(57)【要約】【課題】燃料電池発電装置の制御装置により設備全体を監視し、且つ熱需要及び電力需要に応じた制御及び運転を効率的に行うことにある。【解決手段】燃料電池発電装置１と、この燃料電池発電装置１を制御する制御装置１１と、燃料電池発電装置１で発生した熱を利用して温水として貯める貯湯槽３、この貯湯槽の送水系に設けられ温水に上水を混合するための混合栓４及びこの混合栓を介して供給される温水を需要家へ供給する給湯器５からなる給湯装置とを備え、且つこれら燃料電池発電装置１及び給湯装置２が受電可能に電力系統に接続された燃料電池発電設備において、燃料電池発電装置１の制御装置１１は、需要家の電力需要及び熱需要データおよび燃料電池発電装置と給湯装置内の各種プロセス値を取り込み、これらのデータ及びプロセス値に基づいて最適な発電出力値を求めて燃料電池発電装置１を運転・制御する機能を有する。【選択図】    図１
2005026010.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池発電装置と、この燃料電池発電装置を制御する制御装置と、前記燃料電池発電装置で発生した熱を利用して温水として貯める貯湯槽、この貯湯槽の送水系に設けられ温水に上水を混合するための混合栓及びこの混合栓を介して供給される温水を需要家へ供給する給湯器からなる給湯装置とを備え、且つこれら燃料電池発電装置及び給湯装置が受電可能に電力系統に接続された燃料電池発電設備において、前記燃料電池発電装置の制御装置は、需要家の電力需要及び熱需要データおよび燃料電池発電装置と給湯装置内の各種プロセス値を取り込み、これらのデータ及びプロセス値に基づいて最適な発電出力値を求めて前記燃料電池発電装置を運転・制御する機能を有することを特徴とする燃料電池発電設備。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池発電設備において、前記電力系統の停電時に前記燃料電池発電装置を前記給湯装置に連系して、前記燃料電池発電装置の出力電力により前記給湯装置の運転を継続可能にしたことを特徴とする燃料電池発電設備。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池発電設備において、前記燃料電池発電装置の制御装置は、需要家の電力需要及び熱需要データ並びに前記燃料電池発電装置と給湯装置内の各種プロセス値を蓄積するメモリと、このメモリの蓄積データから今後の運転に最適な燃料電池発電装置の発電出力量を予測する予測演算手段と、この予測演算手段で予測された発電出力量に基づいて前記燃料電池発電装置の出力を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池発電設備。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の燃料電池発電設備において、前記燃料電池発電装置の制御装置に、需要家が利用するマンマシンインターフェイス（リモコン）と通信する機能と、このリモコンの操作により前記燃料電池発電装置の運転制御を決定する機能とを持たせたことを特徴とする燃料電池発電設備。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池発電設備において、前記リモコンに前記需要家が任意に設備全体の運転パターンを指定する機能を持たせたことを特徴とする燃料電池発電設備。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の燃料電池発電設備において、前記需要家での電力需要が、燃料電池発電装置が許容する負荷以下となる場合には、余剰となる電力を前記燃料電池発電装置内または前記給湯装置内の補機電力で消費するようにしたことを特徴とする燃料電池発電設備。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の燃料電池発電設備において、前記需要家での熱需要が少なく、前記燃料電池発電装置からの熱回収が必要なくなった場合には、前記貯湯槽から強制的に温水を排出する排出系を設けたことを特徴とする燃料電池発電設備。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電装置で発生した熱を貯める貯湯槽およびこの貯湯槽に貯留された温水を上水と混合可能な混合栓および給湯器からなる給湯装置をもつ燃料電池発電設備に係わり、特に、燃料電池発電装置の制御部で、設備全体の運転・制御を行う機能をもつ燃料電池発電設備に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池発電装置の排熱を利用した給湯暖房システムとしては、そのほとんどが、エンジン類の排熱を利用した給湯暖房システムにおいて、エンジン類を燃料電池発電装置に置き換えたものである。
【０００３】
しかし、燃料電池発電装置とエンジン類とは、その運用方法や制御方法が異なるため、単にエンジン類を燃料電池発電装置に置き換えるだけの給湯暖房システムでは、最適な燃料電池発電装置の排熱を利用した給湯暖房システムが得られていないのが現状である。
【０００４】
さらに、本システムの運用方法についても、需要家の熱需要及び電気需要データから予測機能を使った自動運転を行うものが主であり、需要家が利用するマンマシンインターフェイス（リモコン）による運転制御については全く行われていない。
【０００５】
ここで、かかる燃料電池発電装置の排熱を利用した給湯暖房システムについて述べると、以下のようなものである。
【０００６】
（１）燃料電池発電装置の排熱を利用した給湯暖房装置内のデータ収集・制御装置にて、需要家の電気及び熱需要を収集し、熱電供給装置の最適運転を制御するようにしたもの（例えば、特許文献１〜特許文献５）。
【０００７】
しかし、このような給湯暖房システムでは、熱電供給装置の運転パターンはＯＮ／ＯＦＦしか想定しておらず、需要家の電力需要が熱電供給装置の定格発電量よりも小さい時には、給湯暖房装置内のヒータで熱に変換するようにしていることから、あくまでエンジン類を熱電供給装置と想定したものである。
【０００８】
（２）また、燃料電池発電装置の排熱を利用した給湯暖房システムにおいて、熱電供給装置が発電した電力のうち、余剰電力の貯蔵方法（例えば、特許文献６）や、系統連系時の電流計測方法（例えば、特許文献７）が知られているが、いずれも、熱電供給装置からの発生電力で給湯暖房装置内の電気を賄うようにはなっていない。つまり、停電発生時には、熱電供給装置を含めて本給湯暖房装置全体が停止する構成となっている。
【０００９】
（３）さらに、燃料電池発電装置の排熱を利用した給湯暖房システムにおいて、熱需要予測に基づき、貯湯槽に必要な蓄熱が行われるまでは熱電供給装置を定格運転し、蓄熱が終了した時点で熱電供給装置の運転を停止するようにしたものもある（例えば、特許文献８）。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００２−１３８９０２号公報
【００１１】
【特許文献２】
特開２００２−２１３３０３号公報
【００１２】
【特許文献３】
特開２００１−２４８９１０号公報
【００１３】
【特許文献４】
特開２００１−２４８９０９号公報
【００１４】
【特許文献５】
特開２００１−２４８９０７号公報
【００１５】
【特許文献６】
特開２００３−１０６２１７号公報
【００１６】
【特許文献７】
特開２００１−２０２９７３号公報
【００１７】
【特許文献８】
特開２００３−８７９７０号公報
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したいずれの燃料電池発電装置の排熱を利用した給湯暖房システムにおいても、以下のような問題点がある。
【００１９】
即ち、上記（１）で述べた燃料電池発電装置の排熱を利用した給湯暖房システムにおいて、系統への「逆潮流なし」運転契約の場合は、熱電供給装置からの発生電力が需要家の電力需要を下回るように、熱電供給装置からの発生電力を調整する必要がある。エンジン類は、部分負荷運転では効率が低下し、排ガス特性も悪くなるため、定格運転しか行われない。そのため、発生電力の一部を給湯暖房装置内のヒータで熱に変換し、系統への供給電力を調整している。
【００２０】
この制御は、給湯暖房装置内の制御装置が行っているが、燃料電池発電装置は、燃料電池自身の発電出力を変化させ、部分負荷運転することが可能なため、系統への供給電力の調整は燃料電池発電装置の制御装置が直接行うことが可能である。従って、上記（１）で述べた給湯暖房システムのようにわざわざ給湯暖房装置側の制御装置で発生電力の調整を行う必要はない。つまり、同一の機能をもった制御装置を２重に設置することとなり、システムのコストアップになる。
【００２１】
また、燃料電池発電装置は、低圧系統（電力会社との契約電力が５０ｋＷ以下の電力系統）に接続する場合でも系統への逆潮流が許可されているが、エンジン類の場合には逆潮流が許可されていない。そのため、系統への「逆潮流あり」運転契約の場合は、発生電力の調整機能そのものが不要となる。
【００２２】
さらに、前述したように燃料電池発電装置の排熱を利用した給湯暖房システムでは、給湯暖房装置内のヒータは不要である。
【００２３】
上記（２）で述べた燃料電池発電装置の排熱を利用した給湯暖房システムでは、停電発生時にエンジン類を停止させる必要があるため、本給湯暖房システムも停電時には停止する運用となっている。しかし、燃料電池発電装置は、停電時に待機状態（装置がもつ補機分のみを賄う電力を発電し、系統への電力供給を行わない状態）にある。従って、現行のシステム運用では、停電発生時に燃料電池発電装置からの排熱回収量を把握することができない。
【００２４】
上記（３）で述べた給湯暖房システムの運用方法は、需要家の熱需要／電気需要データから予測機能を使った自動運転を行うことが主であり、需要家の要望を取り入れた運転を行うことはできない。
【００２５】
また、エンジン類は、燃料電池発電装置に比べて熱電比が高く、起動停止が容易なことから、熱需要予測に基づいた貯湯槽での蓄熱が終了した時点で熱電供給装置の運転を停止しているが、燃料電池発電装置の場合には、連続運転であるため、上記の運用では対応できない。
【００２６】
従って、低負荷での発電運転で徐々に蓄熱するように運転することが考えられるが、特に夏場には、燃料電池発電装置からの排熱回収量が熱需要を上回ることは十部にあり得る。そのため、一般的には、余剰の熱は、排熱放散装置を燃料電池発電装置に追加し、燃料電池発電装置で発電した電気を使って前記排熱放散装置を運転し、大気に熱を放散していることが知られている。
【００２７】
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、燃料電池発電装置の制御装置により設備全体を監視し、且つ熱需要及び電力需要に応じた制御及び運転を効率的に行うことができるとともに、システムの簡素化及びコストダウンを図ることができる燃料電池発電設備を提供することを目的とする。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するため、次のような手段により燃料電池発電設備を構成する。
【００２９】
請求項１に対応する発明は、燃料電池発電装置と、この燃料電池発電装置を制御する制御装置と、前記燃料電池発電装置で発生した熱を利用して温水として貯める貯湯槽、この貯湯槽の送水系に設けられ温水に上水を混合するための混合栓及びこの混合栓を介して供給される温水を需要家へ供給する給湯器からなる給湯装置とを備え、且つこれら燃料電池発電装置及び給湯装置が受電可能に電力系統に接続された燃料電池発電設備において、前記燃料電池発電装置の制御装置は、需要家の電力需要及び熱需要データおよび燃料電池発電装置と給湯装置内の各種プロセス値を取り込み、これらのデータ及びプロセス値に基づいて最適な発電出力値を求めて前記燃料電池発電装置を運転・制御する機能を有する。
【００３０】
請求項２に対応する発明は、請求項１に対応する発明の燃料電池発電設備において、前記電力系統の停電時に前記燃料電池発電装置を前記給湯装置に連系して、前記燃料電池発電装置の出力電力により前記給湯装置の運転を継続可能にする。
【００３１】
請求項３に対応する発明は、請求項１または請求項２に対応する発明の燃料電池発電設備において、前記燃料電池発電装置の制御装置は、需要家の電力需要及び熱需要データ並びに前記燃料電池発電装置と給湯装置内の各種プロセス値を蓄積するメモリと、このメモリの蓄積データから今後の運転に最適な燃料電池発電装置の発電出力量を予測する予測演算手段と、この予測演算手段で予測された発電出力量に基づいて前記燃料電池発電装置の発電出力を制御する制御手段とを備える。
【００３２】
請求項４に対応する発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の燃料電池発電設備において、前記燃料電池発電装置の制御装置に、需要家が利用するマンマシンインターフェイス（リモコン）と通信する機能と、このリモコンの操作により前記燃料電池発電装置の運転制御を決定する機能とを持たせる。
【００３３】
請求項５に対応する発明は、請求項４に対応する発明の燃料電池発電設備において、前記リモコンに前記需要家が任意に設備全体の運転パターンを指定する機能を持たせる。
【００３４】
請求項６に対応する発明は、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の燃料電池発電設備において、前記需要家での電力需要が、燃料電池発電装置が許容する負荷以下となる場合には、余剰となる電力を前記燃料電池発電装置内または前記給湯装置内の補機電力で消費させる。
【００３５】
請求項７に対応する発明は、請求項１乃至請求項６のいずれかに対応する発明の燃料電池発電設備において、前記需要家での熱需要が少なく、前記燃料電池発電装置からの熱回収が必要なくなった場合には、前記貯湯槽から強制的に温水を排出する排出系を設ける。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００３７】
図１は本発明による燃料電池発電設備の実施形態を示す構成図である。
【００３８】
図１において、１は燃料電池発電装置、２は給湯装置である。
【００３９】
給湯装置２は、燃料電池発電装置１側の熱交換器１ａに水循環系を介して接続され、燃料電池発電装置１で発生した熱を温水として蓄熱する貯湯槽３と、この貯湯槽３の送水管に設けられ、貯湯槽３に蓄熱された温水に上水を混合するための三方弁からなる混合栓４及びこの混合栓４を介して温水が送水され、需要家に温水を供給する給湯器５とを備えている。
【００４０】
また、混合栓４の下流側の送水管には温水放出配管６が接続され、この温水放出配管６に温水放出弁７が設けられている。
【００４１】
上記燃料電池発電装置１の電気系は、しゃ断器ＢＣを介して電力系統ＡＣに連系され、また給湯装置２は電力系統ＡＣに切換スイッチ８を介して接続されるとともに、電力系統ＡＣが停電したとき切換スイッチ８の切換えにより燃料電池発電装置１から受電できるようになっている。
【００４２】
一方、１１は燃料電池発電装置１の制御装置で、この制御装置１１は、図２に示すように熱需要家９の熱需要データａ、電気需要家１０の電気需要データｂ、燃料電池発電装置１内の各機器１２の各プロセス値ｃ、給湯装置２内の各機器１３の各プロセス値ｆを取り込み、燃料電池発電装置１内の各機器１２および給湯装置２内の各機器１３を監視し、これらのデータ及びプロセス値に基づいて最適な発電出力値を求めて制御指令ｄ，ｅを与え、燃料電池発電装置１を運転・制御する機能を有している。
【００４３】
また、燃料電池発電装置の制御装置１１は、図示していないが、上記の各種データ及びプロセス値を蓄積するメモリと、このメモリの蓄積データから今後の運転に最適な燃料電池発電装置１の発電出力量を予測する予測演算手段と、この予測演算手段で予測された発電出力量に基づいて燃料電池発電装置１の出力を制御する制御手段を備え、蓄積データから今後の最適な燃料電池発電装置の発電出力量を予測し、予測された発電出力量にて燃料電池発電装置内の各機器１２のプロセス量を変化させて、燃料電池発電装置１の出力制御を行う機能を有している。
【００４４】
さらに、燃料電池発電装置１の制御装置１１は、需要家が利用するマンマシンインターフェイス（リモコン）１４と通信する機能と、このリモコン１４より燃料電池発電装置１の運転・停止・出力変更指令や運転パターン又は予測運転計画の変更指令ｈを受けると制御を決定する機能とを有し、且つリモコン１４に対して発電設備全体の運転状態、運転パターン、予測運転計画、各運転パターンのメリット、デメリットの表示情報ｇを送信する。
【００４５】
次に上記のように構成された燃料電池発電設備の作用を述べる。
【００４６】
燃料電池発電装置１で発生した熱は、給湯装置２内の貯湯槽３に温水として蓄熱され、この温水は混合栓４を通して給湯器５に送水された後、需要家に熱供給される。
【００４７】
また、燃料電池発電装置１で発生した電力の一部は、図示しない燃料電池発電装置１内の補機に供給され、残りの電力は系統に連系される。この場合、需要家での電力需要が、燃料電池発電装置１が許容する負荷以下となる場合には、余剰となる電力を燃料電池発電装置１内または給湯装置２内の補機電力で消費させる。具体的には、燃料電池発電装置内の停止しているヒータを運転し消費したり、スイッチ８を動作させ、燃料電池発電装置１からの電力で、給湯装置２の電力を賄う。
【００４８】
さらに、給湯装置２の電源は、通常スイッチ８を介して電力系統ＡＣより受電しているが、電力系統ＡＣが停電した場合には、スイッチ８が自動的に燃料電池発電装置１側に切換わることにより、燃料電池発電装置１の発電出力を自動的に受電する。
【００４９】
一方、燃料電池発電装置１の制御装置１１では、需要家９の熱需要データａ、電気需要家１０の電気需要データｂ、燃料電池発電装置１内の各機器１２の各プロセス値ｃ、給湯装置２内の各機器１３の各プロセス値ｆを取り込み、燃料電池発電装置１内の各機器１２および給湯装置２内の各機器１３の監視を監視し、これらのデータ及びプロセス値に基づいて最適な発電出力値を求めて制御指令ｄ，ｅを与え、燃料電池発電装置１を制御及び運転を行う。
【００５０】
この場合、燃料電池発電装置１の制御装置１１は、上記の各種運転データを蓄積し、これらの蓄積データから今後の最適な燃料電池発電装置の発電出力量を予測し、予測された発電出力量にて燃料電池発電装置１の出力制御を行う。
【００５１】
また、燃料電池発電装置１の制御装置１１が熱需要データａから、需要家での熱需要が少なく、燃料電池発電装置１からの熱回収が必要なくなったと判断した場合には、温水放散弁７を「開」として、余剰の温水を強制的に温水放散配管６を通して給湯装置２外に放出する。
【００５２】
次にリモコン１４の操作による燃料電池発電装置１の制御装置１１の作用を述べる。
【００５３】
リモコン１４には、燃料電池発電装置１、給湯装置２の運転状態を表示することに加えて、燃料電池発電装置１の運転・停止や発電出力変更、過去の収集したデータから算定された今後の予測運転計画、「省エネルギー性を重視した」運転パターンや「経済性を重視した」運転パターン、「平日」及び「休日」の運転パターン等の予め設定されている運転パターンを表示可能になっている。
【００５４】
また、リモコン１４には、需要家が契約している電気料金、ガス料金等のユーザ情報も入力を可能になっている。
【００５５】
需要家は、このリモコン１４から、上記のユーザ情報の入力に加えて、燃料電池発電装置１の運転及び停止や発電出力変更、過去の収集したデータから算定された今後の予測運転計画の変更、「省エネルギー性を重視した」運転パターンや「経済性を重視した」運転パターンや「平日」及び「休日」運転パターン等の予め設定されている運転パターンの切り替えが可能である。
【００５６】
上記の各表示情報は、燃料電池発電装置１の制御装置１１にて演算され、需要家からの指令は、リモコン１４を通して燃料電池発電装置１の制御装置１１にて新たな指令として受け取られ、本発電設備の運転を変更する。
【００５７】
また、燃料電池発電装置１の制御装置１１では、ユーザ情報を含めて各運転パターンの需要家のメリット・デメリットも演算し、リモコン１４上に表示する。
【００５８】
ここで、表示および変更できる運転パターンの一例を示すと以下のとおりである。
【００５９】
（ア）「昨日と同じ」運転：燃料電池発電装置１の制御装置１１での予測運転計画に従うのではなく、昨日と全く同じ運転パターンで運転を行う場合に使うパターンである。このパターンを用いれば、毎日の需要がほぼ一定の場合には、より単純に精度の高い予測運転を達成できる。
【００６０】
（イ）「平日」又は「休日」運転：熱需要及び電気需要が、平日と休日で異なる場合に使うパターンである。このパターンは平日と休日の格差が大きい場合に有効である。
【００６１】
（ウ）「留守番」又は「精一杯」運転：急な外出等で熱需要及び電気需要が減る場合、あるいは急な来客等で熱需要及び電気需要が増加する場合に使うパターンである。このパターンは余剰な運転の防止および湯切れ防止に有効である。
【００６２】
（エ）「省エネルギー性重視」又は「経済性重視」運転：ＣＯ２発生量を削減するような運転行うか、ランニングメリットが出るような運転を行うかを選択する場合に使うパターンである。このパターンを用いれば、需要家の選択の自由度を持たせることができる。
【００６３】
（オ）「自己選択」運転：過去の収集したデータから算定された今後の予測運転計画を自由に変更したい場合に使うパターンである。
【００６４】
このように本実施形態では、燃料電池発電装置１の制御装置１１に、需要家の電力需要及び熱需要データおよび燃料電池発電装置１と給湯装置２内の各種プロセス値を取り込み、これらのデータ及びプロセス値に基づいて最適な発電出力値を求めて燃料電池発電装置１を運転・制御するようにしたので、設備全体を監視しながら熱需要及び電力需要に応じた制御及び運転を効率的に行うことができるとともに、システムの簡素化及びコストダウンを図ることができる。
【００６５】
また、電力系統の停電時にはスイッチ８自身が自動的に切換わることで、燃料電池発電装置１を給湯装置２に連系し、燃料電池発電装置１の発電出力を受電するようにしているので、給湯装置２の運転が継続可能となり、需要家への熱供給を実現できる。
【００６６】
さらに、燃料電池発電装置１の制御装置１１は、各種運転データを蓄積し、これらの蓄積データから今後の最適な燃料電池発電装置の発電出力量を予測し、予測された発電出力量にて燃料電池発電装置１の出力制御を行うようにしているので、最適な燃料電池発電設備の運転を行うことができる。
【００６７】
また、燃料電池発電装置１の制御装置１１に、需要家が利用するマンマシンインターフェイス（リモコン）１４と通信する機能と、このリモコン１４の操作により燃料電池発電装置１の運転制御を決定する機能とを持たせるようにしたので、需要家の要求に応じた運転を実現できる。特に、需要家の電気需要や熱需要が急変することが明確な場合にはその対応を事前にとることが可能となる。
【００６８】
また、リモコンに１４に需要家が任意に設備全体の運転パターンを指定する機能を持たせて、需要家自身が本発電設備の運転に積極的に関与できるようにしたので、需要家のオリジナリティーに基づく運用も図り得る。即ち、過去の収集したデータから算定された今後の予測運転計画を変更でき、需要家が自由に運転計画を設定することも可能とする。
【００６９】
さらに、需要家での熱需要が少なく、燃料電池発電装置１の発電出力を低下させても、熱出力が過剰な場合には、貯湯槽から強制的に温水を排出するようにしているので、燃料電池発電装置１の連続運転を継続できる。
【００７０】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、燃料電池発電装置の制御装置により設備全体を監視し、且つ熱需要及び電力需要に応じた制御及び運転を効率的に行うことができるとともに、システムの簡素化及びコストダウンを図ることができる燃料電池発電設備を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池発電設備の実施形態を示す構成図。
【図２】同実施形態における燃料電池発電装置の制御装置の機能を説明するための図。
【符号の説明】
１…燃料電池発電装置
２…給湯装置
３…貯湯槽
４…混合栓
５…給湯器
６…温水放散配管
７…温水放散弁
８…スイッチ
９…熱需要家
１０…電気需要家
１１…燃料電池発電装置の制御装置
１２…燃料電池発電装置内の各機器
１３…給湯装置内の各機器
１４…リモコン
【図１】
2005026010.tif 000003
【図２】
2005026010.tif 000004