JP2008066015A - 燃料電池システムの運転方法及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】需要予測に反して電力又は熱の消費がない状態が生じた場合に無駄な運転を防止する燃料電池システムの運転方法及び燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】過去の運転実績に基づいて、第１の所定時間先までの、電力需要及び熱需要を予測する工程と、予測した電力需要及び熱需要に基づいて燃料電池１５を運転する工程と、電力需要の予測値が第１の所定の値以上となる時間帯の第２の所定時間に渡って実際の消費電力が第１の閾値以下、かつ実際の消費熱量が第２の閾値以下のとき、又は、熱需要の予測値が第２の所定の値以上となる時間帯の第３の所定時間に渡って実際の消費熱量が第２の閾値以下、かつ実際の消費電力が第１の閾値以下のときに、燃料電池１５の運転を停止する燃料電池システムの運転方法、及びこの運転方法を制御する制御装置５０を備える燃料電池システム。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムの運転方法及び燃料電池システムに関し、特に無駄な運転を防止する燃料電池システムの運転方法及び燃料電池システムに関するものである。

近年の地球環境保全意識の高まりを背景に、地球温暖化抑制に資する燃料電池の普及が期待されている。燃料電池は水素と酸素との電気化学的反応により発電する電力を取り出す装置であり、電気化学的反応を行う際に熱を発生する。燃料電池に供給する水素は、都市ガスや灯油等の炭化水素系原料を改質器に導入し、高温下で改質することにより得ることが多い。それゆえ、燃料電池と改質器とをユニットとする燃料電池システムが構築されることが多い。燃料電池の発電を継続するには燃料電池を所定の温度に維持する必要があるため、冷却水を供給して発生した熱を奪うことが行われている。そして燃料電池で発生した熱を有効利用すべく、冷却水を供給して奪った熱をタンクに蓄熱し、必要に応じて熱需要に供給するコージェネレーションシステムを構築するのが一般的である。

燃料電池システムはその特性上、停止状態から発電が可能な状態となるまでに、改質器や燃料電池に供給するガス等を所定の温度に調整するため、１時間程度のリードタイムを要する。リードタイムの間は、燃料電池システムに燃料を投入する一方で発電や利用可能な発熱がないため、燃料ロスが発生する。したがって、燃料電池システムの起動、停止を頻繁に行うことは好ましくない。このような事情のもと、効率向上のため、過去の実績に基づいて電力需要及び熱需要を予測し、予測に従った燃料電池システムの起動及び運転を行うことにより効率の向上を図ることが行われつつある。

しかしながら、過去の実績に基づいた電力需要及び熱需要の予測に従い燃料電池システムの起動・運転をした場合であっても、例えば一般家庭において旅行に出かける等で例外的に電力需要及び熱需要が存在しない場合に、予測に従った燃料電池システムの起動・運転を行うと無駄な起動、運転となることが生じうる。

本発明は上述の課題に鑑み、需要予測に反して電力又は熱の消費がない状態が生じた場合に無駄な運転を防止する燃料電池システムの運転方法及び燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明に係る燃料電池システムの運転方法は、例えば図１乃至図３に示すように、水素と酸素との電気化学的反応により発電し発熱する燃料電池１５と、燃料電池１５で発生した熱を蓄える蓄熱槽３１と、を有する燃料電池システム１００の運転方法であって；過去の運転実績に基づいて、第１の所定時間先までの、電力需要及び熱需要を予測する工程（Ｓ２１）と；予測した前記電力需要及び熱需要に基づいて燃料電池１５を運転する工程（Ｓ２２）と；前記電力需要の予測値が第１の所定の値以上となる時間帯の第２の所定時間に渡って実際の消費電力が第１の閾値以下、かつ実際の消費熱量が第２の閾値以下のとき（Ｓ２３、Ｓ２４）、又は、前記熱需要の予測値が第２の所定の値以上となる時間帯の第３の所定時間に渡って実際の消費熱量が前記第２の閾値以下、かつ実際の消費電力が前記第１の閾値以下のとき（Ｓ３３、Ｓ３４）に、燃料電池１５の運転を停止する工程（Ｓ２５）とを備える。

このように構成すると、電力需要の予測値が第１の所定の値以上となる時間帯の第２の所定時間に渡って実際の消費電力が第１の閾値以下、かつ実際の消費熱量が第２の閾値以下のとき、又は、熱需要の予測値が第２の所定の値以上となる時間帯の第３の所定時間に渡って実際の消費熱量が第２の閾値以下、かつ実際の消費電力が第１の閾値以下のときに、燃料電池の運転を停止するので、需要予測に反して電力又は熱の消費がない状態で燃料電池を運転するという無駄を防止することができる。

また、請求項２に記載の発明に係る燃料電池システムの運転方法は、例えば図１に示すように、請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法において、前記電力需要の予測値と前記実際の消費電力との差が、商用電源４５に逆潮流する電力又は余剰電力を熱に変換するヒータ２４の消費電力として検出される。

このように構成すると、電力需要の予測値と実際の消費電力との差を検出しつつ余剰電力を適切に処理することができる。

また、請求項３に記載の発明に係る燃料電池システムの運転方法は、例えば図１に示すように、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムの運転方法において、前記熱需要の予測値と前記実際の消費熱量との差が、燃料電池１５を冷却する冷却媒体ｃ、ｗの熱を放熱する放熱器２８の放熱量で検出される。

このように構成すると、熱需要の予測値と実際の消費熱量との差を検出しつつ余剰熱量を適切に処理することができる。

上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、水素と酸素との電気化学的反応により発電し発熱する燃料電池１５と；燃料電池１５で発生した熱を蓄える蓄熱槽３１と；請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転方法を制御する制御装置５０とを備える。

このように構成すると、需要予測に反して電力又は熱の消費がない状態で運転するという無駄を防止することができる燃料電池システムとなる。

本発明によれば、電力需要の予測値が第１の所定の値以上となる時間帯の第２の所定時間に渡って実際の消費電力が第１の閾値以下、かつ実際の消費熱量が第２の閾値以下のとき、又は、熱需要の予測値が第２の所定の値以上となる時間帯の第３の所定時間に渡って実際の消費熱量が第２の閾値以下、かつ実際の消費電力が第１の閾値以下のときに、燃料電池の運転を停止するので、需要予測に反して電力又は熱の消費がない状態で燃料電池を運転するという無駄を防止することができる。

以下図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。

まず図１を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１００の構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１００を説明する系統図である。図１中、各機器をつなぐ実線は配管を、一点鎖線は電気ケーブルを、破線は制御信号を表す。燃料電池システム１００は、水素に富む改質ガスｇを生成する改質器１１と、水素と酸素との電気化学的反応により発電し発熱する燃料電池１５と、冷却水ｃと蓄熱媒体ｗとの間で熱交換をする熱交換器２１と、蓄熱槽としての貯湯タンク３１と、燃料電池システム１００を制御する制御装置５０とを備えている。

改質器１１は、原料燃料ｍと水蒸気（不図示）とを導入し加熱して改質することにより水素に富む改質ガスｇを生成する装置である。水素に富む改質ガスｇとは、水素を４０体積％以上、典型的には７０〜８０体積％程度含んだ、燃料電池１５に供給するガスである。改質ガスｇ中の水素濃度は８０体積％以上でもよく、すなわち燃料電池１５に供給したときに酸化剤ガスｔ中の酸素との電気化学的反応により発電可能な濃度であればよい。改質器１１には、原料燃料ｍを導入するための原料燃料管１２と、改質ガスｇを燃料電池１５に向けて導出する改質ガス管１３が接続されている。また、改質器１１は、改質に必要な改質熱を生成するための加熱部（不図示）を有している。

燃料電池１５は、典型的には固体高分子型燃料電池である。燃料電池１５は、図１では簡易的に示されているが、実際には、固体高分子膜を、改質ガスｇを導入する燃料極と酸化剤ガスｔを導入する空気極とで挟んで単一のセルが形成され、このセルを冷却部を介し複数枚積層して構成されている。燃料電池１５では、燃料極に供給された改質ガスｇ中の水素が水素イオンと電子とに分解し、水素イオンが固体高分子膜を通過して空気極に移動すると共に電子が燃料極と空気極とを結ぶ外部電線４１を通って空気極に移動して、空気極に供給された酸化剤ガスｔ中の酸素と反応して水を生成し、この反応の際に発熱する。この反応における、電子が外部電線４１を通ることにより、直流の電力を取り出すことができる。燃料電池１５には、直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナー４２が接続されている。また、燃料電池１５には、改質ガスｇを導入するための改質ガス管１３と、酸化剤ガスｔ（典型的には空気が用いられる）を導入するための酸化剤ガス管１４とが接続されている。また、燃料電池１５には、電気化学的反応による発熱を奪う冷却水ｃを循環する冷却水管１６が接続されている。冷却水管１６には、冷却水ｃを循環する冷却水ポンプ１８が配設されている。また、燃料電池１５は、制御装置５０との間で制御信号の受け渡しを行うための信号ケーブルが接続されている。

熱交換器２１は、冷却水ｃと蓄熱媒体ｗ（典型的には液体である水）との間で熱交換を行わせて、冷却水ｃの温度を下げ、蓄熱媒体ｗの温度を上げる機器である。熱交換器２１は、典型的にはプレート熱交換器が用いられるが、シェルアンドチューブ型、その他の熱交換器を用いてもよい。熱交換器２１には、冷却水ｃを導入し導出する冷却水管１６と、蓄熱媒体ｗを導入し導出する蓄熱媒体管２２とが接続されている。熱交換器２１を用いることにより冷却水管１６を密閉流路とすることができ、これにより酸素や不純物等の混入を防いで燃料電池１５を腐食から保護することができる。また、熱交換器２１を用いることにより、熱需要に送水する温水ｈとなる蓄熱媒体ｗと冷却水ｃとの縁を切ることができる。

貯湯タンク３１は、燃料電池１５における電気化学的反応で発生した熱を蓄えるタンクである。燃料電池１５で発生した熱は、冷却水ｃ及び熱交換器２１を介して蓄熱媒体ｗに伝達され、蓄熱媒体ｗに保有される形で貯湯タンク３１に蓄えられる。貯湯タンク３１には、蓄熱媒体ｗを導入し導出する蓄熱媒体管２２が接続されている。蓄熱媒体管２２は、蓄熱媒体ｗの導入側は貯湯タンク３１の上部、好適には頂部に接続されており、導出側は貯湯タンク３１の下部、好適には底部に接続されている。このように接続されることにより、貯湯タンク３１内の蓄熱媒体ｗに温度成層が形成される。貯湯タンク３１にはまた、内部に蓄えられた蓄熱媒体ｗを温水ｈとして熱需要（不図示）に向けて送水する温水供給管３２と、熱需要に送水して減少した水を補うための補給水を導入する補給水管３３が接続されている。温水供給管３２には、温水ｈを熱需要（不図示）に向けて圧送する温水ポンプ３４と、熱需要に送られる温水ｈの流量を検出する流量計３５が配設されている。流量計３５には、制御装置５０に流量信号を送信するための信号ケーブルが接続されている。また、温水供給管３２には、熱需要（不図示）に向けて送水する温水ｈを加熱するバックアップボイラ３６が配設されている。バックアップボイラ３６には、制御装置５０から制御信号を受信するための信号ケーブルが接続されている。

貯湯タンク３１には、蓄熱可能量を検出するために貯湯タンク３１内の熱媒体の温度を検出する温度検出器３８が配設されている。温度検出器３８は、貯湯タンク３１内を温度成層が形成される方向に仮想的に分割して蓄熱可能量を算出するために、複数のセンサー３８ａ〜３８ｆを有している。本実施の形態では、貯湯タンク３１内を仮想的に５分割とし、仮想的に区分した領域の境界にセンサーを配置したため、センサーを６個有している。センサーは、貯湯タンク３１内の仮想の分割数に応じた適切な数を設ければよい。

熱交換器２１より上流側の蓄熱媒体管２２には、蓄熱媒体ｗを熱交換器２１と貯湯タンク３１との間で循環させる蓄熱媒体ポンプ２３が配設されている。熱交換器２１より下流側の蓄熱媒体管２２には、逆潮ヒータ２４が配設されている。逆潮ヒータ２４は、燃料電池１５の発電電力が電力需要を上回っているときに、その上回っている余剰電力が商用電源４５に逆潮流することを防ぐために、余剰電力を熱に変換するために設けられている。

逆潮ヒータ２４の下流側の蓄熱媒体管２２には、三方弁２６が配設されている。三方弁２６の、蓄熱媒体管２２とは接続されていない接続口にはバイパス管２５が接続されている。バイパス管２５の他端は、蓄熱媒体ポンプ２３の吸い込み側の蓄熱媒体管２２に接続されている。バイパス管２５には、放熱器としてのラジエータ２８が配設されている。ラジエータ２８は、貯湯タンク３１内がもはや蓄熱できないほど蓄熱されているが燃料電池１５の運転を継続させる必要があるときに、冷却水ｃを燃料電池１５の冷却に必要な温度にするための冷熱を保有する蓄熱媒体ｗを熱交換器２１に供給すべく、蓄熱媒体ｗを強制的に冷却する装置である。ラジエータ２８には、制御装置５０から制御信号を受信するための信号ケーブルが接続されている。ラジエータ２８は、バイパス管２５に配設されたフロースイッチ（不図示）とインターロックされているファンを有している。蓄熱媒体ｗが貯湯タンク３１とバイパス管２５のいずれに導かれるかは、三方弁２６を切り替えることにより決まる。三方弁２６には、制御装置５０から制御信号を受信するための信号ケーブルが接続されている。

パワーコンディショナー４２には、燃料電池１５と接続されている外部電線４１の他に、交流電力を送電するケーブル４３及びケーブル４９が接続されている。ケーブル４３は、商用電源４５と電力負荷とを接続するケーブル４４に接続されている。すなわち、燃料電池による発電電力は系統電力と連系されている。連系点より上流のケーブル４４には、電力を検出する電力計４８が配設されている。電力計４８は、順潮流及び逆潮流の両方の電力を検出することができるように構成されている。電力計４８には、制御装置５０に電力信号を送信するための信号ケーブルが接続されている。ケーブル４９は逆潮ヒータ２４に接続されており、系統電力への逆潮流が許されていないときに燃料電池１５で発生した余剰電力を逆潮ヒータ２４に送電できるように構成されている。

制御装置５０は、燃料電池システム１００の運転を制御するための、計時手段、演算手段、データ保持手段を有している。典型的には、計時手段はタイマー、演算手段はＣＰＵ及びメモリー、データ保持手段はメモリーで構成されている。制御装置５０は、燃料電池１５、三方弁２６、ラジエータ２８、流量計３５、バックアップボイラ３６、温度検出器３８、電力計４８と、それぞれ信号ケーブルで接続されている。制御装置５０は、後述する燃料電池システムの運転方法を実行する。

引き続き図１を参照して、燃料電池システム１００の作用について説明する。燃料電池システム１００が起動すると、改質器１１に原料燃料ｍと水蒸気（不図示）とが導入され加熱されて、改質ガスｇが生成される。改質器１１の起動直後は改質ガスｇの組成が安定しないため、燃料電池１５に送らずに、改質器１１の加熱部（不図示）に送って燃焼させ、改質熱を生成することが好ましい。改質器１１で生成される改質ガスｇの組成が安定してきたら、改質ガスｇを燃料電池１５に導入すると共に、酸化剤ガスｔを燃料電池１５に導入する。すると燃料電池１５では、改質ガスｇ中の水素と酸化剤ガスｔ中の酸素との電気化学的反応により発電し、発熱する。発電した直流電力はパワーコンディショナー４２で交流電力に変換されて、系外の電力需要に送電され、あるいは酸化剤ガスｔを燃料電池１５に送気するブロワ（不図示）や燃料電池システム１００の冷却水ポンプ１８の動力として用いられる。

他方、冷却水ポンプ１８で圧送された冷却水ｃが燃料電池１５に導入され、電気化学的反応により発生した熱を奪い、温度が上昇して燃料電池１５から導出される。温度が上昇した冷却水ｃは熱交換器２１に導入され、ここで蓄熱媒体ｗと熱交換して温度が下がって熱交換器２１から導出され、再び燃料電池１５に導入される。熱交換器２１で冷却水ｃと熱交換して温度が上昇した蓄熱媒体ｗは、蓄熱媒体管２２を流れて貯湯タンク３１にその上部から導入される。冷却水ｃと熱交換器２１で熱交換するための温度が低い蓄熱媒体ｗは、貯湯タンク３１の下部から導出される。

貯湯タンク３１に導入された温度が上昇した蓄熱媒体ｗは、温水ｈとして系外の熱需要に温水ポンプ３４にて圧送される。このとき、温水ｈの温度が系外の熱需要が要求する温度に達していない場合は、バックアップボイラ３６で加熱される。貯湯タンク３１内には、系外の熱需要に送水されることにより減少した水量に相当する蓄熱媒体ｗ（典型的には補給水）が補給水管３３より補充される。

貯湯タンク３１内に温度が高い蓄熱媒体ｗが蓄えられ、冷却水ｃを冷却できるほど低い温度の蓄熱媒体ｗがないが燃料電池１５の運転を継続したい場合、制御装置５０は三方弁２６を切り替えて蓄熱媒体ｗを、貯湯タンク３１をバイパスしてラジエータ２８に流し、放熱させて所定の温度に降下させた後、熱交換器２１に導く。貯湯タンク３１内に冷却水ｃを冷却することができる温度の蓄熱媒体ｗが残存しているか否かは、温度検出器３８によって検出される。

次に図２を参照して、燃料電池システムの運転方法について説明する。なお、以下の説明においても適宜図１を参照することとする。図２は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの運転方法を説明するフローチャートである。まず、制御装置５０は、過去の運転実績に基づいて電力需要及び熱需要の予測をする（Ｓ２１）。燃料電池システム１００は、起動してすぐに燃料電池１５の発電を開始することはできず、改質ガスｇの生成や、燃料電池１５、改質ガスｇ、酸化剤ガスｔを所定の温度にするために１時間程度のリードタイムが必要である。リードタイムの間は燃料を消費する一方で発電及び発熱がないため、燃料ロスが発生する。このようなロスの発生を極力防いで、電力需要があるときに燃料電池１５が発電できる状態であるように、また、熱需要があるときに貯湯タンク３１に蓄熱されているように需要の予測を行う。なお、以下の説明において「燃料電池１５の運転」というときは、改質ガスｇを生成する改質器１１の運転も含むこととする。

過去の運転実績に基づいて電力需要及び熱需要の予測をする工程（Ｓ２１）においては、予測を第１の所定時間先まで行うが、この第１の所定時間は、典型的には２４時間（１日）である。第１の所定時間を２４時間としたのは、例えば家庭においては１日単位のサイクルで電力需要や熱需要が繰り返されることが多いからである。集合住宅や事務所あるいは工場などの場合であっても、一般的には１日単位で電力需要や熱需要が繰り返される。しかしながら、電力需要や熱需要が１日単位ではなく、例えば１週間を最小単位として繰り返されるときには、１週間単位で行ってもよく、あるいは４８時間、７２時間、９６時間、２週間、１ヶ月等、他の時間単位で行ってもよい。また、過去の実績は、季節、曜日、気温、天候等の、電力需要及び熱需要がほぼ同等となると考えられる諸因子を考慮して、その同等となると考えられる条件の範囲内における平均値で決定するとよい。このとき、ユーザーの不在等で、同じ条件下であっても例外的に実測値が予測値と大幅に異なった場合は除外して過去の実績を決定することで予測の精度を高めることができる。

電力需要及び熱需要の予測をしたら、制御装置５０は、予測した電力需要及び熱需要に基づいて燃料電池１５を運転する（Ｓ２２）。燃料電池１５の運転は、必ずしも予測した電力需要及び熱需要通りに行われるのではなく、典型的には、起動はリードタイムを考慮して電力需要及び熱需要に基いて行われ、定常運転時の発電は実際の電力需要及び熱需要に従った燃料電池１５の出力で運転が行われる。

燃料電池１５の運転を行うと（Ｓ２２）、制御装置５０は、電力需要の予測値が第１の所定の値以上となる時間帯の第２の所定時間に渡って実際の消費電力が第１の閾値以下か否かの判断を行う（Ｓ２３）。ここで「第１の所定の値」は、典型的には、待機電力として消費する電力を超え、ユーザーの電気機器の使用による消費電力があったと認識できる値であり、制御装置５０が過去の運転実績から適宜設定するが、ユーザーが一定の値（例えば２００Ｗ）を設定してもよい。「第１の閾値」は、典型的には、待機電力として消費する電力に誤差の分を加えた値である。「第２の所定時間」は、例えば、予測した電力需要のうち待機電力値を超えて電力需要が発生すると予測される時刻から、過去の運転実績からみて通常は遅くとも電力需要が発生すると思われる時刻までに誤差分を加えた時間であり、制御装置５０が過去の運転実績から適宜設定するが、ユーザーが一定の時間（例えば２時間）を設定してもよい。電力需要の予測値が第１の所定の値以上となる時間帯の第２の所定時間に渡って実際の消費電力が第１の閾値以下となっていない場合は、燃料電池１５を運転する工程（Ｓ２２）に戻る。

電力需要の予測値が第１の所定の値以上となる時間帯の第２の所定時間に渡って実際の消費電力が第１の閾値以下となっている場合は、制御装置５０は、実際の消費熱量が第２の閾値以下となっているか否かの判断を行う（Ｓ２４）。ここで「第２の閾値」は、典型的には、ユーザーが熱を利用していないときの消費熱量（通常は０Ｗ）に余裕分の熱量を加えた値である。実際の消費熱量が第２の閾値以下となっていない場合は、燃料電池１５を運転する工程（Ｓ２２）に戻る。

また図３に示すように、図２における電力需要の予測値が第１の所定の値以上となる時間帯の第２の所定時間に渡って実際の消費電力が第１の閾値以下か否かの判断を行う工程（Ｓ２３）、及び実際の消費熱量が第２の閾値以下となっているか否かの判断を行う工程（Ｓ２４）から判断の順序を代え、まず熱需要の予測値が第２の所定の値以上となる時間帯の第３の所定時間に渡って実際の消費熱量が第２の閾値以下か否かの判断を行い（Ｓ３３）、次に実際の消費電力が第１の閾値以下か否かの判断を行う（Ｓ３４）ようにしてもよい。図３は、図２と同様に燃料電池システム１００の運転方法を説明するフローチャートであり、図２と比べて上記判断の順序が異なっている以外は図２と同じである。ここで「第２の所定の値」は、典型的には、ユーザーの温熱の使用による熱消費があったと認識できる値であり、制御装置５０が過去の運転実績から適宜設定するが、ユーザーが一定の値を設定してもよい。また「第３の所定時間」は、例えば、予測した熱需要発生時刻から、過去の運転実績からみて通常は遅くとも熱需要が発生すると思われる時刻までに誤差分を加えた時間であり、制御装置５０が過去の運転実績から適宜設定するが、ユーザーが一定の時間（例えば２時間）を設定してもよい。

図３に示すフローチャートでは、燃料電池１５の運転を行うと（Ｓ２２）、熱需要の予測値が第２の所定の値以上となる時間帯の第３の所定時間に渡って実際の消費熱量が第２の閾値以下か否かの判断を行い（Ｓ３３）、熱需要の予測値が第２の所定の値以上となる時間帯の第３の所定時間に渡って実際の消費熱量が第２の閾値以下となっていない場合は、燃料電池１５を運転する工程（Ｓ２２）に戻る。他方、熱需要の予測値が第２の所定の値以上となる時間帯の第３の所定時間に渡って実際の消費熱量が第２の閾値以下となっている場合は、実際の消費電力が第１の閾値以下か否かの判断を行う（Ｓ３４）。実際の消費電力が第１の閾値以下となっていない場合は、燃料電池１５を運転する工程（Ｓ２２）に戻る。

ここで図４を参照して、第１及び第２の所定の値、第１及び第２の閾値、第２及び第３の所定時間の具体例を説明する。図４は電力需要及び熱需要の予測値を例示するグラフである。図中、符号Ｐｅが指す二点鎖線は電力需要の予測値の推移を、符号Ｐｈが指す一点鎖線は熱需要の予測値の推移を表しており、縦軸に電力値又は熱量を、横軸に時間を取っている。「第１の所定の値」は、例えば２００Ｗであり、図４では９時から１６時以外の時間に現れている。「第１の閾値」は、ユーザーが電気機器を使用していない（待機電力を除く）ときの電力に余裕分の電力を加えた値であり、例えば１００Ｗとする。電力予測では９時過ぎに需要がなくなった後１６時以降に需要が発生する（第１の所定の値以上になる）こととなっているが、例えば１８時になっても実際の消費電力が１００Ｗ以下で、かつ、実際の消費熱量が後述する第２の閾値以下であればユーザーの不在等で以後の電力需要の発生もないと判断する。この１８時で判断した場合における「第２の所定時間」は２時間である。

また、「第２の所定の値」は、例えば１００Ｗであり、図４では６時半から９時前まで、１７時半から１９時過ぎまで、及び２０時から２２時前までに現れている。「第２の閾値」は、典型的には、ユーザーが熱を利用していないときの熱量（すなわち消費熱量０）に余裕分の熱量を加えた値であり、例えばここでは５０Ｗとする。熱予測では、６時半から９時まで、及び１７時半から１９時過ぎまでと２０時から２２時までに需要が発生する。このとき、例えば８時になっても熱需要が５０Ｗ以下で、かつ、実際の電力需要が第１の閾値（例えば１００Ｗ）以下であればユーザーの不在等で以後の熱需要の発生もないと判断する。この８時で判断した場合における「第３の所定時間」は９０分である。あるいは、例えば１８時半になっても熱需要が５０Ｗ以下で、かつ、実際の電力需要が第１の閾値（例えば１００Ｗ）以下でありユーザーの不在等で以後の熱需要の発生もないと判断した場合は、「第３の所定時間」は６０分となる。

再び図２（図３）に戻って制御方法の説明を続ける。図２における実際の消費熱量が第２の閾値以下か否かの判断を行う工程（Ｓ２４）で第２の閾値以下となっている場合、又は、図３における実際の消費電力が第１の閾値以下か否かの判断を行う工程（Ｓ３４）で第１の閾値以下となっている場合は、制御装置５０は、燃料電池１５の運転を停止する（Ｓ２５）。このようにすると、例えば一般家庭において旅行に出かける等で例外的に予測に反して電力需要及び熱需要が存在しない場合に、そのまま予測に従った燃料電池１５の運転が継続されることがなく、燃料電池１５の無駄な運転を回避することができる。燃料電池１５の運転を停止したら、原則として所定期間燃料電池１５の運転を禁止する。続けてこのロジックを説明する。

燃料電池１５が停止したら、制御装置５０は、所定期間が経過したか否かを判断する（Ｓ２６）。所定期間は、例えば２４時間（１日）にするとよいが異なる期間を適宜設定してもよい。所定期間を２４時間とすると、１日単位のサイクルで繰り返されることが多い電力需要や熱需要の、例外的な日の燃料電池１５の運転を回避して、再び通常の制御により燃料電池１５の運転を行うことができる。あるいは、所定期間を、停止してからの相対的な時間ではなく、例えば午前３時までというように停止してから絶対的な時間までとしてもよい。所定期間が経過した場合は燃料電池１５を運転する工程（Ｓ２２）に戻り、電力需要及び熱需要の予測に基づいた燃料電池１５の運転を行い、上述した工程を以下に繰り返す。なお、所定期間が経過した場合に電力需要及び熱需要の予測をする工程（Ｓ２１）に戻り、改めて電力需要及び熱需要の予測をし直してもよい。

所定期間が経過していない場合は、制御装置５０は、リセットがあったか否かを判断する（Ｓ２７）。すなわち、所定期間中の燃料電池１５の停止状態は、ユーザー等によって解除することができる。リセットすることにより、所定期間経過前に通常の制御に戻すことができる。リセットがない場合は、燃料電池１５が停止している状態のまま所定期間が経過したか否かを判断する工程（Ｓ２６）に戻る。リセットがあった場合は燃料電池１５を運転する工程（Ｓ２２）に戻り、電力需要及び熱需要の予測に基づいた燃料電池１５の運転を行い、上述した工程を以下に繰り返す。なお、リセットされた場合に電力需要及び熱需要の予測をする工程（Ｓ２１）に戻り、改めて電力需要及び熱需要の予測をし直してもよい。

電力需要の予測値が第１の所定の値以上となる時間帯の第２の所定時間に渡って実際の消費電力が第１の閾値以下であることは、逆潮ヒータ２４の消費電力の有無で検出してもよい。電力需要の予測に基づいて燃料電池１５が運転しているときに電力需要がないと燃料電池１５で発電した電力が余剰電力となるが、このようにすると、電力需要の予測値と実際の消費電力との差を検出しつつ余剰電力を逆潮流させずに適切な処理をすることができる。また、電力計４８が故障した場合も消費電力が小さいことを検出することができる。

また、熱需要の予測値が第２の所定の値以上となる時間帯の第３の所定時間に渡って実際の消費熱量が第２の閾値以下であることは、ラジエータ２８の作動の有無で検出してもよい。熱需要の予測に基づいて燃料電池１５が運転しているときに熱需要がないと燃料電池１５で発生した熱が余剰熱となる場合があるが、このようにすると、ラジエータ２８を有するシステムにおいて、既存の装置で消費熱量が小さいことを検出することができる。

以上の説明では、燃料電池１５は固体高分子型燃料電池として説明したが、固体高分子型燃料電池の他、りん酸型燃料電池、固体酸化物形燃料電池等、他の種類の燃料電池も用いることができる。しかしながら、固体高分子型燃料電池とすると、比較的低温で運転でき、また装置が小型化できるので、家庭用、小規模集合住宅あるいは小規模事業所用に用いるのに好適である。

本発明の実施の形態に係る燃料電池システムを説明する系統図である。 本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの運転方法を説明するフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの運転方法を説明するフローチャートである。 電力需要及び熱需要の予測値を例示するグラフである。

符号の説明

１５ 燃料電池
２１ 熱交換器
２４ 逆潮ヒータ
２８ ラジエータ
３１ 貯湯タンク（蓄熱槽）
３８ 温度検出器
４５ 商用電源
５０ 制御装置
１００ 燃料電池システム
ｃ 冷却水（冷却媒体）
ｗ 蓄熱媒体（冷却媒体）

Claims (4)

1. 水素と酸素との電気化学的反応により発電し発熱する燃料電池と、該燃料電池で発生した熱を蓄える蓄熱槽と、を有する燃料電池システムの運転方法であって；
   過去の運転実績に基づいて、第１の所定時間先までの、電力需要及び熱需要を予測する工程と；
   予測した前記電力需要及び熱需要に基づいて前記燃料電池を運転する工程と；
   前記電力需要の予測値が第１の所定の値以上となる時間帯の第２の所定時間に渡って実際の消費電力が第１の閾値以下、かつ実際の消費熱量が第２の閾値以下のとき、又は、前記熱需要の予測値が第２の所定の値以上となる時間帯の第３の所定時間に渡って実際の消費熱量が前記第２の閾値以下、かつ実際の消費電力が前記第１の閾値以下のときに、前記燃料電池の運転を停止する工程とを備える；
   燃料電池システムの運転方法。
2. 前記電力需要の予測値と前記実際の消費電力との差が、商用電源に逆潮流する電力又は余剰電力を熱に変換するヒータの消費電力として検出される；
   請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
3. 前記熱需要の予測値と前記実際の消費熱量との差が、前記燃料電池を冷却する冷却媒体の熱を放熱する放熱器の放熱量で検出される；
   請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムの運転方法。
4. 水素と酸素との電気化学的反応により発電し発熱する燃料電池と；
   前記燃料電池で発生した熱を蓄える蓄熱槽と；
   請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転方法を制御する制御装置とを備える；
   燃料電池システム。

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