JP4883900B2 - 燃料電池システム、燃料電池システム制御方法および建造物 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システム、燃料電池システム制御方法および建造物に関する。特に本発明は、貯湯槽に貯湯される温水の持つ熱量が、貯湯槽に貯湯される温水を消費する熱負荷の必要とする熱量に比べて余剰である場合に、貯湯槽のより高温の水を冷却水配管に取り出して燃料電池へ供給し、貯湯槽に貯湯される温水の持つ熱量が熱負荷の消費する熱量に比べて余剰でない場合に、貯湯槽のより低温の水を冷却水配管に取り出して燃料電池へ供給する燃料電池システム、燃料電池システム制御方法および建造物に関する。

燃料電池を使用したコージェネレーションシステムとしては、例えば、燃料電池が発電する電力を電気負荷に供給しつつ、燃料電池の運転に伴って生成される排熱を回収して貯湯槽に貯湯し、給湯や床暖房等の熱負荷へ給湯するシステムがある（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４-６２１７号公報

しかし、燃料電池の運転中に、貯湯槽が規定温度の温水で満たされ、かつ、貯湯槽から熱負荷へ給湯されない場合は、燃料電池の冷却水を十分に冷却することができないので、燃料電池の運転を停止する必要があった。しかし燃料電池の運転を停止すると、電力負荷への給電が停止するので好ましくない。また、燃料電池の運転と停止を繰り返すことによって燃料電池の劣化が早まるので好ましくない。

また、貯湯槽に貯湯される温水を外部に排出することによって燃料電池の運転を継続するシステムでは、水を無駄に廃棄することになるので好ましくない。

このような課題を解決するために、本発明の第１の形態における燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池が発電した電力を消費する電力負荷と、燃料電池が生成した温水を貯湯する貯湯槽と、燃料電池を冷却するための水を貯湯槽から取り出し、燃料電池に供給する冷却水配管と、燃料電池を冷却することによって生成した温水を貯湯槽に供給する温水配管と、貯湯槽に貯湯される温水の持つ熱量が、貯湯槽に貯湯される温水を消費する熱負荷の必要とする熱量に比べて余剰である場合に、貯湯槽のより高温の水を冷却水配管に取り出して燃料電池へ供給し、貯湯槽に貯湯される温水の持つ熱量が熱負荷の消費する熱量に比べて余剰でない場合に、貯湯槽のより低温の水を冷却水配管に取り出して燃料電池へ供給する制御部とを備えた。

このため、貯湯槽の温水を無駄に廃棄することなく、燃料電池の生成する温水によって貯湯槽が満杯になることを未然に防げる。

冷却水配管は、より低温の水を貯湯槽の下部から取り出す下部取出口と、より高温の水を貯湯槽の前記下部よりも上方の位置から取り出す上部取出口を有し、制御部は、貯湯槽のより高温の水を冷却水配管に取り出す場合には、冷却水配管に取り出される水の合計量に占める、上部取出口から取り出される水の量の割合を増加させ、貯湯槽のより低温の水を冷却水配管に取り出す場合には、冷却水配管に取り出される水の合計量に占める、下部取出口から取り出される水の量の割合を増加させる。このように、簡易な構成で燃料電池を冷却する水の温度を制御することで、燃料電池から回収する熱量を制御することができる。

また本形態における燃料電池システムは、燃料電池が発電した電力を消費する電力負荷の消費電力量および熱負荷の消費熱量の履歴を、天候および気温に基づいて管理する履歴管理部を更に備え、制御部は、履歴管理部が管理する消費電力量および消費熱量の履歴、ならびに、現在の、貯湯槽に貯湯される温水の持つ熱量、天候、および気温に基づいて、貯湯槽に貯湯される温水の持つ熱量が熱負荷の必要とする熱量に比べて余剰であるか否かを判断する。このため、熱負荷の必要とする温水量に対して余剰が生じるか否かを、予め適切に判断することができる。

また本形態における燃料電池システムは、冷却水配管の内部の水の温度を検出する水温検出手段を更に備え、制御部は、水温検出手段で検出される冷却水配管の内部の水の温度が、燃料電池を冷却するために許容される最大許容温度を超える場合に、冷却水配管に取り出される水の合計量に占める、下部取出口から取り出される水の量の割合を増加させる。このため、貯湯槽に貯湯された温水量が増加した場合であっても、貯湯槽が燃料電池から受け取る熱量を制限しつつ、燃料電池を冷却するための水を燃料電池に供給できる。

制御部は、冷却水配管が下部取出口から水を取り出しており、かつ上部取出口から水を取り出していない場合において、水温検出手段で検出される水の温度が最大許容温度を超えることを条件として、燃料電池の運転を停止する。このため、燃料電池が冷却不足によって故障することを未然に防ぐことができる。

本発明の他の形態における燃料電池システム制御方法は、燃料電池が生成した温水を貯湯槽に貯湯するステップと、冷却水配管を用いて、燃料電池を冷却するための水を貯湯槽から取り出し、燃料電池に供給するステップと、燃料電池を冷却することによって生成した温水を、温水配管を用いて貯湯槽に供給するステップと、貯湯槽に貯湯される温水の持つ熱量が、貯湯槽に貯湯される温水を消費する熱負荷の必要とする熱量に比べて余剰である場合に、貯湯槽のより高温の水を冷却水配管に取り出して燃料電池へ供給し、貯湯槽に貯湯される温水の持つ熱量が熱負荷の消費する熱量に比べて余剰でない場合に、貯湯槽のより低温の水を冷却水配管に取り出して燃料電池へ供給する制御ステップとを備えた。

冷却水配管は、より低温の水を貯湯槽の下部から取り出す下部取出口と、より高温の水を貯湯槽の当該下部よりも上方の位置から取り出す上部取出口を有しており、制御ステップは、貯湯槽のより高温の水を冷却水配管に取り出す場合には、冷却水配管に取り出される水の合計量に占める、上部取出口から取り出される水の量の割合を増加させ、貯湯槽のより低温の水を冷却水配管に取り出す場合には、冷却水配管に取り出される水の合計量に占める、下部取出口から取り出される水の量の割合を増加させる。

また本形態における燃料電池システム制御方法は、燃料電池が発電した電力を消費する電力負荷の消費電力量および熱負荷の消費熱量の履歴を、天候および気温に基づいて履歴管理部で管理するステップを更に備え、制御ステップは、履歴管理部で管理される消費電力量および消費熱量の履歴、ならびに、現在の、貯湯槽に貯湯される温水の持つ熱量、天候、および気温に基づいて、貯湯槽に貯湯される温水の持つ熱量が熱負荷の必要とする熱量に比べて余剰であるか否かを判断する。

また本形態における燃料電池システム制御方法は、冷却水配管の内部の水の温度を水温検出手段が検出するステップを更に備え、制御ステップは、水温検出手段で検出される冷却水配管の内部の水の温度が、燃料電池を冷却するために許容される最大許容温度を超える場合に、冷却水配管に取り出される水の合計量に占める、下部取出口から取り出される水の量の割合を増加させる。

制御ステップは、冷却水配管が下部取出口から水を取り出しており、かつ上部取出口から水を取り出していない場合において、水温検出手段で検出される水の温度が最大許容温度を超えることを条件として、燃料電池の運転を停止する。

本発明の他の形態における建造物は、燃料電池と、燃料電池が生成した温水を貯湯する貯湯槽と、貯湯槽に貯湯される温水を消費する熱負荷と、燃料電池を冷却するための水を貯湯槽から取り出し、燃料電池に供給する冷却水配管と、燃料電池を冷却することによって生成した温水を貯湯槽に供給する温水配管と、貯湯槽に貯湯される温水の持つ熱量が、熱負荷の必要とする熱量に比べて余剰である場合に、貯湯槽のより高温の水を冷却水配管に取り出して燃料電池へ供給し、貯湯槽に貯湯される温水の持つ熱量が熱負荷の消費する熱量に比べて余剰でない場合に、貯湯槽のより低温の水を冷却水配管に取り出して燃料電池へ供給する制御部とを備えた。

冷却水配管は、より低温の水を貯湯槽の下部から取り出す下部取出口と、より高温の水を貯湯槽の下部よりも上方の位置から取り出す上部取出口を有し、制御部は、貯湯槽のより高温の水を冷却水配管に取り出す場合には、冷却水配管に取り出される水の合計量に占める、上部取出口から取り出される水の量の割合を増加させ、貯湯槽のより低温の水を冷却水配管に取り出す場合には、冷却水配管に取り出される水の合計量に占める、下部取出口から取り出される水の量の割合を増加させる。

なお上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションも又発明となりうる。

本発明によれば、貯湯槽の温水を無駄に廃棄することなく、燃料電池の生成する温水によって貯湯槽が満杯になることを未然に防ぐことができる。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、又実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の開発手段に必須であるとは限らない。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム３０の構成の一例を示す図である。本実施形態は、貯湯槽の温水を無駄に廃棄することなく、燃料電池の生成する温水によって貯湯槽が満杯になることを未然に防ぐ燃料電池システムを提供することを目的とする。

燃料電池システムは、燃料電池４０と、電力負荷４６と、熱負荷４２と、貯湯槽４４と、給湯配管６２と、冷却水配管５８と、上部取出口６６と、下部取出口６８と、冷却水制御弁４８と、温水配管５６と、制御部５０と、水温計５２と、履歴管理部７２と、気温計５４と、天候判断部６０と、電力線６４とを備える。

燃料電池４０は、水素を用いて発電し、発電した電力を電力線６４によって電力負荷４６に供給する。電力負荷４６は、燃料電池４０の発電した電力を消費することによって動作する。

燃料電池４０は、例えば固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）である。燃料電池４０は、例えば都市ガス、プロパンガス等を改質して水素ガスを生成する改質器から得られる水素ガスを燃料として発電するものであってよく、また外部から供給される水素ガスを燃料として発電するものであってもよい。燃料電池４０は、例えば燃料電池４０の発電に伴う反応熱または、改質器によって利用されない排熱による発熱を、貯湯槽４４から冷却水配管５８を通って供給される水で冷却して温水を生成する。生成した温水は温水配管５６を通って貯湯槽４４に運ばれて貯湯される。

冷却水配管５８は、貯湯槽４４から水を取り出す下部取出口６８および上部取出口６６を有しており、冷却水制御弁４８によって下部取出口６８および上部取出口６６と連通している。下部取出口６８は、貯湯槽４４の下部に存在する、より低温の水を取り出す。また、上部取出口６６は、下部取出口６８が取り出す水よりも高温の水を、下部取出口６８よりも上方の位置から取り出す。そして、下部取出口６８と上部取出口６６から取り出される水の量は、冷却水制御弁４８によって調整される。下部取出口６８と上部取出口６６のそれぞれから取り出す水の量を調整して燃料電池４０を冷却する水の温度を調整することによって、燃料電池４０から貯湯槽４４に回収する熱量を調整することができる。

例えば、燃料電池４０からより多くの熱量を貯湯槽４４に蓄積する場合は、下部取出口６８から２０度程度の水を取り出して燃料電池４０に供給し、燃料電池４０の発生する熱で７０度程度にまで加温して貯湯槽４４に供給する。また、貯湯槽４４に多くの熱量を蓄積する必要がない場合は、上部取出口６６から取り出される５０度程度の水を燃料電池４０に供給し、燃料電池４０の発生する熱で７０度程度にまで加温した後に、貯湯槽４４に供給される。

なお、貯湯槽４４の上部にはより高温の温水が存在するので、貯湯槽４４の上部から取り出した水は、燃料電池４０を冷却できないほど高温であることが多い。したがって、上部取出口６６は、貯湯槽４４の上下方向の中央部よりも下方の水を取り出すことができるよう設置されることが望ましい。また、燃料電池４０の生成した温水を貯湯槽４４に供給するとき、貯湯槽４４の低温の水と混合することによって貯湯効率が低下することを避けることを目的として、温水配管５６は燃料電池４０の生成した温水を貯湯槽４４の上部から静かに供給できるよう設置されることが望ましい。

冷却水制御弁４８の下流の近傍には、冷却水配管５８の内部の水の温度を検出する水温計５２が設けられている。燃料電池４０に供給する水の温度が、燃料電池４０から回収する熱量に応じた適切な温度になるよう、水温計５２で検出される水温に基づいて下部取出口６８と上部取出口６６のそれぞれから取り出す水の量を制御する。

貯湯槽４４に貯湯される温水は、熱負荷４２に給湯配管６２を用いて供給される。熱負荷４２は、例えば風呂、シャワー、洗面等を含む給湯器、空調装置、床暖房装置等であり、給湯配管６２から供給される温水を消費する。また、熱負荷４２は、温水を用いて床を温める温水床暖房装置のように、温水から熱量を取り出して利用し、温度の低下した温水を排出するものであってよい。そして、熱負荷４２は排出した温水を貯湯槽４４に戻すものであってもよい。

制御部５０は、熱負荷４２が消費する熱量と、貯湯槽４４に貯湯された水の持つ熱量とに基づいて、貯湯槽４４に余剰に熱量が蓄積されないよう、燃料電池４０から回収する熱量を制御する。つまり、制御部５０は、貯湯槽４４に貯湯される温水の持つ熱量が、熱負荷４２の必要とする熱量に比べて余剰である場合に、貯湯槽４４のより高温の水を上部取出口６６から冷却水配管５８に取り出して燃料電池４０へ供給し、貯湯槽４４に貯湯される温水の持つ熱量が熱負荷４２の消費する熱量に比べて余剰でない場合に、貯湯槽４４のより低温の水を下部取出口６８から冷却水配管５８に取り出して燃料電池４０へ供給する。

このように、貯湯槽４４に貯湯される温水の持つ熱量が余剰とならないよう制御部５０が燃料電池４０から回収する熱量を制御するので、貯湯槽４４が温水で満たされることによって燃料電池４０を冷却できなくなくことを未然に防ける。また、温水を無駄に廃棄することを防ぐことができる。また、下部取出口６８と上部取出口６６から取り出す水の量を調整することで燃料電池４０に供給する水の温度を調整できるので、簡易な構成で燃料電池４０を冷却する水の温度を制御することができる。

履歴管理部７２は、電力負荷４６の消費電力量および熱負荷４２の消費熱量の履歴を、気温計５４で検出された気温および天候判断部６０で判断した天候に基づいて管理する。履歴管理部７２は、燃料電池４０から電力負荷４６に供給される電力を検出することで、電力負荷４６の消費電力量を得る。また、履歴管理部７２は、貯湯槽４４から熱負荷４２に供給される温水の量と、温水の温度とに基づいて、熱負荷４２が消費する熱量を計算する。また、履歴管理部７２は、気温計５４によって検出される気温と、天候判断部６０によって判断される天候と基づいて履歴を管理する。

そして、制御部５０は、履歴管理部７２が管理する消費電力量および消費熱量の履歴、ならびに、現在の、貯湯槽４４に貯湯される温水の持つ熱量、天候、および気温に基づいて、燃料電池４０が生産する熱量と熱負荷４２が消費する熱量を予測して、貯湯槽４４に貯湯される温水の持つ熱量が熱負荷４２の必要とする熱量に比べて余剰であるか否かを判断する。このようにして、貯湯槽４４に熱量が余剰に供給されるか否かを予めより適切に判断できる。

図２は、燃料電池４０の冷却水温度に対するエネルギー効率の依存性の一例を示す図である。燃料電池４０が発電するエネルギー効率はおよそ３５％であり、冷却水の温度に依存せずに略一定である（線２１２）。また、燃料電池４０の発生する熱を温水として回収することで、エネルギー効率を高めることができる（線２１４）。この場合、燃料電池４０を冷却する水の温度が低いほど、より多くの熱量を燃料電池４０から回収して温水を生成できる。なお、温水として回収されないエネルギーは、主に外部の空気に熱として放出される。

このように、より高い温度の水を用いて燃料電池４０を冷却することによって、燃料電池４０から受け取る熱量をより低減することができる。制御部５０は、燃料電池４０を冷却する水の温度と、燃料電池４０から回収できる熱量との相関を予め記憶しておき、貯湯槽４４に蓄積される熱量が熱負荷４２の必要とする熱量に比べて過不足とならないよう燃料電池４０から貯湯槽４４に供給すべき熱量を決定し、決定した熱量と、当該相関とに基づいて、燃料電池４０に供給する冷却水の温度を決定する。

また、制御部５０は、燃料電池４０の冷却水の温度と、エネルギー効率との相関を予め記憶しておき、燃料電池４０のエネルギー効率が予め定めた基準効率を下回らないよう、燃料電池４０の冷却水の温度を調整してもよい。例えば、制御部５０は、燃料電池４０のエネルギー効率が予め定めた基準効率となる基準水温を記憶しておき、燃料電池４０の冷却水の温度が当該基準水温以下になるように、下部取出口６８と上部取出口６６から取り出す水の量を調整する。例えば、基準効率を、商用電力を供給する発電所のエネルギー効率に設定すれば、制御部５０は、当該発電所よりも高いエネルギー効率で燃料電池４０を運転させることができる。

図３は、貯湯槽４４から冷却水を取り出す場合における制御部５０の動作の詳細を示す図である。制御部５０は、下部取出口６８から取り出される水だけで燃料電池４０を冷却できるか否かを判断する（Ｓ２２２）。このとき制御部５０は、下部取出口６８から取り出される水が燃料電池４０を冷却するために許容される最大許容温度を超えるか否かを判断する。最大許容温度は、例えばＰＥＦＣにおいては５０度に設定する。Ｓ２２２で、下部取出口６８から取り出される水だけで燃料電池４０を冷却できる場合は、貯湯槽４４に貯湯された温水の持つ熱量が余剰であるか否かを判断する（Ｓ２２４）。

Ｓ２２４で、貯湯槽４４に貯湯された温水の持つ熱量が余剰であると判断された場合は、制御部５０は、燃料電池４０の冷却水の温度が、基準水温未満であるか否かを判断する（Ｓ２２５）。Ｓ２２５において、燃料電池４０の冷却水の温度が基準水温以上である場合には、処理を終了する。Ｓ２２５において、燃料電池４０の冷却水の温度が基準水温未満である場合には、上部取出口６６から取り出される水だけで燃料電池４０を冷却できるか否かを判断する（Ｓ２２６）。このとき制御部５０は、Ｓ２２２と同様に、上部取出口６６から取り出される水が最大許容温度を超えるか否かを判断する。Ｓ２２６で、上部取出口６６から取り出される水だけで燃料電池４０を冷却できると判断された場合は、貯湯槽４４から冷却水配管５８に取り出される水の合計量に占める、上部取出口６６から取り出す水の量の割合を増加させて燃料電池４０に冷却水として供給し（Ｓ２２８）、処理を終了する。なお、Ｓ２２８において制御部５０は、冷却水配管５８に取り出される水の温度が基準水温以下となる程度に、上部取出口６６から取り出す水の量の割合を増加させてよい。また、Ｓ２２８において制御部５０は、貯湯槽４４に蓄積される熱量が不足しないように、貯湯槽４４に蓄積すべき熱量の下限を決定し、決定した熱量の下限を維持するために必要な、燃料電池４０を冷却する水の温度の上限を決定してよい。そして、水温計５２で検出される水の温度が、決定した上限を超えない範囲で、上部取出口６６から取り出す水の量の割合を決定してよい。

Ｓ２２６で、上部取出口６６から取り出される水だけでは燃料電池４０を冷却できないと判断された場合は、上部取出口６６と下部取出口６８のそれぞれから取り出す水の量を、冷却水配管５８に取り出される水の温度が最大許容温度以下になるよう決定する（Ｓ２３０）。なお、Ｓ２３０において制御部５０は、冷却水配管５８に取り出される水の温度が基準水温以下となるように、上部取出口６６と下部取出口６８のそれぞれから取り出す水の量を決定してもよい。そして、Ｓ２３０で決定した水の量に基づいて、上部取出口６６から取り出した水と下部取出口６８から取り出した水を混合して燃料電池４０に供給し（Ｓ２３２）、処理を終了する。

Ｓ２２４において、貯湯槽４４に貯湯された温水の持つ熱量が余剰でないと判断された場合は、貯湯槽４４から冷却水配管５８に取り出される水の合計量に占める、下部取出口６８から取り出す水の量の割合を増加させて燃料電池４０に冷却水として供給し（Ｓ２３４）、処理を終了する。なお、Ｓ２３４において制御部５０は、冷却水配管５８に取り出される水の温度が基準水温未満となるまで、下部取出口６８から取り出す水の量を増加させてもよい。また、Ｓ２３４において制御部５０は、貯湯槽４４に余剰に熱量が蓄積されないように、貯湯槽４４に蓄積することのできる熱量の上限を決定し、決定した熱量の上限を超えないよう、燃料電池４０を冷却する水の温度の下限を決定してよい。そして、水温計５２で検出される水の温度が、決定した下限を下回らない範囲で、下部取出口６８から取り出す水の量の割合を増加させてよい。

また、Ｓ２２２で、下部取出口６８から取り出される水だけで燃料電池４０を冷却できないと判断された場合は、燃料電池４０を停止するか、燃料電池４０の生成する温水を廃棄し（Ｓ２３６）、処理を終了する。なお、Ｓ２３６において、燃料電池４０の生成する温水を廃棄する場合は、例えば燃料電池４０を冷却する水を貯湯槽４４以外の場所から供給して、生成された温水を廃棄する。

制御部５０は、上記のような水温制御を予め定めた時間間隔で実行することによって、貯湯槽４４に貯湯される水の持つ熱量を制御する。例えば、平常時は１０分間隔で上記の水温制御を行い、熱負荷４２の消費する熱量が急増したことを検出した場合に上記の水温制御を実行する。また、貯湯槽４４に貯湯された水の持つ熱量が、予め定めた熱量の範囲外となった場合に、上記の水温制御を行ってもよい。また、貯湯槽４４に貯湯された水の持つ熱量が予め定めた熱量の範囲外である間は、上記の水温制御を実行する時間間隔をより短くしてもよい。

このようにして、貯湯槽４４の貯湯量が増加して、上部取出口６６から取り出される水の温度が燃料電池４０を冷却できない温度に達した場合であっても、下部取出口６８から取り出される水と混合させて燃料電池４０に供給するので、燃料電池４０から貯湯槽４４に供給される熱量を制限しつつ、燃料電池４０を冷却できる。また、貯湯槽４４の貯湯量がさらに増加して、下部取出口６８から取り出される水の温度が燃料電池４０を冷却できない温度に達した場合であっても、燃料電池４０が冷却不足によって故障することを未然に防ぐことができる。

図４は、貯湯槽４４の蓄熱量の余剰を制御部５０が判断する場合の動作の詳細を示す図である。すなわち、図４は、図３のＳ２２４の判断の詳細を示す。制御部５０は、履歴管理部７２が管理している消費熱量の履歴に基づいて、熱負荷４２が将来消費する熱量の積算値（Ｑ１）を計算する（Ｓ２５２）。さらに、制御部５０は、履歴管理部７２が管理している電力負荷４６の消費電力量の履歴に基づいて、将来貯湯槽４４へ供給される熱量の積算値（Ｑ２）を計算する（Ｓ２５４）。さらに制御部５０は、将来貯湯槽４４へ供給される熱量の積算値（Ｑ２）と、現在貯湯槽４４に蓄積されている熱量との和を計算して、これを貯湯槽４４への蓄熱積算量（Ｑ３）とする（Ｓ２５６）。さらに制御部５０は、貯湯槽４４への蓄熱積算量（Ｑ３）から、熱負荷４２が将来消費する熱量の積算値（Ｑ１）を減じた値を計算して、この値を貯湯槽４４に蓄積される熱量（Ｑ４）とする（Ｓ２５８）。

さらに、制御部５０は、貯湯槽４４に蓄積しておく熱量の範囲を決定する（Ｓ２６０）。例えば、制御部５０は、予め定めた期間内で、貯湯槽４４に蓄積しておく熱量の上限値と下限値を決定する。例えば、貯湯槽４４に蓄積できる最大の熱量を上限値とし、貯湯槽４４に最低限蓄積しておく必要のある熱量を下限値とする。また他にも、上限値は、熱負荷４２の消費する熱量がＳ２５２で予想した値を予め定めた割合で下回った場合、あるいは、燃料電池４０の生成する熱量がＳ２５４で予想した値を予め定めた割合で上回った場合であっても、貯湯槽４４へ更に熱量を蓄積できるよう設定した値であってよい。下限値は、熱負荷４２の消費する熱量がＳ２５２で予想した値を、予め定めた割合で上回った場合、あるいは、燃料電池４０の生成する熱量がＳ２５４で予想した値を、予め定めた割合で下回った場合であっても、貯湯槽４４から熱負荷４２に熱量を供給できるよう設定した値であってよい。

そして、Ｓ２５８で計算した貯湯槽４４に蓄積される熱量Ｑ４が、Ｓ２６０で決定した熱量の範囲を予め定めた時間内で下回るか否かを判断する（Ｓ２６２）。例えば、Ｓ２６０で決定した下限値を、貯湯槽４４に蓄積される熱量Ｑ４が４時間以内に下回るか否かを判断する。Ｓ２６２において、貯湯槽４４に蓄積される熱量Ｑ４が、Ｓ２６０で決定した熱量の範囲を下回る場合は、Ｓ２３４に処理を進める。

Ｓ２６２において、貯湯槽４４に蓄積される熱量Ｑ４が、熱量の設定範囲を下回らない場合は、貯湯槽４４に蓄積される熱量Ｑ４が、熱量の設定範囲を予め定めた時間内で上回る否かを判断する（Ｓ２６４）。例えば、Ｓ２６０で設定した上限値を、貯湯槽４４に蓄積される熱量Ｑ４が４時間以内で上回るか否かを判断する。

Ｓ２６４において、貯湯槽４４に蓄積される熱量Ｑ４が、熱量の設定範囲を上回ない場合は、燃料電池４０から効率よく熱量を回収すべく、図３のＳ２３４に処理を進める。Ｓ２６４において、貯湯槽４４に蓄積される熱量Ｑ４が、熱量の設定範囲を上回る場合は、燃料電池４０から回収する熱量を削減すべく、図３のＳ２２６に処理を進める。

図５は、貯湯槽４４に貯湯された温水が持つ蓄熱量の時間発展の一例を示す図である。線４１２は、制御部５０がそれぞれの時刻で設定した、貯湯槽４４に蓄積しておく熱量の上限値であり、線４１４は、貯湯槽４４に蓄積しておく熱量の下限値を示す。線４１６は、貯湯槽４４に貯湯された温水が持つ蓄熱量の時間発展を示す。時刻ｔ０から時刻ｔ１の期間においては、制御部５０は、貯湯槽４４に蓄積しておく熱量が予め設定した期間で線４１２を上回らないと判断しており、下部取出口６８から取り出す水の量を増加させて燃料電池４０に供給する。時刻ｔ１からｔ２の間の期間では、制御部５０は、貯湯槽４４に蓄積しておく熱量が予め設定した期間で線４１２を上回ると判断しており、上部取出口６６から取り出す水の量を増加させて燃料電池４０に供給する。そして、時刻ｔ２からｔ３の間の期間では、制御部５０は、貯湯槽４４に蓄積しておく熱量が予め設定した期間で線４１２を上回らないと判断しており、下部取出口６８から取り出す水の量を増加させて燃料電池４０に供給する。そして、時刻ｔ３以降においては、下部取出口６８から取り出した水を燃料電池４０に供給した場合は、貯湯槽４４に蓄積しておく熱量が予め設定した期間で線４１２を上回ると制御部５０が判断しており、かつ、貯湯槽４４に貯湯された温水量が増加していて、上部取出口６６から取り出される水の温度が、燃料電池４０を冷却するために許容される最大許容温度を超えていることから、冷却水配管５８の水の温度が当該最大許容温度以下になるまで下部取出口６８から取り出した水の割合を増加させて燃料電池４０に供給する。

図６は、履歴管理部７２が管理する履歴テーブルの一例を示す図である。履歴管理部７２は、一日の１時から２４時までの１時間毎の時間帯別に消費熱量と消費電力量のそれぞれの、予め定めた日数での平均値を履歴テーブルに格納する。さらに、履歴管理部７２は、平日と、土曜日または日曜日とのそれぞれについて履歴テーブルを作成する。

また、履歴管理部７２は、気温計５４によって検出される気温ごとに、履歴テーブルを更に作成する。例えば、０．５度毎の温度帯別に履歴テーブルを作成して、気温計５４で検出される気温が該当する温度帯の履歴テーブルに、消費熱量と消費電力量の履歴を格納する。また、履歴管理部７２は、天候判断部６０によって判断される天候ごとに、履歴テーブルを更に作成する。例えば、履歴管理部７２は、晴、曇、または雨の天候分類ごとに履歴テーブルを作成して、天候判断部６０から判断される天候に合致する履歴テーブルに、消費熱量と消費電力量の履歴を格納する。

天候判断部６０は、例えば、インターネット等を介して気象台からの温度、湿度情報等を含む天気予報データを受け取って、晴、曇、雨のいずれの天候であるかを判断する。また、天候判断部６０は、太陽からの日射量を検出して、当該日射量と日付とに基づいて天候を判断するものであってよく、気圧を検出することによって天候を判断するものであってもよい。また、天候判断部６０は、燃料電池システム３０の使用者から天候を入力されるものであってもよい。

制御部５０は、天候判断部６０で判断される天候と、気温計５４で計測される気温と、日付とに基づいて、履歴管理部７２が管理する履歴テーブルの中から最も近い履歴テーブルを参照することによって、熱負荷４２の消費熱量および電力負荷４６の消費電力量の時間発展を得る。そして制御部５０は、電力負荷４６の消費電力量の時間発展から計算される燃料電池４０の生成する熱量の時間発展と、熱負荷４２の消費熱量の時間発展と、現在貯湯槽４４に蓄積された熱量とに基づいて、貯湯槽４４に蓄積される熱量が、熱負荷４２の必要とする熱量に比べて余剰となるか否かを判断する。

なお、履歴テーブルで予測される消費電力量と実際の消費電力量との差が予め定めた電力量幅よりも大きい場合は、履歴テーブルで予測される消費電力量に、実際の消費電力量に合致するよう補正することによって、将来の消費電力量を計算する。例えば、現在の直前の１時間における実際の消費電力量と、履歴テーブルに格納された消費電力量との差を計算して、当該差と、履歴テーブルに格納された消費電力量との和を、将来の消費電力量とする。同様にして、履歴テーブルで予測される消費熱量と実際の消費熱量との差が予め定めた熱量幅よりも大きい場合は、履歴テーブルで予測される消費熱量に、実際の消費熱量に合致するよう補正することによって、将来の消費熱量を計算する。

一般に、熱負荷４２の消費熱量や電力負荷４６の消費電力量は、天候や気温によって異なる。このような場合であっても、制御部５０が、履歴管理部７２で管理される履歴テーブルに基づいて消費熱量や消費電力量を適切に判断できるので、制御部５０は天候や気温に応じて貯湯槽４４の熱量が余剰となるか否かを適切に判断できる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態に、多様な変更又は改良を加えることができることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

本発明の実施形態に係る燃料電池システム３０の構成の一例を示す。 燃料電池の冷却水温度に対するエネルギー効率の依存性の一例を示す。 貯湯槽４４から冷却水を取り出す場合における制御部５０の動作の詳細を示す。 貯湯槽４４の蓄熱量の余剰を制御部５０が判断する場合の動作の詳細を示す。 貯湯槽４４に貯湯された温水が持つ蓄熱量の時間発展の一例を示す。 履歴管理部７２が管理する履歴テーブルの一例を示す。

符号の説明

３０・・・燃料電池システム、４０・・・燃料電池、４２・・・熱負荷、４４・・・貯湯槽、４６・・・電力負荷、４８・・・冷却水制御弁、５０・・・制御部、５２・・・水温計、５４・・・気温計、５６・・・温水配管、５８・・・冷却水配管、６０・・・天候判断部、６２・・・給湯配管、６４・・・電力線、６６・・・上部取出口、６８・・・下部取出口、７２・・・履歴管理部

Claims (9)

1. 発電に伴って熱を発生する燃料電池と、
   前記燃料電池が発生した熱を回収することで生成した温水を貯湯する貯湯槽と、
   前記燃料電池を冷却するための冷却水を前記貯湯槽から取り出し、前記燃料電池に供給する冷却水配管と、
   前記燃料電池を前記冷却水で冷却することによって生成した温水を前記貯湯槽に供給する温水配管と、
   前記燃料電池が発生した熱を回収した場合の前記燃料電池のエネルギー効率が予め定められた基準効率を下回らないよう、前記貯湯槽から前記冷却水配管に取り出される前記冷却水の温度を調整する制御部と
   を備え、
   前記冷却水配管は、より低温の水を前記貯湯槽の下部から取り出す下部取出口と、より高温の水を前記貯湯槽の前記下部よりも上方の位置から取り出す上部取出口を有し、
   前記制御部は、前記冷却水の温度として、前記エネルギー効率が前記基準効率となる基準水温を予め記憶しており、前記貯湯槽に貯湯される温水の持つ熱量が、前記貯湯槽に貯湯される温水を消費する熱負荷の必要とする熱量に比べて余剰であり、前記冷却水の温度が前記基準水温未満である場合に、前記冷却水の温度が前記基準水温以下となるように、前記冷却水配管に取り出される水の合計量に占める、前記上部取出口から取り出される水の量の割合を増加させて前記燃料電池へ供給し、前記貯湯槽に貯湯される温水の持つ熱量が前記熱負荷の消費する熱量に比べて余剰でない場合に、前記冷却水の温度が前記基準水温以下となるように、前記冷却水配管に取り出される水の合計量に占める、前記下部取出口から取り出される水の量の割合を増加させて前記燃料電池へ供給する
   燃料電池システム。
2. 前記燃料電池が発電した電力を消費する電力負荷の消費電力量、および前記熱負荷の消費熱量の履歴を、天候および気温に基づいて管理する履歴管理部を更に備え、
   前記制御部は、前記履歴管理部が管理する消費電力量および消費熱量の履歴、ならびに、現在の、前記貯湯槽に貯湯される温水の持つ熱量、天候、および気温に基づいて、前記貯湯槽に貯湯される温水の持つ熱量が前記熱負荷の必要とする熱量に比べて余剰であるか否かを判断する請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記冷却水配管の内部の冷却水の温度を検出する水温検出手段を更に備え、
   前記制御部は、前記水温検出手段で検出される前記冷却水配管の内部の冷却水の温度が、前記燃料電池を冷却するために許容される最大許容温度を超える場合に、前記冷却水配管に取り出される水の合計量に占める、前記下部取出口から取り出される水の量の割合を増加させる請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御部は、前記冷却水配管が前記下部取出口から水を取り出しており、かつ前記上部取出口から水を取り出していない場合において、前記水温検出手段で検出される冷却水の温度が前記最大許容温度を超えることを条件として、前記燃料電池の運転を停止する請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池システムと、
   前記貯湯槽に貯湯される温水を消費する熱負荷と
   を備える建造物。
6. 冷却水配管を用いて、発電に伴って熱を発生する燃料電池を冷却するための冷却水を貯湯槽から取り出し、前記燃料電池に供給するステップと、
   前記燃料電池を前記冷却水で冷却することにより前記燃料電池から熱を回収することで生成した温水を、温水配管を用いて前記貯湯槽に供給するステップと、
   前記燃料電池から熱を回収することで生成した温水を前記貯湯槽に貯湯するステップと、
   前記燃料電池が発生した熱を回収した場合の前記燃料電池のエネルギー効率が予め定められた基準効率を下回らないよう、前記貯湯槽から前記冷却水配管に取り出される前記冷却水の温度を調整する制御ステップと、
   前記冷却水の温度として、前記エネルギー効率が前記基準効率となる基準水温を予め記憶するステップと
   を備え、
   前記冷却水配管は、より低温の水を前記貯湯槽の下部から取り出す下部取出口と、より高温の水を前記貯湯槽の前記下部よりも上方の位置から取り出す上部取出口を有しており、
   前記制御ステップは、前記貯湯槽に貯湯される温水の持つ熱量が、前記貯湯槽に貯湯される温水を消費する熱負荷の必要とする熱量に比べて余剰であり、前記冷却水の温度が前記基準水温未満である場合に、前記冷却水の温度が前記基準水温以下となるように、前記冷却水配管に取り出される水の合計量に占める、前記上部取出口から取り出される水の量の割合を増加させて前記燃料電池へ供給し、前記貯湯槽に貯湯される温水の持つ熱量が前記熱負荷の消費する熱量に比べて余剰でない場合に、前記冷却水の温度が前記基準水温以下となるように、前記冷却水配管に取り出される水の合計量に占める、前記下部取出口から取り出される水の量の割合を増加させて前記燃料電池へ供給する
   燃料電池システム制御方法。
7. 前記燃料電池が発電した電力を消費する電力負荷の消費電力量および前記熱負荷の消費熱量の履歴を、天候および気温に基づいて履歴管理部で管理するステップを更に備え、
   前記制御ステップは、前記履歴管理部で管理される消費電力量および消費熱量の履歴、ならびに、現在の、前記貯湯槽に貯湯される温水の持つ熱量、天候、および気温に基づいて、前記貯湯槽に貯湯される温水の持つ熱量が前記熱負荷の必要とする熱量に比べて余剰であるか否かを判断する請求項６に記載の燃料電池システム制御方法。
8. 前記冷却水配管の内部の冷却水の温度を水温検出手段を用いて検出するステップを更に備え、
   前記制御ステップは、前記水温検出手段で検出される前記冷却水配管の内部の冷却水の温度が、前記燃料電池を冷却するために許容される最大許容温度を超える場合に、前記冷却水配管に取り出される水の合計量に占める、前記下部取出口から取り出される水の量の割合を増加させる請求項６または７に記載の燃料電池システム制御方法。
9. 前記制御ステップは、前記冷却水配管が前記下部取出口から水を取り出しており、かつ前記上部取出口から水を取り出していない場合において、前記水温検出手段で検出される冷却水の温度が前記最大許容温度を超えることを条件として、前記燃料電池の運転を停止する請求項８に記載の燃料電池システム制御方法。

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