(57)【要約】      （修正有）【課題】需要家の要求する運転と、その要求する運転の範囲内での１次エネルギー削減量の最適化を行うことができ、需要家の利便性と省エネルギー性に優れる燃料電池システムを提供する。【解決手段】需要家の入力操作に基づき性能特性を入力または変更する性能特性入力手段である設定器１２と、性能特性変換装置１９で変換された性能特性値と性能特性記憶器１７に予め記憶された性能特性値データを参照し、燃料電池１の発電量範囲を変更する発電量範囲変更装置２０と、燃料電池システムの運転計画を作成する運転制御装置１５とを備え、設定器１２で性能特性が入力または変更された場合、熱電負荷予測器１４で予測された将来の電力需要量データおよび温水需要量データと、発電量範囲変更装置２０で変更された発電量範囲内で、運転制御装置１５によって１次エネルギー削減量が最大となるよう運転計画を行う燃料電池システム。【選択図】図２
2012119114.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと空気を用いて発電を行う燃料電池と、
温水需要量と電力需要量の予測による温水需要量データと電力需要量データと前記燃料電池の発電量範囲に基づいて運転計画を作成する運転制御装置とを有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムの性能特性値データを予め記憶する性能特性記憶器と、
性能特性を入力または変更する性能特性入力手段と、
前記性能特性入力手段で入力または変更された性能特性を性能特性値に変換する性能特性変換装置と、
前記性能特性変換装置で変換された性能特性値と前記性能特性記憶器に予め記憶された性能特性値データを参照し、前記燃料電池の発電量範囲を変更する発電量範囲変更装置とを備え、
前記発電量範囲変更装置により前記燃料電池の発電量範囲が変更された場合に、前記変更された発電量範囲で前記温水需要量データと前記電力需要量データを参照し、１次エネルギー削減量が最大となるよう運転計画を行うことを特徴とした燃料電池システム。
【請求項２】
性能特性入力手段は、時刻に基づいて性能特性を選択できる範囲が変更可能なことを特徴とする請求項１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、燃料ガスと空気を用いて発電を行う燃料電池を用いた燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に燃料電池システムの発電は需要家の電力需要に追従するよう発電量が制御されるが、発電効率は高発電量時において高くなる。従って、燃料電池システムでは、効率的には出来る限り高発電量時間を長く維持することが望ましい。すなわち、燃料電池システムでは需要家の電力需要がピークとなる時間帯に出来る限り発電を行うことが省エネルギー性及び経済性の向上にとって重要となる。
【０００３】
また、燃料電池は発電に伴い排熱が発生するため、その排熱を貯湯タンクに温水として熱回収し、得られた温水を炊事や風呂などに使用する。このように燃料電池システムでは、温水の生成は燃料電池の発電に伴う排熱を利用し行われるため、発電出力と温水生成量は比例する。そのため、高発電量時には温水生成量も増加することになる。
【０００４】
前述のように燃料電池から生成されるエネルギーは電力と熱であり、どちらのエネルギーも出来る限り有効に利用しなければ燃料電池システムのエネルギー利用効率を損なうこととなる。このエネルギー利用効率を出来るだけ高めた運転を行うことが燃料電池システムでは非常に重要となる。
【０００５】
例えば、燃料電池システムでは、貯湯タンクが温水で満杯になった以後も発電を行うと温水を捨てなければならないことになるため、貯湯タンクが温水で満杯になった時点で、燃料電池システムの発電を停止するよう設定している。貯湯タンクの温水が不足するときにはバックアップ給湯器で燃焼することによって温水を生成しなければならないため経済性が低下する。
【０００６】
このように燃料電池システムを経済的に運転するためには、需要家の電力需要が多い時間帯に運転を行うばかりでなく、同時に温水需要が多くなる時間帯の前に十分な温水を貯湯タンクに貯湯し、湯切れを避けることが重要となる。
【０００７】
また、燃料電池システムでは運転開始後すぐに発電電力が得られるわけでなく、燃料電池システムの運転を開始した後、発電を開始出来るまでの起動時間が必要となる。そのため効率的な運転を実現するためには燃料電池の運転開始時刻を設定することが重要となる。
【０００８】
このような燃料電池システムの特性に対し、一般に日々の運転で需要家の電力需要と温水需要のピークとなる時刻が必ずしも重なるとは限らず、ピークとなる時間幅も異なる。したがって、燃料電池システムでは、何時に運転を開始しどのような場合に停止するのかを設定することが効率的な運転を実現するために非常に重要となる。
【０００９】
これらに対し、従来の燃料電池システムは、個々の需要家の電力需要を計測する手段と、温水需要を計測する手段と、温度を計測する手段と、電力需要及び温水需要とを予測する手段とを備え、検出された電力需要、温水需要、温度に関するその時点での検出値および一定以上以前の時間における数値と、日時および曜日に関する情報に基づいて、所定時間後の電力需要および温水需要の予測を行い、その予測データにより燃料電池システムの運転計画を作成し、作成された運転計画に基づいて燃料電池システムの運転を制御するこ
とにより、運転効率を高めた運転を行い、省エネルギー性と経済性を向上させた運転を行っていた（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−０６９０８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１に記載された従来の燃料電池システムは電力需要および温水需要を予測し、その予測データに基づいて燃料電池システムの運転計画を行うことで省エネルギー性および経済性を向上させた運転を行うことを目的としている。しかしながら、個々の需要家の求める燃料電池システムの運転は、静音性を高めた運転など、省エネルギー性や経済性を向上させた運転に限られたものではなく、需要家の求める運転には必ずしもなっていなかった。
【００１２】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、需要家の要求する運転と、その要求する運転の範囲内での１次エネルギー削減量の最適化を行うことができ、需要家の利便性と省エネルギー性に優れる燃料電池システ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】
【００１３】
上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと空気を用いて発電を行う燃料電池と、温水需要量と電力需要量の予測による温水需要量データと電力需要量データと前記燃料電池の発電量範囲に基づいて運転計画を作成する運転制御装置とを有する燃料電池システムであって、前記燃料電池システムの性能特性値データを予め記憶する性能特性記憶器と、性能特性を入力または変更する性能特性入力手段と、前記性能特性入力手段で入力または変更された性能特性を性能特性値に変換する性能特性変換装置と、前記性能特性変換装置で変換された性能特性値と前記性能特性記憶器に予め記憶された性能特性値データを参照し、前記燃料電池の発電量範囲を変更する発電量範囲変更装置とを備え、前記発電量範囲変更装置により前記燃料電池の発電量範囲が変更された場合に、前記変更された発電量範囲で前記温水需要量データと前記電力需要量データを参照し、１次エネルギー削減量が最大となるよう運転計画を行うことを特徴とする。
【００１４】
これにより、需要家が性能特性を入力または変更することによって、変更された性能特性に対応する発電量の範囲で１次エネルギー削減量が最大となるように運転計画を行うため、需要家の要求する運転と、その要求する運転の範囲内での１次エネルギー削減量の最適化を行うことが可能となり、需要家の利便性と省エネルギー性に優れる燃料電池システムを実現できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の燃料電池システムによれば、需要家の要求する運転と、その要求する運転の範囲内での１次エネルギー削減量の最適化を行うことが可能となり、需要家の利便性と省エネルギー性を高めることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの基本構成を示す構成図
【図２】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの詳細構成を示す構成図
【図３】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの性能特性値データと性能特性が入力または変更された場合の性能特性値を示す概念図
【図４】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの運転計画と性能特性が入力または変更された場合の運転計画を示す概念図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
第１の発明は、燃料ガスと空気を用いて発電を行う燃料電池と、温水需要量と電力需要量の予測による温水需要量データと電力需要量データと前記燃料電池の発電量範囲に基づいて運転計画を作成する運転制御装置とを有する燃料電池システムであって、前記燃料電池システムの性能特性値データを予め記憶する性能特性記憶器と、性能特性を入力または変更する性能特性入力手段と、前記性能特性入力手段で入力または変更された性能特性を性能特性値に変換する性能特性変換装置と、前記性能特性変換装置で変換された性能特性値と前記性能特性記憶器に予め記憶された性能特性値データを参照し、前記燃料電池の発電量範囲を変更する発電量範囲変更装置とを備え、前記発電量範囲変更装置により前記燃料電池の発電量範囲が変更された場合に、前記変更された発電量範囲で前記温水需要量データと前記電力需要量データを参照し、１次エネルギー削減量が最大となるよう運転計画を行う燃料電池システムである。
【００１８】
これにより、需要家が性能特性を入力または変更することができ、需要家が性能特性を入力または変更することによって、変更された性能特性に対応する発電量の範囲で１次エネルギー削減量が最大となるように運転計画を行うため、需要家の要求する運転と、その要求する運転の範囲内での１次エネルギー削減量の最適化を行うことが可能となり、需要家の利便性と省エネルギー性に優れる燃料電池システムを実現できる。
【００１９】
第２の発明は、第１の発明において、性能特性入力手段は、時刻に基づいて性能特性を選択できる範囲が変更可能である。これにより、需要家が時刻に基づいた性能特性を入力または変更することができ、需要家が性能特性を入力または変更することによって、変更された性能特性に対応する発電量の範囲で１次エネルギー削減量が最大となるように運転計画を行うため、需要家の要求する運転と、その要求する運転の範囲内での１次エネルギー削減量の最適化を行うことが可能となり、需要家の利便性と省エネルギー性に優れる燃料電池システムを実現できる。
【００２０】
以下、本発明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この発明が限定されるものではない。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの基本構成を示す構成図であり、図２は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの詳細構成を示す構成図である。
【００２２】
図１に示すように、本実施の形態における燃料電池システム２１は、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電と発熱を行う燃料電池１と、原料ガスを改質し燃料電池１に燃料ガスを供給する燃料ガス供給器２と、燃料電池１に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器３と、燃料電池１に接続され発電に伴って発生した熱を回収し、燃料電池１を冷却する冷却水が循環する冷却水経路４と、冷却水経路４内の冷却水を循環させる冷却水送出器５と、冷却水経路４に設置され冷却水と熱交換し貯湯水に熱を回収させる冷却水熱交換器６と、冷却水熱交換器６に接続され貯湯水が流れる貯湯水経路７と、冷却水熱交換器６において熱を回収した貯湯水を貯える貯湯タンク８と、貯湯水経路７に設置され貯湯水経路７内の貯湯水を流す貯湯水送出器９と、電力負荷の電力需要量を検出する電力需要検出器１０と、熱負荷の温水需要量を検出する温水需要検出器１１とで構成されている。
【００２３】
図２に示すように、本実施の形態における燃料電池システム２１は、需要家の操作に基づき需要家の要求する性能特性を入力または変更する性能特性入力手段である設定器１２
と、過去の時刻における電力需要量と温水需要量を記憶する需要履歴記憶器１３と、需要履歴記憶器１３に記憶された過去の電力需要量データ及び温水需要量データと各時刻属性との対応関係に基づき所定の時刻属性を有する将来の電力需要量データおよび温水需要量データを予測する熱電負荷予測器１４と、少なくとも燃料電池１の発電と発熱の性能特性値データを予め記憶する性能特性記憶器１７と、需要家によって入力または変更された性能特性を性能特性値に変換する性能特性変換装置１９と、性能特性変換装置１９で変換された性能特性値と性能特性記憶器１７に予め記憶された性能特性値データを参照し、燃料電池１の発電量範囲を変更する発電量範囲変更装置２０と、熱電負荷予測器１４で予測された将来の電力需要量データおよび温水需要量データと発電量範囲変更装置２０により変更された発電量範囲とに基づいて燃料電池システムの運転計画を作成する運転制御装置１５とを備えている。
【００２４】
以下に、図１および図２を参照しながら、本実施の形態の燃料電池システムの動作について説明する。
【００２５】
燃料電池１では、燃料ガス供給器２から供給された水素含有ガスなどの燃料ガスと、酸化剤ガス供給器３から供給された空気などの酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う。さらに、燃料電池１では発電に伴って発熱するため、冷却水送出器５により燃料電池１を経由して冷却水経路４を循環する冷却水により冷却され、燃料電池１は最適な温度に維持される。冷却水送出器５としては、主に遠心ポンプ、斜流ポンプ、往復ポンプなどが用いられ、冷却水熱交換器６としては、おもにプレート式熱交換器や二重管式熱交換器などが用いられる。燃料電池１において熱を回収し温度が上昇した冷却水は、冷却水熱交換器６で貯湯水と熱交換して放熱し冷却水送出器５によって再び燃料電池１に供給される。
【００２６】
貯湯水経路７は、貯湯タンク８の下部と貯湯水送出器９の吸入口とが接続され、貯湯水送出器９の吐出口と冷却水熱交換器６の貯湯水入口とが接続されることで温度の低い貯湯水を貯湯タンク８の下部から取り出して冷却水熱交換器６に供給し、冷却水熱交換器６の貯湯水出口と貯湯タンク８の上部とが接続されることで熱回収により温度が高くなった貯湯水が貯湯タンク８の上部に戻される。貯湯水送出器９としては、主に、遠心ポンプ、斜流ポンプ、往復ポンプなどが用いられる。さらに貯湯タンク８の底部には給水経路が接続され、上部には貯湯タンク８に貯えられた高温の貯湯水を台所や洗面所、風呂などの熱負荷に供給する温水経路が接続されている。このように積層沸き上げ方式とすることで、貯湯タンク８全体を同時に沸き上げる場合と比較して短時間で必要な量のお湯が貯湯タンク８上部より貯えられ、熱負荷に供給することが可能となる。
【００２７】
給湯経路には温水需要検出器１１が設置され熱負荷で消費された熱量を検出し、熱負荷の温水需要量として需要履歴記憶器１３に蓄積する。温水需要検出器１１としては、主に直接熱量を計測する熱量計や、流量計および温度計により流量と温度の積で熱量を算出する方法が用いられる。後者の場合には、主に羽根車式流量計、超音波式流量計などにより計測された給湯経路の貯湯水流量と、主に熱電対やサーミスタなどにより計測された給湯経路の貯湯水温度と、給水経路の水温または外気温との温度差との積によって熱量を算出する。需要履歴記憶器１３としては、主にＲＡＭなどの不揮発性メモリやハードディスク装置などが用いられ、さらにはインターネットなどのネットワークを介して外部の記憶装置を用いても良い。
【００２８】
燃料電池１で発電した電力は、インバーター１８で直流電力から交流電力に変換されるとともに電圧調整が行われ、電灯や各種電気機器などの電力負荷に供給される。電力負荷は、燃料電池システムからの出力電力とともに火力発電所などから供給される商用の電力系統と接続され、必要に応じて両者の電力を使用している。電力需要検出器１０が燃料電池システムからの出力電力と商用電力が合流した連系点よりも下流の電力負荷側に設置さ
れ、電力負荷で消費された電力量を検出し、電力負荷の電力需要量として需要履歴記憶器１３に蓄積する。電力需要検出器１０としては、主にカレントトランス（ＣＴ）センサなどの電流センサが用いられる。
【００２９】
需要履歴記憶器１３には、電力需要検出器１０および温水需要検出器１１で検出された電力需要量および温水需要量の所定時間ごと（例えば、３０分間毎や１時間毎）の積算値を１日単位で電力需要量データ及び熱需要量データとして蓄積する。このとき、熱電負荷予測器１４が、所定日の時刻属性と所定日の電力需要量データ及び温水需要量データとの対応関係を需要履歴記憶器１３に記憶させている。
【００３０】
熱電負荷予測器１４は需要履歴記憶器１３に記憶された所定日の時刻属性と所定日の電力需要量データ及び温水需要量データを用い所定期間（例えば１日）の電力需要量データおよび温水需要量データの予測を行う。予測を行うための一つの手段として、例えば、熱電負荷予測器１４が、階層型のニューラルネットワークモデルを保持し、このニューラルネットワークモデルに基づき将来の所定期間の電力需要量データ及び温水需要量データを予測する文献として、（甘利俊一編著、「ニューラルネットの新展開」、（株）サイエンス社、１９９４年）がある。
【００３１】
熱電負荷予測器１４は、主にＣＰＵなどで構成されると共に、その内部で実行されるプログラムを含む。
【００３２】
性能特性記憶器１７には、少なくとも燃料電池１の発電と発熱の性能特性値データが記憶されている、ここでの性能特性値データとは、燃料電池１で発電される発電量との対応関係で予め記憶された燃料電池１が発電と発熱を行った場合の特性値と、騒音値の範囲などである。例えば燃料ガス供給器２へ供給される原料ガスのエネルギーに対する燃料電池１で発電されるエネルギーの割合（以下、発電効率と略す）および原料ガスのエネルギーに対する燃料電池１が発電することによって発熱するエネルギーの割合（以下、熱回収効率と略す）、燃料電池１が発電可能な発電量の範囲、さらには騒音値などである。
【００３３】
需要家は「運転中の騒音値を下げたい」「１次エネルギー削減量が多いときだけ運転したい」といった自分の要求に応じて設定器１２を用い、設定器１２に予め記憶されている性能特性（例えば「静音」）の範囲内で性能特性を入力または変更する。設定器１２には、燃料電池システムの運転中における燃料電池１の発電量や貯湯タンク８内の蓄熱量などの状態情報を表示する表示部と共に、燃料電池システムの初期設定などの各種設定情報を需要家が入力し、設定する入力ボタン部を備えたリモコンなどが用いられる。尚、設定器１２で設定できる性能特性として性能特性値を用い、性能特性値の絶対値および相対値（例えば「騒音値３９．０ｄＢ以下」や「騒音値−３ｄＢ」）を用いてもよい。
【００３４】
需要家によって設定器１２で性能特性が入力または変更された場合、性能特性変換装置１９は、入力または変更された性能特性に対応する予め設定された性能特性値として変換する。発電量範囲変更装置２０は、性能特性変換装置１９によって変換された性能特性値と、性能特性記憶器１７に記憶されている燃料電池１の発電量と対応関係で予め記憶された性能特性値データを参照し、変換された性能特性値の範囲内となる性能特性値データと発電量の対応関係に基づいて発電量範囲を変更する。運転制御装置１５は熱電負荷予測器１４が予測した電力需要量データおよび温水需要量データを参照し、先に決定した発電量範囲内で１次エネルギー削減量が最大となるよう運転計画を行う。
【００３５】
図３に、性能特性記憶器１７に記憶されている性能特性値データと、需要家によって設定器１２を用い性能特性が入力された場合の性能特性値の概念図、図４に需要家によって設定器１２を用い性能特性が入力された場合の運転制御装置１５が計画する運転計画の概
念図を示す。
【００３６】
図３において性能特性値データは、所定の発電量における発電効率と、熱回収効率および騒音値を表している。例えば、需要家によって設定器１２で性能特性として騒音値が「静音」と入力された場合、性能特性変換装置１９は予め「静音」と対応関係で記憶された性能特性値（ここでは騒音値３９．０ｄＢ）に変更する。
【００３７】
発電量範囲変更装置２０は、性能特性変換装置１９によって変換された性能特性値と、性能特性記憶器１７に記憶されている燃料電池１の発電量と対応関係で予め記憶された性能特性値データを参照し、変換された性能特性値の範囲内（ここでは３９．０ｄＢ以下）となる性能特性値データと発電量の対応関係に基づいて発電量範囲を破線部で囲われた発電量範囲２５０Ｗから４５０Ｗに変更する。ここで、変更される前の発電量範囲は実線部で囲われた発電量範囲である２５０Ｗから７５０Ｗである。
【００３８】
図４において、運転計画は所定の時刻における発電量を表している。運転制御装置１５は発電量範囲変更装置２０によって変更された発電量範囲と、熱電負荷予測器１４が予測した電力需要量データおよび温水需要データを参照し、２５０Ｗから４５０Ｗの発電量の範囲で１次エネルギー削減量が最大となるよう運転計画を行う。
【００３９】
本実施の形態によれば需要家が性能特性を入力または変更することができ、入力または変更された性能特性に対応する発電量の範囲で１次エネルギー削減量が最大となるように運転計画を行うため、需要家の要求する運転と、その要求する運転の範囲内での１次エネルギー削減量の最適化を行うことが出来る。その結果、需要家の利便性と省エネルギー性に優れる燃料電池システムを実現できる。
【００４０】
（実施の形態２）
以下に、本発明の実施の形態２にかかる燃料電池システムは、実施の形態１の燃料電池システムと同様の構成を有しており、実施の形態１と同様に運転されるが、以下の点が実施の形態１とは異なっている。
【００４１】
本実施の形態の燃料電池システムは時刻に基づいて性能特性を選択できる範囲が変更可能であることを特徴とする。すなわち需要家が設定器１２で性能特性を入力または変更を行う際に、需要家が選択する任意の時刻帯（例えば１２：００から１４：００）における性能特性を入力または変更することができる。
【００４２】
本実施の形態によれば、需要家が任意の時刻帯における性能特性を入力または変更することができ、入力または変更された性能特性に対応する発電量の範囲で１次エネルギー削減量が最大となるように運転計画を行うため、需要家の要求する運転が時刻帯で行うことができ、その要求する運転の範囲内での１次エネルギー削減量の最適化を行うことが出来る。その結果、需要家の利便性と省エネルギー性に優れる燃料電池システムを実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明の燃料電池システムによれば、需要家の要求する運転と、その要求する運転の範囲内での１次エネルギー削減量の最適化を行うことができ、需要家の利便性と省エネルギー性に優れる燃料電池システムを実現出来るため、燃料電池システムの技術分野において有用である。
【符号の説明】
【００４４】
１  燃料電池
２  燃料ガス供給器
３  酸化剤ガス供給器
４  冷却水経路
５  冷却水送出器
６  冷却水熱交換器
７  貯湯水経路
８  貯湯タンク
９  貯湯水送出器
１０  電力需要検出器
１１  温水需要検出器
１２  設定器（性能特性入力手段）
１３  需要履歴記憶器
１４  熱電負荷予測器
１５  運転制御装置
１６  制御器
１７  性能特性記憶器
１８  インバーター
１９  性能特性変換装置
２０  発電量範囲変更装置
２１  燃料電池システム
【図１】
2012119114.tif 000003
【図２】
2012119114.tif 000004
【図３】
2012119114.tif 000005
【図４】
2012119114.tif 000006