(57)【要約】【課題】複数種類の燃料ガスが燃料電池に供給される場合に、高い経済性を実現することができる燃料電池システム、制御装置、及びプログラムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１０は、炭化水素と二酸化炭素とを含むバイオガスＧ１、及び、炭化水素を含み炭化水素の組成比がバイオガスＧ１の炭化水素の組成比と異なる都市ガスＧ２の少なくとも一方が供給される燃料電池２０と、燃料電池２０の運転を制御する制御装置３０と、を備える。制御装置３０は、バイオガスＧ１の供給により燃料電池２０を運転した場合の経済性を示す第１指標、及び、バイオガスＧ１と都市ガスＧ２との両方の供給により燃料電池２０を運転した場合の経済性を示す第２指標に基づいて、燃料電池２０に都市ガスＧ２を供給するか否かを判定する経済性判定部３２Ｃを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素と二酸化炭素とを含む第１燃料ガス、及び、炭化水素を含み該炭化水素の組成比が前記第１燃料ガスの炭化水素の組成比と異なる第２燃料ガスの少なくとも一方が供給される燃料電池と、
前記燃料電池の運転を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記第１燃料ガスの供給により前記燃料電池を運転した場合の経済性を示す第１指標、及び、前記第１燃料ガスと前記第２燃料ガスとの両方の供給により前記燃料電池を運転した場合の経済性を示す第２指標に基づいて、前記燃料電池に前記第２燃料ガスを供給するか否かを判定する判定部を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記判定部は、前記燃料電池に前記第２燃料ガスを供給するか否かの判定を、前記燃料電池に供給される前記第１燃料ガスの流量が予め定められた量よりも減少した場合に行う請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記判定部は、前記燃料電池に前記第２燃料ガスを供給するか否かの判定を、前記第１燃料ガスの購入価格が所定価格以上に変動した場合に行う請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第１指標及び前記第２指標の各々の値は、前記燃料電池の運転にかかる費用よりも収益が大きい場合に正の値となり、
前記判定部は、前記第１指標の値が前記第２指標の値以上であり、かつ、前記第１指標の値が正の値である場合、前記燃料電池に前記第１燃料ガスを単独で供給するほうが経済性が高いと判定し、前記第２指標の値が前記第１指標の値よりも大きく、かつ、前記第２指標の値が正の値である場合、前記燃料電池に、前記第１燃料ガス及び前記第２燃料ガスの両方、又は、前記第２燃料ガスを単独で供給するほうが経済性が高いと判定する請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御装置は、前記判定部の判定結果に従って、前記燃料電池に供給される前記第１燃料ガス及び前記第２燃料ガスの各々の流量を制御する制御部をさらに備えた請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第１指標の値Ｉｎ１は、前記燃料電池に供給される前記第１燃料ガスの単位時間当たりの流量をＡ、単位流量当たりの熱量をα、単位流量当たりの購入価格をε、前記燃料電池の部分負荷運転時における発電効率をη１、及び前記第１燃料ガスにより前記燃料電池で発電して得られた単位電力量当たりの売電価格をｍとした場合、
Ｉｎ１＝（η１×α×Ａ×ｍ）−（ε×Ａ）
で表わされ、
前記第２指標の値Ｉｎ２は、前記燃料電池に供給される前記第２燃料ガスの単位時間当たりの流量をＢ、単位流量当たりの熱量をβ、単位流量当たりの購入価格をσ、前記燃料電池の定格運転時における発電効率をη２、及び前記第２燃料ガスにより前記燃料電池で発電して得られた単位電力量当たりの売電価格をｎとした場合、
Ｉｎ２＝（η２×α×Ａ×ｍ）＋（η２×β×Ｂ×ｎ）−（ε×Ａ＋σ×Ｂ）
で表わされる請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
炭化水素と二酸化炭素とを含む第１燃料ガス、及び、炭化水素を含み該炭化水素の組成比が前記第１燃料ガスの炭化水素の組成比と異なる第２燃料ガスの少なくとも一方が供給される燃料電池の運転を制御する制御装置であって、
前記第１燃料ガスの供給により前記燃料電池を運転した場合の経済性を示す第１指標、及び、前記第１燃料ガスと前記第２燃料ガスとの両方の供給により前記燃料電池を運転した場合の経済性を示す第２指標に基づいて、前記燃料電池に前記第２燃料ガスを供給するか否かを判定する判定部を備えた制御装置。
【請求項８】
コンピュータを、請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システムが備える制御装置として機能させるプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム、制御装置、及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、再生可能エネルギーを用いて発電した電力を一定価格で電力会社が買い取る固定価格買取制度（ＦＩＴ:Feed-in Tariff）の導入により、バイオガスを燃料とした発電が注目されている。ここでいうバイオガスとは、動植物に由来する有機性廃棄物をメタン発酵させることで発生する可燃性ガスを意味する。バイオガスの代表的な組成は、メタン（ＣＨ４）が約６０％、二酸化炭素（ＣＯ２）が約４０％であるが、組成は一定ではない。
【０００３】
従来、バイオガスを燃料とした発電には、主にガスエンジンが利用されているが、ガスエンジンは、燃料の組成比の変化に対応し難い。このため、バイオガス及び都市ガスを混焼することで対応する場合がある。また、バイオガスの供給量は安定していないことが多く、バイオガスのみでは安定して発電することが難しい場合がある。この場合、都市ガスを併用することで安定して発電することができる。
【０００４】
上記のガスエンジン以外の発電手段として、ガスエンジンよりも発電効率の高い固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ: Solid Oxide Fuel Cell）や溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ: Molten Carbonate Fuel Cell）等の高温型燃料電池を用いた技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、バイオガス中の不純物である二酸化炭素を除去し、ガスホルダに溜めることで、安定的にバイオガスを供給し、燃料電池で発電する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
また、バイオガスを吸着貯蔵させ、バイオガス中の二酸化炭素を除去せず、二酸化炭素をバイオガスの改質に利用する技術も提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−８１９８９号公報
【特許文献２】特開２００５−１２９３０４号公報
【特許文献３】特開２００８−１５３１４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、バイオガスや都市ガス等のように複数種類の燃料ガスが燃料電池に供給される燃料電池システムにおいては、一例としてバイオガスの供給量が減少した場合に、一例として都市ガスを併用することがある。しかし、費用に対する収益の度合いを示す経済性の観点から、都市ガスを併用せずに、バイオガスを単独で供給し続けたほうが高い経済性が得られる場合があり、燃料電池を経済的に運転することが望まれている。
【０００９】
これに対して、上記特許文献１〜３に記載の技術はいずれも、経済性を考慮したものではないため、燃料電池を経済的に運転することは困難である。
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであって、複数種類の燃料ガスが燃料電池に供給される場合に、高い経済性を実現することができる燃料電池システム、制御装置、及びプログラム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】
【００１１】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の燃料電池システムは、炭化水素と二酸化炭素とを含む第１燃料ガス、及び、炭化水素を含み該炭化水素の組成比が前記第１燃料ガスの炭化水素の組成比と異なる第２燃料ガスの少なくとも一方が供給される燃料電池と、前記燃料電池の運転を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置が、前記第１燃料ガスの供給により前記燃料電池を運転した場合の経済性を示す第１指標、及び、前記第１燃料ガスと前記第２燃料ガスとの両方の供給により前記燃料電池を運転した場合の経済性を示す第２指標に基づいて、前記燃料電池に前記第２燃料ガスを供給するか否かを判定する判定部を備える。
【００１２】
この燃料電池システムによれば、燃料電池の運転時における経済性を考慮せずに燃料電池に第２燃料ガスを供給する場合と比べ、燃料電池をより経済的に運転することができ、高い経済性を実現することができる。
【００１３】
また、請求項２に記載の燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記判定部が、前記燃料電池に前記第２燃料ガスを供給するか否かの判定を、前記燃料電池に供給される前記第１燃料ガスの流量が予め定められた量よりも減少した場合に行うものである。
【００１４】
この燃料電池システムによれば、燃料電池に供給される第１燃料ガスの流量が予め定められた量よりも減少した場合における経済性を考慮せずに燃料電池に第２燃料ガスを供給する場合と比べ、燃料電池の運転において、より一層の経済性の向上を図ることができる。
【００１５】
また、請求項３に記載の燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記判定部が、前記燃料電池に前記第２燃料ガスを供給するか否かの判定を、前記第１燃料ガスの購入価格が所定価格以上に変動した場合に行うものである。
【００１６】
この燃料電池システムによれば、第１燃料ガスの購入価格が所定価格以上に変動した場合における経済性を考慮せずに燃料電池に第２燃料ガスを供給する場合と比べ、燃料電池の運転において、より一層の経済性の向上を図ることができる。
【００１７】
また、請求項４に記載の燃料電池システムは、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記第１指標及び前記第２指標の各々の値が、前記燃料電池の運転にかかる費用よりも収益が大きい場合に正の値となり、前記判定部が、前記第１指標の値が前記第２指標の値以上であり、かつ、前記第１指標の値が正の値である場合、前記燃料電池に前記第１燃料ガスを単独で供給するほうが経済性が高いと判定し、前記第２指標の値が前記第１指標の値よりも大きく、かつ、前記第２指標の値が正の値である場合、前記燃料電池に、前記第１燃料ガス及び前記第２燃料ガスの両方、又は、前記第２燃料ガスを単独で供給するほうが経済性が高いと判定するものである。
【００１８】
この燃料電池システムによれば、経済性を示す２つの指標の値を比較し、かつ、２つの指標の値の正負を判定することで、経済性の観点から燃料電池に第２燃料ガスを供給するか否かを判定できるため、燃料電池の運転において、より一層の経済性の向上を図ることができる。
【００１９】
また、請求項５に記載の燃料電池システムは、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置が、前記判定部の判定結果に従って、前記燃料電池に供給される前記第１燃料ガス及び前記第２燃料ガスの各々の流量を制御する制御部をさらに備えたものである。
【００２０】
この燃料電池システムによれば、経済性を示す２つの指標による経済性を判定する処理の結果に従って、燃料電池に供給される第１燃料ガス及び第２燃料ガスの各々の流量を制御するため、燃料電池に供給される燃料ガスの流量を経済的に制御することができる。
【００２１】
また、請求項６に記載の燃料電池システムは、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記第１指標の値Ｉｎ１が、前記燃料電池に供給される前記第１燃料ガスの単位時間当たりの流量をＡ、単位流量当たりの熱量をα、単位流量当たりの購入価格をε、前記燃料電池の部分負荷運転時における発電効率をη１、及び前記第１燃料ガスにより前記燃料電池で発電して得られた単位電力量当たりの売電価格をｍとした場合、
Ｉｎ１＝（η１×α×Ａ×ｍ）−（ε×Ａ）
で表わされ、
前記第２指標の値Ｉｎ２が、前記燃料電池に供給される前記第２燃料ガスの単位時間当たりの流量をＢ、単位流量当たりの熱量をβ、単位流量当たりの購入価格をσ、前記燃料電池の定格運転時における発電効率をη２、及び前記第２燃料ガスにより前記燃料電池で発電して得られた単位電力量当たりの売電価格をｎとした場合、
Ｉｎ２＝（η２×α×Ａ×ｍ）＋（η２×β×Ｂ×ｎ）−（ε×Ａ＋σ×Ｂ）
で表わされるものである。
【００２２】
この燃料電池システムによれば、経済性を示す２つの指標の値を、加算、減算、及び乗算のみの簡単な計算式で導出することができるため、経済性を判定する処理をより迅速に行うことができる。
【００２３】
一方、上記目的を達成するために、請求項７に記載の制御装置は、炭化水素と二酸化炭素とを含む第１燃料ガス、及び、炭化水素を含み該炭化水素の組成比が前記第１燃料ガスの炭化水素の組成比と異なる第２燃料ガスの少なくとも一方が供給される燃料電池の運転を制御する制御装置であって、前記第１燃料ガスの供給により前記燃料電池を運転した場合の経済性を示す第１指標、及び、前記第１燃料ガスと前記第２燃料ガスとの両方の供給により前記燃料電池を運転した場合の経済性を示す第２指標に基づいて、前記燃料電池に前記第２燃料ガスを供給するか否かを判定する判定部を備える。
【００２４】
さらに、上記目的を達成するために、請求項８に記載のプログラムは、コンピュータを、請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システムが備える制御装置として機能させるものである。
【００２５】
上記の制御装置及びプログラムの各々によれば、燃料電池の運転時における経済性を考慮せずに燃料電池に第２燃料ガスを供給する場合と比べ、燃料電池をより経済的に運転することができ、高い経済性を実現することができる。
【発明の効果】
【００２６】
以上詳述したように、本発明によれば、複数種類の燃料ガスが燃料電池に供給される場合に、高い経済性を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成の一例を示すブロック図である。
【図２】第１の実施形態に係るプログラムによる処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【図３】第１の実施形態に係る経済性判定部による処理内容の一例の説明に供する模式図である。
【図４】第２の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成の一例を示すブロック図である。
【図５】第２の実施形態に係るプログラムによる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】
【００２８】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の一例について詳細に説明する。
【００２９】
[第１の実施形態]
図１は、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０の全体構成の一例を示すブロック図である。
第１の実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料電池２０と、制御装置３０と、燃料ガス供給装置４０と、を備える。燃料電池２０は、改質器２２と、スタック（燃料電池本体）２４と、燃焼器２６と、を備える。これら改質器２２、スタック２４、及び燃焼器２６は、ホットボックス内に収容されている。
【００３０】
改質器２２は、スタック２４の前段に配置されている。この改質器２２には、燃料ガス供給装置４０を介して、バイオガスＧ１及び都市ガスＧ２の少なくとも一方が選択的に供給される。バイオガスＧ１は、炭化水素及び二酸化炭素を含む第１燃料ガスの一例である。都市ガスＧ２は、炭化水素を含む第２燃料ガスの一例である。第２燃料ガスの炭化水素の組成比は、第１燃料ガスの炭化水素の組成比と異なる。この例の場合、第２燃料ガスの炭化水素の組成比は、第１燃料ガスの炭化水素の組成比よりも大きい。バイオガスＧ１の代表的な組成は、炭化水素の一例であるメタン（ＣＨ４）が約６０％、二酸化炭素（ＣＯ２）が約４０％である。一方、都市ガスＧ２の組成は、１３Ａガスの場合、約９０％がメタンである。
【００３１】
改質器２２は、二酸化炭素改質用の触媒を有する。この触媒には、例えば、ニッケル系、ルテニウム系、ロジウム系等の貴金属触媒やＮｉ系触媒が用いられる。この触媒の作用により、バイオガスＧ１中の二酸化炭素を利用してメタンを二酸化炭素改質し、一酸化炭素及び水素を含む改質ガスを生成する。この改質器２２における二酸化炭素改質反応は、下記式（１）の通りである。なお、外部から二酸化炭素を供給して、メタンを二酸化炭素改質してもよい。
【００３２】
ＣＨ４＋ＣＯ２  →  ２Ｈ２＋２ＣＯ  …（１）
【００３３】
スタック２４には、一例として、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）が適用される。このスタック２４は、積層された複数のセルを有している。各セルは、燃料極、電解質層、及び空気極を有している。各セルの燃料極には、改質器２２にて生成された改質ガスが供給され、各セルの空気極には、空気（酸化剤ガス）が供給される。
【００３４】
空気極では、下記式（２）で示されるように、空気中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。この酸素イオンは、電解質層を通って燃料極に到達する。
【００３５】
（空気極反応）
１／２Ｏ２＋２ｅ−  →  Ｏ２−  …（２）
【００３６】
一方、燃料極では、下記式（３）及び式（４）で示されるように、電解質層を通ってきた酸素イオンが改質ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水蒸気、二酸化炭素、及び電子が生成される。燃料極で生成された電子は、外部回路を通って空気極に到達する。そして、このようにして電子が燃料極から空気極に移動することにより、各セルにおいて発電される。また、各セルは、発電時に以上の電気化学反応に伴って発熱する。
【００３７】
(燃料極反応)
Ｈ２＋Ｏ２−  →  Ｈ２Ｏ＋２ｅ−   …（３）
ＣＯ＋Ｏ２−  →  ＣＯ２＋２ｅ−  …（４）
【００３８】
この燃料極で発生するガス（以下、アノードオフガスという。）には、燃料極反応にて生成された水蒸気及び二酸化炭素の他に、改質器２２にて生成されスタック２４の燃料極で未反応の水素及び一酸化炭素が含まれる。燃料電池２０内を流通するアノードオフガスの温度は、例えば、２００℃以上８００℃以下である。
【００３９】
燃焼器２６は、スタック２４の後段に配置されている。この燃焼器２６には、スタック２４の空気極から排出されたガス（以下、カソードオフガスという。）が供給されると共に、スタック２４の燃料極から排出されたアノードオフガスが供給される。アノードオフガスには、上述の通り、スタック２４の燃料極にて未反応の水素及び一酸化炭素が含まれており、燃焼器２６は、酸素を含むカソードオフガスを利用してアノードオフガスを燃焼する。この燃焼器２６の燃焼に伴い生成された燃焼排ガスは、燃料電池２０の外部に排出される。
【００４０】
なお、本実施形態では、バイオガスＧ１に含まれる二酸化炭素を改質に利用するため、効率的である。しかし一方で、この二酸化炭素改質反応は、上記式（１）に示すように、等モル反応であるため、平衡上メタンが余剰となり、炭素が析出する虞がある。この炭素の析出を抑制するために、本実施形態では、改質器２２に対して、さらに、水（Ｈ２Ｏ）又は空気中の酸素（Ｏ２）を供給する。この水又は空気中の酸素の供給により、余剰分のメタンを改質させ、炭素の析出を抑制することができる。改質器２２に水を供給した場合の改質反応は、下記式（５）及び式（６）の通りである。
【００４１】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ  →  ３Ｈ２＋ＣＯ  …（５）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋Ｈ２    …（６）
【００４２】
また、改質器２２に空気中の酸素を供給した場合の改質反応は、下記式（７）の通りである。
【００４３】
ＣＨ４＋０．５Ｏ２  →  ２Ｈ２＋ＣＯ  …（７）
【００４４】
一方、制御装置３０は、燃料電池２０の運転を制御する。制御装置３０は、演算部３２及び記憶部３４を含む電子回路によって構成されている。記憶部３４には、燃料電池２０を運転した場合の経済性を判定し、判定結果に基づいて燃料電池２０の運転を制御するためのプログラム３４Ａが予め記憶されている。プログラム３４Ａは、例えば、制御装置３０に予めインストールされていてもよい。プログラム３４Ａは、不揮発性の記憶媒体に記憶して、又は、ネットワークを介して配布して、制御装置３０に適宜インストールすることで実現してもよい。なお、不揮発性の記憶媒体の例としては、ＣＤ-ＲＯＭ(Compact Disc Read Only Memory)、光磁気ディスク、ＨＤＤ(Hard Disk Drive)、ＤＶＤ-ＲＯＭ(Digital Versatile Disc Read Only Memory)、フラッシュメモリ、メモリカード等が挙げられる。
【００４５】
演算部３２は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)を含み、記憶部３４に記憶されているプログラム３４Ａを読み出して実行することにより、流量判定部３２Ａ、熱量計算部３２Ｂ、経済性判定部３２Ｃ、及び運転制御部３２Ｄとして機能する。なお、経済性判定部３２Ｃが流量判定部３２Ａ及び熱量計算部３２Ｂの機能を有していてもよく、この場合、流量判定部３２Ａ及び熱量計算部３２Ｂは不要となる。
【００４６】
ところで、上述したように、バイオガスＧ１を安定的に供給することは難しいため、都市ガスＧ２を併用することで、メタンを安定的に供給することが可能となる。しかし一方で、バイオガスＧ１の供給量が減少した場合等において、経済性の観点から、都市ガスＧ２を併用せずに、バイオガスＧ１を単独で供給し続けたほうが高い経済性が得られる場合があり、燃料電池２０を経済的に運転することが望まれている。
【００４７】
これに対して、本実施形態に係る経済性判定部３２Ｃは、第１指標及び第２指標に基づいて、燃料電池２０に都市ガスＧ２を供給するか否かを判定する。経済性判定部３２Ｃは、判定部の一例である。第１指標は、バイオガスＧ１の供給により燃料電池２０を運転した場合の経済性を示す。第２指標は、バイオガスＧ１及び都市ガスＧ２の両方の供給により燃料電池２０を運転した場合の経済性を示す。第１指標及び第２指標の各々は、経済性、すなわち、費用に対する収益の度合いを示す指標である。この経済性判定部３２Ｃについては後述する。
【００４８】
運転制御部３２Ｄは、経済性判定部３２Ｃの判定結果に従って、燃料電池２０に供給されるバイオガスＧ１及び都市ガスＧ２の各々の流量（供給量）を制御する。運転制御部３２Ｄは、制御部の一例である。なお、燃料電池２０に供給されるバイオガスＧ１及び都市ガスＧ２の各々の流量は、運転制御部３２Ｄが燃料ガス供給装置４０を制御することで調整される。
【００４９】
すなわち、燃料ガス供給装置４０は、バイオガスＧ１の供給経路５０に設けられた第１バルブ４１と、都市ガスＧ２の供給経路５２に設けられた第２バルブ４２と、を備える。これら第１バルブ４１及び第２バルブ４２の各々の開度は、運転制御部３２Ｄにより制御される。つまり、バイオガスＧ１の流量は、運転制御部３２Ｄが燃料ガス供給装置４０の第１バルブ４１の開度を制御することにより調整される。同様に、都市ガスＧ２の流量は、運転制御部３２Ｄが燃料ガス供給装置４０の第２バルブ４２の開度を制御することにより調整される。
【００５０】
また、バイオガスＧ１の供給経路５０には、燃料ガス供給装置４０と燃料電池２０との間に濃度計Ｃｍ及び流量計Ｆｍ１が設けられている。濃度計Ｃｍは、バイオガスＧ１に含まれるメタンの濃度（及び二酸化炭素の濃度）を各々計測する。流量計Ｆｍ１は、バイオガスＧ１の流量を計測する。また、都市ガスＧ２の供給経路５２には、燃料ガス供給装置４０と燃料電池２０との間に流量計Ｆｍ２が設けられている。流量計Ｆｍ２は、都市ガスＧ２の流量を計測する。
【００５１】
流量判定部３２Ａには、流量計Ｆｍ１が接続される。流量判定部３２Ａは、流量計Ｆｍ１で計測されたバイオガスＧ１の流量が連続的に入力される。なお、流量計Ｆｍ１で計測されたバイオガスＧ１の流量は、所定の間隔で流量判定部３２Ａに入力されてもよい。流量判定部３２Ａは、入力されたバイオガスＧ１の流量が定格相当流量未満か否かを判定する。バイオガスＧ１の流量が定格相当流量未満であれば、バイオガスＧ１の流量は減少していると判定される。なお、定格相当流量とは、一例として、バイオガスＧ１の供給量が最大となる流量であり、燃料電池２０の仕様等に応じて予め定められた既知の量である。本実施形態では、定格相当流量を、流量の値で定めているが、流量の範囲で定めてもよい。
【００５２】
また、流量判定部３２Ａは、流量計Ｆｍ１で計測されたバイオガスＧ１の流量を、単位時間当たりの流量Ａ[ｍｏｌ／ｈ]に換算し、経済性判定部３２Ｃに出力する。流量判定部３２Ａは、単位時間当たりの定格相当流量Ｆ０[ｍｏｌ／ｈ]から流量Ａを減算して得られた流量（Ｆ０−Ａ）を、都市ガスＧ２の単位時間当たりの流量Ｂ[ｍｏｌ／ｈ]として、経済性判定部３２Ｃに出力する。但し、単位時間当たりの定格相当流量Ｆ０は既知とする。
【００５３】
熱量計算部３２Ｂには、濃度計Ｃｍが接続される。熱量計算部３２Ｂは、濃度計Ｃｍで計測されたバイオガスＧ１に含まれるメタンの濃度（一例として６０％）が入力される。熱量計算部３２Ｂは、入力されたメタンの濃度（＝６０％）に基づいて、バイオガスＧ１の単位流量当たりの熱量α[ｋＷｈ／ｍｏｌ]を導出する。例えば、メタンの単位流量当たりの熱量Ｑ０[ｋＷｈ／ｍｏｌ]を既知とすると、熱量αは、以下の式（８）により導出される。
【００５４】
α＝Ｑ０×６０／１００  …（８）
【００５５】
また、熱量計算部３２Ｂは、都市ガスＧ２に含まれるメタンの濃度を例えば９０％として、都市ガスＧ２の単位流量当たりの熱量β[ｋＷｈ／ｍｏｌ]を導出する。熱量βは、以下の式（９）により導出される。なお、ここでは、メタン以外の炭化水素の熱量を無視している。
【００５６】
β＝Ｑ０×９０／１００  …（９）
【００５７】
なお、都市ガスＧ２の場合、主成分がメタン等の炭化水素であるため、都市ガスＧ２の熱量βをメタンの熱量Ｑ０で近似してもよい。熱量計算部３２Ｂは、上記により導出した熱量α、βを経済性判定部３２Ｃに出力する。
【００５８】
経済性判定部３２Ｃは、第１指標の値Ｉｎ１（以下、第１指標値Ｉｎ１という。）及び第２指標の値Ｉｎ２（以下、第２指標値Ｉｎ２という。）を導出する。第１指標値Ｉｎ１は、バイオガスＧ１の供給により燃料電池２０を運転した場合の経済性を示す指標値である。第２指標値Ｉｎ２は、バイオガスＧ１及び都市ガスＧ２の両方の供給により燃料電池２０を運転した場合の経済性を示す指標値である。これらの第１指標値Ｉｎ１及び第２指標値Ｉｎ２の各々は、燃料電池２０の運転にかかる費用よりも収益が大きい場合に正の値となる。以下、第１指標値Ｉｎ１及び第２指標値Ｉｎ２の具体例について説明するが、各パラメータの単位は、一例であり、これに限定されるものではない。
【００５９】
第１指標値Ｉｎ１（単位：円／ｈ）は、燃料電池２０に供給されるバイオガスＧ１の単位時間当たりの流量をＡ[ｍｏｌ／ｈ]、単位流量当たりの熱量をα[ｋＷｈ／ｍｏｌ]、単位流量当たりの購入価格をε[円／ｍｏｌ]、燃料電池２０の部分負荷運転時における発電効率をη１[％]、及びバイオガスＧ１により燃料電池２０で発電して得られた単位電力量当たりの売電価格をｍ[円／ｋＷｈ]とした場合、下記式（１０）により表される。なお、部分負荷運転とは、定格出力未満の出力で運転している状態を表すものとする。
【００６０】
Ｉｎ１＝（η１×α×Ａ×ｍ）−（ε×Ａ）  …（１０）
【００６１】
一方、第２指標値Ｉｎ２（単位：円／ｈ）は、燃料電池２０に供給される都市ガスＧ２の単位時間当たりの流量をＢ[ｍｏｌ／ｈ]、単位流量当たりの熱量をβ[ｋＷｈ／ｍｏｌ]、単位流量当たりの購入価格をσ[円／ｍｏｌ]、燃料電池２０の定格運転時における発電効率をη２[％]、及び都市ガスＧ２により燃料電池２０で発電して得られた単位電力量当たりの売電価格をｎ[円／ｋＷｈ]とした場合、下記式（１１）により表される。なお、定格運転とは、定格出力で運転している状態を表すものとする。
【００６２】
Ｉｎ２=（η２×α×Ａ×ｍ）+（η２×β×Ｂ×ｎ）-（ε×Ａ＋σ×Ｂ）…（１１）
【００６３】
但し、上記の流量Ａ、Ｂは、流量判定部３２Ａから経済性判定部３２Ｃに入力され、上記の熱量α、βは、熱量計算部３２Ｂから経済性判定部３２Ｃに入力される。また、上記の購入価格ε、σ、発電効率η１、η２、及び売電価格ｍ、ｎは、図示しない入力部等を介して経済性判定部３２Ｃに入力される。なお、入力された購入価格ε、σ、発電効率η１、η２、及び売電価格ｍ、ｎは、変動がない限り記憶部３４に記憶しておき、繰り返し用いてもよい。
【００６４】
次に、図２を参照して、本第１の実施形態に係る制御装置３０の作用を説明する。なお、図２は、第１の実施形態に係るプログラム３４Ａによる処理の流れの一例を示すフローチャートである。
演算部３２は、燃料電池２０の運転開始が指示された場合に、記憶部３４に記憶されているプログラム３４Ａを読み出して実行する。
【００６５】
まず、図２のステップ１００では、運転制御部３２Ｄが、燃料ガス供給装置４０の第１バルブ４１を全開にし、第２バルブ４２を全閉にして、バイオガスＧ１の供給を開始し、バイオガスＧ１により燃料電池２０の定格運転を開始する。この定格運転時には、改質器２２に対して、燃料電池２０を定格運転できる定格相当流量のバイオガスＧ１が供給される。この場合、都市ガスＧ２の供給量は０（ゼロ）とされる。
【００６６】
ステップ１０２では、流量判定部３２Ａが、バイオガスＧ１の流量が定格相当流量よりも減少したか否かを判定する。バイオガスＧ１の流量が減少したと判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ１０４に移行し、バイオガスＧ１の流量が減少していないと判定した場合（否定判定の場合）、ステップ１０２で待機となる。
【００６７】
ステップ１０４では、流量判定部３２Ａが、流量計Ｆｍ１で計測されたバイオガスＧ１の流量を、単位時間当たりの流量Ａ[ｍｏｌ／ｈ]に換算し、さらに、都市ガスＧ２の単位時間当たりの流量Ｂ[ｍｏｌ／ｈ]を導出する。一方、熱量計算部３２Ｂは、上述の式（８）及び式（９）に基づいて、熱量α、β[ｋＷｈ／ｍｏｌ]を導出する。
【００６８】
次に、ステップ１０６にて、経済性判定部３２Ｃが、第１指標値Ｉｎ１が第２指標値Ｉｎ２以上であり、かつ、第１指標値Ｉｎ１が正の値であるか否かを判定する。経済性判定部３２Ｃは、第１指標値Ｉｎ１≧第２指標値Ｉｎ２、かつ、第１指標値Ｉｎ１＞０であると判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ１０８に移行し、第１指標値Ｉｎ１≧第２指標値Ｉｎ２、かつ、第１指標値Ｉｎ１＞０ではないと判定した場合（否定判定の場合）、ステップ１１０に移行する。
【００６９】
次に、ステップ１０８では、経済性判定部３２Ｃが、都市ガスＧ２を供給せずに、バイオガスＧ１を単独で供給したほうが経済性が高いと判定する。そして、運転制御部３２Ｄは、経済性判定部３２Ｃによる判定結果に従って、一例して、バイオガスＧ１の供給量がＡ[ｍｏｌ／ｈ]となり、都市ガスＧ２の供給量が０（ゼロ）となる状態を維持して、燃料電池２０の運転を制御する。また、運転制御部３２Ｄは、燃料電池２０における電流密度が部分負荷運転時のＪ[Ａ／ｃｍ２]となるように、燃料電池２０の運転を制御する。
【００７０】
一方、ステップ１１０では、経済性判定部３２Ｃが、第２指標値Ｉｎ２が第１指標値Ｉｎ１よりも大きく、かつ、第２指標値Ｉｎ２が正の値であるか否かを判定する。第２指標値Ｉｎ２＞第１指標値Ｉｎ１、かつ、第２指標値Ｉｎ２＞０であると判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ１１２に移行し、第２指標値Ｉｎ２＞第１指標値Ｉｎ１、かつ、第２指標値Ｉｎ２＞０ではないと判定した場合（否定判定の場合）、ステップ１１４に移行する。
【００７１】
ステップ１１２では、経済性判定部３２Ｃが、バイオガスＧ１及び都市ガスＧ２の両方を供給すると判定する。なお、経済性判定部３２Ｃは、バイオガスＧ１の流量が０（ゼロ）になる等、バイオガスＧ１の流量が極端に減少した場合には、都市ガスＧ２を単独で供給すると判定してもよい。そして、運転制御部３２Ｄは、経済性判定部３２Ｃによる判定結果に従って、一例して、バイオガスＧ１の供給量をＡ[ｍｏｌ／ｈ]のまま維持しつつ、都市ガスＧ２の供給量がＢ[ｍｏｌ／ｈ]となるように、燃料ガス供給装置４０の第２バルブ４２の開度を制御する。ここで、都市ガスＧ２の供給量は、流量計Ｆｍ２により計測される。運転制御部３２Ｄは、流量計Ｆｍ２の計測値がＢ[ｍｏｌ／ｈ]となるように、第２バルブ４２の開度を制御する。
【００７２】
一方、ステップ１１４では、経済性判定部３２Ｃが、第１指標値Ｉｎ１≦０、かつ、第２指標値Ｉｎ２≦０であると判定した場合、すなわち、収益がプラスでない場合には、発電停止又はホットスタンバイ状態に移行すると判定する。そして、運転制御部３２Ｄは、経済性判定部３２Ｃによる判定結果に従って、一例として、燃料電池２０における発電を一時的に停止する制御を行う。なお、発電が停止した状態においても、バイオガスＧ１の流量は計測されるものとする。
【００７３】
次に、ステップ１１６において、経済性判定部３２Ｃが、流量計Ｆｍ１の計測結果に基づいて、バイオガスＧ１の流量の変動が有ったか否かを判定する。流量の変動が有ったと判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ１１８に移行し、流量の変動が無いと判定した場合（否定判定の場合）、ステップ１２０に移行する。
【００７４】
ステップ１１８では、経済性判定部３２Ｃが、バイオガスＧ１の流量が定格相当流量に戻り定格復帰したか否かを判定する。定格復帰したと判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ１０２に移行する。なお、このとき都市ガスＧ２を供給している場合には、第２バルブ４２を閉じて都市ガスＧ２の供給を停止し、バイオガスＧ１による定格運転に移行する。また、定格復帰していないと判定した場合（否定判定の場合）、ステップ１０４に移行する。
【００７５】
一方、ステップ１２０では、経済性判定部３２Ｃが、燃料電池２０の運転終了の指示が有ったか否かを判定する。燃料電池２０の運転終了の指示が有ったと判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ１２２に移行し、燃料電池２０の運転終了の指示が無いと判定した場合（否定判定の場合）、ステップ１１６に移行し待機となる。なお、一例として、操作者による運転終了の指示を受け付けた場合に、燃料電池２０の運転を終了すると判定してもよい。
【００７６】
ステップ１２２では、運転制御部３２Ｄが、燃料ガス供給装置４０の第１バルブ４１及び第２バルブ４２を全閉にし、バイオガスＧ１及び都市ガスＧ２の供給を停止し、燃料電池２０の運転を終了する制御を行い、上記一連の処理を終了する。
【００７７】
図３は、第１の実施形態に係る経済性判定部３２Ｃによる処理内容の一例の説明に供する模式図である。
【００７８】
図３に示すように、経済性判定部３２Ｃは、入力値群１〜入力値群５が入力される。入力値群１には、バイオガスＧ１の購入価格ε[円／ｍｏｌ]と、都市ガスＧ２の購入価格σ[円／ｍｏｌ]と、が含まれる。入力値群２には、バイオガスＧ１の売電価格ｍ[円／ｋＷｈ]と、都市ガスＧ２の売電価格ｎ[円／ｋＷｈ]と、が含まれる。入力値群３には、バイオガスＧ１の熱量α[ｋＷｈ／ｍｏｌ]と、都市ガスＧ２の熱量β[ｋＷｈ／ｍｏｌ]と、が含まれる。入力値群４には、バイオガスＧ１の流量Ａ[ｍｏｌ／ｈ]と、都市ガスＧ２の流量Ｂ[ｍｏｌ／ｈ]と、が含まれる。但し、流量Ｂは、定格相当流量Ｆ０から流量Ａを減算して得られる値である。入力値群５には、燃料電池２０の部分負荷運転時における発電効率η１[％]と、燃料電池２０の定格運転時における発電効率η２[％]と、が含まれる。
【００７９】
そして、経済性判定部３２Ｃは、上記入力値群１〜入力値群５に含まれる各パラメータを用いて、第１指標値Ｉｎ１[円／ｈ]及び第２指標値Ｉｎ２[円／ｈ]を導出する。第１指標値Ｉｎ１は上記式（１０）により導出され、第２指標値Ｉｎ２は上記式（１１）により導出される。
【００８０】
そして、経済性判定部３２Ｃは、第１指標値Ｉｎ１及び第２指標値Ｉｎ２に基づいて、燃料電池２０に都市ガスＧ２を供給するか否かを判定する。すなわち、（１）第１指標値Ｉｎ１≧第２指標値Ｉｎ２、かつ、第１指標値Ｉｎ１＞０、である場合、都市ガスＧ２を供給せずに、バイオガスＧ１を単独で供給するほうが経済性が高いと判定する。（２）第２指標値Ｉｎ２＞第１指標値Ｉｎ１、かつ、第２指標値Ｉｎ２＞０、である場合、バイオガスＧ１及び都市ガスＧ２の両方（又は都市ガスＧ２のみ）を供給するほうが経済性が高いと判定する。（３）第１指標値Ｉｎ１≦０、かつ、第２指標値Ｉｎ２≦０である場合、発電停止（又はホットスタンバイ状態へ移行）と判定する。
【００８１】
本第１の実施形態によれば、バイオガスＧ１の流量が定格相当流量よりも減少し、定格運転することができない場合に、第１指標値Ｉｎ１及び第２指標値Ｉｎ２に基づいて、経済性の観点から都市ガスＧ２を燃料電池２０に供給するか否かを判定することができる。このため、燃料電池２０の運転にかかるコストを抑え、高い経済性を実現することができる。また、バイオガスＧ１を用いることで、環境負荷の低減を図ることができる。
【００８２】
[第２の実施形態]
図４は、第２の実施形態に係る燃料電池システム１２の全体構成の一例を示すブロック図である。
本第２の実施形態に係る燃料電池システム１２では、制御装置３０の構成が第１の実施形態に係る制御装置３０の構成と異なる。すなわち、制御装置３０がさらに購入価格判定部３２Ｅを備える。これ以外の構成は、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０の構成と同様であるため、ここでの繰り返しの説明は省略する。
【００８３】
上記第１の実施形態では、バイオガスＧ１の流量が定格相当流量よりも減少した場合に、経済性を判定する処理を実行したが、本第２の実施形態では、バイオガスＧ１の購入価格が所定価格以上に変動した場合に、経済性を判定する処理を実行する。
【００８４】
購入価格判定部３２Ｅには、バイオガスＧ１の購入価格ε[円／ｍｏｌ]が入力される。購入価格判定部３２Ｅは、バイオガスＧ１の購入価格εが所定価格以上に変動したか否かを判定する。なお、本実施形態では、所定価格として、変動直前の購入価格εの所定割合（一例として５％）を適用しているが、これに限らず、所定価格を固定としてもよい。
【００８５】
次に、図５を参照して、本第２の実施形態に係る制御装置３０の作用を説明する。なお、図５は、第２の実施形態に係るプログラム３４Ａによる処理の流れの一例を示すフローチャートである。
演算部３２は、燃料電池２０の運転開始が指示された場合に、記憶部３４に記憶されているプログラム３４Ａを読み出して実行する。このプログラム３４Ａの実行により、演算部３２は、流量判定部３２Ａ、熱量計算部３２Ｂ、経済性判定部３２Ｃ、運転制御部３２Ｄ、及び購入価格判定部３２Ｅとして機能する。
【００８６】
まず、図５のステップ２００では、運転制御部３２Ｄが、燃料ガス供給装置４０の第１バルブ４１を全開にし、第２バルブ４２を全閉にして、バイオガスＧ１の供給を開始し、バイオガスＧ１により燃料電池２０の定格運転を開始する。この定格運転時には、改質器２２に対して、燃料電池２０を定格運転できる定格相当流量のバイオガスＧ１が供給される。この場合、都市ガスＧ２の供給量は０（ゼロ）とされる。
【００８７】
ステップ２０２では、購入価格判定部３２Ｅが、バイオガスＧ１の購入価格ε[円／ｍｏｌ]に所定価格以上に変動が有ったか否かを判定する。購入価格εに所定価格以上に変動が有ったと判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ２０４に移行し、購入価格εに所定価格以上に変動が無いと判定した場合（否定判定の場合）、ステップ２０２で待機となる。なお、購入価格εの変動の判定は、購入価格εが変動したときに操作者が変動後の購入価格εを制御装置３０に入力してもよいし、制御装置３０が購入価格εの変動を監視する構成としてもよい。
【００８８】
ステップ２０４では、流量判定部３２Ａが、流量計Ｆｍ１で計測されたバイオガスＧ１の流量を、単位時間当たりの流量Ａ[ｍｏｌ／ｈ]に換算し、さらに、都市ガスＧ２の単位時間当たりの流量Ｂ[ｍｏｌ／ｈ]を導出する。なお、本第２の実施形態に係る流量判定部３２Ａは、バイオガスＧ１の流量が定格相当流量よりも減少したか否かの判定は行わず、上記の流量Ａ、Ｂを導出するものとする。一方、熱量計算部３２Ｂは、上述の式（８）及び式（９）に基づいて、熱量α、β[ｋＷｈ／ｍｏｌ]を導出する。
【００８９】
ステップ２０６〜ステップ２１４までの処理は、上述の第１の実施形態に係るステップ１０６〜ステップ１１４（図２参照）までの処理と同様である。つまり、経済性判定部３２Ｃが、流量Ａ、Ｂ、熱量α、β、購入価格ε、σ、売電価格ｍ、ｎ、及び発電効率η１、η２を用いて、第１指標値Ｉｎ１及び第２指標値Ｉｎ２を導出し、経済性を判定する処理を実行する。
【００９０】
次に、ステップ２１６では、経済性判定部３２Ｃが、燃料電池２０の運転終了の指示が有ったか否かを判定する。燃料電池２０の運転終了の指示が有ったと判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ２１８に移行し、燃料電池２０の運転終了の指示が無いと判定した場合（否定判定の場合）、ステップ２０２に移行し待機となる。なお、一例として、操作者による運転終了の指示を受け付けた場合に、燃料電池２０の運転を終了すると判定してもよい。
【００９１】
ステップ２１８では、運転制御部３２Ｄが、燃料ガス供給装置４０の第１バルブ４１及び第２バルブ４２を全閉にし、バイオガスＧ１及び都市ガスＧ２の供給を停止し、燃料電池２０の運転を終了する制御を行い、上記一連の処理を終了する。
【００９２】
本第２の実施形態によれば、バイオガスＧ１の購入価格が所定価格以上に変動した場合に、第１指標値Ｉｎ１及び第２指標値Ｉｎ２に基づいて、経済性の観点から都市ガスＧ２を燃料電池２０に供給するか否かを判定することができる。このため、燃料電池２０の運転にかかるコストを抑え、高い経済性を実現することができる。また、バイオガスＧ１を用いることで、環境負荷の低減を図ることができる。
【００９３】
以上、実施形態として燃料電池システム及びその制御装置を例示して説明した。実施形態は、制御装置が備える各部の機能をコンピュータに実行させるためのプログラムの形態としてもよい。実施形態は、このプログラムを記憶したコンピュータが読み取り可能な記憶媒体の形態としてもよい。
【００９４】
その他、上記実施形態で説明した制御装置の構成は、一例であり、主旨を逸脱しない範囲内において状況に応じて変更してもよい。
【００９５】
また、上記実施形態で説明したプログラムの処理の流れも、一例であり、主旨を逸脱しない範囲内において不要なステップを削除したり、新たなステップを追加したり、処理順序を入れ替えたりしてもよい。
【００９６】
また、上記実施形態では、プログラムを実行することにより、実施形態に係る処理がコンピュータを利用してソフトウェア構成により実現される場合について説明したが、これに限らない。実施形態は、例えば、ハードウェア構成や、ハードウェア構成とソフトウェア構成との組み合わせによって実現してもよい。
【符号の説明】
【００９７】
１０、１２    燃料電池システム
２０   燃料電池（ホットボックス）
２２   改質器
２４   スタック（燃料電池本体）
２６   燃焼器
３０   制御装置
３２   演算部
３２Ａ 流量判定部
３２Ｂ 熱量計算部
３２Ｃ 経済性判定部
３２Ｄ 運転制御部
３２Ｅ 購入価格判定部
３４   記憶部
３４Ａ プログラム
４０   燃料ガス供給装置
４１   第１バルブ
４２   第２バルブ
５０、５２    供給経路
【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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