JP2022110467A - 燃料電池システムの運転制御装置、燃料電池システムの運転制御方法、燃料電池システムの運転制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】定格出力以上の出力要求に対応すると共に、省エネ性と利便性との選択を可能とする。【解決手段】燃料電池システムには、運転モードとして、予め定めた定格出力で運転する定格出力運転モードと、定格出力時よりも発電量を増加させた状態で運転するブースト運転モードと、に切り替える、運転モード切替機能を付加した。運転モード切替機能では、特定事象が発生している期間、運転モードをブースト運転モードに切り替える制御を実行する。定格出力運転モードは、電流値を一定とする（酸素及び水素を含む燃料の量を一定とする）ことで、常時、定格出力を確保する。一方、ブースト運転モードでは、空気極で消費される酸素量、及び、前記燃料極で消費される水素を含む燃料量の少なくとも一方の量の調整（増量）によって実行される（電流の増加）。【選択図】図５

Description

本発明は、コージェネレーション装置に複数の運転モードを設定し、状況に応じてモードを切り替えて運転するための燃料電池システムの運転制御装置、燃料電池システムの運転制御方法、燃料電池システムの運転制御プログラムに関するものである。

燃料電池システムを利用した装置、例えば、家庭用燃料電池コージェネレーション装置は、貯湯ユニットと燃料電池ユニットとが併設されたシステムである。

燃料電池ユニットでは、発電を目的としてガスを消費し続けており、発電に伴う発熱で、貯湯ユニット内の水を加熱して温水を生成する。

例えば、家庭用燃料電池コージェネレーション装置は、家庭の省エネ、省ランニングコストを目的に稼働するのが一般的である。

一方で、定格出力以上の出力を要求する条件（以下、非定格出力条件という）が設定される場合がある。

非定格出力条件の具体例として、ＶＰＰ「Virtual Power Plant」発動時、停電等のレジリエンス発生時、及びダイナミックプライシング対応時等が挙げられる。

家庭用燃料電池の定格出力は、設計仕様によってチューニングされており、出力－燃料利用率特性のピーク（燃料利用率の最適値）に合わせるのが通例である。

言い換えれば、燃料利用率を無視して、定格出力を超える（ピークを逸脱する）ような、非効率な運転が行われる仕様にはなっていない。

特許文献１には、より有効な燃料電池の負荷追従性を補うための二次電池により追従遅延不足分だけでなく定格超過不足分も補うための給電システムが記載されている。

この特許文献１では、負荷追従制御が適用されるＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池「Solid Oxide Fuel Cell」）と、ＳＯＦＣの負荷追従性を補うための二次電池と、を有する給電システムにおいて、負荷の消費電力が増加する場合に、ＳＯＦＣの出力電力の不足分を補うように二次電池を放電する第１の放電制御を行うＳＯＦＣ制御装置を有する。ＳＯＦＣ制御装置は、負荷の消費電力が増加して当該消費電力がＳＯＦＣの定格出力電力を超過する場合に、第１の放電制御を行った上で、二次電池の蓄電量の少なくとも一部をさらに放電する第２の放電制御を行う。

特許文献２には、需要電力が家庭の需要電力全体の平均値よりも小さい時間帯には、ＰＥＦＣの給電するベース電力部分から需要電力を差し引いた余剰部分をコンデンサ及び鉛蓄電池に充電しておき、需要電力が平均値よりも大きい時間帯に、その平均値を超えるピーク電力部分をコンデンサ及び鉛蓄電池から放電する。これにより、余剰電力を有効活用しつつ必要最小限の設備で一日の家庭用需要に十分に適合することが可能となる。したがって、エネルギーの無駄をなくしエネルギー効率を向上するとともに、経済性を向上することが記載されている。

特開２０１３－７４７５７号公報 ＷＯ２００３／０３４５２３公報

しかしながら、特許文献1及び特許文献２を含む従来技術では、主たる電力源とは別の副次的な電力源（二次電池、鉛蓄電池等）を付加して電力不足分を補う構成であり、設備構造の複雑化を招く結果となる。

本発明は、定格出力以上の出力要求に対応すると共に、省エネ性と利便性との選択を可能とすることができる燃料電池システムの運転制御装置、燃料電池システムの運転制御方法、燃料電池システムの運転制御プログラムを得ることが目的である。

本発明に係る燃料電池システムの運転制御装置は、発電部を備え、前記発電部に発生する熱を活用する燃料電池システムの運転制御装置であって、前記発電部を、所定の仕様に基づいて設定された定格出力を上限として発電を実行する定格出力運転モードと、少なくとも前記定格出力よりも発電量を増加させた状態で運転するブースト運転モードと、の何れかの運転モードを選択して運転する運転制御部と、を有している。

本発明によれば、運転制御部が、発電部を、所定の仕様に基づいて設定された定格出力を上限として発電を実行する定格出力運転モードと、少なくとも定格出力よりも発電量を増加させた状態で運転するブースト運転モードと、の何れかの運転モードを選択して運転する。

定格出力運転モードに加え、定格出力以上に出力させるブースト運転モードを設定し、条件に応じて、定格出力運転モードとブースト運転モードとを切り替える制御を行うことで、省エネ性と利便性との選択が可能となる。

本発明において、前記運転モードの切り替えが、前記発電部を構成する空気極及び燃料極の内、前記空気極で消費される酸素量、及び、前記燃料極で消費される水素を含む燃料量の少なくとも一方の量の調整によって実行され、前記ブースト運転モードによる運転時の発電量が、前記発電部の設置場所の標高に依存する空気密度と、空気を供給する装置及び水素を含む燃料を供給する装置の能力と、によって決定されることを特徴としている。

本発明において、前記定格出力運転モードで運転しているときに、仮想的な発電源としての運転要請があった場合に、前記運転制御部は、前記ブースト運転モードに切り替えて運転することを特徴としている。

本発明において前記定格出力運転モードで運転しているときに、商用電源の電力低下を含む電化製品の機能低下をもたらすレジリエンスとしての運転要請があった場合に、前記運転制御部は、前記ブースト運転モードに切り替えて運転することを特徴としている。

本発明において、前記定格出力運転モードで運転しているときに、商用電源のダイナミックプライシングで設定された時間帯に合わせて、前記運転制御部は、前記定格出力運転モードと、前記ブースト運転モードとを切り替えて運転することを特徴としている。

本発明に係る燃料電池システムの運転制御方法は、発電部を備え、前記発電部に発生する熱を活用するコージェネレーション装置に用いられる運転制御方法であって、前記発電部を、所定の仕様に基づいて設定された定格出力を上限として発電を実行する定格出力運転モードと、少なくとも前記定格出力よりも発電量を増加させた状態で運転するブースト運転モードと、の何れかの運転モードを選択して運転する、ことを特徴としている。

本発明によれば、定格出力以上の出力要求に対応すると共に、省エネ性と利便性との選択を可能とすることができる。

本発明に係る燃料電池システムの運転制御プログラムは、コンピュータを、燃料電池システムの運転制御部として動作させることを特徴としている。

以上、本発明によれば、定格出力以上の出力要求に対応すると共に、省エネ性と利便性との選択を可能とすることができる。

本発明によれば、定格出力以上の出力要求に対応すると共に、省エネ性と利便性との選択を可能とすることができる。

第１の実施の形態に係るコージェネレーション装置の概略図である。 第１の実施の形態に係るコントローラの制御ブロック図である。 （Ａ）は第１の実施の形態に係るリモコンパネルの正面図、（Ｂ）はブースト運転モード表記の変形例である。 （Ａ）は、運転能力－燃料利用率特性図、（Ｂ）は電流と電圧特性図である。 第１の実施の形態に係るコージェネレーション装置１０における運転モード切替制御ルーチンを示すフローチャートである。 第１の実施の形態における、一般的な家庭の生活スタイルの一例としての、お湯の使用量、貯湯タンクの貯湯量、及び発電の推移を示すタイミングチャートである。 第２の実施の形態に係るコージェネレーション装置の概略図である。 第２の実施の形態である。 第２の実施の形態における、一般的な家庭の生活スタイルの一例としての発電の推移を示すタイミングチャートである。

（第１の実施の形態）
図１には、第１の実施の形態に係る家庭用燃料電池コージェネレーション装置、（以下、第１の実施の形態において、単に、「コージェネレーション装置１０」という）の概略図が示されている。なお、燃料電池コージェネレーションシステムとは、コージェネレーション装置１０及びその周辺の配管や電気配線、及び付属機器を含めた全体構成を言い、コージェネレーション装置１０は、その本体を指すものとする。

コージェネレーション装置１０は、貯湯ユニット１２と燃料電池ユニット１４とが併設されたシステムである。なお、併設とは、物理的に隣接していることに限定するものではなく、相互に連携しあうことを意味する。すなわち、貯湯ユニット１２と燃料電池ユニット１４とが離れた状態で設置され、配管や電気配線等で連結するようにしてもよい。

（コージェネレーション装置１０の構成）

コージェネレーション装置１０は、コントローラ１６によって制御される。コントローラ１６は、本発明の運転制御部として機能する（詳細後述）。

貯湯ユニット１２は、貯湯タンク３２を備えている。また、燃料電池ユニット１４は、ガス供給管１８からガス（例えば、都市ガス１３Ａ）を取り込んで水素を精製する燃料処理器２０と、水素と酸素とによる改質を中心とした処理で発電しかつ蓄電するスタック２２と、スタック２２に蓄電された電力（直流）を交流に変換し、家屋４８内の家電（家庭電化製品）や照明等のエネルギー消費機器の１つである電力消費機器２４に供給するインバータ２８とを備えている。

なお、図１では、電力消費機器２４の代表例として、家電及び照明を挙げているが、第１の実施の形態において、電力消費機器２４とは、家電及び照明を含め、家屋４８で必要とされる電気部品は全てを指すものとする。例えば、後述するリモコンパネル４６及びガスファンヒータ５４のファンモータ等が、電力消費機器２４に属する。

ところで、燃料電池ユニット１４では、スタック２２で発電する際に発熱するため、冷却する必要がある。

一方、貯湯ユニット１２では、貯湯タンク３２内に水道水等を取り入れ（給水）、家屋４８の内部に設けられ、電力消費機器２４と共にエネルギー消費機器を構成する給湯設備４９（シャワー、風呂、シンク等）への給湯用、及び床暖房や空調設備等での熱交換用として利用するため、加熱（加温）する必要がある。

このため、燃料電池ユニット１４は、熱交換器３０を備えており、スタック２２での発電で発生した熱と、水道管３３を介して貯湯ユニット１２に設けられた貯湯タンク３２内に供給する水との間で熱交換を行っている。

なお、水道管３３には、図示しないヒータ（主として、電気ヒータ）が設けられ、ヒータで水道管３３を加熱することで、当該水道管３３及び周辺機器の凍結防止を行う場合がある。

燃料電池ユニット１４の一部を構成するインバータ２８は、商用電源６０との切り替えを制御する切り替え部６２に接続されている。切り替え部６２は、コントローラ１６の指示に基づき、電力供給源（燃料電池ユニット１４で発電した電力又は商用電源６０からの電力）を切り替える。

切り替え部６２の下流側には、電力の消費状態を監視するメータとして、電力スマートメータ６３が取り付けられている。

電力スマートメータ６３には、切り替え部６２による切り替えに依存して、燃料電池ユニット１４で発電した電力、或いは、商用電源６０からの電力が入力され、電力消費機器２４へ供給されるようになっている。

なお、電力スマートメータ６３は、コントローラ１６に接続されており、コントローラ１６で制御されるリモコンパネル４６に、電力源が表示されるようになっている。

電力スマートメータ６３では、消費される電力の推移（消費電力、単位時間当たりの電力量及び電力変化量、並びに、消費される時期及び時間帯等）を解析することで、予め定格の消費電力が既知とされている電力消費機器２４の種類の特定及び動作状態（オン・オフのタイミングを含む）を認識することが可能となっている。この電力消費機器２４で消費される電力の推移は、コントローラ１６へ送出される。

また、ガス供給管１８には、マイコンメータ５０が取り付けられている。マイコンメータ５０の下流側には、分岐部１８Ａが設けられ、その一方の枝管１８Ｂが前記燃料処理器２０へガスを供給する管路となる。

また、他方の枝管１８Ｃは、家屋４８内のガス機器（コンロ５２、ガスファンヒータ５４等）へガスを供給する管路である。

（コントローラ１６の構成）

図２に示される如く、コントローラ１６は、ＣＰＵ３４、ＲＡＭ３６、ＲＯＭ３８、Ｉ／Ｏ４０、及びこれらを接続するデータバスやコントロールバス等のバス４２で構成されたマイクロコンピュータ４４を備える。

以下、コントローラ１６の基本構成を説明する。

Ｉ／Ｏ４０には、貯湯ユニット制御部１２Ｄと、燃料電池ユニット制御部１４Ｄとが接続され、貯湯ユニット１２及び燃料電池ユニット１４に関係する電子部品の動作がコントローラ１６によって制御される。

また、Ｉ／Ｏ４０には、大規模記憶装置７０が接続されている。大規模記憶装置７０は、例えば、電気使用量、タンク貯湯量、お湯の使用量、ガスの使用量、及び推定される性格状況情報等が、時系列で記憶され、様々な制御判断の基礎データと利用される場合がある。

さらに、Ｉ／Ｏ４０には、リモコンパネル４６が接続されている。リモコンパネル４６は、コージェネレーション装置１０が設置される対象の家屋４８（図１参照）の内部に設置され、利用者がコージェネレーション装置１０に関して指令を入力したり、コージェネレーション装置１０の状態を表示する機能を有する。

貯湯タンク３２（図１参照）内の水温は、複数の温度層に分類される。貯湯タンク３２には、貯留された温水の温度を検出する複数のサーミスタ５１が、貯湯タンク３２の異なる高さ位置に取り付けられ、貯湯ユニット制御部１２Ｄに、検出した温度を送出する。

水温は上層部ほど高くなる。このため、貯湯タンク３２内の水温は、最上層の水温が最も高く、最下層の水温が最も低い。

サーミスタ５１は、貯湯タンク３２内の見掛け上の各層（例えば、４個のサーミスタ５１が設置されている場合は、４層）の温度を検出する。コントローラ１６では、サーミスタ５１で検出した温度に基づいて、水道管３３からの給水時期や給水量等を制御する。

図３（Ａ）は、第１の実施の形態に係るリモコンパネル４６の正面図である。

図３（Ａ）に示される如く、リモコンパネル４６は外観が矩形状で、メインパネル５６の上部には、表示部６４が配置されている。

また、表示部６４よりも下側は、操作スイッチ群配置領域６８となっている。

操作スイッチ群は、所謂ハードスイッチであり、給湯及び発電に関わる操作スイッチが配列されている。各操作スイッチの機能は、スイッチ操作面に表記されている。例えば、操作スイッチ群の上段は、図３（Ａ）の左から順に、「発電設定」、「メニュー／戻る」、「▼」、「▲」、及び「確定」と表記されている。一例として、「発電設定」と表記された操作スイッチは、操作する毎に、手動発電又は予約発電等、発電時期の設定を切り替えることができる。

また、操作スイッチ群の下段は、図３（Ａ）の左から順に、「給湯・ふろ 切／入」、「今日の実績」、「通話」、及び「ふろ自動」と表記されている。一例として、「今日の実績」と表記された操作スイッチを操作すると、表示部６４が、電力の消費状態が目視できる画面に切り替えられる。

なお、図３（Ａ）に示すリモコンパネル４６は、表示部６４、及び操作スイッチ群の配置位置、数、機能、形状等は、型式、年式、バージョン等によって変更される場合があり、図３（Ａ）のリモコンパネル４６の形状に限定されるものではない。

リモコンパネル４６の表示部６４には、発電中か否かが表示されるようになっている。また、リモコンパネル４６の表示部６４には、電力の供給元（商用電源又はコージェネレーション装置１０の燃料電池ユニット１４）が表示されると共に、その消費電力（○○ｋＷ）が表示され、さらに、必要に応じて、売電及び買電の状況や電力の自給率が表示されるようになっている。

このように、リモコンパネル４６の表示部６４の表示形態を目視することで、現在の電力の状況を確認することができる。

ここで、第１の実施の形態のコージェネレーション装置１０による発電は、設置されている家屋４８での電力消費状況に合わせて発電を行うようになっている。この発電は、省エネ性を優先して決定された定格出力（運転能力）で、発電が実行される（以下、定格出力運転モードという）。

図４（Ａ）は、運転能力（発電時の出力、「ｋＷ」）－燃料利用率特性図である。燃料とは、第１の実施の形態では、燃料電池ユニット１４の燃料処理器２０に供給される都市ガスである。また、燃料利用率とは、発電に利用した燃料量／投入燃料量である。

燃料電池ユニット１４による運転能力にはピーク値が存在し、図４（Ａ）の特性図によれば、このピーク値での運転が最も燃料利用率が良好な状態ということができる。第１の実施の形態のコージェネレーション装置１０では、ピーク値に相当する横軸（運転能力）の値を定格出力運転モードとしている。具体的には、定格出力運転モードは、定格出力Ｐ＝０．７ｋＷである。

なお、この図４（Ａ）からは、コージェネレーション装置１０は、定格出力運転モードの定格出力（０．０７ｋＷ）よりも大きい出力値で運転することが可能であることも読み取ることができる。第１の実施の形態では、ブースト運転モード時の出力を、Ｐ＋α＝０．７５ｋＷとした。この出力（０．７５ｋＷ）に設定した根拠、及び、出力調整機能については、後述する。

ところで、コージェネレーション装置１０は、設置されている家屋４８での電力消費状況に適しているものの、特定事象（表１参照）が発生し、定格出力以上の出力が要求されたとしても、要求される出力で運転することは、なされていない。

そこで、第１の実施の形態のコージェネレーション装置１０には、運転モードとして、予め定めた定格出力で運転する定格出力運転モードと、定格出力時よりも発電量を増加させた状態で運転するブースト運転モードと、に切り替える、運転モード切替機能を付加した。

運転モード切替機能では、表１に示す特定事象が発生している期間、運転モードをブースト運転モードに切り替える制御を実行する。

当該運転モード切替機能は、前記特定事象の発生の有無を判断対象として、コントローラ１６による判断で自動的に実行されるようになっている。このため、コントローラ１６では、前述した基本構成に加え、各特定事象に関連する情報を取得するための機能を付加する必要がある。

（特定事象１に関する情報の取得）

図２に示される如く、マイクロコンピュータ４４のＩ／Ｏ４０には、通信Ｉ／Ｆ７２が接続されている。通信Ｉ／Ｆ７２は、ネットワーク７４を介して、リソースアグリゲータ７６と通信が可能となっている。これにより、コントローラ１６は、リソースアグリゲータ７６からの電力要求要請を受けて、既定の時間帯に、定格出力運転モードからブースト運転モードに切り替える。

（特定事象２に関する情報の取得）

図２に示される如く、マイクロコンピュータ４４のＩ／Ｏ４０には、電力スマートメータ６３が接続されており、商用電源６０の電力供給状態（停電か否か）に関する情報を取得可能となっている。これにより、コントローラ１６は、電力スマートメータ６３から受けた電力供給情報から停電であることを認識すると、当該停電期間中、定格出力運転モードからブースト運転モードに切り替える。

（特定事象３に関する情報の取得）

図２に示す大規模記憶装置７０には、予め、家屋４８の世帯主が、電力供給業者と契約している電力料金情報が記憶されている。この電力料金情報に基づいて、電力料金が相対的に高い時間帯（例えば、昼間）と、低い時間帯（例えば、夜間）とに区別して、電力料金が相対的に高い時間帯であり、ガス消費を増やしても低コストになる場合は、当該期間中、定格出力運転モードからブースト運転モードに切り替える。なお、料金形態が、ダイナミックプライシングの場合は、さらに、細かく、運転モードを切り替える。

なお、全ての特定事象に対応するのは必須ではなく、コージェネレーション装置１０の個体毎に、対応する特定事象の選択を可能とし、選択した特定事象に関する情報を取得する機能があればよい。

コントローラ１６によって切り替えた運転モードは、リモコンパネル４６の表示部６４に、視覚を通じて居住者に報知するようになっている。報知の形態は特に限定されるものではない。

一例として、図３（Ａ）に示すように文字情報７８で表示する。この場合、定格出力運転モードでの運転中は、通常の運転であるため、特に報知する必要がない（表示がないときは定格出力運転モード中と認識）。なお、定格出力運転モードである旨を表示することを否定するものではない。

一方、ブースト運転モード中は、図３（Ａ）に示される如く、「ブースト運転中」といった文字を表示すればよい。変形例として、図３（Ｂ）に示すように、直感的にブースト運転モードであることを示す絵柄情報８０を表示してもよいし、文字情報７８と絵柄情報８０とを併記してもよい。絵柄情報８０は、図３（Ｂ）示す絵柄情報８０は一例であり、直感的にブース運転モードであることを示すものであれば、他の絵柄でもよい。

以下、ブースト運転モードの調整手段と出力値根拠の詳細について説明する。

「ブースト運転モードの調整手段」

燃料電池ユニット１４のスタック２２には、複数の発電用のセル（図示省略）が積層され、それぞれで発電した合計の電力量が出力となる。セルは空気極及び燃料極が対峙しており、空気極に送られる酸素（空気）と、燃料極に送られる水素とが電解質中で化学反応を起こし発電する（両極間に電流が流れる）。

定格出力運転モードは、図４（Ａ）の特性図（ピーク値）に基づき、電流値を決定する。通常は、この電流値を一定とする（酸素及び水素の量を一定とする）ことで、常時、０．０７ｋＷの出力を確保することができる。

一方、ブースト運転モードでは、空気極で消費される酸素量、及び、前記燃料極で消費される水素量の少なくとも一方の量の調整（増量）によって実行される（電流の増加）。

「ブースト運転モードの出力値根拠」

ここで、図４（Ｂ）に示される如く、電流と電圧とは反比例の関係にあるため、酸素及び水素を増加して電流を増加しても、セルとして利用し得る限界電圧を維持できない電圧（下限値）が存在する（図４（Ｂ）の二点鎖線Ｘ参照）。

そこで、この二点鎖線Ｘの位置の電流値を限界として、ブース運転モードの電流値を決定する。第１の実施の形態では、図４（Ｂ）の二点鎖線Ｘの位置の電流値とし、結果として、ブースト運転モードで出力可能な最大値は、０．０７５ｋＷとなる（定格時出力＜ブースト運転時出力≦０．０７５ｋＷ）。

なお、ブースト運転モードによる運転時の発電量は、コージェネレーション装置１０（スタック２２）の設置場所の標高に依存する空気密度と、空気を供給する装置及び水素を含む燃料を供給する装置の能力と、によって調整する必要がある。

以下に第１の実施の形態の作用を、図５のフローチャートに従い説明する。

図５は、コージェネレーション装置１０における運転モード切替制御ルーチンを示すフローチャートである。このフローチャートは、コージェネレーション装置１０の電源投入時に起動する。

ステップ１００では、初期設定の運転モードとして、定格出力運転モードに設定し、ステップ１０２へ移行する。

ステップ１０２では、特定事象が発生したか否かを判断する。特定事象は、表１に示される如く、特定事象１（ＶＰＰ＝仮想発電源）、特定事象（レジリエンス）、及び特定事象３（ダイナミックプライシング）を設定しているが、上記特定事象１～特定事象３以外の特定事象を追加してもよい。

また、コージェネレーション装置１０の個体毎に、特定事象の発生の判定対象を、何れか１つ、例えば、特定事象１のみに限定してもよいし、２以上又は全ての特定事象を判定対象としてもよい。

ステップ１０２で否定判定された場合は、特定事象が発生していないと判断し、ステップ１１４へ移行する。

また、ステップ１０２で肯定判定された場合は、特定事象が発生したと判断し、ステップ１０４へ移行して、現在、ブースト運転が可能か否かを判断する。このステップ１０４で否定判定された場合は、ステップ１１４へ移行する。

また、ステップ１０４で肯定判定された場合は、ステップ１０６へ移行して特定事象の種類を取得する。なお、特定事象を一つに限定している場合は、特定事象の種類は確定しているため、このステップ１０６は省略してもよい。

ステップ１０６で特定事象の種類を取得した（或いは、既に種類が既知である）場合は、ステップ１０８へ移行して、ブースト運転モードへの切り替えを指示し、ステップ１１０へ移行する。

ブースト運転モードに切り替えられることで、コージェネレーション装置１０は、出力０．０７５ｋＷ、すなわち、定格出力時（０．０７０ｋＷ）に対して、＋０．００５ｋＷで発電が実行されることになる（一例として、図６の矢印Ａ参照）。

ステップ１１０では、特定事象発生要因が解消されたか否かを判断する。このステップ１１０で否定判定されている場合は待機し、肯定判定された場合は、ステップ１１２へ移行して、定格出力運転モードへ切り替えを指示し、ステップ１１４へ移行する。

ステップ１１４では、コージェネレーション装置１０の電源がオフとなったか否かを判断する。

ステップ１１４で否定判定された場合は、切り替え制御を継続するべく、ステップ１０２へ移行し、肯定判定された場合は、切り替え制御を終了するべく、このルーチンは終了する。

表１に列挙した特定事象１～特定事象３の各々について、ステップ１０８、１１０の処理の詳細を説明する。

特定事象１（ＶＰＰ）の場合は、ブースト運転モードに切り替え後、指定された時間帯が経過するまでブースト運転モードを継続する。

特定事象２（レジリエンス）の場合は、ブースト運転モードに切り替え後、レジリエンス要因が解消するまでブースト運転モードを継続する。

特定事象３（ダイナミックプライシング）の場合は、ブースト運転モードに切り替え後、電力使用料金が予め定めたしきい値以下の時間帯はブースト運転モードを継続し、電力使用料金が予め定めたしきい値を超えた時点で定格出力運転モードに切り替える。なお、特定事象３の場合は、独立して継続的に切り替え制御を実行するようにしてもよい。

図６は、一般的な家庭の生活スタイルの一例としての、お湯の使用量、貯湯タンク３２の貯湯量、及び発電の推移を示すタイミングチャートである。

図６に示す生活スタイルでは、発電期間（発電開始時刻及び停止時刻）が予め設定されている。

起床後、朝食、掃除、及び洗濯なされ、この期間のお湯の使用量及びガスの使用量が増え、昼食時刻まで徐々に減少し、昼食時に若干増える傾向になっている。外出中は、お湯の使用量に合わせて水道水が補充され、燃料電池ユニット１４の発電によって加熱されて、貯湯タンク３２内の貯湯量が増加する。

また、夕食時刻から就寝時刻までが、お湯の使用量及びガスの使用量がピークとなり、貯湯タンク３２の貯湯量が減少している。

なお、お湯の使用量によっては、図示しないバックアップ熱源機を作動させ、水道水を直接加熱する場合がある。

第１の実施の形態では、上記のような生活スタイルの中で、特定事象１（ＶＰＰ）の要求に基づき、発電中の約３時間、定格出力運転モードからブースト運転モードに切り替えることで、生活スタイルへの影響を軽減しつつ、リソースアグリゲータの要求に対応することができる。

以上説明した如く、ブースト運転モード実行例として、特定事象１（ＶＰＰ）の場合、従来は、定格出力が決まっており、当該定格出力の性能までしか出力できず、系統安定化に向けて、そのポテンンシャルを十分に発揮できなかったが、第１の実施の形態では、例えば、予め定めたＶＰＰ稼働時間帯（３時間）に特化して、定格出力以上の出力が可能なブースモードに切り替えることができる。

また、ブースト運転モード実行例として、特定事象２（レジリエンス）の場合、従来は、家庭内の電化製品の使用において、定格出力以上の電力は利用できなかったが、第１の実施の形態では、例えば、停電等、レジリエンス要求期間、ブースト運転モードに切り替えることで、省エネ性よりも利便性を考慮して、停電時に消費電力を気にせず使用することができる。

さらに、ブースト運転モード実行例として、特定事象３（ダイナミックプライシング）の場合、第１の実施の形態では、１日の電力料金が、時間帯で異なるダイナミックプライシングに適した家庭用燃料電池の出力制御で、電力料金が高い時間帯はブースト運転モードを利用することで、全体として電力料金を抑制することができる。

（第２の実施の形態）
以下に、本発明の第２の実施の形態について説明する。

第２の実施の形態の特徴は、第１の実施の形態で説明した家庭用コージェネレーション装置１０と同様の機能を持つが、異なる仕様が設定されたものである。

図７に示される如く、第２の実施の形態に係るコージェネレーション装置１０Ａは、燃料電池発電ユニット２００と、熱源機２０２とで構成されている。

燃料電池発電ユニット２００は、ホットモジュール２０４を備える。ホットモジュール２０４は、燃料処理機能を有し、空気と都市ガスとを取り入れて、燃料電池セルスタック２０６で発電する。すなわち、ホットモジュール２０４の燃料処理機能は、都市ガスと水蒸気を反応させ、水素を取り出す。取り出した水素は燃料電池セルスタック２０６へ供給され、空気中の酸素と化学反応し、直流電力が作られる。

ホットモジュール２０４は、作られた直流電力をパワーコンディショナ２０８へ送出し、交流電力に変換し、商用電源２１０に接続する。

燃料電池発電ユニット２００の排熱回収装置２１２は、ホットモジュール２０４の排気ガスを取り入れ、当該排気ガスから熱を回収し、蓄熱タンク２１４に高温の熱媒としてためて、熱交換器２１６によって、水道水の加熱に利用する。

一方、ラジエーター２１８は、熱媒の熱を大気へ放出する。

熱源機２０２は都市ガスを燃焼させて、媒体（水道水等）を加熱し、給湯又は床暖房として利用する給湯暖房機として利用される。この熱源機２０２の熱源を補助して、発電時に発生する熱を利用することができる。

燃料電池ユニット１４による運転能力にはピーク値が存在し、このピーク値での運転が最も燃料利用率が良好な状態ということができる。第２の実施の形態のコージェネレーション装置１０Ａでは、定格出力運転モードは、定格出力Ｐ＝０．４ｋＷである。

コージェネレーション装置１０Ａは、定格出力運転モードの定格出力（０．４ｋＷ）よりも大きい出力値で運転することが可能である。第２の実施の形態では、ブースト運転モード時の出力を、Ｐ＋α＝０．４５ｋＷとした。この出力（０．４５ｋＷ）に設定した根拠、及び、出力調整機能については、第１の実施の形態と同様である。

ところで、コージェネレーション装置１０は、設置されている家屋４８での電力消費状況に適しているものの、特定事象（表１参照）が発生し、定格出力以上の出力が要求されたとしても、要求される出力で運転することは、なされていない。

そこで、第２の実施の形態のコージェネレーション装置１０には、運転モードとして、予め定めた定格出力で運転する定格出力運転モードと、定格出力時よりも発電量を増加させた状態で運転するブースト運転モードと、に切り替える、運転モード切替機能を付加した。

運転モード切替機能では、表１に示す特定事象が発生している期間、運転モードをブースト運転モードに切り替える制御を実行する。

運転モードは、図８に示すリモコンパネル４６Ａの表示部６４Ａに、視覚を通じて居住者に報知するようになっている。

図８に示すように，ブースト運転中は、「ブースト運転モードで運転中」という文字情報７８Ａで表示する。定格出力運転モードでの運転中は、通常の運転であるため、特に報知する必要がない（表示がないときは定格出力運転モード中と認識）。

図９は、第２の実施の形態における、一般的な家庭の生活スタイルの一例としての発電の推移を示すタイミングチャートである。

第２の実施の形態では、図９に示すような生活スタイルの中で、特定事象１（ＶＰＰ）の要求に基づき、発電中の約３時間、定格出力運転モードからブースト運転モードに切り替えることで、生活スタイルへの影響を軽減しつつ、リソースアグリゲータの要求に対応し、定格出力Ｐ（＝０．４ｋＷ）よりも大きいブースト運転モードの出力ｐ＋α（＝０．４５ｋＷ）で運転することができる（図９の矢印Ａ参照）。

ブースト運転モード実行例として、特定事象１（ＶＰＰ）の場合、従来は、定格出力が決まっており、当該定格出力の性能までしか出力できず、系統安定化に向けて、そのポテンンシャルを十分に発揮できなかったが、第２の実施の形態では、例えば、予め定めたＶＰＰ稼働時間帯（３時間）に特化して、定格出力以上の出力が可能なブースモードに切り替えることができる。

また、ブースト運転モード実行例として、特定事象２（レジリエンス）の場合、従来は、家庭内の電化製品の使用において、定格出力以上の電力は利用できなかったが、第２の実施の形態では、例えば、停電等、レジリエンス要求期間、ブースト運転モードに切り替えることで、省エネ性よりも利便性を考慮して、停電時に消費電力を気にせず使用することができる。

さらに、ブースト運転モード実行例として、特定事象３（ダイナミックプライシング）の場合、第２の実施の形態では、１日の電力料金が、時間帯で異なるダイナミックプライシングに適した家庭用燃料電池の出力制御で、電力料金が高い時間帯はブースト運転モードを利用することで、全体として電力料金を抑制することができる。

なお、第１の実施の形態及び第２の実施の形態では、家庭用の燃料電池コージェネレーション装置１０を例にとり、燃料電池システムのブースト運転モードを含む運転制御を説明したが、本発明は、燃料電池システム単体、すなわち、少なくとも発電装置があれば、特定事象１（ＶＰＰ）として機能し、リソースアグリゲータからの電力供給要請に対応でき、本発明の効果を達成することができる。

１０ コージェネレーション装置
１２ 貯湯ユニット
１２Ｄ 貯湯ユニット制御部
１４ 燃料電池ユニット
１４Ｄ 燃料電池ユニット制御部
１６ コントローラ（運転制御部）
１８ ガス供給管
１８Ａ 分岐部
１８Ｂ 枝管
１８Ｃ 枝管
２０ 燃料処理器
２２ スタック（発電部）
２４ 電力消費機器
２８ インバータ
３０ 熱交換器
３２ 貯湯タンク
３３ 水道管
３４ ＣＰＵ
３６ ＲＡＭ
３８ ＲＯＭ
４０ Ｉ／Ｏ
４２ バス
４４ マイクロコンピュータ
４６ リモコンパネル
４８ 家屋
４９ 給湯設備
５０ マイコンメータ
５１ サーミスタ
５２ コンロ
５４ ガスファンヒータ
５６ メインパネル
６０ 商用電源
６３ 電力スマートメータ
６８ 操作スイッチ群配置領域
７０ 大規模記憶装置
７２ 通信Ｉ／Ｆ
７４ ネットワーク
７６ リソースアグリゲータ
７８ 文字情報
８０ 絵柄情報

Claims (7)

1. 発電部を備える燃料電池システムの運転制御装置であって、
   前記発電部を、所定の仕様に基づいて設定された定格出力を上限として発電を実行する定格出力運転モードと、少なくとも前記定格出力よりも発電量を増加させた状態で運転するブースト運転モードと、の何れかの運転モードを選択して運転する運転制御部と、
   を有する燃料電池システムの運転制御装置。
2. 前記運転モードの切り替えが、前記発電部を構成する空気極及び燃料極の内、前記空気極で消費される酸素量、及び、前記燃料極で消費される水素を含む燃料量の少なくとも一方の量の調整によって実行され、前記ブースト運転モードによる運転時の発電量が、前記発電部の設置場所の標高に依存する空気密度と、空気を供給する装置及び水素を含む燃料を供給する装置の能力と、によって決定される、請求項１記載の燃料電池システムの運転制御装置。
3. 前記定格出力運転モードで運転しているときに、仮想的な発電源としての運転要請があった場合に、前記運転制御部は、前記ブースト運転モードに切り替えて運転する、請求項１又は請求項２記載の燃料電池システムの運転制御装置。
4. 前記定格出力運転モードで運転しているときに、商用電源の電力低下を含む電化製品の機能低下をもたらすレジリエンスとしての運転要請があった場合に、前記運転制御部は、前記ブースト運転モードに切り替えて運転する、請求項１又は請求項２記載の燃料電池システムの運転制御装置。
5. 前記定格出力運転モードで運転しているときに、商用電源のダイナミックプライシングで設定された時間帯に合わせて、前記運転制御部は、前記定格出力運転モードと、前記ブースト運転モードとを切り替えて運転する、請求項１又は請求項２記載の燃料電池システムの運転制御装置。
6. 発電部を備える運転制御方法であって、
   前記発電部を、所定の仕様に基づいて設定された定格出力を上限として発電を実行する定格出力運転モードと、少なくとも前記定格出力よりも発電量を増加させた状態で運転するブースト運転モードと、の何れかの運転モードを選択して運転する、
   燃料電池システムの運転制御方法。
7. コンピュータを、
   請求項１から請求項５の何れか１項記載の運転制御部として動作させる、
   燃料電池システムの運転制御プログラム。

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