JP2009206011A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池により電力の供給及び給湯を賄うことの有益性を考慮し、高負荷な予測システムを用いることなく経済的な運転を行うことを可能とする燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】燃料電池１の運転制御を行う制御装置３が、当日の電力需要の予測値を求める機能（ステップＳＡ２）と、当日の給湯需要の予測値を求める機能（ステップＳＡ４）と、燃料電池の予測起動時刻Ｔｓｔを求める機能（ステップＳＡ７）と、燃料電池による発電の停止時刻Ｔｓｐを推定する機能（ステップＳＡ８）と、燃料電池による発電を行った場合と燃料及び電気を別途購入した場合の当日の電力の供給および給湯に係る推定の費用を比較した結果に基づいて燃料電池による発電を行うか否かを決定する機能（ステップＳＡ１４）とを備えるようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池発電システムに関し、とくに定置用固体高分子形発電システム等の燃料電池コジェネレーションシステムに関する。

近年、燃料電池を用いて、一般住宅や、マンションなどの集合住宅等の小中居住環境において、電力の供給と給湯との両方を賄うための燃料電池発電システムが使用されるに至っている。この燃料電池発電システムでは、極力前記燃料電池により電力需要を賄うことが目標であり、必要電力に不足が生じた場合には、系統から不足電力を購入し、逆に発電量が過剰になった場合には、系統へ過剰電力を供給するシステムが考えられている。

燃料電池の発電は、電力需要に追従するよう発電出力が制御されるが、発電効率は高発電出力時において高くなる。したがって、燃料電池発電システムでは、効率的には、高発電出力時間をなるだけ長く維持することが望ましいことになる。換言すれば、燃料電池発電システムでは、電力需要のピークである時間帯に可能な限り長く運転することが、省エネルギー性および経済性向上にとって、重要となる。

また、燃料電池は、発電に伴って発熱するので、その発熱エネルギーを有効利用するために熱回収し、得られた湯を風呂や炊事などに用いる。このように燃料電池発電システムでは、湯の生成は、燃料電池の発電に伴う発熱エネルギーを利用して行われるので、発電出力と生成する湯の量（以降、生成湯量という）は比例する。そのため、高出力時には、生成湯量も増加することになる。

前述のように燃料電池から生成するエネルギーは、電力と熱とであり、どちらのエネルギーも可能な限り有効に利用しなければ、燃料電池発電システムのエネルギー利用効率を損なうことになる。このエネルギー利用効率をできるだけ向上させるように運転することが、燃料電池発電システムの運転方法の大きな目的である。

例えば、生成した湯を貯湯する貯湯槽の容積にもよるが、冬場は一般的に熱の利用が多くなるため、燃料電池発電システムを連続運転させることでエネルギー利用効率を向上させる一方、夏場は一般的に熱の利用が少なくなるため、燃料電池発電システムの稼動・停止を毎日実施するような運転（Daily Start Stop運転。以降、ＤＳＳ運転と略称する）を行う等の運転計画が必要となる。

さらに、燃料電池発電システムでは、貯湯量が満杯になった以後も発電を続けると、無駄に湯を捨てなければならないことになるので、貯湯量が満杯になった時点で、燃料電池の運転を停止するように設定している。燃料電池発電システムが停止した後に、貯湯量が不足することになった場合は、湯を生成するために、バックアップバーナーで追い焚きする等の別途給湯エネルギーを用いなければならず、居住生活全体における経済性が低下する。

このように、燃料電池発電システムを経済的に運転するためには、電力需要が高い時間帯に運転するばかりでなく、同時に給湯需要が高い時間帯の前に十分な湯を貯蓄し、湯切れを避けることが重要となる。また、燃料電池では、運転開始後すぐに発電出力が得られるわけではなく、起動時間が必要である。そのため、前述のような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。

このような燃料電池発電システムの特性に対して、一般の居住生活のサイクルでは、一日の運転で夕刻から夜半にかけて電力需要のピークが訪れ、この電力需要のピークの時間帯と同じ時間帯に給湯需要のピークが訪れる。しかし、電力需要のピークが存在する時間帯と給湯需要のピークが存在する時間帯とは同じ時間帯にあるが、両者のピークは必ずしも重なるとは限らず、ピーク時間幅も異なる。したがって、燃料電池発電システムでは、一日の何時に発電を開始し、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。

これに対して、従来の燃料電池発電システムでは、電力需要、給湯需要に影響が大きいパラメータとして、年月日、季節、気温等を計測し、得られたデータを燃料電池装置内の記憶手段に蓄積してデータベースを作成し、このデータベースから抽出したデータを用いて予測値を求めて運転制御を行うようにしたものが公知となっている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３８９４８９２号公報

特許文献１に記載されたような従来の燃料電池発電システムにおいては、ＤＳＳ運転を行う場合に、上述したデータベースから抽出したデータに基づいて得られた予測値を用いて、一日に一回以上燃料電池発電システムを稼動させることを前提としている。しかしながら、湯の利用状況等によっては、系統から電力を購入し、別途給湯エネルギーを得たほうが、燃料電池による発電によって電力の供給と給湯を賄う場合に比較して低コストとなる可能性が考えられ、必ずしも燃料電池発電システムの利用が経済性の向上に繋がるとはいえないという問題があった。

また、特許文献１に記載された燃料電池発電システムにおいては、データベースに、予め設定した期間（例えば、一年間）に取得したすべてのパラメータの計測結果を蓄積する構成を採用しているため、制御に必要な記憶手段の記憶容量が大きくなり、コスト増加に繋がるという可能性が考えられた。

本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、その課題は、燃料電池により電力の供給及び給湯を賄うことの有益性を考慮し、高負荷な予測システムを用いることなく経済的な運転を行うことを可能とする燃料電池発電システムを提供することにある。

上記の課題を解決するための第１の発明に係る燃料電池発電システムは、水素と酸素を供給されることにより発電する燃料電池と、該燃料電池から発生する排熱を回収する熱回収手段と、該熱回収手段から得た熱によって加熱された湯を蓄える貯湯槽と、前記燃料電池の運転制御を行う制御手段と、電力需要を検出する検出手段と、給湯需要を検出する検出手段とを有する燃料電池発電システムにおいて、前記制御手段が、前記検出手段によって検出された過去複数日間の電力需要に基づいて当日の電力需要の予測値を求める電力需要予測機能と、前記検出手段によって検出された過去一日の給湯需要に基づいて当日の給湯需要の予測値を求める給湯需要予測機能と、前記電力需要の予測値、前記給湯需要の予測値、現在の残湯量の各データに基づいて前記燃料電池による発電を開始する起動時刻を求める起動時刻演算機能と、前記起動時刻、前記電力需要の予測値、前記給湯需要の予測値及び前記残湯量から、前記燃料電池による発電を停止する停止時刻を推定する停止時刻推定機能と、前記起動時刻および前記停止時刻で前記燃料電池による発電を行った場合に前記当日の電力の供給および給湯に掛かる推定の費用と、燃料及び電気を別途購入した場合に前記当日の電力の供給および給湯に掛かる推定の費用とを比較した結果に基づいて前記燃料電池による発電を行うか否かを決定する費用比較機能とを備えることを特徴とする。

上記の課題を解決するための第２の発明に係る燃料電池発電システムは、第１の発明において、前記制御手段が、前記給湯需要の予測値に基づいて予測される重心時刻を求める重心時刻演算機能を備え、前記起動時刻演算機能が、前記重心時刻に前記貯湯槽における貯湯量が最大となるように前記起動時刻を設定し、前記停止時刻推定機能が、前記重心時刻が経過した後の前記貯湯量が目標貯湯量に達するまで前記燃料電池による発電を継続するように前記停止時刻を設定するようにしたことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第３の発明に係る燃料電池発電システムは、第１又は第２の発明において、前記費用比較機能が、前記起動時刻および前記停止時刻で前記燃料電池による発電を行った場合と、前記起動時刻に予め設定する所定時間を加算した時刻で前記燃料電池による発電を開始した場合と、前記起動時刻から前記所定時間を減算した時刻で前記燃料電池による発電を開始した場合の前記当日に電力の供給および給湯に係る推定の費用を比較し、比較結果に基づいて前記燃料電池による発電を行うか否か、及び、前記燃料電池による発電を開始する時刻を決定するようにした制御装置を備えることを特徴とする。

上記の課題を解決するための第４の発明に係る燃料電池発電システムは、第１乃至第３のいずれかの発明において、前記電力需要予測機能が、前記検出手段によって過去複数週間における前記当日と同曜日に検出された電力需要に基づいて前記当日の電力需要の予測値を求め、前記給湯需要予測機能が、前記検出手段によって前週の同曜日に検出された給湯需要に基づいて前記当日の給湯需要の予測値を求めるようにした制御装置を備えることを特徴とする。

上記の課題を解決するための第５の発明に係る燃料電池発電システムは、第１乃至第３のいずれかの発明において、前記電力需要予測機能が、前記検出手段によって検出された複数日分の電力需要に基づいて自己回帰和分移動平均モデルを作成し、前記自己回帰和分移動平均モデルを用いて前記電力需要の予測に用いられる係数を算出し、算出された前記係数を用いて前記電力需要の予測値を求めるようにした制御装置を備えることを特徴とする。

上述した第１の発明に係る燃料電池発電システムによれば、一日の電力需要と、給湯需要を予測し、得られた予測値に基づいて燃料電池による発電を行わない場合に掛かると予測される費用と、燃料電池により最も効率よく発電を行った場合に掛かると予測される費用とを比較した結果に基づいて前記燃料電池による発電を行うか否かを決定するようにしたので、燃料電池による発電を行うことが有益であると認められる場合にのみ燃料電池による発電を実施することが可能となり、電力の供給および給湯に掛かるコストを抑制することができ、経済性の向上に繋がる。

また、上述した第２の発明に係る燃料電池発電システムによれば、前記制御手段が、前記給湯需要の予測値に基づいて予測される重心時刻を求める重心時刻演算機能を備え、前記起動時刻演算機能が、前記重心時刻に前記貯湯槽における貯湯量が最大となるように前記起動時刻を設定し、前記停止時刻推定機能が、前記重心時刻が経過した後の前記貯湯量が目標貯湯量に達するまで前記燃料電池による発電を継続するように前記停止時刻を設定する構成としたので、よりエネルギー効率、経済性を向上することができる。

また、上述した第３の発明に係る燃料電池発電システムによれば、前記費用比較機能が、前記起動時刻および前記停止時刻で前記燃料電池による発電を行った場合と、前記起動時刻に予め設定する所定時間を加算した時刻で前記燃料電池による発電を開始した場合と、前記起動時刻から前記所定時間を減算した時刻で前記燃料電池による発電を開始した場合の前記当日に電力の供給および給湯に係る推定の費用を比較し、比較結果に基づいて前記燃料電池による発電を行うか否か、及び、前記燃料電池による発電を開始する時刻を決定するようにした制御装置を備える構成としたので、燃料電池による発電を行うことによる有益性の有無をより高精度に求めることができるとともに、燃料電池による発電を実施する場合はエネルギー利用効率をより向上させることができる。

また、上述した第４の発明に係る燃料電池発電システムによれば、前記電力需要予測機能が、前記検出手段によって過去複数週間における前記当日と同曜日に検出された電力需要に基づいて前記当日の電力需要の予測値を求め、前記給湯需要予測機能が、前記検出手段によって前週の同曜日に検出された給湯需要に基づいて前記当日の給湯需要の予測値を求めるようにした制御装置を備える構成としたので、「週」を基本単位として曜日ごとに当日の電力需要、給湯需要の予測値を求めることにより、居住生活における生活パターンを反映した制御を行うことができ、より予測精度が向上する。

また、上述した第５の発明に係る燃料電池発電システムによれば、前記電力需要予測機能が、前記検出手段によって検出された複数日分の電力需要に基づいて自己回帰和分移動平均モデルを作成し、前記自己回帰和分移動平均モデルを用いて前記電力需要の予測に用いられる係数を算出し、算出された前記係数を用いて前記電力需要の予測値を求めるようにした制御装置を備える構成としたので、制御装置に蓄積するデータ量を低減することが可能となり、高負荷な予測システムを用いる必要がなく、制御装置内の記憶容量を低減が可能となりコスト抑制に繋がる。

以下に、本発明に係る燃料電池発電システムの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１及び図２を用いて本発明の第１の実施例について説明する。図１は、本発明にかかる燃料電池発電システムの全体構成図、図２は本発明にかかる燃料電池発電システムの運転制御の流れを示すフローチャートである。

図１に示すように、本発明にかかる燃料電池発電システムは、水素と酸素を供給されることにより発電する燃料電池（ＦＣスタック）１と、該燃料電池１から発生する排熱を回収する熱回収手段としての熱回収装置２と、前記燃料電池１の運転制御を行う制御手段としての制御装置３と、電力需要を検出する電力需要検出手段４と、給湯需要を検出する給湯需要検出手段５とを有する燃料電池発電システムである。

前記燃料電池１には空気（酸素）６が供給されるとともに、改質ガス（水素）７が供給される。前記改質ガス７としては、調節バルブ８を介して供給された原料ガス９が改質器１０によって改質されたガスが用いられる。燃料電池１から排出された改質ガス７ａは改質器１０で燃焼され改質器の熱源として利用される。改質器１０への原料ガス９の供給量は、本発明のシステムに従って制御装置３からの指令により調節バルブ８の開閉が調節されることにより適宜に設定される。

前記燃料電池１が発電した電力は、電気配線１１を介して照明装置、暖房装置、冷房装置などの電気負荷１２に供給される。前記電気配線１１には前記電力需要検出手段４が接続されており、燃料電池１から出力され電力需要検出手段４によって検出されたた電力の使用量の実測値は電力需要データとして前記制御装置３に送られ、制御装置３内に複数日等の所定期間（例えば、本実施例では２日間）蓄積される。

前記燃料電池１の排熱は、循環ポンプ１３によって循環流路１４中を循環される冷却水１５によって熱回収される。前記循環流路１４には前記熱回収装置（熱交換器）２が介装されており、この熱回収装置２により隣接の循環流路１６中の水１７に前記燃料電池１から運び出された排熱が伝達される。循環流路１６中の水１７は循環ポンプ１８によって循環され、前記熱回収装置２から熱交換されて湯１９となる。湯１９は貯湯槽２０に貯湯される。

前記貯湯槽２０中の湯は、給湯配管２２を介して、風呂、炊事場、洗面所などの給湯設備に供給される。消費された湯量分、水道水２１が補給される。前記貯湯槽２０内の貯湯量は、貯湯槽２０の上下部に取り付けられている差圧計２３ａ，２３ｂにより検出されるようになっており、その検出データは前記制御装置３に送られる。制御装置３内では、予め計測された循環ポンプ１８の循環量と燃料電池１の発電出力と熱電比から生成湯量を求めることができ、前記貯湯量時間変化量から給湯の使用量を求めることができる。得られた給湯使用量は給湯需要データとして制御装置３内に所定期間（例えば、１日間）蓄積される。

なお、上述した制御装置３内に蓄積される電力需要データ、給湯需要データは、それぞれあらかじめ設定された期間を経過すると順次削除されるように構成されている。また、この制御装置３には、給湯に係る燃料（灯油、ガス等）を購入する場合の該燃料の単価Ｃｆ円／Ｎｍ³、および、電力を購入する場合の電気の単価Ｃｅ円／ｋＷｈを予め入力し、制御装置３内に保管しておくものとする。

本実施例の燃料電池発電システムの運転制御は、「前日」から順次遡った過去数日間として「前日」および「前々日」の電力需要データに基づいて算出した電力需要の「当日」の予測値と、「前日」の給湯需要データを用いて求めた給湯需要の「当日」の予測値と、現時点で貯湯槽２０に残っている湯量（以降、残湯量という）とに基づいて燃料電池１の最適な起動時刻・停止時刻を推定し、この起動時刻・停止時刻に基づいて燃料電池発電による発電を行った場合と、燃料電池による発電を行わずに給湯に係る燃料（灯油、ガス等）と電力とを購入した場合とで、電力の供給と給湯に掛かる一日の総コストの予測値をそれぞれ比較し、その結果、燃料電池１による発電を行ったほうがコストを抑えられると予測される場合にのみ、その日の燃料電池１による発電を行うことを特徴とするものである。

即ち、本実施例の制御装置３は、電力需要検出手段４によって検出された電力需要に基づいて「当日」の電力需要の予測値を求める電力需要予測機能と、給湯需要検出手段５によって検出された給湯需要に基づいて「当日」の給湯需要の予測値を求める給湯需要予測機能と、電力需要の予測値、給湯需要の予測値、現在の残湯量の各データに基づいて、燃料電池１による発電を開始する起動時刻を求める起動時刻演算機能と、起動時刻、電力需要の予測値、給湯需要の予測値及び残湯量から、燃料電池１による発電を停止する停止時刻を推定する停止時刻推定機能と、「当日」の電力の供給および給湯を、燃料電池１による発電を上記起動時刻および上記停止時刻で行った場合に掛かる推定の費用と、燃料及び電気を別途購入した場合に掛かる推定の費用を比較した結果に基づいて燃料電池１による発電を行うか否かを決定する費用比較機能とを備えている。

以下に、本実施例の燃料電池発電システムの制御装置３による運転制御の一例を、図２に示したフローチャートを参照して詳しく説明する。

本実施例の制御装置３では、一例として、午前０時０分から「当日」の電力需要および給湯需要の予測値を求める処理を開始する。なお、電力需要および給湯需要の予測を開始する時間は、利用者の使用状況等に応じて適宜設定可能であることはいうまでもない。

電力需要の予測値は、前記制御装置３内に蓄積されている「前日」および「前々日」の電力需要データを取得し（ステップＳＡ１）、この「前日」および「前々日」の電力需要データに基づいて電力需要予測機能により演算を行うことにより求める。電力需要予測機能による演算では、「前日」および「前々日」の電力需要データから、時系列データを予測する手段として公知である、いわゆる「自己回帰和分移動平均モデル」を作成し、作成した「自己回帰和分移動平均モデル」を利用して電力需要の予測に用いる係数（以下、パラメータ）を求め、このパラメータを用いて「当日」の電力需要の予測値を取得する（ステップＳＡ２）。

また、給湯需要の予測値は、制御装置３内に蓄積されている「前日」の給湯需要データを取得し（ステップＳＡ３）、この「前日」の給湯需要データを「当日」の給湯需要の予測値とすることにより決定する給湯需要予測機能において行う（ステップＳＡ４）。給湯需要の予測値を得たら、この給湯需要の予測値に基づいて重心時刻演算機能により演算を行う。重心時刻演算機能による演算では、給湯需要の予測値に基づいて得られる、一時間単位で設定する一日の各時刻ｉ（ｉ＝０，１，…，２３）に対してそれぞれ需要が予測される給湯量ｈ（ｉ）を用いて下記（１）式の演算を行い、予測される重心時刻Ｔ_Gを求める。この重心時刻Ｔ_Gが貯湯量の目標ピーク時刻として設定される（ステップＳＡ５）。

続いて、差圧計２３ａ，２３ｂから制御装置３に送られるデータからその時点における残湯量を取得する（ステップＳＡ６）。

ステップＳＡ１〜ステップＳＡ６で電力需要の予測値、給湯需要の予測値、予測重心時刻Ｔ_G、及び現在の残湯量を取得したら、これらを用いて起動時刻演算機能による演算を行う。起動時刻演算機能による演算では、まず、残湯量と給湯需要の予測値とを考慮したうえで、予測重心時刻Ｔ_Gにおける貯湯量が、予め設定する最大貯湯量（満杯、又は所望の量等）となるように、予測重心時刻Ｔ_Gまでの生成湯量（以下、第一の生成湯量という）を推定する一方、該第一の生成湯量から発電量を逆算して、その日最適と推定される燃料電池発電の発電を開始する起動時刻（以下、起動予定時刻という）Ｔｓｔを算出する（ステップＳＡ７）。

続いて、電力需要の予測値及び給湯需要の予測値に基づいて、停止時刻推定機能による演算を行う。停止時刻推定機能による演算では、燃料電池１による発電を、ステップＳＡ７において求めた起動予定時刻Ｔｓｔに開始した場合に、重心時刻Ｔ_Gが経過した後、貯湯量があらかじめ設定する目標貯湯量（満杯、又は所望の貯湯量等）となるために必要な湯量（以下、第二の目標生成湯量という）を求め、重心時刻Ｔ_Gが経過した後の生成湯量がこの第二の目標生成湯量に達するまで燃料電池１による発電を継続するような、換言すれば、重心時刻Ｔ_Gを経過した後に貯湯量が予め設定する目標貯湯量に達した時点で燃料電池１による発電を停止するような予測停止時刻Ｔｓｐの推定を行う（ステップＳＡ８）。

ステップＳＡ７、ステップＳＡ８において起動予定時刻Ｔｓｔ、予測停止時刻Ｔｓｐを算出したら、続いて制御装置３に予め入力してある給湯に係る燃料（灯油、ガス等）の単価Ｃｆ、電気の単価Ｃｅを取得し（ステップＳＡ９）、これらの単価と、ステップＳＡ２で求めた電力需要の予測値及びステップＳＡ４で求めた給湯需要の予測値とを基に、推定光熱費演算を行う。推定光熱費演算では、燃料電池１による発電を行わない場合、即ち、給湯に係る燃料及び電気を別途購入した場合に給湯及び電力の供給に掛かると推定される当日分の費用としての光熱費（以下、推定光熱費と称する）Ｃｓを求める（ステップＳＡ１０）。

続いて、ステップＳＡ７で求めた起動予定時刻Ｔｓｔ及びステップＳＡ８で求めた予測停止時刻Ｔｓｐに基づいて第一のコスト演算を行う。第一のコスト演算では、燃料電池１による発電を行った場合に給湯及び電力の供給に掛かると推定される当日分の費用としての光熱費と燃料電池発電システムの運転コストとの合計（以下、推定コストと称する）Ｃｏｔ０を算出する（ステップＳＡ１１）。

更に本実施例では、燃料電池１による発電を開始する起動時刻を、ステップＳＡ７で算出した起動予定時刻Ｔｓｔから±Δｔだけずらした場合に一日の給湯及び電力の供給に掛かると推定されるコストを算出する第二のコスト演算を行う。本実施例では、上記Δｔを該起動予定時刻Ｔｓｔと「前日」の燃料電池１の起動時間Ｔｓｔ’との差分（Ｔｓｔ−Ｔｓｔ’）とした。即ち、第二のコスト演算では、燃料電池１による発電を開始する起動時刻をｔ１（＝Ｔｓｔ＋Δｔ）又はｔ２（＝Ｔｓｔ−Δｔ）とし、それぞれの起動時刻ｔ１，ｔ２に対して、重心時刻Ｔ_Gが経過した後の生成湯量が前記第二の目標生成湯量に達するまで燃料電池１による発電を継続した場合に、給湯及び電力の供給に掛かると推定される費用としての当日分の光熱費と燃料電池１の運転コストとの合計（推定コスト）Ｃｏｔ１、Ｃｏｔ２をそれぞれ算出する（ステップＳＡ１２）。

続いて、ステップＳＡ１１及びステップＳＡ１２で算出した三つの推定コストＣｏｔ０，Ｃｏｔ１，Ｃｏｔ２を比較し、これらのうちの最小値Ｃｏを選択する（ステップＳＡ１３）。

その後、費用比較機能によりステップＳＡ１３で求めた推定コストＣｏｔ０，Ｃｏｔ１，Ｃｏｔ２のうちの最小値Ｃｏと、ステップＳＡ１０で求めた推定光熱費Ｃｓとの比較、具体的には、推定コストＣｏｔ０，Ｃｏｔ１，Ｃｏｔ２のうちの最小値Ｃｏが推定光熱費Ｃｓ以下であるか否かの比較を行う（ステップＳＡ１４）。

そして、ステップＳＡ１４による比較の結果、最小値Ｃｏが推定光熱費Ｃｓ以下の場合（ＹＥＳ）、即ち、燃料電池１による発電を行ったほうがその日一日の給湯及び電力の供給に掛かるコストが抑えられると予測される場合は、燃料電池１をその日起動させることを決定し、起動時刻をステップＳＡ１３で選択した最小値Ｃｏに対応する起動時刻（Ｔｓｔ，ｔ１又はｔ２）に決定する（ステップＳＡ１５）。

ここで、ステップＳＡ１５で燃料電池１の起動時刻を決定した場合、実際に燃料電池１による発電を開始する時刻はステップＳＡ１５で求めた起動時刻（Ｔｓｔ，ｔ１又はｔ２）を適用するが、燃料電池１による発電を停止する時刻はステップＳＡ８等で求めた時刻を適用するのではなく、電力負荷追従運転を行い、重心時刻Ｔ_Gが経過した後に、タンク内の湯量が満杯、または目標貯湯量等、予め設定する湯量に達した時点で停止するように制御するものとする。

一方、ステップＳＡ１４による比較の結果、最小値Ｃｏが推定光熱費Ｃｓより高い場合（ＮＯ）、即ち、燃料電池による発電を行わないほうが一日の給湯及び電力の供給に掛かるコストが抑えられると予測される場合は、その日の燃料電池１による発電を行わないことを決定する（ステップＳＡ１６）。これにより、給湯に係る燃料及び電気を別途購入してその日一日の給湯及び電力の供給を賄う。

上述した本実施例に係る燃料電池発電システムによれば、「前日」および「前々日」の電力需要データから「当日」の電力需要の予測値を求めるとともに、「前日」の給湯需要データを「当日」の給湯需要の予測値として、これら電力需要、給湯需要の予測値に基づいて燃料電池１発電システムを稼動させる場合と稼動させない場合のコストを予測してこれを比較し、コストが低いほうを選択する、換言すれば、メリットがあると予測される場合にのみ燃料電池による発電を行うようにしたため、給湯及び電力の供給に係るコストを低減することができ、経済性を向上させることができる。

図３に基づいて本発明の第２の実施例について説明する。図３は本発明に係る燃料電池発電システムの運転制御の流れを示すフローチャートである。本実施例に係る燃料電池発電システムの全体構成は、図１に示し上述した実施例１の燃料電池発電システムと概ね同様であり、実施例１の燃料電池発電システムとは制御装置３による運転制御が一部異なるものである。以下、実施例１においてした説明と重複する説明は省略し、異なる点を中心に説明する。

本実施例において前記電力需要検出手段４が検出した電力需要データは制御装置３に送られ、制御装置３内に例えば二週間蓄積される。また、差圧計２３ａ，２３ｂが検出した貯湯槽２０内の貯湯量のデータは制御装置３に送られ、制御装置３内に例えば一週間蓄積される。

そして、上述した制御装置３内に蓄積される電力需要データ、給湯需要データは、それぞれあらかじめ設定された期間を経過すると順次削除されるように構成されている。

本実施例の燃料電池発電システムの運転制御は、「前週」から順次遡った過去複数週間における当日と同曜日の電力需要データとして、「前週」および「前々週」における当日と同曜日の電力需要データに基づいて算出した電力需要の「当日」の予測値と、「前週」の同様日の給湯需要データを用いて求めた給湯需要の「当日」の予測値と、現時点での残湯量とに基づいて燃料電池１の最適な起動時刻・停止時刻を推定し、この起動時刻・停止時刻に基づいて燃料電池１による発電を行う場合と、燃料電池１による発電を行わず給湯に係る燃料（灯油、ガス等）と電力とを購入した場合とで、電力の供給と給湯に掛かる一日の総コストの予測値をそれぞれ比較し、その結果、燃料電池１による発電を行ったほうがコストを抑えられると予測される場合にのみ、その日の運転を行うことを特徴とするものである。

以下に、本実施例の燃料電池発電システムの制御装置３による運転制御の一例を、図３に示したフローチャートを参照して詳しく説明する。

本実施例の制御装置３では、一例として、午前０時０分から「当日」の電力需要および給湯需要の予測値を求める処理を開始する。なお、電力需要および給湯需要の予測を開始する時間は、利用者の使用状況等に応じて適宜設定可能であることはいうまでもない。

電力需要の予測値は、前記制御装置３内に蓄積されている「前週」および「前々週」の同曜日の電力需要データを取得し（ステップＳＢ１）、この「前週」および「前々週」の同曜日の電力需要データに基づいて電力需要予測演算を行うことにより求める。電力需要予測演算では、「前週」および「前々週」の同曜日の電力需要データから「自己回帰和分移動平均モデル」を作成し、作成した自己回帰和分移動平均モデルを利用して実績値、誤差をいくつ前まで見るか等の予測に必要な係数（以下、パラメータ）を算出し、算出したパラメータを用いて「当日」の電力需要の予測値を求める（ステップＳＢ２）。

また、給湯需要の予測値は、制御装置３内に蓄積されている「前週」の同曜日の給湯需要データを取得し（ステップＳＢ３）、この「前週」の同曜日の給湯需要データを「当日」の給湯需要の予測値とすることにより決定する（ステップＳＢ４）。

なお、図３に示すステップＳＢ５以降の処理は図２に示し上述したステップＳＡ５〜ステップＳＡ１６の処理と概ね同様であり、詳しい説明は省略する。

一般的に、居住生活における生活パターンは「週」が基本単位である場合が多い。本実施例では、数週間分（本実施例では二週間分）の電力需要データ、給湯需要データを蓄積し、過去の同曜日のデータに基づいて「当日」の電力需要及び給湯需要の予測値を得るようにすれば、電力需要及び給湯需要の予測精度がより向上し、燃料電池１の起動時刻の設定をより高精度に行うことができ、経済性をより向上させることができる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上述した実施例においては、貯湯槽２０内の貯湯量を、貯湯槽２０の上下部に取り付けられている差圧計２３ａ，２３ｂにより検出する例を示したが、これら差圧計２３ａ，２３ｂに代えて、貯湯槽２０に液レベル計を設け、この液レベル計の検出結果に基づいて貯湯量を得るようにしても良い。

また、上述した実施例においては、二日分の電力需要データを用いて「自己回帰和分移動平均モデル」を作成する例を示したが、例えば１日分、又は３日分等、必要に応じて取得する日数を設定すればよい。

また、電力需要の予測値を算出する処理（ステップＳＡ１〜ステップＳＡ２、又は、ステップＳＢ１〜ステップＳＢ２）と、給湯需要の予測値および重心時刻Ｔ_Gを算出する処理（ステップＳＡ３〜ステップＳＡ５、又は、ステップＳＢ３〜ステップＳＢ５）は、その順番が前後しても構わない。即ち、給湯需要の予測値および重心時刻Ｔ_Gを算出する処理を行った後に、電力需要の予測値を算出する処理を行うようにしても良い。

本発明は、定置用固体高分子形発電システム等の燃料電池コジェネレーションシステムに適用して好適なものである。

本発明の実施例に係る燃料電池発電システムの全体的装置構成を示す図である。 本発明の実施例１に係る燃料電池発電システムにおける運転制御の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施例２に係る燃料電池発電システムにおける運転制御の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池（スタック）
２ 熱回収装置
３ 制御装置
４ 電力需要検出手段
５ 給湯需要検出手段
６ 空気（酸素）
７ 改質ガス（水素）
７ａ 改質ガス
８ 調節バルブ
９ 原料ガス
１０ 改質器
１１ 電気配線
１２ 電気負荷
１３ 循環ポンプ
１４ 循環流路
１５ 冷却水
１６ 循環流路
１７ 水
１８ 循環ポンプ
１９ 湯
２０ 貯湯槽
２１ 水道水
２２ 給湯配管
２３ａ，２３ｂ 差圧計

Claims (5)

1. 水素と酸素を供給されることにより発電する燃料電池と、該燃料電池から発生する排熱を回収する熱回収手段と、該熱回収手段から得た熱によって加熱された湯を蓄える貯湯槽と、前記燃料電池の運転制御を行う制御手段と、電力需要を検出する検出手段と、給湯需要を検出する検出手段とを有する燃料電池発電システムにおいて、
   前記制御手段が、
   前記検出手段によって検出された過去複数日間の電力需要に基づいて当日の電力需要の予測値を求める電力需要予測機能と、
   前記検出手段によって検出された過去一日の給湯需要に基づいて当日の給湯需要の予測値を求める給湯需要予測機能と、
   前記電力需要の予測値、前記給湯需要の予測値、現在の残湯量の各データに基づいて前記燃料電池による発電を開始する起動時刻を求める起動時刻演算機能と、
   前記起動時刻、前記電力需要の予測値、前記給湯需要の予測値及び前記残湯量から、前記燃料電池による発電を停止する停止時刻を推定する停止時刻推定機能と、
   前記起動時刻および前記停止時刻で前記燃料電池による発電を行った場合に前記当日の電力の供給および給湯に掛かる推定の費用と、燃料及び電気を別途購入した場合に前記当日の電力の供給および給湯に掛かる推定の費用とを比較した結果に基づいて前記燃料電池による発電を行うか否かを決定する費用比較機能と
   を備えることを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 前記制御手段が、
   前記給湯需要の予測値に基づいて予測される重心時刻を求める重心時刻演算機能を備え、
   前記起動時刻演算機能が、前記重心時刻に前記貯湯槽における貯湯量が最大となるように前記起動時刻を設定し、
   前記停止時刻推定機能が、前記重心時刻が経過した後の前記貯湯量が目標貯湯量に達するまで前記燃料電池による発電を継続するように前記停止時刻を設定するようにした
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
3. 前記費用比較機能が、前記起動時刻および前記停止時刻で前記燃料電池による発電を行った場合と、前記起動時刻に予め設定する所定時間を加算した時刻で前記燃料電池による発電を開始した場合と、前記起動時刻から前記所定時間を減算した時刻で前記燃料電池による発電を開始した場合の前記当日に電力の供給および給湯に係る推定の費用を比較し、比較結果に基づいて前記燃料電池による発電を行うか否か、及び、前記燃料電池による発電を開始する時刻を決定するようにした制御装置を備える
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池発電システム。
4. 前記電力需要予測機能が、前記検出手段によって過去複数週間における前記当日と同曜日に検出された電力需要に基づいて前記当日の電力需要の予測値を求め、
   前記給湯需要予測機能が、前記検出手段によって前週の同曜日に検出された給湯需要に基づいて前記当日の給湯需要の予測値を求める
   ようにした制御装置を備える
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
5. 前記電力需要予測機能が、前記検出手段によって検出された複数日分の電力需要に基づいて自己回帰和分移動平均モデルを作成し、前記自己回帰和分移動平均モデルを用いて前記電力需要の予測に用いられる係数を算出し、算出された前記係数を用いて前記電力需要の予測値を求める
   ようにした制御装置を備える
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずか１項に記載の燃料電池発電システム。

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