JP6057819B2

JP6057819B2 - 燃料電池発電システム

Info

Publication number: JP6057819B2
Application number: JP2013086654A
Authority: JP
Inventors: 乙允大杉
Original assignee: Denso Corp; Toyota Housing Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Housing Corp
Priority date: 2013-04-17
Filing date: 2013-04-17
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2033-04-17
Also published as: JP2014211975A

Description

本発明は、建物に電力を供給する燃料電池を制御する燃料電池発電システムに関する。

固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）は燃料電池の中でも高い発電効率を有するが、安定的に発電するには燃料電池の動作温度が７００〜１０００℃に達する必要がある。したがって、燃料電池を停止させて温度が低下した後に燃料電池を再起動した場合は動作温度が安定した発電が可能な域に達するまでに時間がかかる。

このようなＳＯＦＣの特性から、ＳＯＦＣによって自家発電と給湯が可能なエネファーム（登録商標）では、いったん装置を作動させたら、燃料である都市ガス又はＬＰＧ（液化石油ガス）の供給が続く限り装置の作動を継続することが一般的である。

しかしながら、建物に供給されるガスを制御するガスメータは、所定の時間以上連続したガスの供給を検知すると、ガス漏れなどの異常事態の蓋然性があるとして建物へのガスの供給を遮断する制御を行う。高温で作動中のＳＯＦＣはガスの供給が突然断たれると装置の故障等の障害を発生させるおそれがあるので、ガスメータによるガスの供給の中断を回避する必要があった。

例えば、特許文献１に記載の先行技術では、燃料電池が所定時間動作できるだけのガスを予め蓄えておく燃料バッファを備え、ガスメータによってガスの供給が停止されるのを防ぐために燃料電池システムの燃料弁を２秒間遮断してガスの流量を変化させてガスメータのガス漏れ検知をリセットさせると共に、燃料弁を遮断している間は燃料バッファに蓄えられているガスによって燃料電池の動作を継続させる燃料電池発電システムが提案されている。

特開２０１０−１７０９１３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術は、ガスの供給が連続して１０時間継続して流量に３％以上の変動がない場合にガスメータがガスの供給を停止する場合に対応したものである。特許文献１に記載の技術は、ガスの供給が連続して３０日継続して１時間以上の流量がない状態が検出できない際に、ガスの供給が停止される場合には、タイマーで燃料電池を自動的に１日停止させるものの、停止させる時間帯でのガスの消費量及び消費電力量を考慮していない。したがって、電気料金が高い時間帯にＳＯＦＣの発電を停止して系統電力からの買電量が多くなり、ユーザにとって電気料金が多くかかってしまうという問題点があった。

上述のような燃料電池を自動的に１日停止させるのは、燃料電池以外のガス機器（給湯器やガスコンロなど）は２４時間以上連続して運転される可能性は極めて低いので、燃料電池が１日（２４時間）停止していれば、その間にガス機器が使用されずガスの供給が１時間以上流量のない状態をとることができ、ガスメータのガス漏れ検知をリセットすることができるからである。本発明は、上記事実を考慮して成されたもので、電気料金が高い時間帯での燃料電池の停止を回避する燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するための請求項１の発明は、系統電力が供給される建物に設置され、前記建物に供給される可燃性のガスを燃料とする燃料電池と、前記建物で消費される電力及びガスを検知する検知手段と、前記検知手段が検知した電力及びガスの消費量を電力及びガスが消費された年月日時と共に累積的に記憶する記憶手段と、前記燃料電池が作動を開始した時から所定の期間内における電気代及びガス代が低廉となる日時を前記燃料電池の停止時間に設定するために、前記建物の電気料金の設定が従量電灯の場合は、前記記憶手段に累積的に記憶されている電力及びガスの消費量並びに電力及びガスが消費された年月日時に基づいて電気代及びガス代が最も低廉な時間帯を抽出し、該抽出した時間帯に前記燃料電池の停止時間を設定すると共に前記停止時間から所定の時間が経過した時を前記燃料電池を作動させる復帰時間に設定し、前記停止時間に前記燃料電池を停止させ、前記復帰時間に前記燃料電池を作動させる制御手段と、を備える。

請求項１に記載の発明によれば、制御手段は、ガスの供給が中断される前に燃料電池を停止する時間を電気料金及びガス料金が低廉な時間帯に設定するために、累積的に記憶された電力及びガスの消費量と電力及びガスを消費した年月日時から抽出した電気代及びガス代が最も低廉な時間帯に燃料電池の停止時間を設定することができる。

請求項２の発明は、請求項１に記載の発明において、前記制御手段は、前記建物の電気料金の設定が時間帯によって電気料金の単価が異なる時間帯別電灯である場合は、該時間帯別電灯において電気料金の単価が最も低廉となる時間帯に前記停止時間を設定する。

請求項２に記載の発明によれば、制御手段は時間帯別電灯で電気料金の単価が最も低廉な時間帯に燃料電池の停止時間を設定することができる。

以上説明したように、請求項１に記載の発明は、制御手段は、ガスの供給が中断される前に燃料電池を停止する時間を、累積的に記憶された電力及びガスの消費量と電力及びガスを消費した年月日時から抽出した電気代及びガス代が最も低廉な時間帯に設定することにより、電気料金が高い時間帯での燃料電池の停止を回避するという効果を有する。

請求項２に記載の発明によれば、時間帯別電灯で電気料金の単価が最も低廉な時間帯に燃料電池の停止時間を設定することにより電気料金が高い時間帯での燃料電池の停止を回避するという効果を有する。

本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システムの一例を示す概略図である。本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システムにおけるＨＥＭＳの概略構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システムにおけるＨＥＭＳの処理の一例を示すフローチャートである。本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システムにおける次回の自動停止予定日の表示の一例を示す図である。本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システムにおける停止予定日を入力する表示の一例を示す図である。本発明の実施の形態における時間帯別電灯の一例を示す図である。本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システムにおける電気代とガス代の合計が最も少ない時間帯を抽出する処理の一例を示すフローチャートである。本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システムにおいて、所定の期間における同一時間帯の電気代及びガス代について横軸に金額、縦軸に件数をプロットしたグラフの一例である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システムの一例を示す概略図である。

本実施の形態では、系統電力１２からの電力が、主幹ブレーカー１００を介して建物１０の分電盤１４に供給されている。建物１０は、一例としてコンビニエンスストアを含む小売店等の商業施設又は住宅である。

主幹ブレーカー１００の系統電力側には、系統電力１２から供給される電力の電流値を検知する主幹ブレーカー電流センサ１２０が設けられている。

また、分電盤１４には、ＳＯＦＣ７０が発電した電力が燃料電池用ブレーカー１０４を介して供給されている。ＳＯＦＣ７０から分電盤１４に供給される電力の電流値は燃料電池電流センサ１２４によって検知可能である。

ＳＯＦＣ７０には、ＳＯＦＣ７０が発電した直流を分電盤１４から家電機器３４に供給される交流（例えば、１００Ｖ、５０Ｈｚ）に変換可能なインバータ等の変換手段（図示せず）が設けられている。

ＳＯＦＣ７０には、燃料である可燃性のガスが供給されている。また、ＳＯＦＣ７０が発電の廃熱で水道水を加熱するエネファーム（登録商標）の場合には、水道水も供給される。供給された水道水はＳＯＦＣ７０が作動した時に発生した熱で加熱され、貯湯タンク７２に蓄えられる。ガスは調理器具等のガス器具７８にも供給されており、ガス器具７８の制御もＨＥＭＳ３０によって可能である。

系統電力１２及びＳＯＦＣ７０から分電盤１４に供給された電力は、電力負荷手段である住設機器３２及び家電機器３４に分岐回路２０Ｃ、２０Ｂを介して各々供給される。なお、分岐回路２０Ａは、ＳＯＦＣ７０を起動させる電力を供給するためのものである。

分岐回路２０Ａ〜２０Ｃには分岐回路２０Ａ〜２０Ｃの電流値を計測する電流センサ２２Ａ〜２２Ｃが各々設けられている。電流センサ２２Ａ〜２２Ｃからの情報線は、主幹ブレーカー電流センサ１２０及び燃料電池電流センサ１２４からの情報線とＨＥＭＳ３０が分電盤１４を制御するための情報線と共にＨＥＭＳ３０に接続されている。

なお、図１において破線は計測データ又は制御情報が流れる情報線であるとする。

分電盤１４の分岐回路２０Ａ〜２０Ｃには、分岐回路２０Ａ〜２０Ｃをオン状態又はオフ状態に切り替えるための分岐ブレーカー２４Ａ〜２４Ｃが各々設けられ、分岐ブレーカー２４Ａ〜２４Ｃは、ＨＥＭＳ３０によって制御される。

なお、図１では、記載の簡略化のために分岐回路は３系統のみ記載しているが、本実施の形態では３系統以上でも３系統以下でもよく、分岐回路の本数に特段の限定はない。

また、ＨＥＭＳ３０は、ＳＯＦＣ７０等に供給されるガスの流量を計測するガスメータ１３２及び水道の流量を計測する水道メータ１３０と接続されており、ガスの流量及び水道の流量の情報を取得可能である。また、ガスメータ１３２から下流側のガスの供給路には、ガスメータ１３２から指令によって開閉が可能な電磁弁１３４が設けられている。ガスメータ１３２は、長期間ガスが使用され続けているような場合に、電磁弁１３４を制御してＳＯＦＣ７０及びガス器具７８へのガスの供給を中断する。

図２は、本実施の形態に係る燃料電池発電システムに係るＨＥＭＳ３０の概略構成を示すブロック図である。

ＨＥＭＳ３０は、コンピュータを含んで構成されており、図２に示すように、ＣＰＵ３６、ＲＯＭ３８、ＲＡＭ４０、及び入出力ポート４２を備えて、これらがアドレスバス、データバス、及び制御バス等のバス４４を介して互いに接続されている。

入出力ポート４２には、各種入出力機器として、表示部４６、操作部４８、及びメモリ５０が接続されている。なお、表示部４６及び操作部４８は一体で構成され、操作部４８は、表示部４６に設けられたタッチパネルを適用することができる。

表示部４６には、家電機器３４等の電力負荷手段の消費電力量、水道メータ１３０が検知した水道水の供給量、ガスメータ１３２が検知したガスの供給量、ＳＯＦＣ７０による発電量等が表示可能である。

家電機器３４の消費電力量は電流センサ２２Ｂが検知した電流値から、住設機器３２の消費電力は電流センサ２２Ｃが検知した電流値から算出可能である。また、ＳＯＦＣ７０の発電量は、燃料電池電流センサ１２４が検知した電流値に基づいて算出可能である。

分電盤１４から電力負荷手段に供給される電力及びＳＯＦＣ７０から供給される電力の電圧は略１００Ｖなので、本実施の形態では各電流センサが検知した電流値に１００を乗算することで、電力量を算出可能である。しかしながら、電圧の変動が大きい分岐回路では、別途電圧を測定する手段を設けてもよい。

メモリ５０には、分岐ブレーカー２４Ａ〜２４Ｃを制御するプログラム、ＳＯＦＣ７０を制御するプログラム及びこれらのプログラムを実行するための各種情報等が記憶されている。

ＨＥＭＳ３０は、メモリ５０に記憶されたプログラムをＲＡＭ４０等に展開してＣＰＵ３６で実行することにより、建物１０へ供給する電力の制御等の各種制御を行うようになっている。

さらに、入出力ポート４２には、分電盤１４、ＳＯＦＣ７０、ガス器具７８、水道メータ１３０及びガスメータ１３２等が接続されている。

本実施の形態では、ＨＥＭＳ３０は、電力のみならず水道メータ１３０及びガスメータ１３２が各々検知した水道の流量及びガスの流量を検知した年月日時と対応させてメモリ５０に累積的に記憶することも可能である。

続いて、本実施の形態に係るＨＥＭＳ３０の制御について説明する。図３は、本実施の形態に係る燃料電池発電システムにおけるＨＥＭＳの処理の一例を示すフローチャートである。

ステップ３００では、ＳＯＦＣ７０が次に自動停止する予定日をＨＥＭＳ３０の表示部４６に表示する。図４は、本実施の形態に係る燃料電池発電システムにおける次回の自動停止予定日の表示の一例を示す図である。本実施の形態では、ガスメータ１３２が３０日以上連続してガスが供給されていることを感知した場合に、ガスの供給を少なくとも１時間停止させるので、３０日より短い所定の期間で燃料電池を自動停止させる。停止した後、所定の時間が経過した場合にＳＯＦＣ７０を自動復帰（再起動）させる。

自動復帰から次の自動停止までの所定の期間は、ガスメータ１３２が３０日以上連続してガスが供給されていることを感知した場合にガスの供給を停止させるのであれば、ＳＯＦＣ７０が自動復帰等により作動を開始したときから３０日以内であればよい。本実施の形態では一例として２６日とする。なお、ガスメータ１３２が３０日とは異なる期間でガスの供給を停止する場合は、所定の期間も適宜変更してよい。

ステップ３０２では、図４に示した表示において、所定の時間内にユーザが「はい」又は「いいえ」を選択したか否かを判定し、肯定判定の場合はステップ３０４で図４の「はい」が選択されたか否かを判定する。所定の時間は、任意に設定可能だが、一例として、１０〜３０分程度とする。

ステップ３０４で肯定判定の場合は、ステップ３０６で表示された予定日でＳＯＦＣを停止させ、ステップ３１４で自動復帰させる。

ステップ３０４で否定判定の場合は、ステップ３０８で停止予定日を指定する画面を表示する。図５は、本実施の形態に係る燃料電池発電システムにおける停止予定日を入力する表示の一例を示す図である。なお、停止予定日は、年月日時のみならず、分秒を含めて設定することができる。

ステップ３１０では、停止予定日が所定の時間内に設定されたか否かが判定され、肯定判定の場合には、ステップ３１２で表示された予定日でＳＯＦＣ７０を停止させ、ステップ３１４で自動復帰させる。なお、ステップ３１０の所定の時間は、任意に設定可能だが、一例として、１０〜３０分程度とする。

ステップ３０２で否定判定の場合及びステップ３１０で否定判定の場合は、ステップ３１６で建物１０の電気料金は時間帯によって電気料金の単価が異なる時間帯別電灯であるか否かを判定する。図６は、本発明の実施の形態における時間帯別電灯の一例を示す図である。図６において、電気料金は、夜間に低廉で、昼間に高額となるように設定されている。

ステップ３１６で肯定判定の場合は、ステップ３１８において、電気料金が安い時間帯をＳＯＦＣ７０の停止時間に設定して当該停止時間にＳＯＦＣ７０を停止させ、ステップ３１４で自動復帰させる。

ステップ３１６で否定判定の場合、すなわち電気料金の設定が従量電灯の場合は、ステップ３２０で過去の使用履歴から割り出した電気代とガス代の合計が最も少ない時間帯にＳＯＦＣ７０を停止させ、ステップ３１４で自動復帰させる。本実施の形態では、電気代とガス代の合計が最廉価となる時間帯でＳＯＦＣ７０を停止させるが、電気代又はガス代のどちらかが最廉価となる時間帯にＳＯＦＣ７０を停止させてもよい。

ステップ３０６、３１８、３２０でＳＯＦＣ７０を停止させる時間は、ガスメータ１３２の仕様にもよるが、本実施の形態では１時間とする。また、ＳＯＦＣ７０が停止した後に作動を開始するまでの時間は、１０数時間から２４時間とする。ＳＯＦＣ７０の仕様によっては、装置の温度を常温にまで戻した後、徐々に装置の温度を上げて作動させる場合もあるので、かかる場合には、ＳＯＦＣ７０は停止後から再起動まで１０数時間から２４時間を要するからである。ＨＥＭＳ３０は、設定した停止時間からＳＯＦＣ７０が再起動に要する時間が経過した時をＳＯＦＣ７０を自動復帰させる復帰時間に設定し、当該復帰時間にＳＯＦＣ７０を自動復帰させる。

図７は、本実施の形態に係る燃料電池発電システムにおける電気代とガス代の合計が最も少ない時間帯を抽出する処理の一例を示すフローチャートである。本実施の形態では、図３のステップ３２０で、電気代とガス代との合計が最も少ない時間帯にＳＯＦＣ７０を停止させるので、過去の電気及びガスの使用履歴から電気代とガス代の合計が最も少ない時間帯を抽出する処理が必要となる。

まず、ステップ７００では、所定の期間における電気及びガスの使用履歴として、電気及びガスの消費量を使用した年月日時と共に累積的にメモリ５０に記憶する。所定の期間は、建物１０における電気及びガスの消費量の傾向を把握できる期間でよく、一例として、３カ月、１か月又は１週間としてよい。電気の消費量は、電流センサ２２Ａ〜２２Ｃが検知結果に基づいた電力量から算出し、ガスの消費量はガスメータ１３２が検知した結果による。

ステップ７０２はメモリ５０に記憶した所定の期間の使用履歴から電気代及びガス代を時間帯別に算出する。電気代及びガス代は、消費量に単価を乗算して算出する。時間帯は、１日を３時間単位で区切った場合の各時間帯、又は１日を２時間単位で区切った場合の各時間帯とすることが考えられるが、本実施の形態では、１日を１時間単位で区切った場合の各時間帯とする。なお、電気料金の単価及びガス料金の単価は、予めメモリ５０に記憶しておくものとする。

ステップ７０４では、所定の期間における同一の時間帯に係る電気代及びガス代をサンプルとして抽出する。サンプルの抽出は、所定の期間における同一の時間帯となる個々の時間帯毎に電気代とガス代とを抽出する。また、サンプルの抽出は、１日を区分する各時間帯のすべてについて行う。

ステップ７０６では、所定の期間での同一の時間帯について抽出した各サンプルにおいて、電気代とガス代とを合算し、所定の金額未満の桁は四捨五入する。所定の金額は、例えば時間帯が１時間である場合、１０円とすることが考えられる。

ステップ７０８では、ステップ７０６で電気代とガス代とを合算した各サンプルを、横軸に金額、縦軸にサンプル数を設定したグラフにプロットする。図８は、本実施の形態に係る燃料電池発電システムにおいて、所定の期間における同一時間帯の電気代及びガス代について横軸に金額、縦軸にサンプル数をプロットしたグラフの一例である。一般に、サンプル数が十分に多ければ、図８に示したようにグラフは最頻値を中心とした上に凸の曲線を描く。なお、ステップ７０６及び７０８の処理は、１日を区分する各時間帯のすべてについて行う。

ステップ７１０では、グラフ上の最頻値を中心とした所定の範囲のサンプルを抽出する。最頻値から大きく外れたサンプルを除外するための処理である。所定の範囲は、一例として最頻値を中心とした７０％とすることが考えられる。

ステップ７１２では、ステップ７１０で抽出した各サンプルの金額を合計し、各時間帯での最頻値を中心とした合計金額を算出し、ステップ７１４では、算出した合計金額を比較し、金額が低い順から各時間帯を順位づけして処理を終了する。

以上の処理により、電気代とガス代の合計が最も少ない時間帯を決定することができる。なお、本実施の形態では、平日及び休日の区別なくステップ７１０において最頻値を中心とする所定の範囲のサンプルを抽出することで最頻値から大きく外れたサンプルを除外した。計算は複雑になるが、各時間帯の電気代及びガス代を平日と休日とに分け、最頻値を中心としたサンプルを所定の範囲で各々抽出し、電気代とガス代の合計が最も少ない時間帯を平日と休日の別で決定する。さらに、平日において電気代とガス代が最も少ない時間帯の金額と、休日において電気代とガス代が最も少ない時間帯の金額とから電気代とガス代が最も少ない時間帯を決定し、図３のステップ３２０で、当該決定した時間帯にＳＯＦＣ７０を停止させてもよい。

以上説明したように、本実施の形態によれば、電気代及びガス代が最も低廉な時間帯にＳＯＦＣ７０を自動的に停止させることにより、電気料金が高い時間帯での燃料電池の停止を回避することができる。

１０建物
１２系統電力
１４分電盤
２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ電流センサ
３２住設機器
３４家電機器
３６ＣＰＵ
３８ＲＯＭ
４０ＲＡＭ
４６表示部
４８操作部
５０メモリ
７０ＳＯＦＣ
１３２ガスメータ

Claims

系統電力が供給される建物に設置され、前記建物に供給される可燃性のガスを燃料とする燃料電池と、
前記建物で消費される電力及びガスを検知する検知手段と、
前記検知手段が検知した電力及びガスの消費量を電力及びガスが消費された年月日時と共に累積的に記憶する記憶手段と、
前記燃料電池が作動を開始した時から所定の期間内における電気代及びガス代が低廉となる日時を前記燃料電池の停止時間に設定するために、前記建物の電気料金の設定が従量電灯の場合は、前記記憶手段に累積的に記憶されている電力及びガスの消費量並びに電力及びガスが消費された年月日時に基づいて電気代及びガス代が最も低廉な時間帯を抽出し、該抽出した時間帯に前記燃料電池の停止時間を設定すると共に前記停止時間から所定の時間が経過した時を前記燃料電池を作動させる復帰時間に設定し、前記停止時間に前記燃料電池を停止させ、前記復帰時間に前記燃料電池を作動させる制御手段と、
を備えた燃料電池発電システム。
前記制御手段は、前記建物の電気料金の設定が時間帯によって電気料金の単価が異なる時間帯別電灯である場合は、該時間帯別電灯において電気料金の単価が最も低廉となる時間帯に前記停止時間を設定する請求項１に記載の燃料電池発電システム。