(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、蓄電池と、電力変換装置と、制御装置とを構成要素とする燃料電池システムを制御する燃料電池システム制御法において、
負荷電力と、前記蓄電池の電圧と電流とをモニタし、前記モニタによって得られるデータから前記蓄電池の残容量を算出し、前記蓄電池の充放電電力の単位電力量あたりの価値を、前記蓄電池の残容量が少ない程高い価値を算出する算出式によって算出し、
シミュレーション計算によって、前記燃料電池の単位時間当たりの発電量を複数段階１〜ｎに変化させた場合の前記各段階ｉ（１≦ｉ≦ｎ）における単位時間当たりの発電コストを算出し、前記段階ｉにおける単位時間当たりのエネルギーコストを、前記蓄電池が充電される場合には単位時間当たりの前記発電コストから前記蓄電池の単位時間当たりの充電電力の価値を減算して算出し、前記蓄電池が放電される場合には前記単位時間当たりの発電コストに前記蓄電池の単位時間当たりの放電電力の価値を加算して算出し、前記単位時間当たりのエネルギーコストが最小となる前記段階ｋを求め、
前記段階ｋにおける前記燃料電池の発電状態が実現するように前記燃料電池システムを制御することを特徴とする燃料電池システム制御法。
【請求項２】
燃料電池と、電力変換装置と、制御装置とを構成要素とし、電力系統からの受電および前記電力系統への送電が可能な燃料電池システムを制御する燃料電池システム制御法において、
負荷電力をモニタし、
シミュレーション計算によって、前記燃料電池の単位時間当たりの発電量を複数段階１〜ｎに変化させた場合の前記各段階ｉ（１≦ｉ≦ｎ）における単位時間当たりの発電コストを算出し、前記段階ｉにおける単位時間当たりのエネルギーコストを、前記電力系統への送電を行う場合には単位時間当たりの前記発電コストから単位時間当たりの売電電力の価値を減算して算出し、前記電力系統からの受電を行う場合には単位時間当たりの前記発電コストに単位時間当たりの買電電力の価値を加算して算出し、前記単位時間当たりのエネルギーコストが最小となる前記段階ｋを求め、
前記段階ｋにおける前記燃料電池の発電状態が実現するように前記燃料電池システムを制御することを特徴とする燃料電池システム制御法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム制御法において、
前記燃料電池の排熱を湯として貯湯槽に貯えるときにのみ、前記発電コストから給湯の価値を減算して前記シミュレーション計算を行うことを特徴とする燃料電池システム制御法。
【請求項４】
請求項１、請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム制御法において、
起動時に必要とする燃料のコストは、発電停止後一定時間の間に均等に捨てていくとして、発電停止中の前記エネルギーコストを計算することを特徴とする燃料電池システム制御法。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池システム制御法燃料電池システム制御法において、
前記一定時間は、燃料電池システムで発電するための固定消費電力を供給するために必要とする燃料流量によって、起動時に必要とする燃料量を供給するために必要な時間とすることを特徴とする燃料電池システム制御法燃料電池システム制御法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システム制御法に関するものであり、特に、蓄電池や貯湯槽を有する燃料電池システムにおける燃料電池の発電制御法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池システム制御法においては、常時定格で発電するべースロード運転や、電力負荷がピークとなる時間帯で定格発電するピークカット運転等のように、電力負荷のパターンに対応して、発電パターンを決めて運用するものであった。
【０００３】
また、発電電力を蓄える蓄電池に関しても、夜間に充電する時間帯と、電力負荷のピーク時に放電する時間帯を決めて運用するものであった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の燃料電池システム制御法では、既知の負荷パターンに対して経済的と考えられる発電パターンや充放電スケジュール等を予め決めておくものであり、様々に変化する負荷電力パターンに対応して制御するものではなかった。
【０００５】
したがって、家庭等のように比較的小規模であり時間変動の大きい電力負荷に対しては、効率的な発電パターンや充放電スケジュールを決めて運用するのが困難であるという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、全体でのシステム効率を向上させる燃料電池システム制御法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明においては、請求項１に記載のように、
燃料電池と、蓄電池と、電力変換装置と、制御装置とを構成要素とする燃料電池システムを制御する燃料電池システム制御法において、
負荷電力と、前記蓄電池の電圧と電流とをモニタし、前記モニタによって得られるデータから前記蓄電池の残容量を算出し、前記蓄電池の充放電電力の単位電力量あたりの価値を、前記蓄電池の残容量が少ない程高い価値を算出する算出式によって算出し、
シミュレーション計算によって、前記燃料電池の単位時間当たりの発電量を複数段階１〜ｎに変化させた場合の前記各段階ｉ（１≦ｉ≦ｎ）における単位時間当たりの発電コストを算出し、前記段階ｉにおける単位時間当たりのエネルギーコストを、前記蓄電池が充電される場合には単位時間当たりの前記発電コストから前記蓄電池の単位時間当たりの充電電力の価値を減算して算出し、前記蓄電池が放電される場合には前記単位時間当たりの発電コストに前記蓄電池の単位時間当たりの放電電力の価値を加算して算出し、前記単位時間当たりのエネルギーコストが最小となる前記段階ｋを求め、
前記段階ｋにおける前記燃料電池の発電状態が実現するように前記燃料電池システムを制御することを特徴とする燃料電池システム制御法を構成する。
【０００８】
また、本発明においては、請求項２に記載のように、
燃料電池と、電力変換装置と、制御装置とを構成要素とし、電力系統からの受電および前記電力系統への送電が可能な燃料電池システムを制御する燃料電池システム制御法において、
負荷電力をモニタし、
シミュレーション計算によって、前記燃料電池の単位時間当たりの発電量を複数段階１〜ｎに変化させた場合の前記各段階ｉ（１≦ｉ≦ｎ）における単位時間当たりの発電コストを算出し、前記段階ｉにおける単位時間当たりのエネルギーコストを、前記電力系統への送電を行う場合には単位時間当たりの前記発電コストから単位時間当たりの売電電力の価値を減算して算出し、前記電力系統からの受電を行う場合には単位時間当たりの前記発電コストに単位時間当たりの買電電力の価値を加算して算出し、前記単位時間当たりのエネルギーコストが最小となる前記段階ｋを求め、
前記段階ｋにおける前記燃料電池の発電状態が実現するように前記燃料電池システムを制御することを特徴とする燃料電池システム制御法を構成する。
【０００９】
また、本発明においては、請求項３に記載のように、
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム制御法において、
前記燃料電池の排熱を湯として貯湯槽に貯えるときにのみ、前記発電コストから給湯の価値を減算して前記シミュレーション計算を行うことを特徴とする燃料電池システム制御法を構成する。
【００１０】
また、本発明においては、請求項４に記載のように、
請求項１、請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム制御法において、
起動時に必要とする燃料のコストは、発電停止後一定時間の間に均等に捨てていくとして、発電停止中の前記エネルギーコストを計算することを特徴とする燃料電池システム制御法を構成する。
【００１１】
また、本発明においては、請求項５に記載のように、
請求項４記載の燃料電池システム制御法燃料電池システム制御法において、
前記一定時間は、燃料電池システムで発電するための固定消費電力を供給するために必要とする燃料流量によって、起動時に必要とする燃料量を供給するために必要な時間とすることを特徴とする燃料電池システム制御法燃料電池システム制御法を構成する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の燃料電池システム制御法は、負荷電力に応じて発電／充放電パターンあるいは発電／売買電パターンを自動的に生成あるいは制御するものであり、シミュレーション計算によって、複数段階におけるエネルギーコストを算出し、そのエネルギーコストが最小となる段階を選びだし、その段階の発電状態が実現するように、燃料電池システムを制御するものである。
【００１３】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１４】
図１に、燃料電池１と、貯湯槽２と、蓄電池３と、電力変換装置４と、制御装置５から構成される分散電源システムである燃料電池システムを示す。
【００１５】
電力変換装置４は、燃料電池１の出力に接続され、燃料電池１の出力を制御する第一のＤＣ/ＤＣコンバータ４１と、蓄電池３に接続され、その充放電を双方向に制御する第二のＤＣ/ＤＣコンバータ４２と、２つのＤＣ/ＤＣコンバータ４１、４２の出力を入力とし、出力がＡＣであるＤＣ/ＡＣインバータ４３とから構成され、電力負荷装置群６へ燃料電池１および蓄電池３からの電力を供給する。燃料電池１からの熱および電力の需要との差分が、それぞれ、湯として貯湯槽２および蓄電池３に蓄積される。制御装置５は、燃料電池１、貯湯槽２、蓄電池３および電力変換装置４を制御する手段を有する。なお、図１に示した燃料電池システムは、電力系統７からの受電および電力系統７への送電が可能な燃料電池システムである。
【００１６】
制御装置５において、蓄電池３と電力負荷装置群６とをモニタしながら行う発電量の制御方法について説明する。ここで、「モニタ」とは、測定可能な物理量を時系列的に測定することを意味する。この制御法では、蓄電池３の電圧・電流と負荷消費電力とを測定し、負荷電力の平均値や蓄電池３の残容量を算出する。これらを用いて、燃料電池１の運転状態を複数の段階に変えた場合のシミュレーション計算を行い、その結果に基づいて、最も低コストな発電量をリアルタイムで決定することにより、運転制御する。ここで、発電量は複数の段階１〜ｎで制御可能であるとする。
【００１７】
まず、単位時間あたりの発電コストＧＣ(ｉ)は、ガス単価Ｃｇ と発電段階ｉにおいて単位時間あたりに供給する燃料の量である燃料流量Ｆｇ(ｉ)を用いて、
ＧＣ(ｉ) ＝ Ｃｇ×Ｆｇ(ｉ)×(１−ηｈｅａｔ）      （１）
で与えられる。ここで、ηｈｅａｔ は排熱回収効率であり、すなわち給湯の価値を差し引いている。この場合に、制御装置５は、貯湯槽２の空き容量や貯湯槽２への給湯量等をモニタし、貯湯槽２への給湯、貯湯槽２からの排湯等の制御を行う。しかしながら、貯湯槽２が容量満杯である場合には、湯を捨てなくてはならないため、単位時間あたりの発電コストは、
ＧＣ(ｉ) ＝ Ｃｇ×Ｆｇ(ｉ)                         （２）
で与える。
【００１８】
次に、前記発電コストＧＣ(ｉ)に蓄電池３の充放電コストを加減算することによって、エネルギーコストを算出する。各発電量に対する蓄電池３の充放電電力は、その発電段階における送電端発電電力および電力変換装置４の効率等から算出される。蓄電池３における単位電力量あたりの充放電電力の価値は、その時刻における蓄電池３の残容量ＲＣｂ(ｔ)を用いて、
ｃｂｅ(ｔ) ＝ Ｃｂｅ−Ｋｂｅ×ＲＣｂ(ｔ)           （３）
のように定義する。ここで、Ｃｂｅ、Ｋｂｅ は制御定数である。すなわち、充放電電力価値は、蓄電池が満充電に近づく程低くなり、蓄電残容量が少なくなる程高くなる。したがって、満充電に近づく程、充電電力の価値が低くなるため発電量を減少させる傾向となる。また、蓄電残容量が少なくなる程、放電電力の価値が高くなるため発電量を増加させる傾向となる。
【００１９】
このように充放電価値を定義することによって、蓄電池３が満充電あるいは過放電になるのを未然に防ぐことができる。また、蓄電池の充電量と放電量とを一日のうちでバランスさせることもできる。
【００２０】
燃料電池の各発電段階ｉにおける送電端発電電力Ｐｓ(ｉ)と負荷装置群６の消費電力ＰＬ(ｔ)との大小関係によって、蓄電池３に充電されるか放電されるかが決まる。ここで、Ｐｓ(ｉ)は燃料流量Ｆｇ(ｉ)によって定まる。したがって、発電段階ｉにおける単位時間あたりのエネルギーコストＥＣ(ｉ)は、
ＰＬ(ｔ)≦Ｐｓ(ｉ)のとき、
ＥＣ(ｉ) ＝ Ｃｇ×Ｆｇ(ｉ)×(１−ηｈｅａｔ）
＋(Ｃｂｅ −Ｋｂｅ×ＲＣｂ(ｔ))×(ＰＬ(ｔ)−Ｐｓ(ｉ)）    （４）
ＰＬ(ｔ)＞Ｐｓ(ｉ)のとき、
ＥＣ(ｉ) ＝ Ｃｇ×Ｆｇ(ｉ)×(１−ηｈｅａｔ）
＋(Ｃｂｅ−Ｋｂｅ×ＲＣｂ(ｔ))×(ＰＬ(ｔ)−Ｐｓ(ｉ))/ηｄｃｈｇ  (５)
で与えられる。ここでは、燃料電池１から電力負荷装置群６への送電端までの変換効率は、燃料電池１から蓄電池３までの充電効率と等しいとしている。蓄電池３から電力負荷装置群６への送電端までの放電効率はηｄｃｈｇ として考慮している。このような変換効率や充放電効率は、このように定数として簡略化して算出してもよいし、発電量や充放電量に対する効率特性を考慮してもよい。
【００２１】
また、ＰＬ(ｔ）は時刻ｔにおける負荷電力であるが、家庭用等のように時間変動が大きい場合には平均値を用いてもよく、これにより制御の安定性を図ることができる。しかし、あまり平均時間を長くし過ぎると制御応答が遅くなるため、評価に適切な時間に設定する必要がある。また、負荷電力を測定したデータベースを用いて、電力需要を予測して算出してもよい。このようにして得られる評価関数であるエネルギーコストが最小値となる発電量を選択し、その発電量に必要な燃料ガス流量に制御する。
【００２２】
また、燃料電池の起動には数十分かかるため、停止するかどうかの判断には起動特性を考慮する必要がある。起動時に必要とされるエネルギーは、発電中には内部で保持され、停止する際に捨てられるとする。停止した場合に、発電を続けた場合に比べて全体での燃料を節約できる最低時間は、起動時に必要とされる燃料量ＧＶｓｕと燃料電池の補機、すなわち、発電反応を行う燃料電池以外の燃料改質器や熱交換器等における固定消費電力を発電するための燃料流量Ｆｇ(０)に依存し、
Ｔｓｔｏｐ ＝ ＧＶｓｕ/Ｆｇ(０)                      （６）
で概算することができる。この停止時間Ｔｓｔｏｐ の間に均等に起動時に要したエネルギーを捨てていくとし、緊急の場合を除きこの期間は発電開始を行わないとする。したがって、発電段階が零のときのエネルギーコストは、
発電中には、
ＥＣ(０）＝ Ｃｇ×Ｆｇ(０)
＋(Ｃｂｅ−Ｋｂｅ×ＲＣｂ(ｔ))×ＰＬ(ｔ)/ηｄｃｈｇ    (７)
発電中止中には、
ＥＣ(０）＝ (Ｃｂｅ−Ｋｂｅ×ＲＣｂ(ｔ))×ＰＬ(ｔ)/ηｄｃｈｇ    (８)
により算出する。
【００２３】
以上のように起動特性を考慮することによって、起動停止を繰り返したり、発電量を必要以上に変動させたりすることなく、効率的な発電パターンで運転制御することが可能となる。
【００２４】
図２に、発電段階を決定するためのフローチャートを示す。図において、
制御開始（Begin）後、負荷装置群６の消費電力ＰＬ(ｔ)と蓄電池３の残容量ＲＣｂ(ｔ)とを測定データにもとづいて算出する。
【００２５】
つぎに、システムが発電中か否かを判断し、発電中であれば式（７）に従い、否であれば式（８）に従って、発電段階が零のときのエネルギーコストＥＣ(０）を算出する。
【００２６】
つぎに、発電段階ｉ＝１とし、貯湯槽２が容量満杯であるか否かを判断し、満杯であれば式（２）に従い、否であれば式（１）に従って、発電段階がｉのときの発電コストＧＣ(ｉ）を算出する。
【００２７】
つぎに、送電端発電電力Ｐｓ(ｉ)が負荷装置群６の消費電力ＰＬ(ｔ)よりも大であるか否かによって、蓄電池３が充電されるか否かを判断し、充電される場合には式（１）および（４）に従い、否の場合には式（１）および（５）に従って、エネルギーコストＥＣ(ｉ）を算出する。
【００２８】
つぎに、ｉがｎに等しいか否かを判断し、ｉがｎに等しくなければｉに１を足して貯湯槽２が容量満杯であるか否かを判断するステップにまで戻り、ｉがｎに等しければ、ＥＣ(１）、…ＥＣ(ｎ）の中から最小のＥＣ(ｋ）を選び出し、その発電段階ｋとその段階におけるエネルギーコストＥＣ(ｋ）を出力し、発電段階決定の流れを終了（End）する。
【００２９】
上記の発電段階決定の流れによって、発電停止したときと各発電段階におけるエネルギーコストをそれぞれ算出し、最低のエネルギーコストとなる発電段階ｋを選択して、発電制御を行う。具体的には、発電継続の場合には、燃料流量をＦｇ(ｋ)に設定して燃料電池１を運転する。これにより、図３に示す結果の一例のように、安定な発電パターンにより制御することができる。ここで生成される発電パターンは、各時刻においてエネルギーコストが最低となるように発電量を決定したため、一日トータルにおいてもエネルギーコスト面において最適に近く、また必要以上に発電量の変更、特に燃料電池の起動・停止の繰り返しを行うことがないため、それによるエネルギー損失が少ない。図３に示す電力負荷以外の様々な負荷パターンに対しても同様に、低コストで効率的な発電パターンに制御することができる。
【００３０】
図４には、蓄電池３の代わりに、図１に示した電力系統７を用いた場合のフローチャートを示す。ここでは、電力変換装置４から電力系統７への送電すなわち逆潮流が可能な場合を示す。
【００３１】
図４に示したフローチャートが図３に示したフローチャートと異なる点は、「蓄電池３が充電されるか否か」が「逆潮流されるか否か」に変わり、それぞれの場合のエネルギーコストＥＣ(ｉ）の算出式が異なることのみである。この場合に、ＥＣ(ｉ）は、逆潮流される場合には、
ＥＣ(ｉ) ＝ ＧＣ(ｉ) −Ｃｅ'(ｔ)×(Ｐｓ(ｉ)−ＰＬ(ｔ)）
に従い、逆潮流されない場合には、
ＥＣ(ｉ) ＝ ＧＣ(ｉ) ＋Ｃｅ(ｔ)×(ＰＬ(ｔ)−Ｐｓ(ｉ)）
に従って算出される。ここで、Ｃｅ(ｔ)とＣｅ'(ｔ)は、それぞれ、受電と送電（逆潮流）の場合の電力単価である。電力単価Ｃｅ(ｔ)、Ｃｅ'(ｔ) は受電と送電すなわち買電と売電により異なり、時間帯により変動する。通常、買電単価は売電単価より高く、また電力ピーク時に高価になり、夜間には安価になる。また、電力単価は電力あるいは電力量にも依存する場合も有る。これらの電力価格変動を反映した最低のエネルギーコストとなる発電段階ｋを選択して、発電制御を行う。
【００３２】
また、図２および図４の制御フローを組み合わせると、蓄電池３と電力系統７の両方を有効に利用することも可能となる。すなわち、エネルギーコストが最小となる燃料電池１の発電量および蓄電池３の充放電量の組み合わせを検索し、それらを目標値として制御を行う。
【００３３】
以上説明したように本発明は、発電コストから蓄電池の充放電電力の価値や給湯の価値を考慮したエネルギーコストが最小となる発電量を算出することによって、低コストな発電パターンを自動的に生成することができるため、効率的な発電制御を実現することができる。また、蓄電池を用いて自立運転するシステムに対しては、一日において蓄電池の充放電をバランスさせることができるため、蓄電池の過充電や過放電を自動的に防ぎ、残容量を安全な範囲で動作させることができる。また、電力系統との受送電が可能な場合のように、発電量と充放電量の複数の制御対象がある場合においては、エネルギーコストという一つの評価関数で扱えるので制御を単純化できるため、最適値算出を高速に行うことができる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の実施により、全体でのシステム効率を向上させる燃料電池システム制御法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明における蓄電池を用いたシステムの発電制御のフローチャートである。
【図３】負荷電力パターンの一例と、それに対応する本発明における発電パターンの結果を示すグラフである。
【図４】本発明における電力系統を利用したシステムの発電制御のフローチャートである。
【符号の説明】
１…燃料電池、２…貯湯槽、３…蓄電池、４…電力変換装置、５…制御装置、６…電力負荷装置群、７…電力系統、４１、４２…ＤＣ/ＤＣコンバータ、４３…ＤＣ/ＡＣインバータ。
【図１】
0003801910.tif 000002
【図２】
0003801910.tif 000003
【図３】
0003801910.tif 000004
【図４】
0003801910.tif 000005