(57)【要約】【課題】外気温度計測手段を追加せずに、既存の計測手段を用いて外気温度を推定することにより、空気流量を適切に制御可能な燃料電池コージェネレーションシステム、その制御方法及び制御プログラムを提供する。【解決手段】燃料電池Ｆからの排熱と水道水供給ラインＬ２から供給される水道水との熱交換を行うことにより、湯水供給ラインＬ３から湯を供給する貯湯槽１と、水道水供給ラインＬ２の水の温度を測定する温度計測装置２と、燃料電池Ｆへ空気を供給する空気供給装置４とを有する。温度計測装置２により計測される水道水温度に基づいて、外気温度を推定することにより、空気供給装置４から供給する空気量を制御する空気量演算部３３を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池からの排熱と外部から供給される水との熱交換を行うことにより、湯を供給する貯湯槽と、前記貯湯槽へ供給される水の温度を測定する温度計測装置と、前記燃料電池へ空気を供給する空気供給装置と、を有する燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、
前記空気供給装置を制御することにより、前記燃料電池へ供給される空気量を調節する制御装置を有し、
前記制御装置は、前記温度計測装置により計測された水の温度を外気温度とみなして、この外気温度に基づいて、前記空気供給装置の制御値を演算する空気量演算部を有することを特徴とする燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項２】
燃料電池からの排熱と外部から供給される水との熱交換を行うことにより、湯を供給する貯湯槽と、前記貯湯槽へ供給される水の温度を測定する温度計測装置と、前記燃料電池へ空気を供給する空気供給装置と、前記貯湯槽からの湯の供給量を計測する湯供給量計測装置と、を有する燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、
前記空気供給装置を制御することにより、前記燃料電池へ供給される空気量を調節する制御装置を有し、
前記制御装置は、
前記温度計測装置により計測された水の温度と、前記湯供給量計測装置により計測された湯の供給量に基づいて、外気温度を推定する外気温推定部と、
前記外気温推定部によって推定された外気温度に基づいて、前記空気供給装置の制御値を演算する空気量演算部と、
を有することを特徴とする燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項３】
前記空気量演算部による演算を補正するために、実測された外気温度と水の温度との差を記憶する設定記憶部を有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項４】
前記空気量演算部による演算を補正するために、前記温度計測装置により計測された水の温度について、所定の期間の平均値を求める平均値算出部を有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項５】
燃料電池からの排熱と外部から供給される水との熱交換を行うことにより、湯を供給する貯湯槽と、前記貯湯槽へ供給される水の温度を測定する温度計測装置と、前記燃料電池へ空気を供給する空気供給装置と、を有する燃料電池コージェネレーションシステムを制御する制御方法において、
コンピュータ又は電子回路が有する空気量演算部が、前記温度計測装置により計測された水の温度を外気温度とみなして、この外気温度に基づいて、前記空気供給装置の制御値を演算することを特徴とする燃料電池コージェネレーションシステムの制御方法。
【請求項６】
燃料電池からの排熱と外部から供給される水との熱交換を行うことにより、湯を供給する貯湯槽と、前記貯湯槽へ供給される水の温度を測定する温度計測装置と、前記燃料電池へ空気を供給する空気供給装置と、を有する燃料電池コージェネレーションシステムを、コンピュータにより制御する制御プログラムにおいて、
前記プログラムは前記コンピュータに、
前記温度計測装置により計測された水の温度を外気温度とみなして、この外気温度に基づいて、前記空気供給装置の制御値を演算させることを特徴とする燃料電池コージェネレーションシステムの制御プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池への空気の供給を適切な量に制御する燃料電池コージェネレーションシステム、その制御方法及び制御プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスを、電池本体に供給することにより、電気化学的に反応させ、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換して外部へ取り出す発電装置である。この燃料電池は、発電効率が高く、汚染物質の排出および騒音が少ない環境性に優れた発電装置として評価されている。
【０００３】
例えば、家庭用の分散電源として期待されている燃料電池は、入手しやすくメタン成分の多い都市ガス若しくはＬＰＧを、燃料ガスとして使用するシステムが求められる。この場合、燃料ガスを水素に改質する必要があるが、そのためには、燃料ガスに水蒸気を混合して水素リッチガスを生成する燃料処理器を用いる方法が一般的である。
【０００４】
燃料電池本体での発電は、アノード極に供給された水素リッチガス中の水素と、カソード極に供給された空気中の酸素とが反応することにより行われる。供給する水素量及び酸素量は、発電出力に対して適切な範囲の量を維持する必要があり、過大あるいは過小な供給量では、不具合が発生する可能性がある。
【０００５】
ところで、上記のような家庭用燃料電池システムは、その規模等から、一般的に屋外に設置されている。しかし、このような状況では、外気温度の変動とともに必要とする空気供給量が変動する現象が発生する。すなわち、外気温度が低下すると空気比重が増加するために、酸素の供給が過大となる。一方、外気温度が上昇すると、空気比重が減少するため、酸素の供給が過少となる。このため、外気温度による空気供給量の補正が必要となる。
【０００６】
これに対処するため、特許文献１には、外気温度を計測し、空気を供給する空気ポンプの出力制御を補正する構成が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−２０７１３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のような従来技術においては、外気温度の補正のために、外気温度を直接計測する手段を有している。しかし、このような外気温度を計測する手段を付加すると、装置コストの上昇が発生する。特に、家庭用燃料電池システムは、通常、排熱を湯の形態で利用するコージェネレーションシステムとして構成されており、熱交換のための種々の設備が必要となる。このため、装置全体としてのコストは高くなりがちである。したがって、余分なコストの上昇は抑えたいという要請が強い。
【０００８】
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、外気温度計測手段を追加せずに、既存の計測手段を用いて外気温度を推定することにより、空気流量を適切に制御できる燃料電池コージェネレーションシステム、その制御方法及び制御プログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池からの排熱と外部から供給される水との熱交換を行うことにより、湯を供給する貯湯槽と、前記貯湯槽へ供給される水の温度を測定する温度計測装置と、前記燃料電池へ空気を供給する空気供給装置と、を有する燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、前記空気供給装置を制御することにより、前記燃料電池へ供給される空気量を調節する制御装置を有し、前記制御装置は、前記温度計測装置により計測された水の温度を外気温度とみなして、この外気温度に基づいて、前記空気供給装置の制御値を演算する空気量演算部を有することを特徴とする。
【００１０】
以上のような本発明では、貯湯槽へ供給される水の温度を測定する既存の温度計測装置からの測定値に基づいて、外気温度を推定することができるので、外気温度の計測のために、特別に計測手段を追加する必要がなく、装置コストを抑えることができる。
【発明の効果】
【００１１】
以上のような本発明によれば、外気温度計測手段を追加せずに、既存の計測手段を用いて外気温度を推定することにより、空気流量を適切に制御可能な燃料電池コージェネレーションシステム、その制御方法及び制御プログラムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態とする）を、図面を参照して、具体的に説明する。
（１）第１の実施形態
（１−１）構成
本実施形態は、図１に示すように、燃料電池Ｆ、貯湯槽１、温度計測装置２、制御装置３、空気供給装置４を有している。燃料電池Ｆは、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスの供給を受けて発電するものであり、現在又は将来において利用可能なあらゆる燃料電池を含む。
【００１３】
この燃料電池Ｆには、排熱との熱交換により温水が循環する温水循環ラインＬ１が設けられている。貯湯槽１は、温水循環ラインＬ１の温水との熱交換により、水道水を加熱して、蓄積、供給する槽である。この貯湯槽１には、水道水が供給される水道水供給ラインＬ２、温水を供給する温水供給ラインＬ３が接続されている。
【００１４】
温度計測装置２は、水道水の温度を測定するために、水道水供給ラインＬ２に設けられている。この温度計測装置２は、貯湯槽１からの供給熱量を計測するために、既存の貯湯槽１に設けられているものを利用することができる。
【００１５】
制御装置３は、後述するように、温度計測装置２で計測した温度に基づいて、空気供給装置４の空気量を制御する手段である。空気供給装置４は、燃料電池Ｆに対して、酸化剤ガスである空気を供給するポンプ等の装置である。
【００１６】
制御装置３は、図２に示すように、入力部３１、設定記憶部３２、空気量演算部３３、指示出力部３４を有している。入力部３１は、温度計測装置２からの計測信号を、空気量演算部３３の演算に適した形式に変換して入力する手段である。設定記憶部３２は、空気量演算部３３による演算の基準等、実施形態の処理に必要な各種の設定を記憶する手段である。
【００１７】
空気量演算部３３は、入力部３１から入力される計測温度、設定記憶部３２に設定された基準に基づいて、空気供給装置４からの空気量の制御値を算出する手段である。例えば、計測温度が低下した場合は、空気の供給量を減少させるように補正係数を算出し、計測温度が上昇した場合には、空気の供給量を増加させるように補正係数を算出する。
【００１８】
指示出力部３４は、算出された制御値に基づいて、空気供給装置４へ動作指示を出力する手段である。設定された基準による制御の例としては、温度若しくは温度変化に応じた空気供給装置４の出力値若しくは補正係数を設定しておいてもよいし、出力の上限と下限を設定しておいて、空気供給装置４の出力値を上昇若しくは下降させるのみとしてもよい。
【００１９】
なお、制御装置３は、例えば、専用の電子回路若しくは所定のプログラムで動作するコンピュータ等によって実現できる。従って、以下に説明する手順で本装置の動作を制御するためのコンピュータプログラム及びこれを記録した記録媒体も、本発明の一態様である。
【００２０】
（１−２）作用
以上のような構成を有する本実施形態の作用は、以下の通りである。すなわち、燃料電池Ｆでは、燃料ガス（図示を省略）と空気供給装置４からの空気（酸化剤ガス）の供給を受けて、発電が行われる。このときの排熱は、温水循環ラインＬ１により、貯湯槽１を経由する過程で、水道水供給ラインＬ２からの水道水との熱交換に用いられ、温水供給ラインＬ３から温水が供給される。
【００２１】
このとき、温度計測装置２によって、水道水温度が計測される。計測された水道水温度は、入力部３１から空気量演算部３３に入力される。空気量演算部３３では、水道水温度が外気温度であるとして、空気量の補正係数等を算出する演算を行う。指示出力部３４は、算出された補正係数等に基づいて、空気供給装置４の作動を制御する指示を出力する。これにより、燃料電池Ｆの空気供給量が適切な値に補正される。
【００２２】
（１−３）効果
以上のような本実施形態によれば、既存の温度計測装置２によって測定した温度に基づいて外気温度を推定し、これに基づいて、供給する空気量を補正し、適切な量の空気を供給することができる。したがって、特別に外気温度計測手段を設ける必要がなく、装置コストを抑えることが可能となる。
【００２３】
（２）第２の実施形態
（２−１）構成
本実施形態は、基本的には、上記の第１の実施形態と同様の構成を有している。但し、本実施形態では、図３に示すように、温水供給ラインＬ３に、貯湯槽１から供給する温水の供給量を計測する湯供給量計測装置５が設けられている。この湯供給量計測装置５は、既存の貯湯槽１に設けられたものを利用することができる。
【００２４】
また、図４に示すように、本実施形態の制御装置３は、外気温推定部３５を有している。この外気温推定部３５は、湯供給量計測装置５により計測された温水の供給量と、温度計測装置２により計測された温度に基づいて、外気の温度を推定する手段である。
【００２５】
（２−２）作用
以上の様な構成を有する本実施例の形態の作用は以下の通りである。すなわち、水道水は常時貯湯槽１に流入しているわけではなく、水道水の流れが無い状態では、水道水の温度は周辺温度の影響を受けるため、必ずしも外気温度を反映しておらず、外気温度を正確に計測できない可能性がある。
【００２６】
このため、本実施形態では、入力部３１に入力された水道水温度と温水の供給量とに基づいて、外気温推定部３５が、湯の供給がある場合には、水道水にも流れがあると判断し、その際の水道水温度を外気温度として推定する。空気量演算部３３は、推定された外気温度に基づいて、供給する空気量の補正係数等を算出する。この手法は、上記の第１の実施形態と同様でよい。指示出力部３４は、この補正係数等に基づいて、空気供給装置４の作動を制御する指示を出力する。これにより、燃料電池Ｆの空気供給量が適切な値に制御される。
【００２７】
（２−３）効果
以上のような本実施形態によれば、既存の温度計測装置２と湯供給量計測装置５によって、水道水が流れている際の水道水温度に基づいて外気温度をより正確に推定し、これに基づいて、供給する空気量を補正し、適切な量の空気を供給することができる。
【００２８】
（３）第３の実施形態
（３−１）構成
本実施形態は、基本的には、上記の第２の実施形態と同様の構成を有している。但し、本実施形態では、図５に示すように、設定記憶部３２に、あらかじめ時刻ごとの補正係数が設定されている。そして、外気温推定部３５が、時刻ごとの補正係数を加味して、外気温度を推定する構成となっている。時刻信号は、内部クロック信号に基づいて時刻を計測するタイマ３６から得る。
【００２９】
（３−２）作用
以上の様な構成を有する本実施例の形態の作用は、以下の通りである。すなわち、図６に示すように、統計的に、時刻ごとの外気温度と水道水温度の変動は、外気温度のほうが大きいが、その差が僅かな時刻と、差が大きな時刻とが存在する。そこで、各時刻毎における外気温度と水道水温度との差を求め、この差を補正係数として、設定記憶部３２に記憶しておく。そして、外気温推定部３５は、時刻毎に、水道水温度に対応する補正係数を加算（若しくは減算）することにより、その時刻に応じた正確な外気温度を推定する。
【００３０】
（３−３）効果
以上のような本実施形態によれば、時刻ごとに変動する外気温度と水道水温度のばらつきを考慮して、正確な外気温度を推定することができるので、より正確に適切な量の空気を供給することができる。
【００３１】
（４）第４の実施形態
（４−１）構成
本実施形態は、基本的には、上記の第１の実施形態と同様の構成を有している。但し、本実施形態では、図７に示すように、制御装置３が、温度計測装置２によって計測された水道水温度について、所定の時間の計測値の平均を算出する平均値算出部３７を有している。所定の時間については、あらかじめ設定記憶部３２に記憶しておくものとし、測定された水道水温度及びこれに基づいて算出された平均値も、設定記憶部３２に記憶される。なお、時間信号は、内部クロック信号に基づいて時間を計測するタイマ３６から得る。
【００３２】
（４−２）作用
以上のような構成を有する本実施形態の作用は、以下の通りである。すなわち、計測される水道水温度は、水道水の利用の有無により、すなわち、流れのある状態と流れが停止して配管内に水道水が滞留している場合では、温度が異なる。流れがある状態では、水道水温度は外気温度を反映した温度となるが、流れがない状態では、水道水温度は配管付近の温度となる。
【００３３】
そこで、本実施形態では、設定記憶部３２に、測定された水道水温度を記録しておき、平均値算出部３７が、現時点から所定の時間前の水道水温度の平均値を求める。空気量演算部３３は、この平均値を現時点での水道水温度として、これを外気温度であると推定して、空気量の補正係数等を算出する演算を行う。指示出力部３４は、算出された補正係数等に基づいて、空気供給装置４の作動を制御する指示を出力する。
【００３４】
（４−３）効果
以上のような本実施形態によれば、水道水が流れている場合と水道水が停止している場合とのばらつきを考慮して、正確な外気温度を推定することができるので、より正確に適切な量の空気を供給することができる。
【００３５】
（５）他の実施形態
本発明は、上記のような実施形態に限定されるものではない。例えば、第３の実施形態は、第２の実施形態を基本構成としたが、第１の実施形態を基本構成としてもよい。第４の実施形態も、第２の実施形態若しくは第３の実施形態を基本構成としてもよい。つまり、本発明における請求項のいずれを組み合わせて実施形態を構成するかは、自由である。
【００３６】
また、第３の実施形態において用いるデータは、一年中同じとすることもできるが、季節、月、週等、一定の期間毎に変えることにより、より適切な補正係数を得ることができる。時刻毎の補正係数に加えて、季節等、一定の期間毎に異なる補正係数を用意し、演算に加味することも可能である。空気量に対する補正係数の演算、外気温度（水道水温度）に対する補正係数の演算等は、特定の式やパラメータに限定されるものではない。したがって、上記の実施形態で示した演算は、例示にすぎない。
【００３７】
また、本発明を適用するコージェネレーションシステムの構成は、上記の実施形態で例示したものには限定されず、個々の構成要素として何を採用するか若しくはしないかは自由である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の燃料電池コージェネレーションシステムの第１の実施形態を示す構成図
【図２】図１の実施形態の制御装置を示す機能ブロック図
【図３】本発明の燃料電池コージェネレーションシステムの第２の実施形態を示す構成図
【図４】図３の実施形態の制御装置を示す機能ブロック図
【図５】本発明の燃料電池コージェネレーションシステムの第３の実施形態における制御装置を示す機能ブロック図
【図６】図５の実施形態に用いられる計測データの一例を示す説明図
【図７】本発明の燃料電池コージェネレーションシステムの第４の実施形態における制御装置を示す機能ブロック図
【符号の説明】
【００３９】
１…貯湯槽
２…温度計測装置
３…制御装置
４…空気供給装置
５…湯供給量計測装置
３１…入力部
３２…設定記憶部
３３…空気量演算部
３４…指示出力部
３５…外気温推定部
３６…タイマ
３７…平均値算出部
Ｆ…燃料電池
Ｌ１…温水循環ライン
Ｌ２…水道水供給ライン
Ｌ３…温水供給ライン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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