特許 6942017 燃料電池装置

(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】6942017

(24)【登録日】2021年9月9日

(45)【発行日】2021年9月29日

(54)【発明の名称】燃料電池装置

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04858 20160101AFI20210916BHJP

   H01M 8/0612 20160101ALI20210916BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20210916BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04858

   H01M8/0612

   !H01M8/12 101

【請求項の数】8

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2017-189055(P2017-189055)

(22)【出願日】2017年9月28日

(65)【公開番号】特開2019-67530(P2019-67530A)

(43)【公開日】2019年4月25日

【審査請求日】2020年3月12日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006633

【氏名又は名称】京セラ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100188307

【弁理士】

【氏名又は名称】太田 昌宏

(74)【代理人】

【識別番号】100202326

【弁理士】

【氏名又は名称】橋本 大佑

(72)【発明者】

【氏名】森山 優一

【審査官】 加藤 昌人

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００３−２４３００８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１３５０４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０１２４８６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０４−８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

各々が１つ以上の燃料電池セルを含む第１スタック及び第２スタックと、
前記第１スタック及び前記第２スタックに対して共通に作用する第１補機群と、
前記第１スタック及び前記第２スタックからの出力電流が入力され、所定の出力電圧をそれぞれ出力する第１コンバータ及び第２コンバータと、
前記第１コンバータ及び前記第２コンバータのデユーティー比を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記第１スタックからの前記出力電流の第１目標値と、前記第２スタックからの前記出力電流の第２目標値との差分が第１所定値以下となるように制御し、
各目標値と、対応するスタックからの前記出力電流の実測値との差分が第２所定値を超えた場合、異常であると判定する、
燃料電池装置。

【請求項2】

前記制御部は、前記第１スタック及び前記第２スタックからの前記出力電流の実測値が前記第１目標値及び前記第２目標値にそれぞれ近づくように、前記第１コンバータ及び前記第２コンバータを制御する、
請求項１に記載の燃料電池装置。

【請求項3】

前記制御部は、前記第１スタック及び前記第２スタックからの前記出力電流の実測値が略同一となるように、前記第１コンバータ及び前記第２コンバータを制御する、
請求項２に記載の燃料電池装置。

【請求項4】

前記制御部は、前記第１目標値及び前記第２目標値に基づいて前記第１補機群の動作を制御する、
請求項１から３までのいずれか１項に記載の燃料電池装置。

【請求項5】

前記第１補機群は、外部から流入するガス、水及び空気に対して流量の調整をそれぞれ行うガスポンプ、改質水ポンプ及び空気ブロワと、改質ガスを生成する第１改質器と、前記第１改質器に接続され、前記第１スタック及び前記第２スタックに改質ガスを供給する第１分岐配管と、を含む、
請求項１から４までのいずれか１項に記載の燃料電池装置。

【請求項6】

各々が１つ以上の燃料電池セルを含む第３スタック及び第４スタックと、
前記第３スタック及び前記第４スタックに対して共通に作用する第２補機群と、
前記第３スタック及び前記第４スタックからの出力電流が入力され、所定の出力電圧をそれぞれ出力する第３コンバータ及び第４コンバータと、
をさらに備え、
前記制御部は、
前記第３スタックからの前記出力電流の第３目標値と、前記第４スタックからの前記出力電流の第４目標値との差分が第１所定値以下となるように制御する、
請求項１から５までのいずれか１項に記載の燃料電池装置。

【請求項7】

前記制御部は、前記第３スタック及び前記第４スタックからの前記出力電流の実測値が前記第３目標値及び前記第４目標値にそれぞれ近づくように、前記第３コンバータ及び前記第４コンバータを制御する、
請求項６に記載の燃料電池装置。

【請求項8】

前記第２補機群は、外部から流入するガス、水及び空気に対して流量の調整をそれぞれ行うガスポンプ、改質水ポンプ及び空気ブロワと、改質ガスを生成する第２改質器と、前記第２改質器に接続され、前記第３スタック及び前記第４スタックに改質ガスを供給する第２分岐配管と、を含む、
請求項６又は７に記載の燃料電池装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、燃料電池装置に関する。

【背景技術】

【0002】

固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell（ＳＯＦＣ））のような燃料電池を備える各種の発電システムの開発が進められている。

【0003】

特許文献１に開示された燃料電池システムは、燃料電池のスタックを複数備え、各スタックに接続されたＤＣ／ＤＣコンバータを制御することで、劣化したスタックの継続使用を可能にする。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１４−０２６８６２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

このような燃料電池システムでは、２つのスタックに対して１つの共通する補機群が作用する場合の発電効率の良い制御については考慮されていなかった。

【0006】

本開示の目的は、２つのスタックに対して１つの共通する補機群が作用する場合であっても発電効率を向上できる燃料電池装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

一実施形態に係る燃料電池装置は、各々が１つ以上の燃料電池セルを含む第１スタック及び第２スタックを備える。燃料電池装置は、前記第１スタック及び前記第２スタックに対して共通に作用する第１補機群を備える。燃料電池装置は、前記第１スタック及び前記第２スタックからの出力電流が入力され、所定の出力電圧をそれぞれ出力する第１コンバータ及び第２コンバータを備える。燃料電池装置は、前記第１コンバータ及び前記第２コンバータのデユーティー比を制御する制御部を備える。制御部は、前記第１スタックからの前記出力電流の第１目標値と、前記第２スタックからの前記出力電流の第２目標値との差分が第１所定値以下となるように制御し、各目標値と、対応するスタックからの前記出力電流の実測値との差分が第２所定値を超えた場合、異常であると判定する。

【発明の効果】

【0008】

一実施形態に係る燃料電池装置によれば、２つのスタックに対して１つの共通する補機群が作用する場合であっても発電効率を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】一実施形態に係る燃料電池装置を含む発電システムの構成を概略的に示す機能ブロック図である。

【図2】一実施形態に係る燃料電池装置の構成を概略的に示す機能ブロック図である。

【図3】一実施形態に係る燃料電池装置の動作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】

【0010】

以下、本開示の一実施形態について、添付の図面を参照して説明する。添付の図面において、電力が流れるラインを実線で示し、制御信号又は各種情報等が伝達するラインを破線で示し、熱、水、ガス又は空気等が流れるラインを一点鎖線で示す。初めに、本開示の一実施形態に係る燃料電池装置１を含む発電システムＳの構成を説明する。

【0011】

図１は、一実施形態に係る燃料電池装置１を含む発電システムＳの構成を概略的に示す機能ブロック図である。

【0012】

図１に示すように、発電システムＳは、貯湯タンクＴと、負荷Ｌと、商用電源（grid）Ｇと、に接続されている。図１に示すように、発電システムＳは、外部から供給されるガス（都市ガス、プロパンガス等であり、以下、ガスと称する）、水及び空気に基づいて発電する。発電システムＳは、発電した電力を負荷Ｌ等に供給する。特に、発電システムＳは、交流電力としての出力を制御して、負荷Ｌ等に当該交流電力を供給する。

【0013】

発電システムＳは、燃料電池装置１と、インバータ２と、排熱回収処理部３と、循環水処理部４と、を有する。

【0014】

インバータ２は、燃料電池装置１に接続されている。インバータ２は、燃料電池装置１が発電した直流電力を交流電力に変換する。インバータ２から出力される交流電力は、分電盤等を介して、負荷Ｌに供給される。負荷Ｌは、分電盤等を介して、インバータ２から出力された交流電力を受電する。図１において、負荷Ｌは、１つのブロックとして図示されているが、これに限定されない。負荷Ｌは、任意の個数の各種電気機器により構成されてもよい。負荷Ｌは、分電盤等を介して、商用電源Ｇから受電することもできる。

【0015】

排熱回収処理部３は、燃料電池装置１の発電により生じる排気から、排熱を回収する。排熱回収処理部３は、例えば熱交換器等により構成されてもよい。排熱回収処理部３は、循環水処理部４及び貯湯タンクＴに接続されている。

【0016】

循環水処理部４は、貯湯タンクＴから排熱回収処理部３へ水を循環させる。排熱回収処理部３に供給された水は、排熱回収処理部３で回収された熱によって加熱され、貯湯タンクＴに戻る。排熱回収処理部３は、排熱を回収した排気を外部に排出する。排熱回収処理部３で回収された熱は、外部から供給されるガス、水又は空気の加熱等に用いることができる。

【0017】

貯湯タンクＴは、排熱回収処理部３及び循環水処理部４に接続されている。貯湯タンクＴは、燃料電池装置１から回収された排熱を利用して生成される湯を貯えることができる。

【0018】

図２は、一実施形態に係る燃料電池装置１の構成を概略的に示す機能ブロック図である。図２は、図１に示した発電システムＳにおいて、燃料電池装置１を示し、その他の機能部を省略している。以下では、燃料電池装置１の構成について詳細に説明する。

【0019】

燃料電池装置１は、制御部１０と、記憶部２０と、第１補機群３０ａと、第２補機群３０ｂと、発電部４０と、コンバータ部５０と、を有する。

【0020】

燃料電池装置１は、以下にさらに詳細に述べるように、種々の機能を実行するための制御及び処理能力を提供するために、制御部１０として少なくとも１つのプロセッサを含む。種々の実施形態によれば、少なくとも１つのプロセッサは、単一の集積回路（ＩＣ）として、又は複数の通信可能に接続されているＩＣ及びディスクリート回路（discrete circuits）の少なくとも一方として構成されてもよい。少なくとも１つのプロセッサは、種々の既知の技術に従って構成されてもよい。

【0021】

一実施形態において、プロセッサは、１以上のデータ計算手続又は処理を実行するために構成された、１以上の回路又はユニットを含んでもよい。例えば、制御部１０は、１以上のプロセッサ、コントローラ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、デジタル信号処理装置、プログラマブルロジックデバイス、フィールドプログラマブルゲートアレイ又はこれらのデバイス若しくは構成の任意の組み合わせを含んでもよい。制御部１０は、他の既知のデバイス又は構成の任意の組み合わせを含んでもよい。以上のような構成により、制御部１０は、後述する機能を実行してもよい。

【0022】

制御部１０は、記憶部２０と、第１補機群３０ａと、第２補機群３０ｂと、発電部４０と、コンバータ部５０と、に通信接続されている。制御部１０は、これらの各機能部をはじめとして燃料電池装置１全体を制御及び管理する。制御部１０は、記憶部２０に記憶されているプログラムを取得して、当該プログラムを実行する。これにより、制御部１０は、燃料電池装置１の各部に係る種々の機能を実現する。制御部１０から他の機能部に制御信号又は各種情報等を送信する場合、制御部１０と他の機能部とは、有線又は無線により通信接続されていればよい。制御部１０によって行われる、一実施形態に係る燃料電池装置１の特徴的な制御については、さらに後述する。一実施形態において、制御部１０は、燃料電池装置１に含まれる発電部４０の稼働時間（例えば、発電時間）を計測するなど、所定の時間を計測してもよい。

【0023】

記憶部２０は、例えば半導体メモリ又は磁気ディスク等により構成される。記憶部２０は、これらに限定されず、任意の記憶装置によって構成されてもよい。例えば、記憶部２０は、光ディスクのような光学記憶装置によって構成されてもよいし、又は光磁気ディスク等によって構成されてもよい。記憶部２０は、制御部１０から取得した情報を記憶する。記憶部２０は、制御部１０によって実行されるプログラム等を記憶する。その他、記憶部２０は、例えば制御部１０による演算結果などの各種データも記憶する。記憶部２０は、制御部１０が動作する際のワークメモリ等も含んでもよい。

【0024】

燃料電池装置１は、例えば、２つの第１補機群３０ａ及び第２補機群３０ｂを有する。以下、第１補機群３０ａと第２補機群３０ｂとを特に区別しない場合、単に、補機群３０のように総称する。第１補機群３０ａ及び第２補機群３０ｂには、外部から供給されるガス、水及び空気それぞれが、１つの供給源から２つの経路に分岐された状態で流入する。補機群３０は、流入するガス、水及び空気に対して流量の調整を行う。補機群３０は、ガス配管、改質水配管、空気配管及び改質ガスの分岐配管等の配管部、さらにガス流量計、空気流量計も含む。

【0025】

第１補機群３０ａは、一例としてガスポンプ３１ａ、改質水ポンプ３２ａ、空気ブロワ３３ａ、第１改質器３４ａ及び第１分岐配管３５ａを有する。同様に、第２補機群３０ｂは、一例としてガスポンプ３１ｂ、改質水ポンプ３２ｂ、空気ブロワ３３ｂ、第２改質器３４ｂ及び第２分岐配管３５ｂを有する。第１補機群３０ａ及び第２補機群３０ｂそれぞれに含まれる構成要素を特に区別しない場合、単に、ガスポンプ３１、改質水ポンプ３２、空気ブロワ３３、改質器３４及び分岐配管３５のように総称する。

【0026】

ガスポンプ３１は、燃料電池装置１内部のガスラインにおいて、例えば改質器３４の前段に配置される。ガスポンプ３１は、改質器３４に対してガスを供給する。ガスポンプ３１は、改質器３４にガスを送出できるものであれば、任意のものを採用することができる。このとき、ガスポンプ３１は、制御部１０からの制御信号に基づいて、改質器３４に供給するガスの量を制御してもよい。このように、ガスポンプ３１は、発電部４０が発電する際の電気化学反応に用いられるガスを供給する。燃料電池装置１は、内部のガスラインにおいてガスポンプ３１の前段で、ガスの脱硫処理を行ってもよいし、ガスを予備的に加熱してもよい。燃料電池装置１は、ガスを加熱する熱源として、排熱回収処理部３によって回収された排熱を利用してもよい。ガスは、例えば、都市ガス又はＬＰＧ等であるが、これらに限定されない。例えば、ガスは、燃料電池に応じて、天然ガス又は石炭ガス等であってもよい。

【0027】

改質水ポンプ３２は、燃料電池装置１内部の改質水ラインにおいて、例えば改質器３４の前段に配置される。改質水ポンプ３２は、改質器３４に対して水蒸気を供給する。改質水ポンプ３２は、改質器３４に水蒸気を送出できるものであれば、任意のものを採用することができる。このとき、改質水ポンプ３２は、制御部１０からの制御信号に基づいて、改質器３４に供給する水蒸気の量を制御してもよい。燃料電池装置１は、内部の改質水ラインにおいて改質水ポンプ３２の前段で、外部からの水に基づいて水蒸気を生成する。燃料電池装置１は、発電部４０の排気から回収された水を原料として水蒸気を生成してもよい。燃料電池装置１は、水蒸気を生成する熱源として、排熱回収処理部３によって回収された排熱を利用してもよい。

【0028】

空気ブロワ３３は、燃料電池装置１内部の空気ラインにおいて、例えば発電部４０の前に配置される。空気ブロワ３３は、発電部４０に対して空気を供給する。空気ブロワ３３は、発電部４０に空気を送出できるものであれば、任意のものを採用することができる。このとき、空気ブロワ３３は、制御部１０からの制御信号に基づいて、発電部４０に供給する空気の量を制御してもよい。このように、空気ブロワ３３は、発電部４０が発電する際の電気化学反応に用いられる空気を供給する。燃料電池装置１は、内部の空気ラインにおいて空気ブロワ３３の前段で、外部から取り込んだ空気を予備的に加熱する。燃料電池装置１は、空気を加熱する熱源として、排熱回収処理部３によって回収された排熱を利用してもよい。

【0029】

改質器３４は、ガスポンプ３１から供給されるガス及び改質水ポンプ３２から供給される水蒸気を用いて、水素を含む改質ガスを生成する。改質器３４は、生成された改質ガスを分岐配管３５を介して発電部４０に供給する。

【0030】

発電部４０は、４つの第１スタック４１ａ、第２スタック４１ｂ、第３スタック４１ｃ及び第４スタック４１ｄを有する。一例として、４つの第１スタック４１ａ、第２スタック４１ｂ、第３スタック４１ｃ及び第４スタック４１ｄは、共通の格納部に格納される。第１改質器３４ａは、流入側においてガスポンプ３１ａ及び改質水ポンプ３２ａと接続され、供給側において第１スタック４１ａ及び第２スタック４１ｂと接続されている。同様に、第２改質器３４ｂは、流入側においてガスポンプ３１ｂ及び改質水ポンプ３２ｂと接続され、供給側において第３スタック４１ｃ及び第４スタック４１ｄと接続されている。以下、第１スタック４１ａ、第２スタック４１ｂ、第３スタック４１ｃ及び第４スタック４１ｄを特に区別しない場合、単に、スタック４１のように総称する。

【0031】

スタック４１は、改質器３４で生成された改質ガスと、空気ブロワ３３から供給され発電部４０の内部に充満する空気に含まれる酸素と、を反応させることにより発電する。すなわち、燃料電池のスタック４１は、電気化学反応により発電する。当該電気化学反応に伴って、スタック４１は、発電部４０において発熱する。改質器３４は、水蒸気改質を行う改質器であるものとして説明したが、これに限定されない。改質器３４は、酸素を含む空気等を用いて水素を生成する部分酸化改質（Partial Oxidation（ＰＯＸ））を行う改質器等であってもよい。

【0032】

より具体的には、第１改質器３４ａでは、ガスポンプ３１ａ及び改質水ポンプ３２ａからガス及び水蒸気がそれぞれ流入する。第１改質器３４ａは、第１スタック４１ａ及び第２スタック４１ｂに対して、改質ガスを第１分岐配管３５ａにより２つのラインに分岐させて供給する。換言すると、第１分岐配管３５ａは、第１改質器３４ａに接続され、第１スタック４１ａ及び第２スタック４１ｂに改質ガスを供給する。このように、ガスポンプ３１ａからのガスは、第１改質器３４ａにおいて改質された後、第１スタック４１ａ及び第２スタック４１ｂに共通して供給される。同様に、ガスポンプ３１ｂからのガスは、第２改質器３４ｂにおいて改質された後、第２分岐配管３５ｂを介して第３スタック４１ｃ及び第４スタック４１ｄに共通して供給される。一方で、空気ブロワ３３からの空気は、第１スタック４１ａ、第２スタック４１ｂ、第３スタック４１ｃ及び第４スタック４１ｄを含む発電部４０全体に充満する。

【0033】

このように、第１補機群３０ａは、第１スタック４１ａ及び第２スタック４１ｂに対して共通に作用する。同様に、第２補機群３０ｂは、第３スタック４１ｃ及び第４スタック４１ｄに対して共通に作用する。これにより、燃料電池装置１は、１つのスタックに対して１つの補機群が作用する場合と比較して機器の数が減少するので、コスト削減に寄与できる。燃料電池装置１は、制御及び管理する補機群の数が減少するので、制御部１０における処理負荷の軽減にも寄与できる。したがって、制御部１０は、通常の制御において生じる処理負荷に対して十分な処理能力を有するので、何らかの緊急事象が生じた場合であっても任意の機能部に処理を割り当てて的確に対応することが可能である。燃料電池装置１は、分岐配管３５によって改質ガスを分岐させることで、対応する２つのスタック４１における改質ガスの流量を互いに容易に近づけることができる。したがって、燃料電池装置１は、後述の制御において、対応する２つのスタック４１からの出力電流の実測値を容易に近づけることができる。

【0034】

スタック４１は、一例としてＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）により構成される。しかしながら、これに限定されず、スタック４１は、例えば固体高分子形燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell（ＰＥＦＣ））、りん酸形燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell（ＰＡＦＣ））又は溶融炭酸塩形燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell（ＭＣＦＣ））等のような燃料電池で構成されてもよい。スタック４１は、１つ以上の燃料電池セルを含む。燃料電池装置１は、例えば単体で７００Ｗ程度の発電ができるスタック４１を４つ有している。この場合、発電部４０は、全体として３ｋＷ程度の電力を出力できる。しかしながら、これに限定されず、燃料電池装置１は、所望する発電部４０からの出力電力に合わせて、任意の電力を発電できる任意の数のスタック４１を有してもよい。スタック４１は、発電した直流電力をコンバータ部５０に出力する。

【0035】

コンバータ部５０は、４つの電流センサ５１ａ、５１ｂ、５１ｃ及び５１ｄと、４つの第１コンバータ５２ａ、第２コンバータ５２ｂ、第３コンバータ５２ｃ及び第４コンバータ５２ｄと、を有する。以下、４つの電流センサ５１ａ、５１ｂ、５１ｃ及び５１ｄを特に区別しない場合、単に、電流センサ５１のように総称する。同様に、以下、第１コンバータ５２ａ、第２コンバータ５２ｂ、第３コンバータ５２ｃ及び第４コンバータ５２ｄを特に区別しない場合、単に、コンバータ５２のように総称する。

【0036】

電流センサ５１ａは、第１スタック４１ａと第１コンバータ５２ａとの間に配置される。電流センサ５１ａは、第１スタック４１ａから出力される直流電流を計測する。電流センサ５１ａは、第１スタック４１ａからの出力電流を適切に計測できるのであれば、任意の素子によって構成されてもよい。同様の構成及び機能は、電流センサ５１ｂ、５１ｃ及び５１ｄにも適用される。電流センサ５１によって計測されたスタック４１からの出力電流の実測値は、制御部１０に出力される。制御部１０は、当該実測値に関するデータを必要に応じて記憶部２０に格納する。

【0037】

第１コンバータ５２ａは、第１スタック４１ａと電気的に接続され、第１スタック４１ａから出力された直流電力を受電する。第１コンバータ５２ａは、第１スタック４１ａから出力された直流電力を、電圧を変換した状態で、インバータ２へと供給する。すなわち、第１コンバータ５２ａは、一例として、ＤＣ／ＤＣコンバータであってもよい。以下では、特に、第１コンバータ５２ａは、昇圧コンバータであるものとして説明する。このように、第１コンバータ５２ａは、第１スタック４１ａからの出力電流が入力され、所定の出力電圧（中間リンク電圧）を出力する。第１コンバータ５２ａからの出力電圧は、例えばパルス幅変調方式（Pulse Width Modulation（ＰＷＭ））又は周波数可変変調方式（Variable Frequency Modulation（ＶＦＭ））等の任意の方式を用いて制御部１０により制御される。同様の構成及び機能は、第２コンバータ５２ｂ、第３コンバータ５２ｃ及び第４コンバータ５２ｄにも適用される。

【0038】

以下では、一実施形態に係る燃料電池装置１の動作を説明する。特に、制御部１０によって行われる第１コンバータ５２ａ及び第２コンバータ５２ｂの制御について主に説明する。以下の説明は、第３コンバータ５２ｃ及び第４コンバータ５２ｄの制御に対しても同様に適用されるものと理解されたい。

【0039】

制御部１０は、第１スタック４１ａからの出力電流の実測値が第２スタック４１ｂからの出力電流の実測値に近づくように、第１コンバータ５２ａ及び第２コンバータ５２ｂを制御する。より具体的には、制御部１０は、第１スタック４１ａ及び第２スタック４１ｂそれぞれの出力電流の目標値及び実測値を取得して、実測値が目標値に近づくように対応するコンバータ５２の出力電圧を制御する。例えば、制御部１０は、第１コンバータ５２ａ及び第２コンバータ５２ｂのデユーティー比を制御する。

【0040】

より具体的には、制御部１０は、第１スタック４１ａからの出力電流の第１目標値と、第２スタック４１ｂからの出力電流の第２目標値との差分が第１所定値以下となるように制御する。第１所定値とは、例えば、第１スタック４１ａからの出力電流の実測値が第２スタック４１ｂからの出力電流の実測値に近づくように定められる目標値の範囲を意味する。制御部１０は、第１スタック４１ａ及び第２スタック４１ｂからの出力電流の実測値が第１目標値及び第２目標値にそれぞれ近づくように、第１コンバータ５２ａ及び第２コンバータ５２ｂを制御する。例えば、制御部１０は、第１スタック４１ａからの出力電流の実測値と第２スタック４１ｂからの出力電流の実測値とが略同一になるように、第１コンバータ５２ａ及び第２コンバータ５２ｂを制御する。

【0041】

出力電流の目標値は、例えば燃料電池装置１の設置作業者によって予め定められてもよいし、ユーザによって適宜定められてもよいし、又はその他の任意のタイミングで任意の方法により定められてもよい。出力電流の目標値は、第１スタック４１ａと第２スタック４１ｂとの間で略同一の値に設定されるとよい。制御部１０は、取得した出力電流の目標値に関するデータを必要に応じて記憶部２０に格納する。

【0042】

制御部１０は、上述したとおり、電流センサ５１によって計測された出力電流の実測値を取得する。制御部１０は、予め設定された一定の周期で定期的に出力電流の実測値を取得してもよいし、又はその他の任意のタイミングで出力電流の実測値を取得してもよい。

【0043】

制御部１０は、第１スタック４１ａ及び第２スタック４１ｂそれぞれの出力電流の目標値及び実測値が互いに略同一であるか否かを判定する。制御部１０は、目標値と実測値とが異なる場合、対応するコンバータ５２の出力電圧を制御する。

【0044】

より具体的には、制御部１０は、実測値が目標値よりも小さい場合、対応するコンバータ５２からの出力電圧を低下させることで、対応するスタック４１からの出力電流を増加させる。例えば、制御部１０は、ＰＷＭ方式において、パルス周期Ｔ_Ｐに対するパルス幅ｔ_Ｐの比（ｔ_Ｐ／Ｔ_Ｐ）、すなわちデユーティー比を小さくすることで、対応するコンバータ５２からの出力電圧を低下させる。

【0045】

一方で、制御部１０は、実測値が目標値よりも大きい場合、対応するコンバータ５２からの出力電圧を増加させることで、対応するスタック４１からの出力電流を低下させる。例えば、制御部１０は、ＰＷＭ方式において、上記のｔ_Ｐ／Ｔ_Ｐを大きくすることで、対応するコンバータ５２からの出力電圧を増加させる。

【0046】

制御部１０は、目標値と実測値との差分が第２所定値を超えた場合、異常であると判定してもよい。第２所定値とは、例えば、スタック４１に供給される発電用のガスの量とスタック４１からの出力電流の値とが適切に対応している範囲内の値を意味する。すなわち、仮に実測値が目標値に比べて非常に小さい場合、スタック４１において発電に用いられなかった余剰ガスが大量に発生する恐れがある。これにより、余剰ガスによる発熱が原因となってスタック４１が劣化する恐れもある。逆に、実測値が目標値に比べて非常に大きい場合、スタック４１において発電用のガスが不足する恐れがある。これにより、スタック４１における発電が停止する恐れもある。第２所定値とは、このような事態が生じないような目標値と実測値との差分を意味する。例えば、第２所定値は、第１所定値よりも大きい。一例として、制御部１０は、目標値と実測値との差分が一定の閾値を超えた場合、異常であると判定してもよい。

【0047】

制御部１０は、目標値と実測値との差分が第２所定値を超えて異常であると判定した場合、視覚的方法若しくは聴覚的方法又はこれらの組み合わせ等を含む任意の方法によって、スタック４１の出力状態を報知してもよい。

【0048】

制御部１０は、スタック４１からの出力電流の目標値に基づいて補機群３０の動作を制御してもよい。例えば、制御部１０は、第１スタック４１ａ及び第２スタック４１ｂの共通する出力電流の第１目標値及び第２目標値に基づいて、第１補機群３０ａを制御してもよい。より具体的には、制御部１０は、第１スタック４１ａ及び第２スタック４１ｂからの出力電流の実測値が共通の第１目標値及び第２目標値にある程度近似するように、第１補機群３０ａを制御して外部から流入するガス、水及び空気の流量を調整してもよい。例えば、制御部１０は、第３スタック４１ｃ及び第４スタック４１ｄの共通する出力電流の第３目標値及び第４目標値に基づいて、第２補機群３０ｂを同様に制御してもよい。

【0049】

図３は、一実施形態に係る燃料電池装置１の動作を示すフローチャートである。

【0050】

制御部１０は、スタック４１からの出力電流の目標値を取得する（ステップＳ１０１）。このとき、制御部１０は、例えば第１スタック４１ａからの出力電流の第１目標値と、第２スタック４１ｂからの出力電流の第２目標値との差分が第１所定値以下となるように制御する。

【0051】

制御部１０は、電流センサ５１によってスタック４１からの出力電流の実測値を取得する（ステップＳ１０２）。

【0052】

制御部１０は、取得した出力電流の目標値と実測値とが互いに略同一であるか否かを判定する（ステップＳ１０３）。制御部１０は、略同一であると判定した場合、フローを終了する。制御部１０は、略同一でないと判定した場合、ステップＳ１０４に進む。

【0053】

ステップＳ１０４以降において、制御部１０は、スタック４１からの出力電流の実測値が目標値に近づくように、コンバータ５２を制御する。

【0054】

制御部１０は、目標値と実測値とが互いに略同一でないと判定した場合、それらの差分が第２所定値を超えたか否かを判定する（ステップＳ１０４）。制御部１０は、超えたと判定した場合、ステップＳ１０５に進む。制御部１０は、超えていないと判定した場合、ステップＳ１０６に進む。

【0055】

制御部１０は、目標値と実測値との差分が第２所定値を超えたと判定した場合、異常であると判定し任意の方法によりスタック４１の出力状態を報知する（ステップＳ１０５）。

【0056】

制御部１０は、目標値と実測値との差分が第２所定値を超えていないと判定した場合、実測値が目標値よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ１０６）。制御部１０は、実測値が目標値よりも小さいと判定した場合、ステップＳ１０７に進む。制御部１０は、実測値が目標値よりも大きいと判定した場合、ステップＳ１０８に進む。

【0057】

制御部１０は、実測値が目標値よりも小さいと判定した場合、対応するコンバータ５２からの出力電圧を低下させることで、対応するスタック４１からの出力電流を増加させる（ステップＳ１０７）。その後、制御部１０は、再度ステップＳ１０２に戻る。

【0058】

制御部１０は、実測値が目標値よりも大きいと判定した場合、対応するコンバータ５２からの出力電圧を増加させることで、対応するスタック４１からの出力電流を低下させる（ステップＳ１０８）。その後、制御部１０は、再度ステップＳ１０２に戻る。

【0059】

以上のような一実施形態に係る燃料電池装置１は、第１スタック４１ａ及び第２スタック４１ｂそれぞれの出力電流の値が略同一となるように第１コンバータ５２ａ及び第２コンバータ５２ｂを制御する。燃料電池装置１は、出力電流の値が略同一であるので、補機群３０を共通化しても第１スタック４１ａ及び第２スタック４１ｂの運転を安定化し得る。例えば、スタック４１からの出力電流の目標値として１０Ａが設定されている場合において、燃料電池装置１が、第１スタック４１ａから８Ａの電流を出力させ、第２スタック４１ｂから１２Ａの電流を出力させることを考える。この場合、第１スタック４１ａにおいては、発電に用いられなかった余剰ガスが大量に発生する恐れがある。これにより、余剰ガスによる発熱が原因となって第１スタック４１ａが劣化する恐れもある。逆に、第２スタック４１ｂに関しては、第２スタック４１ｂにおいて発電用のガスが不足する恐れがある。これにより、第２スタック４１ｂにおける発電が停止する恐れもある。一実施形態に係る燃料電池装置１は、２つのスタック４１からの出力電流の値を互いに略同一とすることで、このような事態を避けることができる。すなわち、燃料電池装置１は、２つのスタック４１からの出力電流の値に応じた適切な量のガスをそれぞれのスタック４１に供給でき、ガスを効率的に発電に利用できる。このように、一実施形態に係る燃料電池装置１によれば、発電効率を向上できる。燃料電池装置１は、第１スタック４１ａ及び第２スタック４１ｂ間で第１補機群３０ａを共通して用いることで製造コストの低減に寄与しながら、上述のとおり発電効率を向上できる。

【0060】

燃料電池装置１は、スタック４１からの出力電流の目標値及び実測値を取得して、実測値が目標値に近づくように対応するコンバータ５２の出力電圧を制御することで、より精度の高い制御を可能とする。すなわち、燃料電池装置１は、２つのスタック４１からの出力電流の値をより精度良く略同一に合わせることができる。これにより、燃料電池装置１は、スタック４１の劣化を抑制し、安定的な運転を継続できる。燃料電池装置１は、目標値を適宜定めることで、使用環境に合わせた最適な発電を可能とする。これにより、燃料電池装置１は、より長期にわたって安定した運転を可能とし、製品としての信頼性を向上できる。

【0061】

燃料電池装置１は、目標値と実測値との差分が第２所定値を超えた場合に異常であると判定することで、スタック４１の出力状態をユーザ等に対して報知できる。換言すると、燃料電池装置１は、スタック４１の出力状態の異常をユーザに対して認知させることができる。

【0062】

燃料電池装置１は、コンバータ部５０の制御に加えて、補機群３０の動作を制御することで、２つのスタック４１からの出力電流の値をより精度良く略同一に合わせることができる。例えば、燃料電池装置１は、補機群３０の制御によってスタック４１におけるガスの流量を調整し、出力電流の実測値を目標値におおまかに合わせることができる。燃料電池装置１は、コンバータ部５０の制御によってスタック４１からの出力電流の実測値を目標値に正確に合わせることができる。このように、燃料電池装置１は、スタック４１からの出力電流に対して、例えば、補機群３０によりおよその調整を行い、コンバータ部５０により精度のより高い調整を行うことも可能である。

【0063】

燃料電池装置１は、補機群３０がガスポンプ３１、改質水ポンプ３２及び空気ブロワ３３を含むことで、外部から流入するガス、水及び空気に対して流量の調整を容易に行うことができる。これにより、燃料電池装置１は、スタック４１に対して適切な量のガスを供給できる。したがって、燃料電池装置１は、発電効率を向上できる。

【0064】

燃料電池装置１は、１つの補機群３０と２つのスタック４１との構成を２組有することで、発電効率を維持した状態で、大きな発電量の電力を供給できる。すなわち、燃料電池装置１は、対となる２つのスタック４１の間で出力電流の値を略同一に合わせることで、各スタック４１の劣化の抑制及び安定的な運転の継続を可能としながら、発電量を向上できる。

【0065】

燃料電池装置１は、４つの第１スタック４１ａ、第２スタック４１ｂ、第３スタック４１ｃ及び第４スタック４１ｄを共通の格納部に格納することで、各スタック４１において発電に必要な温度を適切に維持できる。これにより、燃料電池装置１は、製品としての信頼性を向上できる。

【0066】

本開示を諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形又は修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形又は修正は、本開示の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各手段又は各ステップ等に含まれる機能等は、論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段又はステップ等を１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

【0067】

例えば、一実施形態に係る発電部４０及びスタック４１は、上述のような構成に限定されるものではなく、種々の構成を採用することができる。燃料電池装置１は、ガスを利用して発電を行うスタック４１を少なくとも２つ有していればよい。スタック４１は、単体の燃料電池セルによって構成されてもよい。

【符号の説明】

【0068】

１ 燃料電池装置
２ インバータ
３ 排熱回収処理部
４ 循環水処理部
１０ 制御部
２０ 記憶部
３０ 補機群
３０ａ 第１補機群
３０ｂ 第２補機群
３１、３１ａ、３１ｂ ガスポンプ
３２、３２ａ、３２ｂ 改質水ポンプ
３３、３３ａ、３３ｂ 空気ブロワ
３４ 改質器
３４ａ 第１改質器
３４ｂ 第２改質器
３５ａ 第１分岐配管
３５ｂ 第２分岐配管
４０ 発電部
４１ スタック
４１ａ 第１スタック
４１ｂ 第２スタック
４１ｃ 第３スタック
４１ｄ 第４スタック
５０ コンバータ部
５１、５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ 電流センサ
５２ コンバータ
５２ａ 第１コンバータ
５２ｂ 第２コンバータ
５２ｃ 第３コンバータ
５２ｄ 第４コンバータ
Ｇ 商用電源
Ｌ 負荷
Ｓ 発電システム
Ｔ 貯湯タンク

【図1】

【図2】

【図3】