特許 5740237 燃料電池システムおよびその制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5740237

(24)【登録日】2015年5月1日

(45)【発行日】2015年6月24日

(54)【発明の名称】燃料電池システムおよびその制御方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20060101AFI20150604BHJP

   H02M 3/00 20060101ALI20150604BHJP

   H02M 7/12 20060101ALI20150604BHJP

   H01M 8/12 20060101ALN20150604BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 P

   H01M8/04 J

   H02M3/00 W

   H02M7/12 W

   !H01M8/12

【請求項の数】4

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2011-167459(P2011-167459)

(22)【出願日】2011年7月29日

(65)【公開番号】特開2013-30436(P2013-30436A)

(43)【公開日】2013年2月7日

【審査請求日】2014年3月5日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004547

【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001911

【氏名又は名称】特許業務法人アルファ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】臼井 淑隆

(72)【発明者】

【氏名】西島 大

(72)【発明者】

【氏名】中西 敏郎

(72)【発明者】

【氏名】柴田 昌宏

【審査官】 前原 義明

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００３−２４３０１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０４３５２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 欧州特許出願公開第０２４７５０３８（ＥＰ，Ａ１）

【文献】 特開２００８−０５３０３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０２５８５５４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０６６１２３８５（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 特開２００８−２２６５９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１８１７９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１１０６６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０９２７２６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００ − ８／２４

Ｈ０２Ｍ ３／００

Ｈ０２Ｍ ７／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料ガスと酸化剤ガスとの発電反応により電力を発生する，燃料電池と，
前記燃料電池からの電力の一部を消費し，前記燃料電池の発電を補助する補助機構と，
前記燃料電池からのＤＣ出力をＡＣ出力に変換し，少なくとも一部を外部に供給するパワーコンディショナーと，
前記パワーコンディショナーからのＡＣ出力の少なくとも一部をＤＣ出力に変換するＡＣ−ＤＣコンバータと，
前記燃料電池からのＤＣ出力の少なくとも一部を異なる電圧のＤＣ出力に変換するＤＣ−ＤＣコンバータと，
前記パワーコンディショナー，前記ＡＣ−ＤＣコンバータを経由する第１系統と，前記ＤＣ−ＤＣコンバータを経由する第２系統との間で，前記燃料電池から前記補助機構への出力を切り替える切替部と，
を具備する燃料電池システムの制御方法であって，
前記パワーコンディショナーへの入力電圧および入力電力と変換効率との関係を表す第１の関係情報，前記ＤＣ−ＤＣコンバータへの入力電圧および入力電力と変換効率との関係を表す第２の関係情報，前記ＡＣ−ＤＣコンバータへの入力電力と変換効率との関係を表す第３の関係情報，前記燃料電池からの出力電圧情報，出力電力情報，および前記補助機構での消費電力情報，をそれぞれ準備する情報準備工程と，
前記情報準備工程で準備された前記第１の関係情報，前記第２の関係情報，前記第３の関係情報，前記燃料電池からの出力電圧情報，出力電力情報，および前記補助機構での消費電力情報に基づき，前記燃料電池の前記ＤＣ出力から前記外部に供給する前記ＡＣ出力へと変換する変換効率が高くなるように，前記切替部を制御する制御工程と，
を具備する，ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

【請求項2】

前記燃料電池からの前記出力電圧情報に基づいて，前記燃料電池への燃料ガスの供給に対して調整を行なう工程をさらに具備し，
前記燃料電池の温度が所定範囲外のとき，前記燃料電池からの前記出力電圧情報に基づく前記燃料ガスの供給量に対する調整量が制限される
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの制御方法。

【請求項3】

燃料ガスと酸化剤ガスとの発電反応により電力を発生する，燃料電池と，
前記燃料電池からの電力の一部を消費し，前記燃料電池の発電を補助する補助機構と，
前記燃料電池からのＤＣ出力をＡＣ出力に変換し，少なくとも一部を外部に供給するパワーコンディショナーと，
前記パワーコンディショナーからのＡＣ出力の少なくとも一部をＤＣ出力に変換するＡＣ−ＤＣコンバータと，
前記燃料電池からのＤＣ出力の少なくとも一部を異なる電圧のＤＣ出力に変換するＤＣ−ＤＣコンバータと，
前記パワーコンディショナー，前記ＡＣ−ＤＣコンバータを経由する第１系統と，前記ＤＣ−ＤＣコンバータを経由する第２系統との間で，前記燃料電池から前記補助機構への出力を切り替える切替部と，
を具備する燃料電池システムにおいて，
前記パワーコンディショナーへの入力電圧および入力電力と変換効率との関係を表す第１の関係情報，前記ＤＣ−ＤＣコンバータへの入力電圧および入力電力と変換効率との関係を表す第２の関係情報，前記ＡＣ−ＤＣコンバータへの入力電力と変換効率との関係を表す第３の関係情報を記憶する記憶部と，
前記第１〜第３の関係情報，前記燃料電池からの出力電圧情報，出力電力情報，および前記補助機構での消費電力情報に基づき，前記燃料電池の前記ＤＣ出力から前記外部に供給する前記ＡＣ出力へと変換する変換効率が高くなるように，前記切替部を制御する制御部と，
を具備することを特徴とする燃料電池システム。

【請求項4】

前記燃料電池の前記出力電圧情報に基づいて，前記燃料電池への燃料ガスの供給に対して調整を行なう第２の制御部をさらに具備し，
前記燃料電池の温度が所定範囲外のとき，前記第２の制御部は，前記燃料電池からの前記出力電圧情報に基づく前記燃料ガスの供給量に対する調整量が制限される
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は，燃料電池システムおよびその制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

燃料ガスと酸化剤ガスとの発電反応により電力を発生する，燃料電池（例えば，固体電解質（固体酸化物）を用いた固体酸化物形燃料電池）が用いられている。一般に，燃料電池からＤＣ電圧はＡＣ電圧に変換され，家庭等の電気機器（負荷）に供給される。

【0003】

ここで，発電時間が経過すると，燃料電池は徐々に劣化し，燃料電池からの電圧，電流（電力）が変化する。この結果，ＤＣ電力をＡＣ電力に変換する際の変換効率が低下し，その効率的な運用が困難となる可能性がある。このため，燃料電池の状態によらずに，変換効率を良好とするため，様々な工夫がなされている。例えば，複数のＤＣ−ＡＣコンバーターを搭載することで，変換効率の向上を図った技術が開示されている（特許文献１参照）。しかし，この技術では，複数のＤＣ−ＡＣコンバーターを搭載するため，コストおよびサイズが大きくなり，また制御の複雑化を招く。一方，燃料電池の電圧をモニターしながら，燃料電池の出力をプロセス制御補機に直接供給することで，効率の向上を図る技術が開示されている（特許文献２参照）。しかし，この技術では，効率の向上が図れる条件が限定される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１０−９８８６２号公報

【特許文献2】特開２００８−１６６０４２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は，燃料電池からのＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換する変換効率の向上を図った燃料電池システムおよびその制御方法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】

【0006】

（１）本発明の一態様に係る燃料電池システムの制御方法は， 前記燃料電池からの電力の一部を消費し，前記燃料電池の発電を補助する補助機構と，前記燃料電池からのＤＣ出力をＡＣ出力に変換し，少なくとも一部を外部に供給するパワーコンディショナーと，前記パワーコンディショナーからのＡＣ出力の少なくとも一部をＤＣ出力に変換するＡＣ−ＤＣコンバータと，前記燃料電池からのＤＣ出力の少なくとも一部を異なる電圧のＤＣ出力に変換するＤＣ−ＤＣコンバータと，前記パワーコンディショナー，前記ＡＣ−ＤＣコンバータを経由する第１系統と，前記ＤＣ−ＤＣコンバータを経由する第２系統との間で，前記燃料電池から前記補助機構への出力を切り替える切替部と，を具備する燃料電池システムの制御方法であって，前記パワーコンディショナーへの入力電圧および入力電力と変換効率との関係を表す第１の関係情報，前記ＤＣ−ＤＣコンバータへの入力電圧および入力電力と変換効率との関係を表す第２の関係情報，前記ＡＣ−ＤＣコンバータへの入力電力と変換効率との関係を表す第３の関係情報，前記燃料電池からの出力電圧情報，出力電力情報，および前記補助機構での消費電力情報，をそれぞれ準備する情報準備工程と，前記情報準備工程で準備された前記第１の関係情報，前記第２の関係情報，前記第３の関係情報，前記燃料電池からの出力電圧情報，出力電力情報，および前記補助機構での消費電力情報に基づき，前記燃料電池のＤＣ出力から前記外部に供給するＡＣ出力へと変換する変換効率が高くなるように，前記切替部を制御する制御工程と，を具備する。

【0007】

この燃料電池システムの制御方法では，第１〜第３の関係情報，前記燃料電池からの出力電圧情報，出力電力情報，および前記補助機構での消費電力情報に基づき，前記燃料電池のＤＣ出力から前記外部に供給するＡＣ出力へと変換する変換効率が高くなるように，切替部を制御する。この結果，燃料電池からの出力が効率的に外部への出力に変換される。

【0008】

前記燃料電池からの前記出力電圧情報に基づいて，前記燃料電池への燃料ガスの供給に対して調整を行なう工程をさらに具備し，前記燃料電池の温度が所定範囲外のとき，前記燃料電池からの前記出力電圧情報に基づく前記燃料ガスの供給量に対する調整量が制限されても良い。パワーコンディショナーの変換効率が良好となるように燃料電池からの電圧を制御し，燃料電池からの出力がより効率的に外部への出力に変換されるようになる。

【0009】

（２）本発明の一態様に係る燃料電池システムは，燃料ガスと酸化剤ガスとの発電反応により電力を発生する，燃料電池と，前記燃料電池からの電力の一部を消費し，前記燃料電池の発電を補助する補助機構と，前記燃料電池からのＤＣ出力をＡＣ出力に変換し，少なくとも一部を外部に供給するパワーコンディショナーと，前記パワーコンディショナーからのＡＣ出力の少なくとも一部をＤＣ出力に変換するＡＣ−ＤＣコンバータと，前記燃料電池からのＤＣ出力の少なくとも一部を異なる電圧のＤＣ出力に変換するＤＣ−ＤＣコンバータと，前記パワーコンディショナー，前記ＡＣ−ＤＣコンバータを経由する第１系統と，前記ＤＣ−ＤＣコンバータを経由する第２系統との間で，前記燃料電池から前記補助機構への出力を切り替える切替部と，を具備する燃料電池システムにおいて，前記パワーコンディショナーへの入力電圧および入力電力と変換効率との関係を表す第１の関係情報，前記ＤＣ−ＤＣコンバータへの入力電圧および入力電力と変換効率との関係を表す第２の関係情報，前記ＡＣ−ＤＣコンバータへの入力電力と変換効率との関係を表す第３の関係情報を記憶する記憶部と，前記第１〜第３の関係情報，前記燃料電池からの出力電圧情報，出力電力情報，および前記補助機構での消費電力情報に基づき，前記燃料電池のＤＣ出力から前記外部に供給するＡＣ出力へと変換する変換効率が高くなるように，前記切替部を制御する制御部と，を具備する。

【0010】

この燃料電池システムでは，第１〜第３の関係情報，前記燃料電池からの出力電圧情報，出力電力情報，および前記補助機構での消費電力情報に基づき，前記燃料電池のＤＣ出力から前記外部に供給するＡＣ出力へと変換する変換効率が高くなるように，切替部を制御する。この結果，燃料電池からの出力が効率的に外部への出力に変換される。

【0011】

前記燃料電池の前記出力電圧情報に基づいて，前記燃料電池への燃料ガスの供給に対して調整を行なう第２の制御部をさらに具備し，前記燃料電池の温度が所定範囲外のとき，前記第２の制御部は，前記燃料電池からの前記出力電圧情報に基づく前記燃料ガスの供給量に対する調整量が制限されても良い。パワーコンディショナーの変換効率が良好となるように燃料電池からの電圧を制御し，燃料電池からの出力がより効率的に外部への出力に変換されるようになる。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば，燃料電池からのＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換する変換効率の向上を図った燃料電池システムおよびその制御方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを表すブロック図である。

【図2】電圧，電力と，パワーコンディショナー３０の変換効率の関係を表すグラフである。

【図3】電圧，電力と，ＤＣ−ＤＣコンバータ４２の変換効率の関係を表すグラフである。

【図4】電力と，ＡＣ−ＤＣコンバータ４１の変換効率の関係を表すグラフである。

【図5】電圧と燃料利用率の関係を表すグラフである。

【図6】ＤＣ−ＤＣコンバータ４２の変換効率の算出手法の一例を表すグラフである。

【図7】ＡＣ−ＤＣコンバータ４１の変換効率の算出手法の一例を表すグラフである。

【図8】燃料電池システムの動作手順の一例を表すフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下，図面を参照して，本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを表す図である。この燃料電池システムは，燃料電池１０，補助機構２０，パワーコンディショナー３０，ＡＣ−ＤＣコンバータ４１，ＤＣ−ＤＣコンバータ４２，切替部４３，コントローラ５０，記憶部５１を有する。

【0015】

燃料電池１０は，例えば，燃料ガス（水素，炭化水素ガス等）と酸化剤ガス（空気，酸素等）の反応（発電反応）により電力（ＤＣ１出力）を供給する。燃料電池１０として，固体電解質（固体酸化物）を用いた固体酸化物形燃料電池を利用できる。燃料電池１０からの電圧，電流（電圧Ｖ，出力（電力または電流）Ｘ１）は，その性能，温度，劣化状況に依存し，時間の経過に応じて変化する。このため，後述のように，コントローラ５０が切替部４３を制御する等して，燃料電池システムの効率的な運転が図られる。

【0016】

燃料電池１０には，その温度Ｔを測定する温度センサ（例えば，熱電対）が備えられる。この温度センサはコントローラ５０に接続される。この結果，コントローラ５０は温度センサでの測定結果（温度Ｔ）の情報を入手できる。

【0017】

ＤＣ１出力は，ＤＣ１１出力（電圧Ｖ，出力（電力または電流）Ｘ１１），ＤＣ１２出力（電圧Ｖ，出力（電力または電流）Ｘ１２）に分けられて，パワーコンディショナー３０，ＤＣ−ＤＣコンバータ４２に供給される。後述のように，切替部４３がＤＣ−ＤＣコンバータ４２へのＤＣ１２出力の供給の有無を切り替える。

【0018】

補助機構２０は，燃料電池１０からの電力の一部を消費し，燃料電池１０の発電を補助するものであり，空気ポンプ２１，燃料ポンプ２２，水ポンプ２３を有する。空気ポンプ２１は，燃料電池１０に酸化剤ガスとしての空気を供給する。燃料ポンプ２２は，燃料電池１０に燃料ガスを供給する。空気ポンプ２１は，燃料電池１０に酸化剤ガスとしての空気を供給する。水ポンプ２３は，燃料電池１０に水蒸気改質反応に使用する水を供給する。水蒸気改質は，炭化水素ガスと水蒸気を反応させて，水素ガスを生成するためのものである。補助機構２０は，空気ポンプ２１，燃料ポンプ２２，水ポンプ２３それぞれからの空気，燃料ガス，水の供給を制御するための電磁弁や流量センサ等を含む。

【0019】

パワーコンディショナー３０は，燃料電池１０からのＤＣ１１出力（電圧Ｖ，出力（電力または電流）Ｘ１１）をＡＣ出力（ＡＣ１出力（電圧Ｖ１，出力（電力または電流）Ｗ１，Ｗ２），ＡＣ２出力（電圧Ｖ１，出力（電力または電流）Ｘ３））に変換する。ＡＣ１出力は，家庭等燃料電池システムの外部（家庭内電気機器等の負荷）に出力される。ＡＣ２出力は，ＡＣ−ＤＣコンバータ４１に出力される。電圧Ｖ１は，所定値（例えば，１００Ｖ（２００Ｖ））である。ＡＣ１出力において，出力（外部出力）Ｗ１，Ｗ２は，後述の第１系統，第２系統の切替に対応する。なお，後述のように，ＡＣ２出力のＡＣ−ＤＣコンバータ４１への入力の有無が切替部４３によって制御される。

【0020】

パワーコンディショナー３０は，燃料電池１０からのＤＣ１１出力を測定する電圧センサ，電流センサ（または電力センサ）を有する。そして，コントローラ５０からの制御信号に応じて，ＤＣ１１出力の電圧Ｖ，出力（電力または電流）Ｘ１１をコントローラ５０に通知する。

【0021】

ＡＣ−ＤＣコンバータ４１は，パワーコンディショナー３０からのＡＣ出力の少なくとも一部（ＡＣ２出力（電圧Ｖ１（例えば，１００Ｖ（２００Ｖ））））をＤＣ２出力（電圧Ｖ２，出力（電力または電流）Ｘ２））に変換する。

【0022】

ＤＣ−ＤＣコンバータ４２は，燃料電池１０からのＤＣ１出力の少なくとも一部（ＤＣ１２出力）を異なる電圧のＤＣ２出力（電圧Ｖ２，出力（電力または電流）Ｘ２））に変換する。

【0023】

ＤＣ−ＤＣコンバータ４２は，燃料電池１０からのＤＣ１２出力を測定する電圧センサ，電流センサ（または電力センサ）を有する。そして，切替部４３を経由するコントローラ５０からの制御信号に応じて，ＤＣ１２出力の電圧Ｖ，出力（電力または電流）Ｘ１２をコントローラ５０に通知する。

【0024】

ここでは，パワーコンディショナー３０，ＤＣ−ＤＣコンバータ４２の双方が電圧センサを有するとしている。これに対して，パワーコンディショナー３０，ＤＣ−ＤＣコンバータ４２の一方のみが電圧センサを有するとしても良い。パワーコンディショナー３０，ＤＣ−ＤＣコンバータ４２に入力される電圧は共通だからである。

【0025】

後述のように切替部４３で切り替えられることで，ＡＣ−ＤＣコンバータ４１，ＤＣ−ＤＣコンバータ４２からの出力のいずれかが，補助機構２０およびコントローラ５０に供給される。即ち，ＡＣ−ＤＣコンバータ４１，ＤＣ−ＤＣコンバータ４２からのＤＣ２出力の電圧Ｖ２は，補助機構２０およびコントローラ５０の所定の動作電圧（例えば，２４Ｖ）に対応する。コントローラ５０の消費電力（電流）は，補助機構２０の消費電力（電流）に比べて小さいので，ＤＣ２出力の出力（電力または電流）Ｘ２は，事実上，補助機構２０の消費電力（電流）に対応する。

【0026】

切替部４３は，次のように，パワーコンディショナー３０，ＡＣ−ＤＣコンバータ４１を経由する第１系統と，ＤＣ−ＤＣコンバータ４２を経由する第２系統との間で，燃料電池１０から補助機構２０への出力を切り替える。

【0027】

・第１系統：
燃料電池１０（ＤＣ電力）→パワーコンディショナー３０（ＡＣ）
→外部出力（負荷）（ＡＣ）
→ＡＣ−ＤＣコンバータ４１（ＤＣ）→補助機構２０（ＤＣ）

【0028】

・第２系統：
燃料電池１０（ＤＣ電力）
→パワーコンディショナー３０（ＡＣ）→外部出力（負荷）（ＡＣ）
→ＤＣ−ＤＣコンバータ４２（ＤＣ）→補助機構２０（ＤＣ）

【0029】

このように，切替部４３によって，補助機構２０への電力の供給経路が第１系統，第２系統で切り替えられる。一方，第１系統，第２系統のいずれでも，燃料電池１０からのＤＣ１出力は，パワーコンディショナー３０に供給され，パワーコンディショナー３０からのＡＣ１出力が外部（電気機器等の負荷）に供給される。

【0030】

第１系統を用いる場合，切替部４３は，次のように動作する。即ち，パワーコンディショナー３０からＡＣ−ＤＣコンバータ４１へのＡＣ２出力の供給を接続し，燃料電池１０からＤＣ−ＤＣコンバータ４２へのＤＣ１出力の供給を切断する。また，ＡＣ−ＤＣコンバータ４１からの出力がＤＣ２出力となる。

【0031】

第２系統を用いる場合，切替部４３は，次のように動作する。即ち，パワーコンディショナー３０からＡＣ−ＤＣコンバータ４１へのＡＣ２出力の供給を切断し，燃料電池１０からＤＣ−ＤＣコンバータ４２へのＤＣ１出力の供給を接続する。また，ＤＣ−ＤＣコンバータ４２からの出力がＤＣ２出力となる。

【0032】

これらの切替は，切替部４３がＡＣ−ＤＣコンバータ４１およびＤＣ−ＤＣコンバータ４２の入出力を制御することで可能である。

【0033】

以下，第１系統，第２系統を切り替える意義について説明する。
一般的には，第１系統は「ＤＣ→ＡＣ→ＤＣ」と変換が２回あるため，全体的な変換効率が悪いようにも見える。しかし，ＡＣ−ＤＣコンバータ４１に入力される電圧は，一定（例えば，１００Ｖ（２００Ｖ））であるため，変換効率の良いＡＣ−ＤＣコンバータ４１の設計，選定が比較的容易である（変換効率を一定とし易い）。

【0034】

一方，第２系統は，「ＤＣ→ＤＣ」と変換が１回なので，変換効率を向上させやすい。この反面，燃料電池１０の電圧は上述の様に劣化や温度等で日々変動することから，ＤＣ−ＤＣコンバータ４２には比較的広い電圧範囲での変換が要求される。このため，使用条件によって，ＤＣ−ＤＣコンバータ４２の変換効率が低下する可能性がある。

【0035】

記憶部５１は，次の第１〜第３の関係情報を記憶する。
・パワーコンディショナー３０への入力電圧および入力電力（燃料電池１０からのＤＣ１１出力の電圧Ｖ，電力Ｘ１１）と変換効率Ｙ１との関係を表す第１の関係情報
・ＤＣ−ＤＣコンバータ４２への入力電圧および入力電力（燃料電池１０からのＤＣ１２出力の電圧Ｖ，電力Ｘ１２）と変換効率Ｙ２との関係を表す第２の関係情報
・ＡＣ−ＤＣコンバータ４１への入力電力（パワーコンディショナー３０からのＡＣ２出力の電力Ｘ３）と変換効率Ｙ３との関係を表す第３の関係情報

【0036】

図２〜図４は，これら第１〜第３の関係情報の一例を表すグラフである。なお，第３の関係情報がＡＣ−ＤＣコンバータ４１への入力電圧を問題としていないのは，ＡＣ−ＤＣコンバータ４１に入力される電圧（パワーコンディショナー３０からのＡＣ２出力の電圧Ｖ１）が事実上一定だからである。

【0037】

ここで，図２において，電圧Ｖ０は変換効率Ｙ１が極大のときの電圧（効率点）を意味する。

【0038】

図５は，燃料電池１０での燃料利用率ηと出力電圧Ｖの関係を表すグラフである。燃料利用率ηの変化が，出力電圧Ｖの変化をもたらすことが判る。出力電圧Ｖａ，Ｖｂが燃料利用率η１，η２と対応している。その結果，図２に示す電圧ＶもＶａ，Ｖｂと変化している。

【0039】

コントローラ５０は，第１〜第３の関係情報（変換効率Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３），燃料電池１０からの出力電圧情報（電圧Ｖ），出力電力情報（電力Ｘ１），および補助機構２０での消費電力情報（電力Ｘ２）に基づき，燃料電池システムとしての変換効率Ｙｔが良くなるように切替部４３を制御する。このために，コントローラ５０は，切替部４３を介して，燃料電池１０の電圧Ｖ，電力Ｘ１をモニタする。

【0040】

燃料電池システムとしての変換効率Ｙｔは，燃料電池１０からのＤＣ１出力（出力Ｘ１）が外部へのＡＣ１出力（外部出力Ｗ１，Ｗ２）に変換された割合として定義できる。既述のように，第１，第２系統の選択により，ＡＣ１出力は，Ｗ１，Ｗ２と変化することから，第１系統のときの変換効率Ｙｔ１（＝（Ｗ１／Ｘ１））と第２系統のときの変換効率Ｙｔ２（＝（Ｗ２／Ｘ１））のどちらか大きいほうが選択されることになる。

【0041】

さらに言えば，変換効率Ｙｔ１，Ｙｔ２において，ＤＣ１出力（出力Ｘ１）は共通することから，外部出力Ｗ１，Ｗ２を比較することで，変換効率Ｙｔ１，Ｙｔ２の大きい方（燃料電池システムとしての変換効率Ｙｔが大きい方）を選択できる。

【0042】

コントローラ５０は，燃料電池１０の出力電圧情報（電圧Ｖ）に基づいて，燃料電池１０への燃料ガスの供給に対して調整を行なう。コントローラ５０は，燃料電池１０の温度Ｔが所定範囲（後述の上限，下限）外のとき，燃料電池１０からの出力電圧情報（電圧Ｖ）に基づく燃料ガスの供給量に対する調整量を制限する。このために，コントローラ５０は，温度センサを用いて，燃料電池１０の温度Ｔをモニタする。

【0043】

コントローラー５０は，燃料電池１０の出力から次の式（１），（２）に基づき，出力Ｗ１，Ｗ２を計算する。
Ｗ１＝（Ｘ１×Ｙ１）−（Ｘ２／Ｙ３） …式（１）
Ｗ２＝（Ｘ１−Ｘ２／Ｙ２）×Ｙ１ …式（２）

【0044】

Ｘ１： 燃料電池１０の出力（電力）
Ｖ： 燃料電池１０の電圧
Ｘ２： 補助機構２０の消費電力
Ｙ１： パワーコンディショナー３０の変換効率
Ｙ２： ＤＣ−ＤＣコンバータ４２の変換効率
Ｙ３： ＡＣ−ＤＣコンバータ４１の変換効率

【0045】

出力Ｗ１，Ｗ２はそれぞれ，第１系統，第２系統のときに，パワーコンディショナー３０から外部に供給される電力（ＡＣ１出力の電力）である。

【0046】

既述のように，燃料電池１０からの電圧Ｖ，電力Ｘ１は，パワーコンディショナ３０，ＤＣ−ＤＣコンバータ４２でのＤＣ１１出力，ＤＣ１２出力の測定結果として，コントローラー５０が入手できる。

【0047】

補助機構２０の消費電力Ｘ２は，切替部４３を経由して，ＡＣ−ＤＣコンバータ４１またはＤＣ−ＤＣコンバータ４２から出力されるＤＣ２出力の電力として，測定可能である。また，測定すること無く，消費電力Ｘ２として所定の値を記憶部５１に記憶させておいても良い。

【0048】

（ａ）変換効率Ｙ２の算出
以下，変換効率Ｙ２の算出の手法を説明する。
既述のように，ＤＣ−ＤＣコンバータ４２の変換効率Ｙ２は，ＤＣ−ＤＣコンバータ４２に入力される電力，電圧（ＤＣ１２出力の電圧Ｖ，電力Ｘ１２）に依存する。ここで，第２の関係情報およびＤＣ−ＤＣコンバータ４２からのＤＣ２出力の電力Ｘ２に基づいて，変換効率Ｙ２を算出できる。

【0049】

図６に，変換効率Ｙ２の算出の手法を表す。グラフＧ１は，図３に示される第２の関係情報に対応するグラフである。電力Ｘ，変換効率Ｙのグラフとして，第２の関係情報が表される。グラフＧ２は，「Ｙ＝Ｘ２／Ｘ」の式（３）で表されるグラフである。そして，グラフＧ１，Ｇ２の交点での電力Ｘ，変換効率Ｙが，電力Ｘ１２，変換効率Ｙ２に対応する。

【0050】

このようにして，変換効率Ｙ２を算出できるのは，次のように説明できる。即ち，式（２）を考慮すると，グラフＧ１，Ｇ２の交点での電力Ｘ，変換効率Ｙは，関係「Ｘ＊Ｙ＝Ｘ２」を満たす。そして，この関係は，電力Ｘ（＝Ｘ１２）を変換効率Ｙ（＝Ｙ２）で変換して，電力Ｘ２を出力することを意味する。

【0051】

（ｂ）変換効率Ｙ１の算出
以下，変換効率Ｙ１の算出の手法を説明する。
既述のように，パワーコンディショナー３０の変換効率Ｙ１は，パワーコンディショナー３０に入力される電力，電圧（ＤＣ１１出力の電圧Ｖ，電力Ｘ１１）に依存する。このため，第１の関係情報，電圧Ｖ，電力Ｘ１１に基づいて，変換効率Ｙ１を算出する。

【0052】

第１系統が選択されている場合，燃料電池１０からのＤＣ１出力の全てがＤＣ１１出力となることから，「電力Ｘ１１＝電力Ｘ１」である。一方，第２系統が選択されている場合，燃料電池１０からのＤＣ１出力はＤＣ１１出力，ＤＣ１２出力に分割されることから，「電力Ｘ１１＝電力Ｘ１−電力Ｘ１２」である。この電力Ｘ１２は，変換効率Ｙ２の算出に伴い算出された電力Ｘ１２を利用できる。

【0053】

（ｃ）変換効率Ｙ３の算出
以下，変換効率Ｙ３の算出の手法を説明する。
既述のように，ＡＣ−ＤＣコンバータ４１の変換効率Ｙ３は，ＡＣ−ＤＣコンバータ４１に入力される電力，電圧（ＡＣ２出力の電圧Ｖ１，電力Ｘ３）に依存する。ここで，変換効率Ｙ２と同様に，第３の関係情報およびＡＣ−ＤＣコンバータ４１からのＤＣ２出力の電力Ｘ２に基づいて，変換効率Ｙ３を算出できる。

【0054】

図７に，変換効率Ｙ３の算出の手法を表す。グラフＧ３は，図４に示される第３の関係情報に対応するグラフである。電力Ｘ，変換効率Ｙのグラフとして，第３の関係情報が表される。グラフＧ２は，既述の「Ｙ＝Ｘ２／Ｘ」の式（３）で表されるグラフである。そして，グラフＧ３，Ｇ２の交点での電力Ｘ，変換効率Ｙが，電力Ｘ３，変換効率Ｙ３に対応する。このようにして，変換効率Ｙ３を算出できるのは，変換効率Ｙ２の場合と同様に説明できる。

【0055】

（ｄ）出力（電力）Ｗ１，出力（電力）Ｗ２の比較
出力Ｗ１＞出力Ｗ２の場合，コントローラー５０は，第１系統が選択されるように切替部４３を制御する。即ち，燃料電池１０の出力がパワーコンディショナー３０に入力されて，ＤＣ−ＡＣ変換された後に，ＡＣ−ＤＣコンバータ４１でＡＣ−ＤＣ変換される。その電力で補助機構２０を駆動し，残った電力が外部出力（負荷）に供給される。

【0056】

出力Ｗ１＜出力Ｗ２の場合，コントローラー５０は，第２系統が選択されるように切替部４３を制御する。即ち，燃料電池１０の出力がＤＣ−ＤＣコンバータ４２に入力されて，ＤＣ−ＤＣ変換される。その電力で補助機構２０を駆動し，残った電力が外部出力（負荷）に供給される。

【0057】

このように，第１系統，第２系統を切り替えることで，燃料電池１１の状況に応じて，燃料電池システムを効率的に運転可能となる。既述のように，外部出力Ｗ１，Ｗ２を比較することで，燃料電池システムとしての変換効率Ｙｔが大きくなるように，第１系統，第２系統が切り替えられる（変換効率Ｙｔ１，Ｙｔ２の大きい方が選択される）。

【0058】

ここで，パワーコンディショナー３０，ＤＣ−ＤＣコンバータ４２の効率は供給される電圧によって変ってくる。このため，上記制御に加えて，燃料電池１０に供給する燃料の供給量（供給レート）を増減することでより効率的な運転が可能である。即ち，燃料電池１０からの電圧Ｖが，図２の電圧Ｖ０（効率点）の近傍となるよう，燃料の供給量を制御する。なお，この詳細は後述する。

【0059】

（燃料電池システムの動作）
燃料電池システムの動作を説明する。図８は，燃料電池システムの動作手順の一例を表すフロー図である。

【0060】

（１）出力Ｗ１，Ｗ２の算出（ステップＳ１１）
式（１），（２）に基づき，出力Ｗ１，Ｗ２を算出する。

【0061】

（事例１）
例えば，燃料電池１０の出力Ｘ１を１０００Ｗ，補助機構２０の消費電力Ｘ２を１００Ｗとする。また，燃料電池１０からの電圧Ｖを図２に示す電圧Ｖｂとする。

【0062】

第２系統での出力Ｗ２を算出する。
燃料電池１０の出力Ｘ１（１０００Ｗ）がパワーコンディショナー３０，ＤＣ−ＤＣコンバータ４２に出力Ｘ１１，出力Ｘ１２（８９５Ｗ，１０５Ｗ）として分配される。パワーコンディショナー３０に導入された出力Ｘ１１（８９５Ｗ）は変換効率Ｙ１（例えば，９０％）で変換され，出力Ｗ２は８０５Ｗとなる。

【0063】

ＤＣ−ＤＣコンバータ４２へ導入された出力Ｘ１２（１０５Ｗ）は，補助機構２０の電源とするために変換され，出力Ｘ２は１０５＊９５％（Ｙ２）＝１００Ｗとなる。
燃料電池１０の出力Ｘ１（１０００Ｗ）に対し，外部に出力される電力Ｗ２（８０５Ｗ）の比率，即ち，効率は８０．５％となる。

【0064】

第１系統での出力Ｗ１を算出する。
燃料電池１０の出力Ｘ１（１０００Ｗ）は，すべてパワーコンディショナー３０に導入される。パワーコンディショナー３０で変換することで，燃料電池１０の出力Ｘ１（１０００Ｗ）＊パワーコンディショナー３０の変換効率Ｙ１（０．８９）＝８９０Ｗとなる。即ち，先ほどよりも変換する電力が増加したため効率Ｙ１が少し低下し８９％となる。

【0065】

このうちＡＣ−ＤＣコンバータ４１で補助機構２０の消費電力Ｘ２（１００Ｗ）を変換効率Ｙ３（９３％）でまかなうため，１００／０．９３＝１０８Ｗが引かれることとなる。即ち，外部に出力される電力Ｗ１は，７８２Ｗとなり，効率は７８．２％となる。

【0066】

（事例２）
次に燃料電池１０の出力Ｘ１が低い場合を計算する。燃料電池１０の出力Ｘ１が５００Ｗで，補助機構２０の消費電力Ｘ２を５０Ｗとする。燃料電池１０からの電圧Ｖを図２に示す電圧Ｖａとする。

【0067】

第２系統での出力Ｗ２を算出する。
燃料電池１０の出力Ｘ１（５００Ｗ）がパワーコンディショナー３０，ＤＣ−ＤＣコンバータ４２に出力Ｘ１１，出力Ｘ１２（４４１Ｗ，５９Ｗ）として分配される。パワーコンディショナー３０に導入された出力Ｘ１１（４４１Ｗ）は変換効率Ｙ１（例えば，９５％）で変換され，出力Ｗ２は４１９Ｗとなる。

【0068】

ＤＣ−ＤＣコンバータ４２へ導入された出力Ｘ１２（５９Ｗ）は，補助機構２０の電源とするために変換され，出力Ｘ２は５９＊８５％（Ｙ２）＝５０Ｗとなる。
燃料電池１０の出力Ｘ１（５００Ｗ）に対し，外部に出力される電力Ｗ２（４１９Ｗ）の比率，即ち，効率は８３．８％となる。

【0069】

第１系統での出力Ｗ１を算出する。
燃料電池１０の出力Ｘ１（５００Ｗ）は，すべてパワーコンディショナー３０に導入される。パワーコンディショナー３０で変換することで，燃料電池１０の出力Ｘ１（５００Ｗ）＊パワーコンディショナー３０の変換効率Ｙ１（０．９６）＝４８０Ｗとなる。即ち，先ほどよりも変換する電力が増加したため効率Ｙ１が少し増加し９６％となる。

【0070】

このうちＡＣ−ＤＣコンバータ４１で補助機構２０の消費電力Ｘ２（１００Ｗ）を変換効率Ｙ３（９４％）でまかなうため，５０／０．９４＝５３Ｗが引かれることとなる。即ち，外部に出力される電力Ｗ１は，４８０−５３＝４２７Ｗとなり，効率は８５．４％となる。

【0071】

（２）出力Ｗ１，Ｗ２による切替（ステップＳ１２〜Ｓ１４）
出力Ｗ１，Ｗ２を比較し（ステップＳ１２），その結果により，第１系統，第２系統（ＡＣ−ＤＣコンバータ４１，ＤＣ−ＤＣコンバータ４２）のいずれで補助機構２０に電力を供給するかが切り替えられる（ステップＳ１２〜Ｓ１４）。
上記の事例１，２のようにＷ２＞Ｗ１となる場合もあればＷ２＜Ｗ１となる場合もあり，状況により切り替えることで，燃料電池システムを高効率で運転できる。

【0072】

（３）電圧Ｖの制御（ステップＳ１５〜Ｓ１８）
上記の制御に加えて，さらに効率を向上させるため，燃料電池１０の電圧Ｖを電圧Ｖ０（効率点（パワーコンディショナー３０の効率Ｙ１が極大となる電圧））付近となるように制御できる。具体的には，燃料電池１０の電圧Ｖが電圧Ｖ０の付近となるように，燃料の供給量を制御する（ステップＳ１６〜Ｓ１８）。即ち，「電圧Ｖ＜電圧Ｖ０」のときに燃料の供給量を増加し，「電圧Ｖ＞電圧Ｖ０」のときに燃料の供給量を減少させる。

【0073】

ここで，燃料電池１０の温度Ｔが所定の上限，下限の間にあるときに，このように燃料供給を制御することが好ましい（ステップＳ１６）。燃料電池１０の温度Ｔが適正な動作範囲から外れているときに（例えば，起動時，停止時），電圧Ｖに対応して燃料供給を制御すると，燃料電池１０の動作が不安定となる可能性があるためである。

【0074】

（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張，変更可能であり，拡張，変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0075】

１０ 燃料電池
２０ 補助機構
２１ 空気ポンプ
２２ 燃料ポンプ
２３ 水ポンプ
３０ パワーコンディショナー
４１ ＡＣ−ＤＣコンバータ
４２ ＤＣ−ＤＣコンバータ
４３ 切替部
５０ コントローラ
５１ 記憶部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】