JP2011003483A - 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】燃料電池の導入効果の低下を抑制することができ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】燃料電池システムは、燃料電池３０と、燃料電池３０で発生した熱を蓄える蓄熱槽８０と、制御装置２０とを備える。制御装置２０は、過去の電力及び熱の需要に基づいて作成された運転計画に基づいて運転する運転工程と、運転計画に反して燃料電池システム１の運転が強制停止されたときに、強制停止後に新たな運転計画が作成されるまでは、強制停止された際の運転計画から外れて、燃料電池システム１の再起動を禁止する起動制限工程とを備える運転方法を実行する。
【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、特に燃料電池の導入効果をより向上させ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。

近年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、冷却水を供給することにより、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。一般に、電力需要と熱需要とが同時に、燃料電池の発電量及び発熱量と合致することは稀であるため、電力と熱のどちらか一方の需要に合わせた簡易的な運用ロジックでは、省エネルギー性や、一般家庭が求める経済性、あるいは温暖化ガス排出抑制の観点等から効率的な運転を行うことが難しい。このような不都合を解消する技術として、過去の運転実績に基づいて電力需要及び熱需要を予測し、予測結果とそのときの燃料電池の状態及び蓄熱量とに基づいて燃料電池の運転計画を複数作成し、複数作成した運転計画のうちエネルギー消費量やコストやＣＯ_２排出量等の所定の基準に従って１つを選定し、選定した運転計画に基づいて燃料電池の発電の有無を制御するものがある（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００７−２８０６５０号公報（段落０００５−０００８等）

しかしながら、どのような運転計画を作成しようとも、実際の電力及び熱の消費が、適用している運転計画の基となった電力及び熱の需要予測からずれることがある。そして、予想に反して蓄熱量が増加したため冷却水の温度が下がらずに燃料電池の運転を継続できなくなった場合や、燃料電池システムに何らかの異常が発生した場合、所定の時間を超えて改質用のガスを使用することに伴ってメータの保護機能が作動することを防ぐための措置をとる場合、ユーザーにより命令された場合等、たとえ運転計画上は燃料電池を運転させることになっていても運転を強制的に停止させる場合がある。他方、燃料電池システムは、起動時に消費されるエネルギーが利用可能な電気あるいは熱のエネルギーに変換されない。このため、強制停止された要因がなくなった時点において運転計画上では運転することとなっていた場合、この強制停止前に作成された運転計画には強制停止後の起動に要するエネルギーが考慮されていないため、強制停止前に作成された運転計画に従って運転すると、燃料電池の導入効果を享受できない場合がある。

本発明は上述の課題に鑑み、燃料電池の導入効果の低下を抑制することができ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、本発明の第１の態様に係る燃料電池システムの運転方法は、例えば図１及び図４に示すように、燃料電池３０と、燃料電池３０で発生した熱を蓄える蓄熱槽８０と、を有する燃料電池システム１を、過去の電力及び熱の需要に基づいて作成された運転計画に基づいて運転する運転工程（ＳＴ４）と；運転計画に反して燃料電池システム１の運転が強制停止されたときに（ＳＴ７）、強制停止（ＳＴ７）後に新たな運転計画が作成されるまでは、強制停止された際の運転計画から外れて、燃料電池システム１の再起動を禁止する起動制限工程（ＳＴ７〜ＳＴ９、ＳＴ１、ＳＴ２）とを備える。

このように構成すると、強制停止後に新たな運転計画が作成されるまでは強制停止された際の運転計画から外れて燃料電池システムの再起動を禁止するので、強制停止が解除された後は新たな運転計画に従った運転がされることとなり、強制停止された際の運転計画に従った運転がされることに起因する燃料電池の導入効果の低下を抑制することができる。換言すれば、新たな運転計画に従った、燃料電池の導入効果をより向上させた運転を行うことができる。ここで「燃料電池の導入効果」は、典型的には、省エネルギー性や、一般家庭が求める経済性、あるいは温暖化ガス排出抑制の観点等から、燃料電池を用いずに電力及び／又は熱の需要を満たす場合よりもメリットがあることをいう。

また、本発明の第２の態様に係る燃料電池システムの運転方法は、例えば図４を参照して示すと、上記本発明の第１の態様に係る燃料電池システムの運転方法において、強制停止の有無にかかわらず、新たな前記運転計画の作成を許す作成条件が充足しているときに（ＳＴ５、ＳＴ８）、新たな前記運転計画を作成する運転計画作成工程（ＳＴ１）を備える。

このように構成すると、作成条件が充足しているときに新たな運転計画が作成されるため、運転計画の作成負担が軽減される。

また、本発明の第３の態様に係る燃料電池システムの運転方法は、例えば図４を参照して示すと、上記本発明の第２の態様に係る燃料電池システムの運転方法において、所定の時間ごとに前記作成条件が充足したか否かの判断（ＳＴ５、ＳＴ８）が行われ；運転計画作成工程（ＳＴ１）が、強制停止（ＳＴ７）されたときは、当該強制停止された要因が除去された後に開始される。

このように構成すると、所定の時間ごとに作成条件が充足したか否かの判断が行われるので、制御を簡単にすることができる。

また、本発明の第４の態様に係る燃料電池システムの運転方法は、上記本発明の第２の態様に係る燃料電池システムの運転方法において、強制停止（ＳＴ７）されたときは当該強制停止されたときに作成条件が充足したか否かの判断が行われ；運転計画作成工程（ＳＴ１）が、強制停止（ＳＴ７）されたときは、当該強制停止された要因が除去されたか否かにかかわらず当該強制停止されたときに開始される。

このように構成すると、強制停止がされたら直ちに復帰に向けて新たな運転計画の作成を開始することとなり、強制停止の要因が除去されてから復帰させるまでの時間を短くすることができる。

また、本発明の第５の態様に係る燃料電池システムの運転方法は、例えば図４を参照して示すと、上記本発明の第１の態様乃至第４の態様のいずれか１つの態様に係る燃料電池システムの運転方法において、強制停止の状態が継続される条件の解除（ＳＴ９）及び新たな運転計画の作成の完了（ＳＴ１）の両方が充足したときに、燃料電池システム１（例えば図１参照）が、新たに作成された運転計画に基づいた制御がされる状態に移行する復帰工程（ＳＴ２〜ＳＴ４）を備える。

このように構成すると、強制停止された際の運転計画に従った運転がされることを確実に回避することができる。

上記目的を達成するために、本発明の第６の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、燃料電池３０と；燃料電池３０で発生した熱を蓄える蓄熱槽８０と；上記本発明の第１の態様乃至第５の態様のいずれか１つの態様に係る燃料電池システムの運転方法を実行する制御装置２０とを備える。

このように構成すると、上記本発明の第１の態様乃至第５の態様のいずれか１つの態様に係る燃料電池システムの運転方法を実行する制御装置を備えるので、燃料電池の導入効果をより向上させた運転を行うことができる燃料電池システムとなる。

本発明によれば、強制停止後に新たな運転計画が作成されるまでは強制停止された際の運転計画から外れて燃料電池システムの再起動を禁止するので、強制停止が解除された後は新たな運転計画に従った運転がされることとなり、強制停止された際の運転計画に従った運転がされることに起因する燃料電池の導入効果の低下を抑制することができる。

本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの模式的系統図である。 運転計画の例を示すタイムチャートである。 強制停止の類型を例示するテーブルの図である。 本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの制御を説明するフローチャートである。

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１を説明する。図１は、燃料電池システム１の模式的系統図である。燃料電池システム１は、燃料電池３０と、蓄熱槽としての貯湯槽８０と、燃料電池３０と貯湯槽８０とを間接的に接続する熱交換器７０と、燃料電池３０を含むシステムの運転を制御する制御装置２０とを備えている。

燃料電池３０は、典型的には固体高分子形燃料電池である。燃料電池３０は、水素を主成分とする改質ガスｇを導入するアノード３１と、酸素含有ガスとしての酸化剤ガスｔを導入するカソード３２と、電気化学的反応により発生した熱を奪う冷却部３３とを含んで構成されている。カソード３２に導入される酸化剤ガスｔは、典型的には空気である。燃料電池３０は、図では簡易的に示されているが、実際には、固体高分子膜をアノード３１とカソード３２とで挟んで単一のセルが形成され、このセルを冷却部３３を介し複数枚積層して構成されている。燃料電池３０では、アノード３１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カソード３２に移動すると共に電子がアノード３１とカソード３２とを結ぶ導線を通ってカソード３２に移動して、カソード３２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。この反応で、電子が導線を通ることにより、直流の電力を取り出すことができる。

燃料電池３０から取り出された直流電力は、パワーコンディショナ３８で交流電力に変換された後に電力負荷（不図示）に送電されるように構成されている。パワーコンディショナ３８の先では、燃料電池３０から電力負荷へ送電する電線９１に商用電源９９から受電する電線９８が接続されており、電力負荷への給電は燃料電池３０で発生した電力が優先的に供給され、不足分が商用電源９９から供給された電力で賄われる。電力負荷は、例えば家庭に設置された冷蔵庫等の電力消費機器であるが、燃料電池システム１の補助機器も含まれる。電線９８には、商用電源９９から供給された電力を検出する電力計６９が配設されている。

アノード３１に供給される改質ガスｇは、改質器３４で生成される。改質器３４は、炭化水素系の原料ｍと改質用水（不図示）とを導入し、加熱して、原料ｍの水蒸気改質反応により水素を主成分とする改質ガスｇを生成する機器である。原料ｍは、例えば、メタン、エタン等の鎖式炭化水素（天然ガスも含む）、あるいはメタノール、石油製品（灯油、ガソリン、ナフサ、ＬＰＧ等）等の炭化水素を主成分とする混合物等の種々の炭化水素系の気体又は液体の燃料が用いられるが、本実施の形態では気体燃料（ガス）が用いられることとして説明する。改質ガスｇは、例えば、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３０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３０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。

アノード３１と改質器３４とは、改質器３４で生成された改質ガスｇをアノード３１に導く改質ガス管５１と、アノード３１から排出されたアノードオフガスｐを改質器３４に導くアノードオフガス管５２とで接続されている。アノードオフガスｐは、燃料電池３０における電気化学的反応に利用されなかった水素を含むガスであり、改質器３４に導入されて燃焼されることで原料ｍの改質に用いられる改質熱を発生させる。改質器３４には、改質ガス管５１及びアノードオフガス管５２のほか、原料ｍを導入する原料管５５が接続されている。原料管５５には、原料ｍを改質器３４に向けて圧送する原料ブロワ３５が挿入配置されている。原料ブロワ３５は補助機器の１つである。本実施の形態では、原料ｍが気体であるとして原料ブロワ３５が用いられているが、原料ｍが液体の場合はブロワに代えてポンプが用いられる。原料ブロワ３５より上流側の原料管５５には、原料ｍの流量を計測するマイコンメータ３９が設けられている。マイコンメータ３９は、第１の所定の時間（例えば３０日）ガスが流れ続けたときに、ガス漏れが生じていると推定して警報を発する保護機能を有している。

カソード３２には、酸化剤ガスｔを導入する酸化剤ガス管５４と、燃料電池３０での電気化学的反応に利用されなかった酸素を含むカソードオフガスｑを排出するカソードオフガス管５４Ｑとが接続されている。酸化剤ガス管５４には、カソード３２に酸化剤ガスｔを送る空気ブロワ３６が配設されている。空気ブロワ３６は補助機器の１つである。冷却部３３には、冷却水ｃを導入する冷却水管７５と、燃料電池３０から熱を奪って温度が上昇した冷却水ｃを熱交換器７０に導く冷却水管７４とが、それぞれ接続されている。冷却水管７４、７５により、燃料電池３０から導出された媒体水としての冷却水ｃが熱交換器７０を通過し、熱交換器７０を通過して温度が下がった冷却水ｃが燃料電池３０に導入されるように循環流路が形成されている。冷却水管７５には内部を流れる冷却水ｃを循環させる冷却水ポンプ７３が配置されている。冷却水ポンプ７３は補助機器の１つである。

熱交換器７０は、冷却水ｃと蓄熱水ｈとの間で熱交換を行う機器であり、典型的にはプレート型熱交換器が用いられる。熱交換器７０は、燃料電池３０から受熱して温度が上昇した冷却水ｃと、冷却水ｃよりも温度が低い蓄熱水ｈとがカウンターフローにより熱交換し、燃料電池３０の排熱を冷却水ｃから蓄熱水ｈに伝達するように構成されている。熱交換器７０には、冷却水管７４、７５のほか、蓄熱水ｈを導入する蓄熱水管８５と、冷却水ｃから受熱して温度が上昇した蓄熱水ｈを貯湯槽８０に導く蓄熱水管８４とが、それぞれ接続されている。蓄熱水管８４は、熱交換器７０から導出された蓄熱水ｈが貯湯槽８０の上部に流入するように貯湯槽８０の上部に接続されており、好適には頂部に接続される。蓄熱水管８５は、熱交換器７０に導入される蓄熱水ｈが貯湯槽８０の下部から採水されるように貯湯槽８０の下部に接続されており、好適には底部に接続される。蓄熱水管８４、８５は熱交換器７０及び貯湯槽８０と接続されて循環流路を形成している。蓄熱水管８５には内部を流れる蓄熱水ｈを循環する蓄熱水ポンプ８３が配置されている。蓄熱水ポンプ８３は補助機器の１つである。

貯湯槽８０は、熱交換器７０で燃料電池３０の排熱を受熱した蓄熱水ｈが蓄熱水管８４を通って流入し、燃料電池３０で発生した熱が蓄熱されるように構成されている。流入して貯湯槽８０に貯留された蓄熱水ｈは、上部の温度が高く下部の温度が低い温度成層が形成されている。貯湯槽８０には、内部に貯留されている蓄熱水の温度を検出する温度センサであって、上部に配設された上部温度センサ８１Ａと、下部に配設された下部温度センサ８１Ｂと、これらの中間に適宜設けられた温度センサ（不図示）とが複数設けられている。蓄熱水ｈを媒体として貯湯槽８０に蓄えられた熱は、給湯や暖房機器（床暖房やファンコイルユニット等）などの熱需要（不図示）にて任意の時間に利用される。貯湯槽８０には、蓄えられている蓄熱水ｈを供給温水Ｗｐとして給湯や暖房機器などの熱需要に供給するための温水往管４２が上部に、暖房機器等で熱が利用されて温度が低下した戻り温水Ｗｑを導入する温水還管４３が下部に、給湯等で消費された温水分の水を補充するために補給水Ｗｓ（例えば市水等）を導入する補給水管４８が下部に、それぞれ接続されている。供給温水Ｗｐ、戻り温水Ｗｑ、補給水Ｗｓ、及び蓄熱水ｈは、用途に応じて呼称を区別したものであり、物質として見れば同じものであって、貯湯槽８０内では混合される。

温水往管４２には、典型的には、熱需要に向けて供給される供給温水Ｗｐを加熱昇温する不図示の加熱器（例えば追い焚き器）が配設されている。また、温水往管４２には、熱需要に向けて供給される供給温水Ｗｐの流量を検出する流量計６５が設けられている。また、加熱器（不図示）よりも下流側の温水往管４２には、熱需要に向けて供給される供給温水Ｗｐの温度を検出する温水往管温度センサ６６が設けられている。温水還管４３には、熱需要において熱が利用され温度が低下して貯湯槽８０へ戻ってきた戻り温水Ｗｑの温度を検出する温水還管温度センサ６７が設けられている。補給水管４８には、貯湯槽８０に補充される補給水Ｗｓの量を計測する水量検出手段としての量水器６８が設けられている。なお、温水往管４２から導出された供給温水Ｗｐと補給水管４８から導入される補給水Ｗｓの量とが同じになる場合は、補給水管４８及び量水器６８を設けなくてもよい。

蓄熱水管８４にはバイパス管８６が接続されており、バイパス管８６の他端は蓄熱水ポンプ８３よりも上流側で蓄熱水管８５に接続されている。バイパス管８６は、蓄熱水管８４を流れる蓄熱水ｈを貯湯槽８０に流入させずに蓄熱水管８５に導く管である。蓄熱水管８４とバイパス管８６との分岐部には、蓄熱水ｈの流れ方向を切り替える三方弁８２が配設されている。三方弁８２と制御装置２０とは信号ケーブルで接続されており、三方弁８２は制御装置２０からの信号を受信して蓄熱水ｈの流路を切り替えることができるように構成されている。三方弁８２の直近上流の蓄熱水管８４には、蓄熱水ｈの温度を検出する温度検出器としてのバイパス温度センサ６１が設けられている。なお、三方弁８２の設置位置は、蓄熱水管８４とバイパス管８６との接続部に限られず、蓄熱水管８５とバイパス管８６との接続部であってもよい。また、三方弁８２に代えて二方弁を２個用いることにより、蓄熱水ｈの流れ方向を切り替えることができるように構成してもよい。

制御装置２０は、燃料電池システム１の動作を制御する機器である。制御装置２０は、バイパス温度センサ６１、流量計６５、温水往管温度センサ６６、温水還管温度センサ６７、量水器６８、電力計６９のそれぞれと信号ケーブルで接続されており、それぞれで検出された値を信号として受信することができるように構成されている。また、制御装置２０は、原料ブロワ３５、空気ブロワ３６、冷却水ポンプ７３、蓄熱水ポンプ８３のそれぞれと信号ケーブルで接続されており、各ブロワ３５、３６及び各ポンプ７３、８３の動作（発停や回転速度等）を制御することができるように構成されている。また、制御装置２０は、パワーコンディショナ３８と信号ケーブルで接続されており、燃料電池３０で発生した電力の値を受信することができるように構成されている。また、制御装置２０は、リモコン１０と信号ケーブルで接続されており、燃料電池システム１の運転に関するユーザーからの命令を信号として受信することができるように構成されている。また、制御装置２０には、燃料電池システム１の制御の指針となるプログラムが記憶されている。制御装置２０は、タイマー及びカレンダーを有するほか、記憶部２１、演算部２２、作成部２３、評価部２４、制御部２５を含んで構成されており、プログラムにより、どのタイミングで燃料電池３０の発電及び停止を行うかの予定表である運転計画を作成する。

図２に、作成された運転計画の一例を示す。図２に示す例では、３時に作成された、翌３時までの運転計画である。この運転計画によれば、５時から１１時半までと１７時から１時までに、燃料電池３０で発電を行う予定になっている。このような運転計画を、制御装置２０は、以下の要領で作成する。まず、上述の各計器から受信した値を基に、電力需要あるいは給湯や暖房等の熱需要がいつ頃生じたかや、補給水Ｗｓの温度や外気温等の推移を記憶部２１に記憶する。演算部２２は、記憶部２１に記憶された情報並びにリモコン１０から入力された熱需要の予約状況（例えば風呂の湯張り予約等）及び貯湯槽８０内の蓄熱状況等を基に、現在から第２の所定の時間（例えば２４時間）先までの電力需要及び熱需要の予測・演算を行う。演算部２２では、需要の予測を行うに際し、過去の需要データを過去数日分重み付けした加重平均処理をしたり、当日と類似度の高い日の需要データを予測値としてもよい。演算部２２で需要等の演算をしたら、作成部２３は運転計画の作成を行う。運転計画は、典型的には複数作成される。複数作成された運転計画は、シミュレーションソフトウェアが搭載された評価部２４において、所定の基準（消費エネルギーが最も少ない、ＣＯ_２排出量が最も少ない等）に照らしたシミュレートがされることにより評価され、シミュレーション結果から最も適切な１つの運転計画を選定する。そして、制御部２５が、選定された運転計画に沿って、燃料電池システム１の動作を制御する。

引き続き図１を参照して、燃料電池システム１の作用を説明する。以下の説明の中で図１以外の図面を参照する際も、燃料電池システム１の構成の符号は図１を参照することとする。運転計画上において燃料電池システム１を起動する時間になると、制御装置２０は原料ブロワ３５を起動させて原料ｍを改質器３４に導入させる。また、改質器３４の燃焼部に燃焼用の燃料として原料ｍ及び燃焼用の空気を供給し燃焼させて改質熱を発生させる。改質用の原料ｍには改質用水（不図示）を混合させ、改質器３４において原料ｍを改質して水素を主成分とする改質ガスｇを生成する。生成された改質ガスｇは、改質ガス管５１を介して燃料電池３０のアノード３１に導入される。他方、制御装置２０は空気ブロワ３６を起動させて酸化剤ガスｔをカソード３２に導入させる。

アノード３１に改質ガスｇが導入され、カソード３２に酸化剤ガスｔが導入されると、燃料電池３０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が行われる。燃料電池３０で発電された電力は直流電力であるため、パワーコンディショナ３８にて交流電力に変換された後に電力需要（不図示）に供給される。制御装置２０は、典型的には電力需要（不図示）における消費電力よりも所定の容量（例えば１００Ｗ）だけ少ない電力を燃料電池３０で発電するように、原料ブロワ３５及び空気ブロワ３６の回転速度を調節して、燃料電池３０に導入される改質ガスｇ及び酸化剤ガスｔの流量を制御する。電力需要（不図示）が燃料電池３０から電力の供給を受けてなお不足する電力は、商用電源９９から供給を受けることで補われる。燃料電池３０は、その性質上、電力需要の急峻な変動に追従することが困難であるため、電力需要（不図示）における消費電力よりも所定の容量だけ少ない電力を発電することにより、燃料電池３０で発電した電力が商用電源９９の系統に逆潮流することを防いでいる。

燃料電池３０の作動中、アノード３１からはアノードオフガスｐが排出される。排出されたアノードオフガスｐは、アノードオフガス管５２を介して改質器３４の燃焼部に導かれて燃焼され、改質熱を発生させることができる。他方、カソード３２からはカソードオフガスｑが排出され、カソードオフガス管５４Ｑを介して系外に排出される。

燃料電池３０は、発電が行われるのに伴い熱が発生する。制御装置２０は、改質ガスｇ及び酸化剤ガスｔが燃料電池３０に導入されたら、冷却水ポンプ７３及び蓄熱水ポンプ８３を起動する。また、制御装置２０は、三方弁８２に信号を送信して、当初は蓄熱水ｈがバイパス管８６を流れるように三方弁８２の通水方向を設定し、バイパス温度センサ６１で検出された蓄熱水ｈの温度が熱需要で利用可能な温度（例えば４５〜５０℃の任意の温度）以上のときは貯湯槽８０に流入するように三方弁８２の通水方向を切り替える。冷却水ポンプ７３が起動されることにより冷却水ｃが冷却水管７４、７５を循環する。これにより、燃料電池３０の冷却部３３に導入された冷却水ｃは燃料電池３０から熱を奪って温度が上昇し、他方、燃料電池３０は冷やされる。燃料電池３０は、冷却水ｃで冷却されることにより発電に適した温度（典型的には６０℃〜８０℃）に維持される。燃料電池３０の熱を奪って温度が上昇した冷却水ｃは、熱交換器７０で蓄熱水ｈと熱交換して燃料電池３０を冷却可能な程度に温度が低下し、他方、蓄熱水ｈの温度は上昇する。温度が低下した冷却水ｃは、再び冷却部３３に導入されて燃料電池３０で発生した熱を奪う、というように冷却水管７４、７５を循環する。

熱交換器７０で冷却水ｃと熱交換することにより温度が上昇した蓄熱水ｈは、その後貯湯槽８０の上部に流入する。他方、貯湯槽８０の下部からは、熱交換器７０に導入される冷却水ｃよりも温度が低い蓄熱水ｈが導出される。貯湯槽８０の下部から導出された蓄熱水ｈは、熱交換器７０に導入され、冷却水ｃと熱交換を行って温度が上昇する。貯湯槽８０には温度が高い蓄熱水ｈが上部から導入されることにより、温度成層が形成される。なお、形成された温度成層をできるだけ乱さないようにする観点から、貯湯槽８０に導入される蓄熱水ｈの動圧はできるだけ小さい方がよい。

貯湯槽８０に蓄えられた温度が高い蓄熱水ｈは、温水往管４２を介して給湯や暖房機器（床暖房やファンコイルユニット等）などの熱需要（不図示）に供給温水Ｗｐとして供給される。熱需要に供給された温水は、例えば、暖房機器等の熱を利用して物質としての水を消費しない場所に供給された場合は、暖房機器等において熱が利用されて温度が低下した後に戻り温水Ｗｑとして温水還管４３を介して貯湯槽８０の下部に戻される。給湯等の物質としての水の消費を伴う場所に供給された場合は、給湯等に利用されて消費された分の補給水Ｗｓが補給水管４８を介して貯湯槽８０の下部に補充される。これらにより、貯湯槽８０の下部から流出する蓄熱水ｈは、熱交換器７０に導入される冷却水ｃよりも温度が低くなる。

運転計画上において燃料電池システム１を停止する時間になると、制御装置２０は、燃料電池３０への改質ガスｇ及び酸化剤ガスｔの導入を停止させて燃料電池３０が発電を行わないようにする。この際、制御装置２０は、冷却水ポンプ７３及び蓄熱水ポンプ８３を停止して、冷却水管７４、７５中の冷却水ｃの循環及び蓄熱水管８４、８５中の蓄熱水ｈの循環を停止させる。燃料電池システム１の停止は、運転計画に従う場合のほか、運転計画から外れて強制的に行われる場合がある（強制停止）。強制停止は、例えば以下の観点から行われ、運転計画に優先する。

図３は、強制停止の類型を示すテーブルである。強制停止として、第１に、ユーザーがリモコン１０から停止の指令を送る場合がある（Ｎｏ．１）。これは、例えばユーザーが日常のルーチンとは異なり旅行に出かけるために生活に伴う電力及び熱を利用しないことがあらかじめ分かっている場合等が挙げられる。この場合、ユーザーがリモコン１０で解除指令を入力することで、強制停止が解除される。

第２に、貯湯槽８０の蓄熱量が満杯になったときに強制停止する（Ｎｏ．２）。これは、例えば熱の消費がなく供給温水Ｗｐの導出がないために、戻り温水Ｗｑ及び／又は補給水Ｗｓの貯湯槽８０への導入がなく、熱交換器７０に導入される蓄熱水ｈの温度が低くならない（このため燃料電池３０を冷却可能な程度に冷却水ｃを冷却できない）場合が典型例である。この場合、貯湯槽８０の熱が消費され、貯湯槽８０の下部の蓄熱水ｈが冷却水ｃを介して燃料電池３０を冷却可能な程度の温度になると、強制停止が解除される。

第３に、蓄熱水ｈが蓄熱水管７４、７５及び／又は貯湯槽８０中に長時間滞留したまま温度が低下したために蓄熱水ｈ中にレジオネラ属菌が繁殖するおそれがある場合に強制停止する（Ｎｏ．３）。レジオネラ属菌の発生が懸念されるようになる長時間は、補給水Ｗｓの水質や外気温度等の影響も受ける。この場合、燃料電池３０の発電を停止した状態で滞留していた蓄熱水ｈを滅菌温度以上に加熱してレジオネラ属菌の発生の懸念が払拭されると、強制停止が解除される。

第４に、燃料電池システム１が連続して運転されている状況において、第１の所定の時間（例えば３０日間）原料ｍが改質器３４に供給され続けることに伴ってマイコンメータ３９の保護動作が作動することを防ぐため、燃料電池システム１の運転開始から第１の所定の時間に達する前に強制停止する（Ｎｏ．４）。一般に、商用ガスの供給を受ける家庭等にはマイコンメータ３９が設置されており、需要が多い家庭では第１の所定の時間以上連続して燃料電池システム１の運転をする場合がある。マイコンメータ３９の保護動作が作動して原料ｍの流れが遮断されると、原料ｍの改質器３４への供給が停止されて改質ガスｇが生成されなくなり、ひいては燃料電池３０での発電がなされなくなる。一旦マイコンメータ３９の保護動作が作動すると、保守担当者等による保護動作の解除を行うこととなる。そこで、マイコンメータ３９の保護動作が作動することを回避するため、第１の所定の時間に達する前の適切な時期（例えば２５日経過時）に強制停止する。この場合、マイコンメータ３９の保護動作を作動させるタイミングを図る第１の所定の時間の計測がリセットされる時間（例えば６０分）マイコンメータ３９への原料ｍの通過を遮断することで、強制停止が解除される。なお、本実施の形態では原料ｍがガスであるとしているので上述のようになるが、原料ｍが液体（例えば灯油）の場合は、マイコンメータ３９の保護動作に代えて、原料ｍを貯留するタンク内の原料ｍの残量が少なくなったときに強制停止する。

第５に、制御装置２０が、パワーコンディショナ３８や電力計６９等の各種計器類から取得した値を、あらかじめ記憶された異常の類型に照らして判断して、燃料電池システム１に異常が発生したと判断したときに強制停止する（Ｎｏ．５）。このとき、発生した異常が軽微かつ一過性のものである場合もある。この場合、強制停止後も引き続きパワーコンディショナ３８や電力計６９等の各種計器類から計測値を取得し、あらかじめ記憶された異常の類型に適合しなくなることで、強制停止が解除される。なお、異常が解消しない場合は、保守担当者等によるメンテナンスを行う等により発生した異常を取り除くまで燃料電池システム１の停止が維持されることとなる。

上記で例示した強制停止は、燃料電池システム１を適切に運転する上で重要な事項であるため運転計画に優先するが、これまでは、強制停止が解除されたときに運転計画上で運転のタイミングであると、直ちに運転が再開されていた。しかし、燃料電池システム１の起動時はエネルギーの消費が大きく、例えば図２に示す運転計画上の１１時に強制停止が解除された場合のように、まもなく運転が停止するタイミングで燃料電池システム１が起動されると、起動に必要なエネルギーを消費するだけで、有効に利用できる電気及び熱のエネルギーを燃料電池３０から取り出さないまま停止される場合も起こりうる。上記の極端な例以外にも、強制停止が解除された時点で直ちに起動しない方が、燃料電池システム１の導入効果がより向上する場合がある。そこで、燃料電池システム１では、強制停止が生じたときを含めて以下のように運転することとしている。

図４は、強制停止時を含む燃料電池システム１の制御を説明するフローチャートである。以下の説明において燃料電池システム１の構成の言及については適宜図１を参照することとする。燃料電池システム１の運用開始時、制御装置２０は、上述の要領で運転計画を作成し、適用する運転計画を選定する（ＳＴ１）。運転計画の作成・選定の所要時間は、典型的には、制御装置２０の演算能力に応じて決まる。なお、既に運用が開始され、作成・選定済みの運転計画に基づいて停止しているときは、運転計画を作成・選定する工程（ＳＴ１）を省略してもよい。次に制御装置２０は、運転計画上で運転する時間になっているか否かを判断する（ＳＴ２）。制御装置２０は、運転する時間になっていなければ停止し（ＳＴ３）、再び運転計画上で運転する時間になっているか否かを判断する工程（ＳＴ２）に戻る。他方、運転する時間になっていれば燃料電池システム１を運転する（ＳＴ４）。

燃料電池システム１を運転したら、制御装置２０は、新たな運転計画を作成する条件が充足したか否かを判断する（ＳＴ５）。本実施の形態では、所定の時間（第３の所定の時間）ごと（例えば２０分ごと）に条件が充足したか否かを判断することとしている。ここで「第３の所定の時間」は、制御装置２０に過度の負荷がかからない程度を下限とし、予測と現実のずれが生じた際に許容範囲に収めることができる程度を上限として、制御装置２０の演算能力に応じて任意に決定するとよく、典型的には、運転計画を作成し選定するのに要する時間に余裕分の時間（プラスアルファ）を加算した時間に設定するとよい。また、「作成条件が充足しているとき」は、典型的には、運転計画作成の前提となった電力及び／又は熱の需要の予測と実際の電力及び／又は熱の消費の状況並びに貯湯槽８０の蓄熱量とを比較して、現在の状況が予測から許容範囲を超えてずれが生じていて運転計画の更新が必要と判断されたときである。新たな運転計画を作成する条件が充足したか否かを判断する工程（ＳＴ５）において、条件が充足している場合は運転計画を作成・選定する工程（ＳＴ１）に戻り、他方、条件が充足していない場合は図３に例示するような強制停止があったか否かを判断する（ＳＴ６）。

強制停止があったか否かを判断する工程（ＳＴ６）において、強制停止がなかった場合は、運転計画上で運転する時間になっているか否かを判断する工程（ＳＴ２）に戻る。他方、強制停止があった場合は、制御装置２０は、燃料電池システム１を停止して、再起動を禁止する（ＳＴ７）。このように、起動を制限することで、たとえ強制停止が解除されても強制停止された際の運転計画（古い運転計画）に従った運転がなされることを回避することができ、古い運転計画に従った運転がなされることに起因する燃料電池システム１の導入効果の低下を抑制することができる。

再起動禁止状態で燃料電池システム１が停止しているときに（ＳＴ７）、制御装置２０は新たな運転計画を作成する条件が充足したか否かを判断する（ＳＴ８）。ここでの作成条件が充足したか否かの判断は、上述の工程ＳＴ５と同様に、第３の所定の時間ごとに行われる。このように、定常運転時も強制停止時も変わりなく第３の所定の時間が経過したときに運転計画作成条件が充足したか否かを判断することとすると、強制停止があってもなくても制御のシーケンスを代えなくて済むため制御を簡単にすることができる。なお、強制停止があったときは、通常、運転計画から外れている（予測からずれている）こととなるため、運転計画作成条件が充足していることとなる。

新たな運転計画を作成する条件が充足したか否かを判断する工程（ＳＴ８）において、条件が充足しない場合は、充足するまでこの判断（ＳＴ８）を繰り返す。他方、条件が充足した場合は、強制停止の要因が除去されたか否かを判断する（ＳＴ９）。強制停止の要因が除去されていない場合は、除去されるまでこの判断（ＳＴ９）を繰り返す。他方、強制停止の要因が除去された場合は、運転計画を作成・選定する工程（ＳＴ１）に戻り、以降上述の制御を繰り返す。

以上の説明では、新たな運転計画を作成する条件が充足したか否かの判断（ＳＴ５、ＳＴ８）を、強制停止の有無にかかわらず第３の所定の時間ごとに行うこととしたが、強制停止（ＳＴ７）がされた後に行う運転計画作成条件が充足したか否かの判断（ＳＴ８）における運転計画作成条件の充足を、強制停止されたとき（ＳＴ７）として、強制停止された直後から新たな運転計画を作成・選定してしまい、強制停止の要因が除去されたら（ＳＴ９）運転計画上で運転する時間になっているか否かを判断する工程（ＳＴ２）に進むように構成してもよい。これを図４のフローチャートを参照して説明すると、工程ＳＴ８と工程ＳＴ９の間に工程ＳＴ１を行うこととし、工程ＳＴ９でＹｅｓとなったときに工程ＳＴ２へ進むように改変することとなる。このようにすると、強制停止がされたら直ちに復帰に向けて新たな運転計画の作成を開始することとなり強制停止の要因が除去されてから復帰させるまでの時間を短くすることができる。

以上の説明では、燃料電池３０が固体高分子型燃料電池であるとしたが、りん酸型燃料電池等の固体高分子型燃料電池以外の燃料電池であってもよい。しかしながら、固体高分子型燃料電池とすると、比較的低温で運転することができ、装置を小型化できるので、一般家庭等に設置するのに適している。

１ 燃料電池システム
２０ 制御装置
３０ 燃料電池
８０ 貯湯槽

Claims (6)

1. 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、を有する燃料電池システムを、過去の電力及び熱の需要に基づいて作成された運転計画に基づいて運転する運転工程と；
   前記運転計画に反して前記燃料電池システムの運転が強制停止されたときに、前記強制停止後に新たな前記運転計画が作成されるまでは、前記強制停止された際の運転計画から外れて、前記燃料電池システムの再起動を禁止する起動制限工程とを備える；
   燃料電池システムの運転方法。
2. 前記強制停止の有無にかかわらず、新たな前記運転計画の作成を許す作成条件が充足しているときに、新たな前記運転計画を作成する運転計画作成工程を備える；
   請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
3. 所定の時間ごとに前記作成条件が充足したか否かの判断が行われ；
   前記運転計画作成工程が、前記強制停止されたときは、当該強制停止された要因が除去された後に開始される；
   請求項２に記載の燃料電池システムの運転方法。
4. 前記強制停止されたときは当該強制停止されたときに前記作成条件が充足したか否かの判断が行われ；
   前記運転計画作成工程が、前記強制停止されたときは、当該強制停止された要因が除去されたか否かにかかわらず当該強制停止されたときに開始される；
   請求項２に記載の燃料電池システムの運転方法。
5. 前記強制停止の状態が継続される条件の解除及び前記新たな運転計画の作成の完了の両方が充足したときに、前記燃料電池システムが、新たに作成された前記運転計画に基づいた制御がされる状態に移行する復帰工程を備える；
   請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転方法。
6. 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５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実行する制御装置とを備える；
   燃料電池システム。

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