JP2014026889A - 制御装置、燃料電池ユニット及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池ユニットの効率的な運転制御を実現する。
【解決手段】 ＥＭＳ２００は、化学反応によって発電するセルスタック１５１Ｂ及び補機を備える燃料電池ユニット１５０を制御する。ＥＭＳ２００は、燃料電池ユニット１５０の動作モードを指示する制御部２３０を備える。燃料電池ユニット１５０の動作モードは、負荷１２０の消費電力に追従するようにセルスタック１５１Ｂから出力する電力を制御する発電モードと、補機の消費電力を外部から供給される電力によって賄うとともにセルスタック１５１Ｂの温度を所定温度域に維持する制御を行う温度維持モードとを含む。ＥＭＳ２００は、燃料電池ユニットが、負荷１２０の消費電力を賄うために要する燃料及び外部から供給を受ける電力のコストを、各動作モードについて算出し、低コストの動作モードで燃料電池ユニット１５０を運転するよう制御する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、発電部及び補機を備える燃料電池ユニットを制御する制御装置、燃料電池ユニット及び制御方法に関する。

近年、化学反応によって発電する発電部と発電部の動作を補助する補機とを備える燃料電池ユニットが知られている（例えば、特許文献１）。通常動作において、燃料電池ユニットの出力電力（発電電力）は、系統と燃料電池ユニットとを接続する電力線上に設けられる負荷の消費電力に追従するように制御される（負荷追従制御）。

ところで、燃料電池ユニットの動作モードとしては、燃料電池ユニットの出力電力がゼロとなるように発電部の出力電力が制御される動作モード（以下、アイドリングモード）が知られている（例えば、特許文献２、非特許文献１）。

特開２０１０−１５７８３号公報 特開２００６−１２６８９号公報

大阪ガス株式会社、"ＳＯＦＣシステム技術開発について"、［Online］、［平成２４年７月１１日検索］、インターネット（ＵＲＬ：http://www.osakagas.co.jp/rd/fuelcell/sofc/technology/system.html）

しかしながら、上述したアイドリングモードでは、発電部をアイドリングさせた状態で維持するため、発電部によって発電可能な程度に燃料（ガス等）を燃料電池ユニットに供給する必要があり、コスト面では十分に効率的であるとは言えない。

そこで、本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、燃料電池ユニットの効率的な運転制御を可能とする制御装置、燃料電池ユニット及び制御方法を提供することを目的とする。

第１の特徴に係る制御装置は、化学反応によって発電する発電部及び前記発電部の動作を補助する補機を備える燃料電池ユニットを制御する。制御装置は、前記燃料電池ユニットに対し、前記燃料電池ユニットの動作モードを指示する制御部を備え、前記燃料電池ユニットの動作モードは、前記燃料電池ユニットに接続された負荷の消費電力に追従するように前記発電部から出力する電力を制御するモードである発電モードと、前記補機の消費電力を前記燃料電池ユニット外部から供給される電力によって賄うとともに前記発電部の温度を所定温度域に維持する制御を行い、前記発電部から出力する電力が前記補器の消費電力よりも小さいモードである温度維持モードとを含む。前記制御部は、前記燃料電池ユニットの動作モードの各々について、前記負荷の消費電力を賄うために前記燃料電池ユニットにて要する燃料及び前記燃料電池ユニット以外から供給を受ける電力のコストを算出し、当該算出したコストに基づいて低コストの動作モードを指示する。

第１の特徴において、前記所定温度域は、前記発電モードにおいて前記発電部にて発電を行う際の発電温度よりも低い温度域である。

第１の特徴において、前記制御部は、前記発電部から出力する電力を前記補機によって消費するように制御する自給モードを、前記燃料電池ユニットの動作モードの一つとして指示し、前記制御部は、前記負荷の消費電力が所定閾値を下回る場合に、前記温度維持モード及び前記自給モードの各々について、前記燃料電池ユニットにて要する燃料及び前記燃料電池ユニット以外から供給を受ける電力のコストを算出し、当該算出したコストに基づいて低コストの動作モードを指示する。

第１の特徴において、前記制御部は、停電が生じた場合に、前記燃料電池ユニットの動作モードを前記自給モードとするように指示する。

第１の特徴において、前記所定温度域は、前記自給モードにおける前記発電部の温度よりも低い。

第１の特徴において、前記燃料電池ユニットは、ＳＯＦＣ方式の燃料電池を有する。

第１の特徴において、前記発電温度は、６５０℃〜１０００℃であり、前記所定温度域は、４５０℃〜６００℃である。

第１の特徴において、前記温度維持モードにおいて前記発電部に供給される燃料の量は、前記自給モードにおいて前記発電部に供給される燃料の量よりも少ない。

第２の特徴に係る燃料電池ユニットは、化学反応によって発電する発電部及び前記発電部の動作を補助する補機を備える。燃料電池ユニットは、前記発電部による発電を積極的に行うモードである発電モードと、前記補機の消費電力を外部から供給される電力によって賄うとともに前記発電部の温度を所定温度域に維持し、前記発電部から出力する電力が前記補器の消費電力よりも小さいモードである温度維持モードと、を含む複数の動作モードにより自己の運転を制御する制御部を備える。前記制御部は、前記燃料電池ユニットの動作モードの各々について、前記負荷の消費電力を賄うために前記燃料電池ユニットにて要する燃料及び前記燃料電池ユニット以外から供給を受ける電力のコストを算出し、当該算出したコストに基づいて低コストの動作モードにより自己の運転を制御する。

第３の特徴に係る制御方法は、化学反応によって発電する発電部及び前記発電部の動作を補助する補機を備える燃料電池ユニットを制御する方法である。制御方法は、前記燃料電池ユニットに対し、前記燃料電池ユニットの動作モードを指示するステップを備える。前記燃料電池ユニットの動作モードは、前記燃料電池ユニットに接続された負荷の消費電力に追従するように前記発電部から出力する電力を制御するモードである発電モードと、前記補機の消費電力を外部から供給される電力によって賄うとともに前記発電部の温度を所定温度域に維持する制御を行い、前記発電部から出力する電力が前記補器の消費電力よりも小さいモードである温度維持モードを含む。制御方法は、前記燃料電池ユニットの動作モードの各々について、前記負荷の消費電力を賄うために前記燃料電池ユニットにて要する燃料及び前記燃料電池ユニット以外から供給を受ける電力のコストを算出し、当該算出したコストに基づいて低コストの動作モードを指示する。

本発明によれば、燃料電池ユニットの効率的な運転制御を可能とする制御装置及び制御方法を提供する制御装置、燃料電池ユニット及び制御方法を提供することができる。

図１は、第１実施形態に係るエネルギー管理システム１００を示す図である。 図２は、第１実施形態に係る需要家１０を示す図である。 図３は、第１実施形態に係る燃料電池ユニット１５０を示す図である。 図４は、第１実施形態に係るＥＭＳ２００を示す図である。 図５は、第１実施形態に係る制御方法を示すフロー図である。

以下において、本発明の実施形態に係る制御装置及び制御方法について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。

ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法などは以下の説明を参酌して判断すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

［実施形態の概要］
実施形態に係る制御装置は、化学反応によって発電する発電部及び前記発電部の動作を補助する補機を備える燃料電池ユニットを制御する。制御装置は、前記燃料電池ユニットに対し、前記燃料電池ユニットの動作モードを指示する制御部を備え、前記燃料電池ユニットの動作モードは、前記燃料電池ユニットに接続された負荷の消費電力に追従するように前記発電部から出力する電力を制御するモードである発電モードと、前記補機の消費電力を前記燃料電池ユニット外部から供給される電力によって賄うとともに前記発電部の温度を所定温度域に維持する制御を行い、前記発電部から出力する電力が前記補器の消費電力よりも小さいモードである温度維持モードとを含み、前記制御部は、前記燃料電池ユニットの動作モードの各々について、前記負荷の消費電力を賄うために前記燃料電池ユニットにて要する燃料及び前記燃料電池ユニット以外から供給を受ける電力のコストを算出し、当該算出したコストに基づいて低コストの動作モードを指示する。

実施形態では、発電モード及び温度維持モードを含む複数の運転モードが導入される。これによって、負荷追従性を確保するために極力、完全には燃料電池ユニットを停止させないようにした場合であっても、燃料電池ユニットを効率的に運転制御することができる。

［第１実施形態］
（エネルギー管理システム）
以下において、第１実施形態に係るエネルギー管理システムについて説明する。図１は、第１実施形態に係るエネルギー管理システム１００を示す図である。

図１に示すように、エネルギー管理システム１００は、需要家１０と、ＣＥＭＳ２０と、変電所３０と、スマートサーバ４０と、発電所５０とを有する。なお、需要家１０、ＣＥＭＳ２０、変電所３０及びスマートサーバ４０は、ネットワーク６０によって接続されている。

需要家１０は、例えば、発電装置及び蓄電装置を有する。発電装置は、例えば、燃料電池のように、燃料ガスを利用して電力を出力する装置である。蓄電装置は、例えば、二次電池などのように、電力を蓄積する装置である。

需要家１０は、一戸建ての住宅であってもよく、マンションなどの集合住宅であってもよい。或いは、需要家１０は、コンビニエンスストア又はスーパーマーケットなどの店舗であってもよく、ビルなどの商用施設であってもよく、工場であってもよい。

第１実施形態では、複数の需要家１０によって、需要家群１０Ａ及び需要家群１０Ｂが構成されている。需要家群１０Ａ及び需要家群１０Ｂは、例えば、地理的な地域によって分類される。

ＣＥＭＳ２０は、複数の需要家１０と電力系統との間の連系を制御する。なお、ＣＥＭＳ２０は、複数の需要家１０を管理するため、ＣＥＭＳ（Ｃｌｕｓｔｅｒ／Ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）と称されることもある。具体的には、ＣＥＭＳ２０は、停電時などにおいて、複数の需要家１０と電力系統との間を解列する。一方で、ＣＥＭＳ２０は、復電時などにおいて、複数の需要家１０と電力系統との間を連系する。

第１実施形態では、ＣＥＭＳ２０Ａ及びＣＥＭＳ２０Ｂが設けられている。ＣＥＭＳ２０Ａは、例えば、需要家群１０Ａに含まれる需要家１０と電力系統との間の連系を制御する。ＣＥＭＳ２０Ｂは、例えば、需要家群１０Ｂに含まれる需要家１０と電力系統との間の連系を制御する。

変電所３０は、複数の需要家１０に対して、配電線３１を介して電力を供給する。具体的には、変電所３０は、発電所５０から供給を受ける電圧を降圧する。

第１実施形態では、変電所３０Ａ及び変電所３０Ｂが設けられている。変電所３０Ａは、例えば、需要家群１０Ａに含まれる需要家１０に対して、配電線３１Ａを介して電力を供給する。変電所３０Ｂは、例えば、需要家群１０Ｂに含まれる需要家１０に対して、配電線３１Ｂを介して電力を供給する。

スマートサーバ４０は、複数のＣＥＭＳ２０（ここでは、ＣＥＭＳ２０Ａ及びＣＥＭＳ２０Ｂ）を管理する。また、スマートサーバ４０は、複数の変電所３０（ここでは、変電所３０Ａ及び変電所３０Ｂ）を管理する。言い換えると、スマートサーバ４０は、需要家群１０Ａ及び需要家群１０Ｂに含まれる需要家１０を統括的に管理する。スマートサーバ４０は、例えば、需要家群１０Ａに供給すべき電力と需要家群１０Ｂに供給すべき電力とのバランスを取る機能を有する。

発電所５０は、火力、太陽光、風力、水力、原子力などによって発電を行う。発電所５０は、複数の変電所３０（ここでは、変電所３０Ａ及び変電所３０Ｂ）に対して、送電線５１を介して電力を供給する。

ネットワーク６０は、信号線を介して各装置に接続される。ネットワーク６０は、例えば、インターネット、広域回線網、狭域回線網、携帯電話網などである。

（需要家）
以下において、第１実施形態に係る需要家について説明する。図２は、第１実施形態に係る需要家１０の詳細を示す図である。

図２に示すように、需要家１０は、分電盤１１０と、負荷１２０と、ＰＶユニット１３０と、蓄電池ユニット１４０と、燃料電池ユニット１５０と、貯湯ユニット１６０と、ＥＭＳ２００とを有する。

第１実施形態において、需要家１０は、電流計１８０を有する。電流計１８０は、燃料電池ユニット１５０の負荷追従制御に用いられる。電流計１８０は、蓄電池ユニット１４０及び燃料電池ユニット１５０と系統とを接続する電力線上において、蓄電池ユニット１４０と電力線との接続点よりも下流（系統から離れた側）、かつ、燃料電池ユニット１５０と電力線との接続点よりも上流（系統に近い側）に設けられる。電流計１８０は負荷１２０と電力線との接続点よりも上流（系統に近い側）に設けられる。ただし、燃料電池ユニット１５０、蓄電池ユニット１４０の接続が逆の場合にも本発明は実施可能である。

第１実施形態において、各機器は、系統に近い順から見て、ＰＶユニット１３０、蓄電池ユニット１４０、燃料電池ユニット１５０及び負荷１２０の順で電力線に接続されていることに留意すべきである。

分電盤１１０は、配電線３１（系統）に接続されている。分電盤１１０は、電力線を介して、負荷１２０、ＰＶユニット１３０、蓄電池ユニット１４０及び燃料電池ユニット１５０に接続されている。

負荷１２０は、電力線を介して供給を受ける電力を消費する装置である。例えば、負荷１２０は、冷蔵庫、冷凍庫、照明、エアコンなどの装置を含む。

ＰＶユニット１３０は、ＰＶ１３１と、ＰＣＳ１３２とを有する。ＰＶ１３１は、発電装置の一例であり、太陽光の受光に応じて発電を行う太陽光発電装置である。ＰＶ１３１は、発電されたＤＣ電力を出力する。ＰＶ１３１の発電量は、ＰＶ１３１に照射される日射量に応じて変化する。ＰＣＳ１３２は、ＰＶ１３１から出力されたＤＣ電力をＡＣ電力に変換する装置（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）である。ＰＣＳ１３２は、電力線を介してＡＣ電力を分電盤１１０に出力する。

第１実施形態において、ＰＶユニット１３０は、ＰＶ１３１に照射される日射量を測定する日射計を有していてもよい。

ＰＶユニット１３０は、ＭＰＰＴ（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ）法によって制御される。詳細には、ＰＶユニット１３０は、ＰＶ１３１の動作点（動作点電圧値及び電力値によって定まる点、又は、動作点電圧値と電流値とによって定まる点）を最適化する。

蓄電池ユニット１４０は、蓄電池１４１と、ＰＣＳ１４２とを有する。蓄電池１４１は、電力を蓄積する装置である。ＰＣＳ１４２は、配電線３１（系統）から供給を受けるＡＣ電力をＤＣ電力に変換する装置（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）である。また、ＰＣＳ１４２は、蓄電池１４１から出力されたＤＣ電力をＡＣ電力に変換する。

燃料電池ユニット１５０は、燃料電池１５１と、ＰＣＳ１５２とを有する。燃料電池１５１は、発電装置の一例であり、燃料ガスを利用して電力を出力する装置である。ＰＣＳ１５２は、燃料電池１５１から出力されたＤＣ電力をＡＣ電力に変換する装置（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）である。

燃料電池ユニット１５０は、負荷追従制御によって動作する。詳細には、燃料電池ユニット１５０は、燃料電池１５１から出力する電力が負荷追従制御の目標電力となるように燃料電池１５１を制御する。言い換えると、燃料電池ユニット１５０は、電流計１８０によって検出される電流値が目標受電力となるように、燃料電池１５１から出力する電力を制御する。ここでいう負荷追従制御は、負荷１２０の消費電力が燃料電池ユニット１５０の定格運転における出力電力を上回る場合は、負荷１２０の要求電力の不足分を、系統から供給を受けた電力で賄う制御も含む。

貯湯ユニット１６０は、電力を熱に変換し、変換された熱を湯として蓄積したり、燃料電池ユニット１５０等のコージェネレーション機器が発生する熱を湯として蓄えたりする蓄熱装置の一例である。具体的には、貯湯ユニット１６０は、貯湯槽を有しており、燃料電池１５１の運転（発電）によって生じる排熱によって、貯湯槽から供給される水を温める。詳細には、貯湯ユニット１６０は、貯湯槽から供給される水を温めて、温められた湯を貯湯槽に還流する。

ＥＭＳ２００は、ＰＶユニット１３０、蓄電池ユニット１４０、燃料電池ユニット１５０及び貯湯ユニット１６０を制御する装置（Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）である。具体的には、ＥＭＳ２００は、ＰＶユニット１３０、蓄電池ユニット１４０、燃料電池ユニット１５０及び貯湯ユニット１６０に信号線を介して接続されており、ＰＶユニット１３０、蓄電池ユニット１４０、燃料電池ユニット１５０及び貯湯ユニット１６０を制御する。また、ＥＭＳ２００は、燃料電池ユニット１５０の動作モードを制御することによって、負荷１２０の消費電力を制御する。

また、ＥＭＳ２００は、ネットワーク６０を介して各種サーバと接続される。各種サーバは、例えば、系統から供給を受ける電力の購入単価、系統から供給を受ける電力の売却単価、燃料ガスの購入単価などの情報（以下、エネルギー料金情報）を格納する。

或いは、各種サーバは、例えば、負荷１２０の消費電力を予測するための情報（以下、消費エネルギー予測情報）を格納する。消費エネルギー予測情報は、例えば、過去の負荷１２０の消費電力の実績値に基づいて生成されてもよい。或いは、消費エネルギー予測情報は、負荷１２０の消費電力のモデルであってもよい。

或いは、各種サーバは、例えば、ＰＶ１３１の発電量を予測するための情報（以下、ＰＶ発電量予測情報）を格納する。ＰＶ発電予測情報は、ＰＶ１３１に照射される日射量の予測値であってもよい。或いは、ＰＶ発電予測情報は、天気予報、季節、日照時間などであってもよい。

（燃料電池ユニット）
以下において、第１実施形態に係る燃料電池ユニットについて説明する。図３は、第１実施形態に係る燃料電池ユニット１５０を示す図である。

図３に示すように、燃料電池ユニット１５０は、燃料電池１５１と、ＰＣＳ１５２と、ブロワ１５３と、脱硫器１５４と、着火ヒータ１５５と、制御基板１５６とを有する。

燃料電池１５１は、上述したように、燃料を利用して電力を出力する装置である。具体的には、燃料電池１５１は、改質器１５１Ａと、セルスタック１５１Ｂとを有する。

改質器１５１Ａは、後述する脱硫器１５４によって付臭剤が除去された燃料から改質ガスを生成する。改質ガスは、水素及び一酸化炭素によって構成されるガスである。

セルスタック１５１Ｂは、後述するブロワ１５３から供給される空気（酸素）と改質ガスとの化学反応によって発電する。具体的には、セルスタック１５１Ｂは、複数のセルがスタックされた構造を有する。各セルは、燃料極と空気極との間に電解質が挟み込まれた構造を有する。燃料極には、改質ガス（水素）が供給され、空気極には、空気（酸素）が供給される。電解質において改質ガス（水素）及び空気（酸素）の化学反応が生じて、電力（ＤＣ電力）及び熱が生成される。

ＰＣＳ１５２は、上述したように、燃料電池１５１から出力されたＤＣ電力をＡＣ電力に変換する装置である。

ブロワ１５３は、燃料電池１５１（セルスタック１５１Ｂ）に空気を供給する。ブロワ１５３は、例えば、ファンによって構成される。

脱硫器１５４は、外部から供給される燃料に含まれる付臭剤を除去する。燃料は、都市ガスであってもよく、プロパンガスであってもよい。

着火ヒータ１５５は、セルスタック１５１Ｂで化学反応しなかった燃料（以下、未反応燃料）に着火し、セルスタック１５１Ｂの温度を高温に維持するヒータである。すなわち、着火ヒータ１５５は、セルスタック１５１Ｂを構成する各セルの開口から漏れる未反応燃料に着火する。着火ヒータ１５５は、未反応燃料が燃焼していないケース（例えば、燃料電池ユニット１５０の起動時）において、未反応燃料に着火すればよいことに留意すべきである。そして、一旦着火すれば、その後は、セルスタック１５１Ｂから僅かずつ溢れ出る未反応燃料が燃焼し続けることによって、セルスタック１５１Ｂの温度が高温に維持される。

制御基板１５６は、燃料電池１５１、ＰＣＳ１５２、ブロワ１５３、脱硫器１５４、着火ヒータ１５５及び制御基板１５６を制御する回路を搭載する基板である。

第１実施形態において、セルスタック１５１Ｂは、化学反応によって発電する発電部の一例である。改質器１５１Ａ、ブロワ１５３、脱硫器１５４、着火ヒータ１５５及び制御基板１５６は、セルスタック１５１Ｂ（発電部）の動作を補助する補機の一例である。また、ＰＣＳ１５２の一部を補機として扱ってもよい。

第１実施形態において、燃料電池ユニット１５０の動作モードとして、発電モード、自給モード、温度維持モードが設けられる。

発電モードは、燃料電池ユニット１５０に接続された負荷１２０の消費電力に追従するように燃料電池１５１（セルスタック１５１Ｂ）から出力する電力が制御される動作モード（負荷追従制御）である。詳細には、発電モードでは、電流計１８０によって検出される電流値とＰＣＳ１５２が測定している電圧値から算出される受電力が目標受電力となるように、燃料電池１５１から出力する電力が制御される。ここで、燃料電池ユニット１５０が電流計１８０よりも下流に設けられているため、補機の消費電力についても、燃料電池１５１から出力する電力によって賄われることに留意すべきである。

ここで、発電モードにおけるセルスタック１５１Ｂの温度は、化学反応及び未反応燃料の燃焼によって、発電温度として６５０〜１０００℃（例えば７００℃程度）に維持される。このような発電温度は、すなわち、改質ガス（水素）及び空気（酸素）を得れば、積極的に化学反応が生じる温度域である。

ところで、燃料電池ユニット１５０は、完全停止させることも可能である。例えば、長期間使用しない場合などにおいては完全停止させてもよい。しかしながら、完全停止させた場合には、補機類も停止して燃料電池１５１（セルスタック１５１Ｂ）の温度が低いものとなるため、発電可能な程の温度まで上昇するために長い時間を要することとなり、負荷追従性が低いということには留意すべきである。このため、第１実施形態においては完全停止を極力回避するため、運転モードにアイドリングモードと温度維持モードとを設ける。

自給モードは、燃料電池１５１（セルスタック１５１Ｂ）から出力する電力によって補機の消費電力を賄う動作モードである。ここでいう自給モードは、燃料電池ユニット１５０からの出力電力がゼロとなるように制御されるモードであることから、アイドリングモードとも言う。アイドリングモード（自給モード）では、負荷１２０の消費電力については、燃料電池１５１から出力する電力によって賄われないことに留意すべきである。

ここで、アイドリングモードにおけるセルスタック１５１Ｂの温度は、化学反応及び未反応燃料の燃焼により、発電モードと同様の発電温度（例えば、７００℃程度）に維持される。すなわち、アイドリングモードにおけるセルスタック１５１Ｂの温度についても、発電モードと同様、改質ガス（水素）及び空気（酸素）を得れば、積極的に化学反応が生じる温度域である。アイドリングモードは、例えば、停電が生じた場合に適用される動作モードである。

温度維持モードは、補機の消費電力を外部から供給される電力によって賄うとともに、セルスタック１５１Ｂを所定温度域に維持する動作モードである。温度維持モードにおいて、補機の消費電力は、系統から供給される電力によって賄われてもよく、ＰＶ１３１又は蓄電池１４１から供給される電力によって賄われてもよい。温度維持モードにおいて、燃料電池１５１（セルスタック１５１Ｂ）から出力する電力は、少なくとも、補機の消費電力よりも小さく、アイドリングモードのように、補機を動作させるには若干及ばない程度となる。例えば、温度維持モードにおいて、燃料電池１５１（セルスタック１５１Ｂ）から電力が出力されない。

ここで、温度維持モードにおけるセルスタック１５１Ｂの温度は、主として、未反応燃料の燃焼によって維持される。また、温度維持モードにおけるセルスタック１５１Ｂの温度は、発電モードにおけるセルスタック１５１Ｂの温度よりも低い。同様に、温度維持モードにおけるセルスタック１５１Ｂの温度は、アイドリングモードにおけるセルスタック１５１Ｂの温度よりも低い。しかしながら、未反応燃料の燃焼により、温度維持モードにおけるセルスタック１５１Ｂの温度は、ある程度の高温（所定温度域）で維持される。

第１実施形態において、所定温度域は、発電温度よりも若干低く、例えば、４５０℃〜６００℃程度であって、改質ガス（水素）及び空気（酸素）を得ても、充分な化学反応が生じにくい温度域である。セルスタック１５１Ｂの温度が所定温度域である場合に、化学反応の反応スピードが不足するため、燃料電池１５１（セルスタック１５１Ｂ）から出力する電圧は、定格電圧（２００Ｖ）よりも低い。温度維持モードでは、化学反応が全く生じていなくてもよく、若干の化学反応が生じていてもよい。ただし、所定温度域は、常温よりは明らかに高い温度で維持することとなるため、発電を行う必要が生じた際にも、完全停止している状態に比して化学反応を積極的に生じさせる温度に到達するまでの時間が短く済み、必要電力を出力するまでの時間を短くすることとなる。

また、温度維持モードにおいて燃料電池ユニット１５０に供給される燃料の量は、アイドリングモードにおいて燃料電池ユニット１５０に供給される燃料の量よりも少ない。

（ＥＭＳの構成）
以下において、第１実施形態のＥＭＳについて説明する。図４は、第１実施形態のＥＭＳ２００を示すブロック図である。

図４に示すように、ＥＭＳ２００は、受信部２１０と、送信部２２０と、制御部２３０とを有する。

受信部２１０は、信号線を介して接続された装置から各種信号を受信する。例えば、受信部２１０は、ＰＶ１３１の発電量を示す情報をＰＶユニット１３０から受信してもよい。受信部２１０は、蓄電池１４１の蓄電量を示す情報を蓄電池ユニット１４０から受信してもよい。受信部２１０は、燃料電池１５１の発電量を示す情報を燃料電池ユニット１５０から受信してもよい。受信部２１０は、貯湯ユニット１６０の貯湯量を示す情報を貯湯ユニット１６０から受信してもよい。

第１実施形態において、受信部２１０は、エネルギー料金情報、消費エネルギー予測情報及びＰＶ発電量予測情報を、ネットワーク６０を介して各種サーバから受信してもよい。但し、エネルギー料金情報、消費エネルギー予測情報及びＰＶ発電量予測情報は、予めＥＭＳ２００に記憶されていてもよい。

送信部２２０は、信号線を介して接続された装置に各種信号を送信する。例えば、送信部２２０は、ＰＶユニット１３０、蓄電池ユニット１４０、燃料電池ユニット１５０及び貯湯ユニット１６０を制御するための信号を各装置に送信する。送信部２２０は、負荷１２０を制御するための制御信号を負荷１２０に送信する。

制御部２３０は、負荷１２０、ＰＶユニット１３０、蓄電池ユニット１４０、燃料電池ユニット１５０及び貯湯ユニット１６０を制御する。

第１実施形態において、制御部２３０は、燃料電池ユニット１５０の動作モードを燃料電池ユニット１５０に指示する。第１実施形態において、燃料電池ユニット１５０の動作モードは、上述したように、発電モード（負荷追従制御）、アイドリングモード及び温度維持モードを含む。

制御部２３０は、負荷１２０の消費電力を賄うために要する燃料及び／又は電力のコストを燃料電池ユニット１５０の動作モードの各々について算出し、算出したコストを比較する。制御部２３０は、電流計１８０によって検出される電流値とＰＣＳ１５２によって測定される電圧値から算出される負荷１２０の消費電力と、各種サーバに格納されたエネルギー料金情報、特に、系統から供給を受ける電力の購入単価、燃料ガスの購入単価についての情報に基づいて、負荷１２０の消費電力を賄うために要する燃料及び／又は電力のコストを算出する。

ここで、負荷１２０の消費電力を賄うために要する燃料及び／又は電力のコストとは、以下のことを意味する。発電モードの場合は、負荷１２０の消費電力を燃料電池ユニット１５０からの出力電力で賄うために、燃料電池１５１（セルスタック１５１Ｂ）に供給される燃料を意味する。温度維持モードの場合は、燃料電池１５１（セルスタック１５１Ｂ）の温度を所定温度域に維持するために燃料電池１５１（セルスタック１５１Ｂ）に供給される燃料、補機の消費電力を賄うために補機に供給される電力、及び負荷１２０の消費電力を賄うために負荷１２０に供給される電力を意味する。アイドリングモードの場合は、燃料電池１５１（セルスタック１５１Ｂ）から出力した電力で補機の消費電力を賄うために燃料電池１５１（セルスタック１５１Ｂ）に供給される燃料、及び負荷１２０の消費電力を賄うために負荷１２０に供給される電力を意味する。制御部２３０は、負荷１２０の消費電力を賄うために要する燃料及び／又は電力のコストが小さい動作モードで、燃料電池ユニット１５０を運転するよう制御する。

また、制御部２３０は、負荷の消費電力が所定閾値を下回る場合に、燃料電池ユニットが要する燃料及び／又は電力のコストを、温度維持モード及び自給モードの各々について算出し、算出したコストを比較して、燃料電池ユニット１５０の動作モードを温度維持モード又はアイドリングモードとするように指示することができる。

燃料電池ユニット１５０が要する燃料及び／又は電力のコストとは、温度維持モードの場合は、燃料電池１５１（セルスタック１５１Ｂ）の温度を所定温度域に維持するために燃料電池１５１（セルスタック１５１Ｂ）に供給される燃料、及び補機の消費電力を賄うために補機に供給される電力を意味し、アイドリングモードの場合は、燃料電池１５１（セルスタック１５１Ｂ）から出力した電力で補機の消費電力を賄うために燃料電池１５１（セルスタック１５１Ｂ）に供給される燃料を意味する。制御部２３０は、負荷の消費電力が所定閾値を下回る場合に、燃料電池ユニットが要する燃料及び／又は電力のコストが小さい方の動作モードで燃料電池ユニット１５０を運転することができる。

例えば、負荷１２０の消費電力がほぼゼロであり、系統から供給を受ける電力の購入単価が低い夜間は、補機及び負荷１２０の消費電力を、燃料電池１５１（セルスタック１５１Ｂ）からの出力電力で賄うよりも、系統から供給を受ける電力で賄う方が効率的な場合がある。このような場合に、制御部２３０は、温度維持モードで燃料電池ユニット１５０を運転するよう制御することにより、負荷追従性を確保しつつ、効率的な運転制御をすることができる。また、制御部２３０は、例えば、停電が生じた場合には、アイドリングモードで運転するよう燃料電池ユニット１５０を制御する。

（制御方法）
以下において、第１実施形態に係る制御方法について説明する。図５は、第１実施形態に係る制御方法を示すフロー図である。

図５に示すように、ステップ１００において、ＥＭＳ２００は、燃料電池ユニット１５０の各モードにおけるコストを算出する。燃料電池ユニット１５０の動作モードは、上述したように、発電モード、アイドリングモード及び温度維持モードを含む。ここでいうコストは、燃料電池ユニット１５０に供給される燃料及び／又は電力のコストと、負荷１２０の消費電力を賄うために系統から供給される電力のコストとから算出されるコストである。具体的には、発電モードであって、負荷１２０の消費電力が燃料電池ユニット１５０からの出力電力で賄われる場合には、燃料電池ユニット１５０に供給される燃料のみからコストを算出する。また、発電モードであっても、負荷１２０における消費電力が燃料電池ユニット１５０からの出力電力のみで賄いきれない場合には、負荷１２０に系統から供給される電力も含めてコストを算出する。アイドリングモードの場合は、負荷１２０の消費電力を系統から供給される電力で賄うため、燃料電池ユニット１５０に供給される燃料と、負荷１２０に系統から供給される電力とからコストを算出する。温度維持モードの場合は、さらに、補機の消費電力を系統から供給される電力で賄うため、燃料電池ユニット１５０に供給される燃料及び電力と、負荷１２０に系統から供給される電力とからコストを算出する。

ステップ２００において、ＥＭＳ２００は、ステップ１００で算出した各動作モードのコストを比較し、燃料電池ユニット１５０の動作モードを指示する。具体的には、ＥＭＳ２００は、最も低コストの動作モードで運転するよう燃料電池ユニット１５０を制御する。

ステップ２００において、ＥＭＳ２００は、発電モードが最も低コストの動作モードであると判定すると、発電モードで運転するよう燃料電池ユニット１５０を制御する。発電モードでは、燃料電池ユニット１５０に接続された負荷１２０の消費電力に追従するように補機類を制御して、燃料電池１５１からの出力を調整する。

ステップ２００において、ＥＭＳ２００は、温度維持モードが最も低コストの動作モードであると判定すると、温度維持モードで運転するよう燃料電池ユニット１５０を制御する。上述したように、温度維持モードでは、系統からの電力やＰＶユニット１３０など燃料電池ユニット以外から供給される電力によって補機の消費電力が賄われており、セルスタック１５１Ｂの温度が所定温度域に維持される。温度維持モードでは、燃料電池１５１から出力する電力は、少なくとも、補機の消費電力よりも小さく、ゼロでもよい。つまり、例えば、負荷１２０の消費電力が少なく、系統から供給を受ける電力の購入単価が低い夜間は、補機及び負荷１２０の消費電力を、セルスタック１５１Ｂからの出力電力で賄うよりも、系統から供給を受ける電力で賄う方が効率的な場合がある。このような場合に、ＥＭＳ２００は、温度維持モードを動作モードとして指示することにより、燃料電池ユニット１５０を効率的に運転制御することができる。

ステップ２００において、ＥＭＳ２００は、負荷１２０の消費電力が所定閾値を下回る場合に、温度維持モード又は自給モードの各々について、コストを算出する。つまり、温度維持モードの場合は、燃料電池ユニット１５０に供給される燃料及び燃料電池ユニット１５０以外から補機に供給される電力のコストを算出し、アイドリングモードの場合は、燃料電池ユニット１５０に供給される燃料のコストを算出する。これらの算出されたコストに基づいて、ＥＭＳ２００は、温度維持モードよりもアイドリングモードが低コストの動作モードであると判定すると、アイドリングモードで運転するよう燃料電池ユニット１５０を制御する。これにより、負荷１２０の消費電力が非常に少なく、動作モードの選択肢から発電モードを除外しうる場合であっても、温度維持モード及びアイドリングモードの各々についてのコストを比較して、動作モードを指示することにより、燃料電池ユニット１５０を効率的に運転制御することができる。また、ＥＭＳ２００は、例えば、停電が生じた場合には、アイドリングモードで運転するよう燃料電池ユニット１５０を制御してもよい。アイドリングモードでは、系統が停電状態であって系統からの電力供給が受けられない場合となっても、運転を継続することができる。系統が停電状態となり、補機類に系統からの電力供給を受けることができなくなったとしても、燃料電池１５１（セルスタック１５１Ｂ）における発電は化学反応であるために即座に停止するわけではない。つまり、停電が生じ、補機への系統からの電力供給が無くなったとしても、しばらくは補機の消費電力を賄える程度は化学反応が継続する。このため、停電を検出しても即座に補機への電力供給元を系統から自己の発電電力に変更することで運転を継続することができる。このようにして上述したように、アイドリングモードでは、燃料電池１５１から出力される電力が補機へ供給されるが、負荷１２０へは基本的に電力供給を行わない。

以上説明したように、第１実施形態では、温度維持モードを含む複数の運転モードが導入される。これによって、負荷追従性を確保するために極力、完全には燃料電池ユニット１５０を停止させないようにした場合であっても、燃料電池ユニット１５０を効率的に運転制御することができる。

［その他の実施形態］
本発明は上述した実施形態によって説明したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、温度維持モードでは系統からの電力供給により補機類の消費電力を賄うとしたが、ＰＶユニット１３０か蓄電池ユニット１４０などの出力から賄ってもよい。

実施形態において、制御装置は、ＥＭＳ２００であるが、実施形態はこれに限定されるものではない。ＥＭＳ２００は、ＰＣＳ１５２又は制御基板１５６であってもよい。

ＥＭＳ２００は、ＨＥＭＳ（Ｈｏｍｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）であってもよく、ＳＥＭＳ（Ｓｔｏｒｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）であってもよく、ＢＥＭＳ（Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）であってもよく、ＦＥＭＳ（Ｆａｃｔｏｒｙ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）であってもよい。

実施形態では、需要家１０は、負荷１２０、ＰＶユニット１３０、蓄電池ユニット１４０、燃料電池ユニット１５０及び貯湯ユニット１６０を有する。しかしながら、需要家１０は、少なくとも、負荷１２０及び燃料電池ユニット１５０を有していればよい。

１０…需要家、２０…ＣＥＭＳ、３０…変電所、３１…配電線、４０…スマートサーバ、５０…発電所、５１…送電線、６０…ネットワーク、１００…エネルギー管理システム、１１０…分電盤、１２０…負荷、１３０…ＰＶユニット、１３１…ＰＶ、１３２…ＰＣＳ、１４０…蓄電池ユニット、１４１…蓄電池、１４２…ＰＣＳ、１５０…燃料電池ユニット、１５１…燃料電池、１５１Ａ…改質器、１５１Ｂ…セルスタック、１５２…ＰＣＳ、１５３…ブロワ、１５４…脱硫器、１５５…着火ヒータ、１５６…制御基板、１６０…貯湯ユニット、１８０…電流計、２００…ＥＭＳ、２１０…受信部、２２０…送信部、２３０…制御部

Claims (10)

1. 化学反応によって発電する発電部及び前記発電部の動作を補助する補機を備える燃料電池ユニットを制御する制御装置であって、
   前記燃料電池ユニットに対し、前記燃料電池ユニットの動作モードを指示する制御部を備え、
   前記燃料電池ユニットの動作モードは、前記燃料電池ユニットに接続された負荷の消費電力に追従するように前記発電部から出力する電力を制御するモードである発電モードと、前記補機の消費電力を前記燃料電池ユニット外部から供給される電力によって賄うとともに前記発電部の温度を所定温度域に維持する制御を行い、前記発電部から出力する電力が前記補機の消費電力よりも小さいモードである温度維持モードとを含み、
   前記制御部は、前記燃料電池ユニットの動作モードの各々について、前記負荷の消費電力を賄うために前記燃料電池ユニットにて要する燃料及び前記燃料電池ユニット以外から供給を受ける電力のコストを算出し、当該算出したコストに基づいて低コストの動作モードを指示することを特徴とする制御装置。
2. 前記所定温度域は、前記発電モードにおいて前記発電部にて発電を行う際の発電温度よりも低い温度域であることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
3. 前記制御部は、前記発電部から出力する電力を前記補機によって消費するように制御する自給モードを、前記燃料電池ユニットの動作モードの一つとして指示し、
   前記制御部は、前記負荷の消費電力が所定閾値を下回る場合に、前記温度維持モード又は前記自給モードの各々について、前記燃料電池ユニットにて要する燃料及び前記燃料電池ユニット以外から供給を受ける電力のコストを算出し、当該算出したコストに基づいて低コストの動作モードを指示することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の制御装置。
4. 前記制御部は、停電が生じた場合に、前記燃料電池ユニットの動作モードを前記自給モードとするように指示することを特徴とする請求項３に記載の制御装置。
5. 前記所定温度域は、前記自給モードにおける前記発電部の温度よりも低いことを特徴とする請求項４に記載の制御装置。
6. 前記燃料電池ユニットは、ＳＯＦＣ方式の燃料電池を有することを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
7. 前記発電温度は、６５０℃〜１０００℃であり、前記所定温度域は、４５０℃〜６００℃であることを特徴とする請求項２に記載の制御装置。
8. 前記温度維持モードにおいて前記発電部に供給される燃料の量は、前記自給モードにおいて前記発電部に供給される燃料の量よりも少ないことを特徴とする請求項３に記載の制御装置。
9. 化学反応によって発電する発電部及び前記発電部の動作を補助する補機を備える燃料電池ユニットであって、
   前記発電部による発電を積極的に行うモードである発電モードと、前記補機の消費電力を外部から供給される電力によって賄うとともに前記発電部の温度を所定温度域に維持する制御を行い、前記発電部から出力する電力が前記補機の消費電力よりも小さいモードである温度維持モードと、を含む複数の動作モードにより自己の運転を制御する制御部を備え、
   前記制御部は、前記燃料電池ユニットの動作モードの各々について、前記負荷の消費電力を賄うために前記燃料電池ユニットにて要する燃料及び前記燃料電池ユニット以外から供給を受ける電力のコストを算出し、当該算出したコストに基づいて低コストの動作モードにより自己の運転を制御することを特徴とする燃料電池ユニット。
10. 化学反応によって発電する発電部及び前記発電部の動作を補助する補機を備える燃料電池ユニットを制御する制御方法であって、
    前記燃料電池ユニットに対し、前記燃料電池ユニットの動作モードを指示するステップを備え、
    前記燃料電池ユニットの動作モードは、前記燃料電池ユニットに接続された負荷の消費電力に追従するように前記発電部から出力する電力を制御する発電モードと、前記補機の消費電力を外部から供給される電力によって賄うとともに前記発電部の温度を所定温度域に維持し、前記発電部から出力する電力が前記補器の消費電力よりも小さいモードである温度維持モードとを含み、
    前記燃料電池ユニットの動作モードの各々について、前記負荷の消費電力を賄うために前記燃料電池ユニットにて要する燃料及び前記燃料電池ユニット以外から供給を受ける電力のコストを算出し、当該算出したコストに基づいて低コストの動作モードを指示することを特徴とする制御方法。

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