コジェネレーションシステム
【課題】例えば貯湯ユニットを大型化させなくても、所望の蓄熱量を確保することができるコジェネレーションシステムを提供すること。
【解決手段】燃料電池システム１では、運転制御装置２０によって、貯湯ユニット３における蓄熱量の予測値に基づいて電気ヒータ９が制御される。そのため、貯湯ユニット３における蓄熱量の予測値が所望の蓄熱量にならないと判断される場合には、電気ヒータ９によって湯の温度を上昇させることができる。
【解決手段】燃料電池システム１では、運転制御装置２０によって、貯湯ユニット３における蓄熱量の予測値に基づいて電気ヒータ９が制御される。そのため、貯湯ユニット３における蓄熱量の予測値が所望の蓄熱量にならないと判断される場合には、電気ヒータ９によって湯の温度を上昇させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コジェネレーションシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、コジェネレーションシステムの一種として、熱の発生を伴って発電を行う燃料電池発電機と、燃料電池の排熱を回収した湯を貯える貯湯ユニットと、燃料電池の余剰電力を用いて湯を加熱するヒータとを備える燃料電池システムが知られている。例えば、下記特許文献１に記載された燃料電池システムでは、余剰電力の逆潮流を防止するにあたり、貯湯ユニットに貯えられた湯の蓄熱量と、温水利用機器における需要熱量の予測値とに基づいて、燃料電池の余剰電力をヒータ又は余剰電力消費用の電力消費機器のいずれかで消費するよう制御している。
【０００３】
このような制御を行うことにより、例えば夏場において湯の利用量が少ない場合に、ヒータに余剰電力が通電されて、結果的に利用されない無駄な熱エネルギーになることを防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３３０００９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の燃料電池システムでは、余剰電力の発生に応じてヒータを作動させるに過ぎないため、例えば冬場において湯の利用量が多くなる場合には、湯の利用量が、燃料電池の排熱回収熱量及び余剰電力発生時のヒータ作動により加熱される熱量を上回る場合があり、貯湯ユニットの蓄熱量不足が生じる可能性がある。
【０００６】
図９は、従来技術における需要熱量及び蓄熱量の時系列変化の一例を示す。横軸は時間を示し、ここでは、６時から燃料電池システムの運転を開始し、２３時に運転を終了するよう、燃料電池システムの運転スケジュールが定められているものとする。図９の縦軸は熱量（需要熱量及び蓄熱量）を示す。蓄熱量が上限値（図９の例では１０ＭＪ）に達すると、それ以上は貯湯槽に蓄熱することができないため、燃料電池システムの発電を停止させるか、ラジエータによって放熱して燃料電池システムの運転を継続することになる。棒グラフは、各時刻における施設からの需要熱量の予測値を示す。左下がりの斜線部は、需要熱量の予測値に含まれない予定外の熱の需要が発生したことを示す。右下がりの斜線部は、需要熱量の予測値に含まれていたものの、実際には需要が発生しなかったことを示す。
【０００７】
図９の実線グラフは、現在時刻０時時点における蓄熱量の予測値の変化を表す。これによると、１９時台〜２１時台まで蓄熱量不足が発生することが予測される。しかし、実際には１１時台及び１２時台の左下がりの斜線部のように予定していない熱の需要が発生する場合、又は、１３時台や１７時台の右下がりの斜線部のように予定していた熱需要が発生しない場合等が起こりえるため、実際の蓄熱量は鎖線のような変化となる。また、１１時台及び１２時台において予定していない熱の需要が発生し、更に１３時及び１７時に予定通りの熱需要が発生した場合、一点鎖線グラフのように、１３時台に蓄熱量不足が発生し、再び１８時台〜２１時台に蓄熱量不足が発生することになる。
【０００８】
このように、従来技術では、所望の蓄熱量を確保することは難しかった。
【０００９】
そこで本発明は、例えば貯湯ユニットを大型化させなくても、所望の蓄熱量を確保することができるコジェネレーションシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明に係るコジェネレーションシステムは、所定の施設に電力及び湯を供給するコジェネレーションシステムであって、電力及び熱を発生させる発電ユニットと、発電ユニットで発生した熱により温められた湯を貯える貯湯ユニットと、貯湯ユニットに貯えられる湯の温度を上昇させる加熱器と、貯湯ユニットにおける蓄熱量の予測値に基づいて加熱器を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
このコジェネレーションシステムによると、制御手段によって、貯湯ユニットにおける蓄熱量の予測値に基づいて加熱器が制御される。そのため、貯湯ユニットにおける蓄熱量の予測値が所望の蓄熱量にならないと判断される場合には、加熱器によって湯の温度を上昇させることができる。これにより、例えば貯湯ユニットを大型化させなくても、所望の蓄熱量を確保することが可能となる。
【００１２】
また、加熱器は、少なくとも発電ユニットが発生させる電力によって動作し、当該動作によって生じる熱量を貯湯ユニットに補助熱量として供給することにより湯の温度を上昇させるものであり、制御手段は、貯湯ユニットにおける蓄熱量の実測値と、施設における需要熱量の予測値と、加熱器の運転スケジュールと、加熱器を運転することにより貯湯ユニットに貯えられる補助熱量の予測値と、発電ユニットを運転することにより貯湯ユニットに回収される回収熱量の予測値と、を演算及び記憶すると共に、現在時刻から所定時間以内の蓄熱量の予測値を単位時間毎に演算により求め、蓄熱量の予測値から需要熱量の予測値を差し引いた値が、予め定められた任意の下限蓄熱量より小さい場合は蓄熱量不足が発生する可能性があると判断し、蓄熱量不足が発生すると予想される時刻の前に、予め加熱器を運転して貯湯ユニットに補助熱量を蓄熱するよう加熱器の運転スケジュールを更新する態様としてもよい。
【００１３】
これによると、制御手段によって、現在時刻から所定時間以内の貯湯ユニットの蓄熱量の予測値が演算され、この蓄熱量の予測値から需要熱量の予測値を差し引いた値が下限蓄熱量より小さい場合は、蓄熱量不足が発生すると予想される時刻の前に、予め加熱器が運転され、貯湯ユニットに補助熱量が蓄熱される。よって、貯湯ユニット内の蓄熱量の予測精度を高めることができ、その結果として蓄熱不足の発生を抑制することができる。ここで、下限蓄熱量は零または正の値である。
【００１４】
また、制御手段は、コジェネレーションシステムの運転スケジュールを更に記憶し、当該運転スケジュールによると、加熱器を運転させるべき時刻にコジェネレーションシステムが停止予定である場合には、コジェネレーションシステムの運転開始時刻を繰り上げるように、コジェネレーションシステムの運転スケジュールを更新する態様としてもよい。
【００１５】
これによると、加熱器による貯湯ユニットへの蓄熱機会をより長く確保することができるため、蓄熱不足の発生を抑制することができる。
【００１６】
また、加熱器は、更に商用電源から電力供給を受けて動作することが可能であって、制御手段は、コジェネレーションシステムの運転スケジュールを更に記憶し、当該運転スケジュールによると、加熱器を運転させるべき時刻にコジェネレーションシステムが停止予定である場合には、コジェネレーションシステムが停止している間は商用電源から加熱器に電力を供給して加熱器を運転する態様としてもよい。
【００１７】
これによると、加熱器による貯湯ユニットへの蓄熱機会をより長く確保することができるため、蓄熱不足の発生を抑制することができる。
【００１８】
また、制御手段は、演算により求められる単位時間あたりの蓄熱量の予測値と、その翌単位時間後における需要熱量の予測値とを比較して蓄熱量不足の発生有無を予測する態様としてもよい。
【００１９】
これによると、熱の需要が発生する前に、予想される需要熱量を確実に確保することができるため、蓄熱不足の発生を抑制することができる。
【００２０】
また、制御手段は、演算により求められる単位時間あたりの蓄熱量の予測値と、同時刻における需要熱量の予測値とを比較して蓄熱量不足の発生有無を予測する態様としてもよい。
【００２１】
これによると、現在時刻における貯湯ユニットの蓄熱量に基づいて加熱器の運転スケジュールを決定するため、加熱器の運転頻度を必要最低限にすることができる。
【００２２】
また、制御手段は、加熱器を運転した場合に蓄熱量の予測値が任意に定められた上限蓄熱量を上回ることが予想される時間帯は、当該時間帯は加熱器を停止させるように加熱器の運転スケジュールを更新する態様としてもよい。
【００２３】
貯湯ユニットがこれ以上蓄熱することができない状態で加熱器を運転しても、蓄熱することができないため、このようにすることにより、無駄に加熱器を運転することを防止することができる。ここで、上限蓄熱量とは、下限蓄熱量よりも大きく、且つ、貯湯ユニットが蓄熱可能な最大蓄熱量以下の値である。
【００２４】
また、制御手段は、蓄熱量の予測値が所定の蓄熱量以下になると判断される場合に、貯湯ユニットにおける蓄熱量が増加するように加熱器を制御する態様としてもよい。
【００２５】
これによると、貯湯ユニットにおける蓄熱量が所定の蓄熱量以下になるというように蓄熱量が不足するのを防止することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、例えば貯湯ユニットを大型化させなくても、所望の蓄熱量を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係るコジェネレーションシステムの第１実施形態を概略的に示すブロック図である。
【図２】需要電力量の予測値、需要電力量に応じた発生電力量の予測値、及び蓄熱量の予測値の時系列変化の例を示す図である。
【図３】図１に示されるコジェネレーションシステムにおける処理手順を示すフローチャートである。
【図４】図３の処理手順について詳細を示すフローチャートである。
【図５】第１実施形態における需要熱量及び蓄熱量の時系列変化の例を示す図である。
【図６】第２実施形態の処理手順について詳細を示すフローチャートである。
【図７】図７の処理手順の一部を示すフローチャートである。
【図８】第２実施形態における需要熱量及び蓄熱量の時系列変化の例を示す図である。
【図９】従来技術における需要熱量及び蓄熱量の時系列変化の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明に係るコジェネレーションシステムの実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２９】
図１に示されるように、コジェネレーションシステムとしての燃料電池システム１は、例えば家庭用として設置されて家庭に電力及び湯を供給するものであり、燃料電池ユニット（発電ユニット）２と、貯湯ユニット３と、運転制御装置（制御手段）２０とを備えている。
【００３０】
燃料電池ユニット２は、原燃料を用いて電力を発生させると共に熱を発生させるものである。燃料電池ユニット２は、改質器６と、固体高分子形のセルスタック７とを有している。改質器６は、内部に改質触媒を収容しており、この改質触媒で原燃料及び水を改質して、水素を含有する改質ガスを生成する。原燃料としては、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス等の炭化水素系気体燃料や、灯油等の炭化水素系液体燃料を用いることができる。改質器６には、外部から供給される水を気化するための気化器や、改質触媒を改質反応に必要な温度にまで加熱するためのバーナ等（いずれも図示せず）が設けられる。
【００３１】
セルスタック７は、ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）と称されるセルが複数層積層されたものである。各セルは、高分子膜である電解質が燃料極と空気極との間に配置されて構成されている。セルスタック７においては、燃料極側には改質器６によって生成された改質ガスが導入され、空気極側には空気が導入される。このようにセルスタック７は、改質ガスと空気（酸素）を用いて発電を行う。セルスタック７で発電された電力は、電力線を介して家庭内の電気機器に出力される。なお、セルスタック７の燃料極側に導入された改質ガスのオフガスは、セルスタック７のバーナに供給されて再利用される。
【００３２】
また、燃料電池ユニット２には、熱交換部８と、電気ヒータ（加熱器）９とが設けられている。熱交換部８は、セルスタック７の各セル間に配置された水の流路を有しており、セルスタック７で生じた熱を回収し、熱交換部８と貯湯ユニット３との間で水を循環させる熱回収用配管Ｌ１，Ｌ２内の水に熱を伝達する。熱交換部８によって（例えば約６５℃に）温められた湯は、貯湯ユニット３の貯湯槽１１に貯留される。
【００３３】
電気ヒータ９は、熱回収用配管Ｌ２に設けられ、熱交換部８によって温められた湯の温度を更に上昇させる温度上昇手段である。電気ヒータ９は、セルスタック７からの電力線に接続されると共に、系統電源にも接続されており、セルスタック７で発電された電力と、系統電源からの電力との双方により作動可能となっている。より詳しくは、電気ヒータ９は、運転制御装置２０により制御されて熱回収用配管Ｌ２内の湯を加熱することにより、貯湯槽１１に貯えられる湯の温度を（例えば約８０℃に）上昇させる。なお、この電気ヒータ９は、セルスタック７で発電された電力のうち家庭で用いられない余剰分が生じた場合に、その余剰分を用いて熱回収用配管Ｌ２内の湯を加熱する、いわゆる余剰電力ヒータを兼ねている。
【００３４】
貯湯ユニット３は、貯湯槽１１と、バックアップボイラ１２とを有している。貯湯槽１１は、略円筒形状をなす容器であり、熱交換部８により温められた湯を貯留するためのものである。貯湯槽１１は、上部において熱回収用配管Ｌ２と接続しており、熱交換部８で熱伝達された湯を熱回収用配管Ｌ２を介して流入可能な構成となっている。貯湯槽１１は、下部において熱回収用配管Ｌ１と接続しており、貯湯槽１１の下部に貯えられた湯を流出し、熱回収用配管Ｌ１に設けられたポンプ１３により熱交換部８へと送水可能な構成となっている。また、貯湯槽１１内には、貯湯槽１１に貯えられた湯の温度を検出する温度計Ｔが設けられている。温度計Ｔは、貯湯槽１１内に貯えられた湯の温度を検出し、検出した温度を示す温度情報を運転制御装置２０へ出力する。温度計Ｔは、貯湯槽１１の内壁において上下方向に任意の間隔で離間するように複数配置されてもよい。温度計Ｔとしては、熱電対やサーミスタ等が用いられるが、これに限定されない。
【００３５】
三方弁１４は、熱交換部８で熱伝達された湯を貯湯槽１１に流入させたり、貯湯槽１１に流入させずに湯を繰り返し熱交換部８へと導入させたりすることができる。
【００３６】
貯湯槽１１に貯えられる湯の温度は、熱交換部８における熱伝達のみの場合、例えば約６５℃であるが、運転制御装置２０によって制御されて電気ヒータ９が作動した場合、この温度以上、すなわち７０℃〜８０℃にまで上昇可能となっている。
【００３７】
更に、貯湯槽１１は、下部側で給水用配管Ｌ３と接続され、貯湯槽１１の下部側へ上水が給水用配管Ｌ３を介して供給される。また、貯湯槽１１は、上部側で出湯用配管Ｌ４と接続され、貯湯槽１１の上部側から出湯用配管Ｌ４を介して湯を出湯することができる。給水用配管Ｌ３及び出湯用配管Ｌ４には、流量計Ｆ１及び流量計Ｆ２がそれぞれ設けられている。流量計Ｆ１及び流量計Ｆ２は、配管Ｌ３，Ｌ４内を流れる水、貯湯槽１１から出湯される湯の流量をそれぞれ計測し、計測した流量情報を運転制御装置２０へ出力する。
【００３８】
貯湯ユニット３の出湯用配管Ｌ４には、バックアップボイラ１２が設けられている。バックアップボイラ１２は、原燃料を燃焼させるバーナ部を有しており、出湯用配管Ｌ４を通じて出湯される湯の温度が所望の温度に達しない場合に、その湯を加熱する。
【００３９】
運転制御装置２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及び入出力インターフェイスなどを備えて構成されている。また、燃料電池ユニット２や貯湯ユニット３にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等が備わる場合は、そのハードウェア資源を利用して動作するものであっても良い。運転制御装置２０は、演算部２１と、標準データ記憶部２２と、更新データ記憶部２３とを有している。
【００４０】
演算部２１は、燃料電池システム１のシステム全体を制御するものである。より具体的には、演算部２１は、家庭における需要電力量に応じてセルスタック７における発電を制御し、家庭における需要電力又は需要熱量に応じて電気ヒータ９を制御する。また、演算部２１は、家庭における需要電力量及び需要熱量と、需要電力量に基づくセルスタック７での発生電力量と、発生電力量及び需要熱量に基づく貯湯ユニット３における蓄熱量とを演算する機能を有している。
【００４１】
演算部２１は、例えば系統電源に接続された電流計、燃料電池ユニット２に接続された電流計、貯湯ユニット３の温度計Ｔ、流量計Ｆ１，Ｆ２等から出力される情報に基づいて、需要電力量、需要熱量、発生電力量、及び蓄熱量を演算する。また、演算部２１は、電気ヒータ９の運転スケジュール及び燃料電池ユニット２を運転することにより貯湯ユニット３に貯えられる回収熱量を演算する。演算部２１は、需要電力量、需要熱量、発生電力量、蓄熱量、運転スケジュール、及び回収熱量を演算すると、演算した各データを日時に対応させて標準データ記憶部２２に逐次記憶させる。演算部２１は、それらに基づいて標準需要電力量、標準需要熱量、標準発生電力量、標準蓄熱量、標準回収熱量等を演算し、コジェネレーションシステムの標準発電スケジュールを決定し、都度更新していく。また、演算部２１は、標準データ記憶部２２に記憶された情報の中から運転日時に対応する情報を抽出し、抽出した情報に基づいて、いわゆる学習運転を行う。
【００４２】
更に、本実施形態の運転制御装置２０にあっては、演算部２１は、標準データ記憶部２２及び更新データ記憶部２３に記憶された蓄熱量と需要熱量とに基づいて、電気ヒータ９を制御する。
【００４３】
標準データ記憶部２２は、日時に対応させて需要電力量、需要熱量、発生電力量、及び蓄熱量等の各履歴情報を記憶するデータベースである。例えば、図２の例に示されるように、標準データ記憶部２２には、１日の需要電力量が時刻に対応させて記憶されている（図２の破線参照）。この需要電力量は、一種類、或いは、例えば季節ごと、或いは曜日ごとに複数記憶されたものであってもよく、演算部２１によって、前述の季節や曜日等の一定の条件を満たす異なる複数の日における需要電力量の平均値が演算されて、標準データ記憶部２２に記憶されている。
【００４４】
また、標準データ記憶部２２には、この需要電力量に基づく燃料電池ユニット２における発生電力量（図２の一点鎖線参照）と、燃料電池ユニット２における発電に伴って貯湯槽１１に蓄熱される蓄熱量（図２の実線参照）とが記憶されている。この発生電力量及び蓄熱量も、例えば、一種類であってもよく、季節ごと、或いは曜日ごとに複数記憶されたものであってもよい。演算部２１によって、前述の季節や曜日等の一定の条件を満たす異なる複数の日における発生電力量及び蓄熱量の平均値が演算されて、標準データ記憶部２２に記憶されている。ここで、標準データ記憶部２２に記憶される蓄熱量には、前述した電気ヒータ９の作動による蓄熱量の増加分は含まれない。なお、図２において、需要電力量及び発生電力量における単位はｋＷ（×０．１）であり、蓄熱量における単位はＭＪである。
【００４５】
更に、標準データ記憶部２２には、１日の需要熱量が時刻に対応させて記憶されている（図２の二点鎖線参照）。この需要熱量も、例えば、一種類であってもよく、季節ごと、或いは曜日ごとに複数記憶されたものであってもよい。演算部２１によって、前述の季節や曜日等の一定の条件を満たす異なる複数の日における需要熱量の平均値が演算されて、標準データ記憶部２２に記憶されている。
【００４６】
上記のようにして標準データ記憶部２２に記憶された需要電力量、需要熱量、発生電力量、及び蓄熱量は、それぞれ需要電力の予測値、需要熱量の予測値、発生電力量の予測値、及び蓄熱量の予測値に相当する。
【００４７】
なお、標準データ記憶部２２に記憶される需要電力量、需要熱量、発生電力量、及び蓄熱量は、実際の運転履歴に基づいて得られるデータベースである場合に限られず、例えば家庭の規模や地域、或いは設置される燃料電池ユニット２や貯湯ユニット３の規模等に応じて与えられる典型的な数値データであってもよい。
【００４８】
更新データ記憶部２３は、演算部２１によって更新された各データを記憶する。
【００４９】
続いて、燃料電池システム１における動作について図３〜図５を参照しながら説明する。図３に示される各処理は、燃料電池システム１の起動中、運転制御装置２０によって繰り返し実行される。なお、燃料電池システム１が運転され、以下の処理が実行される日を「運転日」という。
【００５０】
ここで、図３を参照して燃料電池システム１における処理手順について説明する。演算部２１は、まず、標準データ記憶部２２から、現在時刻ＸからＹ時間後までにおける、燃料電池システム１の標準発電スケジュールＳｇｐ（Ｘ＿ｓｔｄ）〜Ｓｇｐ（Ｘ＋Ｙ＿ｓｔｄ）、施設からの標準需要熱量Ｑｄｐ（Ｘ_ｓｔｄ）〜Ｑｄｐ（Ｘ＋Ｙ＿ｓｔｄ）、及び、燃料電池システム１を運転することにより回収される標準回収熱量Ｑｇｐ（Ｘ＿ｓｔｄ）〜Ｑｇｐ（Ｘ＋Ｙ＿ｓｔｄ）を標準データ記憶部２２から取得する。
【００５１】
そして、演算部２１は、取得した各データを、更新データ記憶部２３における燃料電池システム１の更新発電スケジュールＳｇｐ（Ｘ）〜Ｓｇｐ（Ｘ＋Ｙ）、施設からの需要熱量の予測値Ｑｄｐ（Ｘ）〜Ｑｄｐ（Ｘ＋Ｙ）、及び燃料電池システム１（より具体的には燃料電池ユニット２）を運転することにより回収される回収熱量の予測値Ｑｇｐ（Ｘ）〜Ｑｇｐ（Ｘ＋Ｙ）の更新データとして記憶する（Ｓ１００）。このとき、電気ヒータ９の運転スケジュールＳｈｐ（Ｘ）〜Ｓｈｐ（Ｘ＋Ｙ）は暫定的に全て停止とし、電気ヒータ９を運転することにより貯湯ユニットに貯えられる補助熱量Ｑｈｐ（Ｘ）〜Ｓｈｐ（Ｘ＋Ｙ）も暫定的に全て０とする。
【００５２】
次に、演算部２１は、前回時刻終了時の貯湯槽１１の蓄熱量の実測値Ｑｓａ（ｘ−１）を取得する（Ｓ２００）。そして、演算部２１は、ステップＳ１００で記憶した更新データを参照して燃料電池システム１の運転を開始する（Ｓ３００）。
【００５３】
次に、演算部２１は、Ｓ１００で取得した更新データと、ステップＳ２００で取得した実測蓄熱量Ｑｓａ（ｘ−１）とに基づいて、再び更新データ記憶部２３に記憶された各種更新データを更新する（Ｓ４００）。これにより、燃料電池システム１は、ステップＳ４００で更新された更新データに基づいて、運転制御装置２０により運転されることになる。
【００５４】
現在時刻Ｘから任意の所定時間（例えば１時間）が経過したら（Ｓ５００）、演算部２１は、現在時刻Ｘ終了時における貯湯ユニットの蓄熱量Ｑｓａ（Ｘ）を取得する（Ｓ６００）。
【００５５】
そして、演算部２１は、現在時刻Ｘをインクリメントし（Ｓ７００）、標準データ記憶部２２から、現在時刻ＸからＹ時間後の燃料電池システム１の発電スケジュールＳｇｐ（Ｘ＋Ｙｓｔｄ）、標準需要熱量Ｑｄｐ（Ｘ＋Ｙ＿ｓｔｄ）、及び標準回収熱量Ｑｇｐ（Ｘ＋Ｙ＿ｓｔｄ）を新たに取得し、取得した各データを更新データ記憶部２３に記憶する（Ｓ８００）。そして、再びステップＳ４００に戻り、ステップＳ４００〜Ｓ８００を繰り返す。
【００５６】
ここで、図３のステップＳ４００における詳細な処理について、図４を参照して説明する。
【００５７】
まず、演算部２１は、演算に用いるインクリメント処理用の文字ｔを初期化する（Ｓ４０１）。次に、演算部２１は、ステップＳ４００で取得した貯湯槽１１の蓄熱量Ｑｓａ（Ｘ−１）の実測値に基づいて、現在時刻Ｘ〜Ｘ＋Ｙまでの蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（Ｘ）〜Ｑｓｐ（Ｘ＋Ｙ）を更新する（Ｓ４０２）。具体的には、例えば以下の式（１）により蓄熱量の予測値を求めることができる。
【００５８】
【数１】
【００５９】
次に、演算部２１は、ステップＳ４０２で更新された蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（Ｘ＋ｔ）と、需要熱量の予測値Ｑｄｐ（Ｘ＋ｔ＋１）とを比較する（Ｓ４０３）。すなわち、演算部２１は、単位時間あたりの蓄熱量の予測値と、翌単位時間後における需要熱量の予測値とを比較する。また、需要熱量の予測値Ｑｄｐ（Ｘ＋ｔ＋１）は、所定の蓄熱量に相当すると共に、予め定められた任意の下限蓄熱量に相当する。
【００６０】
蓄熱量の予測値Ｑｓ（Ｘ＋ｔ）が需要熱量の予測値Ｑｄ（Ｘ＋ｔ＋１）より小さい場合、貯湯槽１１内の蓄熱量Ｑｓ（Ｘ＋ｔ）だけでは需要熱量の予測値Ｑｄ（Ｘ＋ｔ＋１）を賄えないと予想される。そこで、演算部２１は、不足が予想される熱量ΔＱ（＝Ｑｄ（Ｘ＋ｔ＋１）−Ｑｓ（Ｘ＋ｔ））を電気ヒータ９の運転で補助熱量として補うために必要な運転時間Ｚ０を演算する（Ｓ４０４）。具体的には、例えば不足が予想される熱量ΔＱを、電気ヒータ９が単位時間当たりに発生させる蓄熱量Ｑｈで割ることにより必要な運転時間を求めてもよい。その場合、以下の式（２）により運転時間Ｚ０を求めることができる。
【００６１】
【数２】
【００６２】
そして、演算部２１は、蓄熱量を補うために必要な運転時間Ｚがｔ以下である場合にはＺ＝Ｚ０とし、蓄熱量を補うために必要な運転時間Ｚがｔより大きい場合には、Ｚ＝ｔとする（Ｓ４０５）。
【００６３】
そして、演算部２１は、現在時刻Ｘから現在時刻Ｘ＋ｔの間に電気ヒータ９をＺ時間運転するように、電気ヒータ９の運転スケジュールＳｈ（Ｘ）〜Ｓｈ（Ｘ＋ｔ）を更新する（Ｓ４０６）。例えば、更新後のスケジュールは、熱量不足の発生が予測される時刻Ｘ＋ｔからＺ時間遡った時刻から電気ヒータ９の運転を開始してＺ時間後に運転を停止するスケジュール、又は、現在時刻Ｘから電気ヒータの運転を開始してＺ時間後に停止させるスケジュールでもよい。
【００６４】
そして、演算部２１は、電気ヒータ９を運転する場合の補助熱量Ｑｈｐ（Ｘ）〜Ｑｈｐ（Ｘ+１）を付加して、貯湯槽１１の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（Ｘ）〜Ｑｓｐ（Ｘ＋Ｙ）を再演算し、更新データ記憶部２３の各種更新データを再演算結果に更新する（Ｓ４０７）。具体的には、例えば式（１）を用いることができる。
【００６５】
その後、演算部２１は、ステップＳ４０８でｔ+１がＹより小さい場合には、ｔをインクリメントして（Ｓ４０９）、Ｓ４０３に戻る。反対に、ステップＳ４０８でｔ+１がＹより小さくない場合には、図３のＳ６００に進む。
【００６６】
また、ステップＳ４０３においてＱｓ（Ｘ）がＱｄ（Ｘ＋ｔ）より大きい場合、貯湯槽１１内の蓄熱量Ｑｓ（Ｘ＋ｔ）だけで需要蓄熱量の予測値Ｑｄ（Ｘ＋ｔ）を賄えると予想されるため、電気ヒータ９の運転スケジュールを更新することなく、ステップＳ４０８に進む。
【００６７】
以上の処理が行われる場合における需要熱量及び蓄熱量の時系列変化の例について、図５を参照して説明する。図５は、本実施形態における需要熱量及び蓄熱量の時系列変化の一例を示す。横軸は時間を示し、ここでは、６時から燃料電池システム１の運転を開始し、２３時に運転を終了するよう、燃料電池システムの運転スケジュールＳｇが定められているものとする。図５の縦軸は熱量（需要熱量及び蓄熱量）を示す。蓄熱量がこれ以上蓄熱することができない状態、いわゆる満蓄（図５の例では１０ＭＪ）になると、燃料電池システムの発電を停止させるか、ラジエータ（図示せず）によって放熱して燃料電池システムの運転を継続することになる。棒グラフは、各時刻における施設からの需要熱量の予測値Ｑｓｐ（Ｘ）を示す。左下がりの斜線部は、需要熱量の予測値Ｑｓｐに含まれない予定外の熱の需要が発生したことを示す。右下がりの斜線部は、需要熱量の予測値Ｑｓｐに含まれていたものの、実際には需要が発生しなかったことを示す。
【００６８】
例えば、現在時刻から６時間後までの各時刻における貯湯槽１１の蓄熱量の予測値Ｑｓa（Ｘ）を予測する工程を１時間毎に行う制御について説明する。発電により貯湯槽１１に蓄えられる回収熱量Ｑｇを１Ｊ／時、電気ヒータ９を動作させることにより貯湯槽１１に蓄熱される補助熱量Ｑｈを０．５／時とする。下限蓄熱量を０ＭＪとする。
【００６９】
（現在時刻Ｘ＝０時）
現在時刻を０時としたとき、前日２３時台終了時蓄熱量Ｑｓａ（２３）は４ＭＪである。現在時刻から６時間目である５時台までの需要熱量の予測値Ｑｄｐ（０）〜Ｑｄｐ（５）は０ＭＪである。また、燃料電池システム１の運転開始時刻は６時であることから、燃料電池システム１を運転することによる回収熱量Ｑｇｐ（０）〜Ｑｇｐ（５）も０ＭＪである。同様に、電気ヒータ９の運転も行われないため、電気ヒータ９を運転することによる補助熱量Ｑｈｐ（０）〜Ｑｈｐ（５）も０ＭＪである。よって、貯湯槽１１における蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（０）〜Ｑｓｐ（５）は４ＭＪである。
【００７０】
（現在時刻Ｘ＝１時）
予定外の熱の需要が発生することなく、現在時刻が１時になったとき、０時台終了時蓄熱量の実測値Ｑｓａ（０）は４ＭＪとなる。現在時刻から６時間目である６時台に需要熱量の予測値Ｑｄｐ（６）は１ＭＪであり、５時台終了時の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（５）は４ＭＪである。また、６時台には燃料電池システム１を運転することにより得られる回収熱量１ＭＪが蓄熱される。その結果、６時台終了時における貯湯槽１１の蓄熱量の予測値は４ＭＪとなる。
【００７１】
（現在時刻Ｘ＝３時）
予定外の熱の需要が発生することなく、現在時刻が３時になったとき、２時台終了時蓄熱量の実測値Ｑｓａ（２）は４ＭＪとなる。現在時刻から６時間目である８時台の需要熱量の予測値Ｑｄｐ（８）＝３ＭＪ、７時台終了時の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（７）＝２ＭＪであることから、８時台に１ＭＪの蓄熱量不足が発生することが予想される。そこで、演算部２１は、７時台の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（７）が、８時台の需要熱量Ｑｄｐ（８）を上回るように電気ヒータ９の運転スケジュールＳｈ（３）〜Ｓｈ（８）を決定する。電気ヒータ９を運転することにより補うことができる熱量は０．５ＭＪ／時であることから、１ＭＪを補う場合、電気ヒータ９を２時間だけ運転させる必要がある。図５の制御では、演算部２１は、燃料電池システム１の運転開始時刻から２時間（６時台及び７時台）だけ電気ヒータ９を運転させるよう、運転スケジュールＳｈ（３）〜Ｓｈ（８）を更新する。
【００７２】
（現在時刻Ｘ＝６時）
予定外の熱の需要が発生することなく、現在時刻が６時になったとき、５時台終了時蓄熱量の実測値Ｑｓａ（５）は４ＭＪとなる。６時から電気ヒータ９の運転が開始されることから、６時台終了時の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（６）は、貯湯槽１１における蓄熱量の実測値Ｑｓａ（５）＝４ＭＪから需要熱量の予測値Ｑｄｐ（６）＝１ＭＪを差し引き、更に燃料電池システム１を運転することによる回収熱量Ｑｇ（６）＝１ＭＪ及び電気ヒータ９を運転することによる補助熱量Ｑｈ（６）＝０．５ＭＪを付加することにより、４．５ＭＪと算出される。
【００７３】
（現在時刻Ｘ＝１２時）
１１時台に１ＭＪの予定外の熱の需要が発生し、現在時刻が１２時になったとき、１１時台終了時蓄熱量の実測値Ｑｓａ（１１）は２ＭＪとなる。それに伴い、演算部２１は、Ｑｓａ（１２）〜Ｑｓａ（１７）を再演算及び更新する。
【００７４】
（現在時刻Ｘ＝１３時）
１２時台に更に１ＭＪの予定外の熱の需要が発生し、現在時刻が１３時になったとき、１２時台終了時蓄熱量の実測値Ｑｓａ（１２）は１ＭＪとなる。現在時刻から６時間目である１８時台の需要熱量の予測値Ｑｄｐ（１８）＝５ＭＪ、１７時台終了時の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（１７）＝４ＭＪであることから、８時台に再び１ＭＪの蓄熱量不足が発生することが予想される。そこで、演算部２１は、１７時台の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（１７）が、１８時台の需要熱量Ｑｄｐ（１８）を上回るように電気ヒータ９の運転スケジュールＳｈ（１３）〜Ｓｈ（１８）を決定する。図５の制御では、演算部２１は、現在時刻である１３時から２時間（１３時台及び１４時台）だけ電気ヒータ９を運転させるよう、運転スケジュールＳｈ（１３）〜Ｓｈ（１８）を更新する。
【００７５】
（現在時刻Ｘ＝１４時）
１３時以降に予定外の熱の需要が発生することなく、現在時刻が１４時になったとき、１３時台終了時蓄熱量の実測値Ｑｓａ（１３）は２ＭＪとなる。現在時刻から６時間目である１９時台の需要熱量の予測値Ｑｄｐ（１９）＝３ＭＪ、１８時台終了時の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（１８）＝２ＭＪであることから、１９時台に再び１ＭＪの蓄熱量不足が発生することが予想される。そこで、演算部２１は、１８時台の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（１８）が、１９時台の需要熱量Ｑｄｐ（１９）を上回るように電気ヒータ９の運転スケジュールＳｈ（１４）〜Ｓｈ（１９）を決定する。図５の制御では、既に１３時における更新で１４時は電気ヒータ９を運転する予定となっているため、演算部２１は、１５時から２時間（１５時台及び１６時台）だけ電気ヒータ９を運転させるよう、運転スケジュールＳｈ（１４）〜Ｓｈ（１９）を更新する。
【００７６】
（現在時刻Ｘ＝１５時）
１４時以降に予定外の熱の需要が発生することなく、現在時刻が１５時になったとき、１４時台終了時蓄熱量の実測値Ｑｓａ（１４）は４ＭＪとなる。現在時刻から６時間目である２０時台の需要熱量の予測値Ｑｄｐ（２０）＝２ＭＪ、１９時台終了時の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（１９）＝１ＭＪであることから、２０時台に再び１ＭＪの蓄熱量不足が発生することが予想される。そこで、演算部２１は、１９時台の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（１９）が、２０時台の需要熱量Ｑｄｐ（２０）を上回るように電気ヒータ９の運転スケジュールＳｈ（１５）〜Ｓｈ（２０）を決定する。図５の制御では、既に１３時及び１４時における更新で、１５時及び１６時は電気ヒータ９を運転する予定となっているため、演算部２１は、１７時から２時間（１７時台及び１８時台）だけ電気ヒータ９を運転させるよう、運転スケジュールＳｈ（１５）〜Ｓｈ（２０）を更新する。
【００７７】
（現在時刻Ｘ＝１８時）
１７時台に予定していた１ＭＪの熱の需要が発生せず、現在時刻が１８時になったとき、１７時台終了時蓄熱量の実測値Ｑｓａ（１７）は８．５ＭＪとなる。それに伴い、Ｑｓａ（１８）〜Ｑｓａ（２３）を再演算及び更新する。すると、１５時の更新において、２０時台に１ＭＪの蓄熱量不足が発生すると予想されていたが、１７時台に予定していた１ＭＪの熱の需要が発生しなかったことにより、１８時台で電気ヒータ９を運転しなくても蓄熱量不足が発生しないと予測される。そこで、演算部２１は、１８時台に予定していた電気ヒータ９の運転をキャンセルするよう、電気ヒータ９の運転スケジュールＳｈ（１８）〜Ｓｈ（２３）を更新する。
【００７８】
以後同様に、演算部２１は、蓄熱量の実測値Ｑｓａ（Ｘ）の取得、蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（Ｘ）及び電気ヒータ９の運転スケジュールＳｈ（Ｘ）の演算及び更新を繰り返す。
【００７９】
図５の実線グラフは、現在時刻０時時点における蓄熱量の予測値の変化を表す。図５の破線グラフは、１１時台及び１２時台に予定外の熱の需要が発生し、１３時台及び１７時台に予定していた熱の需要が発生しなかった場合の蓄熱量の変化を表す。図５の一点鎖線グラフは、１１時台及び１２時台に予定外の熱の需要が発生し、それ以外は予測通りに熱の需要が発生した場合の蓄熱量の変化を示す。これらを図９の各グラフと比較すると、いずれにおいても蓄熱量不足の発生頻度が低減されていることが分かる。
【００８０】
本実施形態の燃料電池システム１によれば、運転制御装置２０によって、貯湯ユニット３における蓄熱量の予測値に基づいて電気ヒータ９が制御される。そのため、貯湯ユニット３における蓄熱量の予測値が所望の蓄熱量にならないと判断される場合には、電気ヒータ９によって湯の温度を上昇させることができる。特に、多くの需要熱量が見込まれる時間帯に備えて蓄熱量を確保することができる点で、例えば貯湯ユニット３を大型化させなくても、所望の蓄熱量を確保することが可能となり、貯湯ユニット３による熱エネルギーの供給安定性の向上が図られる。
【００８１】
更には、蓄熱量の予測値から需要熱量の予測値を差し引いた値が下限蓄熱量より小さい場合は、蓄熱量不足が発生すると予想される時刻の前に、予め電気ヒータ９が運転され、貯湯ユニット３に補助熱量が蓄熱される。よって、貯湯ユニット３内の蓄熱量の予測精度が高められ、その結果として蓄熱不足の発生が低減される。
【００８２】
また、運転制御装置２０によって、単位時間あたりの蓄熱量の予測値と、翌単位時間後における需要熱量の予測値とが比較されて蓄熱量不足の発生有無が予測される。これによって熱の需要が発生する前に、予想される需要熱量を確実に確保することができるため、蓄熱不足の発生を抑制することができる。
【００８３】
また、貯湯ユニット３における蓄熱量が所定の蓄熱量以下になるというように蓄熱量が不足するのを防止することができる。
【００８４】
次に、図６及び図７を参照して第２実施形態の燃料電池システムにおける処理手順について説明する。第２実施形態の燃料電池システムが図１に示す第１実施形態の燃料電池システム１と異なる点は、運転制御装置２０における処理手順である。具体的には、図３に示される処理手順は同様であるが、図３のＳ４００において、現在時刻Ｘにおける実測蓄熱量Ｑｐ（Ｘ）を取得した後の詳細な処理が異なっている。以下の説明では、図４と同一のステップは説明を省略する。
【００８５】
図６に示すように、不足熱量ΔＱ（＝Ｑｄ（Ｘ＋ｔ＋１）−Ｑｓ（Ｘ＋ｔ））を電気ヒータ９の運転で補助熱量として補うために必要な運転時間Ｚ０をステップＳ４０４で演算した後、演算部２１は、電気ヒータ９の運転スケジュールを更新する（Ｓ４２０）。ステップＳ４２０では、図７に示す処理が実行される。電気ヒータ９は燃料電池システムの発電電力を利用して動作するものであるが、電気ヒータ９を運転したい時間に燃料電池システムが運転状態にない場合がある。そこで、図７に示すように、演算部２１は、現在時刻Ｘ〜Ｘ＋ｔにおいて、燃料電池システムが運転予定であり、かつ、電気ヒータ９の運転が予定されていない時間Ｗを取得する（Ｓ４１０）。
【００８６】
そして、演算部２１は、電気ヒータ９の運転のみで不足熱量を補うと仮定した場合に必要な運転時間Ｚ０と時間Ｗとを比較する（Ｓ４１１）。
【００８７】
電気ヒータ９の運転で不足熱量を補うために必要な運転時間Ｚ０が時間Ｗより大きい場合、電気ヒータ９の運転だけでは不足する熱量を補うことができないため、演算部２１は、燃料電池システムの運転開始時間の繰り上げ時間Ｚ１を求める（Ｓ４１２）。具体的には、例えば以下の式（３）により繰り上げ時間を求めることができる。
【００８８】
【数３】
【００８９】
更に、演算部２１は、当初予定していた燃料電池システムの運転開始時刻以降に電気ヒータ９を運転する時間Ｚ２を以下の式（４）により求める。
【００９０】
【数４】
【００９１】
そして、演算部２１は、電気ヒータ９の運転時間Ｚ（＝Ｚ１＋Ｚ２）を決定する（Ｓ４１４）。
【００９２】
以上の演算結果に基づいて、演算部２１は、燃料電池システムの運転開始時刻をＺ１だけ繰り上げるように運転スケジュールＳｇ（Ｘ）＋Ｓｇ（Ｘ＋ｔ）を決定する。また、演算部２１は、まず燃料電池システムの運転を繰り上げた時間帯にＺ１時間だけ電気ヒータ９を運転し、その後、更にＺ２時間だけ電気ヒータ９を運転するように運転スケジュールＳｈ（Ｘ）〜Ｓｈ（Ｘ＋ｔ）を決定する（Ｓ４１５）。
【００９３】
なお、ステップＳ４１１において、電気ヒータ９の運転のみで不足熱量を補うと仮定した場合に必要な運転時間Ｚ０が、燃料電池システムが運転予定であり、かつ、電気ヒータ９の運転が予定されていない時間Ｗ以下である場合は、燃料電池システムの運転開始時刻を繰り上げる必要がないと判断されるため、第１実施形態と同様に、電気ヒータ９の運転時間Ｚ＝Ｚ０とする（Ｓ４０５）。
【００９４】
以上の処理が行われる場合における需要熱量及び蓄熱量の時系列変化の例について、図８を例にして説明する。図８は、第２実施形態における需要熱量及び蓄熱量の時系列変化の一例を示す。横軸は時間を示し、ここでは、６時から燃料電池システムの運転を開始し、２３時に運転を終了するよう、燃料電池システムの運転スケジュールＳｇが定められているものとする。図８の縦軸は熱量（需要熱量及び蓄熱量）を示す。上限蓄熱量を、満蓄より低い８ＭＪ、下限蓄熱量を、０ＭＪより高い１ＭＪとする。棒グラフは、各時刻における施設からの需要熱量の予測値Ｑｓｐ（Ｘ）を示す。左下がりの斜線部は、需要熱量の予測値Ｑｓｐに含まれない予定外の熱の需要が発生したことを示す。右下がりの斜線部は、需要熱量の予測値Ｑｓｐに含まれていたものの、実際には需要が発生しなかったことを示す。
【００９５】
例えば、現在時刻から６時間後までの各時刻における貯湯槽１１の蓄熱量の予測値Ｑｓa（Ｘ）を予測する工程を１時間毎に行う制御について説明する。発電により貯湯槽１１に蓄えられる回収熱量Ｑｇを１Ｊ／時、電気ヒータ９を動作させることにより貯湯槽１１に蓄熱される補助熱量Ｑｈを０．５／時とする。下限蓄熱量を０ＭＪとする。
【００９６】
（現在時刻Ｘ＝０時）
現在時刻を０時としたとき、前日２３時台終了時蓄熱量Ｑｓａ（２３）は４ＭＪである。現在時刻から６時間目である５時台までの需要熱量の予測値Ｑｄｐ（０）〜Ｑｄｐ（５）は０ＭＪである。また、燃料電池システムの運転開始時刻は６時であることから、燃料電池システムを運転することによる回収熱量Ｑｇｐ（０）〜Ｑｇｐ（５）も０ＭＪである。同様に、電気ヒータ９の運転も行われないため、電気ヒータ９を運転することによる補助熱量Ｑｈｐ（０）〜Ｑｈｐ（５）も０ＭＪである。よって、貯湯槽１１における蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（０）〜Ｑｓｐ（５）は４ＭＪである。
【００９７】
（現在時刻Ｘ＝３時）
予定外の熱の需要が発生することなく、現在時刻が３時になったとき、２時台終了時蓄熱量の実測値Ｑｓａ（２）は４ＭＪとなる。現在時刻から６時間目である８時台の需要熱量の予測値Ｑｄｐ（８）＝３ＭＪ、７時台終了時の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（７）＝２ＭＪであることから、８時台に下限蓄熱量である１ＭＪを維持するためには２ＭＪの蓄熱量不足が発生することが予想される。そこで、演算部２１は、７時台の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（７）が、８時台の需要熱量Ｑｄｐ（８）を上回るように電気ヒータ９の運転スケジュールＳｈ（３）〜Ｓｈ（８）を決定する。電機ヒータ９を運転することにより２ＭＪの熱量を補う場合、４時間だけ電気ヒータ９を運転する必要があるが、燃料電池システムの運転開始時刻は６時であるため、電機ヒータ９の運転時間が１時間だけ不足する。
【００９８】
そこで、演算部２１は、燃料電池システムの運転開始時刻を１時間だけ繰り上げ、更に５時から２時間（５時台及び７時台）だけ電気ヒータ９を運転するように、燃料電池システムの運転スケジュールＳｇ（３）〜Ｓｇ（８）、及び、電気ヒータ９の運転スケジュールＳｈ（３）〜Ｓｈ（８）を更新する。
【００９９】
（現在時刻Ｘ＝１２時）
１１時台に１ＭＪの予定外の熱の需要が発生し、現在時刻が１２時になったとき、１１時台終了時蓄熱量の実測値Ｑｓａ（１１）は２ＭＪとなる。それに伴い、演算部２１は、Ｑｓａ（１２）〜Ｑｓａ（１７）を再演算及び更新する。
【０１００】
（現在時刻Ｘ＝１３時）
１２時台に更に１ＭＪの予定外の熱の需要が発生し、現在時刻が１３時になったとき、１２時台終了時蓄熱量の実測値Ｑｓａ（１２）は２ＭＪとなる。現在時刻から６時間目である１８時台の需要熱量の予測値Ｑｄｐ（１８）＝５ＭＪ、１７時台終了時の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（１７）＝５ＭＪであることから、８時台に再び１ＭＪの蓄熱量不足が発生することが予想される。そこで、演算部２１は、１７時台の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（１７）が、１８時台の需要熱量Ｑｄｐ（１８）より１ＭＪ以上大きな値になるように、電気ヒータ９の運転スケジュールＳｈ（１３）〜Ｓｈ（１８）を決定する。図５の制御では、演算部２１は、現在時刻である１３時から２時間（１３時台及び１４時台）だけ電気ヒータ９を運転させるよう、運転スケジュールＳｈ（１３）〜Ｓｈ（１８）を更新する。
【０１０１】
（現在時刻Ｘ＝１４時）
１３時以降に予定外の熱の需要が発生することなく、現在時刻が１４時になったとき、１３時台終了時蓄熱量の実測値Ｑｓａ（１３）は３．５ＭＪとなる。現在時刻から６時間目である１９時台の需要熱量の予測値Ｑｄｐ（１９）＝３ＭＪ、１８時台終了時の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（１８）＝３ＭＪであることから、１９時台に再び１ＭＪの蓄熱量不足が発生することが予想される。そこで、演算部２１は、１８時台の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（１８）が、１９時台の需要熱量Ｑｄｐ（１９）より１ＭＪ以上大きな値になるように、電気ヒータ９の運転スケジュールＳｈ（１４）〜Ｓｈ（１９）を決定する。図５の制御では、既に１３時における更新で１４時は電気ヒータ９を運転する予定となっていることから、演算部２１は、１５時から２時間（１５時台及び１６時台）だけ電気ヒータ９を運転させるよう、運転スケジュールＳｈ（１４）〜Ｓｈ（１９）を更新する。
【０１０２】
（現在時刻Ｘ＝１５時）
１４時以降に予定外の熱の需要が発生することなく、現在時刻が１５時になったとき、１４時台終了時蓄熱量の実測値Ｑｓａ（１４）は５ＭＪとなる。現在時刻から６時間目である２０時台の需要熱量の予測値Ｑｄｐ（２０）＝２ＭＪ、１９時台終了時の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（１９）＝２ＭＪであることから、２０時台に再び１ＭＪの蓄熱量不足が発生することが予想される。そこで、演算部２１は、１９時台の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（１９）が、２０時台の需要熱量Ｑｄｐ（２０）より１ＭＪ以上大きな値になるように、電気ヒータ９の運転スケジュールＳｈ（１５）〜Ｓｈ（２０）を決定する。図５の制御では、既に１３時及び１４時における更新で、１５時及び１６時は電気ヒータ９を運転する予定となっており、また１７時台に電気ヒータ９を運転すると上限蓄熱量８ＭＪを超過してしまうことから、演算部２１は、１８時から２時間（１８時台及び１９時台）だけ電気ヒータ９を運転させるよう、運転スケジュールＳｈ（１５）〜Ｓｈ（２０）を更新する。
【０１０３】
（現在時刻Ｘ＝１８時）
１７時台に予定していた１ＭＪの熱の需要が発生せず、現在時刻が１８時になったとき、１７時台終了時蓄熱量の実測値Ｑｓａ（１７）は９ＭＪとなる。それに伴い、Ｑｓａ（１８）〜Ｑｓａ（２３）を再演算及び更新する。すると、１５時の更新において、２０時台に１ＭＪの蓄熱量不足が発生すると予想されていたが、１７時台に予定していた１ＭＪの熱の需要が発生しなかったことにより、１８時台及び１９時台で電気ヒータ９を運転しなくても蓄熱量不足が発生しないと予測される。そこで、演算部２１は、１８時台及び１９時台に予定していた電気ヒータ９の運転をキャンセルするよう、電気ヒータ９の運転スケジュールＳｈ（１８）〜Ｓｈ（２３）を更新する。
【０１０４】
以後同様に、演算部２１は、蓄熱量の実測値Ｑｓａ（Ｘ）を取得し、下限蓄熱量を下回らないように電気ヒータ９の運転スケジュールＳｈ（Ｘ）を決定し、蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（Ｘ）の演算及び更新を繰り返す。
【０１０５】
図８の実線グラフは、現在時刻０時時点における蓄熱量の予測値の変化を表す。図８の破線グラフは、１１時台及び１２時台に予定外の熱の需要が発生し、１３時台及び１７時台に予定していた熱の需要が発生しなかった場合の蓄熱量の変化を表す。図８の一点鎖線グラフは、１１時台及び１２時台に予定外の熱の需要が発生し、それ以外は予測通りに熱の需要が発生した場合の蓄熱量の変化を示す。これらを図９の各グラフと比較すると、いずれにおいても蓄熱量不足の発生頻度が低減されていることが分かる。また、図５の各グラフと比較しても、常に下限蓄熱量以上の熱量が確保されているため、予定外の熱の需要への対応も改善されていることが分かる。
【０１０６】
また、鎖線グラフにおいて１８時台の熱の需要発生が遅れたとしても、その場合は翌時間の電気ヒータ９の運転が停止されることから、その後１時間は燃料電池システムの運転を継続することができる。これにより、燃料電池システムの運転を停止させる、或いは、電気ヒータ９を運転して貯えた熱量をラジエータ等により放熱する機会を低減させることができる。
【０１０７】
第２実施形態の燃料電池システムによれば、第１実施形態の燃料電池システム１と同様の作用・効果が奏される。
【０１０８】
また、電気ヒータ９を運転させるべき時刻に燃料電池システムが停止予定である場合には、制御手段によって、燃料電池システムの運転開始時刻が繰り上げられる。よって、電気ヒータ９による貯湯ユニット３への蓄熱機会をより長く確保することができるため、蓄熱不足の発生を抑制することができる。
【０１０９】
また、貯湯ユニット３がこれ以上蓄熱することができない状態で電気ヒータ９を運転しても、蓄熱することができないが、蓄熱量の予測値が上限蓄熱量を上回ることが予想される時間帯には電気ヒータ９を停止させることにより、無駄に電気ヒータ９を運転することを防止することができる。
【０１１０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではない。
【０１１１】
例えば、第１実施形態においては、燃料電池システム１は６時に運転を開始し、２３時に運転を停止する制御を例に説明したが、２４時間以内に起動と停止を繰り返さない制御であっても第一の実施形態を適用することが可能である。
【０１１２】
また、第２実施形態において、電気ヒータ９を運転したい時間に燃料電池システムが運転状態にないと予想される場合は運転開始時刻を繰り上げる制御について説明したが、電気ヒータ９が商用電源から電力供給を受けて運転することも可能な構成である場合には、燃料電池システムが運転状態にないと予想される時刻は系統電源から電力供給を受けて電気ヒータ９のみ運転する制御であってもよい。この場合、電気ヒータ９による貯湯ユニット３への蓄熱機会をより長く確保することができるため、蓄熱不足の発生を抑制することができる。
【０１１３】
更には、第１実施形態及び第２実施形態において、蓄熱量不足の発生が予想される時間帯前に電気ヒータ９による蓄熱を完了するように制御していたが、上限蓄熱量を設定して電気ヒータ９の停止を優先させた場合や、電気ヒータ９の運転だけでは蓄熱量を確保できない場合は、蓄熱量不足が発生している時間帯も継続的に電気ヒータを運転し続けてもよいことは勿論である。
【０１１４】
また、第１実施形態及び第２実施形態において、演算により求められる単位時間あたりの蓄熱量の予測値と、その翌単位時間後における需要熱量の予測値とを比較して蓄熱量不足の発生有無を予測する動作を例にして説明したが、演算により求められる単位時間あたりの蓄熱量の予測値と、同時刻における需要熱量の予測値とを比較して蓄熱量不足の発生有無を予測してもよい。これによると、予定していた熱の需要が発生しなかった又は遅れて発生したことにより貯湯ユニットが満蓄になることをより一層抑制することができる。更に、下限蓄熱量を０ＭＪより大きく設定する実施形態と併用することにより、貯湯ユニットの蓄熱量不足の抑制と満蓄抑制とを両立することができる。
【０１１５】
また、上記実施形態では、理解を容易にするため、発電量と回収熱量とは一定であり、加熱器により得られる補助熱量も一定であることを前提に説明したが、発電量に応じて回収熱量を詳細に予測してもよく、また、不足が見込まれる蓄熱量に応じて加熱器の運転出力を変化させることで補助熱量を調整してもよいことは勿論である。
【０１１６】
また、セルスタック７は、固体高分子形に限定されず、アルカリ電解質形、リン酸形、溶融炭酸塩形、或いは、固体酸化物形等であってもよい。
【０１１７】
また、上記実施形態では、貯湯ユニット３はバックアップボイラ１２を有する場合について説明したが、本発明に加えて施設の需要熱量に適したサイズの貯湯槽を設計・選択することにより、バックアップボイラ１２自体を小型化、簡易化、或いは省略することもできる。
【符号の説明】
【０１１８】
１…燃料電池システム（コジェネレーションシステム）、２…燃料電池ユニット（発電ユニット）、３…貯湯ユニット、９…電気ヒータ（加熱器）、２０…運転制御装置（制御手段）。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コジェネレーションシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、コジェネレーションシステムの一種として、熱の発生を伴って発電を行う燃料電池発電機と、燃料電池の排熱を回収した湯を貯える貯湯ユニットと、燃料電池の余剰電力を用いて湯を加熱するヒータとを備える燃料電池システムが知られている。例えば、下記特許文献１に記載された燃料電池システムでは、余剰電力の逆潮流を防止するにあたり、貯湯ユニットに貯えられた湯の蓄熱量と、温水利用機器における需要熱量の予測値とに基づいて、燃料電池の余剰電力をヒータ又は余剰電力消費用の電力消費機器のいずれかで消費するよう制御している。
【０００３】
このような制御を行うことにより、例えば夏場において湯の利用量が少ない場合に、ヒータに余剰電力が通電されて、結果的に利用されない無駄な熱エネルギーになることを防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３３０００９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の燃料電池システムでは、余剰電力の発生に応じてヒータを作動させるに過ぎないため、例えば冬場において湯の利用量が多くなる場合には、湯の利用量が、燃料電池の排熱回収熱量及び余剰電力発生時のヒータ作動により加熱される熱量を上回る場合があり、貯湯ユニットの蓄熱量不足が生じる可能性がある。
【０００６】
図９は、従来技術における需要熱量及び蓄熱量の時系列変化の一例を示す。横軸は時間を示し、ここでは、６時から燃料電池システムの運転を開始し、２３時に運転を終了するよう、燃料電池システムの運転スケジュールが定められているものとする。図９の縦軸は熱量（需要熱量及び蓄熱量）を示す。蓄熱量が上限値（図９の例では１０ＭＪ）に達すると、それ以上は貯湯槽に蓄熱することができないため、燃料電池システムの発電を停止させるか、ラジエータによって放熱して燃料電池システムの運転を継続することになる。棒グラフは、各時刻における施設からの需要熱量の予測値を示す。左下がりの斜線部は、需要熱量の予測値に含まれない予定外の熱の需要が発生したことを示す。右下がりの斜線部は、需要熱量の予測値に含まれていたものの、実際には需要が発生しなかったことを示す。
【０００７】
図９の実線グラフは、現在時刻０時時点における蓄熱量の予測値の変化を表す。これによると、１９時台〜２１時台まで蓄熱量不足が発生することが予測される。しかし、実際には１１時台及び１２時台の左下がりの斜線部のように予定していない熱の需要が発生する場合、又は、１３時台や１７時台の右下がりの斜線部のように予定していた熱需要が発生しない場合等が起こりえるため、実際の蓄熱量は鎖線のような変化となる。また、１１時台及び１２時台において予定していない熱の需要が発生し、更に１３時及び１７時に予定通りの熱需要が発生した場合、一点鎖線グラフのように、１３時台に蓄熱量不足が発生し、再び１８時台〜２１時台に蓄熱量不足が発生することになる。
【０００８】
このように、従来技術では、所望の蓄熱量を確保することは難しかった。
【０００９】
そこで本発明は、例えば貯湯ユニットを大型化させなくても、所望の蓄熱量を確保することができるコジェネレーションシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明に係るコジェネレーションシステムは、所定の施設に電力及び湯を供給するコジェネレーションシステムであって、電力及び熱を発生させる発電ユニットと、発電ユニットで発生した熱により温められた湯を貯える貯湯ユニットと、貯湯ユニットに貯えられる湯の温度を上昇させる加熱器と、貯湯ユニットにおける蓄熱量の予測値に基づいて加熱器を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
このコジェネレーションシステムによると、制御手段によって、貯湯ユニットにおける蓄熱量の予測値に基づいて加熱器が制御される。そのため、貯湯ユニットにおける蓄熱量の予測値が所望の蓄熱量にならないと判断される場合には、加熱器によって湯の温度を上昇させることができる。これにより、例えば貯湯ユニットを大型化させなくても、所望の蓄熱量を確保することが可能となる。
【００１２】
また、加熱器は、少なくとも発電ユニットが発生させる電力によって動作し、当該動作によって生じる熱量を貯湯ユニットに補助熱量として供給することにより湯の温度を上昇させるものであり、制御手段は、貯湯ユニットにおける蓄熱量の実測値と、施設における需要熱量の予測値と、加熱器の運転スケジュールと、加熱器を運転することにより貯湯ユニットに貯えられる補助熱量の予測値と、発電ユニットを運転することにより貯湯ユニットに回収される回収熱量の予測値と、を演算及び記憶すると共に、現在時刻から所定時間以内の蓄熱量の予測値を単位時間毎に演算により求め、蓄熱量の予測値から需要熱量の予測値を差し引いた値が、予め定められた任意の下限蓄熱量より小さい場合は蓄熱量不足が発生する可能性があると判断し、蓄熱量不足が発生すると予想される時刻の前に、予め加熱器を運転して貯湯ユニットに補助熱量を蓄熱するよう加熱器の運転スケジュールを更新する態様としてもよい。
【００１３】
これによると、制御手段によって、現在時刻から所定時間以内の貯湯ユニットの蓄熱量の予測値が演算され、この蓄熱量の予測値から需要熱量の予測値を差し引いた値が下限蓄熱量より小さい場合は、蓄熱量不足が発生すると予想される時刻の前に、予め加熱器が運転され、貯湯ユニットに補助熱量が蓄熱される。よって、貯湯ユニット内の蓄熱量の予測精度を高めることができ、その結果として蓄熱不足の発生を抑制することができる。ここで、下限蓄熱量は零または正の値である。
【００１４】
また、制御手段は、コジェネレーションシステムの運転スケジュールを更に記憶し、当該運転スケジュールによると、加熱器を運転させるべき時刻にコジェネレーションシステムが停止予定である場合には、コジェネレーションシステムの運転開始時刻を繰り上げるように、コジェネレーションシステムの運転スケジュールを更新する態様としてもよい。
【００１５】
これによると、加熱器による貯湯ユニットへの蓄熱機会をより長く確保することができるため、蓄熱不足の発生を抑制することができる。
【００１６】
また、加熱器は、更に商用電源から電力供給を受けて動作することが可能であって、制御手段は、コジェネレーションシステムの運転スケジュールを更に記憶し、当該運転スケジュールによると、加熱器を運転させるべき時刻にコジェネレーションシステムが停止予定である場合には、コジェネレーションシステムが停止している間は商用電源から加熱器に電力を供給して加熱器を運転する態様としてもよい。
【００１７】
これによると、加熱器による貯湯ユニットへの蓄熱機会をより長く確保することができるため、蓄熱不足の発生を抑制することができる。
【００１８】
また、制御手段は、演算により求められる単位時間あたりの蓄熱量の予測値と、その翌単位時間後における需要熱量の予測値とを比較して蓄熱量不足の発生有無を予測する態様としてもよい。
【００１９】
これによると、熱の需要が発生する前に、予想される需要熱量を確実に確保することができるため、蓄熱不足の発生を抑制することができる。
【００２０】
また、制御手段は、演算により求められる単位時間あたりの蓄熱量の予測値と、同時刻における需要熱量の予測値とを比較して蓄熱量不足の発生有無を予測する態様としてもよい。
【００２１】
これによると、現在時刻における貯湯ユニットの蓄熱量に基づいて加熱器の運転スケジュールを決定するため、加熱器の運転頻度を必要最低限にすることができる。
【００２２】
また、制御手段は、加熱器を運転した場合に蓄熱量の予測値が任意に定められた上限蓄熱量を上回ることが予想される時間帯は、当該時間帯は加熱器を停止させるように加熱器の運転スケジュールを更新する態様としてもよい。
【００２３】
貯湯ユニットがこれ以上蓄熱することができない状態で加熱器を運転しても、蓄熱することができないため、このようにすることにより、無駄に加熱器を運転することを防止することができる。ここで、上限蓄熱量とは、下限蓄熱量よりも大きく、且つ、貯湯ユニットが蓄熱可能な最大蓄熱量以下の値である。
【００２４】
また、制御手段は、蓄熱量の予測値が所定の蓄熱量以下になると判断される場合に、貯湯ユニットにおける蓄熱量が増加するように加熱器を制御する態様としてもよい。
【００２５】
これによると、貯湯ユニットにおける蓄熱量が所定の蓄熱量以下になるというように蓄熱量が不足するのを防止することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、例えば貯湯ユニットを大型化させなくても、所望の蓄熱量を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係るコジェネレーションシステムの第１実施形態を概略的に示すブロック図である。
【図２】需要電力量の予測値、需要電力量に応じた発生電力量の予測値、及び蓄熱量の予測値の時系列変化の例を示す図である。
【図３】図１に示されるコジェネレーションシステムにおける処理手順を示すフローチャートである。
【図４】図３の処理手順について詳細を示すフローチャートである。
【図５】第１実施形態における需要熱量及び蓄熱量の時系列変化の例を示す図である。
【図６】第２実施形態の処理手順について詳細を示すフローチャートである。
【図７】図７の処理手順の一部を示すフローチャートである。
【図８】第２実施形態における需要熱量及び蓄熱量の時系列変化の例を示す図である。
【図９】従来技術における需要熱量及び蓄熱量の時系列変化の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明に係るコジェネレーションシステムの実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２９】
図１に示されるように、コジェネレーションシステムとしての燃料電池システム１は、例えば家庭用として設置されて家庭に電力及び湯を供給するものであり、燃料電池ユニット（発電ユニット）２と、貯湯ユニット３と、運転制御装置（制御手段）２０とを備えている。
【００３０】
燃料電池ユニット２は、原燃料を用いて電力を発生させると共に熱を発生させるものである。燃料電池ユニット２は、改質器６と、固体高分子形のセルスタック７とを有している。改質器６は、内部に改質触媒を収容しており、この改質触媒で原燃料及び水を改質して、水素を含有する改質ガスを生成する。原燃料としては、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス等の炭化水素系気体燃料や、灯油等の炭化水素系液体燃料を用いることができる。改質器６には、外部から供給される水を気化するための気化器や、改質触媒を改質反応に必要な温度にまで加熱するためのバーナ等（いずれも図示せず）が設けられる。
【００３１】
セルスタック７は、ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）と称されるセルが複数層積層されたものである。各セルは、高分子膜である電解質が燃料極と空気極との間に配置されて構成されている。セルスタック７においては、燃料極側には改質器６によって生成された改質ガスが導入され、空気極側には空気が導入される。このようにセルスタック７は、改質ガスと空気（酸素）を用いて発電を行う。セルスタック７で発電された電力は、電力線を介して家庭内の電気機器に出力される。なお、セルスタック７の燃料極側に導入された改質ガスのオフガスは、セルスタック７のバーナに供給されて再利用される。
【００３２】
また、燃料電池ユニット２には、熱交換部８と、電気ヒータ（加熱器）９とが設けられている。熱交換部８は、セルスタック７の各セル間に配置された水の流路を有しており、セルスタック７で生じた熱を回収し、熱交換部８と貯湯ユニット３との間で水を循環させる熱回収用配管Ｌ１，Ｌ２内の水に熱を伝達する。熱交換部８によって（例えば約６５℃に）温められた湯は、貯湯ユニット３の貯湯槽１１に貯留される。
【００３３】
電気ヒータ９は、熱回収用配管Ｌ２に設けられ、熱交換部８によって温められた湯の温度を更に上昇させる温度上昇手段である。電気ヒータ９は、セルスタック７からの電力線に接続されると共に、系統電源にも接続されており、セルスタック７で発電された電力と、系統電源からの電力との双方により作動可能となっている。より詳しくは、電気ヒータ９は、運転制御装置２０により制御されて熱回収用配管Ｌ２内の湯を加熱することにより、貯湯槽１１に貯えられる湯の温度を（例えば約８０℃に）上昇させる。なお、この電気ヒータ９は、セルスタック７で発電された電力のうち家庭で用いられない余剰分が生じた場合に、その余剰分を用いて熱回収用配管Ｌ２内の湯を加熱する、いわゆる余剰電力ヒータを兼ねている。
【００３４】
貯湯ユニット３は、貯湯槽１１と、バックアップボイラ１２とを有している。貯湯槽１１は、略円筒形状をなす容器であり、熱交換部８により温められた湯を貯留するためのものである。貯湯槽１１は、上部において熱回収用配管Ｌ２と接続しており、熱交換部８で熱伝達された湯を熱回収用配管Ｌ２を介して流入可能な構成となっている。貯湯槽１１は、下部において熱回収用配管Ｌ１と接続しており、貯湯槽１１の下部に貯えられた湯を流出し、熱回収用配管Ｌ１に設けられたポンプ１３により熱交換部８へと送水可能な構成となっている。また、貯湯槽１１内には、貯湯槽１１に貯えられた湯の温度を検出する温度計Ｔが設けられている。温度計Ｔは、貯湯槽１１内に貯えられた湯の温度を検出し、検出した温度を示す温度情報を運転制御装置２０へ出力する。温度計Ｔは、貯湯槽１１の内壁において上下方向に任意の間隔で離間するように複数配置されてもよい。温度計Ｔとしては、熱電対やサーミスタ等が用いられるが、これに限定されない。
【００３５】
三方弁１４は、熱交換部８で熱伝達された湯を貯湯槽１１に流入させたり、貯湯槽１１に流入させずに湯を繰り返し熱交換部８へと導入させたりすることができる。
【００３６】
貯湯槽１１に貯えられる湯の温度は、熱交換部８における熱伝達のみの場合、例えば約６５℃であるが、運転制御装置２０によって制御されて電気ヒータ９が作動した場合、この温度以上、すなわち７０℃〜８０℃にまで上昇可能となっている。
【００３７】
更に、貯湯槽１１は、下部側で給水用配管Ｌ３と接続され、貯湯槽１１の下部側へ上水が給水用配管Ｌ３を介して供給される。また、貯湯槽１１は、上部側で出湯用配管Ｌ４と接続され、貯湯槽１１の上部側から出湯用配管Ｌ４を介して湯を出湯することができる。給水用配管Ｌ３及び出湯用配管Ｌ４には、流量計Ｆ１及び流量計Ｆ２がそれぞれ設けられている。流量計Ｆ１及び流量計Ｆ２は、配管Ｌ３，Ｌ４内を流れる水、貯湯槽１１から出湯される湯の流量をそれぞれ計測し、計測した流量情報を運転制御装置２０へ出力する。
【００３８】
貯湯ユニット３の出湯用配管Ｌ４には、バックアップボイラ１２が設けられている。バックアップボイラ１２は、原燃料を燃焼させるバーナ部を有しており、出湯用配管Ｌ４を通じて出湯される湯の温度が所望の温度に達しない場合に、その湯を加熱する。
【００３９】
運転制御装置２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及び入出力インターフェイスなどを備えて構成されている。また、燃料電池ユニット２や貯湯ユニット３にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等が備わる場合は、そのハードウェア資源を利用して動作するものであっても良い。運転制御装置２０は、演算部２１と、標準データ記憶部２２と、更新データ記憶部２３とを有している。
【００４０】
演算部２１は、燃料電池システム１のシステム全体を制御するものである。より具体的には、演算部２１は、家庭における需要電力量に応じてセルスタック７における発電を制御し、家庭における需要電力又は需要熱量に応じて電気ヒータ９を制御する。また、演算部２１は、家庭における需要電力量及び需要熱量と、需要電力量に基づくセルスタック７での発生電力量と、発生電力量及び需要熱量に基づく貯湯ユニット３における蓄熱量とを演算する機能を有している。
【００４１】
演算部２１は、例えば系統電源に接続された電流計、燃料電池ユニット２に接続された電流計、貯湯ユニット３の温度計Ｔ、流量計Ｆ１，Ｆ２等から出力される情報に基づいて、需要電力量、需要熱量、発生電力量、及び蓄熱量を演算する。また、演算部２１は、電気ヒータ９の運転スケジュール及び燃料電池ユニット２を運転することにより貯湯ユニット３に貯えられる回収熱量を演算する。演算部２１は、需要電力量、需要熱量、発生電力量、蓄熱量、運転スケジュール、及び回収熱量を演算すると、演算した各データを日時に対応させて標準データ記憶部２２に逐次記憶させる。演算部２１は、それらに基づいて標準需要電力量、標準需要熱量、標準発生電力量、標準蓄熱量、標準回収熱量等を演算し、コジェネレーションシステムの標準発電スケジュールを決定し、都度更新していく。また、演算部２１は、標準データ記憶部２２に記憶された情報の中から運転日時に対応する情報を抽出し、抽出した情報に基づいて、いわゆる学習運転を行う。
【００４２】
更に、本実施形態の運転制御装置２０にあっては、演算部２１は、標準データ記憶部２２及び更新データ記憶部２３に記憶された蓄熱量と需要熱量とに基づいて、電気ヒータ９を制御する。
【００４３】
標準データ記憶部２２は、日時に対応させて需要電力量、需要熱量、発生電力量、及び蓄熱量等の各履歴情報を記憶するデータベースである。例えば、図２の例に示されるように、標準データ記憶部２２には、１日の需要電力量が時刻に対応させて記憶されている（図２の破線参照）。この需要電力量は、一種類、或いは、例えば季節ごと、或いは曜日ごとに複数記憶されたものであってもよく、演算部２１によって、前述の季節や曜日等の一定の条件を満たす異なる複数の日における需要電力量の平均値が演算されて、標準データ記憶部２２に記憶されている。
【００４４】
また、標準データ記憶部２２には、この需要電力量に基づく燃料電池ユニット２における発生電力量（図２の一点鎖線参照）と、燃料電池ユニット２における発電に伴って貯湯槽１１に蓄熱される蓄熱量（図２の実線参照）とが記憶されている。この発生電力量及び蓄熱量も、例えば、一種類であってもよく、季節ごと、或いは曜日ごとに複数記憶されたものであってもよい。演算部２１によって、前述の季節や曜日等の一定の条件を満たす異なる複数の日における発生電力量及び蓄熱量の平均値が演算されて、標準データ記憶部２２に記憶されている。ここで、標準データ記憶部２２に記憶される蓄熱量には、前述した電気ヒータ９の作動による蓄熱量の増加分は含まれない。なお、図２において、需要電力量及び発生電力量における単位はｋＷ（×０．１）であり、蓄熱量における単位はＭＪである。
【００４５】
更に、標準データ記憶部２２には、１日の需要熱量が時刻に対応させて記憶されている（図２の二点鎖線参照）。この需要熱量も、例えば、一種類であってもよく、季節ごと、或いは曜日ごとに複数記憶されたものであってもよい。演算部２１によって、前述の季節や曜日等の一定の条件を満たす異なる複数の日における需要熱量の平均値が演算されて、標準データ記憶部２２に記憶されている。
【００４６】
上記のようにして標準データ記憶部２２に記憶された需要電力量、需要熱量、発生電力量、及び蓄熱量は、それぞれ需要電力の予測値、需要熱量の予測値、発生電力量の予測値、及び蓄熱量の予測値に相当する。
【００４７】
なお、標準データ記憶部２２に記憶される需要電力量、需要熱量、発生電力量、及び蓄熱量は、実際の運転履歴に基づいて得られるデータベースである場合に限られず、例えば家庭の規模や地域、或いは設置される燃料電池ユニット２や貯湯ユニット３の規模等に応じて与えられる典型的な数値データであってもよい。
【００４８】
更新データ記憶部２３は、演算部２１によって更新された各データを記憶する。
【００４９】
続いて、燃料電池システム１における動作について図３〜図５を参照しながら説明する。図３に示される各処理は、燃料電池システム１の起動中、運転制御装置２０によって繰り返し実行される。なお、燃料電池システム１が運転され、以下の処理が実行される日を「運転日」という。
【００５０】
ここで、図３を参照して燃料電池システム１における処理手順について説明する。演算部２１は、まず、標準データ記憶部２２から、現在時刻ＸからＹ時間後までにおける、燃料電池システム１の標準発電スケジュールＳｇｐ（Ｘ＿ｓｔｄ）〜Ｓｇｐ（Ｘ＋Ｙ＿ｓｔｄ）、施設からの標準需要熱量Ｑｄｐ（Ｘ_ｓｔｄ）〜Ｑｄｐ（Ｘ＋Ｙ＿ｓｔｄ）、及び、燃料電池システム１を運転することにより回収される標準回収熱量Ｑｇｐ（Ｘ＿ｓｔｄ）〜Ｑｇｐ（Ｘ＋Ｙ＿ｓｔｄ）を標準データ記憶部２２から取得する。
【００５１】
そして、演算部２１は、取得した各データを、更新データ記憶部２３における燃料電池システム１の更新発電スケジュールＳｇｐ（Ｘ）〜Ｓｇｐ（Ｘ＋Ｙ）、施設からの需要熱量の予測値Ｑｄｐ（Ｘ）〜Ｑｄｐ（Ｘ＋Ｙ）、及び燃料電池システム１（より具体的には燃料電池ユニット２）を運転することにより回収される回収熱量の予測値Ｑｇｐ（Ｘ）〜Ｑｇｐ（Ｘ＋Ｙ）の更新データとして記憶する（Ｓ１００）。このとき、電気ヒータ９の運転スケジュールＳｈｐ（Ｘ）〜Ｓｈｐ（Ｘ＋Ｙ）は暫定的に全て停止とし、電気ヒータ９を運転することにより貯湯ユニットに貯えられる補助熱量Ｑｈｐ（Ｘ）〜Ｓｈｐ（Ｘ＋Ｙ）も暫定的に全て０とする。
【００５２】
次に、演算部２１は、前回時刻終了時の貯湯槽１１の蓄熱量の実測値Ｑｓａ（ｘ−１）を取得する（Ｓ２００）。そして、演算部２１は、ステップＳ１００で記憶した更新データを参照して燃料電池システム１の運転を開始する（Ｓ３００）。
【００５３】
次に、演算部２１は、Ｓ１００で取得した更新データと、ステップＳ２００で取得した実測蓄熱量Ｑｓａ（ｘ−１）とに基づいて、再び更新データ記憶部２３に記憶された各種更新データを更新する（Ｓ４００）。これにより、燃料電池システム１は、ステップＳ４００で更新された更新データに基づいて、運転制御装置２０により運転されることになる。
【００５４】
現在時刻Ｘから任意の所定時間（例えば１時間）が経過したら（Ｓ５００）、演算部２１は、現在時刻Ｘ終了時における貯湯ユニットの蓄熱量Ｑｓａ（Ｘ）を取得する（Ｓ６００）。
【００５５】
そして、演算部２１は、現在時刻Ｘをインクリメントし（Ｓ７００）、標準データ記憶部２２から、現在時刻ＸからＹ時間後の燃料電池システム１の発電スケジュールＳｇｐ（Ｘ＋Ｙｓｔｄ）、標準需要熱量Ｑｄｐ（Ｘ＋Ｙ＿ｓｔｄ）、及び標準回収熱量Ｑｇｐ（Ｘ＋Ｙ＿ｓｔｄ）を新たに取得し、取得した各データを更新データ記憶部２３に記憶する（Ｓ８００）。そして、再びステップＳ４００に戻り、ステップＳ４００〜Ｓ８００を繰り返す。
【００５６】
ここで、図３のステップＳ４００における詳細な処理について、図４を参照して説明する。
【００５７】
まず、演算部２１は、演算に用いるインクリメント処理用の文字ｔを初期化する（Ｓ４０１）。次に、演算部２１は、ステップＳ４００で取得した貯湯槽１１の蓄熱量Ｑｓａ（Ｘ−１）の実測値に基づいて、現在時刻Ｘ〜Ｘ＋Ｙまでの蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（Ｘ）〜Ｑｓｐ（Ｘ＋Ｙ）を更新する（Ｓ４０２）。具体的には、例えば以下の式（１）により蓄熱量の予測値を求めることができる。
【００５８】
【数１】
【００５９】
次に、演算部２１は、ステップＳ４０２で更新された蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（Ｘ＋ｔ）と、需要熱量の予測値Ｑｄｐ（Ｘ＋ｔ＋１）とを比較する（Ｓ４０３）。すなわち、演算部２１は、単位時間あたりの蓄熱量の予測値と、翌単位時間後における需要熱量の予測値とを比較する。また、需要熱量の予測値Ｑｄｐ（Ｘ＋ｔ＋１）は、所定の蓄熱量に相当すると共に、予め定められた任意の下限蓄熱量に相当する。
【００６０】
蓄熱量の予測値Ｑｓ（Ｘ＋ｔ）が需要熱量の予測値Ｑｄ（Ｘ＋ｔ＋１）より小さい場合、貯湯槽１１内の蓄熱量Ｑｓ（Ｘ＋ｔ）だけでは需要熱量の予測値Ｑｄ（Ｘ＋ｔ＋１）を賄えないと予想される。そこで、演算部２１は、不足が予想される熱量ΔＱ（＝Ｑｄ（Ｘ＋ｔ＋１）−Ｑｓ（Ｘ＋ｔ））を電気ヒータ９の運転で補助熱量として補うために必要な運転時間Ｚ０を演算する（Ｓ４０４）。具体的には、例えば不足が予想される熱量ΔＱを、電気ヒータ９が単位時間当たりに発生させる蓄熱量Ｑｈで割ることにより必要な運転時間を求めてもよい。その場合、以下の式（２）により運転時間Ｚ０を求めることができる。
【００６１】
【数２】
【００６２】
そして、演算部２１は、蓄熱量を補うために必要な運転時間Ｚがｔ以下である場合にはＺ＝Ｚ０とし、蓄熱量を補うために必要な運転時間Ｚがｔより大きい場合には、Ｚ＝ｔとする（Ｓ４０５）。
【００６３】
そして、演算部２１は、現在時刻Ｘから現在時刻Ｘ＋ｔの間に電気ヒータ９をＺ時間運転するように、電気ヒータ９の運転スケジュールＳｈ（Ｘ）〜Ｓｈ（Ｘ＋ｔ）を更新する（Ｓ４０６）。例えば、更新後のスケジュールは、熱量不足の発生が予測される時刻Ｘ＋ｔからＺ時間遡った時刻から電気ヒータ９の運転を開始してＺ時間後に運転を停止するスケジュール、又は、現在時刻Ｘから電気ヒータの運転を開始してＺ時間後に停止させるスケジュールでもよい。
【００６４】
そして、演算部２１は、電気ヒータ９を運転する場合の補助熱量Ｑｈｐ（Ｘ）〜Ｑｈｐ（Ｘ+１）を付加して、貯湯槽１１の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（Ｘ）〜Ｑｓｐ（Ｘ＋Ｙ）を再演算し、更新データ記憶部２３の各種更新データを再演算結果に更新する（Ｓ４０７）。具体的には、例えば式（１）を用いることができる。
【００６５】
その後、演算部２１は、ステップＳ４０８でｔ+１がＹより小さい場合には、ｔをインクリメントして（Ｓ４０９）、Ｓ４０３に戻る。反対に、ステップＳ４０８でｔ+１がＹより小さくない場合には、図３のＳ６００に進む。
【００６６】
また、ステップＳ４０３においてＱｓ（Ｘ）がＱｄ（Ｘ＋ｔ）より大きい場合、貯湯槽１１内の蓄熱量Ｑｓ（Ｘ＋ｔ）だけで需要蓄熱量の予測値Ｑｄ（Ｘ＋ｔ）を賄えると予想されるため、電気ヒータ９の運転スケジュールを更新することなく、ステップＳ４０８に進む。
【００６７】
以上の処理が行われる場合における需要熱量及び蓄熱量の時系列変化の例について、図５を参照して説明する。図５は、本実施形態における需要熱量及び蓄熱量の時系列変化の一例を示す。横軸は時間を示し、ここでは、６時から燃料電池システム１の運転を開始し、２３時に運転を終了するよう、燃料電池システムの運転スケジュールＳｇが定められているものとする。図５の縦軸は熱量（需要熱量及び蓄熱量）を示す。蓄熱量がこれ以上蓄熱することができない状態、いわゆる満蓄（図５の例では１０ＭＪ）になると、燃料電池システムの発電を停止させるか、ラジエータ（図示せず）によって放熱して燃料電池システムの運転を継続することになる。棒グラフは、各時刻における施設からの需要熱量の予測値Ｑｓｐ（Ｘ）を示す。左下がりの斜線部は、需要熱量の予測値Ｑｓｐに含まれない予定外の熱の需要が発生したことを示す。右下がりの斜線部は、需要熱量の予測値Ｑｓｐに含まれていたものの、実際には需要が発生しなかったことを示す。
【００６８】
例えば、現在時刻から６時間後までの各時刻における貯湯槽１１の蓄熱量の予測値Ｑｓa（Ｘ）を予測する工程を１時間毎に行う制御について説明する。発電により貯湯槽１１に蓄えられる回収熱量Ｑｇを１Ｊ／時、電気ヒータ９を動作させることにより貯湯槽１１に蓄熱される補助熱量Ｑｈを０．５／時とする。下限蓄熱量を０ＭＪとする。
【００６９】
（現在時刻Ｘ＝０時）
現在時刻を０時としたとき、前日２３時台終了時蓄熱量Ｑｓａ（２３）は４ＭＪである。現在時刻から６時間目である５時台までの需要熱量の予測値Ｑｄｐ（０）〜Ｑｄｐ（５）は０ＭＪである。また、燃料電池システム１の運転開始時刻は６時であることから、燃料電池システム１を運転することによる回収熱量Ｑｇｐ（０）〜Ｑｇｐ（５）も０ＭＪである。同様に、電気ヒータ９の運転も行われないため、電気ヒータ９を運転することによる補助熱量Ｑｈｐ（０）〜Ｑｈｐ（５）も０ＭＪである。よって、貯湯槽１１における蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（０）〜Ｑｓｐ（５）は４ＭＪである。
【００７０】
（現在時刻Ｘ＝１時）
予定外の熱の需要が発生することなく、現在時刻が１時になったとき、０時台終了時蓄熱量の実測値Ｑｓａ（０）は４ＭＪとなる。現在時刻から６時間目である６時台に需要熱量の予測値Ｑｄｐ（６）は１ＭＪであり、５時台終了時の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（５）は４ＭＪである。また、６時台には燃料電池システム１を運転することにより得られる回収熱量１ＭＪが蓄熱される。その結果、６時台終了時における貯湯槽１１の蓄熱量の予測値は４ＭＪとなる。
【００７１】
（現在時刻Ｘ＝３時）
予定外の熱の需要が発生することなく、現在時刻が３時になったとき、２時台終了時蓄熱量の実測値Ｑｓａ（２）は４ＭＪとなる。現在時刻から６時間目である８時台の需要熱量の予測値Ｑｄｐ（８）＝３ＭＪ、７時台終了時の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（７）＝２ＭＪであることから、８時台に１ＭＪの蓄熱量不足が発生することが予想される。そこで、演算部２１は、７時台の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（７）が、８時台の需要熱量Ｑｄｐ（８）を上回るように電気ヒータ９の運転スケジュールＳｈ（３）〜Ｓｈ（８）を決定する。電気ヒータ９を運転することにより補うことができる熱量は０．５ＭＪ／時であることから、１ＭＪを補う場合、電気ヒータ９を２時間だけ運転させる必要がある。図５の制御では、演算部２１は、燃料電池システム１の運転開始時刻から２時間（６時台及び７時台）だけ電気ヒータ９を運転させるよう、運転スケジュールＳｈ（３）〜Ｓｈ（８）を更新する。
【００７２】
（現在時刻Ｘ＝６時）
予定外の熱の需要が発生することなく、現在時刻が６時になったとき、５時台終了時蓄熱量の実測値Ｑｓａ（５）は４ＭＪとなる。６時から電気ヒータ９の運転が開始されることから、６時台終了時の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（６）は、貯湯槽１１における蓄熱量の実測値Ｑｓａ（５）＝４ＭＪから需要熱量の予測値Ｑｄｐ（６）＝１ＭＪを差し引き、更に燃料電池システム１を運転することによる回収熱量Ｑｇ（６）＝１ＭＪ及び電気ヒータ９を運転することによる補助熱量Ｑｈ（６）＝０．５ＭＪを付加することにより、４．５ＭＪと算出される。
【００７３】
（現在時刻Ｘ＝１２時）
１１時台に１ＭＪの予定外の熱の需要が発生し、現在時刻が１２時になったとき、１１時台終了時蓄熱量の実測値Ｑｓａ（１１）は２ＭＪとなる。それに伴い、演算部２１は、Ｑｓａ（１２）〜Ｑｓａ（１７）を再演算及び更新する。
【００７４】
（現在時刻Ｘ＝１３時）
１２時台に更に１ＭＪの予定外の熱の需要が発生し、現在時刻が１３時になったとき、１２時台終了時蓄熱量の実測値Ｑｓａ（１２）は１ＭＪとなる。現在時刻から６時間目である１８時台の需要熱量の予測値Ｑｄｐ（１８）＝５ＭＪ、１７時台終了時の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（１７）＝４ＭＪであることから、８時台に再び１ＭＪの蓄熱量不足が発生することが予想される。そこで、演算部２１は、１７時台の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（１７）が、１８時台の需要熱量Ｑｄｐ（１８）を上回るように電気ヒータ９の運転スケジュールＳｈ（１３）〜Ｓｈ（１８）を決定する。図５の制御では、演算部２１は、現在時刻である１３時から２時間（１３時台及び１４時台）だけ電気ヒータ９を運転させるよう、運転スケジュールＳｈ（１３）〜Ｓｈ（１８）を更新する。
【００７５】
（現在時刻Ｘ＝１４時）
１３時以降に予定外の熱の需要が発生することなく、現在時刻が１４時になったとき、１３時台終了時蓄熱量の実測値Ｑｓａ（１３）は２ＭＪとなる。現在時刻から６時間目である１９時台の需要熱量の予測値Ｑｄｐ（１９）＝３ＭＪ、１８時台終了時の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（１８）＝２ＭＪであることから、１９時台に再び１ＭＪの蓄熱量不足が発生することが予想される。そこで、演算部２１は、１８時台の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（１８）が、１９時台の需要熱量Ｑｄｐ（１９）を上回るように電気ヒータ９の運転スケジュールＳｈ（１４）〜Ｓｈ（１９）を決定する。図５の制御では、既に１３時における更新で１４時は電気ヒータ９を運転する予定となっているため、演算部２１は、１５時から２時間（１５時台及び１６時台）だけ電気ヒータ９を運転させるよう、運転スケジュールＳｈ（１４）〜Ｓｈ（１９）を更新する。
【００７６】
（現在時刻Ｘ＝１５時）
１４時以降に予定外の熱の需要が発生することなく、現在時刻が１５時になったとき、１４時台終了時蓄熱量の実測値Ｑｓａ（１４）は４ＭＪとなる。現在時刻から６時間目である２０時台の需要熱量の予測値Ｑｄｐ（２０）＝２ＭＪ、１９時台終了時の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（１９）＝１ＭＪであることから、２０時台に再び１ＭＪの蓄熱量不足が発生することが予想される。そこで、演算部２１は、１９時台の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（１９）が、２０時台の需要熱量Ｑｄｐ（２０）を上回るように電気ヒータ９の運転スケジュールＳｈ（１５）〜Ｓｈ（２０）を決定する。図５の制御では、既に１３時及び１４時における更新で、１５時及び１６時は電気ヒータ９を運転する予定となっているため、演算部２１は、１７時から２時間（１７時台及び１８時台）だけ電気ヒータ９を運転させるよう、運転スケジュールＳｈ（１５）〜Ｓｈ（２０）を更新する。
【００７７】
（現在時刻Ｘ＝１８時）
１７時台に予定していた１ＭＪの熱の需要が発生せず、現在時刻が１８時になったとき、１７時台終了時蓄熱量の実測値Ｑｓａ（１７）は８．５ＭＪとなる。それに伴い、Ｑｓａ（１８）〜Ｑｓａ（２３）を再演算及び更新する。すると、１５時の更新において、２０時台に１ＭＪの蓄熱量不足が発生すると予想されていたが、１７時台に予定していた１ＭＪの熱の需要が発生しなかったことにより、１８時台で電気ヒータ９を運転しなくても蓄熱量不足が発生しないと予測される。そこで、演算部２１は、１８時台に予定していた電気ヒータ９の運転をキャンセルするよう、電気ヒータ９の運転スケジュールＳｈ（１８）〜Ｓｈ（２３）を更新する。
【００７８】
以後同様に、演算部２１は、蓄熱量の実測値Ｑｓａ（Ｘ）の取得、蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（Ｘ）及び電気ヒータ９の運転スケジュールＳｈ（Ｘ）の演算及び更新を繰り返す。
【００７９】
図５の実線グラフは、現在時刻０時時点における蓄熱量の予測値の変化を表す。図５の破線グラフは、１１時台及び１２時台に予定外の熱の需要が発生し、１３時台及び１７時台に予定していた熱の需要が発生しなかった場合の蓄熱量の変化を表す。図５の一点鎖線グラフは、１１時台及び１２時台に予定外の熱の需要が発生し、それ以外は予測通りに熱の需要が発生した場合の蓄熱量の変化を示す。これらを図９の各グラフと比較すると、いずれにおいても蓄熱量不足の発生頻度が低減されていることが分かる。
【００８０】
本実施形態の燃料電池システム１によれば、運転制御装置２０によって、貯湯ユニット３における蓄熱量の予測値に基づいて電気ヒータ９が制御される。そのため、貯湯ユニット３における蓄熱量の予測値が所望の蓄熱量にならないと判断される場合には、電気ヒータ９によって湯の温度を上昇させることができる。特に、多くの需要熱量が見込まれる時間帯に備えて蓄熱量を確保することができる点で、例えば貯湯ユニット３を大型化させなくても、所望の蓄熱量を確保することが可能となり、貯湯ユニット３による熱エネルギーの供給安定性の向上が図られる。
【００８１】
更には、蓄熱量の予測値から需要熱量の予測値を差し引いた値が下限蓄熱量より小さい場合は、蓄熱量不足が発生すると予想される時刻の前に、予め電気ヒータ９が運転され、貯湯ユニット３に補助熱量が蓄熱される。よって、貯湯ユニット３内の蓄熱量の予測精度が高められ、その結果として蓄熱不足の発生が低減される。
【００８２】
また、運転制御装置２０によって、単位時間あたりの蓄熱量の予測値と、翌単位時間後における需要熱量の予測値とが比較されて蓄熱量不足の発生有無が予測される。これによって熱の需要が発生する前に、予想される需要熱量を確実に確保することができるため、蓄熱不足の発生を抑制することができる。
【００８３】
また、貯湯ユニット３における蓄熱量が所定の蓄熱量以下になるというように蓄熱量が不足するのを防止することができる。
【００８４】
次に、図６及び図７を参照して第２実施形態の燃料電池システムにおける処理手順について説明する。第２実施形態の燃料電池システムが図１に示す第１実施形態の燃料電池システム１と異なる点は、運転制御装置２０における処理手順である。具体的には、図３に示される処理手順は同様であるが、図３のＳ４００において、現在時刻Ｘにおける実測蓄熱量Ｑｐ（Ｘ）を取得した後の詳細な処理が異なっている。以下の説明では、図４と同一のステップは説明を省略する。
【００８５】
図６に示すように、不足熱量ΔＱ（＝Ｑｄ（Ｘ＋ｔ＋１）−Ｑｓ（Ｘ＋ｔ））を電気ヒータ９の運転で補助熱量として補うために必要な運転時間Ｚ０をステップＳ４０４で演算した後、演算部２１は、電気ヒータ９の運転スケジュールを更新する（Ｓ４２０）。ステップＳ４２０では、図７に示す処理が実行される。電気ヒータ９は燃料電池システムの発電電力を利用して動作するものであるが、電気ヒータ９を運転したい時間に燃料電池システムが運転状態にない場合がある。そこで、図７に示すように、演算部２１は、現在時刻Ｘ〜Ｘ＋ｔにおいて、燃料電池システムが運転予定であり、かつ、電気ヒータ９の運転が予定されていない時間Ｗを取得する（Ｓ４１０）。
【００８６】
そして、演算部２１は、電気ヒータ９の運転のみで不足熱量を補うと仮定した場合に必要な運転時間Ｚ０と時間Ｗとを比較する（Ｓ４１１）。
【００８７】
電気ヒータ９の運転で不足熱量を補うために必要な運転時間Ｚ０が時間Ｗより大きい場合、電気ヒータ９の運転だけでは不足する熱量を補うことができないため、演算部２１は、燃料電池システムの運転開始時間の繰り上げ時間Ｚ１を求める（Ｓ４１２）。具体的には、例えば以下の式（３）により繰り上げ時間を求めることができる。
【００８８】
【数３】
【００８９】
更に、演算部２１は、当初予定していた燃料電池システムの運転開始時刻以降に電気ヒータ９を運転する時間Ｚ２を以下の式（４）により求める。
【００９０】
【数４】
【００９１】
そして、演算部２１は、電気ヒータ９の運転時間Ｚ（＝Ｚ１＋Ｚ２）を決定する（Ｓ４１４）。
【００９２】
以上の演算結果に基づいて、演算部２１は、燃料電池システムの運転開始時刻をＺ１だけ繰り上げるように運転スケジュールＳｇ（Ｘ）＋Ｓｇ（Ｘ＋ｔ）を決定する。また、演算部２１は、まず燃料電池システムの運転を繰り上げた時間帯にＺ１時間だけ電気ヒータ９を運転し、その後、更にＺ２時間だけ電気ヒータ９を運転するように運転スケジュールＳｈ（Ｘ）〜Ｓｈ（Ｘ＋ｔ）を決定する（Ｓ４１５）。
【００９３】
なお、ステップＳ４１１において、電気ヒータ９の運転のみで不足熱量を補うと仮定した場合に必要な運転時間Ｚ０が、燃料電池システムが運転予定であり、かつ、電気ヒータ９の運転が予定されていない時間Ｗ以下である場合は、燃料電池システムの運転開始時刻を繰り上げる必要がないと判断されるため、第１実施形態と同様に、電気ヒータ９の運転時間Ｚ＝Ｚ０とする（Ｓ４０５）。
【００９４】
以上の処理が行われる場合における需要熱量及び蓄熱量の時系列変化の例について、図８を例にして説明する。図８は、第２実施形態における需要熱量及び蓄熱量の時系列変化の一例を示す。横軸は時間を示し、ここでは、６時から燃料電池システムの運転を開始し、２３時に運転を終了するよう、燃料電池システムの運転スケジュールＳｇが定められているものとする。図８の縦軸は熱量（需要熱量及び蓄熱量）を示す。上限蓄熱量を、満蓄より低い８ＭＪ、下限蓄熱量を、０ＭＪより高い１ＭＪとする。棒グラフは、各時刻における施設からの需要熱量の予測値Ｑｓｐ（Ｘ）を示す。左下がりの斜線部は、需要熱量の予測値Ｑｓｐに含まれない予定外の熱の需要が発生したことを示す。右下がりの斜線部は、需要熱量の予測値Ｑｓｐに含まれていたものの、実際には需要が発生しなかったことを示す。
【００９５】
例えば、現在時刻から６時間後までの各時刻における貯湯槽１１の蓄熱量の予測値Ｑｓa（Ｘ）を予測する工程を１時間毎に行う制御について説明する。発電により貯湯槽１１に蓄えられる回収熱量Ｑｇを１Ｊ／時、電気ヒータ９を動作させることにより貯湯槽１１に蓄熱される補助熱量Ｑｈを０．５／時とする。下限蓄熱量を０ＭＪとする。
【００９６】
（現在時刻Ｘ＝０時）
現在時刻を０時としたとき、前日２３時台終了時蓄熱量Ｑｓａ（２３）は４ＭＪである。現在時刻から６時間目である５時台までの需要熱量の予測値Ｑｄｐ（０）〜Ｑｄｐ（５）は０ＭＪである。また、燃料電池システムの運転開始時刻は６時であることから、燃料電池システムを運転することによる回収熱量Ｑｇｐ（０）〜Ｑｇｐ（５）も０ＭＪである。同様に、電気ヒータ９の運転も行われないため、電気ヒータ９を運転することによる補助熱量Ｑｈｐ（０）〜Ｑｈｐ（５）も０ＭＪである。よって、貯湯槽１１における蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（０）〜Ｑｓｐ（５）は４ＭＪである。
【００９７】
（現在時刻Ｘ＝３時）
予定外の熱の需要が発生することなく、現在時刻が３時になったとき、２時台終了時蓄熱量の実測値Ｑｓａ（２）は４ＭＪとなる。現在時刻から６時間目である８時台の需要熱量の予測値Ｑｄｐ（８）＝３ＭＪ、７時台終了時の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（７）＝２ＭＪであることから、８時台に下限蓄熱量である１ＭＪを維持するためには２ＭＪの蓄熱量不足が発生することが予想される。そこで、演算部２１は、７時台の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（７）が、８時台の需要熱量Ｑｄｐ（８）を上回るように電気ヒータ９の運転スケジュールＳｈ（３）〜Ｓｈ（８）を決定する。電機ヒータ９を運転することにより２ＭＪの熱量を補う場合、４時間だけ電気ヒータ９を運転する必要があるが、燃料電池システムの運転開始時刻は６時であるため、電機ヒータ９の運転時間が１時間だけ不足する。
【００９８】
そこで、演算部２１は、燃料電池システムの運転開始時刻を１時間だけ繰り上げ、更に５時から２時間（５時台及び７時台）だけ電気ヒータ９を運転するように、燃料電池システムの運転スケジュールＳｇ（３）〜Ｓｇ（８）、及び、電気ヒータ９の運転スケジュールＳｈ（３）〜Ｓｈ（８）を更新する。
【００９９】
（現在時刻Ｘ＝１２時）
１１時台に１ＭＪの予定外の熱の需要が発生し、現在時刻が１２時になったとき、１１時台終了時蓄熱量の実測値Ｑｓａ（１１）は２ＭＪとなる。それに伴い、演算部２１は、Ｑｓａ（１２）〜Ｑｓａ（１７）を再演算及び更新する。
【０１００】
（現在時刻Ｘ＝１３時）
１２時台に更に１ＭＪの予定外の熱の需要が発生し、現在時刻が１３時になったとき、１２時台終了時蓄熱量の実測値Ｑｓａ（１２）は２ＭＪとなる。現在時刻から６時間目である１８時台の需要熱量の予測値Ｑｄｐ（１８）＝５ＭＪ、１７時台終了時の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（１７）＝５ＭＪであることから、８時台に再び１ＭＪの蓄熱量不足が発生することが予想される。そこで、演算部２１は、１７時台の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（１７）が、１８時台の需要熱量Ｑｄｐ（１８）より１ＭＪ以上大きな値になるように、電気ヒータ９の運転スケジュールＳｈ（１３）〜Ｓｈ（１８）を決定する。図５の制御では、演算部２１は、現在時刻である１３時から２時間（１３時台及び１４時台）だけ電気ヒータ９を運転させるよう、運転スケジュールＳｈ（１３）〜Ｓｈ（１８）を更新する。
【０１０１】
（現在時刻Ｘ＝１４時）
１３時以降に予定外の熱の需要が発生することなく、現在時刻が１４時になったとき、１３時台終了時蓄熱量の実測値Ｑｓａ（１３）は３．５ＭＪとなる。現在時刻から６時間目である１９時台の需要熱量の予測値Ｑｄｐ（１９）＝３ＭＪ、１８時台終了時の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（１８）＝３ＭＪであることから、１９時台に再び１ＭＪの蓄熱量不足が発生することが予想される。そこで、演算部２１は、１８時台の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（１８）が、１９時台の需要熱量Ｑｄｐ（１９）より１ＭＪ以上大きな値になるように、電気ヒータ９の運転スケジュールＳｈ（１４）〜Ｓｈ（１９）を決定する。図５の制御では、既に１３時における更新で１４時は電気ヒータ９を運転する予定となっていることから、演算部２１は、１５時から２時間（１５時台及び１６時台）だけ電気ヒータ９を運転させるよう、運転スケジュールＳｈ（１４）〜Ｓｈ（１９）を更新する。
【０１０２】
（現在時刻Ｘ＝１５時）
１４時以降に予定外の熱の需要が発生することなく、現在時刻が１５時になったとき、１４時台終了時蓄熱量の実測値Ｑｓａ（１４）は５ＭＪとなる。現在時刻から６時間目である２０時台の需要熱量の予測値Ｑｄｐ（２０）＝２ＭＪ、１９時台終了時の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（１９）＝２ＭＪであることから、２０時台に再び１ＭＪの蓄熱量不足が発生することが予想される。そこで、演算部２１は、１９時台の蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（１９）が、２０時台の需要熱量Ｑｄｐ（２０）より１ＭＪ以上大きな値になるように、電気ヒータ９の運転スケジュールＳｈ（１５）〜Ｓｈ（２０）を決定する。図５の制御では、既に１３時及び１４時における更新で、１５時及び１６時は電気ヒータ９を運転する予定となっており、また１７時台に電気ヒータ９を運転すると上限蓄熱量８ＭＪを超過してしまうことから、演算部２１は、１８時から２時間（１８時台及び１９時台）だけ電気ヒータ９を運転させるよう、運転スケジュールＳｈ（１５）〜Ｓｈ（２０）を更新する。
【０１０３】
（現在時刻Ｘ＝１８時）
１７時台に予定していた１ＭＪの熱の需要が発生せず、現在時刻が１８時になったとき、１７時台終了時蓄熱量の実測値Ｑｓａ（１７）は９ＭＪとなる。それに伴い、Ｑｓａ（１８）〜Ｑｓａ（２３）を再演算及び更新する。すると、１５時の更新において、２０時台に１ＭＪの蓄熱量不足が発生すると予想されていたが、１７時台に予定していた１ＭＪの熱の需要が発生しなかったことにより、１８時台及び１９時台で電気ヒータ９を運転しなくても蓄熱量不足が発生しないと予測される。そこで、演算部２１は、１８時台及び１９時台に予定していた電気ヒータ９の運転をキャンセルするよう、電気ヒータ９の運転スケジュールＳｈ（１８）〜Ｓｈ（２３）を更新する。
【０１０４】
以後同様に、演算部２１は、蓄熱量の実測値Ｑｓａ（Ｘ）を取得し、下限蓄熱量を下回らないように電気ヒータ９の運転スケジュールＳｈ（Ｘ）を決定し、蓄熱量の予測値Ｑｓｐ（Ｘ）の演算及び更新を繰り返す。
【０１０５】
図８の実線グラフは、現在時刻０時時点における蓄熱量の予測値の変化を表す。図８の破線グラフは、１１時台及び１２時台に予定外の熱の需要が発生し、１３時台及び１７時台に予定していた熱の需要が発生しなかった場合の蓄熱量の変化を表す。図８の一点鎖線グラフは、１１時台及び１２時台に予定外の熱の需要が発生し、それ以外は予測通りに熱の需要が発生した場合の蓄熱量の変化を示す。これらを図９の各グラフと比較すると、いずれにおいても蓄熱量不足の発生頻度が低減されていることが分かる。また、図５の各グラフと比較しても、常に下限蓄熱量以上の熱量が確保されているため、予定外の熱の需要への対応も改善されていることが分かる。
【０１０６】
また、鎖線グラフにおいて１８時台の熱の需要発生が遅れたとしても、その場合は翌時間の電気ヒータ９の運転が停止されることから、その後１時間は燃料電池システムの運転を継続することができる。これにより、燃料電池システムの運転を停止させる、或いは、電気ヒータ９を運転して貯えた熱量をラジエータ等により放熱する機会を低減させることができる。
【０１０７】
第２実施形態の燃料電池システムによれば、第１実施形態の燃料電池システム１と同様の作用・効果が奏される。
【０１０８】
また、電気ヒータ９を運転させるべき時刻に燃料電池システムが停止予定である場合には、制御手段によって、燃料電池システムの運転開始時刻が繰り上げられる。よって、電気ヒータ９による貯湯ユニット３への蓄熱機会をより長く確保することができるため、蓄熱不足の発生を抑制することができる。
【０１０９】
また、貯湯ユニット３がこれ以上蓄熱することができない状態で電気ヒータ９を運転しても、蓄熱することができないが、蓄熱量の予測値が上限蓄熱量を上回ることが予想される時間帯には電気ヒータ９を停止させることにより、無駄に電気ヒータ９を運転することを防止することができる。
【０１１０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではない。
【０１１１】
例えば、第１実施形態においては、燃料電池システム１は６時に運転を開始し、２３時に運転を停止する制御を例に説明したが、２４時間以内に起動と停止を繰り返さない制御であっても第一の実施形態を適用することが可能である。
【０１１２】
また、第２実施形態において、電気ヒータ９を運転したい時間に燃料電池システムが運転状態にないと予想される場合は運転開始時刻を繰り上げる制御について説明したが、電気ヒータ９が商用電源から電力供給を受けて運転することも可能な構成である場合には、燃料電池システムが運転状態にないと予想される時刻は系統電源から電力供給を受けて電気ヒータ９のみ運転する制御であってもよい。この場合、電気ヒータ９による貯湯ユニット３への蓄熱機会をより長く確保することができるため、蓄熱不足の発生を抑制することができる。
【０１１３】
更には、第１実施形態及び第２実施形態において、蓄熱量不足の発生が予想される時間帯前に電気ヒータ９による蓄熱を完了するように制御していたが、上限蓄熱量を設定して電気ヒータ９の停止を優先させた場合や、電気ヒータ９の運転だけでは蓄熱量を確保できない場合は、蓄熱量不足が発生している時間帯も継続的に電気ヒータを運転し続けてもよいことは勿論である。
【０１１４】
また、第１実施形態及び第２実施形態において、演算により求められる単位時間あたりの蓄熱量の予測値と、その翌単位時間後における需要熱量の予測値とを比較して蓄熱量不足の発生有無を予測する動作を例にして説明したが、演算により求められる単位時間あたりの蓄熱量の予測値と、同時刻における需要熱量の予測値とを比較して蓄熱量不足の発生有無を予測してもよい。これによると、予定していた熱の需要が発生しなかった又は遅れて発生したことにより貯湯ユニットが満蓄になることをより一層抑制することができる。更に、下限蓄熱量を０ＭＪより大きく設定する実施形態と併用することにより、貯湯ユニットの蓄熱量不足の抑制と満蓄抑制とを両立することができる。
【０１１５】
また、上記実施形態では、理解を容易にするため、発電量と回収熱量とは一定であり、加熱器により得られる補助熱量も一定であることを前提に説明したが、発電量に応じて回収熱量を詳細に予測してもよく、また、不足が見込まれる蓄熱量に応じて加熱器の運転出力を変化させることで補助熱量を調整してもよいことは勿論である。
【０１１６】
また、セルスタック７は、固体高分子形に限定されず、アルカリ電解質形、リン酸形、溶融炭酸塩形、或いは、固体酸化物形等であってもよい。
【０１１７】
また、上記実施形態では、貯湯ユニット３はバックアップボイラ１２を有する場合について説明したが、本発明に加えて施設の需要熱量に適したサイズの貯湯槽を設計・選択することにより、バックアップボイラ１２自体を小型化、簡易化、或いは省略することもできる。
【符号の説明】
【０１１８】
１…燃料電池システム（コジェネレーションシステム）、２…燃料電池ユニット（発電ユニット）、３…貯湯ユニット、９…電気ヒータ（加熱器）、２０…運転制御装置（制御手段）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の施設に電力及び湯を供給するコジェネレーションシステムであって、
電力及び熱を発生させる発電ユニットと、
前記発電ユニットで発生した熱により温められた湯を貯える貯湯ユニットと、
前記貯湯ユニットに貯えられる前記湯の温度を上昇させる加熱器と、
前記貯湯ユニットにおける蓄熱量の予測値に基づいて前記加熱器を制御する制御手段と、を備えることを特徴とするコジェネレーションシステム。
【請求項２】
前記加熱器は、少なくとも前記発電ユニットが発生させる電力によって動作し、当該動作によって生じる熱量を前記貯湯ユニットに補助熱量として供給することにより前記湯の温度を上昇させるものであり、
前記制御手段は、
前記貯湯ユニットにおける蓄熱量の実測値と、前記施設における需要熱量の予測値と、前記加熱器の運転スケジュールと、前記加熱器を運転することにより前記貯湯ユニットに貯えられる前記補助熱量の予測値と、前記発電ユニットを運転することにより前記貯湯ユニットに回収される回収熱量の予測値と、を演算及び記憶すると共に、
現在時刻から所定時間以内の前記蓄熱量の予測値を単位時間毎に演算により求め、
前記蓄熱量の予測値から前記需要熱量の予測値を差し引いた値が、予め定められた任意の下限蓄熱量より小さい場合は蓄熱量不足が発生する可能性があると判断し、蓄熱量不足が発生すると予想される時刻の前に、予め前記加熱器を運転して貯湯ユニットに前記補助熱量を蓄熱するよう前記加熱器の運転スケジュールを更新することを特徴とする、請求項１記載のコジェネレーションシステム。
【請求項３】
前記制御手段は、
前記コジェネレーションシステムの運転スケジュールを更に記憶し、
当該運転スケジュールによると、前記加熱器を運転させるべき時刻に前記コジェネレーションシステムが停止予定である場合には、前記コジェネレーションシステムの運転開始時刻を繰り上げるように、前記コジェネレーションシステムの運転スケジュールを更新することを特徴とする請求項１又は２に記載のコジェネレーションシステム。
【請求項４】
前記加熱器は、更に商用電源から電力供給を受けて動作することが可能であって、
前記制御手段は、
前記コジェネレーションシステムの運転スケジュールを更に記憶し、
当該運転スケジュールによると、前記加熱器を運転させるべき時刻に前記コジェネレーションシステムが停止予定である場合には、前記コジェネレーションシステムが停止している間は商用電源から前記加熱器に電力を供給して前記加熱器を運転することを特徴とする請求項１又は２に記載のコジェネレーションシステム。
【請求項５】
前記制御手段は、演算により求められる単位時間あたりの前記蓄熱量の予測値と、その翌単位時間後における前記需要熱量の予測値とを比較して蓄熱量不足の発生有無を予測することを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載のコジェネレーションシステム。
【請求項６】
前記制御手段は、演算により求められる単位時間あたりの前記蓄熱量の予測値と、同時刻における前記需要熱量の予測値とを比較して蓄熱量不足の発生有無を予測することを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載のコジェネレーションシステム。
【請求項７】
前記制御手段は、前記加熱器を運転した場合に前記蓄熱量の予測値が任意に定められた上限蓄熱量を上回ることが予想される時間帯は、当該時間帯は前記加熱器を停止させるように前記加熱器の運転スケジュールを更新することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のコジェネレーションシステム。
【請求項８】
前記制御手段は、前記蓄熱量の予測値が所定の蓄熱量以下になると判断される場合に、前記貯湯ユニットにおける蓄熱量が増加するように前記加熱器を制御することを特徴とする請求項１記載のコジェネレーションシステム。
【請求項１】
所定の施設に電力及び湯を供給するコジェネレーションシステムであって、
電力及び熱を発生させる発電ユニットと、
前記発電ユニットで発生した熱により温められた湯を貯える貯湯ユニットと、
前記貯湯ユニットに貯えられる前記湯の温度を上昇させる加熱器と、
前記貯湯ユニットにおける蓄熱量の予測値に基づいて前記加熱器を制御する制御手段と、を備えることを特徴とするコジェネレーションシステム。
【請求項２】
前記加熱器は、少なくとも前記発電ユニットが発生させる電力によって動作し、当該動作によって生じる熱量を前記貯湯ユニットに補助熱量として供給することにより前記湯の温度を上昇させるものであり、
前記制御手段は、
前記貯湯ユニットにおける蓄熱量の実測値と、前記施設における需要熱量の予測値と、前記加熱器の運転スケジュールと、前記加熱器を運転することにより前記貯湯ユニットに貯えられる前記補助熱量の予測値と、前記発電ユニットを運転することにより前記貯湯ユニットに回収される回収熱量の予測値と、を演算及び記憶すると共に、
現在時刻から所定時間以内の前記蓄熱量の予測値を単位時間毎に演算により求め、
前記蓄熱量の予測値から前記需要熱量の予測値を差し引いた値が、予め定められた任意の下限蓄熱量より小さい場合は蓄熱量不足が発生する可能性があると判断し、蓄熱量不足が発生すると予想される時刻の前に、予め前記加熱器を運転して貯湯ユニットに前記補助熱量を蓄熱するよう前記加熱器の運転スケジュールを更新することを特徴とする、請求項１記載のコジェネレーションシステム。
【請求項３】
前記制御手段は、
前記コジェネレーションシステムの運転スケジュールを更に記憶し、
当該運転スケジュールによると、前記加熱器を運転させるべき時刻に前記コジェネレーションシステムが停止予定である場合には、前記コジェネレーションシステムの運転開始時刻を繰り上げるように、前記コジェネレーションシステムの運転スケジュールを更新することを特徴とする請求項１又は２に記載のコジェネレーションシステム。
【請求項４】
前記加熱器は、更に商用電源から電力供給を受けて動作することが可能であって、
前記制御手段は、
前記コジェネレーションシステムの運転スケジュールを更に記憶し、
当該運転スケジュールによると、前記加熱器を運転させるべき時刻に前記コジェネレーションシステムが停止予定である場合には、前記コジェネレーションシステムが停止している間は商用電源から前記加熱器に電力を供給して前記加熱器を運転することを特徴とする請求項１又は２に記載のコジェネレーションシステム。
【請求項５】
前記制御手段は、演算により求められる単位時間あたりの前記蓄熱量の予測値と、その翌単位時間後における前記需要熱量の予測値とを比較して蓄熱量不足の発生有無を予測することを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載のコジェネレーションシステム。
【請求項６】
前記制御手段は、演算により求められる単位時間あたりの前記蓄熱量の予測値と、同時刻における前記需要熱量の予測値とを比較して蓄熱量不足の発生有無を予測することを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載のコジェネレーションシステム。
【請求項７】
前記制御手段は、前記加熱器を運転した場合に前記蓄熱量の予測値が任意に定められた上限蓄熱量を上回ることが予想される時間帯は、当該時間帯は前記加熱器を停止させるように前記加熱器の運転スケジュールを更新することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のコジェネレーションシステム。
【請求項８】
前記制御手段は、前記蓄熱量の予測値が所定の蓄熱量以下になると判断される場合に、前記貯湯ユニットにおける蓄熱量が増加するように前記加熱器を制御することを特徴とする請求項１記載のコジェネレーションシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２０７８２９（Ｐ２０１２−２０７８２９Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７２４７４（Ｐ２０１１−７２４７４）
【出願日】平成２３年３月２９日（２０１１．３．２９）
【出願人】（３０８０１３２５２）株式会社ＥＮＥＯＳセルテック (67)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２９日（２０１１．３．２９）
【出願人】（３０８０１３２５２）株式会社ＥＮＥＯＳセルテック (67)
【Ｆターム（参考）】
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