JP2021166148A - 燃料電池システムおよびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】貯湯タンクと熱交換器とに接続された循環通路内の水を加熱するヒータの空焚きを抑制しつつ、燃料電池を含む発電モジュールの自立運転を継続して実行可能にする。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池を含む発電モジュールと、発電モジュールの排熱を熱源とする熱交換器と貯湯タンクとに接続された循環通路と、循環通路で水を循環させるポンプと、発電モジュールの余剰電力を消費して循環通路内の水を加熱するヒータと、系統電源による電力供給が停止されたときに、発電モジュールにより発電される電力のみを所定負荷に供給すると共に余剰電力をヒータに消費させる自立運転を実行すると共に、自立運転の実行中に循環通路内の水の温度が所定温度以上であるときに、ポンプの回転数を増加させると共に発電モジュールによる発電電力を低下させる制御装置とを含む。【選択図】図２

Description

本開示は、燃料電池を含む発電モジュールと、発電モジュールの排熱により加熱された水を貯留する貯湯タンクとを含む燃料電池システムおよびその制御方法に関する。

従来、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、改質用原料と改質水とから燃料を生成する改質部と、燃料電池からの直流電力を交流電力に変換する電力変換装置と、貯湯水を貯水する貯湯槽と、燃料電池側からの燃焼排ガスと貯湯水との熱交換により当該燃焼排ガスに含まれている水蒸気を凝縮させて凝縮水を生成する熱交換器と、循環水ポンプおよびヒータを含むと共に貯湯槽と熱交換器との間で貯湯水を循環させる貯湯水循環ラインと、熱交換器からの凝縮水を改質水として貯留する改質水タンクと、燃料電池を発電させるための制御を行う制御装置とを含む燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムでは、系統電源から電力が送電される際、当該系統電源からの電力および電力変換装置からの電力が第一負荷装置に供給される。また、停電等により系統電源の送電が停止されると共に燃料電池からの電力のみが電力変換装置から出力される自立発電運転中には、第二負荷装置に電力変換装置からの電力のみが供給される。更に、かかる燃料電池システムの制御装置は、自立発電運転中に、水量センサによって検出された改質水タンクの水量が判定水量以上である場合、燃料電池の目標発電出力量を最大発電出力量に設定し、水量センサによって検出された改質水タンクの水量が判定水量未満である場合、燃料電池の目標発電出力量を電力センサによって検出された第二負荷装置の消費電力量と第一所定電力量との和に設定する。これにより、燃料電池の実際の発電出力量が第二負荷装置の消費電力より最低でも第一所定電力量だけ大きくなるので、燃料電池に負荷がかかって燃料電池の出力が停止されるのを抑制することができる。

また、従来、燃料と酸化剤ガスとにより発電する発電ユニットと、発電ユニットの発電に伴って発生する燃焼排ガスと貯湯槽から貯湯水供給管を介して供給される循環水とを熱交換させる熱交換器と、循環水を圧送する循環水ポンプと、循環水ポンプの回転数に関連する物理量を検出するセンサと、貯湯水供給管に設けられて循環水を加熱するヒータと、発電ユニットの発電、循環水ポンプの駆動およびヒータの作動を統括して制御する制御装置とを含む燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献２参照）。この燃料電池システムの制御装置は、循環水ポンプが所定の駆動デューティで駆動される際に、上記センサによって検出された物理量に基づく回転数が予め設定された基準回転数以下である場合、ヒータが循環水を加熱することを許可し、回転数が基準回転数よりも高い場合、ヒータが循環水を加熱することを禁止する。すなわち、循環水ポンプの回転数が基準回転数以下である場合には、貯湯水供給管の内部に循環水が存在しており、ヒータを作動させても空焚きにはならない。一方、循環水ポンプの回転数が基準回転数よりも高い場合には、貯湯水供給管の内部に循環水が存在していないことから、ヒータの作動を禁止することで当該ヒータの空焚きを抑制することができる。

特開２０１７−１５７２７２号公報 特開２０１９−１６０４４７号公報

上述のような燃料電池システムでは、系統電源から電力が供給されず、燃料電池からの電力のみを所定の負荷に供給する自立運転中に、循環水を加熱するヒータに余剰電力を消費させることで、電力要求の変動を吸収することができる。しかしながら、特許文献１に記載された燃料電池システムでは、自立運転中に改質水タンクの水量が判定水量以上であって燃料電池の目標発電出力量が最大発電出力量に設定されている際に貯湯水循環ラインを流通する水の流量が減少すると、ヒータが空焚きにより破損してしまうおそれがある。また、特許文献２に記載された燃料電池システムでは、自立運転中に循環水ポンプの回転数が基準回転数よりも高くなってヒータの作動が禁止されると、余剰電力をヒータに消費させて自立運転を継続させ得なくなることがある。

そこで、本開示は、貯湯タンクと熱交換器とに接続された循環通路内の水を加熱するヒータの空焚きを抑制しつつ、燃料電池を含む発電モジュールの自立運転を継続して実行可能にすることを主目的とする。

本開示の燃料電池システムは、燃料電池を含む発電モジュールと、前記発電モジュールの排熱を熱源とする熱交換器と、水を貯留する貯湯タンクと、前記熱交換器と前記貯湯タンクとに接続された循環通路と、前記熱交換器と前記貯湯タンクとの間で前記循環通路を介して水を循環させるポンプと、前記発電モジュールの余剰電力を消費して前記循環通路内の水を加熱するヒータとを含み、前記発電モジュールからの電力と系統電源からの電力との少なくとも何れか一方を複数の負荷に供給可能な燃料電池システムにおいて、前記系統電源による電力供給が停止されたときに、前記発電モジュールにより発電される電力のみを前記複数の負荷のうちの所定負荷に供給すると共に余剰電力を前記ヒータに消費させる自立運転を実行すると共に、前記自立運転の実行中に前記循環通路内の水の温度が所定温度以上であるときに、前記ポンプの回転数を増加させると共に、前記発電モジュールによる発電電力を低下させる制御装置を含むものである。

本開示の燃料電池システムでは、系統電源による電力供給が停止されたときに、発電モジュールにより発電される電力のみを複数の負荷のうちの所定負荷に供給すると共に余剰電力をヒータに消費させる自立運転が実行される。そして、自立運転の実行中に循環通路内の水の温度が所定温度以上であるときには、ポンプの回転数が増加させられると共に、発電モジュールによる発電電力が低下させられる。これにより、自立運転の実行中に循環通路内の水の温度が上昇したときに、循環通路を流通する水の流量を増やすと共にヒータの消費電力を低下させ、循環通路内の水の温度を低下させると共にヒータの空焚きを抑制することができる。この結果、ヒータの空焚きを抑制しつつ、当該ヒータによる電力消費を許容して燃料電池を含む発電モジュールの自立運転を継続して実行することが可能となる。

また、前記制御装置は、前記ポンプの回転数を増加させた後に所定時間が経過し、かつ前記循環通路内の水の温度が所定温度以上であるときに、前記ポンプの作動を一時的に停止させると共に、停止前の回転数で回転するように前記ポンプを再度作動させるものであってもよい。すなわち、ポンプの回転数を増加させても循環通路内の水の温度が低下していかない場合、ポンプがエアを吸入するエア噛みが発生し、それにより循環通路を流通する水の流量が減少していることになる。従って、ポンプの回転数を増加させた後に所定時間が経過し、かつ循環通路内の水の温度が所定温度以上であるときには、ポンプの作動を一時的に停止させてエアを抜き、停止前の回転数で回転するように前記ポンプを再度作動させることで、循環通路を流通する水の流量を良好に確保することが可能となる。

更に、前記所定温度は、空焚きにより前記ヒータを破損させる温度よりも低く定められてもよい。これにより、循環通路内の水を加熱するヒータの空焚きを極めて良好に抑制することが可能となる。

また、前記ヒータは、セラミックヒータであってもよい。すなわち、本開示の燃料電池システムでは、ヒータの空焚きを抑制しつつ、発電モジュールの自立運転を継続させることができるので、ヒータとして低コストかつコンパクトなセラミックヒータを採用してシステム全体の大型化やコストアップを良好に抑制することが可能となる。

本開示の燃料電池システムの制御方法は、燃料電池を含む発電モジュールと、前記発電モジュールの排熱を熱源とする熱交換器と、水を貯留する貯湯タンクと、前記熱交換器と前記貯湯タンクとに接続された循環通路と、前記熱交換器と前記貯湯タンクとの間で前記循環通路を介して水を循環させるポンプと、前記発電モジュールの余剰電力を消費して前記循環通路内の水を加熱するヒータとを含み、前記発電モジュールからの電力と系統電源からの電力との少なくとも何れか一方を複数の負荷に供給可能な燃料電池システムの制御方法において、前記系統電源による電力供給が停止されたときに、前記発電モジュールにより発電される電力のみを前記複数の負荷のうちの所定負荷に供給すると共に余剰電力を前記ヒータに消費させる自立運転を実行すると共に、前記自立運転の実行中に前記循環通路内の水の温度が所定温度以上であるときに、前記ポンプの回転数を増加させると共に、前記発電モジュールによる発電電力を低下させるものである。

かかる方法によれば、貯湯タンクと熱交換器とに接続された循環通路内の水を加熱するヒータの空焚きを抑制しつつ、燃料電池を含む発電モジュールの自立運転を継続して実行することが可能となる。

本開示の燃料電池システムを示す概略構成図である。 本開示の燃料電池システムにおいて実行されるヒータ保護ルーチンの一例を示すフローチャートである。 図２のヒータ保護ルーチンが実行される間の循環通路内の水温、発電モジュールの発電電力、ヒータの出力およびポンプの駆動デューティの時間変化を例示するタイムチャートである。

次に、図面を参照しながら、本開示の発明を実施するための形態について説明する。

図１は、本開示の燃料電池システム１０を示す概略構成図である。同図に示す燃料電池システム１０は、アノードガス（燃料ガス）中の水素とカソードガス（酸化剤ガス）中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池スタックＦＣＳを有する発電ユニット２０と、湯水を貯留する貯湯タンク１０１を有する給湯ユニット１００と、システム全体を制御する制御装置８０とを含むコジェネレーションシステムである。また、発電ユニット２０は、燃料電池スタックＦＣＳや、断熱性材料により形成された箱型のモジュールケース３１、気化器（蒸発器）３３、２つの改質器３４等を含む発電モジュール３０と、発電モジュール３０の気化器３３に例えば都市ガス（天然ガス）やＬＰガスといった原燃料ガス（原燃料）を供給するための原燃料ガス供給系統４０と、発電モジュール３０の燃料電池スタックＦＣＳにカソードガスとしての空気を供給するためのカソードガス供給系統５０と、発電モジュール３０の気化器３３に改質水を供給するための改質水供給系統５５と、発電モジュール３０で発生した排熱を回収するための排熱回収系統６０と、燃料電池スタックＦＣＳの出力端子に接続されたパワーコンディショナ７１と、これらを収容する筐体２２とを含む。

本実施形態において、発電モジュール３０は、２つの燃料電池スタックＦＣＳを含み、２つの燃料電池スタックＦＣＳは、間隔をおいて互いに対向するようにモジュールケース３１内に配置されたマニホールド３２上に設置される。各燃料電池スタックＦＣＳは、例えば酸化ジルコニウム等の電解質と当該電解質を挟持するアノード電極およびカソード電極とをそれぞれ有すると共に図１中左右方向（水平方向）に配列された複数の固体酸化物形の単セルＳＣを含む。各単セルＳＣのアノード電極内には、図示しないアノードガス通路が単セルＳＣの配列方向と直交する方向すなわち上下方向に延在するように形成されている。また、各単セルＳＣのカソード電極の周囲には、カソードガスを流通させる図示しないカソードガス通路が単セルＳＣの配列方向と直交する方向すなわち上下方向に延在するように形成されている。各単セルＳＣのアノードガス通路は、マニホールド３２に形成された図示しないアノードガス通路に接続され、各単セルＳＣのカソードガス通路は、モジュールケース３１内の図示しないカソードガス通路に接続される。

発電モジュール３０の気化器３３および改質器３４は、モジュールケース３１内の２つの燃料電池スタックＦＣＳの上方に両者と間隔をおいて配設される。本実施形態では、一方の燃料電池スタックＦＣＳの上方に気化器３３および一方の改質器３４が配置され、他方の燃料電池スタックＦＣＳの上方に他方の改質器３４が配置される。更に、一方の燃料電池スタックＦＣＳと気化器３３および一方の改質器３４との間、並びに他方の燃料電池スタックＦＣＳと他方の改質器３４との上下方向における間には、燃料電池スタックＦＣＳの作動や、気化器３３および改質器３４での反応に必要な熱を発生させる燃焼部３５が画成されている。各燃焼部３５には、点火ヒータ３６が設置され、少なくとも何れか一方の燃焼部３５には、燃料電池スタックＦＣＳに近接するように温度センサ３７が設置されている。

気化器３３は、燃焼部３５からの熱により原燃料ガス供給系統４０からの原燃料ガスと改質水供給系統５５からの改質水とを加熱し、原燃料ガスを予熱すると共に改質水を蒸発させて水蒸気を生成する。気化器３３により予熱された原燃料ガスは、水蒸気と混ざり合い、予熱された原燃料ガスと水蒸気との混合ガスは、当該気化器３３から改質器３４に流入する。改質器３４は、その内部に充填された例えばＲｕ系またはＮｉ系の改質触媒を有し、燃焼部３５からの熱の存在下で、改質触媒による気化器３３からの混合ガスの反応（水蒸気改質反応）によって水素ガスと一酸化炭素とを生成する。更に、改質器３４は、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気との反応（一酸化炭素シフト反応）によって水素ガスと二酸化炭素とを生成する。これにより、改質器３４によって、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の原燃料ガス等を含むアノードガスが生成されることになる。改質器３４により生成されたアノードガスは、図示しない配管やマニホールド３２のアノードガス通路を介して各単セルＳＣのアノード電極に供給される。

また、燃料電池スタックＦＣＳの各単セルＳＣのカソード電極には、モジュールケース３１内のカソードガス通路を介して酸素を含むカソードガスとしての空気が供給される。各単セルＳＣのカソード電極では、酸化物イオン（Ｏ₂−）が生成され、当該酸化物イオンが電解質を透過してアノード電極で水素や一酸化炭素と反応することにより電気エネルギが得られる。各単セルＳＣにおいて電気化学反応（発電）に使用されなかったアノードガス（以下、「アノードオフガス」という）およびカソードガス（以下、「カソードオフガス」という）は、各単セルＳＣのアノードガス通路やカソードガス通路から上方の燃焼部３５へと流出する。

各単セルＳＣから燃焼部３５に流入したアノードオフガスは、水素や一酸化炭素等の燃料成分を含む可燃性ガスであり、各単セルＳＣから燃焼部３５に流入した酸素を含むカソードオフガスと混ざり合う。以下、アノードオフガスとカソードオフガスとの混合ガスを「オフガス」という。そして、点火ヒータ３６により点火させられて燃焼部３５でオフガス（アノードオフガス）が着火すると、当該オフガスの燃焼により、燃料電池スタックＦＣＳの作動や、気化器３３での原燃料ガスの予熱や水蒸気の生成、改質器３４での水蒸気改質反応等に必要な熱が発生することになる。また、オフガスの燃焼に伴い、燃焼部３５では、水蒸気を含む燃焼排ガスが生成される。

図１に示すように、原燃料ガス供給系統４０は、都市ガスやＬＰガスを供給する原燃料供給源１と気化器３３とを結ぶ原燃料ガス供給管４１と、当該原燃料ガス供給管４１に組み込まれた原燃料ガス供給弁（電磁開閉弁）４２および原燃料ガスポンプ４４と、気化器３３と原燃料ガスポンプ４４との間に位置するように原燃料ガス供給管４１に組み込まれた例えば常温脱硫式の脱硫器４５とを含む。更に、原燃料ガス供給管４１の原燃料ガス供給弁４２と原燃料ガスポンプ４４との間には、圧力センサ４６と第１および第２流量計４７，４８とが組み込まれている。圧力センサ４６は、原燃料ガスポンプ４４の吐出口近傍に位置するように原燃料ガス供給管４１に組み込まれ、当該原燃料ガス供給管４１を流通する原燃料ガスの圧力を検出する。第１および第２流量計４７，４８は、図示しない温度センサおよびヒータを含む熱式流量計であり、当該ヒータから熱が与えられた原燃料ガスの温度変化に基づいて、原燃料供給源１から改質器３４（気化器３３）に向けて原燃料ガス供給管４１を流通する原燃料ガスの単位時間あたりの流量をそれぞれ検出する。

カソードガス供給系統５０は、モジュールケース３１内のカソードガス通路に接続されるカソードガス供給管５１と、カソードガス供給管５１のガス入口に設置されたエアフィルタ５２と、カソードガス供給管５１に組み込まれたブロワ５３とを含む。ブロワ５３を作動させることで、エアフィルタ５２を介して吸入されたカソードガスとしての空気が当該ブロワ５３により上記カソードガス通路を介して各燃料電池スタックＦＣＳへと圧送（供給）される。また、カソードガス供給管５１には、当該カソードガス供給管５１を流通するカソードガスの単位時間あたりの流量が所定値に達するとオンする流量スイッチ５４が設置されている。

改質水供給系統５５は、気化器３３に接続される改質水供給管５６と、改質水供給管５６に接続されると共に改質水を貯留する改質水タンク５７と、改質水供給管５６に組み込まれた改質水ポンプ５８とを含む。改質水ポンプ５８を作動させることで、改質水タンク５７内の改質水が当該改質水ポンプ５８により気化器３３へと圧送（供給）される。また、改質水タンク５７内には、貯留されている改質水を精製する図示しない水精製器が設置されている。

排熱回収系統６０は、給湯ユニット１００の貯湯タンク１０１に接続された循環配管（循環通路）６１と、循環配管６１を流通する湯水と発電モジュール３０の燃焼部３５からの燃焼排ガスとを熱交換させる熱交換器６２と、循環配管６１に組み込まれた循環ポンプ６３とを含む。循環ポンプ６３を作動させることで、当該循環ポンプ６３により貯湯タンク１０１に貯留されている湯水を熱交換器６２へと導入し、熱交換器６２で燃焼排ガスから熱を奪って昇温した湯水を貯湯タンク１０１へと返送することができる。

更に、排熱回収系統６０は、循環配管６１に組み込まれたラジエータ６４と、ラジエータ６４に空気を送り込むラジエータファン（電動ファン）６５と、発電モジュール３０からの電力を消費して循環配管６１内の湯水を加熱する電気ヒータ６６と、循環配管６１内の湯水の温度Ｔｗを検出する温度センサ（サーミスタ）６７とを含む。ラジエータ６４は、熱交換器６２と循環ポンプ６３との間に位置するように循環配管６１に組み込まれ、電気ヒータ６６は、循環ポンプ６３とラジエータ６４との間に位置するように循環配管６１に組み込まれる。また、本実施形態では、電気ヒータ６６として低コストかつコンパクトなセラミックヒータが採用されている。これにより、燃料電池システム１０の大型化やコストアップを良好に抑制することが可能となる。更に、温度センサ６７は、電気ヒータ６６に近接するように当該電気ヒータ６６の下流側に設置される。

電気ヒータ６６は、発電モジュール３０（燃料電池スタックＦＣＳ）に要求される出力が常用定格電力Ｐｒ（本実施形態では、例えば７００Ｗ）よりも低い場合、余剰電力を消費するように作動させられる。この際、温度センサ６７により検出される温度Ｔｗが設定温度になるように、循環ポンプ６３がデューティ制御されると共に、必要に応じてラジエータファン６５が作動させられる。これにより、発電モジュール３０に要求される出力が低い場合であっても、熱交換器６２により各燃料電池スタックＦＣＳの排熱を回収したり、電気ヒータ６６に発電モジュール３０の余剰電力を消費させたりしながら、発電モジュール３０の運転を継続させることが可能となる。また、ラジエータファン６５を適宜作動させてラジエータ６４に空気を送り込むことで、循環配管６１を流通する湯水を冷却し（放熱させ）、貯湯タンク１０１内の湯水の温度が必要以上に高まるのを抑制することができる。

また、排熱回収系統６０の熱交換器６２（燃焼排ガスの通路）は、配管を介して改質水タンク５７に接続されており、燃焼排ガス中の水蒸気が貯湯タンク１０１からの湯水との熱交換により凝縮することにより得られた凝縮水は、当該配管を介して改質水タンク５７内に導入される。更に、熱交換器６２の燃焼排ガスの通路は、排気管６８に接続されている。これにより、発電モジュール３０の燃焼部３５から排出されて熱交換器６２で水分が除去された排ガスは、排気管６８を介して大気中に排出される。

パワーコンディショナ７１は、各燃料電池スタックＦＣＳからの直流電力を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータや、ＤＣ／ＤＣコンバータからの直流電力を交流電力に変換するインバータ等を含む（何れも図示省略）。パワーコンディショナ７１（インバータ）の出力端子は、系統電源２に接続された電力ライン３に接続される。これにより、系統電源２からの電力と、各燃料電池スタックＦＣＳからの電力（上記インバータにより変換された交流電力）との少なくとも何れか一方を家電製品等の複数の負荷４に供給することが可能となる。更に、燃料電池システム１０は、パワーコンディショナ７１に接続された電源基板７２を含む。電源基板７２は、各燃料電池スタックＦＣＳからの直流電力や系統電源２からの交流電源を低圧の直流電力に変換し、原燃料ガス供給弁４２や原燃料ガスポンプ４４、ブロワ５３、改質水ポンプ５８、循環ポンプ６３、ラジエータファン６５等の補機類、温度センサ３７等のセンサ類、更には制御装置８０等に当該直流電力を供給する。

また、パワーコンディショナ７１や電源基板７２等が配置される補機室内には、当該パワーコンディショナ７１や電源基板７２等を冷却するための冷却ファン（図示省略）と、換気ファン２４とが配置されている。図示しない冷却ファンは、パワーコンディショナ７１や電源基板７２の発熱部に空気を送り込み、当該発熱部を冷却して昇温した空気は、換気ファン２４により大気中に排出される。

制御装置８０は、ＣＰＵ８１や、各種プログラムを記憶するＲＯＭ８２、データを一時的に記憶するＲＡＭ８３、入力ポートおよび出力ポート等（何れも図示省略）を含むコンピュータである。制御装置８０は、温度センサ３７や圧力センサ４６、第１および第２流量計４７，４８、温度センサ６７等の検出値、流量スイッチ５４からの信号、電圧センサ８８により検出される発電モジュール３０（燃料電池スタックＦＣＳ）の出力電圧（スタック電圧）Ｖｓ、電流センサ８９により検出される発電モジュール３０（燃料電池スタックＦＣＳ）の出力電流（スタック電流）Ｉｓ等を入力ポートを介して入力する。また、制御装置８０は、換気ファン２４や、点火ヒータ３６、原燃料ガス供給弁４２のソレノイド、原燃料ガスポンプ４４、ブロワ５３、改質水ポンプ５８、循環ポンプ６３、ラジエータファン６５、電気ヒータ６６、パワーコンディショナ７１（ＤＣ／ＤＣコンバータおよびインバータ）、電源基板７２，図示しない表示部等への制御信号を出力ポートを介して出力し、これらの機器を制御する。更に、制御装置８０には、無線式または有線式の通信回線を介して図示しないリモコンが接続される。制御装置８０は、燃料電池システム１０のユーザにより操作された当該リモコンからの信号に基づいて各種制御を実行する。

上述のような燃料電池システム１０では、停電等により系統電源２による電力供給が停止されたときに、上記複数の負荷４のうちの予めユーザにより選択された所定負荷（１つまたは複数の電気機器）に発電モジュール３０（各燃料電池スタックＦＣＳ）により発電された電力のみを供給すると共に余剰電力を循環配管６１の電気ヒータ６６に消費させる自立運転が実行される。この際、制御装置８０は、パワーコンディショナ７１すなわち発電モジュール３０から出力される電力が上記常用定格電力Ｐｒになるように電力指令値Ｐｆｃを設定し、当該電力指令値Ｐｆｃに基づいて対象機器を制御する。また、制御装置８０は、発電モジュール３０の出力電圧Ｖｓおよび出力電流Ｉｓから所定負荷（ユーザ）により要求されているユーザ要求電力Ｐｕを算出すると共に、常用定格電力Ｐｒ、ユーザ要求電力Ｐｕおよび補機消費電力とから余剰電力を算出し、当該余剰電力を消費するように循環配管６１の電気ヒータ６６を制御する。更に、制御装置８０は、温度センサ６７により検出される温度Ｔｗが設定温度になるように、循環ポンプ６３をデューティ制御すると共に、必要に応じてラジエータファン６５を作動させる。

ここで、かかる自立運転が実行されると共に電気ヒータ６６が作動しているときに、循環配管６１内の湯水の流量によっては、電気ヒータ６６の空焚きが発生してしまうおそれがある。この場合、何ら対策を施さなければ、電気ヒータ６６の保護を図る観点から、発電モジュール３０の発電すなわち自立運転を停止させなければならない。このため、燃料電池システム１０では、自立運転の実行中、電気ヒータ６６の保護を図りつつ自立運転を継続させるために、制御装置８０により図２に示すヒータ保護ルーチンが実行される。

図２の燃料不足判定ルーチンは、上記自立運転が実行されており、電気ヒータ６６が作動している間に制御装置８０により所定時間おきに繰り返し実行される。ヒータ保護ルーチンの開始に際して、制御装置８０（ＣＰＵ８１）は、循環配管６１に設置された温度センサ６７により検出される循環配管６１内の湯水の温度Ｔｗと、別途算出されたユーザ要求電力Ｐｕとを取得する（ステップＳ１００）。次いで、制御装置８０は、温度Ｔｗが予め定められた閾値（所定温度）Ｔｗｒｅｆ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。閾値Ｔｗｒｅｆは、実験・解析を経て取得される空焚きにより電気ヒータ６６を破損させる温度Ｔｘ（図３参照）よりも低い温度として予め定められる。

温度Ｔｗが閾値Ｔｗｒｅｆ未満であると判定した場合（ステップＳ１１０：ＮＯ）、制御装置８０は、上述の電力指令値Ｐｆｃを常用定格電力Ｐｒに設定すると共に、上記余剰電力を消費するように循環配管６１の電気ヒータ６６を制御する（ステップＳ１１５）。更に、制御装置８０は、温度センサ６７により検出される温度Ｔｗが上記設定温度になるように循環ポンプ６３の駆動デューティを設定し（ステップＳ１２５）、ヒータ保護ルーチンを一旦終了させる。制御装置８０は、次の実行タイミングが到来した段階で、当該燃料不足判定ルーチンを再度実行する。

一方、温度Ｔｗが閾値Ｔｗｒｅｆ以上であると判定した場合（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、制御装置８０は、ステップＳ１００にて取得したユーザ消費電力Ｐｕに所定値ΔＰ（本実施形態では、例えば１５０Ｗ）を加算した値を電力指令値Ｐｆｃに設定する（ステップＳ１２０）。所定値ΔＰは、当該所定値ΔＰとユーザ消費電力Ｐｕとの和が常用定格電力Ｐｒよりも小さくなるように予め定められる。また、ステップＳ１２０において、制御装置８０は、上記余剰電力を消費するように循環配管６１の電気ヒータ６６を制御すると共に、発電モジュール３０の出力が安定するまで、電気ヒータ６６の出力（発生熱量）が発電モジュール３０（各燃料電池スタックＦＣＳ）の出力電力の低下に追従して低下するように当該電気ヒータ６６を制御する。ステップＳ１２０の処理の後、制御装置８０は、カウンタＣをインクリメントし（ステップＳ１３０）、当該カウンタＣが予め定められた閾値Ｃｒｅｆ未満であるか否かを判定する（ステップＳ１４０）。カウンタＣが閾値Ｃｒｅｆ未満であると判定した場合（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、制御装置８０は、循環ポンプ６３の駆動デューティを１００％に設定し（ステップＳ１５０）、ヒータ保護ルーチンを一旦終了させる。制御装置８０は、次の実行タイミングが到来した段階で、当該燃料不足判定ルーチンを再度実行する。

また、カウンタＣが閾値Ｃｒｅｆ以上であると判定した場合（ステップＳ１４０：ＮＯ）、制御装置８０は、カウンタＣをリセットした上で、循環ポンプ６３の駆動デューティを０％に設定し（ステップＳ１６０）、ヒータ保護ルーチンを一旦終了させる。制御装置８０は、次の実行タイミングが到来した段階で、当該燃料不足判定ルーチンを再度実行する。ステップＳ１６０にてカウンタＣがリセットされた後、ステップＳ１１０にて温度Ｔｗが閾値Ｔｗｒｅｆ以上であると判定された場合には、ステップＳ１４０にて肯定判断がなされ、上記ステップＳ１５０の処理が実行されることになる。これにより、ステップＳ１４０にてカウンタＣが閾値Ｃｒｅｆ以上であると判定された場合には、循環ポンプ６３の作動が一時的に停止された後、駆動デューティが再度１００％に設定され、循環ポンプ６３は、停止前の回転数で回転するように制御される。

上述のようなヒータ保護ルーチンが実行される結果、燃料電池システム１０では、図３に示すように、上記自立運転の実行中に循環配管６１内の湯水の温度Ｔｗが閾値Ｔｗｒｅｆ以上になると（図３における時刻ｔ１）、発電モジュール３０への電力指令値Ｐｆｃが常用定格電力Ｐｒよりも低く設定される（ステップＳ１２０）と共に、循環ポンプ６３の駆動デューティが１００％に設定される（ステップＳ１５０）。これにより、循環ポンプ６３の回転数が増加すると共に、発電モジュール３０（各燃料電池スタックＦＣＳ）による発電電力が低下する。従って、自立運転の実行中に循環配管６１内の湯水の温度Ｔｗが上昇したときに、循環配管６１を流通する湯水の流量を増やすと共に電気ヒータ６６の消費電力を低下させ、循環配管６１内の湯水の温度Ｔｗを低下させると共に電気ヒータ６６の空焚きを抑制することができる。この結果、電気ヒータ６６の空焚きを抑制しつつ、当該電気ヒータ６６による電力消費を許容して燃料電池スタックＦＣＳを含む発電モジュール３０の自立運転を継続して実行することが可能となる。

また、閾値Ｔｗｒｅｆを空焚きにより電気ヒータ６６を破損させる温度よりも低く定めることで、循環配管６１内の湯水を加熱する電気ヒータ６６の空焚きを極めて良好に抑制することができる。加えて、燃料電池システム１０では、電気ヒータ６６の空焚きを抑制しつつ、発電モジュール３０の自立運転を継続させることができるので、電気ヒータ６６として低コストかつコンパクトなセラミックヒータを採用してシステム全体の大型化やコストアップを良好に抑制することが可能となる。ただし、電気ヒータ６６は、セラミックヒータ以外のヒータであってもよい。

更に、上記燃料電池システム１０において、循環ポンプ６３の駆動デューティ（回転数）を増加させた後にカウンタＣの閾値Ｃｒｅｆとヒータ保護ルーチンの実行周期との積に相当する時間（所定時間）が経過し、かつ循環配管６１内の湯水の温度Ｔｗが閾値Ｔｗｒｅｆ以上であるときには（図３における時刻ｔ２）、循環ポンプ６３が一時的に作動停止させられた後、停止前の回転数で回転するように制御される（ステップＳ１１０−Ｓ１６０）。すなわち、循環ポンプ６３の回転数を増加させても循環配管６１内の湯水の温度Ｔｗが低下していかない場合、循環ポンプ６３がエアを吸入するエア噛みが発生し、それにより循環配管６１を流通する湯水の流量が減少していることになる。従って、循環ポンプ６３の回転数を増加させた後に閾値Ｃｒｅｆに基づく所定時間が経過し、かつ循環配管６１内の湯水の温度Ｔｗが閾値Ｔｗｒｅｆ以上であるときには、循環ポンプ６３の作動を一時的に停止させてエアを抜き、停止前の回転数で回転するように当該循環ポンプ６３を再度作動させることで、循環配管６１を流通する湯水の流量を良好に確保することが可能となる。なお、循環ポンプ６３を一時的に停止させる時間は、任意に定めることができる。

また、循環ポンプ６３の駆動デューティ（回転数）を増加させた後に循環配管６１内の湯水の温度Ｔｗが閾値Ｔｗｒｅｆ未満になると（図３における時刻ｔ３）、発電モジュール３０への電力指令値Ｐｆｃが常用定格電力Ｐｒに設定されると共に（ステップＳ１１５）、温度センサ６７により検出される温度Ｔｗが設定温度になるように循環ポンプ６３の駆動デューティが設定される（ステップＳ１２５）。この際、ステップＳ１１５では、発電モジュール３０の出力が安定するまで、電気ヒータ６６は、その出力（発生熱量）が発電モジュール３０（各燃料電池スタックＦＣＳ）の出力電力の増加に追従して増加するように制御される。

以上説明したように、本開示の燃料電池システム１０は、燃料電池スタックＦＣＳを含む発電モジュール３０と、当該発電モジュール３０の排熱を熱源とする熱交換器６２と、湯水を貯留する貯湯タンク１０１と、熱交換器６２と貯湯タンク１０１とに接続された循環配管６１と、熱交換器６２と貯湯タンク１０１との間で循環配管６１を介して湯水を循環させる循環ポンプ６３と、発電モジュール３０の余剰電力を消費して循環配管６１内の湯水を加熱する電気ヒータ６６と、制御装置８０を含み、発電モジュール３０からの電力と系統電源２からの電力との少なくとも何れか一方を複数の負荷４に供給可能なものである。そして、制御装置８０は、系統電源２による電力供給が停止されたときに、発電モジュール３０により発電される電力のみを複数の負荷４のうちの所定負荷に供給すると共に余剰電力を電気ヒータ６６に消費させる自立運転を実行すると共に、自立運転の実行中に循環配管６１内の湯水の温度Ｔｗが閾値Ｔｗｒｅｆ以上であるときに、循環ポンプ６３の回転数を増加させると共に、発電モジュール３０による発電電力を低下させる（図２のステップＳ１１０−Ｓ１５０）。これにより、電気ヒータ６６の空焚きを抑制しつつ、当該電気ヒータ６６による電力消費を許容して燃料電池スタックＦＣＳを含む発電モジュール３０の自立運転を継続して実行することが可能となる。

また、本開示の発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本開示の外延の範囲内において様々な変更をなし得ることはいうまでもない。更に、上記実施形態は、あくまで発明の概要の欄に記載された発明の具体的な一形態に過ぎず、発明の概要の欄に記載された発明の要素を限定するものではない。

本開示の発明は、燃料電池システムの製造産業等において利用可能である。

１ 原燃料供給源、２ 系統電源、３ 電力ライン、４ 負荷、１０ 燃料電池システム、２０ 発電ユニット、２２ 筐体、２４ 換気ファン、３０ 発電モジュール、３１ モジュールケース、３２ マニホールド、３３ 気化器、３４ 改質器、３５ 燃焼部、３６ 点火ヒータ、３７ 温度センサ、４０ 原燃料ガス供給系統、４１ 原燃料ガス供給管、４２ 原燃料ガス供給弁、４４ 原燃料ガスポンプ、４５ 脱硫器、４６ 圧力センサ、４７ 第１流量計、４８ 第２流量計、４９ 第３流量計、５０ カソードガス供給系統、５１ カソードガス供給管、５２ エアフィルタ、５３ ブロワ、５４ 流量スイッチ、５５ 改質水供給系統、５６ 改質水供給管、５７ 改質水タンク、５８ 改質水ポンプ、６０ 排熱回収系統、６１ 循環配管、６２ 熱交換器、６３ 循環ポンプ、６４ ラジエータ、６５ ラジエータファン、６６ 電気ヒータ、６７ 温度センサ、６８ 排気管、７１ パワーコンディショナ、７２ 電源基板、８０ 制御装置、８１ ＣＰＵ、８２ ＲＯＭ、８３ ＲＡＭ、８８ 電圧センサ、８９ 電流センサ、１００ 給湯ユニット、１０１ 貯湯タンク、ＦＣＳ 燃料電池スタック、ＳＣ 単セル。

Claims (5)

1. 燃料電池を含む発電モジュールと、前記発電モジュールの排熱を熱源とする熱交換器と、水を貯留する貯湯タンクと、前記熱交換器と前記貯湯タンクとに接続された循環通路と、前記熱交換器と前記貯湯タンクとの間で前記循環通路を介して水を循環させるポンプと、前記発電モジュールの余剰電力を消費して前記循環通路内の水を加熱するヒータとを含み、前記発電モジュールからの電力と系統電源からの電力との少なくとも何れか一方を複数の負荷に供給可能な燃料電池システムにおいて、
   前記系統電源による電力供給が停止されたときに、前記発電モジュールにより発電される電力のみを前記複数の負荷のうちの所定負荷に供給すると共に余剰電力を前記ヒータに消費させる自立運転を実行すると共に、前記自立運転の実行中に前記循環通路内の水の温度が所定温度以上であるときに、前記ポンプの回転数を増加させると共に、前記発電モジュールによる発電電力を低下させる制御装置を備える燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置は、前記ポンプの回転数を増加させた後に所定時間が経過し、かつ前記循環通路内の水の温度が所定温度以上であるときに、前記ポンプの作動を一時的に停止させると共に、停止前の回転数で回転するように前記ポンプを再度作動させる燃料電池システム。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記所定温度は、空焚きにより前記ヒータを破損させる温度よりも低く定められる燃料電池システム。
4. 請求項１から３の何れか一項に記載の燃料電池システムにおいて、前記ヒータは、セラミックヒータである燃料電池システム。
5. 燃料電池を含む発電モジュールと、前記発電モジュールの排熱を熱源とする熱交換器と、水を貯留する貯湯タンクと、前記熱交換器と前記貯湯タンクとに接続された循環通路と、前記熱交換器と前記貯湯タンクとの間で前記循環通路を介して水を循環させるポンプと、前記発電モジュールの余剰電力を消費して前記循環通路内の水を加熱するヒータとを含み、前記発電モジュールからの電力と系統電源からの電力との少なくとも何れか一方を複数の負荷に供給可能な燃料電池システムの制御方法において、
   前記系統電源による電力供給が停止されたときに、前記発電モジュールにより発電される電力のみを前記複数の負荷のうちの所定負荷に供給すると共に余剰電力を前記ヒータに消費させる自立運転を実行すると共に、前記自立運転の実行中に前記循環通路内の水の温度が所定温度以上であるときに、前記ポンプの回転数を増加させると共に、前記発電モジュールによる発電電力を低下させる燃料電池システムの制御方法。

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