特許 7544548 燃料電池システム及びその制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-26

(45)【発行日】2024-09-03

(54)【発明の名称】燃料電池システム及びその制御方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04858 20160101AFI20240827BHJP

   H01M 8/0612 20160101ALI20240827BHJP

   H01M 8/00 20160101ALI20240827BHJP

   H01M 8/04537 20160101ALI20240827BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20240827BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20240827BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20240827BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04858

H01M8/0612

H01M8/00 A

H01M8/04537

H01M8/04746

H01M8/10 101

H01M8/12 101

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020162019

(22)【出願日】2020-09-28

(65)【公開番号】P2022054805

(43)【公開日】2022-04-07

【審査請求日】2023-05-23

(73)【特許権者】

【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】100092727

【弁理士】

【氏名又は名称】岸本 忠昭

(72)【発明者】

【氏名】南 和徹

【審査官】武内 大志

(56)【参考文献】

【文献】特開２００４－４８８９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１１００７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－４３８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－１１０２１０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／００－８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、改質水を供給するための水供給手段と、前記水供給手段より供給される改質水を用いて前記燃料ガス供給手段より供給される燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、前記改質器にて水蒸気改質された改質燃料ガス及び酸化剤ガスによる発電反応を行う燃料電池と、燃料ガス供給手段及び前記水供給手段を制御するためのコントローラとを備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池に関連して、蓄電するための蓄電デバイスが設けられ、前記燃料電池からの発電電力及び前記蓄電デバイスからの蓄電電力が電力負荷に供給されるように構成されており、
前記コントローラは、運転サイクル期間の予測電力負荷を演算する予測電力負荷演算手段と、前記予測電力負荷演算手段により演算された前記予測電力負荷に基づいて前記燃料電池の基準発電出力を演算する発電出力演算手段と、前記蓄電デバイスの蓄電充電率を演算するための充電率演算手段と、前記基準発電出力を補正するための発電出力補正手段と、前記燃料電池の発電出力を設定する発電出力設定手段と、前記燃料電池を制御するための燃料電池制御手段と、を備えており、
前記発電出力演算手段は、前記運転サイクル期間を通して前記予測電力負荷に基づいて前記燃料電池の前記基準発電出力を演算し、前記発電出力補正手段は、前記充電率演算手段により演算された前記蓄電充電率と前記蓄電デバイスの適正充電率との差に基づいて前記基準発電出力を補正し、前記発電出力設定手段は、前記蓄電デバイスの適正充電状態のときには前記基準発電出力を、また高充電状態又は低充電状態のときには前記基準発電出力を補正した発電出力を設定し、
前記燃料電池制御手段は、前記運転サイクル期間を通して前記燃料電池の発電出力が前記発電出力設定手段により設定された設定発電出力となるように前記燃料ガス供給手段及び前記水供給手段を制御し、前記運転サイクル期間の開始から所定運転時間が経過すると、前記燃料電池制御手段は、燃料ガス及び／又は改質水の供給流量が少なくなるように前記燃料ガス供給手段及び／又は前記水供給手段を制御し、前記運転サイクル期間を通して、前記燃料電池の発電電力が前記電力負荷よりも大きくなると、前記電力負荷より超えた余剰電力は前記蓄電デバイスに供給されて蓄電され、また前記燃料電池の発電電力が前記電力負荷より小さくなると、前記電力負荷より不足する不足電力は前記蓄電デバイスから放電されて前記電力負荷に供給されることを特徴とする燃料電池システム。

【請求項2】

燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、燃料ガス及び酸化剤ガスによる発電反応を行う燃料電池と、前記燃料ガス供給手段を制御するためのコントローラとを備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池に関連して、蓄電するための蓄電デバイスが設けられ、前記燃料電池からの発電電力及び前記蓄電デバイスからの蓄電電力が電力負荷に供給されるように構成されており、
前記コントローラは、運転サイクル期間の予測電力負荷を演算する予測電力負荷演算手段と、前記予測電力負荷演算手段により演算された前記予測電力負荷に基づいて前記燃料電池の基準発電出力を演算する発電出力演算手段と、前記蓄電デバイスの蓄電充電率を演算するための充電率演算手段と、前記基準発電出力を補正するための発電出力補正手段と、前記燃料電池の発電出力を設定する発電出力設定手段と、前記燃料電池を制御するための燃料電池制御手段と、を備えており、
前記発電出力演算手段は、前記運転サイクル期間を通して前記予測電力負荷に基づいて前記燃料電池の前記基準発電出力を演算し、前記発電出力補正手段は、前記充電率演算手段により演算された前記蓄電充電率と前記蓄電デバイスの適正充電率との差に基づいて前記基準発電出力を補正し、前記発電出力設定手段は、前記蓄電デバイスの適正充電状態のときには前記基準発電出力を、また高充電状態又は低充電状態のときには前記基準発電出力を補正した発電出力を設定し、
前記燃料電池制御手段は、前記燃料電池の発電出力が前記発電出力設定手段により設定された設定発電出力となるように前記燃料ガス供給手段を制御し、前記運転サイクル期間の開始から所定運転時間が経過すると、前記燃料電池制御手段は、燃料ガスの供給流量が少なくなるように前記燃料ガス供給手段を制御し、前記運転サイクル期間を通して、前記燃料電池の発電電力が前記電力負荷よりも大きくなると、前記電力負荷より超えた余剰電力は前記蓄電デバイスに供給されて蓄電され、また前記燃料電池の発電電力が前記電力負荷より小さくなると、前記電力負荷より不足する不足電力は前記蓄電デバイスから放電されて前記電力負荷に供給されることを特徴とする燃料電池システム。

【請求項3】

前記コントローラの前記発電出力補正手段は、前記蓄電デバイスの前記蓄電充電率が前記適正充電率よりも大きいときには前記蓄電充電率と前記適正充電率との差が大きくなるに従って前記燃料電池の発電出力が前記基準発電出力よりも段階的に小さくなるように補正し、前記蓄電デバイスの前記蓄電充電率が前記適正充電率よりも小さいときには前記蓄電充電率と前記適正充電率との差が大きくなるに従って前記燃料電池の発電出力が前記基準発電出力よりも段階的に大きくなるように補正することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記コントローラは、前記蓄電デバイスの充電率の上限である上限充電率に達したときの充電上限を判定するための充電上限判定手段を含んでおり、前記充電上限判定手段が前記蓄電デバイスの前記充電上限を判定すると、前記燃料電池の前記基準発電出力に基づく発電運転が終了し、前記発電出力演算手段は前記予測電力負荷に基づいて前記燃料電池の前記基準発電出力を再演算することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記コントローラは、前記蓄電デバイスの充電率の下限である下限充電率に達したときの充電下限を判定するための充電下限判定手段を含んでおり、前記充電下限判定手段が前記蓄電デバイスの前記充電下限を判定すると、前記燃料電池の前記基準発電出力に基づく発電運転が終了し、前記発電出力演算手段は前記予測電力負荷に基づいて前記燃料電池の前記基準発電出力を再演算することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。

【請求項6】

燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、改質水を供給するための水供給手段と、前記水供給手段より供給される改質水を用いて前記燃料ガス供給手段より供給される燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、前記改質器にて水蒸気改質された改質燃料ガス及び酸化剤ガスにより発電反応を行う燃料電池と、蓄電するための蓄電デバイスとを備えた燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池からの発電電力及び前記蓄電デバイスからの蓄電電力を電力負荷に供給するように構成し、
更に、運転サイクル期間の予測電力負荷に基づいて前記燃料電池の基準発電出力を演算し、前記蓄電デバイスの蓄電充電率と前記蓄電デバイスの適正充電率との差に基づいて前記基準発電出力を補正し、前記燃料電池の発電出力として、前記蓄電デバイスの適正充電状態のときには前記基準発電出力を、また高充電状態又は低充電状態のときには前記基準発電出力を補正した発電出力を設定し、
前記運転サイクル期間を通して前記燃料電池の発電出力が設定発電出力となるように前記燃料ガス供給手段及び前記水供給手段を制御し、前記運転サイクル期間の開始から所定運転時間が経過すると、燃料ガス及び／又は改質水の供給流量が少なくなるように前記燃料ガス供給手段及び／又は前記水供給手段を制御し、前記運転サイクル期間を通して、前記燃料電池の発電電力が前記電力負荷よりも大きくなると、前記電力負荷より超えた余剰電力を前記蓄電デバイスに供給して蓄電し、また前記燃料電池の発電電力が前記電力負荷より小さくなると、前記電力負荷より不足する不足電力を前記蓄電デバイスから放電して前記電力負荷に供給することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

【請求項7】

燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、燃料ガス及び酸化剤ガスによる発電反応を行う燃料電池と、蓄電するための蓄電デバイスとを備えた燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池からの発電電力及び前 記蓄電デバイスからの蓄電電力を電力負荷に供給するように構成し、
更に、運転サイクル期間の予測電力負荷に基づいて前記燃料電池の基準発電出力を演算し、前記蓄電デバイスの蓄電充電率と前記蓄電デバイスの適正充電率との差に基づいて前記基準発電出力を補正し、前記燃料電池の発電出力として、前記蓄電デバイスの適正充電状態のときには前記基準発電出力を、また高充電状態又は低充電状態のときには前記基準発電出力を補正した発電出力を設定し、
前記運転サイクル期間を通して前記燃料電池の発電出力が設定発電出力となるように前記燃料ガス供給手段を制御し、前記運転サイクル期間の開始から所定運転時間が経過すると、燃料ガスの供給流量が少なくなるように前記燃料ガス供給手段を制御し、前記運転サイクル期間を通して、前記燃料電池の発電電力が前記電力負荷よりも大きくなると、前記電力負荷より超えた余剰電力を前記蓄電デバイスに供給して蓄電し、また前記燃料電池の発電電力が前記電力負荷より小さくなると、前記電力負荷より不足する不足電力を前記蓄電デバイスから放電して前記電力負荷に供給することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスによる発電反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システム及びその制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

一般的に、燃料電池システムは、燃料ガス（例えば、都市ガス）を供給するための燃料ガス供給手段と、改質水を供給するための水供給手段と、水供給手段より供給される水を用いて燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、改質器にて水蒸気改質された改質燃料ガス及び酸化剤ガス（例えば、空気）による発電反応によって発電を行う燃料電池と、燃料ガス供給手段及び水供給手段を制御するためのコントローラとを備えている。このような燃料電池システム（例えば、家庭用の小型燃料電池システム）では、電力負荷に追従する運転制御が行われ、電力負荷の大きさに応じて燃料電池の発電出力が変動するように制御される。そして、部分負荷運転の場合、燃料電池の発電出力は、電力負荷から買電保証電力を減算した電力値となるように制御され、このような制御では、燃料電池の発電出力に合わせて、燃料ガス供給手段からの燃料ガスの供給流量及び水供給手段からの改質水の供給流量が制御される。

【0003】

このように電力負荷に応じて燃料電池の発電出力を制御する場合、電力負荷の増大による発電出力の上昇、また制御乱れによる燃料ガスや改質水の流動変動に備えて、ある程度の余裕を見て少し多い目に燃料ガスを供給するように燃料ガス供給手段が制御され、換言すると、システムの燃料利用率を限界付近まで上げずに、この限界燃料利用率より少し小さい燃料利用率となるように制御され、燃料ガスの供給流量をこのように制御することによって、急激な発電電力の上昇や燃料ガス及び／又は燃料ガスの流量変動による燃料ガス不足の発生を回避し、燃料電池セルスタックの破損を未然に防止している。

【0004】

ところが、このような運転では、部分負荷運転における発電出力がほぼ一定の静定状態においても燃料ガスを少し多い目に供給しているために、システムの発電効率が少し悪化し、この静定状態が長いほど発電効率の悪い状態が継続されることになる。

【0005】

そこで、部分負荷運転における発電出力がほぼ一定の静定状態において高発電効率となるように制御した燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムでは、余剰電力を消費する余剰電力ヒータが設けられており、また部分負荷運転として、部分負荷通常燃料利用率運転と、これよりも燃料利用率が高い部分負荷高燃料利用率運転とが行われるように構成されている。部分負荷状態では、当初は部分負荷通常燃料利用率運転が行われ、この部分負荷通常燃料利用率運転が一定の静定状態になる（例えば、発電出力の変動が小さい状態が例えば１０分程度継続する）と、部分負荷高燃料利用率運転が行われる。この部分負荷高燃料利用率運転では、急激な負荷変動を抑えるため、電力負荷としてその移動平均値が演算され、この電力負荷の移動平均値に追従するように燃料電池の発電出力が制御され、このとき、燃料利用率が通常のときよりも例えば５ポイント程度上昇して運転される。

【0006】

そして、このような部分負荷高燃料利用率運転において、燃料電池の発電出力が電力負荷より大きくなると余剰電力が生じるようになり、生じた電力余剰が余剰電力ヒータに送給されて消費される一方、燃料電池の発電出力が電力負荷よりも小さくなると電力不足が生じるようになり、生じた不足電力が商用交流電源から買電して対応するようになる。

【0007】

また、部分負荷高燃料利用率運転において大きな負荷変動が生じると、部分負荷高燃料利用率運転が解除されて部分負荷通常燃料利用率運転に戻り、この部分負荷通常燃料利用率運転でもって運転される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特開２０１８－１１００７９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかしながら、このような燃料電池システムでは、部分負荷高燃料利用率運転のときには、通常のときよりも高い高燃料利用率でもって運転されるが、電力余剰が生じたときには余剰電力ヒータで消費し、また電力不足が生じたときには買電で対応するようになり、充分な光熱費メリットが得られているとは言いがたい。

【0010】

また、部分負荷運転においては、定格発電運転のときよりも燃料ガス及び改質水の流量が少ないために、小さな負荷変動であっても不安定な挙動のリスクが大きくなってしまうことが懸念され、燃料ガス及び改質水を減らせる量が限定的となる。更に、大きな負荷変動のときには、部分負荷高燃料利用率運転から部分負荷通常燃料利用率運転に戻して燃料電池の発電出力を変動せざるをえず、このように運転を切り換える場合、燃料ガス及び改質水を減らす運転条件からも外れてしまう。

【0011】

燃料電池システムとして、燃料ガスに例えば都市ガスを用いる形態のものの他に、燃料ガスに例えば水素ガスを用いる形態のもの（この場合、水蒸気改質が不要となる）もあるが、上述した光熱費メリットの問題は、この水素ガスを用いる形態のものにも同様に存在する。

【0012】

本発明の目的は、燃料電池の作動安定性を高めることができるとともに、光熱費メリットを更に高めることができる燃料電池システム及びその制御方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明の請求項１に記載の燃料電池システムは、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、改質水を供給するための水供給手段と、前記水供給手段より供給される改質水を用いて前記燃料ガス供給手段より供給される燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、前記改質器にて水蒸気改質された改質燃料ガス及び酸化剤ガスによる発電反応を行う燃料電池と、燃料ガス供給手段及び前記水供給手段を制御するためのコントローラとを備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池に関連して、蓄電するための蓄電デバイスが設けられ、前記燃料電池からの発電電力及び前記蓄電デバイスからの蓄電電力が電力負荷に供給されるように構成されており、
前記コントローラは、運転サイクル期間の予測電力負荷を演算する予測電力負荷演算手段と、前記予測電力負荷演算手段により演算された前記予測電力負荷に基づいて前記燃料電池の基準発電出力を演算する発電出力演算手段と、前記蓄電デバイスの蓄電充電率を演算するための充電率演算手段と、前記基準発電出力を補正するための発電出力補正手段と、前記燃料電池の発電出力を設定する発電出力設定手段と、前記燃料電池を制御するための燃料電池制御手段と、を備えており、
前記発電出力演算手段は、前記運転サイクル期間を通して前記予測電力負荷に基づいて前記燃料電池の前記基準発電出力を演算し、前記発電出力補正手段は、前記充電率演算手段により演算された前記蓄電充電率と前記蓄電デバイスの適正充電率との差に基づいて前記基準発電出力を補正し、前記発電出力設定手段は、前記蓄電デバイスの適正充電状態のときには前記基準発電出力を、また高充電状態又は低充電状態のときには前記基準発電出力を補正した発電出力を設定し、
前記燃料電池制御手段は、前記運転サイクル期間を通して前記燃料電池の発電出力が前記発電出力設定手段により設定された設定発電出力となるように前記燃料ガス供給手段及び前記水供給手段を制御し、前記運転サイクル期間の開始から所定運転時間が経過すると、前記燃料電池制御手段は、燃料ガス及び／又は改質水の供給流量が少なくなるように前記燃料ガス供給手段及び／又は前記水供給手段を制御し、前記運転サイクル期間を通して、前記燃料電池の発電電力が前記電力負荷よりも大きくなると、前記電力負荷より超えた余剰電力は前記蓄電デバイスに供給されて蓄電され、また前記燃料電池の発電電力が前記電力負荷より小さくなると、前記電力負荷より不足する不足電力は前記蓄電デバイスから放電されて前記電力負荷に供給されることを特徴とする。

【0014】

また、本発明の請求項２に記載の燃料電池システムは、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、燃料ガス及び酸化剤ガスによる発電反応を行う燃料電池と、前記燃料ガス供給手段を制御するためのコントローラとを備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池に関連して、蓄電するための蓄電デバイスが設けられ、前記燃料電池からの発電電力及び前記蓄電デバイスからの蓄電電力が電力負荷に供給されるように構成されており、
前記コントローラは、運転サイクル期間の予測電力負荷を演算する予測電力負荷演算手段と、前記予測電力負荷演算手段により演算された前記予測電力負荷に基づいて前記燃料電池の基準発電出力を演算する発電出力演算手段と、前記蓄電デバイスの蓄電充電率を演算するための充電率演算手段と、前記基準発電出力を補正するための発電出力補正手段と、前記燃料電池の発電出力を設定する発電出力設定手段と、前記燃料電池を制御するための燃料電池制御手段と、を備えており、
前記発電出力演算手段は、前記運転サイクル期間を通して前記予測電力負荷に基づいて前記燃料電池の前記基準発電出力を演算し、前記発電出力補正手段は、前記充電率演算手段により演算された前記蓄電充電率と前記蓄電デバイスの適正充電率との差に基づいて前記基準発電出力を補正し、前記発電出力設定手段は、前記蓄電デバイスの適正充電状態のときには前記基準発電出力を、また高充電状態又は低充電状態のときには前記基準発電出力を補正した発電出力を設定し、
前記燃料電池制御手段は、前記燃料電池の発電出力が前記発電出力設定手段により設定された設定発電出力となるように前記燃料ガス供給手段を制御し、前記運転サイクル期間の開始から所定運転時間が経過すると、前記燃料電池制御手段は、燃料ガスの供給流量が少なくなるように前記燃料ガス供給手段を制御し、前記運転サイクル期間を通して、前記燃料電池の発電電力が前記電力負荷よりも大きくなると、前記電力負荷より超えた余剰電力は前記蓄電デバイスに供給されて蓄電され、また前記燃料電池の発電電力が前記電力負荷より小さくなると、前記電力負荷より不足する不足電力は前記蓄電デバイスから放電されて前記電力負荷に供給されることを特徴とする。

【0016】

また、本発明の請求項３に記載の燃料電池システムでは、前記コントローラの前記発電出力補正手段は、前記蓄電デバイスの前記蓄電充電率が前記適正充電率よりも大きいときには前記蓄電充電率と前記適正充電率との差が大きくなるに従って前記燃料電池の発電出力が前記基準発電出力よりも段階的に小さくなるように補正し、前記蓄電デバイスの前記蓄電充電率が前記適正充電率よりも小さいときには前記蓄電充電率と前記適正充電率との差が大きくなるに従って前記燃料電池の発電出力が前記基準発電出力よりも段階的に大きくなるように補正することを特徴とする。

【0017】

また、本発明の請求項４に記載の燃料電池システムでは、前記コントローラは、前記蓄電デバイスの充電率の上限である上限充電率に達したときの充電上限を判定するための充電上限判定手段を含んでおり、前記充電上限判定手段が前記蓄電デバイスの前記充電上限を判定すると、前記燃料電池の前記基準発電出力に基づく発電運転が終了し、前記発電出力演算手段は前記予測電力負荷に基づいて前記燃料電池の前記基準発電出力を再演算することを特徴とする。

【0018】

また、本発明の請求項５に記載の燃料電池システムでは、前記コントローラは、前記蓄電デバイスの充電率の下限である下限充電率に達したときの充電下限を判定するための充電下限判定手段を含んでおり、前記充電下限判定手段が前記蓄電デバイスの前記充電下限を判定すると、前記燃料電池の前記基準発電出力に基づく発電運転が終了し、前記発電出力演算手段は前記予測電力負荷に基づいて前記燃料電池の前記基準発電出力を再演算することを特徴とする。

【0019】

また、本発明の請求項６に記載の燃料電池システムの制御方法は、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、改質水を供給するための水供給手段と、前記水供給手段より供給される改質水を用いて前記燃料ガス供給手段より供給される燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、前記改質器にて水蒸気改質された改質燃料ガス及び酸化剤ガスにより発電反応を行う燃料電池と、蓄電するための蓄電デバイスとを備えた燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池からの発電電力及び前記蓄電デバイスからの蓄電電力を電力負荷に供給するように構成し、
更に、運転サイクル期間の予測電力負荷に基づいて前記燃料電池の基準発電出力を演算し、前記蓄電デバイスの蓄電充電率と前記蓄電デバイスの適正充電率との差に基づいて前記基準発電出力を補正し、前記燃料電池の発電出力として、前記蓄電デバイスの適正充電状態のときには前記基準発電出力を、また高充電状態又は低充電状態のときには前記基準発電出力を補正した発電出力を設定し、
前記運転サイクル期間を通して前記燃料電池の発電出力が設定発電出力となるように前記燃料ガス供給手段及び前記水供給手段を制御し、前記運転サイクル期間の開始から所定運転時間が経過すると、燃料ガス及び／又は改質水の供給流量が少なくなるように前記燃料ガス供給手段及び／又は前記水供給手段を制御し、前記運転サイクル期間を通して、前記燃料電池の発電電力が前記電力負荷よりも大きくなると、前記電力負荷より超えた余剰電力を前記蓄電デバイスに供給して蓄電し、また前記燃料電池の発電電力が前記電力負荷より小さくなると、前記電力負荷より不足する不足電力を前記蓄電デバイスから放電して前記電力負荷に供給することを特徴とする。

【0020】

更に、本発明の請求項７に記載の燃料電池システムの制御方法は、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、燃料ガス及び酸化剤ガスによる発電反応を行う燃料電池と、蓄電するための蓄電デバイスとを備えた燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池からの発電電力及び前 記蓄電デバイスからの蓄電電力を電力負荷に供給するように構成し、
更に、運転サイクル期間の予測電力負荷に基づいて前記燃料電池の基準発電出力を演算し、前記蓄電デバイスの蓄電充電率と前記蓄電デバイスの適正充電率との差に基づいて前記基準発電出力を補正し、前記燃料電池の発電出力として、前記蓄電デバイスの適正充電状態のときには前記基準発電出力を、また高充電状態又は低充電状態のときには前記基準発電出力を補正した発電出力を設定し、
前記運転サイクル期間を通して前記燃料電池の発電出力が設定発電出力となるように前記燃料ガス供給手段を制御し、前記運転サイクル期間の開始から所定運転時間が経過すると、燃料ガスの供給流量が少なくなるように前記燃料ガス供給手段を制御し、前記運転サイクル期間を通して、前記燃料電池の発電電力が前記電力負荷よりも大きくなると、前記電力負荷より超えた余剰電力を前記蓄電デバイスに供給して蓄電し、また前記燃料電池の発電電力が前記電力負荷より小さくなると、前記電力負荷より不足する不足電力を前記蓄電デバイスから放電して前記電力負荷に供給することを特徴とする。

【発明の効果】

【0021】

本発明の請求項１に記載の燃料電池システム及び請求項６に記載の燃料電池システムの制御方法によれば、燃料電池に関連して、蓄電するための蓄電デバイスが設けられ、燃料電池からの発電電力及び蓄電デバイスからの蓄電電力が電力負荷に供給されるように構成されている。そして、コントローラは、予測電力負荷を演算する予測電力負荷演算手段と、この予測電力負荷に基づいて燃料電池の基準発電出力を演算する発電出力演算手段と、蓄電デバイスの蓄電充電率を演算する充電率演算手段と、基準発電出力を補正するための発電出力補正手段とを備え、この発電出力補正手段は蓄電デバイスの蓄電充電率と前記蓄電デバイスの適正充電率との差に基づいて前記基準発電出力を補正し、燃料電池の発電出力として、蓄電デバイスの適正充電状態のときには基準発電出力を、また高充電状態又は低充電状態のときには基準発電出力を補正した発電出力を設定するので、蓄電デバイスの蓄電充電率が大きく変動して満充電状態及び空充電状態になることを抑えることができ、蓄電デバイスの容量を有効に利用することができる。
また、燃料電池制御手段は、運転サイクル期間を通して燃料電池の発電出力が発電出力設定手段により設定された設定発電出力（基準発電出力又は補正された発電出力）となるように燃料ガス供給手段及び水供給手段を制御し、運転サイクル期間の開始から所定運転時間が経過すると、燃料電池制御手段は、燃料ガス及び／又は改質水の供給流量が少なくなるように燃料ガス供給手段及び／又は水供給手段を制御するので、燃料電池の発電運転が安定した状態において燃料ガス及び／又は改質水の供給が少なくなり、これによって、発電運転を安定させながら光熱費メリットを高めることができる。

【0022】

また、この運転サイクル期間を通して、燃料電池の発電電力が電力負荷よりも大きくなると、電力負荷より超えた余剰電力が蓄電デバイスに供給されて蓄電され、また燃料電池の発電電力が電力負荷より小さくなると、電力負荷より不足する不足電力が蓄電デバイスから放電されて電力負荷に供給され、この蓄電デバイスの充電及び放電を利用して、電力負荷で必要とされる電力を燃料電池及び蓄電池から所要の通りに供給することができる。

【0023】

また、本発明の請求項２に記載の燃料電池システム及び請求項７に記載の燃料電池システムの制御方法によれば、燃料ガスとして例えば水素ガスを用いる燃料電池システム（改質器にて改質水を用いて改質を行う必要のないもの）においても、上述と同様の構成とすることにより、同様の作用効果を達成することができる。

【0026】

また、本発明の請求項３に記載の燃料電池システムによれば、蓄電デバイスの蓄電充電率が適正充電率よりも大きいときには、この蓄電充電率と適正充電率との差が大きくなるに従って基準発電出力から段階的に発電出力が下がるように補正され、またこの蓄電充電率が適正充電率よりも小さいときには、この蓄電充電率と適正充電率との差が大きくなるに従って基準発電出力よりも段階的に発電電力が上がるように補正されるので、蓄電デバイスの蓄電充電率を適正充電率に保つように制御することができる。

【0027】

また、本発明の請求項４に記載の燃料電池システムによれば、充電上限判定手段が蓄電デバイスの充電率が上限充電率に達したと判定すると、燃料電池の基準発電出力に基づく発電運転が終了して基準発電出力の再演算が行われるので、蓄電デバイスが満充電状態になるのを回避し、蓄電デバイスの劣化を抑えることができる。

【0028】

また、本発明の請求項５に記載の燃料電池システムによれば、充電下限判定手段が蓄電デバイスの充電率が下限充電率に達したと判定すると、燃料電池の基準発電出力に基づく発電運転が終了して基準発電出力の再演算が行われるので、蓄電デバイスが空充電状態になるのを回避し、蓄電デバイスの劣化を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】本発明に従う燃料電池システムの第１の実施形態の全体を示す簡略図。

【図2】燃料電池ステップステムの運転時刻と予測電力負荷との関係を示す図。

【図3】燃料電池の基準発電出力と予測電力負荷との関係を示す図。

【図4】蓄電池のＳＯＣ－ＯＣＶ曲線とその充電曲線及び放電曲線との関係を説明するための図。

【図5】図１の燃料電池システムの制御系を簡略的に示すブロック図。

【図6】図５に示す制御系による制御の流れを示すフローチャート。

【図7】本発明に従う燃料電池システムの第２の実施形態の制御系を簡略的に示すブロック図。

【図8】図７の燃料電池システムの制御系による設定発電出力による発電運転の流れを示すフローチャート。

【図9】図７の燃料電池システムの制御系による高効率の発電運転の流れを示すフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0030】

以下、添付図面を参照して、本発明に従う燃料電池システム及びその制御方法の実施形態について説明する。まず、図１～図６を参照して、第１の実施形態の燃料電池システム及びその制御方法について説明する。

【0031】

図１において、図示の燃料電池システムは、発電手段としての燃料電池２と、蓄電デバイスとしての蓄電池４とを備えている。燃料電池２は発電出力ライン６を介して受電ライン８に接続され、発電出力ライン６には発電側インバータ１０が配設されている。また、蓄電池４は充放電ライン１２を介して受電ライン８に接続され、充放電ライン１２には蓄電側インバータ１４が配設されている。

【0032】

燃料電池２としては、それ自体周知のもの、例えば固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）などを用いることができる。図示していないが、この燃料電池２は、発電反応により発電する燃料電池本体を備え、更に、燃料ガスを改質するための改質器、この改質器に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給ポンプ１６（燃料ガス供給手段を構成する）（図５参照）、改質器に改質水を供給するための水供給ポンプ１８（水供給手段を構成する）（図５参照）、及び酸化剤ガスとしての空気を燃料電池に供給するための空気ブロア２０（酸化剤ガス供給手段を構成する）（図５参照）などを含んでいる。

【0033】

この燃料電池２においては、燃料ガス（例えば、都市ガスなどの原燃料ガス）が燃料ガス供給ポンプ１６によって改質器（図示せず）に供給され、また改質水が水供給ポンプ１８によって改質器に供給され、この改質器において、燃料ガスが改質水によって水蒸気改質される。水蒸気改質された改質燃料ガスは燃料電池２の燃料極側に供給され、空気（酸化剤ガス）は空気ブロア２０によって燃料電池２の酸素極側に供給され、燃料電池の燃料極側及びその酸素極側での電池反応により発電が行われる。この燃料電池２からの発電出力は発電出力ライン６を通して受電ライン８に流れる。

【0034】

燃料ガス供給ポンプ１６は、その回転数によって燃料ガスの供給流量を制御し、その回転数が大きくなる（又は小さくなる）と、燃料ガスの供給量が多くなる（又は少なくなる）。水供給ポンプ１８は、その回転数によって改質水の供給流量を制御し、その回転数が大きくなる（又は小さくなる）と、改質水の供給量が多くなる（又は少なくなる）。また、空気ブロア２０は、その回転数によって空気（酸化剤ガス）の供給流量を制御し、その回転数が大きくなる（又は小さくなる）と、空気の供給量が多くなる（又は少なくなる）。燃料ガス供給ポンプ１６、水供給ポンプ１８及び空気ブロア２０は、後述するコントローラ２２により制御される。

【0035】

また、蓄電池４（蓄電デバイス）は、例えばリチウムイオン電池などから構成され、燃料電池２からの発電電力の一部を蓄電するとともに、蓄電した蓄電電力を放電するように構成され、後述するように余剰電力が生じたときには蓄電し、電力不足が生じたときには放電する。蓄電デバイスとしては、実施形態では蓄電池４を用いているが、例えば大容量キャパシタなどを用いるようにしてもよい。

【0036】

受電ライン８は、商用交流電源２４に接続されている。商用交流電源２４は、例えば、単相３線式１００／２００Ｖであり、この商用交流電源２４からの商用電力が受電ライン８を通して電力負荷２６に供給される。この電力負荷２４は、一般家庭であると照明装置、テレビ、冷蔵庫、洗濯機などの家電製品などである。

【0037】

発電出力ライン６に配設された発電側インバータ１０は、燃料電池２からの直流の出力電力を商用交流電源２４から受電する受電電力と同じ電圧（例えば、１００Ｖ）及び同じ周波数（例えば、６０Ｈｚ）に変換し、またその出力電流の制御ができるように構成されている。この発電側インバータ１０からの出力電力は、発電出力ライン６及び受電ライン８を通して電力負荷２６に供給される。

【0038】

また、充放電ライン１２に配設された蓄電側インバータ１４は、双方向型のものであり、蓄電池４に充電するときには、受電ライン８からの交流電力を蓄電池４の充電レベルに応じた直流電力に変換し、蓄電池５から放電するときには、蓄電池４に蓄電された直流電力を商用交流電源２４からの交流電力と同じ電圧（例えば、１００Ｖ）及び同じ周波数（例えば、６０Ｈｚ）の交流電力に変換し、またその入出力電流の制御ができるように構成されている。この蓄電側インバータ１４からの出力電力は、充放電ライン１２及び受電ライン１８を通して電力負荷２６に供給される。

【0039】

この燃料電池２に関連して、受電ライン８に発電側変流器３２（所謂、発電側ＣＴ）が配設されている。この発電側変流器３２は、燃料電池２から商用交流電源２４への逆潮流を検知する。また、蓄電池４に関連して、受電ライン８に蓄電側変流器３４（所謂、蓄電側ＣＴ）が配設されている。この蓄電側変流器３４は、蓄電池４から商用交流電源２４への逆潮流を検知する。この実施形態では、発電側インバータ１０及び蓄電側インバータ１４は商用交流電源２４に系統連系され、燃料電池２からの発電電流及び蓄電池４からの放電電流が受電ライン８を通して商用交流電源２４に流れないように構成されている。

【0040】

この第１の実施形態では、受電ライン８において、発電出力ライン６及び充放電ライン１２の接続箇所よりも電力負荷２４側の電力負荷ライン部３６に、電力負荷２６に流れる負荷電流を計測する負荷電流計３８が配設され、この負荷電流計３８の計測負荷電流により電力負荷２６で消費される消費電力（即ち、電力負荷の大きさ）を知ることができる。

【0041】

また、発電出力ライン６に発電側出力電流計４０が配設され、この発電側出力電流計４０の計測出力電流により燃料電池２の発電出力（発電電力）を知ることができる。更に、充放電ライン１２に蓄電側電流計４２が配設され、この蓄電側電流計４２の計測電流により蓄電池４の充放電の出力を知ることができる。例えば、蓄電側電流計４２の計測電流が正電流であるときには、蓄電池４の放電電流を計測し、この放電電流により蓄電池４の放電電力（放電出力）を知ることができ、またこの蓄電側電流計４２の計測電流が負電流であるときには、蓄電池４の充電電流を計測し、この充電電流により蓄電池４への充電電力を知ることができる。充放電ライン１２には、更に、充放電ライン１２の電圧を計測するための蓄電側電圧計４４が配設されている。

【0042】

一般に、蓄電池４が例えばリチウムイオン電池である場合、図４に示すＳＯＣ（充電率）とＯＣＶ（開放電圧）との間には、例えば図４に示す通りの関係があり、ＯＣＶ（開放電圧）を計測することにより、蓄電池４の充電率を推測することができる。また、このＳＯＣ－ＯＣＶ曲線と蓄電池４の直流抵抗値がわかっていれば、これらを元に蓄電池４の充電曲線（図４に一点鎖線で示す）及び蓄電池の放電曲線（図４に二点鎖線で示す）の挙動を知ることができる。即ち、ＳＯＣ－ＯＣＶ曲線において、ＯＣＶにＶ＝Ｉ（電流値）×Ｒ（蓄電池４の抵抗値）の電圧値ΔＶを上方（充電側）にずらせば充電電圧となり、この電圧値Δを下方（放電側）にずらせば放電電圧となる。

【0043】

このようなことから、ＳＯＣ－ＯＣＶ曲線とこの充放電ライン１２を流れる電流及び電圧とがわかれば、このＳＯＣ－ＯＣＶ曲線を利用して蓄電池４の充電率を推測することができる。従って、この実施形態では、蓄電側電流計４２及び蓄電側電圧計４４が充電率検知手段として機能する。

【0044】

このＳＯＣ－ＯＣＶ曲線を用いることなく、例えば、次のようにしても蓄電池４の蓄電充電率を演算することができる。即ち、蓄電池４の蓄電容量に対し、この蓄電池４への充電量と蓄電池４からの放電量を常時演算し、充電量及び放電量に基づいて蓄電池４の蓄電率を演算することもできる。

【0045】

この燃料電池システムにおいては、発電側変流器３２、発電側出力電流計４０、蓄電側変流器３４，蓄電側電流計４２、蓄電側電圧計４４及び負荷側電流計３８からの検知信号はコントローラ２２に送給され、コントローラ２２は、これの検知信号に基づいて、燃料電池２（燃料ガス供給ポンプ１６、水供給ポンプ１８及び空気ブロア２０）、発電側インバータ１０、蓄電側インバータ１４を後述する如く制御する。

【0046】

この第１の実施形態では、例えば、マイクロプロセッサなどから構成されるコントローラ２２は、発電側制御手段４６及び蓄電側制御手段４８を含み、発電側制御手段４６は燃料電池２及び発電側インバータ１０を制御し、蓄電側制御手段４８は蓄電側インバータ１４を制御する。尚、この実施形態では、燃料電池システムを発電側制御手段４６及び蓄電側制御手段４８により制御しているが、一つの制御手段により燃料電池システム全体を制御するようにしてもよい。

【0047】

図４を参照して、この燃料電池システムの制御系について説明すると、コントローラ２２の発電側制御手段４６は、予測電力負荷演算手段５２、発電出力演算手段５４、充電率演算手段５６、発電出力補正手段５８、発電出力設定手段６０、燃料電池制御手段６２及び発電側インバータ制御手段６４を含んでいる。

【0048】

予測電力負荷演算手段５２は、後述する如くして予測電力負荷を演算し、発電出力演算手段５４は、予測電力負荷演算手段５２により演算された予測電力負荷に基づいて燃料電池２の発電出力、即ち基準発電出力を演算する。また、充電率演算手段５６は、蓄電側電流計４２及び蓄電側電圧計４４の検知信号に基づきＳＯＣ－ＯＣＶ曲線（図４参照）を用いていて蓄電池４の蓄電充電率を演算し、発電出力補正手段５８は、充電率演算手段５６により演算された蓄電充電率に基づき燃料電池２の基準発電出力を後述如く補正し、発電出力設定手段６０は、発電出力補正手段５８により補正された燃料電池２の発電出力を設定する。燃料電池制御手段６２は、発電出力設定手段６０により設定された設定発電出力となるように燃料電池２（燃料ガス供給ポンプ１６、水供給ポンプ１８及び空気ブロア２０）を制御し、発電側インバータ制御手段６４は、発電側インバータ４０を後述する如く制御する。

【0049】

また、コントローラ２２の蓄電側制御手段４８は蓄電側インバータ制御手段６６を含み、この蓄電側インバータ制御手段６６は蓄電側インバータ１４を後述する如く制御する。このコントローラ２２は、更に、第１メモリ手段６８及び第２メモリ手段７０を含み、第１メモリ手段６８には、予測電力負荷を演算する期間である運転サイクル期間（例えば、８時間）、運転サイクル期間の開始から燃料電池２の作動が安定するまでの所定運転時間（例えば、１～２時間程度であって、例えば２時間）、所定運転時間経過後の燃料ガスの減量割合、ＳＯＣ－ＯＣＶ曲線データ、蓄電池４の適切な充電率である適正充電率（例えば、５０～６０％）及び基準発電出力を補正する補正値（例えば、－５％、＋５％）などが登録されている。また、第２メモリ手段７０には、燃料電池２の運転時刻とそのときの電力負荷との関係が登録され、過去の時刻とそのときの電力負荷とを用い予測電力負荷が演算される。

【0050】

次に、主として図４及び図５を参照して、この燃料電池システムの稼働運転ついて説明する。稼働運転において運転サイクル期間が開始される（ステップＳ１）と、まず予測電力負荷の演算が行われる（ステップＳ２）。この実施形態では、コントローラ２２の第２メモリ手段７０に、過去の時刻とそのときに電力負荷との関係が登録されており、この時刻と電力負荷との関係は、例えば図２に示す通りになり、このような一日の時刻と電力負荷との関係を示す時刻－電力負荷データが各日毎に登録されている。

【0051】

この実施形態では、運転サイクル期間として例えば８時間が設定され、例えば、０時～８時が朝の時間帯、８時～１６時が昼間の時間帯、また１６時～２４時が夜の時間帯として設定されており、例えば０時、８時及び１６時になると、この運転サイクル期間が開始される。尚、このように予め時間を設定するのではなく、発電運転の開始から８時間毎に運転サイクル期間を設定するようにしてもよい。また、この運転サイクル期間として、１２時間、２４時間など適宜の時間に設定することができる。

【0052】

また、この実施形態においては、予測電力負荷を演算するのに、例えば直近の過去３日間の電力負荷を平均化したものを用いるようにしているが、このような構成に限定されず、例えば昨日の電力負荷を用いるようにしてもよく、或いは例えば直近の過去２日間、７日間、１４日間などの適宜の期間のものを用いるようにしてもよい。加えて、リモコンなどの操作端末装置から予測電力負荷を入力できるように構成してもよく、或いは通信網（例えば、通信回線）などを利用して外部から遠隔で予測電力負荷を配信するようにしてもよい。予測電力負荷演算手段５２はこのような情報に基づいて予測電力負荷を演算する。

【0053】

例えば、夜の時間帯（１６時～２４時）の予測電力負荷が図３に実線で示す通りであるとすると、発電出力演算手段５４は、この夜の時間帯の予測電力負荷をまかなうための燃料電池２の発電出力、即ち基準発電出力を演算する（ステップＳ３）。即ち、夜の時間帯の予測電力負荷により消費される電力と燃料電池２により発電される発電電力とが等しくなる一定発電電力、即ち基準発電出力が演算され、この基準発電出力は、例えば、図３に破線で示すようになる。

【0054】

次に、充電率演算手段５６は、蓄電側電流計４２及び蓄電側電圧計４４の検知信号に基づき、第１メモリ手段６８に登録されたＳＯＣ－ＯＣＶ曲線データを用いて蓄電池４の蓄電充電率を演算する（ステップＳ４）。そして、蓄電池４の蓄電充電率に基づいて、発電出力演算手段５４により演算された燃料電池２の基準発電出力の補正が行われ（ステップＳ５）、補正された発電出力が設定される（ステップＳ６）。

【0055】

例えば、蓄電池４の蓄電充電率が５０～６０％であると適正充電状態であるとし（換言すると、適正充電率が５０～６０％である）、発電出力補正手段５８は補正値「０（ゼロ）」とし、発電出力設定手段６０は、発電出力演算手段５４により演算された基準発電出力を燃料電池２の発電出力として設定する。

【0056】

この充電率が６０％を超えていると適正発電状態よりも多い充電状態であるとし、発電出力補正手段５８は補正値として発電出力演算手段５４により演算された基準発電出力の例えば－５％を補正値とし、発電出力設定手段６０は、発電出力演算手段５４により演算された基準発電出力の９５％の値を燃料電池２の発電出力として設定し、このように発電出力を補正して基準発電出力よりも幾分下げることにより満充電状態になるのを抑えることができる。

【0057】

また、この充電率が５０％未満であると適正発電状態よりも少ない充電状態であるとし、発電出力補正手段５８は補正値として発電出力演算手段５４により演算された基準発電出力の例えば＋５％を補正値とし、発電出力設定手段６０は、発電出力演算手段５４により演算された基準発電出力の１０５％の値を燃料電池２の発電出力として設定し、このように発電出力を補正して基準発電出力よりも幾分上げることにより空充電状態になるのを抑えることができる。

【0058】

このようにして発電出力の設定が行われると、設定された発電出力（設定発電出力）となるように燃料電池２が運転される。即ち、燃料電池制御手段６２は、設定発電出力となるように燃料ガス供給ポンプ１６、水供給ポンプ１８及び空気ブロア２０を制御し、燃料電池２からの発電出力が発電側インバータ１０を通して電力負荷２６に供給される。

【0059】

このような通常運転状態において、燃料電池２の発電出力が電力負荷２６（図１参照）を超える、即ち図３において「Ａ」で示す時間帯においては、電力負荷２６で消費される電力よりも燃料電池２の発電出力の方が大きくなって余剰電力が発生しており、このようなときには、ステップＳ８からステップＳ９に進み、この余剰電力が蓄電側インバータ１４を通して蓄電池４に供給されて充電される。

【0060】

また、燃料電池２の発電出力が電力負荷２６よりも不足する、即ち図３において「Ｂ」で示す時間帯においては、電力負荷２６で消費される電力の方が燃料電池２の発電出力よりも大きくなって電力不足が発生しており、このようなときには、ステップＳ８及びステップＳ１０を経てステップＳ１１に進み、この不足電力が蓄電池４から放電されて蓄電側インバータ１４を通して電力負荷２６に供給される。

【0061】

このように、蓄電池４の充電及び放電を利用して、電力負荷２６で必要とされる電力を燃料電池２及び蓄電池４から所要の通りに供給することができ、それ故に、従来のように燃料電池２の発電出力を電力負荷２６よりも幾分低くする必要がなく、燃料電池２の発電出力を有効に利用して電力負荷２６で消費することができ、燃料電池システムの通常運転において充分な光熱費メリットを得ることができる。

【0062】

そして、運転サイクル期間の開始から所定運転時間（例えば、２時間）経過すると、ステップＳ１２からステップＳ１３に移り、燃料電池２の作動が安定したとして高効率の発電運転が行われる。この高効率の運転においては、燃料電池制御手段６２は、燃料ガス供給ポンプ１６及び水供給ポンプ１８の回転数を幾分下げ、これによって、燃料電池２の発電出力が設定発電出力に維持された状態で燃料ガス及び改質水の供給流量が絞られる。例えば、燃料ガスの供給流量については、例えば３～５％程度（例えば、５％）減少され、また改質水の供給流量については５～１０％程度（例えば、８％）減少され、これによって、燃料電池２の発電効率が高められ、燃料電池システムの高効率運転が行われる。

【0063】

この高効率運転状態においても、通常運転状態ときと同様に制御され、燃料電池２の発電出力が電力負荷２６（図１参照）を超える（図３において「Ａ」で示す時間帯）ときには、電力負荷２６で消費される電力よりも燃料電池２の発電出力の方が大きくなり、このようなときには、ステップＳ１４からステップＳ１５に進み、この余剰電力が蓄電側インバータ１４を通して蓄電池４に充電される。

【0064】

また、電力負荷２６が燃料電池２の発電出力よりも大きくなる（図３において「Ｂ」で示す時間帯）ときには、電力負荷で消費される電力の方が燃料電池２の発電出力よりも大きくなり、このようなときには、ステップＳ１４及びステップＳ１６を経てステップＳ１７に進み、この不足電力が蓄電池４から放電されて蓄電側インバータ１４を通して電力負荷２６に供給される。

【0065】

このように、高効率運転においても、蓄電池４の充電及び放電を利用して、電力負荷２６で必要とされる電力を燃料電池２及び蓄電池４から所要の通りに供給することができ、燃料電池２の発電出力を有効に利用して電力負荷２６で消費することができ、燃料電池システムの高効率運転においても充分な光熱費メリットを得ることができる。

【0066】

このように通常運転に続いて高効率運転を行って運転サイクル期間（８時間）が経過すると、ステップ１８からＳ１９に進み、この高効率運転が終了し、その後ステップＳ１に戻って次の運転サイクル期間の運転が行われ、上述した制御が繰り返し遂行される。

【0067】

尚、この第１の実施形態においては、高効率運転状態における燃料電池２の発電出力を通常運転状態における発電電力と同様の設定発電出力に維持したまま燃料ガス及び改質水の供給流量を絞っているが、この高効率運転において燃料ガスの供給流量のみを絞るようにしてもよく、或いは改質水の供給流量のみを絞るようにしてもよく、このように制御するようにしても、上述したと同様に、高効率運転において充分な光熱費メリットを得ることができる。

【0068】

次に、図７～図９を参照して、本発明に従う燃料電池システムの第２の実施形態について説明する。尚、この第２の実施形態においては、蓄電池の上限充電率及び加減充電率を設定して制御するようにしている。尚、第２の実施形態においては、上述した第１の実施形態と実質上同一の部材には同一の参照番号を付し、その説明を省略する。また、燃料電池システムの概要構成については、図１に示す第１の実施形態と同様であるので、この図１の構成を参照されたい。

【0069】

図７において、この第２の実施形態の燃料電池システムでは、蓄電池４の蓄電充電率の上限である上限充電率（例えば、８５～９５％程度に設定され、この実施形態では、例えば９０％に設定される）及びその蓄電充電率の下限充電率（例えば、２５～３５％程度に設定され、この実施形態では、例えば３０％に設定される）が設定され、これら上限充電率（例えば、９０％）及び下限充電率（例えば、３０％）が第１メモリ手段６８Ａに登録される。

【0070】

また、この第２の実施形態では、発電出力演算手段５４により演算された基準発電出力が段階的に補正されるように構成されており、このことに関連して、この第１メモリ手段６８Ａに発電出力の補正値マップが登録されている。発電出力の補正値マップは、蓄電池４の蓄電充電率と蓄電池４の適正充電率（例えば、５０～６０％）との充電率差に基づき、その充電率差が大きくなるに従い発電出力の補正値も段階的に大きくなるようにマップ化されている。

【0071】

例えば、蓄電池４の蓄電充電率が６０％を超えていると、発電出力補正手段５８Ａは、この適正充電率（例えば、６０％）と燃料電池４の蓄電充電率とを比較し、適正充電率と蓄電充電率との充電率差が大きくなるに従って燃料電池２の発電出力が基準発電出力（発電出力演算手段５４により演算された発電出力）よりも段階的に小さくなるように補正し、例えば、この充電率差Ｐが０％＜Ｐ≦１０％である（換言すると、蓄電充電率Ｔが６０％＜Ｔ≦７０％である）ときには例えば－３％と、充電率差Ｐが１０％＜Ｐ≦２０％である（蓄電充電率Ｔが７０％＜Ｔ≦８０％である）ときには例えば－５％と、充電率差Ｐが２０％＜Ｐ≦３０％である（蓄電充電率Ｔが８０％＜Ｔ≦９０％である）ときには例えばー７％となるように基準発電出力を補正する。

【0072】

また、蓄電池４の蓄電充電率が５０％未満であると、この発電出力補正手段５８Ａは、この適正充電率（例えば、５０％）と燃料電池４の蓄電充電率とを比較し、適正充電率と蓄電充電率との充電率差が大きくなるに従って燃料電池２の発電出力が基準発電出力（発電出力演算手段５４により演算された発電出力）よりも段階的に大きくなるように補正し、例えば、この充電率差Ｐがー１０％≦Ｐ＜０％である（換言すると、蓄電充電率Ｔが４０％≦Ｔ＜５０％である）ときには例えば＋３％と、充電率差Ｐが－２０％≦Ｐ＜－１０％である（蓄電充電率Ｔが３０％≦Ｔ＜４０％である）ときには例えば＋５％となるように基準発電出力を補正する。

【0073】

コントローラ２２Ａの発電出力設定手段６０は、この補正された発電出力を燃料電池２の発電出力として設定し、このように設定発電出力となるように燃料電池２を発電運転することにより、蓄電池４が満充電状態及び空充電状態になることを抑え、これにより、蓄電池４の寿命が延び、長期にわたって安定して使用することができる。尚、適正充電率及び蓄電充電率の充電率差と基準発電出力の補正値との関係は、燃料電池システムの種類などによって適宜設定することができる。

【0074】

この第２の実施形態では、上限充電率及び下限充電率による制御が付加されていることに関連して、コントローラ２２Ａの発電側制御手段４６Ａは、蓄電池４の蓄電充電率が上限充電率（例えば、９０％）に達したかを判定する充電上限判定手段８２、その蓄電充電率が下限充電率（例えば、３０％）に達したかを判定する充電下限判定手段８４及び燃料電池２の発電出力を再設定するための発電電力再設定手段８６を含んでいる。この第２の実施形態のその他の構成は、上述した第１の実施形態と同様である。

【0075】

この第２の実施形態の燃料電池システムにおいては、そのシステムの運転は第１の実施形態と略同様に行われるが、上限充電率及び下限充電率が設定されているために、設定発電出力による発電運転及び高効率の発電運転において第１の実施形態と一部相違し、これらの発電運転については、次のように行われる。

【0076】

図７及び図８を参照して設定発電出力による発電運転について説明すると、この発電運転において、燃料電池２の発電出力が電力負荷２６（図１参照）を超える（図３において「Ａ」で示す時間帯）と、電力負荷２６で消費される電力よりも燃料電池２の発電出力の方が大きくなり、このようなときには、ステップＳ２１からステップＳ２２に進み、この余剰電力が蓄電側インバータ１４を通して蓄電池４に供給されて充電される。また、燃料電池２の発電出力が電力負荷２６よりも不足する（図３において「Ｂ」で示す時間帯）と、電力負荷２６で消費される電力の方が燃料電池２の発電出力よりも大きくなり、このようなときには、ステップＳ２１及びステップＳ２３を経てステップＳ２４に進み、この不足電力が蓄電池４から放電されて蓄電側インバータ１４を通して電力負荷２６に供給される。このように、蓄電池４の充電及び放電を利用して、電力負荷２６で必要とされる電力が燃料電池２及び蓄電池４から所要の通りに供給される。

【0077】

そして、このような発電運転状態において、蓄電池４の蓄電充電率が上限充電率まで上昇すると、ステップＳ２５からステップＳ２６に進み、蓄電池４が満充電状態になるのを避けるために、設定発電出力による運転が終了して発電出力の再設定が行われる。即ち、充電率演算手段５６が蓄電側電流計４２及び蓄電側電圧計４４の検知信号に基づき、ＳＯＣ－ＯＣＶ曲線データを用いて上述したようにして蓄電池４の蓄電充電率を演算し、この蓄電充電率が上限充電率（例えば、９０％）まで上昇すると、充電上限判定手段８２は蓄電池４の蓄電充電率が上限蓄電率に達したと判定し、この判定に基づいて発電出力再設定手段８６は発電出力の再設定を行うようになり、予測電力負荷の演算（例えば、図６に示すフローチャートにおけるステップＳ２）に戻る。

【0078】

また、このような発電運転状態において、蓄電池４の蓄電充電率が下限充電率まで低下すると、ステップＳ２５からステップＳ２７を経てステップＳ２６に移り、蓄電池４が空充電状態になるのを避けるために、設定発電出力による運転が終了して発電出力の再設定が行われる。即ち、充電率演算手段５６が蓄電電流計４２及び蓄電側電圧計４４の検知信号に基づき、ＳＯＣ－ＯＣＶ曲線データを用いて上述したようにして蓄電池４の蓄電充電率を演算し、この蓄電充電率が下限充電率（例えば、３０％）まで低下すると、充電下限判定手段８４は蓄電池４の蓄電充電率が下限蓄電率に達したと判定し、この判定に基づいて発電出力再設定手段８６は発電出力の再設定を行うようになり、上述したと同様に、予測電力負荷の演算（例えば、図６に示すフローチャートにおけるステップＳ２）に戻る。

【0079】

尚、この発電運転状態において、蓄電池４の蓄電充電率が上限充電率及び下限充電率に達することなく運転サイクル期間の開始から所定運転時間が経過すると、ステップＳ２５からステップＳ２７及びステップＳ２８を経て高効率の発電運転（例えば、図６に示すフローチャートにおけるステップＳ１３）に移行する。

【0080】

次いで、図７及び図９を参照して高効率の発電運転について説明すると、この発電運転において、燃料電池２の発電出力が電力負荷２６（図１参照）を超えると、電力負荷２６で消費される電力よりも燃料電池２の発電出力の方が大きくなり、このようなときには、上述したと同様に、ステップＳ３１からステップＳ３２に進み、この余剰電力が蓄電側インバータ１４を通して蓄電池４に供給されて充電される。また、燃料電池２の発電出力が電力負荷２６よりも不足すると、電力負荷２６で消費される電力の方が燃料電池２の発電出力よりも大きくなり、このようなときには、ステップＳ３１及びステップＳ３３を経てステップＳ３４に進み、この不足電力が蓄電池４から放電されて蓄電側インバータ１４を通して電力負荷２６に供給される。

【0081】

そして、このような発電運転状態において、蓄電池４の蓄電充電率が上限充電率まで上昇すると、ステップＳ３５からステップＳ３６に進み、蓄電池４が満充電状態になるのを避けるために、高効率の運転が終了し、発電出力の再設定が行われる（ステップＳ３７）。上述したと同様に、充電率演算手段５６が蓄電側電流計４２及び蓄電側電圧計４４の検知電圧に基づき、ＳＯＣ－ＯＣＶ曲線データを用いて上述したようにして蓄電池４の蓄電充電率を演算し、この蓄電充電率が上限充電率（例えば、９０％）まで上昇すると、充電上限判定手段８２は蓄電池４の蓄電充電率が上限蓄電率に達したと判定し、この充電上限判定に基づいて発電出力再設定手段８６は発電出力の再設定を行うようになり、予測電力負荷の演算に戻る。

【0082】

また、このような発電運転状態において、蓄電池４の蓄電充電率が下限充電率まで低下すると、ステップＳ３５からステップＳ３８を経てステップＳ３６に移り、蓄電池４が空充電状態になるのを避けるために、高効率の運転が終了し、発電出力の再設定が行われる（ステップＳ３７）。即ち、充電率演算手段５６が蓄電側電流計４２及び蓄電側電圧計４４の検知信号に基づき、ＳＯＣ－ＯＣＶ曲線データを用いて上述したようにして蓄電池４の蓄電充電率を演算し、この蓄電充電率が下限充電率（例えば、３０％）まで低下すると、充電下限判定手段８４は蓄電池４の蓄電充電率が下限蓄電率に達したと判定し、この蓄電下限判定に基づいて発電出力再設定手段８６は発電出力の再設定を行うようになり、上述したと同様に、予測電力負荷の演算に戻る。

【0083】

尚、この発電運転状態において、蓄電池４の蓄電充電率が上限充電率及び下限充電率に達することなく運転サイクル期間が経過すると、ステップＳ３５からステップＳ３８及びステップＳ３９を経てステップＳ４０に進み、この高効率の発電運転が終了し、その後、次の運転サイクル期間の運転に移り、予測電力負荷の演算が行われる。

【0084】

尚、蓄電池４の蓄電充電率が上限充電率及び下限充電率に達した後の発電出力の再設定は、運転サイクル期間の残りの期間についての予測電力負荷を演算して発電出力（基準発電出力）を演算するようにしてもよく、或いは次の運転サイクル期間に移行し、次の運転サイクル期間についての予測電力負荷を演算して発電出力（基準発電出力）を演算するようにしてもよい。

【0085】

上述した第２の実施形態では、上限充電率及び下限充電率の双方を設定しているが、上限充電率及び下限充電率のいずれか一方のみを設定するようにしてもよく、例えば上限充電率のみを設定したときには、蓄電池４が満充電状態になるのを回避することができ、また下限充電率のみを設定したときには、蓄電池４が空充電状態になるのを回避することができる。

【0086】

以上、本発明に従う燃料電池システムの実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変更乃至修正が可能である。

【符号の説明】

【0087】

２ 燃料電池
４ 蓄電池（蓄電デバイス）
１０ 発電側インバータ
１４ 蓄電側インバータ
２２，２２Ａ コントローラ
２６ 電力負荷
４６，４６Ａ 発電側制御手段
４８ 蓄電側制御手段
５２ 予測電力負荷演算手段
５４ 発電出力演算手段
５６ 充電率演算手段
５８，５８Ａ 発電出力補正手段
６０ 発電出力設定手段
８２ 充電上限判定手段
８４ 充電下限判定手段

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】