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(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】P2024048393
(43)【公開日】2024-04-08
(54)【発明の名称】燃料電池発電装置及び燃料電池発電システム
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04858 20160101AFI20240401BHJP
H01M 8/04955 20160101ALI20240401BHJP
H01M 8/04303 20160101ALI20240401BHJP
H01M 8/04537 20160101ALI20240401BHJP
H02J 3/38 20060101ALI20240401BHJP
H02J 3/32 20060101ALI20240401BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04858
H01M8/04955
H01M8/04303
H01M8/04537
H02J3/38 170
H02J3/32
H02J3/38 180
【審査請求】有
【請求項の数】24
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023164821
(22)【出願日】2023-09-27
(31)【優先権主張番号】P 2022153948
(32)【優先日】2022-09-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(31)【優先権主張番号】P 2023067426
(32)【優先日】2023-04-17
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】000005234
【氏名又は名称】富士電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(72)【発明者】
【氏名】高橋 邦幸
(72)【発明者】
【氏名】高野 洋
(72)【発明者】
【氏名】中川 匡
(72)【発明者】
【氏名】糸川 和芳
【テーマコード（参考）】
5G066
5H127
【Ｆターム（参考）】
5G066HB07
5G066HB09
5G066JB03
5H127AA06
5H127AB14
5H127AB29
5H127AC05
5H127BA02
5H127BB02
5H127BB12
5H127BB37
5H127CC06
5H127DA15
5H127DA20
5H127DC43
5H127DC45
5H127DC46
5H127DC47
5H127DC48
5H127DC49
5H127DC96
(57)【要約】
【課題】略一定の電力供給を確保し、燃料電池の劣化を抑制する燃料電池発電装置及び制御方法を提供すること。
【解決手段】複数の燃料電池ユニットと、前記複数の燃料電池ユニットを制御する制御装置と、を備え、前記複数の燃料電池ユニットは、それぞれ、共通の出力線に接続される燃料電池を含み、前記制御装置は、前記出力線から外部への供給電力が略一定値に維持された状態で、複数の前記燃料電池の各出力電力を増減させる、燃料電池発電装置。
【選択図】図２６
【解決手段】複数の燃料電池ユニットと、前記複数の燃料電池ユニットを制御する制御装置と、を備え、前記複数の燃料電池ユニットは、それぞれ、共通の出力線に接続される燃料電池を含み、前記制御装置は、前記出力線から外部への供給電力が略一定値に維持された状態で、複数の前記燃料電池の各出力電力を増減させる、燃料電池発電装置。
【選択図】図２６
【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の燃料電池ユニットと、
前記複数の燃料電池ユニットを制御する制御装置と、を備え、
前記複数の燃料電池ユニットは、それぞれ、共通の出力線に接続される燃料電池を含み、
前記制御装置は、前記出力線から外部への供給電力が略一定値に維持された状態で、複数の前記燃料電池の各出力電力を変化させる、燃料電池発電装置。
前記複数の燃料電池ユニットを制御する制御装置と、を備え、
前記複数の燃料電池ユニットは、それぞれ、共通の出力線に接続される燃料電池を含み、
前記制御装置は、前記出力線から外部への供給電力が略一定値に維持された状態で、複数の前記燃料電池の各出力電力を変化させる、燃料電池発電装置。
【請求項2】
前記制御装置は、前記供給電力が前記略一定値に維持された状態で、前記各出力電力を周期的に変化させる、請求項１に記載の燃料電池発電装置。
【請求項3】
前記制御装置は、前記供給電力が前記略一定値に維持された状態で、前記各出力電力を位相が互いに異なる波形で変化させる、請求項２に記載の燃料電池発電装置。
【請求項4】
前記制御装置は、前記供給電力が前記略一定値に維持された状態で、前記各出力電力を階段状、三角波状、又は正弦波状に変化させる、請求項３に記載の燃料電池発電装置。
【請求項5】
前記制御装置は、前記供給電力が前記略一定値に維持された状態で、前記各出力電力を前記燃料電池の定格出力よりも低い電力値に制御する、請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池発電装置。
【請求項6】
前記制御装置は、前記供給電力が前記略一定値に維持された状態で、複数の前記燃料電池の一部の燃料電池の出力を低負荷状態にする、請求項５に記載の燃料電池発電装置。
【請求項7】
前記制御装置は、前記供給電力が前記略一定値に維持された状態で、複数の前記燃料電池のうち、一部の前記燃料電池の出力を低負荷状態にし、他の前記燃料電池の出力を定格出力の８０％以上１００％以下のいずれかの出力にする、請求項６に記載の燃料電池発電装置。
【請求項8】
前記制御装置は、前記各出力電力を前記定格出力よりも低い各固定値に制御する期間の後に、複数の前記燃料電池の一部の燃料電池の出力を低負荷状態にする、請求項６に記載の燃料電池発電装置。
【請求項9】
前記制御装置は、前記供給電力が前記略一定値に維持された状態で、前記燃料電池の特性を改善させるリフレッシュ運転を行う、請求項５に記載の燃料電池発電装置。
【請求項10】
前記制御装置は、前記各出力電力を、前記定格出力よりも低い各固定値から一定時間以上変化させる、請求項５に記載の燃料電池発電装置。
【請求項11】
前記制御装置は、複数の前記燃料電池の電圧を個別に一定時間以上低下させる、請求項５に記載の燃料電池発電装置。
【請求項12】
前記制御装置は、複数の前記燃料電池を個別に一定時間以上停止して、停止中の前記燃料電池の電圧を最低時間以上低下させる、請求項１１に記載の燃料電池発電装置。
【請求項13】
前記制御装置は、停止中の前記燃料電池のカソードの酸素を消費し、前記カソードの触媒に付着した不純物が脱離するまで、停止中の前記燃料電池の電圧を一定時間以上低下させる、請求項１２に記載の燃料電池発電装置。
【請求項14】
複数の前記燃料電池は、出力点を経由して前記出力線に接続され、
前記制御装置は、前記供給電力が前記略一定値に且つ前記出力点における電力が低負荷状態に維持されるように、複数の前記燃料電池の発電及び前記出力線に接続される蓄電池の放電を制御する、請求項５に記載の燃料電池発電装置。
前記制御装置は、前記供給電力が前記略一定値に且つ前記出力点における電力が低負荷状態に維持されるように、複数の前記燃料電池の発電及び前記出力線に接続される蓄電池の放電を制御する、請求項５に記載の燃料電池発電装置。
【請求項15】
前記制御装置は、前記燃料電池の出力電力を前記電力値よりも一定時間以上高くする、請求項５に記載の燃料電池発電装置。
【請求項16】
前記制御装置は、前記各出力電力を前記電力値よりも順に一定時間以上高くする、請求項１５に記載の燃料電池発電装置。
【請求項17】
前記制御装置は、前記燃料電池の出力電力を前記電力値よりも一定時間以上高くして、前記供給電力を前記略一定値よりも一定時間以上上昇させる、請求項１５に記載の燃料電池発電装置。
【請求項18】
前記制御装置は、前記燃料電池の出力電力と、前記出力線に接続される蓄電池からの放電電力とを合わせて、前記供給電力を前記略一定値よりも一定時間以上上昇させる、請求項１７に記載の燃料電池発電装置。
【請求項19】
前記制御装置は、前記各出力電力を前記定格出力よりも低い各固定値に制御する期間の後に、前記各出力電力を前記各固定値から一定時間以上変化させる、請求項５に記載の燃料電池発電装置。
【請求項20】
前記制御装置は、前記燃料電池の出力電力と、前記出力線に接続される蓄電池からの放電電力とを合わせて、前記供給電力を前記略一定値に維持する、請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池発電装置。
【請求項21】
前記燃料電池は、水素を燃料とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池発電装置。
【請求項22】
前記制御装置は、前記燃料電池の電圧が閾値に達すると、前記供給電力が前記略一定値に維持されるように、前記各出力電力を変化させる、請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池発電装置。
【請求項23】
前記制御装置は、複数の前記燃料電池のうち、一部の前記燃料電池を他の前記燃料電池から切り離し、前記供給電力が前記略一定値に維持されるように、前記他の前記燃料電池の出力電力を制御する、請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池発電装置。
【請求項24】
請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池発電装置を備え、
前記複数の燃料電池ユニットは、前記燃料電池と補機を各々有する複数の発電装置であり又は複数の前記発電装置に含まれるユニットであり、
前記制御装置は、
前記供給電力が略一定に維持されるように前記燃料電池の出力電力を変化させる指令を、複数の前記発電装置の各々に送信する第１制御装置と、
複数の前記発電装置の各々に設けられ、前記指令に従って前記補機を操作することで前記燃料電池の出力電力を変化させる第２制御装置と、を含む、燃料電池発電システム。
前記複数の燃料電池ユニットは、前記燃料電池と補機を各々有する複数の発電装置であり又は複数の前記発電装置に含まれるユニットであり、
前記制御装置は、
前記供給電力が略一定に維持されるように前記燃料電池の出力電力を変化させる指令を、複数の前記発電装置の各々に送信する第１制御装置と、
複数の前記発電装置の各々に設けられ、前記指令に従って前記補機を操作することで前記燃料電池の出力電力を変化させる第２制御装置と、を含む、燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、燃料電池発電装置及び燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【0002】
燃料電池の出力電力が目標電力となるように制御する電力制御モードと、当該燃料電池の出力電圧が目標電圧となるように制御する電圧制御モードとで、制御モードの切換が可能な燃料電池の出力制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】国際公開第２０１３／０６５１３２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
燃料電池車用の発電装置では、負荷の変動による出力電力の変動が大きいのに対し、定置用などの発電装置では、上述の電力制御モードのように、一定の出力電力で発電することが求められる場合がある。
【0005】
しかしながら、燃料電池の出力電力が一定の場合、燃料電池のセル面内の湿度分布に偏りが発生し、燃料電池の劣化が促進するおそれがある。例えば、セル面内の湿度分布の偏りにより有効反応面積が低下すると、電流密度が上昇し、電流密度が上昇した部位における電解質膜の劣化が促進するおそれがある。
【0006】
本開示は、略一定の電力供給を確保し、燃料電池の劣化を抑制する燃料電池発電装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本開示の一態様として、
複数の燃料電池ユニットと、
前記複数の燃料電池ユニットを制御する制御装置と、を備え、
前記複数の燃料電池ユニットは、それぞれ、共通の出力線に接続される燃料電池を含み、
前記制御装置は、前記出力線から外部への供給電力が略一定値に維持された状態で、複数の前記燃料電池の各出力電力を変化させる、燃料電池発電装置が提供される。
複数の燃料電池ユニットと、
前記複数の燃料電池ユニットを制御する制御装置と、を備え、
前記複数の燃料電池ユニットは、それぞれ、共通の出力線に接続される燃料電池を含み、
前記制御装置は、前記出力線から外部への供給電力が略一定値に維持された状態で、複数の前記燃料電池の各出力電力を変化させる、燃料電池発電装置が提供される。
【0008】
本開示の一態様によれば、出力線から外部への供給電力が略一定値に維持された状態で、複数の燃料電池の各出力電力が変化するので、出力線から外部への一定の電力供給が確保された状態で、複数の燃料電池のセル面内の湿度分布の偏りは、減少する。したがって、略一定の電力供給が確保され、燃料電池の劣化が抑制される。
【発明の効果】
【0009】
本開示の一態様によれば、略一定の電力供給を確保し、燃料電池の劣化を抑制する燃料電池発電装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】燃料電池発電システムの第１構成例を示す図である。
【図2】燃料電池発電システムの第２構成例を示す図である。
【図3】第１条件（許可条件）と第２条件（異常条件）を説明するためのタイミングチャートである。
【図4】低負荷状態を許可するフラグ（許可フラグ）の種類を例示する表である。
【図5】異常な低負荷状態を判定するフラグ（異常フラグ）の種類を例示する表である。
【図6】燃料電池の負荷状態が異常な低負荷状態と判断された後の複数の処理例を示す図である。
【図7】異常な低負荷状態を判定するシーケンスの一例を示す図である。
【図8】低負荷状態を許可するシーケンスの一例を示す図である。
【図9】燃料電池発電システムの第２構成例において、第１制御装置と第２制御装置が各々実行する制御処理の一例を示すフローチャートである。
【図10】第１制御装置が実行する指令生成処理の一例を示すフローチャートである。
【図11】燃料電池システムの第３構成例を示す図である。
【図12】燃料電池発電システムの第３構成例において、第１制御装置と第２制御装置と第３制御装置が各々実行する制御処理の一例を示すフローチャートである。
【図13】リフレッシュ運転時の制御処理の一例を示すフローチャートである。
【図14】リフレッシュ運転機の設定処理の一例を示すフローチャートである。
【図15】リフレッシュ運転処理の一例を示すフローチャートである。
【図16】外部への供給電力が一定に維持された状態を例示する図である。
【図17】発電装置が４並列の場合のリフレッシュ運転の実施パターンの第１例を示す図である。
【図18】発電装置が４並列の場合のリフレッシュ運転の実施パターンの第２例を示す図である。
【図19】発電装置と４並列の発電装置を組み合わせた場合のリフレッシュ運転の実施パターンの第１例を示す図である。
【図20】発電装置と４並列の発電装置を組み合わせた場合のリフレッシュ運転の実施パターンの第２例を示す図である。
【図21】発電装置の並列台数と発電装置の出力電力との関係を例示する表である。
【図22】リフレッシュ運転を用いる場合に適した並列台数範囲を例示するデータである。
【図23】第１実施形態の燃料電池発電装置を備える燃料電池発電システムの具体的な構成例を示す図である。
【図24】第１実施形態の燃料電池発電装置の構成例を詳細に示す図である。
【図25】第１実施形態の燃料電池発電装置を備える燃料電池発電システムの構成例（変形例）を示す図である。
【図26】第２実施形態の燃料電池発電装置を備える燃料電池発電システムの具体的な構成例を示す図である。
【図27】第２実施形態の燃料電池発電装置の構成例を詳細に示す図である。
【図28】燃料電池が３並列の場合の電力変動制御パターンの第１例を示す図である。
【図29】燃料電池が２並列の場合の電力変動制御パターンの第１例を示す図である。
【図30】燃料電池が２並列の場合の電力変動制御パターンの第２例を示す図である。
【図31】燃料電池が２並列の場合の電力変動制御パターンの第３例を示す図である。
【図32】燃料電池が２並列の場合の電力変動制御パターンの第４例を示す図である。
【図33】燃料電池が３並列の場合の電力変動制御パターンの第２例を示す図である。
【図34】燃料電池が３並列の場合の電力変動制御パターンの第３例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、実施形態を説明する。なお、以下の説明において、「一定」には、「略一定」が含まれてよい。「定格出力」は、「最大出力」と置換されてもよい。「一時的に」とは、「一定時間以上」を意味してもよい。
【0012】
＜燃料電池発電システムの構成例＞
図１は、燃料電池発電システムの第１構成例を示す図である。図１に示す燃料電池発電システム４００は、ＦＣ（燃料電池）によって発電された電力を、給電対象である不図示の外部装置に供給するシステムである。一方、図２は、燃料電池発電システムの第２構成例を示す図である。図２に示す燃料電池発電システム４０１は、並列に接続された複数のＦＣ（燃料電池）によって発電された電力を、給電対象である不図示の外部装置に供給するシステムである。
図１は、燃料電池発電システムの第１構成例を示す図である。図１に示す燃料電池発電システム４００は、ＦＣ（燃料電池）によって発電された電力を、給電対象である不図示の外部装置に供給するシステムである。一方、図２は、燃料電池発電システムの第２構成例を示す図である。図２に示す燃料電池発電システム４０１は、並列に接続された複数のＦＣ（燃料電池）によって発電された電力を、給電対象である不図示の外部装置に供給するシステムである。
【0013】
燃料電池発電システム４００（図１）は、燃料電池発電システム４０１（図２）における複数の発電装置の台数が１台の場合と捉えることができる。したがって、以下の説明では、特に断りのない限り、燃料電池発電システム４０１について説明し、燃料電池発電システム４００の説明については、燃料電池発電システム４０１について説明の内容を援用することで省略又は簡略する。
【0014】
また、燃料電池発電システム４００（図１）では、制御装置は、第１制御装置４１１と第２制御装置４２１に分離されている。しかし、制御装置は、第１制御装置４１１の機能と第２制御装置４２１の機能を両方有する一つの制御装置で構成されてもよい。
【0015】
【0016】
図２において、燃料電池発電システム４０１は、複数（この例では、４台）の発電装置４５１，４５２，４５３，４５４と、補機システム３０１と、第１制御装置４１１と、を備える。発電装置４５１，４５２，４５３，４５４を、以下、発電装置４５１等ともいう。
【0017】
補機システム３０１は、発電装置４５１等の稼働を補助する周辺システムである。補機システム３０１は、例えば、制御用電源、燃料系統、給気系統、排気系統、パージ系統および冷却器などを含む。制御用電源は、第１制御装置４１１に電力を供給する。燃料系統は、発電装置４５１等に水素又は水素リッチなガスを供給する。給気系統は、発電装置４５１等に空気を供給する。排気系統は、発電装置４５１等からの排ガスを排出する。パージ系統は、燃料系統に窒素等の不活性ガスを供給する。冷却器は、発電装置４５１等を冷却する。補機システム３０１は、蓄電装置１４を含んでもよい。蓄電装置１４は、出力線１７に給電可能に接続される補助電源の一例である。出力線１７は、発電装置４５１等の各発電出力端子に共通に接続される電力線である。
【0018】
発電装置４５１等は、それぞれ、燃料電池によって発電し、発生させた電力を出力する。発電装置４５１等は、出力線１７に並列に接続されている。並列に接続される複数の発電装置の台数は、４台に限られず、２台、３台または４台以上でもよい。
【0019】
発電装置４５１等は、互いに同じ構成を有する。発電装置４５１は、燃料電池４４１、補機４３１および第２制御装置４２１を有する。発電装置４５２は、燃料電池４４２、補機４３２および第２制御装置４２２を有する。発電装置４５３は、燃料電池４４３、補機４３３および第２制御装置４２３を有する。発電装置４５４は、燃料電池４４４、補機４３４および第２制御装置４２４を有する。
【0020】
複数の燃料電池４４１，４４２，４４３，４４４（以下、燃料電池４４１等ともいう）は、共通の出力線１７に給電可能に接続されている。燃料電池４４１等は、水素などの燃料の化学エネルギーを電気化学的に電気エネルギーに変換する装置である。燃料電池４４１等は、例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）であるが、これに限られず、リン酸型などの他の形式の燃料電池でもよい。
【0021】
燃料電池４４１等には、それらの出力端子の電圧を検出するための電圧センサと、それらの出力端子からの出力電流を検出するための電流センサが取り付けられている。第１制御装置４１１は、燃料電池４４１等から出力される各電圧の検出値を電圧センサにより取得し、燃料電池４４１等から出力される各電流の検出値を電流センサにより取得する。第１制御装置４１１は、各電圧の検出値と各電流の検出値を用いて、燃料電池４４１等の各出力電力ｐ１，ｐ２，ｐ３，ｐ４を検出する。
【0022】
燃料電池４４１等（発電装置４５１等）の発電により生成された発電電力は、出力線１７を介して、不図示の外部装置に供給される。
【0023】
補機４３１は、燃料電池４４１等のうち自身に対応する燃料電池４４１の発電動作を補助する装置である。補機４３２，４３３，４３４も、補機４３１と同様に、燃料電池４４１等のうち自身に対応する燃料電池の発電動作を補助する装置である。
【0024】
補機４３１は、例えば、空気を圧縮して燃料電池４４１に供給する空気コンプレッサ、熱交換器と燃料電池４４１との間で冷却液を循環させるウォーターポンプなどを含む。補機４３１は、後述の冷却系統３６を含んでもよい。補機４３２，４３３，４３４についても同様である。
【0025】
第１制御装置４１１は、発電装置４５１等及び補機システム３０１の各運転動作を制御する上位コントローラである。第１制御装置４１１は、発電装置４５１等の動作内容を指示する指令ａ（指令ａ１，ａ２，ａ３，ａ４）を個別に生成し、発電装置４５１等の各々に送信する。
【0026】
第１制御装置４１１は、例えば、出力線１７に出力すべき電力として燃料電池発電システム４０１に要求される電力（要求出力電力）に応じて、発電装置４５１等の各出力電力Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の指令値（出力設定値）を決定する。第１制御装置４１１は、各出力電力Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の出力設定値を指示する指令ａ（指令ａ１，ａ２，ａ３，ａ４）を、発電装置４５１等の各々に送信する。
【0027】
第２制御装置４２１は、発電装置４５１の動作内容を指示する指令ａ１に従って補機４３１を操作することで燃料電池４４１の発電を制御する下位コントローラである。第２制御装置４２１と同様に、第２制御装置４２２，４２３，４２４は、それぞれ、自身に対応する指令ａ（指令ａ２，ａ３，ａ４）に従って、自身に対応する補機を操作することで、自身に対応する燃料電池の運転を制御する下位コントローラである。
【0028】
例えば、第２制御装置４２１は、発電装置４５１の出力電力Ｐ１が指令ａ１で指示された出力設定値となるように、補機４３１を操作することで燃料電池４４１の発電を制御する。第２制御装置４２２は、発電装置４５２の出力電力Ｐ２が指令ａ２で指示された出力設定値となるように、補機４３２を操作することで燃料電池４４２の発電を制御する。第２制御装置４２３は、発電装置４５３の出力電力Ｐ３が指令ａ３で指示された出力設定値となるように、補機４３３を操作することで燃料電池４４３の発電を制御する。第２制御装置４２４は、発電装置４５４の出力電力Ｐ４が指令ａ４で指示された出力設定値となるように、補機４３４を操作することで燃料電池４４４の発電を制御する。
【0029】
より詳しくは、出力線１７に接続されるＰＣＳ等の後述の電力変換装置１１は、第１制御装置４１１又は複数の第２制御装置４２１等の各々から出力される負荷指令に従って、出力線１７に流す負荷電流を制御する。第２制御装置４２１は、発電装置４５１の出力電流に応じた空気量及び水素量が燃料電池４４１に供給されるように補機４３１を操作することで、発電装置４５１の出力電力Ｐ１が指令ａ１で指示された出力設定値となるように燃料電池４４１の発電を制御する。第２制御装置４２２は、発電装置４５２の出力電流に応じた空気量及び水素量が燃料電池４４２に供給されるように補機４３２を操作することで、発電装置４５２の出力電力Ｐ２が指令ａ２で指示された出力設定値となるように燃料電池４４２の発電を制御する。第２制御装置４２３は、発電装置４５３の出力電流に応じた空気量及び水素量が燃料電池４４３に供給されるように補機４３３を操作することで、発電装置４５３の出力電力Ｐ３が指令ａ３で指示された出力設定値となるように燃料電池４４３の発電を制御する。第２制御装置４２４は、発電装置４５４の出力電流に応じた空気量及び水素量が燃料電池４４４に供給されるように補機４３４を操作することで、発電装置４５４の出力電力Ｐ４が指令ａ４で指示された出力設定値となるように燃料電池４４４の発電を制御する。
【0030】
燃料電池４４１の出力電力ｐ１の一部は、補機４３１の一部又は全部の動作電力として使用され、その余剰電力が、発電装置４５１の出力電力Ｐ１として出力される。出力電力ｐ２，ｐ３，ｐ４についても同様である。
【0031】
第１制御装置４１１は、出力線１７から外部への供給電力を略一定の所定値に維持する制御を行う。例えば、第１制御装置４１１は、出力線１７から出力される供給電力Ｐａ（＝Ｐｏ－Ｐｂ）が一定の目標値（要求出力電力）に維持されるように、燃料電池４４１等（発電装置４５１等）の発電を制御する。Ｐｏは、発電装置４５１等の各発電出力端子と蓄電装置１４との間における電力である。Ｐｏは、発電装置４５１等の各出力電力Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の和に等しい（Ｐｏ＝Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３＋Ｐ４）。Ｐｂは、蓄電装置１４と出力線１７との間でやり取りされる電力である。
【0032】
第１制御装置４１１は、出力線１７から外部への供給電力Ｐａが一定の要求出力電力に維持されるように、燃料電池４４１等の各出力電力ｐ１，ｐ２，ｐ３，ｐ４を変化（より詳しくは、増減）させる制御（電池出力変動制御）を行う場合がある。供給電力Ｐａ又は出力電力Ｐｏは、電圧センサ及び電流センサにより検出可能である。
【0033】
第１制御装置４１１は、電池出力変動制御を行う場合、出力線１７から外部への供給電力Ｐａが一定の要求出力電力に維持されるように燃料電池の出力電力を変化させる指令ａ（指令ａ１，ａ２，ａ３，ａ４）を個別に生成し、発電装置４５１等の各々に送信する。
【0034】
第２制御装置４２１は、供給電力Ｐａが一定の要求出力電力に維持されるように生成された指令ａ１に従って補機４３１を操作することで、燃料電池４４１の出力電力ｐ１を変化させる。第２制御装置４２２は、供給電力Ｐａが一定の要求出力電力に維持されるように生成された指令ａ２に従って、補機４３２を操作することで燃料電池４４２の出力電力ｐ２を変化させる。第２制御装置４２３は、供給電力Ｐａが一定の要求出力電力に維持されるように生成された指令ａ３に従って、補機４３３を操作することで燃料電池４４３の出力電力ｐ３を変化させる。第２制御装置４２４は、供給電力Ｐａが一定の要求出力電力に維持されるように生成された指令ａ４に従って、補機４３４を操作することで燃料電池４４４の出力電力ｐ４を変化させる。
【0035】
より詳しくは、第２制御装置４２１は、発電装置４５１の出力電流に応じた空気量及び水素量が燃料電池４４１に供給されるように補機４３１を操作することで、発電装置４５１の出力電力Ｐ１が指令ａ１で指示された出力設定値となるように燃料電池４４１の出力電力ｐ１を変化させる。第２制御装置４２２は、発電装置４５２の出力電流に応じた空気量及び水素量が燃料電池４４２に供給されるように補機４３２を操作することで、発電装置４５２の出力電力Ｐ２が指令ａ２で指示された出力設定値となるように燃料電池４４２の出力電力ｐ２を変化させる。第２制御装置４２３は、発電装置４５３の出力電流に応じた空気量及び水素量が燃料電池４４３に供給されるように補機４３３を操作することで、発電装置４５３の出力電力Ｐ３が指令ａ３で指示された出力設定値となるように燃料電池４４３の出力電力ｐ３を変化させる。第２制御装置４２４は、発電装置４５４の出力電流に応じた空気量及び水素量が燃料電池４４４に供給されるように補機４３４を操作することで、発電装置４５４の出力電力Ｐ４が指令ａ４で指示された出力設定値となるように燃料電池４４４の出力電力ｐ４を変化させる。
【0036】
第１制御装置４１１が上記のような電池出力変動制御を行うことで、出力線１７から外部への供給電力Ｐａが略一定値に維持された状態で、燃料電池４４１等の各出力電力ｐ１，ｐ２，ｐ３，ｐ４が増減する。これにより、出力線１７から外部への一定の電力供給が確保された状態で、燃料電池４４１等のセル面内の湿度分布の偏りは、各出力電力ｐ１，ｐ２，ｐ３，ｐ４が常に一定に制御される場合に比べて、減少する。セル面内の湿度分布の偏りが減少することで、有効反応面積の低下による電流密度の上昇が抑制されるので、電流密度の上昇による電解質膜の劣化が抑制される。したがって、供給電力Ｐａが略一定値に維持されるように各出力電力ｐ１，ｐ２，ｐ３，ｐ４を増減させる電池出力変動制御が第１制御装置４１１により行われることで、略一定の電力供給が確保され、燃料電池４４１等の劣化が抑制される。燃料電池４４１等の劣化の抑制は、燃料電池発電システム４０１の耐久性の向上に貢献する。
【0037】
一般に、燃料電池を用いた発電システムは、運転停止や負荷変化、燃料電池以外の機器（補機）を制御するための制御装置を備える。燃料電池１台で出力できる電力には限りがあるため、燃料電池を用いたシステムで要求される出力を発電するためには、複数台の並列運転が求められる。また、要求される出力は、適用される製品等によって異なるので、燃料電池の数や補機の性能は、要求される出力に応じて変わる。そのため、一つの制御装置でシステム全体の制御を行う場合、「１台ごとの燃料電池の負荷変化・起動停止制御」、「全体の出力に合わせた演算と各補機への指令制御」などの多岐にわたるソフトウェアの内容が、適用される製品ごとに異なる。また、リフレッシュ運転を行う場合は、「各燃料電池のリフレッシュ運転のスケジュール制御」などのソフトウェアの内容も、適用される製品ごとに異なる。このように、一つの制御装置でシステム全体の制御を行う場合、１つの制御装置で実装する内容に限界があるため、システム全体の保守性及び機能の拡張性が低下するおそれがある。
【0038】
これに対し、本実施形態の燃料電池発電システム４０１では、第１制御装置４１１の役割は、第２制御装置４２１，４２２，４２３，４２４の役割と切り分けられている。第１制御装置４１１よりも順位が下位の第２制御装置４２１，４２２，４２３，４２４は、自身に割り当てられた燃料電池の発電を制御する。このため、第２制御装置の制御内容を設計段階等で予め決めることができる。したがって、燃料電池の台数が増えても、同じソフトウェアを複数の第２制御装置間で流用できるので、システム全体の保守性が向上する。一方、第１制御装置４１１では、燃料電池の台数と補機の性能に応じてソフトウェアを変更する場合がある。しかし、下位の第２制御装置が燃料電池の発電を制御するための補機を操作するので、第１制御装置のソフトウェアの変更範囲は、一つの制御装置でシステム全体の制御を行う場合に比べて少ないので、機能の拡張性が向上する。例えば図２に示すように、他の第２制御装置と同じソフトウェアを持つ第２制御装置を補機及び燃料電池と共に備える発電装置４５５，４５６を追加することで、燃料電池発電システム４０１への要求出力電力の増加に容易に対応できる。
【0039】
燃料電池を用いた発電システムでは、安定した性能（発電効率低下の抑制）が求められる。燃料電池の性能は、電極触媒、電解質膜、アイオノマーの劣化により低下するので、これらの劣化を抑制することが求められる。燃料電池の性能低下のうち、電解質膜の可逆的な性能低下は、燃料電池が低負荷状態に一時的に遷移する後述のリフレッシュ運転で回復可能である。一方、電解質膜の薄膜化又は電極触媒の劣化による燃料電池の性能低下は、燃料電池の低負荷状態での電圧上昇によって引き起こされる。このように、燃料電池の性能低下を抑制するためには、燃料電池の低負荷状態を適切にコントロールすることが求められる。
【0040】
本実施形態の燃料電池発電システム４００では、第１制御装置４１１は、発電装置４５１の燃料電池４４１の低負荷状態を許可する条件を含む第１条件（以下、許可条件ともいう）が成立するか否かを判断する。第１制御装置４１１は、許可条件が成立する場合、補機４３１を操作することで燃料電池４４１の低負荷状態への遷移を許可し、許可条件が成立しない場合、燃料電池４４１の低負荷状態への遷移を禁止する。許可条件が成立すれば、燃料電池４４１を低負荷状態に遷移させることが可能となる。よって、第１制御装置４１１は、燃料電池４４１を一時的に低負荷状態に遷移させるリフレッシュ運転を行うことで、燃料電池４４１の性能低下は回復する。第１制御装置４１１は、他の燃料電池４４２等についても同様に許可条件の成否を判断し、許可条件が成立する燃料電池を一時的に低負荷状態に遷移させるリフレッシュ運転を行う。これにより、当該燃料電池の性能低下は回復する。
【0041】
一方、第１制御装置４１１は、燃料電池４４１の負荷状態を異常な低負荷状態と判定する条件を含む第２条件（以下、異常条件ともいう）が成立するか否かを判断する。第１制御装置４１１は、異常条件が成立する場合、補機４３１等を操作することで燃料電池４４１の負荷状態を異常な低負荷状態から遷移させる。第１制御装置４１１は、異常条件が成立しない場合、燃料電池４４１の低負荷状態は異常でないと判断し、燃料電池４４１の低負荷状態を継続する。異常条件が成立すれば、燃料電池４４１が異常な低負荷状態のまま継続しないので、低負荷状態の継続による燃料電池４４１の性能低下が抑制される。第１制御装置４１１は、他の燃料電池４４２等についても同様に異常条件の成否を判断し、異常条件が成立する燃料電池の負荷状態を異常な低負荷状態から遷移させる。これにより、低負荷状態の継続による当該燃料電池の性能低下が抑制される。
【0042】
このように、本実施形態の燃料電池発電システムによれば、燃料電池４４１等の低負荷状態が適切にコントロールされるので、燃料電池４４１等の性能低下は抑制される。
【0043】
第１制御装置４１１は、燃料電池４４１等を一時的に低負荷状態に遷移させることで燃料電池４４１等の性能を回復させるときの低負荷状態と、燃料電池発電システムの異常又は操作ミスなどで引き起こされる異常な低負荷状態とを判別するロジックを有する。第１制御装置４１１は、燃料電池４４１の負荷状態等の運転状態を監視し、低負荷状態を許可するフラグ（許可フラグ）と異常な低負荷状態を判定するフラグ（異常フラグ）とを持つ制御ロジックで動作する。これにより、燃料電池４４１等を一時的に低負荷状態に遷移させるリフレッシュ運転への遷移の許否を判定するとともに、異常な低負荷状態を継続させないシステムが構築される。したがって、燃料電池４４１等を一時的に低負荷状態に遷移させるリフレッシュ運転が行われることで燃料電池４４１等の可逆的な性能低下は回復するとともに、異常な低負荷状態での運転継続による燃料電池４４１等の性能低下は抑制される。
【0044】
第１制御装置４１１は、上記の許可条件が成立する場合、許可フラグをアサートし、上記の許可条件が不成立の場合、許可フラグをネゲートする。第１制御装置４１１は、上記の異常条件が成立する場合、異常フラグをアサートし、上記の異常条件が不成立の場合、異常フラグをネゲートする。
【0045】
図３は、第１条件（許可条件）と第２条件（異常条件）を説明するためのタイミングチャートである。図３は、第１制御装置４１１が、第１高負荷運転、アイドリング運転及び第２高負荷運転の順に実行するリフレッシュ運転で燃料電池を動作させる場合を例示する。第１高負荷運転は、燃料電池の出力電力を所定の一定電力値よりも一時的に上昇させる運転である。アイドリング運転は、燃料電池の出力電力を一時的に低負荷状態にする運転である。第２高負荷運転は、燃料電池の出力電力を一定電力値よりも一時的に上昇させる運転である。
【0046】
低負荷状態とは、燃料電池の出力電力又は発電装置の出力電力が零又は微小な状態をいう。例えば、低負荷状態を、燃料電池の定格出力（出力電力ｐ１等の定格値）又は発電装置の定格出力（出力電力Ｐ１等の定格値）の０％以上２０％以下のいずれかの出力状態、０％以上１０％以下のいずれかの出力状態、または０％以上５％以下のいずれかの出力状態としてもよい。低負荷状態には、燃料電池又は発電装置の出力電力が零の無負荷状態が含まれてよい。各図面に記載された「無負荷」は、「低負荷」に置換されてよい。
【0047】
第１制御装置４１１は、例えば、燃料電池４４１の第１高負荷運転を検出すると、燃料電池４４１の許可条件が成立したとして、燃料電池４４１の許可フラグをアサートする。燃料電池４４１の許可フラグがアサートのとき、第１制御装置４１１は、燃料電池４４１を低負荷状態に所定の低負荷時間Ｔｎだけ一時的に遷移させるリフレッシュ運転を行う。第１制御装置４１１は、他の燃料電池４４２等の許可フラグについても同様に処理する。
【0048】
一方、第１制御装置４１１は、所定の低負荷時間Ｔｎよりも長い低負荷状態が燃料電池４４１について検出されると、燃料電池４４１の異常条件が成立したとして、燃料電池４４１の異常フラグをアサートする。燃料電池４４１の異常フラグがアサートのとき、第１制御装置４１１は、燃料電池４４１を異常な低負荷状態から遷移させるため、燃料電池４４１の発電を停止させる。第１制御装置４１１は、他の燃料電池４４２等の異常フラグについても同様に処理する。
【0049】
このように、本実施形態の燃料電池発電システムによれば、リフレッシュ運転による低負荷状態が当該システムの異常等により継続しても、第１制御装置４１１は、異常な低負荷状態と判定し、異常な低負荷状態の継続を回避できる。
【0050】
図４は、低負荷状態を許可するフラグ（許可フラグ）の種類を例示する表である。許可フラグは、燃料電池の負荷状態を低負荷状態に一時的に遷移させて当該燃料電池の特性を改善させるリフレッシュ運転の実施が指令されること（第１許可条件）が成立することでアサートされてもよい。許可フラグは、燃料電池を低負荷状態への遷移がユーザの手動で指示されること（第２許可条件）が成立することでアサートされてもよい。許可フラグは、燃料電池の一定範囲の出力電力が当該一定範囲よりも上昇すること（第３許可条件）が成立することでアサートされてもよい。許可フラグは、一定範囲の出力電力が所定時間以上継続すること（第４許可条件）が成立することでアサートされてもよい。複数の許可条件の成立によって、許可フラグがアサートされてもよい。
【0051】
図５は、異常な低負荷状態を判定するフラグ（異常フラグ）の種類を例示する表である。異常フラグは、メイン条件が成立することでアサートされてもよいし、メイン条件とサブ条件が成立することでアサートされてもよい。
【0052】
異常フラグは、燃料電池の低負荷状態がタイマーで設定された所定時間以上継続すること（第１異常条件）が成立することでアサートされてもよい。または、異常フラグは、燃料電池の低負荷状態での出力電圧が所定の設定値以上に上昇すること（第２異常条件）が成立することでアサートされてもよい。異常フラグは、第１異常条件と第２異常条件が成立することでアサートされてもよい。
【0053】
異常フラグは、第１異常条件と第２異常条件の少なくとも一方が成立し、且つ、燃料電池の発電効率が所定の低下幅を超えて低下する第１サブ条件が成立することで、アサートされてもよい。異常フラグは、第１異常条件と第２異常条件の少なくとも一方が成立し、且つ、蓄電装置１４の電圧が所定の低下幅を超えて低下する第２サブ条件が成立することで、アサートされてもよい。異常フラグは、第１異常条件と第２異常条件の少なくとも一方が成立し、且つ、燃料電池発電システム（例えば、燃料電池またはその周辺温度）の温度、燃料電池に供給される空気の圧力もしくは燃料電池の冷却液の流量が所定の低下幅を超えて低下する第３サブ条件が成立することで、アサートされてもよい。
【0054】
次に、燃料電池の負荷状態が異常な低負荷状態と判断された後の処理について説明する。
【0055】
図６は、燃料電池の負荷状態が異常な低負荷状態と判断された後の複数の処理例を示す図である。第１制御装置４１１は、異常条件が成立し、燃料電池４４１等の負荷状態が異常な低負荷状態と判定した場合、以下のような制御処理を実行してもよい。
【0056】
例えば、第１制御装置４１１は、複数の燃料電池のうち異常条件が成立する燃料電池の発電を停止させる（図６の＜停止＞参照）。燃料電池の発電が停止することで、燃料電池の負荷状態を異常な低負荷状態から遷移させることができる。これにより、低負荷状態の継続による燃料電池の性能低下が抑制される。
【0057】
例えば、第１制御装置４１１は、出力線１７から外部への供給電力Ｐａが一定に維持されるように、異常条件が成立する燃料電池にかかる負荷を調整することで、当該燃料電池の出力電力を低負荷状態よりも上昇させる（図６の＜出力調整Ａ＞参照）。燃料電池の出力電力が低負荷状態よりも上昇することで、異常条件が不成立になるとともに、燃料電池の負荷状態を異常な低負荷状態から遷移させることができる。これにより、低負荷状態の継続による燃料電池の性能低下が抑制される。第１制御装置４１１は、異常条件が成立する燃料電池にかかる負荷（例えば、出力線１７に接続される機器の消費電力）を大きく調整することで、当該燃料電池の出力電力を低負荷状態よりも上昇させても、供給電力Ｐａを一定に維持できる。第１制御装置４１１は、例えば、異常条件が成立する燃料電池の出力電力を、燃料電池または発電装置の定格出力の１０％よりも高く１５％よりも低い電力範囲に上昇させる。
【0058】
例えば、第１制御装置４１１は、供給電力Ｐａが一定に維持されるように、複数の燃料電池のうち異常条件が成立する燃料電池の出力電力を低負荷状態よりも上昇させ、複数の燃料電池のうち異常条件が成立しない燃料電池の出力電力を低下させる（図６の＜出力調整Ｂ＞参照）。燃料電池の出力電力が低負荷状態よりも上昇することで、異常条件が不成立になるとともに、燃料電池の負荷状態を異常な低負荷状態から遷移させることができる。これにより、低負荷状態の継続による燃料電池の性能低下が抑制される。第１制御装置４１１は、異常条件が成立しない燃料電池の出力電力を低下させることで、異常条件が成立する燃料電池の出力電力を低負荷状態よりも上昇させても、供給電力Ｐａを一定に維持できる。第１制御装置４１１は、例えば、異常条件が成立する燃料電池の出力電力を、燃料電池または発電装置の定格出力の１０％よりも高く１５％よりも低い電力範囲に上昇させる。
【0059】
図７は、異常な低負荷状態を判定するシーケンスの一例を示す図である。ステップＳ１１１において、第１制御装置４１１は、燃料電池４４１等の負荷状態を常時監視し、当該負荷状態が低負荷状態か否を監視する。第１制御装置４１１は、燃料電池４４１等の低負荷状態がステップＳ１１１において検出されると、上記の異常条件が成立するか否か（異常な低負荷状態か否か）を判定する（ステップＳ１１３）。第１制御装置４１１は、上記の異常条件がステップＳ１１３において成立する場合、複数の燃料電池のうち異常条件が成立する燃料電池の異常フラグをアサートする（ステップＳ１１５）。第１制御装置４１１は、異常フラグがアサートされた燃料電池の低負荷状態を解除する（ステップＳ１１７）。例えば、第１制御装置４１１は、上記のように、異常フラグがアサートされた燃料電池の発電を停止させる、または、異常フラグがアサートされた燃料電池の出力電力を上昇させることで、当該燃料電池を異常な低負荷状態から遷移させる。第１制御装置４１１は、ステップＳ１１７の処理により上記の異常条件が不成立になると、異常フラグをネゲートする（ステップＳ１１９）。
【0060】
図８は、低負荷状態を許可するシーケンスの一例を示す図である。ステップＳ１２１において、第１制御装置４１１は、図７のシーケンスで制御される異常フラグがアサートか否かを判定する。第１制御装置４１１は、異常フラグがアサートでない場合（異常フラグがネゲートの場合）、制御状態をステップＳ１２２，Ｓ１２３，Ｓ１２４の状態に遷移させる。ステップＳ１２２，Ｓ１２３，Ｓ１２４において、第１制御装置４１１は、低負荷状態を許可するか否かを判定する。第１制御装置４１１は、上記のような特定の許可条件が成立する場合に限り、低負荷状態を許可する。第１制御装置４１１は、特定の許可条件が成立する場合、許可フラグをアサートする（ステップＳ１２５）。これにより、低負荷状態への遷移が可能となる。第１制御装置４１１は、所定の時間が継続するまで低負荷状態を維持し（ステップＳ１２６）、所定の時間が経過すると、許可フラグをネゲートする（ステップＳ１２７）。これにより、低負荷状態が禁止となるので、第１制御装置４１１は、燃料電池を低負荷状態から遷移させる。
【0061】
図９は、燃料電池発電システム４０１において、第１制御装置４１１と第２制御装置４２１，４２２，４２３，４２４が各々実行する制御処理の一例を示すフローチャートである。
【0062】
ステップＳ１０において、第１制御装置４１１は、燃料電池発電システム４０１への要求出力電力に応じて、発電装置４５１等の各出力電力Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の出力設定値を指示する指令ａ（指令ａ１，ａ２，ａ３，ａ４）の生成処理を実施する。ステップＳ２０において、第１制御装置４１１は、ステップＳ１０において生成された指令ａ（指令ａ１，ａ２，ａ３，ａ４）を発電装置４５１等の各々に送信する。
【0063】
ステップＳ３０において、第２制御装置４２１は、供給電力Ｐａが一定の要求出力電力に維持されるように生成された指令ａ１を受信する。第２制御装置４２２は、供給電力Ｐａが一定の要求出力電力に維持されるように生成された指令ａ２を受信する。第２制御装置４２３は、供給電力Ｐａが一定の要求出力電力に維持されるように生成された指令ａ３を受信する。第２制御装置４２４は、供給電力Ｐａが一定の要求出力電力に維持されるように生成された指令ａ４を受信する。
【0064】
ステップＳ３１において、第２制御装置４２１は、発電装置４５１の出力電力Ｐ１が指令ａ１により指定された出力設定値となるように、補機４３１を操作することで燃料電池４４１の発電を制御する。第２制御装置４２２は、発電装置４５２の出力電力Ｐ２が指令ａ２により指定された出力設定値となるように、補機４３２を操作することで燃料電池４４２の発電を制御する。第２制御装置４２３は、発電装置４５３の出力電力Ｐ３が指令ａ３により指定された出力設定値となるように、補機４３３を操作することで燃料電池４４３の発電を制御する。第２制御装置４２４は、発電装置４５４の出力電力Ｐ４が指令ａ４により指定された出力設定値となるように、補機４３４を操作することで燃料電池４４４の発電を制御する。
【0065】
【0066】
ステップＳ１１において、第１制御装置４１１は、発電装置４５１等の各々の運転可否を判定する。第１制御装置４１１は、例えば、第２制御装置４２１，４２２，４２３，４２４のそれぞれから取得した情報等に基づいて、発電装置４５１等の各々の異常又はメンテナンス時期などの状態を検知する。第１制御装置４１１は、発電装置４５１等のうち、異常又はメンテナンス時期が検知された発電装置を運転不可と判定し、異常又はメンテナンス時期が検知されない発電装置を運転可と判定する。
【0067】
ステップＳ１２において、第１制御装置４１１は、運転可と判定された発電装置の台数（運転可能台数）で燃料電池発電システム４０１が発電可能な最大出力電力を演算するとともに、運転可と判定された各発電装置の出力電力の出力設定値を演算する。燃料電池発電システム４０１への要求出力電力は、最大出力電力以内であることが求められる。燃料電池発電システム４０１への要求出力電力が最大出力電力を超える場合、第１制御装置４１１は、エラーを通知する。
【0068】
ステップＳ１２において、例えば、第１制御装置４１１は、要求出力電力を運転可能台数で除した値を、発電装置４５１等の各出力電力Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の出力設定値と設定する。あるいは、第１制御装置４１１は、所定の設定順位に基づいて、運転可能な一又は複数の発電装置の出力設定値を当該発電装置の定格電力と設定し、一台の発電装置の出力設定値を（要求出力電力－他の発電装置の出力設定値の和）と設定してもよい。各発電装置の出力電力の出力設定値を演算する方法は、これらに限られない。
【0069】
ステップＳ１３において、第１制御装置４１１は、ステップＳ１２で演算された各発電装置の出力電力の出力設定値を指示する指令ａ（指令ａ１，ａ２，ａ３，ａ４）を生成する。各発電装置の第２制御装置は、これらの指令ａ１，ａ２，ａ３，ａ４に従って、各補機を操作することで燃料電池の発電を制御する。
【0070】
このように、燃料電池発電システム４０１では、第１制御装置４１１の役割は、第２制御装置４２１，４２２，４２３，４２４の役割と切り分けられているので、保守性および拡張性が向上する。
【0071】
＜燃料電池発電システムの第３構成例＞
図１１は、燃料電池発電システムの第３構成例を示す図である。第３構成例において、上記の第１及び第２構成例と同様の構成、作用および効果についての説明は、上述の説明を援用することで省略する。図１１に示す燃料電池発電システム４０２は、第１制御装置４１１，４１２よりもさらに上位の第３制御装置４６１を備えることで、図２に示す燃料電池発電システム４０１と相違する。これにより、燃料電池発電システムへの要求出力電力がさらに増大しても、保守性および拡張性を確保できる。
図１１は、燃料電池発電システムの第３構成例を示す図である。第３構成例において、上記の第１及び第２構成例と同様の構成、作用および効果についての説明は、上述の説明を援用することで省略する。図１１に示す燃料電池発電システム４０２は、第１制御装置４１１，４１２よりもさらに上位の第３制御装置４６１を備えることで、図２に示す燃料電池発電システム４０１と相違する。これにより、燃料電池発電システムへの要求出力電力がさらに増大しても、保守性および拡張性を確保できる。
【0072】
図１１において、燃料電池発電システム４０２は、複数の発電装置と第１制御装置を各々有する複数（この例では、２つ）のシステム４７１，４７２を備える。システム４７１は、複数（この例では、４台）の発電装置４５１，４５２，４５３，４５４と、補機システム３０１と、第１制御装置４１１と、を備える。システム４７２は、複数（この例では、３台）の発電装置４５５，４５６，４５７と、補機システム３０２と、第１制御装置４１２と、を備える。システム４７２内の各構成要素は、システム４７１内の各構成要素と同じ機能を有する。
【0073】
第３制御装置４６１は、システム４７１，４７２の各運転動作を制御する最上位コントローラである。第３制御装置４６１は、システム４７１，４７２の動作内容を指示する指令ｂ（指令ｂ１，ｂ２）を個別に生成し、システム４７１，４７２の各々に送信する。
【0074】
第３制御装置４６１は、例えば、出力線１７に出力すべき電力として燃料電池発電システム４０２に要求される電力（要求出力電力）に応じて、システム４７１，４７２の各々が維持すべき一定電力値を決定する。第３制御装置４６１は、一定電力値の情報を含む指令ｂ（指令ｂ１，ｂ２）を、システム４７１，４７２の各々に送信する。
【0075】
第１制御装置４１１は、供給電力Ｐａが当該一定電力値に維持されるように指令ａ（指令ａ１，ａ２，ａ３，ａ４）を複数の発電装置４５１，４５２，４５３，４５４の各々に送信する。第１制御装置４１２は、供給電力Ｐａが当該一定電力値に維持されるように生成された指令ａ（指令ａ５，ａ６，ａ７）を複数の発電装置４５５，４５６，４５７の各々に送信する。
【0076】
例えば、第２制御装置４２５は、発電装置４５５の出力電力Ｐ５が指令ａ５で指示された出力設定値となるように、補機４３５を操作することで燃料電池４４５の発電を制御する。第２制御装置４２６は、発電装置４５６の出力電力Ｐ６が指令ａ６で指示された出力設定値となるように、補機４３６を操作することで燃料電池４４６の発電を制御する。第２制御装置４２７は、発電装置４５７の出力電力Ｐ７が指令ａ７で指示された出力設定値となるように、補機４３７を操作することで燃料電池４４７の発電を制御する。
【0077】
したがって、本実施形態の燃料電池発電システム４０２は、燃料電池発電システム４０１と同様に、保守性および拡張性を有する。そして、燃料電池発電システム４０２によれば、複数の発電装置を含むシステム単位で、保守および管理ができる。
【0078】
図１２は、図１１に示す燃料電池発電システム４０２において、第１制御装置４１１，４１２と第２制御装置４２１，４２２，４２３，４２４，４２５，４２６，４２７と第３制御装置４６１が各々実行する制御処理の一例を示すフローチャートである。
【0079】
ステップＳ４０において、第３制御装置４６１は、燃料電池発電システム４０２への要求出力電力に応じて、システム４７１，４７２の各出力電力の出力設定値（一定電力値）を指示する指令ｂ（指令ｂ１，ｂ２）の生成処理を実施する。ステップＳ４０の処理は、図１０において、発電装置をシステムに置換することで、図１０に示す生成処理を援用できる。図１２のステップＳ５０において、第３制御装置４６１は、ステップＳ４０において生成された指令ｂ（指令ｂ１，ｂ２）をシステム４７１，４７２の各々に送信する。
【0080】
第１制御装置４１１は、供給電力Ｐａが一定の要求出力電力に維持されるように生成された指令ｂ１を受信する。第１制御装置４１２は、供給電力Ｐａが一定の要求出力電力に維持されるように生成された指令ｂ２を受信する。これ以後の処理内容は、図９に示す制御処理と同じでよい。
【0081】
＜リフレッシュ運転＞
燃料電池発電システム４００，４０１，４０２において、複数の第２制御装置４２１等の各々は、供給電力Ｐａが一定の要求出力電力に維持されるように燃料電池の出力電力を変化させる指令ａ（指令ａ１，ａ２，ａ３，ａ４）を受信する。複数の第２制御装置４２１等の各々は、自身宛で受信した指令ａに従って、補機を操作することで燃料電池の出力電力を変化させることによって、燃料電池の特性を改善させるリフレッシュ運転を間欠的に実施してもよい。これにより、供給電力Ｐａが略一定値に維持された状態で、燃料電池の継続的な運転により低下した特性（例えば、出力電圧の特性）の改善が可能となる。
燃料電池発電システム４００，４０１，４０２において、複数の第２制御装置４２１等の各々は、供給電力Ｐａが一定の要求出力電力に維持されるように燃料電池の出力電力を変化させる指令ａ（指令ａ１，ａ２，ａ３，ａ４）を受信する。複数の第２制御装置４２１等の各々は、自身宛で受信した指令ａに従って、補機を操作することで燃料電池の出力電力を変化させることによって、燃料電池の特性を改善させるリフレッシュ運転を間欠的に実施してもよい。これにより、供給電力Ｐａが略一定値に維持された状態で、燃料電池の継続的な運転により低下した特性（例えば、出力電圧の特性）の改善が可能となる。
【0082】
例えば、複数の第２制御装置４２１等の各々は、供給電力Ｐａが一定の要求出力電力に維持されるように燃料電池の出力電力を変化させる指令ａに従って補機を操作する。複数の第２制御装置４２１等の各々は、このように補機を操作することで、燃料電池の出力電圧もしくは出力電力を一時的に低下させる、または燃料電池を一時的に停止する。これにより、供給電力Ｐａが略一定値に維持された状態で、燃料電池の継続的な運転により低下した特性（例えば、出力電圧の特性）の改善が可能となる。
【0083】
リフレッシュ運転とは、例えば、連続運転の結果、燃料電池のセル面内に生じる乾燥部を次の手順１～４で湿潤化させる運転である。乾燥部は、電池特性を低下させる原因となる。
【0084】
手順１：燃料電池の出力電力を所定の一定電力値よりも一時的に上昇させる（第１高負荷運転）。第１高負荷運転により、燃料電池のセル面内の水分量を生成水により増加させることができる。
【0085】
手順２：燃料電池の出力電力を一時的に零にする（アイドリング運転）。アイドリング運転により、一時的に出力電力を0kW（アイドリング状態）にすることで、生成水を燃料電池のセル面内で均一化させることができる。
【0086】
手順３：燃料電池の出力電力を所定の一定電力値よりも一時的に上昇させる（第２高負荷運転）。アイドリング状態から第２高負荷運転に一時的に遷移させることで、燃料電池のセル面内水分量を増加させることができる。
【0087】
手順４：燃料電池の出力電力を所定の一定電力値に戻す。
【0088】
燃料電池発電システム４０１等は、リフレッシュ運転時に、第１高負荷運転とアイドリング運転と第２高負荷運転の実施による供給電力Ｐａの変動を、併設する蓄電装置１４等の補助電源を用いて補完してもよい。補助電源として蓄電池を用いる場合、蓄電池は、リフレッシュ運転時に入出力される電力Ｐｂを吸収可能な蓄電容量を有する。
【0089】
図１３は、リフレッシュ運転時の制御処理の一例を示すフローチャートである。リフレッシュ運転時の処理装置は、燃料電池発電システム４００，４０１，４０２のいずれにも適用可能である。以下の説明では、燃料電池発電システム４０１を例に挙げて説明する。第１制御装置４１１は、リフレッシュ運転を開始する場合、ステップＳ６０及びステップＳ７０の処理を行う。
【0090】
ステップＳ７０において、第１制御装置４１１は、冷却系統などの補機システム３０１の運転条件をリフレッシュ運転時の条件に設定する。リフレッシュ運転では、各燃料電池の出力電力を変動させるからである。
【0091】
ステップＳ６０において、第１制御装置４１１は、リフレッシュ運転機の設定処理を行う。リフレッシュ運転機の設定処理は、並列に接続された複数の発電装置の中からリフレッシュ運転を実施する発電装置を選択する処理を含む。
【0092】
図１４は、リフレッシュ運転機の設定処理の一例を示すフローチャートである。発電装置Ｘとは、並列に接続された複数の発電装置の中の一又は複数の発電装置を表す。第１制御装置４１１は、選択順位などの所定の選択条件に基づいて、並列に接続された複数の発電装置の中からリフレッシュ運転を実施する発電装置Ｘを選択する。
【0093】
ステップＳ６１において、第１制御装置４１１は、並列に接続された複数の発電装置のうち、リフレッシュ運転のインターバルカウントがカウントアップされた発電装置Ｘのリフレッシュ運転の実施フラグをオンに設定する。ステップＳ６２において、第１制御装置４１１は、リフレッシュ運転が終了した発電装置Ｘのリフレッシュ運転のインターバルカウントを開始する（インターバルカウンタを初期化する）。これにより、発電装置Ｘのリフレッシュ運転が所定の時間間隔で実施される。
【0094】
図１３のステップＳ８０において、第１制御装置４１１は、リフレッシュ運転のインターバルカウンタをインクリメントする。ステップＳ８１において、第１制御装置４１１は、供給電力Ｐａが一定の要求出力電力にリフレッシュ運転時に維持されるように燃料電池の出力電力を出力設定値に変化させる指令ａ（指令ａ１，ａ２，ａ３，ａ４）を個別に生成し、発電装置４５１等の各々に送信する。
【0095】
ステップＳ９０において、第２制御装置４２１等は、供給電力Ｐａが一定の要求出力電力にリフレッシュ運転時に維持されるように生成された指令ａを受信する。第２制御装置４２１等は、指令ａに従ってリフレッシュ運転を実施する。
【0096】
図１５は、リフレッシュ運転処理の一例を示すフローチャートである。発電装置Ｘ内の第２制御装置は、第１制御装置４１１からの指令ａに従ったタイミングで、ステップＳ９１～９８の処理を実施する。
【0097】
発電装置Ｘ内の第２制御装置は、燃料電池の出力電力を所定の一定電力値ｐＸ４から上昇させて出力電力ｐＸ１に設定し（ステップＳ９１）、タイマカウントの後に（ステップＳ９２）、燃料電池の出力電力を減少させて出力電力ｐＸ２に設定する（ステップＳ９３）。発電装置Ｘ内の第２制御装置は、タイマカウントの後に（ステップＳ９４）、燃料電池の出力電力を出力電力ｐＸ２から上昇させて出力電力ｐＸ３に設定する（ステップＳ９５）。発電装置Ｘ内の第２制御装置は、タイマカウントの後に（ステップＳ９６）、燃料電池の出力電力を減少させて所定の一定電力値ｐＸ４に戻し（ステップＳ９７）、タイマカウントの後に（ステップＳ９８）、リフレッシュ運転処理を終了する。第１制御装置４１１は、リフレッシュ運転処理の終了を発電装置Ｘ内の第２制御装置から受信すると、発電装置Ｘのリフレッシュ運転の実施フラグをオフに設定する。
【0098】
図１７は、発電装置が４並列の場合のリフレッシュ運転の実施パターンの第１例を示す図である。図１７は、リフレッシュ運転を実施する期間が複数の発電装置間で重ならない場合を示す。発電装置４５１は、リフレッシュ運転期間Ｔｒ１でリフレッシュ運転を実施し、その後、発電装置４５２は、リフレッシュ運転期間Ｔｒ２でリフレッシュ運転を実施する。
【0099】
図１７は、上記の手順１～４で出力電力を変化させるリフレッシュ運転を示している。例えばリフレッシュ運転期間Ｔｒ１，Ｔｒ２のそれぞれにおいて、第１高負荷運転では、出力電力は、４５ｋＷから６０ｋＷに一時的に上昇する。アイドリング運転では、出力電力は、６０ｋＷから０ｋＷに一時的に減少する。第２高負荷運転では、出力電力は、０ｋＷから６０ｋＷに一時的に上昇する。これらの運転がこの順に実行されてから、出力電力は、６０ｋＷから４５ｋＷに戻る。
【0100】
複数の第２制御装置４２１等の各々は、供給電力Ｐａが一定の要求出力電力に維持されるように燃料電池の出力電力を変化させる指令ａ（指令ａ１，ａ２，ａ３，ａ４）に従って、図１７に示すように燃料電池の各出力電力を変化させる。これにより、図１６に示すように、供給電力Ｐａが略一定の１８０ｋＷに維持される。よって、供給電力Ｐａが略一定値に維持された状態で、燃料電池の継続的な運転により低下した特性の改善が可能となる。
【0101】
図１８は、発電装置が４並列の場合のリフレッシュ運転の実施パターンの第２例を示す図である。図１８は、リフレッシュ運転を実施する期間が複数の発電装置間で重なる場合を示す。発電装置４５１，４５２，４５３，４５４は、リフレッシュ運転期間Ｔｒ０でリフレッシュ運転の実施を完了させる。リフレッシュ運転は、発電装置４５１，４５２，４５３，４５４の順に実施される。
【0102】
図１８は、図１７と同様、上記の手順１～４で出力電力を変化させるリフレッシュ運転を示している。複数の第２制御装置４２１等の各々は、供給電力Ｐａが一定の要求出力電力に維持されるように燃料電池の出力電力を変化させる指令ａ（指令ａ１，ａ２，ａ３，ａ４）に従って、図１８に示すように燃料電池の各出力電力を変化させる。これにより、図１６に示すように、供給電力Ｐａが略一定値に維持された状態で、燃料電池の継続的な運転により低下した特性の改善が可能となる。
【0103】
図１９は、蓄電装置１４と４並列の発電装置を組み合わせた場合のリフレッシュ運転の実施パターンの第１例を示す図である。図１９は、リフレッシュ運転を実施する期間が複数の発電装置間で重ならない場合を示す。発電装置４５１は、リフレッシュ運転期間Ｔｒ１でリフレッシュ運転を実施し、その後、発電装置４５２は、リフレッシュ運転期間Ｔｒ２でリフレッシュ運転を実施する。その後、発電装置４５３は、リフレッシュ運転期間Ｔｒ３でリフレッシュ運転を実施し、その後、発電装置４５４は、リフレッシュ運転期間Ｔｒ４でリフレッシュ運転を実施する。
【0104】
図１９は、図１７と同様、上記の手順１～４で出力電力を変化させるリフレッシュ運転を示している。複数の第２制御装置４２１等の各々は、供給電力Ｐａが一定の要求出力電力に維持されるように燃料電池の出力電力を変化させる指令ａ（指令ａ１，ａ２，ａ３，ａ４）に従って、図１９に示すように燃料電池の各出力電力を変化させる。蓄電装置１４は、第１高負荷運転及び第２高負荷運転の期間での燃料電池の出力電力の増加分を吸収することで、供給電力Ｐａを一定の要求出力電力に維持する。蓄電装置１４は、アイドリング運転の期間での燃料電池の出力電力の減少分を放出することで、供給電力Ｐａを一定の要求出力電力に維持する。これにより、図１６に示すように、供給電力Ｐａが略一定値に維持された状態で、燃料電池の継続的な運転により低下した特性の改善が可能となる。
【0105】
図２０は、蓄電装置と４並列の発電装置を組み合わせた場合のリフレッシュ運転の実施パターンの第２例を示す図である。図２０は、リフレッシュ運転を実施する期間が複数の発電装置間で重なる場合を示す。発電装置４５１，４５２，４５３，４５４は、リフレッシュ運転期間Ｔｒ０でリフレッシュ運転の実施を完了させる。リフレッシュ運転は、発電装置４５１，４５２，４５３，４５４の順に実施される。
【0106】
図２０は、図１７と同様、上記の手順１～４で出力電力を変化させるリフレッシュ運転を示している。複数の第２制御装置４２１等の各々は、供給電力Ｐａが一定の要求出力電力に維持されるように燃料電池の出力電力を変化させる指令ａ（指令ａ１，ａ２，ａ３，ａ４）に従って、図２０に示すように燃料電池の各出力電力を変化させる。蓄電装置１４は、燃料電池の各出力電力の増減による供給電力Ｐａの変動分だけ電力Ｐｂを変化させることで、供給電力Ｐａを一定の要求出力電力に維持する。これにより、図１６に示すように、供給電力Ｐａが略一定値に維持された状態で、燃料電池の継続的な運転により低下した特性の改善が可能となる。
【0107】
＜複数台の並列運転でリフレッシュ運転を実施する際の制約条件＞
図２１は、発電装置の並列台数と発電装置の出力電力との関係を例示する表である。上記のリフレッシュ運転を実施するにあたり、並列接続された複数の発電装置の台数をｎ、１台の発電装置の定格出力をＡとする。ｎは２以上の整数である。図２１は、定格出力が６０ｋＷの場合を例示する。
図２１は、発電装置の並列台数と発電装置の出力電力との関係を例示する表である。上記のリフレッシュ運転を実施するにあたり、並列接続された複数の発電装置の台数をｎ、１台の発電装置の定格出力をＡとする。ｎは２以上の整数である。図２１は、定格出力が６０ｋＷの場合を例示する。
【0108】
複数の発電装置のうち１台の発電装置の出力電力が零となるアイドリング運転中で得られる最大の供給電力Ｐａは、Ａ×（ｎ－１）となる。例えば、Ａ＝６０ｋＷ、ｎ＝５の場合、最大の供給電力Ｐａは、２４０ｋＷとなる。つまり、第１制御装置は、供給電力ＰａがＡ×（ｎ－１）以下の一定の要求出力電力に維持されるように燃料電池の出力電力を変化させる指令ａを生成すればよい。なお、このとき、１台の発電装置の平均出力電力Ｂは、Ａ×（ｎ－１）／ｎと表される。
【0109】
並列の台数ｎを増やすにつれて、図２１に示すように、１台の発電装置の平均出力電力Ｂは、増大する。一方、第１高負荷運転時の出力電力と平均出力電力Ｂとの出力差Ｃは、並列の台数ｎを増やすにつれて、減少する。出力差Ｃは、図１７～図２０に示すように、１台の発電装置の第１高負荷運転時の出力電力値と所定の一定電力値との差に相当する。出力差Ｃが減少すると、十分なセル面内の生成水量の確保が難しくなる。これらを鑑みると、リフレッシュ運転を用いた一定出力運転においては、供給電力Ｐａの増加の点では並列の台数ｎを増やし、出力差Ｃの確保の点では、並列の台数ｎを減らすという、相反する要求を満たすことが求められる。
【0110】
図２２は、リフレッシュ運転を用いる場合に適した並列台数範囲を例示するデータである。Ａは、１台の発電装置の定格出力を表す。並列の台数ｎを増加させると、平均出力電力Ｂは増大し、出力差Ｃは減少する。第１閾値をＤ、第１閾値よりも小さい第２閾値をＥとする。このとき、並列の台数ｎは、Ｂ／ＡがＤ以上かつＣ／ＡがＥ以下を満たす台数であれば、供給電力Ｐａの増加と出力差Ｃの確保が両立する。図２２において、例えば、Ｄ＝０．７、Ｅ＝０．１とする場合、台数ｎは、４以上１０以下が好ましい。
【0111】
＜燃料電池発電システムの具体例＞
図２３は、第１実施形態の燃料電池発電装置を備える燃料電池発電システムの具体的な構成例を示す図である。図２３に示す燃料電池発電システム２０１は、並列に接続された複数のＦＣ（燃料電池）プラットフォームによって発電された電力を、給電対象である外部装置１２に供給するシステムである。燃料電池発電システム２０１の用途の具体例として、定置用の発電システム、移動体用（例えば、車両用、飛翔体用、鉄道用、船舶用など）の発電システムなどが挙げられる。より具体的には、港湾クレーンなどの荷役機械用の発電システム、建設機械用などもある。燃料電池発電システム２０１の用途は、これらの例に限られず、燃料電池発電システム２０１は、他のアプリケーションに適用されてもよい。
図２３は、第１実施形態の燃料電池発電装置を備える燃料電池発電システムの具体的な構成例を示す図である。図２３に示す燃料電池発電システム２０１は、並列に接続された複数のＦＣ（燃料電池）プラットフォームによって発電された電力を、給電対象である外部装置１２に供給するシステムである。燃料電池発電システム２０１の用途の具体例として、定置用の発電システム、移動体用（例えば、車両用、飛翔体用、鉄道用、船舶用など）の発電システムなどが挙げられる。より具体的には、港湾クレーンなどの荷役機械用の発電システム、建設機械用などもある。燃料電池発電システム２０１の用途は、これらの例に限られず、燃料電池発電システム２０１は、他のアプリケーションに適用されてもよい。
【0112】
燃料電池発電システム２０１は、燃料電池発電装置１０１と補機システム３０１を備える。燃料電池発電システム２０１は、上記の燃料電池発電システム４０１の一具体例である。
【0113】
補機システム３０１は、主機である燃料電池発電装置１０１に接続される複数の補機を含み、燃料電池発電装置１０１の稼働を補助する周辺システムである。図２３は、複数の補機として、制御用電源３２、配管１２１、燃料系統１８、給気系統１９、出力線１７、電力変換装置１１、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３、蓄電装置１４、排気系統３１、換気装置１３２及び冷却器１５を例示する。複数の補機の一部又は全部は、燃料電池発電装置１０１に内蔵されてもよいし、ユニット化されてもよい。燃料電池発電装置１０１は、複数の補機の一部又は全部を、燃料電池発電装置１０１の内部に備えてもよいし、燃料電池発電装置１０１の外部に備えてもよい。
【0114】
燃料電池発電装置１０１は、外部装置１２に供給される電力を複数のＦＣプラットフォームによって発電する。燃料電池発電装置１０１は、ユニット化されてもよい。燃料電池発電装置１０１は、出力線１７に並列に接続された複数のＦＣプラットフォーム（この例では、３つのＦＣプラットフォーム１，２，３）と、それらの複数のＦＣプラットフォームを制御する制御装置１０とを備える。並列に接続される複数のＦＣプラットフォームの台数は、３台に限られず、２台でも、４台以上でもよい。
【0115】
ＦＣプラットフォーム１，２，３は、それぞれ、共通の出力線１７に出力点１６を経由して接続されるＦＣスタックを含む。ＦＣスタックは、燃料電池の一例である。ＦＣプラットフォーム１は、ＦＣスタック２１を含み、ＦＣプラットフォーム２は、ＦＣスタック２２を含み、ＦＣプラットフォーム３は、ＦＣスタック２３を含む。
【0116】
ＦＣプラットフォーム１等は、上記の発電装置４５１等の一例である。ＦＣスタック２１等は、上記の燃料電池４４１等の一例である。制御装置１０は、上記の第１制御装置４１１等又は上記の第２制御装置４２１等の一例である。
【0117】
ＦＣスタック２１，２２，２３は、水素などの燃料の化学エネルギーを電気化学的に電気エネルギーに変換する装置である。ＦＣスタック２１，２２，２３は、燃料管を含む燃料系統１８を介して供給される水素（水素リッチなガスを含んでよい）と、空気管を含む給気系統１９を介して外部から供給される空気に含まれる酸素との電気化学反応によって発電する。ＦＣスタック２１，２２，２３（ＦＣプラットフォーム１，２，３）の発電状態は、制御装置１０によって制御される。ＦＣスタック２１，２２，２３の電気化学反応により発生した排ガスは、排気管を含む排気系統３１を介して排出される。ＦＣスタック２１，２２，２３は、ラジエータなどの冷却器１５から供給される冷却水（クーラント）により冷却される。
【0118】
ＦＣスタック２１，２２，２３は、例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）であり、多数の単セルを積層したスタック構造を備える。単セルは、水素イオンを選択的に輸送するための高分子電解質膜の両側面を多孔質材料により形成された一対の電極によって挟まれた膜－電極アッセンブリ（ＭＥＡ）と、このＭＥＡを両側から挟み込む一対のセパレータとを有する。一対の電極のそれぞれは、例えば白金系の金属触媒（電極触媒）を担持するカーボン粉末を主成分とする触媒層と、通気性及び電子導電性を併せ持つガス拡散層とを有している。
【0119】
ＦＣスタック２１，２２，２３には、それらの出力端子の電圧を検出するための電圧センサと、それらの出力端子からの出力電流を検出するための電流センサが取り付けられている。制御装置１０は、ＦＣスタック２１，２２，２３から出力される各電圧の検出値を電圧センサにより取得し、ＦＣスタック２１，２２，２３から出力される各電流の検出値を電流センサにより取得する。制御装置１０は、各電圧の検出値と各電流の検出値を用いて、ＦＣスタック２１，２２，２３の各出力電力ｐ１，ｐ２，ｐ３を検出する。
【0120】
燃料電池発電装置１０１内のＦＣスタック２１，２２，２３（ＦＣプラットフォーム１，２，３）の発電により生成された発電電力は、電力変換装置１１を介して、外部装置１２に供給される。
【0121】
電力変換装置１１は、入力される電力Ｐａを、外部装置１２に供給される電力Ｐｃに変換する装置である。電力変換装置１１は、例えば、ＦＣスタック２１，２２，２３の発電により得られた直流電力を交流電力に変換して外部装置１２に供給するインバータである。インバータの具体例として、パワーコンディショナ（ＰＣＳ：Power Conditioning System）、系統連系インバータなどが挙げられる。外部装置１２がモータの場合、電力変換装置１１は、モータを駆動するインバータでもよい。電力変換装置１１は、ＦＣスタック２１，２２，２３の発電により得られた直流電力の電圧を、異なる電圧の直流電力に変換して外部装置１２に供給するコンバータでもよい。
【0122】
ＦＣスタック２１，２２，２３の発電により得られた直流電力は、出力線１７にＤＣ／ＤＣコンバータ１３を介して接続される蓄電装置１４に充電されてもよい。蓄電装置１４から放電された電力Ｐｂは、電力変換装置１１を介して外部装置１２に供給される。外部装置１２から電力変換装置１１を介して入力（回生）された電力Ｐｂが蓄電装置１４に充電されてもよい。蓄電装置１４の充電又は放電は、制御装置１０からの駆動制御信号により動作するＤＣ／ＤＣコンバータ１３により制御される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、無くてもよい。
【0123】
蓄電装置１４は、充放電可能な二次電池を含んでよい。蓄電装置１４は、直列に接続された複数の蓄電池１４１，…，１４ｎを含むものでもよい（ｎは、２以上の整数）。蓄電装置１４（複数の蓄電池１４１，…，１４ｎ）の具体例として、リチウムイオンバッテリ、リチウムイオンキャパシタ、電気二重層キャパシタなどが挙げられる。
【0124】
燃料系統１８は、外部から供給される炭化水素系燃料を水素リッチなガスに改質する改質機器を含んでもよい。改質機器は、炭化水素系燃料の改質反応により生成される水素リッチガスを水素管に出力する。改質機器は、例えば、炭化水素系燃料に含まれる硫黄分を除去する脱硫器と、脱硫された炭化水素系燃料を改質反応させる改質器と、改質時に発生する一酸化炭素（ＣＯ）を除去するＣＯ除去器とを含む。
【0125】
炭化水素系燃料は、都市ガスに限られず、メタンガス、プロパンガス、下水汚泥等に由来する消化ガス、食品残渣等から発生するバイオガスなどを含んでもよい。
【0126】
制御装置１０は、ＦＣプラットフォーム１，２，３及び補機システム３０１の動作を制御するコントローラである。制御装置１０は、例えば、制御用電源３２から供給される電力（例えば、ＤＣ１２ボルトの直流電力）により動作する。制御用電源３２は、例えば、制御用電池である。制御装置１０の個数は、１つに限られず、複数でもよく、例えば、ＦＣプラットフォーム１，２，３の各々に対して制御装置が設けられてもよい。制御装置１０は、上記の第１制御装置４１１等又は上記の第２制御装置４２１等を含んでよい。
【0127】
図２３は、燃料電池発電装置１０１がＦＣプラットフォーム１，２，３に共通の制御用電源３２を備える形態を例示する。ＦＣプラットフォーム１，２，３の電源が制御用電源３２に共通化されることで、複数の制御用電源を備える形態の場合に比べて、燃料電池発電システム２０１及び燃料電池発電装置１０１を小型化できる。
【0128】
燃料電池発電装置１０１は、ＦＣプラットフォーム１，２，３に個別の制御用電源３２を備えてもよい。複数のＦＣプラットフォームの電源が個別に複数用意されることで、複数の制御用電源のうち一部の電源が故障又はメンテナンス等により使用不能な場合でも、残りの電源を用いて複数のＦＣプラットフォームの一部又は全部の動作を継続できる。
【0129】
制御装置１０の機能（制御装置１０が行う処理）は、例えば、メモリに記憶されたプログラムによって、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサが動作することにより実現される。制御装置１０の機能は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）又はＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）によって実現されてもよい。
【0130】
図２４は、第１実施形態の燃料電池発電装置１０１の構成例を詳細に示す図である。燃料電池発電装置１０１は、例えば、制御装置１０及び複数のＦＣプラットフォーム１，２，３を備える。ＦＣプラットフォーム１は、例えば、燃料管１１８、空気管１１９、空気フィルタ３３、排気管１３１、冷却系統３６、ＦＣユニット５１を備える。ＦＣユニット５１は、ＦＣスタック２１、昇圧コンバータ４２、水素ポンプ４３、空気コンプレッサ４５、ウォーターポンプ４４、空気入口開閉弁７７及び排空気出口開閉弁７８等を備える。昇圧コンバータ４２、水素ポンプ４３、空気コンプレッサ４５、ウォーターポンプ４４、空気入口開閉弁７７及び排空気出口開閉弁７８等は、制御装置１０により制御される。ＦＣプラットフォーム２，３は、ＦＣプラットフォーム１と同じ構成及び機能を有し、ＦＣプラットフォーム１と同様に、制御装置１０により制御される。よって、ＦＣプラットフォーム２，３の説明については、ＦＣプラットフォーム１の説明を援用することで、省略する。
【0131】
ＦＣスタック２１は、燃料極７１と空気極７２を有する。ＦＣスタック２１は、燃料極７１に供給された水素（水素リッチなガスを含んでよい）と、空気極７２に供給された空気に含まれる酸素との電気化学反応によって発電する。ＦＣスタック２１は、昇圧コンバータ４２を介して、出力線１７に接続されている。昇圧コンバータ４２は、ＦＣスタック２１から出力された電圧を昇圧し、昇圧後の直流電力を出力点１６を経由して出力線１７に出力するＤＣ／ＤＣコンバータである。複数のＦＣプラットフォーム１，２，３における複数のＦＣスタック２１，２２，２３の出力電力は、対応する昇圧コンバータ４２を介して、共通の出力線１７に出力される。
【0132】
燃料管１１８は、複数のＦＣプラットフォーム１，２，３に共通に接続された燃料系統１８から水素が供給される。燃料管１１８は、燃料極７１に水素入口７５を介して水素を供給する。燃料管１１８は、燃料極に水素を供給する第１配管の一例である。
【0133】
空気管１１９は、複数のＦＣプラットフォーム１，２，３に共通に接続された給気系統１９から空気が供給される。空気管１１９は、ＦＣスタック２１の空気極７２に空気入口７３を介して空気を供給する。空気フィルタ３３の入口側の空気管１１９は必須ではなく、ＦＣプラットフォーム１，２，３の開放部から空気フィルタ３３が直接空気を吸い込んでもよい。空気管１１９は、空気極に空気を供給する第３配管の一例である。
【0134】
空気フィルタ３３は、給気系統１９を介して供給される空気に含まれる塵や燃料電池に悪影響を及ぼす不純物を取り除いて、空気コンプレッサ４５に空気管１２０を介して供給する。空気フィルタは、エアクリーナーとも称される。
【0135】
空気コンプレッサ４５は、空気フィルタ３３を通して供給された空気を圧縮し、ＦＣスタック２１の空気極７２に供給する。空気コンプレッサ４５により圧縮された酸素を含む空気は、ＦＣスタック２１の空気極７２に空気入口７３を介して供給される。空気入口開閉弁７７は、空気コンプレッサ４５から空気極７２の空気入口７３へ供給される空気の流れを遮断する。
【0136】
排気管１３１は、複数のＦＣプラットフォーム１，２，３に共通に接続された排気系統３１に、ＦＣスタック２１で発生する排ガスを排出する。排空気出口開閉弁７８は、ＦＣスタック２１の空気極７２の空気出口７４から排気管１３１に排出されるオフガスの流れを遮断する。
【0137】
冷却系統３６は、ＦＣスタック２１を冷却水等の第１冷却液によって冷却する。冷却系統３６は、冷熱源３９との間で第１冷却液の熱交換を行って第１冷却液を冷却する中間熱交換器３４を有する。ウォーターポンプ４４は、第１冷却液を、中間熱交換器３４とＦＣスタック２１との間で循環させる。ウォーターポンプ４４により循環された第１冷却液により、ＦＣスタック２１は冷却される。
【0138】
中間熱交換器３４は、ＦＣスタック２１を冷却する第１冷却液を異種の冷熱源３９との間で熱交換可能な熱交換器である。異種の冷熱源３９とは、利用する冷熱源３９の種類を問わないことを意味する。中間熱交換器３４は、利用する冷熱源３９の種類を問わずに、任意の冷熱源３９で第１冷却液を冷却できるので、上記のような様々な用途に適用可能な燃料電池発電装置１０１が実現される。
【0139】
中間熱交換器３４は、冷却系統３６を循環する第１冷却液が通過する放熱部４０と、冷熱源３９との間で熱を移動させる熱媒が通過する受熱部４１と、を有する。冷熱源３９から供給される熱媒は、液体でも気体でもよい。中間熱交換器３４において放熱部４０から受熱部４１へ放熱されることで、第１冷却液は、冷却される。中間熱交換器３４の具体例として、プレート熱交換器などが挙げられるが、中間熱交換器３４は、これに限られない。
【0140】
複数のＦＣプラットフォーム１，２，３における複数の中間熱交換器３４は、それぞれ、複数のＦＣプラットフォーム１，２，３に共通に接続される冷熱源３９との間で熱交換してもよい。これにより、冷熱源３９が複数のＦＣプラットフォーム１，２，３間で共通化されるので、燃料電池発電装置１０１を小型化できる。なお、冷熱源３９は、複数のＦＣプラットフォーム１，２，３間で相違してもよい。
【0141】
冷却器１５（図２３）は、冷熱源３９の一例である。冷熱源３９は、例えば、空冷冷却器、開放式冷却塔、密閉式冷却塔、工場の冷却水、上水、河川水、海水、液化水素の気化熱、または圧縮水素が膨張した際の冷熱などである。
【0142】
中間熱交換器３４の受熱部４１の素材は、例えば、金属イオンの溶出性が比較的低い低溶出性金属（例えば、高耐食のオーステナイト系ステンレス（ＳＵＳ３１６Ｌ）など）である。受熱部４１に接触する熱媒が海水などであると、受熱部４１の素材によっては、金属イオンが受熱部４１から溶出するおそれがある。受熱部４１の素材が上記のような低溶出性金属であると、冷熱源３９から供給される熱媒の制約が緩和されるので、冷熱源３９の選択肢が増える。その結果、上記のような様々な用途に適用可能な燃料電池発電装置１０１が実現される。
【0143】
また、中間熱交換器３４の採用によって、第１冷却液が循環する経路をＦＣプラットフォームの外側の冷熱源３９まで伸ばさなくても、第１冷却液を放熱できる。つまり、第１冷却液が循環する経路を短縮でき、燃料電池を冷却する高価な第１冷却液の使用量を削減できる。その結果、コスト低減が可能となる。
【0144】
冷却系統３６は、第１冷却液からイオンを取り除くイオン交換器３５を備えてもよい。第１冷却液からのイオンの取り除きによって、ＦＣスタック２１において入出力される第１冷却液の電気伝導度の上昇が抑制されるので、ＦＣスタック２１と第１冷却液との間の電気的な干渉が抑制される。
【0145】
また、中間熱交換器３４が採用されることで、冷却系統３６側の第１冷却液から冷熱源３９側の熱媒へのイオンの溶出が抑制されるので、イオン交換器３５のメンテナンスの頻度が低減する。
【0146】
冷却系統３６は、第１冷却液の電気伝導度を測定するセンサ３７を備えてもよい。センサ３７を備えることで、第１冷却液の電気伝導度を管理できる。例えば、電気伝導度が上昇し始めたことがセンサ３７により検知された場合、ユーザは、イオン交換器３５をメンテナンスするタイミングを把握できる。また、電気伝導度を管理することで燃料電池の直流ＰＮ間（プラスとマイナス間）の絶縁性を保つことができる。センサ３７又は制御装置１０は、電気伝導度が第１閾値（例えば、１μＳ／ｃｍ）以上と測定された場合、ユーザが認知できるように、警報を発報してもよい。制御装置１０は、電気伝導度が第１閾値よりも大きな第２閾値（例えば、５μＳ／ｃｍ）以上と測定された場合、第２閾値以上の電気伝導度が測定されたＦＣプラットフォームを停止させてもよい。
【0147】
冷却系統３６は、第１冷却液の温度変化に伴う膨張又は収縮を吸収する冷媒タンク３８を備えてもよい。これにより、第１冷却液の温度変化に伴う膨張又は収縮が抑制される。
【0148】
ＦＣプラットフォーム１は、第１気液分離器７９及び水素ポンプ４３を備えてもよい。第１気液分離器７９は、燃料極７１の水素出口７６から排出される第１混相流から水素ガスと排水を分離する。水素ポンプ４３は、第１気液分離器７９により分離された水素ガスを燃料極７１の水素入口７５へ循環させる。これにより、ＦＣスタック２１での発電により生成された余剰の水素ガスを、ＦＣスタック２１での発電に再利用できる。
【0149】
ＦＣプラットフォーム１は、混合器８０を備えてもよい。排気管１３１は、第１気液分離器７９により分離された排水と、当該排水に混入する水素と、空気極７２の空気出口７４から排出される排空気とを混合器８０で合流させた第２混相流を排出する。これにより、排水と水素と排空気をまとめて排出できる。
【0150】
ＦＣプラットフォーム１は、第２混相流から水と気体を分離する第２気液分離器８１を備えてもよい。これにより、排水と排ガスを分離して排出できる。排水又は排ガスは、回収器８２により回収されてもよい。これにより、排ガス中に含まれる水分が周辺に飛散することを抑制することができる。
【0151】
燃料電池発電装置１０１は、複数のＦＣプラットフォーム１，２，３における複数の燃料管１１８に不活性ガス（例えば、窒素、二酸化炭素、水蒸気など）を個別に供給する配管１２１を備えてもよい。制御装置１０は、複数の燃料管１１８に含まれる水素を不活性ガスで個別にパージできるように、開閉弁１２２を作動させることにより、配管１２１の流路を切り替えてもよい。これにより、不活性ガスのパージによる特性劣化をＦＣスタック単位で管理できる。
【0152】
燃料電池発電システム２０１又は燃料電池発電装置１０１は、複数のＦＣプラットフォームのそれぞれに対して設けられた複数の開閉器（この例では、電磁開閉器６１，６２，６３）を備えてもよい。電磁開閉器６１，６２，６３は、燃料電池から出力される電力の経路を開閉する。電磁開閉器６１は、ＦＣスタック２１及び昇圧コンバータ４２と、出力線１７に接続される出力点１６との間の電力経路の遮断と接続を切り替える遮断器である。電磁開閉器６２は、ＦＣスタック２２及び不図示の昇圧コンバータと、出力線１７に接続される出力点１６との間の電力経路の遮断と接続を切り替える遮断器である。電磁開閉器６３は、ＦＣスタック２３及び不図示の昇圧コンバータと、出力線１７に接続される出力点１６との間の電力経路の遮断と接続を切り替える遮断器である。
【0153】
制御装置１０は、複数のＦＣスタック２１，２２，２３のうち、一部のＦＣスタックを他のＦＣスタックから電磁開閉器６１，６２又は６３により切り離してもよい。当該一部のＦＣスタックが切り離された状態で、制御装置１０は、供給電力Ｐａが略一定値に維持されるように、当該他のＦＣスタックの出力電力を制御してもよい。これにより、供給電力Ｐａが略一定値に維持された状態で、当該一部のＦＣスタックの交換が容易になる。例えば、制御装置１０は、ＦＣスタック２１が電磁開閉器６１によりＦＣスタック２２，２３から切り離された状態で、供給電力Ｐａが略一定値に維持されるように、他のＦＣスタック２２，２３の出力電力を制御してもよい。電磁開閉器６１，６２，６３の開閉は、制御装置１０によって自動で切り替えられるが、手動で切り替えられてもよい。
【0154】
燃料電池発電装置１０１は、複数のＦＣプラットフォームのうち、一部のＦＣプラットフォームが動作中に残りのＦＣプラットフォームを運転停止して取り外せるように、配管を遮断する遮断弁、及び、配線を遮断する開閉器を備えてもよい。配管は、液体（冷却液、排水など）又は気体（空気、水素、排ガスなど）を伝達し、配線は、電力や信号を伝送する。配管を遮断する遮断弁として、空気入口開閉弁７７及び排空気出口開閉弁７８が例示される。配線を遮断する開閉器として、電磁開閉器６１，６２，６３が例示される。
【0155】
燃料電池発電装置１０１は、複数のＦＣプラットフォームの地絡を個別に検出する機能を備えてもよい。例えば、制御装置１０は、複数のＦＣプラットフォーム１，２，３のうち、対地間抵抗の低下もしくは地絡が検出されたＦＣプラットフォームを、電磁開閉器６１，６２又は６３により切り離してもよい。
【0156】
蓄電装置１４の出力電圧と出力点１６での出力電圧とが略等しくなるように、直列に接続される複数の蓄電池１４１，…，１４ｎの数が調整されてもよい。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を削除して燃料電池発電装置１０１を小型化できる。
【0157】
外部装置１２の電力需要と燃料電池発電装置１０１の関係から、蓄電装置１４の容量を増加させるため、複数の蓄電池１４１，…，１４ｎを並列に接続してもよい。複数の蓄電池１４１，…，１４ｎの並列数は、出力線１７に共通接続される複数のＦＣプラットフォームの数よりも少ないのが好ましい。この場合、複数のＦＣプラットフォームの各出力電力ラインに個別に蓄電池を接続する場合に比べて、燃料電池発電装置１０１を小型化できる。
【0158】
配管１２１は、燃料管１１８に不活性ガス（窒素、二酸化炭素、水蒸気など）を供給する。配管１２１は、燃料極に水素を供給する第１配管に不活性ガスを供給する第２配管の一例である。
【0159】
配管１２１は、図２３に示すように、複数のＦＣプラットフォーム１，２，３の複数の燃料管１１８に個別に不活性ガスを供給できるように構成されてもよい。この場合、一部のＦＣプラットフォームのみメンテナンス等で取り外す場合に、不活性ガスパージが個別に行われることで、燃料電池発電システム２０１から安全に取り外すことが可能である。
【0160】
燃料電池発電装置１０１は、燃料管１１８から燃料極７１への水素の供給と配管１２１から燃料管１１８への不活性ガスの供給を切り替え可能に構成されている。配管１２１の切り替え動作は、制御装置１０により制御される。
【0161】
燃料電池発電装置１０１は、個別に水素と不活性ガスの供給を切り替え可能な構成として、燃料管１１８に設けられた開閉弁１２３と、配管１２１に設けられた開閉弁１２２とを有してもよい。開閉弁１２３及び開閉弁１２２の各々の開閉は、制御装置１０により制御される。開閉弁１２３及び開閉弁１２２は、例えば、電磁弁である。
【0162】
燃料電池発電装置１０１は、個別に水素と不活性ガスの供給を切り替え可能な構成として、不活性ガスを供給する配管１２１が水素を供給する燃料系統１８に合流する箇所に設けられた流路切換え弁（例えば、三方弁など）を有してもよい。三方弁の場合、水素と不活性ガスのどちらかの完全な切り替えもできるし、任意の組成での混合もできる。燃料管１１８及び配管１２１のそれぞれに、マスフローコントローラー（質量流量計）などの流量制御機器を設置することで、より精密に混合組成を制御することもできる。
【0163】
図２５に示す燃料電池発電システム２０１Ａのように、配管１２１は、不活性ガスを一括で燃料管１１８に供給できるように構成されてもよい。この場合、燃料電池発電システム２０１Ａについて、構成の簡素化とコストダウンができる。図２５の場合、開閉弁１２２は、配管１２１がＦＣスタック２１，２２，２３に向けて分岐する前の箇所に設けられている。
【0164】
図２３～図２５において、ＦＣスタック２１の出力電力ｐ１の一部は、ＦＣユニット５１内の空気コンプレッサ４５等の補機の動作電力として使用され、その余剰電力が、ＦＣユニット５１の出力電力Ｐ１として出力される。ＦＣスタック２２の出力電力ｐ２及びＦＣスタック２３の出力電力ｐ３についても同様である。
【0165】
制御装置１０は、出力線１７から外部への供給電力を略一定の所定値に維持する制御を行う。例えば、制御装置１０は、出力線１７から電力変換装置１１に向けて出力される供給電力Ｐａ（＝Ｐｏ－Ｐｂ）が一定の目標値に維持されるように、ＦＣスタック２１，２２，２３（ＦＣプラットフォーム１，２，３）の発電及びＤＣ／ＤＣコンバータ１３の変換動作を制御する。Ｐｏは、出力点１６における電力である。Ｐｏは、ＦＣプラットフォーム１，２，３の各出力電力Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の和に等しい（Ｐｏ＝Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３）。Ｐｂは、蓄電装置１４と出力線１７との間でやり取りされる電力である。
【0166】
制御装置１０は、電力変換装置１１から外部装置１２に向けて出力される電力Ｐｃが目標値に追従するように、ＦＣスタック２１，２２，２３の発電及び電力変換装置１１の変換動作を制御してもよい。Ｐａ又はＰｃは、出力線１７から外部への供給電力の一例である。
【0167】
制御装置１０は、出力線１７から外部への供給電力Ｐａが略一定値に維持された状態で、ＦＣスタック２１，２２，２３の各出力電力ｐ１，ｐ２，ｐ３を変化（より詳しくは、増減）させる制御（電力変動制御。電池出力変動制御とも称する）を行う。供給電力Ｐａは、電圧センサ及び電流センサにより検出可能である。
【0168】
制御装置１０は、例えば、ＦＣプラットフォーム１の昇圧コンバータ４２の動作電流（負荷電流）を増減することでＦＣスタック２１の負荷を増減させ、出力電力ｐ１を増減させる。同様に、制御装置１０は、ＦＣプラットフォーム２の昇圧コンバータ４２の動作電流（負荷電流）を増減することでＦＣスタック２２の負荷を増減させ、出力電力ｐ２を増減させる。制御装置１０は、ＦＣプラットフォーム３の昇圧コンバータ４２の動作電流（負荷電流）を増減することでＦＣスタック２３の負荷を増減させ、出力電力ｐ３を増減させる。
【0169】
制御装置１０が上記のような電力変動制御（電池出力変動制御）を行うことで、出力線１７から外部への供給電力Ｐａが略一定値に維持された状態で、複数のＦＣスタック２１，２２，２３の各出力電力ｐ１，ｐ２，ｐ３が増減する。これにより、出力線１７から外部への一定の電力供給が確保された状態で、複数のＦＣスタック２１，２２，２３のセル面内の湿度分布の偏りは、各出力電力ｐ１，ｐ２，ｐ３が常に一定に制御される場合に比べて、減少する。セル面内の湿度分布の偏りが減少することで、有効反応面積の低下による電流密度の上昇が抑制されるので、電流密度の上昇による電解質膜の劣化が抑制される。したがって、供給電力Ｐａが略一定値に維持された状態で各出力電力ｐ１，ｐ２，ｐ３を増減させる電力変動制御が制御装置１０により行われることで、略一定の電力供給が確保され、複数のＦＣスタック２１，２２，２３の劣化が抑制される。複数のＦＣスタック２１，２２，２３の劣化の抑制は、燃料電池発電装置１０１及び燃料電池発電システム２０１，２０１Ａの耐久性の向上に貢献する。
【0170】
制御装置１０は、供給電力Ｐａが略一定値に維持された状態で、各出力電力ｐ１，ｐ２，ｐ３をＦＣスタックの定格出力よりも低い電力値Ｐｔｈ以下に制限的に制御する部分負荷運転を行ってもよい。部分負荷運転が行われることで、各出力電力ｐ１，ｐ２，ｐ３を定格出力に制御する全負荷運転を行う場合に比べて、複数のＦＣスタック２１，２２，２３の劣化が抑制され、燃料電池発電装置１０１及び燃料電池発電システム２０１の耐久性が向上する。
【0171】
燃料電池は、出力（発電負荷）が高くなるほど、発電効率が低下する傾向がある。また、高出力の運転では、空気コンプレッサ４５など回転機の騒音が大きくなるおそれがある。一方、低出力の運転でも、発電効率が低下する場合がある。低出力の運転で発電効率が低下するのは、燃料電池の効率だけではなく、燃料電池の出力電力に対する、ＦＣユニット内の補機の動力の割合（補機損失）が増大するからである。そこで、制御装置１０は、供給電力Ｐａが略一定値に維持された状態で、各出力電力ｐ１，ｐ２，ｐ３をＦＣスタックの定格出力の１０％以上８０％以下に制限的に制御する部分負荷運転を行ってもよい。制御装置１０は、より好ましくは、供給電力Ｐａが略一定値に維持された状態で、各出力電力ｐ１，ｐ２，ｐ３をＦＣスタックの定格出力の２０％以上５０％以下に制限的に制御する部分負荷運転を行ってもよい。このような部分負荷運転が行われることで、発電効率の向上、騒音の低減、および、燃料消費量の削減が可能となる。
【0172】
制御装置１０は、供給電力Ｐａが略一定値に維持された状態で、ＦＣスタックの特性を改善させるリフレッシュ運転を間欠的に行ってもよい。これにより、ＦＣスタックの継続的な運転により低下した特性（例えば、出力電圧の特性）の改善が可能となる。
【0173】
リフレッシュ運転には、起動停止、低電圧運転、高負荷運転、アイドリング運転、負荷変動運転、空気流量増加運転などがある。制御装置１０は、並列に接続された複数のＦＣスタックをリフレッシュ運転することで、複数のＦＣスタック２１，２２，２３の劣化が抑制され、燃料電池発電装置１０１及び燃料電池発電システム２０１，２０１Ａの耐久性が向上する。
【0174】
起動停止は、停止中のＦＣスタックのカソード内の酸素を消費することで、燃料電池の電圧を低下させ、触媒被毒物質を脱離させるリフレッシュ運転である。制御装置１０は、例えば、複数のＦＣスタック２１，２２，２３を個別に一定時間以上停止して、停止中のＦＣスタックの電圧を予め定められた最低時間以上継続して低下させることで、触媒被毒物質を脱離させる。より具体的には、制御装置１０は、停止中のＦＣスタックのカソードの酸素を消費し、そのカソードの触媒に付着した不純物が脱離するまで、その停止中のＦＣスタックの電圧を予め定められた最低時間以上継続して低下させる。一定時間は、１秒から３０分、好ましくは１分である。最低時間は、０．５秒から５分、好ましくは３０秒である。ＦＣスタックの電圧は、セル電圧として、０．３Ｖ～０．６５Ｖ、より好ましくは０．５Ｖまで低下させる。
【0175】
低電圧運転は、ＦＣスタックを停止せずに、ＦＣスタックの電圧を一時的に低下させることで、触媒被毒物質を脱離させるリフレッシュ運転である。制御装置１０は、例えば、動作中の複数のＦＣスタック２１，２２，２３の電圧を個別に一時的に低下させることで、触媒被毒物質を脱離させる。ＦＣスタックの電圧は、セル電圧として、０．６５Ｖ以下、より好ましくは０．５Ｖ以下まで低下させる。
【0176】
高負荷運転は、ＦＣスタックで生成される水量を増やし、水分で電極に付着した不純物を洗い流すリフレッシュ運転である。制御装置１０は、例えば、定格出力よりも低い電力値Ｐｔｈ以下で動作中のＦＣスタックの出力電力を、電力値Ｐｔｈよりも一時的に高くすることで、そのＦＣスタックで生成される水量を増やし、水分で電極に付着した不純物を洗い流す。
【0177】
アイドリング運転は、出力点１６における電力Ｐｏを略零にした状態で、セル面内の湿度分布又は温度分布を均一化するリフレッシュ運転である。制御装置１０は、例えば、供給電力Ｐａが略一定に且つ出力点１６における電力Ｐｏが略零に維持されるように、複数のＦＣスタック２１，２２，２３の発電及び出力線１７に接続される蓄電池１４の放電を制御する。これにより、燃料電池発電装置１０１から出力される電力Ｐｏがアイドリング運転により略零になっても、蓄電池１４からの放電によって供給電力Ｐａを略一定に維持できる。
【0178】
負荷変動運転は、ＦＣスタックの負荷の変動によりそのＦＣスタックの出力電力を変動させることで、セル面内の湿度分布又は温度分布を均一化するリフレッシュ運転である。ＦＣスタックの負荷の変動は、制御装置１０により制御される。
【0179】
空気流量増加運転は、ＦＣスタックで生成された水の排出性の改善、および、酸素の等配性の改善によって、ＦＣスタックの特性を回復するリフレッシュ運転である。
【0180】
図２６は、第２実施形態の燃料電池発電装置を備える燃料電池発電システムの具体的な構成例を示す図である。図２６に示す燃料電池発電システム２０２は、並列に接続された複数のＦＣユニットによって発電された電力を、給電対象である外部装置１２に供給するシステムである。第２実施形態において、第１実施形態と同様の構成及び効果についての説明は、上述の説明を援用することで、省略又は簡略する。
【0181】
燃料電池発電システム２０２は、燃料電池発電装置１０２と補機システム３０１を備える。燃料電池発電システム２０２は、上記の燃料電池発電システム４０１の一具体例である。
【0182】
燃料電池発電装置１０２は、外部装置１２に供給される電力を複数のＦＣユニットによって発電する。燃料電池発電装置１０２は、ユニット化されてもよい。燃料電池発電装置１０２は、出力線１７に並列に接続された複数のＦＣユニット（この例では、３つのＦＣユニット５１，５２，５３）と、それらの複数のＦＣユニットを制御する制御装置１０とを備える。並列に接続される複数のＦＣユニットの台数は、３台に限られず、２台でも、４台以上でもよい。
【0183】
ＦＣユニット５１，５２，５３は、それぞれ、共通の出力線１７に出力点１６を経由して接続されるＦＣスタックを含む。ＦＣスタックは、燃料電池の一例である。ＦＣユニット５１は、ＦＣスタック２１を含み、ＦＣユニット５２は、ＦＣスタック２２を含み、ＦＣユニット５３は、ＦＣスタック２３を含む。
【0184】
ＦＣユニット５１等は、上記の発電装置４５１等の一例である、又は、上記の発電装置４５１等に含まれるユニットの一例である。ＦＣスタック２１等は、上記の燃料電池４４１等の一例である。制御装置１０は、上記の第１制御装置４１１等又は上記の第２制御装置４２１等の一例である。
【0185】
制御装置１０は、ＦＣユニット５１，５２，５３及び補機システム３０１の動作を制御するコントローラである。制御装置１０は、例えば、制御用電源３２から供給される電力（例えば、ＤＣ１２ボルトの直流電力）により動作する。制御装置１０の個数は、１つに限られず、複数でもよく、例えば、ＦＣユニット５１，５２，５３の各々に対して制御装置が設けられてもよい。
【0186】
図２７は、第２実施形態の燃料電池発電装置１０２の構成例を詳細に示す図である。燃料電池発電装置１０２は、例えば、制御装置１０及び複数のＦＣユニット５１，５２，５３を備える。ＦＣユニット５２，５３は、ＦＣユニット５１と同じ構成及び機能を有し、ＦＣユニット５１と同様に、制御装置１０により制御される。
【0187】
したがって、第２実施形態の制御装置１０は、第１実施形態と同様の電力変動制御を行うことで、複数のＦＣスタック２１，２２，２３の劣化を抑制できる。
【0188】
図２８は、燃料電池が３並列の場合の電力変動制御パターンの第１例を示す図である。制御装置１０は、ＦＣスタック２１の負荷をＦＣスタック２１の定格出力の３３．３％の固定値Ｐｔｈ１に制御し、リフレッシュ運転を間欠的に行う負荷パターンＬ１で、ＦＣスタック２１の負荷（出力電力ｐ１）を増減させる。制御装置１０は、ＦＣスタック２２の負荷をＦＣスタック２２の定格出力の３３．３％の固定値Ｐｔｈ２に制御し、リフレッシュ運転を間欠的に行う負荷パターンＬ２で、ＦＣスタック２２の負荷（出力電力ｐ２）を増減させる。制御装置１０は、ＦＣスタック２３の負荷をＦＣスタック２３の定格出力の３３．３％の固定値Ｐｔｈ３に制御し、リフレッシュ運転を間欠的に行う負荷パターンＬ３で、ＦＣスタック２３の負荷（出力電力ｐ３）を増減させる。負荷パターンＬは、負荷パターンＬ１，Ｌ２，Ｌ３の組み合わせである。
【0189】
負荷パターンＬ１，Ｌ２，Ｌ３は、供給電力Ｐａが略一定値に維持された状態で、各出力電力ｐ１，ｐ２，ｐ３を周期的に増減させるパターンである。負荷パターンＬ１，Ｌ２，Ｌ３は、供給電力Ｐａが略一定値に維持された状態で、各出力電力ｐ１，ｐ２，ｐ３を位相が互いに異なる波形で増減させるパターンである。
【0190】
制御装置１０は、ＦＣスタック２１，２２，２３の負荷を、それぞれ、対応する負荷パターンＬ１，Ｌ２，Ｌ３で増減させることで、供給電力Ｐａが略一定値に維持された状態でリフレッシュ運転を周期的に実施できる。
【0191】
期間Ｔ１，Ｔ３，Ｔ５は、各出力電力ｐ１，ｐ２，ｐ３を定格出力よりも低い各固定値Ｐｔｈ１，Ｐｔｈ２，Ｐｔｈ３に制御する期間に相当する。期間Ｔ２，Ｔ４，Ｔ６は、各出力電力ｐ１，ｐ２，ｐ３を各固定値Ｐｔｈ１，Ｐｔｈ２，Ｐｔｈ３から一時的に変化させる期間に相当する。この例では、制御装置１０は、各出力電力ｐ１，ｐ２，ｐ３を各固定値Ｐｔｈ１，Ｐｔｈ２，Ｐｔｈ３から順に一時的に高くする。各出力電力ｐ１，ｐ２，ｐ３を各固定値Ｐｔｈ１，Ｐｔｈ２，Ｐｔｈ３から高くする順番は、これに限られず、例えば、ｐ１，ｐ３，ｐ２の順に高くされてもよい。
【0192】
期間Ｔ２は、出力電力ｐ１を固定値Ｐｔｈ１から定格出力の８０％以上１００％以下のいずれかの出力に一時的に高くしてＦＣスタック２１のリフレッシュ運転を実施し、出力電力ｐ２，Ｐ３を固定値Ｐｔｈ２，Ｐｔｈ３から略零（低負荷状態）に一時的に低くしてＦＣスタック２２，２３のリフレッシュ運転を実施する期間に相当する。
【0193】
期間Ｔ４は、出力電力ｐ２を固定値Ｐｔｈ２から定格出力の８０％以上１００％以下のいずれかの出力に一時的に高くしてＦＣスタック２２のリフレッシュ運転を実施し、出力電力ｐ１，ｐ３を固定値Ｐｔｈ１，Ｐｔｈ３から略零（低負荷状態）に一時的に低くしてＦＣスタック２１，２３のリフレッシュ運転を実施する期間に相当する。
【0194】
期間Ｔ６は、出力電力ｐ３を固定値Ｐｔｈ３から定格出力の８０％以上１００％以下のいずれかの出力に一時的に高くしてＦＣスタック２３のリフレッシュ運転を実施し、出力電力ｐ１，ｐ２を固定値Ｐｔｈ１，Ｐｔｈ２から略零（低負荷状態）に一時的に低くしてＦＣスタック２１，２２のリフレッシュ運転を実施する期間に相当する。
【0195】
【0196】
制御装置１０は、ＦＣスタック２１の負荷をＦＣスタック２１の定格出力の５０％の固定値Ｐｔｈ１に制御し、リフレッシュ運転を間欠的に行う負荷パターンＬ１で、ＦＣスタック２１の負荷（出力電力ｐ１）を増減させる。制御装置１０は、ＦＣスタック２２の負荷をＦＣスタック２２の定格出力の５０％の固定値Ｐｔｈ２に制御し、リフレッシュ運転を間欠的に行う負荷パターンＬ２で、ＦＣスタック２２の負荷（出力電力ｐ２）を増減させる。負荷パターンＬは、負荷パターンＬ１，Ｌ２の組み合わせである。
【0197】
制御装置１０は、ＦＣスタック２１，２２の負荷を、それぞれ、対応する負荷パターンＬ１，Ｌ２で増減させることで、供給電力Ｐａが略一定値に維持された状態でリフレッシュ運転を周期的に実施できる。
【0198】
図３０は、燃料電池が２並列の場合の電力変動制御パターンの第２例を示す図である。図３１は、燃料電池が２並列の場合の電力変動制御パターンの第３例を示す図である。図３０及び図３１において、図２８及び図２９と同様の内容の説明については、上述の説明を援用することで省略する。
【0199】
図３０及び図３１において、制御装置１０は、ＦＣスタック２１，２２の負荷を、それぞれ、対応する階段状の負荷パターンＬ１，Ｌ２で増減させることで、供給電力Ｐａが略一定値に維持された状態でリフレッシュ運転を周期的に実施できる。
【0200】
【0201】
図３２において、制御装置１０は、ＦＣスタック２１，２２の負荷を、それぞれ、対応する三角波状の負荷パターンＬ１，Ｌ２で増減させることで、供給電力Ｐａが略一定値に維持された状態でリフレッシュ運転を周期的に実施できる。期間Ｔ２，Ｔ４，は、リフレッシュ運転を実施する期間に相当する。
【0202】
【0203】
図３３において、制御装置１０は、ＦＣスタック２１，２２，２３の負荷を、それぞれ、対応する三角波状の負荷パターンＬ１，Ｌ２，Ｌ３で増減させることで、供給電力Ｐａが略一定値に維持された状態でリフレッシュ運転を周期的に実施できる。図３３において、図３２と同様に、リフレッシュ運転を実施する期間が設定されてもよい。
【0204】
【0205】
図３４において、制御装置１０は、ＦＣスタック２１，２２，２３の負荷を、それぞれ、対応する正弦波状の負荷パターンＬ１，Ｌ２，Ｌ３で増減させることで、供給電力Ｐａが略一定値に維持された状態でリフレッシュ運転を周期的に実施できる。図３４において、図３２と同様に、リフレッシュ運転を実施する期間が設定されてもよい。
【0206】
なお、図２８～図３４において、制御装置１０は、各出力電力ｐ１，ｐ２，ｐ３を各固定値Ｐｔｈ１，Ｐｔｈ２，Ｐｔｈ３よりも一時的に高くして、供給電力Ｐａを略一定値よりも一時的に上昇させてもよい。これにより、ＦＣスタック２１，２２，２３の各々の定格出力の和を上限に、供給電力Ｐａを一時的に上昇させることができる。これにより、ピーク電力への対応が可能である。
【0207】
また、制御装置１０は、各出力電力ｐ１，ｐ２，ｐ３を周期的に増減させなくてもよい。例えば、制御装置１０は、ＦＣスタックの電圧が閾値に達すると、供給電力Ｐａが略一定値に維持されるように、各出力電力ｐ１，ｐ２，ｐ３を増減させてもよい。
【0208】
以上の通り、実施形態を説明したが、上記実施形態は、例として提示したものであり、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の組み合わせ、省略、置き換え、変更などを行うことが可能である。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【0209】
例えば、図２３、図２５及び図２６では、窒素を供給する配管１２１（パージ系統３０）が水素を供給する燃料系統１８に合流する箇所は、燃料系統１８がＦＣスタック２１，２２，２３に向けて分岐した後の系統であるが、分岐する前の系統でもよい。
【符号の説明】
【0210】
１，２，３ ＦＣプラットフォーム
１０ 制御装置
１１ 電力変換装置
１２ 外部装置
１３ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１４ 蓄電装置
１４１，１４ｎ 蓄電池
１５ 冷却器
１６ 出力点
１７ 出力線
１８ 燃料系統
１９ 給気系統
２１，２２，２３ ＦＣスタック
３０ パージ系統
３１ 排気系統
３２ 制御用電源
３３ 空気フィルタ
３４ 中間熱交換器
３５ イオン交換器
３６ 冷却系統
３７ センサ
３８ 冷媒タンク
３９ 冷熱源
４０ 放熱部
４１ 受熱部
４２ 昇圧コンバータ
４３ 水素ポンプ
４４ ウォーターポンプ
４５ 空気コンプレッサ
５１，５２，５３ ＦＣユニット
６１，６２，６３ 電磁開閉器
７１ 燃料極
７２ 空気極
７３ 空気入口
７４ 空気出口
７５ 水素入口
７６ 水素出口
７７ 空気入口開閉弁
７８ 排空気出口開閉弁
７９ 第１気液分離器
８０ 混合器
８１ 第２気液分離器
８２ 回収器
１０１，１０２ 燃料電池発電装置
２０１，２０１Ａ，２０２ 燃料電池発電システム
３０１，３０２ 補機システム
４００，４０１，４０２ 燃料電池発電システム
４１１，４１２ 第１制御装置
４２１～４２７ 第２制御装置
４３１～４３７ 補機
４４１～４４７ 燃料電池
４５１～４５７ 発電装置
４６１ 第３制御装置
４７１，４７２ システム
１０ 制御装置
１１ 電力変換装置
１２ 外部装置
１３ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１４ 蓄電装置
１４１，１４ｎ 蓄電池
１５ 冷却器
１６ 出力点
１７ 出力線
１８ 燃料系統
１９ 給気系統
２１，２２，２３ ＦＣスタック
３０ パージ系統
３１ 排気系統
３２ 制御用電源
３３ 空気フィルタ
３４ 中間熱交換器
３５ イオン交換器
３６ 冷却系統
３７ センサ
３８ 冷媒タンク
３９ 冷熱源
４０ 放熱部
４１ 受熱部
４２ 昇圧コンバータ
４３ 水素ポンプ
４４ ウォーターポンプ
４５ 空気コンプレッサ
５１，５２，５３ ＦＣユニット
６１，６２，６３ 電磁開閉器
７１ 燃料極
７２ 空気極
７３ 空気入口
７４ 空気出口
７５ 水素入口
７６ 水素出口
７７ 空気入口開閉弁
７８ 排空気出口開閉弁
７９ 第１気液分離器
８０ 混合器
８１ 第２気液分離器
８２ 回収器
１０１，１０２ 燃料電池発電装置
２０１，２０１Ａ，２０２ 燃料電池発電システム
３０１，３０２ 補機システム
４００，４０１，４０２ 燃料電池発電システム
４１１，４１２ 第１制御装置
４２１～４２７ 第２制御装置
４３１～４３７ 補機
４４１～４４７ 燃料電池
４５１～４５７ 発電装置
４６１ 第３制御装置
４７１，４７２ システム
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】