(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
運転継続と運転停止とを選択制御可能な固体酸化物形燃料電池から発生したエネルギーをエネルギー負荷部に供給する燃料電池システムであって、
前記エネルギー負荷部で要求される負荷エネルギーを計測する負荷計測部と、
所定の判定対象期間としての１か月にわたって計測された前記負荷計測部の負荷計測値の平均演算値を算出する負荷演算部と、
前記平均演算値または前記平均演算値から導出される代替値のいずれかと判定しきい値とに基づいて、月一回の運転判定のタイミングにおいて、前記固体酸化物形燃料電池の運転継続または運転停止を判定する運転判定部と、
前記判定しきい値を設定するしきい値設定部と、
前記運転判定部の判定結果に基づいて、前記固体酸化物形燃料電池に対する運転継続指令または運転停止指令を与える運転制御部と、を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記代替値は、前記平均演算値から前記固体酸化物形燃料電池の運転メリットを導出する運転メリット関数の関数値であり、前記しきい値設定部は、前記運転メリットに換算された判定しきい値をメリット判定しきい値として設定する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記運転メリットは、前記固体酸化物形燃料電池の運転にともなって得られる消費一次エネルギー削減量又はエネルギーコスト削減量又は排出二酸化炭素削減量、あるいはそれらを組み合わせた量である請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記負荷演算部が、前記判定対象期間を区分けした各区間に含まれる負荷計測値に基づいて前記判定対象期間での標準偏差を算出し、前記平均演算値から前記標準偏差を減じたロワー値を用いて前記運転メリット関数から導出された関数値である第１値と、前記代替値に前記標準偏差を加えたアッパー値を用いて前記運転メリット関数から導出された関数値である第２値との間の値を評価メリット値として算出し、
前記運転判定部は、前記評価メリット値と前記メリット判定しきい値とに基づいて前記固体酸化物形燃料電池の運転継続または運転停止を判定する請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記評価メリット値は、前記第１値と前記第２値との平均値である請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記負荷演算部が、前記判定対象期間を区分けした各区間に含まれる負荷計測値に基づいて前記判定対象期間での標準偏差を算出し、
前記しきい値設定部が、前記標準偏差を用いて導出される関数値を、前記メリット判定しきい値として設定する請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記運転メリット関数の演算アルゴリズムまたはルックアップテーブルは、システム外部からのインストールを通じて更新可能である請求項２から６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記負荷エネルギーは、熱負荷エネルギーまたは電力負荷エネルギーあるいはその両方であり、熱負荷エネルギー及び電力負荷エネルギーが取り扱われる場合には、前記負荷エネルギーとして、熱負荷エネルギーと電力負荷エネルギーとから導出される統合エネルギーが用いられる請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、運転継続と運転停止とを選択制御可能な固体酸化物形燃料電池から発生したエネルギーをエネルギー負荷部に供給する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池、特に固体酸化物形は、高効率ではあるが、起動停止に対する耐性が低く、連続運転が適している。もちろん、燃料電池では、電力負荷部の電力負荷の大きさに応じてその発電電力を変化させるような電力負荷追従運転が可能であるが、電力負荷が非常に小さい場合や熱負荷が非常に小さい場合などでは、燃料電池を最低出力で運転しても燃料電池で発生した電力や熱が余るため、燃料電池を運転することによって得られるはずであった運転メリット（例えば、消費一次エネルギー削減量、エネルギーコスト削減量、排出二酸化炭素削減量など）が減少する。そのため、電力負荷が非常に小さい場合や熱負荷が非常に小さい場合などでは、燃料電池の運転を停止することが要求される。
【０００３】
例えば、固体酸化物形燃料電池を備える燃料電池システムが記載されている特許文献１には、固体酸化物形燃料電池から負荷への電力供給が一定以下の状態が一定時間以上継続した場合に自動的に固体酸化物形燃料電池の停止動作を行うとともに、系統電力から負荷への電力供給が一定以上の状態が一定時間以上継続した場合に自動的に固体酸化物形燃料電池の起動動作を行うように制御することが開示されている。さらには、夜間は電力消費量が少ないため発電を停止させ、朝方起動させるような、ＤＳＳ運転（デイリースタートストップ運転）も開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１９８７６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特に固体酸化物形燃料電池では、作動温度が非常に高く、固体高分子形燃料電池と比べて起動及び停止に長い時間がかかるので、ＤＳＳ運転を実質的に行うことは問題がある。さらに、運転中の高温状態から停止中の常温まで部材の温度が上下動することになるため、そのような起動及び停止が繰り返されると、部品に加わる応力変化などの影響から部品の耐久性や信頼性が低下するおそれがある。
【０００６】
本発明は、上述の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、固体酸化物形燃料電池が頻繁に起動及び停止を繰り返すことを避けながら、適切なタイミングで固体酸化物形燃料電池の運転と停止を行うことで、運転メリット（例えば省光熱費、省エネルギー、省二酸化炭素）の低下が抑制される燃料電池システムを提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池システムは、運転継続と運転停止とを選択制御可能な固体酸化物形燃料電池から発生したエネルギーをエネルギー負荷部に供給する燃料電池システムであり、前記エネルギー負荷部で要求される負荷エネルギーを計測する負荷計測部と、所定の判定対象期間としての１か月にわたって計測された前記負荷計測部の負荷計測値の平均演算値を算出する負荷演算部と、前記平均演算値または前記平均演算値から導出される代替値のいずれかと判定しきい値とに基づいて、月一回の運転判定のタイミングにおいて、前記固体酸化物形燃料電池の運転継続または運転停止を判定する運転判定部と、前記判定しきい値を設定するしきい値設定部と、前記運転判定部の判定結果に基づいて、前記固体酸化物形燃料電池に対する運転継続指令または運転停止指令を与える運転制御部とを備えている。
【０００８】
この構成では、固体酸化物形燃料電池の運転を継続するかまたは運転を停止するかの判定は、所定の判定対象期間において取得された負荷計測値から算出された平均演算値、またはこの平均演算値から導出される、平均演算値の代替となる値である代替値と、前もってしきい値設定部によって設定されている判定しきい値との比較評価でなされる。運転継続との判定結果が出力されると、運転継続指令が運転制御部に与えられ、固体酸化物形燃料電池の運転が継続される。運転停止との判定結果が出力されると、運転停止指令が運転制御部に与えられ、固体酸化物形燃料電池の運転が停止される。なお、ここでの平均演算値には、算術平均値、移動平均値、重み付き平均値、中間値、最頻値などが含まれ、通常は算術平均値が用いられる。
【０００９】
所定の判定対象期間での負荷の平均演算値が用いられるので、突発的なイベントによる負荷の増大や減少が平坦化されるので、ロバストな判定結果が得られる。判定の際に用いられる判定しきい値は、過去の継時的負荷計測群の平均演算値と、そのような平均演算値が得られた時点での固体酸化物形燃料電池の運転がもたらす運転メリット（例えば省光熱費、省エネルギー、省二酸化炭素など）の実績値との関係を、統計的に処理することで得られる。なお、平均演算値をそのまま判定に用いるのではなく、平均演算値をさらに明確な判定が可能となる数値に換算することで得られる代替値を用いてもよい。
【００１０】
運転部判定部による判定では、運転メリットが判定のベースとなっているので、負荷の平均演算値を、運転メリットを表すような数値（代替値）に換算することが好ましい。このために、前記代替値は、前記平均演算値から前記固体酸化物形燃料電池の運転メリットを導出する運転メリット関数の関数値であり、前記しきい値設定部は、前記運転メリットに換算された判定しきい値、つまりメリット判定しきい値を設定するように構成することができる。このような運転メリット関数は、第１の変数として所定の判定対象期間に発生した負荷の平均演算値群を割り当て、第２の変数として各平均演算値に対応する運転メリットの実績値を割り当て、この第１の変数と第２の変数との相関関係に基づいて決定することができる。運転メリット関数は、数学的な意味での関数でなくてもよく、各平均演算値とこれに対応する運転メリットの実績値をマトリックス化し、その間を補間処理で埋められたルックアップテーブルのようなものでもよい。これにより、代替値は、運転メリットを体現する値となり、この代替値を用いた運転判定は、運転メリットを考慮した判定結果を生み出すことになる。
【００１１】
固体酸化物形燃料電池の運転メリットとして利用される量は、固体酸化物形燃料電池の運転にともなって得られる消費一次エネルギー削減量又はエネルギーコスト削減量又は排出二酸化炭素削減量、あるいはそれらを組み合わせた量である。消費一次エネルギー削減量は、固体酸化物形燃料電池を運転することで削減できる消費一次エネルギー量であり、負荷部に負荷エネルギーを供給するために固体酸化物形燃料電池を動作させなかったときの消費一次エネルギー量から、負荷部に負荷エネルギーを供給するために固体酸化物形燃料電池を動作させたときの消費一次エネルギー量を減算して得られる。エネルギーコスト削減量は、固体酸化物形燃料電池を運転することで削減できるエネルギーコストであり、消費一次エネルギー削減量と同様に、負荷部に負荷エネルギーを供給するために固体酸化物形燃料電池を動作させなかったときのエネルギーコストから、負荷部に負荷エネルギーを供給するために固体酸化物形燃料電池を動作させたときのエネルギーコストを減算して得られる。排出二酸化炭素削減量は、固体酸化物形燃料電池を運転することで削減できる排出二酸化炭素量であり、負荷部に負荷エネルギーを供給するために固体酸化物形燃料電池を動作させなかったときの排出二酸化炭素量から、負荷部に負荷エネルギーを供給するために固体酸化物形燃料電池を動作させたときの排出二酸化炭素量を減算して得られる。したがって、固体酸化物形燃料電池の運転メリットとして、消費一次エネルギー削減量、エネルギーコスト削減量、排出二酸化炭素削減量、のいずれか、あるいはそれらの組み合わせを取り扱うことで、コストや環境を考慮した、適正な固体酸化物形燃料電池の運転が実現する。
【００１２】
所定の判定対象期間の平均演算値は、その元となる負荷計測値のばらつき（分散）が大きく異なっていても、ほぼ同じ値となることがある。つまり、負荷の平均演算値またはこの平均演算値に基づいて算出される代替値に基づいて、運転継続または運転中止を判定する場合、判定対象期間における負荷計測値のばらつきを考慮することができない。この問題を解決するために、前記負荷演算部が、前記判定対象期間を区分けした各区間に含まれる負荷計測値に基づいて前記判定対象期間での標準偏差を算出し、前記平均演算値から前記標準偏差を減じたロワー値を用いて前記運転メリット関数から導出された関数値である第１値と、前記代替値に前記標準偏差を加えたアッパー値を用いて前記運転メリット関数から導出された関数値である第２値との間の値を評価メリット値として算出し、前記運転判定部は、前記評価メリット値と前記メリット判定しきい値とに基づいて前記固体酸化物形燃料電池の運転継続または運転停止を判定するように構成することができる。つまり、密に分布している平均演算値に対応する代替値値域の下限を平均演算値から標準偏差を減じた値の代替値とするとともに、値域の上限を平均演算値に標準偏差を加えた値の代替値とし、そのような値域から選択した値、好ましくはその値域の中間点を評価メリット値として算出するのである。これにより、運転判定のために評価されるべき代替値の算出に、代替値の元になっている負荷計測値のばらつき（分散）が考慮されることになり、より信頼性の高い運転判定が可能となる。
【００１３】
さらに、運転判定において、代替値の元になっている負荷計測値のばらつき（分布）を考慮するために、前記判定対象期間を区分けした各区間に含まれる負荷計測値に基づいて前記判定対象期間での標準偏差を算出し、前記しきい値設定部が、前記標準偏差を用いて導出される関数値を、前記メリット判定しきい値として設定するように構成することも可能である。この構成では、平均演算値の標準偏差を変数として、メリット判定しきい値が算定されるので、当該メリット判定しきい値を用いた運転判定では、負荷計測値のばらつき（分散）が考慮されることになる。平均演算値の標準偏差を変数としてメリット判定しきい値を導出するしきい値関数は、標準偏差が大きくなるほど、メリット判定しきい値が増加する増加関数となるが、必ずしも単調増加関数でなくてもよいし、段階的に増加するような関数であってもよい。
【００１４】
前記平均演算値から運転メリットを導出する運転メリット関数は、一般的には、実験値や経験値などに基づいて統計的な手法で求められるので、後に変更（バージョンアップ）しなければならない場合がある。このような変更をスムーズかつ確実に行うため、前記運転メリット関数の演算アルゴリズムまたはルックアップテーブルは、システム外部からのインストールを通じて更新可能となるように構成される。
【００１５】
この燃料電池システムは電力の発生時に熱の発生を伴うので、電力及び熱を供給することができる。熱の供給は、一般には、給湯の形態で行われる。この燃料電池システムで取り扱われる負荷エネルギーは、熱負荷エネルギーまたは電力負荷エネルギーあるいはその両方である。したがって、熱負荷エネルギー及び電力負荷エネルギーが取り扱われる場合には、前記負荷エネルギーとして、熱負荷エネルギーと電力負荷エネルギーとから導出される統合エネルギーが用いられるように構成される。特に、熱負荷エネルギーと電力負荷エネルギーの両方が運転判定のために取り入れられる場合には、負荷計測部において、熱負荷エネルギーと電力負荷エネルギーとを変数として統合負荷エネルギーを導出する関数（ルックアップテーブル）を予め求めておくと、上述した演算処理をそのまま流用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】燃料電池システムを含む設備の基本的な構成を示す図である。
【図２】燃料電池システムにおける固体酸化物形燃料電池の運転継続と運転停止とを選択する制御における情報の流れを示す図である。
【図３】負荷計測値に基づいて算出される各種演算値を説明する図である。
【図４】負荷計測値の標準偏差とメリット判定しきい値との関係を示すグラフである。
【図５】燃料電池システムの実施形態の一例を示す機能ブロック図である。
【図６】燃料電池システムの運用例を説明するフローチャートである。
【図７】燃料電池システムの運用例を説明するフローチャートである。
【図８】燃料電池システムの運用例を説明するフローチャートである。
【図９】燃料電池システムの運用例を説明するフローチャートである。
【図１０】燃料電池システムの運用例を説明するフローチャートである。
【図１１】燃料電池システムの運用例を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
まず、図１の機能ブロック図を参照して、本発明に係る燃料電池システムを含む設備の基本的な構成について説明する。図１に示すように、燃料電池システムは、運転により発生したエネルギーをエネルギー負荷部Ｌに供給する固体酸化物形燃料電池１と、その固体酸化物形燃料電池１の運転を制御する運転制御装置１００とを備える。エネルギー負荷部Ｌは、電力負荷部３と熱負荷部４とで構成される。固体酸化物形燃料電池１の運転により発生した電気エネルギーは電力負荷部３に供給され、固体酸化物形燃料電池１の運転により発生した熱エネルギーは熱負荷部４に供給される。電力負荷部３は商用電源１５から供給される電力を消費することもでき、熱負荷部４は、例えば燃料を燃焼して熱を発生する補助熱源装置１１から供給される熱を消費することもできる。運転制御装置１００は、情報処理機能及び情報記憶機能及び情報通信機能などを有するコンピュータシステムを用いて実現できる。
【００１８】
〔電力負荷部３への電力の供給〕
固体酸化物形燃料電池１の発電電力はインバータ１２に供給される。インバータ１２は、固体酸化物形燃料電池１の発電電力を商用電源１５から受電する受電電力と同じ電圧及び同じ周波数にする。インバータ１２の動作は運転制御装置１００が制御する。インバータ１２は、発電電力供給ライン１３を介して受電電力供給ライン１４に電気的に接続される。固体酸化物形燃料電池１からの発電電力がインバータ１２及び発電電力供給ライン１３及び受電電力供給ライン１４を介して電力負荷部３に供給される。受電電力供給ライン１４は商用電源１５に接続されているので、電力負荷部３には、固体酸化物形燃料電池１及び商用電源１５の少なくとも何れか一方から電力が供給されることになる。
【００１９】
受電電力供給ライン１４には、電力負荷部３の電力負荷を計測する電力負荷計測手段１６が負荷計測部Ｓとして設けられる。運転制御装置１００は、インバータ１２により固体酸化物形燃料電池１から受電電力供給ライン１４に供給される発電電力が、電力負荷計測手段１６で検出される電力負荷と等しくなるような制御を行う。但し、電力負荷計測手段１６で検出される電力負荷が、固体酸化物形燃料電池１の最低発電電力（即ち、インバータ１２により受電電力供給ライン１４に供給される最低発電電力）よりも小さい場合、余剰電力が発生する。そのような場合、余剰電力は、電力を熱に代えて回収する余剰電力消費用の電気ヒータ９で消費される。
【００２０】
電気ヒータ９は、複数の抵抗加熱器から構成され、排熱回収用ポンプ７の作動により排熱回収路６を通流する固体酸化物形燃料電池１の冷却水を加熱する。電気ヒータ９のＯＮ／ＯＦＦは、インバータ１２の出力側に接続された作動スイッチ１０により切り換えられる。また、作動スイッチ１０は、固体酸化物形燃料電池１の余剰電力の大きさが大きくなるほど、電気ヒータ９の消費電力が大きくなるように切り換えられる。作動スイッチ１０の動作は運転制御装置１００が制御する。
【００２１】
尚、電力負荷部３にどのような装置を含めるのかは適宜設定可能である。例えば、固体酸化物形燃料電池１を運転するために用いられる補機や、熱負荷部４へ供給する湯水の凍結を防止する凍結防止用ヒータなどを、本実施形態の電力負荷部３から除外するような設定も可能である。また、電力負荷部３の待機電力を、本実施形態で計測する電力負荷から減算してもよい。
【００２２】
〔熱負荷部４への熱の供給〕
貯湯タンク２には、固体酸化物形燃料電池１で発生した熱が湯水の形態で蓄えられる。
本実施形態では、貯湯タンク２には、温度成層を形成する状態で湯水が貯えられる。つまり、貯湯タンク２の内部では、相対的に低温の湯水がその下部に貯えられ、相対的に高温の湯水がその上部に貯えられるように構成されている。貯湯タンク２に貯えられている湯水は、排熱回収路６を通って固体酸化物形燃料電池１と貯湯タンク２との間で循環する。
排熱回収路６における湯水の流動は、排熱回収用ポンプ７によって行われる。排熱回収用ポンプ７の動作は運転制御装置１００が制御する。例えば、運転制御装置１００は、固体酸化物形燃料電池１の運転を開始して、固体酸化物形燃料電池１の冷却を行う必要が生じると、排熱回収用ポンプ７を動作させて、貯湯タンク２の下部に貯えられている相対的に低温の湯水を排熱回収路６に流す。つまり、排熱回収路６を循環する湯水は、固体酸化物形燃料電池１の冷却水として利用される。排熱回収路６を流れる相対的に低温の湯水は、固体酸化物形燃料電池１から排出される熱を回収し（即ち、固体酸化物形燃料電池１の排熱によって湯水は昇温され）、相対的に高温の湯水となって貯湯タンク２の上部へと流入する。
【００２３】
加えて、排熱回収路６の途中には、排熱回収路６を通って貯湯タンク２から固体酸化物形燃料電池１へと流れる湯水からの放熱を行うための放熱器８が設置されている。運転制御装置１００は、貯湯タンク２から固体酸化物形燃料電池１へと流れる湯水の温度が設定上限温度未満の場合にはこの放熱器８の動作を停止させている。但し、運転制御装置１００は、貯湯タンク２から固体酸化物形燃料電池１へと流れる湯水の温度が上記設定上限温度以上である場合には（即ち、湯水により固体酸化物形燃料電池１の冷却を適切に行えない場合には）、この放熱器８を放熱作動させて湯水の温度を低下させる。また、上述した電気ヒータ９に通電することで発生したジュール熱は、排熱回収路６の途中の、固体酸化物形燃料電池１から貯湯タンク２へと流れる湯水によって回収される。
【００２４】
貯湯タンク２の上部に貯留されている相対的に高温の湯水は、貯湯タンク２の上部に接続されている湯水供給路５を通して熱負荷部４に供給される。熱負荷部４は、給湯用途や暖房用途などである。熱負荷部４が給湯用途の場合、湯水は貯湯タンク２へ帰還しない。
熱負荷部４が暖房用途の場合、湯水が保有している熱のみが消費されて、湯水は貯湯タンク２へと帰還することもある。湯水供給路５には、その湯水供給路５を流れる湯水を加熱するための補助熱源装置１１が設けられている。運転制御装置１００は、貯湯タンク２の上部から流出した湯水の温度が、熱負荷部４で要求される湯水の温度よりも低いとき、補助熱源装置１１を運転して、熱負荷部４へ供給される湯水の温度が所望の温度となるような制御を行う。湯水供給路５の途中には熱負荷部４で消費される熱量を計測する熱負荷計測手段１７が負荷計測部Ｓとして設けられている。
【００２５】
燃料電池システムの運用者は、運転制御装置１００との間で情報のやり取りを行う情報入出力装置ＩＯＤを使用することができる。情報入出力装置ＩＯＤには、一般的には浴室リモコンや台所リモコンなどの名称で設置される通信端末が含まれており、このようなリモコンには、操作ボタン、情報表示部、音声出力部などが備えられている。
【００２６】
次に、図２を用いて、燃料電池システムにおける固体酸化物形燃料電池１の運転継続と運転停止とを選択する制御における情報の流れを説明する。
図２に示すように、運転制御装置１００は、負荷計測部Ｓからの負荷計測値（図２ではＬoで示されている）を入力し、固体酸化物形燃料電池（以下単に燃料電池と略称する）１は対する運転継続指令または運転停止指令を出力する。負荷計測部Ｓは、エネルギー負荷部Ｌで要求される負荷エネルギーを所定の判定対象期間（例えば１か月）にわたって所定のサンプリング間隔（例えば、１時間から数時間）で計測して、負荷計測値を運転制御装置１００に送る計測プロセスを繰り返す。
【００２７】
図２で示された例では、運転制御装置１００の基本的な機能を実行する機能部は、負荷演算部５１と、しきい値設定部５２と、運転判定部５３と、運転制御部５４とである。負荷演算部５１は、負荷計測値の平均演算値を算出する。平均演算値としては、所定期間における負荷計測値群を代表する値である、算術平均値、重み付き平均値、中間値、最頻値などを採用することができるが、一般には、算術平均値が用いられる。運転制御装置１００において、平均演算値だけが取り扱われるのではなく、この平均演算値から導出される代替値が取り扱われる場合には、負荷演算部５１は、この代替値を算出する。代替値は、平均演算値を変数として導出される関数値、いわゆる換算値である。ここでは、代替値は、平均演算値から燃料電池１の運転メリットを導出する運転メリット関数の関数値である。つまり、平均演算値をＥとし、代替値（運転メリット値）をＭとすれば、その関数式は、Ｍ＝ｈ（Ｅ）で表すことができる。運転メリットは、燃料電池１の運転にともなって得られる消費一次エネルギー削減量又はエネルギーコスト削減量又は排出二酸化炭素削減量、あるいはそれらを組み合わせた量であり、負荷が増大すれば運転メリットも増大する。ただし、燃料電池１が賄える負荷量には限界があるため、負荷が大きな領域では、運転メリットの増加は次第に頭打ちとなる。例えば、負荷を横軸、運転メリットを縦軸とすると、運転メリット関数のグラフ形状は、対数関数に似た形状となる。実際には、運転メリット関数は、実験値や経験値等を用いた統計的な処理で求めることができる。
【００２８】
運転判定部５３は、平均演算値または代替値（運転メリット値）を、対応する判定しきい値と比較して、判定しきい値を超えた場合は、運転継続（運転開始を含む）、判定しきい値以下の場合は、運転停止の判定結果を出力する。運転制御部５４は、運転判定部５３の判定結果に基づいて、燃料電池１に対する運転継続指令または運転停止指令を出力する。
【００２９】
しきい値設定部５２の基本的な構成では、しきい値設定部５２は、運転判定に平均演算値が用いられる場合には、燃料電池１を運転させた方が良いと見なされる平均演算値の領域と、燃料電池１を運休させた方が良いと見なされる平均演算値の領域の境界値を判定しきい値として予め算定しておく。運転判定に運転メリット関数の関数値である代替値（運転メリット値）が用いられる場合には、燃料電池１を運転させた方が良いと見なされる代替値の領域と、燃料電池１を運休させた方が良いと見なされる代替値の領域の境界値をメリット判定しきい値（運転メリット値のための判定しきい値）として予め算定しておく。
【００３０】
単純に、平均演算値や代替値を運転判定に用いた場合、平均演算値を算出する際の元データとしての負荷計測値のばらつきが考慮されなくなる。これは、負荷計測値が広い範囲にわたって分布している状態と、負荷計測値が特定の値の付近に密集分布している状態とで、同じ運転判定を行う可能性がある。本願発明者の知見によれば、負荷計測値がばらついて分布している状態の方が、負荷計測値が密集して分布している状態より、運転メリットは大きいことがわかっている。
【００３１】
図３を用いて運転判定に負荷計測値のばらつき具合を組み入れる方法を説明する。負荷演算部５１は、判定対象期間を区分けした各区間に含まれる負荷計測値に基づいて前記判定対象期間での標準偏差（図３ではσで示されている）を算出する。判定対象期間においてサンプリングされた負荷計測値の平均演算値はＥで示され、各区間における負荷計測値の平均演算値はｅi（iは区間を識別する添え字である）で示されている。標準偏差：σは、ｋ個の平均演算値：ｅiから良く知られた式を用いて算出される。さらに、負荷演算部５１は、負荷計測値のばらつき具合を加味した評価メリット値として、前記平均演算値から前記標準偏差を減じたロワー値を用いて前記運転メリット関数から導出された関数値である第１値と、前記代替値に前記標準偏差を加えたアッパー値を用いて前記運転メリット関数から導出された関数値である第２値との間の値、例えば第１値と前記第２値との平均値を算出する。この評価メリット値の算出を式で表すと、
ＭＶ＝(１／２)×（ｈ(Ｅ−σ)＋ｈ(Ｅ＋σ)）
となる。ここで、ＭＶは評価メリット値、σは上記標準偏差、Ｅは、上記平均演算値、ｈ()は運転メリット関数である。
このようにして算出された評価メリット値は、運転判定部５３で、メリット判定しきい値と比較判定され、燃料電池１の運転継続（運転開始を含む）または運転停止の判定結果が出力される。
【００３２】
負荷計測値の標準偏差を変数として算出される評価メリット値を運転判定に用いる方法以外で、運転判定に負荷計測値のばらつき具合を組み入れる方法を以下に説明する。この方法では、しきい値設定部５２が、上述したように負荷演算部５１によって算出された標準偏差を用いて導出される関数値を、メリット判定しきい値として設定する。つまり、負荷計測値のばらつき具合に応じてメリット判定しきい値を変更している。具体的には、メリット判定しきい値を負荷計測値（日別負荷）の標準偏差の関数値とし、この関数は、標準偏差が大きいほどメリット判定しきい値が大きくなるものである。図４に、そのような関数の一例がグラフの形で示されている。このように、負荷計測値の標準偏差に応じて動的に変化するメリット判定しきい値を用いることで、運転判定に負荷計測値のばらつき具合を組み入れることができる。負荷計測部Ｓによって計測され、運転判定のために用いられるエネルギー負荷が、熱負荷エネルギーと電力負荷エネルギーとの両方である場合、熱負荷エネルギーの負荷計測値と電力負荷エネルギーの負荷計測値とを変数とし、統合負荷計測値を導出する関数を用いることができる。この統合負荷計測値を負荷計測値とすることにより、上述した運転判定を行うことができる。
【００３３】
この運転制御装置１００を用いれば、運転判定部５３の判定結果に基づいて、燃料電池１の運転継続（運転開始を含む）または運転停止が自動的に行われる。しかしながら、運転継続や運転停止の最終的な判断をユーザに委ねる場合には、運転判定部５３の判定結果を一般的には浴室リモコンや台所リモコンなどの名称で設置されているリモコン等を介してユーザに報知し、リモコンを用いたユーザの指示によって、運転継続指令または運転停止指令が与えられるように構成される。
【００３４】
次に、上述した燃料電池システムのいくつかの運用形態を説明する。これらの運用形態を実現することができる、共通のシステム構成の一例が図５に示されている。ここでは、運転制御装置１００は、図２を用いて説明された各機能部を備えており、運転制御装置１００の情報入出力装置ＩＯＤとして浴室や台所に設置されるリモコンＬＣが用いられている。さらに、運転制御装置１００は、通信ユニット５０を通じて、この燃料電池システムを管理している管理会社が運営する遠隔地の管理センタ（管理コンピュータ）２００とデータ交換可能に接続可能である。
【００３５】
ここで運転制御装置１００の機能を構築している、負荷演算部５１と、しきい値設定部５２と、運転判定部５３と、運転制御部５４に関しては、図２を用いて説明した内容が流用される。上記以外に、運転制御装置１００には、運転メリット関数格納部５５、出力データ処理部５６、入力データ処理部５７、報知処理部５８が構築されている。この実施形態では、運転メリット関数格納部５５は、図２と図３とを用いて説明した、負荷演算部５１で算出された平均演算値：Ｅから運転メリットを示す値である運転メリット値（代替値の一種）：Ｍを導出する運転メリット関数：Ｍ＝ｈ（Ｅ）をルックアップテーブルの形態で格納している。さらに、運転メリット関数格納部５５には、負荷演算部５１で算出された上述した平均演算値：Ｅおよび標準偏差：σから、評価メリット値を導出する式、つまり
ＭＶ＝(１／２)×（ｈ(Ｅ−σ)＋ｈ(Ｅ＋σ)）
をルックアップテーブルの形態で格納している。この式においても、運転メリット関数を用いるので、上記の２つのルックアップテーブルは統合して構築することが可能である。
【００３６】
出力データ処理部５６は、図１で示したような燃料電池システムにおける各種動作機器を制御するための制御信号を、運転制御部５４の指令に基づいて送信する。制御対象となる動作機器には、燃料電池１の運転を行うための燃料電池動作機器Ｄ１、電力負荷部３へ電力を供給するために電力系動作機器Ｄ２、給湯器等の熱負荷部４に湯を供給するための給湯系動作機器Ｄ３などが含まれる。さらに、出力データ処理部５６は、リモコンＬＣに組み込まれている報知デバイス６０に報知信号を送信する。報知デバイス６０には、液晶等のディスプレイ６１、ブザー６２、ランプ６３が含まれており、その報知データは報知処理部５８で生成される。図示されていないが、同様の報知デバイス６０は、リモコンＬＣとは別な箇所に、設置されてもよい。
【００３７】
入力データ処理部５７は、電力負荷計測手段１６から送られてくる電力負荷計測値と熱負荷計測手段１７から送られてくる熱負荷計測値とを信号処理して、負荷演算部５１に与える。さらに、入力データ処理部５７は、リモコンＬＣとも接続しており、リモコンのタッチパネル６４を通じて送られてくる操作信号を処理して、運転制御部５４などに与え、この燃料電池システムに対する手動での管理や制御を可能にする。
【００３８】
管理センタ（管理コンピュータ）２００には、運転メリット関数管理部２０１と燃料電池運営情報管理部２０２とが構築されている。管理センタ２００では、各種コストの変動などに基づいて、運転メリット関数の修正が行われている。運転メリット関数管理部２０１は、そのような運転メリット関数の修正に基づいて、各ユーザ宅の運転制御装置１００にアクセスして、運転メリット関数格納部５５に格納されているルックアップテーブルを更新する。燃料電池運営情報管理部２０２は、各ユーザ宅での燃料電池システムの運営状況（動作仕様、動作条件、動作履歴など）を記録、管理している。
【００３９】
次に、このように構成された燃料電池システムで用いられている、具体的な運用例を説明する。この燃料電池システムでは、ユーザの好みに応じて種々の運用モードから選択された運用モードで運転するように構成することができる。そのような場合、使用する運用モードがリモコンＬＣのタッチパネル６４を通じて選択される。なお、以下に説明する運用例は、燃料電池１による運転（発電）を行うかどうかの判定に関する運用の部分だけを取り上げている。なお、運用例０は、判定対象となる値は、電力負荷計測値に基づく平均演算値である。運用例１から運用例４は、判定対象となる値は、電力負荷計測値からさらに運転メリット関数を用いて求められる評価メリット値である。
【００４０】
（運用例０）：図６参照
まず、運転判定のタイミングであるかどうか、つまり運転／停止を判定する日であるかどうかがチェックされる（＃０１）。例えば、この運転判定のタイミングが月一回で、月末であると設定されていると、カレンダ機能を用いて現時点が月末であるとみなされると（＃０１でＹｅｓ分岐）、負荷演算部５１が、判定期間（１か月）で蓄積された電力負荷計測値を読み出し、例えば１日当たりの電力負荷計測値である平均演算値を、例えば算術平均で算出する（＃０２）。運転判定部５３は、算出された平均演算値と、しきい値設定部５２で設定された判定しきい値、例えば４．１ｋＷｈ／日とを比較し（＃０３）、平均演算値が判定しきい値以上であれば（＃０３でＹｅｓ分岐）、運転判定部５３は、運転開始または運転継続の判定結果を運転制御部５４に与える（＃０４）。平均演算値が判定しきい値を下回っていれば（＃０３でＮｏ分岐）、運転判定部５３は、運転停止または停止継続の判定結果を運転制御部５４に与える（＃０４）。運転制御部５４は、受け取った判定結果に基づく指令を燃料電池動作機器Ｄ１に送信する。
【００４１】
（運用例１）：図７参照
まず、運転判定のタイミングであるかどうか、つまり運転／停止を判定する日であるかどうかがチェックされる（＃１１）。例えば、この運転判定のタイミングが月一回で、月末であると設定されていると、カレンダ機能を用いて現時点が月末であるとみなされると（＃１１でＹｅｓ分岐）、負荷演算部５１が、判定期間（１か月）で蓄積された電力負荷計測値を読み出し、その平均演算値（例えば算術平均値）を算出し、その平均演算値から、運転メリット関数を用いて評価メリット値を導出する（＃１２）。運転判定部５３は、導出された評価メリット値と、しきい値設定部５２で設定されたメリット判定しきい値とを比較し（＃１３）、評価メリット値がメリット判定しきい値以上であれば（＃１３でＹｅｓ分岐）、運転判定部５３は、運転開始または運転継続の判定結果を運転制御部５４に与える（＃１４）。評価メリット値がメリット判定しきい値を下回っていれば（＃１３でＮｏ分岐）、運転判定部５３は、運転停止または停止継続の判定結果を運転制御部５４に与える（＃１４）。運転制御部５４は、受け取った判定結果に基づく指令を燃料電池動作機器Ｄ１に送信する。
【００４２】
（運用例２）：図８参照
ステップ＃２１からステップ＃２４は、図７で示した運用例１のステップ＃１１からステップ＃１４と同じである。ステップ＃２３のチェックで、評価メリット値がメリット判定しきい値を下回っていれば（＃２３でＮｏ分岐）、リモコンＬＣのディスプレイ６１を通じてユーザに運転停止の予告を行う（＃２５）。リモコンＬＣのタッチパネル６４を通じての、運転停止の予告に対するユーザの回答を促す（＃２６）。ユーザ回答が、運転の開始または運転の継続であれば、ステップ＃２４に移行し、運転判定部５３は、運転開始または運転継続の判定結果を運転制御部５４に与える。ユーザ回答が、運転停止または停止の継続あるいは所定時間（例えば１日）内で無回答の場合、運転判定部５３は、運転停止または停止継続の判定結果を運転制御部５４に与える（＃２７）。
【００４３】
（運用例３）：図９参照
この運用例は、上述の運用例２において、評価メリット値に代えて、上述の運用例０で扱われている平均演算値を用いたものである。まず、運転／停止を判定する日であるかどうかがチェックされる（＃１２１）。例えば、この運転判定のタイミングが月一回で、月末であると設定されていると、カレンダ機能を用いて現時点が月末であるとみなされると（＃１２１でＹｅｓ分岐）、負荷演算部５１が、判定期間（１か月）で蓄積された電力負荷計測値を読み出し、例えば１日当たりの電力負荷計測値である平均演算値（算術平均値）を算出する（＃１２２）。運転判定部５３は、算出された平均演算値と、しきい値設定部５２で設定された判定しきい値、例えば４．１ｋＷｈ／日とを比較し（＃１２３）、平均演算値が判定しきい値以上であれば（＃１２３でＹｅｓ分岐）、運転判定部５３は、運転開始または運転継続の判定結果を運転制御部５４に与える（＃１２４）。平均演算値が判定しきい値を下回っていれば（＃１２３でＮｏ分岐）、リモコンＬＣのディスプレイ６１を通じてユーザに運転停止の予告を行う（＃１２５）。リモコンＬＣのタッチパネル６４を通じての、運転停止の予告に対するユーザの回答を促す（＃１２６）。ユーザ回答が、運転の開始または運転の継続であれば、ステップ＃１２４に移行し、運転判定部５３は、運転開始または運転継続の判定結果を運転制御部５４に与える。ユーザ回答が、運転停止または停止の継続あるいは所定時間（例えば１日）内で無回答の場合、運転判定部５３は、運転停止または停止継続の判定結果を運転制御部５４に与える（＃１２７）。
【００４４】
（運用例４）：図１０参照
まず、運転判定のタイミングであるかどうか、つまり運転／停止を判定する日であるかどうかがチェックされる（＃３１）。例えば、この運転判定のタイミングが月一回で、月末であると設定されていると、カレンダ機能を用いて現時点が月末であるとみなされると（＃３１でＹｅｓ分岐）、負荷演算部５１が、判定期間（１か月）で蓄積された一日単位の電力負荷計測値を読み出し、１か月間の平均演算値（例えば算術平均値）及びその標準偏差を算出する（＃３２）。さらに、平均演算値と標準偏差とから評価メリット関数を用いて評価メリット値を算出する（＃３３）。運転判定部５３は、導出された評価メリット値と、しきい値設定部５２で設定されているメリット判定しきい値とを比較し（＃３４）、評価メリット値がメリット判定しきい値以上であれば（＃３４でＹｅｓ分岐）、運転判定部５３は、運転開始または運転継続の判定結果を運転制御部５４に与える（＃３５）。評価メリット値がメリット判定しきい値を下回っていれば（＃３４でＮｏ分岐）、運転判定部５３は、運転停止または停止継続の判定結果を運転制御部５４に与える（＃３６）。運転制御部５４は、受け取った判定結果に基づく指令を燃料電池動作機器Ｄ１に送信する。
【００４５】
（運用例５）：図１１参照
まず、運転判定のタイミングであるかどうか、つまり運転／停止を判定する日であるかどうかがチェックされる（＃４１）。例えば、この運転判定のタイミングが月一回で、月末であると設定されていると、カレンダ機能を用いて現時点が月末であるとみなされると（＃４１でＹｅｓ分岐）、負荷演算部５１が、判定期間（１か月）で蓄積された一日単位の電力負荷計測値を読み出し、１か月間の平均演算値（例えば算術平均値）及びその標準偏差を算出するとともに、当該平均演算値から、運転メリット関数を用いて評価メリット値を導出する（＃４２）。さらに、しきい値設定部５２は、図３を用いて説明した、標準偏差からメリット判定しきい値を導出する関数を用いて、月単位での標準偏差に応じて動的に変化するメリット判定しきい値を求め、これを、メリット判定しきい値として設定する（＃４３）。運転判定部５３は、ステップ＃４２で算出した評価メリット値と、しきい値設定部５２で設定された動的なメリット判定しきい値とを比較し（＃４４）、評価メリット値が動的なメリット判定しきい値以上であれば（＃４４でＹｅｓ分岐）、運転判定部５３は、運転開始または運転継続の判定結果を運転制御部５４に与える（＃４５）。評価メリット値が動的なメリット判定しきい値を下回っていれば（＃４４でＮｏ分岐）、運転判定部５３は、運転停止または停止継続の判定結果を運転制御部５４に与える（＃４６）。運転制御部５４は、受け取った判定結果に基づく指令を燃料電池動作機器Ｄ１に送信する。
【００４６】
図６から図１１を用いて説明した運用例は、この燃料電池システムの運用参考例を示すものであり、上述した運用例に限定されるものではない。例えば、上述した運用例の組み合わせや、部分的な機能の削除や部分的な機能の追加ももちろん可能である。
【００４７】
上述した実施形態において、運転制御装置１００に構築されている各機能部は、制御の説明を分かりやすくするために重きをおいて、区分けされたものであり、それらの機能部の統合や更なる分割は本発明の枠内で自由に行うことができる。
【００４８】
なお、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、固体酸化物形燃料電池が頻繁に起動及び停止を繰り返すことを避けながら、適切なタイミングで運転と停止が行われるようにした燃料電池システムに利用できる。
【符号の説明】
【００５０】
１      ：固体酸化物形燃料電池（燃料電池）
１６    ：電力負荷計測手段
１７    ：熱負荷計測手段
５０    ：通信ユニット
５１    ：負荷演算部
５２    ：しきい値設定部
５３    ：運転判定部
５４    ：運転制御部
５５    ：運転メリット関数格納部
５６    ：出力データ処理部
５７    ：入力データ処理部
５８    ：報知処理部
６０    ：報知デバイス
６１    ：ディスプレイ
６４    ：タッチパネル
１００  ：運転制御装置
２００  ：管理センタ
２０１  ：運転メリット関数管理部
ＩＯＤ  ：情報入出力装置
Ｌ      ：エネルギー負荷部
ＬＣ    ：リモコン
Ｓ      ：負荷計測部
【図１】
0006656040.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0006656040.tif 000006
【図６】
0006656040.tif 000007
【図７】
0006656040.tif 000008
【図８】
0006656040.tif 000009
【図９】
0006656040.tif 000010
【図１０】
0006656040.tif 000011
【図１１】
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