JP2016207289A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、系統電圧の変動に追従して電力を出力する。【解決手段】燃料電池システム１は、燃料電池１１ｄと、燃料電池１１ｄの出力電力を入力し交流電力に変換して系統電源１２に出力するインバータ装置１６と、系統電源１２の電圧である系統電圧を検出する電力測定装置１３ａと、燃料電池１１ｄの出力電力を入力して消費する余剰電力吸収ヒータ３０と、燃料電池１１ｄ、インバータ装置１６および余剰電力吸収ヒータ３０を制御する制御装置１７と、を備えている。制御装置１７は、電力測定装置１３ａによって検出される系統電圧が電圧上昇抑制閾値より大きい場合、燃料電池１１ｄの出力電力を一定出力値に維持したまま、余剰電力吸収ヒータ３０での燃料電池１１ｄの出力電力の消費量を調整することにより、インバータ装置１６から出力される出力電力を低減する。【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

分散型電源システムの一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。特許文献１の図１に示されているように、分散型電源システム１０は、インバータの容量が互いに異なる第一分散型電源１（太陽光発電）及び第二分散型電源２（燃料電池）とで構成されている。そして、分散型電源システム１０と電力系統１０２との連系点１０５における電圧が、所定の閾値電圧を超えた場合、インバータ容量の大きい方の第一分散型電源１から優先して、無効電力及び／または発電出力を制御して電圧調整を行うようになっている。
一般的に、分散型電源が燃料電池である場合、分散型電源が太陽光発電、ガスエンジンコジェネレーション、蓄電池などである場合と比較して、系統電源への出力電力の増加・減少速度が遅い。

特開２０１１−１１４９１０号公報

上述した特許文献１に記載した太陽光発電、ガスエンジンコジェネレーション、蓄電池など分散型電源は、系統電圧が変動した際に、その変動に追従して出力電力を供給することができる。一方、燃料電池の分散型電源は、系統電圧の変動に追従して出力電力を供給することができないという問題があった。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムにおいて、系統電圧の変動に追従して電力を出力することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る燃料電池システムの発明は、系統電源と系統連系が可能である燃料電池と、燃料電池の出力電力を入力し交流電力に変換して系統電源に出力する電力変換装置と、系統電源の電圧である系統電圧を検出する電圧検出装置と、燃料電池の出力電力を入力して消費する電力消費装置と、燃料電池、電力変換装置および電力消費装置を制御する制御装置と、を備えている燃料電池システムであって、制御装置は、電圧検出装置によって検出される系統電圧が第一判定値より大きい場合、燃料電池の出力電力を一定出力値に維持したまま、電力消費装置での燃料電池の出力電力の消費量を調整することにより、電力変換装置から出力される出力電力を低減する。

これによれば、系統電圧が変動（増大）した場合、燃料電池の出力電力を一定出力値に維持したまま、電力消費装置での燃料電池の出力電力の消費量を系統電圧の変動に対応して調整（増大）することが可能となる。そして、電力変換装置から出力される出力電力を系統電圧の変動に追従して変更（低減）することが可能となる。このように、燃料電池システムは、系統電圧の変動に追従して電力を出力することが可能となる。

本発明による燃料電池システムの一実施形態の概要を示す概要図である。 図１に示す制御装置で実行される制御プログラムのフローチャートである。 図１に示す制御装置で実行される制御プログラムのフローチャートである。 図１に示す制御装置で実行される制御プログラムのフローチャートである。

以下、本発明による燃料電池システムの一実施形態について図面を参照して説明する。燃料電池システム１は、燃料電池モジュール１１、系統電源１２、電源ライン１３、補機１５、インバータ装置１６、燃料電池システム制御装置（以下、制御装置という。）１７、貯湯槽２１および余剰電力吸収ヒータ３０を含んで構成されている。

燃料電池モジュール１１は、ケーシング１１ａ、蒸発部１１ｂ、改質部１１ｃおよび燃料電池１１ｄを備えている。ケーシング１１ａ内には、蒸発部１１ｂ、改質部１１ｃおよび燃料電池１１ｄが配設されている。このとき、蒸発部１１ｂ、改質部１１ｃが燃料電池１１ｄの上方に位置するように配設されている。

蒸発部１１ｂは、後述する燃焼ガスにより加熱されて、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、供給された改質用原料を予熱するものである。蒸発部１１ｂは、このように生成された水蒸気と予熱された改質用原料を混合して改質部１１ｃに供給するものである。改質用原料としては天然ガス、ＬＰＧなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。

蒸発部１１ｂには、水タンク（図示省略）からの改質水が改質水ポンプ１５ａによって供給されるとともに、燃料供給源（図示省略）からの改質用原料が原料ポンプ１５ｂによって供給されている。

改質部１１ｃは、後述する燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部１１ｂから供給された混合ガス（改質用原料、水蒸気）から改質ガスを生成して導出するものである。改質部１１ｃ内には、触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は燃料電池１１ｄの燃料極に導出されるようになっている。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス（メタンガス）を含んでいる。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。

燃料電池１１ｄは、燃料極、空気極（酸化剤極）、および両極の間に介装された電解質からなる複数のセル（図示省略）が積層されて構成されている。本実施の形態の燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池１１ｄの燃料極には、燃料として水素、一酸化炭素、メタンガスなどが供給される。動作温度は例えば４００〜１０００℃程度である。セルの燃料極側には、燃料である改質ガスが流通する燃料流路（図示省略）が形成されている。セルの空気極側には、酸化剤ガスである空気（カソードエア）が流通する空気流路（図示省略）が形成されている。空気流路には、カソードエアがカソードエアブロワ１５ｃ（またはカソードエアポンプ）によって供給されている。

燃料電池１１ｄにおいては、燃料極に供給された燃料と空気極に供給された酸化剤ガスによって発電が行われる。すなわち、燃料極では、下記化１および化２に示す反応が生じ、空気極では、下記化３に示す反応が生じている。すなわち、空気極で生成した酸化物イオン（Ｏ^２−）が電解質を透過し、燃料極で水素と反応することにより電気エネルギーを発生させている。したがって、燃料流路および空気流路からは、発電に使用されなかった改質ガスおよび酸化剤ガス（空気）が導出する。
（化１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
（化２）
ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２ｅ⁻
（化３）
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−

そして、発電に使用されなかった改質ガス（改質オフガス）は、燃料流路から燃焼空間１１ｅ（燃料電池１１ｄと蒸発部１１ｂ（改質部１１ｃ）の間に形成された）に導出される。発電に使用されなかった酸化剤ガス（空気：空気オフガス）は、空気流路から燃焼空間１１ｅに導出される。燃焼空間１１ｅにて改質オフガスは空気オフガスによって燃焼され、その燃焼ガスによって蒸発部１１ｂおよび改質部１１ｃが加熱される。さらには、燃料電池モジュール１１内を動作温度に加熱している。その後、燃焼ガスは、ケーシング１１ａの下部に設けられ燃焼排ガスが導出される導出口１１ａ１から燃料電池モジュール１１の外に排気される。

系統電源（または商用電源）１２は、系統電源１２に接続された電源ライン１３を介して外部負荷１４に電力（交流電力）を供給するものである。燃料電池１１ｄはインバータ装置１６を介して電源ライン１３に接続されている。外部負荷１４は、燃料電池システム１の外に配設されている電力負荷であり、例えば家庭内に配設されているテレビなどの家電製品である。

電源ライン１３には、系統電源１２に対する電力の入出力および電力量を検知する電力測定装置１３ａが設けられており、その検知結果が制御装置１７に出力されている。この電力測定装置１３ａは、系統電源１２の電圧（系統電圧）および電流も検出することができる。電力測定装置１３ａは、系統電源１２の電圧である系統電圧を検出する電圧検出装置である。

内部負荷の一つである補機１５は、蒸発部１１ｂに改質水、改質用原料を供給するためのモータ駆動の各ポンプ１５ａ，１５ｂ、燃料電池１１ｄにカソードエアを供給するためのモータ駆動のカソードエアブロワ１５ｃ、および電磁式バルブ（図示省略）などから構成されている。この補機１５は直流電圧にて駆動されるものであり、その駆動電圧は補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｅから供給されるようになっている。補機１５は、燃料電池１１ｄに燃料（改質用原料）および酸化剤ガス（カソードエア）を供給するためのものであり、燃料電池システム１を運転するためのものである。内部負荷は、燃料電池システム１の内に配設されている電力負荷であり、補機１５、制御装置１７を含んでいる。

インバータ装置１６は、燃料電池１１ｄから出力される直流電圧を所定の交流電圧に変換して系統電源１２に接続されている電源ライン１３に出力する機能と、電源ライン１３からの交流電圧を所定の直流電圧に変換して補機１５および制御装置１７（内部負荷）に出力する機能と、燃料電池１１ｄからの直流電圧を所定の直流電圧に変換して補機１５および制御装置１７に出力する機能と、を有している。インバータ装置１６は、燃料電池１１ｄの出力電力を入力し交流電力に変換して系統電源１２に出力する電力変換装置である。

具体的には、インバータ装置１６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ａ、ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｂ、ＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃ、制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｄ、および補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｅを含んで構成されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ａは、燃料電池１１ｄから出力される直流電圧（例えば７０Ｖ）を所定の直流電圧（例えば４００Ｖ）に変換するものである。ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｂは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ａから出力される直流電圧を交流電圧（例えば２００Ｖ）に変換して電源ライン１３に出力するものである。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ａおよびＤＣ／ＡＣインバータ１６ｂは、第一電力供給ラインＬ１上に直列に設けられている。第一電力供給ラインＬ１の一端が燃料電池１１ｄに接続され、他端が電源ライン１３の接続点１３ｂに接続されている。

ＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃは、電源ライン１３と補機１５との間にＤＣ／ＤＣコンバータ１６ａとＤＣ／ＡＣインバータ１６ｂとからなる回路に並列に設けられるものである。ＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃは、第二電力供給ラインＬ２上に設けられている。第二電力供給ラインＬ２の一端は、第一電力供給ラインＬ１の接続点Ｌ１ａに接続され、他端は第三電力供給ラインＬ３の接続点Ｌ３ａに接続されている。

ＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃは、起動運転時、系統電源１２から出力される交流電力（交流電圧）を入力し直流電力（直流電圧）に変換して制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｄおよび補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｅに出力する。

制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｄは、燃料電池１１ｄまたはＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃからの直流電圧（直流電力）を入力して所定の直流電圧（直流電力、例えば５Ｖ）に変換して、制御装置１７に電源電圧として供給するものである。
補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｅは、燃料電池１１ｄまたはＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃからの直流電圧（直流電力）を入力して所定の直流電圧（直流電力、例えば２４Ｖ）に変換して、補機１５に電源電圧として供給するものである。

制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｄおよび補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｅは、第三電力供給ラインＬ３上に設けられている。第三電力供給ラインＬ３の一端は、第一電力供給ラインＬ１の接続点Ｌ１ｂに接続され、他端は制御装置１７および補機１５に接続されている。他端側は２つに分かれており、各分岐に制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｄおよび補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｅが設けられている。第三電力供給ラインＬ３は、燃料電池１１ｄから出力される直流電力を補機１５および制御装置１７に供給するものである。

第三電力供給ラインＬ３上には、第一整流素子１６ｆが第一電力供給ラインＬ１の接続点Ｌ１ｂと接続点Ｌ３ａとの間に設けられている。第一整流素子１６ｆは、燃料電池１１ｄから制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｄおよび補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｅに向けて流れる電流のみを許容する。本実施形態では、第一整流素子１６ｆは例えばダイオードで構成されている。

第二電力供給ラインＬ２上には、第二整流素子１６ｇが、ＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃと第三電力供給ラインＬ３の接続点Ｌ３ａとの間に設けられている。第二整流素子１６ｇは、ＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃから第三電力供給ラインＬ３に向けて流れる電流のみを許容する。本実施形態では、第二整流素子１６ｇは例えばダイオードで構成されている。なお、第二整流素子１６ｇとＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｃとの間には、第四スイッチ１６ｌが設けられている。

また、第三電力供給ラインＬ３上には、第一スイッチ１６ｈが接続点Ｌ３ａより燃料電池１１ｄ側に設けられている。第一スイッチ１６ｈは、制御装置１７の指示によって、燃料電池１１ｄと制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｄおよび補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｅとの間を、起動運転時および停止運転時において遮断し、定常運転時において連通するスイッチである。

第二スイッチ１６ｉは、ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｂと系統電源１２（または電源ライン１３）との間に配設されている。具体的には、第二スイッチ１６ｉは、第一電力供給ラインＬ１上であってＤＣ／ＡＣインバータ１６ｂと接続点Ｌ１ａとの間に設けられている。第二スイッチ１６ｉは、ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｂと系統電源１２とを制御装置１７の指示によって連通・遮断するものである。制御装置１７は、系統電源１２が停電状態であると判定すると、第二スイッチ１６ｉを開状態に切り換え、系統電源１２が停電状態でない場合には第二スイッチ１６ｉを閉状態に切り換える。

第一電力供給ラインＬ１上には、ＤＣ／ＡＣインバータ１６ｂから出力される電力（インバータ出力電力）を検出する電力検出装置１６ｊが設けられている。電力検出装置１６ｊは、検出結果を制御装置１７に送信するようになっている。なお、電力検出装置に代えて電流検出装置および電圧検出装置の少なくとも何れか一方が設けることも可能である。

制御装置１７は、燃料電池システム１の全体的な制御を一括集中して行うものであり、補機１５の駆動を制御して燃料電池１１ｄの制御をしたり、インバータ装置１６の駆動の制御をしたり、余剰電力吸収ヒータ３０の制御をしたりする。制御装置１７はマイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、燃料電池システム１の運転を実施している。ＲＡＭは同プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭは前記プログラムを記憶するものである。制御装置１７は、補機１５を制御する制御用マイコン（制御用マイクロコンピュータ）である。

貯湯槽２１は、燃料電池１１ｄの排熱によって加熱された貯湯水を貯めておくものである。貯湯槽２１と燃料電池１１ｄとの間には熱媒体循環路２１ａが設けられており、熱媒体循環路２１ａは燃料電池１１ｄの排熱を回収した熱媒体が図示しないポンプにより循環するものである。熱媒体と熱交換することにより貯湯槽２１の貯湯水が加熱される。

余剰電力吸収ヒータ３０は、第四電力供給ラインＬ４を介して第一電力供給ラインＬ１の接続点Ｌ１ｃに接続されている。余剰電力吸収ヒータ３０は、燃料電池１１ｄの出力電力を入力して消費する電力消費装置である。余剰電力吸収ヒータ３０は、例えば、図示しない改質水タンクが凍結するのを防止する凍結防止用のヒータ、燃焼空間１１ｅに配設され改質オフガスを着火するための着火用ヒータ、自立発電時に系統電源１２への逆潮防止をするため燃料電池１１ｄの出力電力（インバータ装置１６の出力電力）を消費するための自立発電用ヒータなどである。ヒータは、電気を熱エネルギーに変えるものであり、例えば発熱体を有するものである。

余剰電力吸収ヒータ３０は、消費電力（発熱量）が無段階または段階的に調整可能なものであり、制御装置１７の指示にしたがって消費電力を変更することができる。また、余剰電力吸収ヒータ３０は、消費電力が固定されていてもよく、この場合、後述する第三スイッチ１６ｋをＰＷＭ制御（制御装置１７からの指示）することで消費電力を調整可能である。

第四電力供給ラインＬ４には、第三スイッチ１６ｋが設けられている。第三スイッチ１６ｋは、制御装置１７の指示によって、第一電力供給ラインＬ１（燃料電池１１ｄ）と余剰電力吸収ヒータ３０との連通・遮断するものである。制御装置１７は、余剰電力吸収ヒータ３０に燃料電池１１ｄの出力電力を供給する必要がある場合には、第三スイッチ１６ｋを閉状態（ＰＷＭ制御状態）に切り換え、そうでない場合には第三スイッチ１６ｋを開状態に切り換える。

次に、上述した燃料電池システム１の動作について図２に示すフローチャートに沿って説明する。制御装置１７は、図示しない起動スイッチがオンされると（あるいはユーザによって予め設定された起動開始時刻となったことにより自動的に起動が開始されると）、図２に示すフローチャートに対応するプログラムの実行を開始する。このプログラムは、所定の短時間毎に実行される。

制御装置１７は、ステップＳ１０２において、系統電圧が電圧上昇抑制閾値より大きいか否かを判定する。具体的には、制御装置１７は、電力測定装置１３ａから系統電圧を取得し、記憶部（図示しない）に記憶されている電圧上昇抑制閾値と比較する。電圧上昇抑制閾値は、例えば１０７Ｖに設定されている。

系統電圧が電圧上昇抑制閾値より大きい場合、制御装置１７は、ステップＳ１０２にて「ＹＥＳ」と判定し、プログラムをステップＳ１０４に進める。制御装置１７は、ステップＳ１０４において、余剰電力吸収ヒータ３０の消費電力を増加させるように余剰電力吸収ヒータ３０を制御する。消費電力はΔＰ１ずつ（単位時間あたりまたは制御サイクル毎）増加させるのが好ましい。なお、このとき、制御装置１７は、燃料電池１１ｄの出力電力を一定（例えば燃料電池１１ｄの出力可能上限電力である（例えば７００Ｗ））に維持するように制御するのが好ましい。

系統電圧が電圧上昇抑制閾値以下である場合、制御装置１７は、ステップＳ１０２にて「ＮＯ」と判定し、プログラムをステップＳ１０６に進める。制御装置１７は、ステップＳ１０６において、余剰電力吸収ヒータ３０の消費電力を減少させるように余剰電力吸収ヒータ３０を制御する。消費電力はΔＰ２ずつ（単位時間あたりまたは制御サイクル毎）減少させるのが好ましい。ΔＰ２はΔＰ１より小さい値に設定されるのが好ましい。なお、このとき、制御装置１７は、燃料電池１１ｄの出力電力を一定に維持するように制御するのが好ましい。

なお、増加量ΔＰ１および減少量ΔＰ２は、電圧上昇抑制閾値と系統電圧との電圧差に応じて設定してもよい。例えば、増加量ΔＰ１および減少量ΔＰ２は、電圧差が大きいほど、大きい値に設定されるのが好ましい。また、増加量ΔＰ１および減少量ΔＰ２は、系統電圧が電圧上昇抑制閾値と越えた時点また未満となった時点からの経過時間に応じて設定してもよい。例えば、増加量ΔＰ１および減少量ΔＰ２は、経過時間が小さいほど、大きい値に設定されるのが好ましい。
また、余剰電力吸収ヒータ３０の消費電力を減少させる場合には、ヒステリシスを設定するようにしてもよい。

このように、制御装置１７は、系統電圧が電圧上昇抑制閾値より大きい場合には、余剰電力吸収ヒータ３０の消費電力を増加させる。これにより、例えば、燃料電池１１ｄの出力電力が一定に維持されている場合、余剰電力吸収ヒータ３０の消費電力が増加される。よって、その分だけ燃料電池１１ｄの出力電力が消費され、それに応じてインバータ装置１６の出力電力が減少する。その結果、電圧上昇抑制閾値を越えた系統電圧の上昇を確実に抑制することができる。

一方、制御装置１７は、系統電圧が電圧上昇抑制閾値未満である場合には、余剰電力吸収ヒータ３０の消費電力を減少させる。これにより、例えば、燃料電池１１ｄの出力電力が一定に維持されている場合、余剰電力吸収ヒータ３０の消費電力が減少される。よって、その分だけ燃料電池１１ｄの出力電力の消費が抑制され、それに応じてインバータ装置１６の出力電力が増加する。その結果、燃料電池システムの交流出力電力を高速に（できるだけ短時間にて）増加させることができる。ひいては、電圧上昇抑制閾値未満となった系統電圧の減少を確実に抑制することができる。

上述した説明から明らかなように、本実施形態に係る燃料電池システム１は、系統電源１２と系統連系が可能である燃料電池１１ｄと、燃料電池１１ｄの出力電力を入力し交流電力に変換して系統電源１２に出力する電力変換装置（インバータ装置１６）と、系統電源１２の電圧である系統電圧を検出する電圧検出装置（電力測定装置１３ａ）と、燃料電池１１ｄの出力電力を入力して消費する電力消費装置（余剰電力吸収ヒータ３０）と、燃料電池１１ｄ、インバータ装置１６および余剰電力吸収ヒータ３０を制御する制御装置１７と、を備えている燃料電池システムである。制御装置１７は、電力測定装置１３ａによって検出される系統電圧が第一判定値（電圧上昇抑制閾値）より大きい場合、燃料電池１１ｄの出力電力を一定出力値に維持したまま、余剰電力吸収ヒータ３０での燃料電池１１ｄの出力電力の消費量を調整することにより、インバータ装置１６から出力される出力電力を低減する。

これによれば、系統電圧が変動（増大）した場合、燃料電池１１ｄの出力電力を一定出力値に維持したまま、余剰電力吸収ヒータ３０での燃料電池１１ｄの出力電力の消費量を系統電圧の変動に対応して調整（増大）することが可能となる。そして、インバータ装置１６から出力される出力電力を系統電圧の変動に追従して変更（低減）することが可能となる。このように、燃料電池システム１は、系統電圧の変動に追従して電力を出力することが可能となる。

さらに、上述した燃料電池システム１の動作について図３に示すフローチャートに沿って説明する。図２のフローチャートでは、燃料電池１１ｄの出力電力は燃料電池１１ｄの出力可能上限電力であったが、図３のフローチャートでは、燃料電池１１ｄの出力電力は燃料電池１１ｄの出力可能上限電力未満である。図２に示すフローチャートと同一の処理については、同一符号を付してその説明を省略する。

制御装置１７は、ステップＳ２０２において、インバータ出力電力と余剰電力吸収ヒータ３０の消費電力との電力和が燃料電池１１ｄの出力可能上限電力より大きいか否かを判定する。ここで、余剰電力吸収ヒータ３０の消費電力の最大値は燃料電池出力可能上限であり、最小値は０Ｗである。具体的には、制御装置１７は、電力検出装置１６ｊからインバータ出力電力を取得し、現時点の余剰電力吸収ヒータ３０の消費電力と加算して電力和を演算し、記憶部（図示しない）に記憶されている燃料電池１１ｄの出力可能上限電力と比較する。燃料電池１１ｄの出力可能上限電力は、例えば７００Ｗに設定されている。

電力和が燃料電池１１ｄの出力可能上限電力より大きい場合、制御装置１７は、ステップＳ２０２にて「ＹＥＳ」と判定し、プログラムをステップＳ１０２に進める。制御装置１７は、ステップＳ１０２以降において、上述したように、余剰電力吸収ヒータ３０の消費電力の増加・減少制御を行う。

一方、電力和が燃料電池１１ｄの出力可能上限電力以下である（より小さい）場合、制御装置１７は、ステップＳ２０２にて「ＮＯ」と判定し、プログラムをステップＳ２０４に進める。制御装置１７は、ステップＳ２０４において、燃料電池１１ｄの出力電力を増加させるように燃料電池システム１を制御する。出力電力は、ΔＰ３ずつ（単位時間あたりまたは制御サイクル毎）増加させるのが好ましい。制御装置１７は、出力電力がΔＰ３ずつ増加するように、改質水ポンプ１５ａ，原料ポンプ１５ｂ，カソードエアブロワ１５ｃなどの補機を制御する。その後、制御装置１７は、プログラムをステップＳ１０２以降に進める。

このように、制御装置１７は、さらに、インバータ装置１６の出力電力と余剰電力吸収ヒータ３０の消費電力との和である電力和が燃料電池１１ｄの出力可能上限電力以下である（より小さい）場合、燃料電池１１ｄの出力電力を増大させる。
これによれば、系統電圧が増大してインバータ装置１６から出力されている出力電力が低減された際であって、燃料電池１１ｄの出力電力が出力可能上限電力以下である場合、燃料電池１１ｄの出力電力を増大させることが可能となる。その結果、燃料電池１１ｄの出力電力を出力可能上限電力まで増大させることが可能となり、インバータ装置１６の出力電力を出力可能上限電力にすることが可能となる。よって、系統電圧が増大から減少へと反転した場合の対応（インバータ装置１６からの出力電力の対応）を適切かつ早期に行うことが可能となる。

さらに、上述した燃料電池システム１の動作について図４に示すフローチャートに沿って説明する。図２のフローチャートでは、燃料電池システム１からの出力制限（燃料電池１１ｄの出力制限）がされていなかったが、図４のフローチャートでは、燃料電池システム１からの出力制限（燃料電池１１ｄの出力制限）がされている場合である。図２に示すフローチャートと同一の処理については、同一符号を付してその説明を省略する。

制御装置１７は、ステップＳ２１２において、インバータ出力電力と余剰電力吸収ヒータ３０の消費電力との電力和が燃料電池システム１からの出力制限値より大きいか否かを判定する。ここで、余剰電力吸収ヒータ３０の消費電力の最大値は燃料電池出力可能上限であり、最小値は０Ｗである。具体的には、制御装置１７は、電力検出装置１６ｊからインバータ出力電力を取得し、現時点の余剰電力吸収ヒータ３０の消費電力と加算して電力和を演算し、記憶部（図示しない）に記憶されている燃料電池システム１からの出力制限値と比較する。燃料電池システム１からの出力制限値は、燃料電池１１ｄの温度やシステム内の温度で決定される値であり、例えば５００Ｗに設定されている。

電力和が出力制限値より大きい場合、制御装置１７は、ステップＳ２１２にて「ＹＥＳ」と判定し、プログラムをステップＳ２１４に進める。制御装置１７は、ステップＳ２１４において、燃料電池１１ｄの出力電力を減少させるように燃料電池システム１を制御する。出力電力は、ΔＰ４ずつ（単位時間あたりまたは制御サイクル毎）減少させるのが好ましい。制御装置１７は、出力電力がΔＰ４ずつ減少するように、改質水ポンプ１５ａ，原料ポンプ１５ｂ，カソードエアブロワ１５ｃなどの補機を制御する。その後、制御装置１７は、ステップＳ１０２以降において、上述したように、余剰電力吸収ヒータ３０の消費電力の増加・減少制御を行う。

一方、電力和が出力制限値以下である場合、制御装置１７は、ステップＳ２１２にて「ＮＯ」と判定し、プログラムをステップＳ１０２に進める。制御装置１７は、ステップＳ１０２以降において、上述したように、余剰電力吸収ヒータ３０の消費電力の増加・減少制御を行う。

このように、制御装置１７は、さらに、インバータ装置１６の出力電力と余剰電力吸収ヒータ３０の消費電力との和である電力和が燃料電池システム１の出力制限値より大きい場合、燃料電池１１ｄの出力電力を減少させる。
これによれば、系統電圧が増大してインバータ装置１６から出力されている出力電力が低減された際であって、燃料電池１１ｄの出力電力が燃料電池システム１の出力制限値より大きい場合、燃料電池１１ｄの出力電力を減少させることが可能となる。その結果、燃料電池１１ｄの出力電力を燃料電池システム１の出力制限値まで確実に減少させることが可能となる。

上述した実施形態において、余剰電力吸収ヒータ３０はＤＣ／ＤＣコンバータ１６ａとＤＣ／ＡＣインバータ１６ｂとの間の第一電力供給ラインＬ１に接続されるようにしたが、余剰電力吸収ヒータ３０は燃料電池１１ｄとＤＣ／ＤＣコンバータ１６ａとの間の第一電力供給ラインＬ１に接続されるようにしてもよい。さらに、余剰電力吸収ヒータ３０はＤＣ／ＡＣインバータ１６ｂと接続点Ｌ１ａとの間の第一電力供給ラインＬ１に接続されるようにしてもよい。この場合、余剰電力吸収ヒータ３０は、直流電力対応でなく、交流電力対応に構成されるようにすればよい。

上述した実施形態において、電力消費装置として余剰電力吸収ヒータ３０を採用するようにしたが、これに代えて、バッテリ（蓄電装置）を採用するようにしてもよい。このとき、バッテリの充放電を調整する充放電調整装置を設けることが望ましい。

また、上述した実施形態において、余剰電力吸収ヒータ３０を貯湯水と熱交換可能な構成としてもよい。この場合、余剰電力吸収ヒータ３０は熱媒体循環路２１ａに配設されるようにすればよい（図１にて破線で示す）。
このように、電力消費装置が余剰電力吸収ヒータ３０である場合、余剰電力吸収ヒータ３０で発生した熱を回収する熱回収装置（貯湯槽２１）をさらに備えている。
これによれば、熱回収装置（貯湯槽２１）は余剰電力吸収ヒータ３０で消費した燃料電池１１ｄの出力電力を熱として貯湯水に回収することが可能となるため、エネルギー効率を高く維持することが可能となる。

上述した燃料電池システム１に、他の分散型電源（ガスエンジン発電装置、太陽光発電装置、バッテリ（蓄電装置）など）を並設するようにしてもよい。この場合、系統電圧が変動した際に、燃料電池１１ｄを有する分散型電源からの出力電力は、他の分散型電源からの出力電力の変動に遅れることなく、系統電圧の変動に追従することができる。よって、燃料電池１１ｄが低出力電力で運転を継続することを抑制することができ、ユーザーメリットを高く維持することができる。

なお、上述した実施形態においては、第一電力供給ラインＬ１上にＤＣ／ＤＣコンバータ１６ａが設けられているが、第一電力供給ラインＬ１上であって接続点Ｌ１ｂと燃料電池１１ｄとの間に設けるようにＤＣ／ＤＣコンバータ１６ａを設けるようにしてもよい。
また、上述した実施形態においては、燃料電池は固体酸化物形燃料電池であったが、本発明を高分子電解質形燃料電池の燃料電池システムに適用するようにしてもよい。

１…燃料電池システム、１１…燃料電池モジュール、１１ａ…ケーシング、１１ｂ…蒸発部、１１ｃ…改質部、１１ｄ…燃料電池、１２…系統電源、１３…電源ライン、１３ａ…電力測定装置（電圧検出装置）、１４…外部負荷、１５…補機、１６…インバータ装置（電力変換装置）、１６ａ…ＤＣ／ＤＣコンバータ、１６ｂ…ＤＣ／ＡＣインバータ、１６ｃ…ＡＣ／ＤＣコンバータ、１６ｄ…制御用ＤＣ／ＤＣコンバータ、１６ｅ…補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ、１６ｈ…第一スイッチ、１６ｉ…第二スイッチ、１６ｊ…電力検出装置、１６ｋ…第三スイッチ、１７…制御装置、２１…貯湯槽（熱回収装置）、３０…余剰電力吸収ヒータ（電力消費装置）。

Claims (4)

1. 系統電源と系統連系が可能である燃料電池と、
   前記燃料電池の出力電力を入力し交流電力に変換して前記系統電源に出力する電力変換装置と、
   前記系統電源の電圧である系統電圧を検出する電圧検出装置と、
   前記燃料電池の出力電力を入力して消費する電力消費装置と、
   前記燃料電池、前記電力変換装置および前記電力消費装置を制御する制御装置と、を備えている燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、前記電圧検出装置によって検出される前記系統電圧が第一判定値より大きい場合、前記燃料電池の出力電力を一定出力値に維持したまま、前記電力消費装置での前記燃料電池の出力電力の消費量を調整することにより、前記電力変換装置から出力される出力電力を低減する燃料電池システム。
2. 前記制御装置は、さらに、前記電力変換装置の出力電力と前記電力消費装置の消費電力との和である電力和が前記燃料電池の出力可能上限電力より小さい場合、前記燃料電池の出力電力を増大させる請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記制御装置は、さらに、前記電力変換装置の出力電力と前記電力消費装置の消費電力との和である電力和が前記燃料電池システムの出力制限値より大きい場合、前記燃料電池の出力電力を減少させる請求項１記載の燃料電池システム。
4. 前記電力消費装置がヒータである場合、前記ヒータで発生した熱を回収する熱回収装置をさらに備えている請求項１乃至請求項３の何れか一項記載の燃料電池システム。

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