JP2012084380A

JP2012084380A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2012084380A
Application number: JP2010229419A
Authority: JP
Inventors: Yoshikazu Tanaka; 良和田中; Gendo Kato; 玄道加藤; Takayuki Urata; 隆行浦田
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-10-12
Filing date: 2010-10-12
Publication date: 2012-04-26
Anticipated expiration: 2030-10-12
Also published as: JP5671694B2

Abstract

【課題】省エネ性を考慮してシステムが自動的に運転時間を設定するため、ユーザーが積極的に運転に関わることができないという課題があった。
【解決手段】燃料電池１と、自動運転か手動運転かの運転モードを入力する入力装置１４と、電力需要量および／または熱需要量などのシステム履歴データを蓄積する履歴データ蓄積部１５と、履歴データ蓄積部１５に蓄積された情報に基づいて所定時間先までの電力負荷需要量および熱負荷需要量を予測し、予測した需要量に基づいて運転を計画する運転計画部１６と、履歴データ蓄積部１５と運転計画部１６を含み自動運転モードの場合には、運転計画部１６の計画に従い、手動運転モードの場合には、入力装置１４から入力された各条件に従って燃料電池システムを制御する制御器１７とを備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子形やリン酸形などの燃料電池を備え、電気の供給を行なう燃料電池システムに関するものである。

固体高分子形やリン酸形などの燃料電池を用いた従来の燃料電池システムは、主にコージェネレーションシステムなどで使用されており、発電と同時に発生する熱をお湯として回収することでエネルギーを有効に活用でき、高効率の分散型電源として注目されている。

一般的に電力負荷は常時発生し熱負荷は断続的に発生するという特性を持ち、燃料電池システムの発電により瞬間的に回収できる熱量は、断続的に発生する熱負荷の需要量に比べて少ない。このため、前述の燃料電池システムでは、発電に伴って回収した熱を直接供給するのではなく、一度貯湯槽に貯えた後、必要な量を負荷に供給する。このような燃料電池システムでは、家庭の電力需要および熱需要を予測し、要求される時点までに予め必要な量の発電および熱回収が実施できるように運転を行なう自動運転制御を実施することで、エネルギー消費量の削減効果を向上させている。

さらに、そのような自動運転を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池システムを酷使することなく予め設定した耐用年数を維持するために所定期間の最大運転時間を制限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および２参照）。

図８は前記特許文献２に記載された従来の燃料電池システムを示す構成図である。従来の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池１と、燃料電池１に接続され燃料ガスを供給する燃料ガス経路２と、原料より燃料ガスを生成する水素生成装置３と、燃料電池１に接続され酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス経路４と、燃料電池１に接続され発電に伴って発生した熱を回収し燃料電池１を冷却する冷却水が循環する冷却水経路６と、冷却水を循環させる冷却水送出装置７と、冷却水経路６に設置され冷却水と熱交換し貯湯水に熱を回収する冷却水熱交換器８と、冷却水熱交換器８に接続され貯湯水を通流する貯湯水経路９と、熱を回収した貯湯水を貯える貯湯槽１０と、貯湯水経路９に設置され貯湯水を通流する貯湯水送出装置１１と、燃料電池１で発生した電力を供給する電力負荷の電力需要量を検出する電力負荷検出手段１２と、燃料電池１で発生し貯湯槽１０に回収した熱を供給する熱負荷の熱需要量を検出する熱負荷検出手段１３と、電力負荷検出手段１２で検出された電力需要量および熱負荷検出手段１３で検出された熱需要量などのシステム履歴データを蓄積する履歴データ蓄積部１５と、履歴データ蓄積部１５に蓄積された情報に基づいて燃料電池システムの運転を計画する運転計画部１６と、履歴データ蓄積部１５と運転計画部１６を含み燃料電池システムを制御する制御器１７とを備えている。

特開２００３−６１２４５号公報特開２００７−３２３８４３号公報

しかしながら、前記従来の燃料電池システムでは、省エネ性などを考慮して燃料電池シ
ステムが自動的に運転時間を設定するため、ユーザーが積極的に運転に関わることができず、積極的なユーザーに対しては不満の原因となっていた。

さらに、所定期間の最大運転時間を制限する場合は、ユーザーの使用感覚とのずれが広がり不満が大きくなるという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、燃料電池システムの運転に関するユーザーの前記不満を解消するとともに、耐用年数の運転を維持することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、制御器が電力需要および／または熱需要に応じて燃料電池システムの運転開始時間および運転停止時間を計画し運転する自動運転モードと、入力装置により入力された各設定に応じた条件が満たされた場合に燃料電池システムの運転を開始または停止する手動運転モードとを備えたものである。さらに最大運転時間の制限を自動運転モードにのみ実施するとしたものである。

これによって、ユーザーは運転時間制限のない手動運転モードにより燃料電池システムの運転を行うことができる。その結果、ユーザーの満足感を向上することが可能であり、耐用年数を維持できる運転が可能な燃料電池システムを実現できる。

本発明の燃料電池システムは、省エネ性などを考慮した自動運転に加えて、入力装置からの各種条件に応じて運転を行う手動運転モードを備えることで、耐用年数の運転を維持しつつ、ユーザーが積極的に運転に関わることができ、ユーザーの不満を解消することが可能な燃料電池システムを実現できる。

本発明の実施の形態１による燃料電池システムのシステム構成図本発明の実施の形態１によるニューラルネットワークモデルの構成図本発明の実施の形態２および３による燃料電池システムのシステム構成図本発明の実施の形態４による燃料電池システムのシステム構成図本発明の実施の形態４による燃料電池システムの動作を示すフローチャート本発明の実施の形態４による燃料電池システムの動作を説明するための特性図本発明の実施の形態５による燃料電池システムの動作を示すフローチャート従来の燃料電池システムのシステム構成図

第１の発明は、還元剤ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、制御器と、制御器へ各設定を入力する入力装置とを備えた燃料電池システムであって、制御器は電力需要および／または熱需要に応じて燃料電池システムの運転開始時間および運転停止時間を計画し運転する自動運転モードと、入力装置により入力された各設定に応じた条件が満たされた場合に燃料電池システムの運転を開始または停止する手動運転モードとを備えたことにより、自動運転モードを選択することで、各家庭の負荷需要に応じた最適な運転ができるとともに、手動運転モードを選択することで、ユーザーが任意に燃料電池システムの運転を操作することが可能となり、燃料電池システムの運転に関するユーザーの不満を解消することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明における、制御器は、第１の所定期間内の運転時間を
予め設定された許容運転時間内に制限することにより、想定以上に燃料電池システムを酷使することなく、予め設定した耐用年数を維持するように燃料電池システムを動作させることができる。

第３の発明は、特に、第２の発明における、制御器による許容運転時間内の運転制限は、自動運転モードのみに適用することにより、ユーザーは運転時間の制限を気にすることなく、任意に燃料電池システムの運転を操作することが可能となり、燃料電池システムの運転に関するユーザーの不満を解消しつつ、予め設定した耐用年数を維持するように燃料電池システムを動作させることができる。

第４の発明は、特に、第３の発明における、第１の所定期間以上の第２の所定期間において、第１の所定期間毎の自動運転モードにおける許容運転時間と実際の運転時間との差を積算する余裕時間計測手段と、第１の所定期間毎の手動運転モードにおける実際の運転時間と許容運転時間との差を積算する不足時間計測手段とを備え、制御器は不足時間計測手段からの不足時間と余裕時間計測手段からの余裕時間とを比較し、不足時間が余裕時間以上になった場合には次の第２の所定期間の許容運転時間を減少し、不足時間が余裕時間未満になった場合には次の第２の所定期間の許容運転時間を増加させることにより、手動運転モードにおける運転時間を、許容運転時間に反映させることが可能となり、燃料電池システムの運転に関するユーザーの不満を解消しつつ、より正確に予め設定した耐用年数を維持するように燃料電池システムを動作させることができる。

第５の発明は、特に、第４の発明における、制御器は、第２の所定期間における余裕時間と不足時間との差と、第２の所定期間中の第１の所定期間の数との商を、次の第２の所定期間の許容運転時間に増減し、増減した後の許容運転時間が予め設定された最大許容運転時間以上、または最小許容運転時間以下の場合には、次の第２の所定期間の許容運転時間を最大許容運転時間または最小許容運転時間とし、余裕時間と不足時間との差と、許容運転時間の増減量と第２の所定期間中の第１の所定期間の数との積との差を、次の第２の所定期間における不足時間または余裕時間の初期値とすることにより、自動運転モードにおいて運転時間が極端に短くなったり、長くなったりすることを防止し、自動運転モードにおいても、運転時間に関するユーザーの不満を防止することができる。さらに、手動運転モードにおける運転時間を許容運転時間に反映させる際に、過剰な余裕時間または不足時間を次の第２の所定期間における動作に引き継ぐことで、より詳細に許容運転時間の変更を実施することが可能となり、設計耐用年数内で設計運転寿命を余すことなく使用することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図１から図７を用いて説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムを示すシステム構成図である。

本実施の形態における燃料電池システムは、還元剤ガスである燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池１と、燃料電池１に接続され燃料ガスを供給する燃料ガス経路２と、原料より燃料ガスを生成する水素生成装置３と、燃料電池１に接続され酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス経路４と酸化剤ガス供給装置５と、燃料電池１に接続され発電に伴って発生した熱を回収し燃料電池１を冷却する冷却水が循環する冷却水経路６と、冷却水を循環する冷却水送出装置７と、冷却水経路６に設置され冷却水と熱交換し貯湯水に熱を回収する冷却水熱交換器８と、冷却水熱交換器８に接続され貯湯水を通流する貯湯水経路９と、熱を回収した貯湯水を貯える貯湯槽１０と、貯湯水経路９に設置され貯湯水を通流
する貯湯水送出装置１１と、燃料電池１で発生した電力を供給する電力負荷の電力需要量を検出する電力負荷検出手段１２と、燃料電池１で発生し貯湯槽１０に回収した熱を供給する熱負荷の熱需要量を検出する熱負荷検出手段１３と、入力装置１４と、電力負荷検出手段１２で検出された電力需要量および熱負荷検出手段１３で検出された熱需要量などのシステム履歴データを蓄積する履歴データ蓄積部１５と、履歴データ蓄積部１５に蓄積された情報に基づいて所定時間先までの電力負荷需要量および熱負荷需要量を予測し、予測した電力負荷需要量および熱負荷需要量に基づいて燃料電池システムの運転開始時間および運転停止時間を計画する運転計画部１６と、履歴データ蓄積部１５と運転計画部１６を含み燃料電池システムを制御する制御器１７とを備えている。さらに、制御器１７は、電力需要および／または熱需要に応じて燃料電池システムの運転開始時間および運転停止時間を計画し運転する自動運転モードと、入力装置により入力された各設定に応じた条件が満たされた場合に燃料電池システムの運転を開始または停止する手動運転モードとを備えている。

次に、このような本実施の形態における燃料電池システムの動作を説明する。

燃料電池１では、燃料ガス経路２から供給され、水素生成装置３にて都市ガスやプロパンなどの炭化水素を含む燃料と水蒸気との改質反応により生成された水素などの燃料ガスと、酸化剤ガス経路４から酸化剤ガス供給装置５により供給された酸素を含む空気などの酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行なう。酸化剤ガス供給装置５としては、主にスクロールファンや、ターボファンなどが用いられる。さらに燃料電池１では発電に伴って発熱するため、冷却水送出装置７により燃料電池１を経由して冷却水経路６と冷却水熱交換器８とを循環する冷却水により冷却される。冷却水送出装置７としては、主に遠心ポンプや斜流ポンプ、往復ポンプなどが用いられ、冷却水熱交換器８としては、おもにプレート式熱交換器や二重管式熱交換器などが用いられる。燃料電池１において熱を回収し温度が上昇した冷却水は、冷却水熱交換器８で貯湯水と熱交換して放熱し冷却水送出装置７によって再び燃料電池１に供給される。

貯湯水経路９は、貯湯槽１０の下部と貯湯水送出装置１１の吸入口とが接続され、貯湯水送出装置１１の吐出口と冷却水熱交換器８の貯湯水入口とが接続されることで温度の低い貯湯水を貯湯槽１０の下部から冷却水熱交換器８に供給し、冷却水熱交換器８の貯湯水出口と貯湯槽１０の上部とが接続されることで熱回収により温度が高くなった貯湯水が貯湯槽１０の上部に戻される。貯湯水送出装置１１としては、主に遠心ポンプや斜流ポンプ、往復ポンプなどが用いられる。さらに貯湯槽１０の底部には給水経路が接続され、頭部には貯湯槽１０に貯えられた高温の貯湯水を台所や洗面所、風呂などの熱負荷に供給する給湯経路が接続されている。このように構成し積層沸き上げとすることで、貯湯槽１０全体を同時に沸き上げる場合と比較して短時間で必要な量のお湯を貯湯槽１０に貯え、熱負荷に供給することが可能となる。給湯経路には熱負荷検出手段１３が設置され熱負荷で消費された熱需要量を検出し、履歴データ蓄積部１５に蓄積する。熱負荷検出手段１３としては、主に直接熱量を計測する熱量計や、流量計および温度計により流量と温度の積で熱量を算出する方法が用いられる。後者の場合には、主に羽根車式流量計や超音波式流量計、ギア式流量計などにより計測された給湯経路の貯湯水流量と、主に熱電対やサーミスタなどにより計測された給湯経路の貯湯水温度と、給水経路の貯湯水温度または外気温などとの温度差との積によって熱量を算出する。履歴データ蓄積部１５としては、主にＲＡＭなどの不揮発性メモリやハードディスク装置などが用いられ、さらにはインターネットなどのネットワークを介して外部の記憶装置を用いても良い。

燃料電池１で発電した電力は、インバータ（図示せず）で直流電力から交流電力に変換および電圧調整を行ない、電灯や各種電気機器などの電力負荷に供給される。電力負荷は、燃料電池システムからの出力電力とともに火力発電所などの商用電力と接続され、必要
に応じて両者の電力を使用している。電力負荷検出手段１２が燃料電池システムからの出力電力と商用電力が合流した下流に設置され、電力負荷で消費された電力需要量を検出し履歴データ蓄積部１５に蓄積する。電力負荷検出手段１２としては、主にカレントトランス（ＣＴ）センサなどの電流センサが用いられる。

履歴データ蓄積部１５では、電力負荷検出手段１２および熱負荷検出手段１３で検出された電力需要量および熱需要量を所定時間ごとに（例えば３０分や６０分間）積算した値を１日単位で蓄積する。

入力装置１４からシステムを自動運転モードで運転を行うか手動運転モードで運転を行うかを入力し、運転モードを自動運転モードか手動運転モードに切り替える。入力装置１４としては、燃料電池システムの発電量や蓄熱量などの状態情報を表示する操作画面と共に、燃料電池システムの初期設定や各種運転モードなどをユーザーが選択・変更し設定する入力部を備えたリモコンや、燃料電池システム本体に設置された入力操作パネルなどが用いられる。

運転計画部１６では、所定時間（例えば１日）先までの電力および熱負荷需要量の予測を行うためのひとつの手段として、例えば階層型のニューラルネットワークモデルを電力および熱に対してそれぞれ保持している。運転計画部１６としては、主にＣＰＵなどで構成されると共に、その内部で実行されるプログラムを含む。図２は、運転計画部１６で使用するニューラルネットワークモデルの構成について説明するための図である。ニューラルネットワークモデル１００は、階層型ニューラルネットワークであり、入力層、中間層および出力層の３層を有している。このニューラルネットワークモデル１００の構成としては、予測値を出力パラメータとし、予測値と因果関係の強いデータを入力パラメータとして構成することが予測の精度向上のために必要となる。そのため、出力パラメータには当日の負荷需要量予測値とし、入力パラメータには予測値と因果関係が強いと考えられる前日の負荷需要量実績値としている。また、ニューラルネットワークモデル１００では、履歴データ蓄積部１５に蓄積された過去の負荷需要量実績値を学習して、ニューラルネットワークモデル１００の重み係数を決定する。

運転計画部１６では、ニューラルネットワークモデル１００により予測された所定時間先までの電力負荷需要量および熱負荷需要量に基づいて、燃料電池システムの発電量や蓄熱量を想定し、エネルギー消費量やＣＯ２排出量、光熱費などの削減量を最大化するように、システムの起動・停止時間や発電量などの運転制御パラメータを決定する。

入力装置１４により選択された運転モードが手動運転の場合には、入力装置１４にて、さらに手動運転の各種条件（運転制御パラメータ）の入力を行う。たとえば、所定の時刻に燃料電池システムを起動・停止する運転の場合には、運転制御パラメータとして起動時刻・停止時刻を入力し、貯湯槽１０に蓄積された湯量が所定量の湯量以下で起動・湯量以上で停止する運転の場合には、運転制御パラメータとして起動湯量・停止湯量を入力する。

そして、制御器１７は入力装置１４により選択された運転モードが自動運転の場合には、運転計画部１６で決定された運転制御パラメータに従い、入力装置１４により選択された運転モードが手動運転の場合には、入力装置１４により入力された運転制御パラメータに従って燃料電池システムの運転を実施する。

本実施の燃料電池システムの構成およびその動作により、自動運転モードを選択することで、各家庭の負荷需要に応じた最適な運転ができるとともに、手動運転モードを選択することで、ユーザーが任意に燃料電池システムの運転を操作することが可能となり、燃料
電池システムの運転に関するユーザーの不満を解消することができる。

また、本実施の形態では電力負荷検出手段１２がシステムからの出力電力と商用電力が合流した下流に設置されるとして説明を行なったが、合流する前の商用電力側に設置して、システムの出力との合計で電力需要量を算出してもよい。

また、本実施の形態では燃料電池システムが、電力と熱の供給を行うコージェネレーションシステムとして説明を行ったが、電力または熱のみを供給するモノジェネレーションシステムとしてもよい。

なお、本実施の形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではないことを付記する。

（実施の形態２）
図３は本発明の第２の実施の形態における燃料電池システムを示すシステム構成図である。実施の形態１と同様の構成要素については、同一符号を付与し、その説明を省略する。

本実施の形態における燃料電池システムは、制御器１７に含まれ、燃料電池システムの運転時間を予め設定された許容運転時間内に制限する運転制限部１８とをさらに備えている。

運転制限部１８では、燃料電池システムの設計運転寿命と設計耐用年数に基づいて予め決定された許容運転時間を持つ。例えば、設計運転寿命４００００ｈ、設計耐用年数が１０年の場合、年間の許容運転時間は平均４０００ｈとなる。さらに月ごと、週ごと、日ごとなどの第１の所定期間について許容運転時間を設定することができる。また、許容運転時間は、設定された期間ごとに変更しても良く、第１の所定期間が１日単位の場合には、週や月、春夏秋冬の季節などに応じて変更すると望ましい。

運転計画部１６では、ニューラルネットワークモデル１００により予測された所定時間先までの電力負荷需要量および熱負荷需要量に基づいて、燃料電池システムの発電量や蓄熱量を想定し、運転制限部１８にて設定された第１の所定期間について、許容運転時間を超えない範囲において、エネルギー消費量やＣＯ２排出量、光熱費などの削減量を最大化するように、システムの起動・停止時間や発電量などの運転制御パラメータを決定する。

そして、制御器１７は入力装置１４により選択された運転モードが自動運転モードの場合には、運転計画部１６で決定された運転制御パラメータに従い、入力装置１４により選択された運転モードが手動運転モードの場合には、入力装置１４により入力された運転制御パラメータに従い、かつ第１の所定期間における運転時間が運転制限部１８にて設定された許容運転時間を超えないように燃料電池システムの運転を実施する。

本実施の燃料電池システムの構成およびその動作により、想定以上に燃料電池システムを酷使することなく、予め設定した耐用年数を維持するように燃料電池システムを動作させることができる。

また、入力装置１４にて手動運転の運転制御パラメータを入力する際、運転制限部１８にて設定された許容運転時間を超えることができないように起動・停止時刻を入力する構成としてもよい。

（実施の形態３）
本発明の第３の実施の形態における燃料電池システムは、実施の形態２と同様の構成要素を有しており、図３を用いて説明する。実施の形態２と同様の構成要素については、同一符号を付与し、その説明を省略する。

このような本実施の形態における燃料電池システムの動作を説明する。

入力装置１４により選択された運転モードが手動運転モードの場合には、入力装置１４にて、さらに手動運転モードの各種条件（運転制御パラメータ）の入力を行う。たとえば、所定の時刻に燃料電池システムを起動・停止する運転の場合には、運転制御パラメータとして起動時刻・停止時刻を入力し、貯湯槽１０に蓄積された湯量が所定量の湯量以下で起動・湯量以上で停止する運転の場合には、運転制御パラメータとして起動湯量・停止湯量を入力する。

そして、制御器１７は入力装置１４により選択された運転モードが自動運転モードの場合には、運転計画部１６で決定された運転制御パラメータに従い、入力装置１４により選択された運転モードが手動運転モードの場合には、入力装置１４により入力された運転制御パラメータのみに従い、第１の所定期間における運転時間が運転制限部１８にて設定さ
れた許容運転時間には従わないように燃料電池システムの運転を実施する。

本実施の燃料電池システムの構成およびその動作により、自動運転モードにおいて許容運転時間を超えないよう燃料電池システムを動作させるとともに、手動運転モードにおいて、ユーザーは運転時間の制限を気にすることなく、任意に燃料電池システムの運転を操作することが可能となり、燃料電池システムの運転に関するユーザーの不満を解消しつつ、予め設定した耐用年数を維持するように燃料電池システムを動作させることができる。

（実施の形態４）
図４は本発明の第４の実施の形態における燃料電池システムを示すシステム構成図である。実施の形態１から３と同様の構成要素については、同一符号を付与し、その説明を省略する。

本実施の形態における燃料電池システムは、制御器１７に含まれ、許容運転時間と自動運転モードにおける実際の運転時間との差を積算する余裕時間計測手段１９と、許容運転時間と手動運転モードにおける実際の運転時間との差を積算する不足時間計測手段２０とをさらに備えている。

次に、このような本実施の形態における燃料電池システムの動作を図５のフローチャートを用いて説明する。

まずステップＳ１では、運転計画部１６において、ニューラルネットワークモデル１００により所定時間（例えば１日）先までの電力および熱負荷需要量の予測を行う。ステップＳ２では、予測された電力および熱負荷需要量に基づき、燃料電池システムの発電量や蓄熱量を想定し、運転制限部１８にて設定された第１の所定期間（例えば１日）について、許容運転時間（例えば１５時間）を超えない範囲において、エネルギー消費量やＣＯ２排出量、光熱費などの削減量を最大化するように、システムの起動・停止時間や発電量などの運転制御パラメータを決定する。運転制御パラメータを決定する際に、エネルギー消費量やＣＯ２排出量、光熱費など、どの項目について最適な運転を計画するかは、あらかじめ運転計画部１６に設定されていても良いし、入力装置１４によりユーザーが設定しても良い。ここで、ステップＳ１において予測を行う所定時間と、運転制限部１８にて設定された第１の所定期間は同じでも良いし、異なっていても良い。

次にステップＳ３において、制御器１７は、入力装置１４により選択された運転モードが、自動運転モードか手動運転モードかを判断する。自動運転モードの場合には、運転計画部１６にて決定された運転制御パラメータに従って燃料電池システムを運転する（ステップＳ４）。ステップＳ５では、第１の所定期間経過後、余裕時間計測手段１９において、第１の所定期間に設定された許容運転時間と実際の運転時間との差を積算し、第２の所定期間（例えば１週間）経過していなければステップＳ１に戻り動作を繰り返す（ステッ
プＳ６）。ここで、第２の所定期間は第１の所定期間以上の期間を有するものである。

一方、ステップＳ３において、手動運転が選択された場合には、入力装置１４により入力された運転制御パラメータに従って燃料電池システムを運転する（ステップＳ７）。ステップＳ８では、第１の所定期間経過後、不足時間計測手段２０において、実際の運転時間と第１の所定期間に設定された許容運転時間との差を積算し、第２の所定期間経過していなければステップＳ１に戻り動作を繰り返す（ステップＳ６）。ステップＳ６において第２の所定期間経過した場合、ステップＳ９にて余裕時間計測手段１９にて計測された余裕時間と、不足時間計測手段２０にて計測された不足時間との差を算出し、不足時間が余裕時間以上になった場合（差が負の場合）には、次の第２の所定期間における許容運転時間を減少し、不足時間が余裕時間未満になった場合（差が正の場合）には、次の第２の所定期間における許容運転時間を増加させる（余裕時間と不足時間との差を第２の所定期間に含まれる第１の所定期間の数で割った商を、許容運転時間に増減する。ステップＳ１０）。

ステップＳ１１では、余裕時間および不足時間をクリアしてステップＳ１に戻り、新たに設定された許容運転時間において、第２の所定期間の動作を繰り返す。

ステップＳ５からステップＳ１０について、図６を用いて具体的に説明する。図６は本発明の第４の実施の形態における燃料電池システムの動作を説明するための特性図である。図６の例では、第１の所定期間を１日、第２の所定期間を１週間、許容運転時間を１５時間とし、各日における運転モードと実際の運転時間、余裕時間および不足時間を表している。１日目は手動運転モードで運転し、実際の運転時間が１７時間であった場合、余裕時間は０、不足時間は２時間（＝１７−１５）となる。２日目には自動運転モードで運転し、実際の運転時間が１４時間であった場合、余裕時間は１時間（＝１５−１４）、不足時間は２時間のままとなる。以後、同様にして運転および計算を実施し、７日目には余裕時間４時間、不足時間−３時間となる。このような場合には、余裕時間と不足時間との差は７時間（＝４−（−３））となり、この差を第２の所定期間（１週間）に含まれる第１の所定期間（日）の数（＝７）で割った商（１時間）を、次の第２の所定期間に予め設定された許容運転時間（１５時間）に加えた１６時間が、次の第２の所定期間の許容運転時間となる。

本実施の燃料電池システムの構成およびその動作により、自動運転モードにおいて許容運転時間を超えないよう燃料電池システムを動作させ、予め設定した耐用年数を維持するように燃料電池システムを動作させることができるとともに、手動運転モードにおいて、許容運転時間の制限を越えた運転制御パラメータ（起動・停止時刻や起動・停止湯量など）を設定することが可能となる。そのため、ユーザーは運転時間の制限を気にすることなく、任意に燃料電池システムの運転を操作することが可能となり、燃料電池システムの運転に関するユーザーの不満を解消することができる。さらに手動運転モードにおいて、ユーザーが任意に燃料電池システムの運転を操作した場合における運転時間を、許容運転時間に反映させることが可能となり、燃料電池システムの運転に関するユーザーの不満を解消しつつ、より正確に予め設定した耐用年数を維持するように燃料電池システムを動作させることができる。

また、入力装置１４において、運転モードの入力を行う際に、基本設定は自動運転モードであり、ユーザーが選択した場合のみ手動運転モードとする。さらに所定期間の手動運転モードの後、自動的に自動運転モードに戻るようにするとより望ましい。

また、本実施の形態では余裕時間と不足時間を分けた構成にて説明を行ったが、余裕時間と不足時間を合わせた構成としてもよい。

また、本実施の形態では電力負荷検出手段１２がコージェネレーションシステムからの出力電力と商用電力が合流した下流に設置されるとして説明を行なったが、合流する前の商用電力側に設置して、コージェネレーションシステムの出力との合計で電力需要量を算出してもよい。

（実施の形態５）
本発明の第５の実施の形態における燃料電池システムは、実施の形態４と同様の構成要素を有しており、図４を用いて説明する。実施の形態４と同様の構成要素については、同一符号を付与し、その説明を省略する。

次に、このような本実施の形態における燃料電池システムの動作を図７のフローチャートを用いて説明する。実施の形態４と同様のステップについては、同一符号を付与し、その説明を省略する。

ステップＳ２０では、ステップＳ１０で算出した新たな許容運転時間が、予め設定された最小許容運転時間と最大許容運転時間の範囲内にあるかどうかを判断する。範囲内にある場合にはステップＳ１１に進み、最小許容運転時間より小さい場合には、ステップＳ２１にて許容運転時間を最小許容運転時間に、最大許容運転時間より大きい場合には、ステップＳ２３にて許容運転時間を最大許容運転時間に設定する。

次にステップＳ２２において、余裕時間と不足時間との差と、許容運転時間の増減量と第２の所定期間に含まれる第１の所定期間の数との積との差を、不足時間に加える。ステップＳ２４では、余裕時間と不足時間との差と、許容運転時間の増減量と第２の所定期間に含まれる第１の所定期間の数との積との差を、余裕時間に加え、ステップＳ１に戻り、新たに設定された許容運転時間において、第２の所定期間の動作を繰り返す。

本実施の燃料電池システムの構成およびその動作により、手動運転モードにおいて、ユーザーが任意に燃料電池システムの運転を操作した場合における運転時間を、許容運転時間に反映させた場合でも、自動運転モードにおける許容運転時間に最大時間および最小時間の制限を設定することが可能となり、自動運転モードにおける運転時間が極端に短くなったり、長くなったりすることを防止することができる。そのため、自動運転モードにおいても、運転時間に関するユーザーの不満を防止することができる。また、手動運転モードにおける運転時間を許容運転時間に反映させる際に、過剰な余裕時間または不足時間を次の第２の所定期間における動作に引き継ぐことで、より詳細に許容運転時間の変更を実施することが可能となり、設計耐用年数内で設計運転寿命を余すことなく使用することができる。

また、本実施の形態では余裕時間と不足時間を分けた構成にて説明を行ったが、余裕時
間と不足時間を合わせた構成としてもよい。

本発明の燃料電池システムおよびその動作によれば、燃料電池システムの省エネ性を向上させ耐用年数を維持する運転と、ユーザーの不満を解消することができ、例えば家庭用の燃料電池コージェネレーションシステム等として有用である。

１燃料電池
２燃料ガス経路
３水素生成装置
４酸化剤ガス経路
５酸化剤ガス供給装置
６冷却水経路
７冷却水送出装置
８冷却水熱交換器
９貯湯水経路
１０貯湯槽
１１貯湯水送出装置
１２電力負荷検出手段
１３熱負荷検出手段
１４入力装置
１５履歴データ蓄積部
１６運転計画部
１７制御器
１８運転制限部
１９余裕時間計測手段
２０不足時間計測手段
１００ニューラルネットワークモデル

Claims

還元剤ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、
制御器と、
前記制御器へ各設定を入力する入力装置とを備えた燃料電池システムであって、
前記制御器は電力需要および／または熱需要に応じて燃料電池システムの運転開始時間および運転停止時間を計画し運転する自動運転モードと、
前記入力装置により入力された各設定に応じた条件が満たされた場合に燃料電池システムの運転を開始または停止する手動運転モードとを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
制御器は、第１の所定期間内の運転時間を予め設定された許容運転時間内に制限することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
制御器による許容運転時間内の運転制限は、自動運転モードのみに適用することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
第１の所定期間以上の第２の所定期間において、
第１の所定期間毎の自動運転モードにおける許容運転時間と実際の運転時間との差を積算する余裕時間計測手段と、
第１の所定期間毎の手動運転モードにおける実際の運転時間と許容運転時間との差を積算する不足時間計測手段とを備え、
制御器は前記不足時間計測手段からの不足時間と前記余裕時間計測手段からの余裕時間とを比較し、不足時間が余裕時間以上になった場合には次の第２の所定期間の許容運転時間を減少し、不足時間が余裕時間未満になった場合には次の第２の所定期間の許容運転時間を増加させることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
制御器は、第２の所定期間における余裕時間と不足時間との差と、第２の所定期間中の第１の所定期間の数との商を、次の第２の所定期間の許容運転時間に増減し、増減した後の許容運転時間が予め設定された最大許容運転時間以上、または最小許容運転時間以下の場合には、次の第２の所定期間の許容運転時間を最大許容運転時間または最小許容運転時間とし、余裕時間と不足時間との差と、許容運転時間の増減量と第２の所定期間中の第１の所定期間の数との積との差を、次の第２の所定期間における不足時間または余裕時間の初期値とすることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。