JP2023106797A - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】必要最小限の台数の燃料電池で電力需要を満たすことができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】本開示の燃料電池システム１００において、制御器８は、要求電力に基づいて複数の燃料電池５の複数の運転スケジュールを定め、複数の運転スケジュールに従って複数の燃料電池５のそれぞれを制御する。複数の燃料電池５のそれぞれは、互いに異なる複数の運転スケジュールで運転される複数の燃料電池５の集合の単位を表す複数のグループのいずれかに属する。要求電力に応じた電力が負荷１４に供給され、連続運転を行った後で燃料電池５に必要な休止時間が複数の燃料電池５のそれぞれに確保され、複数のグループの数が最小となり、かつ、同一のグループに属する複数の燃料電池５のそれぞれの休止期間が重ならないように、複数の運転スケジュールが定められている。【選択図】図１

Description

本開示は、燃料電池システム及びその運転方法に関する。
特許文献１には、運転時におけるシステムの異常有無をチェックすることができ、チェック時の消費エネルギーを抑えることができる、燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムは、複数の燃料電池スタックと制御器とを備えている。複数の燃料電池スタックは、外部の負荷に対して並列に接続されている。燃料電池システムは、発電させる燃料電池スタックを所定時間の経過に伴って順次切り替えるように構成されている。
特開２０１２－１８８２３号公報
燃料電池スタック（以下、単に「燃料電池」と称する）は、所定時間の運転の後、休止時間を必要とする。そのため、燃料電池システムは、要求電力から見積もられる台数を超える台数の燃料電池を必要とする。各燃料電池の運転及び休止が適切に管理されない場合、燃料電池システムの出力電力が要求電力を大幅に下回るおそれがある。他方、要求電力に対して燃料電池の台数が多すぎると、燃料電池システムのコストの増加を招く。
本開示は、必要最小限の台数の燃料電池で電力需要を満たすことができる燃料電池システムを提供する。
本開示の燃料電池システムは、
負荷に対して並列に接続された複数の燃料電池と、
前記複数の燃料電池を制御する制御器と、
を備えた燃料電池システムであって、
前記制御器は、要求電力に基づいて前記複数の燃料電池の複数の運転スケジュールを定め、前記複数の運転スケジュールに従って前記複数の燃料電池のそれぞれを制御し、
前記複数の燃料電池のそれぞれは、互いに異なる前記複数の運転スケジュールで運転される前記複数の燃料電池の集合の単位を表す複数のグループのいずれかに属し、
前記要求電力に応じた電力が前記負荷に供給され、連続運転を行った後で前記燃料電池に必要な休止時間が前記複数の燃料電池のそれぞれに確保され、前記複数のグループの数が最小となり、かつ、同一の前記グループに属する前記複数の燃料電池のそれぞれの休止期間が重ならないように、前記複数の運転スケジュールが定められている。
別の側面において、本開示の燃料電池システムの運転方法は、
負荷に対して並列に接続された複数の燃料電池を有する燃料電池システムの運転方法であって、
要求電力に基づいて前記複数の燃料電池の複数の運転スケジュールを定めることと、
前記複数の運転スケジュールに従って前記複数の燃料電池のそれぞれを制御することと、
を含み、
前記複数の燃料電池のそれぞれは、互いに異なる前記複数の運転スケジュールで運転される前記複数の燃料電池の集合の単位を表す複数のグループのいずれかに属し、
前記要求電力に応じた電力が前記負荷に供給され、連続運転を行った後で前記燃料電池に必要な休止時間が前記複数の燃料電池のそれぞれに確保され、前記複数のグループの数が最小となり、かつ、同一の前記グループに属する前記複数の燃料電池のそれぞれの休止期間が重ならないように、前記複数の運転スケジュールが定められている。
本開示によれば、必要最小限の台数の燃料電池で電力需要を満たすことができる燃料電池システムを提供できる。
実施の形態１における燃料電池システムの構成図 実施の形態１において、複数の燃料電池のそれぞれの運転スケジュールを定めるために制御器が実行する処理のフローチャート 複数の燃料電池のそれぞれの運転スケジュールの一例をグループ毎に示すタイムチャート 比較例の燃料電池システムにおける複数の燃料電池のそれぞれの運転スケジュールを示すタイムチャート 実施の形態２における燃料電池システムの構成図 実施の形態２において、複数の燃料電池のそれぞれの運転スケジュールを定めるために制御器が実行する処理のフローチャート 複数の燃料電池のそれぞれの運転スケジュールの一例をグループ毎に示すタイムチャート
（本開示の基礎となった知見等）
燃料電池は、電解質膜、アノード及びカソードを有する。アノードに水素含有ガスを供給し、カソードに酸素含有ガスを供給することによって、水素含有ガスと酸素含有ガスとの間で電気化学反応が起こり、これにより電力が生成される。
本発明者が本開示に想到するに至った当時、長時間にわたって燃料電池の運転を継続すると、水素以外の成分がカソードに蓄積してカソードが汚染されることが知られていた。カソードが汚染されると、燃料電池の出力電圧が低下する。したがって、所定時間の運転後に燃料電池を休止させ、時間の経過によって汚染要因を解消することが必要である。
一方、電力の需要はユーザに応じて様々である。各ユーザに専用の燃料電池を開発することは事業性の観点から困難である。そのため、小さい発電能力を持つ複数の燃料電池を組み合わせることによって、開発工数を抑えつつ様々な電力需要に対応可能な燃料電池システムが構築される（特許文献１）。運転中の燃料電池の台数を変更することによって、負荷変動にも対応できる。また、燃料電池システムの出力電力の低下を最小限に抑えるためには、特定の燃料電池の休止期間と他の燃料電池の休止期間とが重複することを極力避ける必要がある。
しかし、従来の燃料電池システムにおいては、特定の燃料電池の休止期間が他の燃料電池の休止期間に重複することがあった。休止期間が重複すると、重複した期間において出力電力が下がり、供給電力が不足することがある。燃料電池の台数を増やすと休止期間の重複を避けることが容易である。しかし、燃料電池の台数を増やすことは、燃料電池システムのコストの大幅な増加を招く。これらの課題に気付いた本発明者は、鋭意検討の結果、本開示の主題を構成するに至った。
以下、図面を参照しながら実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、又は、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。
なお、添付図面及び以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。
（実施の形態１）
以下、図１から図３を用いて実施の形態１を説明する。
［１－１．構成］
図１は、実施の形態１における燃料電池システム１００の構成図である。燃料電池システム１００は、複数の燃料電池５、水素含有ガス供給経路６、酸素含有ガス供給経路７、制御器８及び電力線１３を備えている。複数の燃料電池５は、電力線１３を介して、外部の負荷１４に対して並列に接続されている。負荷１４は、電力を消費する電力負荷である。
複数の燃料電池５のそれぞれは、電解質膜１、アノード２及びカソード３を備えている。アノード２とカソード３との間に電解質膜１が配置されている。アノード２及びカソード３のそれぞれには、電子を取り出す反応を促進するための触媒が設けられている。アノード２には、水素含有ガス供給経路６が接続されている。カソード３には、酸素含有ガス供給経路７が接続されている。水素含有ガス供給経路６を通じて、水素含有ガス供給源１１からアノード２に水素含有ガスが供給される。酸素含有ガス供給経路７を通じて、酸素含有ガス供給源１２からカソード３に酸素含有ガスが供給される。
複数の燃料電池５は、第１番目の燃料電池５ａから第１０番目の燃料電池５ｊまでの１０台の燃料電池を含む。燃料電池５の台数は特に限定されない。例えば、大出力のシステムは、１００台を超える台数の燃料電池５を有する。
燃料電池５ａから５ｊは、互いに同一の構成を有する。単一の燃料電池５の定格出力電力が１ｋＷであるとき、燃料電池システム１００は、最大で１０ｋＷの出力電力を発揮しうる。ただし、休止中の燃料電池５を考慮に入れると、燃料電池システム１００の最大出力電力は１０ｋＷ未満である。
水素含有ガスは、純水素ガスであってもよく、水蒸気改質によって得られたガスであってもよい。水素含有ガス供給源１１としては、水素ガスインフラ、改質器などが挙げられる。酸素含有ガスは、典型的には、空気である。酸素含有ガス供給源１２としては、空気ブロワなどが挙げられる。水素含有ガス供給経路６及び酸素含有ガス供給経路７には、流量調整弁などの他の機器（図示省略）が配置されている。
燃料電池５は、典型的には、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）である。ＳＯＦＣに比べて、ＰＥＦＣの連続運転可能な時間は短い。したがって、ＰＥＦＣを用いたシステムに本開示の技術を適用することによって、より高い効果が得られる。ただし、燃料電池５は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）であってもよい。
制御器８は、燃料電池５の運転及び休止を制御する。詳細には、制御器８は、負荷１４などの外部からの要求電力に基づいて複数の燃料電池５の複数の運転スケジュールを定め、複数の運転スケジュールに従って複数の燃料電池５のそれぞれを制御する。これにより、燃料電池システム１００の出力電力が制御器８によって調節される。要求電力は、管理者によって燃料電池システム１００に入力される値であってもよい。制御器８は、例えば、演算回路、記憶回路などを含むＤＳＰ（Digital Signal Processor）である。演算回路としては、ＣＰＵが挙げられる。記憶回路としては、メモリが挙げられる。記憶回路には、燃料電池システム１００の制御プログラムが記憶されている。
電力線１３は、燃料電池５と負荷１４とに接続されている。燃料電池５のそれぞれで生成された電力が電力線１３を通じて負荷１４に供給される。
［１－２．動作］
以上のように構成された燃料電池システム１００について、以下その動作、作用を説明する。
本実施の形態の運転方法は、必要な出力電力を確保しながら複数の燃料電池５を順次休止させることに関する。制御器８は、複数の燃料電池５のそれぞれの運転スケジュールを定める。このとき、外部からの要求電力に応じて、複数の燃料電池５ａから５ｊのグループ分けを行う。「グループ」は、互いに異なる複数の運転スケジュールで運転される複数の燃料電池５の集合の単位を表す。複数の燃料電池５のそれぞれは、複数のグループのいずれかに属する。グループ分けは、グループの数が最小となるように行われる。グループの数は１つのときもあるが、通常は、複数である。各グループに属する燃料電池５の数は、典型的には、互いに等しい。ただし、各グループに属する燃料電池５の数が互いに異なっていてもよい。複数の燃料電池５のそれぞれの運転時間は、典型的には、互いに等しい。複数の燃料電池５のそれぞれの休止時間は、典型的には、互いに等しい。
「運転時間」は、休止期間と休止期間との間の運転期間の長さを意味する。「休止時間」は、運転期間と運転期間との間の休止期間の長さを意味する。
制御器８には、燃料電池５の設計上の運転条件が予め与えられている。運転条件には、燃料電池５の連続運転可能な時間Ｔ0、連続運転後に燃料電池５に必要な休止時間Ｔ1、及び、燃料電池５の１台あたりの出力電力Ｗ1が含まれる。連続運転可能な時間Ｔ0、必要な休止時間Ｔ1及び出力電力Ｗ1は、燃料電池５の設計値であり、予め定められている。本実施の形態では、連続運転可能な時間Ｔ0が２０時間であり、必要な休止時間Ｔ1が５時間であり、出力電力Ｗ1が１ｋＷである。出力電力Ｗ1は、定格出力である。ただし、これらの値は、制御器８に記憶されたデータの書き換えによって変更することができる。
また、負荷１４の要求電力Ｗ0を８ｋＷと仮定する。
以下において、同一のグループに属することができる燃料電池５の台数の上限が最大構成台数Ｎmで表される。最大構成台数Ｎmは、複数の燃料電池５のグループ分けに使用される。燃料電池システム１００におけるグループの数がグループ数Ｎで表される。同一のグループに属する燃料電池５の台数がグループ内の燃料電池の台数Ｎaで表される。
同一のグループに属する燃料電池５の実際の休止時間が実休止時間Ｔ3で表される。同一のグループに属する燃料電池５の実際の運転時間が実運転時間Ｔ4で表される。
図２は、本実施の形態において、複数の燃料電池５のそれぞれの運転スケジュールを定めるために制御器８が実行する処理のフローチャートである。図２に示す各処理は、例えば、燃料電池システム１００が新しく導入されたとき、燃料電池システム１００の構成に変更があったとき、及び、要求電力が変更されたとき、からなる群より選ばれる少なくとも１つのタイミングで実行される。
ステップＳ１において、連続運転可能な時間Ｔ0の情報を取得する。ここでは、連続運転可能な時間Ｔ0は２０時間である。連続運転可能な時間Ｔ0は、制御器８の不揮発性メモリに記憶されていてもよく、プログラム上で予め定められていてもよい。「時間Ｔ0の情報」とは、時間Ｔ0を特定するために必要な情報を意味する。
次に、ステップＳ２において、必要な休止時間Ｔ1の情報を取得する。ここでは、必要な休止時間Ｔ1は５時間である。必要な休止時間Ｔ1は、制御器８の不揮発性メモリに記憶されていてもよく、プログラム上で予め定められていてもよい。「必要な休止時間Ｔ1の情報」とは、必要な休止時間Ｔ1を特定するために必要な情報を意味する。
次に、ステップＳ３において、要求電力Ｗ0の情報を取得する。要求電力Ｗ0は、負荷１４などの外部から制御器８に与えられる値であってもよく、予め定められた値であってもよい。予め定められた値である場合、要求電力Ｗ0は、制御器８の不揮発性メモリに記憶されていてもよく、プログラム上で予め定められていてもよい。ここでは、要求電力Ｗ0は８ｋＷである。「要求電力Ｗ0の情報」とは、要求電力Ｗ0を特定するために必要な情報を意味する。
ステップＳ１からＳ３に示すように、本実施の形態において、制御器８は、必要な休止時間Ｔ1、燃料電池５の連続運転可能な時間Ｔ0、及び、負荷１４からの要求電力Ｗ0に基づいて複数の運転スケジュールを定める。必要な休止時間Ｔ1及び連続運転可能な時間Ｔ0は、燃料電池５の設計に依存する時間である。これらの値を用いることによって、燃料電池システム１００に適した運転スケジュールを作成することができる。
次に、ステップＳ４において、燃料電池５の１台あたりの出力電力Ｗ1の情報を取得する。ここでは、１台あたりの出力電力Ｗ1は１ｋＷである。出力電力Ｗ1は、制御器８の不揮発性メモリに記憶されていてもよく、プログラム上で予め定められていてもよい。「出力電力Ｗ1の情報」とは、出力電力Ｗ1を特定するために必要な情報を意味する。
次に、ステップＳ５において、複数の燃料電池５のそれぞれの累積運転時間の情報を取得する。累積運転時間は、燃料電池システム１００の導入時から現在までの複数の燃料電池５のそれぞれの合計運転時間であり、燃料電池システム１００の運転に伴って制御器８に保存される情報である。
例えば、要求電力Ｗ0が変動すると、複数の燃料電池５のそれぞれの累積運転時間にバラつきが生じる。本実施の形態の運転方法では、累積運転時間が少ない燃料電池５を優先的に運転する。累積運転時間のバラつき（標準偏差）が最小化されてもよい。これにより、複数の燃料電池５の経年劣化を均一化することができ、ひいては燃料電池システム１００のメンテナンスが容易になるとともに、燃料電池システム１００の寿命も延びる。
ステップＳ１からステップＳ５までの処理の順番は図２に記載された順番に限定されない。
次に、ステップＳ６において、同一のグループに属することができる燃料電池５の台数の上限である最大構成台数Ｎmを算出する。最大構成台数Ｎmは、下記式（１）を用いて算出される。ここでは、Ｎm＝５（台）である。最大構成台数Ｎmは、グループ数Ｎが最小となるように算出される。各グループに属する燃料電池５の台数は、最大構成台数Ｎm以下である。
最大構成台数Ｎm＝（Ｔ0＋Ｔ1）／Ｔ1・・・（１）
次に、ステップＳ７において、燃料電池システム１００におけるグループ数Ｎを算出する。グループ数Ｎは、下記式（２）を用いて算出される。ここでは、Ｎ＝２である。図１に破線で示すように、２つのグループは、第１グループ１５及び第２グループ１６を含む。
グループ数Ｎ＝Ｗ0／Ｗ1（Ｎm－１）・・・（２）
次に、ステップＳ８において、グループ内の燃料電池の台数Ｎaを算出する。グループ内の燃料電池の台数Ｎaは、下記式（３）を用いて算出される。ここでは、Ｎa＝５（台）である。つまり、第１グループ１５に５台の燃料電池５が属する。第２グループ１６にも５台の燃料電池５が属する。
グループ内の燃料電池の台数Ｎa＝（Ｗ0／（Ｗ1×Ｎ））＋１・・・（３）
上記の計算から、複数の燃料電池５は、燃料電池５ａから５ｅを含む第１グループ１５と、燃料電池５ｆから５ｊを含む第２グループ１６とに分けられる。
本実施の形態では、グループの数は複数である。複数のグループにおける特定のグループに属する燃料電池５の台数は、複数のグループにおける別のグループに属する燃料電池５の台数に等しい。特定のグループは、例えば、第１グループ１５である。別のグループは、例えば、第２グループ１６である。第１グループ１５に属する燃料電池５の台数が第２グループ１６に属する燃料電池５の台数に等しい。このような構成によれば、各燃料電池５の稼働率を向上させることができる。
ただし、燃料電池システム１００における燃料電池５の合計台数が常にグループの数の倍数にあるとは限らない。この場合、特定のグループに属する燃料電池５の台数が別のグループに属する燃料電池５の台数と異なっていてもよい。この場合においても、全ての燃料電池５の累積運転時間が均一化されるように、特定のグループに属する燃料電池５の台数が別のグループに属する燃料電池５の台数との差が極力小さいことが望ましい。特定のグループに属する燃料電池５の台数が別のグループに属する燃料電池５の台数と異なる場合、その差は、例えば１台である。
次に、ステップＳ９において、同一のグループに属する燃料電池５の実休止時間Ｔ3を算出する。実休止時間Ｔ3は、下記式（４）を用いて算出される。ここでは、Ｔ3＝５（時間）である。
実休止時間Ｔ3＝Ｔ0／（Ｎa－１）・・・（４）
次に、ステップＳ１０において、同一のグループに属する燃料電池５の実運転時間Ｔ4を算出する。実運転時間Ｔ4は、下記式（５）を用いて算出される。ここでは、Ｔ4＝２０（時間）である。
実運転時間Ｔ4＝Ｔ3×（Ｎa－１）・・・（５）
次に、ステップＳ１１において、累積運転時間の少ない燃料電池５を優先的に運転することを決定する。ここでは、第１グループ１５において、燃料電池５ａ、燃料電池５ｂ、燃料電池５ｃ、燃料電池５ｄ、燃料電池５ｅの順番に累積運転時間が短いものと仮定する。同様に、第２グループ１６において、燃料電池５ｆ、燃料電池５ｇ、燃料電池５ｈ、燃料電池５ｉ、燃料電池５ｊの順番に累積運転時間が短いものと仮定する。
次に、ステップＳ１からステップＳ１１の処理の結果を用い、ステップＳ１２において、各燃料電池５の運転スケジュールを定める。
その後、定められた運転スケジュールに基づき、各グループにおいて休止期間が重ならず、かつ、所望の出力電力が維持されるように、休止期間及び運転期間をずらしながら複数の燃料電池５の運転を制御する。
図３は、複数の燃料電池５のそれぞれの運転スケジュールの一例をグループ毎に示すタイムチャートである。横軸は、時間の経過を表している。図３のタイムチャートにおいて、太線は、各燃料電池５が運転状態にあることを表している。空白の期間は、各燃料電池５が休止状態にあることを表している。図３（ａ）は、第１グループ１５に属する燃料電池５ａから５ｅの運転スケジュールである。図３（ｂ）は、第２グループ１６に属する燃料電池５ｆから５ｊの運転スケジュールである。これらの運転スケジュールに従って複数の燃料電池５のそれぞれが制御される。
例えば、第１グループ１５に属する燃料電池５ａに着目すると、時刻０：００に燃料電池５ａの運転が開始される。運転時間Ｔ4の長さを持つ運転期間を経て、燃料電池５ａは休止時間Ｔ3の長さを持つ休止期間に入る。先の計算結果の通り、運転時間Ｔ4は、例えば、２０時間である。休止時間Ｔ3は、例えば、５時間である。第１グループ１５に属する複数の燃料電池５ａから５ｅのそれぞれの休止期間は重なっていない。したがって、第１グループ１５に属する複数の燃料電池５ａから５ｅの出力電力の合計は、常時、４ｋＷに等しいか、４ｋＷを少し上回る。
次に、第２グループ１６に属する燃料電池５ｆに着目すると、時刻０：００に燃料電池５ｆの運転が開始される。運転時間Ｔ4の長さを持つ運転期間を経て、燃料電池５ｆは休止時間Ｔ3の長さを持つ休止期間に入る。先の計算結果の通り、運転時間Ｔ4は、例えば、２０時間である。休止時間Ｔ3は、例えば、５時間である。第２グループ１６に属する複数の燃料電池５ｆから５ｊのそれぞれの休止期間は重なっていない。したがって、第２グループ１６に属する複数の燃料電池５ｆから５ｊの出力電力の合計は、常時、４ｋＷに等しいか、４ｋＷを少し上回る。
よって、燃料電池システム１００の出力電力は、常時、８ｋＷを満たす。つまり、要求電力Ｗ0に応じた電力が負荷に供給される。連続運転を行った後で燃料電池５ａから５ｊに必要な休止時間Ｔ1が複数の燃料電池５のそれぞれに確保される。
第１グループ１５に属する燃料電池５ａから５ｅの休止期間の長さ（休止時間Ｔ3）は互いに等しい。また、第２グループ１６に属する燃料電池５ｆから５ｊの休止期間の長さ（休止時間Ｔ3）も互いに等しい。つまり、同一のグループに属する複数の燃料電池５の休止期間の長さが互いに等しい。この場合、同一のグループに属する燃料電池５の累積運転時間が概ね一致する。これにより、同一のグループに属する燃料電池５の劣化を平準化できる。
休止期間は、燃料電池５を休止状態から運転状態に到達させるのに必要な時間を含む。これにより、休止状態から運転状態への移行期である過渡期に出力電力が不足することを回避できる。「休止状態」は、出力電力が０ｋＷにあるときの状態を意味する。「運転状態」は、出力電力が予め定められた定格出力にあるときの状態を意味する。本実施の形態では、定格出力は、１ｋＷである。
休止期間は、燃料電池５を運転状態から休止状態に到達させるのに必要な時間を含む。これにより、運転状態から休止状態への移行期である過渡期に出力電力が不足することを回避できる。
図３のタイムチャートから理解できるように、第１グループ１５に属する燃料電池５ａの運転スケジュールは、第２グループ１６に属する燃料電池５ｆの運転スケジュールと同一である。同様に、燃料電池５ｂの運転スケジュールが燃料電池５ｇの運転スケジュールと同一である。燃料電池５ｃの運転スケジュールが燃料電池５ｈの運転スケジュールと同一である。燃料電池５ｄの運転スケジュールが燃料電池５ｉの運転スケジュールと同一である。燃料電池５ｅの運転スケジュールが燃料電池５ｊの運転スケジュールと同一である。つまり、先に説明した式（２）で算出されるグループ数Ｎは、互いに同一の運転スケジュールで運転される燃料電池５の台数に対応している。そして、このグループ数Ｎが最小となるように、制御器８によって、燃料電池５のそれぞれの運転スケジュールが定められる。
本実施の形態では、特定のグループ（例えば、第１グループ１５）に属する燃料電池５の台数が別のグループ（例えば、第２グループ１６）に属する燃料電池の台数と等しい。ただし、特定のグループに属する燃料電池５の台数は、別のグループに属する燃料電池の台数と異なっていてもよい。
本実施の形態によれば、休止期間を設けることによって出力電力が低下又は不足することを防ぐために必要な燃料電池５の増設台数を最小限に抑えることができる。つまり、必要最小限の台数の燃料電池５で電力需要を満たすことができる。また、燃料電池５のそれぞれの累積運転時間を均一化することができるので、燃料電池５の劣化を平準化できる。また、燃料電池５の１台あたりの休止期間が短くなるので、各燃料電池５の発電稼働率を向上させることができる。また、寿命を迎えるまでの燃料電池５の総発電量の低下を抑えることができる。
図４は、比較例の燃料電池システムにおける複数の燃料電池５０のそれぞれの運転スケジュール及び出力電力を示すタイムチャートである。詳細には、図４（ａ）が運転スケジュールを示すタイムチャートである。図４（ｂ）が出力電力を示すタイムチャートである。図４（ｂ）のタイムチャートの縦軸はシステムの出力電力（Ｗ）を表している。比較例の燃料電池システムは、９台の燃料電池５０ａから５０ｉを備えている。燃料電池５０の連続運転可能な時間、連続運転後に燃料電池５０に必要な休止時間、及び、燃料電池５０の１台あたりの出力電力は、本実施の形態の燃料電池システム１００における時間Ｔ0，休止時間Ｔ1及び出力電力Ｗ1に等しいものとする。
燃料電池５０ａから５０ｉは、２０時間の連続運転の後、５時間の休止期間を経て、再び２０時間の連続運転を行うように制御される。図４（ａ）のタイムチャートから理解できるように、必要な休止時間Ｔ1が５時間である以上、特定の燃料電池５０の休止期間と別の燃料電池５０の休止期間とが重複しないように燃料電池システムを運転することは不可能である。そのため、図４（ｂ）のタイムチャートに示すように、出力電力が低下して要求電力の８ｋＷに満たない期間が生じる。つまり、比較例の燃料電池システムでは、予備の燃料電池が不足している。
［１－３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、制御器８は、要求電力Ｗ0に基づいて複数の燃料電池５の複数の運転スケジュールを定め、複数の運転スケジュールに従って複数の燃料電池５のそれぞれを制御する。複数の燃料電池５のそれぞれは、互いに異なる複数の運転スケジュールで運転される複数の燃料電池５の集合の単位を表す複数のグループのいずれかに属する。要求電力Ｗ0に応じた電力が負荷１４に供給され、連続運転を行った後で燃料電池５に必要な休止時間Ｔ1が複数の燃料電池のそれぞれに確保され、複数のグループの数が最小となり、かつ、同一のグループに属する複数の燃料電池５のそれぞれの休止期間が重ならないように、複数の運転スケジュールが定められている。
休止期間を設けることによって出力電力が低下又は不足することを防ぐために必要な燃料電池５の増設台数を最小限に抑えることができる。
本実施の形態において、制御器８は、必要な休止時間Ｔ1、燃料電池５の連続運転可能な時間Ｔ0、及び、負荷１４からの要求電力Ｗ0に基づいて複数の運転スケジュールを定めてもよい。これらの値を用いることによって、燃料電池システム１００に適した運転スケジュールを作成することができる。
本実施の形態において、複数のグループにおける特定のグループに属する燃料電池５の台数が複数のグループにおける別のグループに属する燃料電池５の台数に等しくてもよい。このような構成によれば、各燃料電池５の稼働率を向上させることができる。
本実施の形態において、同一のグループに属する複数の燃料電池５の休止期間の長さが互いに等しくてもよい。これにより、同一のグループに属する燃料電池５の劣化を平準化できる。
本実施の形態において、休止期間は、燃料電池５を休止状態から運転状態に到達させるのに必要な期間を含んでいてもよい。これにより、休止状態から運転状態への移行期である過渡期に出力電力が不足することを回避できる。
本実施の形態において、休止期間は、燃料電池５を運転状態から休止状態に到達させるのに必要な期間を含んでいてもよい。これにより、運転状態から休止状態への移行期である過渡期に出力電力が不足することを回避できる。
（実施の形態２）
以下、図５から図７を用いて実施の形態２を説明する。
［２－１．構成］
図５は、実施の形態２における燃料電池システム２００の構成図である。燃料電池システム２００は、実施の形態１の燃料電池システム１００に加え、燃料電池５ｋ及び燃料電池５ｌをさらに備えている。
先に説明した燃料電池システム１００において、燃料電池５の出力電力が所定電力（例えば、１ｋＷ）に達するまでの時間が長い場合、燃料電池システム１００の出力電力が不足するおそれがある。同様に、燃料電池５の出力電力が所定電力（例えば、０ｋＷ）に下がるまでの時間が長い場合、燃料電池システム１００の出力電力が過剰になるおそれがある。
本実施の形態によれば、燃料電池５を起動するとき又は停止するときの所定の時間差分Ｔ2を考慮に入れて運転スケジュールを作成する。一例において、時間差分Ｔ2は０．１時間（６分間）である。したがって、燃料電池システム２００の出力電力の過不足が生じにくい。時間差分Ｔ2は、燃料電池５に起動指令が与えられた時点から定格出力に達する時点までの時間であってもよく、燃料電池５に指令が与えられた時点から出力がゼロに達するまでの時間であってもよく、これらの合計時間であってもよい。燃料電池５に起動指令が与えられた時点から定格出力に達する時点までの時間（時間差分Ｔ21）は、燃料電池５に指令が与えられた時点から出力がゼロに達するまでの時間（時間差分Ｔ22）と異なっていてもよい。例えば、時間差分Ｔ21が６分間であり、時間差分Ｔ22が４分間である。以下の説明において、時間差分Ｔ2は、時間差分Ｔ21と時間差分Ｔ22との合計時間でありうる。
［２－２．動作］
以上のように構成された燃料電池システム２００について、以下その動作、作用を説明する。
図６は、本実施の形態において、複数の燃料電池５のそれぞれの運転スケジュールを定めるために制御器８が実行する処理のフローチャートである。ステップＳ２５が含まれること及び燃料電池５の台数において、本実施の形態は、実施の形態１と異なる。
ステップＳ２１からＳ２４の処理は、それぞれ、図２を参照して説明したステップＳ１からＳ４と同一の処理である。
次に、ステップＳ２５において、時間差分Ｔ2の情報を取得する。ここでは、時間差分Ｔ2は０．１時間である。時間差分Ｔ2は、制御器８の不揮発性メモリに記憶されていてもよく、プログラム上で予め定められていてもよい。「時間差分Ｔ2の情報」とは、時間差分Ｔ2を特定するために必要な情報を意味する。
ステップＳ２６からステップＳ３３は、それぞれ、図２を参照して説明したステップＳ５からステップＳ１２に対応している。
次に、ステップＳ２７において、同一のグループに属することができる燃料電池５の台数の上限である最大構成台数Ｎmを算出する。最大構成台数Ｎmは、下記式（６）を用いて算出される。ここでは、Ｎm＝４（台）である。
最大構成台数Ｎm＝（Ｔ0＋Ｔ1－Ｔ2）／（Ｔ1＋Ｔ2）・・・（６）
本実施の形態によれば、時間差分Ｔ2を用いて各燃料電池５の運転スケジュールが決定される。詳細には、時間差分Ｔ2を用いて最大構成台数Ｎmが算出される。そのため、燃料電池５の運転を開始してから実際に電力が生成されるまでのタイムラグがあったとしても、燃料電池システム２００の出力電力が不足することを回避できる。
次に、ステップＳ２８において、燃料電池システム２００におけるグループ数Ｎを算出する。グループ数Ｎは、先に説明した式（２）を用いて算出される。ここでは、Ｎ＝３である。３つのグループは、第１グループ２５、第２グループ２６及び第３グループ２７を含む。
次に、ステップＳ２９において、グループ内の燃料電池の台数Ｎaを算出する。グループ内の燃料電池の台数Ｎaは、先に説明した式（３）を用いて算出される。ここでは、Ｎa＝４（台）である。つまり、第１グループ２５に４台の燃料電池５が属する。第２グループ２６に４台の燃料電池５が属する。第３グループ２７に４台の燃料電池５が属する。
次に、ステップＳ３０において、同一のグループに属する燃料電池５の実休止時間Ｔ3を算出する。実休止時間Ｔ3は、下記式（７）を用いて算出される。ここでは、Ｔ3＝６．５（時間）である。
実休止時間Ｔ3＝（Ｔ0－Ｔ2×Ｎa）／（Ｎa－１）・・・（７）
次に、ステップＳ３１において、同一のグループに属する燃料電池５の実運転時間Ｔ4を算出する。実運転時間Ｔ4は、下記式（８）を用いて算出される。ここでは、Ｔ4＝２０（時間）である。
実運転時間Ｔ4＝Ｔ3×（Ｎa－１）＋Ｔ2×Ｎa・・・（８）
次に、ステップＳ３２において、累積運転時間の少ない燃料電池５を優先的に運転することを決定する。ここでは、第１グループ２５において、燃料電池５ａ、燃料電池５ｂ、燃料電池５ｃ、燃料電池５ｄの順番に累積運転時間が短いものと仮定する。同様に、第２グループ２６において、燃料電池５ｅ、燃料電池５ｆ、燃料電池５ｇ、燃料電池５ｈの順番に累積運転時間が短いものと仮定する。第３グループ２７において、燃料電池５ｉ、燃料電池５ｊ、燃料電池５ｋ、燃料電池５ｌの順番に累積運転時間が短いものと仮定する。
次に、ステップＳ２１からステップＳ３２の処理の結果を用い、ステップＳ３３において、各燃料電池５の運転スケジュールを定める。
その後、定められた運転スケジュールに基づき、各グループにおいて休止期間が重ならず、かつ、所望の出力電力が維持されるように、休止期間及び運転期間をずらしながら複数の燃料電池５の運転を制御する。
図７は、複数の燃料電池５のそれぞれの運転スケジュールの一例をグループ毎に示すタイムチャートである。横軸は、時間の経過を表している。図７のタイムチャートにおいて、太線は、各燃料電池５が運転状態にあることを表している。空白の期間は、各燃料電池５が休止状態にあることを表している。図７（ａ）は、第１グループ２５に属する燃料電池５ａから５ｄの運転スケジュールである。図７（ｂ）は、第２グループ２６に属する燃料電池５ｅから５ｈの運転スケジュールである。図７（ｃ）は、第３グループ２７に属する燃料電池５ｉから５ｌの運転スケジュールである。これらの運転スケジュールに従って複数の燃料電池５のそれぞれが制御される。
本実施の形態においても、第１グループ２５に属する複数の燃料電池５ａから５ｄのそれぞれの休止期間は重なっていない。したがって、第１グループ２５に属する複数の燃料電池５ａから５ｄの出力電力の合計は、常時、３ｋＷに等しいか、３ｋＷを少し上回る。第２グループ２６に属する複数の燃料電池５ｅから５ｈのそれぞれの休止期間は重なっていない。したがって、第２グループ２６に属する複数の燃料電池５ｅから５ｈの出力電力の合計は、常時、３ｋＷに等しいか、３ｋＷを少し上回る。第３グループ２７に属する複数の燃料電池５ｉから５ｌのそれぞれの休止期間は重なっていない。したがって、第３グループ２７に属する複数の燃料電池５ｉから５ｌの出力電力の合計は、常時、３ｋＷに等しいか、３ｋＷを少し上回る。
よって、燃料電池システム２００の出力電力は、常時、９ｋＷを満たす。つまり、要求電力Ｗ0に応じた電力が負荷に供給される。連続運転を行った後で燃料電池５ａから５ｌに必要な休止時間Ｔ1が複数の燃料電池５のそれぞれに確保される。
なお、時間差分Ｔ2を考慮に入れると、休止期間と運転期間とが切り替わるタイミングで出力電力が不足する可能性がある。したがって、燃料電池５を起動するときの時間差分Ｔ21の過渡期間が終了したのち、別の燃料電池５を停止させるための処理を開始してもよい。これにより、出力電力の不足を回避できる。ただし、時間差分Ｔ21を実運転時間Ｔ4に含めることは可能である。また、燃料電池５を起動するときの時間差分Ｔ21の過渡期間と別の燃料電池５を停止させるときの時間差分Ｔ22の過渡期間とを重複させることによって、必要な出力電力が確保されてもよい。
［２－３．効果等］
本実施の形態によれば、そのため、燃料電池５の運転を開始してから実際に電力が生成されるまでのタイムラグがあったとしても、燃料電池システム２００の出力電力が不足することを回避できる。
（他の実施の形態）
実施の形態１及び２によれば、運転スケジュールの作成に必要な各種の数値が計算式に基づいて算出される。しかし、テーブル方式で各種の数値が特定されてもよい。例えば、連続運転可能な時間Ｔ0、必要な休止時間Ｔ1、及び、出力電力Ｗ1の組に対応して、グループ数Ｎ、最大構成台数Ｎm、グループ内の燃料電池の台数Ｎa、実休止時間Ｔ3、及び実運転時間Ｔ4がテーブルに記録されていてもよい。
負荷１４の要求電力Ｗ0が設計値で定められていてもよい。つまり、要求電力Ｗ0は定数であってもよい。
なお、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲又はその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
本開示の技術は、複数の燃料電池を備えた燃料電池システムに有用である。
１ 電解質膜
２ アノード
３ カソード
５，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ，５ｇ，５ｈ，５ｉ，５ｊ，５ｋ，５ｌ 燃料電池
６ 水素含有ガス供給経路
７ 酸素含有ガス供給経路
８ 制御器
１１ 水素含有ガス供給源
１２ 酸素含有ガス供給源
１３ 電力線
１４ 負荷
１５，２５ 第１グループ
１６，２６ 第２グループ
２７ 第３グループ
１００，２００ 燃料電池システム

Claims (8)

  1. 負荷に対して並列に接続された複数の燃料電池と、
    前記複数の燃料電池を制御する制御器と、
    を備えた燃料電池システムであって、
    前記制御器は、要求電力に基づいて前記複数の燃料電池の複数の運転スケジュールを定め、前記複数の運転スケジュールに従って前記複数の燃料電池のそれぞれを制御し、
    前記複数の燃料電池のそれぞれは、互いに異なる前記複数の運転スケジュールで運転される前記複数の燃料電池の集合の単位を表す複数のグループのいずれかに属し、
    前記要求電力に応じた電力が前記負荷に供給され、連続運転を行った後で前記燃料電池に必要な休止時間が前記複数の燃料電池のそれぞれに確保され、前記複数のグループの数が最小となり、かつ、同一の前記グループに属する前記複数の燃料電池のそれぞれの休止期間が重ならないように、前記複数の運転スケジュールが定められている、
    燃料電池システム。
  2. 前記制御器は、前記必要な休止時間、前記燃料電池の連続運転可能な時間、及び、前記負荷からの前記要求電力に基づいて前記複数の運転スケジュールを定める、
    請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記複数のグループにおける特定のグループに属する前記燃料電池の台数は、前記複数のグループにおける別のグループに属する前記燃料電池の台数に等しい、
    請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
  4. 同一の前記グループに属する前記複数の燃料電池の前記休止期間の長さが互いに等しい、
    請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  5. 前記休止期間は、前記燃料電池を休止状態から運転状態に到達させるのに必要な期間を含む、
    請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  6. 前記休止期間は、前記燃料電池を運転状態から休止状態に到達させるのに必要な期間を含む、
    請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  7. 前記複数の燃料電池のそれぞれが固体高分子形燃料電池である、
    請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  8. 負荷に対して並列に接続された複数の燃料電池を有する燃料電池システムの運転方法であって、
    要求電力に基づいて前記複数の燃料電池の複数の運転スケジュールを定めることと、
    前記複数の運転スケジュールに従って前記複数の燃料電池のそれぞれを制御することと、
    を含み、
    前記複数の燃料電池のそれぞれは、互いに異なる前記複数の運転スケジュールで運転される前記複数の燃料電池の集合の単位を表す複数のグループのいずれかに属し、
    前記要求電力に応じた電力が前記負荷に供給され、連続運転を行った後で前記燃料電池に必要な休止時間が前記複数の燃料電池のそれぞれに確保され、前記複数のグループの数が最小となり、かつ、同一の前記グループに属する前記複数の燃料電池のそれぞれの休止期間が重ならないように、前記複数の運転スケジュールが定められている、
    燃料電池システムの運転方法。
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