JPWO2012029321A1 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法 - Google Patents

Abstract

燃料電池システム（１）は、燃料電池ユニット（１０）及び制御ユニット（２０）を備え、制御ユニットは、単位期間（Ｔ３）毎に、燃料電池ユニットの許容運転時間（Ｔ６）を設定する許容運転時間設定部（２２）と、燃料電池ユニットの単位期間あたりの実運転時間（Ｔ７）が許容運転時間以下となるように燃料電池ユニットを運転させる運転制御部（２１）とを有しており、許容運転時間設定部は、耐用運転時間（Ｔ２）及び使用保証期間（Ｔ１）に基づいて設定された単位期間毎の許容運転時間の基準値（Ｔ５）と単位期間毎の実運転時間とについて、過去の全単位期間にわたる累計値を夫々算出し、各累計値の差である残余運転時間（Ｔ９）が生じた場合には、残余運転時間を分割した一部を基準値に加算して得た時間を、次回の単位期間における許容運転時間として設定する。

Description

本発明は、燃料と空気とを電気化学反応させて発電する燃料電池ユニットを備える燃料電池システム、及び該燃料電池システムの運転方法に関する。特に、過去実際に行った運転時間の累計値に基づいて、今後の運転時間の許容値を設定する燃料電池システム、及び該燃料電池システムの運転方法に関する。

従来、燃料電池システムは、約１０年の使用が可能となるように、即ち、約１０年間の使用保証期間を備えることを想定して開発されている。具体的には、燃料電池システムの耐用運転時間の開発目標が約４万時間であるとすると、１年あたり約４千時間の運転を想定して開発されている。

一方、燃料電池システムには、給湯及び電力の需要に応じて運転時間を制御して、ユーザーに対して経済的なメリットが出るように自動運転を行うものがある。この場合、経済的なメリットのみを考慮すると、起動時及び停止時のエネルギー消費（発電に直接寄与しないエネルギー消費）を抑制するために、一般的には連続運転時間が長くなる傾向にある。この場合、運転時間が、想定した４千時間／年を越えるケースが多く発生すると考えられる。

例えば、標準的な家庭の給湯及び電力の需要に基づいて、最も経済的な運転を行った場合の運転時間を試算すると、１年間の燃料電池ユニットの運転時間は約６千時間となる。この試算によれば、標準的な需要に応じて燃料電池ユニットを運転すると、７年弱（＝４万時間÷６千時間）で燃料電池ユニットの耐用運転時間を消化してしまい、約１０年と想定した使用保証期間を大幅に割り込み、寿命が短くなってしまうことが懸念される。そこで、このような事態を回避するための対策として、耐用運転時間に基づいて定められた１日あたりの時間内で、各日の運転時間を制御する燃料電池システムが提案されている（例えば特許文献１参照）。

図１８は、特許文献１に記載された従来の燃料電池システムの制御方法を説明するフローチャートである。図１８に示すように、特許文献１の燃料電池システムでは、はじめに１日あたりの許容運転時間を設定する（Ｓ１０１）。この許容運転時間のベースとなるのは、燃料電池システムの耐用運転時間、及び、該燃料電池システムに求められる寿命である。ここで、耐用運転時間を４万時間としたときに、製品寿命を１０年とするためには、１年あたり運転時間は４千時間となる。従って、１日あたりの許容運転時間の初期値は、４千時間を１年の日数（３６５日）で除算した１１時間となる。

続いて、運転計画を作成する（Ｓ１０２）。運転計画は、過去の運転実績から給湯及び電力の需要が発生する時間帯を予測して、給湯及び電力の需要が発生する時間と許容運転時間とを考慮しつつ、燃料電池システムを運転する時間を決定するものである。従って、運転計画は、許容運転時間を超えない範囲で省エネルギー性、経済性、環境保全等の観点から見た所定の基準に適するように策定される。次に、この運転計画に従って燃料電池システムの運転が行われ（Ｓ１０３）、この運転中、定期的に１日が終了したか否かの判断を行う（Ｓ１０４）。１日が経過していなければ、そのまま運転計画に基づいた運転を継続し（Ｓ１０３）、１日が経過していれば、１日あたりの実際の運転時間（実運転時間）が許容運転時間未満か否かを判断する（Ｓ１０５）。

１日あたりの実運転時間が許容運転時間未満でなければ（Ｓ１０５：ＮＯ）、許容運転時間を設定する工程（Ｓ１０１）に戻り、上述した工程を繰り返す。一方、１日あたりの実運転時間が許容運転時間未満であれば、許容運転時間と実運転時間との差である余り時間を許容運転時間の初期値に加算し、その結果を次の１日あたりの許容運転時間として設定する（Ｓ１０６）。

図１９は、特許文献１の燃料電池システムの制御方法を採用した場合の、具体的な許容運転時間の設定事例を示す図表である。また、図２０は、図１９の設定事例における許容運転時間と実運転時間との日毎の変遷を示す棒グラフである。図１９に示すように、初日（５月１７日）の許容運転時間は、上述した初期値である１１時間に設定される。そして、初日の実際の運転時間が４時間であったとすると、許容運転時間（１１時間）と実運転時間（４時間）との差である余り時間は７時間となる。そのため、次の日（５月１８日）の許容運転時間は、許容運転時間の初期値（１１時間）に余り時間（７時間）を加算した１８時間に設定される。

このように、特許文献１の制御方法によれば、前日に生じた余り時間を許容運転時間の初期値に加算して、当日の許容運転時間に設定する。そのため、燃料電池ユニットの使用保証期間（例えば１０年）に至る前に、耐用運転時間を消化してしまって寿命を終える事態になるのを防止している。また、その結果として、より多くの給湯及び電力の需要を、燃料電池システムで生成した熱及び電力でまかなうことができる。

特開２００７−３２３８４３号公報

しかしながら、上述した従来の制御方法によれば、二日目（５月１８日）に、許容運転時間の１８時間を全て使って運転したとすると、その次の日（５月１９日）の許容運転時間は初期値の１１時間となる。そのため、５月１７日〜５月１９日までの３日間の運転時間は、４時間、１８時間、１１時間というように非常に大きく変動する。従って、ユーザーに違和感を与える可能性があり、この違和感に起因して、燃料電池システムに不具合が発生したとユーザーが誤認する恐れがある、という課題を有していた。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、使用保証期間に至る前に耐用運転時間を消化してしまって短寿命になるのを防ぎつつ、許容運転時間の日毎の変動を小さくし、ユーザーが違和感無く使用することができる燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的とする。

本発明は上述した事情を鑑みて成されたものであり、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電した電力を外部負荷へ供給する燃料電池ユニットと、該燃料電池ユニットの動作を制御する制御部と、を備え、該制御部は、前記燃料電池ユニットの耐用運転時間に基づき、該燃料電池ユニットに設定された使用保証期間より短い単位期間毎に、該燃料電池ユニットの許容運転時間を設定する許容運転時間設定部と、前記燃料電池ユニットの前記単位期間あたりの実運転時間が、該単位期間に対して設定された前記許容運転時間以下となるように、前記燃料電池ユニットを運転させる運転制御部と、を有しており、前記許容運転時間設定部は、前記耐用運転時間及び前記使用保証期間に基づいて設定された前記単位期間毎の許容運転時間の基準値と前記単位期間毎の実運転時間とについて、過去の全単位期間にわたる累計値を夫々算出し、各累計値の差である残余運転時間が生じた場合には、該残余運転時間を分割した一部を前記基準値に加算して得た時間を、次回の単位期間における許容運転時間として設定する。

このような構成とすることにより、残余運転時間を分割した一部を基準値に加算して次回の許容運転時間を設定するため、比較的多くの残余運転時間が生じた場合であっても、前回に比べて次回の許容運転時間が大きく増加するのを抑制しつつ、この残余運転時間を消化することができる。従って、許容運転時間の変動に関してユーザーに違和感を与えるのを防止しつつ、使用保証期間の全期間にわたって燃料電池システムの利用を可能とし、システムの耐用運転時間を余すことなく消化することができる。また、使用保証期間で耐用運転時間を消化するため、より多くの給湯及び電力の需要を、燃料電池システムで生成した熱及び電力で賄うことができる。

なお、残余運転時間を分割してその一部を基準値に加算する方法としては、残余運転時間を所定日数（例えば１０日間）で均等に割り、その算出値を基準値に加算する方法を採用することができる。あるいは、残余運転時間と基準値に加算する加算値（残余運転時間を分割した一部）との相関を示すテーブルデータなどを予め設定及び記憶しておき、逐次得られる残余運転時間とテーブルデータとに基づいて許容運転時間を設定するようにしてもよい。

また、前記許容運転時間の基準値は、全ての前記単位期間に対する前記基準値を加算したときの累計値が前記耐用運転時間と一致するように設定されていてもよい。

また、前記燃料電池ユニットは、電力及び熱を共に供給する熱電併給装置であり、前記運転制御部は、前記実運転時間が前記許容運転時間以下となるように、且つ、前記外部負荷が過去に消費した電力量及び熱量に基づき、前記単位期間中での運転開始時間を決定すると共に、該発電開始時間に前記燃料電池ユニットを起動した後は、前記外部負荷が消費する電力量に追従するように前記燃料電池ユニットの出力を制御するように構成されていてもよい。

また、前記許容運転時間設定部は、前記残余運転時間の一部を前記基準値に加算して得た前記許容運転時間が前記単位期間よりも短くなるように、前記許容運転時間を設定するよう構成されていてもよい。

また、前記許容運転時間設定部は、前記残余運転時間を所定数で除算して得た時間を前記基準値に加算することにより、前記許容運転時間を設定するよう構成されていてもよい。

また、前記許容運転時間設定部は、前記残余運転時間と前記基準値に加算する加算値との関係を示すデータを予め記憶していてもよい。

また、前記許容運転時間設定部は、過去の全単位期間にわたる前記実運転時間の累計値と前記耐用運転時間との差である残余耐用時間が、所定値未満になった場合には、前記残余運転時間を余剰が生じないように残りの単位期間に対して分配することで、前記許容運転時間を設定するように構成されていてもよい。

また、前記許容運転時間の基準値は、一年間のうちでは熱需要が高い時期の方が低い時期よりも長時間に設定されていてもよい。

また、前記許容運転時間の基準値は、一年間のうちでは一日の平均気温が相対的に低い時期ほど長時間に設定されていてもよい。

また、前記許容運転時間の基準値は、一年間のうちの同時期で比較すると、年を経るに従って短時間に設定されていてもよい。

本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、燃料電池ユニットの耐用運転時間に基づき、該燃料電池ユニットに設定された使用保証期間より短い単位期間毎に、該燃料電池ユニットの許容運転時間を設定する工程と、前記燃料電池ユニットの前記単位期間あたりの実運転時間が、該単位期間に対して設定された前記許容運転時間以下となるように、前記燃料電池ユニットを運転させる工程と、を備え、前記許容運転時間を設定する工程では、前記耐用運転時間及び前記使用保証期間に基づいて設定された前記単位期間毎の許容運転時間の基準値と前記単位期間毎の実運転時間とについて、過去の全単位期間にわたる累計値を夫々算出し、各累計値の差である残余運転時間が生じた場合には、該残余運転時間を分割した一部を前記基準値に加算して得た時間を、次回の単位期間における許容運転時間として設定する。

本発明に係る燃料電池システム及びその運転方法によれば、使用保証期間に至る前に耐用運転時間を消化してしまって短寿命になるのを防ぎつつ、許容運転時間の日毎の変動を小さくし、ユーザーが違和感無く使用することができる。また、これに加えて、より多くの給湯及び電力の需要を、燃料電池システムで生成した熱及び電力で賄うことができる。

実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。 許容運転時間の設定の説明に用いる時間又は期間を表す用語の概念を示す模式図である。 燃料電池システムの発電運転の制御態様を示すフローチャートである。 単位期間あたりの許容運転時間の設定処理を示すフローチャートである。 許容運転時間の第１設定事例を示す表である。 図５の表に示した許容運転時間及び実運転時間の日毎の変遷を示す棒グラフである。 許容運転時間の第２設定事例を示す表である。 図７の表に示した許容運転時間及び実運転時間の日毎の変遷を示す棒グラフである。 実施の形態２に係る１日あたりの許容運転時間の設定処理を示すフローチャートである。 許容運転時間の第３設定事例を示す表である。 図１０の表に示した許容運転時間及び実運転時間の日毎の変遷を示す棒グラフである。 許容運転時間の設定に関する比較例を示す表である。 図１２の表に示した許容運転時間及び実運転時間の日毎の変遷を示す棒グラフである。 燃料電池システムの設置後の経過年数及び月毎に設定した基本運転時間Ｔ５を示す設定テーブルの概念図である。 図１４に示す基本運転時間の経過年数による変遷を示すグラフである。 残余運転時間と加算時間との関係を示す設定テーブルの概念図である。 実施の形態３に係る１日あたりの許容運転時間の設定処理を示すフローチャートである。 従来の燃料電池システムの制御方法を説明するフローチャートである。 従来の燃料電池システムの制御方法を採用した場合の、具体的な許容運転時間の設定事例を示す図表である。 図１９の設定事例における許容運転時間と実運転時間との日毎の変遷を示す棒グラフである。

以下、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム及びその運転方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本発明はこの実施の形態によって限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、例えば家庭内に設置された分電盤２を介して商用系統電源３に接続されている。また、燃料電池システム１と分電盤２との間には、例えばエアコンや冷蔵庫などといった家庭内負荷４が接続されている。従って、家庭内負荷４にて電力の需要が発生すると、燃料電池システム１で生成した電力を供給することができる。

燃料電池システム１は、燃料電池ユニット１０とその動作を制御する制御ユニット２０とを備えている。燃料電池ユニット１０は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて電気化学反応を行なって発電し、その発電電力を家庭内負荷４へと供給するものであり、燃料ガスとしては、成分として少なくとも炭化水素もしくは水素を有する気体が用いられる。なお、本実施の形態に係る燃料電池ユニット１０では、都市ガスやＬＰガスなどの原料ガスを改質して生成した燃料ガスを用いることとしている。

燃料電池ユニット１０の構成を具体的に説明すると、燃料電池ユニット１０は、スタック１１、水素生成器１２、送風機１３、インバータ１４、及び廃熱回収部１５を備えている。このうちスタック１１は、アノード電極とカソード電極とが電解質膜を挟んで配置されて成るセルが、複数積層された構成となっており、アノード電極へは水素生成器１２から燃料ガスが供給され、カソード電極へは送風機１３によって酸素を含む酸化剤ガス（空気）が供給される。

水素生成器１２は、各種触媒を用いて、供給された原料ガスに対して水蒸気改質、水性シフト反応、及び選択酸化反応を行ない、水素を主成分とする燃料ガスを生成する。スタック１１では、この燃料ガスがアノード電極へ供給され、送風機１３によって酸化剤ガスがカソード電極へ供給されることで、これら燃料ガスと酸化剤ガスとの間で電気化学反応が生じて直流電力が生成される。この直流電力は、インバータ１４にて交流電力に変換されて、家庭内負荷４へ供給されるようになっている。

廃熱回収部１５は、スタック１１において発電時に生じる熱を回収し、回収した熱で温水を生成する。また、廃熱回収部１５は貯湯槽１６を備えており、生成した温水はこの貯湯槽１６に蓄えられる。そして、貯湯槽１６に蓄えられた温水が有する熱エネルギーは、直接的又は間接的に、家庭内で生じた熱需要に対して適宜供給される。

なお、水素生成器１２には、ガスの流れを制御するバルブや、触媒反応を促進するためにガスを加熱するヒータなどといったアクチュエータ１２ａと、ガスの温度や流量を検出するためのセンサ１２ｂとが備えられている。送風機１３にも、ガスの流れを制御するバルブなどのアクチュエータ１３ａが備えられている。また、廃熱回収部１５には、熱交換用の冷却水の流れを制御するバルブなどのアクチュエータ１５ａと、冷却水の温度や流量を検出するためのセンサ１５ｂとが備えられている。

一方、制御ユニット２０は、燃料電池ユニット１０の動作（起動，発電，終了，停止の一連の動作）を制御する運転制御部２１と、許容運転時間設定部２２とを備えている。後に詳述するが、後者の許容運転時間設定部２２は、燃料電池ユニット１０の単位期間（例えば１日）あたりの許容運転時間を設定する機能を有している。この制御ユニット２０は、ＣＰＵ等の演算部やメモリ等の記憶部を有しており、システム１外の電源から電力の供給を受けて動作する。

［基本的な運転態様］
次に、以上のような構成の燃料電池システム１の発電時の基本的な運転態様について説明する。

燃料電池システム１の運転動作は、大きくは起動工程、発電状態、終了工程、停止状態といった４つの制御の工程及び状態に分けることができる。これらを概説すると、まず起動工程は、燃料電池システム１を停止状態から発電可能な状態にするための準備工程である。発電状態は、燃料ガス及び酸化剤ガスがスタック１１に供給されて該スタック１１で発電が行われ、更にスタック１１から電力が出力されている状態である。終了工程は、燃料電池システム１を発電不可能な状態にするための工程であり、停止状態は、燃料電池システム１の状態を監視しながら次の発電指示を待っている状態である。

燃料電池システム１は、上述した４つの工程及び状態を、あらかじめプログラムされたタイミングで、あるいはユーザーからの指示に基づき、制御ユニット２０によって遷移させながら適切に制御される。以下、これら４つの工程及び状態における燃料電池システム１の動作について詳述する。

まず、起動工程について説明をする。燃料電池システム１が発電出力可能になるためには、水素生成器１２において水素が主成分である燃料ガスを生成するなどといった準備的な処理が必要である。そのために起動工程では、例えば都市ガスなどの原料ガスから燃料ガスを生成するといった処理を行う。より具体的には、制御ユニット２０は、水素生成器１２に付随して備えられた温度センサや流量センサなどの各種センサ１２ｂの計測値を取得し、これらの計測値に基づいてヒータやファンなどのアクチュエータ１２ａに対してフィードバック制御を行い、水素生成器１２の温度を約６００〜７００度まで昇温させる。その後、水素生成器１２には原料ガスが供給され、該水素生成器１２にて水蒸気改質、水性シフト反応、選択酸化反応が順次行われた結果、水素を主成分とする燃料ガスが生成される。

起動工程が十分に進行し、水素生成器１２からスタック１１のアノード電極へと燃料ガスが安定的に供給されるようになると、燃料電池システム１は、起動工程を終了し、スタック１１にて発電を行う発電状態へと移行する。この発電状態では、送風機１３のアクチュエータ１３ａが駆動され、カソード電極への酸化剤ガスの供給量が制御されるとともに、水素生成器１２のアクチュエータ１２ａが駆動され、スタック１１のアノード電極への燃料ガスの供給量が制御される。これにより、スタック１１にて燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とが電気化学的に反応し、直流電力の発電が行われる。

スタック１１から出力された直流電力は、スタック１１に接続しているインバータ１４によって交流電力に変換され、家庭内負荷４に供給される。また、スタック１１には、廃熱回収部１５に接続された冷却水の循環経路が備えられており、スタック１１での発電中に冷却水がこの循環経路内を循環すると、スタック１１は冷却されて所定温度に維持される。廃熱回収部１５は、アクチュエータ１５ａが有するポンプなどが制御されることにより、スタック１１で発生した熱を循環経路内の冷却水から熱交換器（図示せず）を介して回収し、貯湯槽１６にて温水として蓄える。

続いて、終了工程について説明する。終了工程では、バルブを閉じて都市ガス等の原料ガスの水素生成器１２への供給を遮断し、水素生成器１２では燃料ガスの生成が停止される。そして水素生成器１２に備えられたファンが駆動され、触媒にて原料ガスの改質が行われない温度まで水素生成器１２は冷却される。また、燃料電池ユニット１０において、スタック１１、水素生成器１２及びガス経路などから成る発電ブロックの劣化を防止するために、これらスタック１１、水素生成器１２及びガス経路等を不活性ガスでパージする。

終了工程が十分に行われ、発電ブロックが安定的に発電不可能な状態で保たれると、制御ユニット２０は、水素生成器１２及び送風機１３のアクチュエータ１２ａ，１３ａの動作を停止させ、燃料電池システム１を停止状態に移行する。燃料電池システム１は、この停止状態では次回の発電タイミングに備え、制御ユニット２０は次の発電指示の入力待ち状態となる。また、制御ユニット２０は、停止状態中においてもガス漏れ検知センサ等の出力に基づいて燃料電池システム１の安全状態を監視し、異常が発生した場合にはユーザーへの報知を行うなど、所定の異常処理を行う。

上述したように、制御ユニット２０（より具体的には運転制御部２１）は、上記４つの工程及び状態を順次移行させながら発電ユニット１０を適切に運転する。なお、各工程及び状態間での移行に際しては、ユーザーによる図示しない操作パネル等の手動操作や、時間で制御を行うタイマー予約運転機能に定められたタイミングなどがトリガとなり得る。また、貯湯槽１６の湯量が少ない場合には発電を行い、湯量が多くなれば停止するというような自動運転を行うと、家庭内の給湯需要に連動して運転が行われ、効率的な運転が可能となるので好適である。

また、家庭内負荷４の過去の電力需要や給湯需要に応じて運転計画を適宜更新するような学習機能を備えておいてもよい。この場合、ユーザーが頻繁に電力を使用する時間帯を予測し、その時間帯では発電が行われるように状態を遷移させる。あるいは、ユーザーが大量の温水を使用する時間帯を予測し、その時間帯には所定量の温水を確保できるように状態を遷移させる。このようにすれば、より効率的に発電及び給湯を行うことができるので好適である。なお、発電状態に移行した後は、家庭内負荷４の電力需要に追従するように、出力電力を制御すればよい。

ところで、発電状態を除く、起動工程、終了工程、停止状態の３つの工程及び状態では、燃料電池システム１から電力は出力されないので、家庭内負荷４は、商用交流３から供給された電力によって動作することとなる。

［許容運転時間の設定］
次に、燃料電池システム１の単位期間あたりの許容運転時間の設定手順について説明する。本実施の形態に係る燃料電池システム１は、例えば１０年間の使用保証期間が設定されており、一方で、耐用運転時間として４万時間の発電運転が可能に設計されている。そして、耐用運転時間を余すことなく消化した上で使用保証期間を全うしつつ、各単位期間の許容運転時間の増減幅を抑制するよう、許容運転時間の設定に工夫を凝らしている。

はじめに、以下の説明において用いる時間又は期間を表す用語について説明する。図２は、許容運転時間の設定の説明に用いる時間又は期間を表す用語の概念を示す模式図である。この図２に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム１には約１０年間の「使用保証期間（Ｔ１）」が設定されている。この使用保証期間は、燃料電池システム１が発電可能な累計時間と市場から要求される使用期間とを考慮して決定される期間であり、一般的にはユーザーに対して提示される製品寿命を言う。この使用保証期間は、約１０年間に限られず、発電可能な累計時間や市場要求に応じて適宜１５年間や２０年間といった期間が設定され得るが、本実施の形態では一例として１０年間の使用保証期間を採用する。

上述したように、燃料電池システム１には使用保証期間の他、発電可能な累計時間が定められており、ここではこれを「耐用運転時間（Ｔ２）」と称する。この耐用運転時間としては、本実施の形態では４万時間を採用するが、システム１の構成に応じて５万時間や６万時間といった時間を採用することも可能である。なお、本実施の形態では、耐用運転時間として発電状態になっている間の経過時間の累計を扱い、他の状態や工程での経過時間は含めないこととするが、例えば起動工程や終了工程に要した時間を含める概念としてもよい。

また、上述した使用保証期間を分割した所定期間として「単位期間（Ｔ３）」を定めている。この単位期間は、燃料電池システム１が４つの状態及び工程を一巡させる最小期間を採用することができ、典型的には１日間を採用することができる。本実施の形態では単位期間として１日間を採用するが、燃料電池システム１が４つの状態及び工程を一巡させる最小期間に応じて、適宜異なる期間を採用してもよい。また、上記最小期間にかかわらず、一週間、十日間、一ヶ月間などの期間を単位期間として採用することも可能である。

また、単位期間の間に燃料電池システム１を発電運転することが可能な時間の上限値として、「上限時間（Ｔ４）」が定められている。この上限時間は、上述した使用保証期間や耐用運転時間とは無関係に定められており、燃料電池システム１の長期にわたる運転を実現するために、定期的に所定時間の停止状態を確保する必要性から定められている。例えば、本実施の形態では、燃料電池システム１の起動工程に要する時間を１時間、終了工程に要する時間を１時間、そして、システムのリフレッシュのために停止状態とする時間を２時間だけ夫々見込み、単位期間からこれらの時間（計４時間）を除いた２０時間を、上限時間として採用している。

各単位期間には、「基本運転時間（Ｔ５）」が定められている。この基本運転時間は、後述する許容運転時間の基準値を成すものであり、各単位期間について予め定められた発電運転の可能な時間である。従って、上述したように使用保証期間を１０年間（約３６５０日間）、耐用運転時間を４万時間、単位期間を１日間とした場合、全単位期間の基本運転時間を同一に設定するとすれば、１単位期間（１日間）あたりの基本運転時間は、耐用運転時間を使用保証期間で除算した約１１時間となる。このことから分かるように、毎日約１１時間の発電運転を行うと、燃料電池システム１は、４万時間の耐用運転時間を全て消化した上で、１０年間の使用保証期間を全うすることとなる。

また、基本運転時間に、後述する残余運転時間の一部を加算した時間であって上記上限時間を超えない時間として、「許容運転時間（Ｔ６）」が定められている。この許容運転時間は、上述した上限時間と同様に、単位期間の間に燃料電池システム１を発電運転することが可能な時間の上限値であるが、上限時間とは異なり、使用保証期間や耐用運転時間を考慮して定められている。

即ち、上述したとおり、燃料電池システム１には使用保証期間を全うするための目安として基本運転時間が設定されているが、必ずしも毎日基本運転時間の発電運転が行われるわけではなく、ユーザーの電力需要等に応じて発電運転時間がより短い場合もある。そこで、このような場合であっても、最終的に４万時間の耐用運転時間を全て消化した上で１０年間の使用保証期間を全うするように、各単位期間での発電運転の可能な時間として許容運転時間が設定されるようになっている。

なお、上述したように許容運転時間は、上限時間を超えない値であるから、単位期間より短い時間でもある。そのため、例えば単位期間を１日間とした場合であれば、燃料電池システム１が二日間にわたって運転されることがなく、運転時間の管理を容易に行える。また、燃料電池システム１は、単位期間毎に規則的に発電及び停止を繰り返すことになるため、ユーザーに対して燃料電池システム１が安定的に動作していることを印象付けることができる。なお、許容運転時間の設定は、制御ユニット２０が備える許容運転時間設定部２２（図１参照）により行われ、その具体的な設定手順については、図４等を用いて後に詳述する。

また、単位期間ごとの実際の発電時間として「実運転時間（Ｔ７）」が定められている。燃料電池システム１は、上述した許容運転時間を超えない範囲で発電運転を行うことができるため、この実運転時間は許容運転時間以下の数値となる。そして、単位期間ごとの許容運転時間と実運転時間との差分値は「単位残余時間（Ｔ８）」と定められ、過去の基本運転時間の累計値と過去の実運転時間の累計値との差分値は「残余運転時間（Ｔ９）」と定められている。なお、燃料電池システム１は、実運転時間が許容運転時間に達すると、発電状態から終了工程へと移行するようになっている。

更に、上記残余運転時間とは別の時間概念として「残余耐用時間（Ｔ１０）」が定められている。この残余耐用時間は、使用保証期間から、耐用運転時間の消費量（即ち、実運転時間の累計値）を差し引いた時間であり、ある時点での耐用運転時間の残量として定義されている。従って、燃料電池システム１を発電運転するのに伴って、残余耐用時間は減少していく。

なお、図２では、上限時間Ｔ４、基本運転時間Ｔ５、許容運転時間Ｔ６、実運転時間Ｔ７の始点（左の端点）を単位期間Ｔ３の始点に一致させて表示しているが、これは、各時間Ｔ４〜Ｔ７が単位期間Ｔ３の始点から開始することを意味するものではない。単位期間Ｔ３及び各時間Ｔ４〜Ｔ７の長短関係を分かり易くするために、便宜上このように表示しているだけである。

次に、燃料電池システム１の発電状態での動作について説明する。図３は、燃料電池システム１の発電運転の制御態様を示すフローチャートであり、このような制御は制御ユニット２０の運転制御部２１によって実行される。

図３に示すように、燃料電池システム１は、起動工程を経て発電状態へ移行すると、単位期間（１日間）あたりの許容運転時間Ｔ６の設定を行う（ステップＳ１）。即ち、発電状態への移行時が属する日の許容運転時間Ｔ６を設定する。そして、この設定が完了すると発電運転を実行し（ステップＳ２）、これを継続しつつ終了工程への移行タイミングを監視するため、発電を終了させる条件を満足するか否かを定期的に判定する（ステップＳ３）。なお、発電の終了条件としては、ユーザーによる操作パネル等の手動操作による信号の入力や、タイマー予約運転機能に定められたタイミングの到来などがある。

ステップＳ３で終了条件を満足すると判定した場合は、発電状態から終了工程へと移行させる（ステップＳ４）。一方、定期的なステップＳ３の判定処理において、終了条件を満足していないと判定した場合は、その都度、その日の実運転時間が許容運転時間に達したか否かを判定する（ステップＳ５）。そして、達していれば発電状態から終了工程へと移行させ（ステップＳ４）、達していなければ発電状態を継続させるべくステップＳ２からの処理を再び実行する。なお、ステップＳ１の許容運転時間設定処理を実行するタイミングを起動工程から発電状態へ移行したときとする他、起動工程の最中に実行してもよい。

ここで、許容運転時間設定処理についてより具体的に説明する。図４は、１日あたりの許容運転時間の設定処理を示すフローチャートであり、図５は、許容運転時間の第１設定事例を示す表であり、図６は、図５の表に示した許容運転時間及び実運転時間の日毎の変遷を示す棒グラフである。

図４に示すように、許容運転時間設定部２２は、前回（前日）までの基本運転時間Ｔ５の累計値から、前回（前日）までの実運転時間Ｔ７の累計値を減算することにより、残余運転時間Ｔ９を取得する（ステップＳ１１）。そして、この残余運転時間Ｔ９を所定日数（二日以上）で除算することにより、加算時間を算出する（ステップＳ１２）。なお、残余運転時間Ｔ９を除算する所定日数としては、例えば４日や１０日など、二日以上の適宜の日数を採用することができ、図５の設定事例では４日を採用した場合を示している。

次に、基本運転時間Ｔ５に対して上記加算時間を加算することにより、１日あたりの許容運転時間Ｔ６の暫定値を算出する（ステップＳ１３）。そして、算出した許容運転時間Ｔ６が、上限時間Ｔ４よりも大きいか否かを判定し（ステップＳ１４）、上限時間Ｔ４以上であれば、当該１日あたりの許容運転時間Ｔ６を上限時間Ｔ４と等しい値に設定（ステップＳ１５）して本処理を終了する。一方、上限時間Ｔ４未満であれば、ステップＳ１３で算出した許容運転時間Ｔ６の暫定値を正式な許容運転時間として採用（ステップＳ１６）し、本処理を終了する。

［第１設定事例］
このような図４に示す処理を具体的に適用した事例について、図５及び図６を参照しつつ説明する。なお、図５及び図６の設定事例では、燃料電池システム１が設置された後、５月１７日になってはじめて運転が行われた場合を示している。また、この第１設定事例では、初日に許容運転時間Ｔ６未満の時間だけ発電運転が行われて残余運転時間が発生し、二日目以降は暫くの間、許容運転時間Ｔ６と同じ時間だけ発電運転が行われた場合を想定している。

まず、１日目の５月１７日の時点では、過去に発電運転が行われた実績がないため、前回までの基本運転時間Ｔ５の累計値、及び、前回までの実運転時間Ｔ７の累計値は、何れも０時間になっている。従って、残余運転時間Ｔ９は０時間（ステップＳ１１）であり、加算時間が０時間（ステップＳ１２）になるため、１日目の許容運転時間Ｔ６には基本運転時間Ｔ５と同じ時間が設定される（ステップＳ１３，Ｓ１４，Ｓ１６）。なお、本実施の形態では、使用保証期間Ｔ１を１０年間（約３６５０日間）、耐用運転時間Ｔ２を４万時間としているため、１日間（１単位期間）あたりの基本運転時間Ｔ５は約１１時間となる。従って、図５に示すように５月１７日の許容運転時間Ｔ６は１１時間に設定される。

ここで、５月１７日の実運転時間Ｔ７が４時間であったとする（図５参照）。この場合、二日目（５月１８日）の発電運転前の時点では、残余運転時間Ｔ９が７時間となる（ステップＳ１１）。本実施の形態では、このように残余運転時間Ｔ９が生じた場合は、残余運転時間Ｔ９を以後の複数日に均等に分配するようにして許容運転時間Ｔ６を設定する。具体的には、残余運転時間Ｔ９である７時間を、所定の日数として例えば４日間で除算して約１．８時間という値を取得する（ステップＳ１２）。そして、この１．８時間を基本運転時間Ｔ５の１１時間に加算することで、二日目（５月１８日）の許容運転時間Ｔ６の暫定値として１２．８時間という値が算出される（ステップＳ１３）。なお、この暫定値（１２．８時間）は、本実施の形態で設定された上限時間（２０時間）未満であるため、正式な許容運転時間として採用される（ステップＳ１４，Ｓ１６，図５参照）。

なお、残余運転時間Ｔ９の除数は、残余運転時間Ｔ９の消費速度を決定する要素である。従って、除数を小さくするほど残余運転時間Ｔ９を早期に消費できるが、除数を小さくし過ぎると日毎の許容運転時間Ｔ６の増減幅が大きくなり、ユーザーに対して違和感を与えてしまう可能性がある。従って、残余運転時間Ｔ９の消費促進、及び、ユーザーに対して違和感を与えない、という観点から除数を設定するのが好ましく、４日間又は１０日間などと設定することができる。そして、既に言及したとおり、本実施の形態では除数として４日間を採用した場合を例示している。

このように除数を設定して許容運転時間Ｔ６を決定することにより、一旦残余運転時間Ｔ９が発生して許容運転時間Ｔ６が増加したとしても、その後、許容運転時間Ｔ６を徐々に減少させて基本運転時間Ｔ６に漸近させることができる。そのため、日毎の許容運転時間Ｔ６の変動量を抑制することでユーザーに違和感を与えることがなく、且つ、残余運転時間Ｔ６をより速やかに消費させることができる。

次に、二日目（５月１８日）の実運転時間Ｔ７が１２．８時間であったとする（図５参照）。この場合、三日目（５月１９日）の発電運転前の時点では、残余運転時間Ｔ９が５．２時間となる（ステップＳ１１）。即ち、前回までの基本運転時間Ｔ５の累計値が２２時間（＝１１時間＋１１時間）であり、前回までの実運転時間Ｔ７の累計値が１６．８時間（＝４．０時間＋１２．８時間）であるから、残余運転時間Ｔ９は、各累計値の差分値である５．２時間となる。従って、残余運転時間Ｔ９を所定日数（４日間）で除算した値は１．３時間となり（ステップＳ１２）、これを基本運転時間Ｔ５の１１時間に加算した値（１２．３時間）が、三日目（５月１９日）の許容運転時間Ｔ６に設定される（図５参照）。

このように、５月１７日の時点で７時間の残余運転時間Ｔ９が発生したにもかかわらず、次の５月１８日の許容運転時間Ｔ６は、前日に比べて１．８時間の増加に抑えられ、次の５月１９日の許容運転時間Ｔ６は、前日に比べて０．５時間の減少に抑えられている。また、５月２０日以降も許容運転時間Ｔ６だけ発電運転されたとすると、各日の許容運転時間Ｔ６は徐々に減少し（図６参照）、ユーザーに対して違和感を与えることがない。そして、初日から数えて十日目の５月２６日には許容運転時間Ｔ６が１１．２時間にまで減少し、残余運転時間Ｔ９は０．７時間になるまで消費され、比較的早期に残余運転時間Ｔ９を消費することができている。

［第２設定事例］
図７は、許容運転時間の第２設定事例を示す表であり、図８は、図７の表に示した許容運転時間及び実運転時間の日毎の変遷を示す棒グラフである。この第２設定事例は、初日から四日目までは第１設定事例と同様であり、五日目（５月２１日）及び六日目（５月２２日）の実運転時間Ｔ７が０であった場合を想定している。

この場合、七日目（５月２３日）の発電運転前の時点では、残余運転時間Ｔ９が２５時間になるが、本実施の形態に係る許容運転時間設定処理によれば、七日目の許容運転時間Ｔ６は、前日に比べて２．７時間増の１７．２時間に抑えられる。また、八日目以降の許容運転時間Ｔ６は、１５．７時間、１４．５時間、・・・というように徐々に減少し、基本運転時間Ｔ５である１１時間に漸近する。従って、生じた残余運転時間Ｔ９に比べて許容運転時間Ｔ６の増加量が抑制でき、且つ、その後の許容運転時間Ｔ６の減少量も抑制できるため、ユーザーに対して違和感を与えることがない。一方、許容運転時間Ｔ６を増加させることで、残余運転時間Ｔ９を確実に消費し、十日目（５月２６日）には１０．５時間、十五日目（５月３１日）には２．５時間にまで減少させることができる。

ところで、上記第１及び第２の設定事例では言及していないが、例えば、第２設定事例において、五日目及び六日目に続いて七日目及び八日目も実運転時間Ｔ７が０であったとする。この場合、九日目の発電運転前の時点では、残余運転時間Ｔ９が４７時間になる。従って、これを所定日数である４日間で除算すると約１１．７時間となり、これを加算した許容運転時間Ｔ６の暫定値は２２．７時間となる。しかしながら、この暫定値は上限時間Ｔ４の２０時間を超えるため採用せず、図４のステップＳ１５に示すように、上限時間Ｔ４そのものを許容運転時間Ｔ６として採用する。このように、上限時間Ｔ４を超える許容運転時間Ｔ６は採用せず、発電時間は必ず上限時間Ｔ４未満になるようにしている。これにより、起動工程及び終了工程を考慮しても停止状態として数時間を確保し、燃料電池システム１を確実にリフレッシュすることができる。

以上に説明したように、本実施の形態に係る燃料電池システム１によれば、生じた残余運転時間Ｔ９に比べて許容運転時間Ｔ６の増加量が抑制でき、且つ、その後の許容運転時間Ｔ６の減少量も抑制できるため、ユーザーに対して違和感を与えることがない。一方、残余運転時間Ｔ９が生じた場合には、許容運転時間Ｔ６を増加させることで残余運転時間Ｔ９を確実に消費することができる。

更に、上記に加えて、使用保証期間Ｔ１に至る前に耐用運転時間Ｔ２を全て消費してしまうのを防止することができる。換言すれば、使用保証期間Ｔ１の終了時期と、耐用運転時間Ｔ２を全て消費する時期とを、ほぼ同時に迎えることができる。従って、より多くの給湯及び電力の需要を、燃料電池システム１で生成した熱及び電力で賄うことができる。

（実施の形態２）
本実施の形態２では、使用保証期間Ｔ１の終了間際に残余運転時間Ｔ９が生じた場合の許容運転時間Ｔ６の設定手順について説明する。例えば、実施の形態１では、加算時間を算出するために、残余運転時間Ｔ９を４日間で除算する例を説明した。しかしながら、使用保証期間Ｔ１の終了まであと３日間という時点で残余運転時間Ｔ９が生じた場合に、この残余運転時間Ｔ９を４日間で除算した値を加算時間とすると、残りの３日間で全ての残余時間Ｔ９を消費できなくなってしまう。そこで本実施の形態２では、このような事態を防止すべく、以下のような手順で許容運転時間Ｔ６を設定することとしている。

図９は、実施の形態２に係る１日あたりの許容運転時間の設定処理を示すフローチャートであり、図１０は、許容運転時間の第３設定事例を示す表であり、図１１は、図１０の表に示した許容運転時間及び実運転時間の日毎の変遷を示す棒グラフである。なお、本実施の形態２に係る燃料電池システムの構成は、図１に示した燃料電池システム１と同様の構成であるため、その説明は省略する。また、ここで説明する許容運転時間Ｔ６の設定処理は、制御ユニット２０が備える許容運転時間設定部２２によって行われる。

図９に示すように、許容運転時間設定部２２は、前回（前日）までの基本運転時間Ｔ５の累計値から、前回（前日）までの実運転時間Ｔ７の累計値を減算することにより、残余運転時間Ｔ９を取得する（ステップＳ２１）。続いて、耐用運転時間Ｔ２から、前回までの実運転時間Ｔ７の累計値を減算することにより、残余耐用時間Ｔ１０を取得する（ステップＳ２２）。そして、残余耐用時間Ｔ１０から換算した日数が、所定日数より小さいか否かを判定する（ステップＳ２３）。

ここで、「所定日数」とは、図４のステップＳ１２に示した所定日数と同じであり、加算時間を算出するために残余運転時間Ｔ９を割る除数のことであって、本実施の形態では４日間としている。但し、ここでの「所定日数」を図４のステップＳ１２に示した「所定日数」とは別に設定してもよい。例えば、３日間、５日間、あるいは６日間などとすることができる。また、「残余耐用時間Ｔ１０から換算した日数」とは、残余耐用時間Ｔ１０を２４時間で除算し、端数を切り上げて求まる日数である。但し、端数は切り捨ててもよいし、四捨五入してもよい。

この結果、所定日数より小さいと判定した場合は、ステップＳ２１で取得した残余運転時間Ｔ９を、残余耐用時間Ｔ１０から換算した日数で除算することで、加算時間を取得する（ステップＳ２４）。一方、所定日数以上であると判定した場合は、ステップＳ２１で取得した残余運転時間Ｔ９を、実施の形態１と同様に所定日数（例：４日間）で除算することで、加算時間を取得する（ステップＳ２５）。そして、ステップＳ２６では、このようにして取得した加算時間を基本運転時間Ｔ５に加算して許容運転時間Ｔ６を取得する。

［第３設定事例］
このような図９に示す処理を具体的に適用した事例について、図１０及び図１１を参照しつつ説明する。なお、図１０及び図１１の設定事例では、７月１５日に基本運転時間の累計が４万時間に到達し、これと同時に、使用保証期間Ｔ１である１０年（設置後３６５０日）を迎えるという事例を想定している。また、７月１１日までは、基本運転時間Ｔ５と実運転時間Ｔ７とが一致し、残余運転時間Ｔ９が０時間という運転態様で推移している。そして、７月１２日及び１３日の二日間は夫々実運転時間Ｔ７が２時間であり、７月１４日の発電運転前の時点では残余運転時間Ｔ９が１８時間になっている。

このような第３設定事例に対し、図９に示した処理を適用した場合について説明する。例えば、７月９日の発電運転前の時点では、残余耐用時間Ｔ１０が７７時間（＝４００００時間−３９９２３時間）であるから、この残余耐用時間Ｔ１０から換算した日数は端数を切り上げると４日間になる。従って、ステップＳ２３にて所定日数（４日間）以上と判定され、実施の形態１にて説明したのと同じ手順で許容運転時間Ｔ６が設定される（ステップＳ２５）。なお、７月９日時点の残余運転時間Ｔ９は０時間であるため、この日の許容運転時間Ｔ６は基本運転時間Ｔ５と同じ１１時間に設定される。

一方、次の７月１０日の時点では、残余耐用時間Ｔ１０が６６時間（＝４００００時間−３９９３４時間）であるから、換算日数は３日間となる。従って、実施の形態１とは異なり、加算時間は、残余運転時間Ｔ９を換算日数（３日間）で除算することで取得する（ステップＳ２４）。但し、７月１０日の時点では残余運転時間Ｔ９が０時間であるため、加算時間も０時間であり、許容運転時間Ｔ６は基本運転時間Ｔ５と同じ１１時間に設定される（ステップＳ２６）。７月１１日も同様に、残余耐用時間Ｔ１０からの換算日数は３日間であるが、残余運転時間Ｔ９が０時間であるから、許容運転時間Ｔ６は基本運転時間Ｔ５と同じ１１時間に設定される。

７月１２日の時点では、残余耐用時間Ｔ１０が４４時間（＝４００００時間−３９９５６時間）であるから、換算日数は２日間となる。しかしながら、この時点では残余運転時間Ｔ９が０時間であるため、やはり許容運転時間Ｔ６は基本運転時間Ｔ５と同じ１１時間に設定される。この第３設定事例では、この７月１２日の実運転時間Ｔ７が、許容運転時間Ｔ６よりも短い２時間で終了したこととなっている。

次の７月１３日の時点では、残余耐用時間Ｔ１０が４２時間（＝４００００時間−３９９５８時間）であり、換算日数は２日間となる。しかも、７月１２日の実運転時間Ｔ７が許容運転時間Ｔ６より短かったため、９時間の残余運転時間Ｔ９が発生している。そこで本実施の形態に係る燃料電池システム１では、残余運転時間Ｔ９（９時間）を、残余耐用時間Ｔ１０から換算した日数（２日間）で除算することで、加算時間を取得する（ステップＳ２４）。具体的には、４．５時間が加算時間となる。そして、この加算時間（４．５時間）を基本運転時間Ｔ５（１１時間）に加算することにより、１５．５時間という許容運転時間Ｔ６を取得する（ステップＳ２６）。なお、この第３設定事例では、７月１２日に続いてこの７月１３日の実運転時間Ｔ７も、許容運転時間Ｔ６よりも短い２時間で終了したこととなっている。

７月１４日の時点では、残余耐用時間Ｔ１０が４０時間（＝４００００時間−３９９６０時間）であり、換算時間は２日間となる。しかも、７月１３日の実運転時間Ｔ７が許容運転時間Ｔ６より短かったため、１８時間の残余運転時間Ｔ９が発生している。そこで、残余運転時間Ｔ９（１８時間）を、残余耐用時間Ｔ１０から換算した日数（２日間）で除算することで、９．０時間の加算時間を取得する（ステップＳ２４）。そして、この加算時間（９．０時間）を基本運転時間Ｔ５（１１時間）に加算することにより、２０．０時間という許容運転時間Ｔ６を取得する（ステップＳ２６）。なお、図１０に示す例では、７月１４日の実運転時間Ｔ７は許容運転時間Ｔ６と同じ２０．０時間となっている。

更に、最終の７月１５日の時点では、残余耐用時間Ｔ１０が２０時間（＝４００００時間−３９９８０時間）であり、換算時間は１日間となる。そして、残余運転時間Ｔ９として９時間が残っている。従って、残余運転時間Ｔ９（９時間）を、残余耐用時間Ｔ１０から換算した日数（１日間）で除算することで、９。０時間の加算時間を取得する（ステップＳ２４）。そして、この加算時間（９．０時間）を基本運転時間Ｔ５（１１時間）に加算することにより、２０．０時間という許容運転時間Ｔ６を取得する（ステップＳ２６）。なお、図１０に示す例では、７月１５日の実運転時間Ｔ７が許容運転時間Ｔ６と同じ２０．０時間となっており、耐用運転時間Ｔ２の全てを最終の７月１５日で使い切り、使用保証期間Ｔ１に達している。

以上に説明したように、残余耐用時間Ｔ１０からの換算日数が所定日数未満になった場合には、残余運転時間Ｔ９を、所定日数ではなく換算日数で除算して加算時間を取得することとしている。換言すれば、使用保証期間Ｔ１の終了間際に残余運転時間Ｔ９が生じた場合には、これを、所定日数よりも小さい換算日数で割って得た時間を加算時間としている。そのため、加算時間がより大きくなるので、残余運転時間Ｔ９をより積極的に消費することができ、使用保証期間Ｔ１の終了時点で耐用運転時間Ｔ２が残存する事態となるのを抑制することができる。

［比較例］
図１２は、許容運転時間の設定に関する比較例を示す表であり、図１３は、図１２の表に示した許容運転時間及び実運転時間の日毎の変遷を示す棒グラフである。この比較例では、第３設定事例と同様に、７月１１日までは、基本運転時間Ｔ５と実運転時間Ｔ７とが一致し、残余運転時間Ｔ９が０時間という運転態様で推移し、７月１２日及び１３日の二日間は夫々実運転時間Ｔ７が２時間となっている。一方で、残余耐用時間Ｔ１０からの換算日数が所定日数未満になって以降の許容運転時間Ｔ６の取得方法が、第３設定事例とは異なっている。即ち、この比較例では、換算日数にかかわらず、残余運転時間Ｔ９を所定日数（４日間）で除算して得た加算時間を基本運転時間Ｔ５に加算することで、許容運転時間Ｔ６を取得している。

図１２に示すように、このような比較例の場合、７月１４日及び１５日の許容運転時間Ｔ６は夫々１５．５時間及び１４．４時間となり、第３設定事例における両日の許容運転時間Ｔ６（２０．０時間）よりも小さい。そのため、残余運転時間Ｔ９を全て消費することができず、使用保証期間Ｔ１が終了した時点で、１０．１時間が消費できずに残ることとなる。

以上から分かるように、燃料電池システム１の使用保証期間Ｔ１の終了間際に、許容運転時間Ｔ６の設定処理として実施の形態２に係る処理を採用することにより、残余運転時間Ｔ９を積極的に消費できる。その結果、使用保証期間Ｔ１の終了時点で、未消化の耐用運転時間Ｔ２が残るのを抑制することができる。

（実施の形態３）
基本運転時間Ｔ５は、使用保証期間Ｔ１の全期間にわたって固定した値とはせず、経過年数に応じて変え、あるいは、１年の間であっても月に応じて変えることとしてもよい。そこで、本実施の形態３では、基本運転時間Ｔ５を経過年数及び月に応じて異ならせた場合について説明する。なお、本実施の形態３に係る燃料電池システムの構成は、図１に示した燃料電池システム１と同様の構成であるため、その説明は省略する。

図１４は、燃料電池システム１の設置後の経過年数及び月毎に設定した基本運転時間Ｔ５を示す設定テーブルの概念図である。また、図１５は、図１４に示す基本運転時間Ｔ５の経過年数による変遷を示すグラフである。燃料電池システム１の発電時間は、給湯需要に応じて設定するのが好適である。一般的に、給湯需要は冬に多く、夏に少ない傾向がある。そこで、本実施の形態では、図１４及び図１５に示すように、１１〜４月の冬場には基本運転時間Ｔ５が長く、５〜１０月の夏場には基本運転時間Ｔ５が短くなるように設定している。更に、図１５に示すように冬場の上限時間Ｔ４は長く（２０時間）、夏場の上限時間Ｔ４は短く（１０時間）設定している。このように設定することにより、季節による給湯需要に差がある場合に、需要と供給のバランスを適切に維持して、効率のよい運転を行うことができる。

また、図１４及び図１５に示すように、基本運転時間Ｔ５は、燃料電池システム１の設置後の経過年数に伴って短くなるように設定している。一般的に、スタック１１等の経年劣化により、燃料電池システム１の発電効率は年々低下するが、その反面、熱回収効率は増加する。そのため経過年数に応じて基本運転時間Ｔ５を短く設定することにより、燃料電池システム１の給湯供給量を略一定に保つことが可能となる。

また、本実施の形態３では、残余運転時間Ｔ９と加算時間との対応関係を示すデータが用意されており、該データは制御ユニット２０に備えられた記憶部（図示せず）に格納されている。即ち、本実施の形態３では、実施の形態１，２とは異なり、残余運転時間Ｔ９の所定日数で除算して加算時間を取得するのではなく、残余運転時間Ｔ９と、これを分割した一部の時間である加算時間とが、予め対応付けられている。

図１６は、残余運転時間Ｔ９と加算時間との関係を示す設定テーブルの概念図である。この図１６に示すように、本実施の形態では、残余運転時間Ｔ９が０時間以上１０時間未満の場合には加算時間として２時間が設定されている。同様にして、残余運転時間Ｔ９が１０時間以上５０時間未満の場合には加算時間として４時間、残余運転時間Ｔ９が５０時間以上１００時間未満の場合には加算時間として６時間、そして、残余運転時間Ｔ９が１００時間以上の場合には加算時間として８時間が設定されている。

このように、残余運転時間Ｔ９が多いほど、加算時間として長い時間が対応付けられている。そのため、残余運転時間Ｔ９が多い場合にはスピーディにこれを消費し、残余運転時間Ｔ９が少ない場合にはゆっくりとこれを消費させることができる。

次に、本実施の形態に係る許容運転時間設定処理について、具体的に説明する。図１７は、実施の形態３に係る１日あたりの許容運転時間の設定処理を示すフローチャートである。

図１７に示すように、許容運転時間設定部２２は、前回（前日）までの基本運転時間Ｔ５の累計値から、前回（前日）までの実運転時間Ｔ７の累計値を減算することにより、残余運転時間Ｔ９を取得する（ステップＳ３１）。例えば、設置後１年目の冬場１月の基本運転時間Ｔ５は２０時間（図１４参照）であるが、この時期に実運転時間Ｔ７が８時間の日があったとする。その場合、残余運転時間Ｔ９は１２時間（＝２０時間−８時間）となる。次に、この残余運転時間Ｔ９と図１６に示した設定テーブルとに基づき、加算時間を取得する（ステップＳ３２）。上記の例のように、残余運転時間Ｔ９が１２時間であったとすると、図１６から、加算時間として４時間が取得される。

次に、基本運転時間Ｔ５に対して上記加算時間を加算することにより、１日あたりの許容運転時間Ｔ６の暫定値を算出する（ステップＳ３３）。そして、算出した許容運転時間Ｔ６が、上限時間Ｔ４よりも大きいか否かを判定し（ステップＳ３４）、上限時間Ｔ４以上であれば、当該１日あたりの許容運転時間Ｔ６を上限時間Ｔ４と等しい値に設定（ステップＳ３５）して本処理を終了する。一方、上限時間Ｔ４未満であれば、ステップＳ３３で算出した許容運転時間Ｔ６の暫定値を正式な許容運転時間として採用（ステップＳ３６）し、本処理を終了する。

上述した例でいえば、基本運転時間Ｔ５は２０時間、加算時間は４時間であるから、ステップＳ３３で算出される許容運転時間Ｔ６の暫定値は２４時間となる。従って、ステップＳ３４において上限時間Ｔ４の２０時間以上と判定され、許容運転時間Ｔ６としては上限時間Ｔ４に等しい２０時間が設定される。即ち、設置後１年目については、冬場は、基本運転時間Ｔ５が上限時間Ｔ４と同じ２０時間（図１５参照）に設定され、夏場も、基本運転時間Ｔ５が上限時間Ｔ４と同じ１０時間（図１５参照）に設定されているため、残余運転時間Ｔ５が生じたとしても、基本運転時間Ｔ５に加算時間が加算されず、残余運転時間Ｔ５は消費されない。

次に、設置後２年目の冬季に、上記と同様１２時間の残余運転時間Ｔ９が生じた場合について説明する。この場合、基本運転時間Ｔ５が１９時間であり（図１４参照）、加算時間は４時間である（図１６参照）。従って、暫定的な許容運転時間Ｔ６は２３時間（＝１９時間＋４時間）となる（ステップＳ３３）。ここで、この暫定値である２３時間は上限時間Ｔ４の２０時間以上であるため、許容運転時間Ｔ６としては上限時間Ｔ４が設定される（ステップＳ３５）。しかしながら、基本運転時間Ｔ５が１９時間であるため、残余運転時間Ｔ９のうち１時間を消費することができる。なお、同様の条件であれば、３年目には２時間、４年目には３時間を消費でき、経過年数に応じて長い時間を消費することができる。

このような構成とすることにより、燃料電池システム１の設置後の経過年数が少なく、基本運転時間Ｔ５が相対的に長時間に設定されている時期は、長時間の残余運転時間Ｔ９を蓄えておくことができる。そして、年数を経て基本運転時間Ｔ５が短時間に設定されている時期には、蓄えられた残余運転時間Ｔ９の使用が促進される。従って、許容運転時間Ｔ６及び実運転時間Ｔ７が、経過年数に応じて減少するのを抑制することができる。その結果、経過年数に応じて基本運転時間Ｔ５が短くなるという設定（図１４参照）にもかかわらず、そのような設定をユーザーに感じさせないようにすることができる。

以上、本発明について実施の形態１〜３を例示して具体的に説明したが、本発明の実施態様は上述した構成に限定されるものではない。例えば、単位期間としては１日間ではなくてもよく、電力需要や熱需要が１週間を最小単位として周期的に変化する場合には、１週間を単位期間としてもよい。あるいは、４８時間，２週間，１ヶ月間、季節ごと等、他の期間を単位期間に設定してもよい。

また、実施の形態１〜３では、実運転時間を発電時間と同一として説明した。これは、燃料電池システム１の耐用運転時間は、一般的には基幹部品であるスタック１１の寿命で決定されるため、発電時間を実運転時間として考えるのが適切だからである。しかしながら、水素生成器１２や送風機１３などが備えるアクチュエータやセンサの寿命に依存して燃料電池システム１の寿命が決定される場合には、実運転時間に発電時間に加えて起動工程及び終了工程に要する時間を含めるのが好適である。

また、実施の形態３では、基本運転時間Ｔ５を夏場及び冬場の２パターンに分けて設定したが、四季毎や月毎に分けて設定してもよい。このように、基本運転時間Ｔ５を細かく分けて設定すると、基本運転時間を給湯需要により合致させることが可能となるので好適である。

また、実施の形態３では、基本運転時間を経過年数に応じて短くなるように設定しているが、燃料電池システム１の設置後の通電時間や運転時間の累計に応じて短くなるように設定してもよい。例えば、ユーザーが長期不在などで燃料電池システム１の主電源がオフにされる場合は、その期間はスタック１１等に顕著な経年劣化が生じない。従って、経年劣化に起因する発電効率の低下も発生しないと想定されるので、経過年数から、主電源がオフとなっている期間を除外する方が好適である。ここで、図１４の設定テーブルにおいて、経過年数に換えて通電時間の累計を採用すると、主電源がオフになっている期間を除外した通電時間に基づいて、より適切に基本運転時間Ｔ５を設定することができる。

更に、上述した実施の形態１〜３は、夫々独立して実施することもできるが、このうち２つ又は３つを組み合わせて実施することも可能である。

本発明は、使用保証期間に至る前に耐用運転時間を消化してしまって短寿命になるのを防ぎつつ、許容運転時間の日毎の変動を小さくし、ユーザーが違和感無く使用することができる燃料電池システム及びその運転方法に適用することができる。また、より多くの給湯及び電力の需要を、燃料電池システムで生成した熱及び電力で賄うことができる燃料電池システム及びその運転方法に適用することができる。

１ 燃料電池システム
４ 分電盤
１０ 燃料電池ユニット
１１ スタック
１２ 水素生成器
１３ 送風機
１４ インバータ
１５ 廃熱回収部
２０ 制御ユニット
２１ 運転制御部
２２ 許容運転時間設定部

Claims (11)

1. 燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電した電力を外部負荷へ供給する燃料電池ユニットと、該燃料電池ユニットの動作を制御する制御部と、を備え、
   該制御部は、
   前記燃料電池ユニットの耐用運転時間に基づき、該燃料電池ユニットに設定された使用保証期間より短い単位期間毎に、該燃料電池ユニットの許容運転時間を設定する許容運転時間設定部と、
   前記燃料電池ユニットの前記単位期間あたりの実運転時間が、該単位期間に対して設定された前記許容運転時間以下となるように、前記燃料電池ユニットを運転させる運転制御部と、
   を有しており、
   前記許容運転時間設定部は、
   前記耐用運転時間及び前記使用保証期間に基づいて設定された前記単位期間毎の許容運転時間の基準値と前記単位期間毎の実運転時間とについて、過去の全単位期間にわたる累計値を夫々算出し、各累計値の差である残余運転時間が生じた場合には、該残余運転時間を分割した一部を前記基準値に加算して得た時間を、次回の単位期間における許容運転時間として設定する、
   燃料電池システム。
2. 前記許容運転時間の基準値は、全ての前記単位期間に対する前記基準値を加算したときの累計値が前記耐用運転時間と一致するように設定されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池ユニットは、電力及び熱を共に供給する熱電併給装置であり、
   前記運転制御部は、
   前記実運転時間が前記許容運転時間以下となるように、且つ、前記外部負荷が過去に消費した電力量及び熱量に基づき、前記単位期間中での運転開始時間を決定すると共に、
   該発電開始時間に前記燃料電池ユニットを起動した後は、前記外部負荷が消費する電力量に追従するように前記燃料電池ユニットの出力を制御する、
   請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記許容運転時間設定部は、前記残余運転時間の一部を前記基準値に加算して得た前記許容運転時間が前記単位期間よりも短くなるように、前記許容運転時間を設定するよう構成されている、請求項１乃至３の何れかに記載の燃料電池システム。
5. 前記許容運転時間設定部は、前記残余運転時間を所定数で除算して得た時間を前記基準値に加算することにより、前記許容運転時間を設定するよう構成されている、請求項１乃至４の何れかに記載の燃料電池システム。
6. 前記許容運転時間設定部は、前記残余運転時間と前記基準値に加算する加算値との関係を示すデータを予め記憶している、請求項１乃至４の何れかに記載の燃料電池システム。
7. 前記許容運転時間設定部は、過去の全単位期間にわたる前記実運転時間の累計値と前記耐用運転時間との差である残余耐用時間が、所定値未満になった場合には、前記残余運転時間を余剰が生じないように残りの単位期間に対して分配することで、前記許容運転時間を設定する、請求項１乃至６の何れかに記載の燃料電池システム。
8. 前記許容運転時間の基準値は、一年間のうちでは熱需要が高い時期の方が低い時期よりも長時間に設定されている、請求項１乃至７の何れかに記載の燃料電池システム。
9. 前記許容運転時間の基準値は、一年間のうちでは一日の平均気温が相対的に低い時期ほど長時間に設定されている、請求項１乃至８の何れかに記載の燃料電池システム。
10. 前記許容運転時間の基準値は、一年間のうちの同時期で比較すると、年を経るに従って短時間に設定されている、請求項１乃至８の何れかに記載の燃料電池システム。
11. 燃料電池ユニット及びこれを制御する制御部を備える燃料電池システムの運転方法であって、
    前記燃料電池ユニットの耐用運転時間に基づき、該燃料電池ユニットに設定された使用保証期間より短い単位期間毎に、該燃料電池ユニットの許容運転時間を設定する工程と、
    前記燃料電池ユニットの前記単位期間あたりの実運転時間が、該単位期間に対して設定された前記許容運転時間以下となるように、前記燃料電池ユニットを運転させる工程と、
    を備え、
    前記許容運転時間を設定する工程では、
    前記耐用運転時間及び前記使用保証期間に基づいて設定された前記単位期間毎の許容運転時間の基準値と前記単位期間毎の実運転時間とについて、過去の全単位期間にわたる累計値を夫々算出し、各累計値の差である残余運転時間が生じた場合には、該残余運転時間を分割した一部を前記基準値に加算して得た時間を、次回の単位期間における許容運転時間として設定する、
    燃料電池システムの運転方法。
    

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