JP6507238B2 - 電力制御装置、燃料電池システム及び燃料ガス使用量算出方法 - Google Patents

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関連出願へのクロスリファレンス

本出願は、日本国特許出願２０１５−１０７８６６号（２０１５年５月２７日出願）の優先権を主張するものであり、当該出願の開示全体を、ここに参照のために取り込む。

本発明は、電力制御装置、燃料電池システム及び燃料ガス使用量算出方法に関する。

従来、燃料電池で燃料ガスを利用して電力及び熱を発生させ、発生した熱で水道水を加熱した温水を貯湯槽に貯蔵し、風呂などに供給する構成が知られている（例えば、特許文献１）。例えば、集合住宅に設置される燃料電池で使用した燃料ガスのコストを集合住宅の各戸で公平に負担してもらうためには、燃料電池で発電及び湯沸かしそれぞれに使用した燃料ガスの使用量を切り分けることが求められている。

特開２００２−３６７６１９号公報

本開示の一実施形態に係る電力制御装置は、燃料ガスを使用して発電及び湯沸かしを行い、複数の需要家施設に電力及び湯を供給する燃料電池を制御する制御部を備える。前記制御部は、前記燃料電池で使用した前記燃料ガスの使用量を取得する。前記制御部は、前記複数の需要家施設に供給した湯量、及び、前記燃料電池で発電された電力量との少なくとも一方を取得する。前記制御部は、前記燃料ガスの使用量と、前記複数の需要家施設に供給した湯量、及び、前記燃料電池で発電された電力量の少なくとも一方とに基づき、前記燃料電池における湯沸かし用ガス使用量及び発電用ガス使用量の少なくとも一方を算出する。

本開示の一実施形態に係る燃料電池システムは、燃料ガスを使用して発電及び湯沸かしを行い、複数の需要家施設に電力及び湯を供給する燃料電池を備える。前記燃料電池システムは、前記燃料電池を制御する制御部を有する電力制御装置を備える。前記制御部は、前記燃料電池で使用した前記燃料ガスの使用量を取得する。前記制御部は、前記複数の需要家施設に供給した湯量、及び、前記燃料電池で発電された電力量との少なくとも一方を取得する。前記制御部は、前記燃料ガスの使用量と、前記複数の需要家施設に供給した湯量、及び、前記燃料電池で発電された電力量の少なくとも一方とに基づき、前記燃料電池における湯沸かし用ガス使用量及び発電用ガス使用量の少なくとも一方を算出する。

本開示の一実施形態に係る燃料ガス使用量算出方法は、燃料ガスを使用して発電及び湯沸かしを行い、複数の需要家施設に電力及び湯を供給する燃料電池で使用した前記燃料ガスの使用量を取得するステップを含む。前記燃料ガス使用量算出方法は、前記複数の需要家施設に供給した湯量、及び、前記燃料電池で発電された電力量との少なくとも一方を取得するステップを含む。前記燃料ガス使用量算出方法は、前記燃料ガスの使用量と、前記複数の需要家施設に供給した湯量、及び、前記燃料電池で発電された電力量の少なくとも一方とに基づき、前記燃料電池における湯沸かし用ガス使用量及び発電用ガス使用量の少なくとも一方を算出するステップを含む。

実施形態１に係る燃料電池システムの構成図である。 燃料ガス使用量算出方法を示すフローチャートである。 発電用ガス使用量を算出する方法を示すフローチャートである。 湯沸かし用ガス使用量を算出する方法を示すフローチャートである。 燃料電池発電量から湯沸かし用ガス使用量を算出する方法を示すフローチャートである。 燃料電池発電量と発電効率との関係を示すテーブルの一例である。

燃料電池は、発電及び湯沸かしを同時に行う。一方で燃料電池は、発電及び湯沸かしそれぞれに使用した燃料ガスの使用量を直接計測することができない。燃料電池を集合住宅に設置して、集合住宅の各戸に電力と湯を供給するようなシステムを考えた場合、集合住宅の各戸が消費した電力及び湯の量に応じてガス料金を計算することは容易ではない。集合住宅は、例えば１０戸以下程度の小・中規模集合住宅である。集合住宅の各戸における、ガス、電気及び水道の消費量は、それぞれ異なる。燃料電池で使用した燃料ガスのコストを各戸で公平に負担してもらうためには、燃料電池で使用した燃料ガスの使用量を、発電及び湯沸かしそれぞれの使用量として切り分けることが求められる。

本開示の燃料ガス使用量算出方法、燃料電池システム及び電力制御装置によれば、燃料電池の燃料ガスの使用量を発電及び湯沸かしそれぞれに使用した量に切り分けて、公平なコスト負担を実現することができる。以下、本開示の燃料ガス使用量算出方法、燃料電池システム及び電力制御装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施形態１）
図１に示されるように、燃料電池システム１は、電力制御装置１０と燃料電池２１と貯湯槽２２とバックアップボイラ２３とを備える。

燃料電池システム１は、複数の需要家施設４に電力線及び湯を供給する配管によって接続される。燃料電池システム１は、燃料電池２１が発電した電力と、燃料電池２１で沸かされて貯湯槽２２に貯えられた湯とを複数の需要家施設４に供給する。複数の需要家施設４は、第１需要家施設４−１、・・・、及び、第ｎ需要家施設４−ｎの集合である（ｎは２以上の自然数）。需要家施設４は、例えば集合住宅の各戸であるがこれに限られず、一戸建て住宅や二世帯住宅のような形態であってもよい。需要家施設４−１〜ｎそれぞれを有する各需要家は、燃料電池システム１の管理者と契約を結び、契約内容に応じて燃料電池システム１のランニングコストを負担してもよい。以下、需要家施設４−１〜ｎを区別する必要がない場合は、需要家施設４と表す。需要家施設４−１〜ｎそれぞれを有する各需要家のことを、需要家施設４の各戸、又は単に、各戸ともいう。

図１において、燃料電池システム１と需要家施設４とを結ぶ実線は、電力を供給する電力線を示す。燃料電池システム１と需要家施設４とは分電盤３２を介して電力線で接続され、需要家施設４は燃料電池システム１から電力供給を受けることができる。分電盤３２には商用電力系統３１も接続され、需要家施設４は商用電力系統３１からも電力供給を受けることができる。商用電力系統３１は、電力網ともいう。電力線の途中には、電力メータ５（５ａ、５ｂ−１〜ｎ、５ｃ）が接続されている。電力メータ５は、電力線を流れる電力量を測定することができる。

図１において、白抜き矢印及び黒実矢印は、それぞれ水及び湯が流れる配管を示す。斜線入り矢印は、燃料ガス（以下、単にガスともいう）が流れる配管を示す。水及び湯が流れる配管の途中には、流量計８（８ａ、８ｂ−１〜ｎ）及び熱量計６（６ａ、６ｂ−１〜ｎ）が接続される。ガスが流れる配管の途中には、ガスメータ７（７ａ、７ｂ）が接続される。需要家施設４には水道及びガスが直接供給される配管も接続されてよい。

図１において、電力制御装置１０の制御部１１と、燃料電池２１、電力メータ５、熱量計６、ガスメータ７及び流量計８とを結ぶ破線は、通信線を示す。制御部１１は、通信線を通じて各計測機器からデータを取得する。制御部１１は、通信線を通じて燃料電池２１を制御する。制御部１１は、各計測機器から取得したデータ及び燃料電池２１の制御結果に基づいて、燃料電池システム１における燃料ガスの使用量を算出する。通信線によるデータ通信は、有線の通信に限られず、無線での通信であってもよい。電力制御装置１０はネットワークを介して各計測機器に接続されてもよい。制御部１１は、ＣＰＵやプロセッサなどであってもよい。

燃料電池２１は、供給された燃料ガスを利用して発電し、熱を発生させる。本実施形態において、燃料電池２１は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）であるものとするが、これに限られない。燃料電池２１は、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）やリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）等であってもよい。

燃料電池２１は、改質器等によって、外部から供給された燃料ガスを水素が多く含まれる燃料ガスに改質する。燃料電池２１は、外部から供給された空気に含まれる酸素と燃料ガス中の水素とを反応させ、電力、熱エネルギー及び水蒸気を生成する。熱エネルギーは、後述する熱交換器２１１によって湯沸かしに用いられる。水蒸気は、復水器によってそのまま温水となる。つまり燃料電池２１は、発電及び湯沸かしを同時に行う。燃料ガスは、例えば都市ガスやプロパンガスであるが、これらに限られない。燃料ガスは、水素ガス等であってもよい。

［燃料電池システムからの湯供給］
熱交換器２１１は、燃料電池２１に接続される。熱交換器２１１と燃料電池２１の発熱部との間に伝熱性があることにより、燃料電池２１で発生した熱が伝えられる。熱交換器２１１は、貯湯槽２２と水配管で接続される。熱交換器２１１は、図１において白抜き矢印により示される、貯湯槽２２から送出された水に対して、燃料電池２１から伝えられた熱を与えて加熱する。熱交換器２１１は、図１において黒実矢印により示される、沸かされた湯を貯湯槽２２に還流する。熱交換器２１１から貯湯槽２２に湯を還流する配管には熱量計６ａが挿入されてもよい。熱量計６ａは、熱交換器２１１から湯に与えられる熱量を測定する。

熱量計６は、熱量計６を通過して流れる流体の流量と温度とを測定して、通過した流体の熱量を算出する。熱量計６と直列に接続された熱負荷が流体に与える熱量は、熱負荷に入る前の流体と熱負荷から出てきた流体との間の温度差と、熱負荷に流れる流体の流量との積である。本実施形態においては、熱交換器２１１が熱負荷となる。熱量計６ａは、貯湯槽２２から熱交換器２１１に送出される水の温度と、熱交換器２１１から貯湯槽２２に還流される湯の温度とをそれぞれ測定する。熱量計６ａは、熱交換器２１１から貯湯槽２２に還流される湯の流量を測定する。熱量計６ａは、熱交換器２１１に送出される水と熱交換器２１１から還流される湯との間の温度差と、熱交換器２１１から還流される湯の流量との積を計算して、熱交換器２１１から湯に与えられた熱量を算出する。図１において、燃料電池システム１から需要家施設４に向けて湯が流れる配管の途中には、流量計８ｂ及び熱量計６ｂが接続されている。配管には、流量計８ｂが接続されなくてもよい。熱量計６ｂが流量計８ｂの機能を兼ねてもよい。

貯湯槽２２は、水道から水が注入される。貯湯槽２２は、熱交換器２１１に水を送出する。貯湯槽２２は、熱交換器２１１から還流される湯を貯える。貯湯槽２２は、燃料電池２１で生成された水蒸気を復水器で温水にしたものも還流してよい。貯湯槽２２には、燃料電池２１で発生した熱が湯として蓄積される。貯湯槽２２は、成層式蓄熱構造であってもよい。成層式蓄熱構造においては、槽下部に注入された水が貯えられ、槽上部に湯が貯えられる。この場合、槽上部の湯と槽下部の水との間には温度成層境界面が形成されているため、湯と水とは混合しにくくなっている。貯湯槽２２は温度計２２１を備えてもよい。温度計２２１は、貯湯槽２２の所定の高さにおける湯又は水の温度を測定する。貯湯槽２２の内部で湯と水とが分かれている場合、貯湯槽２２の所定の高さの温度を測定することによって、貯湯槽２２に貯えられた湯量を測定することができる。貯湯槽２２に水を注入する配管には流量計８ａが設けられてもよい。流量計８ａは、貯湯槽２２への水の注入量を計測する。

バックアップボイラ２３は、貯湯槽２２から需要家施設４に湯を供給する配管に接続される。バックアップボイラ２３は、貯湯槽２２から需要家施設４に湯を供給する際にガスを燃焼させることによって湯沸かしを行う。通常は貯湯槽２２に貯えられている湯量の範囲内で需要家施設４に湯が供給される。貯湯槽２２に貯えられている湯量が需要家施設４から要求される湯量を上回る場合、バックアップボイラ２３が湯沸かしを行うことはない。貯湯槽２２に貯えられている湯量が需要家施設４から要求される湯量を下回った場合、需要家施設４に供給する湯量を確保するために、バックアップボイラ２３は、追い炊きを行う。

貯湯槽２２から需要家施設４−１〜ｎに湯を供給する配管には、それぞれ流量計８ｂ−１〜ｎ（流量計８ｂ）が設けられる。流量計８ｂは、需要家施設４の各戸に供給される湯量を計測する。該配管にはそれぞれ熱量計６ｂ−１〜ｎ（熱量計６ｂ）が設けられてもよい。熱量計６ｂは、需要家施設４に供給される湯の熱量を計測する。

貯湯槽２２から需要家施設４に供給される湯は、所定の温度とされる。所定の温度は、例えば９０℃や６０℃である。需要家施設４では所定の温度の湯の供給を受けると、水と混合して、実際に使用する温度にする。実際に使用する温度は、例えば４０℃である。以下、需要家施設４に供給される湯量は、所定の温度の湯の供給量を示すものとする。

［燃料電池システムからの電力供給］
燃料電池２１は、電力メータ５ａを介して分電盤３２に接続される。分電盤３２には、電力メータ５ｃを介して商用電力系統３１が接続される。分電盤３２には、需要家施設４が接続される。分電盤３２と需要家施設４−１〜ｎとの間には、それぞれ電力メータ５ｂ−１〜ｎが接続される。

燃料電池２１で発電した電力、又は、商用電力系統３１の電力（以下、系統電力ともいう）は、分電盤３２を介して接続された需要家施設４の電力負荷に供給される。つまり、需要家施設４は、燃料電池２１及び商用電力系統３１のいずれからも電力の供給を受けることができる。

［燃料電池システムにおける燃料ガスの使用量］
上述の通り、燃料電池２１は、外部から供給された燃料ガスを利用して発電し、外部から供給された水を加熱して湯沸かしを行う。バックアップボイラ２３は、需要家施設４に湯を供給する際に必要があればガスを燃焼して湯沸かしを行う。したがって、燃料電池２１で使用される燃料ガスの量とバックアップボイラ２３で燃焼される燃料ガスの量とを合わせた量が、燃料電池システム１における燃料ガスの使用量となる。

燃料電池システム１における燃料ガスの使用量に係るガス料金は、燃料電池システム１から電力及び湯の供給を受ける需要家施設４の各戸が負担する。需要家施設４の各戸において消費する電力量及び湯量は異なる。よって、各戸において消費する電力量及び湯量に応じて各戸における燃料ガスの使用量を算出して、各戸に負担させるガス料金を算出する必要がある。

［需要家施設における燃料ガスの使用量の算出］
本実施形態においては、電力制御装置１０の制御部１１が、燃料電池２１を制御し、需要家施設４における燃料ガスの使用量を算出する。以下、図２を参照して、本実施形態に係る使用量算出方法について説明する。まず、電力制御装置１０の制御部１１は、燃料電池２１で使用した燃料ガスの使用量である燃料電池ガス使用量ａ_ＦＣをガスメータ７ａから取得する（ステップＳ１１）。

続いて制御部１１は、燃料電池システム１から需要家施設４の各戸（需要家施設４−１〜ｎ）に供給され、各戸で消費された湯量（以下、消費湯量ともいう）Ｖ_１〜Ｖ_ｎを、流量計８ｂから取得する（ステップＳ１２）。

続いて制御部１１は、燃料電池ガス使用量ａ_ＦＣに基づき、燃料電池２１で湯沸かしのために用いられた熱量に相当するガスの量（以下、湯沸かし用ガス使用量ａ_ｑともいう）を算出する（ステップＳ１３）。ステップＳ１３では、燃料電池ガス使用量ａ_ＦＣを湯沸かし用ガス使用量ａ_ｑと燃料電池１２で発電のために使用したガスの量（以下、発電用ガス使用量ａ_ｗともいう）とに切り分けている。

ステップＳ１３では、例えば、燃料電池２１で発電した電力と系統電力とを区別しないことによって、発電用ガス使用量を算出し、湯沸かし用ガス使用量と発電用ガス使用量とを切り分けてもよい。制御部１１は燃料電池２１で発電した電力量（以下、燃料電池発電量Ｗ_ＦＣともいう）を図１の電力メータ５ａから取得し、燃料電池発電量Ｗ_ＦＣと系統電力の電力単価とに基づいて算出される電気料金を発電コストとしてもよい。制御部１１は、発電コストと等しいガス料金に相当するガスの量を発電用ガス使用量ａ_ｗとして算出してもよい。制御部１１は、燃料電池ガス使用量ａ_ＦＣから発電用ガス使用量ａ_ｗを差し引いて湯沸かし用ガス使用量ａ_ｑを算出してもよい。制御部１１は、燃料電池ガス使用量に相当するガス料金から発電コストを差し引いた金額を湯沸かしコストとして算出してもよい。

ステップＳ１３では、制御部１１は、他の方法で湯沸かし用ガス使用量ａ_ｑを算出してもよい。例えば、制御部１１は、燃料電池ガス使用量ａ_ＦＣに所定の係数を乗じることにより、湯沸かし用ガス使用量ａ_ｑを算出してもよい。

続いて制御部１１は、需要家施設４の各戸の消費湯量に応じて、湯沸かし用ガス使用量ａ_ｑを各戸に振り分ける（ステップＳ１４）。例えば制御部１１は、各戸の消費湯量Ｖ_１〜Ｖ_ｎの比率通りに、湯沸かし用ガス使用量ａ_ｑを各戸に振り分けることができる。需要家施設４の各戸は、振り分けられた湯沸かし用ガス使用量ａ_ｑに応じたガス料金を負担する。

需要家施設４の各戸に湯を供給する際にバックアップボイラ２３で追い炊きが行われた場合、制御部１１は、バックアップボイラ２３で使用されたガスの量（以下、バックアップボイラガス使用量ａ_ＢＢともいう）も各戸に振り分ける。需要家施設４の各戸に供給された湯に係る水道料金は、各戸の消費湯量Ｖ_１〜Ｖ_ｎに相当する体積の水道料金として算出される。

需要家施設４の各戸の電気料金は、各戸の消費電力量に応じて算出される。制御部１１は、需要家施設４の各戸に供給された電力を、燃料電池２１で発電した電力と系統電力とに切り分けて、それぞれについて電気料金を算出してもよい。制御部１１は、需要家施設４の各戸に供給された全ての電力を系統電力とみなして電気料金を算出してもよい。

燃料電池システム１の運転によって損失となるエネルギーもある。損失に係るコストは、各戸に振り分けられる電気料金及びガス料金の和と、商用電力系統３１を供給する電力会社に支払うべき電気料金及びガス会社に支払うべきガス料金の和との間の差として表れることがある。損失に係るコストは、例えば、各戸で等分してもよいし、各戸のガス使用量の比率に応じて各戸に振り分けられてもよい。

上述のように、需要家施設４の各戸は振り分けられた湯沸かし用ガス使用量ａ_ｑに応じたガス料金を負担する。ガス料金の課金方法をより簡単にするために、ガス料金は、湯の使用料金に含まれるようにしてもよい。この場合、単位体積当たりの湯に使用料金が定められ、各戸に供給された湯量に応じた湯の使用料金として各戸から徴収されてもよい。各戸に供給された湯量は、図１の流量計８ｂにより計測されうる。ガス料金が湯の使用料金に含まれるようにした場合、単位体積当たりの湯の使用料金を水の温度に応じて変動させるようにしてもよい。このようにすることで、季節要因などによって貯湯槽２２に注入される水の温度が変動することによる単位体積当たりの湯沸かし用ガス使用量の変動が吸収されうる。より簡単には、例えば冬季（寒候期）及び夏季（暖候期）のように期間を定めて、単位体積当たりの湯の使用料金を異ならせるようにしてもよい。

需要家施設４の各戸に振り分けられたガス料金は、ガス会社によって直接徴収されてもよい。ガス料金は、燃料電池システム１を管理する中間業者によって徴収され、中間業者からガス会社に支払われてもよい。需要家施設４の各戸に湯の使用料金を課金する形態をとる場合は、中間業者が湯の使用料金を徴収してもよい。この場合、中間業者は、徴収した湯の使用料金のうちガス料金に相当する金額をガス会社に支払う。このようにすることで、燃料電池システム１を管理する中間業者が柔軟な料金設定をすることができる。

需要家施設４の各戸の消費電力に係る電気料金についても、ガス料金と同様に、電力会社によって直接徴収されてもよい。電気料金は、燃料電池システム１を管理する中間業者によって徴収され、中間業者から電力会社に支払われてもよい。水道料金についても同様である。

以上、需要家施設４における燃料ガスの使用量の算出について説明した。本実施形態に係る使用量算出方法によれば、燃料ガスの使用量が各戸に適切に振り分けられて、各戸の使用量が算出されうる。本実施形態に係る使用量算出方法によれば、バックアップボイラ２３で使用された燃料ガスも含めて、各戸の使用量が算出されうる。本実施形態に係る使用量算出方法によれば、湯沸かしを行うタイミングと、沸かされた湯を実際に供給するタイミングとが異なる場合でも、燃料ガスの使用量が適切に算出されうる。

（実施形態２）
実施形態２では、燃料ガスの使用量を各戸に振り分けて算出するための別の方法を説明する。実施形態２に係る方法では、需要家施設４の各戸が負担するコストを算出するために、図１の熱交換器２１１と貯湯槽２２との間に接続された熱量計６ａで測定した、熱交換器２１１から貯湯槽２２に還流される湯の熱量を用いる。

本実施形態において、燃料電池２１に供給される燃料ガスの一部は、発電に使用される。燃料ガスの他の一部は、湯沸かしに使用される。燃料電池２１において、燃料ガスはエネルギーに変換されるともいえる。この場合、燃料ガスの一部が電力に変換され、燃料ガスの一部が湯の熱量に変換されるともいえる。

熱量計６ａは、熱交換器２１１から湯に与えられる熱量を測定することができる。湯に与えられる熱量は、燃料電池２１が発電するに際して発生する熱量の一部である。燃料電池２１から熱交換器２１１へ熱が伝わるのには時間がかかる。本実施形態においては、熱量計６ａで測定された熱量は、その測定と同時に電力メータ５ａで測定された燃料電池２１により発電された電力に対応するものとして取り扱う。このように取り扱うことで、燃料電池２１から供給される電力エネルギーと熱エネルギーの比率が計算されうる。燃料電池２１で使用されたガスのうち、発電に使用されたガスと湯沸かしに使用されたガスとが切り分けられ、発電用ガス使用量と湯沸かし用ガス使用量とがそれぞれ算出されうる。

湯沸かし用ガス使用量は、電力メータ５ａで測定された電力（単位：Ｗ）と、熱量計６ａで測定された単位時間当たりの熱量（単位：Ｊ／ｓｅｃ＝Ｗ）との比率に基づいて、燃料電池２１に供給されたガスの量を切り分けることにより算出されてもよい。湯沸かし用ガス使用量は、電力メータ５ａの測定値と熱量計６ａの測定値との関係を示すテーブルから算出されてもよい。この場合、湯沸かし用ガス使用量の算出がより容易になる。燃料電池システム１全体に係る湯沸かし用ガス使用量は、燃料電池２１における湯沸かし用ガス使用量に、バックアップボイラ２３で使用したガスの量を加えて算出される。

以下、図３を参照して、発電用ガス使用量ａ_ｗを算出して、そのコストを各戸に振り分ける方法を説明する。まず、電力制御装置１０の制御部１１は、ガスメータ７ａから燃料電池２１で使用される燃料電池ガス使用量ａ_ＦＣを取得する。制御部１１は、電力メータ５ａから燃料電池２１で発電される燃料電池発電量Ｗ_ＦＣを取得する。制御部１１は、熱量計６ａから燃料電池２１から熱交換器２１１に伝わって貯湯槽２２へ還流する湯に与えられた熱量である燃料電池加熱量ｑ_ＦＣを取得する（ステップＳ２１）。

続いて制御部１１は、発電用ガス使用量ａ_ｗを以下の式（１）を用いて算出する（ステップＳ２２）。

式（１）は、燃料電池ガス使用量ａＦＣを燃料電池２１から供給される電力エネルギーと熱エネルギーとで比例配分して、発電用ガス使用量ａｗを算出していることを示している。

続いて制御部１１は、算出された発電用ガス使用量ａ_ｗを、各戸の消費電力に応じて、各戸に振り分ける（ステップＳ２３）。制御部１１は、各戸の消費電力の比率通りに、各戸に発電用ガス使用量ａ_ｗを振り分ける。振り分ける方法は、これに限られない。制御部１１は、各戸が電力会社又は燃料電池システム１を管理する中間業者と交わした契約に応じて、発電用ガス使用量ａ_ｗを各戸に振り分けてもよい。

以下、図４を参照して、湯沸かし用ガス使用量ａ_ｑを算出して、そのコストを各戸に振り分ける方法を説明する。まず、電力制御装置１０の制御部１１は、ガスメータ７ｂからバックアップボイラ２３で使用されるバックアップボイラガス使用量ａ_ＢＢを取得する。制御部１１は、図３のステップＳ２１と同様に、燃料電池ガス使用量ａ_ＦＣ、燃料電池発電量Ｗ_ＦＣ、及び燃料電池加熱量ｑ_ＦＣを取得する。（ステップＳ３１）。

続いて制御部１１は、湯沸かし用ガス使用量ａ_ｑを以下の式（２）を用いて算出する（ステップＳ３２）。

式（２）は、燃料電池ガス使用量ａ_ＦＣを燃料電池２１から供給される電力エネルギーと熱エネルギーとで比例配分して、湯沸かし用ガス使用量ａ_ｑを算出していることを示している。式（２）の計算に用いる値は、全てリアルタイムで測定されうる値である。よって、本実施形態に係る、式（２）を用いる方法によれば、湯沸かし用ガス使用量ａ_ｑがリアルタイムで算出されうる。

続いて制御部１１は、バックアップボイラ２３により湯に与えられるバックアップボイラ加熱量ｑ_ＢＢを以下の式（３）を用いて算出する（ステップＳ３３）。

式（３）において、ｅ_ＢＢは、バックアップボイラ２３の熱変換効率である。ｅ_ＢＢは、単位体積当たりのガスによってバックアップボイラ２３が湯に与えることができる熱量である。

続いて制御部１１は、貯湯槽２２内部に蓄えられた貯湯槽熱量Ｑ_{ｔｏｔａｌ}を以下の式（４）（５）を用いて算出する（ステップＳ３４）。

式（５）で表されるｑ_ｏｕｔは、各戸に供給される湯の熱量ｑ_１〜ｑ_ｎの和である。式（４）の右辺第１項は、貯湯槽２２に入る熱量である燃料電池加熱量ｑ_ＦＣと、各戸に供給されて貯湯槽２２から出ていく熱量ｑ_ｏｕｔとの差を一定期間積算したものである。式（４）の右辺第２項は、貯湯槽２２の湯に追い炊きで与えられるバックアップボイラ加熱量ｑ_ＢＢである。貯湯槽熱量Ｑ_{ｔｏｔａｌ}は時間ｔの関数である。各戸に供給される湯の熱量ｑ_１〜ｑ_ｎは、例えば、図１の熱量計６ｂ−１〜ｎで測定されるがこれに限られず、流量計８ｂ−１〜ｎで測定される流量と、温度計２２１で測定される湯の温度とから算出されうる。

続いて制御部１１は、貯湯槽熱量Ｑ_{ｔｏｔａｌ}の蓄熱に使用された貯湯槽加熱用ガス使用量Ａ_{ｔｏｔａｌ}を以下の式（６）（７）を用いて算出する（ステップＳ３５）。

式（７）で表されるａ_ｏｕｔは、各戸に供給される湯の熱量ｑ_１〜ｑ_ｎをそれぞれ湯に与えるのに要したガスの使用量ａ_１〜ａ_ｎの和であり、式（５）の各項に対応している。式（６）は、式（４）の各項に対応している。式（６）のガス使用量Ａ_{ｔｏｔａｌ}は、式（４）の貯湯槽熱量Ｑ_{ｔｏｔａｌ}に対応している。以下、ａ_ｑ、ａ_ｏｕｔ、ａ_ＢＢはそれぞれ、ｑ_ＦＣ、ｑ_ｏｕｔ、ｑ_ＢＢに対応している。Ａ_{ｔｏｔａｌ}も時間ｔの関数である。

続いて制御部１１は、貯湯槽２２から出ていく熱量ｑ_ｏｕｔに相当するガス使用量ａ_ｏｕｔを以下の式（８）を用いて算出する（ステップＳ３６）。

式（８）のＡ_{ｔｏｔａｌ}／Ｑ_{ｔｏｔａｌ}は、貯湯槽２２内に蓄えられた単位熱量当たりに必要とされたガス使用量を表している。式（８）は、この値とｑ_ｏｕｔとの積をとることにより各戸にガス料金を請求する際に用いるガス使用量ａ_ｏｕｔが算出されうることを示している。式（６）の右辺のａ_ｏｕｔは、上述の通り式（４）のｑ_ｏｕｔに対応する値であり、各戸へのガス料金請求のために式（８）で算出されるａ_ｏｕｔとは区別される。

続いて制御部１１は、ステップＳ３６で算出したガス使用量ａ_ｏｕｔを、各戸に供給された湯の熱量の比率（各戸の消費湯量の比率と同等）に応じて、各戸に振り分ける（ステップＳ３７）。その後、制御部１１は、図４のフローチャートに係る動作を終了する。

燃料電池システム１で使用される水に係るコスト、又は、燃料電池システム１の動作における損失に係るコストも、本実施形態に係る方法と同様に振り分けられうる。

以上、本実施形態に係る方法を説明してきた。本実施形態に係る方法によれば、リアルタイムで湯沸かし用ガス使用量を算出することができる。本実施形態に係る方法によれば、測定した熱量を用いてガス使用量を算出するため、より正確に算出することができる。

（実施形態３）
実施形態３では、燃料ガスの使用量を各戸に振り分けて算出するための別の方法を説明する。実施形態３に係る方法では、需要家施設４の各戸が負担するコストを算出するために、電力メータ５ａで測定した燃料電池２１の発電量Ｗ_ＦＣと、燃料電池２１の発電効率ｅ_ｗとの関係を示すテーブルが用いられる。

本実施形態において、燃料電池２１で使用されたガスの単位体積当たりに燃料電池２１で発電された電力量、すなわち発電効率ｅ_ｗは、燃料電池２１の燃料電池発電量Ｗ_ＦＣと相関する。発電効率と燃料電池発電量との相関関係から、発電に使用されたガスの使用量、すなわち発電用ガス使用量ａ_ｗが算出されうる。さらに発電用ガス使用量ａ_ｗから、湯沸かし用ガス使用量ａ_ｑが算出されうる。

以下、図５を参照して、燃料電池発電量Ｗ_ＦＣから湯沸かし用ガス使用量ａ_ｑを算出する方法を説明する。まず、電力制御装置１０の制御部１１は、ガスメータ７ａから燃料電池２１で使用される燃料電池ガス使用量ａ_ＦＣを取得する。制御部１１は、ガスメータ７ｂからバックアップボイラ２３で使用されるバックアップボイラガス使用量ａ_ＢＢを取得する。制御部１１は、電力メータ５ａから燃料電池２１で発電される燃料電池発電量Ｗ_ＦＣを取得する。制御部１１は、これらの値を一定期間積算して積算値を算出する（ステップＳ４１）。積算期間は、例えば、１分単位や１時間単位であってもよいし、１日単位であってもよいし、さらに長い期間であってもよい。

続いて制御部１１は、ステップＳ４１で算出した燃料電池発電量Ｗ_ＦＣの積算値に対応する発電効率ｅ_ｗの平均値を算出する（ステップＳ４２）。発電効率ｅ_ｗは、燃料電池２１におけるガス使用量の単位体積当たりの発電量である。平均値は、上述の積算値を積算期間で割ることにより算出される値である。制御部１１は、予め用意されている燃料電池発電量Ｗ_ＦＣと発電効率ｅ_ｗとの関係を示すテーブルを取得する。テーブルは外部から取得されてもよいし、電力制御装置１０の内部に記憶されているものが取得されてもよい。

図６に示されるように、燃料電池発電量Ｗ_ＦＣと発電効率ｅ_ｗとの関係はテーブルとして表されうる。燃料電池発電量がＷ_ＦＣ１である場合、発電効率はｅ_ｗ１である。図６に示される例では発電用ガス使用量ａ_ｗとの関係もあわせて示されている。図６において、燃料電池発電量がＷ_ＦＣ１である場合、発電用ガス使用量はａ_ｗ１である。図６に例示されるテーブルには、これらの値の関係が他にも示されている。例えば、燃料電池発電量がＷ_ＦＣｍである場合、発電効率及び発電用ガス使用量はそれぞれ、ｅ_ｗｍ及びａ_ｗｍである。

続いて制御部１１は、発電用ガス使用量ａ_ｗを算出する（ステップＳ４３）。制御部１１は、次の式（９）を用いて発電用ガス使用量ａ_ｗを算出することができる。

式（９）は、発電効率ｅ_ｗの定義を表している。図６に例示されるテーブルで示されている発電効率ｅ_ｗと発電用ガス使用量ａ_ｗとの関係は、式（９）に従うものである。図６に例示されるテーブルのように予め関係が示されている場合、式（９）を計算しなくとも、発電用ガス使用量ａ_ｗが算出されうる。

続いて制御部１１は、湯沸かし用ガス使用量ａ_ｑを次の式（１０）を用いて算出する（ステップＳ４４）。

式（１０）は、燃料電池２１のガス使用量ａ_ＦＣの全てが、発電用ガス使用量ａ_ｗと湯沸かし用ガス使用量ａ_ｑとに分けられるものとして表されている。

続いて制御部１１は、発電用ガス使用量ａ_ｗを各戸の消費電力の比率に応じて、各戸に振り分ける（ステップＳ４５）。

続いて制御部１１は、湯沸かし用ガス使用量ａ_ｑ及びバックアップボイラガス使用量ａ_ＢＢを各戸の消費湯量の比率に応じて、各戸に振り分ける（ステップＳ４６）。その後、制御部１１は、図５のフローチャートに係る動作を終了する。

燃料電池システム１で使用される水に係るコスト、又は、燃料電池システム１の動作における損失に係るコストは、本実施形態に係る方法と同様に、振り分けられうる。

以上、本実施形態に係る方法を説明してきた。本実施形態に係る方法によれば、熱量計６ａを省略することができ、システムを簡便にすることができる。

実施形態１〜３では、ガスを使用して発電と湯沸かしを行う装置として燃料電池について説明してきた。ガスを使用して発電と湯沸かしを行う装置は、燃料電池に限られず、ガスエンジンコジェネのような装置であってもよい。

本発明の一実施形態を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成部、各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部やステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

本開示内容の制御は、プログラム命令を実行可能なコンピュータシステムその他のハードウェアによって実行される、一連の動作として示される。コンピュータシステムその他のハードウェアには、たとえば、汎用コンピュータ、ＰＣ（Personal Computer）、専用コンピュータ、ワークステーション、またはその他のプログラム可能なデータ処理装置が含まれる。各実施形態では、種々の動作は、プログラム命令（ソフトウェア）で実装された専用回路（例えば、特定機能を実行するために相互接続された個別の論理ゲート）や、１つ以上のプロセッサによって実行される論理ブロックやプログラムモジュール等によって実行されることに留意されたい。論理ブロックやプログラムモジュール等を実行する一以上のプロセッサには、たとえば、１つ以上のマイクロプロセッサ、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、コントローラ、マイクロコントローラ、電子機器、ここに記載する機能を実行可能に設計されたその他の装置、及び／又は、これらいずれかの組合せが含まれる。ここに示す実施形態は、たとえば、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア、マイクロコードまたはこれらいずれかの組合せによって実装される。

ここで用いられるネットワークには、他に特段の断りがない限りは、インターネット、アドホックネットワーク、LAN(Local Area Network)、セルラーネットワーク、もしくは他のネットワークまたはこれらいずれかの組合せが含まれる。

１ 燃料電池システム
１０ 電力制御装置
１１ 制御部
２１ 燃料電池
２１１ 熱交換器
２２ 貯湯槽
２２１ 温度計
２３ バックアップボイラ
３１ 商用電力系統
３２ 分電盤
４ 需要家施設
４−１ 第１需要家施設
４−ｎ 第ｎ需要家施設
５（５ａ、５ｂ−１、５ｂ−ｎ、５ｃ） 電力メータ
６（６ａ、６ｂ−１、６ｂ−ｎ） 熱量計
７（７ａ、７ｂ） ガスメータ
８（８ａ、８ｂ−１、８ｂ−ｎ） 流量計

Claims (9)

1. 燃料ガスを使用して発電及び湯沸かしを行い、複数の需要家施設に電力及び湯を供給する燃料電池を制御する制御部を備え、
   前記制御部は、
   前記燃料電池で使用した前記燃料ガスの使用量を取得し、
   前記複数の需要家施設に供給した湯量、及び、前記燃料電池で発電された電力量との少なくとも一方を取得し、
   前記燃料ガスの使用量と、前記複数の需要家施設に供給した湯量、及び、前記燃料電池で発電された電力量の少なくとも一方とに基づき、前記燃料電池における湯沸かし用ガス使用量及び発電用ガス使用量の少なくとも一方を算出する
   電力制御装置。
2. 前記制御部は、
   前記燃料電池で沸かされた湯の熱量と、前記燃料電池で発電された電力量とを取得し、
   前記燃料ガスの使用量と、前記燃料電池で沸かされた湯の熱量と、前記燃料電池で発電された電力量とに基づき、前記燃料電池における湯沸かし用ガス使用量及び発電用ガス使用量の少なくとも一方を算出する、請求項１に記載の電力制御装置。
3. 前記制御部は、
   前記燃料電池で発電された電力量を一定期間積算した積算値を取得し、
   前記発電された電力量の積算値と前記発電用ガス使用量との関係を示すテーブルに基づいて、前記発電用ガス使用量を算出する、請求項１に記載の電力制御装置。
4. 燃料ガスを使用して発電及び湯沸かしを行い、複数の需要家施設に電力及び湯を供給する燃料電池と、前記燃料電池を制御する制御部を有する電力制御装置とを備え、
   前記制御部は、
   前記燃料電池で使用した前記燃料ガスの使用量を取得し、
   前記複数の需要家施設に供給した湯量、及び、前記燃料電池で発電された電力量との少なくとも一方を取得し、
   前記燃料ガスの使用量と、前記複数の需要家施設に供給した湯量、及び、前記燃料電池で発電された電力量の少なくとも一方とに基づき、前記燃料電池における湯沸かし用ガス使用量及び発電用ガス使用量の少なくとも一方を算出する
   燃料電池システム。
5. 前記制御部は、
   前記燃料電池で沸かされた湯の熱量と、前記燃料電池で発電された電力量とを取得し、
   前記燃料ガスの使用量と、前記燃料電池で沸かされた湯の熱量と、前記燃料電池で発電された電力量とに基づき、前記燃料電池における湯沸かし用ガス使用量及び発電用ガス使用量の少なくとも一方を算出する、請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御部は、
   前記燃料電池で発電された電力量を一定期間積算した積算値を取得し、
   前記発電された電力量の積算値と前記発電用ガス使用量との関係を示すテーブルに基づいて、前記発電用ガス使用量を算出する、請求項４に記載の燃料電池システム。
7. 燃料ガスを使用して発電及び湯沸かしを行い、複数の需要家施設に電力及び湯を供給する燃料電池で使用した前記燃料ガスの使用量を取得するステップと、
   前記複数の需要家施設に供給した湯量、及び、前記燃料電池で発電された電力量との少なくとも一方を取得するステップと、
   前記燃料ガスの使用量と、前記複数の需要家施設に供給した湯量、及び、前記燃料電池で発電された電力量の少なくとも一方とに基づき、前記燃料電池における湯沸かし用ガス使用量及び発電用ガス使用量の少なくとも一方を算出するステップと
   を含む燃料ガス使用量算出方法。
8. 前記燃料電池で沸かされた湯の熱量と、前記燃料電池で発電された電力量とを取得するステップをさらに含み、
   前記燃料ガスの使用量を算出するステップにおいて、前記燃料ガスの使用量と、前記燃料電池で沸かされた湯の熱量と、前記燃料電池で発電された電力量とに基づき、前記燃料電池における湯沸かし用ガス使用量及び発電用ガス使用量の少なくとも一方を算出する、請求項７に記載の燃料ガス使用量算出方法。
9. 前記燃料電池で発電された電力量を一定期間積算した積算値を取得するステップと、
   前記発電された電力量の積算値と前記発電用ガス使用量との関係を示すテーブルに基づいて、前記発電用ガス使用量を算出するステップと
   をさらに含む、請求項７に記載の燃料ガス使用量算出方法。

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