特許 6699232 燃料電池システム

(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】6699232

(24)【登録日】2020年5月7日

(45)【発行日】2020年5月27日

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04858 20160101AFI20200518BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20200518BHJP

   H01M 8/00 20160101ALI20200518BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20200518BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04858

   H01M8/04 Z

   H01M8/00 Z

   !H01M8/12

【請求項の数】4

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2016-36525(P2016-36525)

(22)【出願日】2016年2月29日

(65)【公開番号】特開2017-157272(P2017-157272A)

(43)【公開日】2017年9月7日

【審査請求日】2019年1月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000011

【氏名又は名称】アイシン精機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100130188

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 喜一

(74)【代理人】

【識別番号】100089082

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 脩

(74)【代理人】

【識別番号】100190333

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 群司

(72)【発明者】

【氏名】安岐 拓哉

(72)【発明者】

【氏名】後藤 俊介

【審査官】 今井 貞雄

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−１８２８８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１１６０８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０３４７０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２７７９７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２３８４６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１５３２９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０７３９０３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００−８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
改質用原料と改質水とから前記燃料を生成して前記燃料電池に供給する改質部と、
前記燃料電池から供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換装置と、
系統電源からの電力および前記電力変換装置からの電力が供給される第一負荷装置と、
前記系統電源の送電が停止された場合に、前記燃料電池を発電させて前記電力変換装置からの電力のみを供給する自立発電運転中において、前記電力変換装置に接続されて、前記電力変換装置からの電力のみが供給される第二負荷装置と、 前記燃料電池からの燃料オフガスと前記燃料電池からの酸化剤ガスオフガスとを燃焼させて燃焼排ガスを導出する燃焼部と、
貯湯水を貯水する貯湯槽と、
前記燃焼排ガスと前記貯湯水との間で熱交換が行われ、前記燃焼排ガスに含まれている水蒸気を凝縮して凝縮水を生成する熱交換器と、
前記貯湯槽と前記熱交換器との間において前記貯湯水を循環させるように形成された貯湯水循環ラインと、
前記熱交換器から供給された凝縮水を前記改質水として貯水するとともに前記改質部に供給する改質水タンクと、
前記改質水タンクの水量を検出する水量センサと、
前記第二負荷装置の消費電力を検出する電力センサと、
前記燃料電池を発電させる制御を行う制御装置と、
を備えた燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記自立発電運転中において、前記水量センサによって検出された前記改質水タンクの水量が判定水量以上である場合に、前記燃料電池の目標発電出力量を前記燃料電池の最大発電出力量に設定し、また、前記水量センサによって検出された前記改質水タンクの水量が前記判定水量未満である場合に、前記燃料電池の目標発電出力量を前記電力センサによって検出された前記第二負荷装置の消費電力に第一所定電力を加算した値に設定する燃料電池システム。

【請求項2】

前記燃料電池システムは、前記熱交換器に導入される前記貯湯水の温度を検出する温度センサをさらに備え、
前記制御装置は、前記自立発電運転中において、前記水量センサによって検出された前記改質水タンクの水量が前記判定水量以上である場合には、前記温度センサによって検出された前記貯湯水の温度が判定温度未満である場合に、前記燃料電池の目標発電出力量を前記燃料電池の最大発電出力量に設定し、また、前記温度センサによって検出された前記貯湯水の温度が前記判定温度以上である場合に、前記燃料電池の目標発電出力量を前記電力センサによって検出された前記第二負荷装置の消費電力に第二所定電力を加算した値に設定する請求項１記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記制御装置は、前記自立発電運転中において、前記水量センサによって検出された前記改質水タンクの水量が前記判定水量以上である場合であって、前記温度センサによって検出された前記貯湯水の温度が前記判定温度以上である場合には、ユーザが前記燃料電池の目標発電出力量を設定した場合に、前記燃料電池の目標発電出力量を前記ユーザが設定した目標発電出力量に設定する請求項２記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記制御装置は、前記燃料電池の目標発電出力量を前記燃料電池の最大発電出力量以外の値に設定した場合であって、前記電力センサによって検出された前記第二負荷装置の消費電力が比較的大きく変動する場合に、前記燃料電池の目標発電出力量を前記第二負荷装置の消費電力の最大値に第三所定電力を加算した値に設定する請求項１乃至請求項３の何れか一項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、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池システムの一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。特許文献１の図４に示されているように、燃料電池システムは、自立運転時には、燃料電池の発電電力を、定格最大電力より小さく、補機の駆動に必要なアイドリング電力より大きい、一定の自立時発電電力に設定している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１５−１８６４０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述した特許文献１に記載されている燃料電池システムにおいては、自立発電運転中の燃料電池の目標発電出力量（自立発電電力）が一定であるため、ユーザが自立発電電力以上の消費電力の電化製品を使用した場合に過負荷が発生し、アイドリング運転状態へ移行するため一時的な停電が発生するという問題があった。その結果、ユーザは自立発電運転中において不便であった。

【0005】

本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムにおいて、自立発電運転中においてユーザの利便性を向上させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記の課題を解決するため、請求項１に係る燃料電池システムの発明は、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、改質用原料と改質水とから燃料を生成して燃料電池に供給する改質部と、燃料電池から供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換装置と、系統電源からの電力および電力変換装置からの電力が供給される第一負荷装置と、系統電源の送電が停止された場合に、燃料電池を発電させて電力変換装置からの電力のみを供給する自立発電運転中において、電力変換装置に接続されて、電力変換装置からの電力のみが供給される第二負荷装置と、燃料電池からの燃料オフガスと燃料電池からの酸化剤ガスオフガスとを燃焼させて燃焼排ガスを導出する燃焼部と、貯湯水を貯水する貯湯槽と、燃焼排ガスと貯湯水との間で熱交換が行われ、燃焼排ガスに含まれている水蒸気を凝縮して凝縮水を生成する熱交換器と、貯湯槽と熱交換器との間において貯湯水を循環させるように形成された貯湯水循環ラインと、熱交換器から供給された凝縮水を改質水として貯水するとともに改質部に供給する改質水タンクと、改質水タンクの水量を検出する水量センサと、第二負荷装置の消費電力を検出する電力センサと、燃料電池を発電させる制御を行う制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、制御装置は、自立発電運転中において、水量センサによって検出された改質水タンクの水量が判定水量以上である場合に、燃料電池の目標発電出力量を燃料電池の最大発電出力量に設定し、また、水量センサによって検出された改質水タンクの水量が判定水量未満である場合に、燃料電池の目標発電出力量を電力センサによって検出された第二負荷装置の消費電力に第一所定電力を加算した値に設定する。

【発明の効果】

【0007】

これによれば、自立発電運転中において、水量センサによって検出された改質水タンクの水量が判定水量以上である場合に、燃料電池の目標発電出力量は、燃料電池の最大発電出力量に設定され、また、水量センサによって検出された改質水タンクの水量が判定水量未満である場合に、燃料電池の目標発電出力量は、電力センサによって検出された第二負荷装置の消費電力に第一所定電力を加算した値に設定される。その結果、燃料電池の実際の発電出力量は、第二負荷装置の消費電力より最低でも第一所定電力より大きくなるので、燃料電池に負荷がかかって燃料電池の出力が停止されるのを抑制することができる。よって、自立発電運転中においてユーザの利便性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明による燃料電池システムの一実施形態の概要を示す概要図である。

【図2】図１に示す燃料電池システムを示すブロック図である。

【図3】図２に示す制御装置で実行される制御プログラムのフローチャートである。

【図4】図２に示す制御装置で実行される制御プログラム（自立発電サブルーチン）のフローチャートである。

【図5】図２に示す制御装置で実行される制御の作動を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明による燃料電池システム１の一実施形態について説明する。燃料電池システム１は、図１に示すように、発電ユニット１０および貯湯槽２１を備えている。発電ユニット１０は、筐体１０ａ、燃料電池モジュール１１（３０）、熱交換器１２、インバータ装置１３、水タンク１４、および制御装置１５を備えている。燃料電池モジュール１１（３０）、熱交換器１２、インバータ装置１３、水タンク１４、制御装置１５および貯湯槽２１は、筐体１０ａ内に収容されている。なお、貯湯槽２１は、発電ユニット１０と別体すなわち筐体１０ａの外に設けるようにしてもよい。

【0010】

燃料電池モジュール１１は、後述するように燃料電池３４を少なくとも含んで構成されるものである。燃料電池モジュール１１は、改質用原料、改質水およびカソードエアが供給されている。具体的には、燃料電池モジュール１１は、一端が供給源Ｇｓに接続されて改質用原料が供給される改質用原料供給管１１ａの他端が接続されている。改質用原料供給管１１ａは、改質用原料を改質部３３に供給する原料ポンプ１１ａ１（改質用原料供給装置）が設けられている。さらに、燃料電池モジュール１１は、一端が水タンク１４に接続されて改質水が供給される水供給管１１ｂの他端が接続されている。水供給管１１ｂは、改質水を改質部３３に供給する改質水ポンプ１１ｂ１（改質水供給装置）が設けられている。さらに、燃料電池モジュール１１は、一端がカソードエアブロワ１１ｃ１に接続されてカソードエアが供給されるカソードエア供給管１１ｃの他端が接続されている。カソードエアブロワ１１ｃ１は、酸化剤ガスを燃料電池３４に供給する酸化剤ガス供給装置である。

【0011】

熱交換器１２は、燃料電池モジュール１１から排気される燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽２１からの貯湯水が供給され、燃焼排ガス（燃料電池３４および改質部３３の各排熱を含んでいる）と貯湯水との間で熱交換が行われる熱交換器である。また、熱交換器１２は、燃焼排ガスと貯湯水との間で熱交換が行われ、燃焼排ガスに含まれている水蒸気を凝縮して凝縮水を生成する。貯湯水は、燃焼排ガスの排熱を回収する熱媒体（排熱回収水）である。

【0012】

熱交換器１２は、ケーシング１２ｂを備えている。ケーシング１２ｂの上部には、燃料電池モジュール１１からの排気管１１ｄが接続されている。ケーシング１２ｂの下部には、外部（大気）に接続されている排気管１１ｅが接続されている。ケーシング１２ｂの底部には、水タンク１４に接続されている凝縮水供給管１２ａが接続されている。ケーシング１２ｂ内には、燃焼排ガスが通過する燃焼排ガス流路が形成されている。この燃焼排ガス流路に、貯湯水循環ライン２２に接続されている熱交換部（凝縮部）１２ｃが配設されている。熱交換部１２ｃ内には、貯湯水が流れ、熱交換部１２ｃの外側には、燃焼排ガスが流れている。なお、貯湯水と燃焼排ガスとは互いに反対向きに流れるように構成されるのが好ましい。

【0013】

このように構成された熱交換器１２においては、燃料電池モジュール１１からの燃焼排ガスは、排気管１１ｄを通ってケーシング１２ｂ内に導入され、貯湯水が流通する熱交換部１２ｃを通る際に貯湯水との間で熱交換が行われ凝縮されるとともに冷却される。その後、燃焼排ガスは排気管１１ｅを通って外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水供給管１２ａを通って水タンク１４に供給される（自重で落水する）。一方、熱交換部１２ｃに流入した貯湯水は、加熱されて流出される。

【0014】

上述した熱交換器１２、貯湯槽２１および貯湯水循環ライン２２から、排熱回収システム２０が構成されている。排熱回収システム２０は、燃料電池モジュール１１の排熱を貯湯水に回収して蓄える。

【0015】

貯湯槽２１は、密封式かつ耐圧式の容器である。貯湯槽２１内の温度分布は、基本的には、温度の異なる二層に分かれている。上層は比較的温度が高い層（例えば５０度以上）であり、下層は比較的温度が低い層（例えば２０度以下（水道水の温度））である。上下各層は、それぞれほぼ同一温度である。貯湯槽２１は、貯湯水を貯湯するものであり、貯湯水が循環する（図にて矢印の方向に循環する）貯湯水循環ライン２２が接続されている。

【0016】

貯湯水循環ライン２２上には、下端から上端に向かって順番に貯湯水循環ポンプ２２ａ、自立ヒータ２２ｂ、ラジエータ２２ｃ、熱交換器貯湯水入口温度センサ２２ｄ、熱交換器１２、および熱交換器貯湯水出口温度センサ２２ｅが配設されている。

【0017】

貯湯水循環ポンプ２２ａは、貯湯水循環ライン２２の熱媒体（貯湯水）を送出して図示矢印方向へ循環させる送出装置であり、制御装置１５によって制御されてその吐出量（送出量）が制御されるようになっている。
自立ヒータ２２ｂは、自立発電運転中にインバータ装置１３からの電力が供給可能に構成されており、供給された電力によって内蔵のヒータが加熱し、貯湯水循環ライン２２を循環する熱媒体（貯湯水）を加熱する。自立ヒータ２２ｂは、その電力（消費電力）が所定範囲内で可変となるように構成されている。例えば、自立ヒータ２２ｂは、抵抗値が可変となるように構成されている。本実施形態では、自立ヒータ２２ｂの電力は、最低０Ｗから最大７００Ｗ（燃料電池３４の最大発電出力量に設定されている。）までの範囲で可変となるように設定されている。

【0018】

ラジエータ２２ｃは、貯湯水循環ライン２２を循環する熱媒体（貯湯水）を冷却する冷却装置であり、制御装置１５の指令によってオン・オフ制御されており、オン状態のときには熱媒体を冷却し、オフ状態のときには冷却しないものである。なお、ラジエータ２２ｃは、熱媒体と空気との間で熱交換が行われる熱交換部（図示省略）と、熱交換部を空冷する冷却ファン（図示省略）とを備えている。

【0019】

熱交換器貯湯水入口温度センサ２２ｄは、貯湯水循環ライン２２であって貯湯槽２１の貯湯水導出口と熱交換器１２の貯湯水導入口との間に設けられている。熱交換器貯湯水入口温度センサ２２ｄは、ラジエータ２２ｃと熱交換器１２との間に設けられるのが望ましい。熱交換器貯湯水入口温度センサ２２ｄは、熱交換器１２の貯湯水導入口付近に設けられるのが望ましい。熱交換器貯湯水入口温度センサ２２ｄは、熱交換器１２に導入される貯湯水の温度（以下、貯湯水温度ともいう。）を検出して、制御装置１５に送信している。

【0020】

熱交換器貯湯水出口温度センサ２２ｅは、貯湯水循環ライン２２であって熱交換器１２の貯湯水導出口と貯湯槽２１の貯湯水導入口との間に設けられている。熱交換器貯湯水出口温度センサ２２ｅは、熱交換器１２の貯湯水導出口付近に設けられるのが望ましい。熱交換器貯湯水出口温度センサ２２ｅは、熱交換器１２から導出される貯湯水の温度を検出して、制御装置１５に送信している。

【0021】

インバータ装置１３は、燃料電池３４から出力される直流電力（電圧）を入力し所定の交流電力（電圧）に変換して、交流の系統電源１６ａおよび外部電力負荷１６ｃ（例えば電化製品）に接続されている電源ライン１６ｂに出力する。インバータ装置１３は、燃料電池３４から供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換装置である。インバータ装置１３は、電源ライン１６ｄを介して電源ライン１６ｂの接続部１６ｂ１に接続されている。
外部電力負荷１６ｃは、系統電源１６ａからの電力およびインバータ装置１３からの電力が供給される第一負荷装置である。また、インバータ装置１３は、系統電源１６ａからの交流電力（電圧）を電源ライン１６ｂを介して入力し所定の直流電力（電圧）に変換して補機（各ポンプ、ブロワなど）や制御装置１５に出力する。

【0022】

インバータ装置１３の交流電力の出力部には、センサ１３ａが配設されている。センサ１３ａは、出力電力もしくは電流または電圧の少なくともいずれか一つを検出するものである。停電の場合における自立発電運転中には、第二負荷装置１６ｇにのみインバータ装置１３からの電力が供給されるため、センサ１３ａは第二負荷装置１６ｇの電流または電圧の少なくともいずれか一方もしくは電力（消費電力）を検出する。センサ１３ａは、第二負荷装置１６ｇの消費電力（以下、ユーザ負荷ともいう。）を検出する電力センサである。

【0023】

電源ライン１６ｄ上であってインバータ装置１３と接続部１６ｂ１との間には、一端が自立用出力端子１６ｆに接続された電源ライン１６ｅの他端が接続部１６ｄ１で接続されている。自立用出力端子１６ｆには、第二負荷装置１６ｇが着脱可能に接続されている。

【0024】

自立用出力端子１６ｆは、系統電源１６ａからの電力供給が停止（以下、停電とする）された場合に燃料電池３４を発電させてインバータ装置１３からの電力のみを第二負荷装置１６ｇに供給するように運転（以下、自立発電運転とする）する間のみに使用されるものである。すなわち、自立用出力端子１６ｆは、停電の場合における自立発電運転中に燃料電池３４が発電する電力のみが出力されるようになっている。

【0025】

第二負荷装置１６ｇは、自立発電運転中において、インバータ装置１３に接続されて、インバータ装置１３からの電力のみが供給されるものである。第二負荷装置１６ｇは、外部電力負荷１６ｃ（第一負荷装置）と同様の電気器具であるが、停電の場合における自立発電運転中に、ユーザが使用したい電気器具について、自立用出力端子１６ｆに接続して使用されるものである。第二負荷装置１６ｇは、一つまたは複数の電気器具である。

【0026】

また、電源ライン１６ｂ上であって系統電源１６ａと接続部１６ｂ１との間には、電圧センサ１６ｈが配設されている。電圧センサ１６ｈは、系統電源１６ａからインバータ装置１３へ供給される電力の電圧を検出するものである。なお、本実施形態においては、系統電源１６ａの電圧を検出するために電圧センサ１６ｈを配設しているが、系統電源１６ａからインバータ装置１３へ供給される電力を検出する電力センサを配設するようにしても良い。

【0027】

電源ライン１６ｄ上であって接続部１６ｂ１と接続部１６ｄ１との間には、第一開閉器１６ｉが配設されている。第一開閉器１６ｉは、開路または閉路することによりインバータ装置１３と系統電源１６ａとを電気的に遮断または接続するものである。
インバータ装置１３と第二負荷装置１６ｇとの間には、第二開閉器１６ｊが配設されている。第二開閉器１６ｊは、開路または閉路することにより、インバータ装置１３と第二負荷装置１６ｇとを電気的に遮断または接続する開閉装置である。より具体的には、第二開閉器１６ｊは、電源ライン１６ｅ上であって接続部１６ｄ１と自立用出力端子１６ｆとの間に配設されている。

【0028】

また、電源ライン１６ｄの接続部１６ｄ２には、一端が自立ヒータ２２ｂに接続されている電源ライン１６ｋの他端が接続されている。なお、電源ライン１６ｄ上であって第一開閉器１６ｉと接続部１６ｂ１の間には、ブレーカ（図示しない）が配設されている。

【0029】

水タンク１４（改質水タンク）は、熱交換器１２から供給される凝縮水を貯水し、改質部３３に改質水として供給するものである。水タンク１４内には、水タンク１４内の水量（水位：以下、タンク水量ともいう。）を検出する水量センサ１４ａが配設されている。水量センサ１４ａの検出結果は、制御装置１５に出力されるようになっている。水量センサ１４ａは、例えば、フロート式のセンサであり、フロートの上下量を可変抵抗（ポテンショメータ）により抵抗値に変換し、抵抗値の上下動によって水量（残水量）を表示する方式のセンサである。なお、水タンク１４は、凝縮水をイオン交換樹脂によって純水化するようになっている。

【0030】

燃料電池モジュール１１（３０）は、ケーシング３１、蒸発部３２、改質部３３および燃料電池３４を備えている。ケーシング３１は、断熱性材料で箱状に形成されている。
蒸発部３２は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、供給された改質用原料を予熱するものである。蒸発部３２は、このように生成された水蒸気と予熱された改質用原料を混合して改質部３３に供給するものである。改質用原料としては天然ガス（メタンガスを主成分とする）、ＬＰガスなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。

【0031】

蒸発部３２には、一端（下端）が水タンク１４に接続された水供給管１１ｂの他端が接続されている。また、蒸発部３２には、一端が供給源Ｇｓに接続された改質用原料供給管１１ａが接続されている。供給源Ｇｓは、例えば都市ガスのガス供給管、ＬＰガスのガスボンベである。

【0032】

改質部３３は、上述した燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部３２から供給された混合ガス（改質用原料、水蒸気）から改質ガスを生成して導出するものである。改質部３３内には、触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素などを含んだガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス（メタンガス）、改質に使用されなかった改質水（水蒸気）を含んでいる。このように、改質部３３は改質用原料（原燃料）と改質水とから改質ガス（燃料）を生成して燃料電池３４に供給する。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応である。

【0033】

燃料電池３４は、燃料極、空気極（酸化剤極）、および両極の間に介装された電解質からなる複数のセル３４ａが積層されて構成されている。本実施形態の燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池３４の燃料極には、燃料として水素、一酸化炭素、メタンガスなどが供給される。動作温度は４００〜１０００℃程度である。

【0034】

セル３４ａの燃料極側には、燃料である改質ガスが流通する燃料流路３４ｂが形成されている。セル３４ａの空気極側には、酸化剤ガスである空気（カソードエア）が流通する空気流路３４ｃが形成されている。

【0035】

燃料電池３４は、マニホールド３５上に設けられている。マニホールド３５には、改質部３３からの改質ガス（アノードガス）が改質ガス供給管３８を介して供給される。燃料流路３４ｂは、その下端（一端）がマニホールド３５の燃料導出口に接続されており、その燃料導出口から導出される改質ガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。カソードエアブロワ１１ｃ１によって送出されたカソードエアはカソードエア供給管１１ｃを介して供給され、空気流路３４ｃの下端から導入され上端から導出されるようになっている。

【0036】

燃料電池３４においては、燃料極に供給されたアノードガスと空気極に供給された酸化剤ガス（カソードガス）によって発電が行われる。すなわち、燃料極では、下記化１および化２に示す反応が生じ、空気極では、下記化３に示す反応が生じている。すなわち、空気極で生成した酸化物イオン（Ｏ^２−）が電解質を透過し、燃料極で水素と反応することにより電気エネルギーを発生させている。したがって、燃料流路３４ｂおよび空気流路３４ｃからは、発電に使用されなかった改質ガスおよび酸化剤ガス（空気）が導出する。
（化１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
（化２）
ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２ｅ⁻
（化３）
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−

【0037】

そして、発電に使用されなかった改質ガス（アノードオフガス）は、燃料流路３４ｂから燃焼空間３６（燃料電池３４と蒸発部３２（改質部３３）の間に形成された）に導出される。発電に使用されなかった酸化剤ガス（空気：カソードオフガス）は、空気流路３４ｃから燃焼空間３６に導出される。燃焼空間３６にてアノードオフガスはカソードオフガスによって燃焼され、その燃焼ガスによって蒸発部３２および改質部３３が加熱される。さらには、燃料電池モジュール１１内を動作温度に加熱している。その後、燃焼ガスは、ケーシング１２ｂの下部に設けられた排気管１１ｅから燃料電池モジュール１１の外に燃焼排ガスとして排気される。このように、燃焼空間３６が、燃料電池３４からの未使用の燃料（改質ガス）を含む可燃性ガス（アノードオフガス）を導入し酸化剤ガスで燃焼して燃焼排ガス（水蒸気を含む）を導出する燃焼部である。

【0038】

燃焼部３６では、アノードオフガスが燃焼されて火炎３７（燃焼ガス）が発生している。燃焼部３６では、アノードオフガスが燃焼されてその燃焼ガスが発生している。燃焼部３６には、アノードオフガスを着火させるための一対の着火ヒータ３６ａ１，３６ａ２が設けられている。

【0039】

燃料電池システム１は、リモコン４１を備えている。リモコン４１は、ユーザが操作する操作部を備えている。操作部は、燃料電池３４の目標発電出力量を変更することが可能である。リモコン４１は、その操作信号を制御装置１５に送信している。

【0040】

制御装置１５は、補機を駆動して燃料電池システム１の運転を統括して制御する。制御装置１５は、図２に示すように、電力センサ１３ａ、水量センサ１４ａ、電圧センサ１６ｈ、温度センサ２２ｄ、リモコン４１、インバータ装置１３、第一開閉器１６ｉ、第二開閉器１６ｊ、自立ヒータ２２ｂ、ラジエータ２２ｃ、各ポンプ１１ａ１，１１ｂ１，２２ａなどに接続されている。制御装置１５は、マイクロコンピュータ（図示省略）を有している。マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、燃料電池システム１の統括運転を実施している。ＲＡＭは制御プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭは制御プログラムを記憶するものである。
なお、燃料電池システム１は、水タンク１４に外部から水道水を直接補給できるように構成してもよい。

【0041】

次に、上述した燃料電池システム１の作動（特に、系統電源１６ａが停電した場合の燃料電池システムの動作）について図３，４に示すフローチャートに沿って説明する。制御装置１５は、そのフローチャートに沿ったプログラムを所定時間（短時間でも長時間でもよい）毎に繰り返し実行する。

【0042】

制御装置１５は、電圧センサ１６ｈの検出信号に基づいて系統電源１６ａに停電が発生したか否かを常時監視する（ステップＳ１０２）。制御装置１５は、系統電源１６ａに停電が発生したことを検知すると、ステップＳ１０２で「ＹＥＳ」と判定し、第一開閉器１６ｉを開路とする（ステップＳ１０４）。

【0043】

そして、制御装置１５は、ステップＳ１０６で燃料電池３４が発電可能か否かを判断する。改質部３３が所定温度以上であれば、燃料電池３４は定格電力を出力することができる。よって、改質部３３が所定温度以上であれば、燃料電池３４は発電可能と判断され、ステップＳ１０６は「ＹＥＳ」と判定される。一方、改質部３３が所定温度以下であれば、燃料電池３４は定格電力を出力することができない。よって、改質部３３が所定温度以下であれば、燃料電池３４は発電不可能と判断され、ステップＳ１０６は「ＮＯ」と判定される。

【0044】

制御装置１５は、燃料電池３４が発電可能である場合は、自立発電運転を開始する。まず、制御装置１５は、第二開閉器１６ｊを閉路とする（ステップＳ１０８）。燃料電池３４が発電する電力を自立用出力端子１６ｆに供給するためである。このとき、第一開閉器１６ｉは開状態であるため、燃料電池３４が発電する電力のみが自立用出力端子１６ｆへ供給される。自立用出力端子１６ｆから燃料電池３４が発電する電力を出力させることで、ユーザは停電時であっても、第二負荷装置１６ｇを自立用出力端子１６ｆに接続して利用することができる。

【0045】

そして、制御装置１５は、ステップＳ１１０において、自立発電運転を行う。具体的には、制御装置１５は、図４に示すフローチャートに沿ったプログラムを実行する。
制御装置１５は、ステップＳ２０２において、水量センサ１４ａによって検出されたタンク水量を取得する。制御装置１５は、ステップＳ２０４において、熱交換器貯湯水入口温度センサ２２ｄによって検出された貯湯水温度を取得する。制御装置１５は、ステップＳ２０６において、センサ１３ａによって検出されたユーザ負荷を取得する。

【0046】

制御装置１５は、ステップＳ２０８において、取得したタンク水量が判定水量以上であるか否かを判定する。判定水量は、そのまま燃料電池３４の発電運転を継続した場合でも、少なくとも所定時間（例えば２時間）は発電運転を継続することができる水量に設定されている。なお、所定時間は、計画停電、輪番停電の際に、系統電源からの電力が停止される、予め設定されている時間に基づいて設定されるのが好ましく、さらにその時間に余裕を持たせた時間に設定されるようにしてもよい。

【0047】

制御装置１５は、ステップＳ２１０において、取得した貯湯水温度が判定温度以上であるか否かを判定する。判定温度は、自立発電運転に必要であり、熱交換器１２において生成される凝縮水量に基づいて設定されている。少なくとも、生成される凝縮水量は、発電に使用される改質水量より多くなければならない。

【0048】

制御装置１５は、ステップＳ２１４において、ユーザから負荷設定変更の指示があったか否かを判定する。ユーザから負荷設定変更の指示があった旨は、ユーザがリモコン４１の操作（燃料電池３４の目標発電出力量の変更操作）を行なうことにより、その操作信号を制御装置１５が取得したことにより判定される。

【0049】

制御装置１５は、ステップＳ２１６およびステップＳ２２２において、取得したユーザ負荷から第二負荷装置１６ｇの負荷変動が大きいか否かを判定する。制御装置１５は、ユーザ負荷が所定の振幅以上かつ所定の周期以上である場合に、第二負荷装置１６ｇの負荷変動が大きい旨の判定をする。

【0050】

制御装置１５は、自立発電運転中において、水量センサ１４ａによって検出された改質水タンクの水量が判定水量以上であり、かつ、熱交換器貯湯水入口温度センサ２２ｄによって検出された貯湯水温度によって検出された貯湯水温度が判定温度未満である場合に、ステップＳ２０８，２１０にてそれぞれ「ＹＥＳ」，「ＮＯ」と判定し、ステップＳ２１２において、燃料電池３４の目標発電出力量を燃料電池３４の最大発電出力量に設定する。
このときの燃料電池３４の目標発電出力量とユーザ負荷電力は、図５にてIで示す。

【0051】

また、制御装置１５は、自立発電運転中において、水量センサ１４ａによって検出された改質水タンクの水量が判定水量以上であり、かつ、熱交換器貯湯水入口温度センサ２２ｄによって検出された貯湯水温度によって検出された貯湯水温度が判定温度以上であり、かつ、ユーザから負荷設定変更の指示がある場合に、ステップＳ２０８，２１０，２１４にてそれぞれ「ＹＥＳ」と判定し、ステップＳ２２０において、燃料電池３４の目標発電出力量をユーザが設定した出力量に設定する。
このときの燃料電池３４の目標発電出力量とユーザ負荷電力は、図５にてIIIで示す。

【0052】

また、制御装置１５は、自立発電運転中において、水量センサ１４ａによって検出された改質水タンクの水量が判定水量以上であり、かつ、熱交換器貯湯水入口温度センサ２２ｄによって検出された貯湯水温度によって検出された貯湯水温度が判定温度以上であり、かつ、ユーザから負荷設定変更の指示がない場合であって、第二負荷装置１６ｇの負荷変動が小さい場合に、ステップＳ２０８，２１０，２１４，２１６にてそれぞれ「ＹＥＳ」，「ＹＥＳ」，「ＮＯ」，「ＮＯ」と判定し、ステップＳ２１８において、燃料電池３４の目標発電出力量をユーザ負荷に第二所定電力を加算した値に設定する。第二所定電力は、例えば１５０Ｗに設定されており、改質水量に余裕があるが凝縮水生成量が減少するため、ユーザの電力に係る使い勝手と貯湯水温度の上昇の抑制（すなわち凝縮水の生成の確保）との両立を図る電力に設定されている。
このときの燃料電池３４の目標発電出力量とユーザ負荷電力は、図５にてIIで示す。

【0053】

また、制御装置１５は、自立発電運転中において、水量センサ１４ａによって検出された改質水タンクの水量が判定水量以上であり、かつ、熱交換器貯湯水入口温度センサ２２ｄによって検出された貯湯水温度によって検出された貯湯水温度が判定温度以上であり、かつ、ユーザから負荷設定変更の指示がない場合であって、第二負荷装置１６ｇの負荷変動が大きい場合に、ステップＳ２０８，２１０，２１４，２１６にてそれぞれ「ＹＥＳ」，「ＹＥＳ」，「ＮＯ」，「ＹＥＳ」と判定し、ステップＳ２２６において、燃料電池３４の目標発電出力量をユーザ負荷の最大値に第三所定電力を加算した値に設定する。第三所定電力は、例えば３０Ｗに設定されており、自立発電電力よりユーザ負荷電力が短時間でも大きくなるのを抑制する電力に設定されている。
このときの燃料電池３４の目標発電出力量とユーザ負荷電力は、図５にてVで示す。

【0054】

また、制御装置１５は、自立発電運転中において、水量センサ１４ａによって検出された改質水タンクの水量が判定水量未満であって、第二負荷装置１６ｇの負荷変動が小さい場合に、ステップＳ２０８，２２２にてそれぞれ「ＮＯ」と判定し、ステップＳ２２４において、燃料電池３４の目標発電出力量をユーザ負荷に第一所定電力を加算した値に設定する。第一所定電力は、例えば７５Ｗに設定されており、改質水量に比較的余裕がないため、燃料電池システム１の運転継続の優先を図る電力に設定されている。
このときの燃料電池３４の目標発電出力量とユーザ負荷電力は、図５にてIVで示す。

【0055】

また、制御装置１５は、自立発電運転中において、水量センサ１４ａによって検出された改質水タンクの水量が判定水量未満であって、第二負荷装置１６ｇの負荷変動が大きい場合に、ステップＳ２０８，２２２にてそれぞれ「ＮＯ」，「ＹＥＳ」と判定し、ステップＳ２２６において、燃料電池３４の目標発電出力量をユーザ負荷の最大値に第三所定電力を加算した値に設定する。
このときの燃料電池３４の目標発電出力量とユーザ負荷電力は、図５にてＶで示す。

【0056】

なお、上述した各ステップＳ２１２，２１８，２２０，２２４，２２６においては、制御装置１５は、目標発電出力量とユーザ負荷との差分を導出しており、その差分は自立ヒータ２２ｂで消費するように自立ヒータ２２ｂを制御している。

【0057】

なお、制御装置１５は、自立発電運転中において、水量センサ１４ａによって検出された改質水タンク１４の水量が判定水量以上である場合に、燃料電池３４の目標発電出力量を燃料電池３４の最大発電出力量に設定し、水量センサ１４ａによって検出された改質水タンクの水量が判定水量未満である場合に、燃料電池３４の目標発電出力量をセンサ１３ａによって検出された第二負荷装置１６ｇの消費電力に第一所定電力を加算した値に設定するようにしてもよい。この場合、制御装置１５は、ステップＳ２１０，２２２の処理を省略し、ステップＳ２０８にて「ＹＥＳ」と判定したとき、プログラムをステップＳ２１２に進め、ステップＳ２０８にて「ＮＯ」と判定したとき、プログラムをステップＳ２２４に進めるようにすればよい。

【0058】

また、制御装置１５は、自立発電運転中において、水量センサ１４ａによって検出された改質水タンク１４の水量が判定水量以上である場合には、熱交換器貯湯水入口温度センサ２２ｄによって検出された貯湯水の温度が判定温度以上である場合に、燃料電池３４の目標発電出力量をセンサ１３ａによって検出された第二負荷装置１６ｇの消費電力に第二所定電力を加算した値に設定するようにしてもよい。この場合、制御装置１５は、ステップＳ２１４，２１６の処理を省略し、ステップＳ２１０にて「ＹＥＳ」と判定したとき、プログラムをステップＳ２１８に進めるようにすればよい。

【0059】

上述した説明から明らかなように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池３４と、改質用原料と改質水とから燃料を生成して燃料電池３４に供給する改質部３３と、燃料電池３４から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータ装置１３（電力変換装置）と、系統電源１６ａからの電力およびインバータ装置１３からの電力が供給される外部電力負荷１６ｃ（第一負荷装置）と、系統電源１６ａの送電が停止された場合に、燃料電池３４を発電させてインバータ装置１３からの電力のみを供給する自立発電運転中において、インバータ装置１３に接続されて、インバータ装置１３からの電力のみが供給される第二負荷装置１６ｇと、燃料電池３４からの燃料オフガスと燃料電池３４からの酸化剤ガスオフガスとを燃焼させて燃焼排ガスを導出する燃焼部３６と、貯湯水を貯水する貯湯槽２１と、燃焼排ガスと貯湯水との間で熱交換が行われ、燃焼排ガスに含まれている水蒸気を凝縮して凝縮水を生成する熱交換器１２と、貯湯槽２１と熱交換器１２との間において貯湯水を循環させるように形成された貯湯水循環ライン２２と、熱交換器１２から供給された凝縮水を改質水として貯水するとともに改質部３３に供給する水タンク１４（改質水タンク）と、水タンク１４の水量を検出する水量センサ１４ａと、第二負荷装置１６ｇの消費電力を検出するセンサ１３ａ（電力センサ）と、燃料電池３４を発電させる制御を行う制御装置１５と、を備えた燃料電池システム１である。制御装置１５は、自立発電運転中において、水量センサ１４ａによって検出された水タンク１４の水量が判定水量以上である場合に、燃料電池３４の目標発電出力量を燃料電池３４の最大発電出力量に設定し、また、水量センサ１４ａによって検出された水タンク１４の水量が判定水量未満である場合に、燃料電池３４の目標発電出力量をセンサ１３ａによって検出された第二負荷装置１６ｇの消費電力に第一所定電力を加算した値に設定する。

【0060】

これによれば、自立発電運転中において、水量センサ１４ａによって検出された水タンク１４の水量が判定水量以上である場合に、燃料電池３４の目標発電出力量は、燃料電池３４の最大発電出力量に設定され、また、水量センサ１４ａによって検出された水タンク１４の水量が判定水量未満である場合に、燃料電池３４の目標発電出力量は、センサ１３ａによって検出された第二負荷装置１６ｇの消費電力に第一所定電力を加算した値に設定される。その結果、燃料電池３４の実際の発電出力量は、第二負荷装置１６ｇの消費電力より最低でも第一所定電力より大きくなるので、燃料電池３４に負荷がかかって燃料電池３４の出力が停止されるのを抑制することができる。よって、自立発電運転中においてユーザの利便性を向上させることができる。

【0061】

すなわち、従来では、自立発電電力（自立発電運転による電力）を低く設定すると改質水の減量は少なくなるものの、ユーザ負荷が自立発電電力以上となった場合は燃料電池３４が過負荷となり、燃料電池３４がアイドリング運転状態へ移行し、一時的に停電が発生する。これに対して、本実施形態によれば、燃料電池３４の実際の発電出力量は、第二負荷装置１６ｇの消費電力より最低でも第一所定電力より大きくなるので、燃料電池３４に負荷がかかって燃料電池３４の出力が停止されるのを抑制することができる。

【0062】

また、従来では、自立発電電力を多く設定すると使用可能負荷は多くなるものの、ユーザ負荷が少ない場合は、自立発電電力とユーザ負荷との差分が自立ヒータ２２ｂで熱となり、貯湯水温度が上昇し熱交換器１２で生成される改質水が減り、燃料電池システム１を停止させる場合がある。これに対して、本実施形態によれば、自立発電電力とユーザ負荷との差分を適切に設定することができるので、燃料電池システム１を適切に運転させることができる。
このように、燃料電池システム１において、改質水の減少の抑制と使用可能な負荷を高く維持することの両立を達成することができる。

【0063】

また燃料電池システム１は、熱交換器１２に導入される貯湯水の温度を検出する熱交換器貯湯水入口温度センサ２２ｄ（温度センサ）をさらに備え、制御装置１５は、自立発電運転中において、水量センサ１４ａによって検出された水タンク１４の水量が判定水量以上である場合には、熱交換器貯湯水入口温度センサ２２ｄによって検出された貯湯水の温度が判定温度未満である場合に、燃料電池３４の目標発電出力量を燃料電池３４の最大発電出力量に設定し、また、熱交換器貯湯水入口温度センサ２２ｄによって検出された貯湯水の温度が判定温度以上である場合に、燃料電池３４の目標発電出力量をセンサ１３ａによって検出された第二負荷装置１６ｇの消費電力に第二所定電力を加算した値に設定する。
これによれば、水タンク１４の残水量だけでなく、貯湯水の熱交換器入口温度も考慮して、燃料電池３４の目標発電力をより適切に設定することが可能となる。その結果、自立発電運転中においてユーザの利便性をより向上させることができる。

【0064】

また燃料電池システム１において、制御装置１５は、自立発電運転中において、水量センサ１４ａによって検出された水タンク１４の水量が判定水量以上である場合であって、熱交換器貯湯水入口温度センサ２２ｄによって検出された貯湯水の温度が判定温度以上である場合には、ユーザが燃料電池３４の目標発電出力量を設定した場合に、燃料電池３４の目標発電出力量をユーザが設定した目標発電出力量に設定する。
これによれば、水量センサ１４ａによって検出された水タンク１４の水量が判定水量以上であり、熱交換器貯湯水入口温度センサ２２ｄによって検出された貯湯水の温度が判定温度以上である場合であっても、ユーザが燃料電池３４の目標発電出力量を設定した場合には、ユーザの意思を優先させることが可能となる。その結果、自立発電運転中においてユーザの利便性をより向上させることができる。

【0065】

また燃料電池システム１において、制御装置１５は、燃料電池３４の目標発電出力量を燃料電池３４の最大発電出力量以外の値に設定した場合であって、センサ１３ａによって検出された第二負荷装置１６ｇの消費電力が比較的大きく変動する場合に、燃料電池３４の目標発電出力量を第二負荷装置１６ｇの消費電力の最大値に第三所定電力を加算した値に設定する。
これによれば、燃料電池３４の目標発電出力量を燃料電池３４の最大発電出力量以外の値に設定した場合であって、センサ１３ａによって検出された第二負荷装置１６ｇの消費電力が比較的大きく変動する場合に、その変動に対応して燃料電池３４の目標発電出力量を適切に設定することができる。その結果、自立発電運転中においてユーザの利便性をより向上させることができる。

【符号の説明】

【0066】

１…燃料電池システム、１０…発電ユニット、１１…燃料電池モジュール、１１ａ１…原料ポンプ、１１ｂ１…改質水ポンプ、１１ｃ１…カソードエアブロワ、１２…熱交換器、１３…インバータ装置電力変換装置）、１３ａ…センサ（電力センサ）、１４…水タンク（改質水タンク）、１４ａ…水量センサ、１５…制御装置、１６ｃ…外部電力負荷（第一負荷装置）、１６ｇ…第二負荷装置、１６ｈ…電圧センサ、２１…貯湯槽、２２…貯湯水循環ライン、２２ａ…貯湯水循環ポンプ、２２ｂ…自立ヒータ、２２ｄ…熱交換器貯湯水出口温度センサ（温度センサ）、３３…改質部、３４…燃料電池、３６…燃焼部、４１…リモコン。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】