JP2023047070A - 燃料電池システム及び制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池システムの発電出力の応答性を向上させる。【解決手段】燃料電池システム１は、複数の燃料電池１０と、各燃料電池１０の運転状態を制御する制御装置２０とを備えている。制御装置２０は、出力指令を取得する指令取得部２２と、通常運転モードで運転すべき燃料電池１０の台数を決定する通常運転台数決定部２３と、各燃料電池１０の運転状態を決定する運転状態決定部２４と、を有する。運転状態決定部２４は、出力指令に応じて、通常運転モードで運転されている燃料電池の少なくとも１つの運転モードを待機運転モードに変更し、又は、待機運転モードで運転されている燃料電池の少なくとも１つの運転モードを通常運転モードに変更する。【選択図】図１

Description

本発明の実施の形態は、燃料電池システム及びその制御方法に関する。
燃料ガスの有している化学エネルギーを直接電気に変換するシステムとして、燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、燃料である水素と酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて電気を発生させる燃料電池を備えている。このような燃料電池システムは、高い発電効率で電気エネルギーを取り出すことが可能である。特許文献１には、複数の燃料電池を備えた燃料電池システムが開示されている。
特開２００１－１０２０７４号公報
ここで、要求される発電出力に対する燃料電池システムの発電出力の応答性向上が求められている。
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、燃料電池システムの発電出力の応答性向上を目的とする。
本発明による燃料電池システムは、
複数の燃料電池と、
各燃料電池の運転状態を制御する制御装置と、
を備え、
各燃料電池は、発電効率が第１の発電効率以上となる発電出力で運転される通常運転モードと、発電効率が前記第１の発電効率よりも低い第２の発電効率以下となる発電出力で運転される待機運転モードと、を含む複数の運転モードで運転可能であり、
前記制御装置は、
前記燃料電池システムが発電すべき総発電出力を示す出力指令を取得する指令取得部と、
前記出力指令が示す総発電出力に基づき、通常運転モードで運転すべき燃料電池の台数を決定する通常運転台数決定部と、
前記通常運転台数決定部で決定された台数に基づいて、各燃料電池の運転状態を決定する運転状態決定部と、
を有し、
前記燃料電池システムが発電している総発電出力よりも前記出力指令が示す総発電出力が低い場合、或いは通常運転モードで運転されている燃料電池の台数よりも前記通常運転台数決定部で決定された台数が少ない場合、前記運転状態決定部は、通常運転モードで運転されている燃料電池の少なくとも１つの運転モードを待機運転モードに変更し、
前記燃料電池システムが発電している総発電出力よりも前記出力指令が示す総発電出力が高い場合、或いは通常運転モードで運転されている燃料電池の台数よりも前記通常運転台数決定部で決定された前記台数が多い場合、前記運転状態決定部は、待機運転モードで運転されている燃料電池の少なくとも１つの運転モードを通常運転モードに変更する。
本発明による制御方法は、
各々が、発電効率が第１の発電効率以上となる高効率発電出力で運転される通常運転モードと、発電効率が前記第１の発電効率よりも低い第２の発電効率以下となる低効率発電出力で運転される待機運転モードと、を含む複数の運転モードで運転可能な、複数の燃料電池を含む燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムが発電すべき総発電出力を示す出力指令を取得する出力指令取得工程と、
前記出力指令が示す総発電出力に基づき、通常運転モードで運転すべき燃料電池の台数を決定する通常運転台数決定工程と、
前記通常運転台数決定工程で決定された台数に基づいて、各燃料電池の運転状態を決定する運転状態決定工程と、
を備え、
前記運転状態決定工程では、
前記燃料電池システムが発電している総発電出力よりも前記出力指令が示す総発電出力が低い場合、或いは通常運転モードで運転されている燃料電池の台数よりも前記通常運転台数決定工程で決定された台数が少ない場合、通常運転モードで運転されている燃料電池の少なくとも１つの運転モードを待機運転モードに変更し、
前記燃料電池システムが発電している総発電出力よりも前記出力指令が示す総発電出力が高い場合、或いは通常運転モードで運転されている燃料電池の台数よりも前記通常運転台数決定工程で決定された前記台数が多い場合、待機運転モードで運転されている燃料電池の少なくとも１つの運転モードを通常運転モードに変更する。
本発明によれば、燃料電池システムの発電出力の応答性を向上させることができる。
図１は、本発明の第１の実施形態による燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 図２は、図１に示す燃料電池システムに含まれる燃料電池の構成を示す図である。 図３は、図１に示す燃料電池システムの制御装置の構成を示す図である。 図４は、第１の実施形態による燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。 図５は、第１の実施形態による燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。 図６は、第２の実施形態による燃料電池システムの制御装置の構成を示す図である。 図７は、第２の実施形態による燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。 図８は、第２の実施形態による燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。
＜第１の実施形態＞
以下、本発明の第１の実施形態を、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態による燃料電池システム１の構成を示すブロック図である。図２は、図１に示す燃料電池システム１に含まれる燃料電池１０の構成を概略的に説明するための図である。
図１に示す燃料電池システム１は、複数の燃料電池１０と、制御装置２０と、操作装置３０と、を備えている
燃料電池１０は、水素と酸素とを用いて電気を発生させる。各燃料電池１０は、例えば固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）である。図２に示す例では、燃料電池１０は、燃料電池スタック１１と、燃料供給配管１４と、燃料排出配管１５と、空気供給配管１６と、空気排出配管１７と、電源装置１８と、を有している。
燃料電池スタック１１は、電解質膜を挟んで設けられたアノード１２とカソード１３とを備えている。燃料供給配管１４は、アノード１２の吸気口に接続されている。この燃料供給配管１４は、水素ガスをアノード１２に供給する。燃料排出配管１５は、アノード１２の排出口に接続されている。この燃料排出管１５は、アノード１２から排出されたガスを、燃料電池１０の外部または内部に排出する。空気供給配管１６は、カソード１３の吸気口に接続されている。この空気供給配管１６は、空気中の酸素ガスをカソード１３に供給する。空気排出配管１７は、カソード１３の排出口に接続されている。この空気排出配管１７は、カソード１３から排出されたガスを、燃料電池１０の外部に排出する。
燃料電池スタック１１は、燃料供給配管１４を介してアノード１２に供給された水素ガスと、空気供給配管１６を介してカソード１３に供給された空気中の酸素ガスとを用いて発電する。
電源装置１８は、燃料電池スタック１１の電極に接続されている。電源装置１８は、燃料電池スタック１１から電流を取り出す。図示された例では、各燃料電池１０の最大発電出力は１００ｋＷである。
制御装置２０は、各燃料電池１０の運転状態を制御する。具体的には、制御装置２０は、各燃料電池１０に制御信号を送ることにより、当該燃料電池１０を、通常運転モードと待機運転モードとを含む複数の運転モードで運転させる。また、制御装置２０は、各燃料電池１０に制御信号を送ることにより、燃料電池１０の運転を停止させ、又は、運転が停止している燃料電池１０を起動させる。すなわち、各燃料電池１０は、制御信号を受けて、通常運転モードで運転された状態、待機運転モードで運転された状態、及び、運転停止状態の、いずれかの運転状態にされる。
ここで、燃料電池１０は、通常運転モードで運転されるとき、発電効率が第１の発電効率以上となる発電出力で運転される。通常運転モードで運転される燃料電池１０の発電効率が所定の発電効率以上であることにより、燃料電池システム１全体の発電効率を所定の発電効率以上にすることができる。また、燃料電池１０は、待機運転モードで運転されるとき、発電効率が上記第１の発電効率よりも低い第２の発電効率以下となる発電出力で運転される。図示された例では、燃料電池１０は、待機運転モードで運転されるとき、燃料電池システム１が電力供給を行う系統から解列されて、自立運転される。
図示された例では、燃料電池１０は、通常運転モードで運転されるとき、当該燃料電池の最大発電出力の４０～６０％となる発電出力、あるいは４２％～５８％となる発電出力で運転される。図示された例では、燃料電池１０は、通常運転モードで運転されるとき、当該燃料電池１０の発電効率が最大となる発電出力で運転される。一般に、燃料電池１０は、当該燃料電池１０の最大発電出力の約５０％となる発電出力で運転される時、その発電効率が最大となる。図示された例では、各燃料電池１０は、通常運転モードで運転されるとき、その最大発電出力の５０％となる発電出力で運転される。上述したように、図示された例では各燃料電池１０の最大発電出力は１００ｋＷであるため、通常運転モードで運転される燃料電池１０の発電出力は、５０ｋＷである。
また、図示された例では、燃料電池１０は、待機運転モードで運転されるとき、当該燃料電池１０の最大発電出力の５～１５％となる発電出力で運転される。図示された例では、燃料電池１０は、待機運転モードで運転されるとき、当該燃料電池１０の最大発電出力の１０％となる発電出力で運転される。上述したように、図示された例では各燃料電池１０の最大発電出力は１００ｋＷであるため、待機運転モードで運転される燃料電池１０の発電出力は、１０ｋＷである。
以下では、通常運転モードで運転されている燃料電池１０を、「通常モード燃料電池」又は「通常モードＦＣ」とも呼ぶ。また、以下では、待機運転モードで運転されている燃料電池１０を、「待機モード燃料電池」又は「待機モードＦＣ」とも呼ぶ。また、以下では、運転停止状態にある燃料電池１０を、「停止燃料電池」又は「停止ＦＣ」とも呼ぶ。また、以下では、通常運転モードで運転されている燃料電池１０の発電出力を、「通常発電出力」とも呼ぶ。また、以下では、待機運転モードで運転されている燃料電池１０の発電出力を、「待機発電出力」とも呼ぶ。
図３は、制御装置２０の構成を概略的に示すブロック図である。図３に示すように、第１の実施形態による制御装置２０は、情報取得部２１と、指令取得部２２と、通常運転台数決定部２３と、運転状態決定部２４と、を有している。
情報取得部２１は、通常モード燃料電池１０の台数、待機モード燃料電池１０の台数、及び、各燃料電池１０の起動回数を取得する。情報取得部２１には、例えば、運転状態決定部２４から、通常モード燃料電池１０の台数、待機モード燃料電池１０の台数及び各燃料電池１０の起動回数が入力される。
指令取得部２２は、燃料電池システム１が発電すべき総発電出力を示す出力指令を取得する。図示された例では、指令取得部２２は、上記総発電出力を、操作装置３０から取得する。以下では、出力指令が示す総発電出力を、「指令総発電出力」とも呼ぶ。また、燃料電池システム１が出力している総発電出力を、「現行総発電出力」とも呼ぶ。
通常運転台数決定部２３は、指令総発電出力と現行総発電出力とが異なる場合、出力指令に基づき、通常運転モードで運転すべき燃料電池１０の台数を決定し、決定された台数を運転状態決定部２４に入力する。通常運転台数決定部２３は、指令総発電出力を通常発電出力で除算した結果に基づいて、通常運転モードで運転すべき燃料電池１０の台数を決定する。例えば、指令総発電出力が２００ｋＷであり、通常発電出力が５０ｋＷである場合、指令総発電出力を通常発電出力で除算した結果は、２００ｋＷ／５０ｋＷ＝４となる。したがって、通常運転台数決定部２３は、通常運転モードで運転すべき燃料電池１０の台数を、４台とする。なお、指令総発電出力が現行総発電出力に等しい場合、通常運転台数決定部２３から運転状態決定部２４への入力は行われない。以下では、通常運転台数決定部２３で決定された通常運転モードで運転すべき燃料電池１０の台数を、「指令通常モード台数」とも呼ぶ。
運転状態決定部２４は、通常運転台数決定部２３で決定された指令通常モード台数に基づいて、各燃料電池１０の運転状態を決定する。現行総発電出力よりも指令総発電出力が低い場合（したがって、通常モード燃料電池の台数よりも指令通常モード台数が少ない場合）、運転状態決定部２４は、少なくとも１台の通常モード燃料電池１０の運転モードを待機運転モードに変更する。また、現行総発電出力よりも指令総発電出力が高い場合（したがって、通常モード燃料電池の台数よりも指令通常モード台数が多い場合）、運転状態決定部２４は、少なくとも１台の待機モード燃料電池１０の運転モードを通常運転モードに変更し、或いは、少なくとも１台の停止燃料電池１０の運転モードを通常運転モードに変更する。
例えば、通常発電出力が５０ｋＷであり、通常モード燃料電池の台数が５台であり、現行総発電出力が２５０ｋＷであるものとする。この状態で、指令総発電出力が２００ｋＷである出力指令が入力されると、通常運転台数決定部２３は、指令通常モード台数を４台と決定する。この場合、運転状態決定部２４は、５台の通常モード燃料電池１０のうち１台の運転モードを待機運転モードに変更する。
あるいは、例えば、通常発電出力が５０ｋＷであり、通常モード燃料電池の台数が３台であり、現行総発電出力が１５０ｋＷであるものとする。この状態で、指令総発電出力が２００ｋＷである出力指令が入力されると、通常運転台数決定部２３は、指令通常モード台数を４台と決定する。この場合、運転状態決定部２４は、複数の燃料電池１０のうち通常モード燃料電池１０以外の燃料電池１台の運転モードを通常運転モードに変更する。
運転状態決定部２４は、通常モード燃料電池１０の運転モードを待機運転モードに変更する際、通常モード燃料電池１０が複数存在する場合には、以下のようにして、待機運転モードに変更される燃料電池１０を選択する。すなわち、運転状態決定部２４は、通常モード燃料電池１０のうち情報取得部２１で取得された起動回数が最も少ない燃料電池１０を、その運転モードが待機運転モードに変更される燃料電池として選択する。
また、運転状態決定部２４は、停止燃料電池１０を通常運転モードに変更する際、停止燃料電池１０が複数存在する場合には、以下のようにして、通常運転モードに変更される燃料電池１０を選択する。すなわち、運転状態決定部２４は、停止燃料電池１０のうち情報取得部２１で取得された起動回数が最も少ない燃料電池１０を、通常運転モードに変更される燃料電池として選択する。
また、運転状態決定部２４は、情報取得部２１で取得された待機モード燃料電池１０の台数が所定の台数Ｎよりも多い場合、待機モード燃料電池１０のうち、情報取得部２１で取得された起動回数が最も少ない燃料電池１０を、運転が停止される燃料電池１０として決定する。
このように第１の実施形態の燃料電池システム１においては、通常モード燃料電池１０の台数が指令総発電出力を出力するのに必要となる燃料電池１０の台数よりも多い場合、過剰の通常モード燃料電池１０の運転状態を直ちに運転停止状態にせず、待機運転モードに変更する。あるいは、第１の実施形態の燃料電池システム１においては、通常運転モード燃料電池１０の台数が指令総発電出力を出力するのに必要となる燃料電池１０の台数よりも少ない場合、通常運転モードで運転される燃料電池１０の台数を増やすが、このとき、待機モード燃料電池１０が存在する場合には、待機モード燃料電池１０を停止燃料電池１０よりも優先させて通常運転モードに変更する。このように複数の燃料電池１０を制御することにより、燃料電池システム１の総発電出力を増大させる際に運転停止状態にある燃料電池１０を起動させる機会が低減される。この結果、燃料電池システム１の発電出力の応答性を向上させることができる。
また、第１の実施形態の燃料電池システム１においては、通常運転モードから待機運転モードに変更される燃料電池１０として、通常モード燃料電池１０のうち起動・停止回数が最も少ない燃料電池１０を選択する。さらに、待機運転モードから運転停止状態に変更される燃料電池１０として、待機モード燃料電池１０のうち起動・停止回数が最も少ない燃料電池１０を選択する。起動・停止回数が最も少ない燃料電池１０を通常運転モードから待機運転モードに変更し、また、待機運転モードから運転停止状態に変更することにより、複数の燃料電池１０の間で起動・停止回数の偏りが生じることを抑制することができる。言い換えると、複数の燃料電池１０のうち一部の燃料電池１０の起動・停止回数が他の燃料電池１０の起動・停止回数よりも著しく増大する、ということを抑制することができる。これにより、複数の燃料電池１０のうち一部の燃料電池１０が他の燃料電池１０よりも先に劣化することを抑制することができる。この結果、燃料電池システム１を信頼性高く稼働させることができる。
また、第１の実施形態の燃料電池システム１においては、運転停止状態から待機運転モードに変更される燃料電池１０として、停止燃料電池１０のうち起動・停止回数が最も少ない燃料電池１０を選択する。このことによっても、複数の燃料電池１０の間で起動・停止回数の偏りが生じることを抑制することができ、複数の燃料電池１０のうち一部の燃料電池１０が他の燃料電池１０よりも先に劣化することを抑制することができる。
なお、上述したように、指令総発電出力が現行総発電出力に等しい場合、通常運転台数決定部２３から運転状態決定部２４への入力が行われない。したがって、この場合、運転状態決定部２４は、各燃料電池１０の運転状態を変更しない。言い換えると、この場合、通常モード燃料電池１０の運転モードは通常運転モードに維持され、待機モード燃料電池１０の運転モードは待機運転モードに維持され、停止燃料電池１０は運転停止状態に維持される。
次に、図４及び図５を参照して、燃料電池システム１の制御方法について説明する。ここでは、燃料電池システム１が含む複数の燃料電池１０の台数を６台とし、複数の燃料電池１０それぞれの最大発電出力を１００ｋＷとし、各燃料電池１０の通常発電出力を５０ｋＷとして説明する。また、指令総発電出力は、０ｋＷ、５０ｋＷ、１００ｋＷ，１５０ｋＷ、２００ｋＷ、２５０ｋＷ及び３００ｋＷのいずれかとする。
図４に示すように、指令取得部２２は、操作装置３０から燃料電池システム１が発電すべき総発電出力（指令総発電出力）を示す出力指令を取得する（ステップＳ１１）。
次に、通常運転台数決定部２３は、指令総発電出力が現行総発電出力に等しいか否かを判断する（ステップＳ１２）。指令総発電出力が現行総発電出力に等しい場合（ステップＳ１２のＹＥＳ）、各燃料電池１０の運転状態が維持される。
一方、ステップＳ１２で指令総発電出力が現行総発電出力と異なる場合（ステップＳ１２のＮＯ）、通常運転台数決定部２３は、指令総発電出力が現行総発電出力よりも大きいか否かを判断する（ステップＳ１３）。ステップＳ１３において、通常運転台数決定部２３は、指令総発電出力を通常発電出力で除算した値（指令通常モード台数）が、通常モード燃料電池１０の台数よりも大きいか否かを判断してもよい。そして、指令総発電出力が現行総発電出力よりも大きい場合（或いは、指令通常モード台数が通常モード燃料電池１０の台数よりも大きい場合）（ステップＳ１３のＹＥＳ）、通常運転台数決定部２３は、指令通常モード台数を運転状態決定部２４に渡す。そして、運転状態決定部２４は、情報取得部２１から待機モード燃料電池１０の台数についての情報を取得し、待機モード燃料電池１０の台数が１以上であるか否かを判断する（ステップＳ１４）。待機モード燃料電池１０の台数が１以上である場合には（ステップＳ１４のＹＥＳ）、運転状態決定部２４は、１台の待機モード燃料電池１０の運転モードを通常運転モードに変更する（ステップＳ１５）。この結果、当該燃料電池１０が、通常運転モードで運転される。その後、再び、ステップＳ１２の判断を行う。また、ステップＳ１５において、運転状態決定部２４は、各燃料電池１０の運転状態に関する情報を、情報取得部２１に渡す。
ステップＳ１４において、待機モード燃料電池１０が存在しない場合には（ステップＳ１４のＮＯ）、運転状態決定部２４は、停止燃料電池１０のうち起動・停止回数が最も少ない燃料電池１台を通常運転モードに変更する（ステップＳ１６）。この結果、当該燃料電池１０が起動されて、通常運転モードで運転される。その後、再び、ステップＳ１２の判断を行う。
次に、ステップＳ１３において、指令総発電出力が現行総発電出力よりも小さい場合（或いは、指令通常モード台数が通常モード燃料電池１０の台数よりも小さい場合）（ステップＳ１３のＮＯ）について説明する。この場合、通常運転台数決定部２３は、指令通常モード台数を運転状態決定部２４に渡す。そして、運転状態決定部２４では、情報取得部２１から各燃料電池１０の起動・停止回数についての情報を取得し、通常モード燃料電池１０のうち起動・停止回数が最も少ない燃料電池１台の運転モードを、待機運転モードに変更する（ステップＳ１７）。この結果、当該燃料電池１０が待機運転モードで運転される。その後、運転状態決定部２４では、待機モード燃料電池１０の台数が所定の台数Ｎよりも多いか否かを判断する（ステップＳ１８）。ステップＳ１８において、待機モード燃料電池１０の台数が所定の台数Ｎよりも多いと判断された場合（ステップＳ１８のＹＥＳ）、運転状態決定部２４は、待機モード燃料電池１０のうち、起動・停止回数が最も少ない燃料電池１０を運転停止状態にする（ステップＳ１９）。このとき、運転停止状態に変更される燃料電池１０の台数は、待機モード燃料電池１０の台数から上記所定の台数Ｎを引いた値に等しい。この値は、待機モード燃料電池１０の台数として過剰な台数を表している。ステップＳ１９の結果、起動・停止回数が最も少ない待機モード燃料電池１０が、上記過剰な台数だけ運転停止状態にされる。また、ステップＳ１９において、運転状態決定部２４は、各燃料電池１０の運転状態に関する情報を、情報取得部２１に渡す。その後、再び、ステップＳ１２の判断を行う。
一方、ステップＳ１８において、待機モード燃料電池１０の台数が所定の台数Ｎ以下であると判断された場合（ステップＳ１８のＮＯ）、運転状態決定部２４は、待機モード燃料電池１０の運転状態を変更しない。また、運転状態決定部２４は、各燃料電池１０の運転状態に関する情報を、情報取得部２１に渡す。その後、再び、ステップＳ１２の判断を行う。
なお、上述してきた一実施形態では、ステップＳ１４で待機モード燃料電池１０が存在しない場合（ステップＳ１４のＮＯ）、停止燃料電池１０を起動させたが、これに限られない。ステップＳ１４のＮＯの場合、複数の燃料電池１０の中に待機運転モード（又は通常運転モード）から運転停止状態へ移行中の燃料電池１０が存在する場合は、運転状態決定部２４は、運転停止状態へ移行中の燃料電池１台の運転状態を通常運転モードに変更してもよい。これにより、当該燃料電池の起動・停止回数の増大を抑制することができる。
＜第２の実施形態＞
次に、図６乃至図８を参照して、第２の実施形態による燃料電池システム１について説明する。図６に示す第２の実施形態の燃料電池システム１は、制御装置２０が予測指令取得部２５及び待機運転台数決定部２６を含む点で、第１の実施形態の燃料電池システム１と異なっている。他の構成は、図１乃至図５に示す第１の実施形態による燃料電池システム１と略同一である。図６乃至図８に示す第２の実施形態において、図１乃至図５に示す第１の実施形態と同一の部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
予測指令取得部２５は、燃料電池システム１が将来発電すべき総発電出力を示す予測出力指令を取得する。図示された例では、予測指令取得部２５は、予測出力指令を、操作装置３０から取得する。操作装置３０から予測指令取得部２５へは、例えば、２０分後から４０分後までの間に燃料電池システム１が発電すべき総発電出力を示す予測出力指令が、２０分毎に入力される。なお、以下では、予測出力指令が示す総発電出力を、「予測総発電出力」とも呼ぶ。
待機運転台数決定部２６は、予測出力指令の入力を受けて、予測総発電出力を出力するのに必要となる燃料電池１０の台数を算出する。具体的には、予測総発電出力を通常発電出力で除算することにより、予測総発電出力を出力するのに必要となる燃料電池１０の台数を算出する。そして、算出された台数と、現時点での（予測出力指令が入力された時点での）通常モード燃料電池１０の台数及び待機モード燃料電池１０の台数の和と、を比較する。算出された台数が上記和よりも多い場合には、待機運転台数決定部２６は、算出された台数と上記和との差を運転停止状態から待機運転モードに変更すべき燃料電池１０の台数として、運転状態決定部２４に入力する。一方、算出された台数が上記和以下である場合には、待機運転台数決定部２６から運転状態決定部２４への入力は行われない。
なお、以下では、予測総発電出力を出力するのに必要となる燃料電池１０の台数を、「予測必要台数」とも呼ぶ。また、現時点での（予測出力指令が入力された時点での）通常モード燃料電池の台数及び待機モード燃料電池の台数の和を、「現行運転台数」とも呼ぶ。また、予測必要台数と現行運転台数との差を、「不足運転台数」とも呼ぶ。
運転状態決定部２４は、待機運転台数決定部２６からの不足運転台数Ｍの入力を受けて、停止燃料電池１０を待機運転モードに変更する。この場合、運転状態決定部２４は、停止燃料電池１０のうち起動・停止回数が最も少ない燃料電池１０を、待機運転台数決定部２６で算出された不足運転台数Ｍだけ、待機運転モードに変更する。この結果、当該燃料電池１０が不足運転台数Ｍだけ起動されて、待機運転モードで運転される。これにより、予測総発電出力を出力するのに十分な台数の燃料電池１０が、通常運転モード又は待機運転モードで運転される。
また、運転状態決定部２４は、通常運転台数決定部２３から指令通常モード台数が入力されると、指令通常モード台数と通常モード燃料電池の台数との差を、指令総発電出力を出力するのに不足する通常運転モードで運転される燃料電池の台数として算出する。これは、待機運転モードから通常運転モードに変更すべき燃料電池１０の台数でもある。そして、待機モード燃料電池１０を、算出された台数だけ、通常運転モードに変更する。以下では、指令通常モード台数の入力を受けて待機運転モードから通常運転モードに変更すべき燃料電池１０の台数を、「不足通常モード台数」とも呼ぶ。
このように、第２の実施形態の燃料電池システム１においては、定期的に予測出力指令が入力される。そして、予測必要台数が現行運転台数よりも多い場合には、停止燃料電池を起動させて待機運転モードで運転させておく。これにより、指令総発電出力が増大して通常運転モードで運転すべき燃料電池１０の台数が増大した場合、待機モード燃料電池１０を通常運転モードに変更するだけでよく、停止燃料電池１０を起動させる必要がない。この結果、燃料電池システム１の発電出力の応答性を向上させることができる。また、停止燃料電池１０を待機運転モードに変更する際、停止燃料電池１０のうち起動・停止回数が最も少ない燃料電池１０を起動させることにより、複数の燃料電池１０の間で起動・停止回数の偏りが生じることを抑制することができる。この結果、複数の燃料電池１０のうち一部の燃料電池１０が他の燃料電池１０よりも先に劣化することを、抑制することができる。
次に、図７及び図８を参照して、第２の実施形態の燃料電池システム１の制御方法について説明する。なお、図７に示す処理は、図８に示す処理とは独立して定期的に行われる。
図７に示すように、操作装置３０から予測指令取得部２５へ、定期的に（例えば２０分間隔で）予測出力指令の入力が行われる（ステップＳ２１）。予測出力指令は、上述したように、将来（例えば２０分後から４０分後までの間に）燃料電池システム１が発電すべき予測総発電出力を示す。
予測指令取得部２５に予測出力指令が入力されると、待機運転台数決定部２６は、予測総発電出力で出力するのに必要となる燃料電池の台数（予測必要台数）を算出する。そして、算出された予測必要台数と現行運転台数とを比較する（ステップＳ２２）。ステップＳ２２で、予測必要台数が現行運転台数よりも多い場合には（ステップＳ２２のＹＥＳ）、予測必要台数と現行運転台数とから不足運転台数Ｍを求める。そして、得られた不足運転台数Ｍを、運転状態決定部２４に入力する。
待機運転台数決定部２６から不足運転台数Ｍが入力されると、運転状態決定部２４は、停止燃料電池１０のうち、起動・停止回数が最も少ない燃料電池を、不足運転台数Ｍだけ待機運転モードに変更する（ステップＳ２３）。この結果、当該燃料電池１０が起動されて、待機運転モードで運転される。また、ステップＳ２３において、運転状態決定部２４は、各燃料電池１０の運転状態に関する情報を、情報取得部２１に渡す。
なお、ステップＳ２２で、予測必要台数が現行運転台数以下であるには（ステップＳ２２のＮＯ）、待機運転台数決定部２６から運転状態決定部２４への入力は行われない。この結果、予測出力指令の入力に伴う停止燃料電池１０の起動は行われない。
図７に示す処理の後、図８に示すように指令取得部２２が操作装置３０から出力指令を取得すると（ステップＳ１１）、図４に示す場合と同様に、通常運転台数決定部２３は、ステップＳ１２の判断を行う。そして、ステップＳ１２でＮＯの場合には、通常運転台数決定部２３は、ステップＳ１３の判断を行う。ステップＳ１３でＹＥＳの場合、指令総発電出力を出力するのに必要となる通常運転される燃料電池の台数（指令通常モード台数）を算出する。
次に、通常運転台数決定部２３は、指令総発電出力を出力するのに不足する通常運転される燃料電池の台数（不足通常モード台数）を算出して、算出した値を運転状態決定部２４に入力する。次に、運転状態決定部２４では、待機モード燃料電池１０を、不足通常モード台数だけ通常運転モードに変更する（ステップＳ２４）。この結果、燃料電池１０が、不足通常モード台数だけ待機運転モードから通常運転モードに変更される。
なお、上述した実施形態に対し、様々な変更を加えることが可能である。例えば、上述した実施形態では、指令総発電出力は、０ｋＷ、５０ｋＷ、１００ｋＷ，１５０ｋＷ、２００ｋＷ、２５０ｋＷ及び３００ｋＷのいずれかであるが、これに限られない。指令総発電出力は、４２ｋＷ、５８ｋＷ、１４２ｋＷ等、任意の値であってよい。この場合、通常モード燃料電池１０を、その最大発電出力の４０～６０％となる発電出力で運転させるのであれば、任意の発電出力で運転させてよい。例えば、各燃料電池１０の最大発電出力が１００ｋＷであり且つ指令総発電出力が４２ｋＷである場合、１台の通常モード燃料電池１０を、その最大発電出力の４２％となる発電出力で運転させてもよい。また、各燃料電池１０の最大発電出力が１００ｋＷであり且つ指令総発電出力が１４２ｋＷである場合、２台の通常モード燃料電池１０を、その最大発電出力の５０％となる発電出力で運転させ、１台の通常モード燃料電池１０を、その最大発電出力の４２％となる発電出力で運転させてもよい。
以上のように、第１及び第２の実施形態による燃料電池システム１は、複数の燃料電池１０と、各燃料電池１０の運転状態を制御する制御装置２０と、を備える。各燃料電池１０は、発電効率が第１の発電効率以上となる発電出力で運転される通常運転モードと、発電効率が第１の発電効率よりも低い第２の発電効率以下となる発電出力で運転される待機運転モードと、を含む複数の運転モードで運転可能である。制御装置２０は、指令取得部２２と通常運転台数決定部２３と運転状態決定部２４とを有する。指令取得部２２は、燃料電池システム１が発電すべき総発電出力を示す出力指令を取得する。通常運転台数決定部２３は、出力指令が示す総発電出力に基づき、通常運転モードで運転すべき燃料電池１０の台数を決定する。運転状態決定部２４は、通常運転台数決定部２３で決定された台数に基づいて、各燃料電池１０の運転状態を決定する。燃料電池システム１が発電している総発電出力よりも出力指令が示す総発電出力が低い場合、或いは、通常運転モードで運転されている燃料電池１０の台数よりも通常運転台数決定部２３で決定された台数が少ない場合、運転状態決定部２４は、通常運転モードで運転されている燃料電池１０の少なくとも１つの運転モードを待機運転モードに変更する。また、燃料電池システム１が発電している総発電出力よりも出力指令が示す総発電出力が高い場合、或いは、通常運転モードで運転されている燃料電池１０の台数よりも通常運転台数決定部２３で決定された台数が多い場合、運転状態決定部２４は、待機運転モードで運転されている燃料電池１０の少なくとも１つの運転モードを通常運転モードに変更する。
このような燃料電池システム１によれば、燃料電池システム１全体の発電効率を所定の発電効率以上にすることができる。また、通常運転モードで運転されている燃料電池１０の台数が、出力指令が示す総発電出力を出力するのに必要となる燃料電池１０の台数よりも多い場合、過剰の通常モード燃料電池１０を直ちに運転停止状態にせず、待機運転モードに変更する。あるいは、通常運転モードで運転されている燃料電池１０の台数が、出力指令が示す総発電出力を出力するのに必要となる燃料電池１０の台数よりも少ない場合、待機運転モードで運転されている燃料電池１０を通常運転モードに変更する。このように複数の燃料電池１０を制御することにより、燃料電池システム１の総発電出力を増大させる際に、運転停止状態にある燃料電池１０を起動させる機会が低減される。この結果、燃料電池システム１の発電出力の応答性を向上させることができる。
第１及び第２の実施形態による燃料電池システム１において、制御装置２０は、各燃料電池１０の起動回数を取得する情報取得部２１を更に有している。運転状態決定部２４は、通常運転モードで運転されている燃料電池１０のうち情報取得部２１で取得された起動回数が最も少ない燃料電池１０の運転モードを待機運転モードに変更する。待機運転モードで運転される燃料電池１０は、その後に運転停止状態にされる可能性が高い。したがって、起動回数が最も少ない燃料電池１０の運転モードを待機運転モードに変更することにより、複数の燃料電池１０の間で起動回数の偏りが生じることを抑制することができる。この結果、複数の燃料電池１０のうち一部の燃料電池１０が他の燃料電池１０よりも先に劣化する、ということを抑制することができる。
第１及び第２の実施形態による燃料電池システム１において、制御装置２０は、待機運転モードで運転されている燃料電池１０の台数及び各燃料電池１０の起動回数を取得する情報取得部２１を更に有している。情報取得部２１で取得された待機運転モードで運転されている燃料電池１０の台数が所定の台数Ｎよりも多い場合、運転状態決定部２４は、待機運転モードで運転されている燃料電池１０のうち、情報取得部２１で取得された起動回数が最も少ない燃料電池１０を、運転を停止させる燃料電池として決定する。これにより、複数の燃料電池１０の間で起動回数の偏りが生じることを抑制することができる。この結果、複数の燃料電池１０のうち一部の燃料電池１０が他の燃料電池１０よりも先に劣化する、ということを抑制することができる。
第１及び第２の実施形態による燃料電池システム１において、制御装置２０は、各燃料電池１０の起動回数を取得する情報取得部２１を更に有している。燃料電池システム１が発電している総発電出力よりも出力指令が示す総発電出力が高い場合、或いは、通常運転モードで運転されている燃料電池１０の台数よりも通常運転台数決定部２３で決定された台数が多い場合、運転状態決定部２４は、運転が停止されている燃料電池１０のうち、情報取得部２１で取得された起動回数が最も少ない燃料電池１０を通常運転モードで運転される燃料電池１０として決定する。これにより、複数の燃料電池１０の間で起動回数の偏りが生じることを抑制することができる。この結果、複数の燃料電池１０のうち一部の燃料電池１０が他の燃料電池１０よりも先に劣化する、ということを抑制することができる。
第２の実施形態による燃料電池システム１において、情報取得部２１は、待機運転モードで運転されている燃料電池１０の台数を取得する。情報取得部２１で取得された台数が所定の台数（具体的には、予測必要台数と、予測出力指令が入力された時点での通常モード燃料電池の台数と、の差）よりも少ない場合、運転状態決定部２４は、運転が停止されている燃料電池１０のうち、情報取得部２１で取得された起動回数が最も少ない燃料電池１０を、待機運転モードで運転される燃料電池１０として決定する。これにより、燃料電池システム１の総発電出力を増大させる際に運転停止状態にある燃料電池１０を起動させる機会が、より効果的に低減される。この結果、燃料電池システム１の発電出力の応答性を、より効果的に向上させることができる。また、複数の燃料電池１０の間で起動回数の偏りが生じることを抑制することができる。この結果、複数の燃料電池１０のうち一部の燃料電池１０が他の燃料電池１０よりも先に劣化する、ということを抑制することができる。
第１及び第２の実施形態による燃料電池システム１において、燃料電池１０は、通常運転モードで運転されるとき、当該燃料電池１０の最大発電出力の４０～６０％となる発電出力で運転される。これにより、燃料電池システム１全体の発電効率を効果的に向上させることができる。
第１及び第２の実施形態による燃料電池システム１において、燃料電池１０は、通常運転モードで運転されるとき、当該燃料電池１０の発電効率が最大となる発電出力で運転される。これにより、燃料電池システム１全体の発電効率を、さらに効果的に向上させることができる。
第１及び第２の実施形態による燃料電池システム１において、燃料電池１０は、待機運転モードで運転されるとき、当該燃料電池１０の最大発電出力の５～１５％となる発電出力で運転される。
第１及び第２の実施形態による制御方法は、各々が、発電効率が第１の発電効率以上となる高効率発電出力で運転される通常運転モードと、発電効率が第１の発電効率よりも低い第２の発電効率以下となる低効率発電出力で運転される待機運転モードと、を含む複数の運転モードで運転可能な、複数の燃料電池１０を含む燃料電池システム１の制御方法である。この制御方法は、出力指令取得工程と通常運転台数決定工程と運転状態決定工程とを備えている。出力指令取得工程では、燃料電池システム１が発電すべき総発電出力を示す出力指令を取得する。通常運転台数決定工程では、出力指令が示す総発電出力に基づき、通常運転モードで運転すべき燃料電池１０の台数を決定する。運転状態決定工程では、通常運転台数決定工程で決定された台数に基づいて、各燃料電池１０の運転状態を決定する。具体的には、運転状態決定工程では、燃料電池システム１が発電している総発電出力よりも出力指令が示す総発電出力が低い場合、或いは通常運転モードで運転されている燃料電池１０の台数よりも通常運転台数決定工程で決定された台数が少ない場合、通常運転モードで運転されている燃料電池１０の少なくとも１つの運転モードを待機運転モードに変更する。また、運転状態決定工程では、燃料電池システム１が発電している総発電出力よりも出力指令が示す総発電出力が高い場合、或いは通常運転モードで運転されている燃料電池１０の台数よりも通常運転台数決定工程で決定された台数が多い場合、待機運転モードで運転されている燃料電池１０の少なくとも１つの運転モードを通常運転モードに変更する。
このような燃料電池システム１の制御方法によれば、燃料電池システム１全体の発電効率を所定の発電効率以上にすることができる。また、通常運転モードで運転されている燃料電池１０の台数が、出力指令が示す総発電出力を出力するのに必要となる燃料電池１０の台数よりも多い場合、過剰の通常モード燃料電池１０の運転を直ちに停止させず、待機運転モードに変更する。あるいは、通常運転モードで運転されている燃料電池１０の台数が、出力指令が示す総発電出力を出力するのに必要となる燃料電池１０の台数よりも少ない場合、待機運転モードで運転されている燃料電池１０を通常運転モードに変更する。このように複数の燃料電池１０を制御することにより、燃料電池システム１の総発電出力を増大させる際に運転停止状態にある燃料電池１０を起動させる機会が低減される。この結果、燃料電池システム１の発電出力の応答性を向上させることができる。
本発明のいくつかの実施形態および変形例を説明したが、これらの実施形態および変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内でこれらの実施形態および変形例を、部分的に適宜組み合わせることも可能である。
１：燃料電池システム、１０：燃料電池、１１：燃料電池スタック、１２：アノード、１３：カソード、２０：制御装置、２１：情報取得部、２：指令取得部、２３：通常運転台数決定部、２４：運転状態決定部、３０：操作装置

Claims (9)

  1. 複数の燃料電池と、
    各燃料電池の運転状態を制御する制御装置と、
    を備える燃料電池システムであって、
    各燃料電池は、発電効率が第１の発電効率以上となる発電出力で運転される通常運転モードと、発電効率が前記第１の発電効率よりも低い第２の発電効率以下となる発電出力で運転される待機運転モードと、を含む複数の運転モードで運転可能であり、
    前記制御装置は、
    前記燃料電池システムが発電すべき総発電出力を示す出力指令を取得する指令取得部と、
    前記出力指令が示す総発電出力に基づき、通常運転モードで運転すべき燃料電池の台数を決定する通常運転台数決定部と、
    前記通常運転台数決定部で決定された台数に基づいて、各燃料電池の運転状態を決定する運転状態決定部と、
    を有し、
    前記燃料電池システムが発電している総発電出力よりも前記出力指令が示す総発電出力が低い場合、或いは通常運転モードで運転されている燃料電池の台数よりも前記通常運転台数決定部で決定された台数が少ない場合、前記運転状態決定部は、通常運転モードで運転されている燃料電池の少なくとも１つの運転モードを待機運転モードに変更し、
    前記燃料電池システムが発電している総発電出力よりも前記出力指令が示す総発電出力が高い場合、或いは通常運転モードで運転されている燃料電池の台数よりも前記通常運転台数決定部で決定された前記台数が多い場合、前記運転状態決定部は、待機運転モードで運転されている燃料電池の少なくとも１つの運転モードを通常運転モードに変更する、燃料電池システム。
  2. 前記制御装置は、各燃料電池の起動回数を取得する情報取得部を更に有し、
    前記運転状態決定部は、通常運転モードで運転されている燃料電池のうち前記情報取得部で取得された起動回数が最も少ない燃料電池の運転モードを待機運転モードに変更する、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記制御装置は、待機運転モードで運転されている燃料電池の台数及び各燃料電池の起動回数を取得する情報取得部を更に有し、
    前記情報取得部で取得された待機運転モードで運転されている燃料電池の台数が所定の台数よりも多い場合、前記運転状態決定部は、待機運転モードで運転されている燃料電池のうち、前記情報取得部で取得された起動回数が最も少ない燃料電池を、運転を停止させる燃料電池として決定する、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記制御装置は、各燃料電池の起動回数を取得する情報取得部を更に有し、
    前記燃料電池システムが発電している総発電出力よりも前記出力指令が示す総発電出力が高い場合、或いは通常運転モードで運転されている燃料電池の台数よりも前記通常運転台数決定部で決定された前記台数が多い場合、前記運転状態決定部は、運転が停止されている燃料電池のうち、前記情報取得部で取得された起動回数が最も少ない燃料電池を通常運転モードで運転される燃料電池として決定する、請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  5. 前記情報取得部は、待機運転モードで運転されている燃料電池の台数を取得し、
    前記情報取得部で取得された台数が所定の台数よりも少ない場合、前記運転状態決定部は、運転が停止されている燃料電池のうち、前記情報取得部で取得された起動回数が最も少ない燃料電池を、待機運転モードで運転される燃料電池として決定する、請求項４に記載の燃料電池システム。
  6. 前記燃料電池は、通常運転モードで運転されるとき、当該燃料電池の最大発電出力の４０～６０％となる発電出力で運転される、請求項１～５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  7. 前記燃料電池は、通常運転モードで運転されるとき、当該燃料電池の発電効率が最大となる発電出力で運転される、請求項１～６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  8. 前記燃料電池は、待機運転モードで運転されるとき、当該燃料電池の最大発電出力の５～１５％となる発電出力で運転される、請求項１～７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  9. 各々が、発電効率が第１の発電効率以上となる高効率発電出力で運転される通常運転モードと、発電効率が前記第１の発電効率よりも低い第２の発電効率以下となる低効率発電出力で運転される待機運転モードと、を含む複数の運転モードで運転可能な、複数の燃料電池を含む燃料電池システムの制御方法であって、
    前記燃料電池システムが発電すべき総発電出力を示す出力指令を取得する出力指令取得工程と、
    前記出力指令が示す総発電出力に基づき、通常運転モードで運転すべき燃料電池の台数を決定する通常運転台数決定工程と、
    前記通常運転台数決定工程で決定された台数に基づいて、各燃料電池の運転状態を決定する運転状態決定工程と、
    を備え、
    前記運転状態決定工程では、
    前記燃料電池システムが発電している総発電出力よりも前記出力指令が示す総発電出力が低い場合、或いは通常運転モードで運転されている燃料電池の台数よりも前記通常運転台数決定工程で決定された台数が少ない場合、通常運転モードで運転されている燃料電池の少なくとも１つの運転モードを待機運転モードに変更し、
    前記燃料電池システムが発電している総発電出力よりも前記出力指令が示す総発電出力が高い場合、或いは通常運転モードで運転されている燃料電池の台数よりも前記通常運転台数決定工程で決定された前記台数が多い場合、待機運転モードで運転されている燃料電池の少なくとも１つの運転モードを通常運転モードに変更する、制御方法。
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