WO2014017632A1 - 制御装置、燃料電池システム及び制御方法 - Google Patents

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fuel cell
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power generation
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一尊 中村
健太 沖野
裕高 佐藤
高志 重久
孝 小野
谷口　英二
井上　裕司
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京セラ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a control device, a fuel cell system, and a control method for controlling a fuel cell unit including a power generation unit and an auxiliary machine.
  • Patent Document 1 a fuel cell unit including a power generation unit that generates power by a chemical reaction and an auxiliary device that assists the operation of the power generation unit is known (for example, Patent Document 1).
  • the output power (generated power) of the fuel cell unit is controlled to follow the power consumption of the load provided on the power line connecting the system and the fuel cell unit (load following control).
  • an operation mode of the fuel cell unit an operation mode (hereinafter referred to as an idling mode) in which the power consumption of the auxiliary machine is covered by the output power of the power generation unit is known (for example, Patent Document 2 and Non-Patent Document 1).
  • the output power of the power generation unit is controlled so that the output power of the power generation unit is approximately the same as the power consumption of the auxiliary machine.
  • the idling mode is a mode for continuing the operation of the fuel cell unit when, for example, the power demand at the load is temporarily low.
  • the power consumption of the auxiliary equipment is covered by the output power of the power generation unit, so it is necessary to supply fuel (gas, etc.) to the fuel cell unit to the extent that power can be generated by the power generation unit. Can not save on.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a control device, a fuel cell system, and a control method that enable efficient operation control of the fuel cell unit. .
  • the control device controls a fuel cell unit including a power generation unit that generates power by a chemical reaction and an auxiliary device that assists the operation of the power generation unit.
  • the control device includes a control unit that instructs the fuel cell unit in an operation mode of the fuel cell unit.
  • the operation mode of the fuel cell unit performs control to cover the power consumption of the auxiliary equipment by system power and control to maintain the temperature of the power generation section in a predetermined temperature range, and the power output from the power generation section is A temperature maintenance mode which is a mode smaller than the power consumption, and a self-sustained mode in which control is performed to cover the power consumption of the auxiliary equipment by power different from the grid power.
  • the control unit instructs the operation mode of the fuel cell unit to be the self-sustained mode when a power failure occurs when the fuel cell unit is operating in the temperature maintenance mode.
  • control unit can further control a distributed power supply unit capable of supplying power to the fuel cell unit, and the control unit allows the fuel cell unit to operate in the temperature maintenance mode.
  • the distributed power supply unit is controlled to cover the power consumption of the auxiliary machine with the power output from the distributed power supply unit for a predetermined period.
  • the predetermined period is a period until the temperature of the power generation unit reaches a power generation temperature when power generation is performed in the power generation unit in the self-sufficiency mode.
  • the predetermined temperature range is a temperature range lower than the power generation temperature in the self-sufficiency mode.
  • the predetermined period is a period in which fuel supplied to the power generation unit is increased.
  • control unit instructs the operation mode of the fuel cell unit to be the temperature maintenance mode when the fuel cell unit recovers from a power failure when the fuel cell unit is operating in the self-supply mode.
  • control unit instructs a power generation mode for controlling power output from the power generation unit so as to follow power consumption of a load connected to the fuel cell unit as one of operation modes.
  • the control unit instructs the operation mode of the fuel cell unit to be the self-sufficiency mode.
  • the power generation unit includes a SOFC fuel cell.
  • the power generation temperature in the self-sufficiency mode is 650 ° C. to 1000 ° C.
  • the predetermined temperature range is 450 ° C. to 600 ° C.
  • the amount of fuel supplied to the power generation unit in the temperature maintaining mode is smaller than the amount of fuel supplied to the power generation unit in the self-sufficiency mode.
  • the fuel cell system includes a fuel cell unit including a power generation unit that generates power by a chemical reaction and an auxiliary device that assists the operation of the power generation unit.
  • the fuel cell unit performs control to cover the power consumption of the auxiliary machine by system power and control to maintain the temperature of the power generation unit in a predetermined temperature range, and the power output from the power generation unit is more than the power consumption of the auxiliary machine
  • a control unit is provided that controls its own operation in a plurality of operation modes including a temperature maintenance mode, which is a small mode, and a self-sustained mode in which control is performed to cover power consumption of the auxiliary equipment by power different from the system power. When a power failure occurs when the control unit controls the operation in the temperature maintenance mode, the control unit controls the operation in the self-supply mode.
  • the control method is a method of controlling a fuel cell unit including a power generation unit that generates power by a chemical reaction and an auxiliary device that assists the operation of the power generation unit.
  • the control method performs control for the fuel cell unit to cover the power consumption of the auxiliary device by system power and control to maintain the temperature of the power generation unit in a predetermined temperature range, and the power output from the power generation unit is the supplementary power.
  • a temperature maintaining mode which is a mode smaller than the power consumption of the machine, and a step of instructing one of operation modes including a self-sufficiency mode for performing control to cover the power consumption of the auxiliary machine with power different from the grid power .
  • the control method instructs the operation mode of the fuel cell unit to be the self-sufficiency mode.
  • the present invention it is possible to provide a control device, a fuel cell system, and a control method that enable efficient operation control of the fuel cell unit.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an energy management system 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the customer 10 according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a view showing the fuel cell unit 150 according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the EMS 200 according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a flowchart showing the control method according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a flowchart showing the control method according to the first embodiment.
  • the control device controls a fuel cell unit including a power generation unit that generates power by a chemical reaction and an auxiliary device that assists the operation of the power generation unit.
  • the control device includes a control unit that instructs the fuel cell unit in an operation mode of the fuel cell unit.
  • the operation mode of the fuel cell unit performs control to cover the power consumption of the auxiliary equipment by system power and control to maintain the temperature of the power generation section in a predetermined temperature range, and the power output from the power generation section is A temperature maintenance mode which is a mode smaller than the power consumption, and a self-sustained mode in which control is performed to cover the power consumption of the auxiliary equipment by power different from the grid power.
  • the control unit instructs the operation mode of the fuel cell unit to be the self-sustained mode when a power failure occurs when the fuel cell unit is operating in the temperature maintenance mode.
  • a plurality of operation modes including a temperature maintenance mode are introduced.
  • the fuel cell unit can be efficiently controlled in the temperature maintenance mode.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an energy management system 100 according to the first embodiment.
  • the energy management system 100 includes a customer 10, a CEMS 20, a substation 30, a smart server 40, and a power plant 50.
  • the customer 10, the CEMS 20, the substation 30 and the smart server 40 are connected by a network 60.
  • the customer 10 has, for example, a power generation device and a power storage device.
  • the power generation device is a device that outputs electric power using fuel, such as a fuel cell.
  • the power storage device is a device that stores electric power, such as a secondary battery.
  • the customer 10 may be a detached house or an apartment house such as a condominium.
  • the customer 10 may be a store such as a convenience store or a supermarket, a commercial facility such as a building, or a factory.
  • a plurality of consumers 10 constitutes a customer group 10A and a customer group 10B.
  • the consumer group 10A and the consumer group 10B are classified by, for example, a geographical area.
  • the CEMS 20 controls interconnection between the plurality of consumers 10 and the power system.
  • the CEMS 20 may be referred to as CEMS (Cluster / Community Energy Management System) in order to manage a plurality of consumers 10. Specifically, the CEMS 20 disconnects between the plurality of consumers 10 and the power system at the time of a power failure or the like. On the other hand, the CEMS 20 interconnects the plurality of consumers 10 and the power system when power is restored.
  • CEMS 20A and CEMS 20B are provided.
  • the CEMS 20A controls interconnection between the customer 10 included in the customer group 10A and the power system.
  • the CEMS 20B controls interconnection between the customer 10 included in the customer group 10B and the power system.
  • the substation 30 supplies power to the plurality of consumers 10 via the distribution line 31. Specifically, the substation 30 steps down the voltage received from the power plant 50.
  • a substation 30A and a substation 30B are provided.
  • the substation 30A supplies power to the consumers 10 included in the consumer group 10A via the distribution line 31A.
  • the substation 30B supplies power to the consumers 10 included in the consumer group 10B via the distribution line 31B.
  • the smart server 40 manages a plurality of CEMSs 20 (here, CEMS 20A and CEMS 20B).
  • the smart server 40 also manages a plurality of substations 30 (here, the substation 30A and the substation 30B).
  • the smart server 40 comprehensively manages the customers 10 included in the customer group 10A and the customer group 10B.
  • the smart server 40 has a function of balancing the power to be supplied to the consumer group 10A and the power to be supplied to the consumer group 10B.
  • the power plant 50 generates power using thermal power, sunlight, wind power, hydropower, nuclear power, or the like.
  • the power plant 50 supplies power to the plurality of substations 30 (here, the substation 30A and the substation 30B) via the power transmission line 51.
  • the network 60 is connected to each device via a signal line.
  • the network 60 is, for example, the Internet, a wide area network, a narrow area network, or a mobile phone network.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating details of the customer 10 according to the first embodiment.
  • the customer 10 includes a distribution board 110, a load 120, a PV unit 130, a storage battery unit 140, a fuel cell unit 150, a hot water storage unit 160, and an EMS 200.
  • the customer 10 has an ammeter 180.
  • the ammeter 180 is used for load following control of the fuel cell unit 150.
  • the ammeter 180 is on the power line connecting the storage battery unit 140 and the fuel cell unit 150 and the system, downstream of the connection point between the storage battery unit 140 and the power line (the side away from the system), and the fuel cell unit 150. It is provided upstream (side closer to the grid) than the connection point with the power line.
  • the ammeter 180 is provided upstream of the connection point between the load 120 and the power line (on the side closer to the grid).
  • each device is connected to the power line in the order of the PV unit 130, the storage battery unit 140, the fuel cell unit 150, and the load 120 when viewed from the order close to the system.
  • the present invention can also be implemented when the connection of the fuel cell unit 150 and the storage battery unit 140 is reversed.
  • the distribution board 110 is connected to the distribution line 31 (system). Distribution board 110 is connected to load 120, PV unit 130, storage battery unit 140, and fuel cell unit 150 via a power line.
  • the load 120 is a device that consumes power supplied via a power line.
  • the load 120 includes devices such as a refrigerator, a freezer, lighting, and an air conditioner.
  • the PV unit 130 has a PV 131 and a PCS 132.
  • the PV 131 is an example of a power generation device, and is a solar power generation device (Photovoltaic device) that generates power in response to reception of sunlight.
  • the PV 131 outputs the generated DC power.
  • the amount of power generated by the PV 131 changes according to the amount of solar radiation applied to the PV 131.
  • the PCS 132 is a device (Power Conditioning System) that converts DC power output from the PV 131 into AC power.
  • the PCS 132 outputs AC power to the distribution board 110 via the power line.
  • the PV unit 130 may have a pyranometer that measures the amount of solar radiation irradiated on the PV 131.
  • the PV unit 130 is controlled by the MPPT (Maximum Power Point Tracking) method. Specifically, the PV unit 130 optimizes the operating point (a point determined by the operating point voltage value and the power value, or a point determined by the operating point voltage value and the current value) of the PV 131.
  • MPPT Maximum Power Point Tracking
  • the storage battery unit 140 includes a storage battery 141 and a PCS 142.
  • the storage battery 141 is a device that stores electric power.
  • the PCS 142 is a device (Power Conditioning System) that converts AC power supplied from the distribution line 31 (system) into DC power. Further, the PCS 142 converts DC power output from the storage battery 141 into AC power.
  • the fuel cell unit 150 includes a fuel cell 151 and a PCS 152.
  • the fuel cell 151 is an example of a power generation device, and is a device that outputs electric power using fuel.
  • the PCS 152 is a device (Power Conditioning System) that converts DC power output from the fuel cell 151 into AC power.
  • the fuel cell unit 150 operates by load following control. Specifically, the fuel cell unit 150 controls the fuel cell 151 so that the power output from the fuel cell 151 becomes the target power for load following control.
  • the load follow-up control here, when the power consumption of the load 120 exceeds the output power in the rated operation of the fuel cell unit 150, the shortage of the required power of the load 120 is calculated from the power supplied from the system (system power). Including the control provided by
  • the hot water storage unit 160 is an example of a heat storage device that converts electric power into heat, stores the converted heat as hot water, and stores heat generated by a cogeneration device such as the fuel cell unit 150 as hot water.
  • the hot water storage unit 160 has a hot water storage tank, and warms water supplied from the hot water storage tank by exhaust heat generated by the operation (power generation) of the fuel cell 151.
  • the hot water storage unit 160 warms the water supplied from the hot water storage tank and returns the warmed hot water to the hot water storage tank.
  • the EMS 200 is an apparatus (Energy Management System) that controls the PV unit 130, the storage battery unit 140, the fuel cell unit 150, and the hot water storage unit 160. Specifically, the EMS 200 is connected to the PV unit 130, the storage battery unit 140, the fuel cell unit 150, and the hot water storage unit 160 via signal lines, and the PV unit 130, the storage battery unit 140, the fuel cell unit 150, and the hot water storage unit. 160 is controlled. The EMS 200 controls the power consumption of the load 120 by controlling the operation mode of the fuel cell unit 150.
  • the EMS 200 is connected to various servers via the network 60.
  • Various servers store, for example, information (hereinafter referred to as energy charge information) such as the unit price of power supplied from the grid, the unit price of power sold from the grid, and the unit price of fuel purchased.
  • various servers store the information (henceforth energy consumption prediction information) for predicting the power consumption of the load 120, for example.
  • the energy consumption prediction information may be generated based on, for example, the past power consumption actual value of the load 120.
  • the energy consumption prediction information may be a model of power consumption of the load 120.
  • the various servers store, for example, information for predicting the power generation amount of the PV 131 (hereinafter, PV power generation amount prediction information).
  • the PV power generation prediction information may be a predicted value of the amount of solar radiation irradiated on the PV 131.
  • the PV power generation prediction information may be weather forecast, season, sunshine time, and the like.
  • FIG. 3 is a view showing the fuel cell unit 150 according to the first embodiment.
  • the fuel cell unit 150 includes a fuel cell 151, a PCS 152, a blower 153, a desulfurizer 154, an ignition heater 155, and a control board 156.
  • the fuel cell 151 is a device that outputs electric power using fuel as described above.
  • the fuel cell 151 is, for example, a SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) type fuel cell.
  • the fuel cell 151 includes a reformer 151A and a cell stack 151B.
  • the reformer 151A generates reformed gas from the fuel from which the odorant has been removed by the desulfurizer 154 described later.
  • the reformed gas is a gas composed of hydrogen and carbon monoxide.
  • the cell stack 151B generates power by a chemical reaction between air (oxygen) supplied from a blower 153, which will be described later, and the reformed gas.
  • the cell stack 151B has a structure in which a plurality of cells are stacked. Each cell has a structure in which an electrolyte is sandwiched between a fuel electrode and an air electrode. Reformed gas (hydrogen) is supplied to the fuel electrode, and air (oxygen) is supplied to the air electrode. A chemical reaction of the reformed gas (hydrogen) and air (oxygen) occurs in the electrolyte to generate electric power (DC electric power) and heat.
  • PCS 152 is a device that converts DC power output from the fuel cell 151 into AC power, as described above.
  • the blower 153 supplies air to the fuel cell 151 (cell stack 151B).
  • the blower 153 is configured by a fan, for example.
  • the desulfurizer 154 removes the odorant contained in the fuel supplied from the outside.
  • the fuel may be city gas or LP gas.
  • the ignition heater 155 is a heater that ignites fuel that has not chemically reacted in the cell stack 151B (hereinafter, unreacted fuel) and maintains the temperature of the cell stack 151B at a high temperature. That is, the ignition heater 155 ignites unreacted fuel leaking from the opening of each cell constituting the cell stack 151B. It should be noted that the ignition heater 155 may ignite the unreacted fuel in a case where the unreacted fuel is not combusted (for example, when the fuel cell unit 150 is activated). Once ignited, thereafter, the unreacted fuel that overflows little by little from the cell stack 151B continues to burn, so that the temperature of the cell stack 151B is maintained at a high temperature.
  • the control board 156 is a board on which a circuit for controlling the fuel cell 151, the PCS 152, the blower 153, the desulfurizer 154, the ignition heater 155, and the control board 156 is mounted.
  • the cell stack 151B is an example of a power generation unit that generates power through a chemical reaction.
  • the reformer 151A, the blower 153, the desulfurizer 154, the ignition heater 155, and the control board 156 are examples of auxiliary machines that assist the operation of the cell stack 151B (power generation unit).
  • a part of the PCS 152 may be handled as an auxiliary machine.
  • a power generation mode As the operation mode of the fuel cell unit 150, a power generation mode, an idling mode, and a temperature maintenance mode are provided.
  • the power generation mode is an operation mode (load following control) in which the power output from the fuel cell 151 (cell stack 151B) is controlled so as to follow the power consumption of the load 120 connected to the fuel cell unit 150. Specifically, in the power generation mode, the power output from the fuel cell 151 is controlled so that the product of the current value detected by the ammeter 180 and the power detected by the PCS 152 becomes the target received power.
  • the fuel cell unit 150 is provided downstream of the ammeter 180, it should be noted that the power consumption of the auxiliary equipment is also covered by the power output from the fuel cell 151.
  • the temperature of the cell stack 151B in the power generation mode is maintained at a power generation temperature of 650 to 1000 ° C. (for example, about 700 ° C.) by chemical reaction and combustion of unreacted fuel.
  • a power generation temperature is a temperature range in which a chemical reaction occurs positively if the reformed gas (hydrogen) and air (oxygen) are obtained.
  • the fuel cell unit 150 can be completely stopped.
  • the fuel cell unit 150 may be completely stopped.
  • the auxiliary machine is also stopped and the temperature of the fuel cell 151 (cell stack 151B) becomes low.
  • an idling mode and a temperature maintenance mode are provided in the operation mode in order to avoid the complete stop of the fuel cell unit 150 as much as possible.
  • the idling mode is an operation mode in which the power consumed by the auxiliary machine is covered by the power output from the fuel cell 151 (cell stack 151B) or the power supplied from the other distributed power source.
  • the idling mode here is a mode in which the output power from the fuel cell unit 150 is controlled to be zero, and is also referred to as a self-sustained mode.
  • the power generation temperature of the cell stack 151B in the idling mode is maintained at a temperature that is the same as or slightly lower than the power generation temperature in the power generation mode (for example, about 700 ° C.) due to the chemical reaction and combustion of the unreacted fuel. That is, the power generation temperature of the cell stack 151B in the idling mode is a temperature range in which a chemical reaction is positively generated if the reformed gas (hydrogen) and air (oxygen) are obtained, as in the power generation mode.
  • the temperature maintenance mode is an operation mode in which the power consumption of the auxiliary machine is covered by the power supplied from the system and the cell stack 151B is maintained in a predetermined temperature range.
  • the power output from the fuel cell 151 (cell stack 151B) is at least smaller than the power consumption of the auxiliary machine, and is slightly less than that for operating the auxiliary machine as in the idling mode. For example, power is not output from the fuel cell 151 (cell stack 151B) in the temperature maintenance mode.
  • the temperature of the cell stack 151B in the temperature maintenance mode is mainly maintained by the combustion of unreacted fuel.
  • the temperature of the cell stack 151B in the temperature maintenance mode is lower than the temperature of the cell stack 151B in the power generation mode.
  • the temperature of the cell stack 151B in the temperature maintenance mode is lower than the temperature of the cell stack 151B in the idling mode.
  • the temperature of the cell stack 151B in the temperature maintenance mode is maintained at a certain high temperature (predetermined temperature range).
  • the predetermined temperature range is slightly lower than the power generation temperature in the idling mode, for example, about 450 ° C. to 600 ° C. Even if the reformed gas (hydrogen) and air (oxygen) are obtained, it is sufficient. This is a temperature range where a difficult chemical reaction is unlikely to occur.
  • the temperature of the cell stack 151B is within a predetermined temperature range, the reaction speed of the chemical reaction is insufficient, so that the voltage output from the fuel cell 151 (cell stack 151B) is lower than the rated voltage (for example, 200V). In the temperature maintenance mode, no chemical reaction may occur or some chemical reaction may occur.
  • the predetermined temperature range is obviously higher than normal temperature.
  • the time until the fuel cell unit 150 reaches a temperature at which a chemical reaction is actively generated is shorter than that in the state where the fuel cell unit 150 is completely stopped. In other words, the time required to output the required power is shortened.
  • the amount of fuel supplied to the cell stack 151B in the temperature maintenance mode is smaller than the amount of fuel supplied to the cell stack 151B in the power generation mode.
  • FIG. 4 is a block diagram showing the EMS 200 of the first embodiment.
  • the EMS 200 includes a reception unit 210, a transmission unit 220, and a control unit 230.
  • the receiving unit 210 receives various signals from a device connected via a signal line. For example, the receiving unit 210 may receive information indicating the power generation amount of the PV 131 from the PV unit 130. The receiving unit 210 may receive information indicating the storage amount of the storage battery 141 from the storage battery unit 140. The receiving unit 210 may receive information indicating the power generation amount of the fuel cell 151 from the fuel cell unit 150. The receiving unit 210 may receive information indicating the amount of hot water stored in the hot water storage unit 160 from the hot water storage unit 160.
  • the reception unit 210 may receive energy charge information, energy consumption prediction information, and PV power generation amount prediction information from various servers via the network 60.
  • the energy fee information, the energy consumption prediction information, and the PV power generation amount prediction information may be stored in the EMS 200 in advance.
  • the transmission unit 220 transmits various signals to a device connected via a signal line.
  • the transmission part 220 transmits the signal for controlling the PV unit 130, the storage battery unit 140, the fuel cell unit 150, and the hot water storage unit 160 to each apparatus.
  • the transmission unit 220 transmits a control signal for controlling the load 120 to the load 120.
  • the control unit 230 controls the load 120, the PV unit 130, the storage battery unit 140, the fuel cell unit 150, and the hot water storage unit 160 using a predetermined communication protocol such as ECHONET Lite or ZigBee (registered trademark).
  • the control unit 230 instructs the operation mode of the fuel cell unit 150 to the fuel cell unit 150 by causing the transmission unit 220 to transmit a command conforming to a predetermined communication protocol.
  • the operation mode of the fuel cell unit 150 includes a power generation mode (load following control), an idling mode, and a temperature maintenance mode as described above.
  • the control unit 230 controls the fuel cell unit 150 to operate in the power generation mode.
  • the control unit 230 controls the fuel cell unit 150 to operate in the temperature maintenance mode, for example, when the power output from the fuel cell 151 (cell stack 151B) is below a predetermined threshold.
  • the control unit 230 controls the fuel cell unit 150 to operate in the idling mode.
  • the control unit 230 detects a power failure state when the fuel cell unit 150 is operating in the temperature maintenance mode, the control unit 230 starts from the PV unit 130 and / or the storage battery unit 140 (hereinafter, distributed power supply unit).
  • the distributed power supply unit is controlled so that the output power is supplied to the auxiliary machine, and the fuel cell unit 150 is controlled to operate in the idling mode.
  • the power output from the fuel cell 151 (cell stack 151B) in the temperature maintenance mode is smaller than the power consumption of the auxiliary machine.
  • the control unit 230 increases the amount of fuel supplied to the fuel cell 151 (cell stack 151B) and increases the temperature of the fuel cell 151 (cell stack 151B) to promote a chemical reaction.
  • the control unit 230 controls the distributed power supply unit so as to stop the power supply to the auxiliary machine.
  • the control unit 230 when the control unit 230 detects that the power is restored when the fuel cell unit 150 is operating in the idling mode, the control unit 230 controls the fuel cell unit 150 to operate in the temperature maintenance mode. That is, the controller 230 reduces the amount of fuel supplied to the fuel cell 151 (cell stack 151B), lowers the temperature of the fuel cell 151 (cell stack 151B), and maintains it in a predetermined temperature range.
  • control unit 230 controls the fuel cell unit 150 to operate in the idling mode when a power failure state is detected when the fuel cell unit 150 is operating in the power generation mode.
  • the control unit 230 may control the fuel cell unit 150 to operate in the power generation mode when detecting that power is restored when the fuel cell unit 150 is operating in the idling mode.
  • the operation modes of the fuel cell unit 150 include a power generation mode, an idling mode, and a temperature maintenance mode.
  • a method for controlling the battery unit 150 in an operation mode other than the power generation mode when the power consumption of the load is small Will be described.
  • FIG. 5 is a flowchart showing a control method when a power failure occurs.
  • the EMS 200 controls the fuel cell unit 150 to operate in the temperature maintenance mode.
  • the temperature maintenance mode the power consumption of the auxiliary equipment is covered by the power supplied from the system, and the temperature of the cell stack 151B is maintained in a predetermined temperature range lower than the power generation temperature in the idling mode.
  • the power output from the fuel cell 151 is at least smaller than the power consumption of the auxiliary machine and may be zero.
  • step S12 the EMS 200 determines whether or not the current state is a power failure state. If the determination result is “YES” and a power failure state of the system is detected, the process of step S13 is performed immediately. If the determination result is “NO”, the process returns to step S12. In step S13, the EMS 200 controls the distributed power supply unit so that the power output from the distributed power supply unit is supplied to the auxiliary machine.
  • step S14 the EMS 200 controls the fuel cell unit 150 so as to cover the power consumption of the auxiliary equipment from other than the system power, that is, to operate in the idling mode.
  • step S15 the EMS 200 determines whether or not the temperature of the cell stack 151B is equal to or higher than the power generation temperature in the idling mode. If the determination result is “YES”, the process of step S16 is performed. If the determination result is “NO”, the process returns to step S15.
  • step S16 the EMS 200 stops the power supply from the distributed power supply unit to the auxiliary machine. That is, in step S16, the power supply source to the auxiliary machine is switched from the distributed power supply unit to the fuel cell 151 (cell stack 151B) itself.
  • the fuel cell unit 150 can continue to operate by receiving power supply from the distributed power supply unit. Can do. Even if the system is in a power outage state and the auxiliary machine cannot receive power supply from the system, the power generation in the fuel cell 151 (cell stack 151B) is a chemical reaction and does not stop immediately. That is, even if a power failure occurs and power supply from the grid to the auxiliary equipment is lost, the chemical reaction continues for a while to cover the power consumption of the auxiliary equipment.
  • the power supply source to the auxiliary machine is changed from the system to the distributed power supply unit until the power consumption of the auxiliary machine can be covered by the power generated by itself. Operation can be continued by changing.
  • the power output from the fuel cell 151 is supplied to the auxiliary device, but the power is not supplied to the load 120.
  • FIG. 6 is a flowchart showing a control method at the time of recovery from a power failure. As shown in FIG. 6, in step S21, the EMS 200 controls the fuel cell unit 150 to operate in the idling mode.
  • step S22 the EMS 200 determines whether or not the current state has been recovered from the power failure state. If the determination result is “YES” and the power recovery state of the system is detected, the process of step S23 is performed immediately. If the determination result is “NO”, the process returns to step 22. In step S23, the EMS 200 controls the fuel cell unit 150 to operate in the temperature maintenance mode.
  • a plurality of operation modes including an idling mode and a temperature maintenance mode are introduced. This saves the fuel supplied to the fuel cell unit 150 in the temperature maintenance mode even when the fuel cell unit 150 is not completely stopped to ensure load followability. Can do. Further, when the system is in a power outage state, the operation of the fuel cell unit 150 can be continued by controlling to operate in the idling mode.
  • the EMS 200 controls the fuel cell unit 150 to operate in the idling mode when the power failure state is detected when the fuel cell unit 150 is operating in the power generation mode.
  • the EMS 200 may control the fuel cell unit 150 to operate in the power generation mode when detecting that power is restored when the fuel cell unit 150 is operating in the idling mode.
  • the auxiliary machine is controlled to follow the power consumption of the load 120 connected to the fuel cell unit 150, and the output from the fuel cell 151 is adjusted.
  • the fuel cell unit 150 is operated in the idling mode. However, if there is a power demand at the load, the fuel cell unit 150 may be operated in a self-sustaining operation mode that outputs power that meets the demand. In the self-sustained operation mode, the fuel cell unit 150 not only supplies power for the auxiliary machine by the fuel cell 151 itself, but also obtains output power that meets the demand at the load connected to the fuel cell unit 150. Increase the output of 151. That is, the self-sustained operation mode and the idling mode are different in that whether or not the generated power is output externally, but are common in that power is supplied to the auxiliary equipment by self-power generation during a system power failure. For this reason, the self-sustained operation mode can be regarded as being included in the self-sufficiency mode.
  • the power consumption of the auxiliary machine is covered by the power supply from the system, but it may be covered by the output of the distributed power supply unit such as the PV unit 130 and / or the storage battery unit 140.
  • control device is the EMS 200, but the embodiment is not limited thereto.
  • the control device may be the PCS 152 or the control board 156.
  • the EMS 200 may be a HEMS (Home Energy Management System), a SEMS (Store Energy Management System), or a BEMS (Building Energy Management System, or an FEM). There may be.
  • HEMS Home Energy Management System
  • SEMS Store Energy Management System
  • BEMS Building Energy Management System
  • the customer 10 includes a load 120, a PV unit 130, a storage battery unit 140, a fuel cell unit 150, and a hot water storage unit 160.
  • the consumer 10 should just have the load 120 and the fuel cell unit 150 at least.
  • the fuel cell 151 is described as a SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) type fuel cell, but is not limited thereto.
  • the fuel cell 151 may be, for example, a PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell) type fuel cell.

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Abstract

　ＥＭＳ２００は、燃料電池ユニット１５０に対し、補機の消費電力を系統電力以外の電力によって賄う制御を行うアイドリングモードと、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制御及びセルスタック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動作モードを指示する制御部２３０を備える。制御部２３０は、燃料電池ユニット１５０が温度維持モードで動作している場合に停電が生じると、燃料電池ユニット１５０の動作モードをアイドリングモードで制御する。

Description

制御装置、燃料電池システム及び制御方法
　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、燃料電池システム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、発電部の出力電力によって補機の消費電力を賄う動作モード（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）。詳細には、アイドリングモードでは、発電部の出力電力が補機の消費電力と同程度となるように発電部の出力電力が制御される。アイドリングモードは、例えば、負荷における電力需要が一時的に低い場合などにおいて燃料電池ユニットの運転を継続するためのモードである。
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６月２７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、発電部の出力電力によって補機の消費電力を賄うため、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、燃料を十分に節約することができない。
　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、燃料電池システム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る。前記燃料電池ユニットの動作モードは、前記補機の消費電力を系統電力によって賄う制御及び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、前記補機の消費電力を前記系統電力とは異なる電力によって賄う制御を行う自給モードと、を含む。前記制御部は、前記燃料電池ユニットが前記温度維持モードで動作している場合に停電が生じると、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指示する。
　第１の特徴において、前記制御部は、前記燃料電池ユニットに対して電源供給可能な分散電源ユニットをさらに制御可能であって、前記制御部は、前記燃料電池ユニットが前記温度維持モードで動作している場合に停電が生じて自給モードとするよう指示する際、所定期間、前記補機の消費電力を前記分散電源ユニットから出力する電力で賄うよう前記分散電源ユニットを制御する。
　第１の特徴において、前記所定期間は、前記発電部の温度が前記自給モードにおいて前記発電部で発電を行う際の発電温度となるまでの期間である。
　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温度よりも低い温度域である。
　第１の特徴において、前記所定期間は、前記発電部に供給される燃料が増加される期間である。
　第１の特徴において、前記制御部は、前記燃料電池ユニットが前記自給モードで動作している場合に停電から復旧すると、前記燃料電池ユニットの動作モードを前記温度維持モードとするよう指示する。
　第１の特徴において、前記制御部は、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させる発電モードを、動作モードの一つとして指示する。
　第１の特徴において、前記制御部は、前記燃料電池ユニットが前記発電モードで動作している場合に停電が生じると、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、前記発電部は、ＳＯＦＣ方式の燃料電池を有する。
　第１の特徴において、前記自給モードにおける発電温度は、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システムは、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備える。燃料電池ユニットは、前記補機の消費電力を系統電力によって賄う制御及び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、前記補機の消費電力を前記系統電力とは異なる電力によって賄う制御を行う自給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、前記温度維持モードにより自己の運転を制御している場合に停電が生じると、前記自給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、前記補機の消費電力を系統電力によって賄う制御及び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、前記補機の消費電力を前記系統電力とは異なる電力によって賄う制御を行う自給モードとを含む動作モードの一つを指示するステップを備える。制御方法は、前記燃料電池ユニットが前記温度維持モードで動作している場合に停電が生じると、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、燃料電池システム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。 図６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る。前記燃料電池ユニットの動作モードは、前記補機の消費電力を系統電力によって賄う制御及び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、前記補機の消費電力を前記系統電力とは異なる電力によって賄う制御を行う自給モードと、を含む。前記制御部は、前記燃料電池ユニットが前記温度維持モードで動作している場合に停電が生じると、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指示する。
　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を停止させないようにした場合であっても、温度維持モードでは、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、又は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、又は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が負荷１２０と電力線との接続点よりも上流（系統に近い側）に設けられることは勿論である。
　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。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。
　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（Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｄｅｖｉｃｅ）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。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（系統電力）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。燃料電池１５１は、例えば、ＳＯＦＣ（Ｓｏｌｉｄ　Ｏｘｉｄｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ）方式の燃料電池である。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、ＬＰ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、アイドリングモード、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によって検出される電力との積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、燃料電池ユニット１５０を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、燃料電池ユニット１５０を完全停止させた場合には、補機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燃料電池ユニット１５０の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が設けられる。
　アイドリングモードは、燃料電池１５１（セルスタック１５１Ｂ）から出力する電力、あるいは他に備える分散電源から供給され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。ここでいうアイドリングモードは、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、自給モードとも言う。
　ここで、アイドリングモードにおけるセルスタック１５１Ｂの発電温度は、化学反応及び未反応燃料の燃焼により、発電モードにおける発電温度と同程度又は少し低い温度（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の発電温度についても、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。
　温度維持モードは、補機の消費電力を系統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、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、アイドリングモードにおける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（例えば、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ある。そのため、温度維持モードにおいて、発電を行う必要が生じた際にも、燃料電池ユニット１５０が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セルスタック１５１Ｂに供給される燃料の量は、発電モードにおいてセルスタック１５１Ｂ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、ＥＣＨＯＮＥＴ　Ｌｉｔｅ又はＺｉｇＢｅｅ（登録商標）等の所定の通信プロトコルを用いて、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、所定の通信プロトコルに準拠したコマンドを送信部２２０に送信させることにより、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。
　燃料電池１５１（セルスタック１５１Ｂ）から出力する電力が所定閾値を上回る場合に、制御部２３０は、燃料電池ユニット１５０を発電モードで運転するよう制御する。一方、制御部２３０は、例えば、燃料電池１５１（セルスタック１５１Ｂ）から出力する電力が所定閾値を下回る場合に、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。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。
　燃料電池ユニット１５０が温度維持モードで運転している場合に停電が発生すると、系統から燃料電池ユニット１５０の補機への電力供給が停止してしまう。そこで、第１実施形態において、制御部２３０は、燃料電池ユニット１５０が温度維持モードで運転している場合に停電状態を検知するとＰＶユニット１３０及び／又は蓄電池ユニット１４０（以下、分散電源ユニット）から出力する電力を補機に供給するよう、分散電源ユニットを制御するとともに、燃料電池ユニット１５０をアイドリングモードで運転するよう制御する。
　ここで、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補機の消費電力よりも小さい。一方、制御部２３０は、燃料電池１５１（セルスタック１５１Ｂ）に供給される燃料の量を増やし、燃料電池１５１（セルスタック１５１Ｂ）の温度を上昇させて、化学反応を促進する。燃料電池１５１（セルスタック１５１Ｂ）の温度がアイドリングモードにおける発電温度にまで上昇すると、補機の消費電力を賄うことができる程度までに出力電力が増加する。燃料電池１５１（セルスタック１５１Ｂ）の温度がアイドリングモードにおける発電温度にまで上昇すると、制御部２３０は、補機への電力供給を停止するよう分散電源ユニットを制御する。
　第１実施形態において、制御部２３０は、燃料電池ユニット１５０がアイドリングモードで運転している場合に復電したことを検知すると、燃料電池ユニット１５０を温度維持モードで運転するよう制御する。つまり、制御部２３０は、燃料電池１５１（セルスタック１５１Ｂ）に供給される燃料の量を減らし、燃料電池１５１（セルスタック１５１Ｂ）の温度を下げ、所定温度域で維持する。
　制御部２３０は、燃料電池ユニット１５０が発電モードで運転している場合に停電状態を検知すると、燃料電池ユニット１５０をアイドリングモードで運転するよう制御することは勿論である。制御部２３０は、燃料電池ユニット１５０がアイドリングモードで運転している場合に復電したことを検知すると、燃料電池ユニット１５０を発電モードで運転するよう制御してもよい。
　（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及び図６は、第１実施形態に係る制御方法を示すフロー図である。燃料電池ユニット１５０の動作モードは、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が、以下においては、例えば、負荷の消費電力が小さい場合の、発電モード以外の動作モードにおける電池ユニット１５０の制御方法について説明する。
　図５は、停電発生時におけ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Ｓ１１において、ＥＭＳ２００は、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の温度がアイドリングモードにおける発電温度よりも低い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。
　ステップＳ１２において、ＥＭＳ２００は、現在の状態が停電状態であるか否かを判定する。判定結果が”ＹＥＳ”であり、系統の停電状態が検出されると即座に、ステップＳ１３の処理が行われる。判定結果が”ＮＯ”である場合は、ステップＳ１２の処理に戻る。ステップＳ１３において、ＥＭＳ２００は、分散電源ユニットから出力する電力を補機に供給するよう、分散電源ユニットを制御する。
　ステップＳ１４において、ＥＭＳ２００は、補機の消費電力を系統電力以外から賄うよう、すなわち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。
　次に、ステップＳ１５において、ＥＭＳ２００は、セルスタック１５１Ｂの温度が、アイドリングモードにおける発電温度以上であるか否かを判定する。判定結果が“ＹＥＳ”である場合には、ステップＳ１６の処理が行われる。判定結果が“ＮＯ”である場合には、ステップＳ１５の処理に戻る。ステップＳ１６において、ＥＭＳ２００は、分散電源ユニットから補機への電力供給を停止させる。すなわち、ステップＳ１６においては、補機への電力供給元を分散電源ユニットから燃料電池１５１（セルスタック１５１Ｂ）自身に切り替える。
　これにより、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、補機が分散電源ユニットからの電力供給を受けることによって、燃料電池ユニット１５０は運転を継続することができる。系統が停電状態となり、補機が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、燃料電池ユニット１５０は、停電を検出しても、自己の発電電力によって補機の消費電力を賄うことができるようになるまで、補機への電力供給元を系統から分散電源ユニット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、アイドリングモードでは、基本的に、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へは電力供給を行わない。
　図６は、停電からの復旧時における制御方法を示すフロー図である。図６に示すように、ステップＳ２１において、ＥＭＳ２００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。
　ステップＳ２２において、ＥＭＳ２００は、現在の状態が停電状態から復旧したか否かを判定する。判定結果が”ＹＥＳ”であり、系統の復電状態が検出されると即座に、ステップＳ２３の処理が行われる。判定結果が“ＮＯ”である場合には、ステップ２２の処理に戻る。ステップＳ２３において、ＥＭＳ２００は、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。
　以上説明したように、第１実施形態では、アイドリング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１５０を停止させないようにした場合であっても、温度維持モードでは、燃料電池ユニット１５０に供給される燃料を節約することができる。また、系統が停電状態となった場合にはアイドリングモードで運転するよう制御することにより、燃料電池ユニット１５０の運転を継続することができる。
　ＥＭＳ２００は、燃料電池ユニット１５０が発電モードで運転している場合に停電状態を検知すると、燃料電池ユニット１５０をアイドリングモードで運転するよう制御することは勿論である。ＥＭＳ２００は、燃料電池ユニット１５０がアイドリングモードで運転している場合に復電したことを検知すると、燃料電池ユニット１５０を発電モードで運転するよう制御してもよい。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を制御して、燃料電池１５１からの出力を調整する。
　［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、系統停電中には、燃料電池ユニット１５０はアイドリングモードで運転するとしたが、仮に負荷での電力需要があるならば、需要に見合う電力を出力する自立運転モードで運転してもよい。自立運転モードにおいて、燃料電池ユニット１５０は、補機についての電力供給を燃料電池１５１自身で行うだけでなく、燃料電池ユニット１５０に接続された負荷での需要に見合う出力電力が得られるよう燃料電池１５１の出力を上げる。すなわち、自立運転モードとアイドリングモードとは、発電電力の外部出力を行うか否かという点では相違するものの、系統停電中には補機への給電を自己発電で賄うという点では共通する。このため、自立運転モードは、自給モードに含まれるとみなすことができる。
　また、温度維持モードでは系統からの電力供給により補機の消費電力を賄うとしたが、ＰＶユニット１３０及び／又は蓄電池ユニット１４０などの分散電源ユニット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。制御装置は、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。
　実施形態において、燃料電池１５１は、ＳＯＦＣ（Ｓｏｌｉｄ　Ｏｘｉｄｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ）方式の燃料電池であるとして説明したが、これに限定されない。燃料電池１５１は、例えば、ＰＥＦＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ）方式の燃料電池であってもよい。
　このように、本発明は、ここでは記載していない様々な実施の形態などを含むことは勿論である。また、上述した実施形態及び変更例は、組み合わせることが可能である。したがって、本発明の技術的範囲は、上述の説明から妥当な請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められる。
　なお、日本国特許出願第２０１２－１６７８１１号（２０１２年７月２７日出願）の全内容が、参照により、本願に組み込まれている。
　本発明によれば、燃料を十分に節約すること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ができる。

Claims (13)

  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、前記補機の消費電力を系統電力によって賄う制御及び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、前記補機の消費電力を前記系統電力とは異なる電力によって賄う制御を行う自給モードと、を含み、
    　前記制御部は、前記燃料電池ユニットが前記温度維持モードで動作している場合に停電が生じると、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指示することを特徴とする制御装置。
  2. 　前記制御部は、前記燃料電池ユニットに対して電力供給可能な分散電源ユニットをさらに制御可能であって、
    　前記制御部は、前記燃料電池ユニットが前記温度維持モードで動作している場合に停電が生じて自給モードとするよう指示する際、所定期間、前記補機の消費電力を前記分散電源ユニットから出力する電力で賄うよう前記分散電源ユニットを制御することを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
  3. 　前記所定期間は、前記発電部の温度が前記自給モードにおいて前記発電部で発電を行う際の発電温度となるまでの期間であることを特徴とする請求項２に記載の制御装置。
  4. 　前記所定温度域は、前記自給モードにおける前記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３に記載の制御装置。
  5. 　前記所定期間は、前記発電部に供給される燃料が増加される期間であることを特徴とする請求項３に記載の制御装置。
  6. 　前記制御部は、前記燃料電池ユニットが前記自給モードで動作している場合に停電から復旧すると、前記燃料電池ユニットの動作モードを前記温度維持モードとするよう指示することを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
  7. 　前記制御部は、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させる発電モードを、動作モードの一つとして指示することを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
  8. 　前記制御部は、前記燃料電池ユニットが前記発電モードで動作している場合に停電が生じると、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７に記載の制御装置。
  9. 　前記発電部は、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。
  10. 　前記自給モードにおける前記発電温度は、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４に記載の制御装置。
  11. 　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５に記載の制御装置。
  12. 　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備える燃料電池システムであって、
    　前記燃料電池ユニットは、前記補機の消費電力を系統電力によって賄う制御及び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、前記補機の消費電力を前記系統電力とは異なる電力によって賄う制御を行う自給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、前記温度維持モードにより自己の運転を制御している場合に停電が生じると、前記自給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システム。
  13. 　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、前記補機の消費電力を系統電力によって賄う制御及び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、前記補機の消費電力を前記系統電力とは異なる電力によって賄う制御を行う自給モードとを含む動作モードの一つを指示するステップを備え、
    　前記燃料電池ユニットが前記温度維持モードで動作している場合に停電が生じると、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指示することを特徴とする制御方法。
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