(57)【要約】【課題】比較的に熱需要が多い場合に一つの温度センサの温度データによって燃料電池の発電時間を決定する。【解決手段】貯湯タンクに温度センサを一つ備える。温度センサの位置情報も合わせて取得し、それによって、第１温度又は第２温度を温度閾値として選択する。第１温度が選択されて、温度センサから取得した温度データが第１温度以上である場合は、当日の発電時間を短縮する。第２温度が選択されている場合は、当日の発電時間を延長するよう調整する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料が供給されて発電を行い、電力および熱を供給する発電ユニットと、
前記発電ユニットから供給された熱を温水として蓄える貯湯タンクと、
前記貯湯タンクの温度を検出する温度センサと、
予め定められた第１温度と、前記温度センサの位置情報と、予め定められた日毎の発電時間を記憶している制御器と、を備え、
前記制御器は、
前記発電ユニットの起動前に発電時間を決定する時、前記温度センサの値が第１温度以上である場合は当日の発電時間を短縮するよう制御するか、前記温度センサの値が第１温度未満である場合は当日の発電時間を延長するよう制御するかを前記位置情報に応じて選択することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の温度センサは、
前記発電ユニットが発電することで削減されるエネルギー量が、前記発電ユニットが起動する際に消費されるエネルギー量と一致する時の発電時間を最低発電時間とする時、前記発電ユニットが前記最低発電時間の間発電することによって生成される温水量と前記発電ユニットが起動するときに生成される温水量を合わせた量よりも前記貯湯タンクの底面からの容量が小さくなる位置に取り付けられることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記発電ユニットが起動前に発電時間を決定する時、前記第１温度よりも低い温度である第２温度をさらに予め定義しておき、前記温度センサの値が前記第１温度よりも低い場合は当日の発電時間を延長し、かつ前記第２温度よりも低い場合はさらに延長するように制御するか、
もしくは、
前記温度センサの値が前記第２温度よりも高い場合は当日の発電時間を短縮し、かつ前記第１温度よりも高い場合は当日の発電時間をさらに短縮するように制御するかを、
前記温度センサの前記位置情報に基づいて選択することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記制御器は、
前記発電ユニットが発電している時、前記温度センサの値が第１温度以上である場合に当日の発電時間を短縮するよう制御するか、前記温度センサの値が第１温度未満である場合は当日の発電時間を延長するよう制御するかを前記位置情報に応じて選択することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３記載の燃料電池システムであって、
前記制御器は、前記発電ユニットが発電している時、前記温度センサの値が前記第１温度よりも低い場合は現在の発電を延長し、加えて前記第２温度よりも低い場合はさらに延長するように制御するか、
もしくは、
前記温度センサの値が前記第２温度よりも高い場合は当日の発電時間を短縮し、加えて前記第１温度よりも高い場合は当日の発電時間をさらに短縮するように制御するかを、
前記温度センサの前記位置情報に基づいて選択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、燃料電池システムにて、その発電時間の制御に関するものである。特に発電によって回収可能な熱量に比べて、比較的に多い熱量の消費が予想される場合における発電時間の制御において有効である。
【背景技術】
【０００２】
従来の給湯システムに関して、特許文献１に示すものがあった。
【０００３】
図６は特許文献１に記載された従来例の構成を示すブロック図、図７はタンク内の熱量の蓄積の様子を示す概念図である。
【０００４】
図６において、タンクには５つの温度センサ（６０２〜６０６）が取り付けられ、その位置での貯湯タンクの温度を計測する。通常、タンク底部から取得した低温水を燃料電池（図示せず）によって温め、タンク上部に戻した場合、タンク内は上から高温層７０１、中間層７０２、低温層７０３というように積層化される。制御部（図示せず）は温度センサからのデータを受け取り、タンク内の高温層（７０１）と中間層（７０２）に蓄積した熱量を計算する。その際に熱の分布を図５にあるようなグラフとして捉え、中間層（７０２）の温度勾配は、高温層（７０１）と低温層（７０３）の温度から一次直線（７０５）によって近似する。そして、タンク容量一杯に使った時に蓄積可能な熱量から、現在の熱量を引き算すれば、残り蓄積可能な熱量（７０６）を算出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６１−４９９６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の構成では、以下の課題を有していた。
【０００７】
図８は通常は暖房等による熱需要が無くて給湯やふろ給湯によってのみ熱需要が発生する場合Ａと、暖房による熱需要が常時ある場合Ｂの一例を示す概念図である。
【０００８】
Ａでは、ベースとなる暖房等の熱需要が無くて、給湯需要（Ａ（ａ），Ａ（ｂ））やふろ給湯需要Ａ（ｃ）による熱需要が大方であり、それらが離散的に発生する。燃料電池プロジェクトが作る熱量は通常使われないので、そういった場合には、燃料電池が作る熱量を貯湯タンクに貯めつつ、ふろ給湯需要Ａ（ｃ）のような大きな熱需要に備える。このため、貯湯タンク内の熱量を正確に把握することが必要であって、従来の構成によるタンク内の熱量計算が有効となる。
【０００９】
一般に緯度の高い地域では、夏期が短く、冬期、中間期が長い。冬期や中間期では気温が低いので、暖房器等による熱需要が常時あって、通常、燃料電池がフル稼働しても回収した熱量で熱需要すべてを賄い切ることができない。図８のＢは、上記の場合を例示するもので、熱需要は燃料電池から回収した熱量以上であることを示している。
【００１０】
この場合は、燃料電池システムで作った熱は即座に消費され、通常はタンクに貯まる事がない。従って、従来例のように貯湯タンク内の蓄熱量を正確に計算する必要がなく、発電時間を決定する際にタンク内の熱量が一定量以下であることがわかれば十分であるので
、複数の温度センサを具備することはオーバースペックでコスト高であることは明白である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の熱電併給システムは、燃料ガスが供給されて発電を行い、電力および熱を供給する発電ユニットと、前記発電ユニットから供給された熱を温水として蓄える貯湯タンクと、前記貯湯タンクの温度を検出する温度センサと、予め定められた第１温度と、予め定められた日毎の発電時間を記憶している制御器と、を備え、前記制御器は前記温度センサが前記第１温度以上になったことを検出した場合には、前記発電時間を短縮するように制御する。
【００１２】
以上のような構成により、貯湯タンクに設置した一つの温度センサによって、貯湯タンクに一定量以上の温水が貯まった事を知ることが可能であり、それによって所定の発電時間を短縮して燃料電池の運転を制御することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、燃料電池の発電によって供給される熱量に比べて、暖房器等による熱量の消費が比較的に多い場合においては、一つの温度センサから取得した温度データが第１の温度を上回らなければ、燃料電池から回収した熱量がタンクに貯まっていないと判断することができ、発電時間を変更することが可能である。
【００１４】
したがって、貯湯タンクに取り付ける温度センサを一つにできるので、貯湯タンクのコストを削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【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ブロック図
【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器のブロック図
【図３】本発明の実施の形態１における発電時間決定のためのアルゴリズムを示すフローチャート
【図４】本発明の実施の形態１における発電時間修正のアルゴリズムを示すフローチャート
【図５】本発明の実施の形態１における貯湯タンク内の温度変化を示す概念図
【図６】従来例のブロック図
【図７】従来例における貯湯タンク内の温度分布を示す概念図
【図８】熱需要の一例と燃料電池が作る熱量の関係を示す概念図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
第１の発明は、燃料が供給されて発電を行い、電力および熱を供給する発電ユニットと、前記発電ユニットから供給された熱を温水として蓄える貯湯タンクと、前記貯湯タンクの温度を検出する温度センサと、予め定められた第１温度と、前記温度センサの位置情報と、予め定められた日毎の発電時間を記憶している制御器と、を備え、前記制御器は前記発電ユニットの起動前に発電時間を決定する時、前記温度センサの値が第１温度以上である場合は当日の発電時間を短縮するよう制御するか、前記温度センサの値が第１温度未満である場合は当日の発電時間を延長するよう制御するかを前記位置情報に応じて選択することを特徴とし、前記温度センサの位置情報によって、第１温度と温度センサからの温度データとの関係を決定し、当日の発電時間を短縮するか、又は延長することによって前記発電ユニットの当日の発電時間を調整することが出来る。
【００１７】
第２の発明は、前記発電ユニットが発電することで削減されるエネルギー量が、前記発電ユニットが起動する際に消費されるエネルギー量と一致する時の発電時間を最低発電時
間とする時、前記発電ユニットが前記最低発電時間、発電することによって生成される温水量よりも前記貯湯タンクの底面からの容量が小さくなる位置に請求項１記載の温度センサが取り付けられることを特徴とし、この位置に前記温度センサを取り付けた場合には、その値が前記第１温度を超えていたら前記発電ユニットを起動しないことによって起動エネルギーのロスが発電によって削減可能なエネルギーを上回ることを回避することが出来る。
【００１８】
第３の発明は、前記発電ユニットが起動前に発電時間を決定する時、前記第１温度よりも低い温度である第２温度をさらに予め定義しておき、前記温度センサの値が前記第１温度よりも低い場合は当日の発電時間を延長し、かつ前記第２温度よりも低い場合はさらに延長するように制御するか、もしくは、前記温度センサの値が前記第２温度よりも高い場合は当日の発電時間を短縮し、かつ前記第１温度よりも高い場合は当日の発電時間をさらに短縮するように制御するかを、前記温度センサの前記位置情報に基づいて選択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であって、前記温度センサの位置情報に応じて、前記第１温度、並びに前記第２温度と、温度データとの関係を決定し、当日の発電時間を短縮するか、延長することによって前記発電ユニットの当日の発電時間を第１の発明よりも細かく調整することが出来る。
【００１９】
第４の発明は、請求項１記載の燃料電池システムであって、前記制御器は、前記発電ユニットが発電している時、前記温度センサの値が第１温度以上である場合に当日の発電時間を短縮するよう制御するか、前記温度センサの値が第１温度未満である場合は当日の発電時間を延長するよう制御するかを前記位置情報に応じて選択することを特徴とし、前記温度センサの位置情報によって、発電中に前記第１温度と温度センサからの温度データとの関係を決定し、現在の発電状態をさらに延長するか、もしくは短縮するかを決定することができる。
【００２０】
第５の発明は、請求項３記載の燃料電池システムであって、前記制御器は、前記発電ユニットが発電している時、前記温度センサの前記位置情報に応じて、前記第１温度、又は第２温度を選択し、前記第１温度が選択された場合は前記温度センサの値が前記第１温度を下回ったら当日の発電時間を延長するように制御し、前記第２温度が選択された場合は前記温度センサの値が前記第２温度を上回ったら当日の発電時間を短縮するように制御すること特徴とし、前記温度センサの位置情報によって選択した温度閾値に応じて、現在の発電状態をさらに延長するか、もしくは短縮するかを決定することができる。
【００２１】
以下、本発明の燃料電池システムの発電時間制御手段、並びにその方法の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２２】
（実施の形態１）
図１、図２は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示すブロック図であり、図３は、同実施の形態の燃料電池システムの発電時間の制御方法のアルゴリズムを説明するためのフローチャートである。
【００２３】
図１に示すように、本実施の形態１における燃料電池システムは、制御器１０２を含む燃料電池１０１、貯湯タンク１０３、温度センサ１０４によって構成される。貯湯タンク１０３の底部から出力された低温水は、燃料電池１０１に入力されて、発電時の排熱によって高温水となって、再度、貯湯タンク１０３の上部へ戻される。この結果、貯湯タンク内は上部から高温層１０５、中間層１０６、低温層１０７と積層化される。特に、燃料電池１０１から回収した熱が全く貯まっていない場合は、貯湯タンク１０３には低温層１０７だけしか存在しない。逆に、燃料電池１０１から回収した熱が貯湯タンク１０３に一杯
に貯まっている場合は、貯湯タンク１０３には高温層１０５だけが存在する。
【００２４】
また、図２に示すように制御器１０２は、予め決められた日毎発電時間を記憶している第１の記憶手段１１０と、前記第１の記憶手段から読み出した当日の発電時間を調整する発電時間決定手段１０９と、発電開始終了時刻決定手段１０８から構成される。
【００２５】
以下、図３を用いて、発電時間を延長／短縮するアルゴリズムを説明する。図３は発電時間を調整するアルゴリズムを説明するフローチャートである。まず、温度センサの位置情報を取得する。それに応じて第１温度とのロジックを選択する。表１はその対応の一例を示す表である。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
温度センサが貯湯タンク上部（例えば、タンク上部からその容量の２０％）に設置されている場合は以下のステップを実行する。
【００２８】
第１の記憶手段１１０から当日の発電時間を読み出す。（ステップ３０１）
読み出した発電時間は予め定められたものであるが、この時点ではまだ決定していない。
【００２９】
次に温度センサ１０４から温度データを取得する。（ステップ３０２）
そして、温度閾値と温度データを比較する。（ステップ３０３）
温度データが第１温度以上であれば、貯湯タンク１０３に温水が一定量蓄積されていると判断できるのでステップ３０１で読み出した発電時間をそのまま確定する。（ステップ３０４）
温度データの方が低い場合は、貯湯タンク１０３に期待よりも温水が蓄積していなくて、温度センサの位置よりも上に高温層が上がっている、言い換えると貯湯タンクに蓄積されている熱量が期待よりも少なくなっていると判断できるので、当日の発電時間を延長する。（ステップ３０５）
つまり、暖房器等での熱消費が多くて、これまでの燃料電池１０１の発電と並行して回収した熱量が下回ってしまい、貯湯タンク１０３の温水が少なくなって、高温層１０５が貯湯タンク１０３内で上がっている。言い換えると、暖房器での熱の消費が多いので、燃
料電池から回収した熱が予想外に貯まらなくて貯湯タンクに蓄熱の余裕があるので発電時間を延長することができるわけである。
【００３０】
一方、温度センサが貯湯タンク下部にある場合、温度データが第１温度よりも低ければ、貯湯タンク１０３に温水が蓄積していないと判断できるので、ステップ３０１で読み出した発電時間をそのまま確定する。（ステップ３０４）
温度データの方が高い場合は、貯湯タンク１０３に期待よりも温水が蓄積していると判断できるので、ステップ３０５では当日の発電時間を短縮する。つまり、暖房器等での熱消費が少ないので、これまでの燃料電池１０１の発電と並行して回収した熱量が上回ってしまい、貯湯タンク１０３の温水が一定量以上に増え、高温層１０５が貯湯タンク１０３の温度センサ１０４よりも下がっている。言い換えると、暖房器での熱の消費が予想以下であって、燃料電池から回収した熱が貯まっているので発電時間を短縮しないといけないわけである。
【００３１】
以上説明してきたように、通常、暖房器等で消費する熱量が燃料電池１０１から回収する熱量よりも比較的に多い環境では、貯湯タンク１０３に温水が貯まらないことが前提であるので、貯湯タンク１０３に設置した温度センサの位置情報によって、温度閾値とのロジックを切り替えることによって、発電時間を調整することが可能である。複数の温度センサを貯湯タンクに設置して、貯湯タンク内の熱量を正確に計算した上で発電時間を決定する必要がないことは明白である。
【００３２】
なお、予め記憶しておく日毎の発電時間は、予想される熱消費量に応じて決めるべきで、熱消費が季節や月によって変動するのであれば、季節や月に応じて変動させるべきであるし、通年で熱消費が多いと予想されるならば、一定値であっても構わない。
【００３３】
また、温度センサ１０４は、その位置情報と共に使用し、高温層が貯湯タンク下部まで下りてきたことを検出して期待以上の温水が貯湯タンクに貯まっている事を判断するためには、通常、貯湯タンクの下部に取り付けるほうがよい。一方、高温層が貯湯タンク上部まで上がってきたことを検出して温水が貯湯タンクに貯まっていない事を判断するためには、貯湯タンクの上部に取り付けるほうが良い。
【００３４】
さらに、燃料電池が起動時に消費するエネルギー量と発電時に削減されるエネルギー量が一致する発電時間を最低発電時間とする時、最低発電時間の発電によって回収される音水量と発電ユニットが起動するときに回収される音水量の和よりも前記温度センサから下の貯湯タンク容量が小さくなる位置に温度センサを取り付けることによって、起動エネルギーのロスを発電によって回収する前に発電停止してしまうことを避けることができる。
【００３５】
また、ここまでは起動前の発電時間を決定する時の動作について記述してきたが、発電中であっても、温度センサが貯湯タンク上部にある場合、温度センサの値が第１温度よりも下がったら、発電しているにも関わらず貯湯タンク内に温水が蓄積していないことがわかるので、当日の発電時間をさらに延長するよう制御することができる。また、温度センサが貯湯タンク下部にある場合は、温度センサの値が第１温度よりも上がったら、貯湯タンク内に温水が蓄積していることがわかるので、当日の発電時間を短縮するように制御する。この結果、発電中であっても、温度センサの位置情報によって今の発電状態を延長したり、短縮したりすることが出来るのは明白である。
【００３６】
以上説明してきた発電時間の決定のためのアルゴリズムは、温度センサ１０４で検出した現在の温度データによって、当日の発電時間を決めるので、通常は１日１回動作させるのが望ましい。ただし、冬期など熱量の消費が大きいと想定できる場合や、夏期であっても熱の消費量に大きな変動のないケースでは、その限りではなく、例えば、１週間に１回
であっても構わない。
【００３７】
なお、ここまでの説明で貯湯タンク１０３に設置する温度センサは１つであっても、発電時間の延長する、または短縮する制御をすることが明らかであるが、貯湯タンク１０３の上下に合計２つの温度センサを設置すれば、発電時間を延長したり、短縮したりの両面での制御が出来ることは自明である。
【００３８】
以下、図４を用いて、位置情報によって温度閾値とロジックを切り替える例を説明する。
【００３９】
まず、温度センサの位置情報を取得する。それに応じて第１温度、第２温度とのロジックを決定する。表２はその対応の一例を示す表である。
【００４０】
【表２】
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【００４１】
温度センサが貯湯タンク上部（例えば、タンク上部からその容量の２０％）に設置されている場合は第１温度を温度閾値として選択し、以下のステップを実行する。
【００４２】
第１の記憶手段１１０から当日の発電時間を読み出す。（ステップ４０１）
読み出した発電時間は予め定められたものであるが、この時点ではまだ確定していない。
【００４３】
次に温度センサ１０４から温度データを取得する。（ステップ４０２）
そして、温度閾値である第１温度、第２温度と温度データを比較する。（ステップ４０３）
温度データが第１温度以上であれば、貯湯タンク１０３に温水が一定量蓄積されていると判断できるのでステップ３０１で読み出した発電時間をそのまま確定する。（ステップ４０４）
温度データの方が低い場合は、貯湯タンク１０３に期待よりも温水が蓄積していなくて、温度センサの位置よりも上に高温層が上がっている、言い換えると貯湯タンクに蓄積されている熱量が期待よりも少なくなっていると判断できるので、当日の発電時間を延長する。（ステップ４０５）
つまり、暖房器等での熱消費が多くて、これまでの燃料電池１０１の発電と並行して回収した熱量が下回ってしまい、貯湯タンク１０３の温水が少なくなって、高温層１０５が貯湯タンク１０３内で上がっている。言い換えると、暖房器での熱の消費が多いので、燃料電池から回収した熱が予想外に貯まらなくて貯湯タンクに蓄熱の余裕があるので発電時間を延長することができるわけである。
【００４４】
さらに温度データが第２温度よりも低い場合は低温層１０７が温度センサ１０４よりも上に上がっているので、第１温度よりも低い場合よりももっと高温層１０５が少なくなっていることがわかる。従って延長する時間をより長くすることが可能である。
【００４５】
一方、温度センサが貯湯タンク下部にある場合は第２温度を温度閾値として選択する。
【００４６】
温度データが第２温度よりも低ければ、貯湯タンク１０３に温水が蓄積していないと判断できるので、ステップ３０１で読み出した発電時間をそのまま確定する。（ステップ４０４）
温度データの方が高い場合は、貯湯タンク１０３に期待よりも温水が蓄積していると判断できるので、ステップ４０５では発電時間を短縮する。つまり、暖房器等での熱消費が少ないので、これまでの燃料電池１０１の発電と並行して回収した熱量が上回ってしまい、貯湯タンク１０３の温水が一定量以上に増え、高温層１０５が貯湯タンク１０３の温度センサ１０４よりも下がっている。言い換えると、暖房器での熱の消費が予想以下であって、燃料電池から回収した熱が貯まっているので発電時間を短縮しないといけないわけである。
【００４７】
さらに温度データが第１温度よりも低いが第２温度よりも高い場合は、第１温度よりも高い場合よりも短縮する時間をより短くすることが可能である。
【００４８】
なお、発電中であっても、温度センサの位置情報に応じて温度閾値を選択した結果、貯湯タンク１０３上部に温度センサが設置されていて、第１温度が温度閾値として選択されている場合は、温度センサの値が第１温度を下回った場合はさらに発電時間を延長することができる。一方、貯湯タンク１０３下部に温度センサが設置されていて、第２温度が温度閾値として選択されている場合は、温度センサの値が第２温度を上回った場合は発電時間を短縮するように制御することができる。以上、温度センサの位置情報によって温度閾値を選択し、ロジックを決定すれば、発電中であっても、発電の延長／短縮を制御して、貯湯タンク内の温水量を調整することが可能であるのは明白である。
【００４９】
また、ここまで貯湯タンク１０３に設置する温度センサは１つであっても、発電時間を延長する、または短縮する制御をすることができることをは明らかにしてきたが、貯湯タンク１０３の上下に合計２つの温度センサを設置すれば、発電時間を延長したり、短縮したりの両面での制御が出来ることは自明である。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明にかかる燃料電池システムの発電時間決定方法は、貯湯タンクに貯めた温水を暖房器、ふろ、給湯等で消費するシステムにおいて、その消費量が比較的に多いケースで有効である。
【符号の説明】
【００５１】
１０１  燃料電池
１０２  制御器
１０３  貯湯タンク
１０４  温度センサ
１０５  高温層
１０６  中間層
１０７  低温層
１０８  発電開始終了時刻決定手段
１０９  発電時間決定手段
１１０  第１の記憶手段
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
2013225428.tif 000009
【図８】
2013225428.tif 000010
【図１】
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【図５】
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