(57)【要約】【課題】燃料電池の運転出力の変動を低減する。【解決手段】負荷に電力を供給する第１燃料電池装置と、第１燃料電池装置とは異なる方式で発電して負荷に電力を供給する第２燃料電池装置とを制御する制御機器の制御方法であって、負荷の所定時間毎の電力消費量を示す電力消費量データを取得する取得ステップと、電力消費量データに基づいて、負荷の所定時間毎の電力消費量の所定水準を示すベース電力消費量を算出する算出ステップと、第１燃料電池装置をベース電力消費量に基づいて運転する第１運転ステップと、第２燃料電池装置を負荷の電力消費量と第１燃料電池装置の出力との差分に基づいて運転する第２運転ステップとを含む制御機器の制御方法。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷に電力を供給する第１燃料電池装置と、前記第１燃料電池装置とは異なる方式で発電して前記負荷に電力を供給する第２燃料電池装置とを制御する制御機器の制御方法であって、
前記負荷の所定時間毎の電力消費量を示す電力消費量データを取得する取得ステップと、
前記電力消費量データに基づいて、前記負荷の前記所定時間毎の電力消費量の所定水準を示すベース電力消費量を算出する算出ステップと、
前記第１燃料電池装置を前記ベース電力消費量に基づいて運転する第１運転ステップと、
前記第２燃料電池装置を前記負荷の電力消費量と前記第１燃料電池装置の出力との差分に基づいて運転する第２運転ステップと
を含む制御機器の制御方法。
【請求項２】
前記第１燃料電池装置は固体酸化物型燃料電池であることを特徴とする、請求項１に記載の制御機器の制御方法。
【請求項３】
前記第１燃料電池装置を前記ベース電力消費量に対応する出力で運転することを特徴とする、請求項１又は２に記載の制御機器の制御方法。
【請求項４】
負荷に電力を供給する第１燃料電池装置と、前記第１燃料電池装置とは異なる方式で発電して前記負荷に電力を供給する第２燃料電池装置と、前記第１燃料電池装置と前記第２燃料電池装置とを制御する制御機器とを備える制御システムであって、
前記制御機器は、
前記負荷の所定時間毎の電力消費量を示す電力消費量データを取得し、
前記電力消費量データに基づいて、前記負荷の前記所定時間毎の電力消費量の所定水準を示すベース電力消費量を算出し、
前記第１燃料電池装置を前記ベース電力消費量に基づいて運転し、
前記第２燃料電池装置を前記負荷の電力消費量と前記第１燃料電池装置の出力との差分に基づいて運転する制御システム。
【請求項５】
負荷に電力を供給する第１燃料電池装置と、前記第１燃料電池装置とは異なる方式で発電して前記負荷に電力を供給する第２燃料電池装置とを制御する制御機器であって、
前記負荷の所定時間毎の電力消費量を示す電力消費量データを取得し、
前記電力消費量データに基づいて、前記負荷の前記所定時間毎の電力消費量の所定水準を示すベース電力消費量を算出し、
前記第１燃料電池装置を前記ベース電力消費量に基づいて運転し、
前記第２燃料電池装置を前記負荷の電力消費量と前記第１燃料電池装置の出力との差分に基づいて運転する制御部を備える制御機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御機器の制御方法、制御システム、及び制御機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池を多数台で連携運転することがあり、特に固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を多数台で連携運転する場合、各発電モジュールの劣化が不均一にならないように各ＳＯＦＣの運転出力を調整する構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１３４０３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ＳＯＦＣの運転時にホットモジュール（発電モジュール）内のガス流量や運転出力（出力する電力量又は電流）が急激に変化するとホットモジュール内のセルスタックが破損するおそれがある。そのため、ＳＯＦＣ運転時には、その運転出力の変動を所定の変動率以下に低減しなければならない。
【０００５】
そこで本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、燃料電池の運転出力の変動を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために本発明の一実施形態に係る制御機器の制御方法は、
負荷に電力を供給する第１燃料電池装置と、前記第１燃料電池装置とは異なる方式で発電して前記負荷に電力を供給する第２燃料電池装置とを制御する制御機器の制御方法であって、
前記負荷の所定時間毎の電力消費量を示す電力消費量データを取得する取得ステップと、
前記電力消費量データに基づいて、前記負荷の前記所定時間毎の電力消費量の所定水準を示すベース電力消費量を算出する算出ステップと、
前記第１燃料電池装置を前記ベース電力消費量に基づいて運転する第１運転ステップと、
前記第２燃料電池装置を前記負荷の電力消費量と前記第１燃料電池装置の出力との差分に基づいて運転する第２運転ステップと
を含む。
【０００７】
上記課題を解決するために本発明の一実施形態に係る制御システムは、
負荷に電力を供給する第１燃料電池装置と、前記第１燃料電池装置とは異なる方式で発電して前記負荷に電力を供給する第２燃料電池装置と、前記第１燃料電池装置と前記第２燃料電池装置とを制御する制御機器とを備える制御システムであって、
前記制御機器は、
前記負荷の所定時間毎の電力消費量を示す電力消費量データを取得し、
前記電力消費量データに基づいて、前記負荷の前記所定時間毎の電力消費量の所定水準を示すベース電力消費量を算出し、
前記第１燃料電池装置を前記ベース電力消費量に基づいて運転し、
前記第２燃料電池装置を前記負荷の電力消費量と前記第１燃料電池装置の出力との差分に基づいて運転する。
【０００８】
上記課題を解決するために本発明の一実施形態に係る制御機器は、
負荷に電力を供給する第１燃料電池装置と、前記第１燃料電池装置とは異なる方式で発電して前記負荷に電力を供給する第２燃料電池装置とを制御する制御機器であって、
前記負荷の所定時間毎の電力消費量を示す電力消費量データを取得し、
前記電力消費量データに基づいて、前記負荷の前記所定時間毎の電力消費量の所定水準を示すベース電力消費量を算出し、
前記第１燃料電池装置を前記ベース電力消費量に基づいて運転し、
前記第２燃料電池装置を前記負荷の電力消費量と前記第１燃料電池装置の出力との差分に基づいて運転する制御部を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の制御機器の制御方法、制御システム、及び制御機器によれば、燃料電池の運転出力の変動を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一実施形態に係る制御システムのブロック図である。
【図２】制御機器が燃料電池装置を制御する方法のフローチャートである。
【図３】電力消費量データの例を示すグラフである。
【図４】図３の例に対応するベース電力消費量を示すグラフである。
【図５】ベース電力消費量が０となる例を示すグラフである。
【図６】負荷の電力消費量とベース電力消費量とを示すグラフである。
【図７】変形例に係る制御システムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（実施形態）
以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
［システム構成］
図１は、一実施形態に係る制御システム１のブロック図である。本実施形態に係る制御システム１は、制御機器２と、第１燃料電池装置３と、第２燃料電池装置４とを備える。また制御システム１の第１燃料電池装置３及び第２燃料電池装置４は、負荷５に接続され、さらに、分電盤７を介して系統８に接続される。
【００１３】
制御機器２は、制御部２１と、記憶部２２とを備える。本実施形態において、記憶部２２は制御機器２の内部に設けられているがこれに限られず、制御機器２の外部に設けられてネットワークを通じて接続されてもよい。制御部２１は、第１燃料電池装置３及び第２燃料電池装置４に接続され、第１燃料電池装置３及び第２燃料電池装置４から出力電力などを含む運転状況を示す信号を取得し、第１燃料電池装置３及び第２燃料電池装置４に対して制御信号を送信する。
【００１４】
分電盤７から負荷５までを接続する電力線には、第１電流センサ３１、第２電流センサ４１、及び負荷電流センサ５１が設けられる。第１電流センサ３１は、分電盤７と第１燃料電池装置３に分岐する部分との間に設けられる。また第２電流センサ４１は、第１燃料電池装置３に分岐する部分と第２燃料電池装置４に分岐する部分との間に設けられる。また負荷電流センサ５１は、第２燃料電池装置４に分岐する部分と負荷５との間に設けられる。負荷電流センサ５１は、負荷５に入力される電力量、つまり負荷５の電力消費量を計測する。第２電流センサ４１は、負荷５に入力される電力量と第２燃料電池装置４から出力される電力量との差を計測する。よって、負荷電流センサ５１の計測値と第２電流センサ４１の計測値との差は、第２燃料電池装置４から出力される電力量を示す。第１電流センサ３１は、系統８から供給される電力量を計測する。また第２電流センサ４１が計測する電力量は、系統８から供給される電力量に第１燃料電池装置３から出力される電力量を加えたものであるともいえる。よって、第２電流センサ４１の計測値と第１電流センサ３１の計測値との差は、第１燃料電池装置３から出力される電力量を示す。第１電流センサ３１、第２電流センサ４１、及び負荷電流センサ５１は、制御機器２の制御部２１に直接又は間接的に接続され、計測したデータを制御部２１に送信する。
【００１５】
第１電流センサ３１は、逆潮流防止電流センサの機能を兼ねることもできる。逆潮流防止電流センサは、系統８から負荷５に流れる電流を計測することにより、第１燃料電池装置３及び第２燃料電池装置４が出力した電力が系統８に逆潮流されていないかどうか監視するものである。
【００１６】
第１燃料電池装置３の発電方式と、第２燃料電池装置４の発電方式とは、互いに異なる。本実施形態において、第１燃料電池装置３は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）であり、第２燃料電池装置４は、高分子固体電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）であるものとして説明するが、これらに限定されるものではなく、第１燃料電池装置３及び第２燃料電池装置４は他の方式の燃料電池であってよい。また第１燃料電池装置３がＰＥＦＣであり、第２燃料電池装置４がＳＯＦＣであってよい。
【００１７】
系統８は、電力網であり、電力事業者から供給される電力を負荷５に送電するものである。負荷５は、系統８、又は、第１燃料電池装置３若しくは第２燃料電池装置４から電力の供給を受けることができる。通常、第１燃料電池装置３及び第２燃料電池装置４の出力が負荷５の電力消費量に対して不足する場合に、その不足分が系統８から供給される。
【００１８】
［制御方法］
図２は、制御機器２が第１燃料電池装置３及び第２燃料電池装置４を制御する方法のフローチャートである。以下、図２に従って制御機器２の動作を説明する。
【００１９】
まず、制御機器２の制御部２１は、所定期間にわたり負荷５の所定時間毎の電力消費量を示す電力消費量データを負荷電流センサ５１から取得する（ステップＳ１０１）。そして制御部２１は、取得した電力消費量データを記憶部２２に格納する。所定期間は、例えば数日であったり、数週間であったりするがこれらに限られず、適宜定められるものである。所定時間は、例えば１分であったり、１０分であったり、１時間であったりするがこれらに限られず、適宜定められるものである。図３は、所定期間中に取得した電力消費量データの例を示すグラフである。図３の横軸は０時から２４時までの時刻を示し、縦軸は負荷５の電力消費量を示している。図３には、０時から２４時までの電力消費量が、３日分（Ｘ月Ｙ１日、Ｙ２日、Ｙ３日）プロットされている。
【００２０】
制御部２１が電力消費量データを取得している期間においては、第１燃料電池装置３及び第２燃料電池装置４の出力を制御するルールは特に定められない。負荷５の電力消費量に相当する出力が、第１燃料電池装置３及び第２燃料電池装置４に均等に割り当てられてもよいし、所定の割合で割り当てられてもよいし、その他ルールを適宜定めてもよい。
【００２１】
次に、制御部２１は、記憶部２２に格納された電力消費量データに基づいてベース電力消費量を算出する（ステップＳ１０２）。ベース電力消費量は、負荷５の所定時間毎の電力消費量の所定水準を示す値である。
【００２２】
以下、ステップＳ１０２において負荷５の所定時間毎の電力消費量の所定水準を算出する方法を説明する。制御部２１は、所定期間中の各日の電力消費量を重ね合わせ、０時から２４時までの全ての時間帯において、負荷５の所定時間毎の電力消費量の最小値を抽出する。ここで制御部２１は、所定時間よりも長いベース電力算出時間を定義して、当該ベース電力算出時間に含まれる所定時間毎の電力消費量の最小値を抽出してもよい。
【００２３】
本実施形態では、ベース電力算出時間を３時間として、ベース電力算出時間毎に負荷５の所定時間毎の電力消費量の最小値が抽出されるようにする。図３において、垂直の破線によってベース電力算出時間毎の区分が示されており、当該ベース電力算出時間毎の電力消費量の最小値（以下、最小電力消費量ともいう）が水平の太線にて示されている。なおベース電力算出時間は３時間に限られず、適宜定められてよい。
【００２４】
そして制御部２１は、負荷５の電力消費量がとりうる値をｎ段階に区分した階級に基づき、最小電力消費量が属する階級の下限値を所定水準とする。本実施形態では、負荷５の電力消費量が階級１から階級３まで３段階の階級に区分される。図３において、水平の破線によって階級１から階級３が示されている。図３の例では、０時から９時の間及び１８時から２４時の間は、最小電力消費量が階級２に属しているので、この期間の所定水準は階級２の下限値に等しい。また、９時から１８時の間は、最小電力消費量が階級３に属しているので、この期間の所定水準は階級３の下限値に等しい。なお、電力消費量の区分は３段階に限られず、適宜定められてよい。
【００２５】
図４は、図３に示した負荷５の電力消費量の例に対応するベース電力消費量を示すグラフである。ベース電力消費量は斜線のハッチングで示されており、図３の例で定めた所定水準を表している。ステップＳ１０２では、以上のようにしてベース電力消費量が算出される。
【００２６】
図２のフローチャートに戻って、次に制御部２１は、ステップＳ１０２で算出したベース電力消費量を、第１燃料電池装置３の出力を制御するために用いることができるかどうか判定する（ステップＳ１０３）。制御部２１は、例えば、ベース電力消費量が０時から２４時までの間ずっと０となってしまう場合、算出したベース電力消費量を用いることができないと判定する。図５は、ベース電力消費量が０となる例を示すグラフであり、この例ではＸ月Ｙ２日の負荷５の電力消費量が非常に低いため、０時から２４時までベース電力消費量が０になってしまっている。
【００２７】
図５の例のように、算出したベース電力消費量を用いることができないと判定した場合（ステップＳ１０３：ＮＯ）、制御部２１は、ステップＳ１０１に戻り、再度所定期間にわたり電力消費量データを取得する。算出したベース電力消費量を用いることができると判定した場合（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、制御部２１は、ステップ１０４に進む。
【００２８】
次に、制御部２１は、第１燃料電池装置３がステップＳ１０２で算出したベース電力消費量に基づいて電力を出力する運転をするように、第１燃料電池装置３にベース電力消費量のデータを含む制御信号を送信する（ステップＳ１０４）。第１燃料電池装置３は、一般的な負荷追従運転を行わずに、制御部２１から取得した制御信号に基づき、ベース電力消費量に対応する電力量を出力する。なお第１燃料電池装置３は、ベース電力量に等しい電力量を出力してもよいし、ベース電力消費量に所定の係数を乗じた電力量を出力してもよい。所定の係数は例えば０．９８や０．９５などであるがこれに限られるものではない。
【００２９】
また、制御部２１は、第２燃料電池装置４が負荷５の電力消費量とベース電力消費量との差分とに基づく電力量を出力する運転をするように、第２燃料電池装置４に制御信号を送信する（ステップＳ１０５）。第２燃料電池装置４は、負荷追従運転を行い、第１燃料電池装置３が出力する電力量に、第２燃料電池装置４が出力する電力量を上乗せして負荷５の電力消費量の変動に追従する。
【００３０】
なお、ステップＳ１０４とステップＳ１０５とは、順番が入れ替わって実行されてもよいし、並列に実行されてもよい。またステップＳ１０４において、制御部２１は、ベース電力消費量に基づいて、第１燃料電池装置３に対して出力すべき電力量を指示する制御信号を逐次送信するようにしてもよい。
【００３１】
図６は、Ｘ月Ｚ日の負荷５の電力消費量とベース電力消費量とを示すグラフである。ステップＳ１０４とステップＳ１０５とが実行されることにより、第１燃料電池装置３がベース電力消費量に相当する電力量を出力し、第２燃料電池装置４が負荷の電力消費量とベース電力消費量との差分に相当する電力量を出力する。
【００３２】
図６においてベース電力消費量が変化する場合、例えば９時にベース電力消費量が増加する場合、第１燃料電池装置３は出力する電力量を増やす。ここで第１燃料電池装置３がＳＯＦＣである場合、ＳＯＦＣが出力する電力量の急激な増加は、ＳＯＦＣのセルスタックにダメージを及ぼすおそれがある。そのため、第１燃料電池装置３は、ベース電力消費量が９時に増加することが予め分かっているので、９時の前後数分間にわたって緩やかに出力する電力量を増やす。第１燃料電池３は、１８時にベース電力消費量が減少する場合も同様に、１８時の前後数分間にわたって緩やかに出力する電力量を減らす。このように、予めベース電力消費量を算出しておいて、当該ベース電力消費量に基づいて燃料電池装置の出力を制御することによって燃料電池装置のセルスタックにダメージが及ぶような、急激に出力が変動する運転方法を避けることができる。
【００３３】
図２のフローチャートに戻って、続いて制御部２１は、第１燃料電池装置３又は第２燃料電池装置４の運転停止期間を取得する。燃料電池装置の運転停止期間とは、例えば、定期点検、ガス漏れ検知対策を行う期間であり、または、第２燃料電池装置４がＰＥＦＣである場合の貯湯タンクの水質維持モードで運転する期間である。そして制御部２１は、当該運転停止期間をステップＳ１０４及びステップＳ１０５で送信した制御信号に基づく制御を中止する例外期間として設定し、第１燃料電池装置３と第２燃料電池装置４とに対して、当該例外期間を送信する（ステップＳ１０６）。つまり、第２燃料電池装置４の運転停止期間、すなわち例外期間において、第１燃料電池装置３は、負荷５の電力消費量に出力を追従させる運転を行う必要があるため、制御部２１は当該例外期間を事前に第１燃料電池装置３に送信する必要がある。また、第１燃料電池装置３の運転停止期間においても、第２燃料電池装置４は出力を増やす必要があるため、制御部２１は当該例外期間を事前に第２燃料電池装置４に送信する必要がある。
【００３４】
続いて制御部２１は、図２のフローチャートに沿った動作を終了する。終了後、制御部２１は、一定期間をおいて再度図２のフローチャートに沿った動作を行ってベース電力消費量を見直すようにしてもよいし、あるいは、最初に算出したベース電力消費量を使用し続けるようにしてもよい。また、制御部２１は、負荷５の電力消費量を常時取得し、ベース電力消費量の見直しを逐次行うようにしてもよい。
【００３５】
以上、図２のフローチャートに沿って制御部２１の動作について説明してきた。本実施形態に係る制御システムによれば、燃料電池装置のセルスタックにダメージが及ぶような、急激に出力が変動する運転方法を避けることができる。
【００３６】
（変形例１）
図１のブロック図において、制御機器２は第１燃料電池装置３及び第２燃料電池装置４とは別体とした。本実施形態の変形例の一つとして、制御機器２が第１燃料電池装置３に含まれるようにしてもよい。図７は、本変形例に係る制御システムのブロック図である。図７と図１との相違点は、制御部２１及び記憶部２２が第１燃料電池装置３に含まれる点である。この場合、第１燃料電池装置３と第２燃料電池装置４とはマスタスレーブの関係となっており、第１燃料電池装置３がマスタ、第２燃料電池装置４がスレーブである。本変形例によれば、制御機器２を別体で設けなくても、本実施形態に係る制御システムにおける制御方法を実行することができ、設備コストを減らすことができる。
【００３７】
（変形例２）
図２のフローチャートのステップＳ１０２においてベース電力消費量を算出する際、所定期間中の各日の電力消費量を重ね合わせ、所定時間毎の電力消費量の最小値を抽出し、当該最小値を階級に区分して、負荷５の所定時間毎の電力消費量の所定水準を決定した。本実施形態の変形例の一つとして、所定水準の決定方法を異なるものとすることができる。例えば、抽出した所定時間毎の電力消費量の最小値をそのまま所定水準として決定し、ベース電力消費量を算出してもよい。あるいは、当該最小値に所定の係数を乗じて得られる値を所定水準として決定してもよい。所定の係数としては、例えば０．９や０．８などが考えられるがこの限りではない。本変形例によれば、ベース電力消費量と負荷５の電力消費量との差分をより小さくすることができる。
【００３８】
（変形例３）
本実施形態の変形例の一つとして、本実施形態に係る制御システムに蓄電池装置が含まれるようにしてもよい。蓄電池装置は、第１燃料電池装置３及び第２燃料電池装置４の出力のうち負荷５の電力消費量を上回った分を蓄電することができるようにしてもよい。また蓄電池装置は、系統８から供給される電力を蓄電することができるようにしてもよい。そして蓄電池装置は、放電することによって負荷５に電力を供給することができるようにしてもよい。このようにすれば、第１燃料電池装置３及び第２燃料電池装置４が出力する電力量だけでは負荷５の電力消費量をまかないきれない場合でも、系統８から供給される電力だけでなく蓄電池装置が放電する電力で負荷５の電力消費量をまかなうことができ、燃料電池装置の出力変動をより小さく抑えることができる。
【００３９】
（変形例４）
本実施形態の変形例の一つとして、第１燃料電池装置３をＰＥＦＣとしてもよい。ＰＥＦＣは貯湯タンクに生成する湯量がＳＯＦＣよりも多いため、本変形例によればＰＥＦＣがベース電力消費量に相当する電力量を出力しつつ湯を生成することができ、多くのお湯を必要とする場合にも対応することができる。あるいは、ＰＥＦＣは貯湯タンク内の水質リフレッシュ動作として湯温を上げる必要があり、本変形例によれば湯温を上げるために補助燃焼器などの他の加熱装置を用いることなくリフレッシュ動作を行うことができる。
【００４０】
本発明を諸図面や実施例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や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や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、各構成部、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、複数の構成部やステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。また、本発明について装置を中心に説明してきたが、本発明は装置の各構成部が実行するステップを含む方法としても実現し得るものである。また、本発明について装置を中心に説明してきたが、本発明は装置が備えるプロセッサにより実行される方法、プログラム、又はプログラムを記録した記憶媒体としても実現し得るものであり、本発明の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。
【符号の説明】
【００４１】
１  制御システム
２  制御機器
２１  制御部
２２  記憶部
３  第１燃料電池装置
３１  第１電流センサ
４  第２燃料電池装置
４１  第２電流センサ
５  負荷
５１  負荷電流センサ
７  分電盤
８  系統
【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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【図６】
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【図７】
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