(57)【要約】【課題】電気および熱を有効に生成することのできるコジェネレーションシステムを提供する。【解決手段】燃料電池本体１２、熱交換器１６、貯湯槽１７および通電ヒータ１８を備え、燃料電池本体１２が発電した電力のうち、宅内の電気負荷３１によって消費されなかった余剰電力を通電ヒータ１８に送るコジェネレーションシステム１において、制御手段１５は、所定の期間毎に、その期間内の電気および温水の需要に応じて基準値を設定し、かつ、電気および温水の需要が多い期間ほど基準値を大きい値に設定するものであり、制御手段１５が、電気負荷３１の消費電力が所定の基準値以下のときに、燃料電池本体１２の発電電力を該基準値近傍に設定する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池本体と、該燃料電池本体から発生する排熱を回収する熱交換器と、該熱交換器により温められた水を蓄える貯湯槽と、該貯湯槽内の水を加熱する通電ヒータと、前記各部の動作を制御する制御手段とを備え、前記燃料電池本体が発電した電力のうち、外部の電気負荷によって消費されなかった余剰電力を前記通電ヒータに送るコジェネレーションシステムの運転方法であって、
前記制御手段は、所定の期間毎に、その期間内の電気および温水の需要に応じて基準値を設定し、かつ、前記電気および温水の需要が多い期間ほど該基準値を大きい値に設定するものであり、
前記制御手段が、前記外部の電気負荷の消費電力が前記基準値以下のときに、前記燃料電池本体の発電電力を前記基準値近傍に設定するべく、前記燃料電池本体を制御することを特徴とするコジェネレーションシステムの運転方法。
【請求項２】
前記制御手段は、月ごとにその月の前記電気および温水の需要に応じて前記基準値を設定することを特徴とする請求項１に記載のコジェネレーションシステムの運転方法。
【請求項３】
前記制御手段は、日ごとにその日の前記電気および温水の需要に応じて前記基準値を設定することを特徴とする請求項１に記載のコジェネレーションシステムの運転方法。
【請求項４】
燃料電池本体と、該燃料電池本体から発生する排熱を回収する熱交換器と、該熱交換器により温められた水を蓄える貯湯槽と、該貯湯槽内の水を加熱する通電ヒータと、前記各部の動作を制御する制御手段とを備え、前記燃料電池本体が発電した電力のうち、外部の電気負荷によって消費されなかった余剰電力を前記通電ヒータに送るコジェネレーションシステムであって、
前記制御手段は、所定の期間毎に、その期間内の電気および温水の需要に応じて基準値を設定し、かつ、前記電気および温水の需要が多い期間ほど該基準値を大きい値に設定するものであり、
前記外部の電気負荷の消費電力が前記基準値以下のときに、該燃料電池本体の発電電力を前記基準値近傍に維持することができることを特徴とするコジェネレーションシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気を生成して電力需要に供するとともに、熱を生成して貯湯槽に温水として蓄熱し熱需要に供するコジェネレーションシステムおよびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コジェネレーションシステムの従来の運転方法としては、定格運転における熱電供給量を、熱と電気の需要に合わせて最適化するものがある（特許文献１参照）。これは定格運転を前提とするものであり、すなわち、コジェネレーションシステムの発電電力は一定とされている。
【０００３】
しかし、現在ではハードウェアの進歩により、発電電力の宅内エネルギー負荷への追従もある程度可能になり、負荷変動の大きい宅内エネルギー需要にある程度追従してコジェネレーションシステムがエネルギーを供給できるようになってきている。このような進展のもとにコジェネレーションシステムの運転制御におけるさらなる最適化が望まれている。
【０００４】
負荷追従として一般的である電気負荷追従による運転においては、改質器や、補機などにおける部分負荷効率によるロスを考えなければならない。コジェネレーションシステムは、消費燃料に対する、発電電力と回収熱との和の比、すなわち総合効率が高い。とはいえ、部分負荷において、消費燃料に対する発電電力の比、すなわち発電効率が低下すると当然総合効率も低下する。
【０００５】
そこで、燃料電池が発電する電力の最低限の値として下限発電容量を設定し、宅内の電気負荷が消費する電力が下限発電容量を下回る場合は、下限発電容量と電力需要の差である余剰電力を、貯湯槽内に設置した通電ヒータに通電させることが行われている。これにより、余剰電力を熱として有効利用することができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−１３８９０２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記方法では、燃料電池の発電電力が温水の需要量に必ずしも合致してはおらず、通電ヒータに送る電力が必ずしも有効に利用されていない。例えば冬季は温水の需要が多いにもかかわらず、発電電力が十分でなく通電ヒータによる加熱が十分に行えなかったり、逆に夏季は温水の需要が少ないため、通電ヒータに送る電力が無駄になることがある。また、夏季はエアコン等の使用のため電力の需要が多いにもかかわらず、発電電力が十分でなく商用電力への依存率が高くなったり、逆に冬季は電力の需要が少ないため発電した電力が無駄になることがある。
【０００８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、通電ヒータに送られる電力が有効に利用されるようにし、システム全体としての利用効率、すなわち、利用電力と利用熱との和の、消費燃料に対する比を向上させたコジェネレーションシステムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成すべく、本発明に係るコジェネレーションシステムの運転方法は、燃料電池本体と、該燃料電池本体から発生する排熱を回収する熱交換器と、該熱交換器により温められた水を蓄える貯湯槽と、該貯湯槽内の水を加熱する通電ヒータと、前記各部の動作を制御する制御手段とを備え、前記燃料電池本体が発電した電力のうち、外部の電気負荷によって消費されなかった余剰電力を前記通電ヒータに送るものである。
【００１０】
そして、前記制御手段は、所定の期間毎に、その期間内の電気および温水の需要に応じて基準値を設定し、かつ、前記電気および温水の需要が多い期間ほど該基準値を大きい値に設定するものであり、前記制御手段が、前記外部の電気負荷の消費電力が前記基準値以下のときに、前記燃料電池本体の発電電力を前記基準値近傍に設定するべく、前記燃料電池本体を制御する。
【００１１】
前記のごとく構成された本発明のコジェネレーションシステムの運転方法は、電気需要、熱需要のバランスに応じて基準値が設定され、熱需要が大きい冬場には基準値は大きく設定され、通電ヒータに十分な電気が送られることでシステム効率が上昇する。逆に熱需要が小さい夏場には、基準値は小さく設定され、通電ヒータに送る電気が少なくなることにより、電気が無駄にならずにすむ。
【００１２】
また、本発明に係るコジェネレーションシステムの運転方法の好ましい具体的な態様としては、前記制御手段は、月ごとにその月の前記電気および温水の需要に応じて前記基準値を設定する。この構成によれば、月ごとの電気および熱の需要に応じて基準値を設定することにより、年間を通じてコジェネレーションシステムの利用効率を向上させることができる。
【００１３】
さらに、本発明に係るコジェネレーションシステムの運転方法の好ましい具体的な他の態様においては、前記制御手段は、日ごとにその日の前記電気および温水の需要に応じて前記基準値を設定する。この構成によれば、電気および熱の需要の変化にさらに細かく対応することができ、コジェネレーションシステムの利用効率をより向上させることができる。
【００１４】
本発明はさらに、上記各運転方法において用いられるコジェネレーションシステムをその一態様として有するものである。本発明のコジェネレーションシステムを用いて上記運転方法を実行することにより、コジェネレーションシステムの利用効率を向上させることができる。
【００１５】
なお、燃料電池本体の発電方法としては、例えば、燃料を改質して水素を得る燃料改質装置を設けておき、この燃料改質装置から供給される水素を使用して燃料電池本体が発電を行うようにする。この場合、熱交換器は、燃料電池本体から発生する排熱だけでなく、燃料改質装置から発生する排熱をも回収する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るコジェネレーションシステムの一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態によるコジェネレーションシステムを示す概略構成図であり、図２は、比較例１，２，３による月別節約率を表したグラフである。
【００１７】
図１に示すコジェネレーションシステム１は家屋等に設置されるものであり、改質器１１および燃料電池本体１２を有する。改質器１１は水素原料及び水へ所定の反応熱を供給し、水素原料に含まれる炭化水素又はアルコールを水と反応させて水素を発生する。燃料電池本体１２は改質器１１から供給された水素を空気中の酸素と反応させて電気エネルギーを発生する。燃料電池本体１２から得られた直流の電気は、インバータ１３で交流に変換された後、補機１４を介して商用電力に連系され、家庭内の電気負荷３１すなわち家電、照明、空調等に供給される。
【００１８】
燃料電池本体１２および改質器１１で発生した熱は、熱交換器１６で回収される。貯湯槽１７内の水が熱交換器１６内を循環して戻ってくるようになっており、この循環時に水が熱を奪って温水となる。貯湯槽１７には通電ヒータ１８が備えられており、貯湯槽１７内の水をさらに加熱できるようになっている。宅内の電気負荷３１の消費電力が燃料電池本体１２の発電電力を下回る場合に、発電電力と消費電力との差である余剰電力が通電ヒータ１８に送られる。燃料電池本体１２の発電電力は、通常は最も発電効率のよい一定の値（以下、「通常値」という。）とされており、本実施形態では１０００Ｗである。貯湯槽１７内の温水は必要に応じてボイラー１９によってさらに加熱された後、家庭内の熱負荷３２、例えば、台所や浴室の給湯器、床暖房やファンコイル式暖房等の暖房装置等に送られる。上記各部の動作は制御装置１５によって制御される。
【００１９】
制御装置１５は、現在日を認識する日付認識機能を備えており、現在が何月であるかを判断することができる。制御装置１５は、日付認識機能が認識した現在の月に応じて基準値を設定し、宅内の電気負荷３１の消費電力が基準値を下回る場合は、燃料電池本体１２の発電電力を基準値近傍に設定し、基準値と宅内の電気負荷３１の消費電力との差である余剰電力を、通電ヒータ１８に通電させて利用する。
【００２０】
表１は、本実施形態の一実施例によるコジェネレーションシステムの月ごとの基準値を示しており、６月から１０月は５００Ｗ、５月は７５０Ｗ、１１月から４月は１０００Ｗに設定している。すなわち、夏期は温水の需要が少なく、通電ヒータ１８に電気を送る必要があまりないので、基準値を小さく設定している。逆に、冬期は温水の需要が多いため、通電ヒータ１８に多量の電気を送る必要があり、基準値を大きく設定している。本実施例では、冬期の基準値は通常値と同じ１０００Ｗとなっており、つまり、冬期には電気の需要に関わらず常に１０００Ｗの発電電力を保つようにしている。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
以下、基準値を年間を通じて一定にした場合の例と比較しながら、上記本実施形態の一実施例についてさらに説明する。表２は、この一実施例とその比較例１，２，３それぞれの通常値および基準値を示している。通常値はいずれも１０００Ｗであるが、基準値については、比較例１，２，３ではそれぞれ５００Ｗ、７５０Ｗ、１０００Ｗに固定されている。なお、本実施形態の実施例および比較例１，２，３のいずれにおいても、電気および熱の需要がほとんどない０時から６時の間は運転が停止される。
【００２３】
【表２】
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【００２４】
表３は、上記各例について月ごとの光熱費を示したものであり、比較のため、「ＢＭ」の欄には、コジェネレーションシステムを使用しない場合の光熱費を月ごとに表している。どの月においても、本実施形態の実施例の光熱費は比較例のうち最も安いものと同じになっていることがわかる。
【００２５】
【表３】
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【００２６】
図２は、表２の数値に基づき、比較例１，２，３について、月ごとに節約率すなわち、光熱費（電気料金＋ガス料金）がどれだけ安くなったかを表したグラフである。ここでいう節約率とは、コジェネレーションシステムを使用しない場合の光熱費Ｒｏから各例における光熱費Ｒｔを差し引いた差額の、Ｒｏに対する割合を百分率で表したものである。
【００２７】
図１、図２および表２からわかるように、本実施形態の実施例における月ごとの基準値は、どの月においても、上記３種類の基準値のうち最も節約率の高くなる基準値に設定されている。従って、表２に示されるように、年間を通じての光熱費は比較例のどれよりも安くなっている。すなわち、本実施形態の実施例においては、月ごとに、その月内の、燃料電池本体１２が電気負荷３１に供給する電気の需要、および、貯湯槽１７が熱負荷３２に供給する温水の需要に応じて基準値を設定したことにより、余剰電力が熱として有効利用され、システム全体としての利用効率が上昇したことがわかる。
【００２８】
上記実施例では月ごとに基準値を設定したが、さらに細かく、日ごとに基準値を設定することも可能である。日単位で見ても負荷のバランスは変化しており、あらかじめ日々の電気、熱負荷を予想、あるいは設定することでより最適な運転に近づけることができる。また、上記実施例では基準値を５００Ｗ、７５０Ｗ、１０００Ｗの３種類に設定したが、これらの値はコジェネレーションシステムが使用される環境の電気・熱需要に応じて設定すればよく、実施例の値に限られるものではない。また、基準値の設定値を上記実施例よりも増やして４種類以上としたり、あるいは減らして２種類としてもよい。
【００２９】
【発明の効果】
本発明のコジェネレーションシステムは、電気需要、熱需要のバランスに応じて基準値を可変とすることにより、熱需要が大きいときには、基準値を大きくし、通電ヒータに十分な電気を送ることで貯湯槽内の温水を十分加熱することができる。逆に熱需要が小さいときには、基準値を小さくし、通電ヒータに送る電気を少なくすることにより、電気が無駄になるのを避けることができる。従って、年間を通じてシステム全体としての利用効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるコジェネレーションシステムを示す概略構成図。
【図２】比較例１，２，３による月別節約率比較グラフ。
【符号の説明】
１      コジェネレーションシステム
１１    改質器
１２    燃料電池本体
１５    制御装置
１６    熱交換器
１７    貯湯槽
１８    通電ヒータ
【図１】
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【図２】
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