JP2013186950A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】電力需要に従った電主運転を行うと、電力需要の少ない時間帯に発電を行わないことによる発電停止のために許容運転時間を十分使い切ることができず耐用運転時間を消化できなかったことによるコージェネレーション機器としての利用価値の低下していた。
【解決手段】燃料電池の耐用運転時間に基づいて単位時間当たりの実運転時間が単位時間に対して設定された初期設定運転時間になる運転を行い、かつ単位時間において予め定められる需要家による運転停止指示、排熱回収手段１１０の満蓄等の運転禁止条件を満たさない限り初期設定運転時間の運転を実現するように燃料電池ユニットを運転させることができる制御器１３０を設けたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、本発明は、燃料と空気とを電気化学反応させて発電する燃料電池ユニットを備える燃料電池システムに関する。

従来、この種の燃料電池システムは、図１０に示すように、燃料電池１５の耐用年数（例えば、１０年）を満足するように、燃料電池１５の耐用運転時間（例えば、約４万時間）に基づいて予め所定時間あたりの許容運転時間を計画し、この運転計画に基づいて運転するようになっている（例えば、特許文献１参照）。

図１０は特許文献１に記載された従来の燃料電池システムの構成図を示すものである。図１０において、制御装置５０が過去の運転実績を記録しているデータ保持手段からの運転実績に基づいて許容運転時間を設定し、運転計画を作成したのち運転計画による運転を開始する。その後、第１の所定単位時間を経過すると、実運転時間が許容運転時間と比較し、許容運転時間未満であれば、許容運転時間と実運転時間との差分を求め、次回の許容運転時間にその差分を加えた運転計画を作成する。

特開２００７−３２３８４３号公報

しかしながら、従来の構成では、過去の運転実績を記録しているデータ保持手段からの運転実績に基づいて許容運転時間を設定し、運転計画を作成したのち運転計画による運転を行う。つまり、その後、第１の所定単位時間を経過すると、実運転時間が許容運転時間と比較し、許容運転時間未満であれば、許容運転時間と実運転時間との差分を求め、次回の許容運転時間にその差分を加えた運転計画を作成するが、その後の運転計画もデータ保持手段からの運転実績に基づいて許容運転時間を設定するため、過去の運転実績が少ない、運転需要が少ない需要家の場合は、許容運転時間と実運転時間との差分を求め、次回の許容運転時間にその差分を加えた運転計画を作成することを繰り返したとしても実運転時間そのものを上げることはできない。前提条件として、熱需要の予測及び電力需要の予測の少なくとも一方に基づいて許容運転時間が設定されるため、熱需要があっても電力需要が少ない需要家では、電力需要の少ない時間帯に発電を行わないことによる発電停止のために許容運転時間を消化することができず、燃料電池ユニットの耐用運転時間を使い切ることができない。従って、コージェネレーション機器としての稼働時間が減少しコストメリットが低下するという課題があった。

また、近年、原子力発電の危険分散化、縮小化といった社会的要請を受けて、分散電源として太陽光発電などの自然エネルギー利用発電装置は、電力系統への逆潮流（売電）が許容され、普及が促進されつつある。燃料電池コージェネレーションシステムやガスエンジンコージェネレーションシステムといったコージェネレーションシステムにおいても、電力系統への逆潮流（売電）が許容される場合においては、耐用運転時間を使い切り、コージェネレーション機器として熱電併給運転稼働時間を全うすることが求められている。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、燃料電池の所定の耐用年数内において耐用運転時間をより確実に使い切ることによって、コージェネレーション機器として予定さ
れた稼働時間の運転を確実に実現することにより、経済性効果のあるコージェネレーション機器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電した電力を電力負荷へ供給する燃料電池ユニットと、燃料電池ユニットの動作を制御する制御器とを備え、制御器は、燃料電池の耐用運転時間に基づき、燃料電池ユニットに設定された使用保障期間より短い単位時間毎に、燃料電池ユニットの初期設定運転時間を設定する運転時間設定部と、燃料電池ユニットの単位時間当たりの実運転時間が単位時間に対して設定された初期設定運転時間になるように燃料電池ユニットを運転させる運転制御器と、を有しており、制御器は、単位時間において予め定められる運転禁止条件を満たさない場合は初期設定運転時間の運転をさせるように燃料電池ユニットを運転させ、運転禁止条件を満たしたことにより初期設定運転時間に達する前に停止させた場合は、単位時間における実運転時間と初期設定運転時間との差を余り運転時間として算出し、次回以降の単位運転時間における初期設定運転時間に加算し、次回以降の単位時間においては、運転禁止条件を満たさない場合は余り運転時間が加算された初期設定運転時間の運転をさせるように燃料電池ユニットを制御するものである。

かかる構成によれば、運転制御器は、単位時間において予め定められる需要家による運転停止指示、排熱回収手段である蓄熱槽の満蓄等の運転禁止条件を満たさない限りは、初期設定運転時間の運転を実現するように燃料電池ユニットを運転させることが可能となり、耐用年数相当の運転経過期間で耐用運転時間相当の累積運転時間を実現し、予定された稼働時間の運転を確実に実現することができる。よって、経済性効果のあるコージェネレーション機器を提供することができる。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池の耐用運転時間に基づいて単位時間当たりの実運転時間が単位時間に対して設定された初期設定運転時間になる運転を行い、かつ単位時間において予め定められる需要家による運転停止指示、排熱回収手段である蓄熱槽の満蓄等の運転禁止条件を満たさない限り、初期設定運転時間の運転を実現するように燃料電池ユニットを運転させることができる。

そして、耐用年数相当の運転経過期間で耐用運転時間相当の累積運転時間を実現し、予定された耐用運転時間を熱電併給運転で全うできるので経済性効果のあるコージェネレーション装置を提供できる。

本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成図 同燃料電池システムの制御器の制御ブロック図 同燃料電池システムの初期設定運転時間を説明する特性図 同燃料電池システムの運転経過期間に対する累積運転時間を説明する特性図 同燃料電池システムの制御器の動作を説明するためのフローチャート 同燃料電池システムの１日の電力負荷変動と運転（発電）履歴を説明する特性図 同燃料電池システムの図６の翌日の電力負荷変動と運転（発電）履歴を説明する特性図 同燃料電池システムの需要家の負荷電力に対する発電出力の自家消費割合に対するコストメリット（利益）を説明する関係図 本発明の実施の形態２における燃料電池システムの初期設定運転時間を説明する特性図 従来の燃料電池システムの構成図

第１の発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電した電力を電力負荷へ供給する燃料電池ユニットと、燃料電池ユニットの動作を制御する制御器と、を備え、制御器は、燃料電池の耐用運転時間に基づき、燃料電池ユニットに設定された使用保障期間より短い単位時間毎に、燃料電池ユニットの初期設定運転時間を設定する運転時間設定部と、燃料電池ユニットの単位時間当たりの実運転時間が単位時間に対して設定された初期設定運転時間になるように燃料電池ユニットを運転させる運転制御器と、を有しており、制御器は、単位時間において予め定められる運転禁止条件を満たさない場合は初期設定運転時間の運転をさせるように燃料電池ユニットを運転させ、運転禁止条件を満たしたことにより初期設定運転時間に達する前に停止させた場合は、単位時間における実運転時間と初期設定運転時間との差を余り運転時間として算出し、次回以降の単位運転時間における初期設定運転時間に加算し、次回以降の単位時間においては、運転禁止条件を満たさない場合は余り運転時間が加算された初期設定運転時間の運転をさせるように燃料電池ユニットを制御するようにしたものである。

この構成により、基本的に燃料電池ユニットを単位時間当たりの実運転時間が初期設定運転時間になるように運転させることができ、もし運転禁止条件を満たしたことにより初期設定運転時間に達する前に停止させた場合は、単位時間における実運転時間と初期設定運転時間との差を余り運転時間として算出し、次回以降の単位運転時間における初期設定運転時間に加算し、次回以降の単位時間において余り運転時間が加算された初期設定運転時間の運転をさせることができる。そして、耐用年数相当の運転経過期間で耐用運転時間相当の累積運転時間を実現し、予定された耐用運転時間を満足するとともに経済性効果のあるコージェネレーション運転を実現することができる。

第２の発明は、第１の発明において、燃料電池システムの運転禁止条件を、燃料電池ユニットの発電により発生した熱を蓄える蓄熱器が予め定められている第１熱量以上になったこと、外気の温度を検知する温度検知器が予め定められている第１温度以上になったこと、燃料電池ユニットの異常を検知したこと、及び、燃料電池ユニットの運転そのものをリモコン等の操作手段によって強制的に停止されたこと、のうちの少なくとも一つの条件であるようにするものである。

この構成により、燃料電池システムがコージェネレーション装置としての運転が許容される場合にのみ、初期設定運転時間を満足するように発電運転することにより、コージェネレーション装置としての経済性運転を確保することができる。

第３の発明は、第２の発明において、運転時間設定部は、蓄熱器が第１熱量以上になったことにより運転禁止条件を満たした場合は、余り運転時間を予め定められる第１期間経過した後の単位時間における初期設定運転時間に加算し、温度検知器が第１温度以上になったこと、燃料電池ユニットの異常を検知したこと、及び、燃料電池ユニットの運転が強制的に停止されたこと、のうちの少なくとも一つの運転禁止条件を満たした場合は、余り運転時間を第１期間経過する前の単位時間における初期設定運転時間に加算する、燃料電池システムである。

この構成により、蓄熱器が第１熱量以上になった場合は、つまり、これ以上熱量を蓄えることができない状態（いわゆる、「満蓄状態」）になったと判断して燃料電池ユニットが停止した場合、その燃料電池システムが設置されている建物の使用者は少なくともその時期は熱の使用量（暖房や給湯などで使用される熱量）が小さいことが推定される。そのため、満蓄状態になって停止した場合は、次の日に燃料電池ユニットが運転したとしても
再度満蓄状態で停止する可能性が高い。そのため、余り運転時間を次の日の単位時間に加えたとしても、その余り運転時間を利用することなく燃料電池ユニットが停止してしまう可能性が高い。燃料電池ユニットが満蓄状態で停止した場合は、例えば、電力の負荷が大きい時間帯に運転をする予定だったにも関わらず、その時間帯に運転をしなくなる場合があり、結果として燃料電池ユニットの高いエネルギー効率（発電効率と熱生成効率の和）を活用できなくなってしまう。そのため、満蓄状態で停止になった場合は、予め定められる第１期間（例えば、１ヶ月〜４ヶ月などで、燃料電池ユニットが設置される地域などによって変更される。）が経過した後に、初期設定運転時間に加算する。このように制御することにより、使用者の熱の使用量が少ない時期には初期設定運転時間が長くならないように制御し、第１期間が経過して使用者の熱の使用量が大きくなる冬などになれば初期設定運転時間に余り運転時間を加算するように制御する。このような制御により、余り運転時間をより確実に利用できるだけでなく、満蓄状態で突然停止することで運転計画通りに運転されなくなるという不都合を回避し、予め作成される運転計画通りに燃料電池ユニットを運転できる、という効果を実現することができる。一方で、満蓄状態以外の運転禁止条件を満たしたことにより燃料電池ユニットが停止して余り運転時間が発生した場合は、次の単位時間（例えば、次の日）に同じ理由で停止する可能性は低い。そのため、次の単位時間における初期設定運転時間に余り運転時間を加算しても、その加算した運転時間の途中で燃料電池ユニットが停止する可能性は低いので、燃料電池ユニットを予め作成した運転計画などに従って燃料電池ユニットを発電させて、一次エネルギーの削減量の最大化などを実現することができる。

第４の発明は、第１〜第３のいずれか一つの発明において、燃料電池ユニットが電力を供給する電力負荷を測定する電力測定器を備え、制御器は、電力測定器が測定した電力に基づいて初期設定運転時間の運転を行うように単位時間における燃料電池ユニットの起動時刻および停止時刻を決定し、運転禁止条件を満たさない限り単位時間において初期設定運転時間の運転を継続するように燃料電池ユニットを制御するようにするものである。

この構成により、電力測定器が測定した電力需要に基づいて、需要の大きい時間帯に運転時間を割り当てることが可能となり、電力需要に従った電主運転を行うことにより燃料電池ユニットの経済性効果を発揮することが可能となる。

第５の発明は、第１〜第４のいずれか一つの発明において、制御器は電力測定器が測定した過去の電力負荷データに関わらず、燃料電池ユニットが発電を行っている場合は予め定められる最大の出力で発電を行うように燃料電池ユニットを制御するものである。

この構成により、制御器は、発電時に常に燃料電池ユニットを最大の出力で発電を行うように燃料電池ユニットを制御するので、電力利用効率の高い経済性運転を実現することが可能となる。

第６の発明は、第１〜第５のいずれか一つの発明において、運転時間設定部が、燃料電池システムが設置される国、地域などの地理情報、または、燃料電池システムが設置される場所の緯度と経度情報、または、燃料電池システムが設置される仕向地情報の少なくとも１つから初期設定運転時間を決定するので、燃料電池システムの設置される場所のコージェネレーションシステムとして運転時間を最適に割り当てた初期設定運転時間を決定することが可能となる。

この構成により、燃料電池ユニットの使用環境、つまり燃料電池システムの設置場所の熱需要と電力需要の特徴による発電時間の配分や燃料電池システムの原料価格、エネルギー価格等を考慮した初期設定運転時間を決定し運転制御するので、経済性運転効果の高いコージェネレーション装置を提供することが可能となる。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成図である。

図１において、燃料電池１０１には、燃料ガス供給手段１０２からの燃料ガスと酸化剤ガス供給手段１０３からの酸化剤ガスが供給され、発電によって発生した直流電力をインバータ１０６へ出力すると共に、冷却水経路１０４の冷却水を冷却水循環ポンプ１０５で循環し熱交換器１０７を介して排熱回収配管１０９へ排熱回収するように接続されている。排熱回収配管１０９で排熱回収された熱を貯湯ポンプ１０８で循環し、貯湯タンク１１１に貯湯する。貯湯ポンプ１０８は貯湯タンク１１１の下層の水を排熱回収配管１０９ａを介して熱交換器１０７に導き、発電に伴う排熱を回収させ貯湯タンク１１１に貯湯する。また、排熱回収配管１０９で回収された湯の温度とある閾値温度（お湯として貯湯タンク１１１に貯湯可能な温度）とを比較し、貯湯タンク１１１への湯の回収位置を変更する三方弁１１４が接続されており、閾値以上であれば配管１１６を介して貯湯タンク１１１の上層へ回収し、閾値以下であれば配管１１３を介して貯湯タンク１１１の下層へ回収させる。この動作は、貯湯タンク１１１に生成された湯の積層を崩しにくいため、使用者に安定した給湯が行える効果がある。

貯湯タンク１１１出口には配管１１７を介して貯湯タンク１１１の湯と、配管１２０から導く市水とを混合する混合弁１１８とその下流側に混合温度検出手段１１９が配され、加熱手段１２１に混合水を供給する。混合弁１１８は、操作手段１４０により設定された給湯温度になるように貯湯タンク１１１の湯と配管１２０からの水を混合させるように接続されている。給湯カラン（図示せず）から出湯させれば、混合温度検出手段１１９の検出温度が操作手段１４０に設定された給湯温度に調整するため、混合弁１１８は配管１１７からの湯水と配管１２０からの市水との混合比を調整する。貯湯タンク１１１からの湯と市水からの水を混合し、混合温度を調整するが、混合温度検出手段１１９の検出温度が操作手段１４０に設定された給湯温度より高い（熱い）場合は、混合弁１１８は配管１２０の市水側へ、反対に冷たい場合は配管１１７の湯側へ開く。配管１１７側へ一杯に開いてもまだ操作手段１４０に設定された給湯温度より冷たい場合は加熱手段１２１によって混合水は加熱され、使用者が設定した湯を給湯カラン（図示せず）から出湯するように接続されている。加熱手段１２１の下流側には、熱負荷検知手段１２２が接続され、制御器１３０に熱需要（利用者の熱負荷）データを出力するように構成されている。 操作手段１４０は、一般的にリモコンとして、燃料電池１０１の発電の開始や停止、給湯温度、風呂の沸き上げや風呂の沸き上げ時間予約といった設定を行うための操作部１４０ａと、エラー表示、発電電力量、貯湯タンク１１１に装着された残湯量検出手段１１２ａ〜１１２ｆが検出する温度から貯湯タンク１１１の残湯量などの表示を行う表示部１４０ｂと風呂の沸きあがり報知などの報知機能を有した報知部１４０ｃを備えており、制御器１３０とデータ通信により制御するように接続されている。

インバータ１０６は、燃料電池１０１からの直流電力を入力し電力会社の電力系統１５１へ系統連系するように接続されている。また、電力系統１５１には利用者が電力を消費する電力負荷１５０が接続され、利用者施設への受電点電力を測定する電力負荷検知手段１５２が接続されている。

貯湯タンク１１１と三方弁１１４と混合弁１１８と加熱手段１２１とが接続された燃料電池の排熱回収を行う手段を総称して排熱回収手段１１０とする。

図２は本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの制御器１３０の内部制御ブロック図を示すものである。

制御器１３０には、電力負荷１５０の電力需要量を検出する電力負荷検知手段１５２と熱負荷の熱需要量を検出する熱負荷検知手段１２２とからの負荷状態を検知し運転計画手段１３３に出力する負荷状態検知手段１３１と、燃料電池１０１の耐用運転時間に基づき燃料電池ユニットに設定された使用保障期間（例えば、１０年）より短い単位時間（例えば２４時間）毎に燃料電池ユニットの初期設定運転時間を設定する運転時間設定部１３４と、利用者の入力操作に基づき操作手段１４０から燃料電池の運転／停止を指示する運転情報を入力する運転条件入力手段１３６と、負荷検知手段１５２からの電力需要量および熱需要量とを時刻との関係を持ってデータ記憶する負荷履歴記憶手段１３２とを備えている。運転計画手段１３３は、負荷履歴記憶手段１３２に記憶された過去の電力需要量データ及び熱需要量データと各時間属性との対応関係に基づき所定の時間属性を有する将来の電力需要量データおよび熱需要量データを予測し、運転条件入力手段１３６から初期設定運転時間を入力し、初期設定運転時間の運転をするように運転制御器１３５を介して燃料電池ユニットを運転する。

また、運転条件入力手段１３６から運転停止指示である運転禁止条件を入力し、初期設定運転時間に達する前に停止させた場合は、単位時間における実運転時間と初期設定運転時間との差を余り運転時間として算出する。

また、次回以降の単位運転時間における初期設定運転時間に加算し、次回以降の単位時間においては、運転禁止条件を満たさない場合は余り運転時間が加算された初期設定運転時間の運転をさせるように燃料電池ユニットを制御する予測された電力需要量データおよび熱需要量データに基づいて燃料電池システムの運転を計画し、運転制御器１３５を介して燃料ガス供給手段１０２，酸化剤ガス供給手段１０３を制御して燃料電池１０１の発電を行い、インバータ１０６により発電電力を電力系統１５１に出力するように接続されている。

図３に燃料電池システムの耐用年数を例えば１０年、耐用運転時間４００００時間としたとき、標準的な家庭での電力需要と熱需要から１日あたりの許容運転時間である初期設定運転時間を算出し、各月別の初期設定運転時間（時間／日）との関係図を示す。標準家庭では、冬場に暖房の熱需要が多く発生し、夏場は逆に熱需要が減少する。耐用年数を１０年で耐用運転時間４００００時間とした場合、平均的には４０００時間／年となり、１日平均では約１１時間となるが、標準的な家庭での電力需要と熱需要から季節別の熱需要に合わせて運転時間を分配すると、冬場（１、２月：約２０時間／日，１１、１２月：約１７時間／日），夏場（６，９月：約１０時間／日，７，８月：約５時間／日），中間期（３〜５、１０月：約１４時間／日）となる。

使用者は、操作手段１４０により、自動運転指示した場合に、制御器１３０は、図３での初期設定運転時間での運転計画を立てて自動運転を行う。この自動運転モードでの運転にて、ほぼ運転計画通りの実際の電力需要と熱需要が発生した場合は、図３の初期設定運転時間範囲内での運転を行う。そして、年間を通じて図３の初期設定運転時間での自動運転が継続した場合は、年間発電時間が約４０００時間となり、この運転を１０年間継続した場合は、図４の実線に示すような標準負荷パターンにおける自動運転モードでの運転特性となり耐用年数１０年を満足する。

次に、運転禁止条件を満たしたことにより初期設定運転時間に達する前に停止させた場合を図５のフローチャートにより説明する。

図５において、運転計画手段１３３は、計時手段（図示せず）からのカレンダー情報、時刻情報から運転時間設定部１３４を介して初期設定運転時間ＴＳを入手する（ＳＴＥＰ１）。

次に、運転計画手段１３３は、初期設定運転時間ＴＳと余り運転時間（ＴＲ）から、許容運転時間（ＴＸ）を算出する（ＳＴＥＰ２）。これは、前回の運転までに、運転中の運転禁止条件が発生したことによる初期設定運転時間の運転ができなかった余剰時間の累積時間を当該運転時に加算するものである。

次に、運転計画手段１３３は、負荷履歴記憶手段１３２からの電力需要データまたは熱需要データと許容運転時間ＴＸから、運転開始時刻、運転停止時刻を決定する運転計画を立てる（ＳＴＥＰ３）。

次に、運転計画手段１３３は、運転制御手段１３５を介して、燃料ガス供給手段１０２と酸化剤ガス供給手段１０３を制御して燃料ガスと酸化剤ガスを供給し燃料電池１０１を運転計画に従った運転（発電）を実行する（ＳＴＥＰ４）。

次に、制御器１３０は、運転禁止条件が満たされたか否かをチェックする（ＳＴＥＰ５）
もし、初期設定運転時間（ＴＳ）中に、運転禁止条件が満たされた場合は、ＳＴＥＰ６に移行し、余り運転時間（ＴＲ）を算出（ＴＲ＝初期設定運転時間−実運転時間）する（ＳＴＥＰ６）。

ＳＴＥＰ５で、運転禁止条件が満たされなかった場合は、ＳＴＥＰ１に移行する。

上記運転禁止条件を満たしたことにより初期設定運転時間に達する前に停止させた場合の具体例を図６，７により説明する。

図６は、夏場において、初期設定運転時間（１７：００〜２２：００：５時間運転）中に、利用者が操作手段１４０の操作部１４０ａにより運転を停止した（停止時刻：２０：００）ときの例である。

この場合、図６（ａ）（ｂ）のように、当日の電力需要の大きい１７：００から２２：００までの５時間運転中の２０：００時に運転停止となり、この運転における余り運転時間（ＴＲ）は、初期設定運転時間（５時間）−実運転時間（Ｂ：３時間）＝２時間となる。この余り時間（２時間）を翌日の初期設定運転時間（ＴＳ：５時間）に加算すると、翌日の許容運転時間ＴＸ＝５＋２＝７時間となる。

図７は、翌日の運転状況を示している。図６と同様に、当日の電力需要の大きく、かつ運転時間を７時間確保する時間帯である１５：３０から２２：３０までの７時間を運転時間として採用する。この１５：３０から２２：３０までの７時間の電力負荷履歴は図７（ａ）のようになっており、電力負荷値ＰＬ２が最小電力負荷値となり、初期設定運転時間（５時間）を運転時間とした場合の最低電力負荷値ＰＬ１よりも少ない負荷電力値となる。つまり、図７（ｂ）の発電電力Ｐｍ（定格出力値）に対して、電力負荷値が少なくなる時間帯が発生しやすくなることが考えられる。しかし、仮に、発電電力Ｐｍ（定格出力値）に対して、電力負荷値が少なくなった時間帯は、電力系統への逆潮流が許容されない場合は、余剰電力分を内部消費することになるが蓄電池（図示せず）に蓄電し、翌日以降の電力使用量がピーク時に放電利用することで有効利用することができる。また、電力系統への逆潮流が許容される場合は、余剰電力分を売電することが可能になるので、前日に発生した余り運転時間（ＴＲ）分の発電を翌日に確実に実施することにより、燃料電池の耐
用運転時間を確実に使い切ることができる。図８は、需要家が使用する負荷電力に対して、本発明の燃料電池システムの発電電力が定格運転している場合の自家消費に割り当て分に対するコストメリットの関係図である。図８中、定格の点線より右側領域が需要家の使用する負荷電力が燃料電池システムの定格発電電力以上の場合、つまり燃料電池システムの発電電力の１００％が自家消費される領域である。定格の点線より左側が需要家の使用する負荷電力が燃料電池システムの定格発電電力以下の場合、つまり燃料電池システムの発電電力の一部が自家消費される領域である。また、図８の縦軸は、１時間の発電運転当たりのコストメリットを円で示しており、コストメリットは、燃料電池システムを導入しない場合の自家消費電力を系統電力から購入し、需要家の熱需要を従来の熱源機（ガス給湯機等）にて賄う運転条件での稼働費用から本願燃料電池システム導入後の稼働費用の差分から料金計算したものである。図８中、実線（Ａ国）は、ある国の同関係図を示す。燃料電池発電電力を電力系統への逆潮流が許容され、余剰電力分を売電することが可能であるので、定格の点線より左側の燃料電池システムの定格発電電力と需要家の使用する負荷電力の差分が売電可能領域となる。この場合、燃料電池システムの発電電力の１００％が自家消費される領域において、コストメリットが最大になり、定格の点線より左側の需要家の使用する負荷電力が燃料電池システムの定格発電電力以下の領域で、売電可能領域になると、コストメリットが減少するものの発電電力の全てを売電する図８の左端においても、コストメリットが正（プラス）となる。従って、燃料電池システムの耐用運転時間を確実に使い切るような運転をするほど、需要家のコストメリットが大きくなる。例えば、ある国では、負荷電力が０ｋｗの場合のコストメリットは、０．０２〜０．０４円／ｈのコストメリットが発生する。

図８は、ある国の同関係図を示したが、燃料電池発電電力を電力系統への逆潮流が許容されず、余剰電力分は売電不可能である国においても、燃料電池システムの発電電力の１００％が自家消費される領域においては、同様にコストメリットが最大となるが、定格の点線より左側の需要家の使用する負荷電力が燃料電池システムの定格発電電力以下の領域では、コストメリットが減少する傾向が同じである。

以上のように、本実施の形態においては、燃料電池ユニットを１日や１週間といった単位時間当たりの実運転時間が予め設定された初期設定運転時間になるように運転させることができる。

仮に操作手段による運転停止操作等の運転禁止条件を満たしたことにより初期設定運転時間に達する前に停止させた場合でも、単位時間における実運転時間と初期設定運転時間との差を余り運転時間として算出し、次回以降の単位運転時間における初期設定運転時間に加算し、次回以降の単位時間において余り運転時間が加算された初期設定運転時間の運転をさせることができるので、耐用年数相当の運転経過期間で耐用運転時間相当の累積運転時間を実現し、予定された耐用運転時間を確実に使い切ることにより、コストメリットのあるコージェネレーション装置を提供することができる。

なお、本実施の形態１では、発電出力を定格出力（Ｐｍ）一定で運転する場合を記載しているが、これは、電力系統への逆潮流が許容される場合において、余剰電力分を売電することが可能になるので、前日に発生した余り運転時間（ＴＲ）分の発電を翌日に確実に実施した場合に、発電電力Ｐｍ（定格出力値）に対して、電力負荷値が少なくなる時間帯が発生したとしても発電電力Ｐｍ（定格出力値）と電力負荷値との差分は売電できるため、経済性のある発電運転が実現できる。また、発電出力を電力負荷に追従させる所謂、負荷追従運転する場合は、発電電力Ｐｍ（定格出力値）に対して、電力負荷値が少なくなった時間帯は、電力系統への逆潮流が許容されない場合は、負荷追従の遅れで発生する余剰電力分をヒータ等で内部消費することにより排熱回収手段である蓄熱槽に熱回収することができる。しかし、負荷追従の遅れで発生する余剰電力分は比較的少ないので熱需要が過
大になることはないので、同様の効果があることは言うまでもない。

なお、本実施の形態１では、図６に示すように、初期設定運転時間中に、利用者が操作手段１４０の操作部１４０ａにより運転を停止したときの例を示しているが、燃料電池ユニットの発電により発生した熱を蓄える蓄熱器が予め定められている第１熱量（これ以上、熱電併給システムとしての熱を蓄えることができない程度の熱量）以上になったことを検知した場合においても同様の効果があることは言うまでもない。

なお、本実施の形態１では、図６に示すように、初期設定運転時間中に、利用者が操作手段１４０の操作部１４０ａにより運転を停止したときの例を示しているが、外気の温度を検知する温度検知器としての外気温度センサ（サーミスタ）が運転継続不可能となる外気温度（第１温度）を検知した場合においても同様の効果があることは言うまでもない。

なお、本実施の形態１では、発電出力を定格出力（Ｐｍ）一定で運転する場合を記載しているが、燃料電池の起動工程から発電工程への移行タイミングにおいて、発電開始時には発電電力を絞り部分出力運転状態により出力を安定させ、その後定格発電状態へ次第に移行するように運転制御されるが、この移行時間は耐用運転時間に比較して無視できる時間であり、同様の効果があることは言うまでもない。

なお、本実施の形態で説明した手段は、ＣＰＵ（またはマイコン）、ＲＡＭ、ＲＯＭ、記憶・記録装置、Ｉ／Ｏなどを備えた電気・情報機器、コンピュータ、サーバー等のハードリソースを協働させるプログラムの形態で実施してもよい。プログラムであれば、磁気メディアや光メディアなどの記録媒体に記録したりインターネットなどの通信回線を用いて配信したりすることでプログラムの配布・更新やインストール作業が簡単にできる。

なお、本発明の燃料電池は家庭用に限らずオフィスや工場などの業務用であっても良い。

また、実施の形態１または２において、運転時間設定部は、蓄熱器が第１熱量以上になったことにより運転禁止条件を満たした場合は、余り運転時間を予め定められる第１期間経過した後の単位時間における初期設定運転時間に加算し、温度検知器が第１温度以上になったこと、燃料電池ユニットの異常を検知したこと、及び、燃料電池ユニットの運転が強制的に停止されたこと、のうちの少なくとも一つの運転禁止条件を満たした場合は、余り運転時間を第１期間経過する前の単位時間における初期設定運転時間に加算してもよい。

この構成により、蓄熱器が第１熱量以上になった場合は、つまり、これ以上熱量を蓄えることができない状態（いわゆる、「満蓄状態」）になったと判断して燃料電池ユニットが停止した場合、その燃料電池システムが設置されている建物の使用者は少なくともその時期は熱の使用量（暖房や給湯などで使用される熱量）が小さいことが推定される。そのため、満蓄状態になって停止した場合は、次の日に燃料電池ユニットが運転したとしても再度満蓄状態で停止する可能性が高い。そのため、余り運転時間を次の日の単位時間に加えたとしても、その余り運転時間を利用することなく燃料電池ユニットが停止してしまう可能性が高い。燃料電池ユニットが満蓄状態で停止した場合は、例えば、電力の負荷が大きい時間帯に運転をする予定だったにも関わらず、その時間帯に運転をしなくなる場合があり、結果として燃料電池ユニットの高いエネルギー効率（発電効率と熱生成効率の和）を活用できなくなってしまう。そのため、満蓄状態で停止になった場合は、予め定められる第１期間（例えば、１ヶ月〜４ヶ月などで、燃料電池ユニットが設置される地域などによって変更される。）が経過した後に、初期設定運転時間に加算する。このように制御することにより、使用者の熱の使用量が少ない時期には初期設定運転時間が長くならないよ
うに制御し、第１期間が経過して使用者の熱の使用量が大きくなる冬などになれば初期設定運転時間に余り運転時間を加算するように制御する。このような制御により、余り運転時間をより確実に利用できるだけでなく、満蓄状態で突然停止することで運転計画通りに運転されなくなるという不都合を回避し、予め作成される運転計画通りに燃料電池ユニットを運転できる、という効果を実現することができる。一方で、満蓄状態以外の運転禁止条件を満たしたことにより燃料電池ユニットが停止して余り運転時間が発生した場合は、次の単位時間（例えば、次の日）に同じ理由で停止する可能性は低い。そのため、次の単位時間における初期設定運転時間に余り運転時間を加算しても、その加算した運転時間の途中で燃料電池ユニットが停止する可能性は低いので、燃料電池ユニットを予め作成した運転計画などに従って燃料電池ユニットを発電させて、一次エネルギーの削減量の最大化などを実現することができる。

（実施の形態２）
図９は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムが設置される仕向地情報が異なる例を説明する図である。

図９に燃料電池システムの仕向地として、Ａ国を指定した場合の、標準的な家庭での電力需要と熱需要から１日あたりの許容運転時間である初期設定運転時間を割り当てした図を示す。Ａ国の地理条件、気候条件は、夏期において、熱需要が極端に低減し、中間期、冬期において熱需要が増大するという特徴があり、この特徴に対応できる燃料電池のコージェネレーション運転としての発電時間を割り当てた１日あたりの許容運転時間である初期設定運転時間を算出している。 標準的な家庭での電力需要と熱需要から季節別の熱需要に合わせて運転時間を分配すると、冬場、中間期（１〜５月，１０〜１２月：約２０時間／日），夏場（６，９月：約８時間／日，７，８月：約５時間／日）となっている。

本実施の形態においては、燃料電池ユニットを仕向地の地理条件、気候条件の特徴から夏期、中間期、冬期における熱需要、電力需要から平均的に最も経済的運転が実現できるように割り当てられた１日あたりの許容運転時間である初期設定運転時間で運転するように予めセットされているので、仕向地での夏期、中間期、冬期における熱需要、電力需要に対応した発電運転が実現できる。よって、仕向地の特徴に応じた初期設定運転時間で運転し、耐用年数相当の運転経過期間で耐用運転時間相当の累積運転時間を実現し、予定された耐用運転時間を確実に使い切ることにより、コストメリットのあるコージェネレーション装置を提供することができる。

なお、本実施の形態２では、燃料電池システムが設置される仕向地情報が異なる例を説明したが、燃料電池システムが設置される国、地域などの地理情報、または、燃料電池システムが設置される場所の緯度と経度情報などから初期設定運転時間を決定しても仕向地の特徴に応じた初期設定運転時間で運転し、耐用年数相当の運転経過期間で耐用運転時間相当の累積運転時間を実現し、予定された耐用運転時間を確実に使い切ることができるので、同様の効果があることは言うまでもない。

なお、本実施の形態で説明した手段は、ＣＰＵ（またはマイコン）、ＲＡＭ、ＲＯＭ、記憶・記録装置、Ｉ／Ｏなどを備えた電気・情報機器、コンピュータ、サーバー等のハードリソースを協働させるプログラムの形態で実施してもよい。プログラムであれば、磁気メディアや光メディアなどの記録媒体に記録したりインターネットなどの通信回線を用いて配信したりすることでプログラムの配布・更新やインストール作業が簡単にできる。

なお、本発明の燃料電池は家庭用に限らずオフィスや工場などの業務用であっても良い。

なお、実施の形態１と２は適宜組み合わせることが可能である。

以上のように、本発明にかかる、本発明の燃料電池システムは燃料電池の耐用運転時間に基づいて単位時間当たりの実運転時間が単位時間に対して設定された初期設定運転時間になるような運転を行い、かつ単位時間において予め定められる需要家による運転停止指示、排熱回収手段である蓄熱槽の満蓄等の運転禁止条件を満たさない限り初期設定運転時間の運転を実現するように燃料電池ユニットを運転させることができ、耐用運転時間相当の累積運転時間を実現し、予定された耐用運転時間を満足することが可能となるので経済性効果の高い燃料電池コージェネレーション装置を提供することができる。

１０１ 燃料電池
１１０ 排熱回収手段
１３０ 制御器
１４０ 操作手段

Claims (6)

1. 燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電した電力を電力負荷へ供給する燃料電池ユニットと、
   前記燃料電池ユニットの動作を制御する制御器と、
   を備え、
   前記制御器は、
   前記燃料電池の耐用運転時間に基づき、前記燃料電池ユニットに設定された使用保障期間より短い単位時間毎に、前記燃料電池ユニットの初期設定運転時間を設定する運転時間設定部と、
   前記燃料電池ユニットの前記単位時間当たりの実運転時間が前記単位時間に対して設定された前記初期設定運転時間になるように前記燃料電池ユニットを運転させる運転制御器と、
   を有しており、
   前記運転時間設定部は、
   前記単位時間において予め定められる運転禁止条件を満たさない場合は前記初期設定運転時間の運転をさせるように前記燃料電池ユニットを運転させ、
   前記運転禁止条件を満たしたことにより前記初期設定運転時間に達する前に停止させた場合は、前記単位時間における前記実運転時間と前記初期設定運転時間との差を余り運転時間として算出し、次回以降の前記単位時間における前記初期設定運転時間に加算し、
   次回以降の前記単位時間においては、前記運転禁止条件を満たさない場合は前記余り運転時間が加算された前記初期設定運転時間の運転をさせるように前記燃料電池ユニットを制御する、燃料電池システム。
2. 前記運転禁止条件は、前記燃料電池ユニットの発電により発生した熱を蓄える蓄熱器が予め定められている第１熱量以上になったこと、外気の温度を検知する温度検知器が予め定められている第１温度以上になったこと、前記燃料電池ユニットの異常を検知したこと、及び、前記燃料電池ユニットの運転が強制的に停止されたこと、のうちの少なくとも一つの条件である、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記運転時間設定部は、
   前記蓄熱器が前記第１熱量以上になったことにより前記運転禁止条件を満たした場合は、前記余り運転時間を予め定められる第１期間経過した後の前記単位時間における前記初期設定運転時間に加算し、
   前記温度検知器が前記第１温度以上になったこと、前記燃料電池ユニットの異常を検知したこと、及び、前記燃料電池ユニットの運転が強制的に停止されたこと、のうちの少なくとも一つの前記運転禁止条件を満たした場合は、前記余り運転時間を前記第１期間経過する前の前記単位時間における前記初期設定運転時間に加算する、
   請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池ユニットが電力を供給する電力負荷を測定する電力測定器を備え、
   前記制御器は、
   前記電力測定器が測定した電力に基づいて前記初期設定運転時間の運転を行うように前記単位時間における前記燃料電池ユニットの起動時刻および停止時刻を決定し、
   前記運転禁止条件を満たさない限り前記単位時間において前記初期設定運転時間の運転を継続するように前記燃料電池ユニットを制御する、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御器は、前記電力測定器が測定した過去の電力負荷データに関わらず、前記燃料
   電池ユニットが発電を行っている場合は予め定められる最大の出力で発電を行うように前記燃料電池ユニットを制御する、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記運転時間設定部は、燃料電池システムが設置される国、地域などの地理情報、または、燃料電池システムが設置される場所の緯度と経度情報、または、燃料電池システムが設置される仕向地情報の少なくとも１つから前記初期設定運転時間を決定する、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。