073]
Thus, the control unit 600 calculates the flow rate Fki [mol / s] of the city gas to be supplied to the reformer 100 every sample time: DT (= 1 sec), and according to the equation (11), 60 samples are obtained. Is integrated, the amount of gas used in the past 1 minute: Vk [m ^Three ] Is calculated.
[0074]
Vk [m ^Three ] = Km2v × Σ (Fki × DT) (11)
[0075]
Here, Km2v is a coefficient for converting the number of moles to the volume of the standard state (20 ° C., 1 atm).
[0076]
That is, the calculated amount of gas used for the past minute Vk [m ^Three ] Is the amount of gas necessary to cover the above-mentioned electric power consumption Xk [kWh] for the past minute by reforming the city gas with the reformer 100 and performing in-house power generation with the fuel cell 200.
Therefore, next, the control unit 600 uses the calculated used gas amount Vk [m for the past one minute. ^Three ], The cost: Cg [yen] in the case of covering the used electric energy Xk [kWh] for the past one minute is calculated according to the equation (12).
[0077]
Cg [yen] = Kg1 + Kg2 × Vk (12)
[0078]
Here, Kg1 is a constant corresponding to the basic charge of gas for the past 1 minute, and Kg2 is a coefficient corresponding to the unit charge unit price of gas.
[0079]
In this way, it is possible to obtain the cost when it is assumed that power is provided by private power generation by the fuel cell.
[0080]
Next, the control unit 600 determines whether or not hot water is supplied to the hot water supply target 500 such as a bath at home (step S106), and if hot water is not supplied, the cost for hot water supply is determined. Since there is no need to consider it, the process proceeds to step S108. If hot water is supplied, it is necessary to consider the cost of hot water supply, and thus the process proceeds to step S114.
[0081]
In step S108, the control unit 600 uses the cost when it is assumed to be covered by the purchase from the electric power company obtained in step S102 (cost for the past one minute: Ce [yen]) and the fuel cell 200 obtained in step S104. Compared to the cost when assuming that it is covered by private power generation (cost for the past one minute: Cg [yen]), the latter (in-house power generation) cost Cg [yen] is more If the purchase cost is lower than the purchase cost Ce [yen], the relay flag RLYa corresponding to the relay switch A on the fuel cell side is turned ON and the relay flag RLYb corresponding to the relay switch B on the outside line is set according to the equation (13). Is turned OFF (step S110).
[0082]
IF Ce ≧ Cg THEN RLYa = ON, RLYb = OFF (13)
[0083]
On the contrary, if the cost Ce [yen] of the former (purchase from an electric power company) is cheaper than the cost Cg [yen] of the latter (in-house power generation), the relay on the fuel cell side according to equation (14) The relay flag RLYa corresponding to the switch A is turned OFF, and the relay flag RLYb corresponding to the outside line relay switch B is turned ON (step S112).
[0084]
IF Ce <Cg THEN RLYa = OFF, RLYb = ON (14)
[0085]
However, at this time, the controller 600 does not switch the relay switches A and B.
[0086]
The above is the processing when hot water is not supplied in the home. When this process ends, the process proceeds to the process after the circle A in FIG. 3 following the circle A in FIG.
[0087]
On the other hand, when hot water is supplied in the home, the controller 600 first supplies hot water by using only city gas in order to obtain the cost for hot water supply in the home (specifically, The cost when it is assumed that hot water is supplied only by the gas water heater 504 is obtained (step S114). Thus, when hot water is supplied using only city gas, the fuel cell 200 does not perform private power generation, and the waste heat of the fuel cell 200 cannot be used (when there is no cogeneration), that is, This corresponds to the case where the power consumption in the household electrical load 400 is covered by purchase from an electric power company. Specifically, the control unit 600 performs the following processing.
[0088]
First, the control unit 600 obtains the amount of heat necessary for hot water supply: Hb [kcal / s], and the flow amount of the city gas necessary for hot water supply when the heat amount Hb [kcal / s] is covered only by the use of the city gas. : Fb [mol / s] is calculated according to the equation (15).
[0089]
Fb [mol / s] = Kh2f × Hb (15)
[0090]
Here, Kh2f is a conversion coefficient composed of combustion heat of methane, which is a main component of city gas, a heat exchange rate of the gas water heater 504, and the like.
[0091]
The amount of heat Hb [kcal / s] required for hot water supply is acquired based on detection results from a temperature sensor (not shown), accumulated past data, and the like.
[0092]
Thus, the control unit 600 calculates the flow rate of city gas required for hot water supply: Fbi [mol / s] every sample time: DT (= 1 sec), and integrates 60 samples according to the equation (16). The amount of gas used in the past 1 minute (only hot water supply): Vb [m ^Three ] Is calculated.
[0093]
Vb [m ^Three ] = Km2v × Σ (Fbi × DT) (16)
[0094]
Here, as described above, Km2v is a coefficient for converting the number of moles to the volume of the standard state (20 ° C., 1 atm).
[0095]
Next, the control unit 600 calculates the amount of gas used for the past one minute (only hot water supply) Vb [m ^Three ], The cost: Cgb [yen] when hot water is supplied for only the past 1 minute using only city gas is calculated according to the equation (17).
[0096]
Cgb [yen] = Kg1 + Kg2 × Vb (17)
[0097]
Here, as described above, Kg1 is a constant corresponding to the basic gas charge for the past one minute, and Kg2 is a coefficient corresponding to the unit charge unit price of gas.
[0098]
Thus, it is possible to obtain the cost when it is assumed that hot water is supplied by using only city gas.
[0099]
Next, the control part 600 calculates | requires the cost when it assumes that hot water supply is performed by utilizing the waste heat from the fuel cell 200 at least (when there exists cogeneration) (step S116). As described above, the case where hot water is supplied using waste heat from the fuel cell 200 corresponds to the case where the power consumption in the home electric load 400 is covered by private power generation by the fuel cell 200. Hot water supply using only the waste heat (specifically, hot water supply using only the heat exchanger 502), waste heat from the fuel cell 200 is used, and city gas is also used to supply hot water. It is divided into cases where hot water is supplied (that is, hot water is supplied by both the heat exchanger 502 and the gas water heater 504). Specifically, the control unit 600 performs the following processing.
[0100]
That is, first, as shown in Expression (18), the control unit 600 is stored in advance in a ROM (not shown) based on the output current Ifc [A] of the fuel cell 200 calculated in Step S104 described above. The amount of recovered heat: Hrec [kcal / s] is obtained from the map.
[0101]
Hrec [kcal / s] = MAP (Ifc) (18)
[0102]
Here, Hrec is the amount of heat recovered when the heat exchanger 502 recovers the waste heat discarded by the fuel cell 200 into the cooling water. This recovered heat amount Hrec has a correlation as shown in FIG. 4, for example, with the output current Ifc [A] of the fuel cell 200.
[0103]
Next, the control unit 600 acquires the amount of heat necessary for hot water supply: Hb [kcal / s], and covers the amount of heat Hb [kcal / s] by using city gas and using waste heat from the fuel cell 200. In this case, the flow rate of city gas necessary for hot water supply: Fbc [mol / s] is calculated according to the equation (19).
[0104]
However, when Hb ≦ Hrec, the amount of heat Hb necessary for hot water supply can be covered entirely by the amount of heat Hrec recovered from the waste heat of the fuel cell 200, so that it is not necessary to use city gas for hot water supply. Therefore, the flow rate Fbc of city gas necessary for hot water supply is zero.
[0105]
On the other hand, when Hb> Hrec, the amount of heat Hb necessary for hot water supply is insufficient with only the amount of heat Hrec recovered from the waste heat of the fuel cell 200, so it is necessary to supplement the amount of heat using city gas. Therefore, the flow rate Fbc of city gas necessary for hot water supply follows the equation (19).
[0106]
Fbc [mol / s] = Kh2f × (Hb−Hrec) (19)
[0107]
Here, Kh2f is a conversion coefficient composed of the combustion heat of methane, which is the main component of city gas, the heat exchange rate of the gas water heater 504, and the like, as described above.
[0108]
Thus, the control unit 600 calculates the flow rate of city gas required for hot water supply: Fbci [mol / s] every sample time: DT (= 1 sec), and integrates 60 samples according to the equation (20). The amount of gas used in the past 1 minute (only hot water supply): Vbc [m ^Three ] Is calculated.
[0109]
Vbc [m ^Three ] = Km2v × Σ (Fbci × DT) (20)
[0110]
Here, as described above, Km2v is a coefficient for converting the number of moles to the volume of the standard state (20 ° C., 1 atm).
[0111]
Next, the control unit 600 calculates the amount of gas used for the past one minute (only hot water supply) Vbc [m ^Three ], The cost: Cgbc [yen] when hot water is supplied for 1 minute using the city gas and the waste heat from the fuel cell 200 is calculated according to the equation (21).
[0112]
Cgbc [yen] = Kg1 + Kg2 × Vbc (21)
[0113]
Here, as described above, Kg1 is a constant corresponding to the basic gas charge for the past one minute, and Kg2 is a coefficient corresponding to the unit charge unit price of gas.
[0114]
Thus, it is possible to obtain the cost when it is assumed that hot water is supplied by using at least the waste heat from the fuel cell 200.
[0115]
As described above, when hot water is supplied at home, the following two modes of use are conceivable. That is, the first is that the power consumption in the household electric load 400 is covered by purchase from an electric power company, and hot water supply to the hot water supply target 500 is performed by using only city gas, that is, there is no cogeneration. The form of the case. The second is a mode in which power consumption in the household electrical load 400 is covered by in-house power generation by the fuel cell 200, and hot water supply to the hot water supply target 500 is performed by using at least waste heat from the fuel cell 200, That is, it is a form in the case where there is cogeneration.
[0116]
The cost in the case of the former usage pattern is the cost when it is assumed to be covered by the purchase from the electric power company obtained in step S102 (cost for the past one minute: Ce [yen]) and the city gas obtained in step S114. It is the sum Ce + Cgb [yen] with the cost (cost for the past one minute: Cgb [yen]) when it is assumed that hot water is supplied using only this. On the other hand, the cost in the latter usage mode is obtained in step S116 as the cost (assuming the cost for the past one minute: Cg [yen]) assumed to be covered by the self-power generation by the fuel cell 200 obtained in step S104. Further, the sum of the cost (cost for the past 1 minute: Cgbc [yen]) and Cg + Cgbc [yen] when it is assumed that hot water supply is performed using at least waste heat from the fuel cell 200.
[0117]
Therefore, the control unit 600 costs in the case of the former usage mode (cost in the past 1 minute: Ce + Cgb [yen]) and cost in the case of the latter usage mode (cost in the past 1 minute: Cg + Cgbc [yen]). ) And the cost Cg + Cgbc [yen] in the case of the latter usage mode (such as private power generation) is the cost Ce + Cgb [yen] in the case of the former usage mode (such as purchase from an electric power company) ], The relay flag RLYa corresponding to the fuel cell side relay switch A is turned ON and the relay flag RLYb corresponding to the outside line side relay switch B is turned OFF according to the equation (22) (step S120). ).
[0118]
IF Ce + Cgb ≧ Cg + Cgbc THEN RLYa = ON, RLYb = OFF
(22)
[0119]
Conversely, the cost Ce + Cgb [yen] in the case of the former usage pattern (purchase from an electric power company, etc.) is cheaper than the cost Cg + Cgbc [yen] in the latter usage pattern (in-house power generation, etc.) In accordance with the equation (23), the relay flag RLYa corresponding to the relay switch A on the fuel cell side is turned OFF, and the relay flag RLYb corresponding to the relay switch B on the outer line side is turned ON (step S122).
[0120]
IF Ce + Cgb <Cg + Cgbc THEN RLYa = OFF, RLYb = ON
(23)
[0121]
However, at this time, the controller 600 does not switch the relay switches A and B.
[0122]
The above is the processing when hot water is supplied in the home. When this process ends, the process proceeds to the process after the circle A in FIG. 3 following the circle A in FIG.
[0123]
By the way, in general, the fuel cell system has a feature that the response of the reformer is about 10 times slower than that of the fuel cell. For this reason, for example, when the operating fuel cell system is suddenly stopped, it is possible to suddenly stop the drawing of current from the fuel cell by the inverter, but in the reformer, the supply of city gas is suddenly stopped. However, since the reforming reaction lasts for a few seconds (several seconds), the fuel gas (including hydrogen) generated during that time must be discarded into the atmosphere, resulting in a problem of reduced energy efficiency. It was. Conversely, when a stopped fuel cell system is started, even if an attempt is made to generate power suddenly in the fuel cell, fuel gas generation in the reformer is not in time, and in this state, current is drawn from the fuel cell by the inverter. In this case, there is a problem in that the polarization reaction appears remarkably in the fuel cell, and the output voltage of the fuel cell rapidly decreases.
[0124]
In the fuel cell system shown in FIG. 1, the former problem may occur when the relay switch A is switched from ON to OFF, and the latter problem may occur when the relay switch A is switched from OFF to ON. There is. Therefore, in this embodiment, as described below, the target current value of the DC-AC inverter 302 is calculated from the amount of hydrogen supplied to the fuel cell 200, and when the ON / OFF of the relay switch A is switched, The coordinated control of the DC-AC inverter 302 is performed using the target current value. Hereinafter, specific processing of the control unit 600 will be described.
[0125]
That is, in the control routine shown in FIG. 3, first, the control unit 600 obtains the target current value of the DC-AC inverter 302 from the amount of hydrogen supplied to the fuel cell 200 (step S124). Specifically, it is as follows.
[0126]
First, the control unit 600 obtains the measured value of the city gas flow rate: Fk [mol / s] from the detection result of the flow sensor 60, and supplies the measured value to the fuel cell 200 from the value using the reformer model. Estimated value of hydrogen amount: Fest [mol / s] is calculated.
For example, if the reformer 100 is represented by a “first-order lag + dead time” system, the estimated value Fhest [mol / s] is as shown in Expression (24).
[0127]
Fest [mol / s] = exp (τk × S) / (Tk × S + 1) × Fk
(24)
[0128]
Here, τk and Tk are the dead time and time constant of the reformer 100, and S is a Laplace operator.
[0129]
Equation (24) is so-called open-loop estimation. However, in order to further improve the accuracy, closed-loop estimation may be performed using a Kalman filter or the like.
[0130]
Next, the control unit 600 supplies this amount of hydrogen to the fuel cell 200 with respect to the calculated estimated amount Fest [mol / s] of hydrogen, and the fuel cell 200 consumes the amount of hydrogen without excess or deficiency. Thus, the output current Ifc [A] of the fuel cell 200 when power generation is appropriately performed is obtained by calculating back the equation (8), and the value is obtained as a target current value of the DC-AC inverter 302: Iinv [ A]. That is, by subtracting the current from the fuel cell 200 by the target current value Iinv [A] by the DC-AC inverter 302, the fuel cell 200 consumes the supplied hydrogen amount Fhest [mol / s] without excess or deficiency. Will be generated.
[0131]
Specifically, the target current value Iinv [A] of the DC-AC inverter 302 is as shown in Expression (25).
[0132]
Iinv [A] = Fhes × (2 × F) / Kfch (25)
[0133]
Next, the control unit 600 confirms the ON / OFF state of the relay switches A and B and the ON / OFF state of the relay flags RLYa and RLYb (step S126). As a result of the confirmation, if the relay switch A is ON and the relay flag RLYa is OFF (step S128), the switching process from ON to OFF of the relay switch A is permitted (step S130). The control routine shown in FIG. 3 is exited. If relay switch A is OFF and relay flag RLYa is ON (step S132), the switching process of relay switch A from OFF to ON is permitted (step S132), as shown in FIG. Exit the control routine. In cases other than the above, the control routine shown in FIG. Above, description of the control routine shown in FIG. 3 is complete | finished.
[0134]
Next, FIG. 5 is a flowchart showing a processing procedure for switching the relay switch A from ON to OFF.
[0135]
When the switching process of relay switch A from ON to OFF is permitted, control unit 600 starts the switching process shown in FIG. 5 in parallel with the control routine shown in FIGS. To do. First, the controller 600 controls the flow rate control valve 58 to stop the supply of city gas to the reformer 100 (step S202). Next, every time the process of step S124 of FIG. 3 is repeated, the control unit 600 performs cooperative control of the DC-AC inverter 302 based on the calculated target current value Iinv [A] (step S204). That is, the control unit 600 controls the DC-AC inverter 302 so as to draw a current corresponding to the target current value Iinv [A] from the fuel cell 200 as an output current. Then, after a predetermined time has elapsed since the stop of the supply of city gas, the control unit 600 ends the cooperative control of the DC-AC inverter 302, switches the relay switch A from ON to OFF, and simultaneously switches the relay switch B from OFF to ON. Switching (step S206). Thus, the switching process from ON to OFF of the relay switch A is completed.
[0136]
A timing chart in this case is shown in FIG. 6A shows the supply / stop state of the city gas to the reformer 100, FIG. 6B shows the ON / OFF state of the relay switch A, and FIG. 6C shows the target current of the DC-AC inverter 302. The value Iinv is indicated. The horizontal axis is time.
[0137]
As shown in FIG. 6, after the supply of city gas to the reformer 100 is stopped, the DC-AC inverter 302 is cooperatively controlled according to the target current value Iinv, and after a predetermined time has elapsed when the target current value Iinv decreases. The relay switch A is switched from ON to OFF.
[0138]
As described above, after the supply of city gas to the reformer 100 is stopped by performing cooperative control of the DC-AC inverter 302 when the relay switch A is switched from ON to OFF, Even if the reforming reaction continues for a while and the fuel gas is generated, the fuel gas is consumed without excess or deficiency in the fuel cell 200 and the power generation operation is gradually terminated, so the fuel gas is discarded into the atmosphere. Energy efficiency can be improved.
[0139]
Next, FIG. 7 is a flowchart showing a processing procedure for switching the relay switch A from OFF to ON.
[0140]
On the other hand, when the switching process of the relay switch A from OFF to ON is permitted, the control unit 600 performs the processing shown in FIG. 7 in parallel with the control routine shown in FIGS. The switching process shown is started. First, the control unit 600 controls the flow rate control valve 58 to start the supply of city gas to the reformer 100 (step S302). Next, every time the process of step S124 of FIG. 3 is repeated, the control unit 600 performs the same cooperative control of the DC-AC inverter 302 as described above based on the calculated target current value Iinv [A]. (Step S304). When a predetermined time has elapsed from the start of the city gas supply, the control unit 600 ends the cooperative control of the DC-AC inverter 302 and switches the relay switch A from OFF to ON, and at the same time switches the relay switch B from ON to OFF. (Step S306). Thus, the switching process of the relay switch A from OFF to ON is completed.
[0141]
A timing chart in this case is shown in FIG. In FIG. 8, (a) shows the supply / stop state of the city gas to the reformer 100, (b) shows the ON / OFF state of the relay switch A, and (c) shows the target current of the DC-AC inverter 302. The value Iinv is indicated. The horizontal axis is time.
[0142]
As shown in FIG. 8, after the start of the city gas to the reformer 100 is stopped, the DC-AC inverter 302 is cooperatively controlled according to the target current value Iinv, and after a predetermined time has elapsed when the target current value Iinv has increased. The relay switch A is switched from OFF to ON.
[0143]
As described above, when the relay switch A is switched from OFF to ON, the coordinated control of the DC-AC inverter 302 is performed, so that the city gas is generated in the reformer 100 after the supply of the city gas to the reformer 100 is started. Since the fuel cell 200 consumes the fuel gas without excess or deficiency and performs the power generation operation, it can gradually approach the steady state without causing a polarization reaction.
[0144]
As described above, according to the present embodiment, the power supply source can be selected by switching between the power from the fuel cell 200 or the power from the power company so that the total cost becomes lower every moment. Therefore, the total running cost can be suppressed optimally. In addition, since such power switching is automatically performed, the user can use the power without worrying about switching, and can save labor. Further, since cogeneration is actively taken into account, such as using waste heat from the fuel cell 200 for hot water supply, the energy efficiency of the entire system can be improved.
[0145]
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the invention.
[0146]
D. Variations:
D-1. Modification 1:
In the above embodiment, when switching the relay switches A and B, the control unit 600 switches so that when one relay switch is turned on, the other relay switch is turned off. However, when the relay switch A is ON and the electric power obtained by the private power generation by the fuel cell 200 is supplied to the domestic electric load 400, the electric load suddenly increases and the fuel gas in the reformer 100 If the generation of power cannot catch up (transient worst case), it is necessary to compensate for the shortage by transiently receiving power supply from the electric power company via the external line. Therefore, a modified example to which such control is added will be described.
[0147]
In this modification, the control unit 600 turns on the relay switch B as necessary when the relay switch A is on.
[0148]
FIG. 9 is a flowchart showing the main part of the control procedure of the control unit 600 in this modification. The process shown in FIG. 9 is added to the end of the control routine of FIGS.
[0149]
As shown in FIG. 9, the control unit 600 confirms the electrical load in the home calculated in step S104 of FIG. 2 when the relay switch A is ON (step S136) as a result of confirmation in step S126 of FIG. The current Ifc [A] to be output from the fuel cell 200 to cover the power consumption at 400, that is, the requested value and the supplied hydrogen amount calculated in step S124 in FIG. A difference between the output current of the fuel cell 200 (target current value of the DC-AC inverter 302) Iinv [A], that is, a feasible value when power generation is appropriately performed, and the difference (Ifc-Iinv) Is greater than the threshold value Kth (step S138). Here, Kth is a threshold value for permitting ON of the relay switch B when the relay switch A is ON.
[0150]
As a result of the determination, if the difference (Ifc−Iinv) is larger than the threshold value Kth, that is, if the required value Ifc of the output current of the fuel cell 200 is too large compared to the feasible value Iinv, the electrical load increases rapidly. Then, it is determined that the generation of fuel gas in the reformer 100 has not caught up (that is, the transient worst case), and the control unit 600 turns on the relay switch B (step S140).
[0151]
In other cases, the control unit 600 does nothing and exits the control routines of FIGS.
[0152]
By performing such control, even if the electrical load suddenly increases and the generation of fuel gas in the reformer 100 cannot catch up (transient worst case), the power supply is supplied from the power company, and the shortage Can be supplemented. In addition, stable operation can be ensured even when the power generation capability of the fuel cell 200 becomes insufficient during the cooperative control performed in step S204 of FIG.
[0153]
D-2. Modification 2:
In the above-described embodiment, when the target current value Iinv [A] of the DC-AC inverter 302 is obtained in step S124 of FIG. 3, the fuel gas is obtained from the measured value Fk of the city gas flow rate, which is the detection result of the flow sensor 60. Although the amount of hydrogen supplied to the battery 200 is estimated, a desired sensor is provided in the gas flow path from the reformer 100 to the fuel cell 200 (preferably, the fuel gas of the fuel cell 200 is provided in the fuel cell 200. The amount of supplied hydrogen may be directly measured, in which case the controller 600 determines the target current value of the DC-AC inverter 302 from the measured value: Fhmes [mol / s] according to the equation (26). Iinv [A] is obtained.
[0154]
Iinv [A] = Fhmes × (2 × F) / Kfch (26)
[0155]
By using such a method, the target current value Iinv [A] of the DC-AC inverter 302 can be obtained with higher accuracy.
[0156]
D-3. Other variations:
In the above-described embodiment, the hot water supply target is given as an example of the heat load. However, in the case of a bath or the like, hot water supply is performed by the heat exchanger 502 and the gas water heater 504, and additional cooking may be performed by a gas kettle. . Even in such a case, the present invention is naturally applicable.
[0157]
Further, the fuel supplied to the fuel cell device 700 includes city gas and propane gas, which are commercial gases, alcohol such as ethanol and methanol, petroleum fuel such as gasoline and kerosene, aldehyde, ether, and the like. .
[0158]
Needless to say, the fuel cell system of the present invention can be used not only for home use but also for business use such as offices and convenience stores.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system as an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart showing the first half of a control procedure of a control unit 600 in the fuel cell system of FIG. 1;
FIG. 3 is a flowchart showing the latter half of the control procedure of the control unit 600 in the fuel cell system of FIG. 1;
4 is a graph showing a correlation between an output current Ifc of the fuel cell 200 in FIG. 1 and a recovered heat amount Hrec in the heat exchanger 502. FIG.
5 is a flowchart showing a processing procedure of switching processing from ON to OFF of relay switch A in FIG. 1. FIG.
6 shows the supply / stop state of city gas to the reformer 100 when switching the relay switch A from ON to OFF in FIG. 1, the ON / OFF state of the relay switch A, and the target current value of the DC-AC inverter 302. FIG. It is a timing chart which shows Iinv.
7 is a flowchart showing a processing procedure for switching from OFF to ON of relay switch A in FIG. 1; FIG.
8 shows the supply / stop state of city gas to the reformer 100 when switching the relay switch A from OFF to ON in FIG. 1, the ON / OFF state of the relay switch A, and the target current value of the DC-AC inverter 302. It is a timing chart which shows Iinv.
FIG. 9 is a flowchart showing a main part of a control procedure of a control unit 600 in a modified example.
[Explanation of symbols]
52 ... Gas flow path
54 ... Water channel
56 ... Combustion fuel flow path
58 ... Flow control valve
60 ... Flow sensor
62 ... Flow control valve
64 ... Flow sensor
66 ... Flow control valve
100 ... reformer
102 ... Evaporation part
104 ... Combustion section
106 ... heat exchanger
108 ... reforming section
110 ... CO oxidation part
112 ... Blower
114 ... Blower
116 ... Blower
200: Fuel cell
202 ... Hydrogen electrode
204 ... Oxygen electrode
206 ... Blower
208: Cooling water channel
300 ... Inverter BOX
302 ... DC-AC inverter
400: Domestic electrical load
402: Power sensor
500 ... hot water supply target
502 ... Heat exchanger
504 ... Gas water heater
506: Gas flow path
600 ... Control unit
700 ... Fuel cell device
A ... Relay switch
B ... Relay switch

Claims

A fuel cell system that includes a fuel cell device that generates power upon receiving fuel supply, and that can supply both electric power generated from the fuel cell device and externally introduced power to an electric load at the same time. And
The fuel cell device comprises:
A reformer that reforms the fuel to produce a hydrogen-rich fuel gas;
A fuel cell that generates electric power in response to the supply of the generated fuel gas;
With
The fuel cell system includes:
Supplying electric power from the fuel cell device to the electric load, supplying electric power from the outside to the electric load, or supplying both electric power from the fuel cell device and external electric power to the electric load A switching section for switching between
The cost of the fuel when the power to be supplied to the electrical load is covered by the power from the fuel cell device, and the cost of the power when the power to be supplied to the electrical load is covered by power from the outside , And based on these calculated costs, a control unit that controls switching of power in the switching unit so that the total cost is reduced, and
Equipped with a,
The switching unit is
A DC-AC inverter that converts a DC voltage output from the fuel cell device into an AC voltage;
A first power supply line for supplying power from the fuel cell device to the electric load via the DC-AC inverter;
A second power supply line for supplying power to the electrical load from the outside;
A first switch disposed on the first power supply line and configured to switch between energization / cutoff with respect to the first power supply line;
A second switch disposed on the second power supply line and configured to switch energization / cutoff with respect to the second power supply line;
With
The control unit calculates a target current value to be output from the fuel cell from the amount of the fuel gas supplied to the fuel cell, and switches the first switch from energization to cutoff. When switching to energization, the fuel cell system controls the DC-AC inverter so that a current corresponding to the target current value is output from the fuel cell for a predetermined time immediately before switching .

A fuel cell device that generates power upon receiving fuel supply and discards heat generated at the time of power generation, and simultaneously uses both the power generated from the fuel cell device and the power introduced from the outside as an electric load A fuel cell system capable of supplying and supplying waste heat from the fuel cell to a heat load,
The fuel cell device comprises:
A reformer that reforms the fuel to produce a hydrogen-rich fuel gas;
A fuel cell that generates electric power in response to the supply of the generated fuel gas;
With
The fuel cell system includes:
Supplying electric power from the fuel cell device to the electric load, supplying electric power from the outside to the electric load, or supplying both electric power from the fuel cell device and external electric power to the electric load A switching section for switching between
The cost of the fuel when the power to be supplied to the electrical load is covered by the power from the fuel cell device, and the cost of the power when the power to be supplied to the electrical load is covered by power from the outside The cost of the fuel when the heat to be given to the heat load is covered by the heat obtained by burning the fuel, and the heat to be given to the heat load is covered by the waste heat from the fuel cell, the shortage And calculating the cost of the fuel when the fuel is covered by the heat obtained by burning the fuel, and based on the calculated cost, the power of the switching unit is reduced so that the total cost is reduced. A control unit for controlling the switching;
Equipped with a,
The switching unit is
A DC-AC inverter that converts a DC voltage output from the fuel cell device into an AC voltage;
A first power supply line for supplying power from the fuel cell device to the electric load via the DC-AC inverter;
A second power supply line for supplying power to the electrical load from the outside;
A first switch disposed on the first power supply line and configured to switch between energization / cutoff with respect to the first power supply line;
A second switch disposed on the second power supply line and configured to switch energization / cutoff with respect to the second power supply line;
With
The control unit calculates a target current value to be output from the fuel cell from the amount of the fuel gas supplied to the fuel cell, and switches the first switch from energization to cutoff. When switching to energization, the fuel cell system controls the DC-AC inverter so that a current corresponding to the target current value is output from the fuel cell for a predetermined time immediately before switching .

The fuel cell system according to claim 1 or 2,
The control unit controls switching of electric power in the switching unit so as to supply only one of electric power from the fuel cell device and external electric power to the electric load. system.

Supply in a fuel cell system comprising a fuel cell device that generates electric power upon receipt of fuel, and capable of simultaneously supplying both electric power generated from the fuel cell device and electric power introduced from the outside to an electric load A method for switching power,
The fuel cell device comprises:
A reformer that reforms the fuel to produce a hydrogen-rich fuel gas;
A fuel cell that generates electric power in response to the supply of the generated fuel gas;
With
The fuel cell system includes:
Supplying electric power from the fuel cell device to the electric load, supplying electric power from the outside to the electric load, or supplying both electric power from the fuel cell device and external electric power to the electric load A switching unit for switching between
The switching unit is
A DC-AC inverter that converts a DC voltage output from the fuel cell device into an AC voltage;
A first power supply line for supplying power from the fuel cell device to the electric load via the DC-AC inverter;
A second power supply line for supplying power to the electrical load from the outside;
A first switch disposed on the first power supply line and configured to switch between energization / cutoff with respect to the first power supply line;
A second switch disposed on the second power supply line and configured to switch energization / cutoff with respect to the second power supply line;
With
The switching method is:
(A) The fuel cost when the power to be supplied to the electric load is covered by the power from the fuel cell device, and the power to be charged when the electric power to be supplied to the electric load is supplied from the outside Calculating the cost of
(B) based on these calculated costs, controlling the switching of power in the switching unit so that the total cost is reduced;
Equipped with a,
In the step (b), a target current value to be output from the fuel cell is calculated from the amount of the fuel gas supplied to the fuel cell, and the first switch is turned off from energization, or A supply power switching method including a step of controlling the DC-AC inverter so that a current corresponding to the target current value is output from the fuel cell for a predetermined time immediately before switching when switching from shut-off to energization .

A fuel cell device that generates power upon receiving fuel supply and discards heat generated at the time of power generation, and simultaneously uses both the power generated from the fuel cell device and the power introduced from the outside as an electric load A method for switching supply power in a fuel cell system capable of supplying and supplying waste heat from the fuel cell to a heat load,
The fuel cell device comprises:
A reformer that reforms the fuel to produce a hydrogen-rich fuel gas;
A fuel cell that generates electric power in response to the supply of the generated fuel gas;
With
The fuel cell system includes:
Supplying electric power from the fuel cell device to the electric load, supplying electric power from the outside to the electric load, or supplying both electric power from the fuel cell device and external electric power to the electric load A switching unit for switching between
The switching unit is
A DC-AC inverter that converts a DC voltage output from the fuel cell device into an AC voltage;
A first power supply line for supplying power from the fuel cell device to the electric load via the DC-AC inverter;
A second power supply line for supplying power to the electrical load from the outside;
A first switch disposed on the first power supply line and configured to switch between energization / cutoff with respect to the first power supply line;
A second switch disposed on the second power supply line and configured to switch energization / cutoff with respect to the second power supply line;
With
The switching method is:
(A) The fuel cost when the power to be supplied to the electric load is covered by the power from the fuel cell device, and the power to be charged when the electric power to be supplied to the electric load is supplied from the outside The cost of the fuel when the heat to be given to the heat load is covered by the heat obtained by burning the fuel, and the heat to be given to the heat load is covered by the waste heat from the fuel cell Calculating the cost of the fuel when the shortage is covered by the heat obtained by burning the fuel; and
(B) based on these calculated costs, controlling the switching of power in the switching unit so that the total cost is reduced;
Equipped with a,
In the step (b), a target current value to be output from the fuel cell is calculated from the amount of the fuel gas supplied to the fuel cell, and the first switch is turned off from energization, or A supply power switching method including a step of controlling the DC-AC inverter so that a current corresponding to the target current value is output from the fuel cell for a predetermined time immediately before switching when switching from shut-off to energization .