(57)【要約】【課題】燃料電池と蓄電池の間で通信させることなく、蓄電池の状態に応じた燃料電池の発電制御を行なうこと。【解決手段】燃料電池１０と蓄電池１３を組み合わせたシステムにおいて、電力負荷１２に供給される第１電流を測定する第１電流計１４、前記蓄電池に供給される第２電流を測定する第２電流計１５を備える構成にすることで、第２電流計１５の測定値によって燃料電池１０が単独で蓄電池１３の充放電状態を判断できるようになる。これより、第１電流、第２電流に応じて燃料電池１０の発電出力を制御することで、燃料電池１０で発電されたエネルギーを高効率で活用できるようになる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を消費する電力負荷、前記電力負荷に電力を供給する蓄電池、前記電力負荷に供給される第１電流を測定する第１電流計、前記蓄電池に供給される第２電流を測定する第２電流計、と接続される燃料電池と、
前記燃料電池の発電量を制御する制御装置と、
を備えた燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記第１電流に応じて前記発電量を制御する第１モードと、前記第１電流及び前記第２電流に応じて前記発電量を制御する第２モードとを有する、燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御装置は、前記蓄電池が放電状態、もしくは待機状態の場合には第１モードで制御を行い、前記蓄電池が充電状態の場合には第２モードで制御を行う、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御装置は、前記第２電流が蓄電池に向かって流れる方向を正の方向とし、前記第２電流が所定電流以上の正の値であれば前記充電状態であると判断し、前記第２電流が前記所定電流未満であれば前記放電状態であると判断する、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御装置は、前記第２モードで制御する際に、前記燃料電池で発電した電力が前記電力負荷及び前記蓄電池で消費される負荷に追従して、前記燃料電池の発電量を制御する、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【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及び蓄電池を備えた燃料電池システム、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発電装置である。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、発電した電力を需要宅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。
【０００３】
そして、燃料電池を効率よく活用する手段の１つとして、燃料電池と蓄電池を組み合わせて使用する方法がある。燃料電池は、系統電源への逆潮流を防止するため、電力負荷に応じて発電出力を制御することができるが、一般に、高出力で発電させた方が高い効率で動作する。そこで、燃料電池の出力に対して電力負荷が小さい場合など、発電出力に余裕がある場合においては、発電出力を大きくして余剰出力を蓄電池に供給し、充電に用いることで、燃料電池を効率よく活用することができる。
【０００４】
このような、燃料電池と蓄電池を組み合わせた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では蓄電池の充電率に応じて燃料電池の出力を制御することで、系統電源に逆潮流させることなく、エネルギーを高効率に活用した運転を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３６２７８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来技術では、燃料電池と蓄電池を組み合わせたシステムを実現させるために、蓄電池の充電率に応じた制御を行っていることから、燃料電池、蓄電池の機器間における通信と、システム制御手段が必要となる。そのため、あらかじめ燃料電池と蓄電池が一体となった、もしくは一体となることが前提のシステムでなければ有効とならない。
【０００７】
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、燃料電池と蓄電池が相互に通信することなく、燃料電池を効率よく発電させることのできる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、本発明は電力を消費する電力負荷、前記電力負荷に電力を供給する蓄電池、前記電力負荷に供給される第１電流を測定する第１電流計、前記蓄電池に供給される第２電流を測定する第２電流計、と接続される燃料電池と、前記燃料電池の発電量を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムである。そして、前記制御装置は、前記第１電流に応じて前記発電量を制御する第１モードと、前記第１電流及び前記第２電流に応じて前記発電量を制御する第２モードとを有する、燃料電池システムとした。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃料電池システムと蓄電池を組み合わせたシステムにおいて、電流計を用いることで、燃料電池単独で蓄電池の充放電状態が判断できるようになり、蓄電池の状態に応じた燃料電池の運転制御を行なうことで、燃料電池で発電されるエネルギーを高効率で活用できるようになるという効果を奏する。
【００１０】
また燃料電池と蓄電池の間の通信が不要となるため、既存の燃料電池に蓄電池を追加設置する場合や、既存の蓄電池に対して燃料電池を追加設置する場合、もしくは、燃料電池と蓄電池が異なるメーカーの製品であるなど互換性がない場合であっても、蓄電池の充放電状態に応じた燃料電池の運転制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１における燃料電池システムの概略図
【図２】実施の形態１における各部に流れる電流を示す図
【図３】実施の形態１における電流計の設置場所を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
第１の発明は、電力を消費する電力負荷、電力負荷に電力を供給する蓄電池、電力負荷に供給される第１電流を測定する第１電流計、蓄電池に供給される第２電流を測定する第２電流計、と接続される燃料電池と、燃料電池の発電量を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムである。そして、特に、制御装置は、第１電流に応じて発電量を制御する第１モードと、第１電流及び第２電流に応じて発電量を制御する第２モードとを有する。
【００１３】
これにより、第２電流計によって蓄電池の充放電状態を、燃料電池単独で判断できるようになるため、蓄電池の充放電状態に応じた燃料電池の運転制御を行なうことで、燃料電池で発電されるエネルギーを高効率で活用できるようになるという効果を奏する。また、蓄電池の充放電状態を判断する上で、燃料電池と蓄電池の間で通信が不要なため、既存の燃料電池システムに蓄電池を追加設置する場合や、既存の蓄電池に対して燃料電池システムを追加設置する場合、もしくは、燃料電池と蓄電池が異なるメーカーの製品であるなど互換性がない場合であっても、蓄電池の充放電状態に応じた燃料電池の運転制御が可能になるという効果を奏する。
【００１４】
第２の発明は、特に第１の発明において、制御装置は、蓄電池が放電状態、もしくは待機状態の場合には第１モードで制御を行い、蓄電池が充電状態の場合には第２モードで制御を行う。
【００１５】
これにより、蓄電池の充放電状態に応じたモードを用いて燃料電池の運転を制御することで、燃料電池の発電時における負荷の消費対象を適切に判断し、燃料電池で発電されたエネルギーを高効率で活用できるようになるという効果を奏する。
【００１６】
第３の発明は、特に第１または第２の発明において、制御装置は、第２電流が蓄電池に向かって流れる方向を正の方向とし、第２電流が所定電流以上の正の値であれば充電状態であると判断し、第２電流が所定電流未満であれば放電状態であると判断する。
【００１７】
これにより、待機時に消費電力を必要とする蓄電池であって、待機時に蓄電池に電流が流れる場合であっても、ある閾値よりも第２電流が小さい場合には、それを充電状態ではない、と判断させることで、第２電流計を用いた充放電状態の判定を、より確実に行うことができるようになるという効果を奏する。
【００１８】
第４の発明は、特に第１から第３の発明のいずれか１つの発明において、制御装置は、
第２モードで制御する際に、燃料電池で発電した電力が電力負荷及び蓄電池で消費される負荷に追従して、燃料電池の発電量を制御する。
【００１９】
これにより、電力負荷、蓄電池で消費される電力に応じた電力を供給するようことで、系統電源に逆潮流させることのないように、燃料電池の発電量を制御することができるようになるという効果を奏する。
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって、本発明が限定されるものではない。
【００２１】
（実施の形態１）
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は、燃料電池１０と、燃料電池の発電出力を制御する制御装置１１と、電力負荷１２と、蓄電池１３と、電力負荷に供給される第１電流を測定する第１電流計１４と、蓄電池に供給される第２電流を測定する第２電流計１５と、を備えている。
【００２２】
本発明においては、第２電流計１５によって得られる計測値をもとに、蓄電池１３の充放電状態を制御装置１１によって判断できるように構成している。蓄電池１３に向かって流れる電流の向きを正とすると、蓄電池１３が充電状態の場合には、第２電流計１５によって正の電流が計測され、蓄電池１３が放電状態の場合には、第２電流計１５によって負の電流が計測される。したがって、燃料電池１０と蓄電池１３の間で通信を用いることなく、蓄電池１３の充放電状態が判断できるようになるため、その状態に応じて燃料電池１０の運転制御ができるようになる。
【００２３】
これより、機器間の通信が不要となることから、燃料電池１０と蓄電池１３がそれぞれ異なる時期に設置された場合や、異なる仕様のものであっても、蓄電池１３の運転状態に応じた、燃料電池１０の運転制御ができるようになる。
【００２４】
本発明においては、第１電流に応じて燃料電池１０の発電制御を行なう第１モード、第１電流、第２電流に応じて燃料電池１０の発電制御を行なう第２モードを備えている。以下、それぞれのモードにおける燃料電池システムの動作・作用について、図２を用いて説明する。
【００２５】
図２において、系統電源１６より得られる電流をＩ、第１電流計１４によって計測される第１電流をＩ１、第２電流計１５によって計測される第２電流をＩ２、電力負荷１２によって使用される電流をＩＬ、燃料電池１０より出力される電流をＩＦとする。ここで電流は矢印の向きを正とする。また、Ｉ、Ｉ１、Ｉ２、ＩＬ、ＩＦの関係は、以下に示す式１から式３によって与えられる。
【００２６】
Ｉ１＝Ｉ−Ｉ２            （１）
ＩＦ＝ＩＬ−Ｉ１          （２）
＝ＩＬ−Ｉ＋Ｉ２      （３）
はじめに、第１モードで動作させる場合について説明する。第１モードは、第１電流Ｉ１に応じて燃料電池１０の発電量を制御するモードであり、このとき蓄電池１３は待機状態、もしくは放電状態である。なお、蓄電池１３の運転状態は、第２電流計１５の計測値により、制御装置１１によって判断され、Ｉ２＝０のときは停止状態、Ｉ２＜０のときは放電状態、となる。
【００２７】
燃料電池１０は、電力負荷１２に応じて発電出力を変化させることができるため、余剰
電力を発生させないように発電出力を制御し、また系統電源１６より購入する電力が少なくなるように制御することで、燃料電池１０を有効に活用できる。
【００２８】
したがって、式２において、ＩＦはＩＬと等しくなるように制御される。だだし、一般に、燃料電池１０の出力には上限があるため、電力負荷１２が燃料電池１０の出力上限よりも大きいときは、ＩＦとＩＬは等しくならない。その場合は、ＩＦができるだけ大きくなるように、すなわちＩ１が小さくなるように制御される。ＩＦを大きくしたとき、Ｉ１＜０となる場合があるが、これは系統電源１６に対して逆潮流していることを意味する。したがって、系統電源１６への逆潮流を禁止させる場合には、Ｉ１≧０となるようにＩＦを制御する必要がある。
【００２９】
次に、第２モードで動作させる場合について説明する。第２モードは、第１電流Ｉ１、第２電流Ｉ２、に応じて燃料電池１０の発電量を制御するモードであり、このとき蓄電池１３は充電状態となる。なお、蓄電池１３の運転状態は、第２電流計１５の計測値により制御装置１１によって判断され、Ｉ２＞０のとき、充電状態となる。
【００３０】
ここで、第２モードで動作させるとき、Ｉ２＞０となることから、Ｉ２＝０、すなわち第１モードで動作させる場合に比べて、式３においてＩ２の分だけＩＦが大きくなることがわかる。これより、充電状態の場合には、燃料電池１０の出力を増やして、発電出力が蓄電池１３の充電にも用いられるように制御できることがわかる。
【００３１】
これより、第２電流計１５の計測値をもとに、制御装置１１が独自に蓄電池１３の充放電状態を判断できるようになるため、蓄電池１３が充電状態の場合には、第１電流計１４、第２電流計１５の計測値に応じて、燃料電池１０の発電出力を増やし、蓄電池１３の充電に使用するようにする。これにより、燃料電池１０と蓄電池１３を通信させることなく、燃料電池１０と蓄電池１３を組み合わせたシステムとして、より高い効率で運転させることができるようになる。なお、このとき、燃料電池１０の出力を大きくしすぎると、式３において、Ｉ＜０、すなわち系統電源１６に対して逆潮流させることになるため、系統電源１６への逆潮流を防止する必要がある場合には、Ｉ１＋Ｉ２≧０を満たすようにＩＦを制御しなければならない。
【００３２】
このように、第２電流計１５を用いて判断された、蓄電池１３の運転状態に応じて、第１モード、もしくは第２モードで燃料電池１０を制御することで、電力負荷１２だけではなく、蓄電池１３も負荷とするなど、発電出力の消費対象を適切に判断できるようになるため、燃料電池１０の発電出力を高効率で活用できるようになる。
【００３３】
次に、前述の動作・作用を、具体的な数値を用いて説明する。はじめに、燃料電池１０の発電出力によって、電力負荷１２を全て補える場合について説明する。
第２電流計１５によって０が計測された場合、制御装置１１によって蓄電池１３が待機状態であると判断されることから、燃料電池１０は第１モードで制御されるため、第１電流計１４に応じて発電出力を制御する。ここで、電力負荷１２が３００Ｗである場合、式２より、ＩＦは
ＩＦ＝３００Ｗ−Ｉ１
と表される。このとき制御装置１１は、ＩＦができるだけ大きくなるように、すなわちＩＦ＝ＩＬとなるように燃料電池１０の発電出力を制御するため、燃料電池１０は、
ＩＦ＝３００Ｗ
となるように制御される。
【００３４】
次に、第２電流計１５によって、負の電流が計測された場合を考える。このとき、制御装置１１によって蓄電池１３が放電状態であると判断され、燃料電池１０は第１モードで
制御されるため、第１電流計１４に応じて発電出力を制御する。蓄電池１３が１００Ｗで放電しているとき、式３より、ＩＦは
ＩＦ＝３００Ｗ−Ｉ−１００Ｗ
＝２００Ｗ−Ｉ
と表される。同様に、逆潮流させない範囲でＩＦができるだけ大きくなるように燃料電池１０の発電出力が制御されるため、燃料電池１０は、
ＩＦ＝２００Ｗ
となり、系統からの購入電流Ｉが０となるように制御される。
【００３５】
次に、第２電流計１５によって、正の電流が計測された場合を考える。このとき、制御装置１１によって蓄電池１３が充電状態であると判断され、燃料電池１０は第２モードで制御されるため、燃料電池１０は第１電流計１４、第２電流計１５の計測値に応じて発電出力を制御する。ここで、電力負荷１２が３００Ｗ、蓄電池１３が充電に必要な電力が２００Ｗである場合、式３は、
ＩＦ＝３００Ｗ−Ｉ＋２００Ｗ
＝５００Ｗ−Ｉ
と表される。これより、燃料電池１０は、
ＩＦ＝５００Ｗ
となるように制御される。
【００３６】
すなわち、第２電流計１５によって蓄電池１３が充電状態であると判断された場合は、充電状態の蓄電池１３を負荷とみなして、燃料電池１０の発電出力を大きくすることができるようになるため、より高い効率で燃料電池１０が制御できるようになる。
【００３７】
次に、燃料電池１０の発電出力では、電力負荷１２を補うことができない場合について説明する。一般に、燃料電池１０には最大発電出力が定義されており、ここではその最大出力を７００Ｗとする。
【００３８】
第２電流計で０が計測されているとき、制御装置１１において、蓄電池１３が待機状態であると判断される。そのため、燃料電池１０は第１モードで制御される。
【００３９】
ここで、電力負荷１２が１０００Ｗのとき、式２により
ＩＦ＝１０００Ｗ―Ｉ１
となる。このとき、ＩＦをできるだけ大きくすることで、Ｉ１が小さくなり、購入電力を少なくすることができるようになる。
【００４０】
しかし、燃料電池１０の最大出力は７００Ｗであるため、上式より、
Ｉ１＝１０００Ｗ−ＩＦ
＝３００Ｗ
となるため、３００Ｗ相当の購入電力が必要になることがわかる。
【００４１】
次に、第２電流計で負の電流が計測されているとき、制御装置１１において、蓄電池１３が放電状態であると判断される。そのため、燃料電池１０は第１モードで制御される。このとき、蓄電池１３によって、１００Ｗの電力が放電されているとすると、式３より、
７００Ｗ＝１０００Ｗ−Ｉ―１００Ｗ
の関係が得られるため、Ｉ＝２００Ｗとなることがわかる。すなわち、蓄電池１３が放電することによって、系統電源１６より購入する電力が、３００Ｗから２００Ｗに少なくなっていることが分かる。これより、蓄電池１３の放電により、購入電力を少なくすることができるようになる。
【００４２】
次に、蓄電池１３が充電状態の場合について説明する。第２電流計１５によって、正の電流が計測されているとき、制御装置１１によって、蓄電池１３が充電状態であると判断される。蓄電池１３が２００Ｗの電力を充電しているとき、式３より、
７００Ｗ＝１０００Ｗ−Ｉ＋２００Ｗ
となるため、Ｉ＝５００Ｗとなる。
【００４３】
したがって、系統電源１６より、５００Ｗ相当の購入電力が必要になることがわかる。電力負荷１２が燃料電池１０の最大出力よりも大きい場合には、蓄電池１３が充電状態であっても、燃料電池１０の出力を増やすことができないため、必要となる電力は系統電源１６より得ることになる。
【００４４】
一方で、蓄電池の種類によっては、待機時に電力を消費し、その際に第２電流計１５によって正の電流が計測される場合がある。そのため、充電時以外に必要となる電流を所定電流として、第２電流計１５によって所定電流以上の正の電流が計測されれば充電状態であると制御装置１１に判断させるようにしてもよい。これにより、制御装置１１によって、蓄電池１３が待機状態であるのか、充電状態であるのかを、より確実に判断できるようになる。
【００４５】
例えば、蓄電池１３が、満蓄電による待機状態にある場合を考える。ここで、待機中の蓄電池１３で電力が消費され、第２電流計１５によって微小な正の電流が計測されたとしても、所定値以上の正の電流が計測されない限りは、制御装置１１によって、蓄電池１３が充電状態であると判断されることはない。これにより、満蓄電で待機している蓄電池１３に対する、燃料電池１０の発電電力の供給を防ぐことができる。なお、本実施の形態においては、第１電流計１４、第２電流計１５を図１に示すように設置した場合について説明したが、第１電流計１４、第２電流計１５は、以下の説明を満たすように設置されてもよいものとする。
【００４６】
図３において、系統電源１６に対して、燃料電池１０、電力負荷１２、蓄電池１３、が接続されており、図中ａ、ｂ、ｃ、ｄはそれぞれ電流計の設置位置、またその場所における電流計測値を示し、電流の向きについては図３の矢印の向きに従うものとする。
【００４７】
本発明においては、電力負荷１２、蓄電池１３で消費される電力が直接計測できない場合であっても、計算によって求めることができればよい。
【００４８】
はじめに、図３のａに第１電流計１４が、ｂに第２電流計１５が設置された場合を説明する。このとき、第２電流計１５によって蓄電池１３での消費電流がわかるため、電力負荷１２に流れる電流は、
ａ−ｂ
によって求めることができる。
【００４９】
次に、図３のｃに第１電流計１４が、ａに第２電流計１５が設置された場合を説明する。このとき、第１電流計１４によって電力負荷１２の消費電流がわかるため、蓄電池１３に流れる電流は、
ａ−ｃ
によって求めることができる。
【００５０】
次に、図３のｄに第１電流計１４が、ａに第２電流計１５が設置された場合を説明する。このとき、第１電流計１４によって電力負荷１２の消費電流が分かるため、蓄電池１３に流れる電流は、
ａ−ｄ
によって求めることができる。
【００５１】
最後に、図２の位置ｃ、もしくは位置ｄに第１電流計１４が、位置ｂに第２電流計１５が設置された場合を説明する。この場合は、それぞれの電流計によって電力負荷１２、蓄電池１３に流れる電流を計算することなく求めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、蓄電池の充放電状態を電流計の計測値によって判断させることで、機器間で通信させることなく、蓄電池の状態に応じた発電制御ができるようになり、エネルギー有効に活用できるようになるものであるため、同様に発電システムである、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】
【００５３】
１０  燃料電池
１１  制御装置
１２  電力負荷
１３  蓄電池
１４  第１電流計
１５  第２電流計
１６  系統電源
【図１】
2015088259.tif 000003
【図２】
2015088259.tif 000004
【図３】
2015088259.tif 000005