特開 2023-121517 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】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023121517

(43)【公開日】2023-08-31

(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 8/04694 20160101AFI20230824BHJP

   H01M 8/249 20160101ALI20230824BHJP

   H01M 8/04303 20160101ALI20230824BHJP

   H01M 8/04302 20160101ALI20230824BHJP

   H01M 8/04225 20160101ALI20230824BHJP

   H01M 8/04228 20160101ALI20230824BHJP

   H01M 8/04313 20160101ALI20230824BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20230824BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04694

H01M8/249

H01M8/04303

H01M8/04302

H01M8/04225

H01M8/04228

H01M8/04313

H01M8/10 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022024896

(22)【出願日】2022-02-21

(71)【出願人】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107641

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 耕一

(74)【代理人】

【識別番号】100168273

【弁理士】

【氏名又は名称】古田 昌稔

(72)【発明者】

【氏名】川添 大輔

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126BB06

5H127AA06

5H127AB14

5H127AB17

5H127AC14

5H127BA02

5H127BA58

5H127BA60

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB37

5H127DA01

5H127DA11

5H127DB69

5H127DC41

5H127DC49

(57)【要約】

【課題】燃料電池スタックの交換時における燃料電池システムの発電出力の低下を抑制するための技術を提供する。
【解決手段】本開示の燃料電池システム１００は、複数の燃料電池スタック１２と、複数の燃料電池スタック１２が複数の目標運転率Ｒ１，Ｒ２及びＲ３を達成するように、複数の燃料電池スタック１２の運転を制御する制御部１４０と、を備えている。複数の燃料電池スタック１２は、同一の目標運転率を達成するように制御される２台以上の燃料電池スタックを含んでいてもよい。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の燃料電池スタックと、
前記複数の燃料電池スタックが複数の目標運転率を達成するように、前記複数の燃料電池スタックの運転を制御する制御部と、
を備えた、
燃料電池システム。

【請求項2】

前記複数の燃料電池スタックは、同一の前記目標運転率を達成するように制御される２台以上の燃料電池スタックを含む、
請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

同一の前記目標運転率を達成するように制御される前記複数の燃料電池スタックの群を発電ユニットと定義したとき、複数の発電ユニットが存在し、
前記複数の発電ユニットのそれぞれにおける前記燃料電池スタックの台数は、複数であり、
前記複数の発電ユニット間における前記燃料電池スタックの台数の差が１以下である、
請求項１又は２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記目標運転率は、前記燃料電池スタックの交換時期、及び、同一の前記目標運転率を達成するように制御される前記燃料電池スタックの台数から選ばれる少なくとも１つを用いて算出される、
請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記制御部は、前記目標運転率に対する実際の運転率の比率を表す運転率一致度に応じて、前記複数の燃料電池スタックにおいて優先的に運転する及び／又は休止させる前記燃料電池スタックを決定する、
請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

【請求項6】

前記制御部は、前記複数の燃料電池スタックの中から運転するべき前記燃料電池スタックを選ぶとき、前記運転率一致度が小さい前記燃料電池スタックを優先的に運転させる、
請求項５に記載の燃料電池システム。

【請求項7】

同一の前記目標運転率を達成するように制御される前記複数の燃料電池スタックの群を発電ユニットと定義したとき、複数の発電ユニットが存在し、
前記制御部は、前記複数の燃料電池スタックの中から運転するべき前記燃料電池スタックを選ぶとき、前記複数の発電ユニットに属する前記複数の燃料電池スタックの中から前記運転率一致度が最も小さい前記燃料電池スタックを選んで優先的に運転させる、
請求項５に記載の燃料電池システム。

【請求項8】

前記複数の燃料電池スタックが運転中であり、かつ、電力需要が減少したとき、前記制御部は、前記運転率一致度が大きい前記燃料電池スタックを優先的に休止させる、
請求項５から７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

【請求項9】

同一の前記目標運転率を達成するように制御される前記複数の燃料電池スタックの群を発電ユニットと定義したとき、複数の発電ユニットが存在し、
前記複数の燃料電池スタックが運転中であり、かつ、電力需要が減少したとき、前記制御部は、前記複数の発電ユニットに属する前記複数の燃料電池スタックの中から前記運転率一致度が最も大きい前記燃料電池スタックを選んで優先的に休止させる、
請求項５から７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

【請求項10】

複数の燃料電池スタックを備えた燃料電池システムの運転方法であって、
前記複数の燃料電池スタックが複数の目標運転率を達成するように、前記複数の燃料電池スタックの運転を制御することを含む、
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】

本開示は、燃料電池システム及びその運転方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、複数の燃料電池スタックを備えた燃料電池システムを開示する。特許文献１には、複数の燃料電池スタックを順次交代して運転することによって、各燃料電池スタックの累積運転時間を短くし、これらの寿命を延ばすことが可能となることが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第５２４８７１１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本開示は、燃料電池スタックの交換時における燃料電池システムの発電出力の低下を抑制するための技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示の燃料電池システムは、
複数の燃料電池スタックと、
前記複数の燃料電池スタックが複数の目標運転率を達成するように、前記複数の燃料電池スタックの運転を制御する制御部と、
を備えている。

【0006】

別の側面において、本開示は、
複数の燃料電池スタックを備えた燃料電池システムの運転方法であって、
前記複数の燃料電池スタックが複数の目標運転率を達成するように、前記複数の燃料電池スタックの運転を制御することを含む。

【発明の効果】

【0007】

本開示の技術によれば、燃料電池スタックの交換時における燃料電池システムの発電出力の低下を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施の形態１における燃料電池システムの構成を示すブロック図

【図2】実施の形態１における燃料電池システムの電気回路の構成を示すブロック図

【図3】実施の形態１における発電ユニットの構成を示すブロック図

【図4】制御部が実行する処理を示すフローチャート

【図5】各発電ユニットにおける燃料電池スタックの発電計画を示すタイミングチャート

【図6】第１群から第３群に属する燃料電池スタックの単位期間における発電計画を示すタイミングチャート

【図7】第１群から第３群に属する燃料電池スタックの単位期間における別の発電計画を示すタイミングチャート

【発明を実施するための形態】

【0009】

（本開示の基礎となった知見等）
本発明者が本開示に想到するに至った当時、複数の燃料電池スタックを順次交代して運転することによって、各燃料電池スタックの累積運転時間を短くし、これらの寿命を延ばすことが行われていた。

【0010】

複数の燃料電池スタックを順次交代して運転すると、複数の燃料電池スタックのそれぞれの累積運転時間が互いに略一致し、燃料電池スタックの劣化が均等に進む。この場合、同時期に集中して全ての燃料電池スタックが交換時期を迎えるので、燃料電池スタックの交換作業時における燃料電池システムの発電出力が大幅に低下する。場合によっては、燃料電池システムを完全に停止させる必要がある。

【0011】

燃料電池システムの発電出力が大幅に低下したりゼロになったりすることは、燃料電池システムの利便性を大幅に損なう可能性がある。そのため、燃料電池スタックの交換時における発電出力の低下を抑制するための技術が求められる。

【0012】

本発明者は、このような課題を発見し、その課題を解決するために、本開示の主題を構成するに至った。

【0013】

以下、図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、又は、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

【0014】

なお、添付図面及び以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

【0015】

（実施の形態１）
以下、図１から図３を用いて、実施の形態１を説明する。

【0016】

［１－１．構成］
［１－１－１．燃料電池システムの構成］
図１は、実施の形態１の燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。燃料電池システム１００は、複数の発電ユニット１０１ａから１０１ｃ、燃料ガス供給経路１１１、及び、ガス排出経路１１２を備える。

【0017】

複数の発電ユニット１０１ａから１０１ｃは、第１発電ユニット１０１ａ、第２発電ユニット１０１ｂ、及び、第３発電ユニット１０１ｃを含む。発電ユニットの数は特に限定されない。発電ユニットの数は、２以上であってもよく、３以上であってもよく、４以上であってもよい。

【0018】

燃料電池システム１００は、複数の燃料電池スタック１２を含む。詳細には、発電ユニット１０１ａから１０１ｃのそれぞれが複数の燃料電池スタック１２を含む。図１の例では、第１発電ユニット１０１ａは、複数の燃料電池スタック１２として、燃料電池スタック１２ａから１２ｄを含む。第２発電ユニット１０１ｂは、複数の燃料電池スタック１２として、燃料電池スタック１２ｅから１２ｈを含む。第３発電ユニット１０１ｃは、複数の燃料電池スタック１２として、燃料電池スタック１２ｉから１２ｌを含む。

【0019】

第１発電ユニット１０１ａにおける燃料電池スタック１２の台数、第２発電ユニット１０１ｂにおける燃料電池スタック１２の台数、及び、第３発電ユニット１０１ｃにおける燃料電池スタック１２の台数は、それぞれ、複数である。第１発電ユニット１０１ａ、第２発電ユニット１０１ｂ、及び、第３発電ユニット１０１ｃの間における燃料電池スタック１２の台数の差が１以下である。典型的には、第１発電ユニット１０１ａに属する燃料電池スタック１２の台数、第２発電ユニット１０１ｂに属する燃料電池スタック１２の台数、及び、第３発電ユニット１０１ｃに属する燃料電池スタック１２の台数は等しい。このような構成によれば、要求電力を満たすための発電計画を作成しやすい。ただし、発電ユニット１０１ａから１０１ｃのそれぞれが燃料電池スタック１２を１台のみ有していてもよい。

【0020】

発電ユニット１０１ａから１０１ｃは、それぞれ、同一の目標運転率Ｒを達成するように制御される燃料電池スタック１２の群を表す。第１発電ユニット１０１ａは、第１の目標運転率Ｒ１を達成するように制御される燃料電池スタック１２の群である。第２発電ユニット１０１ｂは、第２の目標運転率Ｒ２を達成するように制御される燃料電池スタック１２の群である。第３発電ユニット１０１ｃは、第３の目標運転率Ｒ３を達成するように制御される燃料電池スタック１２の群である。

【0021】

目標運転率Ｒは、運転率の目標値を表す。運転率は、所定の単位期間の長さに対する所定の単位期間あたりの発電時間の比率を表す。例えば、所定の単位期間が１日（２４時間）であり、１日あたりの発電時間（運転時間）が１２時間であるとき、運転率は０．５（百分率で５０％）である。１日あたり１２時間を目標として燃料電池スタック１２の運転が制御されるとき、「０．５」の目標運転率が設定される。

【0022】

複数の目標運転率は、それぞれ、複数の交換時期に対応している。例えば、第１の目標運転率Ｒ１を達成するように燃料電池スタック１２ａから１２ｄの運転を制御すると、燃料電池スタック１２ａから１２ｄの交換時期は、燃料電池システム１００の運用開始時点から５年後である。第１の目標運転率Ｒ１は、５年後の交換時期に対応している。

【0023】

なお、運転率は、燃料電池システム１００の累積運転時間に対する燃料電池スタック１２の累積運転時間の比率であってもよい。例えば、工場のような設備で燃料電池システム１００を運用する場合、工場の生産計画に基づき、所定期間（例えば５年間）における燃料電池システム１００の累積運転時間を予測できる。この場合、燃料電池スタック１２の交換時期も予測できる。

【0024】

第１発電ユニット１０１ａは、電装部品群１３をさらに含む。電装部品群１３は、制御基板及び通信装置を含む。制御基板は、第１発電ユニット１０１ａの各種の機器を制御するための回路基板である。通信装置は、制御基板と必要なデータ通信を行うため装置である。

【0025】

同様に、第２発電ユニット１０１ｂは、電装部品群１３をさらに含む。第３発電ユニット１０１ｃは、電装部品群１３をさらに含む。

【0026】

第１発電ユニット１０１ａ、第２発電ユニット１０１ｂ及び第３発電ユニット１０１ｃは、互いに同じ構成を有する。燃料電池スタック１２の種類は１種類である。このような構成によれば、発電ユニットの数の増減、及び、燃料電池スタック１２の数の増減によって、使用者のニーズ、特に要求電力に応じた燃料電池システム１００を迅速かつ安価に提供できる。また、燃料電池スタック１２の交換が容易である。

【0027】

本実施の形態では、発電ユニットの数が「３」である。図１では、１つの発電ユニットに対して１つの電装部品群１３が設けられている。しかし、このことは必須ではない。電装部品群１３は、燃料電池スタック１２のそれぞれに対して設けられていてもよい。すなわち、燃料電池システム１００は、ハードウェアの交換を伴うことなく、発電ユニットの組み換えが可能に構成されていてもよい。例えば、図１に示された１２台の燃料電池スタック１２を１つ、２つ又は４つの発電ユニットに分けることができる。

【0028】

燃料ガス供給経路１１１は、燃料電池システム１００の外部に設置された水素含有ガス供給源１１０から複数の燃料電池スタック１２に水素含有ガスを導く。ガス排出経路１１２は、複数の燃料電池スタック１２から排出されたオフガスを燃料電池システム１００の外部に導く。水素含有ガスは、例えば、水素ガスの体積含有率が９９％以上の純水素ガスである。水素含有ガスは、水蒸気改質反応によって水及び炭化水素から生成された改質ガスであってもよい。

【0029】

図２は、燃料電池システム１００の電気回路の構成を示すブロック図である。燃料電池システム１００は、制御部１４０及び通信回路１４１を備える。制御部１４０は、通信回路１４１を通じて、発電ユニット１０１ａから１０１ｃの電装部品群１３と通信を行う。これにより、制御部１４０は、発電ユニット１０１ａから１０１ｃにおける各機器を制御できる。

【0030】

制御部１４０は、複数の燃料電池スタック１２が複数の目標運転率Ｒ１，Ｒ２及びＲ３を達成するように、複数の燃料電池スタック１２の運転を制御する。詳細には、制御部１４０は、燃料電池スタック１２のそれぞれが互いに異なる複数の目標運転率Ｒ１，Ｒ２及びＲ３のそれぞれを達成するように、燃料電池スタック１２の運転を制御する。本実施の形態では、発電ユニット１０１ａから１０１ｃのそれぞれに互いに異なる目標運転率Ｒ１，Ｒ２及びＲ３が割り当てられる。複数の目標運転率Ｒ１，Ｒ２及びＲ３は、第１発電ユニット１０１ａのための第１の目標運転率Ｒ１、第２発電ユニット１０１ｂのための第２の目標運転率Ｒ２、及び、第３発電ユニット１０１ｃのための第３の目標運転率Ｒ３を含む。

【0031】

「目標運転率が割り当てられる」及び「目標運転率を設定する」の用語は、例えば、制御部１４０のプロセッサ（ＣＰＵ）が目標運転率をレジスタ、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、磁気記憶装置等に記憶させることを意味する。目標運転率に関する情報は、発電ユニットに送信されてもよく、されなくてもよい。

【0032】

燃料電池スタック１２の電圧は、累積使用時間に応じて低下する。電圧が閾値を下回った場合、該当する燃料電池スタック１２を交換する必要がある。したがって、燃料電池スタック１２の使用可能期間（単位：年）は、燃料電池スタック１２の運転可能時間と単位期間あたりの発電時間とに応じて決まる。例えば、燃料電池スタック１２の運転可能時間が６００００時間であり、１日あたりの平均発電時間が１２時間であるとき、燃料電池スタック１２の使用可能期間は、６００００／（１２×３６５）≒１３．７（年）である。

【0033】

複数の燃料電池スタック１２の間で運転可能時間に差は無い。そのため、互いに異なる複数の目標運転率が設定されることによって、燃料電池スタック１２の使用可能期間に差が生じる。すなわち、第１発電ユニット１０１ａに属する燃料電池スタック１２ａから１２ｄの交換時期、第２発電ユニット１０１ｂに属する燃料電池スタック１２ｅから１２ｈの交換時期、及び、第３発電ユニット１０１ｃに属する燃料電池スタック１２ｉから１２ｌの交換時期は、互いに異なる。例えば、第１発電ユニット１０１ａに属する燃料電池スタック１２ａから１２ｄの最初の交換時期は、燃料電池システム１００の運用開始時点から５年後である。第２発電ユニット１０１ｂに属する燃料電池スタック１２ｅから１２ｈの最初の交換時期は、燃料電池システム１００の運用開始時点から１０年後である。第３発電ユニット１０１ｃに属する燃料電池スタック１２ｉから１２ｌの最初の交換時期は、燃料電池システム１００の運用開始時点から１５年後である。本実施の形態によれば、燃料電池スタック１２の交換時期が同時期に集中することを回避できる。使用可能期間が経過した燃料電池スタック１２の交換作業を進めながら、残りの燃料電池スタック１２の運転を行うことができる。したがって、燃料電池スタック１２の交換時における燃料電池システム１００の発電出力の低下を抑制することができる。

【0034】

「交換時期」は、一定の幅を持った期間でありうる。例えば、燃料電池システム１００の運用開始時点から５年後に第１発電ユニット１０１ａに属する燃料電池スタック１２の交換が必要である場合、交換時期は、５年±６ヵ月でありうる。

【0035】

燃料電池システム１００において、複数の燃料電池スタック１２は、同一の目標運転率を達成するように制御される２台以上の燃料電池スタック１２を含む。本実施の形態では、第１発電ユニット１０１ａに属する複数（４台）の燃料電池スタック１２ａから１２ｄの目標運転率は同一である。同様に、第２発電ユニット１０１ｂに属する複数（４台）の燃料電池スタック１２ｅから１２ｈの目標運転率は同一である。第３発電ユニット１０１ｃに属する複数（４台）の燃料電池スタック１２ｉから１２ｌの目標運転率は同一である。このような構成によれば、同時期に２台以上の燃料電池スタック１２の交換時期が到来するので、燃料電池スタック１２の交換作業の回数を減らすことができる。

【0036】

燃料電池システム１００は、送電回路１３０をさらに備える。送電回路１３０を通じて、燃料電池システム１００によって生成された電力が燃料電池システム１００の外部の電力負荷１３１へと供給される。

【0037】

［１－１－２．発電ユニットの構成］
図３は、第１発電ユニット１０１ａの構成を示すブロック図である。第２発電ユニット１０１ｂ及び第３発電ユニット１０１ｃも第１発電ユニット１０１ａと同じ構成を有する。第１発電ユニット１０１ａに関する以下の説明は、第２発電ユニット１０１ｂ及び第３発電ユニット１０１ｃにも適用される。

【0038】

第１発電ユニット１０１ａは、複数の燃料電池スタック１２、燃料ガス圧力調整部１４、燃料ガス供給経路１５、エジェクタ１６、混合ガス供給経路１７、未反応燃料ガス循環経路１８、酸化剤ガス供給部１９、酸化剤ガス供給経路２０、ガス排出経路１１２、スタック送電回路１３２、及び、電装部品群１３を備える。

【0039】

燃料電池スタック１２は、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する。燃料ガスとして、水素含有ガスが用いられる。酸化剤ガスとして、空気が用いられる。燃料電池スタック１２は、アノード１２１、カソード１２２及び電解質膜１２３を備える。アノード１２１には、水素含有ガスが供給される。カソード１２２には、空気が供給される。電解質膜１２３は、プロトンの移動を許容するプロトン伝導膜である。燃料電池スタック１２は、例えば、固体高分子型燃料電池である。

【0040】

複数の燃料電池スタック１２は、同一の構成を有する燃料電池スタックである。このような構成は、燃料電池スタック１２の交換又はメンテナンスを容易にするとともに、燃料電池システム１００のコストの低減に寄与する。

【0041】

燃料ガス圧力調整部１４は、燃料ガス供給経路１１１と燃料ガス供給経路１５とに接続されており、燃料ガス供給経路１５を流れる水素含有ガスの圧力を調整する。水素含有ガスは、燃料ガス供給経路１１１を通じて、水素含有ガス供給源１１０（図１）から第１発電ユニット１０１ａに供給される。

【0042】

未反応燃料ガス循環経路１８は、各燃料電池スタック１２のアノード１２１の出口とエジェクタ１６とを接続している。未反応燃料ガス循環経路１８を通じて、エジェクタ１６に未反応混合ガスが供給される。未反応混合ガスは、アノード１２１から排出された未反応のガスである。燃料ガス供給経路１５を通じて、エジェクタ１６に水素含有ガスが供給される。エジェクタ１６において、未反応混合ガスと水素含有ガスとが混合され、混合ガスが生成される。

【0043】

混合ガス供給経路１７は、エジェクタ１６の出口とアノード１２１の入口とを接続している。混合ガス供給経路１７を通じて、各燃料電池スタック１２のアノード１２１に混合ガスが供給される。

【0044】

燃料ガス圧力調整部１４において水素含有ガスの圧力を調整することによって、混合ガス供給経路１７における混合ガスの圧力を調整することができる。これにより、燃料電池スタック１２のアノード１２１における混合ガスの圧力を調整することができる。

【0045】

エジェクタ１６は、燃料ガス供給経路１５と未反応燃料ガス循環経路１８との合流部に配置されている。

【0046】

酸化剤ガス供給部１９は、各燃料電池スタック１２のカソード１２２に空気を供給する。酸化剤ガス供給部１９は、例えば、空気ブロワを含む。

【0047】

酸化剤ガス供給経路２０は、酸化剤ガス供給部１９と各燃料電池スタック１２のカソード１２２の入口とを接続している。酸化剤ガス供給経路２０を通じて、各燃料電池スタック１２のカソード１２２に空気が供給される。

【0048】

ガス排出経路１１２は、燃料電池スタック１２のカソード１２２から排出された空気を第１発電ユニット１０１ａの外部へと導く経路である。

【0049】

電装部品群１３は、制御部（図示せず）を含み、第１発電ユニット１０１ａ及び第１発電ユニット１０１ａに搭載された各種の機器を制御する。この制御部は、制御機能を有するものであれば特に限定されず、例えば、演算処理部（図示せず）と制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。演算処理部としては、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリが例示される。

【0050】

電装部品群１３は、通信回路１４１を通じて、燃料電池システム１００の制御部１４０と通信可能である。制御部１４０からの指示に基づいて、第１発電ユニット１０１ａ及び第１発電ユニット１０１ａに搭載された各種の機器が制御される。各種の機器には、弁、ポンプ、電気ヒータなどが含まれる。

【0051】

アノード１２１のガス拡散の性能などから、アノード１２１に供給された混合ガスを全て発電に使用することは困難である。発電に使用されなかった未反応混合ガスがアノード１２１から排出される。未反応混合ガスを廃棄すると、未反応混合ガスに含まれた水素ガスが無駄になり、燃料電池システム１００の効率が低下する。本実施の形態によれば、エジェクタ１６において、未反応混合ガスと水素含有ガスとが混合され、混合ガスが得られる。混合ガスが燃料電池スタック１２のアノード１２１に供給される。これにより、水素ガスの無駄を減少させ、第１発電ユニット１０１ａの高効率化を図ることができる。

【0052】

燃料電池スタック１２において生成された電力は、電装部品群１３によって直流から交流に変換され、送電回路１３０を通じて電力負荷１３１に送られる。

【0053】

燃料電池システム１００においては、制御部１４０から送信された指示によって、第１発電ユニット１０１ａの発電出力、すなわち、燃料電池スタック１２の運転が制御される。これにより、燃料電池システム１００の全体の発電出力が調整される。

【0054】

［１－２．動作］
以上のように構成された燃料電池システム１００について、その動作を以下説明する。

【0055】

図４は、制御部１４０が実行する処理を示すフローチャートである。ステップＳ１において、制御部１４０は、発電を開始すべき旨の発電指示があるまで待機する。このような指示は、使用者による入力によるものであってもよく、タイマーの作動によるものであってもよく、制御部１４０と通信可能な外部機器から燃料電池システム１００に向けて送信されたものであってもよい。

【0056】

発電指示を受け取ることに応じて、制御部１４０は発電計画を受信、作成又は読み出す（ステップＳ２）。発電計画は、発電指示とともに外部から燃料電池システム１００に送信されてもよく、発電指示を受け取ることに応じて制御部１４０で作成されてもよく、制御部１４０の記憶装置に予め記憶されていてもよい。例えば、電力負荷１３１が６ｋＷの発電出力を必要とするとき、６ｋＷの要求電力を表す情報が制御部１４０に入力される。制御部１４０は、６ｋＷの発電出力を達成するために、発電ユニット１０１ａから１０１ｃにおける燃料電池スタック１２の発電計画（運転計画）を作成する。以下において、燃料電池スタック１２の定格出力は１ｋＷと仮定する。

【0057】

発電計画には、全体目標運転率Ｒ０が含まれていてもよい。全体目標運転率Ｒ０は、全ての燃料電池スタック１２の目標運転率の平均値であり、要求電力に基づいて決定されうる。

【0058】

次に、制御部１４０は、全体目標運転率Ｒ０を達成するように、互いに異なる目標運転率Ｒ１，Ｒ２及びＲ３を発電ユニット１０１ａから１０１ｃのそれぞれに設定する（ステップＳ３）。目標運転率Ｒ１，Ｒ２及びＲ３は、第１の目標運転率Ｒ１、第２の目標運転率Ｒ２、及び、第３の目標運転率Ｒ３を含む。

【0059】

ここで、単位期間が１日（２４時間）であり、全体目標運転率Ｒ０が５０％であると仮定する。一例において、第２発電ユニット１０１ｂの燃料電池スタック１２には、全体目標運転率Ｒ０に等しい運転率、すなわち、第２の目標運転率Ｒ２＝５０（％）が割り当てられる。第１発電ユニット１０１ａの燃料電池スタック１２には、全体目標運転率Ｒ０よりも大きい運転率、例えば、第１の目標運転率Ｒ１＝７５（％）が割り当てられる。この場合、第３発電ユニット１０１ｃの燃料電池スタック１２に割り当てられる第３の目標運転率Ｒ３は、下記式（１）によって求められ、目標運転率Ｒ３＝２５（％）となる。式（１）において、Ｍ１は、第１発電ユニット１０１ａの燃料電池スタック１２の台数を表す。Ｍ２は、第２発電ユニット１０１ｂの燃料電池スタック１２の台数を表す。Ｍ３は、第３発電ユニット１０１ｃの燃料電池スタック１２の台数を表す。

【0060】

Ｒ０＝（Ｍ１・Ｒ１＋Ｍ２・Ｒ２＋Ｍ３・Ｒ３）／（Ｍ１＋Ｍ２＋Ｍ３）・・・（１）

【0061】

式（１）によれば、目標運転率は、同一の目標運転率を達成するように制御される燃料電池スタック１２の台数を用いて算出される。

【0062】

図５は、発電ユニット１０１ａから１０１ｃにおける燃料電池スタック１２の発電計画を示すタイミングチャートである。詳細には、図５（ａ）は、第１発電ユニット１０１ａにおける燃料電池スタック１２ａから１２ｄの発電計画を示している。図５（ｂ）は、第２発電ユニット１０１ｂにおける燃料電池スタック１２ｅから１２ｈの発電計画を示している。図５（ｃ）は、第３発電ユニット１０１ｃにおける燃料電池スタック１２ｉから１２ｌの発電計画を示している。図５（ａ）から（ｃ）において、４つの棒グラフは、それぞれ、４台の燃料電池スタック１２の発電期間を示している。空白の期間は、休止期間である。「発電期間」は、燃料電池スタック１２が電力を生成している期間である。「発電期間」は、燃料電池スタック１２が概ね定格出力で電力を生成している期間であってもよい。「休止期間」は、燃料電池スタック１２が電力を生成していない期間である。休止期間において、燃料電池スタック１２は、発電のための準備が整った状態にあってもよく、完全に停止した状態であってもよい。

【0063】

発電ユニット１０１ａから１０１ｃのそれぞれにおいて、発電期間と休止期間とが単位期間（２４時間）内に含まれるように、燃料電池スタック１２のそれぞれが運転される。これにより、発電ユニット１０１ａから１０１ｃのそれぞれに設定された目標運転率Ｒ１，Ｒ２及びＲ３が達成される。

【0064】

図５（ａ）に示すように、第１発電ユニット１０１ａには第１の目標運転率Ｒ１（＝７５％）が割り当てられている。そのため、単位期間内のどの瞬間においても４台中３台の燃料電池スタック１２が発電中である。第１発電ユニット１０１ａにおいて、燃料電池スタック１２の運転時間は１８時間であり、休止時間は６時間である。運転中の燃料電池スタック１２と休止中の燃料電池スタック１２との組み合わせは６時間ごとに切り替わる。

【0065】

図５（ｂ）に示すように、第２発電ユニット１０１ｂには第２の目標運転率Ｒ２（＝５０％）が割り当てられている。そのため、単位期間内のどの瞬間においても４台中２台の燃料電池スタック１２が発電中である。第２発電ユニット１０１ｂにおいて、燃料電池スタック１２の運転時間は１２時間であり、休止時間は１２時間である。運転中の燃料電池スタック１２と休止中の燃料電池スタック１２との組み合わせは６時間ごとに切り替わる。

【0066】

図５（ｃ）に示すように、第３発電ユニット１０１ｃには第３の目標運転率Ｒ３（＝２５％）が割り当てられている。そのため、単位期間内のどの瞬間においても４台中１台の燃料電池スタック１２が発電中である。第３発電ユニット１０１ｃにおいて、燃料電池スタック１２の運転時間は６時間であり、休止時間は１８時間である。運転中の燃料電池スタック１２と休止中の燃料電池スタック１２との組み合わせは６時間ごとに切り替わる。

【0067】

燃料システム１００において、要求電力（６ｋＷ）を生成することができる必要最小限の台数（図５の例では６台）の燃料電池スタック１２が同時に運転されている。

【0068】

２４時間の単位期間において、第３発電ユニット１０１ｃの燃料電池スタック１２の運転時間は、第１発電ユニット１０１ａの燃料電池スタック１２の運転時間の１／３倍である。第２発電ユニット１０１ｂの燃料電池スタック１２の運転時間は、第１発電ユニット１０１ａの燃料電池スタック１２の運転時間の２／３倍である。

【0069】

したがって、第２発電ユニット１０１ｂの燃料電池スタック１２の使用可能期間Ｔ２は、第１発電ユニット１０１ａの燃料電池スタック１２の使用可能期間Ｔ１の１．５倍である。第３発電ユニット１０１ｃの燃料電池スタック１２の使用可能期間Ｔ３は、第１発電ユニット１０１ａの燃料電池スタック１２の使用可能期間Ｔ１の３倍である。このように、目標運転率によって使用可能期間を設定することができる。

【0070】

次に、ステップＳ４において、目標運転率Ｒ１，Ｒ２又はＲ３を達成するように、各燃料電池スタック１２の運転を制御する。

【0071】

制御部１４０は、ステップＳ５において停止指示を受け取ると、ステップＳ６において、全ての燃料電池スタック１２を停止させる。

【0072】

一方、ステップＳ７において、全体目標運転率Ｒ０の変更の有無を判断する。全体目標運転率Ｒ０は、例えば、要求電力の変化などに応じて制御部１４０に入力される。

【0073】

全体目標運転率Ｒ０が変更された場合、ステップＳ８において、制御部１４０は、目標運転率Ｒ１，Ｒ２及びＲ３を再設定する。詳細には、変更後の全体目標運転率Ｒ０が達成され、かつ、燃料電池スタック１２の交換時期が発電ユニットごとに分散するように、発電ユニット１０１ａから１０１ｃにおける燃料電池スタック１２の目標運転率Ｒ１，Ｒ２及びＲ３が設定される。

【0074】

その後、再設定された目標運転率Ｒ１，Ｒ２及びＲ３を達成するように燃料電池スタック１２の運転が制御される（ステップＳ４）。

【0075】

本実施の形態によれば、燃料電池スタック１２の交換時期を発電ユニット１０１ａ，１０１ｂ及び１０１ｃごとに分散させることができる。そのため、同時期に交換するべき燃料電池スタック１２の台数を削減できる。結果として、燃料電池スタック１２の交換時における燃料電池システム１００の発電出力の低下を抑制できる。

【0076】

［１－３．目標運転率の他の決定方法］
目標運転率は、発電ユニット１０１ａから１０１ｃのそれぞれに属する燃料電池スタック１２の台数以外の基準に基づいて決定されてもよい。例えば、燃料電池スタック１２の所望の交換時期に基づいて目標運転率を算出し、算出した目標運転率を発電ユニットのそれぞれに割り当てることができる。

【0077】

まず、全体目標運転率Ｒ０が５０％であり、燃料電池スタック１２の最初の交換時期が５年後であり、５年周期で燃料電池スタック１２の交換が行われるように複数の目標運転率を算出する。全体目標運転率Ｒ０は、要求電力に応じて決定される。

【0078】

説明のための計算を簡素化するために、目標運転率Ｒが５０％のときの燃料電池スタック１２の使用可能期間Ｔが１５年であるとみなす。この場合、燃料電池スタック１２は、１５×３６５×２４×０．５＝６５７００（時間）の運転可能時間を有する。

【0079】

目標運転率Ｒが５０％であり、かつ燃料電池スタック１２の使用可能期間Ｔが１５年であるとき、この目標運転率Ｒを第１の目標運転率Ｒ１として採用できる（下記条件１）。

【0080】

次に、全体目標運転率Ｒ０が５０％、かつ、燃料電池スタック１２の交換時期が５年周期の条件を満たすには、第２の目標運転率Ｒ２は、５０％未満であることが求められる（下記条件２）。その場合の使用可能期間Ｔは、２０年、２５年、３０年、又はそれ以上の５の倍数の年数のいずれかである。同様に、第３の目標運転率Ｒ３は、５０％より大きいことが求められる（下記条件３）。その場合の使用可能期間Ｔは、５年又は１０年である。

【0081】

ここで、第１の目標運転率Ｒ１が適用される燃料電池スタック１２の使用可能期間Ｔを使用可能期間Ｔ１と定義する。第２の目標運転率Ｒ２が適用される燃料電池スタック１２の使用可能期間Ｔを使用可能期間Ｔ２と定義する。第３の目標運転率Ｒ３が適用される燃料電池スタック１２の使用可能期間Ｔを使用可能期間Ｔ３と定義する。第２の目標運転率Ｒ２が適用される燃料電池スタック１２の台数Ｍ２のうち、単位期間中のある瞬間に運転状態にある燃料電池スタック１２の台数がＭ２’で表される。第３の目標運転率Ｒ３が適用される燃料電池スタック１２の台数Ｍ３のうち、単位期間中のある瞬間に運転状態にある燃料電池スタック１２の台数がＭ３’で表される。ｍ及びｎは、それぞれ、整数の定数である。ｍ及びｎによって、使用可能期間Ｔ２及びＴ３が５の倍数の年数であることが理解される。

【0082】

条件（１）から（３）の下、下記式（２）から（７）を解くと、ｍ＝２、ｎ＝６、Ｍ１＝４、Ｍ２＝４、Ｍ２’＝１、Ｍ３＝４、Ｍ３’＝３、Ｒ２＝２５、Ｒ３＝７５、Ｔ２＝１０、Ｔ３＝３０が求められる。

【0083】

（条件１）
Ｒ１＝５０（％）
Ｔ１＝１５（年）

【0084】

（条件２）
Ｒ２＜５０（％）

【0085】

（条件３）
１００（％）＞Ｒ３＞５０（％）

【0086】

Ｔ２＝Ｔ１・Ｒ１／Ｒ２＝５ｍ＜１５・・・（２）

【0087】

Ｔ３＝Ｔ１・Ｒ１／Ｒ３＝５ｎ＞１５・・・（３）

【0088】

Ｍ２’／Ｍ２＝Ｒ２・・・（４）

【0089】

１≦Ｍ２’＜Ｍ２・・・（５）

【0090】

Ｍ３’／Ｍ３＝Ｒ３・・・（６）

【0091】

１≦Ｍ３’＜Ｍ３・・・（７）

【0092】

よって、第１の目標運転率Ｒ１（５０％）が割り当てられる燃料電池スタック１２の台数は４台である。第２の目標運転率Ｒ２（２５％）が割り当てられる燃料電池スタック１２の台数は４台である。第３の目標運転率Ｒ３（７５％）が割り当てられる燃料電池スタック１２の台数は４台である。第１の目標運転率Ｒ１（５０％）が割り当てられた複数の燃料電池スタック１２を「第１群に属する燃料電池スタック」と表記する。第２の目標運転率Ｒ２（２５％）が割り当てられた複数の燃料電池スタック１２を「第２群に属する燃料電池スタック」と表記する。第３の目標運転率Ｒ３（７５％）が割り当てられた複数の燃料電池スタック１２を「第３群に属する燃料電池スタック」と表記する。

【0093】

第１群に属する燃料電池スタック１２は１５年ごとに交換時期を迎える。第３群に属する燃料電池スタック１２は１０年ごとに交換時期を迎える。第２群に属する燃料電池スタック１２は３０年ごとに交換時期を迎える。

【0094】

具体的には、燃料電池システム１００の運用開始時点から１０年後、第３群に属する燃料電池スタック１２の１回目の交換が必要である。更にその５年後、第１群に属する燃料電池スタック１２の１回目の交換が必要である。更にその５年後、第３群に属する燃料電池スタック１２の２回目の交換が必要である。更にその１０年後、第３群に属する燃料電池スタック１２の３回目の交換、第１群に属する燃料電池スタック１２の２回目の交換、及び、第２群に属する燃料電池スタック１２の１回目の交換が必要である。

【0095】

上記の例によれば、全ての燃料電池スタック１２の交換が重なる時期は、燃料電池システム１００の運用開始時点から３０年後である。３０年後には燃料電池システム１００の全体の刷新が必要である。そのため、燃料電池スタック１２の交換時における燃料電池システム１００の発電出力の低下について実質的に考慮する必要がない。

【0096】

本実施の形態によれば、燃料電池スタック１２の交換を５年周期、かつ５の倍数の周期で計画的に実施できる。また、全ての燃料電池スタック１２を同時期に交換する必要がない。一部の燃料電池スタック１２のみを交換することによって、燃料電池スタック１２の交換時における燃料電池システム１００の発電出力の低下を抑制できる。

【0097】

図６は、第１群から第３群に属する燃料電池スタック１２の単位期間における発電計画を示すタイミングチャートである。単位期間は２４時間である。詳細には、図６（ａ）は、第３群に属する燃料電池スタック１２の発電計画を示している。図６（ｂ）は、第１群に属する燃料電池スタック１２の発電計画を示している。図６（ｃ）は、第２群に属する燃料電池スタック１２の発電計画を示している。図６（ａ）から（ｃ）のそれぞれにおいて、４つの棒グラフは、それぞれ、４台の燃料電池スタック１２の発電期間を示している。空白の期間は、休止期間である。第１群－１、第１群－２、第１群－３、及び、第１群－４の表記は、それぞれ、第１群に属する燃料電池スタック１２を表す。このことは、第２群及び第３群の表記にも適用される。

【0098】

また、燃料電池スタック１２の交換時期を決定する方法としては、以下の方法も挙げられる。以下の方法では、第１の目標運転率Ｒ１が割り当てられる燃料電池スタック１２の使用可能期間Ｔ１と第２の目標運転率Ｒ２が割り当てられる燃料電池スタック１２の使用可能期間Ｔ２との間の期間の長さが、第２の目標運転率Ｒ２が割り当てられる燃料電池スタック１２の使用可能期間Ｔ２と第３の目標運転率Ｒ３が割り当てられる燃料電池スタック１２の使用可能期間Ｔ３との間の期間の長さに等しい。この場合の目標運転率Ｒ１，Ｒ２及びＲ３の算出方法を以下に説明する。

【0099】

例えば、燃料電池スタック１２を連続使用した場合の使用可能期間が１０年であると仮定する。運転可能時間は、１０×２４×３６５＝８７６００（時間）である。使用可能期間Ｔ１が１５年、使用可能期間Ｔ２が１８年、使用可能期間Ｔ３が２１年となるように、目標運転率Ｒ１，Ｒ２及びＲ３が定められる。使用可能期間Ｔ１，Ｔ２及びＴ３の間の期間は３年である。

【0100】

使用可能期間Ｔ１，Ｔ２及びＴ３から、目標運転率Ｒ１，Ｒ２及びＲ３は、下記式（８）（９）（１０）を用いて算出される。

【0101】

１００・１０／Ｔ１＝Ｒ１・・・（８）
１００・１０／Ｔ２＝Ｒ２・・・（９）
１００・１０／Ｔ３＝Ｒ３・・・（１０）

【0102】

使用可能期間Ｔ１が１５年であり、使用可能期間Ｔ２が１８年であり、使用可能期間Ｔ３が２１年であるとき、目標運転率Ｒ１，Ｒ２及びＲ３は、それぞれ、６７％、５６％及び４８％となる。

【0103】

また、第１の目標運転率Ｒ１が割り当てられる燃料電池スタック１２の群を第１群と定義する。第１群に属する燃料電池スタック１２の台数がＮ１（台）で表される。第１群に属する燃料電池スタック１２のうち、単位期間中のある瞬間に運転状態にある燃料電池スタック１２の台数がＮ１’で表される。第２の目標運転率Ｒ２が割り当てられる燃料電池スタック１２の群を第２群と定義する。第２群に属する燃料電池スタック１２の台数がＮ２で表される。第２群に属する燃料電池スタック１２のうち、単位期間中のある瞬間に運転状態にある燃料電池スタック１２の台数がＮ２’で表される。第３の目標運転率Ｒ３が割り当てられる燃料電池スタック１２の群を第３群と定義する。第３群に属する燃料電池スタック１２の台数がＮ３で表される。第３群に属する燃料電池スタック１２のうち、単位期間中のある瞬間に運転状態にある燃料電池スタック１２の台数がＮ３’で表される。これらの条件の下、下記式（１１）（１２）及び（１３）が成り立つ。

【0104】

１００・Ｎ１’／Ｎ１＝Ｒ１・・・（１１）
１００・Ｎ２’／Ｎ２＝Ｒ２・・・（１２）
１００・Ｎ３’／Ｎ３＝Ｒ３・・・（１３）

【0105】

式（８）から（１３）を用い、Ｎ１からＮ３及びＮ１’からＮ３’の最小の整数値として、Ｎ１＝３（台）、Ｎ２＝９（台）、Ｎ３＝２（台）、Ｎ１’＝２（台）、Ｎ２’＝５（台）、Ｎ３’＝１（台）が求められる。

【0106】

目標運転率Ｒ１，Ｒ２及びＲ３が決まっているため、Ｎ１’からＮ３’の値は、Ｎ１からＮ３の値が決まれば自動的に決まる。実際の燃料電池システムにおけるＮ１からＮ３の値は、燃料電池システムの発電能力、各群の間で許容される燃料電池スタック１２の台数の差、燃料電池システムに搭載できる燃料電池スタック１２の台数に応じて決めることができる。

【0107】

例えば、単一の燃料電池スタック１２の単位期間あたりの発電量が１００ｋＷｈであり、燃料電池スタック１２の交換時期を除いて単位期間あたり最低１６００ｋＷｈの総発電量が燃料電池システム１００に要求されると仮定する。この場合、Ｎ１＝６（台）、Ｎ２＝９（台）、Ｎ３＝６（台）の値を設定することによって、上記式（１１）（１２）及び（１３）から、Ｎ１’＝４（台）、Ｎ２’＝５（台）、Ｎ３’＝３（台）が求められる。したがって、単位期間あたりの総発電量が１７００ｋＷｈを達するように、燃料電池スタック１２の台数を決めることができる。

【0108】

このように、使用可能期間Ｔ３を決定し、決定した使用可能期間Ｔ３に基づいて目標運転率及び必要な燃料電池スタック１２の台数を算出することができる。

【0109】

図７は、第１群から第３群に属する燃料電池スタック１２の単位期間における発電計画を示すタイミングチャートである。単位期間は２４時間である。詳細には、図７（ａ）は、第１群に属する燃料電池スタック１２の発電計画を示している。図７（ｂ）は、第２群に属する燃料電池スタック１２の発電計画を示している。図７（ｃ）は、第３群に属する燃料電池スタック１２の発電計画を示している。図７（ａ）から（ｃ）において、４つの棒グラフは、それぞれ、４台の燃料電池スタック１２の発電期間を示している。空白の期間は、休止期間である。第１群－１、第１群－２、第１群－３、第１群－４、第１群－５、及び、第１群－６の表記は、それぞれ、第１群に属する燃料電池スタック１２を表す。このことは、第２群及び第３群の表記にも適用される。

【0110】

［１－４．効果等］
以上のように、燃料電池システム１００において、制御部１４０は、複数の燃料電池スタック１２が複数の目標運転率Ｒ１，Ｒ２及びＲ３を達成するように、複数の燃料電池スタック１２の運転を制御する。

【0111】

複数の目標運転率Ｒ１，Ｒ２及びＲ３が設定されることによって、燃料電池スタック１２の使用可能期間に差が生じる。燃料電池スタック１２の交換時期が同時期に集中することを回避できる。使用可能期間が経過した燃料電池スタック１２の交換作業を進めながら、残りの燃料電池スタック１２の運転を行うことができる。したがって、燃料電池スタック１２の交換時における燃料電池システム１００の発電出力の低下を抑制することができる。

【0112】

また、本実施の形態において、複数の燃料電池スタック１２は、同一の目標運転率を達成するように制御される２台以上の燃料電池スタック１２を含んでいてもよい。

【0113】

これにより、同時期に２台以上の燃料電池スタック１２の交換時期が到来するので、燃料電池スタック１２の交換作業の回数を減らすことができる。

【0114】

また、本実施の形態において、同一の目標運転率を達成するように制御される複数の燃料電池スタック１２の群を発電ユニットと定義したとき、複数の発電ユニット１０１ａ，１０１ｂ及び１０１ｃが存在してもよい。複数の発電ユニット１０１ａ，１０１ｂ及び１０１ｃのそれぞれにおける燃料電池スタックの台数は、複数であってもよい。複数の発電ユニット１０１ａ，１０１ｂ及び１０１ｃ間における燃料電池スタック１２の台数の差が１以下であってもよい。

【0115】

これにより、特定の交換時期に交換すべき燃料電池スタック１２の台数と他の交換時期に交換すべき燃料電池スタック１２の台数とが略一致する。そのため、燃料電池スタック１２の交換時における燃料電池システム１００の発電出力の低下も概ね等しい。

【0116】

また、本実施の形態において、目標運転率は、燃料電池スタック１２の交換時期、及び、同一の目標運転率を達成するように制御される燃料電池スタック１２の台数から選ばれる少なくとも１つを用いて算出されうる。

【0117】

これにより、燃料電池スタック１２の交換を計画的に実施することができる。

【0118】

（実施の形態２）
実施の形態２は、実際の運転率を目標運転率に近づけるための技術を提供する。

【0119】

［２－１．動作］
制御部１４０は、所定期間における燃料電池システム１００の運転率α、及び、所定期間における各燃料電池スタック１２の運転率ξを逐次算出して記憶する。所定期間は、例えば、燃料電池システム１００の運用開始時点から１年後までの期間（１年間）である。１年の期間には、発電期間と休止期間とが含まれる。

【0120】

燃料電池システム１００の運転率αは、下記の式（１４）に基づいて算出される。

【0121】

α＝Ｗ１／Ｗ０・・・（１４）
Ｗ１：所定期間における燃料電池システム１００の累積発電量
Ｗ０：全ての燃料電池スタック１２が所定期間の全期間にわたって運転したと仮定したときの燃料電池システム１００の累積発電量

【0122】

各燃料電池スタック１２の運転率ξは、下記式（１５）に基づいて算出される。

【0123】

ξ＝ｗ１／ｗ０＝ｔ１／ｔ０・・・（１５）
ｗ１：所定期間における燃料電池スタック１２の累積発電量
ｗ０：燃料電池スタック１２が所定期間の全期間にわたって運転したと仮定したときの当該燃料電池スタック１２の累積発電量
ｔ１：所定期間における燃料電池スタック１２の累積発電時間
ｔ０：所定期間における燃料電池スタック１２の累積発電時間と累積休止時間との合計

【0124】

発電計画に沿って各燃料電池スタック１２が運転され、これにより、燃料電池システム１００が必要な電力を生成する。発電計画が決まれば、結果として運転率αも決まる。言い換えれば、運転率αは、発電計画を実現するための運転比率である。

【0125】

ここで、要求電力は、常に一定とは限らず、時間とともに変化することがある。例えば、電力負荷が工場の設備であることを想定すると、要求電力に極端な変化はないが、日々の小さい変化はありうる。

【0126】

要求電力に応じて発電計画が日々変化すると、燃料電池システム１００の運用開始時点から日が浅い段階では、運転率αも日々変化する。ただし、運用開始時点から一定期間（例えば１年）が経過すると、運転率αは一定の値に収束する。運転率αが一定値に収束する段階においては、当日に算出される運転率αは、次の日に算出される運転率αに概ね等しい。この運転率αは、全ての燃料電池スタック１２の平均の目標運転率Ｒに設定されうる。

【0127】

例えば、燃料電池システム１００の運転率αが５０％のとき、燃料電池スタック１２の平均の目標運転率Ｒも５０％である。燃料電池システム１００が３０台の燃料電池スタック１２を有し、３０台の燃料電池スタック１２をＡ群、Ｂ群、Ｃ群の３つの群に１０台ずつ分けると仮定する。この場合、Ａ群の目標運転率Ｒ_Aが７５％、Ｂ群の目標運転率Ｒ_Bが５０％、及び、Ｃ群の目標運転率Ｒ_Cが２５％に設定されうる。Ａ群は、実施の形態１における第１発電ユニット１０１ａに対応する。Ｂ群は、実施の形態１における第２発電ユニット１０１ｂに対応する。Ｃ群は、実施の形態１における第３発電ユニット１０１ｃに対応する。

【0128】

Ａ群に属するｎ号機の燃料電池スタック１２の運転率ξ_Anは、下記式（１６）によって表される。

【0129】

運転率ξ_An＝Ｔ１_An／Ｔ０_An・・・（１６）
Ｔ１_An：Ａ群のｎ号機の燃料電池スタック１２の累積発電時間
Ｔ０_An：Ａ群のｎ号機の燃料電池スタック１２の累積発電時間と累積休止時間との合計
ｎ：１から１０の整数

【0130】

運転率ξ_Anが目標運転率Ｒ_Aに一致することが理想である。しかし、実際には日々の要求電力の変化に合わせて燃料電池スタック１２は発電したりしなかったりする。そのため、運転率ξ_Anと目標運転率Ｒ_Aとの間に差が生じる。運転率ξ_Anと目標運転率Ｒ_Aとの間の差は、下記式（１７）の運転率一致度γ_Anで表すことができる。

【0131】

γ_An＝ξ_An／Ｒ_A・・・（１７）

【0132】

理想と現実とが一致すれば運転率一致度γは「１」である。そのため、Ａ群の燃料電池スタック１２の運転率一致度γ_A1，γ_A2・・・γ_A10のそれぞれが「１」に収束することが望ましい。運転率一致度γが１未満のとき、該当する燃料電池スタック１２の運転率は目標値よりも低い。運転率一致度γが１より大きいとき、該当する燃料電池スタック１２の運転率は目標値よりも高い。

【0133】

同様に、Ｂ群及びＣ群においても、運転率一致度γ_Bn及びγ_Cnを算出することができる。運転率一致度γ_Bn及びγ_Cnのそれぞれの値も「１」に収束することが望ましい。

【0134】

上記の運転率一致度γ_An，γ_Bn及びγ_Cnは、優先的に運転する燃料電池スタック１２を選定するときに使用されうる。運転率一致度γ_An，γ_Bn及びγ_Cnは、優先的に休止させる燃料電池スタック１２を選定するときにも使用されうる。制御部１４０は、目標運転率Ｒに対する実際の運転率ξの比率を表す運転率一致度γに応じて、複数の燃料電池スタック１２において優先的に運転する及び／又は休止させる燃料電池スタック１２を決定する。

【0135】

例えば、燃料電池システム１００が発電計画に従って一定の発電出力を維持しているときに要求電力が増加すると、新たに発電する燃料電池スタック１２を選定する必要がある。この場合、制御部１４０は、休止状態にある燃料電池スタック１２の中から少なくとも１台の燃料電池スタック１２を選んで起動させる。一例において、制御部１４０は、複数の燃料電池スタック１２の中から運転するべき燃料電池スタック１２を選ぶとき、運転率一致度γが小さい燃料電池スタック１２を優先的に運転させる。つまり、計画通りの発電期間に達する前に特定の燃料電池スタック１２を運転させる。

【0136】

運転率一致度γの小さい燃料電池スタック１２を選定するとき、Ａ群に属する燃料電池スタック１２の中で最も小さい運転率一致度γを有する燃料電池スタック１２を選んでもよい。同様に、Ｂ群に属する燃料電池スタック１２の中で最も小さい運転率一致度γを有する燃料電池スタック１２を選んでもよい。Ｃ群に属する燃料電池スタック１２の中で最も小さい運転率一致度γを有する燃料電池スタック１２を選んでもよい。つまり、優先的に運転する燃料電池スタック１２が群単位で選定されうる。

【0137】

ただし、Ａ群、Ｂ群及びＣ群に属する全ての燃料電池スタック１２の中から最も小さい運転率一致度γを有する燃料電池スタックを選定してもよい。例えば、制御部１４０は、複数の燃料電池スタック１２の中から運転するべき燃料電池スタック１２を選ぶとき、Ａ群に属する複数の燃料電池スタック１２、Ｂ群に属する複数の燃料電池スタック１２、及び、Ｃ群に属する複数の燃料電池スタック１２の中から運転率一致度γが最も小さい燃料電池スタック１２を選んで優先的に運転させる。

【0138】

一方、燃料電池システム１００が計画通りに一定の発電出力を維持しているときに要求電力が減少すると、新たに休止する燃料電池スタック１２を選定する必要がある。この場合、制御部１４０は、運転状態にある燃料電池スタック１２の中から少なくとも１台の燃料電池スタック１２を選んで休止させる。一例において、複数の燃料電池スタック１２が運転中であり、かつ、電力需要が減少したとき、制御部１４０は、運転率一致度γが大きい燃料電池スタック１２を優先的に休止させる。つまり、発電計画通りの休止期間に達する前に特定の燃料電池スタック１２を休止させる。

【0139】

運転率一致度γの大きい燃料電池スタック１２を選定するとき、Ａ群に属する燃料電池スタック１２の中で最も大きい運転率一致度γを有する燃料電池スタック１２を選んでもよい。同様に、Ｂ群に属する燃料電池スタック１２の中で最も大きい運転率一致度γを有する燃料電池スタック１２を選んでもよい。Ｃ群に属する燃料電池スタック１２の中で最も大きい運転率一致度γを有する燃料電池スタック１２を選んでもよい。つまり、優先的に休止する燃料電池スタック１２が群単位で選定されうる。

【0140】

ただし、Ａ群、Ｂ群及びＣ群に属する全ての燃料電池スタック１２の中から最も大きい運転率一致度γを有する燃料電池スタックを選定してもよい。例えば、複数の燃料電池スタック１２が運転中であり、かつ、電力需要が減少したとき、制御部１４０は、Ａ群に属する複数の燃料電池スタック１２、Ｂ群に属する複数の燃料電池スタック１２、及び、Ｃ群に属する複数の燃料電池スタック１２の中から運転率一致度γが最も大きい燃料電池スタック１２を選んで優先的に休止させる。

【0141】

制御部１４０は、小さい運転率一致度γを有する燃料電池スタック１２の運転を優先し、大きい運転率一致度γを有する燃料電池スタック１２の休止を優先する。最終的には、運転率ξの平均値が目標運転率Ｒに収束する。運転率一致度γの平均値が１に収束する。結果として、意図する運転が可能となる。

【0142】

なお、各群の燃料電池スタック１２の台数が同一であることは必須ではない。例えば、Ａ群に９台、Ｂ群に１０台、Ｃ群に１１台のように、各群の燃料電池スタック１２の台数が異なっていてもよい。

【0143】

［２－２．効果等］
以上のように、本実施の形態において、制御部１４０は、目標運転率Ｒに対する実際の運転率の比率ξを表す運転率一致度γに応じて、複数の燃料電池スタック１２において優先的に運転する及び／又は休止させる燃料電池スタック１２を決定する。

【0144】

これにより、燃料電池システム１００に求められる発電出力を満たしながら、燃料電池スタック１２の実際の運転率を目標運転率に近づけることができる。その結果、燃料電池スタック１２の交換時期を合わせることができるので、燃料電池スタック１２の交換時における燃料電池システム１００の発電出力の低下を抑制できる。

【0145】

また、本実施の形態において、制御部１４０は、複数の燃料電池スタック１２の中から運転するべき燃料電池スタック１２を選ぶとき、運転率一致度γが小さい燃料電池スタック１２を優先的に運転させてもよい。

【0146】

また、本実施の形態において、同一の目標運転率を達成するように制御される複数の燃料電池スタック１２の群を発電ユニットと定義したとき、複数の発電ユニット１０１ａ，１０１ｂ及び１０１ｃが存在してもよい。制御部１４０は、複数の燃料電池スタック１２の中から運転するべき燃料電池スタック１２を選ぶとき、複数の発電ユニット１０１ａ，１０１ｂ及び１０１ｃに属する複数の燃料電池スタック１２の中から運転率一致度γが最も小さい燃料電池スタック１２を選んで優先的に運転させてもよい。

【0147】

また、本実施の形態において、複数の燃料電池スタック１２が運転中であり、かつ、電力需要が減少したとき、制御部１４０は、運転率一致度γが大きい燃料電池スタック１２を優先的に休止させてもよい。

【0148】

また、本実施の形態において、複数の燃料電池スタック１２が運転中であり、かつ、電力需要が減少したとき、制御部１４０は、複数の発電ユニット１０１ａ，１０１ｂ及び１０１ｃに属する複数の燃料電池スタック１２の中から運転率一致度γが最も大きい燃料電池スタック１２を選んで優先的に休止させてもよい。

【0149】

以上の態様によれば、燃料電池スタック１２の実際の運転率ξのバラつきを抑えることができる。つまり、複数の燃料電池スタック１２の劣化を均一化できる。

【0150】

（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１及び２を説明した。ただし、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態１及び２で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。

【0151】

そこで、以下、他の実施の形態を例示する。

【0152】

本実施の形態では、同一の発電ユニットに属する燃料電池スタック１２に同一の目標運転率が設定される。ただし、このことは必須ではない。発電ユニットは、それぞれ少なくとも１台の燃料電池スタック１２を含む複数の群を含んでいてもよく、各群に互いに異なる目標運転率が割り当てられてもよい。また、複数の群は、複数の発電ユニットにまたがって設定されてもよく、各群に互いに異なる目標運転率が割り当てられてもよい。

【0153】

これにより、燃料電池システム１００の設計の自由度を高めることができる。

【0154】

特定の発電ユニットに属する燃料電池スタック１２の台数は、他の発電ユニットに属する燃料電池スタック１２の台数と異なることがある。例えば、燃料電池スタック１２の全台数が７台であるとき、２台の燃料電池スタック１２に第１の目標運転率Ｒ１が割り当てられ、他の２台の燃料電池スタック１２に第２の目標運転率Ｒ２が割り当てられ、残りの３台の燃料電池スタック１２に第３の目標運転率Ｒ３が割り当てられてもよい。この場合、第１発電ユニットに属する燃料電池スタック１２の台数が２台であり、第２発電ユニットに属する燃料電池スタック１２の台数が２台であり、第３発電ユニットに属する燃料電池スタック１２の台数が３台である。

【0155】

また、複数の燃料電池スタック１２のそれぞれの交換時期を先に決定し、それらの交換時期に燃料電池スタック１２の使用可能期間が経過するように目標運転率が設定されてもよい。

【0156】

これにより、交換時期を先に任意で決定することができるので、使用者の計画に合わせて燃料電池システム１００を運転することが可能となる。

【0157】

また、特定の燃料電池スタック１２に割り当てられる目標運転率は、単位期間における、燃料電池システム１００の全発電能力に対する特定の燃料電池スタック１２の発電能力の比率を用いて算出されてもよい。

【0158】

これにより、各交換時期において発電出力の低下のばらつきを考慮に入れて目標運転率が設定されうる。このことは、特に、燃料電池スタック１２の交換中に発電出力のばらつきを抑制するように燃料電池システムを運転する場合に有効である。

【0159】

制御部１４０は、発電ユニット１０１ａから１０１ｃを制御できる限り特に限定されない。発明の主題を表現する際に、発電ユニット１０１ａから１０１ｃを制御する装置を、制御部１４０の他にも、制御手段又はそれらに類似する文言で表記する場合がある。制御部１４０は様々な態様で実現可能である。

【0160】

例えば、制御部１４０としてプロセッサを用いてもよい。制御部１４０としてプロセッサを用いれば、プログラムを格納している記憶媒体からプログラムをプロセッサに読み込ませ、プロセッサによりプログラムを実行することで、各種処理を実行することが可能となる。記憶媒体に格納されたプログラムを変更することで処理内容を変更できるので、制御内容の変更の自由度を高めることができる。プロセッサとしては、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、及び、ＭＰＵ（Micro-Processing Unit）などがある。記憶媒体としては、例えば、ハードディスク、フラッシュメモリ、及び、光ディスクなどがある。

【0161】

また、制御部１４０として、プログラムの書き換えが不可能なワイヤードロジックを用いてもよい。制御部１４０としてワイヤードロジックを用いれば、処理速度の向上に有効である。ワイヤードロジックとしては、例えば、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などがある。

【0162】

また、制御部１４０として、プロセッサとワイヤードロジックとの組み合わせを用いてもよい。プロセッサとワイヤードロジックとを組み合わせて制御部１４０を実現すれば、ソフトウェア設計の自由度を高めつつ、処理速度を向上させることができる。また、制御部１４０と、制御部１４０と別の機能を有する回路とを、１つの半導体素子で構成してもよい。別の機能を有する回路としては、例えば、Ａ／Ｄ・Ｄ／Ａ変換回路などがある。また、制御部１４０は、１つの半導体素子で構成してもよいし、複数の半導体素子で構成してもよい。複数の半導体素子で制御部１４０を構成する場合、特許請求の範囲に記載の各制御を、互いに異なる半導体素子で実現してもよい。さらに、半導体素子と抵抗又はコンデンサなどの受動部品とを含む構成によって制御部１４０を構成してもよい。

【0163】

通信回路１４１は、制御部１４０と発電ユニット１０１ａから１０１ｃとの通信を可能にするものである限り特に限定されない。発明の主題を表現する際に、制御部１４０と発電ユニット１０１ａから１０１ｃとの通信を可能にする回路を、通信回路１４１の他にも、コミュニケータ、通信部、送受信手段、送受信部又はそれらに類似する文言で表記する場合がある。

【0164】

通信回路は様々な態様で実現可能である。例えば、通信回路は、制御部１４０と発電ユニット１０１ａから１０１ｃとを有線で接続するように構成されていてもよく、制御部１４０と発電ユニット１０１ａから１０１ｃとを無線で接続するように構成されていてもよい。制御部１４０と発電ユニット１０１ａから１０１ｃとが有線で接続される場合、通信のセキュリティ性、及び、通信の安定性が向上する。

【0165】

有線接続の通信回路としては、例えば、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（イーサネット：登録商標）規格に基づく有線ＬＡＮ、又は、光ファイバーケーブルを用いた有線接続などがある。

【0166】

無線接続の通信回路としては、基地局等の外部機器を介して無線接続する回路、制御部１４０と発電ユニット１０１ａから１０１ｃとを直接無線接続する回路などがある。基地局等を介しての制御部１４０と発電ユニット１０１ａから１０１ｃとの無線接続としては、例えば、ＷｉＦｉ（ワイファイ：登録商標）ルータと無線通信するＩＥＥＥ８０２．１１対応の無線ＬＡＮ、第３世代移動通信システム（通称３Ｇ）、第４世代移動通信システム（通称４Ｇ）、ＩＥＥＥ８０２．１６対応のＷｉＭａｘ（ワイマックス：登録商標）、ＬＰＷＡ（Low Power Wide Area）などがある。

【0167】

通信回路１４１として、制御部１４０と発電ユニット１０１ａから１０１ｃとを直接無線接続する通信回路を用いれば、通信のセキュリティ性の向上に有効である。また、ＷｉＦｉ（ワイファイ：登録商標）ルータなどの中継機器が存在しない場所でも、燃料電池システム１００と外部機器との通信が可能となる。制御部１４０と発電ユニット１０１ａから１０１ｃとを直接無線接続する通信回路としては、例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（ブルートゥース：登録商標）による通信、ループアンテナを介したＮＦＣ（Near Field Communication）による通信、赤外線通信などがある。

【0168】

なお、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲又はその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

【産業上の利用可能性】

【0169】

本開示は、複数の燃料電池スタックを備えた燃料電池システムに適用可能である。本開示は、１台以上の燃料電池スタックを含む発電ユニットを３台以上備えた燃料電池システムに特に有用である。

【符号の説明】

【0170】

１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ，１２ｇ，１２ｈ，１２ｉ，１２ｊ，１２ｋ，１２ｌ 燃料電池スタック
１３ 電装部品群
１４ 燃料ガス圧力調整部
１５ 燃料ガス供給経路
１６ エジェクタ
１７ 混合ガス供給経路
１８ 未反応燃料ガス循環経路
１９ 酸化剤ガス供給部
２０ 酸化剤ガス供給経路
１００ 燃料電池システム
１０１ａ 第１発電ユニット
１０１ｂ 第２発電ユニット
１０１ｃ 第３発電ユニット
１１０ 水素含有ガス供給源
１１１ 燃料ガス供給経路
１１２ ガス排出経路
１２１ アノード
１２２ カソード
１２３ 電解質膜
１３０ 送電回路
１３１ 電力負荷
１３２ スタック送電回路
１４０ 制御部
１４１ 通信回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】