JP2006338994A - 燃料電池システムの運転方法及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池システムの利用率を高めつつ燃料電池システムに異常が発生した場合においてもすみやかに対応し得る燃料電池システム及びその運転方法を提供すること。
【解決手段】 改質ガスｇと酸化剤ガスｔとを導入して発電し、該発電した電力Ｃｂを商用電源Ｐｗから供給される商用電力Ｃｆと連系して電力負荷Ｌｄに供給する燃料電池１２と、燃料電池１２が発電した電力Ｃｂ及び商用電力Ｃｆを受電して作動する電気機器２４と、電力負荷Ｌｄ及び電気機器２４に供給される商用電力Ｃｆを計測する商用電力検知手段９９で検知される電力値が第１の所定範囲内に収束するように燃料電池１２の発電電力Ｃｂを制御する制御装置１６とを備える燃料電池システムで、商用電力検知手段９９で検知された電力値が所定時間継続して第２の所定範囲内にあるときに、電気機器２４が受電する電力を変動させるように運転させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池システムの運転方法及び燃料電池システムに関し、特に燃料電池システムの利用率を高めつつ燃料電池システムに異常が発生した場合においてもすみやかに対応し得る燃料電池システムの運転方法及び燃料電池システムに関するものである。

近年の地球環境保全意識の高まりを背景に、環境汚染低減に資する燃料電池で発電する燃料電池システムが注目を集めている。燃料電池システムは、一般に、水素と酸素との電気化学的反応により発電する燃料電池と、燃料電池に供給する水素を含むガスを都市ガスや灯油等から生成する改質装置とを含んで構成されている。さらに、燃料電池での電気化学的反応が発熱反応であることから、この熱を有効利用すべく貯湯ユニットを付加してシステムを構成する場合が多い。

ところで、燃料電池は、その発電原理に起因した負荷変動に対する応答が速くないことを理由の一つとして、商用電源に連系させる場合がある。商用電源と燃料電池とが連系された電力供給システムは、燃料電池システムの運転を基礎として、不足分の電力を商用電源から供給される電力で賄うような運転をするのが一般的である。このとき、電力負荷よりも燃料電池で発電された電力の方が多いときは余剰電力が商用電源に逆潮流することとなるが、さまざまな理由から逆潮流を許容しない電気事業者（電力会社）もある。それゆえに、商用電源に連系された燃料電池によって発電された電力が逆潮流することを防止するため、商用電源から供給される電力を計測する計測器を設け、電力負荷に対して燃料電池の発電量が常に一定の値だけ低くなるように（常に一定の値以上の商用電源からの電力の供給を受けるように）制御して燃料電池システムを運転することが考えられる。

しかし、電力負荷に対して燃料電池の発電量が常に一定の値だけ低くなるように制御して燃料電池システムを運転すると、燃料電池の発電量に余裕があるにもかかわらず発電電力を抑制することが多くなる。さらなる省エネルギーの実施が叫ばれている昨今においては、燃料電池システムの運転効率及び利用率の向上が望まれている。他方、燃料電池の発電量を電力負荷に近づけて実質的に平衡とすると、商用の電力を計測する計測器の性質上、長時間にわたって電力負荷が安定しているため燃料電池システムが安定的に運転している場合又は電力負荷がないため燃料電池システムが停止している場合と、計測器に故障が発生した場合との違いの判断ができなくなる。

本発明は上述の課題に鑑み、燃料電池システムの利用率を高めつつ燃料電池システムに異常が発生した場合においてもすみやかに対応し得る燃料電池システムの運転方法及び燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明に係る燃料電池システムの運転方法は、例えば図１及び図２に示すように、商用電源Ｐｗと連系し、燃料電池１２と電気機器２４（２１ａ、２２、２３、２５）とを有する燃料電池システム１０を運転する方法であって；商用電源Ｐｗから電力負荷Ｌｄ及び電気機器２４（２１ａ、２２、２３、２５）に供給される商用電力Ｃｆを計測する工程（Ｓｔ０）と；計測した商用電力Ｃｆの値が第１の所定範囲内に収束するように燃料電池１０の発電電力を調整する工程（Ｓｔ１）と；計測した商用電力Ｃｆの値が継続して第２の所定範囲内にある時間を計測する工程（Ｓｔ３〜Ｓｔ５）と；計測した時間が所定時間になった時に、電気機器２４（２１ａ、２２、２３、２５）が受電する電力を変動させる工程（Ｓｔ６、Ｓｔ８）とを備える。

このように構成すると、計測した商用電力の値が第１の所定範囲内に収束するように燃料電池の発電電力を調整するので、燃料電池システムの運転効率及び利用率を向上させることができる。また、計測した商用電力の値が継続して第２の所定範囲内にある時間を計測しその時間が所定時間になった時に電気機器が受電する電力を変動させるので、商用電力の変動の有無を検知することにより、商用電力を計測する手段の異常や配線の断線の有無等を把握することができる。

上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、水素に富む改質ガスｇと酸素を含有する酸化剤ガスｔとを導入して発電し、該発電した電力Ｃｂを商用電源Ｐｗから供給される商用電力Ｃｆと連系して電力負荷Ｌｄに供給する燃料電池１２と；燃料電池１２が発電した電力Ｃｂ及び商用電力Ｃｆを受電して作動する電気機器２４（２１ａ、２２、２３、２５）と；電力負荷Ｌｄ及び電気機器２４（２１ａ、２２、２３、２５）に供給される商用電力Ｃｆを計測する商用電力検知手段９９で検知される電力値が第１の所定範囲内に収束するように燃料電池１２の発電電力Ｃｂを制御する制御装置１６とを備え；制御装置１６が、商用電力検知手段９９で検知された電力値が所定時間継続して第２の所定範囲内にあるときに、電気機器２４（２１ａ、２２、２３、２５）が受電する電力を変動させるように構成されている。

このように構成すると、商用電力検知手段で検知される電力値が第１の所定範囲内に収束するように燃料電池の発電電力を制御するので、燃料電池システムの運転効率及び利用率を向上させることができる。また、商用電力検知手段で検知された電力値が所定時間継続して第２の所定範囲内にあるときに、電気機器が受電する電力を変動させるので、商用電力検知手段が商用電力の変動の有無を検知することにより、商用電力検知手段や配線等の異常の有無を把握することができる。

また、請求項３に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、請求項２に記載の燃料電池システム１０において、電気機器が、熱を発生する加熱装置２４（２１ａ、２６）である。

このように構成すると、商用電力検知手段や配線等の異常の有無を把握するために電気機器が受電する電力を変動させても、燃料電池システムの運転バランスを崩す等の悪影響を燃料電池システムに及ぼすおそれがない。

本発明によれば、計測した商用電力の値が第１の所定範囲内に収束するように燃料電池の発電電力を調整するので、燃料電池システムの運転効率及び利用率を向上させることができる。また、計測した商用電力の値が継続して第２の所定範囲内にある時間を計測し、その時間が所定時間になった時に前記電気機器に供給される商用電力を変動させるので、商用電力の変動の有無を検知することにより、商用電力を計測する手段の異常や配線の断線の有無等を把握することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、図１中、破線は制御信号を表す。
図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムを説明するブロック図である。燃料電池システム１０は、改質装置１１と、燃料電池１２と、熱交換器１３と、給湯ユニット１４と、制御装置１６と、電気機器としての冷却水ポンプ２２、循環ポンプ２３、加熱装置２４、酸化剤ガスブロワ２５とを備えている。

改質装置１１は、都市ガス、ＬＰＧ、消化ガス、メタノール、ＧＴＬ（Ｇａｓ ｔｏ Ｌｉｑｕｉｄ）や灯油等の原料燃料ｒとプロセス水ｓとを導入し、原料燃料ｒを改質して水素に富む改質ガスｇを生成する装置である。水素に富む改質ガスｇは、水素を４０体積％以上、典型的には７０〜８０体積％程度含んだ、燃料電池１２に供給するガスである。改質ガスｇ中の水素濃度は８０体積％以上でもよく、すなわち燃料電池１２に供給したときに酸化剤ガスｔ中の酸素との電気化学的反応により発電可能な濃度であればよい。改質装置１１は改質触媒充填層を有しており、改質反応が促進されるように構成されている。原料燃料ｒを改質する水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、改質装置１１は改質に必要な改質熱を得るための改質熱発生器２１を有している。改質装置１１は、生成した改質ガスｇを導出する導出口を有し、導出口は燃料電池１２の燃料極と改質ガス流路３１を介して接続されている。

燃料電池１２は、典型的には固体高分子型燃料電池である。燃料電池１２は、水素に富む改質ガスｇと酸素を含有する酸化剤ガスｔとを導入し、改質ガスｇ中の水素と酸化剤ガスｔ中の酸素との電気化学的反応により発電して熱を発生するように構成されている。また、燃料電池１２は、一般的には、発電量を一定の時定数を持って増減することができるが急峻な増減をすることができない特性を有している。燃料電池１２は改質ガスｇを導入する燃料極と酸化剤ガスｔを導入する空気極とを備えている。燃料極には改質ガスｇを流す改質ガス流路３１が接続され、空気極には酸化剤ガスｔを流す酸化剤ガス流路３５が接続されている。燃料電池１２は、燃料極に導入された改質ガスｇのうち電気化学的反応に使われなかったガスはアノードオフガス（不図示）として燃料極から排出され、空気極に導入された酸化剤ガスｔのうち電気化学的反応に使われなかったガスはカソードオフガス（不図示）として空気極から排出されるように構成されている。さらに燃料電池１２は、発電に伴って発生した熱を除去する冷却水ｃを導入する冷却部を備えている。冷却部には冷却水を流す冷却水流路３２が接続されている。

燃料電池１２における電気化学的反応で発電される電力Ｃｂは直流電力である。他方、商用電源Ｐｗから供給される電力Ｃｆは交流電力である。燃料電池システム１０は、直流電力を交流電力に変換するインバータ１５を備えている。インバータ１５は、典型的には、燃料電池１２で発電された電力Ｃｂを制御して電気機器としての加熱装置２４等や電力負荷Ｌｄへ送電するパワーコンディショナーに含まれている。インバータ１５は、燃料電池１２と電気ケーブルＥ１２で接続されている。

熱交換器１３は、燃料電池１２で発生した熱を奪った冷却水ｃと給湯ユニット１４から循環される温水ｈとの間で熱交換を行う機器であり、典型的にはプレート型熱交換器が用いられる。熱交換器１３は、燃料電池１２から受熱して温度が上昇した冷却水ｃと冷却水ｃよりも温度が低い温水ｈとがカウンターフローにより熱交換し、燃料電池１２の排熱を冷却水ｃから温水ｈに伝達するように構成されている。熱交換器１３は、燃料電池１２から受熱して温度が高い冷却水ｃを導入する冷却水導入口と温水ｈとの熱交換により温度が下がった冷却水ｃを導出する冷却水導出口と、温度が低い温水ｈを導入する温水導入口と冷却水ｃとの熱交換により温度が上昇した温水ｈを導出する温水導出口とを有している。熱交換器１３の冷却水導入口及び冷却水導出口には冷却水ｃを流す冷却水流路３２が接続されており、温水導入口及び温水導出口には温水ｈを流す循環流路３３が接続されている。なお、燃料電池１２で発生した熱を直接給湯ユニット１４に蓄えるようにして、熱交換器１３を省略することも可能である。しかしながら、熱交換器１３を設けた方が、冷却水ｃと温水ｈとを混合させずに熱の授受を行うことができ、水質管理が容易になるので好ましい。

給湯ユニット１４は、上部に温度が高い温水ｈを導入する温水導入口が、下部に温度が低い温水ｈを導出する温水導出口が設けられている。給湯ユニット１４の温水導入口及び温水導出口には循環流路３３が接続されている。熱交換器１３で燃料電池１２の排熱を受熱した温水ｈは循環流路３３を通って給湯ユニット１４に流入し、給湯ユニット１４に燃料電池１２の排熱が蓄熱されるように構成されている。流入して給湯ユニット１４に貯留された温水ｈは、上部の温度が高く下部の温度が低い温度成層を形成している。給湯ユニット１４の上部には、給湯や暖房等の熱需要（熱負荷）に向けて温水を導出する給湯管（不図示）が接続されている。また、本実施の形態では、熱需要に向けて導出する温水の温度が低いときに温水を加熱する、電気機器としての加熱装置２４が給湯ユニット１４の内部に設けられている。また、給湯ユニット１４の下部には熱需要で利用されて減少した水量を補うための補給水管（不図示）が接続されている。なお、給湯ユニット１４に貯留される温水ｈは、典型的には主として燃料電池１２の排熱を利用して加熱されるものであり、加熱装置２４による加熱は補助的なものである。

改質装置１１に設けられた改質熱発生器２１は、燃料としての原料燃料ｒの一部と燃焼空気とを導入し、原料燃料ｒを燃焼させて、改質熱を生成するように構成されている。改質装置１１における水蒸気改質反応の際は、改質が行われる改質部の温度を約５５０〜８００℃にする必要があるため、改質熱発生器２１は改質部を約５５０〜８００℃に加熱することができるように構成されている。改質熱発生器２１は、原料燃料ｒを燃焼するためのバーナーを有している。改質熱発生器２１は、燃料電池１２から排出されるアノードオフガス（不図示）を導入して燃焼させることができるようにも構成されている。アノードオフガスは、燃料電池１２における電気化学的反応に使用されなかった水素を含んでいる。また、改質熱発生器２１は、燃料電池システム１０の起動時の補助加熱用に用いられる加熱装置としての電気ヒータ２１ａを有している。電気ヒータ２１ａは、電気機器の一つである。燃料電池システム１０の起動時に電気ヒータを用いることにより、原料燃料ｒの燃焼を待たずに改質熱発生器２１を昇温させることができ、燃料電池システム１０を早期に定常運転状態にすることができる。改質熱発生器２１は、起動時には電気ヒータ２１ａで予熱しつつ原料燃料ｒを導入しこれを燃焼させて改質熱を発生させ、燃料電池１２が運転されて燃料電池１２からアノードオフガスが排出されるようになるとアノードオフガスを導入し、これを燃焼させて改質熱を発生させるように構成されている。電気ヒータ２１ａは、専ら燃料電池システム１０の起動時の補助加熱に用いられ、燃料電池システム１０が定常運転状態のときはおおよそＯＦＦの状態になっている。電気ヒータ２１ａは、銅やチタン、鉄等を使って製作されたシースヒータを用いるのが好ましい。電気ヒータ２１ａは、インバータ１５の二次側と電気ケーブルＥ２１で接続されている。また、電気ヒータ２１ａは、制御装置１６と信号ケーブルで接続されており、制御装置１６の信号を受けて消費電力を定格出力の範囲内で増減することができるように構成されている。

冷却水ポンプ２２及び循環ポンプ２３は、それぞれ燃料電池システム１０の構成要素である電気機器の一つである。冷却水ポンプ２２は冷却水流路３２に設けられており、冷却水ｃを循環させて燃料電池１２で発生した熱を熱交換器１３にて温水ｈに渡すことができるように構成されている。循環ポンプ２３は循環流路３３に設けられており、温水ｈを循環させて熱交換器１３にて冷却水ｃから受け取った熱を給湯ユニット１４に運ぶことができるように構成されている。冷却水ポンプ２２は電気ケーブルＥ２２で、循環ポンプ２３は電気ケーブルＥ２３で、それぞれインバータ１５の二次側に接続されている。また、冷却水ポンプ２２及び循環ポンプ２３は、それぞれ制御装置１６と信号ケーブルで接続されており、制御装置１６の信号を受けて回転数を設計値の範囲内で増減することができるように構成されている。

加熱装置２４は、給湯ユニット１４に貯留された温水ｈの温度が、給湯や床暖房等の熱負荷で必要とする温度に満たないときに、温水ｈを加熱するための装置である。加熱装置２４は、温水ｈを熱負荷が要求する温度にすることができればよいが、典型的には電気ヒータである。電気ヒータである加熱装置２４は、燃料電池システム１０の構成要素である電気機器の一つである。電気機器としての加熱装置２４は、インバータ１５の二次側と電気ケーブルＥ２４で接続されている。また、加熱装置２４は、制御装置１６と信号ケーブルで接続されており、制御装置１６の信号を受けて消費電力を定格出力の範囲内で増減することができるように構成されている。なお、燃料電池システム１０の構成要素として加熱装置２４の他に電気機器がある場合は、加熱装置２４は必ずしも電気機器でなくてもよい。この場合は、加熱装置２４として、例えばガス湯沸器等を用いて温水ｈを加熱してもよい。

酸化剤ガスブロワ２５は、燃料電池システム１０の構成要素である電気機器の一つである。酸化剤ガスブロワ２５は、酸化剤ガス流路３５に設けられており、酸化剤ガスｔを燃料電池１２の空気極に圧送することができるように構成されている。酸化剤ガスブロワ２５は、インバータ１５の二次側と電気ケーブルＥ２５で接続されている。また、酸化剤ガスブロワ２５は、制御装置１６と信号ケーブルで接続されており、制御装置１６の信号を受けて回転数を設計値の範囲内で増減することができるように構成されている。

上述の電気機器２１ａ、２２、２３、２４、２５は、燃料電池１２が発電した電力Ｃｂ及び商用電力Ｃｆを受電して作動する。これは、いうまでもなく、電気機器２１ａ、２２、…、２５が常に燃料電池の発電電力Ｃｂと商用電力Ｃｆの両方を受電することを意味するものではない。どちらの電力を受電するかは、燃料電池システム１０の運転状況によって異なる。典型的には、燃料電池システム１０の起動当初は燃料電池１２での発電量が十分ではないため専ら商用電力Ｃｆを受電して作動する。燃料電池１２での発電量が増えてくると、電気機器２１ａ、２２、…、２５の受電量のうち燃料電池での発電電力Ｃｂの占める割合が増加して行き、燃料電池１２での発電量が電気機器２１ａ、２２、…、２５の消費電力を賄えるようになると、電気機器２１ａ、２２、…、２５は専ら燃料電池での発電電力Ｃｂを受電して作動する。電力負荷Ｌｄが増加して燃料電池１２の最大出力を超えた場合は、電気機器２１ａ、２２、…、２５は燃料電池での発電電力Ｃｂに加えて商用電力Ｃｆを受電して作動する。このように、燃料電池システム１０の運転状況（燃料電池１２の出力状況）によって、電気機器２１ａ、２２、…、２５が受電する電力の割合は変化する。

制御装置１６は、燃料電池システム１０の運転状態を制御する機器である。制御装置１６は、電力負荷Ｌｄが要求する電力や燃料電池１２の最小出力・最大出力をもとに、燃料電池システム１０が最適な効率及び利用率で運転することができるように、燃料電池システム１０を構成する各機器を制御するように構成されている。制御装置１６は、電力計９９からの電力信号を受信し、受信した信号から電力負荷Ｌｄが要求している電力を把握して、商用電源Ｐｗから供給される電力である商用電力Ｃｆをできるだけ燃料電池１２からの電力Ｃｂに置き換えるように、冷却水ポンプ２２、循環ポンプ２３、酸化剤ガスブロワ２５に信号を送信して、各ポンプ２２、２３やブロワ２５の発停や回転数を制御することができるように構成されている。すなわち、制御装置１６は、電力計９９で検知した商用電力Ｃｆの値が第１の所定範囲に収束するよう、燃料電池１２で電力Ｃｂを発電して商用電力Ｃｆを減らすように、各ポンプ２２、２３やブロワ２５を制御するように構成されている。第１の所定範囲は０前後のできるだけ狭い範囲とするのが望ましいが、燃料電池１２の動特性や商用電源Ｐｗが逆潮流を許容しているか否かを考慮して適宜設定される。本実施の形態では、第１の所定範囲を、電力計９９で検知した電力の値の絶対値が電力計９９の誤差の範囲内となるように設定することとする。ここで、電力計９９で検知した電力の値がマイナスを示すときは、燃料電池１２から商用電源Ｐｗへ逆潮流電力Ｃｒが流れていることになる。

燃料電池システム１０は、電力計９９で検知された商用電力Ｃｆの値が継続して第２の所定範囲内にある時間を計測するタイマーを備えている。タイマーは、典型的には制御装置１６に内蔵されている。制御装置１６は、商用電力Ｃｆの値が継続して第２の所定範囲内にある時間が所定時間になった時に、加熱装置２４等の電気機器に信号を送信して、電気機器が受電する電力を変動させることができるように構成されている。この、所定時間になった「時」は、所定時間になった瞬間のみならず、所定時間になってから多少の時間が経過した後に信号を送信する等の幅があってもよい。なお、第２の所定範囲は、実際には商用電力Ｃｆが存在しないにもかかわらず電力計９９が示す範囲の値、すなわち誤差の範囲である。この第２の所定範囲に前述の第１の所定範囲を合わせて、第１の所定範囲と第２の所定範囲とを同じ値に設定してもよい。所定時間は、燃料電池システム１０の異常を早く覚知する観点からは短くするのが好ましく、異常がない場合の燃料電池システム１０の運転を安定させる観点からは長くするのが好ましい。これらの両観点のバランスを考慮して、所定時間を決定するとよい。また、所定時間は、燃料電池システム１０の運転時と停止時とで違う値を選択するようにしてもよい。制御装置１６はまた、燃料電池システム１０に異常が生じたときに、燃料電池システム１０が設置されている場所から離れた場所に設置される、ユーザーが燃料電池システム１０の状態を把握することができる遠隔監視装置（不図示）と信号ケーブルで接続されており、異常時に警報信号を送信することができるように構成されている。なお、商用電力Ｃｆの値が継続して第２の所定範囲内にある時間が所定時間になった時に受電する電力を変動させる電気機器は、典型的には加熱装置２４等の燃料電池１２の発電電力Ｃｂの制御に直接関係しない機器であり、受電する電力を変動させることは、典型的には電源を入れること又は切ることである。

燃料電池システム１０は、商用電力Ｃｆの系統と電気ケーブルＥ１０で接続されている。すなわち、燃料電池システム１０は、系統連系されている。
商用電力系統は、商用電源Ｐｗと電力負荷Ｌｄとが電気ケーブルＥｐで接続されており、電気ケーブルＥｐには電力検知手段としての電力計９９が配設されている。燃料電池システム１０は、電力計９９の二次側で系統連系されている。

電力計９９は、商用電源Ｐｗから電力負荷Ｌｄあるいは燃料電池１０が備える各電気機器２１ａ、２２、２３、２４、２５に送電される商用電力Ｃｆを計測することができるように構成されている。また、電力計９９は、燃料電池システム１０から商用電源Ｐｗに向けて送電される逆潮流電力Ｃｒを計測することができるように構成されている。電力計９９は、一般的には計測誤差を有している。計測誤差は典型的には０．１％程度であり、例えばフルスケールが１０ｋｗの電力計であれば１０ｗ程度の誤差を有している。電力計９９は、制御装置１６と信号ケーブルで接続されており、計測した電力値を信号として制御装置１６に送信することができるように構成されている。

商用電源Ｐｗは発電所や送電線等の電力供給源である。商用電源Ｐｗから供給される商用電力Ｃｆは、トランスで電圧が下げられた後に電力計９９を通過する。また、電力負荷Ｌｄは電力の需要であり、例えば家庭においては冷蔵庫等の電気器具等、工場においては各種の装置等がこれに相当する。なお、商用電源Ｐｗや電力負荷Ｌｄ及び電力計９９並びに電気ケーブルＥｐは、燃料電池システム１０を構成するものではない。

次に図１及び図２を参照して本実施の形態に係る燃料電池システム１０の作用を説明する。
燃料電池システム１０の制御装置１６は、電力計９９からの信号を常時受けて、商用電力Ｃｆ又は逆潮流の電力Ｃｒの値（Ｗ）を取得する（Ｓｔ０）。すなわち、制御装置１６は、電気ケーブルＥｐを流れる電力の値（Ｗ）を取得する。ここで、制御装置１６は、燃料電池システム１０の利用率を高めるために、電力の値（Ｗ）が第１の所定範囲内に収束するように、典型的には０に近づくように燃料電池システム１０の運転を制御する（Ｓｔ１）。燃料電池システム１０の運転の制御には、電力負荷Ｌｄが存在しないために燃料電池システム１０を停止にすることも含む。次に制御装置１６は、取得した電力の値（Ｗ）の絶対値（｜Ｗ｜）が所定の電力値（Ｗｓ）以下であるかを判断する（Ｓｔ２）。絶対値（｜Ｗ｜）が所定の電力値（Ｗｓ）以下でなければ特にアクションを起こすことなく電力の値（Ｗ）の取得を継続し、所定の電力値（Ｗｓ）以下であれば次の工程に進む。なお、電力の値（Ｗ）の絶対値（｜Ｗ｜）が所定の電力値（Ｗｓ）以下であるかの判断は、電力の値（Ｗ）が第２の所定範囲内にあるか否かを判断することを意味している。

電力の値（Ｗ）の絶対値（｜Ｗ｜）が所定の電力値（Ｗｓ）以下になると、制御装置１６のタイマーが時間（Ｔ）の計測を開始する（Ｓｔ３）。制御装置１６は、時間（Ｔ）を計測している間も電力計９９から電力の値（Ｗ）を取得している。そして制御装置１６は、取得した電力の値（Ｗ）の絶対値（｜Ｗ｜）が所定の電力値（Ｗｓ）以下であるかを判断する（Ｓｔ４）。絶対値（｜Ｗ｜）が所定の電力値（Ｗｓ）以下でなくなったときは、時間（Ｔ）の計測をリセットし（Ｓｔ１１）、燃料電池システム１０の運転を制御する工程（Ｓｔ１）に戻る。絶対値（｜Ｗ｜）が所定の電力値（Ｗｓ）以下を継続しているときは、計測している時間（Ｔ）が所定時間（Ｔｓ）になったか否かを判断する（Ｓｔ５）。所定時間（Ｔｓ）に達していないときは絶対値（｜Ｗ｜）が所定の電力値（Ｗｓ）以下であるかを判断する（Ｓｔ４）工程に戻る。

計測している時間（Ｔ）が所定時間（Ｔｓ）になるということは、燃料電池システム１０が次のいずれかの状態になっていることが考えられる。すなわち、所定時間にわたって電力負荷Ｌｄに変動がなく安定した運転状態を維持しているか、電力負荷がなく停止状態にあるか、又は電力計９９の故障又は電力計９９に接続されたケーブルの断線等の計測系統に異常が発生して電力計９９からの正しい電力の値（Ｗ）を取得できない状態かである。電力計９９から取得した電力の値（Ｗ）のみからは、どの状態になっているかを把握することはできない。仮に計測系統に異常が発生した場合は、次のような燃料電池システム１０の状態となる。燃料電池システム１０の停止中は、実際には電力負荷Ｌｄから電力要求があり商用電力Ｃｆが供給されているにもかかわらず「電力負荷Ｌｄからの電力要求がない」と判断して燃料電池システム１０への発電開始指令が発令されず、燃料電池システム１０の利用率が低下することとなる。他方、燃料電池システム１０の運転中は、実際には燃料電池の発電電力Ｃｂと電力負荷Ｌｄの要求電力とが平衡していないにもかかわらず「燃料電池の発電電力Ｃｂと電力負荷Ｌｄの要求電力とが平衡している」と判断して燃料電池１２の発電電力Ｃｂをそのまま維持することとなる。このとき、電力負荷Ｌｄの要求電力が燃料電池の発電電力Ｃｂを下回る場合は、余剰電力が発生して逆潮流を長時間にわたって引き起こしかねない。逆に電力負荷Ｌｄの要求電力が燃料電池の発電電力Ｃｂを上回る場合は、燃料電池１２に出力の余裕があるにもかかわらず発電電力を増加させないため、燃料電池システム１０の運転効率及び利用率の向上を図ることができない。

そこで、計測している時間（Ｔ）が所定時間（Ｔｓ）になったら、計測系統に異常が発生したか否かを確認するため、制御装置１６は電気機器の一つである加熱装置２４が受電する電力を変動させる。受電電力の変動として、まずは加熱装置２４が受電する電力を増加させる（Ｓｔ６）。ここで増加させる電力は、電気ケーブルＥｐに商用電力Ｃｆが流れていることを確実に電力計９９が検知できる量及び時間とする。すなわち、電力計９９の誤差の範囲以上の商用電力Ｃｆが電力計９９で検知されるように加熱装置２４が受電する電力を増加させる。

ここで電力を増加させる電気機器を加熱装置２４としたのは、加熱装置２４が燃料電池１２の発電電力Ｃｂの制御に直接関係しない機器だからである。なお、電力を増加させる電気機器は加熱装置２４以外のものであってもよい。例えば燃料電池システム１０が換気ファン等の燃料電池１２の発電電力Ｃｂの制御に直接関係しない機器を備え、これらの機器の消費電力が電力計９９の誤差の範囲以上のときは、これらの機器の電力を増加させてもよい。また、燃料電池１２の発電電力Ｃｂの制御に直接関係する機器の電力を増加させることが許容される場合は、これらの典型例である、改質熱発生器２１の電気ヒータ２１ａ、酸化剤ガスブロワ２５や冷却水ポンプ２２、循環ポンプ２３のいずれか一つの電力を増加させてもよい。あるいはこれらの電気機器２１ａ、２２、…、２５の複数に対して、合計して電力計９９の誤差の範囲以上の電力を増加させるようにしてもよい。しかしながら加熱装置２４とすれば、他の電気機器に比べて応答（入力した電力に対する水温の上昇）が遅いという性質から、燃料電池システム１０の動作にほとんど影響を与えないので好ましい。また、電力を増加させる時間を５秒程度とすると、燃料電池システム１０の動作にほとんど影響を与えないので好ましい。加熱装置２４以外の電気機器（例えば酸化剤ガスブロワ２５）の電力を増加させる場合は、制御装置１６が他の電気機器（例えば改質熱発生器２１、冷却水ポンプ２２、循環ポンプ２３）に対して追随するように信号を送信するが、この制御装置１６からの信号の送信を一定の短い時間（例えば５秒程度）が経過した後に行うこととすれば、電気機器（加熱装置２４以外）の電力の増加に伴って他の電気機器の出力を追随させないようにすることもできる。仮に直ちに追随させたとしても、燃料電池１２の発電電力Ｃｂの変化は比較的緩やかであるから、一定の短い時間の電気機器の受電電力の増加に追随しようとしても短時間のうちに燃料電池１２の発電電力Ｃｂが増加することはなく、ほどなく電気機器の受電電力を再度低下させるので、電気機器の受電電力の増加が燃料電池１２の発電電力Ｃｂにほとんど影響を与えることがない。

加熱装置２４が受電する電力を増加させたら（Ｓｔ６）、電力計９９から取得した電力の値（Ｗ）の絶対値（｜Ｗ｜）が所定の電力値（Ｗｓ）以下か否かを判断する（Ｓｔ７）。所定の電力値（Ｗｓ）を超えていれば時間（Ｔ）の計測をリセットし（Ｓｔ１１）、燃料電池システム１０の運転を制御する工程（Ｓｔ１）に戻る。電力の値（Ｗ）の絶対値（｜Ｗ｜）が所定の電力値（Ｗｓ）以下を維持している場合は、加熱装置２４が受電する電力を一定の短い時間減少させる（Ｓｔ８）。ここで加熱装置２４が受電する電力を一定の短い時間減少させるのは、電力の増加を許容された加熱装置２４（他の電気機器が電力の増加を許容されているときは当該電気機器を含む）が入力可能な電力の上限に達していてもはや電力を増加させることができず、かつ電力負荷Ｌｄや電気機器の消費電力が燃料電池１２の発電電力Ｃｂで賄われて電力計９９で検知される電力が第２の所定範囲内にある場合を考慮したものである。つまり、加熱装置２４が受電する電力を増加させて電力計９９が示す値を変動させようとしても加熱装置２４が受電する電力を増加させることができないから、逆に加熱装置２４が受電する電力を減少させて電力計９９が示す値を変動させようとするものである。

加熱装置２４が受電する電力を減少させたら（Ｓｔ８）、電力計９９から取得した電力の値（Ｗ）の絶対値（｜Ｗ｜）が所定の電力値（Ｗｓ）以下か否かを判断する（Ｓｔ９）。所定の電力値（Ｗｓ）を超えていれば時間（Ｔ）の計測をリセットし（Ｓｔ１１）、燃料電池システム１０の運転を制御する工程（Ｓｔ１）に戻る。電力の値（Ｗ）の絶対値（｜Ｗ｜）が所定の電力値（Ｗｓ）以下を維持している場合は、電力計９９の故障又は電力計９９に接続されたケーブル等の計測系統の断線等が発生している確率が非常に高いため、遠隔監視装置に警報を発報すると共に燃料電池システム１０の運転を停止させる（Ｓｔ１０）。
なお、加熱装置２４が受電する電力を減少させたときの電力計９９から取得した電力の値（Ｗ）は、マイナスとなる。これは、電力計９９が逆潮流電力Ｃｒを検知していることを意味している。

商用電源Ｐｗが逆潮流を認めていない場合は、燃料電池システム１０に逆潮流を防止するための逆潮流防止ヒータ２６を設けることが好ましい。逆潮流防止ヒータ２６は、電力を入力して発熱する、電気機器の一つであり、加熱装置として用いることもできる。逆潮流防止ヒータ２６は、電力計９９が検知することのできる電力以上の電力を消費することができるものを用いるとよい。逆潮流防止ヒータは、インバータ１５の二次側と電気ケーブルＥ２６で接続される。逆潮流防止ヒータ２６は、電力計９９が検知する商用電力Ｃｆの値が第１の所定範囲に収束するように燃料電池１２の発電電力Ｃｂを増加させた状態で、急に電力負荷Ｌｄが減少した場合に逆潮流を防ぐことができると共に、電力計９９の故障又は電力計９９に接続されたケーブル等の計測系統の断線等が発生しているか否かの検定用に用いることができる。逆潮流防止ヒータ２６を設けた場合は、電力計９９の故障等が発生していなければ、逆潮流防止ヒータ２６が受電する電力を増加させれば（Ｓｔ６）確実に電力計９９から取得した電力の値（Ｗ）の絶対値（｜Ｗ｜）が所定の電力値（Ｗｓ）を超えることとなる。したがって、図２中、電力計９９から取得した電力の値（Ｗ）の絶対値（｜Ｗ｜）が所定の電力値（Ｗｓ）以下か否かを判断する工程（Ｓｔ７）において、所定の電力値（Ｗｓ）以下を維持していれば、逆潮流防止ヒータ２６が受電する電力を一定の短い時間減少させる工程（Ｓｔ８）と、電力計９９から取得した電力の値（Ｗ）の絶対値（｜Ｗ｜）が所定の電力値（Ｗｓ）以下か否かを判断する工程（Ｓｔ９）をスキップして、遠隔監視装置に警報を発報すると共に燃料電池システム１０の運転を停止させる工程（Ｓｔ１０）に進むようにする。

次に図３を参照して、実施例を説明する。なお、図３の他、適宜図１及び図２を参照することとする。
以下の実施例では第１の所定範囲を±５（ｗ）、所定時間を６０（ｍｉｎ）に設定し、第２の所定範囲が±１０（ｗ）の電力計９９を用いた燃料電池システム１０とした。また、電力計９９が検知した電力値が６０（ｍｉｎ）継続して±１０（ｗ）の範囲内にあるときに電力を変動させる電気機器を加熱装置２４とした。また、商用電源Ｐｗへの逆潮流が許容されている。

（実施例１）
図３（ａ）は、第１の実施例における、電力計が検知する電力値の時間経過に対するグラフである。第１の実施例では、図３（ａ）中、７分後（図中Ｔ１）に電力計９９が検知する電力値が１０（ｗ）以下になって所定時間の計測を開始した（Ｓｔ３）。そして、所定時間の計測を開始して４１分後（図中Ｔ２）に電力値が１０（ｗ）を超えたため（Ｓｔ４）、タイマーをリセットして（Ｓｔ１１）再び燃料電池システム１０の運転の制御を開始した（Ｓｔ１）。この結果、第１の実施例では電力計９９の故障又は電力計９９に接続されたケーブル等の計測系統の断線等が発生していないことが分かった。

（実施例２）
図３（ｂ）は、第２の実施例における、電力計が検知する電力値の時間経過に対するグラフである。第２の実施例では、図３（ｂ）中、７分後（図中Ｔ１）に電力計９９が検知する電力値が１０（ｗ）以下になって所定時間の計測を開始した（Ｓｔ３）。そして、所定時間の計測を開始して６０分を経過しても（図中Ｔ３）電力値が±１０（ｗ）の範囲にあるため、加熱装置２４が受電する電力を約５秒間増加させた（Ｓｔ６）。すると、電力計９９の値は約５秒間８０（ｗ）を示したので、タイマーをリセットして（Ｓｔ１１）再び燃料電池システム１０の運転の制御を開始した（Ｓｔ１）。この結果、第２の実施例では電力計９９の故障又は電力計９９に接続されたケーブル等の計測系統の断線等が発生していないことが分かった。その後再び電力計９９が検知する電力値が１０（ｗ）以下になったので、所定時間の計測を開始した（Ｓｔ３）。

（実施例３）
図３（ｃ）は、第３の実施例における、電力計が検知する電力値の時間経過に対するグラフである。第３の実施例では、図３（ｃ）中、７分後（図中Ｔ１）に電力計９９が検知する電力値が１０（ｗ）以下になって所定時間の計測を開始した（Ｓｔ３）。そして、所定時間の計測を開始して６０分を経過しても（図中Ｔ３）電力値が±１０（ｗ）の範囲にあるため、加熱装置２４が受電する電力を約５秒間増加させた（Ｓｔ６）。ところが、電力計９９が検知する電力値に変動がないため、加熱装置２４が受電する電力を約５秒間減少させた（Ｓｔ８）。すると、電力計９９の値は約５秒間−６０（ｗ）を示したので、タイマーをリセットして（Ｓｔ１１）再び燃料電池システム１０の運転の制御を開始した（Ｓｔ１）。この結果、第３の実施例では電力計９９の故障又は電力計９９に接続されたケーブル等の計測系統の断線等が発生していないことが分かった。その後再び電力計９９が検知する電力値が１０（ｗ）以下になったので、所定時間の計測を開始した（Ｓｔ３）。なお、第３の実施例では電力計９９の値が約５秒間−６０（ｗ）を示したので、この間燃料電池１２の発電電力Ｃｂが商用電源Ｐｗに逆潮流したこととなる。

（実施例４）
図３（ｄ）は、第４の実施例における、電力計が検知する電力値の時間経過に対するグラフである。第４の実施例では、図３（ｄ）中、７分後（図中Ｔ１）に電力計９９が検知する電力値が１０（ｗ）以下になって所定時間の計測を開始した（Ｓｔ３）。そして、所定時間の計測を開始して６０分を経過しても（図中Ｔ３）電力値が±１０（ｗ）の範囲にあるため、加熱装置２４が受電する電力を約５秒間増加させた（Ｓｔ６）。ところが、電力計９９が検知する電力値に変動がないため、加熱装置２４が受電する電力を約５秒間減少させた（Ｓｔ８）。しかし、ここでも電力計９９が検知する電力値に変動がないため、制御装置１６は電力計９９の故障又は電力計９９に接続されたケーブル等の計測系統の断線等が発生したと判断して、加熱装置２４が受電する電力を約５秒間減少させ終えた時点（図中Ｔ４）で遠隔監視装置に警報を発報すると共に燃料電池システム１０の運転を停止した（Ｓｔ１０）。第４の実施例では、早期に計測系統の異常を発見することができ、燃料電池システム１０の故障等被害が拡大することを防ぐことができた。

本発明の実施の形態に係る燃料電池システムを説明するブロック図である。 本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの運転方法を説明するフローチャートである。 電力検知手段が検知する電力値の時間経過に対するグラフである。（ａ）は第１の実施例、（ｂ）は第２の実施例、（ｃ）は第３の実施例、（ｄ）は第４の実施例におけるグラフを示している。

符号の説明

１０ 燃料電池システム
１２ 燃料電池
２１ 改質熱発生装置
２２ 冷却水ポンプ
２３ 循環ポンプ
２４ 加熱装置
２５ 酸化剤ガスブロワ
９９ 電力計（電力計測手段）
Ｌｄ 電力負荷
Ｃｂ 燃料電池で発電した電力
Ｃｆ 商用電力
Ｐｗ 商用電源
ｇ 改質ガス
ｔ 酸化剤ガス

Claims (3)

1. 商用電源と連系し、燃料電池と電気機器とを有する燃料電池システムを運転する方法であって；
   前記商用電源から電力負荷及び前記電気機器に供給される商用電力を計測する工程と；
   計測した前記商用電力の値が第１の所定範囲内に収束するように前記燃料電池の発電電力を調整する工程と；
   計測した前記商用電力の値が継続して第２の所定範囲内にある時間を計測する工程と；
   計測した前記時間が所定時間になった時に、前記電気機器が受電する電力を変動させる工程とを備える；
   燃料電池システムの運転方法。
2. 水素に富む改質ガスと酸素を含有する酸化剤ガスとを導入して発電し、該発電した電力を商用電源から供給される商用電力と連系して電力負荷に供給する燃料電池と；
   前記燃料電池が発電した電力及び前記商用電力を受電して作動する電気機器と；
   前記電力負荷及び前記電気機器に供給される前記商用電力を計測する商用電力検知手段で検知される電力値が第１の所定範囲内に収束するように前記燃料電池の発電電力を制御する制御装置とを備え；
   前記制御装置が、前記商用電力検知手段で検知された電力値が所定時間継続して第２の所定範囲内にあるときに、前記電気機器が受電する電力を変動させるように構成された；
   燃料電池システム。
3. 前記電気機器が、熱を発生する加熱装置である；
   請求項２に記載の燃料電池システム。
   

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