JP2014063713A - エネルギー管理システム - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池を冷却するために使用した冷媒が有効に再利用されるようにする。
【解決手段】エネルギー管理システムとして、負荷に電力を供給する燃料電池と、少なくとも燃料電池の余剰電力を蓄積し、この蓄積した電力を負荷に供給する二次電池とを備える。そのうえで、冷媒が流れる冷媒管を、燃料電池に発生する熱と二次電池に発生する熱とを回収するように配置した熱回収装置を備える。つまり、燃料電池の発電により発生した熱を回収して再利用するコジェネレーションシステムにおいて、二次電池の充放電により生じる熱もさらに回収するように構成する。これにより、二次電池の発熱は、熱回収によって冷却され、そのための冷媒は、コジェネレーションシステムにおける冷媒として利用される。
【選択図】図１

Description

本発明は、エネルギー管理システムに関する。

リチウムイオン電池などの二次電池は充電時と放電時において発熱する。このような発熱は二次電池自体の劣化を促進させてしまうために、二次電池の寿命の短縮、容量低下、出力低下などを招いてしまう。
そこで、二次電池を冷却するために、二次電池の周囲に冷却ジャケットを取り付けるようにした技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。この冷却ジャケットは、水タンクとポンプを備え、ポンプを作動させて水を供給することで水冷方式により二次電池を冷却する。

特開２０００−１７３６６４号公報

上記のように水などの冷媒により二次電池を冷却するにあたり、冷却に利用した冷媒について再利用されれば、資源が有効に利用されることとなって経済性などの点で好ましい。しかし、特許文献１においては、二次電池の冷却のために冷却ジャケットに供給した水（冷媒）の再利用に関する記載はない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、二次電池を冷却するために使用した冷媒が有効に再利用されるようにすることを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明の一態様としてのエネルギー管理システムは、負荷に電力を供給する燃料電池と、少なくとも前記燃料電池の余剰電力を蓄積し、蓄積した電力を前記負荷に供給する二次電池と、冷媒が流れる冷媒管について前記燃料電池に発生する熱と前記二次電池に発生する熱とを回収するように配置した熱回収装置とを備える。

また、本発明のエネルギー管理システムにおいて、前記冷媒管において前記二次電池に発生する熱を回収する二次電池配管部は、前記燃料電池に発生する熱を回収するように配置される燃料電池配管部に対して上流となるように配置してよい。

また、本発明のエネルギー管理システムにおいて、前記冷媒管において前記二次電池に発生する熱を回収する二次電池配管部に対して並列に、前記二次電池に発生する熱を回収しないように配置される二次電池バイパス配管部と、前記二次電池の温度状態を判定する温度状態判定部と、前記温度状態判定部が判定した温度状態に基づいて、前記冷媒管において冷媒が前記二次電池配管部を流れる経路と、冷媒が前記二次電池バイパス配管部を流れる経路との間で切り替えを行う経路制御部とをさらに備えてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、二次電池を冷却するために使用した冷媒を有効に再利用できるようになるという効果が得られる。

第１の実施形態に係るエネルギー管理システムにおける電力系統についての構成例を示す図である。 第１の実施形態に係るエネルギー管理システムにおけるコジェネレーションシステム系統についての構成例を示す図である。 第２の実施形態に係る二次電池配管部の構造例を模式的に示す図である。 第２の実施形態に係るエネルギー管理システムにおけるコジェネレーションシステム系統についての構成例を示す図である。 第２の実施形態に係る電力制御部が実行する処理手順例を示すフローチャートである。

［第１の実施形態］
図１は、本実施形態に係るエネルギー管理システム１における電力系統についての構成例を示している。本実施形態のエネルギー管理システム１は、例えば家屋などの施設において使用されるエネルギーを管理する。

図１に示す本実施形態に係るエネルギー管理システム１は、燃料電池１０、二次電池２０、インバータ３０、分電盤４０、電力制御部５０、負荷６０及び貯湯ユニット７０を備える。

燃料電池１０は、負荷６０に電力を供給する。燃料電池１０は、補充可能な負極活物質（例えば水素）と正極活物質（空気中の酸素など）とを反応させることによって継続的に放電が行われる発電装置である。また、燃料電池１０は、負極活物質と正極活物質とを継続して補充することで永続的に放電させることが可能である。
燃料電池１０から出力される電力は直流である。そこで、インバータ３０は、燃料電池１０から出力される直流の電力を交流に変換して分電盤４０を介して負荷６０に供給する。

二次電池２０には、燃料電池１０が供給する電力のうち負荷６０により消費されない余剰電力が供給される。二次電池２０は、この余剰電力を蓄積する。そして、二次電池２０は、蓄積した電力を負荷６０に供給する。二次電池２０から出力される電力は直流である。このため、二次電池２０に蓄積された電力を負荷６０に供給するにあたっては、インバータ３０により二次電池２０から出力される直流の電力を交流に変換し、分電盤４０を介して負荷６０に供給する。

なお、二次電池２０に商用電源２の電力も蓄積できるようにしてよい。このためには、例えばインバータ３０を双方向インバータとして構成したうえで、図１の破線の矢印として示すように、商用電源２の交流をインバータ３０により直流に変換して二次電池２０に対する充電電力として供給すればよい。あるいは、インバータ３０に加えて、商用電源２の交流をインバータ３０により直流に変換するコンバータを設けてもよい。
このように二次電池２０に商用電源２の電力も蓄積できるようにすることで、例えば電気料金の安価な深夜電力を二次電池２０に充電しておくことができる。

インバータ３０は、上記もしたように、燃料電池１０または二次電池２０から出力される直流の電力を交流に変換し、分電盤４０経由で負荷６０に供給する。
また、インバータ３０を双方向インバータとして構成すれば、上記したように、コンバータを追加することなく、商用電源２の電力を二次電池２０に充電させることができる。

分電盤４０は、電力制御部５０の制御に応じて、インバータ３０から出力される電力（燃料電池１０または二次電池２０の放電電力を交流に変換した電力）を負荷６０に供給する経路と、商用電源２の電力を負荷６０に供給する経路とで切り替えを行う。
また、インバータ３０が双方向インバータである場合、分電盤４０は、電力制御部５０の制御に応じて、商用電源２の電力を二次電池２０に充電させる経路への切り替えも行う。

電力制御部５０は、エネルギー管理システムにおけるエネルギー管理のための制御を実行する。この電力制御部５０は、例えば、ＨＥＭＳ（Home Energy Management System）などといわれる家庭内のエネルギー管理システムに対応するものである。このために、電力制御部５０は、例えば燃料電池１０の発電動作、二次電池２０の充放電動作、インバータ３０の電力変換動作、分電盤４０における電力経路切り替えなどを制御する。また、電力制御部５０は、貯湯ユニット７０への給水と、貯湯ユニット７０からの給湯なども制御することができる。

負荷６０は、家屋３における家電製品などであり、自己の動作のために電力を消費する装置や回路である。

貯湯ユニット７０は、給水管７１から供給される冷水の温度を上昇させて温水（湯）に変換し、この温水を貯えておく。そして、貯湯ユニット７０に貯えられた温水は給湯管７２を経由して家屋３に供給される。家屋３においては、貯湯ユニット７０から供給された温水が、例えば風呂、キッチン及び洗面所などでのお湯として利用されたり、床暖房などに利用されたりする。

また、本実施形態のエネルギー管理システム１においては、燃料電池１０が発電する際に発生する熱を利用して冷水の温度を上昇させることにより貯湯ユニット７０に供給された冷水を温水に変換する。つまり、本実施形態のエネルギー管理システムは、燃料電池１０の発電による熱を回収し、この回収した熱により冷水を温水に変換するというコジェネレーションシステムとしての構成を有する。
そのうえで、本実施形態のエネルギー管理システム１におけるコジェネレーション（熱電併給）システムは、さらに二次電池２０を組み込んで構成される。つまり、本実施形態のコジェネレーションシステムは、燃料電池１０の発電により発生する熱に加え、二次電池２０の充放電時に発生する熱も回収し、冷水を温水に変換する構成である。

図２は、第１の実施形態のエネルギー管理システム１におけるコジェネレーションシステム系統についての構成例を示している。なお、図２において、図１と同一部分には、同一符号を付して説明を省略する。また、図２において、図１に示されているインバータ３０、分電盤４０、電力制御部５０及び負荷６０については、図示をわかりやすくすることの便宜からその図示を省略している。

図２に示すように、本実施形態のコジェネレーションシステム系統においては、燃料電池１０、二次電池２０及び貯湯ユニット７０に対して冷媒管８０が設けられる。
冷媒管８０は、本実施形態における熱回収装置として機能するものであり、冷媒としての水が流れる管である。給水管７１から貯湯ユニット７０に供給された冷水は、冷媒管８０に対して供給される。

冷媒管８０は、その配管において、燃料電池配管部８１と二次電池配管部８２とを有する。
燃料電池配管部８１は、燃料電池１０に発生する熱を回収するように配置される。この燃料電池配管部８１としての配管の構造は、特に限定されないが、燃料電池１０から効率よく熱が回収できるように燃料電池１０に対して配管した構造とすることが好ましい。
また、二次電池配管部８２は、二次電池２０に発生する熱を回収するように配置される。二次電池配管部８２についても、その配管の構造は、特に限定されないが、二次電池２０から効率よく熱が回収できるように二次電池２０に対して配管した構造とすることが好ましい。

冷媒管８０に供給された冷水は、まず、二次電池配管部８２を通過する。これにより、二次電池２０から熱を回収され、冷水はこの回収された熱により温められて温度が上昇する。次に、二次電池配管部８２を通過した水は、燃料電池配管部８１を通過することによりさらに温度が上昇して温水となる。このようにして作られた温水は、燃料電池配管部８１から下流の冷媒管８０を通過して貯湯ユニット７０に再び供給される。貯湯ユニット７０はこのように供給された温水を貯え、必要に応じて給湯管７２から家屋３に供給する。
このような構成により、本実施形態のエネルギー管理システムにおいては、燃料電池１０と二次電池２０において発生した熱を再利用して温水を作り出すことができる。

ここで、燃料電池１０と二次電池２０との発熱量を比較した場合には、燃料電池１０のほうが大きいことから、温水をつくりだすにあたっても、二次電池２０より燃料電池１０のほうが寄与率は高い。
しかし、二次電池２０は、充電時と放電時に発生する熱によって劣化が促進されてしまうという性質を有している。そこで、本実施形態のように、コジェネレーションシステム系統において、二次電池２０からも熱回収を行うようにすれば、熱回収によって二次電池２０が冷却されることになるため、二次電池２０の劣化を有効に抑制することが可能になる。

また、燃料電池１０よりも発熱量が少ないとはいえ、二次電池２０から回収した熱も利用することで、温水を効率よく作り出すことができる。例えば、負荷６０が必要とする電力が少ないために、燃料電池１０から出力させる電力も少なく、燃料電池１０の発熱量が少ないような状態であっても、二次電池２０から回収した熱も併用されることで、必要な温度の温水を作り出すことが容易になる。

このように本実施形態では、二次電池２０の冷却という観点から見た場合に、二次電池２０を冷却するための冷媒がコジェネレーションシステムにおける冷媒として有効に再利用されている。

そのうえで、本実施形態においては、冷媒管８０において、二次電池配管部８２を燃料電池配管部８１に対して上流に配置している。これにより、二次電池配管部８２には、燃料電池１０から回収した熱によって加熱される前の低温の冷水が流れることになるため、二次電池配管部８２を燃料電池配管部８１よりも下流に配置した場合と比較して、二次電池２０の冷却効果を高めることができる。
また、二次電池配管部８２を燃料電池配管部８１に対して上流に配置していることで、燃料電池配管部８１に供給された水は、既に二次電池配管部８２が二次電池２０から回収した熱により既にある程度温められている。これにより、燃料電池配管部８１では既に暖かい状態から冷媒を温めてはじめることができるために、冷媒の温度を効率よく上昇させることが可能である。

＜第２の実施形態＞
二次電池配管部８２は、二次電池２０を効率良く冷却できるように、例えば、二次電池２０に対してできるだけ接触面積が大きくなるように配置される。一例として、図３に模式的に示すように、二次電池配管部８２は、例えばミアンダライン状に屈曲された配管形状により二次電池２０に対して配置される。
二次電池配管部８２は、例えば上記のような形状なために相当の長さを有することになる。このように二次電池配管部８２の配管が長くなることによって、冷媒管８０に冷媒を流すための圧力が低下する。冷媒管８０において圧力が低下した状態では、例えば、冷媒管８０から貯湯ユニットに排出される温水の量が減少し、家屋３で必要とする量の温水をすぐに確保できないというような不具合が生じる可能性がある。
例えば、冷媒管８０に冷媒を流すためのポンプを備えていれば、ポンプにより圧力を与えることができるために、上記のように必要な量の温水が確保できなくなるという不具合を避けることはできる。ただし、この場合には、配管が長くなることによる圧力の低下を補うためにポンプを駆動する電力が余分に必要になる。
また、二次電池２０は、例えば燃料電池１０と比較して発熱量が少なく、例えば、そのときの動作などによっては、特に冷却は不要であり、また、冷媒の温度の上昇に寄与できる程度にまで温度が上昇していない状態となる場合もある。

そこで、第２の実施形態のコジェネレーションシステム系統においては、以下に説明するように、二次電池２０の温度状態に応じて、二次電池２０を冷却する状態と冷却しない状態とで切り替えを行うようにする。
図４は、第２の実施形態のエネルギー管理システム１におけるコジェネレーションシステム系統についての構成例を示している。なお、図４において、図２と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

図４に示すコジェネレーションシステム系統においては、二次電池配管部８２に対して並列に二次電池バイパス配管部８３が配置される。
二次電池バイパス配管部８３は、二次電池２０に発生する熱を回収しないように配置される。また、二次電池バイパス配管部８３は、図３の二次電池配管部８２のようにミアンダライン状に屈曲された形状は有しておらず、例えば、配管のために屈曲が必要な箇所以外は延伸された形状である。

二次電池配管部８２と二次電池バイパス配管部８３の両端は、経路切替器９１、９２と接続されている。
経路切替器９１、９２は、電力制御部５０における経路制御部５２の制御に応じて、冷媒が二次電池配管部８２を流れる経路と、冷媒が二次電池バイパス配管部８３を流れる経路とで切替を行う。

第２の実施形態に対応して、電力制御部５０は、例えば図示するように、温度状態判定部５１と経路制御部５２を備える。
温度状態判定部５１は、二次電池２０の温度状態を判定する。具体的に、温度状態判定部５１は、二次電池２０の動作に基づいて、二次電池２０の温度が一定以上となる可能性のある状態（以下、高温状態ともいう）であるか否かについて判定する。

経路制御部５２は、温度状態判定部５１が判定した温度状態に基づいて、冷媒管８０において冷媒が二次電池配管部８２を流れる経路と、冷媒が二次電池バイパス配管部８３を流れる経路との間で切り替えを行う。

具体的に、温度状態判定部５１が二次電池２０の温度状態について高温状態であると判定した場合、経路制御部５２は、二次電池配管部８２に冷媒が流れる経路となるように経路切替器９１、９２を制御する。これにより、冷媒管８０においては、二次電池配管部８２に冷媒が流れることによって、高温状態の二次電池２０を冷却し、二次電池２０から熱を回収することができる。

一方、温度状態判定部５１が二次電池２０の温度状態について高温状態ではない、つまり、二次電池２０の温度が一定未満の状態であると判定した場合、経路制御部５２は、二次電池バイパス配管部８３に冷媒が流れる経路となるように経路切替器９１、９２を制御する。
この場合、二次電池配管部８２には冷媒が流れないために、二次電池２０を冷却して熱を回収することはできない。しかし、このときの二次電池２０は、温度が一定未満であるために、冷却の必要性は特になく、また、熱回収による冷媒の温度の上昇に対する寄与分も相当に少ない。つまり、二次電池２０が低温のときには、二次電池２０を冷却して熱回収を行う必要性は低いために、二次電池配管部８２に冷媒が流れなくとも、特に問題は生じない。
そのうえで、二次電池バイパス配管部８３は、例えば二次電池配管部８２のように多数の屈曲箇所を有する形状ではないために、その長さは、例えば二次電池配管部８２と比較して相当に短い。このために、二次電池バイパス配管部８３に冷媒を流すことにより、例えば二次電池配管部８２に冷媒が流れているときと比較して、冷媒を流すための圧力は高くなる。

このように、第２の実施形態においては、二次電池２０の温度が高いときには二次電池配管部８２に冷媒を流して二次電池２０の冷却と二次電池２０からの熱回収を図る。一方、二次電池２０の温度が低いときには二次電池配管部８２に冷媒を流さずに、配管長の短い二次電池バイパス配管部８３に冷媒を流すことで、冷媒を流すための圧力を高くする。
これにより、第２の実施形態においては、二次電池２０が低温で冷却と熱回収が不要な状態のときには、冷媒を流すための圧力が高い状態を保つことが可能となり、例えば、必要な湯量を確保できなくなるような不都合が生じる可能性を低くすることができる。
また、冷媒管８０に冷媒を流すためにポンプを採用している場合、二次電池バイパス配管部８３に冷媒を流しているときには、配管の長さによる圧力の損失が低減されるのに応じて、ポンプの駆動力を低く設定することが可能になり、消費電力量を削減することができる。

図５のフローチャートは、第２の実施形態における電力制御部５０の温度状態判定部５１と経路制御部５２が実行する処理手順例を示している。なお、図５のフローチャートにおいては、温度状態判定部５１が温度状態を判定するにあたって利用する二次電池２０の動作状態についての具体例が示される。また、図５に示す処理は、例えば一定時間ごとに実行される。

温度状態判定部５１は、二次電池２０から、運転モードと、電圧値と、電流値の情報を入力する（ステップＳ１０１）。なお、運転モードは、例えば、二次電池２０の現在の動作が充電中、放電中、停止中のいずれであるのかを示す情報である。

次に、温度状態判定部５１は、ステップＳ１０１にて入力した運転モードに基づいて、二次電池２０が充電中であるか否かについて判定する（ステップＳ１０２）。二次電池２０は、充電が行われている状態では温度が上昇する性質を有する。
そこで、二次電池２０が充電中である場合（ステップＳ１０２−ＹＥＳ）、温度状態判定部５１は、高温状態であると判定する。この判定に応じて、経路制御部５２は、二次電池配管部８２を冷媒が流れるように経路切り替えのための制御を実行する（ステップＳ１０７）。

二次電池２０が充電中ではない場合（ステップＳ１０２−ＮＯ）、温度状態判定部５１は、さらに、ステップＳ１０１にて入力した運転モードと電圧値とに基づいて、電圧値が一定以下で二次電池２０が放電中の状態であるか否かについて判定する（ステップＳ１０３）。電圧値が一定以下で二次電池２０が放電中の状態では、二次電池２０は、高温の状態になる可能性が高い。また、このような状態は、二次電池２０に蓄積されている電力が一定以下に減少した状態で放電が行われている放電末期に発生しやすい。
そこで、電圧値が一定以下で二次電池２０が放電中の状態である場合（ステップＳ１０３−ＹＥＳ）、温度状態判定部５１は、高温状態であると判定する。この判定に応じて、経路制御部５２は、二次電池配管部８２を冷媒が流れるように経路切り替えのための制御を実行する（ステップＳ１０７）。

電圧値が一定以下で二次電池２０が放電中の状態ではない場合（ステップＳ１０３−ＮＯ）、温度状態判定部５１は、さらに、ステップＳ１０１にて入力した運転モードと電流値とに基づいて、電流値が一定以上で二次電池２０が放電中の状態であるか否かについて判定する（ステップＳ１０４）。二次電池２０が放電しているときの電流量が多い状態では、二次電池２０が高温となる可能性が高い。
そこで、電流値が一定以上で二次電池２０が放電中の状態である場合（ステップＳ１０４−ＹＥＳ）、温度状態判定部５１は、高温状態であると判定する。この判定に応じて、経路制御部５２は、二次電池配管部８２を冷媒が流れるように経路切り替えのための制御を実行する（ステップＳ１０７）。

電流値が一定以上で二次電池２０が放電中の状態ではない場合（ステップＳ１０４−ＮＯ）、温度状態判定部５１は、さらに、ステップＳ１０１にて入力した運転モードと電圧値とに基づいて、二次電池２０が停止中の状態において電圧値が一定以上であるか否かについて判定する（ステップＳ１０５）。停止中であっても電圧値が一定以上の状態では、二次電池２０は高温の状態になる可能性が高い。
そこで、二次電池２０が停止中の状態において電圧値が一定以上でである場合（ステップＳ１０５−ＹＥＳ）、温度状態判定部５１は、高温状態であると判定する。この判定に応じて、経路制御部５２は、二次電池配管部８２を冷媒が流れるように経路切り替えのための制御を実行する（ステップＳ１０７）。

一方、二次電池２０が停止中の状態において電圧値が一定未満である場合（ステップＳ１０５−ＮＯ）、二次電池２０は、低温の状態である。そこで、この場合の温度状態判定部５１は、高温状態ではないと判定する。この判定に応じて、経路制御部５２は、二次電池バイパス配管部８３を冷媒が流れるように経路切り替えのための制御を実行する（ステップＳ１０６）。
なお、温度状態判定部５１は、例えば、二次電池２０に温度センサなどを設け、温度センサが示す温度に基づいて温度状態を判定してもよい。この場合、温度状態判定部５１は、図５のステップＳ１０２〜Ｓ１０６の判定については省略してもよいし、温度センサが示す温度と、ステップＳ１０２〜Ｓ１０６のうちの少なくともいずれか１つの判定とを組み合わせて最終的に温度状態を判定してもよい。

また、これまでの説明におけるコジェネレーションシステムは、貯湯ユニット７０に供給される水を冷媒としているが、冷媒としてはこれに限定されるものではない。例えば、冷媒として、エチレングリコールなどを主成分とする液体などであってもよい。このような液体は、例えば不凍液として使用されるが、不凍液をコジェネレーションシステムにより温めることで、不凍液の性能を十分かつ安定して発揮させることができる。また、本実施形態の熱回収装置として、ケミカルヒートパイプを適用することもできる。ケミカルヒートパイプは、回収した熱を利用した分解反応によって熱エネルギーを化学エネルギーに変換するというものである。また、例えば冷媒などの種類に応じて、熱回収装置により回収された熱を再利用する熱再利用装置としても、貯湯ユニット７０以外のものが適用されてよい。
また、図１及び図２に示したエネルギー管理システムの構成例はＨＥＭＳに対応したものであるが、例えばＢＥＭＳ（Building and Energy Management System）などに対応するエネルギー管理システムにも適用できる。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１ エネルギー管理システム
２ 商用電源
３ 家屋
１０ 燃料電池
２０ 二次電池
３０ インバータ
４０ 分電盤
５０ 電力制御部
６０ 負荷
７０ 貯湯ユニット
７１ 給水管
７２ 給湯管
８０ 冷媒管
８１ 燃料電池配管部
８２ 二次電池配管部
８３ 二次電池バイパス配管部

Claims (3)

1. 負荷に電力を供給する燃料電池と、
   少なくとも前記燃料電池の余剰電力を蓄積し、蓄積した電力を前記負荷に供給する二次電池と、
   冷媒が流れる冷媒管について前記燃料電池に発生する熱と前記二次電池に発生する熱とを回収するように配置した熱回収装置と
   を備えるエネルギー管理システム。
2. 前記冷媒管において前記二次電池に発生する熱を回収する二次電池配管部は、前記燃料電池に発生する熱を回収するように配置される燃料電池配管部に対して上流となるように配置される
   請求項１に記載のエネルギー管理システム。
3. 前記冷媒管において前記二次電池に発生する熱を回収する二次電池配管部に対して並列に、前記二次電池に発生する熱を回収しないように配置される二次電池バイパス配管部と、
   前記二次電池の温度状態を判定する温度状態判定部と、
   前記温度状態判定部が判定した温度状態に基づいて、前記冷媒管において冷媒が前記二次電池配管部を流れる経路と、冷媒が前記二次電池バイパス配管部を流れる経路との間で切り替えを行う経路制御部と
   をさらに備える請求項１または２に記載のエネルギー管理システム。

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