特開 2022-155268 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022155268

(43)【公開日】2022-10-13

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04858 20160101AFI20221005BHJP

   H01M 8/249 20160101ALI20221005BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20221005BHJP

   H01M 8/043 20160101ALI20221005BHJP

   H01M 8/04701 20160101ALI20221005BHJP

   H01M 8/0432 20160101ALI20221005BHJP

   H01M 8/04537 20160101ALI20221005BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20221005BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20221005BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04858

H01M8/249

H01M8/04746

H01M8/043

H01M8/04701

H01M8/0432

H01M8/04537

H01M8/10 101

H01M8/12 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021058686

(22)【出願日】2021-03-30

(71)【出願人】

【識別番号】000000284

【氏名又は名称】大阪瓦斯株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001818

【氏名又は名称】特許業務法人Ｒ＆Ｃ

(72)【発明者】

【氏名】宅和 雄也

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126BB06

5H127AA06

5H127AA07

5H127AB08

5H127AB11

5H127AB23

5H127AC02

5H127BA02

5H127BA05

5H127BA13

5H127BA34

5H127BA37

5H127BA57

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB19

5H127BB37

5H127DB47

5H127DB66

5H127DC02

5H127DC12

5H127DC42

5H127DC46

5H127DC83

5H127DC89

5H127EE03

5H127EE29

5H127GG04

5H127GG09

(57)【要約】

【課題】出力要請に迅速且つ確実に応答することが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池１と運転制御部Ｃと管理装置Ｇとを備える燃料電池システムにおいて、燃料電池１は、運転により発生した直流電力を電力変換部１２により交流電力に変換して電力負荷部３に供給可能で、且つ、運転により発生した直流電力を電力変換部１２により交流電力に変換して電力系統１５に供給可能な状態及び電力系統１５から電力負荷部３に電力供給可能な状態で電力系統１５と連系されており、運転制御部Ｃは、施設１００の受電点電力を上下させるために管理装置Ｇから出力制御指令が見込まれる日時より前に、受電点電力を維持した状態で、燃料ガス量、空気量及び水量の少なくとも１つを増減させる予備運転を実行する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の施設の夫々に設置されて電力を出力可能な燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガス量、空気量及び水量を制御する運転制御部と、複数の前記燃料電池との間で前記施設の外部から通信可能な管理装置と、を備える燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、運転により発生した直流電力を電力変換部により交流電力に変換して電力負荷部に供給可能で、且つ、運転により発生した直流電力を前記電力変換部により交流電力に変換して電力系統に供給可能な状態及び前記電力系統から前記電力負荷部に電力供給可能な状態で前記電力系統と連系されており、
前記管理装置は、前記運転制御部に対して、前記燃料電池の出力電力を定める出力制御指令を送信可能に構成されており、
前記運転制御部は、前記施設の受電点電力を上下させるために前記管理装置から前記出力制御指令が見込まれる日時より前に、前記受電点電力を維持した状態で、前記燃料ガス量、前記空気量及び前記水量の少なくとも１つを増減させる予備運転を実行する燃料電池システム。

【請求項2】

前記運転制御部は、前記受電点電力を下げるために前記管理装置から受電点電力下げ指令が見込まれる日時より前に、前記燃料ガス量、前記空気量及び前記水量の少なくとも１つを増大させる前記予備運転を実行し、当該予備運転において、前記電力変換部の変換効率を低下させる請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記運転制御部は、前記予備運転において、前記燃料電池の運転温度が所定の範囲となるように、前記燃料ガス量、前記空気量及び前記水量の少なくとも１つを調整する請求項１又は２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記運転制御部は、前記燃料電池の現在の電力値と前記出力制御指令における目標電力値との差が所定の電力値以上である場合に、前記予備運転を実行する請求項１から３の何れか一項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、電力系統に連系された燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、商用系統（電力系統）に連系された燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

特許文献１に記載の燃料電池システムは、燃料電池によって発電された電力の電圧をＤＣ／ＤＣコンバータにより昇圧した後、インバータにより交流に変換し、変換した電力を家庭内負荷に通電する。また、家庭内負荷の消費電力を上回った余剰電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ内に設けられた駆動回路から、湯水を貯留する貯留槽内のヒータに通電する。これにより、逆潮流を防止して、停電作業の妨げとなることを防止するものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００７－２６７５０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

近年、各施設に設けられた燃料電池等の需要側リソースを束ねて需要等を増減し、供給力等を提供するバーチャルパワープラント（ＶＰＰ、仮想発電所）が普及しつつある。このＶＰＰでは、例えば、アグリゲーションコーディネーターからの供出指令に基づいて、燃料電池等のリソース制御を行うリソースアグリゲータが各施設の受電点電力を上げ下げして調整力を供出する。例えば、リソースアグリゲータから各施設に受電点電力下げ指令を出すことにより、電力系統に電力を供給することができる。

【0006】

特許文献１に記載の燃料電池システムでは、ヒータに余剰電力を消費させることにより、逆潮流による意図しない需給バランスの崩れを防止することができるものの、受電点電力下げ指令があったときに燃料電池の出力を即座に上昇させる必要がある。一方、燃料電池は、燃料ガス量、空気量及び水量を調整して電力量を制御する関係上で、出力変動速度に限界があり、出力要請に応えることができないおそれがあった。

【0007】

そこで、出力要請に迅速且つ確実に応答することが可能な燃料電池システムが望まれている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る燃料電池システムの特徴構成は、複数の施設の夫々に設置されて電力を出力可能な燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガス量、空気量及び水量を制御する運転制御部と、複数の前記燃料電池との間で前記施設の外部から通信可能な管理装置と、を備える燃料電池システムにおいて、前記燃料電池は、運転により発生した直流電力を電力変換部により交流電力に変換して電力負荷部に供給可能で、且つ、運転により発生した直流電力を前記電力変換部により交流電力に変換して電力系統に供給可能な状態及び前記電力系統から前記電力負荷部に電力供給可能な状態で前記電力系統と連系されており、前記管理装置は、前記運転制御部に対して、前記燃料電池の出力電力を定める出力制御指令を送信可能に構成されており、前記運転制御部は、前記施設の受電点電力を上下させるために前記管理装置から前記出力制御指令が見込まれる日時より前に、前記受電点電力を維持した状態で、前記燃料ガス量、前記空気量及び前記水量の少なくとも１つを増減させる予備運転を実行する点にある。

【0009】

本構成では、施設の受電点電力を上下させるために管理装置から出力制御指令が見込まれる日時より前に、受電点電力を維持した状態で、燃料ガス量、空気量及び水量の少なくとも１つを増減させる予備運転を実行する。つまり、受電点電力を変化させること無く、管理装置から燃料電池への出力増減要請（受電点電力の上下指令）に備えた予備運転を実行する。

【0010】

例えば、出力増要請（受電点電力の下げ指令）が見込まれる日時が予め分かっており、燃料ガス量が負荷追従運転に従った所定量で空気量や水量が余分に供給されている場合、出力増要請日時より前に燃料ガス量を増大させることにより、電力系統に供出すべき必要電力量を仮想的に確保する。その結果、出力要請に迅速且つ確実に応答することができる。

【0011】

他の特徴構成は、前記運転制御部は、前記受電点電力を下げるために前記管理装置から受電点電力下げ指令が見込まれる日時より前に、前記燃料ガス量、前記空気量及び前記水量の少なくとも１つを増大させる前記予備運転を実行し、当該予備運転において、前記電力変換部の変換効率を低下させる点にある。

【0012】

本構成のように、出力増要請に対応した予備運転において、燃料電池からの電力を直流から交流に変換する変換効率を低下させることにより、仮想的に余剰電力を消費する状態を作り出せば、受電点電力下げ指令があったときに変換効率を元に戻すだけで良いので、迅速な応答性を確保できる。

【0013】

他の特徴構成は、前記運転制御部は、前記予備運転において、前記燃料電池の運転温度が所定の範囲となるように、前記燃料ガス量、前記空気量及び前記水量の少なくとも１つを調整する点にある。

【0014】

燃料電池は、運転温度に対応した出力電力となっているため、本構成のように燃料電池の運転温度により予備運転制御をすれば、簡便な制御形態により電力系統に供出すべき必要電力量を仮想的に確保することができる。

【0015】

他の特徴構成は、前記運転制御部は、前記燃料電池の現在の電力値と前記出力制御指令における目標電力値との差が所定の電力値以上である場合に、前記予備運転を実行する点にある。

【0016】

本構成のように、現在の電力値と目標電力値との差が所定の電力値以上である場合に予備運転を実行すれば、燃料電池の出力変動速度に対応した効率的な制御となる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】施設、管理装置及びアグリゲーションコーディネーターの関係を示した図である。

【図2】燃料電池システムの構成例を示す図である。

【図3】燃料電池装置の全体構成図である。

【図4】本実施形態に係る燃料電池の予備制御例である。

【図5】別実施形態に係る燃料電池の予備制御例である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下に、本発明に係る燃料電池システムの実施形態について、図面に基づいて説明する。本実施形態では、燃料電池システムの一例として、需給調整市場，卸電力市場，容量市場等に用いられる燃料電池システムについて説明する。ただし、以下の実施形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。

【0019】

［全体概要］
図１は、燃料電池装置Ｘ及び電力負荷部３が設けられる施設１００と、管理装置Ｇと、アグリゲーションコーディネーターＺとの関係を示した図である。図２は、施設１００の構成例を示す図である。燃料電池システムは、複数の施設１００の夫々に設置されて電力を出力可能な燃料電池装置Ｘと、複数の燃料電池装置Ｘとの間で施設１００の外部の遠隔地から通信を行うことができる管理装置Ｇとを備える。なお、図１に記載した管理装置Ｇの数及び施設１００の数は適宜変更可能である。

【0020】

管理装置Ｇは、リソースアグリゲータ等とも呼ばれ、バーチャルパワープラント（ＶＰＰ、仮想発電所）サービス契約を締結した施設１００に対して需要家側エネルギーリソースとしての燃料電池装置Ｘ及び電力負荷部３への制御情報を伝達することで、その需要家側エネルギーリソースの制御を行う事業者である。アグリゲーションコーディネーターＺは、各管理装置Ｇが制御する電力量を束ね、電気の取引市場（需給調整市場、卸電力市場、容量市場等）において一般送配電事業者や小売電気事業者と電力取引を行う事業者である。

【0021】

図１～図２に示すように、管理装置Ｇは、複数の施設１００から、燃料電池装置Ｘの出力電力、電力負荷部３の負荷電力、施設１００での電力メーターＭの受電点電力などの電力情報を逐次収集して記憶している。なお、本実施形態で「電力負荷部３の負荷電力」と記載する場合、施設１００に設けられている全ての電力負荷部３の合計の負荷電力のことを意味する。そして、管理装置Ｇは、将来の所定の時間帯に各施設１００から供出可能な電力を予測し、アグリゲーションコーディネーターＺに伝達する。この供出可能電力は、施設１００の受電点電力を上げる能力又は下げる能力といった調整余力である。なお、本実施形態において、「受電点電力を上げる」と言う場合、電力系統１５から電力線ＰＬへの受電電力（順潮流電力）を増加させる、又は、電力線ＰＬから電力系統１５への逆潮流電力を減少させることを意味し、「受電点電力を下げる」と言う場合、電力系統１５から電力線ＰＬへの受電電力（順潮流電力）を減少させる、又は、電力線ＰＬから電力系統１５への逆潮流電力を増加させることを意味する。

【0022】

例えば、施設１００の受電点電力を上げるためには、燃料電池装置Ｘの出力電力を下げること、及び、電力負荷部３の負荷電力を上げることの少なくとも一方を行えばよいため、施設１００の受電点電力を上げる場合の上げ側調整余力は、燃料電池装置Ｘの出力電力を下げる余力がどの程度あるかを示し、電力負荷部３の負荷電力を上げる余力がどの程度あるかを示す。また、施設１００の受電点電力を下げるためには、燃料電池装置Ｘの出力電力を上げること、及び、電力負荷部３の負荷電力を下げることの少なくとも一方を行えばよいため、施設１００の受電点電力を下げる場合の下げ側調整余力は、燃料電池装置Ｘの出力電力を上げる余力がどの程度あるかを示し、電力負荷部３の負荷電力を下げる余力がどの程度あるかを示す。

【0023】

また、管理装置Ｇは、自身が管理する複数の施設１００におけるベースライン受電点電力を決定する。このベースライン受電点電力は、各施設１００から調整力等（即ち、送配電事業者に提供する調整力及び小売事業者等に提供する供給力等を含む）を供出させない場合に予測される、各施設１００の受電点電力の合計に相当する。

【0024】

アグリゲーションコーディネーターＺは、各管理装置Ｇから受け取った供出可能電力を集計し、需給調整市場，卸電力市場，容量市場等の取引市場への入札を行うなどして、一般送配電事業者や小売電気事業者と取引を行う。そして、アグリゲーションコーディネーターＺは、取引を行った一般送配電事業者や小売電気事業者から、将来の所定の制御対象期間での調整力等の供出指令を受け取った場合、その供出指令で指定された調整力等を各管理装置Ｇに対して分配して伝達する。

【0025】

管理装置Ｇは、アグリゲーションコーディネーターＺから供出指令を受け取った場合、その供出指令で指定された調整力等を各施設１００に対して分配して伝達する。その結果、各施設１００では、将来の所定の制御対象期間において需要家側エネルギーリソースとしての燃料電池装置Ｘ及び電力負荷部３の制御が行われることで、その制御が行われなかった場合と比較して、施設１００の受電点電力が増減するという調整力等の供出が行われる。

【0026】

施設１００には、燃料電池装置Ｘと、電力負荷部３とが設けられている。燃料電池装置Ｘ及び電力負荷部３は、電力系統１５に連系される電力線ＰＬに接続される。電力線ＰＬには、施設１００の受電電力を測定する電力メーターＭが設置されている。なお、図１及び図２には、燃料電池装置Ｘが各施設１００に１台設置されている例を示しているが、燃料電池装置Ｘの設置台数は適宜変更可能である。

【0027】

電力メーターＭで測定された受電点電力に関する情報は、ゲートウェイＧＷ及びルーターＲＴを介して管理装置Ｇに伝達される。例えば、受電点電力に関する情報は、１０秒毎などの所定のタイミングで管理装置Ｇに伝達される。

【0028】

電力負荷部３は、例えば照明装置、空調装置などの様々な装置であり、施設１００に設置される燃料電池装置Ｘ及び電力系統１５の少なくとも一方から電力供給を受けることができる。

【0029】

燃料電池装置Ｘは、電力系統１５に連系される固体酸化物形燃料電池１を備える。また、固体酸化物形燃料電池１の発電電力は、電力変換部１２にて所定の電圧、周波数、位相に変換して電力線ＰＬに供給される。燃料電池装置Ｘ及び電力変換部１２の動作は、運転制御部Ｃにより制御される。

【0030】

運転制御部Ｃは、所定の上限出力電力と下限出力電力との間で、燃料電池装置Ｘから電力線ＰＬへの出力電力を調節できる。例えば、運転制御部Ｃは、燃料電池装置Ｘの出力電力を上限出力電力に維持して連続運転（定格出力運転）させることができる。また、運転制御部Ｃは、燃料電池装置Ｘの出力電力を、電力負荷部３の負荷電力に追従させる運転（負荷追従運転）を行わせることもできる。例えば、運転制御部Ｃは、電力系統１５から供給される電力がゼロ又はゼロに近い値になるように燃料電池装置Ｘの出力電力を調節することで、電力負荷部３の負荷電力に追従させる運転を行わせることができる。

【0031】

運転制御部Ｃは、電力変換部１２から電力線ＰＬに供給する出力電力についての情報及び電力メーターＭでの測定電力についての情報を有しているため、電力負荷部３の負荷電力（＝出力電力＋測定電力）を導出できる。なお、電力メーターＭでの測定電力の符号がプラス（順潮流）の場合は負荷電力が燃料電池装置Ｘの出力電力よりも大きい状態であることを意味し、電力メーターＭでの測定電力の符号がマイナス（逆潮流）の場合は燃料電池装置Ｘの出力電力が負荷電力よりも大きい状態であることを意味する。

【0032】

燃料電池装置Ｘは、施設１００の利用者が燃料電池装置Ｘに対する指令を出す場合に操作するリモコンＲＭと接続されている。そして、燃料電池装置Ｘが有する出力電力についての情報及び負荷電力についての情報などは、リモコンＲＭ及びルーターＲＴを介して管理装置Ｇに伝達される。例えば、燃料電池装置Ｘが有する出力電力についての情報及び負荷電力についての情報などは、１分毎などの所定のタイミングで管理装置Ｇに伝達される。

【0033】

上述したように、管理装置Ｇは、複数の燃料電池装置Ｘに対して、燃料電池装置Ｘの出力電力を定める出力制御指令を送信できる。そして、燃料電池装置Ｘは、管理装置Ｇから出力制御指令を受け取った場合、出力制御指令の対象となる制御対象期間の間、出力制御指令に基づいて定まる出力電力の供給を目標とする第１運転モードで動作し、制御対象期間から外れる非制御対象期間の間、第１運転モードとは別の第２運転モードで動作する。

【0034】

第１運転モードは、需給調整市場，卸電力市場又は容量市場において出力制御指令（需給調整市場の出力増減要請や容量市場の発動指令等）が見込まれる日（受電点電力下げ指令日又は受電点電力上げ指令日）において、複数の燃料電池装置Ｘの出力電力を調整する運転モードである。この第１運転モードにおいて、施設１００の受電点電力を下げることが要請される日時を「受電点電力下げ指令日時」と称し、施設１００の受電点電力を上げることが要請される日時を「受電点電力上げ指令日時」と称する。

【0035】

第２運転モードは、複数の燃料電池装置Ｘにおいて予め設定されている運転モードである。或いは、管理装置Ｇは、複数の燃料電池装置Ｘに対して、第２運転モードを定める運転モード制御指令を送信でき、燃料電池装置Ｘは、管理装置Ｇから受け取った運転モード制御指令に従って第２運転モードを決定する。例えば、第２運転モードは、燃料電池装置Ｘの出力電力を上限出力電力で維持する運転（定格出力運転）、燃料電池装置Ｘの出力電力を電力負荷部３の負荷電力に追従させる運転（負荷追従運転）などである。

【0036】

［燃料電池システムの構成］
図３は、燃料電池装置Ｘの構成を示す図である。燃料電池システムは、上述した管理装置Ｇと、燃料電池装置Ｘと、電力変換部１２と、燃料電池装置Ｘ及び電力変換部１２の作動を制御する運転制御部Ｃとを備える。運転制御部Ｃは、情報処理機能，情報記憶機能及び情報通信機能等を有するハードウェア及びソフトウェアで構成されており、各施設１００に設けられているが、一部又は全部が管理装置Ｇに設けられていても良い。

【0037】

燃料電池装置Ｘは、運転により発生した直流電力を電力変換部１２により交流電力に変換して電力負荷部３に供給すると共に運転により発生した熱を熱負荷部４に供給する固体酸化物形燃料電池１（燃料電池の一例）と、燃料電池装置Ｘの雰囲気温度を計測する雰囲気温度センサＴ１とを備える。電力負荷部３は、固体酸化物形燃料電池１から供給される電力に加えて、電力系統１５から供給される電力も消費することが可能である。つまり、固体酸化物形燃料電池１は、運転により発生した直流電力を電力変換部１２により交流電力に変換して電力負荷部３に供給可能で、且つ、電力系統１５から電力負荷部３に電力供給可能な状態及び運転により発生した直流電力を電力変換部１２により交流電力に変換して電力系統１５に供給可能な状態で電力系統１５と連系されている。

【0038】

熱負荷部４は、固体酸化物形燃料電池１から発生する熱に加えて、原燃料を燃焼して熱を発生する補助熱源装置１１から供給される熱を消費することもできる。

【0039】

固体酸化物形燃料電池１は、供給される改質用水を蒸発させる気化器１ｂと、原燃料（炭化水素を含むガス、例えば都市ガス１３Ａ）を水蒸気改質して燃料ガス（水素を含むガス）を生成する改質器１ａと、改質器１ａで生成された燃料ガスを用いて発電する複数の燃料電池セルＳを有するセルスタックと、セルスタックからのオフガスを燃焼する燃焼部１ｃと、を容器１Ａの内部に備える。この容器１Ａは、断熱性を有する材料を用いて構成されていることが好ましい。セルスタックは電力変換部１２に電気的に接続される。

【0040】

セルスタックは、改質器１ａで生成された燃料ガスが通流する燃料通流部（図示せず）を有するアノード５０と、酸素（空気）が通流する空気通流部（図示せず）を有するカソード６０とを備えた燃料電池セルＳを、複数個電気的に直列接続した状態で備えている。図示は省略するが、燃料電池セルＳは、アノード５０とカソード６０との間に固体電解質層を備えた固体酸化物形に構成される。アノード５０に燃料ガスが供給され、カソード６０に酸素が供給される。

【0041】

セルスタックの下部には、改質器１ａから燃料ガス流路Ｌ４を通して供給される燃料ガスを受け入れるガスマニホールド１ｅが設けられる。このガスマニホールド１ｅに供給された燃料ガスが複数の燃料電池セルＳの下端から上方側に通流して発電反応に供される。発電反応に供されたのちの排出燃料ガスは、上端の燃料ガス排出口５０ａから排出される。

【0042】

固体酸化物形燃料電池１には、空気供給流路Ｌ５が接続された空気導入部７０が設けられており、この空気供給流路Ｌ５の途中には、エアフィルタ２１とエアブロア２２とエア流量計２３とが設けられる。エアブロア２２の作動により、空気が空気供給流路Ｌ５を通して容器１Ａ内に供給される。エアフィルタ２１は、エアブロア２２によって空気供給流路Ｌ５に吸い込まれた空気中の塵などの異物を捕らえる。エア流量計２３は、容器１Ａ内に供給される空気の単位時間当たりの流量を測定する。複数の燃料電池セルＳの夫々には容器１Ａ内の空気が下方側から上方側に通流して発電反応に供される。発電反応に供されたのちの排空気は、上端の空気排出口６０ａから排出される。エア流量計２３の測定結果は運転制御部Ｃに伝達され、エアブロア２２の動作は運転制御部Ｃが制御する。

【0043】

セルスタックの上方には、燃料ガス排出口５０ａから排出される発電反応に用いられなかった水素を含む排出燃料ガスと、空気排出口６０ａから排出される排空気と、を燃焼させる燃焼空間が形成される。これら排出燃料ガスと排空気とが、セルスタックからのオフガスとなる。この燃焼空間には点火器１ｄも設けられる。つまり、セルスタックの上方の燃焼空間によって、セルスタックからのオフガスを燃焼する燃焼部１ｃが実現される。加えて、一体で構成された気化器１ｂと改質器１ａとが、燃焼部１ｃとして機能するセルスタックの上方の燃焼空間に隣接して設けられている。点火器１ｄの動作は運転制御部Ｃが制御する。燃焼温度センサＴ３は燃焼部１ｃの温度を測定し、その測定結果は運転制御部Ｃに伝達される。そして、燃焼部１ｃでの燃焼が適正に行われているか否かの判定などに用いられる。

【0044】

容器１Ａには、燃焼部１ｃにて発生した燃焼排ガスを、熱交換器Ｅを経由させて外部に排出するための排気部８０が下部に形成されている。そして、容器１Ａ内には、排気部８０から外部に排出される燃焼排ガス中の一酸化炭素ガス等を除去する燃焼触媒部９０（例えば、白金系触媒）が設けられている。雰囲気温度センサＴ１は容器１Ａ内部の温度、例えば、セルスタックの側方の温度を測定し、その測定結果は運転制御部Ｃに伝達される。

【0045】

気化器１ｂは、供給される改質用水を、燃焼部１ｃから伝えられる燃焼熱を用いて加熱して蒸発させる。改質用水タンク２４に貯えられている改質用水は、改質用水タンク２４に連結される改質用水流路Ｌ２を介して気化器１ｂに供給される。具体的には、改質用水ポンプＰが動作することで改質用水タンク２４に貯えられている改質用水が改質用水流路Ｌ２を通流して気化器１ｂの内部に流入する。改質用水ポンプＰの動作は運転制御部Ｃが制御する。このように、改質用水ポンプＰは、改質器１ａに供給する改質用水の単位時間当たりの流量を調節する水流量調節部として機能する。

【0046】

気化器１ｂには原燃料流路Ｌ１を介して原燃料も供給される。原燃料流路Ｌ１の途中には質量流量計Ｆａと原燃料ブロアＢとが設けられている。質量流量計Ｆａには例えば原燃料の熱拡散作用を利用して測定を行う熱式質量流量計が用いられる。更に、原燃料ブロアＢの下流側の原燃料流路Ｌ１には、原燃料（例えば、都市ガス等）に含まれる硫黄化合物を取り除くための脱硫器２０が設けられている。そして、原燃料ブロアＢが動作することで、原燃料が原燃料流路Ｌ１を通流し且つ脱硫器２０で脱硫された後で気化器１ｂの内部に流入する。質量流量計Ｆａは、気化器１ｂに供給される原燃料の単位時間当たりの流量を測定し、その測定結果は運転制御部Ｃに伝達される。質量流量計Ｆａが熱式質量流量計である場合、運転制御部Ｃは、記憶している供給原燃料熱量の値を参照して、原燃料の流量を決定する。運転制御部Ｃは、質量流量計Ｆａを用いて測定される原燃料の流量が目標の流量になるように原燃料ブロアＢ及び後述する開閉バルブＶ１の動作を制御する。このように、原燃料ブロアＢ及び開閉バルブＶ１は、改質器１ａに供給する原燃料の単位時間当たりの流量を調節する原燃料流量調節部として機能する。以上のようにして、気化器１ｂでは、運転制御部Ｃによって単位時間当たりの供給量が制御された原燃料及び水蒸気が混合された混合ガスが生成され、混合ガス流路Ｌ３を介して改質器１ａに供給される。

【0047】

改質器１ａは、気化器１ｂから供給される混合ガスに含まれる原燃料の水蒸気改質処理を行う。図示は省略するが、改質器１ａの内部には改質触媒が充填されており、この改質触媒の触媒作用によって原燃料が改質処理される。また、気化器１ｂと同様に、改質器１ａにも、燃焼部１ｃで発生した燃焼熱が伝達される。改質温度センサＴ２は改質器１ａの温度（例えば、改質触媒の温度）を測定し、その測定結果は運転制御部Ｃに伝達される。そして、改質器１ａの温度が適正か否かの判定などに用いられる。

【0048】

固体酸化物形燃料電池１の発電電力は電力変換部１２に供給される。電力変換部１２は固体酸化物形燃料電池１の発電電力を電力系統１５から受電する受電電力と同じ電圧、同じ位相及び同じ周波数にする。電力変換部１２の動作は運転制御部Ｃが制御する。電力変換部１２は、発電電力供給ライン１３を介して受電電力供給ライン１４に電気的に接続される。そして、固体酸化物形燃料電池１からの発電電力が電力変換部１２，発電電力供給ライン１３及び受電電力供給ライン１４（上述した電力線ＰＬに相当）を介して電力負荷部３に供給される。この受電電力供給ライン１４は電力系統１５に接続されている。つまり、固体酸化物形燃料電池１は、運転により発生した直流電力を電力変換部１２により交流電力に変換して電力系統１５に供給可能な状態で電力系統１５と連系されている。

【0049】

電力変換部１２は、燃料電池セルＳのアノード５０及びカソード６０に接続されており、昇圧回路１２ａ、インバータ回路１２ｂ及び平滑回路１２ｃを備えている。昇圧回路１２ａは、燃料電池セルＳの直流電力の直流電圧を昇圧する。インバータ回路１２ｂは、昇圧回路１２ａで昇圧された直流電圧を交流電圧に変換する。平滑回路１２ｃは、インバータ回路１２ｂで変換された交流電圧を平滑化、つまり交流電圧のノイズを除去するノイズ除去フィルタとして機能する。

【0050】

インバータ回路１２ｂは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等から構成される複数のスイッチング素子を備えている。例えば単相２線で構成される一対のスイッチング素子は、昇圧回路１２ａの一対の出力端の間に直列に接続されている。つまり、一方のスイッチング素子のコレクタ端子が昇圧回路１２ａの出力端の一端に接続され、一方のスイッチング素子のエミッタ端子と他方のスイッチング素子のコレクタ端子とが接続され、他方のスイッチング素子のエミッタ端子が昇圧回路１２ａの出力端の他端に接続されている。

【0051】

この電力変換部１２は次のように動作する。燃料電池セルＳが発電した直流電力の直流電圧は、昇圧回路１２ａによって昇圧される。昇圧された直流電圧は、インバータ回路１２ｂに入力されると、所定のスイッチング周波数によりスイッチング素子が切り替えられることにより、交流電圧に変換される。インバータ回路１２ｂから出力された交流電圧は平滑回路１２ｃに導入されて、交流電力として出力される。このように固体酸化物形燃料電池１が発電した発電電力と、電力系統１５の商用電力とは、電力変換部１２を介して連系運転可能となる。

【0052】

受電電力供給ライン１４には、電力負荷部３の電力負荷を計測する電力負荷計測部１６が設けられ、その計測結果が運転制御部Ｃに伝達される。そして、運転制御部Ｃは、電力系統１５から供給される電力がゼロ又はゼロに近い値になるように燃料電池装置Ｘの出力電力を調節することで、電力負荷部３の負荷電力に追従させる運転（第２運転モードの負荷追従運転）を行わせることができる。この負荷追従運転は、上述した電力メーターＭ付近での受電点電力の計測値に基づいて固体酸化物形燃料電池１の発電電力を制御しても良いし、電力負荷計測部１６で検出される電力負荷と固体酸化物形燃料電池１から受電電力供給ライン１４に供給される発電電力とが等しくなるように制御しても良い。また、運転制御部Ｃは、固体酸化物形燃料電池１を定格出力（固体酸化物形燃料電池１に供給されるガス流量が１２０～１３０Ｌ／ｈ）で動作させることも可能である（第２運転モードの定格出力運転）。ただし、負荷追従運転において、電力負荷計測部１６で計測される電力負荷が、固体酸化物形燃料電池１の最低発電電力（電力変換部１２により受電電力供給ライン１４に供給される最低発電電力）よりも小さい場合、余剰電力が発生する。また、定格出力運転モードにおいて、固体酸化物形燃料電池１を定格出力で動作させ、電力変換部１２からの出力電力が電力負荷よりも大きい場合にも、余剰電力が発生する。その余剰電力を熱に代えて回収する余剰電力消費用の電気ヒータ９で消費しても良い。

【0053】

なお、電力負荷部３にどのような装置を含めるのかは適宜設定可能である。例えば、固体酸化物形燃料電池１を運転するために用いられる補機や、熱負荷部４へ供給する湯水の凍結を防止する凍結防止用ヒータ等を、電力負荷部３から除外するような設定も可能である。また、電力負荷部３の待機電力を、電力負荷計測部１６で計測する電力負荷から減算してもよい。

【0054】

電気ヒータ９は、複数の抵抗加熱器から構成され、排熱回収用ポンプ７の作動により排熱回収路６を通流する湯水を加熱する。

【0055】

貯湯タンク２には、固体酸化物形燃料電池１で発生した熱が湯水の形態で蓄えられる。つまり、貯湯タンク２は、固体酸化物形燃料電池１の運転により発生した熱を用いて加温された湯水が貯留される。貯湯タンク２の下部には、給水路１７を介して上水が供給される。貯湯タンク２の内部では、相対的に低温の湯水がその下部に貯えられ、相対的に高温の湯水がその上部に貯えられるように構成されている。

【0056】

貯湯タンク２に貯えられている湯水は、排熱回収用ポンプ７を作動させることにより、排熱回収路６を通って固体酸化物形燃料電池１の燃焼排ガスが流通する熱交換器Ｅと貯湯タンク２との間で循環する。排熱回収路６の途中には、排熱回収路６を通って貯湯タンク２から熱交換器Ｅへと流れる湯水からの放熱を行うための放熱器８が設置されている。貯湯タンク２の上部に貯留されている相対的に高温の湯水は、貯湯タンク２の上部に接続されている湯水供給路５及び補助熱源装置１１を介して熱負荷部４に供給される。

【0057】

熱負荷部４は、給湯用途や暖房用途等である。熱負荷部４が給湯用途の場合、湯水は貯湯タンク２へ帰還しない。熱負荷部４が暖房用途の場合、湯水が保有している熱のみが消費されて、湯水は貯湯タンク２へと帰還することもある。

【0058】

燃料計Ｙは、固体酸化物形燃料電池１に原燃料流路Ｌ１を介して供給される原燃料（燃料）、及び、補助熱源装置１１やガスコンロ等で構成される他の燃料消費機器Ｋに原燃料流路Ｌ６を介して供給される原燃料（燃料）の合計体積を計測する。

【0059】

［運転制御部による制御形態］
続いて、燃料電池システムの運転制御部Ｃに係る制御形態について説明する。上述したように、管理装置Ｇは、複数の燃料電池装置Ｘの運転制御部Ｃに対して、固体酸化物形燃料電池１の出力電力を定める出力制御指令を送信できる。燃料電池装置Ｘは、この出力制御指令に基づいて定まる出力電力の供給を目標とする第１運転モードで動作する。一方、出力制御指令がないときは、第１運転モードとは別の第２運転モードで動作する。第２運転モードとして、燃料電池装置Ｘの出力電力を電力負荷部３の負荷電力に追従させる運転（負荷追従運転）をしている場合、施設１００の受電点電力下げ指令（燃料電池装置Ｘの出力増要請）があったときに、固体酸化物形燃料電池１の特性上、余剰電力を即座に確保できない。また、第２運転モードとして、燃料電池装置Ｘの出力電力を上限出力電力で維持する運転（定格出力運転）をしている場合、施設１００の受電点電力上げ指令（燃料電池装置Ｘの出力減要請）があったときに、固体酸化物形燃料電池１の特性上、出力電力を即座に低下できない。

【0060】

そこで、本実施形態における運転制御部Ｃは、図４～図５に示すように、施設１００の受電点電力を上下させるために管理装置Ｇから出力制御指令が見込まれる日時（受電点電力上げ指令日時又は受電点電力下げ指令日時）より前に、受電点電力を維持した状態で（電力変換部１２からの出力を維持した状態で）、固体酸化物形燃料電池１に供給される燃料ガス量、空気量及び水量の少なくとも１つを増減させる予備運転を実行する。つまり、受電点電力を変化させること無く、管理装置Ｇから燃料電池装置Ｘへの出力増減要請に備えた予備運転を実行する。

【0061】

運転制御部Ｃは、この予備運転において、原燃料ブロアＢ及び開閉バルブＶ１を制御して、改質器１ａに供給する原燃料の単位時間当たりの燃料ガス量を調整し、エアブロア２２を制御して、容器１Ａ内に供給される空気の単位時間当たりの空気量を調整し、改質用水ポンプＰを制御して、改質器１ａに供給する改質用水の単位時間当たりの水量を調整する。これにより、例えば、出力増要請が見込まれる日時（受電点電力下げ指令日時）が予め分かっており、燃料ガス量が負荷追従運転に従った所定量で空気量や水量が余分に供給されている場合、受電点電力下げ指令日時より前に燃料ガス量を増大させることにより、電力系統１５に供出すべき必要電力量を仮想的に確保する。その結果、出力要請に迅速且つ確実に応答することができる。

【0062】

また、運転制御部Ｃは、インバータ回路１２ｂのスイッチング周波数を上下させて、固体酸化物形燃料電池１の出力電力を直流から交流に変換する変換効率を変化させ、電力変換部１２からの出力を維持する。例えば、施設１００の受電点電力を下げるための管理装置Ｇから燃料電池装置Ｘへの受電点電力下げ指令（出力増指令）に対応した予備運転において、固体酸化物形燃料電池１の出力電力を直流から交流に変換する変換効率を低下させることにより仮想的に余剰電力を消費する状態を作り出せば、受電点電力下げ指令日時に変換効率を元に戻すだけで良いので、迅速な応答性を確保できる。なお、受電点電力を維持する他の態様としては、昇圧回路１２ａにより昇圧される電圧値を変動させても良い。

【0063】

また、運転制御部Ｃは、固体酸化物形燃料電池１の現在の出力電力（電力値）と出力制御指令における目標電力値との差が所定の電力値（例えば１００Ｗ）以上である場合に、予備運転を実行しても良い。このように、現在の電力値と目標電力値との差が所定の電力値以上である場合に予備運転を実行すれば、固体酸化物形燃料電池１の出力変動速度に対応した効率的な制御となる。

【0064】

図４には、本実施形態の運転制御部Ｃによる予備運転の一例が示されている。本実施形態では、運転制御部Ｃは、施設１００の受電点電力を下げるために管理装置Ｇから出力増指令（受電点電力下げ指令）が見込まれる日時（受電点電力下げ指令日時）より前に、燃料ガス量、空気量及び水量を増大させる予備運転を実行し、この予備運転において、固体酸化物形燃料電池１からの電力を、電力変換部１２により直流から交流に変換する変換効率を低下させて（スイッチング周波数を上げて）、受電点電力を変動させること無く、燃料電池装置Ｘにおける負荷追従運転等を維持しながら電力系統１５への出力値を一定に維持する。このとき、運転制御部Ｃは、固体酸化物形燃料電池１の運転温度が所定の範囲（例えば、７００℃付近）となるように、燃料ガス量、空気量及び水量を調整する。これにより、固体酸化物形燃料電池１の運転温度に対応して固体酸化物形燃料電池１の出力電力を制御することができる（例えば、運転温度７００℃のとき出力７００Ｗ、運転温度６５０℃のとき出力１８０Ｗ）。なお、固体酸化物形燃料電池１の運転温度としては、雰囲気温度センサＴ１で計測された計測値を用いることができるが、改質温度センサＴ２又は燃焼温度センサＴ３で計測された計測値を用いても良い。このように、固体酸化物形燃料電池１の運転温度により予備運転制御をすれば、固体酸化物形燃料電池１の制御形態が簡便なものとなる。

【0065】

図４に示す例では、事前に固体酸化物形燃料電池１の運転温度を目標とする温度に近似させているため、受電点電力下げ指令があってから実際に電力系統１５へ電力を出力するまでに、固体酸化物形燃料電池１の出力電力を迅速に上げることができる。しかも、電力変換部１２の変更効率を変化させるだけなので、電力負荷部３に出力する電力が維持され、燃料電池装置Ｘにおける負荷追従運転等に影響を与えることもない。なお、図４に示す例とは反対に、施設１００の受電点電力を上げるために管理装置Ｇから出力減指令（受電点電力上げ指令）が見込まれる日時より前に、燃料ガス量、空気量及び水量を低下させる予備運転を実行し、この予備運転において、固体酸化物形燃料電池１からの電力を、電力変換部１２により直流から交流に変換する変換効率を上昇させて（スイッチング周波数を下げて）、燃料電池装置Ｘにおける負荷追従運転等を維持しながら受電点電力を変動させること無く、電力系統１５への出力値を一定に維持しても良い。

【0066】

［別実施形態］
図５に示すように、運転制御部Ｃは、施設１００の受電点電力を下げるために管理装置Ｇから出力増指令（受電点電力下げ指令）が見込まれる日時（受電点電力下げ指令日時）より前に、受電点電力を維持した状態で、固体酸化物形燃料電池１に供給される燃料ガス量、空気量及び水量の少なくとも１つを段階的に調整しても良い。図５に示す別実施形態における運転制御部Ｃは、電力系統１５への出力増指令（受電点電力下げ指令）が見込まれる日時（受電点電力下げ指令日時）より前に、燃料ガス量を段階的に増大させると共に、空気量及び水量を増大させる予備運転を実行し、この予備運転において、固体酸化物形燃料電池１からの電力を、電力変換部１２により直流から交流に変換する変換効率を低下させて（スイッチング周波数を上げて）、電力系統１５への出力値を一定（例えばゼロ）に維持する。

【0067】

別実施形態においても、事前に固体酸化物形燃料電池１の運転温度が目標とする温度に近似させているため、受電点電力下げ指令があってから実際に電力系統１５へ電力を出力するまでに、固体酸化物形燃料電池１の出力電力を迅速に上げることができる。しかも、段階的に燃料ガス量を増大させることにより、固体酸化物形燃料電池１の温度上昇を緩やかにして、固体酸化物形燃料電池１にかかる負荷を低減できる。

【0068】

［その他の実施形態］
＜１＞上述した実施形態では、燃料電池装置Ｘが固体酸化物形燃料電池１を備えたが、燃料電池装置Ｘが、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）又は溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）を備えても良い。

【0069】

＜２＞上述した実施形態に係る予備運転では、受電点電力を維持するように電力変換部１２からの出力を維持した状態で、固体酸化物形燃料電池１に供給される燃料ガス量、空気量及び水量の少なくとも１つを増減させた。これに代えて又はこれに加えて、受電点電力を維持するように固体酸化物形燃料電池１の出力を一定とした状態で、固体酸化物形燃料電池１に供給される燃料ガス量、空気量及び水量の少なくとも１つを増減させても良い。この別実施形態における予備運転では、通常運転時において固体酸化物形燃料電池１に供給される燃料ガス量、空気量及び水量が目標出力に応じて調整されている場合、例えば空気量及び水量だけを増減させ、燃料ガス量を変化させない制御を実行することにより、固体酸化物形燃料電池１の出力を一定とした状態を作り出す。つまり、燃料ガス量、空気量及び水量の全てを増減させるのでなく、燃料ガス量、空気量及び水量の少なくとも１つを変化させない制御により、固体酸化物形燃料電池１の出力を一定に制御しても良い。このように、固体酸化物形燃料電池１側で、発電に使用される燃料利用率、空気利用率及び水利用率の少なくとも何れか１つを変更することにより、管理装置Ｇから出力制御指令が見込まれる日時（受電点電力上げ指令日時又は受電点電力下げ指令日時）の前後に、変化させなかった燃料ガス量、空気量及び水量の少なくとも１つを増減させれば、出力要請に応えることができる。

【0070】

＜３＞上記実施形態では、具体的な数値を挙げて燃料電池システムで行われる制御例について説明したが、それらの数値は例示目的で記載したものであり適宜変更可能である。

【0071】

なお、上述した実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能である。また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。

【産業上の利用可能性】

【0072】

本発明は、電力系統に連系された燃料電池システムに利用可能である。

【符号の説明】

【0073】

１ ：固体酸化物形燃料電池（燃料電池）
３ ：電力負荷部
１５ ：電力系統
Ｃ ：運転制御部
Ｇ ：管理装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】