JP2006269275A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池発電装置を連続運転させたときと断続運転させたときとで、どちらがエネルギ効率上好ましいのかを高い精度で判定可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 熱と電力とを併せて発生する燃料電池発電装置１と、予測電力負荷及び予測熱負荷に基づいて燃料電池発電装置１を計画運転する制御手段５とが設けられている燃料電池システムであって、制御手段５は、燃料電池発電装置１の運転を一時停止し、その一時停止状態で待機した後で再起動するときの一時停止期間が長くなるほど、再起動時に要するエネルギが大きくなるように設定した再起動エネルギ、燃料電池発電装置１の運転を一時停止状態に移行させるときに要する停止動作エネルギ、及び、燃料電池発電装置１を一時停止状態で待機させる待機エネルギのうち、少なくとも再起動エネルギを考慮して、燃料電池発電装置１を計画運転するように構成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、熱と電力とを併せて発生する燃料電池発電装置と、予測電力負荷及び予測熱負荷に基づいて前記燃料電池発電装置を計画運転する制御手段とが設けられている燃料電池システムに関する。

需要家に対して熱と電気とを併せて供給するために、燃料電池発電装置やガスエンジン発電装置などの熱電併給装置を設けたコージェネレーションシステムがある。このようなコージェネレーションシステムにおいては、熱電併給装置から回収した熱によって需要家の予測熱負荷量を賄えるように、例えば、夜の入浴時間に先立って熱電併給装置を運転し、運転時に発生した熱を回収して貯湯ユニット４に蓄えておくような計画運転が行われている。しかし、需要家の実際の熱負荷が予測熱負荷と類似している場合には熱の過不足はほとんど発生しないものの、需要家が突発的に熱を使用した場合には貯湯ユニット４に熱が蓄えられておらず、補助加熱ボイラなどを用いて熱を発生させざるを得ない。

また、例えば、短い期間だけ少量の熱が必要になる場合など、熱電併給装置を稼動するよりも補助加熱ボイラを稼動させた方がエネルギ効率上好ましい場合には、補助加熱ボイラの計画運転が行われることもある。更に、上述のような短期間の熱負荷が繰り返し発生するとき、補助加熱ボイラの起動と停止とをその熱負荷毎に繰り返すとは限らず、補助加熱ボイラを起動するために要するエネルギを、エネルギ効率を悪化させる起動ロスとして考慮し、補助加熱ボイラを連続運転させた方がエネルギ効率上好ましいのか、又は、起動と停止とを各熱負荷毎に繰り返した方がエネルギ効率上好ましいのかを判定している。その結果、補助加熱ボイラをエネルギ効率上好ましい形態で稼動させることができる（例えば、特許文献１を参照）。

また、特許文献１には記載されていないものの、その思想を応用すると、燃料電池発電装置やガスエンジン発電装置などの熱電併給装置の起動ロスを考慮して、熱電併給装置を連続運転させた方がエネルギ効率上好ましいのか、又は、熱電併給装置を断続運転させた方が好ましいのかを判定する形態も考えられる。

特開２００４−２５７５９１号公報

従来のコージェネレーションシステムにおいては、装置を連続運転させた方がエネルギ効率上好ましいのか、又は、断続運転させた方がエネルギ効率上好ましいのかを、装置の起動ロスを考慮して判定しているものの、起動ロスの詳細については考慮されていない。つまり、状況によって起動ロスが変化することについて考慮されていないため、起動ロスを考慮に入れたことによる計画運転の精度向上の恩恵を受けきれていない。

特に、熱電併給装置として燃料電池発電装置を用いた場合には燃料電池温度や改質器温度がエネルギ効率に影響を及ぼすことになる。即ち、燃料電池を連続運転したときと、燃料電池を断続運転したときとで燃料電池温度や改質器温度を所望の発電出力を発生可能にするためにエネルギ効率が変化するだけでなく、燃料電池を停止してから再び起動するまでの停止期間の長さによっても起動ロスは変化することになる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、エネルギ効率上好ましい燃料電池発電装置の運転を高い精度で判定可能な燃料電池システムを提供する点にある。

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の第１特徴構成は、熱と電力とを併せて発生する燃料電池発電装置と、予測電力負荷及び予測熱負荷に基づいて前記燃料電池発電装置を計画運転する制御手段とが設けられている燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記燃料電池発電装置の運転を一時停止し、その一時停止状態で待機した後で再起動するときの一時停止期間が長くなるほど、再起動時に要するエネルギが大きくなる再起動エネルギ、前記燃料電池発電装置の運転を一時停止状態に移行させるときに要する停止動作エネルギ、及び、前記燃料電池発電装置を一時停止状態で待機させるときに要する待機エネルギのうち、少なくとも前記再起動エネルギを考慮して、前記燃料電池発電装置を計画運転するように構成されている点にある。

上記第１特徴構成によれば、制御手段が、少なくとも、燃料電池発電装置の運転を一時停止し、その一時停止状態で待機した後で再起動するときの一時停止期間が長くなるほど、再起動に要するエネルギが大きくなる再起動エネルギを考慮することで、燃料電池発電装置を運転するときに生じる損失を高い精度で見極めることができるようになる。更に、制御手段が、上記起動エネルギに加えて、燃料電池発電装置の運転を一時停止状態に移行させるときに要する停止作動エネルギ、及び、燃料電池発電装置を一時停止状態で待機させる待機エネルギを考慮した場合には、燃料電池発電装置を運転するときに生じる損失を更に高い精度で見極めることができるようになる。
従って、エネルギ効率上好ましい燃料電池発電装置の運転を高い精度で判定可能な燃料電池システムが提供されることになる。

本発明に係る燃料電池システムの第２特徴構成は、上記第１特徴構成に加えて、前記制御手段は、特定時刻から所定時間範囲において前記燃料電池発電装置を起動時刻から停止時刻まで１回稼動させる仮運転パターンの全パターンの各々に従って予測電力負荷を賄うように稼動させたときの予測エネルギ削減量を、前記再起動エネルギ、前記停止動作エネルギ、及び、前記待機エネルギのうち、少なくとも前記再起動エネルギを考慮して演算し、演算した前記予測エネルギ削減量に基づいて稼動停止が前記所定時間範囲において最大１回となるように前記燃料電池発電装置を計画運転するように点にある。

上記第２特徴構成によれば、制御手段は、特定時刻（例えば、午前零時）から所定時間範囲において熱電併給装置を起動時刻から停止時刻まで１回稼動させる仮運転パターンの全パターンを用いて燃料電池発電装置の稼動を制御するので、その制御は、燃料電池発電装置の稼動停止が所定時間範囲において最大１回となるものとなり、燃料電池発電装置の稼動、稼動停止が頻繁に発生するのを回避することができる。特に、燃料電池発電装置は、稼動、稼動停止を頻繁に繰り返すと、上記第１特徴構成による作用効果に関して説明したのと同様に、エネルギ効率が低下するだけでなくその耐久寿命も低下するが、このように稼動停止を制限することによって、そのエネルギ効率低下及び耐久寿命低下を抑えることができる。また、起動時刻から停止時刻まで１回稼動させる仮運転パターンの全パターンにおける予測エネルギ削減量の演算は予測電力負荷を賄う電主運転をベースにしたものであり、制御手段はかかる仮運転パターンの全パターンの各々に従って稼動させたときの予測エネルギ削減量を演算し、かかる予測エネルギ削減量に基づいて燃料電池発電装置を運転制御するので、その制御は充分な省エネルギを達成したものとなる。

本発明に係る燃料電池システムについて図面に基づいて説明する。
このエネルギ供給システムは、図１及び図２に示すように、電力と熱とを発生する熱電併給装置としての燃料電池１（本発明の「燃料電池発電装置」に相当）と、その燃料電池１が発生する熱を冷却水にて回収し、その冷却水を利用して、貯湯タンク２への貯湯及び暖房端末３への熱媒供給を行う貯湯ユニット４と、燃料電池１及び貯湯ユニット４の運転を制御する制御手段５などから構成されている。また、燃料電池１には、アルコールや炭化水素を含むガスなどの原料を改質して、燃料ガスとしての水素含有ガスを生成する改質器１ａが設けられている。

燃料電池１は、その出力を調整可能に構成され、その燃料電池１の電力の出力側には、系統連係用のインバータ６が設けられ、そのインバータ６は、燃料電池１の発電電力を商用系統７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ように構成されている。
商用系統７は、例えば、単相３線式１００／２００Ｖであり、受電電力供給ライン８を介して、テレビ、冷蔵庫、洗濯機などの電力負荷装置９に電気的に接続されている。
また、インバータ６は、発電電力供給ライン１０を介して受電電力供給ライン８に電気的に接続され、燃料電池１からの発電電力がインバータ６及び発電電力供給ライン１０を介して電力負荷装置９に供給するように構成されている。

受電電力供給ライン８には、電力負荷装置９の電力負荷を計測する電力負荷計測手段１１が設けられ、この電力負荷計測手段１１は、受電電力供給ライン８において商用系統７側に電流が流れる所謂逆潮流が発生するか否かをも検出するように構成されている。
そして、逆潮流が生じないように、インバータ６により燃料電池１から受電電力供給ライン８に供給される電力が制御され、発電電力の余剰電力は、その余剰電力を熱に代えて回収する電気ヒータ１２に供給されるように構成されている。

電気ヒータ１２は、複数の電気ヒータから構成され、冷却水循環ポンプ１５の作動により冷却水循環路１３を通流する燃料電池１の冷却水を加熱するように設けられ、インバータ６の出力側に接続された作動スイッチ１４によりＯＮ／ＯＦＦが切り換えられている。
また、作動スイッチ１４は、余剰電力の大きさが大きくなるほど、電気ヒータ１２の消費電力が大きくなるように、余剰電力の大きさに応じて電気ヒータ１２の消費電力を調整するように構成されている。
ちなみに、上記のように余剰電力を演算して、電気ヒータ１２の消費電力をその余剰電力以上となるように、作動スイッチ１４によりＯＮ／ＯＦＦが切り換えられるので、電力負荷計測手段１１で計測される電力負荷から、燃料電池１の発電電力を引き電気ヒータ１２の消費電力を加えた分の電力が、商用系統７から受電する受電電力により賄われることになる。

貯湯ユニット４は、温度成層を形成する状態で湯水を貯湯する貯湯タンク２、湯水循環路１６を通して貯湯タンク２内の湯水を循環させる湯水循環ポンプ１７、熱源用循環路２０を通して熱源用湯水を循環させる熱源用循環ポンプ２１、熱媒循環路２２を通して熱媒を暖房端末３に循環供給させる熱媒循環ポンプ２３、湯水循環路１６を通流する湯水を加熱させる貯湯用熱交換器２４、熱源用循環路２０を通流する熱源用湯水を加熱させる熱源用熱交換器２５、熱媒循環路２２を通流する熱媒を加熱させる熱媒加熱用熱交換器２６、ファン２７を作動させた状態でのバーナ２８の燃焼により貯湯タンク２内から取り出した湯水及び熱源用循環路２０を通流する熱源用湯水を加熱させる補助加熱用熱交換器２９などを備えて構成されている。

湯水循環路１６は、湯水を循環させる湯水循環ポンプ１７を備え、その一部が並列になるように分岐接続され、その接続箇所に三方弁１８が設けられており、分岐された一方側の流路には、ラジエター１９が設けられている。
そして、三方弁１８を切り換えることにより、貯湯タンク２の下部から取り出した湯水がラジエター１９を通過するように循環させる状態と、貯湯タンク２の下部から取り出した湯水がラジエター１９をバイパスするように循環させる状態とに切り換えるように構成されている。

貯湯用熱交換器２４においては、燃料電池１から出力される熱を回収した冷却水循環路１３の冷却水を通流させることにより、湯水循環路１６を通流する湯水を加熱させるように構成されている。
熱源用熱交換器２５においては、燃料電池１が発生する熱を回収した冷却水循環路１３の冷却水を通流させることにより、熱源用循環路２０を通流する熱源用湯水を加熱させるように構成されている。
補助加熱ボイラＪは、ファン２７、バーナ２８、補助加熱用熱交換器２９により構成されている。そして、貯湯タンク２内に湯が十分に貯湯されておらず、給湯装置３３へ供給される湯水の温度が設定温度以下であるときには、湯水が補助加熱ボイラＪによって加熱されることになる。
また、熱源用循環路２０には、熱源用湯水の通流を断続させる熱源用断続弁３７が設けられている。

冷却水循環路１３は、貯湯用熱交換器２４側と熱源用熱交換器２５側とに分岐され、その分岐箇所に、貯湯用熱交換器２４側に通流させる冷却水の流量と熱源用熱交換器２５側に通流させる冷却水の流量との割合を調整する分流弁３０が設けられている。
そして、分流弁３０は、冷却水循環路１３の冷却水の全量を貯湯用熱交換器２４側に通流させたり、冷却水循環路１３の冷却水の全量を熱源用熱交換器２５側に通流させることもできるように構成されている。

熱媒加熱用熱交換器２６においては、熱源用熱交換器２５や補助加熱用熱交換器２９にて加熱された熱源用湯水を通流させることにより、熱媒循環路２２を通流する熱媒を加熱させるように構成されている。
暖房端末３は、床暖房装置や浴室暖房装置などにて構成されている。

また、貯湯タンク２から取り出した湯水を給湯するときの給湯熱負荷を計測する給湯熱負荷計測手段３１が設けられ、暖房端末３での暖房熱負荷を計測する暖房熱負荷計測手段３２も設けられている。

そして、制御手段５は、燃料電池１の運転中には冷却水循環ポンプ１５を作動させる状態で、燃料電池１の運転及び冷却水循環ポンプ１５の作動状態を制御すると共に、湯水循環ポンプ１７、熱源用循環ポンプ２１、熱媒循環ポンプ２３の作動状態を制御することによって、貯湯タンク２内に湯水を貯湯する貯湯運転や、暖房端末３に熱媒を供給する熱媒供給運転を行うように構成されている。

ちなみに、給湯するときには、熱源用断続弁３７を閉弁した状態で貯湯タンク２から取り出した湯水を給湯するように構成され、貯湯タンク２から取り出した湯水を補助加熱ボイラＪにて加熱したり、貯湯タンク２から取り出した湯水に水を混合させて、リモコン操作部（図示せず）などにて設定されている給湯設定温度の湯水を給湯するように構成されている。
したがって、貯湯タンク２では、貯湯タンク２の容量の範囲内で、燃料電池１の出力に応じて追加された湯水から、給湯用として取り出された湯水を差し引いた分の湯水が貯湯されていることになる。

次に、図１〜図１３を参照して、本発明の燃料電池システムにおける燃料電池１の運転制御について説明する。
本発明のエネルギ供給システムにおいて、制御手段５は、計画運転対象期間内における、需要家の予測電力負荷及び予測熱負荷に基づいて燃料電池１を計画運転する計画運転モードを実行するように構成されている。
図２に示すように、制御手段５には、予測電力負荷演算部５１、予測熱負荷演算部５２、仮運転パターン読出部５３、予測エネルギ削減量演算部５４、最大予測エネルギ削減量選定部５５、仮稼動時間帯設定部５６、予測熱出力積算部５７及び記憶部６３が設けられている。
記憶部６３には、上記電力負荷計測手段１１、上記給湯熱負荷計測手段３１及び上記暖房熱負荷計測手段３２によって計測された過去の電力負荷データ及び過去の熱負荷データが記憶されている。予測電力負荷演算部５１は、記憶部６３に記憶されている需要家の過去の電力負荷データに基づいて将来の予測電力負荷を演算する。予測熱負荷演算部５２は、記憶部６３に記憶されている需要家の過去の熱負荷データに基づいて将来の予測熱負荷を演算する。この熱負荷には、給湯装置３３により温水を使用する給湯熱負荷と、暖房端末３により温水の熱を消費する暖房熱負荷とがあるが、本実施形態の説明では、説明を容易にするために、熱負荷として給湯熱負荷が発生する場合について説明する。そして、図３（ａ）に示すのが、予測電力負荷演算部５１が演算した時系列的な予測電力負荷であり、図３（ｂ）に示すのが、予測熱負荷演算部５２が演算した時系列的な予測熱負荷である。

仮運転パターン読出部５３は、記憶部６３に記憶された燃料電池１の仮運転パターンデータを読み出すように構成されている。具体的には、記憶部６３の仮運転パターンデータには、燃料電池１の計画運転が行われる計画運転対象期間（本実施形態では、０時〜２４時までの２４時間）において燃料電池１を起動時刻から停止時刻まで継続して１回稼動させる各種パターン、即ちパターン１〜パターン３００までの３００種類のパターンが登録されており、仮運転パターン読出部５３は、これら仮運転パターンを第１番目のパターン１から第３００番目のパターン３００まで一つずつ読み出すように構成されている。

予測エネルギ削減量演算部５４は、読み出した仮運転パターンに従って予測電力負荷を賄うように電主運転ベースでもって燃料電池１を仮運転したときの予測エネルギ削減量を演算するように構成されている。予測エネルギ削減量演算部５４が演算する予測エネルギ削減量（Ｐ）は、計画運転対象期間における予測電力負荷及び予測給湯熱負荷を賄うように商用系統７から買電するとともに補助加熱ボイラＪを稼動させたときの予測消費エネルギ量（Ｅ１）から、この予測電力負荷及び予測給湯熱負荷を賄うように所定パターンに従って燃料電池１を稼動させるとともに、不足する予測給湯熱負荷については補助加熱ボイラＪを稼動させ、不足する予測電力負荷については商用系統７から買電するときの予測消費エネルギ量（Ｅ２）を減算した値である。即ち、予測エネルギ削減量（ｐ）を数式で示すと、下記の数式（１）となる。

Ｐ＝Ｅ１−Ｅ２ ・・・（１）

この数式（１）において、燃料電池１を稼動しないときの予測エネルギ量（Ｅ１）は下記の数式（２）で表すことができる。

Ｅ１＝〔（計画運転対象期間における予測給湯熱負荷）／（補助加熱ボイラＪの給湯効率）〕＋〔（計画運転対象期間における予測電力負荷を賄う予測買電量）／（商用系統７の発電効率）〕 ・・・（２）

そして、燃料電池１を稼動するときの予測エネルギ量（Ｅ２）は下記の数式（３）で表すことができる。

Ｅ２＝（仮運転パターンに従って電主運転で燃料電池１を稼動させたときのエネルギ使用量）＋〔（燃料電池１を稼動させても不足して買電する必要がある残予測買電量）／（商用系統７の発電効率）〕＋〔（燃料電池１を稼動させても不足して補充する必要がある残予測給湯熱負荷）／（補助加熱ボイラＪの給湯効率）〕＋断続運転ロス・・・（３）

上記断続運転ロスは、燃料電池を連続運転以外の運転をさせるときに発生する損失である。例えば、上記断続運転ロスには、燃料電池の運転を一時停止させるときに要する燃料電池停止ロス（本発明の「停止動作エネルギ」に相当）、燃料電池を一時停止状態で待機させるときに要する燃料電池待機ロス（本発明の「待機エネルギ」に相当）、及び、燃料電池を一時停止状態の後で再起動するときに要する燃料電池起動ロス（本発明の「再起動エネルギ」に相当）がある。
上記燃料電池停止ロスは、燃料電池を停止させる際に改質器１ａのガス通流系を水蒸気、原料ガス（都市ガスなどの炭化水素系のガス）、不活性ガスなどでパージする工程において消費されるエネルギを含んでいる。具体的には、燃料電池１に設けられているファン、ブロワ、ポンプ、バルブなどの各種補機を駆動するためのエネルギである。
また、燃料電池待機ロスは、上述のように一時停止された状態にある燃料電池（改質装置）内を上述のようなパージ用ガスでパージした状態を維持するために要するエネルギを含む。具体的には、一時停止後、徐々に温度が下がるにつれてガス通流系内の圧力も低下するのだが、その都度、パージ用ガスをガス通流系に入れて、ガス通流系内の圧力が外部よりも高い状態に維持するためのエネルギである。
また更に、燃料電池起動ロスは、一時停止状態にある燃料電池１（及び改質器１ａ）をウォームアップし、所望の発電出力を発生可能な状態にするためのエネルギである。

図４には、燃料電池１を停止させてから所定の時間が経過した後で再起動するときに要するエネルギを示している。但し、燃料電池停止ロス及び燃料電池待機ロスについてはその和の時間経過に伴う積算値を示している。図４から分かるように、燃料電池停止ロス及び燃料電池待機ロスは、停止時に大きなエネルギが必要となった後は、再起動時まで小さなエネルギが積算されていくような時間変化を示している。また、燃料電池起動ロスは、一時停止してから再起動するまでの経過時間が長いほど、大きなエネルギが必要となっている。これは、主に、図５に示すように、燃料電池１の改質器温度が経過時間と共に低下して、本来の性能を発揮できる改質器温度に戻すまでに余分なエネルギが必要となるからである。

最大予測エネルギ削減量選定部５５は、予測エネルギ削減量演算部５４により演算された各仮運転パターンでの予測エネルギ削減量のうちの最大値を選定するように構成されている。そして、仮稼動時間帯設定部５６は、選定された最大予測エネルギ削減量に対応する仮運転パターンの稼動時間帯を仮稼動時間帯として設定し、この仮稼動時間帯が記憶部６３に記憶されるようにする。

予測熱出力積算部５７は、仮稼動時間帯にわたって予測電力負荷を賄うように電主運転ベースで運転したときに発生する予測熱出力を積算する。この予測熱出力は、貯湯タンク２に貯湯したときの放熱ロスを考慮したもの（この放熱ロスは予測給湯熱負荷に基づき、貯湯タンク２に貯湯される時間を勘案して演算され、このような放熱ロスを考慮した所謂予測有効貯湯熱量）であるのが好ましく、この放熱ロスは、貯湯タンク２に貯湯される時間が長くなるほど大きく、貯湯される時間が短くなるほど小さくなる。

制御手段５には、更に、現電力負荷演算部５８、発電出力設定部５９、現熱出力積算部６０、熱出力比較部６１が設けられている。現電力負荷演算部５８は電力負荷装置９の現時点の実際の電力負荷を演算し、この現電力負荷は電力負荷計測手段１１の計測データを用いて演算される。また、発電出力設定部５９は現電力負荷に基づいてこの現電力負荷を賄うように電主運転するときの燃料電池１の発電出力を設定し、現熱出力積算部６０は、燃料電池１を現電力負荷に基づき電主運転をベースに稼動させたときに発生する現熱出力を積算演算し、この現熱出力についても放熱ロスを考慮したもの（この放熱ロスも予測電力負荷に基づき、貯湯タンク２に貯湯される時間を勘案して演算され、このような放熱ロスを考慮した所謂現有効貯湯熱量）であるのが好ましい。

次に、図７及び図８のフローチャートを参照して、燃料電池システムにおいて行われる燃料電池１の運転制御について説明する。
このエネルギ供給システムにおいて、燃料電池１を計画運転モードで稼動させる制御を行うとき、まず、仮運転パターンを設定する計画運転対象期間を２４時間（一日）とし、その開始の所定特定時刻、例えば午前０時毎に予測エネルギ削減量の演算が行われるように構成されている。図７に示すステップＳ１において、仮稼動時間帯設定部５６は、上記特定時刻（本実施形態では午前０時）になると、予測エネルギ削減量が最大となるような燃料電池１の仮稼動時間帯の設定制御を実行する。図８には、仮稼動時間帯設定部５６が行う燃料電池１の仮稼動時間帯の設定制御のフローを示す。

図８のステップＳ１ａにおいて、予測電力負荷演算部５１は、記憶部６３に記憶されている過去の電力負荷データに基づいて、計画運転対象期間における時系列的な予測電力負荷を演算する。また、同じくステップＳ１ａにおいて予測熱負荷演算部５２は、記憶部６３に記憶されている過去の熱負荷データに基づいて、計画運転対象期間における時系列的な予測熱負荷を演算する。図３（ａ）に示すのが、演算された予測電力負荷であり、図３（ｂ）に示すのが、演算された予測熱負荷である。尚、実施形態では、予測電力負荷及び予測熱負荷を演算する時間帯を１時間とし、１時間単位で予測電力負荷及び予測熱負荷を演算しているが、例えば０．５時間単位、０．２５時間単位などの適宜の時間単位に設定することができる。

次に、ステップＳ１ｂにおいて仮運転パターン読出部５３は、記憶部６３に記憶された燃料電池１の仮運転パターンデータを読み出す。仮運転パターンは、図４に示すように、計画運転対象期間（本実施形態において２４時間）において燃料電池１が１回稼動するパターンである。例えば、午前０時〜午前１時の期間（時間帯「１」）のみを稼動させるパターン１（起動時刻が午前０時、停止時刻が午前１時）や、午前０時〜午前２時の時間帯（時間帯「１」及び「２」）のみを稼動させるパターン２（起動時刻が午前０時、停止時刻が午前２時）、午前０時〜午前３時の時間帯（時間帯「１」、「２」及び「３」）のみを稼動させるパターン３・・・午前０時〜午後１２時の時間帯（時間帯「１」〜「２４」）を稼動させるパターン２４などがある。また、午前１時〜午前２時の時間（時間帯「２」）から稼動開始させるパターンとして、この時間帯「２」をのみを稼動させるパターン２５、午前１時〜午前３時の時間帯（時間帯「２」及び「３」）を稼動せるパターン２６・・・午前１時〜午後１２時の時間帯（時間帯「２」〜「２４」）を稼動させるパターン４７の２３種類がある。更に、午前２時〜午前３時の時間帯（時間帯「３」）から稼動開始させるパターンとしてはパターン４８〜パターン６９の２２種類があり、午前３時〜午前４時の時間帯（時間帯「４」）から稼動開始させるパターンとしてはパターン７０〜パターン９０の２１種類あり、このようにして一日の最後の午後２３時〜午後２４時の時間帯（時間帯「２４」）から稼動開始させるパターンとしてはパターン３００の１種類がある。このように、仮運転パターンはパターン１からパターン３００までの３００種類のものがある。

従って、ステップＳ１ｂにおいて仮運転パターン読出部５３が第１番目のパターン１を読み出すと、ステップＳ１ｃにおいて予測エネルギ削減量演算部５４は、読み出された仮運転パターンのパターン１に従って燃料電池１を仮運転したときの予測エネルギ削減量を演算する。即ち、予測エネルギ削減量演算部５４は、図３（ｃ）に示すように、予測電力負荷を賄うように電主運転で燃料電池１を仮運転したときの予測エネルギ削減量を演算する。この実施形態では、燃料電池１の定格発電出力が１０００Ｗに、最小発電出力が３００Ｗに設定されており、従って、予測電力負荷が１０００Ｗ以上のときには仮運転パターンにおける予測発電出力が１０００Ｗに、また予測電力負荷が３００Ｗ以下のときは仮運転パターンにおける予測発電出力が３００Ｗに設定される。

具体的には、仮運転パターンの第１番目のパターン１の場合、図９に示すように、時間帯「１」において燃料電池１が５００Ｗで稼動され、この発電出力で予測電力負荷が賄われるようになる。そして、この稼動によって燃料電池１は２３０３ｋＪの予測熱出力を発生し、この予測熱出力が貯湯ユニット４の貯湯タンク２に温水として貯えられるようになり、貯湯タンク２に貯えられていた初期貯湯蓄熱量（例えば、８３７４ｋＪ）と時間帯「１」にて発生した予測熱出力が、時間帯「９」において発生する予測給湯熱負荷（例えば、２７７１７ｋＪ）において消費され、不足する予測給湯熱負荷（例えば、１８２５９ｋＪ）が補助加熱ボイラＪの稼動によって賄われるようになる。この実施形態では、貯湯タンク２に貯えられている期間の放熱ロスが考慮されており、この放熱ロスが貯湯放熱量の欄に示され、予測タンク蓄熱量が時間の経過とともに放熱ロスだけ減少するようになる。
また、燃料電池１を起動するときの燃料電池起動ロスとして１．２ｋＷｈが含まれている。更に、燃料電池１の停止時に要する燃料電池停止ロス：０．５ｋＷと、停止後の待機状態を維持するのに要する燃料電池待機ロス：０．０１ｋＷとが含まれている。
本実施形態において、燃料電池起動ロスは、図４に示したように、燃料電池の運転を一時停止し、その一時停止状態で待機した後で再起動するときの一時停止期間（図４中では横軸の「時間経過」に相当する）が長くなるほど大きくなるように設定されている。図９に示したのは、一時停止期間が１２０分であった場合（前日の２２時に燃料電池が停止された場合）の例を示しているので燃料電池起動ロスは１．２ｋＷｈとなっているが、例えば、一時停止期間が６０分であった場合（前日の２３時に燃料電池が停止された場合）の燃料電池起動ロスは１．０ｋＷｈとなる。

このような場合、予測エネルギ量（Ｅ２）は、時間帯「１」の予測電力負荷は燃料電池１の稼動で賄われ、時間帯「２」から時間帯「２４」までの予測電力負荷は商用系統７からの買電によって賄われる。また、時間帯「９」の予測給湯熱負荷（計画運転対象期間内においては例えば時間帯「９」にてこの予測給湯熱負荷のみが発生するとする）の一部、例えば９４５８ｋＪについては貯湯タンク２に貯えられた温水（即ち、所定時刻時に予め貯えられていた熱量及び時間帯「１」における燃料電池１の稼動により発生した熱出力）により賄われ、この予測給湯負荷の残部、例えば１８２５９ｋＪについては補助加熱ボイラＪの稼動により賄われるようになる。これらを上記数式（３）に適用して、燃料電池１を稼動させたときの予測エネルギ量（Ｅ２）が演算され、この予測エネルギ量（Ｅ２）を用いて仮運転パターンのパターン１における予測エネルギ削減量を演算すると、図９に示すように２０９３ｋＪとなる。
また、図示はしないが、上述したように前日の２３時に燃料電池が一時停止されていた場合には、予測エネルギ削減量は２８０５ｋＪとなる。

上述のようにして予測エネルギ削減量演算部５４が、仮運転パターンのパターン１における予測エネルギ削減量を演算すると、次にステップＳ１ｄに移行して、仮運転パターンの全パターンについての読出しが行われたか否かが判断され、全パターンの読出し、及び、その仮運転パターンにおける予測エネルギ削減量の演算が終了するまでステップＳ１ｂ及びステップＳ１ｃが同様の手法で繰り返される。

例えば、仮運転パターンの第１番目（第２番目、第３番目・・・）のパターン１（パターン２，３・・・）についての予測エネルギ削減量の演算が行われると、次に第２番目（第３番目、第４番目・・・）のパターン２（パターン３，４・・・）の読出しが行われ、読み出されたパターン２（パターン３，４・・・）における予測エネルギ削減量の演算が上述したのと同様に行われる。
仮運転パターンの第２番目のパターン２の場合、図１０に示すように、予測エネルギ量（Ｅ２）は、時間帯「１」及び「２」の予測電力負荷が燃料電池１の稼動で賄われ、時間帯「３」から時間帯「２４」までの予測電力負荷が商業系統１２からの買電によって賄われる。また、時間帯「９」の予測給湯熱負荷の一部、例えば１２３４３ｋＪについては貯湯タンク２に貯えられた温水により賄われ、この予測給湯負荷の残部、例えば１５３７４ｋＪについては補助加熱ボイラＪの稼動により賄われるようになり、このときの予測エネルギ削減量は図１０に示すように２５１２ｋＪとなる。
また、仮運転パターンの第２４番目のパターン２４の場合、図１１に示すようになり、このときの予測エネルギ削減量は１２５６ｋＪとなり、更に仮運転パターンの第２５番目のパターン２５の場合、図１２に示すようになり、このときの予測エネルギ削減量は２３０３ｋＪとなり、仮運転パターンの最後のパターン３００の場合、図１３に示すようになり、このときの予測エネルギ削減量は８３７ｋＪとなる。

上述のようにして仮運転パターンの全パターンについての予測エネルギ削減量が演算されると、ステップＳ１ｅにおいて最大予測エネルギ削減量選定部５５は、仮運転パターンの各パターンについて演算された予測エネルギ削減量のうち最も大きい値を選定する。次に、ステップＳ１ｆにおいて仮稼動時間帯設定部５６は、選定された最大値の予測エネルギ削減量である仮運転パターンのパターンに対応する稼動時間帯を仮稼動時間帯として設定し、その仮稼動時間帯を記憶部６３に記憶させる。

上述したようにして仮稼動時間帯が設定された後は図７のステップＳ２に移行し、予測熱出力積算部５７は、仮運転パターンの選定パターンに従って燃料電池１を予測電力負荷を賄うように電主運転したときに発生する予測熱出力、換言すると貯湯タンク２に温水として貯湯される予測貯湯蓄熱量を積算し、この予測熱出力の積算値を記憶部６３に記憶させる。

その後、ステップＳ３において、設定された仮稼動時間帯の開始時刻になったと判定されると、ステップＳ３からステップＳ４に移行し、作動制御部６２は、稼動信号を生成してこの稼動信号に基づいて燃料電池１を稼動させる。その結果、燃料電池１の発電電力が電力負荷装置９で消費され（余剰電力が生じたときには、電気ヒータ１２によって温水として貯えられる）、燃料電池１から回収された熱が温水として貯湯ユニット４に貯えられる。燃料電池１のこの稼動は、電力負荷装置９で実際に消費される現時点の電力負荷（この現電力負荷として、現時点から所定時間、例えば５分前までの平均電力負荷を用いることができる）を賄うような電主運転で行われる。即ち、ステップＳ５において現電力負荷演算部５８は、現時点の電力負荷を演算し、ステップＳ６において発電出力設定部５９は、発電出力が現電力負荷と等しくなる（又は現電力負荷よりも幾分小さくなる）ように燃料電池１の発電出力を設定する。例えば、現電力負荷が５００Ｗであるときには、燃料電池１の発電出力は５００Ｗ（又は４６０Ｗ）に設定され、このようにして燃料電池１は現電力負荷を賄うように電主運転される。

次に、ステップＳ７において現熱出力積算部６０は、燃料電池１の稼動によって実際に生成される現熱出力をその稼動時から積算する。そして、ステップＳ８において熱出力比較部６１は、予測熱出力積算部５７による予測積算熱出力と現熱出力積算部６０による現積算熱出力とを比較する。現積算熱出力が予測積算熱出力よりも小さいときにはステップＳ９に移行し、設定された仮稼動時間帯の終了時刻に達したか否かが判断され、この終了時刻に達するまではステップＳ５にリターンして燃料電池１の稼動が継続される。また、ステップＳ９においてこの終了時刻に達したと判定されると、ステップＳ１０に移行して燃料電池１の稼動が停止されて、ステップＳ１１に移行する。

他方で、ステップＳ８において、燃料電池１の稼動によって現積算熱出力が予測積算熱出力以上になると、ステップＳ１０に移行し、所定熱出力を得るための燃料電池１の省エネルギ運転が行われたとして燃料電池１を稼動停止させる。そしてステップＳ１１において、上記所定時刻（計画運転対象期間の開始時刻）に達したか否かが判断され、この所定時刻に達したと判定されると、この図７に示す制御フローの初めにリターンする。

以上のように、燃料電池１を上述したように運転制御することによって、その稼動停止を計画運転対象期間である２４時間（一日）当たり最大１回とすることができ、稼動、稼動停止が頻繁に繰り返されることを回避することができる。
更に、本発明の燃料電池システムでは、予測エネルギ削減量を演算するとき、燃料電池停止ロス、燃料電池待機ロス、及び、燃料電池起動ロスのうち、少なくとも、燃料電池１の運転を一時停止し、その一時停止状態で待機した後で再起動するときの一時停止期間が長くなるほど、再起動時に要するエネルギが大きくなるように設定した燃料電池再起動ロスが考慮されるので、省エネルギになる運転を高い精度で見極めた上で、燃料電池１の計画運転が行われることになる。

＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態では、予測エネルギ削減量を演算し、予測エネルギ削減量が最大となるような計画運転を行うときに、燃料電池停止ロス、燃料電池待機ロス、及び、燃料電池起動ロスを考慮する場合について説明したが、計画運転は上述したものに限定されない。例えば、燃料電池を連続運転させる計画運転と、燃料電池を一時停止し、その一時停止状態で待機した後で再起動させるような計画運転とのどちらがエネルギ効率上好ましいのかを判定するときに、燃料電池停止ロス、燃料電池待機ロス、及び、燃料電池起動ロスを考慮すれば、高い精度でエネルギ効率の演算を行うことができる。

＜２＞
上記実施形態では、予測エネルギ削減量を演算するにあたり、燃料電池停止ロス、燃料電池待機ロス、及び、燃料電池起動ロスを考慮していたが、少なくとも燃料電池起動ロスを考慮に入れるだけでもよい。

本発明の燃料電池システムは、高い精度で導出されたエネルギ効率に基づいて、燃料電池を省エネルギで計画運転可能なシステムに利用できる。

燃料電池システムの概略構成図 燃料電池システムの制御ブロック図 予測電力負荷及び予測給湯熱負荷などを説明するための図 燃料電池を断続運転させるときのロスの時間変化を示すグラフ 改質器温度の時間変化を示すグラフ 仮運転パターンの各種パターンを示す図 燃料電池システムの制御を示すフローチャート 仮稼動時間帯の設定制御を示すフローチャート 仮運転パターンの第１番目のパターン１における予測エネルギ削減量の演算を説明するための図 仮運転パターンの第２番目のパターン２における予測エネルギ削減量の演算を説明するための図 仮運転パターンの第２４番目のパターン２４における予測エネルギ削減量の演算を説明するための図 仮運転パターンの第２５番目のパターン２５における予測エネルギ削減量の演算を説明するための図 仮運転パターンの第３００番目のパターン３００における予測エネルギ削減量の演算を説明するための図

符号の説明

１ 燃料電池（燃料電池発電装置）
５ 制御手段

Claims (2)

1. 熱と電力とを併せて発生する燃料電池発電装置と、予測電力負荷及び予測熱負荷に基づいて前記燃料電池発電装置を計画運転する制御手段とが設けられている燃料電池システムであって、
   前記制御手段は、前記燃料電池発電装置の運転を一時停止し、その一時停止状態で待機した後で再起動するときの一時停止期間が長くなるほど、再起動時に要するエネルギが大きくなる再起動エネルギ、前記燃料電池発電装置の運転を一時停止状態に移行させるときに要する停止動作エネルギ、及び、前記燃料電池発電装置を一時停止状態で待機させるときに要する待機エネルギのうち、少なくとも前記再起動エネルギを考慮して、前記燃料電池発電装置を計画運転するように構成されている燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、特定時刻から所定時間範囲において前記燃料電池発電装置を起動時刻から停止時刻まで１回稼動させる仮運転パターンの全パターンの各々に従って予測電力負荷を賄うように稼動させたときの予測エネルギ削減量を、前記再起動エネルギ、前記停止動作エネルギ、及び、前記待機エネルギのうち、少なくとも前記再起動エネルギを考慮して演算し、演算した前記予測エネルギ削減量に基づいて稼動停止が前記所定時間範囲において最大１回となるように前記燃料電池発電装置を計画運転するように構成されている請求項１記載の燃料電池システム。

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