(57)【要約】【課題】運転時間を抑えながら、消費エネルギー削減量や二酸化炭素排出削減量を最大にするような燃料電池発電システムの制御方法を提供する。【解決手段】水素と酸素を反応させ、所定の運転パターンに基づいて発電、熱供給を行う発電する燃料電池発電システム１において、目標とする寿命期間に対し、寿命予測に基づく単位時間あたりの第１の最大運転時間内で発電するものであり、寿命期間内の目標とする運転時間と所定期間までの運転時間の差を計算する。例えば、寿命期間１０年に対し、４００００時間の運転時間を想定した場合、１年経過した時点での３０００時間の運転時間であれば、残り９年で３７０００時間運転することが可能になる。単位時間を１日とすると、この場合、残り９年の１日あたりの運転時間は１１．３時間となる。１１．３時間を最大運転時間とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の運転パターンに基づいて発電、熱供給を行う燃料電池発電システムにおいて、目標とする寿命期間に対し、寿命予測に基づく単位時間あたりの第１の最大運転時間内で発電することを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項２】
寿命期間内の目標とする運転時間を単位時間で均等に分割した値を単位時間当たりの第１の最大運転時間とする請求項第１記載の燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項３】
目標とする寿命の運転時間と所定期間までの運転時間の実績との差を単位時間で均等に分割した値を単位時間当たりの第１の最大運転時間とする請求項第１記載の燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項４】
所定期間内の運転実績をいくつかの期間に分割し、その期間ごとの実績割合に応じて、寿命までの運転時間を配分する第１の最大運転時間内で発電することを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素を反応させ発電する燃料電池をパッケージ内に設置した燃料電池発電システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池発電システムは、電力負荷や熱負荷を計測する手段と、計測された過去の負荷履歴から将来の電力負荷需要や熱負荷需要を予測する予測部と、予測部による将来の給湯需要に基づいて燃料電池発電システムの運転パターンを生成する運転計画部と、を有し、消費エネルギー削減量や二酸化炭素排出削減量を最大にするように運転を行う燃料電池発電システムが開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
以下、図面を参照しながら特許文献１に記載された従来の燃料電池発電システムについて説明する。図５は、特許文献１に記載された従来の燃料電池発電システムを示すものである。
【０００４】
従来の燃料電池発電システム１００は、その機能面から見て、図５に示すように、熱電併給系統１０１、熱（排熱）利用系統１０２、電力系統１０３と、制御系統１０４と、に大別される。
【０００５】
燃料電池発電システム１００の熱電併給系統１０１は、水素リッチな燃料ガス（還元剤ガス）と空気（酸化剤ガス）とを用いて電力および熱を生成する固体高分子型の燃料電池１０と、原料ガスと水とから燃料ガスを生成して燃料電池１０のアノードにこの燃料ガスを供給する燃料供給器１１と、燃料電池１０のカソードに空気を供給するブロア等の空気供給器１２とを備えている。
【０００６】
この燃料供給器１１は、例えば、都市ガス１３Ａ等の原料ガスを水蒸気改質することにより燃料ガスを生成する改質器（図示せず）と、改質された燃料ガスを変成する変成器（図示せず）と、変成後の燃料ガス中の一酸化炭素ガスを酸化する選択酸化器（図示せず）と、を備えて構成されている。
【０００７】
燃料電池１０において、アノードで消費されなかった燃料ガス（オフガス）は、アノードから燃料電池１０の外へ排出される。また、カソードで消費されなかった空気は、カソードから燃料電池１０の外へ排出される。
【０００８】
燃料電池発電システム１００の熱利用系統１０２は主として、排熱回収系および蓄熱系を備えて構成されている。
【０００９】
熱利用系統１０２の排熱回収系は、図５に示すように、燃料電池１０の内部に冷却水を循環させるように形成された環状の冷却水循環流路２１ａと、この冷却水循環流路２１ａの途中に設けられ、冷却水を循環可能な冷却水ポンプ２１ｂと、熱交換器２３を介して冷却水循環流路２１ａの内部を流れる冷却水との間で熱交換する熱回収水（熱媒体）を流す熱回収水循環流路２１ｃと、熱回収水循環流路２１ｃの途中に設けられ、熱回収水を循環可能な熱回収水ポンプ２１ｄと、を備えている。
【００１０】
冷却水循環流路２１ａおよび熱回収水循環流路２１ｃの途中には、冷却水や熱回収水の温度を計測する適宜の温度センサと、冷却水や熱回収水の流量を計測する適宜の流量センサとを設け、制御系統１０４により、各センサによる検知情報に基づいて冷却水や熱回収水の温度を一定に保つよう、これらの流量が適切に調整されている。
【００１１】
このような排熱回収系によれば、冷却水の流量やその温度を適切に調整できることから、燃料電池１０の内部温度を一定に保つことが可能になる。
【００１２】
こうすれば、燃料電池１０の発電反応に基づく排熱を、熱交換器２３を介した熱交換に基づく冷却水および熱回収水により適切に回収して、その結果として、燃料電池１０の内部温度の変化を抑制して、燃料電池１０の発電反応を定常状態に保つことができ好適である。
【００１３】
熱利用系統１０２の蓄熱系は、図５に示す如く、熱回収水循環流路２１ｃに接続された、積層沸き上げ方式の貯湯タンク２２ａと、貯湯タンク２２ａの下方に接続され、市水を貯湯タンク２２ａに導く給水配管２２ｂと、貯湯タンク２２ａの上方に接続され、お湯を貯湯タンク２２ａから家庭の風呂や台所等のバックアップバーナーを有する給湯設備としての熱負荷（図示せず）に導く給湯配管２２ｃと、給湯配管２２ｃの途中に設けられ、給湯配管２２ｃを流れる湯流量を計測する流量計２２ｄと、を備えて構成されている。
【００１４】
なお、熱回収水循環流路２１ｃの熱回収水入口（貯湯タンク２２ａに溜まった湯の出口２２ｅ）は、貯湯タンク２２ａの下端部に配設され、熱回収水循環流路２１ｃの熱回収水出口（貯湯タンク２２ａに向かう湯の入口２２ｆ）は、貯湯タンク２２ａの上端部に配設され、これにより、貯湯タンク２２ａの下方にある冷水が熱回収水として、熱回収水入口を介して熱回収水循環流路２１ｃ内を熱交換器２３に向かって流れる。その後、この熱回収水は、熱交換器２３において加熱され、この加熱された熱回収水は、熱回収水出口を介して蓄熱媒体として貯湯タンク２２ａに戻される。
【００１５】
ここで流量計２２ｄが、熱負荷の熱負荷を計測する熱負荷計測器として機能する。なお給湯配管２２ｃの途中に、湯温度を計測する温度センサ（図示せず）を設けても良く、これにより、制御系統１０４は、この温度サンサの温度情報および流量計２２ｄの流量情報に基づいて、熱負荷の熱負荷をより正確に検知できる。
【００１６】
このような蓄熱系によれば、熱回収水循環流路２１ｃを流れる熱回収水を熱交換器２３の熱交換作用により加熱できるため、燃料電池１０から放出された排熱エネルギーを、貯湯タンク２２ａに貯める湯に含まれる熱エネルギーとして家庭で利用することが可能になる。
【００１７】
燃料電池発電システム１００の電力系統１０３は、図５に示す如く、燃料電池１０の直流電力を交流電力に変換するインバータ３０と、燃料電池１０から供給される交流電力を電力負荷（図示せず）に給電するための商用電力網３１と、からなり、電力負荷には、燃料電池発電システム１００の他に、電力会社による既存インフラの商用電源３３が更に系統連携されている。
【００１８】
また、各家庭の使用電力量をモニター可能な電力計３２が商用電力網３１に配設されている。なおこの電力計３２が、後記のとおり、電力負荷の電力負荷を計測する電力負荷計測器として機能する。
【００１９】
燃料電池発電システム１００の制御系統１０４は、予測部４１と、運転計画部４２（制御器）と、記憶部４０と、リモコン４３と、を有している。
【００２０】
制御系統１０４のリモコン４３のスイッチは、燃料電池発電システム１００の運転モードを切り替える運転モード選択器として機能する。本実施の形態の運転モードには、後記のとおり、「消費エネルギー最大削減運転モード」と「湯切緩和運転モード」とが、ある。
【００２１】
制御系統１０４の記憶部４０は、電力計３２により計測された電力負荷の過去から直近の電力負荷の電力消費履歴および流量計２２ｄにより計測された熱負荷の過去から直近の熱負荷の熱消費履歴を、燃料電池発電システム１００の運転経過に伴い逐次記憶するよう構成されている。
【００２２】
制御系統１０４は、マイクロプロセッサ等からなり、例えば計時器等のタイマー機能と演算機能と内部メモリ（ＲＯＭやＲＡＭ）とを有している。そして、記憶部４１は、この内部メモリで構成され、予測部４１および運転計画部４２の動作は、記憶部４０に格納されたプログラムによって実現されている。
【００２３】
この予測部４１は、記憶部４０に記憶された一定期間の熱負荷の熱消費履歴および電力負荷の電力消費履歴を読み出し、当該履歴を基にして将来（例えば一日）の時間推移とともに変わる電力負荷の予測需要および将来（例えば一日）の時間推移とともに変わる熱負荷の予測需要（以下、これらを、「電力負荷予測需要」および「熱負荷予測需要」と略す）を推定演算して、これらの電力負荷予測需要および熱負荷予測需要を記憶部４０に逐次記憶する。
【００２４】
なお、電力負荷予測需要および熱負荷予測需要の推定に必要な過去の電力負荷および熱負荷の熱消費履歴の蓄積期間は、各家庭の生活サイクルをシステムが適切に把握可能な期間であり、例えば数日〜数ヶ月程度である。
【００２５】
運転計画部４２は、記憶部４０に予め記憶された燃料電池１０について、予測部４１により予測された電力負荷予測需要および熱負荷予測需要に基づいて燃料電池発電システム１００の消費エネルギー削減量を求め、燃料電池発電システム１００の各運転モードにおいて消費エネルギー効率化を図れるよう、燃料電池１０の起動予定時刻および停止予定時刻を決定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２６】
【特許文献１】特開２００７−３０９５９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
しかしながら、上記のような従来の燃料電池発電システム１００において、消費エネルギー削減量や二酸化炭素排出削減量を最大にするようにシステムの起動／停止時間を設定すると、燃料電池発電システム１００の発電時間が長くなる傾向にある。一方、燃料電池発電システム１００において、運転寿命は有限であるため、運転時間を長くすると、燃料電池発電システム１００の寿命が短くなってしまうという課題があった。
【００２８】
本発明は、上記のような課題を考慮して、運転時間を抑えながら、消費エネルギー削減量や二酸化炭素排出削減量を最大にするような燃料電池発電システムの制御方法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】
【００２９】
上記目標を達成するために、本発明による燃料電池発電システムの制御方法は、所定の運転パターンに基づいて発電、熱供給を行う燃料電池発電システムにおいて、目標とする寿命期間に対し、寿命予測に基づく単位時間あたりの第１の最大運転時間内で発電することを特徴とする。
【００３０】
これにより、消費エネルギー削減量や二酸化炭素排出削減量を考慮しながら、寿命期間までシステムを運転させることが可能となる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、消費エネルギー削減量や二酸化炭素排出削減量を最大にしながら、寿命期間までシステムを運転することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の燃料電池発電システムの制御方法を適用する燃料電池発電システムの例を示す構成図
【図２】本発明の実施の形態１による燃料電池発電システムの制御方法における運転計画の作成方法を示したフローチャート
【図３】本発明の実施の形態２による燃料電池発電システムの制御方法における運転計画の作成方法を示したフローチャート
【図４】本発明の実施の形態３による燃料電池発電システムの制御方法における運転計画の作成方法を示したフローチャート
【図５】特許文献１に開示された従来の燃料電池発電システムの構成図
【発明を実施するための形態】
【００３３】
第１の発明は、所定の運転パターンに基づいて発電、熱供給を行う燃料電池発電システムにおいて、目標とする寿命期間に対し、寿命予測に基づく単位時間あたりの第１の最大運転時間内で発電することを特徴とするものであり、目標とする寿命期間の間、燃料電池発電システムの運転をさせることが出来る。
【００３４】
第２の発明は、特に、第１の発明において、寿命期間内の目標とする運転時間を単位時間で均等に分割した値を単位時間当たりの第１の最大運転時間とするものであり、目標とする寿命期間の間、燃料電池発電システムの運転をさせることが出来る。
【００３５】
第３の発明は、特に、第１の発明において、目標とする寿命の運転時間と所定期間までの運転時間の実績との差を単位時間で均等に分割した値を単位時間当たりの第１の最大運転時間とするものであり、目標とする寿命期間の間、燃料電池発電システムの運転をさせることが出来る。
【００３６】
第４の発明は、特に、第１の発明において、所定期間内の運転実績をいくつかの期間に分割し、その期間ごとの実績割合に応じて、寿命までの運転時間を配分する第１の最大運転時間内で発電するものであり、目標とする寿命期間の間、燃料電池発電システムの運転をさせることが出来る。
【００３７】
以下、本発明の燃料電池発電システムの制御方法の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００３８】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１の燃料電池発電システムの制御方法を適用する燃料電池発電システム１は、燃料電池により発電を行う燃料電池ユニット２と、燃料電池ユニット２の燃料電池により同時に発生する熱を用いて、市水を温水に昇温し貯える貯湯ユニット３を備え、燃料電池ユニット２で発電した電力は電力系統４からの電力とともに、電力消費機器５へ供給される。
【００３９】
電力消費機器５で消費される電量負荷量は電力計６で計測され、制御装置５０のデータ蓄積部５１にて蓄積される。
【００４０】
また、貯湯ユニット３に貯えられた温水を利用する際には、利用される熱負荷量は熱量計７で計測され、制御装置５０のデータ蓄積部５１にて蓄積される。
【００４１】
制御装置５０は、データ蓄積部５１にて蓄積された電力負荷と熱負荷のデータから将来の電力負荷と熱負荷が発生する時系列パターンを予測する予測部５２と、予測部５２により予測された電力負荷と熱負荷が発生する時系列パターンの予測に基づいて、燃料電池発電システム１の起動時刻と起動時刻を決定する計画部５３と、運転時間計測／積算手段５４と、最大運転時間演算手段５５を有する。
【００４２】
上記のような燃料電池発電システムにおいて、約４万時間以上の耐用運転時間に対し、１０年の耐用年数を予定している。
【００４３】
図２は、本発明の実施の形態１による燃料電池発電システムの制御方法における運転計画の作成方法を示したフローチャートである。図２を参照して、第１の最大運転時間内の運転について説明する。寿命期間内の目標とする運転時間から単位時間当たりの運転時間を計算する（Ｓ１０１）。
【００４４】
例えば、寿命期間１０年に対し、４００００時間の運転時間を想定した場合、単位時間を１日とすると、１日あたりの運転時間は約１１時間となる。計算した単位時間当たりの運転時間を単位時間当たりの最大運転時間に設定する（Ｓ１０２）。
【００４５】
寿命期間１０年に対し、４００００時間の運転時間を想定した場合には、１１時間を最大運転時間に設定する。計画部５３では、設定された最大運転時間内で消費エネルギー削減量が最大となるように、運転開始時刻、運転停止時刻を設定する（Ｓ１０３）。運転開始時刻と運転停止時刻は最大運転時間１２時間以内となる。
【００４６】
（実施の形態２）
図２に示す実施の形態１の燃料電池発電システムの制御方法の場合、単位時間の運転時間が一定のため、運転時間が長い時でも一定の運転時間以下に抑えられてしまう。また、最大運転時間は過去の実績に基づいて、設定されることが望ましい。
【００４７】
そこで、最大運転時間の設定にあたって最大運転時間を一定としない本発明の実施の形態２による燃料電池発電システムの制御方法を、図３を参照しながら説明する。図３は、本発明の実施の形態２による燃料電池発電システムの制御方法における運転計画の作成方法を示したフローチャートである。
【００４８】
寿命期間内の目標とする運転時間と所定期間までの運転時間の差を計算する（Ｓ２０１）。例えば、寿命期間１０年に対し、４００００時間の運転時間を想定した場合、１年経過した時点での３０００時間の運転時間であれば、残り９年で３７０００時間運転することが可能になる。単位時間を１日とすると、この場合、残り９年の１日あたりの運転時間は１１．３時間となる。１１．３時間を最大運転時間とする。
【００４９】
計算した単位時間当たりの運転時間を単位時間当たりの最大運転時間に設定する（Ｓ２０２）。寿命期間１０年に対し、４００００時間の運転時間を想定し、なおかつ、１年経過時に３０００時間の運転時間であれば、１１．３時間を最大運転時間に設定する。
【００５０】
計画部５３では、設定された最大運転時間内で消費エネルギー削減量が最大となるように、運転開始時刻、運転停止時刻を設定する（Ｓ２０３）。運転開始時刻と運転停止時刻は最大運転時間１１．３時間以内となる。
【００５１】
（実施の形態３）
一般的に、熱負荷は、夏（例えば６月〜８月の期間）は少なくなり、冬（例えば１２月〜２月）は多くなる傾向がある。また、春（例えば３月〜５月）、秋（例えば９月〜１１月）の中間期については、熱負荷は夏より多く、冬より小さい傾向となる。したがって、運転時間も夏は短く、冬は長くなり、春秋は夏冬の間くらいになる傾向にある。これらのことより、最大運転時間も時期を考慮した設定を行うことが望ましい。
【００５２】
そこで、季節などを考慮して最大運転時間を設定する本発明の実施の形態３による燃料電池発電システムの制御方法を、図４を参照しながら説明する。図４は、本発明の実施の形態３による燃料電池発電システムの制御方法における運転計画の作成方法を示したフローチャートである。
【００５３】
１年を春、夏、秋、冬に分割し、それぞれの過去１年間の運転時間を求める（Ｓ３０１）。３月〜５月を春、６月〜８月を夏、９月〜１１月を秋、１２月〜２月を冬と均等に区切った場合について述べるが、夏を７月〜９月と規定しても、また、秋を１１，１２月と規定してもかまわない。また、季節で定義を行ったが、１ヶ月単位でも１週間単位でもかまわない。過去１年間と定義しているが、燃料電池発電システムが設置稼動してからの期間でもかまわない。
【００５４】
過去１年間の運転時間が、春１０００ｈ、夏５００ｈ、秋１０００ｈ、冬１５００ｈとする。過去１年間の春夏秋冬の運転時間の比を求める（Ｓ３０２）。春１０００ｈ、夏５００ｈ、秋１０００ｈ、冬１５００ｈの場合、春、夏、秋、冬の比は、２：１：２：３となる。次に寿命期間内の目標とする運転時間と所定期間までの運転時間の差を計算する（Ｓ３０３）。
【００５５】
１年経過した時点での３０５０時間の運転時間であれば、残り９年で３６９５０時間運転することが可能になる。１年あたり、４１０５時間の運転時間となる。求めた差と春夏秋冬の運転時間の比から各季節の運転時間を計算する（Ｓ３０４）。
【００５６】
春、夏、秋、冬の運転時間の比が、２：１：２：３であれば、運転時間は、春１０２６時間、夏５１３時間、秋１０２６時間、冬１５４０時間となる。３月〜５月を春、６月〜８月を夏、９月〜１１月を秋、１２月〜２月と分割した場合には、１ヶ月を３０日として、１日あたりの最大発電時間は、春１１．４時間、夏５．７時間、秋１１．４時間、冬１７時間となる。
【００５７】
計画部５３では、計画する日が夏であれば、最大運転時間を５．７時間として、設定された最大運転時間内で消費エネルギー削減量が最大となるように、運転開始時刻、運転停止時刻を設定する（Ｓ１０３）。運転開始時刻と運転停止時刻は最大運転時間５．７時間以内となる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明によれば、消費エネルギー削減量や二酸化炭素排出削減量を最大にしながら、寿命期間までシステムを運転することが可能となるので、寿命期間までシステムを運転することが重要となる家庭用の燃料電池発電システムに適している。
【符号の説明】
【００５９】
１  燃料電池発電システム
２  燃料電池ユニット
５０  制御装置
５３  計画部
【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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