(57)【要約】【課題】  経済性を向上させた燃料電池システムを提供する。【解決手段】  需要電力の変動に対応するに際し、燃料電池（ＰＥＦＣ）１の部分負荷運転を行うと共に、蓄電池５ａ，５ｂ，５ｃへの充放電を行う制御装置１６を設ける。また、複数設けた蓄電池５ａ，５ｂ，５ｃを充電対応グループ，放電対応グループ或いは充放電に寄与しないグループに設定して切替え制御を行う。そして、充電グループに設定された蓄電池の電圧レベルが一定レベルを超えたものから、電圧がより高いものを放電対応グループに、電圧が低いものを充電グループに切替える。【選択図】図１
2005108573.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄電装置及び燃料電池により構成される燃料電池システムにおいて、需要電力の変動に対応するに際し燃料電池の部分負荷運転を行うとともに前記蓄電装置への充放電を行う制御回路を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記蓄電装置を複数設けると共に当該蓄電装置を複数のグループに分け、充電対応グループ，放電対応グループあるいは充放電に関与しないグループに設定して切替え制御する制御装置を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、蓄電装置のうち充電グループに設定された蓄電装置の電圧を監視し、その電圧レベルが一定レベルを超えたものの中から電圧のより高いものを放電対応グループに、また、電圧が最も低いものを充電グループに切替えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、蓄電装置のうち充電グループに設定された蓄電装置の電圧Ｖを監視し、その電圧が予め定められた下限電圧値Ｖ1，上限電圧値
Ｖ2(Ｖ2＞Ｖ1）に対し、下記で表される値の部分負荷割合Ｘ（％）(但し、Ｖ＜Ｖ1のときは、Ｘ＝０（％）、Ｖ＞Ｖ2 のときは、Ｘ＝１００（％））で燃料電池の部分負荷或いは全負荷運転を行うことを特徴とする燃料電池システム。
Ｘ＝｛１−（Ｖ−Ｖ1）／（Ｖ2−Ｖ1）｝×１００（％）
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、部分負荷割合（％）を複数ｎ個に設定し、部分負荷割合(％）をＸ1，Ｘ2，・・・，Ｘnに限定した場合は、Ｘ≧Ｘk(ｋ＝１〜ｎ）の条件を満たすＸk（％）の部分負荷或いは全負荷運転を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、ｎ段階に設定したときのｋ段階での部分負荷割合（％）Ｘk を、過去のｋ段階での燃料電池の出力電力量（ｋＷｈ）及び過去のｋ段階での交流負荷電力量（ｋＷｈ）とに基づいて微調整量ΔＸk を算出し、前記二つの大小に応じてＸk＋ΔＸk或いはＸk−ΔＸkを新しいＸk として採用して運転を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、全ての蓄電装置のグループの電圧Ｖが定められた電圧Ｖ1 に満たない場合、全てを充電対応グループに切替えて、燃料電池を全負荷運転するとともに系統電力から需要電量の所定範囲内の電力を買電することを特徴とす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、燃料電池を主電源とする燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、従来電力用を中心に開発されてきた結果、家庭用のように一部時間帯により高い需要電力が必要であるが、平均的には需要電力が低い対象に対し配慮がなされてきていない。特に、固体高分子電解質燃料電池（以降、ＰＥＦＣ）の場合、ピーク需要電力をカバーするようにＰＥＦＣの出力を選定すると、余剰電力が増えても売電単価が低いため不経済である。また、ＰＥＦＣの効率を３０〜４０％とすると、出力の６０〜７０％相当の損失分が７０℃程度の熱湯を沸かす以外には使い難い低温の排ガスしか得られなくなるので、湯の消費量（需要）がそれほど大きくない場合は、さらに不経済となる。
【０００３】
また、電力需要に追随して部分負荷運転するのが経済的であるが、家庭用の場合、刻々需要パターンが変動するため、瞬間的なピーク電力需要で運転していたのでは急発進急停止の繰り返しとなり寿命に多大な影響を与える可能性がある。また、３０分間の平均電力需要を見てから部分負荷運転に入るのでは遅すぎる。このため、平均的な電力需要パターンを予め入れて置き、これと学習制御を組み合わせて電力需要に対処する方法が提唱されている。しかし、この方法でも日々刻々季節或いは天気，景気による影響を受ける電力需要に応えて行くのは難しい。このような状況のもと、家庭用に相応しいＰＥＦＣシステムが求められていた。
【０００４】
なお、燃料電池と蓄電池装置を組み合わせて使用する燃料電池システムとしては、例えば特開２００２−１１０２１０号公報に記載のものがある。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１１０２１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、経済性を向上させた燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明では、蓄電装置と燃料電池によって構成される燃料電池システムにおいて、電力需要の変動に対応するに際し燃料電池の部分負荷運転を行うと共に、蓄電装置への充放電を行う制御回路を設ける。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、経済性を向上させた燃料電池システムを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
燃料電池は従来電力用を中心に開発されてきたので、家庭用のように一部時間帯により高い需要電力が発生する場合に対し配慮されてきていなかった。特に、ＰＥＦＣの場合、ピーク需要電力をカバーするように出力選定すると、余剰電力増加で不経済である。
【００１０】
このような状況のもと、経済性の高いシステムを提供するために、比較的高価なPEFCで平均需要電力に対応し、ピーク分は、比較的低廉な蓄電装置と系統電源で賄うこと、具体的には蓄電装置は、低価格な鉛蓄電池で構成し、燃料電池を部分負荷運転する経済的なシステムを提供する。すなわち、平均需要電力よりも需要電力が低いときには蓄電装置に充電しつつ最適な部分負荷運転をし、逆な場合には放電しつつ適切な部分負荷運転を行うことで、蓄電池に貯めた電力量を利用しながら蓄電池をベースにして、需要に適切に応答して経済性を上げる。
【００１１】
比較的高価なＰＥＦＣの出力で平均需要電力に対応するベース出力を賄い、瞬間的ピーク分は、比較的低廉な蓄電装置と系統電源で賄う。但し、系統電源は必要最低限とする。需要電力量の１０％以内、望ましくは５％以内。このとき、蓄電装置は、低価格な鉛蓄電池で構成する。この構成で需要電力が低いときには蓄電装置に充電しつつ適正規模の部分負荷運転に移行し、逆な場合には放電しつつ適正規模の部分負荷運転に移行することで需要に応答する。また、このシステムの場合、部分負荷運転への移行制御と蓄電装置への充放電との制御という互いに矛盾する制御を同時に統一して行い、不足分（需要電力の１０％程度の見込み）は系統電源より補うということを実現しなければならない。このため、蓄電装置の二つの機能である充電及び放電を分離し、充電に基礎を置いて部分負荷運転及び蓄電池の放電を制御する構成とした。これにより、経済的でかつ制御が簡単なシステムを提供できる。
【００１２】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。図１は、本発明の燃料電池システムの一実施例である、燃料電池応用電源システムの系統図を示す。
【００１３】
図１に示す燃料電池応用電源システムは、改質されて水素分の多い燃料(以降、水素等)３と空気２から直流電力を発生させる高分子電解質膜燃料電池（以降ＰＥＦＣ）１、
ＰＥＦＣ１の正負極に並列に接続し定められた電圧に調整して出力するＤＣ−ＤＣコンバータ４、直流電力の充電及び放電を行うための蓄電池５ａ，５ｂの充電及び放電の切替えを行う切替器６ａ，６ｂ、切替器６ａ，６ｂからの、又は、直流電力を定められた電圧に調整する双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ７，ＤＣ−ＤＣコンバータ４と双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ７からの直流を交流に変換するＤＣ−ＡＣインバータ８、蓄電池５ａ，５ｂの電圧を監視する電圧計９ａ，９ｂ、蓄電池５ａ，５ｂの電流を監視する電流計１０ａ，10ｂ、ＰＥＦＣ１に供給される空気２及び燃料３を制御する燃料処理／空気制御装置１１，
ＰＥＦＣ１の電圧を測定する電圧計１２，ＰＥＦＣ１の電流を測定する電流計１３，交流需要電流を測定する電流計１４，交流需要電圧を測定する電圧計１５及び部分負荷制御装置１６，部分負荷制御装置１６に部分負荷割合を設定する部分負荷設定器１７より構成される。
【００１４】
以上のように構成されたＰＥＦＣ電源システムは、まず燃料処理／空気制御装置１１により水素リッチなガスである燃料３と空気２をＰＥＦＣ１内に規定量送り込んでＰＥＦＣ１内で電気化学反応させることにより直流の電力と、図示しない排熱回収装置により７０℃程度の湯（温水）を発生する。
【００１５】
ＰＥＦＣ１で発生した直流電力は、ＰＥＦＣ１に並列に接続しているＤＣ−ＤＣコンバータ４を介し、一定直流電圧に制御されてＤＣ−ＡＣインバータ８と双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ７の両方に供給される。蓄電池５のグループから放電されている場合は、放電電流は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ７を通過し直流電圧を一定電圧に調整されて、PEFC１から供給された電流と合流しＤＣ−ＡＣインバータ８を通過して交流になり負荷に向かう。蓄電池５のグループへ充電されている場合は、充電電流は、ＰＥＦＣ１電流の一部が、ＤＣ−ＤＣコンバータ４と双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ７を通過して蓄電池５のグループへ供給され、残りのＰＥＦＣ１電流がＤＣ−ＡＣインバータ８を通過して交流になり負荷に向かう。実際にはＰＥＦＣ１も負荷需要に応じた経済的な部分負荷運転を行うので、交流負荷需要が低い時は、蓄電池５に充電し高いときは放電するという対応では律しきれない。部分負荷、蓄電池５への充電及び蓄電池５からの放電の３つのモードに優先付けをして何をベースに運転するかを決めないと制御手順が決められない。また、蓄電池５への充電及び蓄電池５からの放電は、一つの事象の作用・反作用であるため事実上分離は出来ない。しかし、これを分離しないと制御手順としてはかなり複雑なロジックが必要となるしチャタリングの発生が危惧される。
【００１６】
このため、本実施例では蓄電池５を２つのグループに分け役割を分離させた。すなわち、図１では、蓄電池５ａのグループと蓄電池５ｂのグループ。もちろん、双方ともほぼ同じ容量，性能の蓄電池５であることが望ましい。今、部分負荷制御装置１６に蓄電池５の下限電圧値Ｖ1と上限電圧値Ｖ2が設定されていたとき、蓄電池５ａのグループと蓄電池
５ｂのグループの電圧をそれぞれＶa，Ｖb（Ｖa＜Ｖb）ときは、電圧の低い蓄電池５ａのグループを充電グループ、電圧の高い蓄電池５ｂのグループを放電グループに自動的に設定し、部分負荷制御装置１６の指令により切替器６ａ，６ｂを設定する。こののち、蓄電池５ａ電圧Ｖa を元に、部分負荷割合Ｘ（％）を次式で算出し、部分負荷運転割合を決める。但し、実際はこのＸ値に５％ほどの余裕を持たせる方が充電損失を考慮することが望ましい。
【００１７】
Ｘ＝｛１−（Ｖa−Ｖ1）／（Ｖ2−Ｖ1）｝×１００（％）                …（１）
しかし、実際には、５段階ほどの部分負荷割合を決め、例えば、０，２５，５０，７５及び１００％の場合、この部分負荷割合を部分負荷設定器１７で部分負荷制御装置１６に入力し、Ｘに応じ、Ｘを超える部分負荷割合にデジタル的に移行するように制御する。このように制御した方が忠実に追従するよりも寿命的にも有利となる。この負荷段階の設定の最適値は家庭ごとに違うので部分負荷設定器１７で設定するのは言うまでもない。
【００１８】
部分負荷制御装置１６は、ＰＥＦＣ１の電圧計１２及び電流計１３の信号によりPEFC１の部分負荷状況を把握するとともに、蓄電池５ａ，５ｂの電圧計９ａ，９ｂ及び電流計
１０ａ，１０ｂからそれぞれグループの充放電状況を把握する。これらの信号に基づいて、ＰＥＦＣ１のあるべき部分負荷割合Ｘを算出し、信号Ｘ′を出し燃料処理／空気制御装置１１で空気量及び燃料量を部分負荷割合に合わせて制御する。また、同時に、交流負荷の電圧計１２及び電流計１３の信号と、ＰＥＦＣ１の電圧計１２及び電流計１３の信号を受けて、部分負荷制御装置１６は、ＰＥＦＣ１だけで交流負荷需要を賄えないときは、すなわちＰＥＦＣ１の電力が交流負荷需要電力よりも足りないときは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ７に信号を送り蓄電池５の放電モードに切替え、逆の場合は、充電モードに切替えて対応する。このようにすることにより、部分負荷運転と二次電池の貯電力量により、予想が困難な交流電力予想をなしに経済的な運転が可能となる電源システムを提供することができるという効果がある。
【００１９】
次に、本実施例が主対象としている家庭用電力について説明する。現在、ほとんどの家庭では、系統電力から電力を購入しており、図２のように一般的な家庭の典型的な１日では電力を消費している。横軸が時間で午前０時から午後１２時まで、縦軸が需要電力を示す。細い線が電力変動、太い点線が３０分間毎の平均電力を示す。変動電力だけを見ると、最大２５００Ｗもあるので、これをＰＥＦＣで発電しようとすると、余裕をみて3000ＷのＰＥＦＣを設置しなくてはならなくなる。しかし、最大電力に合わせた場合には設備費等は高価なものとなる。
【００２０】
ここで、家庭での３０分間平均電力の最大値は１０００Ｗ程度であり、一日平均では
２００〜４００Ｗであるので、少なくとも８０％近いの余剰電力と、これに伴ない温度が７０℃前後と低いため用途が限られる余剰廃熱を大量に発生する。このため、一日平均電力２５０〜４００Ｗと３０分間の平均電力の最大値１０００Ｗを勘案して、ＰＥＦＣ出力としては２５０〜１０００Ｗに妥当性がある。この範囲で典型な家庭の変動電力に対し、二次電池放電深度３０％、系統電力利用率１０％以下で、コストが最低となる適切な二次電池容量（Ｗｈ）とＰＥＦＣ出力の組み合わせを１日単位で７から１４日間、季節ごとに秋，夏および冬の３季節，家族別に消費電力実態結果から分析した。その結果、低コストを実現するには、ＰＥＦＣ出力を２５０から１０００Ｗまで部分負荷運転し、かつ、二次電池容量を１０００〜２６００Ｗｈの範囲の組み合わせとする必要があることがわかった。本発明は、この結果に基づいてなされたものである。
【００２１】
図３は、ＰＥＦＣ１の１００％全負荷運転を対象にした一般的なシステムで、蓄電池５をグループ分けしていない。この場合、蓄電池５の電圧で部分負荷運転を決めて、例えば、５０％に設定した場合、蓄電池５を放電モードか充電モードかのどちらかのモードを選択しなければならない。その選択は、交流負荷需要電力とＰＥＦＣ１の供給電力との差に依存する。また、そのＰＥＦＣ１の供給電力は、部分負荷割合で決まるため、蓄電池５の電圧できまる部分負荷割合を入力とし、変動の激しい交流負荷電力需要という外乱の元にあるフィードバックループが形成される。このため、この交流負荷電力需要に直接依存する制御系で蓄電池５の充放電を規定することは不安定な運転となる可能性が大きい。これを回避するため、本実施例ではこの交流負荷電力需要に直接依存しないで蓄電池５の充放電を行えるようにしている。
【００２２】
図４は、本発明の他の実施例である燃料電池応用電源システムを示す。図１の実施例との違いは、部分負荷設定器１７の代わりに部分負荷数値調整器１８を設けて、ＰＥＦＣ１の電圧計１２及び電流計１３の信号を取り込んでＰＥＦＣ１の出力電力量と、交流需要の電流計１４及び電圧計１５の信号を取り込んでから交流負荷電力量とを算出するようにした点である。もちろん、初期には、任意の値をデフォールト値として入力しておく。今例えば、ＰＥＦＣ１の負荷を５モードで、Ｘ1＝０％，Ｘ2＝２５％，Ｘ3＝５０％，Ｘ4＝
７５％及びＸ5＝１００％と設定してあったとき、Ｘ2＝２５％部分負荷運転でのＰＥＦＣ１の出力での積算電力量がＰFC（ｋＷｈ）で、交流負荷積算電力量がＰAC（ｋＷｈ）のとき、下記式で部分負荷割合を修正する。修正式は、この形の他にもバリエーションがあるが、ＰFC(ｋＷｈ）とＰAC(ｋＷｈ）のこの二つで修正量を規定して行うことにより単純で長い間には最適となる数値に漸近する。例えば、０％，３５％，４５％，７０％，１００％に漸近し、その家庭及び季節に適した部分負荷割合の運転が実現する。
【００２３】
Ｘ＝２５（％）×［１＋｛ＰAC（ｋＷｈ）−ＰFC（ｋＷｈ）｝／ＰAC（ｋＷｈ）］
（ＰFC（ｋＷｈ）＜ＰAC（ｋＷｈ））
Ｘ＝２５（％）×［１−｛ＰFC（ｋＷｈ）−ＰAC（ｋＷｈ）｝／ＰFC（ｋＷｈ）］
（ＰFC（ｋＷｈ）＞ＰAC（ｋＷｈ））
同様にして５０％及び７５％の修正を行う。但し、部分運転可能な範囲外に出る数字が計算上提示されたとしても採用しないのは言うまでもない。このようにすれば季節の変動に応答しながら運転の最適化ができ、より経済的な小形燃料電池応用電源システムを提供できるという効果がある。
【００２４】
図５は、本発明の他の実施例である燃料電池応用電源システムを示す。図１の実施例との違いは、蓄電池５のグループが、一つ増えて、すなわち、蓄電池５ｃ，充電及び放電の切替えを行う切替器６ｃ，電圧計９ｃ及び電流計１０ｃが増えて、充電も放電もしないグループｃを設けた点にある。この３グループ構成では、グループの仕分けは、一定の順番で例えば、ａ→ｃ→ｂの順で行う。ａについて説明すると、最初充電モ−ドであれば、次は中立モードで次は放電モードと言う具合にして順番に充電，中立，放電を行わせる。切替えは、充電モードに当たっている二次電池グループの電圧が充電目標値を超えるか、もしくは、放電モードに当たっている二次電池グループの電圧が放電下限目標値を下回った場合に切替える。そして、部分負荷モードの選定は、図１の実施例と同様に充電している二次電池グループの電圧で決定する。これにより、二次電池２つのグループより、安定した充放電が可能なため、信頼性の高い燃料電池応用電源システムを提供できるという効果がある。
【００２５】
以上説明してきた本実施例によれば、ＮＯｘと騒音が少なく、効率も高い燃料電池をベース電源とし安価で、騒音もなく、かつ、燃料電池の余剰電力を蓄電することでエネルギーの有効利用が図れる蓄電装置の組み合わせにより、変動の大きい家庭用電力の最大値をカバーすることにより、設備および運転コストが経済的で、かつ、環境性，信頼性の高い電源システムが得られるという効果がある。また、一部発生頻度の極めて少ないピーク電力を系統電源に任せることで設備能力を抑えながらもトータルなコストを低くできるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施例である燃料電池応用電源システムを示す。
【図２】家庭用電源動態調査結果を示す。
【図３】従来の燃料電池システムを示す。
【図４】本発明の他の実施例である燃料電池応用電源システムを示す。
【図５】本発明の他の実施例である燃料電池応用電源システムを示す。
【符号の説明】
【００２７】
１…高分子電解質膜燃料電池、２…空気、３…燃料、４…ＤＣ−ＤＣコンバータ、５，５ａ，５ｂ…蓄電池、６，６ａ，６ｂ…切替器、７…双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ、８…ＤＣ−ＡＣインバータ、９，９ａ，９ｂ，１２，１５…電圧計、１０，１０ａ，１０ｂ，１３，１４…電流計、１１…燃料処理／空気制御装置、１６…部分負荷制御装置、１７…部分負荷設定器、１８…部分負荷数値調整器。
【図１】
2005108573.tif 000003
【図２】
2005108573.tif 000004
【図３】
2005108573.tif 000005
【図４】
2005108573.tif 000006
【図５】
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