(57)【要約】【課題】電力の需要状況にあわせて燃料電池システムの出力を制御する。【解決手段】制御装置１６は、商用電力系統で停電が発生した場合、停電中に燃料電池ユニット１０から出力される電力の上限値が、燃料電池ユニット１０の定格出力より大きくなるように燃料電池ユニット１０を制御する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力の供給量に対する需要の割合によって表される状態が、前記割合が予め定めた割合以下である第１の状態から前記予め定めた割合を超える第２の状態に移行した場合、前記第２の状態で燃料電池を用いた発電装置から出力される電力の上限値が、前記第１の状態で前記発電装置から出力される電力の上限値より大きくなるように前記発電装置を制御する制御手段
を備えた電力制御装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記第２の状態の場合に、前記第１の状態における上限値を超えて前記発電装置から出力する電力の連続出力期間又は積算出力期間が予め定めた期間以内となるように前記発電装置を制御する
請求項１記載の電力制御装置。
【請求項３】
電力の出力期間に関する情報を報知する報知手段を更に備え、
前記制御手段は、前記第２の状態の場合に前記発電装置から出力する電力の出力期間が前記予め定めた期間に到達した場合、及び、前記第２の状態の場合に前記発電装置から出力する電力の出力期間が、前記予め定めた期間より所定期間だけ短い期間に到達した場合の少なくとも一方の場合に、前記情報を前記報知手段から報知させる
請求項２記載の電力制御装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記第２の状態の場合に前記発電装置から出力する電力の変動速度の上限値を前記第１の状態の場合に前記発電装置から出力する電力の変動速度の上限値より高く設定する
請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の電力制御装置。
【請求項５】
前記第１の状態は負荷に電力を供給する商用電力系統で停電が発生していない状態であり、前記第２の状態は前記商用電力系統で停電が発生している状態である
請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の電力制御装置。
【請求項６】
コンピュータを、
電力の供給量に対する需要の割合によって表される状態が、前記割合が予め定めた割合以下である第１の状態から前記予め定めた割合を超える第２の状態に移行した場合、前記第２の状態で燃料電池を用いた発電装置から出力される電力の上限値が、前記第１の状態で前記発電装置から出力される電力の上限値より大きくなるように前記発電装置を制御する制御手段
として機能させるための電力制御プログラム。
【請求項７】
燃料電池を用いて発電を行う燃料電池ユニットと、
電力の供給量に対する需要の割合によって表される状態が、前記割合が予め定めた割合以下である第１の状態から前記予め定めた割合を超える第２の状態に移行した場合、前記第２の状態で前記燃料電池ユニットから出力される電力の上限値が、前記第１の状態で前記燃料電池ユニットから出力される電力の上限値より大きくなるように前記燃料電池ユニットを制御する制御手段を有する電力制御装置と、
を備えた燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力制御装置、電力制御プログラム及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
環境意識の高まりに伴い、酸素と水素を化学反応させることによって発電を行う燃料電池が次世代のエネルギー源として注目されている。
【０００３】
水素は都市ガスを用いて生成できることから、都市ガスから取り出した水素を用いて燃料電池で発電する燃料電池システムが家庭等にも普及しつつある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１５２６５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
こうした燃料電池システムでは、燃料電池システムを構成する各種部品の耐久性能等を考慮して設定された定格出力が決められており、燃料電池システムで発電を行う場合には、発電出力が定格出力以下となるように制御される。
【０００６】
しかしながら、電力の需要状況によっては、定格出力を超えて燃料電池システムで発電したい状況が発生することがある。
【０００７】
本発明は上記事実を鑑みてなされたものであり、電力の需要状況にあわせて燃料電池システムの出力を制御することができる電力制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の電力制御装置は、電力の供給量に対する需要の割合によって表される状態に関して、前記割合が予め定めた割合以下である第１の状態から前記予め定めた割合を超える第２の状態に移行した場合、前記第２の状態で燃料電池を用いた発電装置から出力される電力の上限値が、前記第１の状態で前記発電装置から出力される電力の上限値より大きくなるように前記発電装置を制御する制御手段を備える。
【０００９】
また、本発明の電力制御プログラムは、コンピュータを、電力の供給量に対する需要の割合によって表される状態が、前記割合が予め定めた割合以下である第１の状態から前記予め定めた割合を超える第２の状態に移行した場合、前記第２の状態で燃料電池を用いた発電装置から出力される電力の上限値が、前記第１の状態で前記発電装置から出力される電力の上限値より大きくなるように前記発電装置を制御する制御手段として機能させる。
【００１０】
また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池を用いて発電を行う燃料電池ユニットと、電力の供給量に対する需要の割合によって表される状態が、前記割合が予め定めた割合以下である第１の状態から前記予め定めた割合を超える第２の状態に移行した場合、前記第２の状態で前記燃料電池ユニットから出力される電力の上限値が、前記第１の状態で前記燃料電池ユニットから出力される電力の上限値より大きくなるように前記燃料電池ユニットを制御する制御手段を有する電力制御装置と、を備える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の電力制御装置によれば、電力の需要状況にあわせて燃料電池システムの出力を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】燃料電池システムの構成例を示す図である。
【図２】コンピュータを用いて制御装置を実現する場合の構成例を示す図である。
【図３】第１実施形態に係る電力制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【図４】燃料電池ユニットにおける発電出力と発電効率との関係の一例を示す図である。
【図５】第２実施形態に係る電力制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、機能及び作用が同じ部材及び処理には、全図面を通して同じ符合を付与し、重複する説明を適宜省略する。
【００１４】
＜第１実施形態＞
図１に、本実施形態に係る燃料電池システム１の一例を示す。燃料電池システム１は、燃料電池ユニット１０、貯湯ユニット２０、バックアップ熱源機３０及び分電盤４０を含み、燃料電池ユニット１０で発電された電力が分電盤４０を介して１つ以上の負荷５０に供給される。
【００１５】
このうち、燃料電池ユニット１０には、燃料処理装置１１、空気供給装置１２、セルスタック１３、パワーコンディショナー（Power Conditioning System：ＰＣＳ）１４、熱回収装置１５、制御装置１６及び操作装置１７が含まれる。
【００１６】
燃料処理装置１１は、都市ガスに含まれるメタンなどに水を反応させてメタンなどを水素に改質する水蒸気改質法を用いて、都市ガスから水素を生成する装置である。生成された水素はセルスタック１３に供給される。
【００１７】
空気供給装置１２は、空気を取り込み、空気に含まれる酸素をセルスタック１３に供給する。
【００１８】
セルスタック１３は、固体高分子電解質膜に触媒を塗った膜電極複合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）をセパレータで挟んだ複数の「セル」を積層し、セルを直列に接続した、いわゆるＰＥＦＣ(Polymer Electrolyte Fuel Cell)型の燃料電池デバイスである。ＭＥＡの燃料極に燃料処理装置１１で生成された水素が供給され、ＭＥＡの空気極に空気供給装置１２から送られた空気に含まれる酸素が供給されると、ＭＥＡの電気化学反応により発電が行われる。
【００１９】
なお、セルスタック１３で発電された電気は直流であるため、ＰＣＳ１４で交流に変換されてから、分電盤４０に供給される。
【００２０】
分電盤４０は、燃料電池ユニット１０で発電された電力を電気事業者が供給する商用電力に連系させる系統連系を行い、燃料電池システム１を有する家庭等の施設（以降、「需要家」という）内のテレビやエアコンといった電力を消費する複数の機器（以降、各々の機器を「負荷５０」という）に系統連系した電力を供給する。電力を消費する各々の機器が負荷５０に相当する。
【００２１】
以降では、燃料電池ユニット１０の後述する定格出力に対応した電力だけでは負荷５０の消費電力をまかないきれず、不足する電力を商用電力から受電しているものとして説明を行う。
【００２２】
一方、熱回収装置１５は、セルスタック１３におけるＭＥＡの電気化学反応によって発生した熱を回収し、回収した熱を貯湯ユニット２０に供給する。
【００２３】
貯湯ユニット２０は、熱回収装置１５から供給された熱を用いて、図示しない熱交換器で水を温め、その結果得られたお湯を図示しないタンクに貯湯する。
【００２４】
需要家でのお湯の使用量が、セルスタック１３の発電による熱によって得られるお湯の量より多くなる場合には、分電盤４０から供給された電力をバックアップ熱源機３０に含まれるヒータ等の図示しない加熱器に供給して水を加熱し、バックアップ熱源機３０で生成したお湯を貯湯ユニット２０の図示しないタンクに貯湯する。
【００２５】
なお、熱回収装置１５、貯湯ユニット２０及びバックアップ熱源機３０は、燃料電池システム１に必ずしも必要ではなく、燃料電池システム１は給湯機能を備えていなくてもよい。
【００２６】
上述した燃料電池ユニット１０の各処理は制御装置１６によって制御される。制御装置１６には例えば操作装置１７が接続され、操作装置１７に含まれる操作パネル１８を介してユーザの指示を受け付けると、ユーザの指示に従った処理を行うように燃料電池ユニット１０の各装置を制御する。また、制御装置１６は、燃料電池ユニット１０内の各装置の動作状況に関する情報（以降、「稼動情報」という）を収集し、収集した稼動情報を操作装置１７に通知する。
【００２７】
家庭等の施設内に設置される操作装置１７には、例えば液晶モニタ及びスピーカといった情報をユーザに伝達する出力デバイスを含む報知パネル１９が備えられており、制御装置１６から受け付けた燃料電池ユニット１０の稼動情報が、報知パネル１９を介してユーザに報知される。
【００２８】
なお、制御装置１６は、開示の技術に係る電力制御装置の一例であり、燃料電池ユニット１０は、開示の技術に係る発電装置の一例であり、操作装置１７の報知パネル１９は、開示の技術における報知手段の一例である。
【００２９】
こうした燃料電池ユニット１０を制御する制御装置１６は、例えばコンピュータ１００を用いて実現することができる。
【００３０】
図２は、コンピュータ１００を用いて制御装置１６を実現する場合の構成例を示す図である。
【００３１】
コンピュータ１００は、プログラムを処理するＣＰＵ(Central Processing Unit)１０２、ＣＰＵ１０２によるプログラムの実行時のワークエリア等として用いられるＲＡＭ(Random Access Memory)１０４、プログラムや各種パラメータ等が予め記憶されたＲＯＭ(Read Only Memory)１０６、コンピュータ１００と外部装置等を接続するインターフェースであるＩ／Ｏ１０８、及びバス１１０を備える。ＣＰＵ１０２は、開示の技術に係る制御手段の一例である。
【００３２】
バス１１０には、ＣＰＵ１０２、ＲＡＭ１０４、ＲＯＭ１０６及びＩ／Ｏ１０８が接続され、各種データの転送が行われる。
【００３３】
また、Ｉ／Ｏ１０８には、例えば燃料ブロア５、空気ブロア６、水ポンプ７、ＰＣＳ１４、熱回収装置１５、が接続されている。ここで、燃料ブロア５はガス等の燃料を燃料処理装置１１に送り込む装置であり、空気ブロア６は空気を空気供給装置１２に送り込む装置である。また、水ポンプ７は、燃料処理装置１１に水を送り込む装置である。
【００３４】
ＣＰＵ１０２は、ＰＣＳ１４が検出したセルスタック１３の電流に基づいて、燃料ブロア５、空気ブロア６、及び水ポンプ７を制御して、燃料電池ユニット１０の発電量を制御する。なお、図１及び図２では、ＰＣＳ１４と制御装置１６とを異なる装置として記載したが、制御装置１６とＰＣＳ１４との機能を一体化させた新たなＰＣＳ１４Ａとして構成してもよい。
【００３５】
なお、図２に示したＩ／Ｏ１０８に接続される装置等は一例であり、他の装置等が接続される場合がある。例えば、操作装置１７、分電盤４０、及びインターネット等のネットワークに接続し、他の情報端末との間でデータを送受信する通信装置をＩ／Ｏ１０８に接続してもよい。
【００３６】
次に、図３を参照して、燃料電池システム１の作用について説明する。図３は、例えば分電盤４０を介して電気事業者から電力を受電し、且つ、燃料電池システム１が後述する定格出力で発電を行っている場合に、ＣＰＵ１０２によって実行される電力制御プログラムに基づく処理、すなわち、電力制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。図３に示す電力制御プログラムはＲＯＭ１０６に予め記憶され、ＣＰＵ１０２によって読み出される。
【００３７】
まず、ステップＳ１０において、制御装置１６は分電盤４０に設けられた、電気事業者から商用電力を受電する受電端子側の受電電圧を監視し、商用電力が予め定めた電圧以下に低下したか否か、すなわち、需要家が電気事業者から受電している電力の電力系統（以降、「商用電力系統」という）で停電が発生したか否かを検知する。
【００３８】
ステップＳ１０の判定処理が否定判定の場合には、電気事業者から規定の電力が供給されているため、燃料電池ユニット１０の出力を定格出力に維持したままであっても、電気事業者との契約容量を上限とした負荷５０の消費電力をまかなうことができる状態（以降、「定常状態」という）にあるとみなすことができる。したがって、ステップＳ１０に移行し、制御装置１６は、燃料電池ユニット１０の出力を定格出力に維持したままステップＳ１０の処理を繰り返し実行して、商用電力系統での停電の有無を監視し続ける。
【００３９】
また、ステップＳ１０の判定処理が肯定判定の場合、すなわち、商用電力系統で停電が発生した場合には、ステップＳ２０に移行する。
【００４０】
商用電力系統で停電が発生した場合、停電前に比べて電気事業者から供給される商用電力が低下する。したがって、負荷５０の稼動状況が停電前と停電後で同じ場合、停電後は停電前に比べて、電気事業者及び燃料電池ユニット１０から供給される電力に対する負荷５０での電力の需要の割合（以降、「需給割合」という）が需要家内において大きくなる。
【００４１】
この場合、負荷５０の稼働状況によっては、負荷５０での電力の需要が電力の供給量を超えてしまうことがあるため、負荷５０の一部又は全部の運転を停止せざるを得ない場合が発生することがある。
【００４２】
一方、上述したように燃料電池ユニット１０では、燃料電池ユニット１０で常時発電可能な出力の上限値、すなわち、定格出力が設定されている。
【００４３】
ここで、燃料電池ユニット１０における定格出力の設定に関して、図４を用いて説明する。図４は、燃料電池ユニット１０における発電出力と発電効率との関係の一例を示す図である。なお、燃料電池ユニット１０における発電効率とは、都市ガスから供給される熱量のうち、電力に変換された熱量の割合をいう。
【００４４】
火力発電所等で用いられるタービン式発電機の場合、一般的に発電出力が大きくなるにつれて発電効率も上昇する傾向が見られる。しかし、燃料電池を用いて発電する燃料電池ユニット１０の場合、図４に示すように、燃料電池ユニット１０における発電出力と発電効率との関係は、縦軸に発電効率、横軸に発電出力をとった場合、極大値を有するグラフ２１によって表される。すなわち、燃料電池ユニット１０では、発電出力が規定値に達するまでは、発電出力が大きくなるにつれて発電効率も上昇するが、発電出力が規定値を超えると発電効率が低下し始める特性を有する。
【００４５】
したがって、多くの場合、発電効率が最高となる発電出力Ｐ0や、予め設定した目標効率を上回る範囲での最高の出力Ｐ1を燃料電池ユニット１０の定格出力として設定するが、定格出力の設定方法に制限はなく、発電効率が最高となる発電出力Ｐ0又はＰ1とは異なる出力を定格出力としてもよい。本実施の形態に係る燃料電池ユニット１０では、一例として発電効率が最高となる発電出力Ｐ0を定格出力に設定し、停電が発生していない状態では、定格出力を上限値として定格出力を超えないように発電が行われる。
【００４６】
そして、燃料電池ユニット１０は、設定した定格出力に基づいて、燃料電池ユニット１０が連続して定格出力で発電したとしても、少なくとも保証期間の間は燃料電池ユニット１０の発電に関する主要部で故障が発生しないように、セルスタック１３、並びに、燃焼処理装置１１に水を送り込む図示しないポンプや都市ガスをセルスタック１３に供給する図示しないブロワといった補機の耐久性能を設計する。
【００４７】
逆に言えば、燃料電池ユニット１０の定格出力は、燃料電池ユニット１０で発電することができる最大出力よりも低い値に設定されているため、燃料電池ユニット１０は、定格出力を超えた電力を負荷５０に供給することができる余地を有する。
【００４８】
商用電力系統で停電が発生した場合、停電前に比べて需要家内の需給割合が大きくなることから、燃料電池ユニット１０に定格出力を超えて発電させることで、燃料電池ユニット１０を定格出力で発電させる場合に比べて、燃料電池ユニット１０から負荷５０に供給できる電力を増加することができる。
【００４９】
したがって、ステップＳ２０において、制御装置１６は、燃料電池ユニット１０の各装置を制御して、燃料電池ユニット１０から出力される電力の上限値を緊急定格出力に設定する。ここで、緊急定格出力とは、定格出力を超える予め定めた出力値であり、緊急定格出力の値は燃料電池ユニット１０の実機による実験や燃料電池ユニット１０の設計仕様に基づくコンピュータシミュレーション等により予め求められ、例えばＲＯＭ１０６の予め定めた領域に記憶しておけばよい。
【００５０】
制御装置１６は、例えば燃料処理装置１１及び空気供給装置１２を制御して、セルスタック１３の電気化学反応が促進されるように、セルスタック１３に供給される水素及び酸素の供給量を停電前より増加させることで、燃料電池ユニット１０の出力を定格出力より大きくして、緊急定格出力に近づける。
【００５１】
ステップＳ３０において、制御装置１６は分電盤４０に設けられた、電気事業者から商用電力を受電する受電端での受電電圧を監視し、電気事業者から供給される商用電力が予め定めた電圧を超える値まで上昇したか否か、すなわち、商用電力系統が停電から復旧したか否かを検知する。
【００５２】
ステップＳ３０の判定処理が否定判定の場合には、停電が復旧するまでステップＳ３０の処理を繰り返し実行する。一方、ステップＳ３０の判定処理が肯定判定の場合には、ステップＳ４０に移行する。
【００５３】
ステップＳ４０において、停電が復旧したことを受けて制御装置１６は、燃料電池ユニット１０の各装置を制御して、燃料電池ユニット１０から出力される電力を定格出力に設定する。
【００５４】
なお、停電時においては、例えばユーザが停電によって停止した複数の負荷５０を一斉に起動しようとする場合があるため、負荷５０側における電力の需要変動速度が、定常状態における電力の需要変動速度に比べて速くなる傾向が見られる。ここで需要変動速度とは、単位時間あたりにおける電力需要の変化の割合をいう。
【００５５】
したがって、電力の需給バランスの観点から、燃料電池ユニット１０から供給する単位時間あたりにおける電力の変化の割合、すなわち、電力の供給変動速度も、負荷５０側における電力の需要変動速度にあわせて、定常状態における電力の供給変動速度より速くすることが好ましい。
【００５６】
しかしながら、燃料電池ユニット１０における電力の供給変動速度が予め定めた変動速度を超えると、燃料電池ユニット１０の耐久性能が低下する場合がある。したがって、定常状態での燃料電池ユニット１０における電力の供給変動速度には上限値が設定されており、燃料電池ユニット１０は、当該上限値を越えた変動速度で負荷５０に電力を供給しないように制限している。
【００５７】
そこで、制御装置１６は、停電時には定常状態で用いられる電力の供給変動速度の上限値より高い上限値（以降、「緊急速度制限値」という）を設定した上で、燃料電池ユニット１０の出力を緊急定格出力まで上昇させてもよい。この場合、燃料電池ユニット１０における電力の供給変動速度の上限値を変更しない場合と比較して、停電時における電力の需給バランスを安定させることができる。
【００５８】
なお、電力の供給変動速度の緊急速度制限値は、開示の技術における電力の変動速度の上限値を表す一例であり、例えば停電時における電力の需要変動速度の実測値等を考慮して予め決定しておき、ＲＯＭ１０６の予め定めた領域に記憶しておけばよい。
【００５９】
以上により、図３に示した電力制御処理を終了する。
【００６０】
＜第１実施形態の変形例＞
上記では、需要家内における需給割合が予め定めた割合より大きくなる状態の一例である停電時に燃料電池ユニット１０の出力を緊急定格出力まで上昇する例について説明したが、需要家が契約している電気事業者の電力供給エリア全体で見た場合の需給割合が予め定めた割合より大きくなるような場合にも、燃料電池ユニット１０の出力を緊急定格出力まで上昇させてもよい。なお、ここでいう電力供給エリアとは、電気事業者が電力を供給しているエリア全体であってもよいし、電力を供給しているエリアが、例えば送電系統により複数のエリアに分割される場合には、需要家を含む分割されたエリアであってもよい。
【００６１】
例えば、燃料電池ユニット１０で発電した電力を分電盤４０から商用電力系統に逆潮させ、電気事業者に発電した電力を買い取ってもらう（売電）場合、商用電力系統における需給割合に応じて、電力の買取価格が設定されることがある。
【００６２】
具体的には、需給割合が低下するほど電力が余っている状態を表すため、需給割合の低下に伴って電力の買取価格も低くなるように設定されることがある。一方、需給割合が高くなるほど電力が足りない状態を表すため、需給割合の上昇に伴って電力の買取価格も高くなるように設定されることがある。すなわち、電力の買取価格は、商用電力系統全体で見た場合の電力の需給状況を示す指標の一例である。
【００６３】
すなわち、商用電力系統における需給割合に変化が生じ、電気事業者による単位電力の買取価格が燃料電池システム１における単位電力あたりの発電コストを超えた場合には、燃料電池システム１で発電すればするほど、燃料電池システム１を有するユーザは利益を得ることができる。
【００６４】
したがって、図３に示したＳ１０において、制御装置１６は例えばインターネットを通じて電気事業者から通知される電力の買取価格を監視し、電力の買取価格が単位電力あたりの発電コストを超えた場合にステップＳ２０に移行して、燃料電池ユニット１０の出力を緊急定格出力まで上昇させてもよい。
【００６５】
そして、図３に示したＳ３０において、制御装置１６は電力の買取価格が単位電力あたりの発電コスト以下になった場合、すなわち商用電力系統における需給割合が特定の割合以下になった場合はステップＳ４０に移行して、燃料電池ユニット１０を定格出力に戻すようにしてもよい。なお、この場合においては、商用電力系統における需給割合が特定の割合以下である状態を定常状態ということができる。
【００６６】
このように第１実施形態及び第１実施形態の変形例に係る燃料電池システム１によれば、需要家内及び商用電力系統全体の少なくとも一方における電力の需給割合が予め定めた割合以下となる状態、すなわち定常状態の場合には、燃料電池ユニット１０を定格出力で発電し、電力の需給割合が予め定めた割合を超える状態の場合には、燃料電池ユニット１０を定格出力より大きい出力に設定した緊急定格出力で発電する。
【００６７】
したがって、燃料電池システム１は、電力の需要状況にあわせて発電量を制御することができ、燃料電池ユニット１０を定格出力以下で発電させる場合と比較して、需要に応じた電力を出力することができる。
【００６８】
＜第２実施形態＞
第１実施形態に係る燃料電池システム１では、燃料電池ユニット１０の出力を緊急定格出力に設定した後、電力の需給割合が定常状態とみなせる状態に戻るまで緊急定格出力に応じた電力を出力する。
【００６９】
しかしながら、燃料電池ユニット１０の定格出力は、燃料電池ユニット１０に含まれるセルスタック１３の耐久性能及び発電効率、並びに、燃料電池ユニット１０に含まれる図示しないポンプ及び図示しないブロワ等の補機の耐久性能を考慮した上で設定された出力である。したがって、燃料電池ユニット１０の耐久性能及び発電効率の低下に伴う効率性能面から見た場合、定格出力を超えて発電する期間はできるだけ短い方が好ましい。
【００７０】
したがって、第２実施形態では、定格出力を超えて発電する期間を制限する燃料電池システム１Ａについて説明する。なお、第２実施形態に係る燃料電池システム１Ａの構成は、図１に示した燃料電池システム１の制御装置１６が制御装置１６Ａに置き換えられると共に、制御装置１６Ａの置き換えに伴い、燃料電池ユニット１０が燃料電池ユニット１０Ａに置き換えられた点以外は図１と同じ構成であるため説明を省略する。また、燃料電池システム１Ａにおける制御装置１６Ａは、第１実施形態に係る制御装置１６と同じく、図２に示すようにコンピュータ１００を用いて実現することができる。
【００７１】
次に、図５を参照して、燃料電池システム１Ａの作用について説明する。図５は、例えば分電盤４０を介して電気事業者から電力を受電し、且つ、燃料電池システム１Ａが定格出力で発電を行っている場合に、ＣＰＵ１０２によって実行される電力制御プログラムに基づいた電力制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【００７２】
図３に示した第１実施形態に係る電力制御処理に対して、ステップＳ５、Ｓ１５、Ｓ２２〜Ｓ２８、Ｓ３２及びＳ３４を追加した処理が、図５に示す第２実施形態に係る電力制御処理となる。なお、図５に示す電力制御プログラムはＲＯＭ１０６に予め記憶され、ＣＰＵ１０２によって読み出される。
【００７３】
まず、ステップＳ５において、制御装置１６Ａは、後述する緊急定格出力の事前通知が複数回にわたってユーザに通知されないようにするための判定フラグであるフラグＦを“０”に設定し、例えばＲＡＭ１０４の予め定めた領域に記憶する。
【００７４】
ステップＳ１０で商用電力系統の停電を検知した場合、ステップＳ１５において、制御装置１６Ａは、燃料電池ユニット１０Ａを継続して緊急定格出力で発電する期間Ｔ0を計測するタイマＴを起動する。期間Ｔ0は、燃料電池ユニット１０Ａの実機による実験や燃料電池ユニット１０Ａの設計仕様に基づくコンピュータシミュレーション等に基づいて、燃料電池ユニット１０Ａの耐久性能に影響を与えない範囲で予め決定され、例えばＲＯＭ１０６の予め定めた領域に記憶される。
【００７５】
なお、ＣＰＵ１０２には、時間を計測するタイマ機能が含まれるものがあるため、制御装置１６Ａは、例えばＣＰＵ１０２に内蔵されたタイマ機能をタイマＴとして利用すればよい。
【００７６】
ステップＳ２０において、緊急定格出力で燃料電池ユニット１０Ａの発電を開始させた後、ステップＳ２２において、制御装置１６Ａは、ステップＳ１５で起動したタイマＴがタイムアウトしたか否か、すなわち燃料電池ユニット１０Ａが緊急定格出力で発電し始めてからの継続期間が期間Ｔ0に達したか否かを判定する。
【００７７】
ステップＳ２２の判定処理が否定判定の場合、すなわち、燃料電池ユニット１０Ａが緊急定格出力で発電し始めてからの継続時間（以降、「緊急定格出力経過時間」という）が期間Ｔ0に達していない場合には、ステップＳ２４に移行する。
【００７８】
ステップＳ２４において、制御装置１６ＡはフラグＦの値が“０”で、且つ、緊急定格出力経過時間が、期間Ｔ0より短い期間である期間（Ｔ0−Ｔ1）に達したか否かを判定する。ここで、期間Ｔ1はＴ0＞Ｔ1＞０の大小関係を有する値であるが、後述するように、緊急定格出力経過時間が期間Ｔ0に近づいていることをユーザに報知する目的を果たすためには、Ｔ0＞Ｔ1＞０．５Ｔ0であることが好ましい。
【００７９】
そして、ステップＳ２４の判定処理が肯定判定の場合にはステップＳ２６に移行する。
【００８０】
ステップＳ２６において、制御装置１６Ａは操作装置１７を制御して、緊急定格出力経過時間が期間Ｔ0に近づいていることをユーザに知らせる事前通知を、操作装置１７の報知パネル１９から報知させる。具体的には、制御装置１６Ａは、報知パネル１９の液晶モニタに緊急定格出力の事前通知を表示したり、報知パネル１９のスピーカから緊急定格出力の事前通知を音声で出力したりする。
【００８１】
ステップＳ２８において、制御装置１６Ａは、既にステップＳ２６で緊急定格出力経過時間が期間Ｔ0に近づいていることをユーザに報知したことを記録するため、フラグＦを“１”に設定する。
【００８２】
そして、ステップＳ３０において、制御装置１６Ａは、商用電力系統の停電が復旧したか否かを検知する。
【００８３】
なお、ステップＳ２４の判定処理が否定判定の場合には、上述したステップＳ２６及びＳ２８の処理を行わずにステップＳ３０に移行し、商用電力系統の停電が復旧したか否かを検知する。
【００８４】
ステップＳ３０の判定処理が肯定判定の場合、すなわち、商用電力系統の停電が復旧している場合にはステップＳ３２に移行し、ステップＳ３２において、制御装置１６Ａは、ステップＳ１５で起動したタイマＴを停止する。そして、ステップＳ４０において、制御装置１６Ａは、燃料電池ユニット１０Ａから出力される電力を定格出力に設定する。すなわち、制御装置１６Ａは、緊急定格出力経過時間が期間Ｔ0に達しない場合でも、商用電力系統の停電が復旧すれば、燃料電池ユニット１０Ａの出力を定格出力に戻す。
【００８５】
また、ステップＳ３０の判定処理が否定判定の場合、すなわち、商用電力系統の停電が継続している場合にはステップＳ２２に移行する。そして、緊急定格出力経過時間が期間Ｔ0を経過するまでの間、ステップＳ２２の判定処理が否定判定となり、ステップＳ２４に移行することになる。
【００８６】
しかし、ステップＳ２８で既にフラグＦが“１”に設定されている場合、以降のステップＳ２４の判定処理において肯定判定となることはない。すなわち、期間Ｔ0の間にステップＳ２６は一度しか実行されないため、期間Ｔ0の間に緊急定格出力の事前通知が複数回通知される状況が抑制されることになる。
【００８７】
なお、緊急定格出力の事前通知を複数回通知してほしいユーザが存在することも考えられるため、制御装置１６Ａは、事前通知を複数回通知する設定を操作装置１７から受け付けた場合、例えばステップＳ２８の処理を実行しないようにして、期間Ｔ0の間に事前通知を複数回通知するようにしてもよい。
【００８８】
一方、ステップＳ２２の判定処理が肯定判定の場合、すなわち、緊急定格出力経過時間が期間Ｔ0以上となった場合には、ステップＳ３４に移行する。
【００８９】
ステップＳ３４において、制御装置１６Ａは操作装置１７を制御して、緊急定格出力経過時間が期間Ｔ0に達したことをユーザに知らせる終了通知を、操作装置１７の報知パネル１９から報知させる。
【００９０】
そして、ステップＳ４０において、制御装置１６Ａは、燃料電池ユニット１０Ａから出力される電力を定格出力に設定する。すなわち、制御装置１６Ａは、緊急定格出力経過時間が期間Ｔ0に達した場合、商用電力系統の停電が継続中であっても、燃料電池ユニット１０Ａの出力を定格出力に戻す。
【００９１】
図５に示した電力制御処理では、燃料電池ユニット１０Ａが緊急定格出力で発電し始めてからの継続時間、すなわち緊急定格出力経過時間を計測し、緊急定格出力経過時間が期間Ｔ0に達した場合に、燃料電池ユニット１０Ａの出力を定格出力に戻す例について説明したが、燃料電池ユニット１０Ａを緊急定格出力で発電した積算時間が期間Ｔ0に達した場合に、燃料電池ユニット１０Ａの出力を定格出力に戻すようにしてもよい。
【００９２】
具体的には、図５のステップＳ３２で制御装置１６ＡがタイマＴを停止する際、燃料電池ユニット１０Ａを緊急定格出力で発電させた積算時間をＲＡＭ１０４又は図示しない不揮発性メモリの予め定めた領域に記憶する。そして、制御装置１６Ａは、再び停電を検知した場合、ステップ２２において、ステップＳ１５で起動したタイマＴの経過時間と、記憶した積算時間と、の合計時間が期間Ｔ0に達した場合に、燃料電池ユニット１０Ａの出力を定格出力に戻してもよい。
【００９３】
なお、制御装置１６Ａは、事前通知及び終了通知の両方を報知パネル１９から報知させる必要はなく、事前通知及び終了通知の何れか一方を報知パネル１９から報知させるようにしてもよい。
【００９４】
また、燃料電池システム１Ａがインターネットに接続されている場合には、制御装置１６Ａは、インターネットに接続されているパーソナルコンピュータ、或いは、タブレット端末及びスマートフォン等に代表される携帯情報端末にも、事前通知及び終了通知の少なくとも一方を報知するようにしてもよい。
【００９５】
また、第１実施形態に係る燃料電池システム１と同様に、燃料電池システム１Ａは、停電時における電力の供給変動速度に対して緊急速度制限値を設定した上で、燃料電池ユニット１０Ａの出力を緊急定格出力まで上昇させてもよい。
【００９６】
このように第２実施形態に係る燃料電池システム１Ａによれば、燃料電池ユニット１０Ａにおける緊急定格出力での発電期間を期間Ｔ0以内に制限する。したがって、燃料電池システム１Ａは、緊急定格出力での発電期間に制約を設けない場合と比較して、燃料電池ユニット１０における耐久性能の低下を抑制しつつ、需要に応じた電力を供給することができる。
【００９７】
以上、各実施形態を用いて本発明について説明したが、本発明は各実施形態に記載の範囲には限定されない。本発明の要旨を逸脱しない範囲で各実施形態に多様な変更又は改良を加えることができ、当該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。例えば、本発明の要旨を逸脱しない範囲で処理の順序を変更してもよい。
【００９８】
また、各実施形態ではＰＥＦＣ型の燃料電池を用いた燃料電池システム１、１Ａを例にして開示の技術を説明したが、燃料電池システム１、１Ａは、酸化イオン導電性セラミックを用いた電解質を燃料極及び空気極で挟んだ複数のセルを直列に接続した、いわゆるＳＯＦＣ(Polymer Electrolyte Fuel Cell)型の燃料電池デバイスを用いてもよい。
【００９９】
更に、電解質にりん酸水溶液を用いた、ＰＡＦＣ(Phosphoric Acid Fuel Cell)型の燃料電池デバイスや、電解質に溶融した炭酸塩を用いた、ＭＣＦＣ(Molten Carbonate Fuel Cell)型の燃料電池デバイスを用いてもよい。ＭＣＦＣ型の燃料電池デバイスは発電効率が約４０％〜約５０％で、且つ、動作温度が約６００℃〜約７００℃以下であり、ＳＯＦＣ型の燃料電池デバイスは、発電効率が約４０％〜約６５％で、且つ、動作温度が約７００℃〜１０００℃であるため、火力発電所等の発電設備の代替に使用することができる。
【０１００】
なお、開示の技術は、セルスタック１３での発電の際に排出される熱を利用して給湯を行うコジェネーションシステムにおいては、発電効率が高い機器のほうが、高出力運転を行っても、貯湯ユニット２０がお湯で満たされ（満蓄状態）、発電が継続できなくなるまでの時間が長くなるので、本制御に対してより好適である。また、コジェレーションシステムが熱を外部に放出するラジエータなどの機器を備えている場合、満蓄状態に伴い発電が停止するといった制約がなくなるため、より望ましい。また、開示の技術は、排熱を回収しないモノジェネレーションシステムに対しても適用することができる。
【０１０１】
また、図１に示したように、各実施形態では制御装置１６、１６Ａをそれぞれ燃料電池ユニット１０、１０Ａ内に含まれる装置として説明したが、制御装置１６、１６Ａをそれぞれ燃料電池ユニット１０、１０Ａから分離し、燃料電池ユニット１０、１０Ａとは異なる独立した装置としてもよい。
【０１０２】
また、各実施形態では緊急定格出力を予め定めた出力値に固定したが、需給割合に応じて変化させてもよい。例えば、需給割合が上昇するほど電力が不足している状態であることから、緊急定格出力を予め定めた出力値から上昇させてもよい。また、需給割合が低下するほど電力が余っている状態であることから、緊急定格出力を予め定めた出力値から低下させてもよい。
【０１０３】
更に、上述した各実施の形態では、一例として制御装置１６、１６Ａにおける電力制御処理をソフトウエアで実現する形態について説明したが、図３及び図５に示したフローチャートと同等の処理をハードウエアで処理させるようにしてもよい。この場合、電力制御処理をソフトウエアで実現する場合に比べて、処理の高速化が図られる。
【０１０４】
また、上述した各実施の形態では、電力制御プログラムがＲＯＭ１０６にインストールされている形態を説明したが、これに限定されるものではない。本発明に係る電力制御プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録した形態で提供することも可能である。例えば、本発明に係る電力制御プログラムを、ＣＤ(Compact Disc)−ＲＯＭ、又はＤＶＤ−ＲＯＭ等の光ディスクに記録した形態で提供してもよいし、ＵＳＢメモリ及びフラッシュメモリ等の半導体メモリに記録した形態で提供してもよい。また、燃料電池システム１、１Ａがインターネットに接続されている場合、インターネットに接続された他の装置から電力制御プログラムをダウンロードして、ＲＯＭ１０６に格納するようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１０５】
１（１Ａ）・・・燃料電池システム、１０（１０Ａ）・・・燃料電池ユニット、１１・・・燃料処理装置、１２・・・空気供給装置、１３・・・セルスタック、１４・・・ＰＣＳ、１５・・・熱回収装置、１６（１６Ａ）・・・制御装置、１７・・・操作装置、１８・・・操作パネル、１９・・・報知パネル、２０・・・貯湯ユニット、３０・・・バックアップ熱源機、４０・・・分電盤、５０・・・負荷、１００・・・コンピュータ、１０２・・・ＣＰＵ、１０４・・・ＲＡＭ、１０６・・・ＲＯＭ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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