JP6023981B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

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システムに関する。

本発明は、より詳しくは、前回までの実運転時間の累積に基づき次回の単位期間当たりの運転可能時間を設定す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、約１０年の使用が可能となるように開発されている。具体的には、耐用運転時間の開発目標が約４万時間で、１年あたり約４千時間の発電が想定されている。一方、燃料電池システムには、給湯および電力需要に応じて運転時間を制御して、経済的にメリットが出るように自動運転を行うものがある。この場合、経済的なメリットのみを考慮すると起動停止エネルギーの無駄を省くために、一般的には運転時間は長くなる傾向にあり、その発電時間は、想定した４千時間／年を越えるケースが多く発生する。標準的な家庭の給湯および電力需要に基づいて最適な運転を行った場合の運転時間を試算すると、１年間の燃料電池システムの運転時間が約６千時間となる。この試算によれば、標準的な需要に応じて燃料電池を運転すると、７年弱（＝４万時間÷６千時間）で燃料電池システムの耐用運転時間が終了してしまい、約１０年という想定使用期間を大幅に割り込み、寿命が短い製品となってしまうことが懸念される。その対策として、耐用運転時間に基づいて定められた時間内で１日あたりの運転時間を制御する燃料電池システムが提案されている（例えば特許文献１参照）。

図１９は、特許文献１に記載された従来の燃料電池システムの運転制御を説明するフローチャートである。

まず、特許文献１では１日という単位時間あたりの運転可能時間を設定する（Ｓ１）。運転可能時間のベースとなるのは燃料電池システムの耐用運転時間と製品として求められる寿命である。ここで、耐用運転時間を４万時間として、製品寿命を１０年とするためには、１年あたり運転時間は４千時間となる。これより１日あたりの運転可能時間の初期値は１１時間（≒４千時間÷３６５日）となる。

続いて、運転計画を作成する（Ｓ２）。運転計画は、過去の運転実績から給湯および電力需要が発生する時間帯を予測して、給湯および電力の需要が発生する時間と運転可能時間とを考慮しつつ、燃料電池システムを運転する時間を決定するものである。従って運転計画は運転可能時間を超えない範囲で省エネルギー性、経済性、環境保全等の観点から見た所定の基準に適するように計画される。燃料電池システムの運転が行われると（Ｓ３）、１日が経過したか否かの判断を行う（Ｓ４）。１日が経過していなければ、そのまま運転計画に基づいた運転を継続する（Ｓ３）。１日が経過していれば、１日あたりの実運転時間が運転可能時間未満か否かを判断する（Ｓ５）。１日あたりの実運転時間が運転可能時間未満でなければ、運転可能時間を設定する工程（Ｓ１）に戻り、上述した工程を以下に繰り返す。

そして、次の１日あたりの運転可能時間は、前回の１日あたりの実運転時間が運転可能時間未満であれば、運転可能時間と実運転時間との差である余り時間を運転可能時間の初期値に加算して、設定する（Ｓ６）。

図２０に運転可能時間の具体的な設定事例を示す。図２１は図２０の運転可能時間と実運転時間の日毎の変遷を表した棒グラフである。まず、初回（５月１７日）の１日あたり
の運転可能時間は先に述べた初期値の１１時間が設定される。そして、５月１７日の実運転時間が４時間であれば、余り時間は７時間（＝（前回の運転可能時間１１時間）−（前回の実運転時間４時間））となるので、次回（５月１８日）の１日あたりの運転可能時間は１８時間（＝（運転可能時間の初期値１１時間）＋（余り時間７時間））と設定される。このように余った分の運転時間（余り時間）を運転可能時間の初期値に加算して次の１日あたりの運転可能時間を設定すると、製品寿命１０年を確保しつつ、より多くの給湯および電力需要を燃料電池システムで生成した熱および電力でまかなうことができる。

しかしながら、特許文献１に記載された構成では、初回の次（例えば５月１８日）の運転が運転可能時間の１８時間をフルに継続した場合、その次（５月１９日）の運転可能時間は初期値の１１時間となる。そのため、５月１７日からの３日間の運転時間は４時間、１８時間、１１時間と非常に大きく変動してしまい、ユーザーに違和感を与え、ユーザーが燃料電池システムに不具合が発生したと誤認する恐れがある、という課題を有していた。

その対策として、燃料電池システムの運転時間の変動を少なくし、ユーザーが違和感無く燃料電池システムを使用することができる燃料電池システムが提案されている（例えば特許文献２参照）。

図２２は、特許文献２に記載された従来の燃料電池システムの運転制御を説明するフローチャートである。まず前回までの基本運転時間の累計と前回までの実運転時間の累計との差である余り時間を算出する（Ｓ３０１）。ここで、基本運転時間は、耐用運転時間を製品寿命で有効に消費するために決定され、燃料電池システムの耐用運転時間に基づいて定められた単位時間あたりの運転可能な時間であり、運転可能時間の初期値とも言える。「前回までの基本運転時間の累計」とは、直前の単位時間が終了した際の、燃料電池システムの基本運転時間の合計である。「前回までの実運転時間の累計」とは、直前の単位時間が終了した際の、燃料電池システムが実際に運転した時間の合計である。そして、余り時間を、所定の複数の単位時間で消費されるように、均等に分割した場合の加算時間を算出する（Ｓ３０２）。そして、基本運転時間に加算時間を加算して次回の１日あたりの運転可能時間を設定する（Ｓ３０３）。ここで、１日あたりの運転可能時間が１日あたりの上限時間よりも長い場合には、上限時間で制限する（Ｓ３０４、Ｓ３０５）。上限時間は、１日（２４時間）より短い時間であり、特許文献２に記載された構成では２０時間とする。

図２３に運転可能時間の具体的な設定事例１を示す。図２４は図２３の運転可能時間と実運転時間の日毎の変遷を表した棒グラフである。設置後の初めての運転が、５月１７日より行われたとしている。

まず、１日目である５月１７日の段階では、まだ実際に運転が行われていないため前回までの基本運転時間、前回までの実運転時間はともに０時間である。そのため１日あたりの運転可能時間は基本運転時間を設定する。つまり、最初の運転可能時間は、基本運転時間になる。

ここで、耐用運転時間を４万時間、推奨使用期間（製品寿命）を１０年として考える。例えば、４万時間を１０年間で均等に消費しようとすれば、１年あたりの運転時間は４千時間（４万時間÷１０年）となり、１日あたりの運転時間は約１１時間（＝４千時間÷３６５日）となる。したがって、基本運転時間は１１時間となる。

これより、図２３に示すように１日目である５月１７日の運転可能時間は１１時間が設定される。そして、５月１７日の実運転時間が４時間であれば、２日目（５月１８日）時
点での余り時間は７時間（＝（前回までの基本運転時間１１時間）−（前回までの実運転時間４時間））となる。２日目以降には余り時間を所定の複数の単位時間で均等に分配するように基本運転時間に加算する。ここで、所定の複数日は４日間とする。したがって、所定の複数日である４日間に分配される加算時間は１．８時間（＝（余り時間）÷（所定の複数日４日間））となり、その結果２日目（５月１８日）の運転可能時間は１２．８時間（＝基本運転時間１１時間＋１．８時間）と設定される。そして、５月１８日の実運転時間が１２．８時間であった場合、３日目（５月１９日）時点での余り時間は５．３時間（＝（前回までの基本運転時間２２時間）−（前回までの実運転時間１６．８時間））となる。これより、３日目（５月１９日）の運転可能時間は１２．３時間（＝（基本運転時間１１時間）＋（余り時間５．３時間）÷（所定の複数日４日間））と設定される。これ以降も実運転時間が運転可能時間まで常に行われたとすると、１０日目の５月２６日には運転可能時間は１１．２時間まで徐々に減少し、また余り時間は０．７時間まで消費される。

また、図２５と図２６は、先の図２３と図２４で示した設定事例１に対し、５月２１日、２２日の実運転時間が０であった場合を示した設定事例２である。５、６日目（５月２１日、２２日）の実運転時間が０であるために、７日目（５月２３日）時点での余り時間は２５時間となっている。しかしながら、７日目以降の運転可能時間を延長することによって、１０日目（５月２６日）には１０．５時間まで、１５日目（５月３１日）には２．５時間まで余り時間を消費する。さらに、７日目以降の運転可能時間を１７．２時間、１５．７時間、１４．５時間と徐々にかつ１１時間に漸近するように変化させている。

ここで、前日までの余り時間を翌日以降の運転可能時間に繰り越す際には、その時点での余り時間を所定の複数日で均等に分割して基本運転時間に加算するので、余り時間が少なくなるにつれ運転可能時間に加算される時間が徐々に少なくなる。したがって、実運転時間を徐々に基本運転時間に漸近させることができ、日々の運転時間が変動しているような違和感をユーザーに与えないことができる。

特開２００７―３２３８４３号公報 国際公開第２０１２／０２９３２１号

しかしながら、上記特許文献１、２をはじめとする従来技術であっても、更なる信頼性の向上（より確実に製品寿命まで運転を行うこと）を確保するという観点からは、いまだ改善の余地があることを本発明者らは見出した。

そこで、本発明は、より確実に製品寿命まで運転を行うことのできる優れた信頼性を有する燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記従来技術の課題を鑑みて本発明者らが鋭意検討をした結果、本発明者らは、更なる信頼性の向上の観点から上記特許文献１、２をはじめとする従来の燃料電池システムには以下の課題があることを見出した。

つまり、燃料電池システムは、１日の基本運転時間を超えて燃料電池システムを長く運転させる特殊運転が、これまで想定していた以上に必要となることが明らかになりつつある。

例えば、燃料電池システムを強制的に運転させ、点検やメンテナンスを行なった際、燃料電池システムの１日の実際運転時間は基本運転時間を超過する可能性が高い。

また、地震と原発事故などの原因で、商用系統電源の計画停電が実施された時、燃料電池システムは、家庭非常用電源として、夜間照明は勿論、家庭電器の利用にも不可欠な存在である。上記非常用電源の電力を停止させないため、１日の基本運転時間を超えて燃料電池システムを運転させる必要が多くなることも明らかになりつつある。

また、数多くの来客が家庭に集まって電力需要と熱需要が高まる場合にガス給湯器を長時間運転させるように構成されている国がある。このような国に燃料電池システムを設置する場合には、ガス給湯器と同様に、家庭の電力と熱の供給源として、燃料電池システムを１日の基本運転時間を超えて運転させるように構成する必要が発生することも明らかになりつつある。

従来の構成では、１日の基本運転時間を超えて、燃料電池システムを長く運転させる特殊運転への対応は考慮されていない。また、燃料電池システムの予定寿命に余裕度を設ける設計方法も考えられるが、１日の基本運転時間を越える特殊運転の日数が想定以上に数多く発生することが明らかになりつつあるため、非常に大きい余裕度を設けなければいけないこととなり、現実的に不可能である、という課題が明らかになった。

本発明は、従来の課題を解決するもので、点検、メンテナンス活動、計画停電、来客など様々な原因により、燃料電池システムが特殊運転を行ない、１日の実際の運転時間が基本運転時間を超えた場合にも、当日以降の日の基本運転時間を減らすことで、燃料電池システムを予定されている寿命まで持たせることができる燃料電池システムを提供する。

従来の課題を解決するためには、本発明の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外部負荷へ供給する燃料電池ユニットと、該燃料電池ユニットの動作を制御する制御部と、を備え、
該制御部は、
燃料電池ユニットの耐用運転時間に基づき、該燃料電池ユニットに設定された使用保証期間より短い単位期間毎に、該燃料電池ユニットの許容運転時間を設定し、
燃料電池ユニットの単位期間あたりの実運転時間が、該単位期間に対して設定された許容運転時間以下となるように、燃料電池ユニットを運転させ、
許容運転時間を超えて燃料電池ユニットを運転する特殊運転モードを実行し、
耐用運転時間及び使用保証期間に基づいて設定された単位期間毎の許容運転時間の基準値と単位期間毎の実運転時間とについて、過去の全単位期間にわたる累計値を夫々算出し、特殊運転モードを実行したことにより許容運転時間の基準値の累計値と実運転時間の累計値の差が負になって超過運転時間が発生した場合には、超過運転時間の少なくとも一部を次回の単位期間における前記許容運転時間から減算して設定し、
設定後の許容運転時間が、予め規定された燃料電池ユニットの起動から停止まで継続して運転する最小発電時間よりも短い場合には、許容運転時間を０とすることを特徴とするものである。

これによって、点検、メンテナンス活動、計画停電、来客など様々な原因により、燃料電池システムが特殊運転を行ない、１日の実際運転時間が基本運転時間を超える場合にも、当日以降の日の基本運転時間を減らすことで、燃料電池システムを予定されている寿命まで持たせることができる。

本発明の燃料電池システムは、従来の課題を解決するもので、点検、メンテナンス活動、計画停電、来客など様々な原因により、燃料電池システムが特殊運転を行ない、１日の実際運転時間が基本運転時間を超える場合にも、当日以降の日の基本運転時間を減らすことで、燃料電池システムを予定されている寿命まで持たせることができる。

本発明の実施の形態１〜２における燃料電池システムの構成図 本発明の実施の形態１における運転制御部の発電状態の遷移フローチャート 本発明の実施の形態１における１日あたりの運転可能時間の設定フローチャート 本発明の実施の形態１における運転可能時間の具体的な設定事例１を示すテーブルの概念図 本発明の実施の形態１における図４に示した設定事例１の運転可能時間と実運転時間の日毎の変遷を表した棒グラフ 本発明の実施の形態１における運転可能時間の具体的な設定事例２を示すテーブルの概念図 本発明の実施の形態１における図６に示した設定事例２の運転可能時間と実運転時間の日毎の変遷を表した棒グラフ 本発明の実施の形態２における１日あたりの運転可能時間の設定フローチャート 本発明の実施の形態２における運転可能時間の具体的な設定事例３を示すテーブルの概念図 本発明の実施の形態２における図９に示した設定事例３の運転可能時間と実運転時間の日毎の変遷を表した棒グラフ 本発明の実施の形態２における運転可能時間の具体的な設定事例４を示すテーブルの概念図 本発明の実施の形態２における図１１に示した設定事例４の運転可能時間と実運転時間の日毎の変遷を表した棒グラフ 本発明の実施の形態３における燃料電池システムの構成図 本発明の実施の形態３における１日あたりの運転可能時間の設定フローチャート 本発明の実施の形態３における運転可能時間の具体的な設定事例５を示すテーブルの概念図 本発明の実施の形態３における図１５に示した設定事例５の運転可能時間と実運転時間の日毎の変遷を表した棒グラフ 本発明の実施の形態３における運転可能時間の具体的な設定事例６を示すテーブルの概念図 本発明の実施の形態３における図１７に示した設定事例６の運転可能時間と実運転時間の日毎の変遷を表した棒グラフ 特許文献１の燃料電池システムにおける運転制御フローチャート 特許文献１の燃料電池システムにおける運転可能時間の具体的な設定事例を示すテーブルの概念図 特許文献１の燃料電池システムにおける図２０に示した設定事例の運転可能時間と実運転時間の日毎の変遷を表した棒グラフ 特許文献２の燃料電池システムにおける運転制御フローチャート 特許文献２の燃料電池システムにおける運転可能時間の具体的な設定事例１を示すテーブルの概念図 特許文献２の燃料電池システムにおける図２３に示した設定事例１の運転可能時間と実運転時間の日毎の変遷を表した棒グラフ 特許文献２の燃料電池システムにおける運転可能時間の具体的な設定事例２を示すテーブルの概念図 特許文献２の燃料電池システムにおける図２５に示した設定事例２の運転可能時間と実運転時間の日毎の変遷を表した棒グラフ

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外部負荷へ供給する燃料電池ユニットと、
該燃料電池ユニットの動作を制御する制御部と、を備え、
該制御部は、
燃料電池ユニットの耐用運転時間に基づき、該燃料電池ユニットに設定された使用保証期間より短い単位期間毎に、該燃料電池ユニットの許容運転時間を設定し、
燃料電池ユニットの単位期間あたりの実運転時間が、該単位期間に対して設定された許容運転時間以下となるように、燃料電池ユニットを運転させ、
許容運転時間を超えて燃料電池ユニットを運転する特殊運転モードを実行し、
制御部は、
耐用運転時間及び使用保証期間に基づいて設定された単位期間毎の許容運転時間の基準値と単位期間毎の実運転時間とについて、過去の全単位期間にわたる累計値を夫々算出し、特殊運転を実行したことにより各累計値の差が負になって超過運転時間が発生した場合には、超過運転時間の少なくとも一部を次回の単位期間における許容運転時間から減算して設定する、燃料電池システムである。

ここで、燃料とは、成分として少なくとも炭化水素若しくは水素を含む気体若しくは液体、を示す。

上記第１の発明の構成によって、点検、メンテナンス活動、計画停電、来客など様々な原因で、燃料電池システムが特殊運転を行ない、実際運転時間が基本運転時間を超えた場合に、それ以降の日の基本運転時間を減らし、燃料電池システムを予定されている寿命まで持たせることを目的とする。

第２の発明は、特に、第１の発明において、特殊運転モードは、燃料電池システムをメンテナンスする際に実行されるメンテナンス運転モード、商用電源が停電している際に実行される自立運転モード、及び、ユーザーにより許容運転時間を越えて運転するように設定される超過運転モードのうちの少なくとも一つの運転モードを含んでいるように構成されている、燃料電池システムである。

これにより、点検、メンテナンス活動、計画停電、来客など様々な原因で、燃料電池システムが特殊運転を行ない、実際運転時間が基本運転時間を超えた場合に、それ以降の日の基本運転時間を減らし、燃料電池システムを予定されている寿命まで持たせることを目的とする。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、制御部は、超過運転時間を分割して、次回の単位期間における許容運転時間から減算して設定する、燃料電池システムである。

これにより、燃料電池システムの運転時間の変動を少なくし、ユーザーが違和感無く燃料電池システムを使用することができ、ユーザーの使用時の満足度を向上させることを目的とする。

第４の発明は、特に、第１〜第３の発明において、燃料電池システムが備えられている需要家の電力および熱のうちの少なくとも一方の消費量を検知する負荷検知器をさらに備
え、制御部は、負荷検知器が検知した情報に基づいて消費量が小さいと予想される単位期間の許容運転時間から、超過運転時間の少なくとも一部を減算して設定する、許容運転時間設定部は、超過運転時間が無くなるまでは燃料電池ユニットを動作させないように設定する、燃料電池システムである。

これにより、電力および熱の消費量が小さいと予想される日に発電時間を短縮することで、推奨使用期間（製品寿命）を確保しつつ、燃料電池システムの経済性と環境性を考慮し、最大限に発揮することができる。

第５の発明は、特に、第１または第２の発明において、制御部は、超過運転時間が無くなるまでは燃料電池ユニットを動作させないように設定する、
燃料電池システムである。

これにより、超過運転時間が無くなるまで燃料電池ユニットを動作させないことで、より確実に予定されている期間まで燃料電池の寿命を延ばすことができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるのもではない。

（実施の形態１）
以下に、本発明の実施の形態１における燃料電池システムについて、詳細に説明する。図１は実施の形態１における燃料電池システムの構成図である。

図１において、燃料電池システム１０４は、家庭内に設置されている分電盤１０２を介して商用交流１０１と接続されている。また、分電盤１０２と燃料電池システム１０４の間には、エアコン、冷蔵庫などの家庭内負荷１０３が接続されている。

燃料電池システム１０４は、燃料ガスと酸化剤ガスとが電気化学反応を行うことによって発電を行う。ここで、燃料ガスとは、成分として少なくとも炭化水素若しくは水素を有する気体を示す。本発明の燃料電池システムにおいては、燃料ガスは、原料ガスである都市ガスやＬＰガスなどが改質されて生成される。

具体的には、燃料電池システム１０４は、都市ガスなどの原料ガスを水蒸気改質、水性シフト反応、及び選択酸化反応させて水素が主成分である燃料ガスを生成する水素生成器１０９を有している。さらに、燃料電池システム１０４は、水素生成器１０９から供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを化学反応させて発電を行うスタック１０６と、スタック１０６の発電により得られた出力直流電力を交流電力に変換するインバータ１０５と、を有している。スタック１０６は、アノード電極とカソード電極が電解質膜を挟んで構成されたセルが複数積層して構成されている。

さらに、燃料電池システム１０４は、燃料電池システム１０４の起動、発電、終了、停止の一連の動作を制御する運転制御部１１３と、酸化剤ガスで酸素を含んでいる空気をスタック１０６に供給する送風機１０７と、スタック１０６が発電する際に発生した熱を回収し、温水として貯湯槽１１２に蓄える廃熱回収部１０８とを有している。

水素生成器１０９、送風機１０７や廃熱回収部１０８は、ガスや水の流路を切換える弁と、水素生成器の温度を昇温させるヒータなどのアクチュエータ１１０と、ガスや水の流路の温度、流量などを計測するセンサ１１１と、を有している。

また、燃料電池システム１０４は、燃料電池装置の単位時間あたりの運転可能時間を設定する運転時間設定部１１４と、単位期間あたりの運転可能時間の範囲内で燃料電池システム１０４を運転する運転制御部１１３と、を有している。運転制御部１１３及び運転時間設定部１１４は、それぞれＣＰＵ等の演算部、メモリ等の記憶部を有している。

以上のように構成された燃料電池システム１０４において、以下その動作、作用を説明する。

燃料電池システム１０４の動作は、大きく起動工程、発電状態、終了工程、停止状態といった４つの制御の工程及び状態に分けることができる。起動工程は燃料電池システム１０４を発電可能な状態にするための準備工程である。発電状態は、燃料ガス及び酸化剤ガスがスタック１０６に供給されて、スタック１０６で発電が行われ、スタック１０６より電力が出力されている状態である。終了工程は、燃料電池システム１０４を発電不可能な状態にするための工程であり、停止状態は、状態を監視しながら次の発電指示を待っている状態である。燃料電池システム１０４は、先に述べた４つの制御状態をあらかじめプログラムされたタイミングで遷移させながら適切に制御される。

まず、起動工程について説明をする。発電出力可能となるためには、水素生成器１０９において水素が主成分である燃料ガスを生成するなどの準備工程が必要であり、例えば、都市ガスなどの原料ガスから燃料ガスを生成するといった工程である。具体的には、水素生成器１０９に付随して備えられた温度センサや流量センサの計測値を取込ながらヒータやファンなどのアクチュエータ１１０に対してフィードバック制御を行い、水素生成器１０９の温度を約６００〜７００度まで昇温させ、その後に原料ガスを水素生成器１０９に供給する。水素生成器１０９が原料ガスを水蒸気改質、水性シフト反応、選択酸化反応させて、水素が主成分である燃料ガスを生成する。

起動工程が十分に進行し、燃料ガスが水素生成器１０９からスタック１０６のアノード電極に安定的に生成されるようになると、起動工程が終わり、スタック１０６による発電状態へと移行する。送風機１０７のアクチュエータ１１０が制御されてカソード電極側に酸化剤である空気が供給されるとともに、水素生成器１０９のアクチュエータが制御されてスタック１０６のアノード電極側に燃料ガスが供給される。このとき、スタック１０６にて燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とが電気化学的に反応して、発電が行われる。スタック１０６より出力された直流電力は、スタック１０６に接続しているインバータ１０５によって交流電力に変換され、家庭内負荷１０３に供給される。また、スタック１０６は、廃熱回収部１０８に接続している冷却水の循環経路を有しており、スタック１０６の発電中に冷却水が循環経路内を循環することによりスタック１０６が冷却されて、スタック１０６が所定温度に維持される。廃熱回収部１０８は、アクチュエータ１１０が有するポンプなどの制御により、スタック１０６で発生する熱を循環経路内の冷却水から熱交換器を介して熱回収し、貯湯槽１１２に温水として蓄える。

続いて、終了工程について説明する。弁を閉じて都市ガスの供給を遮断し、水素生成器１０９での燃料ガス生成を停止する。そして水素生成器１０９に備えられたファンを駆動し、都市ガスの改質が行われない温度まで水素生成器１０９を冷却する。また、スタック１０６、水素生成器１０９、及びガス経路などの発電ブロックの劣化を防止するために、スタック１０６、水素生成器１０９やガス経路等を不活性ガスでパージする。

終了工程が十分に行われ、発電ブロックが安定的に発電不可能な状態で保たれると、送風機１０７と水素生成器とのアクチュエータ１１０の動作を停止して、停止状態に移行し、次回の発電タイミングに備える。また、この停止状態中もガス漏れ検知センサ等で燃料
電池システム１０４の安全状態を監視し、異常が発生した場合にはユーザーへの報知を行うなど所定の異常処理を行う。

運転制御部１１３は、先に述べた４つの制御の工程及び状態を移行させながら適切に運転を行っている。移行のトリガとしては、ユーザーの手動操作や時間で制御を行うタイマー予約運転などである。なお、貯湯槽１１２の湯量が少ない場合には発電を行い、湯量が多くなれば停止するというような自動運転を行うと、家庭内の給湯需要に連動して運転が行われ、効率的な運転が可能となるので好適である。また、給湯需要に加え家庭内負荷１０３の過去の利用状況から電力需要に応じて運転計画を適宜更新するような学習機能を持っていれば、利用者が頻繁に使用する時間帯をあらかじめ予測し、その時間帯のみ発電が行われるように制御状態を遷移させるので、より効率よく発電を行うことができるので好適である。

また、発電状態を除く、起動工程、終了工程、停止状態の３つの工程及び状態では、燃料電池システム１０４から交流電力は出力されないので、家庭内負荷１０３の電力は商用交流１０１から供給されて動作することになる。

以上のような動作をする燃料電池システム１０４について、運転制御部１１３による運転時間制御の詳細な動作、作用を説明する。

図２は運転制御部１１３の発電状態の移行フローチャート図である。発電状態へ移行するとまず単位期間である１日あたりの運転可能時間を設定する（Ｓ２０１）。そして、先に述べた発電工程の制御を行い、発電を継続させるとともに（Ｓ２０２）、終了工程への移行を常に監視している（Ｓ２０３）。発電の終了条件は先に述べた、ユーザーによる手動操作や、タイマーおよび自動運転の遷移条件などによって定められる。終了条件を満足していれば終了工程へ移行する（Ｓ２０６）。終了条件を満足していない場合、点検、メンテナンス活動、計画停電、来客など様々な原因による特殊運転を行なっているか否かを確認し（Ｓ２０４）、特殊運転を行なっていれば発電状態が継続する（Ｓ２０２）。特殊運転を行なっていなければ、単位期間である１日あたりの実運転時間が運転可能時間以上であるか確認し（Ｓ２０５）、運転可能時間以上であれば同様に終了状態へ遷移する（Ｓ２０６）。１日あたりの実運転時間が運転可能時間未満であれば発電状態が継続する（Ｓ２０２）。

ここで、１日あたりの運転可能時間は、図１の運転時間設定部１１４によって設定される。

また、
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は１日あたりの運転可能時間の設定を示したフローチャート図である。まず前回までの基本運転時間の累計と前回までの実運転時間の累計を比較する（Ｓ０３０１）。ここで、基本運転時間は、耐用運転時間を製品寿命で有効に消費するために決定され、燃料電池システムの耐用運転時間に基づいて定められた単位期間あたりの運転可能時間であり、運転可能時間の初期値とも言える。

前回までの基本運転時間の累計は前回までの実運転時間の累計以上の数値であれば、前回までの基本運転時間の累計と前回までの実運転時間の累計との差である余り時間を算出する（Ｓ０３０２）。そして、基本運転時間に余り時間を加算して次回の１日あたりの運転可能時間を設定する（Ｓ０３０３）。ここで、１日あたりの運転可能時間が１日あたりの上限時間よりも長い場合には、上限時間で制限する（Ｓ０３０４、Ｓ０３０５）。上限時間は、１日（２４時間）より短い時間であり、本実施例では２０時間とする。

また、前回までの基本運転時間の累計は前回までの実運転時間の累計より小さければ、前回までの実運転時間の累計と前回までの基本運転時間の累計との差である不足時間を算出する（Ｓ０３０６）。そして、基本運転時間から不足時間（超過運転時間）を減算して次回の１日あたりの運転可能時間を設定する（Ｓ０３０７）。ここで、１日あたりの運転可能時間が１日あたりの下限時間よりも短い場合に、当日の運転可能時間を０とする（Ｓ０３０８、Ｓ０３０９）。下限時間とは、燃料電池システム１０４の起動と停止にエネルギーがかかるため、これらの起動停止エネルギーを回収するため、経済的なメリットを考慮し、毎回起動から停止まで継続する最小発電時間を規定する。本実施例では３時間とする。

図４に運転可能時間の具体的な設定事例１を示す。図５は図４の運転可能時間と実運転時間の日毎の変遷を表した棒グラフである。設置後の初めての運転が、５月１７日より行われたとしている。

まず、１日目である５月１７日の段階では、まだ実際に運転が行われていないため前回までの基本運転時間、前回までの実運転時間はともに０時間である。そのため１日あたりの運転可能時間は基本運転時間を設定する。つまり、最初の運転可能時間は、基本運転時間になる。

本実施の形態では、具体的に燃料電池システム１０４の耐用運転時間を４万時間、推奨使用期間（製品寿命）（使用保証期間）を１０年として考える。例えば、４万時間を１０年間で均等に消費しようとすれば、１年あたりの運転時間は４千時間（４万時間÷１０年）となり、１日あたりの運転時間は約１１時間（＝４千時間÷３６５日）となる。したがって、基本運転時間は１１時間となる。

これより、図４に示すように１日目である５月１７日の運転可能時間は１１時間が設定される。そして、５月１７日の実運転時間が３時間であれば、２日目（５月１８日）時点での余り時間は８時間（＝（前回の運転可能時間１１時間）−（前回の実運転時間３時間））となる。２日目（５月１８日）の１日あたりの運転可能時間は１９時間（＝（運転可能時間の初期値１１時間）＋（余り時間８時間））と設定される。２日目（５月１８日）の実運転時間が８時間であれば、３日目（５月１９日）時点での余り時間は１１時間（＝（前回までの運転可能時間２２時間）−（前回までの実運転時間１１時間））となる。３日目（５月１９日）の１日あたりの運転可能時間加算結果は２２時間（＝（運転可能時間の初期値１１時間）＋（余り時間１１時間））となり、１日の上限時間２０時間より長いため、３日目（５月１９日）の１日当たりの運転可能時間を２０時間と設定される。３日目（５月１９日）の実運転時間が２０時間であれば、４日目（５月２０日）時点での余り時間は２時間（＝（前回までの運転可能時間３３時間）−（前回までの実運転時間３１時間））となる。４日目（５月２０日）の１日あたりの運転可能時間加算結果は１３時間（＝（運転可能時間の初期値１１時間）＋（余り時間２時間））と設定される。これ以降も実運転時間が運転可能時間まで常に行われるとする。

また、図６と図７は、実運転時間が運転可能時間を超えた場合を示した設定事例２である。図６に示すように１日目である５月１７日の運転可能時間は１１時間が設定される。そして、５月１７日燃料電池システムの特殊運転モードで運連され、実運転時間が２０時間であれば、２日目（５月１８日）時点での不足時間は９時間（＝（前回の実運転時間２０時間）−（前回の運転可能時間１１時間））となる。２日目（５月１８日）の１日あたりの運転可能時間減算結果は２時間（＝（運転可能時間の初期値１１時間）−（不足時間９時間））となり、１日の下限時間３時間より短いため、２日目（５月１８日）の１日あたりの運転可能時間を０時間と設定される。２日目（５月１８日）の実運転時間が３時間であれば、３日目（５月１９日）時点での不足時間は１時間（＝（前回までの実運転時間２３時間）−（前回までの運転可能時間２２時間））となる。３日目（５月１９日）の１
日あたりの運転可能時間を１０時間（＝（運転可能時間の初期値１１時間）−（不足時間１時間））と設定される。これ以降も実運転時間が運転可能時間まで常に行われるとする。

ここで、特殊運転モードとは、特殊運転モードは、燃料電池システム１０４をメンテナンスする際に実行されるメンテナンス運転モード、商用電源が停電している際に実行される自立運転モード、及び、ユーザーにより許容運転時間を越えて運転するように設定される超過運転モードのうちの少なくとも一つの運転モードを含んでいる。

以上のように、本実施の形態によれば、燃料電池システム１０４の耐用運転時間４万時間より決定される１日あたりの基本運転時間に対して、実運転時間が基本運転時間より短かった場合に、その基本運転時間の累計から実運転時間の累計を差し引いた余り時間を翌日以降の運転可能時間に加算する。実運転時間が基本運転時間より長かった場合に、その実運転時間の累計から基本運転時間の累計を差し引いた不足時間を翌日以降の運転可能時間から減算する。したがって、点検、メンテナンス活動、計画停電、来客など様々な原因により、燃料電池システムが特殊運転（特殊運転モード）を行ない、１日の実際運転時間が基本運転時間を超える時に対応することができる。また、翌日以降の実運転時間を長くしたり、短くしたりことで、耐用運転時間を所定の期間で着実に消費することができ、推奨使用期間（製品寿命）１０年を確保しつつ、より多くの給湯および電力需要を燃料電池システムで生成した熱および電力でまかなうことができる。

また、運転可能時間は上限時間である２０時間以下で設定されるので、日をまたいだ運転が行われず運転時間の管理がしやすくなる。また、毎日規則的に発電／停止が繰り返されることになるので、ユーザーに安定して動作している印象を与えることができる。なお、上限時間は本実施の形態の運転時間管理の基本単位である１日未満を設定すればよいが、起動工程と終了工程とに要する時間を考慮し、両工程に必要な時間を差し引いた時間を設定すると、確実に停止を確保することができるので好適である。本実施の形態では起動工程と終了工程との時間を１〜２時間として、停止時間を２時間確保できるように２０時間（＝２４時間−２時間−２時間）を設定している。

なお、燃料電池システム１０４の起動と停止にエネルギーがかかるため、これらの起動停止エネルギーを回収するため、経済的なメリットを考慮し、毎回起動から停止まで継続する最小発電時間を規定する。３時間以上連続発電することで、燃料電池システムの経済性効果と環境性効果は負にならないことを保障できる。

本実施の形態では、１日を基本単位として運転制御しているため、基本運転時間、運転可能時間、実運転時間、上限時間を１日あたりで考えている。これは、一般的な家庭での給湯および電力需要は２４時間サイクルで繰り返されるのが標準的であるためであり、２４時間毎に発電が行われると効率的な運転が可能となる。

（実施の形態２）
図１は実施の形態２における燃料電池システム１０４の構成図である。実施の形態１と同一構成のものについては同一符号を付し、説明を省略する。実施の形態１と異なる点は、主に、運転時間設定部１１４による運転可能時間の設定方法であり、燃料電池システム１０４の構成、および起動工程、発電状態、終了工程、停止状態の運転制御フローは実施の形態１と実質的に同一であるため、説明を省略する。

以下に、図を用いて運転時間設定部１１４における運転可能時間の設定方法を説明する。

図８は実施の形態２における１日あたりの運転可能時間の設定を示したフローチャート図である。

まず前回までの基本運転時間の累計と前回までの実運転時間の累計を比較する（Ｓ８０１）。

前回までの基本運転時間の累計は前回までの実運転時間の累計以上の数値であれば、前回までの基本運転時間の累計と前回までの実運転時間の累計との差である余り時間を算出する（Ｓ８０２）。そして、余り時間を、所定の複数の単位期間で消費されるように、均等に分割した場合の加算時間を算出する（Ｓ８０３）。そして、基本運転時間に加算時間を加算して次回の１日あたりの運転可能時間を設定する（Ｓ８０４）。ここで、１日あたりの運転可能時間が１日あたりの上限時間よりも長い場合には、上限時間で制限する（Ｓ８０５、Ｓ８０６）。上限時間は、１日（２４時間）より短い時間であり、本実施例では
２０時間とする。

また、前回までの基本運転時間の累計は前回までの実運転時間の累計より小さいであれば、前回までの実運転時間の累計と前回までの基本運転時間の累計との差である不足時間を算出する（Ｓ８０７）。そして、不足時間を、所定の複数の単位期間で返済させるように、均等に分割した場合の減算時間を算出する（Ｓ８０８）。そして、基本運転時間から減算時間を差し引いて次回の１日あたりの運転可能時間を設定する（Ｓ８０９）。ここで、１日あたりの運転可能時間が１日あたりの下限時間よりも短い場合に、当日の運転可能時間を０とする（Ｓ８１０、Ｓ８１１）。下限時間とは、燃料電池システム１０４の起動と停止にエネルギーがかかるため、これらの起動停止エネルギーを回収するために、毎回起動から停止まで継続する最小発電時間を規定する。本実施例では３時間とする。３時間以上連続発電することで、燃料電池システムの経済性効果と環境性効果は負にならないことを保障できる。

図９に運転可能時間の具体的な設定事例３を示す。図１０は図９の運転可能時間と実運転時間の日毎の変遷を表した棒グラフである。設置後の初めての運転が、５月１７日より行われたとしている。

まず、１日目である５月１７日の段階では、まだ実際に運転が行われていないため前回までの基本運転時間、前回までの実運転時間はともに０時間である。そのため１日あたりの運転可能時間は基本運転時間を設定する。つまり、最初の運転可能時間は、基本運転時間になる。

本実施の形態では、具体的に燃料電池システム１０４の耐用運転時間を４万時間、推奨使用期間（製品寿命）を１０年として考える。例えば、４万時間を１０年間で均等に消費しようとすれば、１年あたりの運転時間は４千時間（４万時間÷１０年）となり、１日あたりの運転時間は約１１時間（＝４千時間÷３６５日）となる。したがって、基本運転時間は１１時間となる。

これより、
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に示すように１日目である５月１７日の運転可能時間は１１時間が設定される。そして、５月１７日の実運転時間が３時間であれば、２日目（５月１８日）時点での余り時間は８時間（＝（前回までの基本運転時間１１時間）−（前回までの実運転時間３時間））となる。２日目以降には余り時間を所定の複数の単位期間で均等に分配するように基本運転時間に加算する。ここで、所定の複数日は余り時間を消費する速度を決定する要素となる。そのため、日々の運転可能時間の変化がお客様に違和感を与えないように、また、燃料電池システム１０４が故障したと誤認されないように、さらにできるだけ速やかに余り時間が消費されるように決定するのが好適であり、本実施の形態では４日間とする。したがって、所定の複数日である４日間に分配される加算時間は２時間（＝（余り時間）÷（所定の複数日４日間））となり、その結果２日目（５月１８日）の運転可能時間は１３時間（＝基本運転時間１１時間＋２時間）と設定される。そして、５月１８日の実運転時間が１３時間であった場合、３日目（５月１９日）時点での余り時間は６時間（＝（前回までの基本運転時間２２時間）−（前回までの実運転時間１６時間））となる。これより、３日目（５月１９日）の運転可能時間は１２．５時間（＝（基本運転時間１１時間）＋（余り時間６時間）÷（所定の複数日４日間））と設定される。これ以降も実運転時間が運転可能時間まで常に行われたとすると、１０日目の５月２６日には運転可能時間は１１．２時間まで徐々に減少し、また余り時間は０．７時間まで消費される。

また、図１１と図１２は、実運転時間が運転可能時間を超えた場合を示した設定事例４である。図１１に示すように１日目である５月１７日の運転可能時間は１１時間が設定される。そして、５月１７日商用系統電源の計画停電が実施され、燃料電池システムは家庭非常用電源として運転し、実運転時間が２０時間であれば、２日目（５月１８日）時点での不足時間は９時間（＝（前回までの実運転時間２０時間）−（前回までの基本運転時間１１時間））となる。２日目以降には不足時間を４日間で均等に補足するように基本運転時間から減算する。したがって、所定の複数日である４日間に補足される減算時間は２．２５時間（＝（余り時間）÷（所定の複数日４日間））となり、その結果２日目（５月１８日）の運転可能時間は８．８時間（＝基本運転時間１１時間−２．２５時間）と設定される。そして、５月１８日の実運転時間が８．８時間であった場合、３日目（５月１９日）時点での不足時間は６．８時間（＝（前回までの実運転時間２８．８時間）−（前回までの基本運転時間２２時間））となる。これより、３日目（５月１９日）の運転可能時間は１９．３時間（＝（基本運転時間１１時間）−（不足時間６．８時間）÷（所定の複数日４日間））と設定される。これ以降も実運転時間が運転可能時間まで常に行われたとすると、１０日目の５月２６日には運転可能時間は１０．８時間まで徐々に増加し、また不足時間は０．９時間まで補足される。

以上のように、本実施の形態によれば、燃料電池システム１０４の耐用運転時間４万時間より決定される１日あたりの基本運転時間に対して、実運転時間が基本運転時間より短かった場合に、その基本運転時間の累計から実運転時間の累計を差し引いた余り時間を翌日以降の運転可能時間に加算する。実運転時間が基本運転時間より長かった場合に、その実運転時間の累計から基本運転時間の累計を差し引いた不足時間を翌日以降の運転可能時間から減算する。したがって、点検、メンテナンス活動、計画停電、来客など様々な原因により、燃料電池システムが特殊運転を行ない、１日の実際運転時間が基本運転時間を超える時に対応することができる。また、翌日以降の実運転時間を長くしたり、短くしたりことで、耐用運転時間を所定の期間で着実に消費することができ、推奨使用期間（製品寿命）１０年を確保しつつ、より多くの給湯および電力需要を燃料電池システムで生成した熱および電力でまかなうことができる。

また、前日までの余り時間を翌日以降の運転可能時間に繰り越す際には、その時点での余り時間を所定の複数日で均等に分割して基本運転時間に加算するので、余り時間が少なくなるにつれ運転可能時間に加算される時間が徐々に少なくなる。したがって、実運転時間を徐々に基本運転時間に漸近させることができ、日々の運転時間が変動しているような違和感をユーザーに与えない。

なお、前日までの不足時間を翌日以降の運転可能時間から返済させる際には、その時点での不足時間を所定の複数日で均等に分割して基本運転時間から減算するので、不足時間が少なくなるにつれ運転可能時間から減算される時間が徐々に少なくなる。したがって、実運転時間を徐々に基本運転時間に漸近させることができ、日々の運転時間が変動しているような違和感をユーザーに与えない。

（実施の形態３）
図１３は実施の形態３における燃料電池システムの構成図である。実施の形態１と同一構成のものについては同一符号を付し、説明を省略する。電力検知部１１５と、熱量検知部１１６と、記憶部１１７と、需要予測部１１８と、を備えることが異なる。

家庭内負荷１０３で消費される電力負荷量は電力検知部１１５にて計測され、運転制御部１１３にある記憶部１１７にて逐次蓄積される。

熱量検知部１１６は、例えば、市水温度を計測する温度センサ（図示せず）と、貯湯槽１１２から供給される温水の温度を計測する温度センサ（図示せず）と、貯湯槽１１２から供給される温水の流量を計測する流量計（図示せず）からなり、市水と温水の温度差と温水の流量との積により、温水として利用される熱負荷量を演算するものである。

記憶部１１７は、電力検知部１１５からの電力負荷と、熱量検知部１１６からの熱負荷を蓄積するものである。

さらに、需要予測部１１８は、記憶部１１７に記憶された一定期間（例えば、１年間）の熱負荷需要の発生履歴および電力熱負荷需要の発生履歴を読み出し、当該履歴を基にして将来の所定期間（例えば、１日）の時間推移とともに変わる電力負荷の予測需要および将来の所定期間（例えば、１日）の時間推移とともに変わる熱負荷の予測需要を推定演算して、これらの電力負荷予測需要及び熱負荷予測需要を記憶部１１７に逐次記憶する。

以下に、図を用いて運転時間設定部１１４における運転可能時間の設定方法を説明する。燃料電池システム１０４の構成、および起動工程、発電状態、終了工程、停止状態の運転制御フローは実施の形態１と実質的に同一であるため、説明を省略する。

図１４は実施の形態３における１日あたりの運転可能時間の設定を示したフローチャート図である。

まず前回までの基本運転時間の累計と前回までの実運転時間の累計を比較する（Ｓ１４０１）。

前回までの基本運転時間の累計は前回までの実運転時間の累計以上の数値であれば、前回までの基本運転時間の累計と前回までの実運転時間の累計との差である余り時間を算出する（Ｓ１４０２）。そして、余り時間と電力予測需要と熱予測需要に基づき、加算時間を算出する（Ｓ１４０３）。そして、基本運転時間に加算時間を加算して次回の１日あたりの運転可能時間を設定する（Ｓ１４０４）。ここで、１日あたりの運転可能時間が１日あたりの上限時間よりも長い場合には、上限時間で制限する（Ｓ１４０５、Ｓ１４０６）。上限時間は、１日（２４時間）より短い時間であり、本実施例では２０時間とする。

また、前回までの基本運転時間の累計は前回までの実運転時間の累計より小さいであれば、前回までの実運転時間の累計と前回までの基本運転時間の累計との差である不足時間を算出する（Ｓ１４０７）。そして、不足時間と電力予測需要と熱予測需要に基づき、減算時間を算出する（Ｓ１４０８）。そして、基本運転時間から減算時間を差し引いて次回の１日あたりの運転可能時間を設定する（Ｓ１４０９）。ここで、１日あたりの運転可能時間が１日あたりの下限時間よりも短い場合に、当日の運転可能時間を０とする（Ｓ１４１０、Ｓ１４１１）。下限時間とは、燃料電池システム１０４の起動と停止にエネルギーがかかるため、これらの起動停止エネルギーを回収するために、毎回起動から停止まで継続する最小発電時間を規定する。本実施例では３時間とする。３時間以上連続発電するこ
とで、燃料電池システムの経済性効果と環境性効果は負にならないことを保障できる。

図１５に運転可能時間の具体的な設定事例５を示す。図１６は図１５の運転可能時間と実運転時間の日毎の変遷を表した棒グラフである。設置後の初めての運転が、５月１７日より行われたとしている。

まず、１日目である５月１７日の段階では、まだ実際に運転が行われていないため前回までの基本運転時間、前回までの実運転時間はともに０時間である。そのため１日あたりの運転可能時間は基本運転時間を設定する。つまり、最初の運転可能時間は、基本運転時間になる。

本実施の形態では、具体的に燃料電池システム１０４の耐用運転時間を４万時間、推奨使用期間（製品寿命）を１０年として考える。例えば、４万時間を１０年間で均等に消費しようとすれば、１年あたりの運転時間は４千時間（４万時間÷１０年）となり、１日あたりの運転時間は約１１時間（＝４千時間÷３６５日）となる。したがって、基本運転時間は１１時間となる。

これより、図１５に示すように１日目である５月１７日の運転可能時間は１１時間が設定される。そして、５月１７日の実運転時間が３時間であれば、２日目（５月１８日）時点での余り時間は８時間（＝（前回までの基本運転時間１１時間）−（前回までの実運転時間３時間））となる。さらに、２日目（５月１８日）の電力負荷予測値は８．３ｋＷｈ、熱負荷予測値は１１ｋＷｈである。以下加算時間を算出する方法を説明するが、下記の算出方法に限定されるものではない。

本実施の形態では、燃料電池システム１０４の最大出力電力を０．７５ｋＷとし、最大熱出力を１ｋＷとして考える。例えば、２日目（５月１８日）の電力負荷予測値は８．３ｋＷｈであるため、電力負荷を供給するには、最小運転可能時間（電力計算）＝８．３ｋＷｈ÷０．７５ｋＷ＝１１時間になる。また、２日目（５月１８日）の熱負荷予測値は１１ｋＷｈであるため、熱負荷を供給するには、最小運転可能時間概算値（熱計算）＝１１ｋＷｈ÷１ｋＷ＝１１時間になる。さらに、燃料電池システム１０４が需要以上の電力負荷と熱負荷を供給しても家庭が消費できない、経済的の無駄を避けるため、最小運転可能時間（電力計算）（１１時間）と最小運転可能時間（熱計算）（１１時間）を比較し、より短かった時間（１１時間）を最小運転可能時間として抽出する。したがって、２日目（５月１８日）の加算時間は０時間（＝最小運転可能時間１１時間−基本運転時間１１時間）となる。

その結果、２日目（５月１８日）の運転可能時間は１１時間（＝基本運転時間１１時間＋０時間）と設定される。そして、５月１８日の実運転時間が１１時間であれば、３日目（５月１９日）時点での余り時間は８時間（＝（前回までの基本運転時間２２時間）−（前回までの実運転時間１４時間））となる。さらに、３日目（５月１９日）の電力負荷予測値は１４．３ｋＷｈ、熱負荷予測値は１９ｋＷｈである。以下３日目（５月１９日）の加算時間を算出する方法を説明する。

３日目（５月１９日）の電力負荷予測値は１４．３ｋＷｈであるため、電力負荷を供給するには、最小運転可能時間（電力計算）＝１４．３ｋＷｈ÷０．７５ｋＷ＝１９時間になる。また、３日目（５月１９日）の熱負荷予測値は１９ｋＷｈであるため、熱負荷を供給するには、最小運転可能時間概算値（熱計算）＝１９ｋＷｈ÷１ｋＷ＝１９時間になる。さらに、燃料電池システム１０４が需要以上の電力負荷と熱負荷を供給しても家庭が消費できない、経済的の無駄を避けるため、最小運転可能時間（電力計算）（１９時間）と最小運転可能時間（熱計算）（１９時間）を比較し、より短かった時間（１９時間）を最
小運転可能時間として抽出する。したがって、３日目（５月１９日）の加算時間は８時間（＝最小運転可能時間１９時間−基本運転時間１１時間）となる。

その結果、３日目（５月１９日）の運転可能時間は１９時間（＝基本運転時間１１時間＋８時間）と設定される。そして、５月１９日の実運転時間が１９時間であれば、４日目（５月２０日）時点での余り時間は０時間（＝（前回までの基本運転時間３３時間）−（前回までの実運転時間３３時間））となり、余り時間はすべて消費されたため、これ以降の運転可能時間を常に基本運転時間に設定し、実運転時間も運転可能時間まで常に行われたとする。

また、図１７と図１８は、実運転時間が運転可能時間を超えた場合を示した設定事例６である。図１７に示すように１日目である５月１７日の運転可能時間は１１時間が設定される。そして、５月１７日数多くの来客が家庭に集まり、電力需要と熱需要が高まるため、燃料電池システムは家庭の電力と熱供給源として、実運転時間が１９時間であれば、２日目（５月１８日）時点での不足時間は８時間（＝（前回までの実運転時間１９時間）−（前回までの基本運転時間１１時間））となる。さらに、２日目（５月１８日）の電力負荷予測値は８．３ｋＷｈ、熱負荷予測値は１１ｋＷｈである。以下加算時間を算出する方法を説明する。

２日目（５月１８日）の電力負荷予測値は８．３ｋＷｈであるため、電力負荷を供給するには、最小運転可能時間（電力計算）＝８．３ｋＷｈ÷０．７５ｋＷ＝１１時間になる。また、２日目（５月１８日）の熱負荷予測値は１１ｋＷｈであるため、熱負荷を供給するには、最小運転可能時間概算値（熱計算）＝１１ｋＷｈ÷１ｋＷ＝１１時間になる。さらに、燃料電池システム１０４が需要以上の電力負荷と熱負荷を供給しても家庭が消費できない、経済的の無駄を避けるため、最小運転可能時間（電力計算）（１１時間）と最小運転可能時間（熱計算）（１１時間）を比較し、より短かった時間（１１時間）を最小運転可能時間として抽出する。したがって、２日目（５月１８日）の減算時間は０時間（＝基本運転時間１１時間−最小運転可能時間１１時間）となる。

その結果、２日目（５月１８日）の運転可能時間は１１時間（＝基本運転時間１１時間−０時間）と設定される。そして、５月１８日の実運転時間が１１時間であれば、３日目（５月１９日）時点での不足時間は８時間（＝（前回までの実運転時間３０時間）−（前回までの基本運転時間２２時間））となる。さらに、３日目（５月１９日）の電力負荷予測値は２．３ｋＷｈ、熱負荷予測値は３ｋＷｈである。以下３日目（５月１９日）の加算時間を算出する方法を説明する。

３日目（５月１９日）の電力負荷予測値は２．３ｋＷｈであるため、電力負荷を供給するには、最小運転可能時間（電力計算）＝２．３ｋＷｈ÷０．７５ｋＷ＝３時間になる。また、３日目（５月１９日）の熱負荷予測値は３ｋＷｈであるため、熱負荷を供給するには、最小運転可能時間概算値（熱計算）＝３ｋＷｈ÷１ｋＷ＝３時間になる。さらに、燃料電池システム１０４が需要以上の電力負荷と熱負荷を供給しても家庭が消費できない、経済的の無駄を避けるため、最小運転可能時間（電力計算）（３時間）と最小運転可能時間（熱計算）（３時間）を比較し、より短かった時間（３時間）を最小運転可能時間として抽出する。したがって、３日目（５月１９日）の減算時間は８時間（＝基本運転時間１１時間−最小運転可能時間３時間）となる。

その結果、３日目（５月１９日）の運転可能時間は３時間（＝基本運転時間１１時間−８時間）と設定される。そして、５月１９日の実運転時間が３時間であれば、４日目（５月２０日）時点での不足時間は０時間（＝（前回までの実運転時間３３時間）−（前回までの基本運転時間３３時間））となり。不足時間はすべて返済されたため、これ以降の運
転可能時間を常に基本運転時間に設定し、実運転時間も運転可能時間まで常に行われたとする。

以上のように、本実施の形態によれば、燃料電池システム１０４の耐用運転時間４万時間より決定される１日あたりの基本運転時間に対して、実運転時間が基本運転時間より短かった場合には、その基本運転時間の累計から実運転時間の累計を差し引いた余り時間を翌日以降の電力・熱負荷の多いと予測される日に消費させる。その結果、推奨使用期間（製品寿命）１０年を確保しつつ、電力・熱負荷の多い日により長い時間で運転でき、より多くの給湯および電力需要を燃料電池システムで生成した熱および電力でまかなうことができる。

また、燃料電池システム１０４の耐用運転時間４万時間より決定される１日あたりの基本運転時間に対して、実運転時間が基本運転時間より長かった場合には、その実運転時間の累計から基本運転時間の累計を差し引いた不足時間を翌日以降の電力・熱負荷の少ないと予測される日から返済させる。その結果、電力および熱の消費量が小さいと予想される日に発電時間を短縮することで、推奨使用期間（製品寿命）１０年を確保しつつ、燃料電池システムの経済性と環境性を考慮し、最大限に発揮することができる。

以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、基本運転時間よりも運転時間が長い日があっても、所定の期間で耐用運転時間を使い切るように運転時間を制御する。その際に、製品寿命を確保し、更に製品の耐用運転時間を有効に使用することができる。そのため、本発明の燃料電池システムは、燃料電池の分野・用途に好適に適用することができる。

１０１ 商用交流
１０２ 分電盤
１０３ 家庭内負荷
１０４ 燃料電池システム
１０５ インバータ
１０６ スタック
１０７ 送風機
１０８ 廃熱回収部
１０９ 水素生成器
１１０ アクチュエータ
１１１ センサ
１１２ 貯湯槽
１１３ 制御部
１１４ 運転時間設定部
１１５ 電力検知部
１１６ 熱量検知部
１１７ 記憶部
１１８ 需要予測部

Claims (5)

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外部負荷へ供給する燃料電池ユニットと、該燃料電池ユニットの動作を制御する制御部と、を備え、
   該制御部は、
   前記燃料電池ユニットの耐用運転時間に基づき、該燃料電池ユニットに設定された使用保証期間より短い単位期間毎に、該燃料電池ユニットの許容運転時間を設定し、
   前記燃料電池ユニットの前記単位期間あたりの実運転時間が、該単位期間に対して設定された前記許容運転時間以下となるように、前記燃料電池ユニットを運転させ、
   前記許容運転時間を超えて前記燃料電池ユニットを運転する特殊運転モードを実行し、
   前記耐用運転時間及び前記使用保証期間に基づいて設定された前記単位期間毎の許容運転時間の基準値と前記単位期間毎の実運転時間とについて、過去の全単位期間にわたる累計値を夫々算出し、前記特殊運転モードを実行したことにより各累計値の差が負になって超過運転時間が発生した場合には、前記超過運転時間の少なくとも一部を次回の単位期間における前記許容運転時間から減算して設定し、
   設定後の前記許容運転時間が、予め規定された前記燃料電池ユニットの起動から停止まで継続して運転する最小発電時間よりも短い場合には、前記許容運転時間を０とする、
   燃料電池システム。
2. 前記特殊運転モードは、前記燃料電池システムをメンテナンスする際に実行されるメンテナンス運転モード、商用電源が停電している際に実行される自立運転モード、及び、ユーザーにより前記許容運転時間を越えて運転するように設定される超過運転モードのうちの少なくとも一つの運転モードを含んでいるように構成されている、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御部は、前記超過運転時間を分割して、次回の単位期間における前記許容運転時間から減算して設定する、
   請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池システムが備えられている需要家の電力および熱のうちの少なくとも一方の消費量を検知する負荷検知器をさらに備え、
   前記制御部は、前記負荷検知器が検知した情報に基づいて前記消費量が小さいと予想される前記単位期間の許容運転時間から、前記超過運転時間の少なくとも一部を減算して設定する、
   請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御部は、前記超過運転時間が無くなるまでは前記燃料電池ユニットを動作させないように設定する、
   請求項１又は２に記載の燃料電池システム。