JP5855955B2 - エネルギー管理装置 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池及び負荷に接続されたエネルギー管理装置に関する。

近年、例えば１戸建て等の家屋毎に設けられるエネルギー管理装置（例えば、ＨＥＭＳ：Ｈｏｍｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）により各家屋における負荷や、各家屋に設けられる分散電源などを制御する技術が提唱されている。分散電源としては、燃料電池、太陽電池等の発電装置が例示される。

そして、ＨＥＭＳにおいては、上述の分散電源を単独の発電装置だけではなく、例えば燃料電池と太陽光発電といった複数の発電装置を組み合わせて電力を家庭に供給することが提唱されており、特に燃料電池により供給される電力は、一般的に各家屋における負荷（消費電力）に追従するように制御されて供給される（例えば、特許文献１参照。）

特開２０１０−１５７８３号公報

ところで、上述の分散電源の１つとして知られている固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を、他の分散電源（例えば太陽光発電や風力発電）とを組み合わせたエネルギー管理装置においては、他の分散電源の発電量と固体酸化物形燃料電池の発電量を組み合わせて所定量の発電を行なうよう制御されるが、場合によっては相互補完ができずに、所定量の発電を行なうことが困難になる場合があった。

それゆえ、本発明は、固体酸化物形燃料電池と他の分散電源とを組み合わせてなるエネルギー管理装置において、より安定的に所定量の発電を行なうことができるエネルギー管理装置および運転方法に関する。

本発明のエネルギー管理装置は、燃料電池セルと、該燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための水蒸気改質を行なう改質器と、該改質器に水を供給するための水供給装置とを備え、前記燃料電池セルで発電に使用されなかった燃料ガスを燃料させる構成を有
する分散電源である固体酸化物形燃料電池と、他の分散電源と、前記固体酸化物形燃料電池と前記他の分散電源との発電量を制御する制御装置とを備え、該制御装置は、前記他の分散電源の単位時間当たりの発電量の低下量が第１の所定値以上となった場合に、前記固体酸化物形燃料電池の運転における燃料利用率を低下させる制御、前記固体酸化物形燃料電池の運転における空気利用率を低下させる制御、および前記改質器に供給される燃料中の炭素と、前記改質器に供給される水のモル比であるＳ／Ｃの値を低下させる制御のうち１つの制御を行ない、前記他の分散電源の単位時間当たりの発電量の低下量が、前記第１の所定値よりも高い値で設定された第２の所定量以上となった場合に、前記固体酸化物形燃料電池の運転における燃料利用率を低下させる制御、前記固体酸化物形燃料電池の運転における空気利用率を低下させる制御、および前記改質器に供給される燃料中の炭素と、前記改質器に供給される水のモル比であるＳ／Ｃの値を低下させる制御のうち２つを組み合わせて制御し、前記他の分散電源の単位時間当たりの発電量の低下量が、前記第２の所定値よりも高い値で設定された第３の所定量以上となった場合に、前記固体酸化物形燃料電池の運転における燃料利用率を低下させる制御、前記固体酸化物形燃料電池の運転における空気利用率を低下させる制御、および前記改質器に供給される燃料中の炭素と、前記改質器に供給される水のモル比であるＳ／Ｃの値を低下させる制御を全て組み合わせて制御することを特徴とする。

本発明のエネルギー管理装置は、分散電源の発電量の低下分を、固体酸化物形燃料電池の発電量の増加分で補完することができ、安定的に所定量の発電を行なうことができるエネルギー管理装置とすることができる。

エネルギー管理装置を構成する固体酸化物形燃料電池を備える燃料電池システムの一例を示したものである。 本実施形態のエネルギー管理装置の一例を示す構成図である。 本実施形態のエネルギー管理装置の運転方法の一例を示すフローチャートである。

まず、エネルギー管理装置を構成する固体酸化物形燃料電池（以下、燃料電池と略す。）について、図１を用いて説明する。

図１は、エネルギー管理装置を構成する燃料電池を備える燃料電池システムの構成の一例を示す構成図である。図１に示す燃料電池システムは、燃料電池の一例である発電ユニットと、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯ユニットと、これらのユニット間を水が循環するための循環配管とから構成されている。

図１に示す発電ユニットは、燃料極層、固体電解質層、空気極層を有する燃料電池セルを複数個組み合わせてなるセルスタック５、都市ガス等の原燃料を供給する原燃料供給手段１、セルスタック５を構成する燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給手段２、原燃料と水蒸気により原燃料を水蒸気改質する改質器３を備えている。なお、セルスタック５と改質器３とを収納容器に収納することで燃料電池モジュール４（以下、モジュールという場合がある。）が構成され、図１においては、二点鎖線により囲って示している。なお、図には示していないが、モジュール４内には、発電で使用されなかった燃料ガスを燃焼させるための着火装置が設けられている。

また、図１に示す発電ユニットにおいては、セルスタック５を構成する燃料電池セルの発電により生じた排ガス（排熱）と水とで熱交換を行なう熱交換器８に水を循環させる循環配管１５、熱交換器８で生成された凝縮水を純水に処理するための凝縮水処理装置９、凝縮水処理装置９にて処理された水（純水）を貯水するための水タンク１１とが設けられており、水タンク１１と熱交換器８との間が凝縮水供給管１０により接続されている。なお、熱交換器８での熱交換により生成される凝縮水の水質によっては、凝縮水処理装置９を設けない構成とすることもできる。また、凝縮水処理装置９が水を貯水する機能を有する場合には、水タンク１１を設けない構成とすることもできる。

水タンク１１に貯水された水は、水タンク１１と改質器３とを接続する水供給管１３に備えられた水ポンプ１２により改質器３に供給される。

さらに図１に示す発電ユニットは、モジュール４にて発電された直流電力を交流電力に変換し、変換された電気の外部負荷への供給量を調整するための供給電力調整部（パワーコンディショナ、以下パワコンと略す場合がある。）６、熱交換器８の出口に設けられ熱
交換器８の出口を流れる水（循環水流）の水温を測定するための出口水温センサ１４のほか、ＳＯＦＣ制御装置７が設けられており、循環配管１５内で水を循環させる循環ポンプ１７とあわせて発電ユニットが構成されている。そして、これら発電ユニットを構成する各装置を、後述する外装ケース内に収納することで、設置や持ち運び等が容易な燃料電池とすることができる。なお、貯湯ユニットは、熱交換後の湯水を貯湯するための貯湯タンク１６を具備して構成されている。

ここで、図１に示した燃料電池システムの運転方法について説明する。

燃料電池の起動時においては、ＳＯＦＣ制御装置７は、原燃料供給手段１、酸素含有ガス供給手段２、水ポンプ１２、着火装置を作動させる。この時点では、モジュール４の温度が低いため燃料電池セルでの発電や改質器３での改質反応は行われない。原燃料供給手段１により供給された燃料ガスは、発電に使用されなかった燃料ガスとしてほぼ全供給量が燃焼され、その燃焼熱により、モジュール４や改質器３の温度が上昇する。改質器３においては、温度が水蒸気改質可能な温度となれば、水蒸気改質を行ない、燃料電池セルの発電に必要な水素含有ガスである燃料ガスが生成される。なお、ＳＯＦＣ制御装置７は、改質器３が水蒸気改質可能な温度となった後に、水ポンプ１２を作動するように制御してもよい。燃料電池セルは、発電開始可能な温度となれば、改質器３にて生成された燃料ガスと、酸素含有ガス供給手段２より供給される酸素含有ガスとで発電を開始する。セルスタック５で生じた電気は、供給電力調整部６にて交流に変換された後、外部負荷に供給される。

なお、燃料電池セルにて発電が開始された後は、ＳＯＦＣ制御装置７は、燃料電池を効率よく運転するにあたり予め設定された、燃料利用率（Ｕｆ）、空気利用率（Ｕａ）、改質器３での水蒸気改質における燃料中の炭素と、水のモル比であるＳ／Ｃの値に基づき、原燃料供給手段１、酸素含有ガス供給手段２、水ポンプ１２等の動作を制御する。

なお、ここで言う燃料利用率とは、燃料ガスが全て燃料電池セル内で電池反応に消費されると仮定した時に、燃料ガスの組成と流量から理論的に計算される電流と、実際の電池反応で各燃料電池セルから出力された合計電流との比率を意味する。

また、ここで言う空気利用率とは、空気中の酸素が全て燃料電池セル内で電池反応に消費されることを仮定した時に、空気の組成と流量から理論的に計算される電流と、実際の電池反応で各燃料電池セルから出力された合計電流との比率を意味する。

一方、セルスタック５の運転に伴って生じた排ガスは、熱交換器８に供給され、循環配管１５を流れる水とで熱交換される。熱交換器８での熱交換により生じたお湯は、循環配管１５を流れて貯湯タンク１６に貯水される。一方、熱交換器８での熱交換によりセルスタック５より排出される排ガスに含まれる水が凝縮水となり、凝縮水供給管１０を通じて、凝縮水処理装置９に供給される。凝縮水は、凝縮水処理装置９にて純水とされて、水タンク１１に供給される。水タンク１１に貯水された水は、水ポンプ１２により水供給管１３を介して改質器３に供給される。このように、凝縮水を有効利用することにより、水自立運転を行なうことができる。

図２は、本実施形態のエネルギー管理装置の一例を示す構成図である。図２に示すエネルギー管理装置は、図１で示した発電ユニットである燃料電池と、同様の構成を有する分散電源ユニットとを併用するものであり、燃料電池で発電された電流と、分散電源で発電された電流が、それぞれのユニット内に設けられた供給電力調整部（パワコン）を介して分電盤に供給され、これらの電流を組み合わせて所定量の電流が外部負荷に供給される。なお、分散電源としては、例えば太陽光発電、風力発電等を用いることができる。

なお、分電盤には、燃料電池で発電された電流量と、分散電源で発電された電流量とをそれぞれ監視する計測部が設けられており、計測部で測定された電流量の情報が、ＨＥＭＳ等の制御装置に供給される。なお、計測部は分電盤内に設けるほか、分電盤に隣接して設けることもできる。

ところで、分散電源として太陽光発電や風力発電を用いる場合に、例えば急に日が陰った場合や、風力が低下した場合など、分散電源の発電量が急激に低下する場合がある。この場合に、外部負荷に所定量の電流を供給するには、燃料電池の発電量を増大させる必要がある。

しかしながら、燃料電池を通常稼働の条件下では、急激に発電量を増大させることは難しく、この場合に、外部負荷に供給する電流量が不足するおそれがある。

それゆえ、本実施形態においては、分散電源の発電量が低下した場合において、制御装置が燃料電池の発電量を増加させる制御を行なうことを特徴とする。

例えば、制御装置は、分散電源の発電量を計測部を介して監視し、分散電源の単位時間当たりの発電量の低下量が第１の所定値以上となった場合に、燃料電池の発電量を増加させる制御を行なうよう、ＳＯＦＣ制御装置の作動を制御する。

分散電源の単位時間当たりの発電量の低下量における第１の所定値とは、分散電源の定格発電量等に基づいて適宜設定できるが、例えば、１分間の平均で定格発電量の１０％以上低下した場合とすることができる。

この場合に、制御装置は、燃料電池の燃料利用率を低下させる制御、燃料電池の空気利用率を低下させる制御、改質器３に供給される燃料中の炭素と、改質器３に供給される水のモル比であるＳ／Ｃの値を低下させる制御のうち、少なくとも１つの制御を行なうよう、ＳＯＦＣ制御装置の動作を制御する。なお、分散電源の発電量の低下分をより迅速に補完する上で、燃料電池の燃料利用率を低下させる制御を行なうことが好ましい。

燃料電池の燃料利用率を低下させる場合においては、ＳＯＦＣ制御装置は、原燃料供給手段１に対し、改質器３に供給する燃料ガス量を増加させる制御を行なう。原燃料供給手段１より供給される原燃料の量が増加すると、改質器３よりセルスタック５に供給される燃料ガス量が増加する。それに伴い、発電に使用されなかった燃料ガス量が増加し、つまりは燃焼熱量が増加する。ここで、燃焼熱量が増加することにより、燃料電池セルの温度が上昇する。固体酸化物形燃料電池においては、燃料電池セルの温度上昇に伴い、発電量を増加させることができるため、制御装置が燃料電池セルの温度を上昇させる制御を行なうことで、燃料電池の発電量を増加させることができる。なお、燃料利用率を低下させる場合において、後述する改質器３に供給される燃料中の炭素と、改質器３に供給される水のモル比であるＳ／Ｃの値は燃料利用率を低下させる前と同じ値となるように、ＳＯＦＣ制御装置はあわせて水ポンプ１２の動作も制御することが好ましい。

また、燃料電池の空気利用率を低下させる場合においては、ＳＯＦＣ制御装置は、酸素含有ガス供給手段２に対し、セルスタック５に供給する酸素含有ガス量を増大させる制御を行なう。酸素含有ガス供給手段２より供給される酸素含有ガスの量が増大すると、セルスタック５にそれまでよりも潤沢な酸素が供給されるので空気極の触媒活性能力が増加し、電圧を上げることができる。それにより、燃料電池の発電量を増加させることができる。

さらに、改質器３に供給される燃料中の炭素と、改質器３に供給される水のモル比であるＳ／Ｃの値を低下させる場合においては、ＳＯＦＣ制御装置は、水ポンプ１２に対し、改質器３に供給する水の量を低下させる制御を行なう。改質器３に供給される水の量が低下すると、燃料電池セルを構成する固体電解質層において酸素分圧差が大きくなり、それによりＯＣＶ（開回路電圧）を高めることができる。また改質器３に供給される水の量が低下することで、水を気化するために消費されていたＳＯＦＣ内の熱エネルギーが余ることにより、改質器３やセルスタック５の温度が上昇する。それにより、燃料電池の発電量を増加させることができる。

すなわち、制御装置は、分散電源の単位時間当たりの発電量の低下量が第１の所定値以上となった場合に、燃料電池の燃料利用率を低下させる制御、燃料電池の空気利用率を低下させる制御、改質器３に供給される燃料中の炭素と、改質器３に供給される水のモル比であるＳ／Ｃの値を低下させる制御のうち、少なくとも１つの制御を行なうことで、燃料電池の発電量を増加させることができ、分散電源の発電量の低下分を、燃料電池の発電量の増加分で補完することができ、安定的に所定量の発電を行なうことができるエネルギー管理装置とすることができる。なお、これらの制御を、適宜複数組み合わせることもできる。

なお、例えば燃料利用率を低下させるにあたり、例えば燃料電池の定格運転時の燃料利用率が５０〜８０％の範囲で設定されている場合には、１０％程度低下させればよい。また、空気利用率を低下させる場合には、例えば燃料電池の定格運転時の空気利用率が２５〜４０％の範囲で設定されている場合には、５〜１０％程度低下させればよい。さらに、Ｓ／Ｃの値を低下させる場合には、例えば燃料電池の定格運転時のＳ／Ｃが、２．０〜３．０の範囲で設定されている場合には、０．５程度低下させればよい。なお、これらの値は、燃料電池の定格発電量等に基づいて、適宜設定することができる。なお、定格運転とは、予め設定された定格出力を発電するための運転のことを意味する。

ところで、上記分散電源の単位時間当たりの発電量の低下量が、さらに大きくなった場合には、燃料電池の燃料利用率を低下させる制御、燃料電池の空気利用率を低下させる制御、改質器３に供給される燃料中の炭素と、改質器３に供給される水のモル比であるＳ／Ｃの値を低下させる制御において、１つの制御だけでは、分散電源の発電量の低下分を、燃料電池の発電量の増加分で補完することができないおそれがある。

それゆえ、例えば分散電源の単位時間当たりの発電量の低下量が、第１の所定値よりも高い値で設定された第２の所定値以上となった場合には、制御装置は、上記の制御のうち少なくとも２つを組み合わせて制御することが好ましい。

それにより、分散電源の発電量が大幅に低下した場合であっても、分散電源の発電量の低下分を、燃料電池の発電量の増加分で補完することが可能となる。なお、分散電源の単位時間当たりの発電量の低下量が、第１の所定値よりも高い値で設定された第２の所定値以上とは、少なくとも第１の所定値よりも高い値で設定されていればよいが、例えば、第１の所定値を、１分間の平均で定格発電量の１０％以上低下した場合とした際には、第２の所定値を、１分間の平均で定格発電量の２０％以上低下した場合とすることができる。

なお、この場合において、制御装置は、燃料電池の燃料利用率を低下させる制御、燃料電池の空気利用率を低下させる制御、改質器３に供給される燃料中の炭素と、改質器３に供給される水のモル比であるＳ／Ｃの値を低下させる制御のいずれを組み合わせることが可能である。しかしながら、より安定的に所定量の発電を行なうにあたっては、より発電量の増加に寄与する制御の順に組み合わせることが好ましい。そして、適宜２つ以上の制御を組み合わせることで、分散電源の発電量の低下分を、燃料電池の発電量の増加分で補
完することができ、安定的に所定量の発電を行なうことができるエネルギー管理装置とすることができる。

さらに、例えば分散電源の単位時間当たりの発電量の低下量が、第２の所定値よりも高い値で設定された第３の所定値以上となった場合には、制御装置は、上記の制御を全て組み合わせて制御することが好ましい。

それにより、分散電源の発電量がさらに大幅に低下した場合であっても、分散電源の発電量の低下分を、燃料電池の発電量の増加分で補完することが可能となる。なお、分散電源の単位時間当たりの発電量の低下量が、第２の所定値よりも高い値で設定された第３の所定値以上とは、少なくとも第２の所定値よりも高い値で設定されていればよいが、例えば、第１の所定値を、１分間の平均で定格発電量の１０％以上低下した場合とし、第２の所定値を、１分間の平均で定格発電量の２０％以上低下した場合とした際には、第３の所定値は、１分間の平均で定格発電量の３０％以上低下した場合とすることができる。

このようなエネルギー管理装置における運転方法を図３に示すフローチャートを用いて説明する。

まず、計測部により測定された燃料電池の発電量と分散電源の発電量の情報が、制御装置に伝送される。制御装置は、伝送された情報に基づき、分散電源の単位時間当たりの発電量の低下量が第１の所定値以上であるかどうかを検知する（Ｓ１）。分散電源の単位時間当たりの発電量の低下量が第１の所定値未満の場合には、制御を変更することなく、そのまま運転を維持する（Ｓ２）。

分散電源の単位時間当たりの発電量の低下量が第１の所定値以上である場合には、引き続き、分散電源の単位時間当たりの発電量の低下量が第２の所定値以上であるかどうかを検知する（Ｓ３）。

ここで、分散電源の単位時間当たりの発電量の低下量が第２の所定値未満である場合には、燃料電池の燃料利用率、空気利用率、Ｓ／Ｃのいずれか１つを低下する制御を行なう（Ｓ４）。それにより、燃料電池の発電量を増加することができる。

一方、分散電源の単位時間当たりの発電量の低下量が第２の所定値以上である場合には、引き続き、分散電源の単位時間当たりの発電量の低下量が第３の所定値以上であるかどうかを検知する（Ｓ５）。

ここで、分散電源の単位時間当たりの発電量の低下量が第３の所定値未満である場合には、燃料電池の燃料利用率、空気利用率、Ｓ／Ｃのいずれか２つを低下する制御を行なう（Ｓ６）。それにより、燃料電池の発電量を増加することができる。

一方、分散電源の単位時間当たりの発電量の低下量が第３の所定値以上である場合には、燃料電池の燃料利用率、空気利用率、Ｓ／Ｃの全てを低下する制御を行なう（Ｓ７）。それにより、燃料電池の発電量を増加することができる。

ここで、上述のＳ４、Ｓ６、Ｓ７の制御を継続すると、燃料電池の発電効率が低下するおそれや劣化が早くなるおそれがある。それゆえ、分散電源の発電量が定格発電量に戻った場合には、それぞれの制御を解除し、燃料電池も定格運転の制御に戻すことが好ましい。

それゆえ、上述のＳ４、Ｓ６およびＳ７の制御を行った場合には、制御を開始してから
所定時間経過後に、分散電源の単位時間当たりの発電量の低下量が第１の所定値以上であるかどうかを検知する（Ｓ８）。

Ｓ８において、分散電源の単位時間当たりの発電量の低下量が第１の所定値以上である場合には、Ｓ５に戻り、引き続きフローを進める。

逆にＳ８において、分散電源の単位時間当たりの発電量の低下量が第１の所定値未満、すなわち分散電源の発電量が元に戻った場合には、燃料電池の燃料利用率、空気利用率、Ｓ／Ｃの全てを元に戻す制御を行なう（Ｓ９）。

本実施形態のエネルギー管理装置を上述のように運転することにより、分散電源の発電量の低下分を、燃料電池の発電量の増加分で補完することができ、安定的に所定量の発電を行なうことができるエネルギー管理装置とすることができる。なお、本実施形態は上述の例に限られるものではなく、適宜変更が可能である。

１：原燃料供給手段
２：酸素含有ガス供給手段２
３：改質器
５：セルスタック
７：ＳＯＦＣ制御装置
１２：水ポンプ

Claims (1)

1. 燃料電池セルと、該燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための水蒸気改質を行なう改質器と、該改質器に水を供給するための水供給装置とを備え、前記燃料電池セルで発電に使用されなかった燃料ガスを燃料させる構成を有する分散電源である固体酸化物形燃料電池と、他の分散電源と、前記固体酸化物形燃料電池と前記他の分散電源との発電量を制御する制御装置とを備え、該制御装置は、前記他の分散電源の単位時間当たりの発電量の低下量が第１の所定値以上となった場合に、
   前記固体酸化物形燃料電池の運転における燃料利用率を低下させる制御、
   前記固体酸化物形燃料電池の運転における空気利用率を低下させる制御、
   および前記改質器に供給される燃料中の炭素と、前記改質器に供給される水のモル比であるＳ／Ｃの値を低下させる制御のうち１つの制御を行ない、
   前記他の分散電源の単位時間当たりの発電量の低下量が、前記第１の所定値よりも高い値で設定された第２の所定量以上となった場合に、
   前記固体酸化物形燃料電池の運転における燃料利用率を低下させる制御、
   前記固体酸化物形燃料電池の運転における空気利用率を低下させる制御、
   および前記改質器に供給される燃料中の炭素と、前記改質器に供給される水のモル比であるＳ／Ｃの値を低下させる制御のうち２つを組み合わせて制御し、
   前記他の分散電源の単位時間当たりの発電量の低下量が、前記第２の所定値よりも高い値で設定された第３の所定量以上となった場合に、
   前記固体酸化物形燃料電池の運転における燃料利用率を低下させる制御、
   前記固体酸化物形燃料電池の運転における空気利用率を低下させる制御、
   および前記改質器に供給される燃料中の炭素と、前記改質器に供給される水のモル比であるＳ／Ｃの値を低下させる制御を全て組み合わせて制御する
   ことを特徴とするエネルギー管理装置。