JP5592656B2 - 燃料電池用の運転制御装置 - Google Patents
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Description
前者の燃料電池は、例えば、カソードにつながるガス(空気等の酸素を含むガス)供給路の気相容積が大きい構造の燃料電池である。このような構造の燃料電池では、燃料電池の運転を停止してカソードへの酸素の供給を停止しても、その後、カソード近傍での酸素濃度が上昇し易い。具体的には、ガス供給路中に残留している酸素量がその気相容積の大きさに応じて多くなっているため、運転停止直後にカソード近傍での酸素濃度が低くなっていても、その後、ガス供給路側からの酸素の拡散によってカソード近傍で酸素濃度の上昇が比較的起こり易くなる。
これに対し、後者の燃料電池は、例えば、カソードにつながるガス供給路の気相容積が小さい構造の燃料電池である。このような構造の燃料電池では、燃料電池の運転を停止してカソードへの酸素の供給を停止すると、その後は、カソード近傍での酸素濃度が上昇し難い。具体的には、ガス供給路中に残留している酸素量がその気相容積に応じて少なくなっているため、ガス供給路側からカソード近傍への酸素の拡散が発生したとしても、カソード近傍での酸素濃度の上昇の程度は低くなる。
また、カソード近傍への酸素の拡散を防止する手段として、カソードの上流、又は、カソードの上流及び下流の両方に弁を設けて、カソードを隔離する構成を採ることも考えられるが、そのような手段を講じた場合には装置コストが上昇するという問題が生じる。
しかし、運転制御装置は、様々な燃料電池に対して用いられる汎用の装置であるため、燃料電池が長期間にわたって停止されないような運転制御をあらゆる燃料電池に対して一律に実施するのは問題である。例えば、上述したような運転停止中にカソード近傍での酸素濃度が上昇し難い構造の燃料電池であれば、カソード近傍での酸素濃度が長期間にわたって充分に低下した状態を維持できるため、省エネルギ性、経済性、環境性などを考慮して運転停止状態が長く連続するような断続運転も選択されるべきである。ところが、燃料電池の運転停止状態を短く制限するような運転制御をあらゆる燃料電池に対して一律に実施すると、運転停止中にカソード近傍での酸素濃度が上昇し難い構造の燃料電池については、運転停止状態が必要以上に短く制限されるために省エネルギ性、経済性、環境性などが悪化してしまう可能性がある。
前記燃料電池を運転停止状態で維持し続けることが許容できる期間であって、運転停止中における前記燃料電池の前記カソード近傍での酸素濃度が上昇し易いほど短く定められる許容停止期間を表す前記燃料電池に固有の時間指標情報を、通信可能に接続されている当該燃料電池から転送されることで取得して記憶する記憶手段と、
取得して記憶した前記時間指標情報に応じて、前記許容停止期間より長い期間連続して運転停止される長期間停止状態の出現頻度が少なくなるように前記燃料電池の運転を制御する制御手段と、を備え、
運転形態判定対象期間内の、熱と電力とを併せて供給可能な前記燃料電池の運転形態の決定に関し、
前記制御手段は、前記許容停止期間以下の長さに設定した前記運転形態判定対象期間の開始時点において、
時系列的な予測電力負荷と時系列的な予測熱負荷とに基づいて、前記運転形態判定対象期間の全時間帯において前記燃料電池を連続運転すると仮定したときに導出される運転メリットを連続運転メリットとして決定し、並びに、前記運転形態判定対象期間のうちの一部の時間帯を運転時間帯とし及び残部の時間帯を非運転時間帯として前記燃料電池を断続運転すると仮定して前記運転時間帯及び前記非運転時間帯の組み合わせを変えながら運転メリットを導出したときに大きくなる運転メリットを断続運転メリットとして決定し、
決定した前記連続運転メリット及び前記断続運転メリットに基づいて、前記燃料電池の運転形態を連続運転形態及び断続運転形態の何れかに決定する点にある。
本発明において、運転メリットとしては、燃料電池を運転することによるエネルギ削減量等にて示される省エネルギ性、燃料電池を運転することによるエネルギコスト削減費等にて示される経済性、又は、燃料電池を運転することによる二酸化炭素削減量等にて示される環境性等がある。
従って、燃料電池のセルの劣化を回避しつつ、燃料電池の特性に応じて、燃料電池を省エネルギ性、経済性、環境性などの観点から好ましい態様で運転させることのできる燃料電池用の運転制御装置を提供できる。
本特徴構成では、運転制御装置が、燃料電池の運転形態判定対象期間を上記許容停止期間以下の長さに設定するので、少なくともその運転形態判定対象期間中に運転停止状態が最も長く連続したとしても、その運転停止状態が連続する長さは上記許容停止期間以下となる。つまり、連続する2つの運転形態判定対象期間に跨って燃料電池が上記許容停止期間以上の長さ連続して停止される可能性はあるものの、連続運転形態及び断続運転形態の何れが選択されても、少なくとも1つの運転形態判定対象期間内では許容停止期間より長い期間連続して運転停止させる長期間停止状態は出現しない。その結果、長期間停止状態の出現頻度を少なくできるので、カソードからアノードへ酸素が侵入する可能性を低く、即ち、アノードの酸化(劣化)を抑制できる。
加えて、上記運転メリットを考慮して、燃料電池の運転形態が連続運転形態及び断続運転形態の何れかに決定されるので、燃料電池を省エネルギ性、経済性、環境性などの観点から好ましい態様で運転させることができる。
前記燃料電池を運転停止状態で維持し続けることが許容できる期間であって、運転停止中における前記燃料電池の前記カソード近傍での酸素濃度が上昇し易いほど短く定められる許容停止期間を表す前記燃料電池に固有の時間指標情報を、通信可能に接続されている当該燃料電池から転送されることで取得して記憶する記憶手段と、
取得して記憶した前記時間指標情報に応じて、前記許容停止期間より長い期間連続して運転停止される長期間停止状態の出現頻度が少なくなるように前記燃料電池の運転を制御する制御手段と、を備え、
運転形態判定対象期間内の、熱と電力とを併せて供給可能な前記燃料電池の運転形態の決定に関し、
前記制御手段は、前記許容停止期間以下の長さに設定した前記運転形態判定対象期間の開始時点において、
時系列的な予測電力負荷と時系列的な予測熱負荷とに基づいて、前記運転形態判定対象期間の全時間帯において前記燃料電池を連続運転すると仮定したときに導出される運転メリットを連続運転メリットとして決定し、並びに、前記運転形態判定対象期間のうちの一部の時間帯を運転時間帯とし及び残部の時間帯を非運転時間帯として前記燃料電池を断続運転すると仮定して前記運転時間帯及び前記非運転時間帯の組み合わせを変えながら運転メリットを導出したときに大きくなる運転メリットを断続運転メリットとして決定し、並びに、前記運転形態判定対象期間の全時間帯において前記燃料電池を停止させて運転を待機させると仮定したときの運転メリットを待機メリットとして決定し、
決定した前記連続運転メリット及び前記断続運転メリット及び前記待機メリットに基づいて、前記燃料電池の運転形態を連続運転形態及び断続運転形態及び待機形態の何れかに決定する点にある。
従って、燃料電池のセルの劣化を回避しつつ、燃料電池の特性に応じて、燃料電池を省エネルギ性、経済性、環境性などの観点から好ましい態様で運転させることのできる燃料電池用の運転制御装置を提供できる。
本特徴構成では、運転制御装置が、燃料電池の運転形態判定対象期間を上記許容停止期間以下の長さに設定するので、少なくともその運転形態判定対象期間中に運転停止状態が最も長く連続したとしても、その運転停止状態が連続する長さは上記許容停止期間以下となる。つまり、連続する2つの運転形態判定対象期間に跨って燃料電池が上記許容停止期間以上の長さ連続して停止される可能性はあるものの、連続運転形態及び断続運転形態及び待機形態の何れが選択されても、少なくとも1つの運転形態判定対象期間内では許容停止期間より長い期間連続して運転停止させる長期間停止状態は出現しない。その結果、長期間停止状態の出現頻度を少なくできるので、カソードからアノードへ酸素が侵入する可能性を低く、即ち、アノードの酸化(劣化)を抑制できる。
加えて、上記運転メリットを考慮して、燃料電池の運転形態が連続運転形態及び断続運転形態及び待機形態の何れかに決定されるので、燃料電池を省エネルギ性、経済性、環境性などの観点から好ましい態様で運転させることができる。
前記燃料電池を運転停止状態で維持し続けることが許容できる期間であって、運転停止中における前記燃料電池の前記カソード近傍での酸素濃度が上昇し易いほど短く定められる許容停止期間を表す前記燃料電池に固有の時間指標情報を取得して記憶する記憶手段と、
取得して記憶した前記時間指標情報に応じて、前記許容停止期間より長い期間連続して運転停止される長期間停止状態の出現頻度が少なくなるように前記燃料電池の運転を制御する制御手段と、を備え、
運転形態判定対象期間内の、熱と電力とを併せて供給可能な前記燃料電池の運転形態の決定に関し、
前記制御手段は、前記運転形態判定対象期間の開始時点において、
時系列的な予測電力負荷と時系列的な予測熱負荷とに基づいて、前記運転形態判定対象期間の全時間帯において前記燃料電池を連続運転すると仮定したときに導出される運転メリットを連続運転メリットとして決定し、並びに、前記運転形態判定対象期間のうちの一部の時間帯を運転時間帯とし及び残部の時間帯を非運転時間帯とすると共に前記運転時間帯の前及び後で連続して発生する連続停止期間を前記許容停止期間以下に制限して前記燃料電池を断続運転すると仮定して前記運転時間帯及び前記非運転時間帯の組み合わせを変えながら運転メリットを導出したときに大きくなる運転メリットを断続運転メリットとして決定し、並びに、前記運転形態判定対象期間の全時間帯において前記燃料電池を停止させて運転を待機させると仮定したときの運転メリットを待機メリットとして決定し、
決定した前記連続運転メリット及び前記断続運転メリット及び前記待機メリットに基づいて、前記燃料電池の運転形態を連続運転形態及び断続運転形態及び待機形態の何れかに決定する点にある。
従って、燃料電池のセルの劣化を回避しつつ、燃料電池の特性に応じて、燃料電池を省エネルギ性、経済性、環境性などの観点から好ましい態様で運転させることのできる燃料電池用の運転制御装置を提供できる。
本特徴構成では、運転制御装置が、断続運転形態において当該運転時間帯の前及び後で連続して発生する連続停止期間を上記許容停止期間以下に制限するので、断続運転形態を実施することで運転停止状態が最も長く連続したとしても、その運転停止状態が連続する長さは上記許容停止期間以下となる。つまり、連続運転形態及び断続運転形態及び待機形態のうちの連続運転形態及び断続運転形態が選択された場合、許容停止期間より長い期間連続して運転停止させる長期間停止状態は出現しない。その結果、長期間停止状態の出現頻度を少なくできるので、カソードからアノードへ酸素が侵入する可能性を低く、即ち、アノードの酸化(劣化)を抑制できる。
加えて、上記運転メリットを考慮して、燃料電池の運転形態が連続運転形態及び断続運転形態及び待機形態の何れかに決定されるので、燃料電池を省エネルギ性、経済性、環境性などの観点から好ましい態様で運転させることができる。
ところが、本特徴構成によれば、断続運転よりも連続運転の方が選択され易くなることで、断続運転が行われる場合に生じ得る上記問題を回避できる。
前記燃料電池を運転停止状態で維持し続けることが許容できる期間であって、運転停止中における前記燃料電池の前記カソード近傍での酸素濃度が上昇し易いほど短く定められる許容停止期間を表す前記燃料電池に固有の時間指標情報を、通信可能に接続されている当該燃料電池から転送されることで取得して記憶する記憶手段と、
取得して記憶した前記時間指標情報に応じて、前記許容停止期間より長い期間連続して運転停止される長期間停止状態の出現頻度が少なくなるように前記燃料電池の運転を制御する制御手段と、を備え、
運転形態判定対象期間内の、熱と電力とを併せて供給可能な前記燃料電池の運転形態の決定に関し、
前記制御手段は、前記許容停止期間以下の長さに設定した前記運転形態判定対象期間の開始時点において、
時系列的な予測電力負荷と時系列的な予測熱負荷とに基づいて、前記運転形態判定対象期間のうちの一部の時間帯を運転時間帯とし及び残部の時間帯を非運転時間帯として前記燃料電池を断続運転すると仮定して前記運転時間帯及び前記非運転時間帯の組み合わせを変えながら運転メリットを導出したときに大きくなる運転メリットを断続運転メリットとして決定し、並びに、前記運転形態判定対象期間の全時間帯において前記燃料電池を停止させて運転を待機させると仮定したときの運転メリットを待機メリットとして決定し、
決定した前記断続運転メリット及び前記待機メリットに基づいて、前記燃料電池の運転形態を断続運転形態及び待機形態の何れかに決定する点にある。
従って、燃料電池のセルの劣化を回避しつつ、燃料電池の特性に応じて、燃料電池を省エネルギ性、経済性、環境性などの観点から好ましい態様で運転させることのできる燃料電池用の運転制御装置を提供できる。
本特徴構成では、運転制御装置が、燃料電池の運転形態判定対象期間を上記許容停止期間以下の長さに設定するので、少なくともその運転形態判定対象期間中に運転停止状態が最も長く連続したとしても、その運転停止状態が連続する長さは上記許容停止期間以下となる。つまり、断続運転形態及び待機形態の何れが選択されても、少なくとも1つの運転形態判定対象期間内では許容停止期間より長い期間連続して運転停止させる長期間停止状態は出現しない。その結果、長期間停止状態の出現頻度を少なくできるので、カソードからアノードへ酸素が侵入する可能性を低く、即ち、アノードの酸化(劣化)を抑制できる。
加えて、上記運転メリットを考慮して、燃料電池の運転形態が断続運転形態及び待機形態の何れかに決定されるので、燃料電池を省エネルギ性、経済性、環境性などの観点から好ましい態様で運転させることができる。
前記燃料電池を運転停止状態で維持し続けることが許容できる期間であって、運転停止中における前記燃料電池の前記カソード近傍での酸素濃度が上昇し易いほど短く定められる許容停止期間を表す前記燃料電池に固有の時間指標情報を取得して記憶する記憶手段と、
取得して記憶した前記時間指標情報に応じて、前記許容停止期間より長い期間連続して運転停止される長期間停止状態の出現頻度が少なくなるように前記燃料電池の運転を制御する制御手段と、を備え、
運転形態判定対象期間内の、熱と電力とを併せて供給可能な前記燃料電池の運転形態の決定に関し、
前記制御手段は、前記運転形態判定対象期間の開始時点において、
時系列的な予測電力負荷と時系列的な予測熱負荷とに基づいて、前記運転形態判定対象期間のうちの一部の時間帯を運転時間帯とし及び残部の時間帯を非運転時間帯とすると共に前記運転時間帯の前及び後で連続して発生する連続停止期間を前記許容停止期間以下に制限して前記燃料電池を断続運転すると仮定して前記運転時間帯及び前記非運転時間帯の組み合わせを変えながら運転メリットを導出したときに大きくなる運転メリットを断続運転メリットとして決定し、並びに、前記運転形態判定対象期間の全時間帯において前記燃料電池を停止させて運転を待機させると仮定したときの運転メリットを待機メリットとして決定し、
決定した前記断続運転メリット及び前記待機メリットに基づいて、前記燃料電池の運転形態を断続運転形態及び待機形態の何れかに決定する点にある。
従って、燃料電池のセルの劣化を回避しつつ、燃料電池の特性に応じて、燃料電池を省エネルギ性、経済性、環境性などの観点から好ましい態様で運転させることのできる燃料電池用の運転制御装置を提供できる。
本特徴構成では、運転制御装置が、断続運転形態において当該運転時間帯の前及び後で連続して発生する連続停止期間を上記許容停止期間以下に制限するので、断続運転形態を実施することで運転停止状態が最も長く連続したとしても、その運転停止状態が連続する長さは上記許容停止期間以下となる。つまり、断続運転形態及び待機形態のうちの断続運転形態が選択された場合、許容停止期間より長い期間連続して運転停止させる長期間停止状態は出現しない。その結果、長期間停止状態の出現頻度を少なくできるので、カソードからアノードへ酸素が侵入する可能性を低く、即ち、アノードの酸化(劣化)を抑制できる。
加えて、上記運転メリットを考慮して、燃料電池の運転形態が断続運転形態及び待機形態の何れかに決定されるので、燃料電池を省エネルギ性、経済性、環境性などの観点から好ましい態様で運転させることができる。
前記燃料電池を運転停止状態で維持し続けることが許容できる期間であって、運転停止中における前記燃料電池の前記カソード近傍での酸素濃度が上昇し易いほど短く定められる許容停止期間を表す前記燃料電池に固有の時間指標情報を取得して記憶する記憶手段と、
取得して記憶した前記時間指標情報に応じて、前記許容停止期間より長い期間連続して運転停止される長期間停止状態を出現させないように前記燃料電池の運転を制御する制御手段と、を備え、
運転形態判定対象期間内の、熱と電力とを併せて供給可能な前記燃料電池の運転形態の決定に関し、
前記制御手段は、前記運転形態判定対象期間の開始時点において、
時系列的な予測電力負荷と時系列的な予測熱負荷とに基づいて、前記運転形態判定対象期間の全時間帯において前記燃料電池を連続運転すると仮定したときに導出される運転メリットを連続運転メリットとして決定し、並びに、前記運転形態判定対象期間のうちの一部の時間帯を運転時間帯とし及び残部の時間帯を非運転時間帯とすると共に前記運転時間帯の前及び後で連続して発生する連続停止期間を前記許容停止期間以下に制限して前記燃料電池を断続運転すると仮定して前記運転時間帯及び前記非運転時間帯の組み合わせを変えながら運転メリットを導出したときに大きくなる運転メリットを断続運転メリットとして決定し、
決定した前記連続運転メリット及び前記断続運転メリットに基づいて、前記燃料電池の運転形態を連続運転形態及び断続運転形態の何れかに決定する点にある。
従って、燃料電池のセルの劣化を回避しつつ、燃料電池の特性に応じて、燃料電池を省エネルギ性、経済性、環境性などの観点から好ましい態様で運転させることのできる燃料電池用の運転制御装置を提供できる。
本特徴構成では、運転制御装置が、断続運転形態において当該運転時間帯の前及び後で連続して発生する連続停止期間を上記許容停止期間以下に制限するので、断続運転形態において運転停止状態が最も長く連続したとしても、その運転停止状態が連続する長さは上記許容停止期間以下となる。つまり、連続運転形態及び断続運転形態の何れが選択されても燃料電池を運転形態判定対象期間内で許容停止期間より長い期間連続して運転停止させる長期間停止状態を出現させないことで、カソードからアノードへ酸素が侵入しないようにできる。その結果、アノードの酸化(劣化)を抑制できる。
加えて、上記運転メリットを考慮して、燃料電池の運転形態が連続運転形態及び断続運転形態の何れかに決定されるので、燃料電池を省エネルギ性、経済性、環境性などの観点から好ましい態様で運転させることができる。
前記連続停止期間のうち、前記運転時間帯の後で連続して発生する第2連続停止期間は、当該運転形態判定対象期間中であり且つ前記運転時間帯の後に前記燃料電池が連続して停止する期間である点にある。
図1は、コージェネレーションシステムの全体構成を示すブロック図である。図2は、コージェネレーションシステムが備える燃料電池システムの構成を概略的に示す図である。図3は、コージェネレーションシステムの制御構成を示すブロック図である。
図示するように、コージェネレーションシステム1は、熱と電気とを併せて発生する燃料電池FCを有する燃料電池システム50、及び、燃料電池システム50の運転を制御する燃料電池用の運転制御装置5を備える。また、コージェネレーションシステム1は、燃料電池FCが発生する熱を冷却水にて回収し、その冷却水を利用して、貯湯槽2への貯湯並びに給湯部3A及び熱消費端末3Bへの熱媒供給を行う貯湯ユニット4を備え、貯湯ユニット4の運転は運転制御装置5によって制御される。燃料電池FCで発生する電力は電力負荷装置9に供給され、燃料電池FCで発生する熱は熱負荷装置3(給湯部3A、熱消費端末3B)に供給される。
以下に説明する実施形態において、燃料電池FCの特性についての情報とは、後述するように、燃料電池FCを運転停止状態で維持し続けることが許容できる許容停止期間を表す燃料電池FCに固有の時間指標情報である。
図2に示すように、燃料電池システム50は、燃料電池FCと、その燃料電池FCの燃料となる水素を主成分とする燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置51とを備える。燃料ガス生成装置51は、メタンなどの炭化水素を含む原燃料ガスを改質器51aにおいて水蒸気改質して、水素を主成分とする燃料ガスを生成する。燃料ガス生成装置51は、図2に示している改質器51aの他にも、原料ガス中に含まれる硫黄化合物を除去するための脱硫器、水蒸気発生器、水蒸気改質により得られるガス中に含まれる一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去器などを備えるが、それらの説明は省略する。
アノード52aにおいて発電反応に用いられたガスは、ガス排出路57を介して燃料電池FCの外部に排出される。排出されたガスは、熱交換器(図示せず)において排熱回収された後、バーナ(図示せず)で燃焼するなどの排気処理に提供される。ガス排出路57の途中には、ガス排出路57におけるガスの流通を遮断又は許容する弁V3が設けられている。
カソード52bにおいて発電反応に用いられたガスは、ガス排出路58を介して燃料電池FCの外部に排出される。排出されたガスは、熱交換器(図示せず)で排熱回収される。排出されたガスは、元々は周囲に存在する空気であるので、特別な排気処理は不要である。
燃料電池FCの運転を停止する停止移行工程は、インバータ6と燃料電池FCのセル52との電気的な接続を解除して、燃料電池FCでの発電により得られた電力の出力を停止する工程である。そのため、燃料電池FCでの発電により得られた電力の出力を停止する前に、燃料電池FCへの原料ガスの供給量及び酸化剤ガス(空気)の供給量を減少させる。その結果、改質器51aの内部で生成されるガスの量が減少し、改質器51aの圧力も低下する。また、燃料電池FCの温度(即ち、アノード52a及びカソード52bの温度)も徐々に低下する。
燃料電池FCの停止状態を維持する停止状態維持工程では、設定タイミングでアノード52aへ水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給処理を、カソード52bへのガスの供給を停止した状態で実施する。水素含有ガス供給処理は、燃料ガス生成装置51とアノード52aとの間のガスの流通が許容された状態で、燃料ガス生成装置51の内部のアノード52aへ通じるガス流通系統の所定部位を閉止し且つアノード52aからのガス排出路57を閉止するアノード隔離処理を実施している間の設定タイミングで実施する。具体的には、停止状態維持工程において、弁V2を開放して燃料ガス生成装置51とアノード52aとの間のガスの流通を許容した状態で、弁V1及び弁V3を閉止して燃料ガス生成装置51からアノード52aのガス排出路57までを併せて閉止するアノード隔離処理を実施する。そして、このアノード隔離処理を継続して実施している間、設定タイミングになると、弁V1を開放して原料ガスを燃料ガス生成装置51に流入させる。つまり、弁V1と弁V3とを閉止したアノード隔離処理を継続して実施している間の設定タイミングで、弁V1を開放することにより(即ち、アノード隔離処理を実施しているアノードの隔離状態を弁V1を開放して一時的に解除することにより)水素含有ガス供給処理を実施して、その後、アノードの隔離状態を再び設定するべくアノード隔離処理を実施する。燃料ガス生成装置51からアノード52aへガスを流入させることで、アノード52aの上流側へ残留していた水素含有ガスがアノード52aへ供給される水素含有ガス供給処理が実施される。
貯湯ユニット4は、温度成層を形成する状態で湯水を貯湯する貯湯槽2、湯水循環路16を通して貯湯槽2内の湯水を循環させる湯水循環ポンプ17、熱源用循環路20を通して熱源用湯水を循環させる熱源用循環ポンプ21、熱媒循環路22を通して熱媒を熱消費端末3Bに循環供給させる熱媒循環ポンプ23、湯水循環路16を通流する湯水を加熱させる貯湯用熱交換器24、熱源用循環路20を通流する熱源用湯水を加熱させる熱源用熱交換器25、熱媒循環路22を通流する熱媒を加熱させる熱媒加熱用熱交換器26、貯湯槽2から取り出されて給湯路27を通流する湯水及び熱源用循環路20を通流する熱源用湯水を加熱させる補助加熱器28などを備えて構成されている。
貯湯槽2には、その貯湯熱量の検出用として、貯湯槽2の上層部の上端位置の湯水の温度を検出する上端温度センサS1、貯湯槽2の上層部と中層部との境界位置の湯水の温度を検出する中間上位温度センサS2、貯湯槽2の中層部と下層部との境界位置の湯水の温度を検出する中間下位温度センサS3、及び、貯湯槽2の下層部の下端位置の湯水の温度を検出する下端温度センサS4が設けられ、更に、給水路29には、貯湯槽2に供給される水の給水温度を検出する給水温度センサSiが設けられている。
上端温度センサS1、中間上位温度センサS2、中間下位温度センサS3、下端温度センサS4夫々にて検出される貯湯槽2の湯水の温度を、夫々、T1、T2、T3、T4とし、給水温度センサSiにて検出される給水温度をTiとし、上層部、中層部、下層部夫々の容量をVとする。
上層部における重み係数をA1とし、中層部における重み係数をA2とし、下層部における重み係数をA3とし、エネルギ量の単位をワットとカロリー間で変換するための係数をα(例えば「860」に設定される)とすると、貯湯熱量(W)は、下記の(式1)にて演算することができる。
+(A2×T2+(1−A2)×T3−Ti)×V
+(A3×T3+(1−A3)×T4−Ti)×V}÷α・・・・・(式1)
運転制御装置5は、熱媒供給運転の実行中に端末用リモコンから運転の停止が指令されると、分流弁30を冷却水の全量を貯湯用熱交換器24側に通流させる状態に切り換え、熱源用断続弁40を閉弁し、熱源用循環ポンプ21を停止させて、湯水循環ポンプ17を作動させることにより、熱媒供給運転から貯湯運転に切り換える。
以下に、第1実施形態の運転制御装置による燃料電池の運転制御について説明する。
本実施形態の運転制御装置5は、燃料電池FCのセル52の劣化を回避しつつ、燃料電池を省エネルギ性、経済性、環境性などの観点から好ましい態様で燃料電池FCを連続運転又は断続運転させるように燃料電池FCの運転制御を行う。
燃料電池FCには、運転停止中にカソード52bの近傍での酸素濃度が上昇し易い構造の燃料電池や、運転停止中にカソード52bの近傍での酸素濃度が上昇し難い構造の燃料電池などがある。運転停止中にカソード52bでの酸素濃度が高くなると、カソード52bの近傍の酸素が電解質52cを介してアノード52aへと侵入して、アノード52aが酸化(劣化)する可能性がある。
前者の燃料電池は、例えば、カソード52bにつながるガス供給路55の気相容積が大きい(本実施形態の場合は、酸化剤ガス用貯留水タンク56aの内部の貯留水表面上からカソード52bまでの間の気相容積が大きい)構造の燃料電池である。このような構造の燃料電池では、燃料電池の運転を停止してカソード52bへの酸化剤ガスの供給を停止しても、その後、カソード52b近傍での酸素濃度が上昇し易い。具体的には、ガス供給路55中に残留している酸素量がその気相容積の大きさに応じて多くなっているため、運転停止直後にカソード52b近傍での酸素濃度が低くなっていても、その後、ガス供給路55側からの酸素の拡散やガス排出路58からの空気の逆流によってカソード52b近傍での酸素濃度の上昇が比較的起こり易くなる。
これに対し、後者の燃料電池は、例えば、カソード52bにつながるガス供給路55の気相容積が小さい構造であったり、ガス排出路58に空気逆流防止のための弁などを設けた構造の燃料電池である。このような構造の燃料電池では、燃料電池の運転を停止してカソード52bへの酸素の供給を停止すると、その後は、カソード52b近傍での酸素濃度が上昇し難い。具体的には、ガス供給路55中に残留している酸素量がその気相容積に応じて少なくなっているため、ガス供給路55側からカソード52b近傍への酸素の拡散が発生したとしても、カソード52b近傍での酸素濃度の上昇の程度は低くなる。
しかし、運転制御装置5は、様々な燃料電池に対して用いられる汎用の装置であるため、燃料電池が長期間にわたって停止されないような運転制御をあらゆる燃料電池に対して一律に実施するのは問題である。例えば、上述したような運転停止中にカソード52b近傍での酸素濃度が上昇し難い構造の燃料電池であれば、カソード52b近傍での酸素濃度が長期間にわたって充分に低下した状態を維持できるため、省エネルギ性、経済性、環境性などを考慮して運転停止状態が長く連続するような断続運転も選択されるべきである。ところが、燃料電池の運転停止状態を短く制限するような運転制御をあらゆる燃料電池に対して一律に実施すると、運転停止中にカソード52bの近傍での酸素濃度が上昇し難い構造の燃料電池については、運転停止状態が必要以上に短く制限されるために省エネルギ性、経済性、環境性などが悪化してしまう可能性がある。
ここで、セル52の劣化を回避できるか否かは、燃料電池を運転制御装置5がどのような形態で運転するのかによる。例えば、運転停止中にカソード52bの近傍での酸素濃度が上昇し易い構造の燃料電池の場合、燃料電池の運転を停止してから長い時間が経過すると、燃料ガス生成装置51から燃料電池FCのアノード52aまでの間に残留している水素がカソード52b側へと侵入することで又はアノード52a側へ侵入してきた酸素を消費するのに用いられることで徐々に減少してくると共にカソード52bの近傍での酸素量が多くなるので、カソード52bからアノード52aへ酸素が侵入し易くなる。つまり、セル52の劣化を回避するという目的を達成するためには、運転停止中にカソード52bの近傍での酸素濃度が上昇し易い構造の燃料電池の場合、燃料電池の連続する運転停止期間は短い方が好ましい。
これに対し、運転停止中にカソード52bの近傍での酸素濃度が上昇し難い構造の燃料電池の場合、燃料電池の運転を停止してから長い時間が経過してもカソード52bの近傍での酸素量が少ないので、カソード52bからアノード52aへ酸素が侵入し難くなる。つまり、セル52の劣化を回避するという目的を達成するためには、運転停止中にカソード52bの近傍での酸素濃度が上昇し難い構造の燃料電池の場合、燃料電池FCの連続する運転停止期間の長短は大きな問題とはならない。
具体的には、運転制御装置は、燃料電池FCと共に設置されるとき、燃料電池FCを運転停止状態で維持し続けることが許容できる許容停止期間を表す燃料電池FCに固有の時間指標情報を取得してメモリ5aに記憶する。この許容停止期間は、運転停止中における燃料電池FCのカソード52b近傍での酸素濃度が上昇し易いほど短く定められる関係で設定される。そして、運転制御装置5の制御部5bは、取得してメモリ5aに記憶した時間指標情報に応じて、上記許容停止期間より長い期間連続して運転停止される長期間停止状態の出現頻度が少なくなるように燃料電池FCの運転を制御する。本実施形態では、運転制御装置5の制御部5bは、後述する燃料電池FCの運転形態判定対象期間を上記許容停止期間以下の長さに設定する。
上記時間指標情報としての許容停止期間は、燃料電池FCの装置構成などによって変化し得るが、例えば36時間などの時間を特定する形態の情報である。本実施形態において、許容停止期間は、予め実験結果により得られる、カソード52bの近傍の酸素濃度が設定レベル以上になるまでの期間を元に決定する。
以下に、運転制御装置5の制御部5bが行う運転モード設定処理の詳細について説明する。
先ず、時系列的な過去電力負荷データ及び時系列的な過去熱負荷データを管理して、その管理データに基づいて、時系列的な予測電力負荷データ及び時系列的な予測熱負荷データを求めるデータ管理処理について説明する。本実施形態において、熱負荷は、給湯部3Aに湯水を給湯するときの給湯熱負荷と、熱消費端末3Bでの端末熱負荷とを合わせたものとして求められる。
制御部5bは、実電力負荷データ、実給湯熱負荷データ及び実端末熱負荷データを運転周期及び単位時間に対応付けて不揮発性のメモリ5aに記憶する。それにより、制御部5bは、過去の時系列的な電力負荷データ及び過去の時系列的な熱負荷データを、設定期間(例えば、運転日前の4週間)にわたって、運転周期毎に単位時間毎に対応付けて管理し、及び、過去の時系列的な電力負荷データ及び熱負荷データの管理データに基づいて、予測電力負荷データ及び予測熱負荷データを、運転形態判定対象期間を構成する複数の運転周期の夫々に区分けして管理できる。
例えば、図4に示すように、制御部5bは、運転形態判定対象期間の開始時点において、最初の運転周期の予測電力負荷データ及び予測熱負荷データを単位時間毎に求めるように構成されている。
次に、連続運転メリットとしての連続運転モード時の予測エネルギ削減量、断続運転メリットとしての断続運転モード時の予測エネルギ削減量を演算する運転メリット演算処理について説明する。制御部5bは、連続運転モード時の予測エネルギ削減量として、負荷追従連続運転モード時の予測エネルギ削減量、及び、抑制連続運転モード時の予測エネルギ削減量を求める。
負荷追従連続運転モード時の予測エネルギ削減量は、運転形態判定対象期間の全時間帯において、燃料電池FCの発電電力を予測電力負荷に対して追従させる電主運転を実行すると仮定したときの予測エネルギ削減量である。
抑制連続運転モード時の予測エネルギ削減量は、運転形態判定対象期間の全時間帯において予測電力負荷に追従させる電主運転を実行すると仮定したときに、予測熱負荷に対して燃料電池FCの発生熱が余る熱余り状態が予測される場合に、運転形態判定対象期間の一部の時間帯において燃料電池FCの出力を予測電力負荷に追従した電主出力よりも小さい抑制出力に設定すると仮定したときの予測エネルギ削減量である。
また、制御部5bは、断続運転モードにおいては、燃料電池FCを運転するときには電主運転を実行する。
つまり、制御部5bは、予め設定された仮運転パターンにおける運転時間帯において燃料電池FCを運転する形態で予測電力負荷に対して電主運転を実行すると仮定して、燃料電池FCの時系列的な予測発電電力及び予測発生熱を演算する。そして、制御部5bは、下記の式2に示すように、燃料電池FCを運転しない場合のエネルギ消費量を基準に、燃料電池FCを仮運転パターンで運転した場合のエネルギ消費量の削減量を、予測エネルギ削減量として演算する。
次に、上述した予測エネルギ削減量Pを求める方法について説明する。
図6に示すように、運転形態判定対象期間を構成する複数の運転周期のうちの最初の運転周期内に運転時間帯を1つ設定する仮運転パターンの全てがメモリ5aに記憶されている。仮運転パターンは、運転時間帯と非運転時間帯とで構成される。
運転時間帯以外の夫々の単位時間においては、電主出力(b)は0に設定されるので、運転時消費エネルギ(g)及び発生熱量(d)は0となる。
負荷追従連続運転モード時の予測エネルギ削減量Pは、以下のようにして求める。
先ず、負荷追従連続運転モードにて燃料電池FCを運転した場合のエネルギ消費量E2は、運転周期の全時間帯にわたって予測電力負荷に追従させる電主運転を行ったとして、最初の運転周期における運転時消費エネルギ(g)の合計と、不足電力量(c)の合計と、予測熱負荷(m)と予測利用熱量(n)との差として求められる不足熱負荷の合計とを、式4の起動時/停止時両エネルギ非消費用の演算式に代入することにより求められる。
また、最初の運転周期の予測電力負荷及び予測熱負荷に基づいて、式3により、燃料電池FCを運転しない場合のエネルギ消費量E1が求められる。
そして、上述のように求めた燃料電池FCを運転しない場合のエネルギ消費量E1及び燃料電池FCを運転した場合のエネルギ消費量E2を式2に代入することにより、負荷追従連続運転モード時の予測エネルギ削減量Pが求められる。
抑制連続運転モード時の予測エネルギ削減量Pは、以下のようにして求める。
先ず、抑制連続運転モードにて燃料電池FCを運転した場合のエネルギ消費量E2を、以下のようにして求める。
最初の運転周期内において熱余り時間帯以前に、燃料電池FCの出力を予測電力負荷に追従した電主出力よりも小さい抑制出力に設定する抑制時間帯を1つ設定する形態で、複数段階に設定した抑制出力、抑制時間帯を異ならせて形成される全ての抑制用仮運転パターンの夫々について、上述のように、運転時消費エネルギ(g)の合計と、不足電力量(c)の合計と、予測熱負荷(m)と予測利用熱量(n)との差として求められる不足熱負荷の合計とを求めて、式4の起動時/停止時両エネルギ非消費用の演算式に代入することにより、抑制用仮運転パターンの夫々について、エネルギ消費量E2を求めると共に、熱余り状態が発生する熱余り時間帯が生じるか否かを判断する。
また、最初の運転周期の予測電力負荷及び予測熱負荷に基づいて、式3により、燃料電池FCを運転しない場合のエネルギ消費量E1を求める。
そして、熱余り時間帯が生じない全ての抑制用仮運転パターンの夫々について、上述のように求めた燃料電池FCを運転しない場合のエネルギ消費量E1及び燃料電池FCを運転した場合のエネルギ消費量E2を式2に代入することにより、予測エネルギ削減量Pを求め、求めた予測エネルギ削減量Pのうちの最大のものを抑制連続運転モード時の予測エネルギ削減量Pとする。
断続運転モード時の予測エネルギ削減量Pは、以下のようにして求める。
メモリ5aに記憶されている全ての仮運転パターンの夫々について、各仮運転パターンにて設定されている運転時間帯において予測電力負荷に追従させる電主運転を行ったとして、燃料電池FCを運転した場合のエネルギ消費量E2を、最初の運転周期における運転時消費エネルギ(g)の合計と、不足電力量(c)の合計と、予測熱負荷(m)と予測利用熱量(n)との差として求められる不足熱負荷の合計とを、式5の起動時/停止時両エネルギ消費用の演算式に代入することにより求める。
最初の運転周期の予測電力負荷及び予測熱負荷に基づいて、式3により、燃料電池FCを運転しない場合のエネルギ消費量E1を求める。
そして、仮運転パターンの夫々について、上述のように求めた燃料電池FCを運転しない場合のエネルギ消費量E1及び燃料電池FCを運転した場合のエネルギ消費量E2を式2に代入することにより、予測エネルギ削減量Pを求め、求めた予測エネルギ削減量Pのうちの最大のものを1日毎断続運転モード時の予測エネルギ削減量とする。
そして、1日毎断続運転モード時の予測エネルギ削減量P及び2日毎断続運転モード時の予測エネルギ削減量Pのうち、大きい方を断続運転モード時の予測エネルギ削減量Pとして求める。
負荷追従連続運転モード時の予測エネルギ削減量、抑制連続運転モード時の予測エネルギ削減量、断続運転モード時の予測エネルギ削減量が、負の値として求められる場合がある。
そして、例えば、負の値として求められた負荷追従連続運転モード時の予測エネルギ削減量が、待機時消費エネルギZの負の値よりも大きい場合は、燃料電池FCを負荷追従連続運転モードにて運転した方が運転を待機させるよりも省エネルギとなり、逆に、負の値として求められた負荷追従連続運転モード時の予測エネルギ削減量が、待機時消費エネルギZの負の値よりも小さい場合は、燃料電池FCを負荷追従連続運転モードにて運転するよりも運転を待機させる方が省エネルギとなるので、待機時消費エネルギZを待機メリットとして用いることが可能である。
そこで、運転制御装置5のメモリ5aに、待機メリットとして待機時消費エネルギZを記憶させてある。つまり、制御部5bが、待機メリットとして待機時消費エネルギZを管理するように構成されている。
Z=待機時の消費電力×待機時間/商用電源7の発電効率
図8において、Lc1は、連続運転モード時の予測エネルギ削減量を起動時消費エネルギ及び停止時消費エネルギを消費しないとして求めたものであり、Lc2は、連続運転モード時の予測エネルギ削減量を起動時消費エネルギ及び停止時消費エネルギを消費するとして求めたものである。
また、図8において、Li1は、断続運転モード時の予測エネルギ削減量を起動時消費エネルギ及び停止時消費エネルギを消費しないとして求めたものであり、Li2は、断続運転モード時の予測エネルギ削減量を起動時消費エネルギ及び停止時消費エネルギを消費するとして求めたものである。
しかしながら、図8のLc1、Lc2、Li1、Li2から分かるように、連続運転モード時の予測エネルギ削減量を起動時消費エネルギ及び停止時消費エネルギを消費するとして求めると、断続運転モード時の予測エネルギ削減量を起動時消費エネルギ及び停止時消費エネルギを消費するとして求める場合及び消費しないとして求める場合のいずれと比較しても、連続運転モード時の予測エネルギ削減量が断続運転モード時の予測エネルギ削減量よりも大きくなることがなく、燃料電池FCの運転モードが連続運転モードに定められることがない。
次に、燃料電池FCの運転モードを断続運転モードに定めたときに実行する運転時間帯設定処理について、説明する。
即ち、燃料電池FCを運転した場合のエネルギ消費量E2を求める演算式として、下記の式6に示すように、起動時消費エネルギを加えず且つ停止時消費エネルギを加える起動時非消費/停止時消費用の演算式が設定されている。
また、運転形態判定対象期間の開始時点において燃料電池FCが停止中のときは、メモリ5aに記憶されている仮運転パターンにおいて設定数N1以上の単位時間を運転時間帯とする全ての仮運転パターンの夫々について、燃料電池FCを運転した場合のエネルギ消費量E2を、式5の起動時/停止時両エネルギ消費用の演算式により求める。
最初の運転周期の予測電力負荷及び予測熱負荷に基づいて、式3により、燃料電池FCを運転しない場合のエネルギ消費量E1を求める。
そして、1日毎断続運転モードの運転時間帯及び2日毎断続運転モードの運転時間帯のうち、予測エネルギ削減量Pが大きい方の運転時間帯を断続運転モードの運転時間帯として設定する。
以下に具体的に説明するように、運転制御装置5の制御部5bは、図7のステップ#1〜#6、#9、#16において、上記許容停止期間以下の長さに設定した運転形態判定対象期間の開始時点において、時系列的な予測電力負荷と時系列的な予測熱負荷とに基づいて、運転形態判定対象期間の全時間帯において燃料電池FCを連続運転すると仮定したときに導出される運転メリットを連続運転メリットとして決定し、並びに、運転形態判定対象期間のうちの一部の時間帯を運転時間帯とし及び残部の時間帯を非運転時間帯として燃料電池FCを断続運転すると仮定して運転時間帯及び非運転時間帯の組み合わせを変えながら運転メリットを導出したときに最も大きくなる運転メリットを断続運転メリットとして決定し、並びに、運転形態判定対象期間の全時間帯において燃料電池FCを停止させて運転を待機させると仮定したときの運転メリットを待機メリットとして決定し、決定した連続運転メリット及び断続運転メリット及び待機メリットに基づいて、燃料電池FCの運転形態を連続運転形態及び断続運転形態及び待機形態の何れかに決定する。ここで、燃料電池FCの運転形態が待機形態に決定され、運転形態判定対象期間の全時間帯において燃料電池FCが停止されても、運転形態判定対象期間は上記許容停止期間以下に設定されているので、アノードの酸化(劣化)は抑制される。
制御部5bは、運転周期の開始時点(例えば、午前3時)になる毎に、運転形態判定対象期間を、その開始時点から引き続く2回の運転周期にて構成するように更新して、運転モード選択処理を実行する。
つまり、運転周期の開始時点になる毎に、上述のようにデータ管理処理を実行して予測電力負荷データ及び予測熱負荷データを求め、上述のように運転メリット演算処理を実行して、負荷追従連続運転モード時の予測エネルギ削減量Pc1、抑制連続運転モード時の予測エネルギ削減量Pc2、及び、断続運転モード時の予測エネルギ削減量Piを演算し、それらのうちの最大のものが待機時消費エネルギZの負の値「−Z」よりも大きいか否かを判断することにより、負荷追従連続運転モード、抑制連続運転モード及び断続運転モードのうちのいずれか1つを実行した方が、運転周期の全時間帯において燃料電池FCを停止させる待機モードを実行するよりも省エネルギになるかを判断する(ステップ#1〜#4)。
また、熱負荷賄い率U/LのUは、燃料電池FCの発生熱量(d)を0として、最初の運転周期の予測熱負荷のうち、最初の運転周期の開始時点における貯湯熱量にて賄えると予測される予測利用熱量である。
例えば、最初の運転周期の開始時点が、図5(b)にて示す運転周期の開始時点の状態であると仮定すると、Lは、図5(b)に示す如き、運転周期の全単位時間(時間0〜23)の予測熱負荷(m)を合計した値となり、Uは、図5(b)に示す如き、運転周期の全単位時間(時間0〜23)の予測利用熱量(n)を合計した値となる。
尚、下位設定値Kは、例えば、0.4に設定する。
つまり、ステップ#13にて最初の運転周期における最終の単位時間の貯湯熱量が0になると判断した仮運転パターンの夫々について、燃料電池FCを運転した場合のエネルギ消費量E2を式6の起動時非消費/停止時消費用の演算式により求めて、その求めたエネルギ消費量E2及び式3により求めた燃料電池FCを運転しない場合のエネルギ消費量E1を式2に代入することにより、予測エネルギ削減量Pを求め、求めた予測エネルギ削減量Pが最大の仮運転パターンの運転時間帯を運転継続時間に設定する。
また、熱負荷賄い率U/Lが下位設定値Kよりも大きくて待機条件を満たすと判断したときに、燃料電池FCが運転中で且つ熱負荷賄い率U/Lが上位設定値M以下で且つ運転継続条件を満たすと判断されると、最初の運転周期における最終の単位時間になっても熱余り状態にならないように燃料電池FCの運転が継続されるので、起動時消費エネルギを消費することなく、最初の運転周期の熱負荷を十分に賄うことが可能となり、省エネルギ性を一段と向上することができる。
第2実施形態の運転制御装置は、断続運転メリットの決定手法が第1実施形態と異なる。以下に、第2実施形態の運転制御装置によって行われる制御の内容について説明するが、第1実施形態と同様の構成については説明を省略する。
図9は、第2実施形態における仮運転パターンと起動前連続停止期間及び停止後連続停止期間との関係を説明する図である。図9では、図6と同様に、運転形態判定対象期間の開始時点(即ち、運転モード設定処理タイミング)からの仮運転パターン(運転形態判定対象期間内の最初の運転周期における仮運転パターン)を例示している。加えて、図9には、燃料電池FCの起動前連続停止期間T1(本発明の「第1連続停止期間」に相当)と、燃料電池FCの停止後連続停止期間T2(本発明の「第2連続停止期間」に相当)についても例示する。
第3実施形態の運転制御装置は、連続運転モードを選択しない点で第1実施形態と異なる。以下に、第3実施形態の運転制御装置によって行われる制御の内容について説明するが、第1実施形態と同様の構成については説明を省略する。
図10に示すように、第3実施形態の運転制御装置5が設けられるコージェネレーションシステムは、ラジエータを備えていない。つまり、第1実施形態では、運転制御装置5は、貯湯槽2の貯湯量が満杯になった判定したとき、貯湯槽2の下部から取り出した湯水がラジエータ19を通過するように循環させると共にラジエータ19を作動させ、貯湯槽2の下部から取り出した湯水をラジエータ19にて放熱させていた。これに対し、本実施形態では、貯湯槽2の貯湯量が満杯になったときに湯水の放熱を行うためのラジエータを備えていないため、貯湯槽2の貯湯量が満杯になり難いような制御、即ち、連続運転モードを選択しないような制御を予め行っている。
第4実施形態の運転制御装置は、断続運転メリットの決定手法が第3実施形態と異なる。以下に、第4実施形態の運転制御装置によって行われる制御の内容について説明するが、第3実施形態と同様の構成については説明を省略する。
つまり、運転制御装置5の制御部5bは、運転形態判定対象期間の開始時点において、時系列的な予測電力負荷と時系列的な予測熱負荷とに基づいて、運転形態判定対象期間のうちの一部の時間帯を運転時間帯とし及び残部の時間帯を非運転時間帯とすると共に運転時間帯の前及び後で連続して発生する連続停止期間を許容停止期間以下に制限して燃料電池FCを断続運転すると仮定して運転時間帯及び非運転時間帯の組み合わせを変えながら運転メリットを導出したときに最も大きくなる運転メリットを断続運転メリットとして決定し、並びに、運転形態判定対象期間の全時間帯において燃料電池FCを停止させて運転を待機させると仮定したときの運転メリットを待機メリットとして決定し、決定した断続運転メリット及び待機メリットに基づいて、燃料電池FCの運転形態を断続運転形態及び待機形態の何れかに決定する。尚、本実施形態では、最も大きくなる運転メリットを断続運転メリットとして決定しているが、最も大きい運転メリットを断続運転メリットとして決定することに限定されない。例えば、2番目に大きい又は3番目に大きい運転メリットなどを断続運転メリットとして決定するように改変してもよい。
<1>
上記実施形態において、運転制御装置5の制御部5bが、連続運転メリットを決定するとき、実際に導出された運転メリットの値よりも大きい値に決定するように改変してもよい。つまり、カソード52bからアノード52aへの酸素の侵入についての問題は、断続運転が行われている間の運転停止期間中に発生する問題であり、連続運転が行われている間はそのような問題は発生しない。従って、運転制御装置5の制御部5bは、連続運転メリットを実際に導出された運転メリットの値よりも大きい値に決定することで、上述したステップ#5において連続運転モードの方を選択され易くする。
或いは、運転制御装置5の制御部5bが、上述したステップ#5において、連続運転メリットがマイナスの値でなければ、連続運転モードを選択するように改変してもよい。
燃料電池FCが連続運転モードで運転されている限りはカソード52bからアノード52aへの酸素の侵入についての問題は発生しない。よって、上述した何れの改変例においても、アノード52aの酸化(劣化)を抑制できる。
上記実施形態では、図10に示したようなラジエータを備えていないコージェネレーションシステムにおいて燃料電池FCを連続運転させない例について説明したが、図10に示したようなラジエータを備えていないコージェネレーションシステムにおいて燃料電池FCを連続運転させてもよい。その場合、運転制御装置5は、例えば貯湯槽2に設けた温度センサの検出結果に基づいて貯湯槽2の貯湯量が満杯になった判定すると、燃料電池FCを停止させて熱の発生を停止させればよい。
上記実施形態において、コージェネレーションシステム1が、燃料電池FCが運転停止状態にあるときのカソード52bの近傍での酸素濃度が設定レベル以上であるか否かを判定する判定部を備え、運転制御装置5が、その判定部がカソード52bの近傍での酸素濃度が上記設定レベル以上であると判定した場合、燃料電池FCの運転停止状態の維持を解消するように構成してもよい。
燃料電池FCが運転停止状態にあるとき、カソード52bの近傍の酸素濃度が上昇して設定レベル以上になると、酸素が電解質52cを通ってアノード52aへ侵入し、アノード52a側に存在している水素と反応するためセル電圧が上昇するという現象が発生する。これに対し、アノード52a側の水素濃度が高い状態では、アノード52a側の水素が電解質を通ってカソード52b近傍の酸素と反応するため、カソード52b近傍の酸素濃度は設定レベル未満となり且つセル電圧も上昇しない。
従って、上記判定部及び上記酸素情報検出センサとして機能を有する電圧センサ34は、自身の検出結果(即ち、セル電圧の検出結果)に基づいて、燃料電池FCが運転停止状態にあるときのカソード52bの近傍での酸素濃度が設定レベル以上になっているか否かを判定できる。
このように、燃料電池FCが運転停止状態にあるときにカソード52b近傍での酸素濃度が設定レベル以上になったとしても、燃料電池FCの運転停止状態の維持を解消することで、アノード52aが、カソード52b側から侵入してきた酸素によって酸化されることを防止できる。
上記第1実施形態では、運転制御装置5の制御部5bが、燃料電池FCの運転形態を連続運転形態及び断続運転形態及び待機形態の何れかに決定する例を説明したが、決定する燃料電池FCの運転形態の種類を変更してもよい。例えば、運転制御装置5の制御部5bが、上記許容停止期間以下の長さに設定した運転形態判定対象期間の開始時点において、時系列的な予測電力負荷と時系列的な予測熱負荷とに基づいて、運転形態判定対象期間の全時間帯において燃料電池FCを連続運転すると仮定したときに導出される運転メリットを連続運転メリットとして決定し、並びに、運転形態判定対象期間のうちの一部の時間帯を運転時間帯とし及び残部の時間帯を非運転時間帯として燃料電池FCを断続運転すると仮定して運転時間帯及び非運転時間帯の組み合わせを変えながら運転メリットを導出したときに最も大きくなる運転メリットを断続運転メリットとして決定し、決定した連続運転メリット及び断続運転メリットに基づいて、燃料電池FCの運転形態を連続運転形態及び断続運転形態の何れかに決定するように改変してもよい。
尚、これらの例では、最も大きくなる運転メリットを断続運転メリットとして決定しているが、最も大きい運転メリットを断続運転メリットとして決定することに限定されない。例えば、2番目に大きい又は3番目に大きい運転メリットなどを断続運転メリットとして決定するように改変してもよい。
上記実施形態において、燃料電池FCの運転形態として断続運転形態のみを備えるように改変してもよい。例えば、第2実施形態において燃料電池FCが断続運転形態のみで運転されるようにすると、連続する2つの運転形態判定対象期間に跨って燃料電池FCが許容停止期間以上の長さ連続して停止されることはなくなる。従って、上述した長期間停止状態の出現を確実に無くすことができる。
5a メモリ(記憶手段)
5b 制御部(制御手段)
52b カソード
FC 燃料電池
Claims (8)
- 運転停止中における燃料電池のカソード近傍での酸素濃度の上昇し易さが異なる複数種の燃料電池に対して用いられる燃料電池用の運転制御装置であって、
前記燃料電池を運転停止状態で維持し続けることが許容できる期間であって、運転停止中における前記燃料電池の前記カソード近傍での酸素濃度が上昇し易いほど短く定められる許容停止期間を表す前記燃料電池に固有の時間指標情報を、通信可能に接続されている当該燃料電池から転送されることで取得して記憶する記憶手段と、
取得して記憶した前記時間指標情報に応じて、前記許容停止期間より長い期間連続して運転停止される長期間停止状態の出現頻度が少なくなるように前記燃料電池の運転を制御する制御手段と、を備え、
運転形態判定対象期間内の、熱と電力とを併せて供給可能な前記燃料電池の運転形態の決定に関し、
前記制御手段は、前記許容停止期間以下の長さに設定した前記運転形態判定対象期間の開始時点において、
時系列的な予測電力負荷と時系列的な予測熱負荷とに基づいて、前記運転形態判定対象期間の全時間帯において前記燃料電池を連続運転すると仮定したときに導出される運転メリットを連続運転メリットとして決定し、並びに、前記運転形態判定対象期間のうちの一部の時間帯を運転時間帯とし及び残部の時間帯を非運転時間帯として前記燃料電池を断続運転すると仮定して前記運転時間帯及び前記非運転時間帯の組み合わせを変えながら運転メリットを導出したときに大きくなる運転メリットを断続運転メリットとして決定し、
決定した前記連続運転メリット及び前記断続運転メリットに基づいて、前記燃料電池の運転形態を連続運転形態及び断続運転形態の何れかに決定する燃料電池用の運転制御装置。 - 運転停止中における燃料電池のカソード近傍での酸素濃度の上昇し易さが異なる複数種の燃料電池に対して用いられる燃料電池用の運転制御装置であって、
前記燃料電池を運転停止状態で維持し続けることが許容できる期間であって、運転停止中における前記燃料電池の前記カソード近傍での酸素濃度が上昇し易いほど短く定められる許容停止期間を表す前記燃料電池に固有の時間指標情報を、通信可能に接続されている当該燃料電池から転送されることで取得して記憶する記憶手段と、
取得して記憶した前記時間指標情報に応じて、前記許容停止期間より長い期間連続して運転停止される長期間停止状態の出現頻度が少なくなるように前記燃料電池の運転を制御する制御手段と、を備え、
運転形態判定対象期間内の、熱と電力とを併せて供給可能な前記燃料電池の運転形態の決定に関し、
前記制御手段は、前記許容停止期間以下の長さに設定した前記運転形態判定対象期間の開始時点において、
時系列的な予測電力負荷と時系列的な予測熱負荷とに基づいて、前記運転形態判定対象期間の全時間帯において前記燃料電池を連続運転すると仮定したときに導出される運転メリットを連続運転メリットとして決定し、並びに、前記運転形態判定対象期間のうちの一部の時間帯を運転時間帯とし及び残部の時間帯を非運転時間帯として前記燃料電池を断続運転すると仮定して前記運転時間帯及び前記非運転時間帯の組み合わせを変えながら運転メリットを導出したときに大きくなる運転メリットを断続運転メリットとして決定し、並びに、前記運転形態判定対象期間の全時間帯において前記燃料電池を停止させて運転を待機させると仮定したときの運転メリットを待機メリットとして決定し、
決定した前記連続運転メリット及び前記断続運転メリット及び前記待機メリットに基づいて、前記燃料電池の運転形態を連続運転形態及び断続運転形態及び待機形態の何れかに決定する燃料電池用の運転制御装置。 - 運転停止中における燃料電池のカソード近傍での酸素濃度の上昇し易さが異なる複数種の燃料電池に対して用いられる燃料電池用の運転制御装置であって、
前記燃料電池を運転停止状態で維持し続けることが許容できる期間であって、運転停止中における前記燃料電池の前記カソード近傍での酸素濃度が上昇し易いほど短く定められる許容停止期間を表す前記燃料電池に固有の時間指標情報を取得して記憶する記憶手段と、
取得して記憶した前記時間指標情報に応じて、前記許容停止期間より長い期間連続して運転停止される長期間停止状態の出現頻度が少なくなるように前記燃料電池の運転を制御する制御手段と、を備え、
運転形態判定対象期間内の、熱と電力とを併せて供給可能な前記燃料電池の運転形態の決定に関し、
前記制御手段は、前記運転形態判定対象期間の開始時点において、
時系列的な予測電力負荷と時系列的な予測熱負荷とに基づいて、前記運転形態判定対象期間の全時間帯において前記燃料電池を連続運転すると仮定したときに導出される運転メリットを連続運転メリットとして決定し、並びに、前記運転形態判定対象期間のうちの一部の時間帯を運転時間帯とし及び残部の時間帯を非運転時間帯とすると共に前記運転時間帯の前及び後で連続して発生する連続停止期間を前記許容停止期間以下に制限して前記燃料電池を断続運転すると仮定して前記運転時間帯及び前記非運転時間帯の組み合わせを変えながら運転メリットを導出したときに大きくなる運転メリットを断続運転メリットとして決定し、並びに、前記運転形態判定対象期間の全時間帯において前記燃料電池を停止させて運転を待機させると仮定したときの運転メリットを待機メリットとして決定し、
決定した前記連続運転メリット及び前記断続運転メリット及び前記待機メリットに基づいて、前記燃料電池の運転形態を連続運転形態及び断続運転形態及び待機形態の何れかに決定する燃料電池用の運転制御装置。 - 運転メリットは、前記燃料電池を運転することによるエネルギ削減量、又は、前記燃料電池を運転することによるエネルギコスト削減費、又は、前記燃料電池を運転することによる二酸化炭素削減量であり、
前記制御手段は、前記連続運転メリットを実際に導出された運転メリットの値よりも大きい値に決定する請求項1〜3の何れか一項に記載の燃料電池用の運転制御装置。 - 運転停止中における燃料電池のカソード近傍での酸素濃度の上昇し易さが異なる複数種の燃料電池に対して用いられる燃料電池用の運転制御装置であって、
前記燃料電池を運転停止状態で維持し続けることが許容できる期間であって、運転停止中における前記燃料電池の前記カソード近傍での酸素濃度が上昇し易いほど短く定められる許容停止期間を表す前記燃料電池に固有の時間指標情報を、通信可能に接続されている当該燃料電池から転送されることで取得して記憶する記憶手段と、
取得して記憶した前記時間指標情報に応じて、前記許容停止期間より長い期間連続して運転停止される長期間停止状態の出現頻度が少なくなるように前記燃料電池の運転を制御する制御手段と、を備え、
運転形態判定対象期間内の、熱と電力とを併せて供給可能な前記燃料電池の運転形態の決定に関し、
前記制御手段は、前記許容停止期間以下の長さに設定した前記運転形態判定対象期間の開始時点において、
時系列的な予測電力負荷と時系列的な予測熱負荷とに基づいて、前記運転形態判定対象期間のうちの一部の時間帯を運転時間帯とし及び残部の時間帯を非運転時間帯として前記燃料電池を断続運転すると仮定して前記運転時間帯及び前記非運転時間帯の組み合わせを変えながら運転メリットを導出したときに大きくなる運転メリットを断続運転メリットとして決定し、並びに、前記運転形態判定対象期間の全時間帯において前記燃料電池を停止させて運転を待機させると仮定したときの運転メリットを待機メリットとして決定し、
決定した前記断続運転メリット及び前記待機メリットに基づいて、前記燃料電池の運転形態を断続運転形態及び待機形態の何れかに決定する燃料電池用の運転制御装置。 - 運転停止中における燃料電池のカソード近傍での酸素濃度の上昇し易さが異なる複数種の燃料電池に対して用いられる燃料電池用の運転制御装置であって、
前記燃料電池を運転停止状態で維持し続けることが許容できる期間であって、運転停止中における前記燃料電池の前記カソード近傍での酸素濃度が上昇し易いほど短く定められる許容停止期間を表す前記燃料電池に固有の時間指標情報を取得して記憶する記憶手段と、
取得して記憶した前記時間指標情報に応じて、前記許容停止期間より長い期間連続して運転停止される長期間停止状態の出現頻度が少なくなるように前記燃料電池の運転を制御する制御手段と、を備え、
運転形態判定対象期間内の、熱と電力とを併せて供給可能な前記燃料電池の運転形態の決定に関し、
前記制御手段は、前記運転形態判定対象期間の開始時点において、
時系列的な予測電力負荷と時系列的な予測熱負荷とに基づいて、前記運転形態判定対象期間のうちの一部の時間帯を運転時間帯とし及び残部の時間帯を非運転時間帯とすると共に前記運転時間帯の前及び後で連続して発生する連続停止期間を前記許容停止期間以下に制限して前記燃料電池を断続運転すると仮定して前記運転時間帯及び前記非運転時間帯の組み合わせを変えながら運転メリットを導出したときに大きくなる運転メリットを断続運転メリットとして決定し、並びに、前記運転形態判定対象期間の全時間帯において前記燃料電池を停止させて運転を待機させると仮定したときの運転メリットを待機メリットとして決定し、
決定した前記断続運転メリット及び前記待機メリットに基づいて、前記燃料電池の運転形態を断続運転形態及び待機形態の何れかに決定する燃料電池用の運転制御装置。 - 運転停止中における燃料電池のカソード近傍での酸素濃度の上昇し易さが異なる複数種の燃料電池に対して用いられる燃料電池用の運転制御装置であって、
前記燃料電池を運転停止状態で維持し続けることが許容できる期間であって、運転停止中における前記燃料電池の前記カソード近傍での酸素濃度が上昇し易いほど短く定められる許容停止期間を表す前記燃料電池に固有の時間指標情報を取得して記憶する記憶手段と、
取得して記憶した前記時間指標情報に応じて、前記許容停止期間より長い期間連続して運転停止される長期間停止状態を出現させないように前記燃料電池の運転を制御する制御手段と、を備え、
運転形態判定対象期間内の、熱と電力とを併せて供給可能な前記燃料電池の運転形態の決定に関し、
前記制御手段は、前記運転形態判定対象期間の開始時点において、
時系列的な予測電力負荷と時系列的な予測熱負荷とに基づいて、前記運転形態判定対象期間の全時間帯において前記燃料電池を連続運転すると仮定したときに導出される運転メリットを連続運転メリットとして決定し、並びに、前記運転形態判定対象期間のうちの一部の時間帯を運転時間帯とし及び残部の時間帯を非運転時間帯とすると共に前記運転時間帯の前及び後で連続して発生する連続停止期間を前記許容停止期間以下に制限して前記燃料電池を断続運転すると仮定して前記運転時間帯及び前記非運転時間帯の組み合わせを変えながら運転メリットを導出したときに大きくなる運転メリットを断続運転メリットとして決定し、
決定した前記連続運転メリット及び前記断続運転メリットに基づいて、前記燃料電池の運転形態を連続運転形態及び断続運転形態の何れかに決定する燃料電池用の運転制御装置。 - 前記連続停止期間のうち、前記運転時間帯の前で連続して発生する第1連続停止期間は、当該運転形態判定対象期間の開始前に前記燃料電池が連続して停止していた期間と、当該運転形態判定対象期間の開始後であり且つ前記運転時間帯の前に前記燃料電池が連続して停止する期間との和であり、
前記連続停止期間のうち、前記運転時間帯の後で連続して発生する第2連続停止期間は、当該運転形態判定対象期間中であり且つ前記運転時間帯の後に前記燃料電池が連続して停止する期間である請求項3、6又は7に記載の燃料電池用の運転制御装置。
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