(57)【要約】【課題】  燃料電池システムの発電を電力負荷が小さい場合でも継続させ、余剰電力を熱に変えて湯として利用できるようにすること。【解決手段】  水素生成器と、水素生成器で得られた生成ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、運転開始から発電までの一連の動作を制御する制御器と、燃料電池にて発電された直流電力を交流電力に変換する直流交流変換器と、電力負荷での負荷電力を検知する負荷電力検知手段と、水素生成器で得られた生成ガスや酸化剤ガスおよび燃料電池からの排熱を利用して得られた湯を貯蔵する貯湯タンクと、貯湯タンクに接続されたヒータとを備え、負荷電力検知手段により負荷電力が最低発電電力以下になった場合、制御器は直流交流変換器からの電力をヒータに供給して熱に変換することにより、発電を継続できるようになり、エネルギーを無駄に捨てることがなくなる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素生成器と、前記水素生成器で得られた生成ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、運転開始から発電までの一連の動作を制御する制御器と、前記燃料電池にて発電された直流電力を交流電力に変換する直流交流変換器と、電力負荷での負荷電力を検知する負荷電力検知手段と、前記水素生成器で得られた生成ガスや酸化剤ガスおよび前記燃料電池からの排熱を利用して得られた湯を貯蔵する貯湯タンクと、前記貯湯タンクに接続されたヒータとを備え、前記負荷電力検知手段により負荷電力が最低発電電力以下になった場合、前記制御器は前記直流交流変換器からの電力を前記ヒータに供給して熱に変換することにより発電を継続することを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
【請求項２】
気温検知手段を備え、制御器は、家庭内気温と外気温との差が一定以上の場合は、直流交流変換器からの電力をヒータに供給して熱に変換する比率を増加させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項３】
月日を計測する計時手段を備え、秋から冬の低温期には、制御器は、直流交流変換器からの電力をヒータに供給して熱に変換する比率を増加させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項４】
貯湯タンク内の湯量の使用状況を検知する湯使用量検知手段を備え、制御器は、湯の使用量が一定以上となれば、直流交流変換器からの電力をヒータに供給して熱に変換する比率を増加させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項５】
系統電源への逆潮流を検知する逆潮流検知手段を備え、逆潮流を検知した場合、制御器は、逆潮流分の電力をヒータに供給して逆潮流を防止することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項６】
貯湯タンクの最下部に湯温検出サーミスタを備え、前記貯湯タンク内の最下部までの温度が一定以上に達した場合、制御器は湯の供給温度を設定温度より上げて供給することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項７】
貯湯タンクに冷却ファンを備え、前記貯湯タンク内の最下部までの温度が一定以上に達した場合、制御器は前記冷却ファンにより前記貯湯タンク内の湯を冷却することを特徴とする請求項６記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項８】
貯湯タンク内の最下部までの温度が限度に達した場合、制御器は異常報知することを特徴とする請求項６又は７記載の燃料電池システムの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を用いて発電を行う燃料電池システムの制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムの制御装置としては、電力と熱の双方を効率よく最大限に利用
している燃料電池発電システムがあった（例えば、特許文献１参照）。図１２は、前記特許文献１に記載された従来の燃料電池システムの制御装置を示すものである。
【０００３】
図１２において、天然ガスやメタノールなどの原料燃料および水蒸気改質反応に必要な原料水から水素に富んだガスを生成する水素生成器１と、酸化剤ガスとしての空気を供給するためのブロアファンで構成される送風器２と、供給空気を加湿する空気加湿器３と、水素生成器１で得られた生成ガスと送風器２からの酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池４と、燃料電池４にて発電された直流電力を交流２００Ｖに変換する直流交流変換器５と、水素生成器１で得られた生成ガス、送風器２からの酸化剤ガスおよび燃料電池４から、それぞれの排熱を回収して得られた湯を貯蔵する貯湯タンク６と、起動から発電までの一連の動作を制御する制御器７と、家庭内の電力負荷での負荷電力を検知する負荷電力検知手段８で構成されている。
【０００４】
ここで制御器７は、負荷電力検知手段８により家庭内の電力負荷に応じて、直流交流変換器５からの発電出力を制御し、かつ生成ガス、酸化剤ガスおよび燃料電池４からの排熱を回収して、電力および熱の双方を効率よく制御していた。また電力大負荷時間帯に貯湯タンク６の湯を自動的に浴槽等に供給していた。
【特許文献１】特開２００２−３５２８３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の構成では、電力負荷が小さい時間帯では発電が停止していたり、電力負荷がオンオフを頻繁に繰り返している際は、仮に発電していても電力を無駄にしていたり、あるいは停止中のときは効率が悪く再起動するためには起動エネルギーを必要とするという課題を有していた。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、燃料電池システムの発電を電力負荷が小さいときでも発電を継続させ、余剰電力を熱に変えて湯として利用できるようにした燃料電池システムの制御装置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】
【０００７】
前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムの制御装置は、貯湯タンクにヒータを有し、電力を熱に変え、湯として貯湯タンクに貯蔵するものである。
【０００８】
本構成によって、電力負荷が小さくなった場合でも、余剰電力を熱に変えて貯湯タンクに湯として貯蔵することにより、発電を引き続き継続でき、さらにシステムの発停が頻繁に行われることによる起動時のエネルギーの無駄を防止することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の燃料電池システムの制御装置によれば、電力負荷が最低発電電力以下となった場合でも、余剰電力を貯湯タンク内のヒータに供給することにより、電力を熱に変えて湯として貯湯タンクに貯蔵するという構成により、発電を引き続き継続させてエネルギーを無駄に捨てる必要がなくなる。さらにシステムの発停が頻繁に行われることがなくなるので、起動時のエネルギーロスをなくすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
第１の発明は、水素生成器と、水素生成器で得られた生成ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、運転開始から発電までの一連の動作を制御する制御器と、燃料電池にて発電された直流電力を交流電力に変換する直流交流変換器と、電力負荷での負荷電力を検知する負荷電力検知手段と、水素生成器で得られた生成ガスや酸化剤ガスおよび燃料電池からの排熱を利用して得られた湯を貯蔵する貯湯タンクと、貯湯タンクに接続されたヒータとを備え、負荷電力検知手段により負荷電力が最低発電電力以下になった場合、制御器は直流交流変換器からの電力をヒータに供給して熱に変換することにより発電を継続することにより、電力負荷が最低発電電力以下となった場合でも、余剰電力を貯湯タンク内のヒータに供給することにより、電力を熱に変えて湯として貯湯タンクに貯蔵するという構成により、発電を引き続き継続させてエネルギーを無駄に捨てる必要がなくなる。さらにシステムの発停が頻繁に行われることがなくなるので、起動時のエネルギーロスをなくすことができる。
【００１１】
第２の発明は、特に、第１の発明に加え、気温検知手段を備え、制御器は、家庭内気温と外気温との差が一定以上の場合は、直流交流変換器からの電力をヒータに供給して熱に変換する比率を増加させることにより、湯量不足を解消するとともに、電力負荷が低下しても発電を継続できエネルギーロスをなくす事ができる。
【００１２】
第３の発明は、特に、第１の発明に加え、月日を計測する計時手段により、低温期（例えば１１月から３月）には発電電力をヒータに供給する比率を増加させるという構成により、湯量不足を解消するとともに、電力負荷が低下しても発電を継続できエネルギーロスをなくす事ができる。
【００１３】
第４の発明は、特に、第１の発明に加え、貯湯タンク内の湯量の使用状況を検知する湯使用量検知手段により、湯の使用量が一定以上となった場合には、発電電力をヒータに供給する比率を増加させるという構成により、湯量不足を解消するとともに、電力負荷が低下しても発電を継続できエネルギーロスをなくす事ができる。
【００１４】
第５の発明は、特に、第１の発明に加え、系統電源への逆潮流を検知する逆潮流検知手段により、逆潮流を検知した場合は、逆潮流分の電力をヒータに供給するという構成により、逆潮流を防止することができる。
【００１５】
第６の発明は、特に、第１〜５のいずれか１つの発明に加え、貯湯タンクの最下部に湯温検出サーミスタを備え、湯温検出サーミスタにより、貯湯タンク内の湯温が最下部まで、一定以上に達した場合、湯の供給温度を設定温度より上げて供給するという構成により、貯湯タンク内の湯温を調節できる。
【００１６】
第７の発明は、特に、第６の発明に加え、貯湯タンクに冷却ファンを備え、貯湯タンク内の湯温が最下部まで、一定以上に達した場合、冷却ファンにより、貯湯タンク内の湯を冷却するという構成により、貯湯タンク内の湯温を調節できる。
【００１７】
第８の発明は、特に、第６又は第７の発明に加え、貯湯タンク内の湯温が最下部まで上限に達した場合、異常報知するという構成により、事前に使用者に湯の使用を促し、燃料電池システムの発電を継続できることになる。
【００１８】
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。
【００１９】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における燃料電池システムの制御装置の構成図である。図１において、図１２と同じ構成要素については同一符号を用い、説明を省略する。
【００２０】
図１において、ヒータ９は貯湯タンク６内に設置され、余剰電力を熱に変換し、貯湯タンク６内に湯を貯蔵するためのものである。負荷電力検知手段８により負荷電力が最低発電電力以下となった場合、制御器７は直流交流変換器５からの電力をヒータ９に供給して熱に変換することにより発電を継続する構成としている。
【００２１】
ここで図２のフローチャートを使って説明する。ステップ１で燃料電池システムを起動させ、水素生成器１にて水素リッチなガスが生成され、各部の温度が設定温度に達すれば、ステップ２において発電に入る。そしてステップ３において負荷電力検知手段８により家庭内の電力負荷に応じて、電力負荷追従運転を行う。そしてステップ４において電力負荷が最低発電電力以下（ここでは４００Ｗ以下）であると検知されれば、ステップ５で最低発電電力４００Ｗを維持して出力する。そしてステップ６において計算により発電電力から負荷電力を引いた値を余剰電力とする。そしてステップ７においてその余剰電力をヒータ９に供給し、電力を熱に変換して消費させるものである。
【００２２】
また図３における1日の運転動作図に示すように、通常は負荷電力に追従して発電電力を出力するが、負荷電力が最低電力（ここでは４００Ｗ）以下となっても、発電電力は４００Ｗを維持して出力するものである。
【００２３】
かかる構成によれば、電力負荷が最低発電電力以下となった場合でも、余剰電力を貯湯タンク６内のヒータ９に供給することにより、電力を熱に変えて湯として貯湯タンク６に貯蔵するので、発電を引き続き継続させてエネルギーを無駄に捨てる必要がなくなる。さらにシステムの発停が頻繁に行われることがなくなるので、起動時のエネルギーロスをなくすことができる。
【００２４】
なお、本実施の形態において、電力を熱に変換するものとして、ヒータ９を設けたが、ＩＨ（インダクションヒータ）や単なる電熱器でも良い。
【００２５】
（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２における燃料電池システムの制御装置の構成図である。図４において、図１および図１２と同じ構成要素については同一符号を用い、説明を省略する。
【００２６】
図４において、気温検知手段１０は家庭内気温および外気温を検知するものである。制御器７は気温検知手段１０にて検知された家庭内気温と外気温との温度差をもとに発電電力をヒータ９に供給する比率を変える構成としている。ここでは家庭内気温と外気温との差が５℃以上の場合に、ヒータ９への電力の供給比率を変えるものである。例えば、（表１）において、家庭内気温から外気温を引いた値が、５℃以上１０℃未満の場合はヒータ９への通電比率をその時点の１０％アップとし、１０℃以上１５℃未満の差の場合は２０％アップ、１５℃以上２０℃未満の差の場合は３５％アップ、２０℃以上の差の場合は５０％アップとするものである。ここで家庭内気温と外気温との差を基準としたが、それぞれの温度そのものよりも相対気温にて判断する方がより体感を表しているからである。
【００２７】
【表１】
2005085663.tif 000003
【００２８】
かかる構成によれば、気温検知手段１０により家庭内気温と外気温との差が一定以上の場合は、発電電力をヒータ９に供給する比率を増加させるので、電力よりも湯量を増加させることにより湯量不足を解消するとともに、電力負荷が低下しても発電を継続できエネルギーロスをなくす事ができる。
【００２９】
なお、本実施の形態において、家庭内気温から外気温を引いた値をもとにヒータ９への電力の供給比率を変えたが、もちろん外気温そのものあるいは家庭内気温そのものにより比率をかえても良い。また温度差間隔の設定および比率のアップ率の値は自由に変えても良い。
【００３０】
（実施の形態３）
図５は本発明の実施の形態３における燃料電池システムの制御装置の構成図である。図５において、図１、図４および図１２と同じ構成要素については同一符号を用い、説明を省略する。
【００３１】
図６において計時手段１１は月日を計測できる時計機能を有するものである。制御器７は計時手段１１により、ここでは１１から３月までの低温期を検知し、この時期においては発電電力をヒータ９に供給する比率を変える構成としている。例えば（表２）において、１１月では発電電力をヒータ９への通電比率をその時点の５％アップさせる。同様に１２月は１０％アップ。１月は２０％アップ、２月は３０％アップ、３月は１０％アップさせることにより湯量の確保を行うものである。
【００３２】
【表２】
2005085663.tif 000004
【００３３】
かかる構成によれば、計時手段１１により、低温期（例えば１１月から３月）には発電電力をヒータ９に供給する比率を増加させるので、湯量不足を解消するとともに、電力負荷が低下しても発電を継続できエネルギーロスをなくす事ができる。
【００３４】
なお、本実施の形態において、低温期を１１月から３月としたが、設置場所により時期をずらしても良く、当然ヒータ９に供給する比率を変えても良い。
【００３５】
（実施の形態４）
図６は本発明の実施の形態４における燃料電池システムの制御装置の構成図である。図６において、図１、図４、図５および図１２と同じ構成要素については同一符号を用い、説明を省略する。
【００３６】
図６において、湯使用量検知手段１２は、貯湯タンク６内の湯の使用量を検知するものである。制御器７は湯使用量検知手段１２により、湯の使用量が一定以上（ここでは毎分５Ｌ（リットル）以上）となれば、発電電力をヒータ９に供給する比率を変える構成としている。例えば（表３）において、湯の使用量が毎分５Ｌ以上１０Ｌ未満となれば、ヒータ９への通電比率をその時点の５％アップさせる。同様に毎分１０Ｌ以上１５Ｌ未満では１０％アップ、毎分１５Ｌ以上２０Ｌ未満では３０％アップ、毎分２０Ｌ以上では５０％アップさせることにより湯量の確保を行うものである。
【００３７】
【表３】
2005085663.tif 000005
【００３８】
かかる構成によれば、湯使用量検知手段１２により、湯の使用量が一定以上となった場合には、発電電力をヒータに供給する比率を増加させるので、湯量不足を解消するとともに、電力負荷が低下しても発電を継続できエネルギーロスをなくす事ができる。
【００３９】
なお、本実施の形態において、最低使用量を毎分５Ｌとしたが、家庭の使用状況に合わせて設定量をかえても良い。
【００４０】
（実施の形態５）
図７は本発明の実施の形態５における燃料電池システムの制御装置の構成図である。図７において、図１、図４、図５、図６および図１２と同じ構成要素については同一符号を用い、説明を省略する。
【００４１】
図７において、逆潮流検知手段１３は発電電力が家庭内の負荷電力を上回り、系統電源へ逆に電力が送られることを検知するものである。制御器７は、逆潮流検知手段１３により、電力が逆潮流していることを検知した場合は、逆潮流分に相当する電力をヒータ９に供給し、逆潮流を防止する構成としている。
【００４２】
ここで、図８のフローチャートを使って説明する。ステップ１１で燃料電池システムを起動させ、水素生成器１にて水素リッチなガスが生成され、各部の温度が設定温度に達すれば、ステップ１２において発電に入る。そしてステップ１３において負荷電力検知手段８により家庭内の電力負荷に応じて、電力負荷追従運転を行う。そしてステップ１４において家庭内の電力負荷が発電電力より小さくなっていると検知されれば、ステップ１５で計算により発電電力から負荷電力を引いた値を余剰電力とする。そしてステップ１６においてその余剰電力をヒータ９に供給し、電力を熱に変換して消費させるものである。
【００４３】
また図９における1日の運転動作図に示すように、理論的には家庭内の電力負荷に追従して発電電力を出力しているが、負荷電力は常に細かく変動しており、負荷電力値よりも若干小さい電力値を発電しているものの、厳密には図の三角形領は逆潮流を起こしていることになる。このためその都度ヒータ９に電力を供給し、電力を熱に変換して消費し、逆潮流を防止するものである。
【００４４】
かかる構成によれば、逆潮流検知手段１３により、逆潮流を検知した場合は、逆潮流分の電力をヒータ９に供給するので、逆潮流を防止することができる。
【００４５】
（実施の形態６）
図１０は本発明の実施の形態６における燃料電池システムの制御装置の構成図である。図１０において、図１、図４、図５、図６、図７および図１２と同じ構成要素については同一符号を用い、説明を省略する。
【００４６】
図１０において、湯温検出サーミスタ１４は、貯湯タンク６の最下部に設置され、貯湯タンク６の最下部の湯温を検知するものである。制御器７は、湯温検出サーミスタ１４により、貯湯タンク６の最下部の温度が、貯湯タンク６内の湯温の上限、例えば８０℃に達した場合は、貯湯タンク内がすべて８０℃に達したことを意味しているので、湯を使用して温度を下げる必要がある。ここでは湯を使用する際の設定温度を１℃ずつ最大５℃まで上げて供給する構成としている。最初は１℃設定温度を上げるが、湯温の下降状況から、湯温をさらに下げる必要がある場合はさらに設定温度を上げて、最大５℃までとし、やけど等の危険性を極力避けるものである。
【００４７】
かかる構成によれば、湯温検出サーミスタ１４により、貯湯タンク６内の湯温が最下部まで、一定以上に達した場合、湯の供給温度を設定温度より上げて供給するので、貯湯タンク６内の湯温を調節できるものである。
【００４８】
（実施の形態７）
図１１は本発明の実施の形態７における燃料電池システムの制御装置の構成図である。図１１において、図１、図４、図５、図６、図７、図１０および図１２と同じ構成要素については同一符号を用い、説明を省略する。
【００４９】
図１１において、冷却ファン１５は貯湯タンク６内に設置され、貯湯タンク６内の湯を冷却し、湯温を下げる役目を果たす。制御器７は湯温検出サーミスタ１４により、貯湯タンク６の最下部の温度が、貯湯タンク６内の湯温の上限、例えば８０℃に達した場合は、貯湯タンク内がすべて８０℃に達したことを意味しているので、湯温を下げる必要がある。ここでは冷却ファン１５により強制的に冷風を送り、湯温を下げる構成としている。
【００５０】
かかる構成によれば、貯湯タンク６内の湯温が最下部まで、一定以上に達した場合、冷却ファンにより、貯湯タンク内の湯を冷却するので、貯湯タンク６内の湯温を調節できるものである。
【００５１】
また、貯湯タンク６内の湯温が最下部まで上限に達した場合、異常報知するという構成としている。
【００５２】
かかる構成によれば、貯湯タンク６内の湯温が最下部まで上限に達した場合、異常報知するので、事前に使用者に湯の使用を促し、燃料電池システムの発電を継続できることになる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明の燃料電池システムの制御装置は、電力負荷が最低発電電力以下となった場合でも、余剰電力を貯湯タンク内に設けたヒータに供給することにより、電力を熱に変えて湯として貯湯タンクに貯蔵するという構成により、発電を引き続き継続させるため、システムの起動時のエネルギーロスをなくすことができるので、燃料電池を用いて発電を行うことに有用である。また他の電池や動力源を用いたコージェネレーションシステムにも応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【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制御装置の構成図
【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制御装置の動作を示すフローチャート
【図３】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの制御装置の一日の運転動作図
【図４】本発明の実施の形態２における燃料電池システムの制御装置の構成図
【図５】本発明の実施の形態３における燃料電池システムの制御装置の構成図
【図６】本発明の実施の形態４における燃料電池システムの制御装置の構成図
【図７】本発明の実施の形態５における燃料電池システムの制御装置の構成図
【図８】本発明の実施の形態５における燃料電池システムの制御装置の動作を示すフローチャート
【図９】本発明の実施の形態５における燃料電池システムの制御装置の一日の運転動作図
【図１０】本発明の実施の形態６における燃料電池システムの制御装置の構成図
【図１１】本発明の実施の形態７における燃料電池システムの制御装置の構成図
【図１２】従来の燃料電池システムの制御装置の構成図
【符号の説明】
【００５５】
１  水素生成器
４  燃料電池
５  直流交流変換器
６  貯湯タンク
７  制御器
８  負荷電力検知手段
９  ヒータ
１０  気温検知手段
１１  計時手段
１２  湯使用量検知手段
１３  逆潮流検知手段
１４  湯温検出サーミスタ
１５  冷却ファン
【図１】
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【図２】
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【図３】
2005085663.tif 000008
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2005085663.tif 000013
【図９】
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【図１０】
2005085663.tif 000015
【図１１】
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【図１２】
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