(57)【要約】【課題】停電時間の間、湯を排出させることなく、また満蓄停止することなく発電を継続させること。【解決手段】燃料電池システム１０に第１設定部１９を備え、停電時の発電継続時間を設定できる構成にすることで、設定された発電継続時間と、停電開始時刻における貯湯部１２の蓄熱量と、貯湯部１２の最大蓄熱量と、から発電継続時間の間に満蓄停止することなく発電を継続させることのできる最大発電電力が算出される。そのため、停電時の発電継続時間の間に利用者は、燃料電池システム１０において、貯湯部１２に貯められた湯を強制的に排出させることなく、燃料電池システム１０で発電し得る最大限の電力を継続して使用することができるようになる。【選択図】図１
2014116090.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気を発電する発電部と、
前記発電部の駆動により発生する熱を湯として蓄える貯湯部と、
停電時の発電継続時間を設定する第１設定部と、
系統電源の停電または復電を検知する停電検知部と、
前記発電部の駆動を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記発電継続時間と、停電開始時における燃料電池システムの貯湯部の蓄熱量と、前記貯湯部に蓄えることのできる最大蓄熱量と、を用いて、前記発電継続時間の間、発電を継続させることのできる最大発電電力指令値を計算し、その最大発電電力指令値に基づき前記発電部を駆動させる燃料電池システム。
【請求項２】
前記発電部が発電した電力のうち、電力負荷で消費されなかった余剰電力を用いて前記貯湯部の湯を加熱する加熱部をさらに備え、
前記制御部は、前記発電部で発電された電力が全て前記加熱部で消費されたとしても、前記発電継続時間の間に発電を継続させることのできる最大発電電力指令値を計算し、その最大発電電力指令値に基づき前記発電部を駆動させる請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御部は、前記停電の発生中において前記貯湯部に蓄えられた湯が一定量以上使用された場合、前記発電継続時間の間に発電を継続させることのできる最大発電電力指令値を再度計算し、その最大発電電力指令値に基づき前記発電部を駆動させる請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記発電部で発電された電力を利用者に報知する報知部を備えた請求項１から３いずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
電気を発電する発電部と、
前記発電部の駆動により発生する熱を湯として蓄える貯湯部と、
停電の停電開始時刻と停電終了時刻を設定する第２設定部と、
前記発電部の駆動を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、第２設定部で設定された停電開始時刻と停電終了時刻から得られる停電時間長さと、前記停電開始時刻における燃料電池システムの貯湯部の蓄熱量と、前記貯湯部に蓄えることのできる最大蓄熱量と、を用いて、前記停電終了時刻まで発電を継続させることのできる最大発電電力指令値を計算し、その最大発電電力指令値に基づき前記発電部を駆動させる燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池システム、またその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行なうシステムである。ガスを改質して水素を取り出し、水素と酸素を用いた化学反応によって発電を行ない、家庭内の電力負荷に供給することでその電力需要をまかなうことができる。また、その際に生じる熱を利用して作られた湯を貯湯部に貯めることによって、利用者は湯を使うことができるという特徴がある。また、ガスを使って発電するという特徴から、系統電源の停電時の電力源としての役割を燃料電池に求める声も多い。
【０００３】
停電時の燃料電池システムの運転方法としては特許文献１に記された方法がある。特許文献１では、停電時にはこれまでの燃料電池システムの運転データから今後の最適な発電出力量を予測して運転させたり、利用者によるリモコンの操作で「昨日と同じ」運転パターンで動作させたりして、発電を継続させている。そして、利用者の熱需要が少なく、燃料電池発電装置からの熱回収が必要ないと判断した場合には、貯湯部から強制的に湯を排出することで、満蓄による停止を回避し、発電を継続させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２６０１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、前記従来技術では、停電時の運転であっても、通常運転時の運転パターンなどから予測される運転方法に従って発電させるため、発電による熱出力が過剰となることがある。そして貯湯部の蓄熱量が満たされた場合には、貯湯部の湯を強制的に排出させることで発電を継続させているため、燃料電池システムで発生した熱や水を無駄にしてしまっていた。また、上記のような湯を強制的に排出するシステムの代わりに、貯湯部の蓄熱量が満たされる（いわゆる満蓄状態になる）と停止するシステムを用いた場合、停電時に利用者が燃料電池システムで発電された電気を使いたい需要があるにも関わらず、突然停止してしまうおそれがあった。
【０００６】
一方、近年では原子力発電所の稼動停止などに伴う電力供給量不足による、大規模停電を防ぐ手段として、電力会社が地域ごとに電力供給を制限する計画停電（輪番停電）が実施されている。一般に計画停電は開始時刻、終了時刻が発表された上で実施され、電力利用者は３時間程度の停電を余儀なくされる。そのため、このように予め定められた停電時間の間においては、燃料電池システムにおいて熱や水を捨てるような無駄を排除し、発電を継続させることが望ましい。
【０００７】
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、停電時においても発電を継続させたい時間の間は、貯湯部の湯を強制的に排出させることなく停電時の運転を継続させ、利用者がより多くの電力を使用することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は停電時の発電継続時間を設定する第１設定部を備え、前記発電継続時間と、燃料電池システムの貯湯部の蓄熱量と、前記貯湯部に蓄えることのできる最大蓄熱量と、を用いて、前記発電継続時間の間、発電を継続させることのできる最大発電電力指令値を計算し、その最大発電電力指令値に基づき発電部を駆動させる燃料電池システムとした。
【０００９】
また本発明は、停電の停電開始時刻と停電終了時刻を設定する第２設定部を備え、その第２設定部により設定される停電が発生している時間長さと、燃料電池システムの貯湯部の蓄熱量と、前記貯湯部に蓄えることのできる最大蓄熱量と、を用いて、前記停電終了時刻まで発電を継続させることのできる最大発電電力指令値を計算し、その最大発電電力指令値に基づき発電部を駆動させる燃料電池システムとした。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、第１設定部により設定された発電継続時間の間には、貯湯部の湯を排出させることなく、発電を継続させることができるという効果が得られる。また満蓄停止してしまうことのない最大発電電力で発電させるため、発電継続時間の間に、利用者はより多くの電力を利用することができるようになるという効果が得られる。
【００１１】
また本発明によれば、第２設定部により設定された停電時間の間には、貯湯部の湯を排出させることなく、発電を継続させることができるという効果が得られる。また満蓄停止してしまうことのない最大発電電力で発電させるため、停電時間中に利用者はより多くの電力を利用することができるようになるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの概略図
【図２】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの別形態の概略図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明においては、燃料電池システムにおいて、電気を発電する発電部と、発電部の駆動により発生する熱を湯として蓄える貯湯部と、停電時の発電継続時間を設定する第１設定部と、系統電源の停電または復電を検知する停電検知部と、発電部の駆動を制御する制御部と、を備えている。そして、制御部は、発電継続時間と、停電開始時における燃料電池システムの貯湯部の蓄熱量と、を用いて、発電継続時間の間、発電を継続させることのできる最大発電電力指令値を計算し、その最大発電電力指令値に基づき発電部を駆動させる構成を有する。
【００１４】
これにより、設定された発電継続時間の間は、燃料電池システムは満蓄により停止することなく発電を継続し、利用者は停電時にも電気を使い続けることができるという効果を奏する。また満蓄停止してしまうことのない最大発電電力で発電させるため、発電継続時間の間は、利用者は最大限の電力を利用することができるという効果を奏する。
【００１５】
また、発電部が発電した電力のうち、電力負荷で消費されなかった余剰電力を用いて、貯湯部の湯を加熱する余剰電力ヒータなどの加熱部をさらに備え、
制御部は、系統電源の停電中に余剰電力が加熱部で消費されたとしても、発電継続時間の間に発電を継続させることのできる最大発電電力指令値を計算し、その最大発電電力指令値に基づき発電部を駆動させる構成であってもよい。
【００１６】
これにより、系統電源の停電中の運転時に、電力負荷が少なく燃料電池システムによって発電された電力が余剰電力となり加熱部を作動させる場合であっても、発電を継続させることができるという効果を奏する。
【００１７】
また制御部は、停電の発生中において貯湯部に蓄えられた湯が一定量以上使用された場合、発電継続時間の間に発電を継続させることのできる最大発電電力指令値を再度計算し、その最大発電電力指令値に基づき発電部を駆動させる燃料電池システムであってもよい。
【００１８】
これにより、貯湯部の湯が使用されて貯湯部の蓄熱量が減った場合に生じる発電電力の余裕を、再計算することで最大発電電力指令値に反映させることができるため、利用者がより多くの電力を使用することができるという効果を奏する。
【００１９】
また発電部で発電された電力を利用者に報知する報知部を備える構成にしてもよい。
【００２０】
これにより、停電時の発電量を利用者に知らせることで利用者は利用可能な電力を認識した上で電気を使用することができるようになるため、発電量以上の電力負荷が使用されることを防止する効果を奏する。
【００２１】
また、電気を発電する発電部と、発電部の駆動により発生する熱を湯として蓄える貯湯部と、停電時の停電開始時刻と停電終了時刻を設定する第２設定部と、発電部の駆動を制御する制御部と、を備えている。そして、制御部は、停電が発生している時間長さと、停電開始時刻における燃料電池システムの貯湯部の蓄熱量と、貯湯部に蓄えることのできる最大蓄熱量と、を用いて、停電終了時刻まで発電を継続させることのできる最大発電電力指令値を計算し、その最大発電電力指令値に基づき発電部を駆動させる燃料電池システムであってもよい。
これにより、設定された停電時間の間は、燃料電池システムは満蓄により停止することなく発電を継続し、利用者は停電時にも電気を使い続けることができるという効果を奏する。
【００２２】
（実施の形態１）
以下、実施の形態１にかかる燃料電池システムについて図面を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態１である燃料電池システムの構成図である。図１において、本発明の燃料電池システム１０は、発電部１１と、貯湯部１２と、制御部１３と、停電検知部１４と、貯湯水循環経路１５と、加熱部１６と、報知部１７と、第１設定部１９とを備えている。
【００２３】
発電部１１では、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電がおこなわれる。
【００２４】
貯湯部１２では、発電部１１の発電により発生した熱が湯として蓄えられ、利用者はこの湯を用いることができる。貯湯部１２は、蓄えられた湯の温度を測定する温度測定部（図示せず）を備えており、この温度測定部が測定する温度が一定値以上の状態（以下、「満蓄状態」）となると、熱回収ができなくなるために制御部１３は発電部１１を停止させる。
【００２５】
制御部１３では、発電部１１の駆動を制御する。制御部１３には、具体的には、マイコンなどを用いることができる。
【００２６】
停電検知部１４では、系統電源２２の停電、また停電からの復電を検知する。
【００２７】
貯湯水循環経路１５では、燃料電池の発電中に生じる熱を熱交換によって湯にするため、貯湯水を循環させる。
【００２８】
加熱部１６では、電力負荷２１に対して燃料電池システム１０の発電量が多い場合に発生する余剰電力によって動作され、貯湯水を温めるのに用いられる。これより電力負荷２１で消費されなかった余剰電力が熱に変換される。
【００２９】
報知部１７では、発電部１１が発電している電力を報知させる。
【００３０】
温度測定部１８では、貯湯部１２に貯められた湯の温度を計測し、その計測温度から制御部１３において蓄熱量が算出される。
【００３１】
第１設定部１９では、利用者によって、停電中に発電を継続させたい時間である、発電継続時間が設定される。なお、第１設定部１９は、例えばリモコンや、ネットワークを通じて、設定できるものとする。また燃料電池システム１０の外部にあってもよい。
【００３２】
次に、燃料電池システム１０の運転動作の特徴について説明する。燃料電池システム１０が発電中に、電力負荷２１が減少した場合には、制御部１３は発電量を電力負荷２１に追従させるために発電電力指令を下げる。しかし、燃料電池システム１０の負荷追従速度が遅い場合には、発電量と電力負荷２１との間に余剰電力が生じるため、余剰電力ヒータなどの加熱部１６によって消費させる。具体的には、余剰電力発生時には加熱部１６によって貯湯水循環経路１５を流れる水が温められるため、余剰電力が熱に変換される。しかし、それに伴い貯湯部１２の水が早く温められことになるため、満蓄停止するまでの時間は短くなる。
【００３３】
以上のように構成された燃料電池システム１０について、以下に停電が発生する状況下での動作、作用を説明する。
【００３４】
発電中の燃料電池システム１０において、第１設定部１９によって発電継続時間が設定されている際に系統電源２２に停電が生じた場合、制御部１３では、次のように停電時の最大発電電力が算出される。
【００３５】
第１設定部１９により設定された発電継続時間をＴｇ［ｈ］とする（Ｓ１０１）。また、貯湯部の最大蓄熱量Ｑｍ［ｋＷｈ］に対して、温度測定部１８により得られる、停電開始時点での貯湯部の蓄熱量をＱｓ［ｋＷｈ］とすると、満蓄停止するまでに貯湯部に蓄えることのできる蓄熱可能量Ｑｐ［ｋＷｈ］は、
Ｑｐ＝Ｑｍ−Ｑｓ
で求められる（Ｓ１０２）。また、燃料電池システム１０の発電電力に対する、利用可能な排熱の生成効率をＥｇとすると、停電時間中に満蓄停止することなく発電を継続させることのできる最大発電電力Ｗｍ［ｋｗ］は、
Ｗｍ＝Ｑｐ／（Ｔｇ×Ｅｇ）
＝（Ｑｍ−Ｑｓ）／（Ｔｇ×Ｅｇ）
により算出される（Ｓ１０４）。
【００３６】
これより、算出された最大発電電力Ｗｍ以下で発電させるため、設定された発電継続時間の間は貯湯部１２の湯を強制的に排出させることなく発電を継続させることができる。したがって、利用者は燃料電池システム１０で発生した熱を無駄にすることなく、停電中に最大限の電力を使用することができるようになる。
【００３７】
また、発電中に余剰電力が生じる場合に、加熱部１６の動作によって貯湯部１２に蓄えられる熱量をＱｈ［ｋＷｈ］とすると（Ｓ１０３）、上記最大発電電力Ｗｍの計算式において、
Ｗｍ＝（Ｑｍ−Ｑｓ―Ｑｈ）／｛（Ｔｇ×Ｅｇ｝
とすることで、発電継続時間中の最大発電電力が算出されるようにしてもよい。これにより余剰電力が生じ、加熱部１６が動作される場合であっても、最大発電電力量Ｗｍを小さくすることで、発電継続時間の間に発電を継続させることのできる最大発電電力の算出が可能になる。
【００３８】
また第１設定部１９に停電時の発電継続時間を予め設定していなかった場合でも、停電開始後に第１設定部１９に発電継続時間Ｔｇを設定し、設定された時刻から停電が開始されたとみなして制御部１３に計算させることで、最大発電電力Ｗｍを算出させることが可能となる。
【００３９】
さらに、第１設定部１９によって設定されている発電継続時間中に、利用者が発電継続時間を変更した場合には、第１設定部１９に新たな発電継続時間Ｔｇ２［ｈ］を設定することができるものとする。
【００４０】
Ｔｇ２が設定された際の、貯湯部１２の蓄熱量をＱｓ２［ｋＷｈ］とすると、再計算される最大発電電力Ｗｍ２［ｋＷ］は、
Ｗｍ２＝（Ｑｍ−Ｑｓ２）／（Ｔｇ２×Ｅｇ）
によって算出される。これによって、停電時間中に利用者が電気を使いたい時間長さが変わった場合であっても、その時間長さに応じて燃料電池システム１０の最大発電電力ＷｍがＷｍ２に変更されることで、発電を継続させることができるようになる。
【００４１】
次に、停電時の発電継続時間中に、貯湯部１２に貯められた湯が利用者によって使用された場合について説明する（Ｓ１０５）。このとき、貯湯部１２の蓄熱量が減少し、蓄熱量に余裕が生じるため、満蓄停止するまでの時間が長くなる。よって温度測定部１８により一定量の蓄熱量の減少が検知された場合には、その時点を停電開始時刻として制御部１３に再認識させることで、最大発電電力を再計算させてもよい。そのときの貯湯部１２の蓄熱量をＱｓ３［ｋＷｈ］、停電が開始してからの経過時間長さをＴｃ［ｈ］とすると、再計算される最大発電電力Ｗｍ３［ｋＷｈ］は、
Ｗｍ３＝（Ｑｍ−Ｑｓ３）／｛（Ｔｇ−Ｔｃ）×Ｅｇ｝
によって、算出することができる。ここで、
Ｑｓ＞Ｑｓ３
Ｔｇ＞Ｔｇ−Ｔｃ
の関係があることから、はじめに計算されたＷｍに対して、再計算されたＷｍ３は大きくなるため、利用者は発電継続時間が終了するまでにより大きな電力を使用できるようになる。
【００４２】
制御部１３によって算出される最大発電電力は、発電継続時間、および貯湯部１２の蓄熱量によって異なる。そこで燃料電池システム１０に報知部１７を備え、利用者に最大発電電力を報知させる構成をとることで、停電時に使用できる電力を認識した上で利用者が電気を使うことができるようになるだけではなく、燃料電池システム１０の発電量以上の電力を使用することを防止することができる。ここで、報知とは液晶モニタなどによる表示や、音による音声報知とする。また、停電時の最大発電電力に対し、残りどれだけの電力が使用可能か、を報知させることで、利用者の利便性を向上させることができる。
【００４３】
また、第１設定部１９により設定された発電継続時間の間に、停電検知部１４が復電を検知した場合には、通常の燃料電池システムの運転を行なってもよいものとする。
【００４４】
また図２は本発明の実施の形態１における燃料電池システムの別形態の概略図である。ここでは、電力会社によって決められた地域ごとの停電（輪番停電・計画停電）や電気工事など、停電時刻が定められている場合に、停電開始時刻、停電終了時刻が第２設定部２
０に設定されるものとする。なお第２設定部２０は、例えばリモコンによって利用者が設定できるものや、インターネットを用いて停電の開始時刻と終了時刻を自動的に取得できるようなものであるとする。また燃料電池システム１０の外部にあってもよい。
【００４５】
これより第２設定部２０により設定された停電開始時刻Ｔｓと停電終了時刻Ｔｅより、停電時間Ｔｂ［ｈ］は
Ｔｂ＝Ｔｅ−Ｔｓ
で求められる（Ｓ１０１）。
【００４６】
ここで、前記発電継続時間Ｔｇと、停電時間Ｔｂは同一のものとして考えることができるため、Ｓ１０４と同様に計算させることで、設定された停電時間の間は貯湯部１２の湯を強制的に排出させることなく発電を継続させることができる最大発電電力が算出される。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、停電時に貯湯部の湯を排出させることなく発電を継続させること可能となるため、燃料電池システムと同様に、発電時の排熱を用いて給湯を行なう、ガスエンジン式コージェネレーションシステムなどの用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００４８】
１０  燃料電池システム
１１  発電部
１２  貯湯部
１３  制御部
１４  停電検知部
１５  貯湯水循環経路
１６  加熱部
１７  報知部
１８  温度測定部
１９  第１設定部
２０  第２設定部
２１  電力負荷
２２  系統電源
【図１】
2014116090.tif 000003
【図２】
2014116090.tif 000004