JP2018152205A - 燃料電池システム及び燃料電池制御プログラム - Google Patents

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Abstract

【課題】多段式燃料電池システムにおいて、負荷変動にあわせて複数の燃料電池の出力を制御する。
【解決手段】多段式燃料電池システム１０は、前段に配置され、水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池１１と、後段に配置され、第１燃料電池１１から排出されたオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池１２と、第１燃料電池１１の電流又は電圧を制御することで第１燃料電池１１の発電量を制御する電流制御器３０Ａと、第２燃料電池１２の電流又は電圧を制御することで第２燃料電池１２の発電量を制御する電流制御器３０Ｂと、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２で発電される電力の合計が負荷４０の電力需要に近づくように、電流制御器３０Ａ及び電流制御器３０Ｂの少なくとも一方を制御するＰＣＳ２０と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システム及び燃料電池制御プログラムに関する。特に燃料電池の発電量を制御する燃料電池システム及び燃料電池制御プログラムに関する。
燃料電池システムの高効率化に向けて、燃料利用率を向上させる手法として、燃料電池の多段化が提案されている。
これは、複数の燃料電池を用いて、前段の燃料電池で未反応であった燃料ガスを含むアノードオフガスを後段の燃料電池で利用するという技術である。
多段式燃料電池システムでは、アノードオフガス中から水蒸気や二酸化炭素を取り除き、反応に寄与する燃料ガス（水素や一酸化炭素）の濃度を高めた再生燃料ガスを用いて後段の燃料電池で再度発電を行うことも可能であるため、単独の燃料電池を用いて発電する場合に比べて、燃料利用率を高く設定すること可能になる。（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１６−１１５４９５号公報
しかしながら、多段式燃料電池システムでは、多段式燃料電池システムから電力の供給を受ける負荷の電力需要の変動（負荷変動）に対して、各段の燃料電池の出力をどのように制御すれば、発電に伴う燃料電池の劣化を抑制したり、発電効率を向上したりすることができるのかについて検討が進められていない状況である。
本発明は上記事実を鑑みてなされたものであり、負荷変動にあわせて複数の燃料電池の出力を制御する多段式の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、本発明に係る燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池と、前記第１燃料電池から排出され、前記第１燃料電池において未反応の水素を含むオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池と、前記第１燃料電池から出力される電流又は電圧を調整することで、前記第１燃料電池から出力される電力を制御する第１制御装置と、前記第２燃料電池から出力される電流又は電圧を調整することで、前記第２燃料電池から出力される電力を制御する第２制御装置と、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電される電力の合計が電力需要に近づくように、前記第１制御装置及び前記第２制御装置の少なくとも一方を制御する出力制御装置と、を備える。
また、本発明に係る燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池と、前記第１燃料電池から排出され、前記第１燃料電池において未反応の水素を含むオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池と、直列に接続された前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池から出力される電流又は電圧を調整することで、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池から出力される電力を制御する制御装置と、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電される電力の合計が電力需要に近づくように、前記制御装置を制御する出力制御装置と、を備える。
また、本発明に係る多段式燃料電池制御プログラムは、コンピュータを、水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池から出力される電流又は電圧を調整することで、前記第１燃料電池から出力される電力を制御する第１制御装置と、前記第１燃料電池から排出され、前記第１燃料電池において未反応の水素を含むオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池から出力される電流又は電圧を調整することで、前記第２燃料電池から出力される電力を制御する第２制御装置とを、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電される電力の合計が電力需要に近づくように制御する制御手段として機能させる。
更に、本発明に係る多段式燃料電池制御プログラムは、コンピュータを、水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池、及び前記第１燃料電池と電気的に直列に接続され、前記第１燃料電池から排出された、前記第１燃料電池において未反応の水素を含むオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池から出力される電流又は電圧を調整することで、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池から出力される電力を制御する制御装置を、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電される電力の合計が電力需要に近づくように制御する制御手段として機能させる。
本発明の多段式燃料電池システムによれば、負荷変動にあわせて複数の燃料電池の出力を制御することができる。
多段式燃料電池システムの構成例を示す図である。 多段式燃料電池システムの制御系統を示す概略構成図である。 第１実施形態、第２実施形態、第４実施形態に係る多段式燃料電池システムを、コンピュータを用いて制御する場合の構成例を示す図である。 第１実施形態に係る多段式燃料電池制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。 燃料電池における電流電圧特性の一例を示す図である。 燃料電池制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る多段式燃料電池制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。 電流電圧特性の変動例を示す図である。 第３実施形態、第５実施形態、第７実施形態及び第８実施形態に係る多段式燃料電池システムを、コンピュータを用いて制御する場合の構成例を示す図である。 第３実施形態に係る多段式燃料電池制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。 第４実施形態に係る多段式燃料電池制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。 第５実施形態に係る多段式燃料電池制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。 第６実施形態に係る多段式燃料電池システムの制御系統を示す概略構成図である。 第６実施形態に係る多段式燃料電池システムを、コンピュータを用いて制御する場合の構成例を示す図である。 第６実施形態に係る多段式燃料電池制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。 第７実施形態に係る多段式燃料電池制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。 第８実施形態に係る多段式燃料電池制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、機能が同じ部材及び処理には、全図面を通して同じ符合を付与し、重複する説明を適宜省略する。
＜第１実施形態＞
図１において、本実施形態に係る多段式燃料電池システム１０は、燃料処理装置１４と、第１燃料電池１１と、水蒸気分離膜１６と、第２燃料電池１２とを有している。
燃料処理装置１４は、メタン等の原料ガスから水素を含む燃料ガスを生成するＦＰＳ（Fuel Processing System）であり、触媒（図示せず）と、触媒を加熱する燃焼器１８とを有している。触媒は改質触媒であり、改質器１９内に設けられている。改質器１９には、原料ガス経路２４が接続されており、該原料ガス経路２４を通じて原料ガスが供給されるようになっている。原料ガス経路２４には、原料ガスを送るためのブロワ２５が設けられている。また、原料ガス経路２４におけるブロワ２５と改質器１９との間には、後述する第２熱交換器２２が設けられており、原料ガスは該第２熱交換器２２により加熱されるようになっている。
また、改質器１９には、水供給経路２８が接続されており、該水供給経路２８は水タンク２６に接続されている。水タンク２６は、水蒸気分離膜１６で除去された水蒸気が凝縮した水３８を蓄える容器である。水供給経路２８には、例えばポンプ３２と、気化器３４とが設けられている。ポンプ３２は、水タンク２６内の水３８を水供給経路２８へ送り出すものである。気化器３４は、ポンプ３２の下流側に設けられ、水供給経路２８に送り出された水３８を気化させて水蒸気を生成するものである。改質器１９は、この水供給経路２８を通じて供給された水蒸気を利用して、原料ガスを改質して、水素を含む燃料ガスを生成するようになっている。つまり、燃料処理装置１４は、水蒸気分離膜１６で除去された水蒸気を用いて原料ガスを改質し、燃料ガスを生成するようになっている。そして、この燃料ガスは、燃料ガス経路４２を通じて、第１燃料電池１１のアノード（図示せず）へ供給されるようになっている。
燃料処理装置１４の燃焼器１８には、空気供給経路４４と、オフガス経路４６とが接続されている。この燃焼器１８は、空気供給経路４４を通じて供給された空気と、オフガス経路４６を通じて供給されたバーナガス（後述するオフガス）との混合ガスを燃焼させ、改質器１９内の触媒を加熱する。燃焼器１８からの排気は、排気経路４８を通じて排出される。
第１燃料電池１１は、燃焼器１８よりも上流で燃料処理装置１４から供給される燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池である。この第１燃料電池１１は、例えば７５０℃程度で作動する高温型の固体酸化物形燃料電池である。図示は省略するが、第１燃料電池１１は、電解質層と、該電解質層の表裏面にそれぞれ積層されたアノード及びカソードとを有している。アノードは燃料極であり、カソードは空気極である。
カソードには、空気供給経路４４を通じて空気（酸化ガス）が供給される。このカソードでは、酸素と電子が、電解質層で電気化学的に反応して酸素イオンとなり、電解質膜を移動する。
一方、アノードには、燃料ガス経路４２を通じて、燃料処理装置１４から水素を含む燃料ガスが供給される。このアノードでは、水素が電解質層を移動してきた酸素イオンと反応し、水、二酸化炭素、及び電子が生成される。アノードで生成された電子は、外部回路を通ってカソードに移動する。
そして、このようにして電子がアノードからカソードに移動することにより、第１燃料電池１１において発電が行われる。カソードでの未反応ガス及び生成ガスは、下流側の空気供給経路４４を通じて第２燃料電池１２へ供給される。
水蒸気分離膜１６は、第１燃料電池１１から排出され第１燃料電池１１において未反応の燃料ガス及び生成ガスを含むオフガス（アノードオフガス）から、水蒸気を気体の状態で除去するものである。水蒸気分離膜１６は、オフガス経路５２に設けられており、水の凝縮点よりも高い温度（例えば１００℃以上）で、オフガスから水蒸気を除去することができる。
オフガスから水蒸気を除去した再生燃料ガスは、再生燃料ガス経路５４を通じて、第２燃料電池１２へ供給されるようになっている。再生燃料ガス経路５４には、第１熱交換器２１が設けられている。この第１熱交換器２１は、オフガス経路５２を流れるオフガスと、再生燃料ガス経路５４を流れる再生燃料ガスとの間で熱交換を行い、オフガスを例えば２００℃程度に冷却すると共に再生燃料ガスを第２燃料電池１２の作動温度に対応して再度加熱するものである。
一方、水蒸気分離膜１６で除去された水蒸気は、第２熱交換器２２で冷却されて水３８となり、水タンク２６に貯えられるようになっている。水タンク２６の上部にはオフガス経路４６が接続されている。水タンク２６で凝縮しない二酸化炭素等のガスは、該オフガス経路４６を通じて、燃料処理装置１４の燃焼器１８へ供給されるようになっている。第２熱交換器２２は、原料ガス経路２４を流れる原料ガスと、オフガス経路５２を流れるオフガスとの間で熱交換を行い、オフガスを冷却すると共に原料ガスを加熱するものである。
この他、空気又は水蒸気と、オフガスとの間で熱交換を行う熱交換器を設けてもよい。つまり、本実施形態における熱交換器は、再生燃料ガス、原料ガス、空気、水蒸気、及び該水蒸気を凝縮した水３８の少なくとも１つとオフガスとの間で熱交換を行うものである。
第２燃料電池１２は、再生燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池である。この第２燃料電池１２は、例えば７５０℃程度の高温で作動する固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell:SOFC）である。図示は省略するが、第２燃料電池１２も、第１燃料電池１１と同様に、電解質層と、該電解質層の表裏面にそれぞれ積層されたアノード及びカソードとを有している。アノードには、再生燃料ガス経路５４を通じて、再生燃料ガスが供給される。
第２燃料電池１２の構成は、第１燃料電池１１と同様であり、再生燃料ガスを用いて発電が行われる。カソードでの未反応ガス及び生成ガスは、下流側の空気供給経路４４を通じて、燃料処理装置１４の燃焼器１８へ供給される。
なお、上記では、第２燃料電池１２が再生燃料ガスを用いて発電する例について説明したが、第２燃料電池１２の発電には、必ずしも再生燃料ガスを用いる必要はなく、第１燃料電池１１から排出されたオフガスを用いてもよい。
なお、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２は、個々に発電を行う複数のセルを含む燃料電池スタックである。１つのセルが発電する電圧は約０．７Ｖ程度であるため、直列に接続されるセルの数によって第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２の最大出力電圧が規定される。また、第１燃料電池１１や第２燃料電池１２は、１つ以上の燃料電池スタックから成る。
多段式燃料電池システム１０で発電された電力は例えば受電盤５０に入力され、受電盤５０において、電力の需給バランスに応じて、多段式燃料電池システム１０で発電された電力を電気事業者が供給する商用電力に連系させる系統連系を行った上で負荷に供給される。場合によっては、例えば多段式燃料電池システム１０で発電した電力を、指定された量だけ受電盤５０を介して電気事業者の系統に逆潮流し、多段式燃料電池システム１０が設置された需要家以外の負荷に供給する場合もある。逆潮流する電力量は、例えば電気事業者の系統全体における電力需要に基づいて、別途設けられた電力管理センター等から指定される。以降では、多段式燃料電池システム１０で発電した電力を、当該多段式燃料電池システム１０が設置された需要家の負荷に供給する例について説明する。
なお、受電盤５０は、多段式燃料電池システム１０で発電された電力を商用電力より優先的に負荷に供給するものとする。ここで「負荷」とは、電力を消費して動作する装置や設備全体の総称である。
また、第１燃料電池１１は、燃料処理装置１４から供給される燃料ガスを用いて発電を行うことから、前段の燃料電池の一例であり、第２燃料電池１２は、第１燃料電池１１での発電に用いられた未反応の燃料ガスを含むオフガスから再生した再生燃料ガスを用いて発電を行うことから、後段の燃料電池の一例である。なお、以降では、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２を区別する必要がない場合、単に「燃料電池」と表記する。
図２に、多段式燃料電池システム１０で発電する電力を制御するための制御系統概略図の一例を示す。図２に示すように、多段式燃料電池システム１０では、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２の出力端がそれぞれパワーコンディショナー（Power Conditioning System：ＰＣＳ２０)に接続される。
第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２で発電された電圧は直流であるため、ＰＣＳ２０で交流に変換した後、ＰＣＳ２０から例えば受電盤５０を介して負荷４０に供給される。ただし、例えば負荷４０の入力電圧が直流電圧に対応している場合や、多段式燃料電池システム１０の外部に直流交流変換装置を別途設ける場合等には、ＰＣＳ２０は、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２から出力された直流電圧を交流電圧に変換することなく外部に供給することがある。
一般的に、供給電力が電力需要を上回る場合、電力の周波数は、電力の需給バランスが一致する場合の周波数として予め定めた商用周波数（東日本地域であれば５０Ｈｚ、西日本地域であれば６０Ｈｚ）より上昇する。一方、供給電力が電力需要を下回る場合、電力の周波数は予め定めた商用周波数より低下する。
したがって、ＰＣＳ２０は、例えば負荷４０に供給している電力の周波数の変動量から状況に応じて変動する負荷４０の電力需要を把握し、多段式燃料電池システム１０で発電する電力が、負荷４０の電力需要に近づくように第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２の発電量を制御する。
具体的には、ＰＣＳ２０は、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２で各々発電される電力の合計が負荷４０の電力需要に近づくように、第１燃料電池１１で発電する電力及び第２燃料電池１２で発電する電力を設定する。そして、ＰＣＳ２０は、設定した電力を得るために各々の燃料電池から出力すべき電流値、すなわち第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２で発電する各々の電力に対応した電流値を、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２毎に算出する。なお、以降では、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２で各々発電される電力の大きさを、「発電量」ということにする。
ＰＣＳ２０は、第１燃料電池１１で発電する電力に対応した電流値（以降、「第１電流値」という）を、第１燃料電池１１の発電量を制御する電流制御器３０Ａに通知する。また、ＰＣＳ２０は、第２燃料電池１２で発電する電力に対応した電流値（以降、「第２電流値」という）を、第２燃料電池１２の発電量を制御する電流制御器３０Ｂに通知する。
電流制御器３０Ａは、ＰＣＳ２０から第１電流値を受け付けると、第１燃料電池１１を制御して、第１燃料電池１１から出力される電流の大きさが第１電流値に近づくように制御する。この際、電流制御器３０Ａは、第１燃料電池１１の電流を制御する上で必要があれば、ブロワ２５及びポンプ３２等の燃料ガスの流量を調整する調整手段を制御してもよい。
同様に、電流制御器３０Ｂは、ＰＣＳ２０から第２電流値を受け付けると、第２燃料電池１２を制御して、第２燃料電池１２から出力される電流の大きさが第２電流値に近づくように制御する。この際、電流制御器３０Ｂは、電流制御器３０Ａと同様に、第２燃料電池１２の電流を制御する上で必要があれば、ブロワ２５及びポンプ３２等の調整手段を制御してもよい。
なお、電流制御器３０Ａ及び電流制御器３０Ｂが制御する調整手段は、ブロワ２５及びポンプ３２に限られない。例えば、ブロワ２５及びポンプ３２に換えて、又はブロワ２５及びポンプ３２に加えて空気供給経路４４を通過する空気の供給量を調整する図示しない空気ブロワ等を制御してもよい。
ここで、ＰＣＳ２０は出力制御装置の一例であり、電流制御器３０Ａは第１制御装置の一例であり、電流制御器３０Ｂは第２制御装置の一例である。
上記に説明したＰＣＳ２０及び電流制御器３０Ａ、３０Ｂによる燃料電池の出力の制御は、例えばコンピュータを用いて実現することができる。図３は、コンピュータ１００、２００Ａ、及び２００Ｂを用いて、それぞれ多段式燃料電池システム１０のＰＣＳ２０、及び電流制御器３０Ａ、３０Ｂの制御に関連する機能部を実現する場合の構成例を示す図である。
コンピュータ１００は、プログラムを処理するＣＰＵ(Central Processing Unit)１０２、ＣＰＵ１０２によるプログラムの実行時のワークエリア等として用いられるＲＡＭ(Random Access Memory)１０４、プログラムや各種パラメータ等が予め記憶されたＲＯＭ(Read Only Memory)１０６、コンピュータ１００とコンピュータ２００Ａ、２００Ｂ等の外部装置とを接続するインターフェースであるＩ／Ｏ１０８及び内部バス１１０を含む。
コンピュータ１００は、内部バス１１０に接続されたＣＰＵ１０２、ＲＡＭ１０４、ＲＯＭ１０６及びＩ／Ｏ１０８の間で各種データを転送して、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２の発電量を制御するＰＣＳ２０の制御機能を実現する。
また、Ｉ／Ｏ１０８は、第１外部バス１１２を介して、負荷４０に供給される電力の周波数を計測する周波数センサ２３、及びコンピュータ２００Ａ、２００Ｂと接続される。
コンピュータ２００Ａ、２００Ｂはそれぞれコンピュータ１００と同様に、ＣＰＵ２０２、ＲＡＭ２０４、ＲＯＭ２０６、Ｉ／Ｏ２０８、及び内部バス２１０を含み、内部バス２１０に接続されたＣＰＵ２０２、ＲＡＭ２０４、ＲＯＭ２０６、及びＩ／Ｏ２０８の間で各種データを転送して、電流制御器３０Ａ、３０Ｂの制御機能を実現する。
また、Ｉ／Ｏ２０８は、第２外部バス２１２を介して、例えば第１燃料電池１１、第２燃料電池１２、ブロワ２５及びポンプ３２と接続される。
なお、Ｉ／Ｏ１０８及びＩ／Ｏ２０８に接続される装置等は一例であり、図示しない他の装置等を接続してもよいことは言うまでもない。例えばＩ／Ｏ１０８及びＩ／Ｏ２０８の少なくとも一方に、インターネット又は専用回線等の通信回線に接続して、通信回線上の他の情報処理端末との間で通信を行う通信装置を接続してもよい。
また、例えばＩ／Ｏ１０８及びＩ／Ｏ２０８の少なくとも一方に、タッチパネル等の入力装置、或いは液晶ディスプレイ等の表示装置を接続してもよい。
次に、多段式燃料電池システム１０における燃料電池の出力制御について説明する。
図４は、ＰＣＳ２０に含まれるＣＰＵ１０２によって実行される多段式燃料電池制御プログラムに基づく多段式燃料電池制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。多段式燃料電池制御プログラムはＲＯＭ１０６に予め記憶されており、ＣＰＵ１０２は多段式燃料電池制御プログラムをＲＯＭ１０６から読み込んで実行する。なお、ＰＣＳ２０は、燃料電池で発電された電力を既に負荷４０に供給している状態であるものとする。
まず、ステップＳ１０において、ＰＣＳ２０は、周波数センサ２３で負荷４０に供給している電力の周波数を計測し、商用周波数（例えば５０Ｈｚ）に対する周波数のずれ、すなわち周波数の変動量を算出する。そして、ＰＣＳ２０は、算出した周波数の変動量から負荷４０の電力需要の増減量を算出し、負荷４０に供給している現在の電力の大きさと、負荷４０の電力需要の増減量とから、負荷４０の電力需要を取得する。ＰＣＳ２０は、取得した負荷４０の電力需要を例えばＲＡＭ１０４に記憶する。
周波数の変動量と負荷４０の電力需要の増減量との対応関係は、例えば多段式燃料電池システム１０の実機による実験や多段式燃料電池システム１０の設計仕様に基づくコンピュータシミュレーション等により予め求められ、例えばＲＯＭ１０６の予め定めた領域に記憶しておけばよい。
なお、ここでは一例として、負荷４０に供給する電力の周波数を計測して負荷４０の電力需要を取得したが、他の手法を用いて負荷４０の電力需要を取得するようにしてもよい。例えば、ＰＣＳ２０から供給される電力、及び電気事業者から供給される商用電力を受電して負荷４０に電力を配電する受電盤５０に設置された電力計で計測された負荷４０の消費電力を、負荷４０の電力需要として取得するようにしてもよい。
ステップＳ２０において、ＰＣＳ２０は、燃料電池における電圧と電流との関係を予め規定した電流電圧特性を参照して、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２での各々の発電量の合計が、ステップＳ１０で取得した負荷４０の電力需要に近づくように、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２から各々出力される電流の大きさを決定する。
この際、ＰＣＳ２０は、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２から各々出力される電流の大きさ、すなわち第１電流値及び第２電流値が同じになるように、第１電流値及び第２電流値を設定する。
なお、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２での各々の発電量の合計が、ステップＳ１０で取得した負荷４０の電力需要に近づくと共に、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２から各々出力される電流の大きさが同じになるように、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２の電圧を調整するようにしてもよいが、以降では電流を調整する例について説明する。
図５は、燃料電池における電流電圧特性６０の一例を示す図である。図５に示す電流電圧特性６０の縦軸は電圧、横軸は電流を示しており、燃料電池における電流電圧特性６０は、燃料電池から出力される電流値の変化に伴って、燃料電池から出力される電圧値も変化する傾向が見られる。そして、燃料電池の電流電圧特性６０は、例えば燃料電池で用いられる電解質の特性等の相違によって異なる。
したがって、ＰＣＳ２０は、第１燃料電池１１及び第２燃料電池のそれぞれに対して予め規定された電流電圧特性６０を参照して、第１電流値及び第２電流値を同じにするという条件の下で、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２での各々の発電量の合計が、ステップＳ１０で取得した負荷４０の電力需要に近づくように第１電流値及び第２電流値を設定する。
なお、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２の電流電圧特性６０は、例えば第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２の実物を用いた実験や、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２の設計仕様に基づくコンピュータシミュレーション等により予め求められ、例えばＲＯＭ１０６の予め定めた領域に記憶しておけばよい。
ステップＳ３０において、ＰＣＳ２０は、Ｉ／Ｏ１０８を介して電流制御器３０ＡにステップＳ２０で設定した第１電流値を通知すると共に、電流制御器３０ＢにステップＳ２０で設定した第２電流値を通知する。
以上により、図４に示した多段式燃料電池制御処理を終了する。
一方、図６は、電流制御器３０Ａ、３０Ｂに含まれるＣＰＵ２０２によって実行される燃料電池制御プログラムに基づく燃料電池制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。燃料電池制御プログラムはＲＯＭ２０６に予め記憶されており、ＣＰＵ２０２は燃料電池制御プログラムをＲＯＭ２０６から読み込んで実行する。
なお、電流制御器３０Ａは第１燃料電池１１を制御し、電流制御器３０Ｂは第２燃料電池１２を制御する以外の点については電流制御器３０Ａ及び電流制御器３０Ｂで実行される処理に相違はないため、ここでは電流制御器３０Ａを例にして、燃料電池制御処理を説明する。
ステップＳ５００において、電流制御器３０Ａは、ＰＣＳ２０から電流値（この場合、第１電流値）を受信したか否か判定する。ステップＳ５００の判定処理が否定判定の場合には、ＰＣＳ２０から第１電流値を受信するまで、ステップＳ５００の処理を繰り返し実行する。一方、ステップＳ５００の判定処理が肯定判定の場合には、ステップＳ５１０に移行する。
ステップＳ５１０において、電流制御器３０Ａは、第１燃料電池１１から出力される電流の大きさがステップＳ５００で受信した第１電流値に近づくように第１燃料電池１１を制御する。
この際、電流制御器３０Ａは、図示しない電流計で電流の大きさを計測しながら、第１燃料電池１１から出力される電流の大きさを第１電流値に近づけるようにしてもよい。
以上の処理により、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２における発電量の合計が負荷４０の電力需要に近づくように制御されることになる。
なお、第１実施形態に示すように、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２の発電量を個別に制御しながらも、第１電流値及び第２電流値の電流値比率を変化させない制御方法を「一律調整」と呼ぶことがある。
このように第１実施形態に係る多段式燃料電池システム１０では、負荷４０の電力需要に応じて、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２の発電量を個別に制御することから、第１燃料電池１１又は第２燃料電池１２が故障した場合、故障していない方の燃料電池で、燃料電池の定格出力を超えない範囲で負荷４０の電力需要を分担するように発電させる制御を行うことができる。したがって、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２の何れか一方の発電量しか制御しない場合と比較して、負荷４０に電力を安定供給することができる。
また、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２の電流値比率を１：１にした場合、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２の温度が均一になり易くなり、劣化度合いが同じ傾向を示すようになるため、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２の寿命が予測しやすくなり、多段式燃料電池システム１０のメンテナンス性が向上する。
なお、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２の電流値比率を１：１とは異なる比率に設定してもよい。例えば第１燃料電池１１より第２燃料電池１２の電圧が高い場合には、第２燃料電池１２の電流値を第１燃料電池１１の電流値より大きく設定した電流値比率を用いることで、多段式燃料電池システム１０の発電効率を高めることができる。
＜第２実施形態＞
第１実施形態では、負荷４０の電力需要に応じて第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２の発電量を制御する多段式燃料電池システム１０について説明したが、第２実施形態では、後段の燃料電池の一例である第２燃料電池１２の発電量を予め定めた値に設定したまま、前段の燃料電池の一例である第１燃料電池１１の発電量を制御することで、負荷４０の電力需要に応じた電力を供給する多段式燃料電池システム１０Ａについて説明する。
多段式燃料電池システム１０Ａの概略構成は、図１に示した多段式燃料電池システム１０の概略構成と同じであり、多段式燃料電池システム１０Ａの制御系統は、図２に示した多段式燃料電池システム１０の制御系統と同じである。更に、多段式燃料電池システム１０Ａは、図３に示したコンピュータ１００、２００Ａ、及び２００Ｂを用いて、それぞれ多段式燃料電池システム１０ＡのＰＣＳ２０、及び電流制御器３０Ａ、３０Ｂの制御に関連する機能部を実現することができる。
以下に、多段式燃料電池システム１０Ａにおける燃料電池の出力制御について説明する。
図７は、多段式燃料電池システム１０ＡのＰＣＳ２０に含まれるＣＰＵ１０２によって実行される多段式燃料電池制御プログラムに基づく多段式燃料電池制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。多段式燃料電池制御プログラムはＲＯＭ１０６に予め記憶されており、ＣＰＵ１０２は多段式燃料電池制御プログラムをＲＯＭ１０６から読み込んで実行する。なお、ＰＣＳ２０は、燃料電池で発電された電力を既に負荷４０に供給している状態であり、特に第２燃料電池１２の発電量は予め定めた値に設定されているものとする。なお、この予め定めた発電量の値は、負荷４０の大きさによって変動させてもよい。
まず、ステップＳ１０において、ＰＣＳ２０は、図４に示したステップＳ１０と同様の処理を実行し、負荷４０の電力需要を取得する。
ステップＳ２１において、ＰＣＳ２０は、ステップＳ１０で取得した負荷４０の電力需要及び予め定めた第２燃料電池１２の発電量から、第１燃料電池１１で発電する電力を決定する。多段式燃料電池システム１０Ａでは第２燃料電池１２の発電量が予め設定されており、第２燃料電池１２の発電量を変動させないように制御している。
ここで、第２燃料電池１２の発電量が予め設定されているとは、第２燃料電池１２の発電量が１つの発電量に固定されている状況だけでなく、例えば負荷４０の電力需要に応じて変動する発電量等、なんらかの発電量が設定されている状況をいう。
したがって、ＰＣＳ２０は、ステップＳ１０で取得した負荷４０の電力需要から予め定めた第２燃料電池１２の発電量を差し引いた電力を第１燃料電池１１で発電させるように制御すれば、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２における発電量の合計が負荷４０の電力需要に一致することになる。
ステップＳ３１において、ＰＣＳ２０は、第１燃料電池１１に対して予め規定した電流電圧特性６０を参照して、電圧と電流の積がステップＳ２１で決定した第１燃料電池１１で発電させる電力になるような電流を第１電流値として設定する。
ステップＳ４１において、ＰＣＳ２０は、Ｉ／Ｏ１０８を介して電流制御器３０ＡにステップＳ３１で設定した第１電流値を通知する。
以降は電流制御器３０Ａにおいて、図６に示した燃料電池制御処理が実行され、第１燃料電池１１から出力される電流の大きさが第１電流値に近づくように制御される。したがって、多段式燃料電池システム１０Ａから負荷４０の電力需要に応じた電力が供給されることになる。
既に説明したように、多段式燃料電池システム１０Ａでは第２燃料電池１２の発電量が予め定めた値、例えば第２燃料電池１２の定格出力になるように制御している。具体的には、ＰＣＳ２０が、第２燃料電池１２の発電量が予め定めた値となるように第２燃料電池１２に対応する電流電圧特性６０を参照して設定した第２電流値を、電流制御器３０Ｂに通知する。なお、多段式燃料電池システム１０Ａでは第２電流値を変動させないため、電流制御器３０Ｂへの第２電流値の通知は発電開始時に１回行えば十分である。
なお、第２実施形態に示すように、第２燃料電池１２の発電量を予め定めた値に設定したまま前段の燃料電池に相当する第１燃料電池１１の発電量を制御する制御方法を「前段調整」と呼ぶことがある。
このように第２実施形態に係る多段式燃料電池システム１０Ａでは、第２燃料電池１２の発電量を予め定めた値に設定したまま第１燃料電池１１の発電量を制御するため、第１燃料電池１１から出力される電流の変動量に比べて第２燃料電池１２から出力される電流の変動量は少なくなる。燃料電池の劣化は、燃料電池から出力される電流の変動度合いが大きくなるにつれて進むこともあるため、第２燃料電池１２の発電量を変動させるような制御を行う場合に比べて、第２燃料電池１２の劣化を抑制することができる。
また、燃料電池の定格出力は、例えば発電セルの直列接続数によって決定されるため、第１燃料電池１１の定格出力と第２燃料電池１２の定格出力とを比べた際に、仮に第１燃料電池１１の定格出力が第２燃料電池１２の定格出力より大きい場合、第１燃料電池１１には、第２燃料電池１２に含まれる発電セルより多くの発電セルが含まれていると考えることができる。すなわち第１燃料電池１１の方が、第２燃料電池１２より少ない電流の変化量で同じ電力量を変動させることができる。
＜第３実施形態＞
第２実施形態では、第１燃料電池１１に対応した電流電圧特性６０を参照して、負荷４０の電力需要に応じた第１電流値を設定した。
しかしながら、図８に示すように、燃料電池の劣化が進むにつれて電流電圧特性６０は、電流電圧特性６０→電流電圧特性６０Ａ→電流電圧特性６０Ｂのように変化する。したがって、予め規定した燃料電池の電流電圧特性６０と、電流を制御する際の燃料電池における実際の電流電圧特性とは異なる場合が多い。
そこで、第３実施形態では、予め規定した燃料電池の電流電圧特性６０を用いることなく、第２燃料電池１２の発電量を予め定めた値に設定したまま第１燃料電池１１の発電量を制御することで、負荷４０の電力需要に応じた電力を供給する多段式燃料電池システム１０Ｂについて説明する。
多段式燃料電池システム１０Ｂの概略構成は、図１に示した多段式燃料電池システム１０の概略構成と同じであり、多段式燃料電池システム１０Ｂの制御系統は、図２に示した多段式燃料電池システム１０の制御系統と同じである。
また、多段式燃料電池システム１０ＢのＰＣＳ２０及び電流制御器３０Ａ、３０Ｂによる燃料電池の出力の制御は、例えば図９に示すコンピュータ構成を用いて実現することができる。図９に示す構成が図３に示した構成と異なる点は、第２外部バス２１２に電流計２７Ａ、２７Ｂ及び電圧計２９Ａ、２９Ｂが接続された点であり、その他の構成については図３と同じ構成を備える。
ここで、電流計２７Ａは、第１燃料電池１１から出力される電流の大きさを計測し、電流計２７Ｂは、第２燃料電池１２から出力される電流の大きさを計測する。また、電圧計２９Ａは、第１燃料電池１１から出力される電圧の大きさを計測し、電圧計２９Ｂは、第２燃料電池１２から出力される電圧の大きさを計測する。
以下に、多段式燃料電池システム１０Ｂにおける燃料電池の出力制御について説明する。
図１０は、多段式燃料電池システム１０ＢのＰＣＳ２０に含まれるＣＰＵ１０２によって実行される多段式燃料電池制御プログラムに基づく多段式燃料電池制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。多段式燃料電池制御プログラムはＲＯＭ１０６に予め記憶されており、ＣＰＵ１０２は多段式燃料電池制御プログラムをＲＯＭ１０６から読み込んで実行する。なお、ＰＣＳ２０は、燃料電池で発電された電力を既に負荷４０に供給している状態であり、特に第２燃料電池１２の発電量は予め定めた値に設定されているものとする。なお、この予め定めた発電量の値は、負荷４０の大きさによって変動させてもよい。
まず、ステップＳ１０において、ＰＣＳ２０は、図４のステップＳ１０で説明した処理を実行し、負荷４０の電力需要を取得する。
ステップＳ２１において、ＰＣＳ２０は、電流制御器３０Ｂに対して、第２燃料電池１２から出力される電圧値及び電流値を計測し、計測結果をＰＣＳ２０に通知するように制御する。当該制御を受け付けた電流制御器３０Ｂは、電流計２７Ｂで第２燃料電池１２から出力される電流値を計測すると共に、電圧計２９Ｂで第２燃料電池１２から出力される電圧値を計測して、計測した電圧値及び電流値をＰＣＳ２０に通知する。
ＰＣＳ２０は、電流制御器３０Ｂから通知された電圧値及び電流値を用いて、第２燃料電池１２の発電量を算出する。
ステップＳ２２において、ＰＣＳ２０は、ステップＳ１０で取得した負荷４０の電力需要からステップＳ２１で算出した第２燃料電池１２の発電量を差し引いて、負荷４０の電力需要に対する不足電力量、すなわち第１燃料電池１１で発電すべき目標電力量を算出する。なお、第２燃料電池１２の発電量は予想される負荷４０の電力需要よりも少なくなるように予め設定されているため、目標電力量は正値となる。
ステップＳ２３において、ＰＣＳ２０は、初めてステップＳ２３を実行する場合、例えば初期値として予め定めた電流値を第１電流値として電流制御器３０Ａに通知する。２回目以降のステップＳ２３では、ＰＣＳ２０は、直前に電流制御器３０Ａに通知した第１電流値から変動させた電流値を新たな第１電流値として、電流制御器３０Ａに通知する。なお、第１電流値の変動方法に関しては後述する。
ステップＳ２４において、ＰＣＳ２０は、電流制御器３０Ａに対して、第１燃料電池１１から出力される電圧値及び電流値を計測させ、計測結果をＰＣＳ２０に通知するように制御する。当該制御を受け付けた電流制御器３０Ａは、電流計２７Ａで第１燃料電池１１から出力される電流値を計測すると共に、電圧計２９Ａで第１燃料電池１１から出力される電圧値を計測し、計測した電圧値及び電流値をＰＣＳ２０に通知する。したがって、ＰＣＳ２０は、第１燃料電池１１の電圧値及び電流値を取得することができる。
ステップＳ２５において、ＰＣＳ２０は、ステップＳ２４で取得した電圧値及び電流値を用いて、第１燃料電池１１の発電量を算出する。
ステップＳ２６において、ＰＣＳ２０は、ステップＳ２５で算出した第１燃料電池１１の発電量が、ステップＳ２２で算出した目標電力量と一致するか否かを判定する。ここで、第１燃料電池１１の発電量が目標電力量と一致するとは、第１燃料電池１１の発電量と目標電力量とが同じ値になる場合だけでなく、第１燃料電池１１の発電量と目標電力量との差分の絶対値が、第１燃料電池１１の発電量と目標電力量とが同じ値であるとみなすことができるような予め定めた範囲に含まれる場合も含まれる。
ステップＳ２６の判定処理が否定判定の場合には、第１燃料電池１１の発電量と第２燃料電池１２の発電量の合計が負荷４０の電力需要に一致していない状態にあることを示しているため、ステップＳ２３に移行し、第１燃料電池１１の発電量と第２燃料電池１２の発電量の合計が負荷４０の電力需要に一致するように調整した新たな第１電流値を電流制御器３０Ａに通知する。
具体的には、第１燃料電池１１の発電量が目標電力量より大きい場合には、第１燃料電池１１の発電量を低下させるように調整した電流値を新たな第１電流値とし、第１燃料電池１１の発電量が目標電力量より小さい場合には、第１燃料電池１１の発電量を上昇させるように調整した電流値を新たな第１電流値とすればよい。
ステップＳ２３〜Ｓ２６の処理を繰り返して、第１燃料電池１１の発電量が目標電力量に一致した場合、ステップＳ２６の判定処理が肯定判定となり、図１０に示した多段式燃料電池制御処理を終了する。
すなわち、図１０に示した多段式燃料電池制御処理が終了することにより、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２における発電量の合計が負荷４０の電力需要に近づくように制御されることになる。
なお、図１０に示した多段式燃料電池制御処理も、第２実施形態に係る多段式燃料電池制御処理と同様に、第２燃料電池１２の発電量を予め定めた値に設定したまま前段の燃料電池に相当する第１燃料電池１１の発電量を制御することから、「前段調整」の一例となる。
図１０に示した多段式燃料電池制御処理では、ステップＳ２１において、第２燃料電池１２の電圧値及び電流値を計測して第２燃料電池１２の発電量を算出したが、ＰＣＳ２０は、例えばＲＯＭ１０６に記憶した第２燃料電池１２に対応する電流電圧特性６０を参照して、設定している第２電流値から第２燃料電池１２の発電量を算出するようにしてもよい。この場合、第２燃料電池１２の電圧値及び電流値を計測する電圧計２９Ｂ及び電流計２７Ｂが不要となる。また、第２燃料電池１２の電圧値及び電流値を計測して第２燃料電池１２の発電量を算出する場合と比較して、多段式燃料電池制御処理に要する時間を短縮することができる。
このように第３実施形態に係る多段式燃料電池システム１０Ｂでは、第２燃料電池１２の発電量を固定したまま、第１燃料電池１１の発電量を計測しながら第１電流値を可変させることで、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２における発電量の合計が負荷４０の電力需要に近づくように制御する。
多段式燃料電池システム１０Ｂでは、第１燃料電池１１の実際の発電量に基づいて第１電流値を制御するため、予め規定した電流電圧特性６０に基づいて第１電流値を制御する場合と比較して、負荷４０の電力需要に応じた電力を精度よく供給することができる。すなわち、多段式燃料電池システム１０Ｂは、第２燃料電池１２の劣化を抑制しつつ、燃料電池の劣化状態に関わらず、負荷４０の電力需要に一致した電力を供給することができる。
＜第４実施形態＞
第２実施形態では、第２燃料電池１２の発電量を予め定めた値に設定したまま第１燃料電池１１の発電量を制御することで、負荷４０の電力需要に応じた電力を供給する多段式燃料電池システム１０Ａについて説明したが、第４実施形態では、前段の燃料電池の一例である第１燃料電池１１の発電量を予め定めた値に設定したまま、後段の燃料電池の一例である第２燃料電池１２の発電量を制御することで、負荷４０の電力需要に応じた電力を供給する多段式燃料電池システム１０Ｃについて説明する。
ここで、第１燃料電池１２の発電量が予め定めた値に設定されているとは、第１燃料電池１２の発電量が１つの発電量に固定されている状況だけでなく、例えば負荷４０の電力需要に応じて変動する発電量等、なんらかの発電量が設定されている状況をいう。
多段式燃料電池システム１０Ｃの概略構成は、図１に示した多段式燃料電池システム１０の概略構成と同じであり、多段式燃料電池システム１０Ｃの制御系統は、図２に示した多段式燃料電池システム１０の制御系統と同じである。更に、多段式燃料電池システム１０Ｃは、図３に示したコンピュータ１００、２００Ａ、及び２００Ｂを用いて、それぞれ多段式燃料電池システム１０ＣのＰＣＳ２０、及び電流制御器３０Ａ、３０Ｂの制御に関連する機能部を実現することができる。
以下に、多段式燃料電池システム１０Ｃにおける燃料電池の出力制御について説明する。
図１１は、多段式燃料電池システム１０ＣのＰＣＳ２０に含まれるＣＰＵ１０２によって実行される多段式燃料電池制御プログラムに基づく多段式燃料電池制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。多段式燃料電池制御プログラムはＲＯＭ１０６に予め記憶されており、ＣＰＵ１０２は多段式燃料電池制御プログラムをＲＯＭ１０６から読み込んで実行する。なお、ＰＣＳ２０は、燃料電池で発電された電力を既に負荷４０に供給している状態であり、特に第１燃料電池１１の発電量は予め定めた値に設定されているものとする。なお、この予め定めた発電量の値は、負荷４０の大きさによって変動させてもよい。
まず、ステップＳ１０において、ＰＣＳ２０は、図４のステップＳ１０で説明した処理を実行し、負荷４０の電力需要を取得する。
ステップＳ２１Ａにおいて、ＰＣＳ２０は、ステップＳ１０で取得した負荷４０の電力需要及び第１燃料電池１１の発電量から、第２燃料電池１２で発電する電力を決定する。多段式燃料電池システム１０Ｃでは第１燃料電池１１の発電量が予め設定されており、第１燃料電池１１の発電量を変動させないように制御している。したがって、ＰＣＳ２０は、ステップＳ１０で取得した負荷４０の電力需要から予め定めた第１燃料電池１１の発電量を差し引いた電力を第２燃料電池１２で発電させるように制御すれば、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２における発電量の合計が負荷４０の電力需要に一致することになる。
ステップＳ３１Ａにおいて、ＰＣＳ２０は、第２燃料電池１２に対して予め規定した電流電圧特性６０を参照して、電圧と電流の積がステップＳ２１Ａで決定した第２燃料電池１２で発電させる電力になるような電流を第２電流値として設定する。
ステップＳ４１Ａにおいて、ＰＣＳ２０は、Ｉ／Ｏ１０８を介して電流制御器３０ＢにステップＳ３１Ａで設定した第２電流値を通知する。
以降は電流制御器３０Ｂにおいて、図６に示した燃料電池制御処理が実行され、第２燃料電池１２から出力される電流の大きさが第２電流値に近づくように制御される。したがって、多段式燃料電池システム１０Ｃから負荷４０の電力需要に応じた電力が供給されることになる。
なお、第４実施形態に示すように、第１燃料電池１１の発電量を予め定めた値に設定したまま後段の燃料電池に相当する第２燃料電池１２の発電量を制御する制御方法を「後段調整」と呼ぶことがある。
既に説明したように、多段式燃料電池システム１０Ｃでは第１燃料電池１１の発電量が予め定めた値、例えば第１燃料電池１１の定格出力になるように制御している。具体的には、ＰＣＳ２０が、第１燃料電池１１の発電量が予め定めた値となるように第１燃料電池１１に対応する電流電圧特性６０を参照して設定した第１電流値を、電流制御器３０Ａに通知する。なお、多段式燃料電池システム１０Ｃでは第１電流値を変動させないため、電流制御器３０Ａへの第１電流値の通知は発電開始時に１回行えば十分である。
このように第４実施形態に係る多段式燃料電池システム１０Ｃでは、第１燃料電池１１の発電量を予め定めた値に設定したまま第２燃料電池１２の発電量を制御するため、第２燃料電池１２から出力される電流の変動量に比べて第１燃料電池１１から出力される電流の変動量は少なくなる。したがって、第１燃料電池１１の発電量を変動させるような制御を行う場合に比べて、第１燃料電池１１の劣化を抑制することができる。
また、多段式燃料電池システム１０Ｃでは、第１燃料電池１１の発電量を予め定めた値に設定することから、第１燃料電池１１の発電量を変動させる場合と比較して、第１燃料電池１１から排出されるオフガス流量のばらつき及びオフガスの組成のばらつきが少なくなる。したがって、第１燃料電池１１の発電量を変動させる場合と比較して、例えば水蒸気分離膜１６、第１熱交換器２１、オフガス経路５２、及び再生燃料ガス経路５４といった再生燃料ガスの生成に関連する設備の劣化が抑制される。
また、第１燃料電池１１の定格出力と第２燃料電池１２の定格出力とを比べた際に、仮に第２燃料電池１２の定格出力が第１燃料電池１１の定格出力より大きい場合、第２燃料電池１２には、第１燃料電池１１に含まれる発電セルより多くの発電セルが含まれていると考えることができる。すなわち、第２燃料電池１２の方が、第１燃料電池１１より少ない電流の変化量で同じ電力量だけ変動させることができる。
したがって、第２燃料電池１２の定格出力が第１燃料電池１１の定格出力より大きい場合には、図１１に示した第４実施形態に係る多段式燃料電池制御処理を実行することにより、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２から出力される電流を共に変動させる場合に比べて、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２の劣化を抑制することができる。
＜第５実施形態＞
第４実施形態では、第２燃料電池１２に対応した電流電圧特性６０を参照して、負荷４０の電力需要に応じた第２電流値を設定した。
しかしながら、第３実施形態で既に説明したように、燃料電池の劣化が進むにつれて電流電圧特性６０は変化する。
そこで、第５実施形態では、予め規定した燃料電池の電流電圧特性６０を用いることなく、第１燃料電池１１の発電量を予め定めた値に設定したまま第２燃料電池１２の発電量を制御することで、負荷４０の電力需要に応じた電力を供給する多段式燃料電池システム１０Ｄについて説明する。
多段式燃料電池システム１０Ｄの概略構成は、図１に示した多段式燃料電池システム１０の概略構成と同じであり、多段式燃料電池システム１０Ｄの制御系統は、図２に示した多段式燃料電池システム１０の制御系統と同じである。
更に、多段式燃料電池システム１０Ｄは、図９に示したコンピュータ１００、２００Ａ、及び２００Ｂを用いて、それぞれ多段式燃料電池システム１０ＤのＰＣＳ２０、及び電流制御器３０Ａ、３０Ｂの制御に関連する機能部を実現することができる。
以下に、多段式燃料電池システム１０Ｄにおける燃料電池の出力制御について説明する。
図１２は、多段式燃料電池システム１０ＤのＰＣＳ２０に含まれるＣＰＵ１０２によって実行される多段式燃料電池制御プログラムに基づく多段式燃料電池制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。多段式燃料電池制御プログラムはＲＯＭ１０６に予め記憶されており、ＣＰＵ１０２は多段式燃料電池制御プログラムをＲＯＭ１０６から読み込んで実行する。なお、ＰＣＳ２０は、燃料電池で発電された電力を既に負荷４０に供給している状態であり、特に第１燃料電池１１の発電量は予め定めた値に設定されているものとする。なお、この予め定めた発電量の値は、負荷４０の大きさによって変動させてもよい。
まず、ステップＳ１０において、ＰＣＳ２０は、図４のステップＳ１０で説明した処理を実行し、負荷４０の電力需要を取得する。
ステップＳ２１Ｂにおいて、ＰＣＳ２０は、電流制御器３０Ａに対して、第１燃料電池１１から出力される電圧値及び電流値を計測し、計測結果をＰＣＳ２０に通知するように制御する。当該制御を受け付けた電流制御器３０Ａは、電流計２７Ａで第１燃料電池１１から出力される電流値を計測すると共に、電圧計２９Ａで第１燃料電池１１から出力される電圧値を計測して、計測した電圧値及び電流値をＰＣＳ２０に通知する。
ＰＣＳ２０は、電流制御器３０Ａから通知された電圧値及び電流値を用いて、第１燃料電池１１の発電量を算出する。
ステップＳ２２Ｂにおいて、ＰＣＳ２０は、ステップＳ１０で取得した負荷４０の電力需要からステップＳ２１Ｂで算出した第１燃料電池１１の発電量を差し引いて、負荷４０の電力需要に対する不足電力量、すなわち第２燃料電池１２で発電すべき目標電力量を算出する。なお、第１燃料電池１１の発電量は予想される負荷４０の電力需要よりも少なくなるように予め設定されているため、目標電力量は正値となる。
ステップＳ２３Ｂにおいて、ＰＣＳ２０は、初めてステップＳ２３Ｂを実行する場合、例えば初期値として予め定めた電流値を第２電流値として電流制御器３０Ｂに通知する。２回目以降のステップＳ２３Ｂでは、ＰＣＳ２０は、直前に電流制御器３０Ｂに通知した第２電流値から変動させた電流値を新たな第２電流値として、電流制御器３０Ｂに通知する。なお、第２電流値の変動方法に関しては後述する。
ステップＳ２４Ｂにおいて、ＰＣＳ２０は、電流制御器３０Ｂに対して、第２燃料電池１２から出力される電圧値及び電流値を計測させ、計測結果をＰＣＳ２０に通知するように制御する。当該制御を受け付けた電流制御器３０Ｂは、電流計２７Ｂで第２燃料電池１２から出力される電流値を計測すると共に、電圧計２９Ｂで第２燃料電池１２から出力される電圧値を計測し、計測した電圧値及び電流値をＰＣＳ２０に通知する。したがって、ＰＣＳ２０は、第２燃料電池１２の電圧値及び電流値を取得することができる。
ステップＳ２５Ｂにおいて、ＰＣＳ２０は、ステップＳ２４Ｂで取得した電圧値及び電流値を用いて、第２燃料電池１２の発電量を算出する。
ステップＳ２６Ｂにおいて、ＰＣＳ２０は、ステップＳ２５Ｂで算出した第２燃料電池１２の発電量が、ステップＳ２２Ｂで算出した目標電力量と一致するか否かを判定する。
ステップＳ２６Ｂの判定処理が否定判定の場合には、第１燃料電池１１の発電量と第２燃料電池１２の発電量の合計が負荷４０の電力需要に一致していない状態にあることを示しているため、ステップＳ２３Ｂに移行し、第１燃料電池１１の発電量と第２燃料電池１２の発電量の合計が負荷４０の電力需要に一致するように調整した新たな第２電流値を電流制御器３０Ｂに通知する。なお、ステップＳ２３Ｂにおける第２電流値の調整方法は、図１０のステップＳ２３における第１電流値の調整方法と同じ方法を用いることができる。
ステップＳ２３Ｂ〜Ｓ２６Ｂの処理を繰り返して、第２燃料電池１２の発電量が目標電力量に一致した場合、ステップＳ２６Ｂの判定処理が肯定判定となり、図１２に示した多段式燃料電池制御処理を終了する。
すなわち、図１２に示した多段式燃料電池制御処理が終了することにより、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２における発電量の合計が負荷４０の電力需要に近づくように制御されることになる。
なお、図１２に示した多段式燃料電池制御処理も、第４実施形態に係る多段式燃料電池制御処理と同様に、第１燃料電池１１の発電量を予め定めた値に設定したまま後段の燃料電池に相当する第２燃料電池１２の発電量を制御することから、「後段調整」の一例となる。
図１２に示した多段式燃料電池制御処理では、ステップＳ２１Ｂにおいて、第１燃料電池１１の電圧値及び電流値を計測して第１燃料電池１１の発電量を算出したが、ＰＣＳ２０は、例えばＲＯＭ１０６に記憶した第１燃料電池１１に対応する電流電圧特性６０を参照して、設定している第１電流値から第１燃料電池１１の発電量を算出するようにしてもよい。この場合、第１燃料電池１１の電圧値及び電流値を計測する電圧計２９Ａ及び電流計２７Ａが不要となる。また、第１燃料電池１１の電圧値及び電流値を計測して第１燃料電池１１の発電量を算出する場合と比較して、多段式燃料電池制御処理に要する時間を短縮することができる。
このように第５実施形態に係る多段式燃料電池システム１０Ｄでは、第１燃料電池１１の発電量を固定したまま、第２燃料電池１２の発電量を計測しながら第２電流値を可変させることで、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２における発電量の合計が負荷４０の電力需要に近づくように制御する。
第２燃料電池１２の実際の発電量に基づいて第２電流値を制御するため、予め規定した電流電圧特性６０に基づいて第２電流値を制御する場合と比較して、負荷４０の電力需要に応じた電力を精度よく供給することができる。すなわち、多段式燃料電池システム１０Ｄは、第１燃料電池１１の劣化を抑制しつつ、燃料電池の劣化状態に関わらず、負荷４０の電力需要に一致した電力を供給することができる。
＜第６実施形態＞
第１実施形態〜第５実施形態に係る多段式燃料電池システム１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ及び１０Ｄの制御系統は、図２に示したように、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２に対して、それぞれ発電量を制御する電流制御器３０Ａ及び電流制御器３０Ｂが存在し、個別に制御を行っていた。
しかし、第６実施形態に係る多段式燃料電池システム１０Ｅの制御系統は、図１３に示すように、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２を直列に接続し、直列に接続された第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２の各々の出力端がＰＣＳ２０に接続される。そして、これまで第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２をそれぞれ個別に制御していた電流制御器３０Ａ及び電流制御器３０Ｂを１つの電流制御器３０に統合し、電流制御器３０で第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２の発電量を制御する。
図１４に、多段式燃料電池システム１０Ｅをコンピュータで構成する場合の構成例を示す。
ここで、コンピュータ２００は、図３の第１実施形態に係る多段式燃料電池システム１０を構成するコンピュータ２００Ａ及びコンピュータ２００Ｂを、１つのコンピュータに統合したものである。
図１５は、多段式燃料電池システム１０ＥのＰＣＳ２０に含まれるＣＰＵ１０２によって実行される多段式燃料電池制御プログラムに基づく多段式燃料電池制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。ＣＰＵ１０２は多段式燃料電池制御プログラムをＲＯＭ１０６から読み込んで実行する。
まず、ステップＳ１０において、ＰＣＳ２０は、図４に示したステップＳ１０と同様の処理を実行し、負荷４０の電力需要を取得する。
ステップＳ２０において、ＰＣＳ２０は、電流電圧特性６０を参照して、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２での各々の発電量の合計が、ステップＳ１０で取得した負荷４０の電力需要に近づくように、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２の電流値を決定する。
ステップＳ３０Ａにおいて、ＰＣＳ２０は、Ｉ／Ｏ１０８を介して電流制御器３０にステップＳ２０で設定した電流値を通知する。
ＰＣＳ２０から電流値を受け付けた電流制御器３０は、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２の出力電流の大きさが、受け付けた電流値に近づくように第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２の出力電流を制御する。
なお、ここでは第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２の電流値を制御する例を示したが、図４のステップＳ２０で電力需要に近づくように第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２の電圧値を決定し、決定した電圧値に近づくように第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２の電圧値を制御するようにしてもよい。
更に、多段式燃料電池システム１０Ｅは、ステップＳ２０において電流電圧特性６０を参照することなく、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２の電流値及び電圧値を実際に計測して、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２の発電量を算出しながら、算出した発電量の合計が電力負荷に近づくように、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２の少なくとも一方の出力を制御してもよい。
このように第６実施形態に係る多段式燃料電池システム１０Ｅでは、１つの電流制御器３０で、直列に接続した第１燃料電池１１と第２燃料電池の発電量を制御する。
電力需要の変動が少ない場合、複数の電流制御器を備えて個別に第１燃料電池１１と第２燃料電池の発電量を制御するより、第１燃料電池１１と第２燃料電池を直列に接続して、１つの電流制御器３０で第１燃料電池１１と第２燃料電池の発電量を制御した方が制御が簡単になり、かつ、電流制御器を複数備える必要もなくなるため、多段式燃料電池システム１０Ｅのコストが削減できる。
＜第７実施形態＞
第１実施形態〜第６実施形態では、一律調整、前段調整、及び後段調整のうち、いずれか１つの制御方法を用いて燃料電池の発電量を制御する多段式燃料電池システム１０、１０Ａ〜１０Ｄについて説明したが、第７実施形態では、一律調整、前段調整、及び後段調整を組み合わせて燃料電池の発電量を制御する多段式燃料電池システム１０Ｆについて説明する。
多段式燃料電池システム１０Ｆの概略構成は、図１に示した多段式燃料電池システム１０の概略構成と同じであり、多段式燃料電池システム１０Ｆの制御系統は、図２に示した多段式燃料電池システム１０の制御系統と同じである。
更に、多段式燃料電池システム１０Ｆは、図９に示したコンピュータ１００、２００Ａ、及び２００Ｂを用いて、それぞれ多段式燃料電池システム１０ＦのＰＣＳ２０、及び電流制御器３０Ａ、３０Ｂの制御に関連する機能部を実現することができる。
なお、ここでは、第１燃料電池１１の定格出力が第２燃料電池１２の定格出力より大きいものとして説明を行う。
以下に、多段式燃料電池システム１０Ｆにおける燃料電池の出力制御について説明する。
図１６は、多段式燃料電池システム１０ＦのＰＣＳ２０に含まれるＣＰＵ１０２によって実行される多段式燃料電池制御プログラムに基づく多段式燃料電池制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。多段式燃料電池制御プログラムはＲＯＭ１０６に予め記憶されており、ＣＰＵ１０２は多段式燃料電池制御プログラムをＲＯＭ１０６から読み込んで実行する。なお、ＰＣＳ２０は、燃料電池で発電された電力を既に負荷４０に供給している状態であるものとする。
まず、ステップＳ１００において、ＰＣＳ２０は、図４のステップＳ１０で説明した処理と同様の処理を実行し、負荷４０の電力需要を取得する。この際、ＰＣＳ２０は、取得した負荷４０の電力需要を、時系列に沿ってＲＡＭ１０４に記憶する。
ステップＳ１１０において、ＰＣＳ２０は、取得時期が新しい方から順に負荷４０の電力需要をＲＡＭ１０４から２つ取得し、ステップＳ１００で取得した負荷４０の電力需要に対する取得した電力需要間の差分の絶対値の割合、すなわち負荷変動率Ｒを算出する。
ステップＳ１２０において、ＰＣＳ２０は、負荷変動率Ｒがこの値を超える場合、負荷変動率Ｒが相対的に大きいとみなすことができる閾値Ｒ1と、ステップＳ１１０で算出した負荷変動率Ｒとを比較して、負荷変動率Ｒが閾値Ｒ1より大きいか否かを判定する。なお、閾値Ｒ1は、例えば多段式燃料電池システム１０Ｆの実機による実験や多段式燃料電池システム１０Ｆの設計仕様に基づくコンピュータシミュレーション等により予め求められ、例えばＲＯＭ１０６の予め定めた領域に記憶しておけばよい。
ステップＳ１２０の判定処理が肯定判定の場合、前段調整又は後段調整で多段式燃料電池システム１０Ｆから供給する電力を負荷４０の電力需要にあわせようとすると、一律調整で燃料電池の発電量を制御する場合と比較して、第１燃料電池１１又は第２燃料電池１２から出力させる電流の変化量を大きくしなければならない。すなわち、多段式燃料電池システム１０Ｆから供給する電力が負荷４０の電力需要に一致するまでに要する時間が一律調整より長くなり、負荷追従応答性能が劣ることになる。
したがって、ステップＳ１２０の判定処理が肯定判定の場合にはステップＳ１３０に移行し、ステップＳ１３０において、ＰＣＳ２０は、図４に示した第１実施形態に係る多段式燃料電池制御処理、すなわち一律調整を実行して、図１６に示す多段式燃料電池制御処理を終了する。
一方、ステップＳ１２０の判定処理が否定判定の場合にはステップＳ１４０に移行する。
ステップＳ１４０において、ＰＣＳ２０は、閾値Ｒ1と、負荷変動率Ｒがこの値を下回る場合、負荷変動率Ｒが相対的に小さいとみなすことができる閾値Ｒ2と、ステップＳ１１０で算出した負荷変動率Ｒとを比較して、負荷変動率Ｒが閾値Ｒ2以上、かつ、閾値Ｒ1以下か否か、すなわち負荷変動率Ｒが中程度であるか否かを判定する。
ステップＳ１４０の判定処理が肯定判定の場合、第１燃料電池１１の定格出力が第２燃料電池１２の定格出力より大きいことから、変動させる電力量が同じであれば、第１燃料電池１１の電流を調整して発電量を制御した方が、第２燃料電池１２の電流を調整して発電量を制御するよりも電流の変化量が少なくて済む。すなわち、負荷変動率Ｒが中程度の場合、前段調整を行った際の第１燃料電池１１の劣化度合いは、後段調整を行った際の第２燃料電池１２の劣化度合いより抑制されることになり、多段式燃料電池システム１０Ｆ全体で見た場合の燃料電池の劣化度合いが抑制されることになる。
したがって、ステップＳ１４０の判定処理が肯定判定の場合にはステップＳ１５０に移行し、ステップＳ１５０において、ＰＣＳ２０は、図７に示した第２実施形態に係る多段式燃料電池制御処理、又は図１０に示した第３実施形態に係る多段式燃料電池制御処理で表される前段調整を実行して、図１６に示す多段式燃料電池制御処理を終了する。
一方、ステップＳ１４０の判定処理が否定判定の場合にはステップＳ１６０に移行する。
この場合、負荷変動率Ｒが相対的に小さいため、後段調整を行っても負荷変動率Ｒが閾値Ｒ2以上となる場合と比較して、第２燃料電池１２の劣化度合いが少なくて済む。したがって、ステップＳ１６０において、ＰＣＳ２０は、図１１に示した第４実施形態に係る多段式燃料電池制御処理、又は図１２に示した第５実施形態に係る多段式燃料電池制御処理で表される後段調整を実行して、図１６に示す多段式燃料電池制御処理を終了する。
このように、第７実施形態に係る多段式燃料電池システム１０Ｆでは、負荷４０の負荷変動率Ｒに応じて燃料電池の発電量の制御方法を選択する。したがって、何れの負荷変動率Ｒに対しても燃料電池の発電量の制御方法を変えない場合と比較して、多段式燃料電池システム１０Ｆの燃料電池の劣化を抑制することができ、更に、負荷追従応答性能を向上させることができる。
＜第８実施形態＞
第７実施形態では、負荷変動率Ｒに応じて燃料電池の発電量の制御方法を一律調整、前段調整、及び後段調整の何れかに選択する多段式燃料電池システム１０Ｆについて説明した。第８実施形態では、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２の劣化の度合いの比較によって、燃料電池の発電量の制御方法を選択する多段式燃料電池システム１０Ｇについて説明する。
多段式燃料電池システム１０Ｇの概略構成は、図１に示した多段式燃料電池システム１０の概略構成と同じであり、多段式燃料電池システム１０Ｇの制御系統は、図２に示した多段式燃料電池システム１０の制御系統と同じである。
更に、多段式燃料電池システム１０Ｇは、図９に示したコンピュータ１００、２００Ａ、及び２００Ｂを用いて、それぞれ多段式燃料電池システム１０ＧのＰＣＳ２０、及び電流制御器３０Ａ、３０Ｂの制御に関連する機能部を実現することができる。
以下に、多段式燃料電池システム１０Ｇにおける燃料電池の出力制御について説明する。
図１７は、多段式燃料電池システム１０ＧのＰＣＳ２０に含まれるＣＰＵ１０２によって実行される多段式燃料電池制御プログラムに基づく多段式燃料電池制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。多段式燃料電池制御プログラムはＲＯＭ１０６に予め記憶されており、ＣＰＵ１０２は多段式燃料電池制御プログラムをＲＯＭ１０６から読み込んで実行する。なお、ＰＣＳ２０は、燃料電池で発電された電力を既に負荷４０に供給している状態であるものとする。
まず、ステップＳ２００において、ＰＣＳ２０は、図４のステップＳ１０で説明した処理と同様の処理を実行し、負荷４０の電力需要を取得する。
ステップＳ２１０において、ＰＣＳ２０は、第１実施形態〜第５実施形態の何れかに示した多段式燃料電池制御処理を実行し、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２の電流値及び電圧値を設定する。
ステップＳ２２０において、ＰＣＳ２０は、例えば初めて多段式燃料電池システム１０Ｇで発電を行った場合の第１燃料電池１１の電圧値（初期電圧値）と、ステップＳ２１０で設定された第１燃料電池１１の電圧値との差分の絶対値（初期電圧差）を算出する。また、ＰＣＳ２０は、例えば第２燃料電池１２の初期電圧値と、ステップＳ２１０で設定された第２燃料電池１２の電圧値との初期電圧差を算出する。
第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２における各々の初期電圧値は、例えばＲＡＭ１０４又は図示しない不揮発性メモリ等に記憶しておけばよい。
なお、初期電圧差は、燃料電池の電流値を用いても算出できる。具体的には、ステップＳ２１０で設定された燃料電池の電流値と当該燃料電池の電流電圧特性６０から燃料電池の電圧値が得られる。したがって、燃料電池の初期電圧値と、電流電圧特性６０を参照して電流値から算出した燃料電池の電圧値とを用いることで、初期電圧差を算出できる。
以降では、第１燃料電池１１に係る初期電圧差を第１初期電圧差Ｖq1とし、第２燃料電池１２に係る初期電圧差を第２初期電圧差Ｖq2とする。
ステップＳ２３０において、ＰＣＳ２０は、ステップＳ２２０で算出した第１初期電圧差Ｖq1が同じくステップＳ２２０で算出した第２初期電圧差Ｖq2より大きいか否かを判定し、否定判定の場合にはステップＳ２４０に移行する。
図８に示したように、燃料電池の劣化が進むにつれて電流電圧特性６０は低下する傾向があるため、燃料電池の電圧値も低下する傾向がある。すなわち、燃料電池の初期電圧差が大きいほど燃料電池の劣化が進んでいるとみなすことができる。
したがって、第２初期電圧差Ｖq2が第１初期電圧差Ｖq1以上の場合、第１燃料電池１１より第２燃料電池１２の劣化が進んでいるとみなすことができるため、ステップＳ２４０において、ＰＣＳ２０は前段調整を実行して、多段式燃料電池制御処理を終了する。
一方、ステップＳ２３０の判定処理が肯定判定の場合には、ステップＳ２５０に移行する。
この場合、第２燃料電池１２より第１燃料電池１１の劣化が進んでいるとみなすことができるため、ステップＳ２５０において、ＰＣＳ２０は後段調整を実行して、多段式燃料電池制御処理を終了する。
このように、第８実施形態に係る多段式燃料電池システム１０Ｇでは、燃料電池の初期電圧差から燃料電池の劣化度合いを判定し、より劣化度合いが少ない燃料電池の電流値を変動させることで、燃料電池の劣化度合いの差を抑制することができる。この場合、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２を一度に保守することができるため、多段式燃料電池システム１０のメンテナンス性が向上する。
以上、各実施形態を用いて本発明について説明したが、本発明は各実施形態に記載の範囲には限定されない。本発明の要旨を逸脱しない範囲で各実施形態に多様な変更又は改良を加えることができ、当該変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。例えば、本発明の要旨を逸脱しない範囲で処理の順序を変更してもよい。
例えば、上述した各実施形態では、第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２に固体酸化物形燃料電池を用いたが、例えば７００℃程度の高温で作動する溶融炭酸塩型燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell：ＭＣＦＣ）、１００℃程度の低温で作動する固体高分子形燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）を用いてもよい。また、前段と後段の燃料電池で、異なる種類の燃料電池を組み合わせもよい。
なお、各実施形態では、前段及び後段の燃料電池から成る多段式燃料電池システム１０を用いて説明を行ったが、３段以上の燃料電池から成る多段式燃料電池システムに対しても本発明に係る多段式燃料電池制御処理を適用することができる。
この場合、前段調整及び後段調整の代わりに、複数の燃料電池の中から発電量を予め定めた値に設定する燃料電池と、負荷４０の電力需要に応じて発電量を制御する燃料電池とに分類すればよい。
また、上述した各実施形態では、一例として多段式燃料電池システムにおける多段式燃料電池制御処理をソフトウエアで実現する形態について説明したが、各実施形態に示した多段式燃料電池制御処理と同等の処理をハードウエアで処理させるようにしてもよい。この場合、多段式燃料電池制御処理をソフトウエアで実現する場合に比べて、処理の高速化が図られる。
また、上述した各実施形態では、多段式燃料電池制御プログラムが予めＲＯＭ１０６に記憶されている形態を説明したが、これに限定されるものではない。本発明に係る多段式燃料電池制御プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録した形態で提供することも可能である。例えば、本発明に係る燃料電池制御プログラムを、ＣＤ(Compact Disc)−ＲＯＭ、又はＤＶＤ−ＲＯＭ等の光ディスクに記録した形態で提供してもよいし、ＵＳＢメモリ及びフラッシュメモリ等の半導体メモリに記録した形態で提供してもよい。また、多段式燃料電池システムは、通信回線に接続された図示しない他の電子機器から多段式燃料電池制御プログラムをダウンロードして、ＲＯＭ１０６に格納するようにしてもよい。
また、上述した各実施形態では、ＰＣＳ２０で多段式燃料電池システムが設置された需要家の電力需要に応じた電流値を決定して、電流制御器３０Ａ、３０Ｂに通知した。しかし、例えば各需要家における多段式燃料電池システムを通信回線に接続して、需要家毎の電力需要に応じた電流値を通信回線に接続された情報処理端末で決定し、各需要家に設置された多段式燃料電池システムの電流制御器３０Ａ、３０Ｂに通知するようにしてもよい。この場合、多段式燃料電池システムが設置された場所とは異なる遠隔地から、需要家毎の負荷変動にあわせて第１燃料電池１１及び第２燃料電池１２の発電量を制御することができる。
１０（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ、１０Ｇ）・・・多段式燃料電池システム、１１・・・第１燃料電池、１２・・・第２燃料電池、１４・・・燃料処理装置、１６・・・水蒸気分離膜、１８・・・燃焼器、１９・・・改質器、２０・・・ＰＣＳ、２１・・・第１熱交換器、２２・・・第２熱交換器、２３・・・周波数センサ、２５・・・ブロワ、２７Ａ、２７Ｂ・・・電流計、２９Ａ、２９Ｂ・・・電圧計、３０Ａ、３０Ｂ・・・電流制御器、３２・・・ポンプ、４０・・・負荷、６０（６０Ａ、６０Ｂ）・・・電流電圧特性、１００（２００Ａ、２００Ｂ）・・・コンピュータ、１０２、２０２・・・ＣＰＵ、Ｒ・・・負荷変動率
上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池と、前記第１燃料電池から排出され、前記第１燃料電池において未反応の水素を含むオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池と、前記第１燃料電池から出力される電流又は電圧を調整することで、前記第１燃料電池から出力される電力を制御する第１制御装置と、前記第２燃料電池から出力される電流又は電圧を調整することで、前記第２燃料電池から出力される電力を制御する第２制御装置と、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電される電力の合計が電力需要に近づくように、前記第１制御装置及び前記第２制御装置の少なくとも一方を制御する出力制御装置と、を備え、前記出力制御装置は、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池に対して予め定められた電流電圧特性の各々を参照して、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電させる電力に対応した電流値又は電圧値を各々設定し、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池から出力される電流又は電圧が前記設定した電流値又は電圧値となるように前記第１制御装置及び前記第２制御装置の少なくとも一方を制御する。
また、本発明に係る燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池と、前記第１燃料電池から排出され、前記第１燃料電池において未反応の水素を含むオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池と、直列に接続された前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池から出力される電流又は電圧を調整することで、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池から出力される電力を制御する制御装置と、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電される電力の合計が電力需要に近づくように、前記制御装置を制御する出力制御装置と、を備え、前記出力制御装置は、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池に対して予め定められた電流電圧特性の各々を参照して、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電させる電力に対応した電流値又は電圧値を各々設定し、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池から出力される電流又は電圧が前記設定した電流値又は電圧値となるように前記制御装置を制御する。
また、本発明に係る燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池と、前記第１燃料電池から排出され、前記第１燃料電池において未反応の水素を含むオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池と、前記第１燃料電池から出力される電流又は電圧を調整することで、前記第１燃料電池から出力される電力を制御する第１制御装置と、前記第２燃料電池から出力される電流又は電圧を調整することで、前記第２燃料電池から出力される電力を制御する第２制御装置と、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電される電力の合計が電力需要に近づくように、前記第１制御装置及び前記第２制御装置の少なくとも一方を制御する出力制御装置と、を備え、前記出力制御装置は、電力需要の変動度合いに応じて、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の少なくとも一方を、電流の制御対象となる燃料電池として選択し、選択した燃料電池から出力される電流又は電圧を変動させ、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池から出力される各々の電流及び電圧から、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電される各々の電力を算出し、算出した各々の電力の合計が電力需要に近づくように、前記第１制御装置及び前記第２制御装置の少なくとも一方を制御する。
また、本発明に係る多段式燃料電池制御プログラムは、コンピュータを、水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池から出力される電流又は電圧を調整することで、前記第１燃料電池から出力される電力を制御する第１制御装置と、前記第１燃料電池から排出され、前記第１燃料電池において未反応の水素を含むオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池から出力される電流又は電圧を調整することで、前記第２燃料電池から出力される電力を制御する第２制御装置とを、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池に対して予め定められた電流電圧特性の各々を参照して、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電させる電力に対応した電流値又は電圧値を各々設定し、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池から出力される電流又は電圧が前記設定した電流値又は電圧値となるように前記第１制御装置及び前記第２制御装置の少なくとも一方を制御することにより、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電される電力の合計が電力需要に近づくように制御する制御手段として機能させる。
更に、本発明に係る多段式燃料電池制御プログラムは、コンピュータを、水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池、及び前記第１燃料電池と電気的に直列に接続され、前記第１燃料電池から排出された、前記第１燃料電池において未反応の水素を含むオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池から出力される電流又は電圧を、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池に対して予め定められた電流電圧特性の各々を参照して、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電させる電力に対応した値に各々設定し、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池から出力される電流又は電圧が前記設定した値となるように調整することで、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池から出力される電力を制御する制御装置を、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電される電力の合計が電力需要に近づくように制御する制御手段として機能させる。
また、本発明に係る多段式燃料電池制御プログラムは、コンピュータを、水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池から出力される電流又は電圧を調整することで、前記第１燃料電池から出力される電力を制御する第１制御装置、及び前記第１燃料電池から排出され、前記第１燃料電池において未反応の水素を含むオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池から出力される電流又は電圧を調整することで、前記第２燃料電池から出力される電力を制御する第２制御装置のうち、電力需要の変動度合いに応じて、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の少なくとも一方を、電流の制御対象となる燃料電池として選択し、選択した燃料電池から出力される電流又は電圧を変動させることにより、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池から出力される各々の電流及び電圧から算出された、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電される各々の電力の合計が電力需要に近づくように、前記第１制御装置及び前記第２制御装置の少なくとも一方を制御する制御手段として機能させる。
上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池と、前記第１燃料電池から排出され、前記第１燃料電池において未反応の水素を含むオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池と、前記第１燃料電池から出力される電流又は電圧を調整することで、前記第１燃料電池から出力される電力を制御する第１制御装置と、前記第２燃料電池から出力される電流又は電圧を調整することで、前記第２燃料電池から出力される電力を制御する第２制御装置と、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電される電力の合計が電力需要に近づくように、前記第１制御装置及び前記第２制御装置の少なくとも一方を制御する出力制御装置と、を備え、前記出力制御装置は、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池に対して予め定められた電流電圧特性の各々を参照して、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電させる電力に対応した電流値又は電圧値を各々設定し、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池から出力される電流又は電圧が前記設定した電流値又は電圧値となるように前記第１制御装置及び前記第２制御装置の少なくとも一方を制御し、前記出力制御装置による制御を受け付けた前記第１制御装置及び前記第２制御装置の少なくとも一方が、前記設定した電流値又は電圧値に応じて前記燃料ガスの流量を制御する。
また、本発明に係る燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池と、前記第１燃料電池から排出され、前記第１燃料電池において未反応の水素を含むオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池と、電気的に直列に接続された前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池から出力される電流又は電圧を調整することで、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池から出力される電力を制御する制御装置と、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電される電力の合計が電力需要に近づくように、前記制御装置を制御する出力制御装置と、を備え、前記出力制御装置は、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池に対して予め定められた電流電圧特性の各々を参照して、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電させる電力に対応した電流値又は電圧値を各々設定し、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池から出力される電流又は電圧が前記設定した電流値又は電圧値となるように前記制御装置を制御し、前記出力制御装置による制御を受け付けた前記制御装置は、前記設定した電流値又は電圧値に応じて前記燃料ガスの流量を制御する。
また、本発明に係る燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池と、前記第１燃料電池から排出され、前記第１燃料電池において未反応の水素を含むオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池と、前記第１燃料電池から出力される電流又は電圧を調整することで、前記第１燃料電池から出力される電力を制御する第１制御装置と、前記第２燃料電池から出力される電流又は電圧を調整することで、前記第２燃料電池から出力される電力を制御する第２制御装置と、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電される電力の合計が電力需要に近づくように、前記第１制御装置及び前記第２制御装置の少なくとも一方を制御する出力制御装置と、を備え、前記出力制御装置は、電力需要の変動度合いに応じて、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の少なくとも一方を、電流の制御対象となる燃料電池として選択し、選択した燃料電池から出力される電流又は電圧を変動させ、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池から出力される各々の電流及び電圧から、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電される各々の電力を算出し、算出した各々の電力の合計が電力需要に近づくように、前記第１制御装置及び前記第２制御装置の少なくとも一方を制御する。
また、本発明に係る多段式燃料電池制御プログラムは、コンピュータを、水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池から出力される電流又は電圧を調整することで、前記第１燃料電池から出力される電力を制御する第１制御装置と、前記第１燃料電池から排出され、前記第１燃料電池において未反応の水素を含むオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池から出力される電流又は電圧を調整することで、前記第２燃料電池から出力される電力を制御する第２制御装置とを、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池に対して予め定められた電流電圧特性の各々を参照して、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電させる電力に対応した電流値又は電圧値を各々設定し、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池から出力される電流又は電圧が前記設定した電流値又は電圧値となるように前記第１制御装置及び前記第２制御装置の少なくとも一方を制御すると共に、制御を受け付けた前記第１制御装置及び前記第２制御装置の少なくとも一方が、前記設定した電流値又は電圧値に応じて前記燃料ガスの流量を制御することにより、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電される電力の合計が電力需要に近づくように制御する制御手段として機能させる。
更に、本発明に係る多段式燃料電池制御プログラムは、コンピュータを、水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池、及び前記第１燃料電池と電気的に直列に接続され、前記第１燃料電池から排出された、前記第１燃料電池において未反応の水素を含むオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池から出力される電流又は電圧を、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池に対して予め定められた電流電圧特性の各々を参照して、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電させる電力に対応した値に各々設定し、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池から出力される電流又は電圧が前記設定した値となるように調整することで、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池から出力される電力を制御すると共に、前記設定した値に応じて前記燃料ガスの流量を制御する制御装置を、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電される電力の合計が電力需要に近づくように制御する制御手段として機能させる。
また、本発明に係る多段式燃料電池制御プログラムは、コンピュータを、水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池から出力される電流又は電圧を調整することで、前記第１燃料電池から出力される電力を制御する第１制御装置、及び前記第１燃料電池から排出され、前記第１燃料電池において未反応の水素を含むオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池から出力される電流又は電圧を調整することで、前記第２燃料電池から出力される電力を制御する第２制御装置のうち、電力需要の変動度合いに応じて、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の少なくとも一方を、電流の制御対象となる燃料電池として選択し、選択した燃料電池から出力される電流又は電圧を変動させることにより、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池から出力される各々の電流及び電圧から算出された、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電される各々の電力の合計が電力需要に近づくように、前記第１制御装置及び前記第２制御装置の少なくとも一方を制御する制御手段として機能させる。

Claims (14)

  1. 水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池と、
    前記第１燃料電池から排出され、前記第１燃料電池において未反応の水素を含むオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池と、
    前記第１燃料電池から出力される電流又は電圧を調整することで、前記第１燃料電池から出力される電力を制御する第１制御装置と、
    前記第２燃料電池から出力される電流又は電圧を調整することで、前記第２燃料電池から出力される電力を制御する第２制御装置と、
    前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電される電力の合計が電力需要に近づくように、前記第１制御装置及び前記第２制御装置の少なくとも一方を制御する出力制御装置と、
    を備えた燃料電池システム。
  2. 前記出力制御装置は、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池に対して予め定められた電流電圧特性の各々を参照して、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電させる電力に対応した電流値又は電圧値を各々設定し、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池から出力される電流又は電圧が前記設定した電流値又は電圧値となるように前記第１制御装置及び前記第２制御装置の少なくとも一方を制御する
    請求項１記載の燃料電池システム。
  3. 前記出力制御装置は、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池から出力される各々の電流及び電圧から、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電される各々の電力を算出し、算出した各々の電力の合計が電力需要に近づくように、前記第１制御装置及び前記第２制御装置の少なくとも一方を制御する
    請求項１記載の燃料電池システム。
  4. 前記出力制御装置は、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池から出力される各々の電流の大きさの割合が予め定めた割合となるように、前記第１制御装置及び前記第２制御装置を制御する
    請求項２記載の燃料電池システム。
  5. 前記出力制御装置は、前記第１燃料電池から出力される電流の大きさと、前記第２燃料電池から出力される電流の大きさとが同じになるように、前記第１制御装置及び前記第２制御装置を制御する
    請求項４記載の燃料電池システム。
  6. 前記出力制御装置は、前記第２燃料電池から出力される電流が予め定めた値から変動しないように前記第２制御装置を制御する一方、前記第１燃料電池から出力される電流又は電圧を変動させることで、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電される電力の合計が電力需要に近づくように前記第１制御装置を制御する
    請求項２又は請求項３記載の燃料電池システム。
  7. 前記出力制御装置は、前記第１燃料電池から出力される電流が予め定めた値から変動しないように前記第１制御装置を制御する一方、前記第２燃料電池から出力される電流又は電圧を変動させることで、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電される電力の合計が電力需要に近づくように前記第２制御装置を制御する
    請求項２又は請求項３記載の燃料電池システム。
  8. 前記出力制御装置は、電力需要の変動度合いに応じて、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の少なくとも一方を、電流の制御対象となる燃料電池として選択し、選択した燃料電池から出力される電流又は電圧を変動させることで、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電される電力の合計が電力需要に近づくように、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の少なくとも一方を制御する
    請求項２又は請求項３記載の燃料電池システム。
  9. 前記出力制御装置は、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池のうち、劣化の度合いが低いほうの燃料電池を選択し、選択した燃料電池から出力される電流又は電圧を変動させることで、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電される電力の合計が電力需要に近づくように、前記選択した燃料電池を制御する
    請求項２又は請求項３記載の燃料電池システム。
  10. 水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池と、
    前記第１燃料電池から排出され、前記第１燃料電池において未反応の水素を含むオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池と、
    直列に接続された前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池から出力される電流又は電圧を調整することで、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池から出力される電力を制御する制御装置と、
    前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電される電力の合計が電力需要に近づくように、前記制御装置を制御する出力制御装置と、
    を備えた燃料電池システム。
  11. 前記出力制御装置は、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池に対して予め定められた電流電圧特性の各々を参照して、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電させる電力に対応した電流値又は電圧値を各々設定し、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池から出力される電流又は電圧が前記設定した電流値又は電圧値となるように前記制御装置を制御する
    請求項１０記載の燃料電池システム。
  12. 前記出力制御装置は、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池から出力される各々の電流及び電圧から、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電される各々の電力を算出し、算出した各々の電力の合計が電力需要に近づくように、前記制御装置を制御する
    請求項１０記載の燃料電池システム。
  13. コンピュータを、
    水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池から出力される電流又は電圧を調整することで、前記第１燃料電池から出力される電力を制御する第１制御装置と、
    前記第１燃料電池から排出され、前記第１燃料電池において未反応の水素を含むオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池から出力される電流又は電圧を調整することで、前記第２燃料電池から出力される電力を制御する第２制御装置とを、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電される電力の合計が電力需要に近づくように制御する制御手段
    として機能させるための燃料電池制御プログラム。
  14. コンピュータを、
    水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う第１燃料電池、及び前記第１燃料電池と電気的に直列に接続され、前記第１燃料電池から排出された、前記第１燃料電池において未反応の水素を含むオフガスを用いて発電を行う第２燃料電池から出力される電流又は電圧を調整することで、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池から出力される電力を制御する制御装置を、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池で発電される電力の合計が電力需要に近づくように制御する制御手段
    として機能させるための燃料電池制御プログラム。
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