特許 6193744 燃料電池システム及びその運転方法

(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】6193744

(24)【登録日】2017年8月18日

(45)【発行日】2017年9月6日

(54)【発明の名称】燃料電池システム及びその運転方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20170828BHJP

   H01M 8/04225 20160101ALI20170828BHJP

   H01M 8/04302 20160101ALI20170828BHJP

   H01M 8/04228 20160101ALI20170828BHJP

   H01M 8/04303 20160101ALI20170828BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20170828BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20170828BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 Z

   H01M8/04 X

   H01M8/04 Y

   !H01M8/10

   !H01M8/12

【請求項の数】4

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2013-246101(P2013-246101)

(22)【出願日】2013年11月28日

(65)【公開番号】特開2015-103507(P2015-103507A)

(43)【公開日】2015年6月4日

【審査請求日】2016年7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】110000578

【氏名又は名称】名古屋国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】中西 敏郎

(72)【発明者】

【氏名】西島 大

【審査官】 武市 匡紘

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−２６５７７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１９７２３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１２１８８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１８９２２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１０８４８４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００−８／２４

Ｈ０２Ｊ ３／００−５／００

Ｈ０２Ｊ ９／００−１１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて発電を行うとともに、電力系統と電気的に接続されて当該電力系統との並列運転が可能な燃料電池と、
前記燃料電池の単独運転となるような前記電力系統の事故を検出する事故発生検出手段と、
前記電力系統の事故の回復を検出する事故回復検出手段と、
を備えた燃料電池システムであって、
前記事故発生検出手段によって前記電力系統の事故が検出された場合には、前記燃料電池から前記電力系統への出力を停止する出力停止手段と、
前記事故発生検出手段によって前記電力系統の事故が検出された後に、前記事故回復検出手段によって前記電力系統の事故の回復が検出された場合には、当該電力系統の事故の回復の検出毎に、当該電力系統の事故の回復の検出からの第１経過時間（Ｋ１）を計測するとともに、前記第１経過時間（Ｋ１）の計測中に前記事故発生検出手段によって前記電力系統の事故が検出された場合には、前記第１経過時間（Ｋ１）をリセットする第１計測手段と、
前記第１計測手段によって計測された第１経過時間（Ｋ１）が、第１判定時間（Ｔ１）となった場合には、前記燃料電池から前記電力系統への出力を再開する出力再開手段と、
前記事故発生検出手段によって前記電力系統の事故が検出されて前記出力停止手段によって前記電力系統への出力が停止される場合に、前記出力再開手段によって前記燃料電池から前記電力系統への出力が再開されるまでは、前記電力系統の事故の検出からの第３経過時間（Ｋ３）を計測する第３計測手段と、
前記第３計測手段によって計測された第３経過時間（Ｋ３）が、前記第１判定時間（Ｔ１）以上である第３判定時間（Ｔ３）を経過した後に、前記第１計測手段によって計測された第１経過時間（Ｋ１）が前記第１判定時間（Ｔ１）となった場合には、前記出力再開手段にて前記電力系統への出力を再開し、一方、前記第３計測手段によって計測された第３経過時間（Ｋ３）が、前記第１判定時間（Ｔ１）以上である第３判定時間（Ｔ３）を経過した後に、前記電力系統への出力の再開の前に前記事故発生検出手段によって再度前記電力系統の事故が検出された場合には、前記燃料電池の発電を停止する発電制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。

【請求項2】

前記事故発生検出手段によって前記電力系統の事故が検出された場合に、前記事故回復検出手段によって前記電力系統の事故の回復が検出されない間は、前記電力系統の事故の検出からの第２経過時間（Ｋ２）を計測する第２計測手段と、
前記第２計測手段によって計測された第２経過時間（Ｋ２）が、前記第１判定時間（Ｔ１）以上であり前記第３判定時間（Ｔ３）以下である第２判定時間（Ｔ２）となった場合には、前記燃料電池の発電を停止する発電停止手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて発電を行うとともに、電力系統と電気的に接続されて当該電力系統との並列運転が可能な燃料電池と、
前記燃料電池の単独運転となるような前記電力系統の事故を検出する事故発生検出手段と、
前記電力系統の事故の回復を検出する事故回復検出手段と、
を備えた燃料電池システムの運転方法であって、
前記事故発生検出手段によって前記電力系統の事故が検出された場合には、前記燃料電池から前記電力系統への出力を停止する出力停止工程と、
前記事故発生検出手段によって前記電力系統の事故が検出された後に、前記事故回復検出手段によって前記電力系統の事故の回復が検出された場合には、当該電力系統の事故の回復の検出毎に、当該電力系統の事故の回復の検出からの第１経過時間（Ｋ１）を計測するとともに、前記第１経過時間（Ｋ１）の計測中に前記事故発生検出手段によって前記電力系統の事故が検出された場合には、前記第１経過時間（Ｋ１）をリセットする第１計測工程と、
前記第１計測工程によって計測された第１経過時間（Ｋ１）が、第１判定時間（Ｔ１）となった場合には、前記燃料電池から前記電力系統への出力を再開する出力再開工程と、
前記事故発生検出手段によって前記電力系統の事故が検出されて前記出力停止工程によって前記電力系統への出力が停止される場合に、前記出力再開工程によって前記燃料電池から前記電力系統への出力が再開されるまでは、前記電力系統の事故の検出からの第３経過時間（Ｋ３）を計測する第３計測工程と、
前記第３計測工程によって計測された第３経過時間（Ｋ３）が、前記第１判定時間（Ｔ１）以上である第３判定時間（Ｔ３）を経過した後に、前記第１計測工程によって計測された第１経過時間（Ｋ１）が前記第１判定時間（Ｔ１）となった場合には、前記出力再開工程にて前記電力系統への出力を再開し、一方、前記第３計測工程によって計測された第３経過時間（Ｋ３）が、前記第１判定時間（Ｔ１）以上である第３判定時間（Ｔ３）を経過した後に、前記電力系統への出力の再開の前に前記事故発生検出手段によって再度前記電力系統の事故が検出された場合には、前記燃料電池の発電を停止する発電制御工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。

【請求項4】

前記事故発生検出手段によって前記電力系統の事故が検出された場合に、前記事故回復検出手段によって前記電力系統の事故の回復が検出されない間は、前記電力系統の事故の検出からの第２経過時間（Ｋ２）を計測する第２計測工程と、
前記第２計測工程によって計測された第２経過時間（Ｋ２）が、前記第１判定時間（Ｔ１）以上であり前記第３判定時間（Ｔ３）以下である第２判定時間（Ｔ２）となった場合には、前記燃料電池の発電を停止する発電停止工程と、
を備えたことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システムの運転方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電力系統に接続された例えば（分散型発電システムである）家庭用の燃料電池システム等の燃料電池システム及びその運転方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来より、電力系統に接続する家庭用の燃料電池システムなどの分散型発電システムでは、電力系統の送電線に事故（系統事故）が発生した場合に、分散型発電システムの単独運転状態によって電力系統への逆充電となることを防止するために、単独運転検出装置で分散型発電システムが単独運転となっているか否かを検出し、その検出結果に応じて、電力系統への接続（並列）の可否を判定している（特許文献１参照）。

【0003】

また、近年では、中規模の分散型発電システムにおいて、系統事故が発生し、電力系統から一時的に解列（接続を遮断）が必要となった場合に、重要設備への電源供給を継続するために、電力系統から解列するとともに、分散型発電システム内の重要設備以外への電力供給を遮断し、重要設備のみへの電力供給を継続させる技術が開示されている（特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００９−１１０３７号公報

【特許文献2】特開２０１２−５５０３３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、従来技術では、家庭用の小規模な分散型発電システムにとっては、個別に（重要施設に）電力供給を継続する設備構成は高価となるため、送電線の事故が発生した際には、電力系統から解列し、復旧した際に再接続（再並列）させるような構成となっている。

【0006】

このため、電力系統の一過的な事故（瞬時停電（瞬停）や瞬時電圧低下（瞬低））の発生時には、速やかに電力系統から解列するとともに、速やかに発電を再開させることができる発電可能な状態(発電待機状態)を維持し、電力系統が安定した場合にはできるだけ速やかに再並列させることが望ましい。

【0007】

これに対し、事故が断続的に発生する場合（断続瞬停や断続瞬低）または継続的に事故が発生する場合（停電）にも、分散型発電システムを電力系統から解列するが、場合によっては、電力系統の安定までに長い期間が必要となることがある。

【0008】

また、電力系統安定までの間、発電待機状態を維持するためには、ホットモジュール内（例えば燃料電池スタックを収容する収納容器内）に燃焼機構（例えばバーナーなど）からある程度の熱量を与える必要があり、この場合、温度維持のために燃料ガスを投入し続ける必要がある。

【0009】

更に、発電待機状態を長期間維持すると、燃料電池スタックのうち燃焼機構に近い部分のみが過熱され、逆に燃焼機構から遠くなるほど温度が低くなるため、燃料電池スタックに大きな温度差が発生する。この燃料電池スタックに大きな温度差が発生すると、温度による歪が発生するため、耐久性能が低下する恐れがある。

【0010】

つまり、落雷などの自然現象に起因する断続事故の場合、天候回復により復旧するが、電力系統に何らかの異常が発生したことに起因する断続事故あるいは停電の場合には、復旧までに時間を要する可能性がある。ところが、発電待機状態の維持にもエネルギーが必要であり、また、長時間発電待機状態を維持すると、燃料電池スタックに大きな温度差が発生するため、再並列可能となっても直ちに発電できない可能性がある。

【0011】

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、電力系統に事故が発生した場合でも、過度な燃料ガスの使用を抑制でき、且つ、燃料電池の耐久性能を向上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にある。

【課題を解決するための手段】

【0012】

（１）本発明は、第１態様（燃料電池システム）として、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて発電を行うとともに、電力系統と電気的に接続されて当該電力系統との並列運転が可能な燃料電池と、前記燃料電池の単独運転となるような前記電力系統の事故を検出する事故発生検出手段と、前記電力系統の事故の回復を検出する事故回復検出手段と、を備えた燃料電池システムであって、前記事故発生検出手段によって前記電力系統の事故が検出された場合には、前記燃料電池から前記電力系統への出力を停止する出力停止手段と、前記事故発生検出手段によって前記電力系統の事故が検出された後に、前記事故回復検出手段によって前記電力系統の事故の回復が検出された場合には、当該電力系統の事故の回復の検出毎に、当該電力系統の事故の回復の検出からの第１経過時間（Ｋ１）を計測するとともに、前記第１経過時間（Ｋ１）の計測中に前記事故発生検出手段によって前記電力系統の事故が検出された場合には、前記第１経過時間（Ｋ１）をリセットする第１計測手段と、前記第１計測手段によって計測された第１経過時間（Ｋ１）が、第１判定時間（Ｔ１）となった場合には、前記燃料電池から前記電力系統への出力を再開する出力再開手段と、前記事故発生検出手段によって前記電力系統の事故が検出されて前記出力停止手段によって前記電力系統への出力が停止される場合に、前記出力再開手段によって前記燃料電池から前記電力系統への出力が再開されるまでは、前記電力系統の事故の検出からの第３経過時間（Ｋ３）を計測する第３計測手段と、前記第３計測手段によって計測された第３経過時間（Ｋ３）が、前記第１判定時間（Ｔ１）以上である第３判定時間（Ｔ３）を経過した後に、前記第１計測手段によって計測された第１経過時間（Ｋ１）が前記第１判定時間（Ｔ１）となった場合には、前記出力再開手段にて前記電力系統への出力を再開し、一方、前記第３計測手段によって計測された第３経過時間（Ｋ３）が、前記第１判定時間（Ｔ１）以上である第３判定時間（Ｔ３）を経過した後に、前記電力系統への出力の再開の前に前記事故発生検出手段によって再度前記電力系統の事故が検出された場合には、前記燃料電池の発電を停止する発電制御手段と、を備えたことを特徴とする。

【0013】

本第１態様では、燃料電池の単独運転となるような電力系統の事故が検出された場合には、燃料電池から電力系統への出力を停止する。
また、電力系統の事故が検出された後に、電力系統の事故の回復が検出された場合には、電力系統の事故の回復の検出毎に、電力系統の事故の回復の検出からの第１経過時間（Ｋ１）を計測する。なお、第１経過時間（Ｋ１）の計測中に事故発生検出手段によって電力系統の事故が検出された場合には、第１経過時間（Ｋ１）をリセットする。

【0014】

そして、第１経過時間（Ｋ１）が、第１判定時間（Ｔ１）となった場合には、燃料電池から電力系統への出力を再開する。
また、電力系統の事故が検出されて燃料電池から電力系統への出力が停止される場合に、燃料電池から電力系統への出力が再開されるまでは、電力系統の事故の検出からの第３経過時間（Ｋ３）を計測する。

【0015】

そして、第３経過時間（Ｋ３）が、第３判定時間（Ｔ３）を経過した後に、第１経過時間Ｋ１が電力系統の事故の回復から第１判定時間（Ｔ１）に至ったという条件が満たされたときに、出力再開手段によって電力系統への出力を再開する。一方、第３経過時間（Ｋ３）が、第３判定時間（Ｔ３）を経過した後に、出力再開手段によって電力系統への出力を再開する前に再度電力系統の事故が検出された場合には、燃料電池の発電を停止する。

【0016】

このような処理によって、本第１態様では、電力系統の事故発生に対し、一過的な事故なのか長期間にわたる断続瞬停や断続瞬低なのかを簡易的な方法で判定することができる。

【0017】

つまり、電力系統の事故の検出から第３判定時間（Ｔ３）を経過した後に、（電力系統への出力を再開する条件が満たされることなく）再度電力系統の事故が検出された場合には、一過性の事故ではなく、回復に時間がかかる長期の断続瞬停や断続瞬低である可能性が高いと考えられる。

【0018】

よって、このように、電力系統の復旧までに時間がかかると判断された場合には、速やかに燃料電池を停止するように制御する（例えば運転モードを停止状態に移行する）。その結果、燃料ガスの無駄な消費を削減することができるとともに、温度差による燃料電池の歪みの発生等を抑制して耐久性を高めることができる。

【0019】

一方、第３経過時間（Ｋ３）が、第３判定時間（Ｔ３）を経過した後に、第１経過時間Ｋ１が電力系統の事故の回復から第１判定時間Ｔ１経過したときには、出力再開手段によって電力系統への出力を再開する。

【0020】

これにより、速やかに電力系統への出力を回復することができる。
（２）本発明は、第２態様として、前記事故発生検出手段によって前記電力系統の事故が検出された場合に、前記事故回復検出手段によって前記電力系統の事故の回復が検出されない間は、前記電力系統の事故の検出からの第２経過時間（Ｋ２）を計測する第２計測手段と、前記第２計測手段によって計測された第２経過時間（Ｋ２）が、前記第１判定時間（Ｔ１）以上であり前記第３判定時間（Ｔ３）以下である第２判定時間（Ｔ２）となった場合には、前記燃料電池の発電を停止する発電停止手段と、を備えたことを特徴とする。

【0021】

電力系統の事故の検出からの（事故の回復が検出されない間の）第２経過時間（Ｋ２）が、第２判定時間（Ｔ２）となった場合には、一過性の事故ではなく、回復に時間がかかる長期の停電である可能性が高いと考えられる。

【0022】

そこで、本第２態様では、そのような場合には、燃料電池の発電を停止するので、燃料ガスの無駄な消費を削減することができるとともに、温度差による燃料電池の歪みの発生等を抑制して耐久性を高めることができる。

【0023】

（３）本発明は、第３態様（燃料電池システムの運転方法）として、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて発電を行うとともに、電力系統と電気的に接続されて当該電力系統との並列運転が可能な燃料電池と、前記燃料電池の単独運転となるような前記電力系統の事故を検出する事故発生検出手段と、前記電力系統の事故の回復を検出する事故回復検出手段と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、前記事故発生検出手段によって前記電力系統の事故が検出された場合には、前記燃料電池から前記電力系統への出力を停止する出力停止工程と、前記事故発生検出手段によって前記電力系統の事故が検出された後に、前記事故回復検出手段によって前記電力系統の事故の回復が検出された場合には、当該電力系統の事故の回復の検出毎に、当該電力系統の事故の回復の検出からの第１経過時間（Ｋ１）を計測するとともに、前記第１経過時間（Ｋ１）の計測中に前記事故発生検出手段によって前記電力系統の事故が検出された場合には、前記第１経過時間（Ｋ１）をリセットする第１計測工程と、前記第１計測工程によって計測された第１経過時間（Ｋ１）が、第１判定時間（Ｔ１）となった場合には、前記燃料電池から前記電力系統への出力を再開する出力再開工程と、前記事故発生検出手段によって前記電力系統の事故が検出されて前記出力停止工程によって前記電力系統への出力が停止される場合に、前記出力再開工程によって前記燃料電池から前記電力系統への出力が再開されるまでは、前記電力系統の事故の検出からの第３経過時間（Ｋ３）を計測する第３計測工程と、前記第３計測工程によって計測された第３経過時間（Ｋ３）が、前記第１判定時間（Ｔ１）以上である第３判定時間（Ｔ３）を経過した後に、前記第１計測工程によって計測された第１経過時間（Ｋ１）が前記第１判定時間（Ｔ１）となった場合には、前記出力再開手段にて前記電力系統への出力を再開し、一方、前記第３計測工程によって計測された第３経過時間（Ｋ３）が、前記第１判定時間（Ｔ１）以上である第３判定時間（Ｔ３）を経過した後に、前記電力系統への出力の再開の前に前記事故発生検出手段によって再度前記電力系統の事故が検出された場合には、前記燃料電池の発電を停止する発電制御手段と、を有することを特徴とする。

【0024】

本第３態様では、前記第１態様と同様な効果を奏する。
（４）本発明は、第４態様として、前記事故発生検出手段によって前記電力系統の事故が検出された場合に、前記事故回復検出手段によって前記電力系統の事故の回復が検出されない間は、前記電力系統の事故の検出からの第２経過時間（Ｋ２）を計測する第２計測工程と、前記第２計測工程によって計測された第２経過時間（Ｋ２）が、前記第１判定時間（Ｔ１）以上であり前記第３判定時間（Ｔ３）以下である第２判定時間（Ｔ２）となった場合には、前記燃料電池の発電を停止する発電停止工程と、を備えたことを特徴とする。

【0025】

本第４態様では、前記第２態様と同様な効果を奏する。
なお、本発明において、前記燃料電池としては、例えば固体酸化物形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、リン酸形燃料電池、固体高分子形燃料電池が挙げられる。なお、本発明を実施する上で、特に動作温度が高い固体酸化物形燃料電池において、顕著な効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】燃料電池システム及び電力系統システムの概略構成を示す説明図である。

【図2】各モード及び各モード間の移行状態を示す説明図である。

【図3】各モードの切替状態、系統安定監視時間（第１判定時間）、各タイマの動作状態を示すタイミングチャートである。

【図4】各モードの切替状態、復旧監視時間（第２判定時間）、各タイマの動作状態を示すタイミングチャートである。

【図5】事故と回復が繰り返される場合の各モードの切替状態、系統安定監視時間（第１判定時間）、各タイマの動作状態を示すタイミングチャートである。

【図6】事故と回復が繰り返される場合の各モードの切替状態、系統監視時間（第３判定時間）、各タイマの動作状態を示すタイミングチャートである。

【図7】発電モード（モード１）における処理を示すフローチャートである。

【図8】電力系統監視モード（モード２）における処理を示すフローチャートである。

【図9】発電待機モード（モード３）における処理を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0027】

次に、発明を実施するための形態（実施例）について、すなわち、燃料電池システム及びその運転方法について説明する。
なお、以下の実施例では、燃料電池として、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を例に挙げて説明する。

【実施例】

【0028】

［１］まず、本実施例の燃料電池システムを備えた燃料電池・電力系統連係システムについて説明する。
図１に示すように、本実施例では、燃料電池システム１と電力系統（商用電力）側のシステム（電力系統システム）３とが接続されて、燃料電池・電力系統連係システム５が構成されており、この燃料電池・電力系統連係システム５では、燃料電池システム１と電力系統システム３とが連係して、負荷７に電力を供給する。

【0029】

このうち、前記燃料電池システム１は、周知の複数の燃料電池セル（図示せず）が積層された燃料電池スタック９と、燃料電池スタック９を加熱するバーナー１１と、燃料電池スタック９及びバーナー１１を収容する断熱容器１３とを備えている。

【0030】

また、燃料電池システム１は、燃料電池スタック９に酸化剤ガス（例えば空気）を供給する空気ポンプ１５と、燃料電池スタック９に燃料ガス（例えば都市ガス）を供給する燃料ポンプ１７と、（比例弁１９を介して）バーナー１１に空気と燃料ガスの混合ガス（混合気）を供給する混合気ポンプ２１と、燃料電池スタック９で発電された電力を制御して電力系統システム３に供給する電力変換装置２３と、燃料電池システム１の単独運転状態を検出する単独運転検出装置２５と、燃料電池システム１の動作を制御する制御用コントローラ２７とを備えている。

【0031】

以下、各構成について説明する。
前記燃料電池スタック９は、発電単位である板状の燃料電池セルが板厚方向に複数（例えば２０枚）積層されたものであり、その積層方向の両側から直流電流を取り出すことができるように構成されている。

【0032】

なお、図示しないが、燃料電池セルは、例えば周知の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）であり、固体電解質層（固体酸化物層）の両側に空気極と燃料極とを備え、空気極側に空気を供給するとともに燃料極側に燃料ガス（例えば水素）を供給することにより、両電極間に電力が発生する。

【0033】

前記バーナー１１は、燃料電池スタック９の温度が、発電に好適な温度となるように加熱するヒーターであり、外部から供給される空気と燃料ガスとの混合気を燃焼させることによって発熱する。なお、バーナー１１の発熱状態（従って燃料電池スタック９の温度）は、混合気ポンプ２１の作動状態（回転速度）を制御することによって制御することができる。

【0034】

前記電力変換装置２３は、いわゆるパワーコンディショナー（ＰＣ）であり、燃料電池スタック９で発電された直流電力を電力系統システム３側に供給するために交流電力（例えば２００Ｖの商用電力）に変換する装置である。なお、この電力変換装置２３としては、一般的な直流−交流変換装置を使用することができる。

【0035】

この電力変換装置２３では、燃料電池スタック９から取り出す直流電力の制御や、電力変換装置２３への入出力電流制御などを行うことができる。例えば、予めどの程度までの発電量とするかを設定しておけば、その燃料電池スタック９がその発電量までとなるように発電量を制御することができる。また、予め燃料電池スタック９からどの程度までの電流（電流値）を取り出すかを設定しておけば、その電流値までを取り出すように燃料電池スタック９から取り出す電流値を制御することができる。

【0036】

前記単独運転検出装置２５は、電力系統システム３において、負荷７に供給される電力（詳しくは電流）を検出する電流検出器である。
従って、この電流検出器で（負荷７に供給される）電流が検出されない場合には、天災による事故等によって電力系統から電力が供給されない状態、即ち、燃料電池システム１による単独運転の状態であると判断することができる。

【0037】

また、この電流検出器で、（電流が検出されない状態から変化して）電流が検出された場合には、電力系統からの電力の供給が復旧した（再開された）状態、即ち、燃料電池システム１と電力系統システム３の両方による電力供給が回復（再並列）した状態であると判断することができる。

【0038】

前記制御用コントローラ２７は、周知のマイコン等を備えた電子制御装置であり、電力変換装置２３からの制御情報（例えば発電量）、単独運転検出装置２５からの電力系統の電力の供給状態の情報（電力系統の事故発生（単独運転の検出）及び電力系統の復旧）、燃料電池スタック９に配置された（図示しない）温度センサからの温度情報などを入力する。

【0039】

この制御用コントローラ２７では、空気ポンプ１５を制御して、燃料電池スタック９に供給する空気量を調節し、燃料ポンプ１７を制御して、燃料電池スタック９に供給する燃料ガス量を調節し、混合気ポンプ２１を制御して、バーナー１１に供給する混合気量を調節する。これによって、燃料電池スタック９の温度や発電量を制御する。

【0040】

特に、本実施例では、上述した通常の制御に加えて、後に詳述するように、電力系統における事故発生（電力系統からの電力の供給の中断）や、電力系統における電力の中断からの復旧の発生状態に基づいて、燃料電池システム１の運転状態を制御する。

【0041】

［２］次に、本実施例の燃料電池システム１の制御内容について説明する。
ａ）まず、制御モードについて説明する。
図２に示すように、本実施例では、制御用コントローラ２７にて燃料電池システム１を制御する場合には、４つのモード（モード１〜４）に切り替えて制御を行う。なお、各モードに設定された場合には、そのモードであることを示すフラグ（モードフラグ１〜４）が、それぞれセットされる。

【0042】

具体的には、モード１は、空気及び燃料ガスの供給を受けて正常に発電している場合に設定される発電モードである。この発電モードとは、電力系統システム３が事故無く動作している場合、即ち、電力系統システム３にて、負荷７に電力（詳しくは電流）が供給されている場合において、通常のように、燃料電池スタック９に、空気及び燃料ガスを供給することによって発電を行うモードである。

【0043】

モード２とは、電力系統システム３に事故が発生し、電力系統システム３において負荷７に電力（電流）が供給されていないことが検出された場合、即ち、燃料電池スタック９のみが単独で発電していることが検出された場合に設定される電力系統監視モードである。

【0044】

なお、この電力系統監視モードにおいては、空気及び燃料ガスの供給は、発電モードと同様に行われるが、燃料電池システム１から電力系統システム３への電力の供給は、電力変換装置２３によって中断されている。このとき、バーナー１１への混合気の供給は、燃料電池スタック９の温度に基づいて、発電が可能な温度となるように制御される。

【0045】

モード３とは、電力系統システム３が復旧した場合、即ち電力系統システム３において負荷７への電力（電流）の供給が復旧した場合に設定される発電待機モードである。
なお、この発電待機モードにおいては、空気及び燃料ガスの供給は、発電モードと同様に行われるが、燃料電池システム１から電力系統システム３への電力の供給は、電力変換装置２３によって中断されている。このとき、バーナー１１への混合気の供給は、燃料電池スタック９の温度に基づいて、発電が可能な温度となるように制御される。

【0046】

モード４とは、燃料電池スタック９における発電を停止する発電停止モードである。この発電停止モードにおいては、空気及び燃料ガスの燃料電池スタック９への供給は停止されるので、燃料電池システム１では発電が行われない。このときには、バーナー１１への混合気の供給を停止して、バーナー１１による加熱を停止する。

【0047】

ｂ）次に、各モード１〜４の間の切り替えについて説明する。
＜発電モード（モード１）＞
図２に示すように、発電モード（モード１）の場合に、単独運転検出装置２５によって、（燃料電池システム１のみの運転である）単独運転を検出したときには、即ち、事故発生等によって電力系統システム３からの電力が得られていないことを検出したときには、電力系統監視モード（モード２）に移行する。

【0048】

なお、単独運転の検出によって、モード１からモード２に移行したときには、第２計測手段（以下、復旧監視タイマＴ２Ｔとも呼ぶ）によって、第２経過時間Ｋ２の測定を開始する。この第２経過時間Ｋ２は、第２判定時間Ｔ２（以下、復旧監視時間Ｔ２とも呼ぶ）の判定の際に用いられる。

【0049】

同様に、単独運転の検出によって、モード１からモード２に移行したときには、第３計測手段（以下、系統監視タイマＴ３Ｔとも呼ぶ）によって、第３経過時間Ｋ３の測定を開始する。この第３経過時間Ｋ３は、第３判定時間Ｔ３（以下、系統監視時間Ｔ３とも呼ぶ）の判定の際に用いられる
＜電力系統監視モード（モード２）＞
電力系統監視モード（モード２）の場合に、電力系統が復旧したときには、発電待機モード（モード３）に移行する。

【0050】

なお、電力系統の復旧によって、モード２からモード３に移行したときには、第１計測手段（以下、系統安定監視タイマＴ１Ｔとも呼ぶ）によって、第１経過時間Ｋ１の測定を開始する。この第１経過時間Ｋ１は、第１判定時間Ｔ１（以下、系統安定監視時間Ｔ１とも呼ぶ）の判定の際に用いられる。

【0051】

また、電力系統監視モード（モード２）の場合に、第２経過時間Ｋ２が第２判定時間Ｔ２を超えたときは、電力系統が停電していると判断して、発電停止モード（モード４）に移行する。

【0052】

＜発電待機モード（モード３）＞
発電待機モード（モード３）の場合に、第１経過時間Ｋ１が第１判定時間Ｔ１を超える前に、単独運転が検出されたときには、電力系統監視モード（モード２）に移行する。

【0053】

また、発電待機モード（モード３）の場合に、第１経過時間Ｋ１が第１判定時間Ｔ１を超えたときには、発電モード（モード１）に移行する。
このとき、第３経過時間Ｋ３が第３判定時間Ｔ３を超えていても、系統安定監視タイマＴ１Ｔのカウントアップ開始が第３判定時間Ｔ３より先に始まっていれば、系統安定監視を優先させる。

【0054】

あるいは、発電待機モード（モード３）の場合に、第３経過時間Ｋ３が第３判定時間Ｔ３を超えた状態で、単独運転が検出されたときには、電力系統に断続的な事故が発生していると判断して、発電停止モード（モード４）に移行する。

【0055】

なお、前記第１〜第３判定時間Ｔ１〜Ｔ３としては、例えば、第１判定時間Ｔ１（例えば５分）＜第２判定時間Ｔ２（例えば１０分）＜第３判定時間Ｔ３（例えば３０分）の関係を採用できる。

【0056】

［３］次に、電力系統システム３の電力供給の状態に応じた燃料電池システム１の発電状態の制御について説明する。
図３〜図６に示すように、本実施例では、電力系統システム３の電力供給の状態、即ち、事故による電力供給の停止（各図に示す事故発生）やその電力供給の停止からの回復（各図に示す復旧）に応じて、制御モードを切り替えて、燃料電池システム１の発電状態を制御する。以下、各種の制御内容について説明する。

【0057】

図３に示すように、モード１の状態、即ち、電力系統システム３による電力供給があり且つ燃料電池システム１により発電が行われている状態において、電力系統システム３に事故（停電）が発生して、電力系統システム３からの電力の供給が中断した場合には、モード２（電力系統監視モード）に移行する。

【0058】

このとき、空気及び燃料ガスの燃料電池スタック９への供給は、モード１と同様に継続するが、電力変換装置２３を駆動して、燃料電池システム１側から電力系統システム３側への通電を遮断するとともに、（直流電力から交流電力への）電力変換を中止する。

【0059】

そして、このモード２では、電力系統システム３の電力供給が復旧するかどうかを、単独運転検出装置２５によって監視する。
なお、後に詳述するが、モード１からモード２に移行した際には、停電の継続時間（第２経過時間Ｋ２）をカウントする復旧監視タイマＴ２Ｔによる時間計測を開始するとともに、断続事故発生の時間（第３経過時間Ｋ３）をカウントする系統監視タイマＴ３Ｔによる時間計測を開始する。

【0060】

次に、モード２の状態おいて、電力系統システム３の電力供給が復旧した場合には、モード３（発電待機モード）に移行する。なお、モード３においては、空気及び燃料ガスの供給は、モード１、２と同様に行う。

【0061】

なお、モード２からモード３に移行した際に、事故の復旧からの継続時間（第１経過時間Ｋ１）をカウントする系統安定監視タイマＴ１Ｔによる時間計測を開始する。なお、復旧監視タイマＴ２Ｔによる時間計測は、モード３への移行と同時に停止・リセットする。

【0062】

つまり、このモード３では、単独運転検出装置２５によって、再度電力系統システム３の事故発生があるかを監視するとともに、系統安定監視タイマＴ１Ｔによって、モード３に移行してからの第１経過時間Ｋ１を測定する。

【0063】

そして、第１経過時間Ｋ１が第１判定時間Ｔ１（例えば５分）になった場合には、モード３からモード１に移行して、燃料電池システム１と電力系統システム３との電気的接続を再開し、燃料電池システム１から電力系統システム３への電力の供給を可能な状態とする（再並列する）。具体的には、電力変換装置２３によって、燃料電池システム１の直流電力を交流電力に変換して電力系統システム３に供給することを再開する。

【0064】

なお、モード３からモード１に移行した際には、系統安定監視タイマＴ１Ｔによる時間計測と系統監視タイマＴ３Ｔによる時間計測とを停止する。
図４に示すように、モード１の状態において、電力系統システム３に事故（停電）が発生して、その電力の供給が中断した場合には、モード２に移行する。

【0065】

このモード１からモード２に移行した際には、停電の継続時間（第２経過時間Ｋ２）をカウントする復旧監視タイマＴ２Ｔによる時間計測を開始する。なお、このとき、系統監視タイマＴ３Ｔによる時間計測も開始する。

【0066】

このモード２では、電力系統システム３の電力供給が復旧するかどうかを、単独運転検出装置２５によって監視し、復旧監視タイマＴ２Ｔによって、モード２に移行してからの（即ち事故発生からの）第２経過時間Ｋ２を測定する。

【0067】

そして、第２経過時間Ｋ２が第２判定時間Ｔ２（例えば１０分）になった場合には、モード４に移行して、燃料電池システム１による発電を停止する。具体的には、燃料電池スタック９への空気と燃料ガスの供給を停止するとともに、バーナー１１への混合気の供給を停止する。

【0068】

なお、モード２からモード４に移行した際には、復旧監視タイマＴ２Ｔによる時間計測と系統監視タイマＴ３Ｔによる時間計測とを停止する。
図５に示すように、モード１の状態において、電力系統システム３に事故（停電）が発生して、その電力の供給が中断した場合には、モード２に移行する。

【0069】

その後、電力系統が復旧した場合には、モード３に移行する。
このモード３では、第１判定時間Ｔ１が経過する前に、再度事故発生を検知した場合には、モード２に移行する。

【0070】

以後同様に、電力系統の復旧があった場合にはモード３に移行し、再度事故があった場合にはモード２に移行するなど、状況に応じた処理を行う。
そして、前記図３に示す処理内容と同様に、モード３にて、電力系統の復旧から第１判定時間Ｔ１が経過した場合には、モード１に移行して、発電を再開する（即ち再並列する）。

【0071】

なお、図５に示すように、系統安定監視タイマＴ１Ｔは、復旧時からカウントアップされ、事故発生時にリセットされ、第１判定時間Ｔ１に達するとリセットされる。復旧監視タイマＴ２Ｔは、事故発生時からカウントアップされ、復旧時にリセットされる。系統監視タイマＴ３Ｔは、最初の事故発生時からカウントアップされ、第３判定時間Ｔ３に達するとリセットされる。

【0072】

図６に示すように、モード１の状態において、電力系統システム３に事故（停電）が発生して、その電力の供給が中断した場合には、モード２に移行する。
このとき、断続事故発生の時間（第３経過時間Ｋ３）をカウントする系統監視タイマＴ３Ｔによる時間計測を開始する。

【0073】

その後、電力系統が復旧した場合には、モード３に移行する。
以後、例えば図５に示す処理内容と同様に、電力系統の事故や回復が発生した場合には、その状況に応じて、モード２やモード３に切り替える。

【0074】

そして、事故発生からの第３経過時間Ｋ３が第３判定時間Ｔ３（例えば３０分）に達した後に、モード３の状態にある場合に、電力系統に事故が発生したときには、モード４に移行する。

【0075】

なお、系統監視タイマＴ３Ｔは、第３判定時間Ｔ３に達するとリセットされる。また、系統安定監視タイマＴ１Ｔは、前記図５と同様に動作するとともに、モード３からモード４に移行した際に、リセットされる。

【0076】

このモード４は、燃料電池システム１による発電を停止するモードであるので、空気ポンプ１５及び燃料ポンプ１７を制御して、燃料電池スタック９への空気及び燃料ガスの供給を停止する。また、混合気ポンプ２１を制御して、バーナー１１への混合気の供給を停止する。

【0077】

［４］次に、各モードおける制御処理について説明する。
ａ）発電モード（モード１）の処理
図７に示すように、ステップ（Ｓ）１００では、系統安定監視タイマＴ１Ｔを停止・リセットする。

【0078】

続くステップ１１０では、復旧監視タイマＴ２Ｔを停止・リセットする。
続くステップ１２０では、系統監視タイマＴ３Ｔを停止・リセットする。
続くステップ１３０では、単独運転検出装置２５からの信号に基づいて、単独運転が検出されたか否かを判定する。

【0079】

なお、モード１では、各タイマのカウントアップは停止している。
ステップ１３０で肯定判断（単独運転が検出されたと判断）されると、電力監視モード（モード２）に移行し、一方否定判断（単独運転が検出されていないと判断）されると、単独運転検出を繰り返す。

【0080】

ｂ）電力系統監視モード（モード２）の処理
図８に示すように、ステップ２００では、系統安定監視タイマＴ１Ｔを停止・リセットする。加えて、復旧監視タイマＴ２Ｔと系統監視タイマＴ３Ｔのカウントアップを開始する。

【0081】

続くステップ２１０では、単独運転検出装置２５からの信号に基づいて、電力系統が回復したか否かを判定する。
ステップ２１０で肯定判断（電力系統が回復したと判断）されると、発電待機モード（モード３）に移行し、一方否定判断（電力系統が回復していないと判断）されると、ステップ２２０に進む。

【0082】

ステップ２２０では、復旧監視タイマＴ２Ｔによって計測された第２経過時間Ｋ２が、復旧監視時間である第２判定時間Ｔ２を経過したか否かを判定する。
ステップ２２０で肯定判断（電力系統が回復していないまま第２判定時間Ｔ２が経過したと判断）されると、発電停止モード（モード４）に移行し、一方否定判断（第２判定時間Ｔ２が経過していないと判断）されると、ステップ２１０から本処理を再開する。

【0083】

ｃ）発電待機モード（モード３）の処理
図９に示すように、ステップ３００では、復旧監視タイマＴ２Ｔを停止・リセットする。加えて、系統安定監視タイマＴ１Ｔのカウントアップを開始する。

【0084】

続くステップ３１０では、系統安定監視時間である第１判定時間Ｔ１が経過したか否かを判定する。
ステップ３１０で肯定判断（電力系統が回復した状態で、第１判定時間Ｔ１が経過したと判断）されると、発電モード（モード１）に移行し、一方否定判断（第１判定時間Ｔ１が経過していないと判断）されると、ステップ３２０に進む。

【0085】

ステップ３２０では、単独運転が検出されたか否か、即ち、電力系統に事故が発生したか否かを判定する。
ステップ３２０で肯定判断（単独運転が検出されたと判断）されると、ステップ３３０に進み、一方否定判断（単独運転が検出されていないと判断）されると、ステップ３１０から本処理を再開する。

【0086】

ステップ３３０では、系統監視時間である第３判定時間Ｔ３が経過したか否かを判定する。
ステップ３３０で肯定判断（第３判定時間Ｔ３が経過したと判断）されると、発電停止モード（モード４）に移行し、一方否定判断（第３判定時間Ｔ３が経過していないと判断）されると電力系統監視モード（モード２）に移行する。

【0087】

ｄ）発電停止モード（モード４）の処理
図示しないが、発電停止モード（モード４）では、上述したように、燃料電池スタック９への空気及び燃料ガスの供給を停止して、発電を停止する。

【0088】

それとともに、バーナー１１への混合気の供給を停止して、バーナー１１による加熱を停止する。
［５］次に、本実施例の効果について説明する。

【0089】

・本実施例では、電力系統の事故が検出された場合には、燃料電池システム１から電力系統システム３への出力を停止する。
また、電力系統の事故が検出された後に、電力系統の復旧が検出された場合には、電力系統の復旧の検出毎に、電力系統の復旧の検出からの第１経過時間Ｋ１を計測する。そして、第１経過時間Ｋ１が、第１判定時間Ｔ１となった場合には、燃料電池システム１から電力系統システム３への出力を再開する。

【0090】

また、電力系統の事故が検出された場合に、燃料電池システム１から電力系統システム３への出力が再開されるまでは、電力系統の事故の検出からの第３経過時間Ｋ３を計測する。

【0091】

そして、第３経過時間Ｋ３が、第３判定時間Ｔ３を経過した後に、再度電力系統の事故が検出されない場合には、第１経過時間Ｋ１が電力系統の事故の回復から第１判定時間Ｔ１に至ったという条件が満たされたときに、燃料電池システム１から電力系統システム３への出力を再開する。

【0092】

一方、第３経過時間Ｋ３が、第３判定時間Ｔ３を経過した後に、再度電力系統の事故が検出された場合には、燃料電池スタック９の発電を停止する。
このような処理によって、本実施例では、電力系統の事故発生に対し、一過的な事故なのか長期間にわたる停電なのかを簡易的な方法で判定することができる。

【0093】

つまり、電力系統の事故の検出から第３判定時間Ｔ３を経過した後に、（電力系統システム３への出力を再開する条件が満たされることなく）再度電力系統の事故が検出された場合には、一過性の事故ではなく、回復に時間がかかる長期の停電である可能性が高いと考えられる。

【0094】

よって、このように、電力系統の復旧までに時間がかかると判断された場合には、速やかに燃料電池システム１の運転モードを停止状態に移行する。その結果、燃料ガスの無駄な消費を削減することができるとともに、温度差による燃料電池スタック９の歪みの発生等を抑制して耐久性を高めることができる。

【0095】

一方、第３経過時間Ｋ３が、第３判定時間Ｔ３を経過した後に、再度電力系統の事故が検出されない場合に、電力系統の事故の回復から第１判定時間Ｔ１経過したときには、燃料電池システム１から電力系統システム３への出力を再開する。

【0096】

これにより、速やかに電力系統システム３への出力を回復することができる。
・また、電力系統の事故の検出からの（事故の回復が検出されない間の）第２経過時間Ｋ２が、第２判定時間Ｔ２となった場合には、一過性の事故ではなく、回復に時間がかかる長期の停電である可能性が高いと考えられる。

【0097】

そこで、本実施例では、そのような場合には、燃料電池スタック９の発電を停止するので、電力系統に事故が発生した場合でも、燃料ガスの無駄な消費を削減することができるとともに、温度差による燃料電池スタック９の歪みの発生等を抑制して耐久性を高めることができる。
［特許請求の範囲と実施例との関係］
燃料電池スタック９が燃料電池に、単独運転検出装置２５が事故発生検出手段及び事故回復検出手段に該当する。また、出力停止手段（工程）と第１計測手段（工程）と出力再開手段（工程）と第３計測手段（工程）と発電制御手段（工程）とは、制御用コントローラ２７による制御内容に該当する。更に、第２計測手段（工程）と発電停止手段（工程）も、制御用コントローラ２７による制御内容に該当する。

【0098】

尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば、各判定時間の大きさを、第１判定時間（Ｔ１）＜第２判定時間（Ｔ２）＜第３判定時間（Ｔ３）と設定する以外に、Ｔ１≦Ｔ２≦Ｔ３としてもよい。

【0099】

例えばＴ１＝Ｔ２＝Ｔ３とすることも可能である。それ以外には、Ｔ１＞Ｔ２＝Ｔ３とすることも可能である。
また、Ｔ１＜Ｔ２≦Ｔ３とすると、系統異常検出の感度を高めることができるので好適である。

【0100】

なお、Ｔ１は、電力系統の復旧後から開始されるカウンタタイマであり、Ｔ２は電力系統の事故発生から電力系統が復旧するまでのカウンタタイマであるので、Ｔ１のタイマとＴ２のタイマが同時進行することはない。

【符号の説明】

【0101】

１…燃料電池システム
３…電力系統システム
９…燃料電池スタック
１１…バーナー
２３…電力変換装置
２５…単独運転検出装置
２７…制御用コントローラ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】