(57)【要約】【課題】燃料電池の排熱を利用して発生させる蒸気が通過する蒸気配管において、ウォーターハンマーの発生を低減可能な制御装置、燃料電池システム、および制御方法を提供する。【解決手段】制御装置１４０は、燃料電池の排熱を利用して生成される蒸気が蒸気配管を通過して熱負荷４００に供給される燃料電池システム１０に用いられる。制御装置１４０は、蒸気配管に関する情報を取得する制御部１２０を備える。制御部１２０は、目標時刻を決定し、目標時刻と、前記蒸気配管に関する前記情報と、に基づいて開始時刻を決定し、開始時刻において、燃料電池システム１０に蒸気の生成を開始させ、燃料電池システム１０に生成させる単位時間あたりの蒸気量を、開始時刻から目標時刻に亘って増加させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の排熱を利用して生成される蒸気が蒸気配管を通過して熱負荷に供給される燃料電池システムに用いられる制御装置であって、
前記蒸気配管に関する情報を取得する制御部を備え、
前記制御部は、
前記熱負荷の需要開始の目標時刻を決定し、
前記目標時刻および前記情報に基づいて前記目標時刻よりも前の開始時刻を決定し、
前記開始時刻において、前記燃料電池システムに蒸気の生成を開始させ、
前記燃料電池システムに生成させる単位時間あたりの蒸気量を、前記開始時刻から前  記目標時刻に亘って増加させる、制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の制御装置であって、
前記制御部は、前記燃料電池システムの過去の運転データに基づいて前記目標時刻を決定する、制御装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の制御装置であって、
前記制御部は、
前記開始時刻の候補とする候補時刻を決定し、
前記情報を用いて、前記燃料電池システムに生成させる単位時間あたりの蒸気量を前記候補時刻から前記目標時刻に亘って増加させる場合の前記蒸気配管の温度変化特性を推定し、
推定された前記温度変化特性が所定条件を満たす場合、前記候補時刻を前記開始時刻に決定する、制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載の制御装置であって、
前記制御部は、前記情報および前記蒸気配管の温度に基づいて、前記温度変化特性を推定する、制御装置。
【請求項５】
請求項３または４に記載の制御装置であって、
前記制御部は、前記情報および前記燃料電池の発電電力に基づいて、前記温度変化特性を推定する、制御装置。
【請求項６】
請求項１または２に記載の制御装置であって、
前記情報は、実験またはシミュレーションによって予め決定された制御時間を示す情報を含み、
前記制御部は、前記制御時間だけ前記目標時刻よりも前の時刻を前記開始時刻に決定し、
前記実験または前記シミュレーションにおいて、第１時刻に蒸気の生成が開始され、生成される単位時間あたりの蒸気量が前記第１時刻から第２時刻に亘って増加した場合の前記蒸気配管の温度変化特性が所定条件を満たすとき、前記第１時刻から前記第２時刻までの時間が、前記制御時間に決定される、制御装置。
【請求項７】
請求項６に記載の制御装置であって、
前記蒸気配管に関する前記情報は、複数の特定温度にそれぞれ対応する複数の前記制御時間を示す情報を含み、
前記制御部は、
前記蒸気配管の温度の測定値を取得し、
前記測定値に対応する前記制御時間だけ前記目標時刻よりも前の時刻を前記開始時刻に決定し、
前記特定温度は、前記実験または前記シミュレーションにおける前記蒸気配管の前記第１時刻の温度である、制御装置。
【請求項８】
請求項６または７に記載の制御装置であって、
前記蒸気配管に関する前記情報は、複数の特定発電電力にそれぞれ対応する複数の前記制御時間を示す情報を含み、
前記制御部は、
前記目標時刻よりも前の時間帯における前記燃料電池の発電電力の予測値を算出し、
前記予測値に対応する前記制御時間だけ前記目標時刻よりも前の時刻を前記開始時刻に決定し、
前記特定発電電力は、前記実験または前記シミュレーションにおける前記燃料電池の前記第１時刻の発電電力である、制御装置。
【請求項９】
請求項３から８のいずれか一項に記載の制御装置であって、
前記所定条件は、前記蒸気配管の前記温度変化特性における温度の時間変化率の最大値が基準値以下であるとの条件を含む、制御装置。
【請求項１０】
燃料電池と、前記燃料電池の排熱を利用して蒸気を生成する熱交換器と、制御装置と、を備え、前記熱交換器によって生成された蒸気が蒸気配管を通過して熱負荷に供給される燃料電池システムであって、
前記制御装置は、
前記蒸気配管に関する情報を取得し、
前記熱負荷の需要開始の目標時刻を決定し、
前記目標時刻および前記情報に基づいて前記目標時刻よりも前の開始時刻を決定し、
前記開始時刻において、前記熱交換器に蒸気の生成を開始させ、
前記熱交換器に生成させる単位時間あたりの蒸気量を、前記開始時刻から前記目標時刻に亘って増加させる、燃料電池システム。
【請求項１１】
燃料電池の排熱を利用して生成される蒸気が蒸気配管を通過して熱負荷に供給される燃料電池システムの制御方法であって、
前記蒸気配管に関する情報を取得し、
前記熱負荷の需要開始の目標時刻を決定し、
前記目標時刻および前記情報に基づいて前記目標時刻よりも前の開始時刻を決定し、
前記開始時刻において、前記燃料電池システムに蒸気の生成を開始させ、
前記燃料電池システムに生成させる単位時間あたりの蒸気量を、前記開始時刻から前記目標時刻に亘って増加させる、制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、制御装置、燃料電池システム、および制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池の排熱を利用して水を加熱する燃料電池システムが開示されている。例えば、特許文献１には、燃料電池から排気されたオフガスを利用して生成した蒸気を、蒸気導出ラインを介して導出する燃料電池システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−０６７４８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来、生成された蒸気が通過する蒸気配管において、例えば蒸気配管を通過する蒸気が急激に冷却されると、ウォーターハンマー現象が発生し得る。ウォーターハンマー現象は、例えば蒸気配管内の蒸気が液化したときに発生する負圧によって引き寄せられた蒸気配管内の水（ドレン）が、蒸気配管の内壁等に衝突する現象である。ウォーターハンマー現象の発生は、例えば蒸気配管の損傷を引き起こし得る。
【０００５】
本開示は、燃料電池の排熱を利用して発生させる蒸気が通過する蒸気配管において、ウォーターハンマーの発生を低減可能な制御装置、燃料電池システム、および制御方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の一実施形態に係る制御装置は、燃料電池の排熱を利用して生成される蒸気が蒸気配管を通過して熱負荷に供給される燃料電池システムに用いられる。制御装置は、前記蒸気配管に関する情報を取得する制御部を備える。前記制御部は、前記熱負荷の需要開始の目標時刻を決定し、前記目標時刻および前記情報に基づいて前記目標時刻よりも前の開始時刻を決定し、前記開始時刻において、前記燃料電池システムに蒸気の生成を開始させ、前記燃料電池システムに生成させる単位時間あたりの蒸気量を、前記開始時刻から前記目標時刻に亘って増加させる。
【０００７】
本開示の一実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池の排熱を利用して蒸気を生成する熱交換器と、制御装置と、を備える。前記熱交換器によって生成された蒸気が蒸気配管を通過して熱負荷に供給される。前記制御装置は、前記蒸気配管に関する情報を取得し、前記熱負荷の需要開始の目標時刻を決定し、前記目標時刻および前記情報に基づいて前記目標時刻よりも前の開始時刻を決定し、前記開始時刻において、前記熱交換器に蒸気の生成を開始させ、前記熱交換器に生成させる単位時間あたりの蒸気量を、前記開始時刻から前記目標時刻に亘って増加させる。
【０００８】
本開示の一実施形態に係る制御方法は、燃料電池の排熱を利用して生成される蒸気が蒸気配管を通過して熱負荷に供給される燃料電池システムの制御方法である。制御方法は、前記蒸気配管に関する情報を取得し、前記熱負荷の需要開始の目標時刻を決定し、前記目標時刻および前記情報に基づいて前記目標時刻よりも前の開始時刻を決定し、前記開始時刻において、前記燃料電池システムに蒸気の生成を開始させ、前記燃料電池システムに生成させる単位時間あたりの蒸気量を、前記開始時刻から前記目標時刻に亘って増加させる。
【発明の効果】
【０００９】
本開示の一実施形態に係る制御装置、燃料電池システム、および制御方法によれば、燃料電池の排熱を利用して発生させる蒸気が通過する蒸気配管において、ウォーターハンマーの発生を低減可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本開示の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】実験またはシミュレーションにおいて燃料電池システムが生成する単位時間あたりの湯量の時間変化を示すグラフである。
【図３】実験またはシミュレーションにおいて燃料電池システムが生成する単位時間あたりの蒸気量の時間変化を示すグラフである。
【図４】実験またはシミュレーションにおける蒸気配管の温度変化特性を示すグラフである。
【図５】制御部の第１動作を示すフローチャートである。
【図６】制御部の第２動作を示すフローチャートである。
【図７】制御部の第３動作を示すフローチャートである。
【図８】比較例に係る燃料電池システムが生成する単位時間あたりの湯量の時間変化を示すグラフである。
【図９】比較例に係る燃料電池システムが生成する単位時間あたりの蒸気量の時間変化を示すグラフである。
【図１０】比較例に係る蒸気配管の温度変化特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本開示の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１２】
（燃料電池システム）
図１を参照して、本開示の一実施形態に係る燃料電池システム１０について説明する。燃料電池システム１０は、例えば需要家施設（以下、施設とする）に備えられる。燃料電池システム１０は、ホットモジュール２０と、パワーコンディショナ３０と、空気ブロア４０と、第１熱交換器５０と、蒸気ヘッダ６０と、第２熱交換器７０と、循環ポンプ８０と、ラジエータ９０と、温度測定部１００と、記憶部１１０と、制御部１２０と、を備える。図１において、実線矢印は、空気またはガス等の経路を示す。破線矢印は、加熱を示す。一点鎖線矢印は、電力の経路を示す。二点鎖線矢印は、水の経路を示す。
【００１３】
ホットモジュール２０は、改質ユニット２１と、燃料電池ユニット２２と、を含む。
【００１４】
改質ユニット２１は、メタンおよび水から、燃料電池の燃料となる水素を生成する。具体的には、改質ユニット２１は、燃料改質部、ＣＯ変性部、およびＣＯ浄化部を含む。
【００１５】
燃料改質部には、水と、少なくともメタンを含む燃料ガスと、が供給される。燃料ガスとして、例えば脱硫器を通過した都市ガスが採用されてもよい。燃料改質部は、水と、燃料ガス中のメタンと、を改質反応させる。具体的には、燃料改質部は、水と、メタンと、を反応させて、水素、二酸化炭素、および一酸化炭素を含むガスを生成する。燃料改質部は、例えばバーナー等のヒータによって、改質反応に適切な温度に保たれる。燃料改質部が適切な温度に保たれている場合、生成されるガス中には、例えばおよそ１０〜１５％程度の一酸化炭素が含まれ得る。
【００１６】
ＣＯ変性部には、水と、燃料改質部において生成されたガスと、が供給される。ＣＯ変性部は、水と、ガス中の一酸化炭素と、を反応させて、水素および二酸化炭素を生成する。ＣＯ変性部によって、ガス中の一酸化炭素の濃度が低減し得る。
【００１７】
ＣＯ浄化部には、空気と、ＣＯ変性部を通過したガスと、が供給される。ＣＯ浄化部は、空気中の酸素と、ガス中の一酸化炭素と、を反応させて、二酸化炭素を生成する。ＣＯ浄化部によって、ガス中の一酸化炭素の濃度が更に低減し得る。以下、ＣＯ浄化部から排出されるガスを、改質ガスともいう。改質ガス中の一酸化炭素の濃度は、所定の基準値未満である。
【００１８】
燃料電池ユニット２２は、１つ以上の燃料電池を含む。例えば、燃料電池ユニット２２は、複数の燃料電池が積み重なったセルスタックを含んでもよい。燃料電池ユニット２２には、改質ユニット２１から改質ガスが供給される。燃料電池ユニット２２には、空気ブロア４０から空気が供給される。燃料電池ユニット２２は、改質ガス中の水素と、空気中の酸素と、を用いて発電を行う。具体的には、燃料電池ユニット２２は、水素と、酸素と、を反応させて、水および電気を生成する。燃料電池ユニット２２から排ガスが排出される。排ガスには、例えば、改質ガス中の水素および二酸化炭素等が含まれ得る。
【００１９】
パワーコンディショナ３０は、燃料電池ユニット２２によって発電された直流電力を交流電力に変換して出力する。パワーコンディショナ３０から出力された交流電力は、例えば施設に備えられた分電盤２００に入力されてもよい。パワーコンディショナ３０は、例えば分電盤２００から電力の供給を受ける電力負荷の消費電力に応じて、出力電力を調整する負荷追従モードで動作可能であってもよい。以下、パワーコンディショナ３０から出力される電力を、燃料電池システム１０の出力電力ともいう。
【００２０】
空気ブロア４０は、空気を燃料電池ユニット２２に供給する。
【００２１】
第１熱交換器５０には、水と、燃料電池ユニット２２からの排ガスと、が供給される。第１熱交換器５０は、供給された水および排ガスの間で熱交換する。例えば、第１熱交換器５０は、比較的高温の排ガスの熱エネルギを用いて、供給された水を加熱し、蒸気を生成する。生成された蒸気は、蒸気配管Ａを介して連結された蒸気ヘッダ６０に供給される。蒸気配管Ａには、蒸気配管Ａ内で発生し得るドレンを排出する蒸気トラップが設けられてもよい。蒸気配管Ａは、任意の材料を用いて形成される。例えば、蒸気配管Ａは、金属および炭素等の材料を用いて形成されてもよい。
【００２２】
蒸気ヘッダ６０は、第１熱交換器５０から供給される蒸気を貯留する。蒸気ヘッダ６０は、例えば施設に備えられた１つ以上の熱負荷４００それぞれに、貯留した蒸気を供給する。図１においては、１つの熱負荷４００を図示している。熱負荷４００は、例えば蒸気滅菌装置等を含んでもよい。
【００２３】
第２熱交換器７０は、循環経路１３０を介して、例えば施設に備えられた貯湯槽３００と連結される。貯湯槽３００に貯水された水が、後述する循環ポンプ８０によって、循環経路１３０で循環する。循環経路１３０は、貯湯槽３００から流出し第２熱交換器７０に流入する第１経路１３１と、第２熱交換器７０から流出し貯湯槽３００に流入する第２経路１３２と、を含む。第２熱交換器７０には、第１熱交換器５０を通過した排ガスが供給される。第２熱交換器７０は、排ガスおよび循環経路１３０内の水の間で熱交換する。例えば、第２熱交換器７０は、第１熱交換器５０を通過した排ガスの熱エネルギを用いて、第１経路１３１を介して貯湯槽３００から流入する水を加熱する。加熱された水は、第２経路１３２を介して貯湯槽３００に供給される。
【００２４】
循環ポンプ８０は、循環経路１３０上の任意の位置に設けられる。図１に示す例では、循環ポンプ８０は、第１経路１３１上に設けられている。循環ポンプ８０は、循環経路１３０内の水を循環させる。
【００２５】
ラジエータ９０は、第１経路１３１上の任意の位置に設けられる。図１に示す例では、ラジエータ９０は、循環ポンプ８０および貯湯槽３００の間に設けられている。ラジエータ９０は、例えば第１経路１３１内の水の温度が所定の基準値以上となった場合に、第１経路１３１内の水を冷却する。
【００２６】
温度測定部１００は、１つ以上の温度センサを含む。温度測定部１００は、任意の対象の温度を測定する。例えば、温度測定部１００は、第１熱交換器５０と蒸気ヘッダ６０とを連結する蒸気配管Ａの温度を測定する。
【００２７】
記憶部１１０は、一次記憶装置および二次記憶装置を含んでよい。記憶部１１０は、例えば半導体メモリ、磁気メモリ、および光メモリ等を用いて構成されてよい。半導体メモリは、揮発性メモリおよび不揮発性メモリを含んでよい。磁気メモリは、例えばハードディスクおよび磁気テープ等を含んでよい。光メモリは、例えばＣＤ（Compact Disc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、およびＢＤ（Blu-ray（登録商標） Disc）等を含んでよい。記憶部１１０は、燃料電池システム１０の動作に用いられる種々の情報およびプログラムを記憶する。
【００２８】
例えば、記憶部１１０は、燃料電池システム１０の過去の運転データを記憶してもよい。例えば、運転データは、過去に燃料電池ユニット２２が発電した電力の時系列データを含んでもよい。運転データは、過去に熱負荷４００に対する蒸気の供給が開始した時刻および終了した時刻を示すデータを含んでもよい。
【００２９】
記憶部１１０は、第１熱交換器５０と蒸気ヘッダ６０とを連結する蒸気配管Ａに関する情報を記憶する。蒸気配管Ａに関する情報の詳細については後述する。
【００３０】
制御部１２０は、１つ以上のプロセッサを含む。プロセッサは、特定の処理に特化した専用のプロセッサ、および特定のプログラムを読み込むことによって特定の機能を実行する汎用のプロセッサを含んでよい。制御部１２０は、燃料電池システム１０全体の動作を制御する。制御部１２０の動作の詳細については後述する。
【００３１】
記憶部１１０および制御部１２０は、１つの制御装置１４０として構成されてもよい。制御装置１４０として、例えばコンピュータ等の任意の情報処理装置が採用可能である。
【００３２】
制御部１２０は、燃料電池システム１０に発電電力を出力させる。具体的には、制御部１２０は、例えばホットモジュール２０および空気ブロア４０の動作を制御して、発電を開始させる。制御部１２０は、パワーコンディショナ３０を制御して、発電された直流電力を交流電力に変換させ、分電盤２００へ出力させる。パワーコンディショナ３０がプロセッサを有する場合、制御部１２０に替えて当該プロセッサが、パワーコンディショナ３０を制御して、発電電力の変換および出力を行わせてもよい。
【００３３】
制御部１２０は、燃料電池の発電中に、第２熱交換器７０に湯を生成させてもよい。具体的には、制御部１２０は、循環ポンプ８０を制御して、循環経路１３０内の水を循環させる。燃料電池の発電中に循環経路１３０内の水が循環することによって、第２熱交換器７０に第１経路１３１から流入し加熱された水が、第２経路１３２から流出する。本実施形態において、第２熱交換器７０によって加熱され第２経路１３２から流出する水を「湯」ともいう。制御部１２０は、循環ポンプ８０が送り出す水の流量を制御することによって、単位時間あたりに生成される湯量を制御可能である。単位時間あたりに生成される湯量を制御する制御部１２０の動作の詳細については後述する。
【００３４】
制御部１２０は、第１経路１３１の温度が所定の基準値以上となった場合、ラジエータ９０を制御して、第１経路１３１内の水を冷却させる。
【００３５】
制御部１２０は、燃料電池の発電中に、第１熱交換器５０に蒸気を生成させてもよい。具体的には、制御部１２０は、例えばポンプまたはバルブ等を制御して、第１熱交換器５０に水を供給する。制御部１２０は、第１熱交換器５０に供給する水の量を制御することによって、単位時間あたりに生成される蒸気量を制御可能である。単位時間あたりに生成される蒸気量を制御する制御部１２０の動作の詳細については後述する。
【００３６】
制御部１２０は、目標時刻および終了時刻を決定する。目標時刻は、将来の時刻である。後述するように、制御部１２０は、目標時刻において熱負荷４００に対する蒸気の供給を開始する。終了時刻は、目標時刻よりも後の時刻である。後述するように、制御部１２０は、終了時刻において熱負荷４００に対する蒸気の供給を終了する。
【００３７】
具体的には、制御部１２０は、燃料電池システム１０の過去の運転データに基づいて、目標時刻および終了時刻を決定してもよい。目標時刻および終了時刻の決定には、任意のアルゴリズムが採用可能である。あるいは、制御部１２０は、ユーザ入力に基づいて目標時刻および終了時刻を決定してもよい。
【００３８】
制御部１２０は、決定された目標時刻と、蒸気配管Ａに関する情報と、に基づいて、開始時刻を決定する。開始時刻は、目標時刻よりも前且つ将来の時刻である。後述するように、制御部１２０は、開始時刻において燃料電池システム１０に蒸気の生成を開始させる。開始時刻の決定には、任意のアルゴリズムが採用可能であってもよい。以下、異なるアルゴリズムで開始時刻を決定する制御部１２０の第１動作および第２動作について例示する。
【００３９】
（第１動作）
開始時刻を決定する制御部１２０の第１動作について説明する。
【００４０】
制御部１２０は、蒸気配管Ａに関する情報を記憶部１１０に予め記憶する。蒸気配管Ａに関する情報は、内部を通過する蒸気によって加熱される蒸気配管Ａの温度変化特性を推定するシミュレーションの実行に用いられる任意の情報を含んでもよい。制御部１２０は、蒸気配管Ａに関する情報を記憶部１１０から取得する。
【００４１】
制御部１２０は、候補時刻を決定する。候補時刻は、上述した目標時刻よりも前且つ将来の任意の時刻である。
【００４２】
制御部１２０は、記憶部１１０に記憶された蒸気配管Ａに関する情報を用いて、燃料電池システム１０に生成させる単位時間あたりの蒸気量を候補時刻から目標時刻に亘って増加させる場合の蒸気配管Ａの温度変化特性を推定する。具体的には、制御部１２０は、蒸気配管Ａに関する情報、候補時刻、および目標時刻を用いたシミュレーションによって、蒸気配管Ａの温度変化特性を推定する。
【００４３】
制御部１２０は、蒸気配管Ａに関する情報と、蒸気配管Ａの温度および燃料電池の発電電力の少なくとも一方と、に基づいて、蒸気配管Ａの温度変化特性を推定してもよい。具体的には、制御部１２０は、温度測定部１００から蒸気配管Ａの温度の測定値を取得してもよい。制御部１２０は、燃料電池システム１０の過去の運転データに基づいて、候補時刻における燃料電池の発電電力の予測値を算出してもよい。発電電力の予測値の算出には、任意のアルゴリズムが採用可能である。
【００４４】
制御部１２０は、蒸気配管Ａに関する情報と、温度の測定値および発電電力の予測値の少なくとも一方と、を用いたシミュレーションによって、蒸気配管Ａの温度変化特性を推定する。当該シミュレーションにおいて、蒸気配管Ａの温度の測定値が、候補時刻における蒸気配管Ａの温度として用いられてもよい。当該シミュレーションにおいて、発電電力の予測値が、候補時刻における燃料電池の発電電力として用いられてもよい。
【００４５】
制御部１２０は、推定された温度変化特性が所定条件を満たすか否かを判定する。
【００４６】
例えば、所定条件は、目標時刻における蒸気配管Ａの温度予測値が目標値に略一致するとの条件を含んでもよい。例えば、所定条件は、推定された温度変化特性における温度の時間変化率の最大値が基準値以下であるとの条件を含んでもよい。当該基準値は、例えば以下に説明するように、予め記憶部１１０に記憶されてもよい。蒸気配管Ａの温度が比較的低い状態で大量の蒸気が蒸気配管Ａを通過すると、ウォーターハンマーが発生し得る。これに対して、蒸気配管Ａを通過する蒸気を緩やかに増加させると、蒸気配管Ａの温度は比較的緩やかに上昇する。かかる場合、ウォーターハンマーが発生する蓋然性は低い。制御部１２０は、予め実施された実験またはシミュレーションにおいて蒸気配管Ａに蒸気を通過させたときに、ウォーターハンマーの発生が実用上十分に低減された場合における蒸気配管Ａの温度の時間変化率の最大値を、上述した基準値として記憶部１１０に予め記憶する。
【００４７】
温度変化特性が所定条件を満たさないと判定された場合、制御部１２０は、候補時間を変化させて、蒸気配管Ａの温度変化特性の推定、および推定された温度変化特性が所定条件を満たすか否かの判断を繰り返し実行してもよい。一方、温度変化特性が所定条件を満たすと判定された場合、制御部１２０は、候補時刻を開始時刻に決定する。開始時刻が決定されたときの当該シミュレーションの結果の具体例については後述する
【００４８】
（第２動作）
開始時刻を決定する制御部１２０の第２動作について説明する。
【００４９】
制御部１２０は、蒸気配管Ａに関する情報を記憶部１１０に予め記憶する。蒸気配管Ａに関する情報は、実験またはシミュレーションによって予め決定された制御時間を示す情報を含む。具体的には、当該実験またはシミュレーションにおいて、第１時刻に蒸気の生成が開始され、生成される単位時間あたりの蒸気量が第１時刻から第２時刻に亘って増加した場合の蒸気配管Ａの温度変化特性が決定される。制御部１２０は、蒸気配管Ａに関する情報を記憶部１１０から取得する。
【００５０】
当該実験またはシミュレーションにおいて、決定された当該温度変化特性が所定条件を満たすか否かが判定される。
【００５１】
例えば、所定条件は、第２時刻における蒸気配管Ａの温度予測値が目標値に略一致するとの条件を含んでもよい。例えば、所定条件は、当該温度変化特性における温度の時間変化率の最大値が基準値以下であるとの条件を含んでもよい。当該基準値は、予め実施された実験またはシミュレーションにおいて蒸気配管Ａに蒸気を通過させたときに、ウォーターハンマーが発生しなかった場合における蒸気配管Ａの温度の時間変化率の最大値であってもよい。
【００５２】
温度変化特性が所定条件を満たさないと判定された場合、第１時刻および第２時刻の少なくとも一方を変化させて、蒸気配管Ａの温度変化特性の決定、および決定された温度変化特性が所定条件を満たすか否かの判断が繰り返し実行されてもよい。一方、温度変化特性が所定条件を満たすと判定された場合、第１時刻から第２時刻までの時間が制御時間に決定される。制御時間が決定されたときの当該実験またはシミュレーションの結果の具体例については後述する。
【００５３】
制御部１２０は、制御時間だけ目標時刻よりも前の時刻を開始時刻に決定する。
【００５４】
上述した第２動作が採用される構成においては、記憶部１１０に１つの制御時間が記憶されていればよい。しかしながら、記憶部１１０に複数の制御時間が記憶される構成も可能である。
【００５５】
具体的には、蒸気配管Ａに関する情報は、複数の特定温度にそれぞれ対応する複数の制御時間を示す情報を含んでもよい。特定温度は、上述した実験またはシミュレーションにおける蒸気配管Ａの第１時刻の温度である。あるいは、蒸気配管Ａに関する情報は、複数の特定発電電力にそれぞれ対応する複数の制御時間を示す情報を含んでもよい。特定発電電力は、上述した実験またはシミュレーションにおける第１時刻の発電電力である。あるいは、蒸気配管Ａに関する情報は、特定温度および特定発電電力の複数の組み合わせにそれぞれ対応する複数の制御時間を示す情報を含んでもよい。
【００５６】
かかる場合、制御部１２０は、温度測定部１００から蒸気配管Ａの温度の測定値を取得してもよい。制御部１２０は、燃料電池システム１０の過去の運転データに基づいて、目標時刻よりも前の時間帯における燃料電池の発電電力の予測値を算出してもよい。発電電力の予測値の算出には、任意のアルゴリズムが採用可能である。
【００５７】
制御部１２０は、蒸気配管Ａに関する情報に含まれる複数の制御時間のうち、取得された温度の測定値に対応する１つの制御時間を特定してもよい。あるいは、制御部１２０は、蒸気配管Ａに関する情報に含まれる複数の制御時間のうち、算出された発電電力の予測値に対応する１つの制御時間を特定してもよい。あるいは、制御部１２０は、蒸気配管Ａに関する情報に含まれる複数の制御時間のうち、取得された温度の測定値および算出された燃発電電力の予測値の組み合わせに対応する１つの制御時間を特定してもよい。制御部１２０は、特定された制御時間だけ目標時刻よりも前の時刻を開始時刻に決定する。
【００５８】
制御部１２０は、決定された開始時刻において、燃料電池システム１０に蒸気の生成を開始させる。具体的には、制御部１２０は、例えばポンプまたはバルブ等を制御して、開始時刻において第１熱交換器５０に対する水の供給を開始させてもよい。水の供給の開始によって、蒸気の生成が開始される。
【００５９】
制御部１２０は、燃料電池システム１０に生成させる単位時間あたりの蒸気量を、開始時刻から目標時刻に亘って増加させる。具体的には、制御部１２０は、例えばポンプまたはバルブ等を制御して、第１熱交換器５０に対する水の供給量を制御してもよい。水の供給量の制御によって、燃料電池システム１０に生成させる単位時間あたりの蒸気量を調整可能である。
【００６０】
制御部１２０は、決定された開始時刻において、燃料電池システム１０に生成させる単位時間あたりの湯量を、開始時刻から目標時刻に亘って減少させるように、燃料電池システム１０を制御してもよい。具体的には、制御部１２０は、循環ポンプ８０を制御して、第２熱交換器７０に対する水の流入量を制御してもよい。水の流入量の制御によって、燃料電池システム１０に生成させる単位時間あたりの湯量を調整可能である。
【００６１】
図２乃至図４を参照して、上述した制御部１２０の第１動作におけるシミュレーション、または第２動作における実験もしくはシミュレーションの結果について説明する。具体的には、当該実験またはシミュレーションにおいて、蒸気配管Ａの温度変化特性が所定条件を満たすときの、単位時間あたりの湯量および蒸気量それぞれの時間変化、ならびに蒸気配管Ａの温度変化特性について説明する。
【００６２】
図２を参照して、燃料電池システム１０が生成する単位時間あたりの湯量の時間変化について説明する。図２は、横軸が時間を示し、縦軸が単位時間あたりの湯量を示すグラフである。
【００６３】
図２に示す実線は、燃料電池ユニット２２の発電電力が定格出力である場合における、単位時間あたりに生成される湯量の時間変化を示す。発電電力が定格出力である場合、時刻Ａが目標時刻に対応し、時刻Ｂが開始時刻に対応する。当該対応関係は、図３および図４においても同一である。生成される単位時間あたりの湯量は、時刻Ｂにおいて減少し始め、時刻Ｂから目標時刻である時刻Ａに亘って減少している。
【００６４】
図２に示す破線は、燃料電池ユニット２２の発電電力が定格出力未満である場合における、単位時間あたりに生成される湯量の時間変化を示す。発電電力が定格出力未満である場合、時刻Ａが目標時刻に対応し、時刻Ｂよりも前の時刻Ｃが開始時刻に対応する。当該対応関係は、図３および図４においても同一である。発電電力が定格出力未満である場合の開始時刻が、発電電力が定格出力である場合の開始時刻よりも前の時刻となる理由については後述する。生成される単位時間あたりの湯量は、時刻Ｃにおいて減少し始めている。
【００６５】
図３を参照して、燃料電池システム１０が生成する単位時間あたりの蒸気量の時間変化について説明する。図３は、横軸が時間を示し、縦軸が単位時間あたりの蒸気量を示すグラフである。
【００６６】
図３に示す実線は、燃料電池ユニット２２の発電電力が定格出力である場合における、単位時間あたりに生成される蒸気量の時間変化を示す。生成される単位時間あたりの蒸気量は、時刻Ｂにおいて増加し始め、時刻Ｂから時刻Ａに亘って増加している。
【００６７】
図３に示す破線は、燃料電池ユニット２２の発電電力が定格出力未満である場合における、単位時間あたりに生成される蒸気量の時間変化を示す。生成される単位時間あたりの蒸気量は、時刻Ｃにおいて増加し始め、時刻Ｃから時刻Ａに亘って増加している。
【００６８】
発電電力が定格出力未満である場合、生成される単位時間あたりの蒸気量は、発電電力が定格出力である場合と比較して緩やかに増加している。このことは、発電電力が定格出力未満である場合、燃料電池ユニット２２からの排ガスの熱エネルギが、発電電力が定格出力である場合と比較して小さいことに起因する。排ガスの熱エネルギが小さい場合、第１熱交換器５０に供給される水へ排ガスから移動する熱エネルギも小さく、生成される単位時間あたりの蒸気量が少なくなり得る。このため、生成される単位時間あたりの蒸気量が、比較的緩やかに増加することとなる。
【００６９】
図４を参照して、蒸気配管Ａの温度変化特性について説明する。図４は、横軸が時間を示し、縦軸が蒸気配管Ａの温度を示すグラフである。
【００７０】
図４に示す実線は、燃料電池ユニット２２の発電電力が定格出力である場合における、蒸気配管Ａの温度変化特性を示す。当該温度変化特性において、温度は時刻Ｂにおいて増加し始め、時刻Ｂから時刻Ａに亘って増加し、時刻Ａにおいて目標値に到達している。
【００７１】
当該温度変化特性は、上述した所定条件を満たすものである。例えば、当該温度変化特性における温度の時間変化率の最大値が基準値以下であるとの条件が満たされ得る。したがって、発電電力が定格出力である場合、時刻Ｂに蒸気の生成が開始され、生成される単位時間あたりの蒸気量が時刻Ｂから時刻Ａに亘って増加すれば、上述した実験またはシミュレーションの結果と類似して、蒸気配管Ａの実際の温度変化特性が所定条件を満たす蓋然性が高い。したがって、蒸気配管Ａの急激な温度変化の発生が低減されるので、ウォーターハンマーの発生が低減可能である。
【００７２】
図４に示す破線は、燃料電池ユニット２２の発電電力が定格出力未満である場合における、蒸気配管Ａの温度変化特性を示す。当該温度変化特性において、温度は時刻Ｃにおいて増加し始め、時刻Ｃから時刻Ａに亘って増加し、時刻Ａにおいて目標値に到達している。当該温度特性は、上述した所定条件を満たすものである。したがって、発電電力が定格出力未満である場合、時刻Ｃに蒸気の生成が開始され、生成される単位時間あたりの蒸気量が時刻Ｃから時刻Ａに亘って増加すれば、上述した実験またはシミュレーションの結果と類似して、蒸気配管Ａの実際の温度変化特性が所定条件を満たす蓋然性が高い。したがって、蒸気配管Ａの急激な温度変化の発生が低減されるので、ウォーターハンマーの発生が低減可能である。
【００７３】
発電電力が定格出力未満である場合、蒸気配管Ａの温度は、発電電力が定格出力である場合と比較して緩やかに上昇している。発電電力が定格出力未満である場合、蒸気配管Ａの温度が目標値に到達するまでに要する時間は、発電電力が定格出力である場合と比較して長い。このことは、発電電力が定格出力未満である場合、燃料電池ユニット２２からの排ガスが有する熱エネルギが、発電電力が定格出力である場合と比較して低いことに起因する。排ガスの熱エネルギが小さい場合、第１熱交換器５０に供給される水へ排ガスから移動する熱エネルギも小さく、生成される単位時間あたりの蒸気量が少なくなり得る。このため、生成された蒸気によって加熱される蒸気配管Ａの温度は、比較的緩やかに増加することとなる。
【００７４】
図５を参照して、開始時刻を決定する制御部１２０の第１動作について説明する。記憶部１１０は、蒸気配管Ａに関する情報を予め記憶しているものとする。
【００７５】
ステップＳ１００：制御部１２０は、目標時刻および終了時刻を決定する。
【００７６】
ステップＳ１０１：制御部１２０は、目標時刻よりも前且つ将来の候補時刻を決定する。
【００７７】
ステップＳ１０２：制御部１２０は、蒸気配管Ａの温度の測定値を取得する。
【００７８】
ステップＳ１０３：制御部１２０は、燃料電池の発電電力の予測値を算出する。
【００７９】
ステップＳ１０４：制御部１２０は、蒸気配管Ａの温度変化特性を推定する。例えば、制御部１２０は、蒸気配管Ａの温度の測定値と、燃料電池の発電電力の予測値と、を用いたシミュレーションによって、蒸気配管Ａの温度変化特性を推定してもよい。
【００８０】
ステップＳ１０５：制御部１２０は、推定された温度変化特性が所定条件を満たすか否かを判定する。例えば、所定条件は、目標時刻における蒸気配管Ａの温度予測値が目標値に略一致するとの条件、および推定された温度変化特性における温度の時間変化率の最大値が基準値以下であるとの条件の少なくとも一方を含んでもよい。温度変化特性が所定条件を満たすと判定された場合（ステップＳ１０５−Ｙｅｓ）、プロセスはステップＳ１０６に進む。一方、温度変化特性が所定条件を満たさないと判定された場合（ステップＳ１０５−Ｎｏ）、プロセスはステップＳ１０７に進む。
【００８１】
ステップＳ１０６：制御部１２０は、候補時刻を開始時刻に決定する。その後、プロセスは終了する。
【００８２】
ステップＳ１０７：制御部１２０は、候補時刻を変化させる。その後、プロセスはステップＳ１０４に戻る。
【００８３】
図６を参照して、開始時刻を決定する制御部１２０の第２動作について説明する。記憶部１１０は、蒸気配管Ａに関する情報を予め記憶しているものとする。蒸気配管Ａに関する当該情報が、特定温度および特定発電電力の複数の組み合わせにそれぞれ対応する複数の制御時間を示す情報を含む例について説明する。
【００８４】
ステップＳ２００：制御部１２０は、目標時刻および終了時刻を決定する。
【００８５】
ステップＳ２０１：制御部１２０は、蒸気配管Ａの温度の測定値を取得する。
【００８６】
ステップＳ２０２：制御部１２０は、燃料電池の発電電力の予測値を算出する。
【００８７】
ステップＳ２０３：制御部１２０は、蒸気配管Ａに関する情報に含まれる複数の制御時間のうち、取得された温度の測定値および算出された燃発電電力の予測値の組み合わせに対応する１つの制御時間を特定する。
【００８８】
ステップＳ２０４：制御部１２０は、特定された制御時間だけ目標時刻よりも前の時刻を開始時刻に決定する。
【００８９】
図７を参照して、決定された開始時刻、目標時刻、および終了時刻に基づいて蒸気の生成および供給を制御する制御部１２０の第３動作について説明する。
【００９０】
ステップＳ３００：制御部１２０は、現在時刻が開始時刻になったか否かを判定する。開始時刻になった場合（ステップＳ３００−Ｙｅｓ）、プロセスはステップＳ３０１に進む。一方、開始時刻になっていない場合（ステップＳ３００−Ｎｏ）、プロセスはステップＳ３００を繰り返す。
【００９１】
ステップＳ３０１：制御部１２０は、燃料電池システム１０に蒸気の生成を開始させる。
【００９２】
ステップＳ３０２：制御部１２０は、燃料電池システム１０に生成させる単位時間あたりの蒸気量を、開始時刻から目標時刻に亘って増加させる。
【００９３】
ステップＳ３０３：制御部１２０は、目標時刻において、熱負荷４００に対する蒸気の供給を開始させる。
【００９４】
ステップＳ３０４：制御部１２０は、現在時刻が終了時刻になったか否かを判定する。終了時刻になった場合（ステップＳ３０４−Ｙｅｓ）、プロセスはステップＳ３０５に進む。一方、終了時刻になっていない場合（ステップＳ３０４−Ｎｏ）、プロセスはステップＳ３０４を繰り返す。
【００９５】
ステップＳ３０５：制御部１２０は、熱負荷４００に対する蒸気の供給を終了させる。
【００９６】
以上述べたように、本開示の一実施形態に係る燃料電池システム１０は、目標時刻を決定する。燃料電池システム１０は、蒸気配管Ａに関する情報に基づいて開始時刻を決定する。燃料電池システム１０は、開始時刻において蒸気の生成を開始する。燃料電池システム１０は、生成する単位時間あたりの蒸気量を、開始時刻から目標時刻に亘って増加させる。かかる構成によれば、以下に説明するようにウォーターハンマーの発生が低減可能である。
【００９７】
図８乃至図１０を参照して、本実施形態との比較例について説明する。比較例では、例えば図８および図９にそれぞれ示されるように、生成される単位時間あたりの湯量および蒸気量が、時刻Ｄにおいて比較的短時間で急激に変化している。かかる場合、例えば図１０に示すように、蒸気配管Ａの温度が急激に変化する。したがって、蒸気配管Ａの温度が比較的低い状態で大量の蒸気が蒸気配管Ａを通過することとなり、ウォーターハンマーが発生する蓋然性が高い。
【００９８】
これに対して、本開示の一実施形態では、例えば図２および図３に示されるように、生成される単位時間あたりの湯量および蒸気量が、開始時刻から目標時刻に亘って比較的緩やかに変化する。かかる場合、蒸気配管Ａの温度が比較的低い状態で大量の蒸気が蒸気配管Ａを通過することが低減されるので、ウォーターハンマーの発生が低減される。
【００９９】
本発明を諸図面および実施形態に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形および修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形および修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各手段、各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段またはステップなどを１つに組み合わせたり、あるいは分割したりすることが可能である。
【０１００】
例えば、燃料電池システム１０は、パワーコンディショナ３０およびラジエータ９０の少なくとも一方を備えなくてもよい。かかる場合、パワーコンディショナ３０およびラジエータ９０の当該少なくも一方は、燃料電池システム１０に対して外部から連結される。例えば、パワーコンディショナ３０はプロセッサを備えてもよい。かかる場合、制御部１２０に替えて、パワーコンディショナ３０に備えられたプロセッサが、パワーコンディショナ３０の動作を制御してもよい。
【０１０１】
上述した実施形態において、燃料電池システム１０は、電力負荷を備えてもよい。制御部１２０は、燃料電池の発電電力が定格出力未満である場合、燃料電池の発電電力が定格出力となるように、当該電力負荷に対して電力を供給させる。当該電力負荷は、例えば、循環経路１３０を加熱するヒータを含んでもよい。
【０１０２】
上述した実施形態において、燃料電池システム１０が記憶部１１０を備える構成について説明した。しかしながら、燃料電池システム１０が記憶部１１０を備えない構成も可能である。例えば、上述した実施形態における記憶部１１０に替えて、燃料電池システム１１０と通信可能な外部装置が利用されてもよい。当該外部装置は、例えばインターネット等のネットワークを介して通信可能なクラウドサーバおよびクラウドストレージ等を含んでもよい。制御部１２０は、記憶部１１０に替えて、当該外部装置に情報を記憶し、当該外部装置から情報を取得してもよい。
【０１０３】
上述した実施形態に係る制御装置１４０として、コンピュータ等の情報処理装置が採用可能である。このような情報処理装置は、実施形態に係る制御装置１４０の各機能を実現する処理内容を記述したプログラムを、情報処理装置のメモリに格納し、情報処理装置のプロセッサによって当該プログラムを読み出して実行させることで実現可能である。
【符号の説明】
【０１０４】
１０    燃料電池システム
２０    ホットモジュール
２１    改質ユニット
２２    燃料電池ユニット
３０    パワーコンディショナ
４０    空気ブロア
５０    第１熱交換器
６０    蒸気ヘッダ
７０    第２熱交換器
８０    循環ポンプ
９０    ラジエータ
１００    温度測定部
１１０    記憶部
１２０    制御部
１３０    循環経路
１３１    第１経路
１３２    第２経路
１４０    制御装置
２００    分電盤
３００    貯湯槽
４００    熱負荷
【図１】
2018170149.tif 000003
【図２】
2018170149.tif 000004
【図３】
2018170149.tif 000005
【図４】
2018170149.tif 000006
【図５】
2018170149.tif 000007
【図６】
2018170149.tif 000008
【図７】
2018170149.tif 000009
【図８】
2018170149.tif 000010
【図９】
2018170149.tif 000011
【図１０】
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