JP4704690B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents

Description

本発明は，燃料電池を使った電源システムとその運転法を扱う技術分野に属する。

燃料電池による電源システム，特に家庭用燃料電池発電システムでは，原料となる水素の供給や貯蔵が難しいことから，オンサイトで水素を製造して発電する方法が検討されている。水素の製造には主として触媒による吸熱反応が使われるため，効率的な水素製造には反応部位に無駄なく熱を供給する必要がある。一方で，燃料電池スタックは供給された水素を１００％使い切るように運転することが難しいことから，発電に使われずに残った水素のエネルギーを回収することが望ましい。これらを背景に，水素製造装置に燃焼器を設け，当該燃焼器において燃料電池アノード排ガス中の残留水素（アノードオフガス）を空気と共に燃焼させる方法が一般に知られている。

上記燃焼によって発生した熱は水素製造の吸熱反応に供給する。しかし，水素製造装置自体の熱容量によって応答遅れが生じる場合がある。また，残留水素量，即ち燃料電池スタックからの戻り水素量はスタックの発電量によって変わるため，負荷接続の状態によって燃焼器の発熱量は異なる。このため，水素製造装置を安定に運転するには，戻り水素量がどれだけであるかを考えて反応をバランスさせる必要がある。水素製造装置を安定な水素製造状態にまで立ち上げる起動時には，特に注意を要する。

従来の燃料電池発電システムの起動法には，例えば特許文献１に記載されている方法がある。この運転法によれば，燃料電池発電システムの起動時に，燃料電池スタックで発生した電力を一時的に試験負荷に供給し，燃料電池スタックの電圧が所定電圧以下に下がらないことを確認してから試験負荷を解除し，サービス運転をする。

上試験負荷への一時的な電力供給と，燃料電池スタック電圧の確認を何回か繰り返すことによって，燃料電池スタックに対して充分な水素が供給されていることを確認できる。しかる後に外部負荷に対する発電を開始するので，燃料電池スタックの寿命低下が少ない。

特開２０００−２８５９４３号公報

しかしながら上述した燃料電池システムの起動法では，燃料電池スタックの寿命低下が少ない一方，水素製造装置の運転安定化が難しいという課題があった。水素製造装置を安定化するには，燃料電池スタックからの戻り水素（アノードオフガス）がある状態で，水素製造装置の運転をバランスさせておくことが望ましい。戻り水素のない状態で水素製造装置を立ち上げる場合には，戻り水素の供給開始と共に燃焼器の燃焼状態が急に変わるので，水素製造装置内の熱バランスが大きく変わってしまうからである。

このように戻り水素のある状態で上記従来の起動法を適用すると，一時的な試験負荷接続の毎に水素製造装置への戻り水素量が変わるので，安定化が難しい。水素製造装置の無理な運転は，水素製造装置で使われる触媒寿命の低下につながるので好ましくない。上記公報に記載の実施例では，燃料電池スタックへの燃料源として，水素ボンベが使われているが，都市ガス改質により水素を製造する家庭用システムなど，水素製造装置と燃料電池スタックとの組み合わせにおいては上記のような課題があった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものである。本発明では，燃料電池発電システムのサービス運転前に，模擬負荷を接続した運転状態を，任意時間又は所定時間Ａのあいだ設ける。このとき，燃料電池スタックのアノードオフガスを水素製造装置の燃焼器へ還流燃焼させておくことにより，燃焼器を含めた水素製造装置の運転を安定化できるようにした。ここでサービス運転とは，水素製造装置や燃料電池スタックが安定化して，通常の負荷に接続する運転をすることである。言い換えれば，燃料電池発電システムが定常運転に入れる状態又は定常運転状態にあることを指す。

ここで任意時間とは，水素製造装置の触媒温度などをセンサで観測し，それが所定の状態になったことを検知してサービス運転に入れると判断するまでに要した時間である。この任意時間の模擬運転法の場合，予め水素製造装置の安定化を示すパラメータを設定しておき，モニターで検知されたパラメータが安定化の状態を示すとき（例えば検出値が予め定めた閾値に達した場合）に模擬負荷運転を終了することにより，自動的運転が可能となる。また所定時間Ａとは，予め種々の条件によって定めた安定化に必要な時間であり，模擬運転の条件を選択することにより，自動運転が可能となる。従って，この時間は水素製造装置毎に異なる。更に，任意時間又は所定時間Ａは，夏場と冬場とで変わる場合があるので，外気温や水道水温を参照して値を切り替えるのが好ましい。

即ち，上記課題を解決するため，本発明は，燃料電池スタックと，当該燃料電池スタックから電流を制御して取り出す電力変換手段と，燃料電池スタックに水素を供給する水素製造装置と，燃料電池発電システムのサービス運転前に，模擬負荷を接続した運転状態を，任意時間または所定時間Ａの間実行する手段とを有する燃料電池発電システムを提供するものである。上記任意時間又は所定時間Ａの値を，気温あるいは水温などに基づいて切り替えることが望ましい。

また，本発明は，この燃料電池発電システムのサービス運転前に，模擬負荷を接続した運転状態で，上記燃料電池スタックのアノードオフガスを上記水素製造装置の燃焼器へ還流燃焼させるようにした燃料電池発電システムを提供するものである。この燃料電池発電システムでは，サービス運転前に，燃焼器を含む水素製造装置の安定な立ち上げに必要な最適時間を予め確保するようにしている。模擬負荷を採用するので，水素製造装置とスタックの連携安定化に最適な発電状態を電力需要とは独立に設定することができる。

また，上記燃料電池発電システムに加えて，模擬負荷として，蓄電手段と貯湯手段の少なくとも一つを更に備えた燃料電池発電システムであって，上記模擬負荷を接続した運転状態により，貯湯手段の貯湯量と，蓄電手段の蓄電量の少なくとも一つを参照して，サービス運転開始の可否を判断することが望ましい。

サービス運転が開始できないと判断された場合，予め決めた所定の部分負荷運転状態へ遷移し，発電および熱回収量を抑えた運転をすることが望ましい。サービス運転が開始できると判断された場合，電力負荷変化を平滑化した値に基づいて算出した目標出力電力値まで，上記電力変換手段により電流を制御する。

燃料電池発電システムでは，燃焼器を含む水素製造装置の安定な立ち上げに必要な模擬負荷運転から，サービス運転あるいはホットスタンバイ運転（所定の部分負荷運転）への移行を判断するのに，貯湯量，蓄電量を参照するようにしている。即ち，熱電需給バランスの維持に必要な貯湯空き容量，蓄電空き容量を確認し，必要な空き容量があるかないかという情報に基づいて運転の継続，中断を判断するようにしている。

また，上記模擬負荷を接続した運転状態での水素製造量を，燃料電池発電システムの定格運転時の水素製造量より少なく設定することができる。この燃料電池システムでは，定格以下の運転状態から水素製造装置を立ち上げることで，水素製造装置の安定運転の立ち上げを容易に行うことができる。中間出力相当の部分負荷状態で模擬負荷運転をしておく場合には，水素製造装置の立ち上げに無理がないばかりでなく，その後のサービス運転あるいはホットスタンバイ運転（所定の部分負荷運転）への移行の際に，負荷が増えても減っても，運転状態の変化幅を小さくできる。

また，上記模擬負荷として二次電池などの蓄電手段を使用するようにしたことができる。これにより，当該システム起動時に必要な補機供給電力の少なくとも一部を，上記蓄電手段によって賄うようにすることができる。

燃料電池システムでは，模擬負荷として蓄電能力のある二次電池などを使うことで，模擬負荷運転時の発電電力を，別の機会に放電し，活用してもよい。特に，システムの運転終了時に，蓄電手段に電力貯蔵された状態にすれば，これをシステム再起動時の補機供給電力の一部に使うことができ，また，この際生じた空き容量を上記模擬負荷運転により充電するようにできるので，無駄がない。

また，蓄電手段と貯湯手段の少なくとも一つを備えた燃料電池システムであって，貯湯手段の貯湯量と，蓄電手段の蓄電量の少なくとも一つを参照してサービス運転（負荷接続）の開始あるいは継続の可否を判断する。この判断によって運転ができないと判断された場合，所定の部分負荷運転状態へ遷移すると共に，任意時間又は所定時間Ｂごとに運転再開の可否を再判断する。また，再開の判断が否のまま任意時間又は所定時間Ｃが経過したことをもってシステムを停止させることができる。上記任意時間又は所定時間ＢとＣの少なくとも一つの値を，気温あるいは水温などに基づいて切り替えるようにすることができる。

燃料電池発電システムでは，模擬負荷運転状態からホットスタンバイ運転（予め決めた所定の部分負荷運転）に移行した後，さらにホットスタンバイ状態が継続するようであれば，所定の時間をもって停止へ移行できるようにしている。ホットスタンバイ運転はシステム効率が得にくい運転状態であるから，その継続時間を制限して，効率的なシステム運転ができるようにした。この運転法は，システムの起動時ばかりでなく，システム運転が継続困難になった場合にも適用できる。

更に，上記本発明に係わる燃料電池発電システムを用いた家庭用燃料電池発電システムでは，都市ガスなどを改質する水素製造装置の運転安定立ち上げを容易に実施することができる。また，水素製造装置の無理な運転がないので，水素製造装置で使われる触媒寿命の低下を抑制することができる。

本発明により，燃焼器を含めた水素製造装置の運転をサービス運転と同等の状態で安定化できる。また，水素製造装置に無理のない負荷追従運転ができるので，水素製造装置で使われる触媒寿命の低下を抑制できる。

以下本発明の代表的実施態様についての説明を捕捉する。

（１）第１の態様は，燃料電池スタックと，当該燃料電池スタックから電流を制御して
取り出す電力変換手段と，当該燃料電池スタックに水素を供給する水素製造装置と，燃料電池発電システムのサービス運転前に，模擬負荷を，任意時間または所定時間Ａの間継続する手段とを設けた燃料電池発電システムである。この場合，アノードオフガスを水素製造装置に還流燃焼しながら模擬負荷運転を行うことが望ましい。また，模擬負荷運転の完了の目安は，水素製造装置の安定化状態（例えば触媒温度）さらには燃料電池スタックの安定化状態（水素燃料がスタック全体に供給されたか否か）を検知して判断する。

（２）また，第２の態様は，燃料電池スタックと，その燃料電池スタックから電流を制御して取り出す電力変換手段と，燃料電池スタックに水素を供給する水素製造装置と，燃料電池発電システムのサービス運転前に，模擬負荷を接続した運転状態を，上記水素製造装置の状態が安定化するまで任意時間又は所定時間Ａの間実行する手段とを備えた燃料電池発電システムである。ここで，水素製造装置の運転状態が安定化するとは上記のとおりである。また，アノードオフガスを水素製造装置の燃焼室に還流することが好ましいことは上記したとおりである。

（３）第３の態様は，燃料電池スタックと，当該燃料電池スタックから電流を制御して取り出す電力変換手段と，当該燃料電池スタックに水素を供給する水素製造装置と，燃料電池発電システムのサービス運転前に，模擬負荷を接続した運転状態で，上記燃料電池スタックのアノードオフガスを上記水素製造装置の燃焼器へ還流燃焼させるようにした燃料電池発電システムである。特に水素製造装置と燃料電池スタックが安定化するまでこの模擬負荷運転を継続することが望ましい。

（４）第４の態様は，蓄電手段と貯湯手段の少なくとも一つと，貯湯手段の貯湯量と，当該蓄電手段の蓄電量の少なくとも一つを参照してサービス運転（負荷接続）の開始あるいは継続の可否を判断する手段と，その判断手段によって運転ができないと判断された場合，所定の部分負荷運転状態へ遷移すると共に，任意時間又は所定時間Ｂごとに運転再開の可否を再判断する手段と，その再開の判断手段による判断が再開否のまま任意時間又は所定時間Ｃが経過したことをもってシステムを停止させる手段とを有する燃料電池発電システムである。

更に，蓄電手段と貯湯手段の少なくとも一つを備えた燃料電池発電システムであって，上記模擬負荷を接続した運転状態により，貯湯手段の貯湯量と，蓄電手段の蓄電量の少なくとも一つを参照して，サービス運転開始の可否を判断する制御手段を設けることが望ましい。

また，サービス運転が開始できると判断された場合，電力負荷変化を平滑化した値に基づいて算出した目標出力電力値まで，上記電力変換手段にて電流を制御して取り出すことができる。更に，上記模擬負荷を接続した運転状態での水素製造量を，当該システム定格運転時の水素製造量より少なく設定した燃料電池発電システムを提供する。更に，燃料電池発電システムの起動時に必要な補機供給電力の少なくとも一部を，上記蓄電手段によって賄うようにすることができる。

上記本発明に係わる燃料電池発電システムによれば，燃料電池発電システムのサービス運転（負荷接続）前に，模擬負荷を接続した運転状態を，任意時間又は所定時間Ａのあいだ継続しあるいは実行する。このとき燃料電池スタックのアノードオフガスを水素製造装置の燃焼器へ還流燃焼させておく。ここで任意時間又は所定時間Ａは，水素製造装置又は水素製造装置と燃料電池スタックの安定化に必要な時間であって，水素製造装置ごとに異なる。

本発明の実施例を，以下図面を用いて詳細に説明する。図１に本発明第１の実施例に係わる燃料電池発電システムの完全停止状態からサービス運転開始までの状態遷移を示す。

燃料電池発電システムを据え付けた初期の状態では，システムは完全停止の状態にある。ここから主電源を入れることで，燃料電池発電システムは待機状態となる。待機状態とは，例えば，燃料電池発電システムに付属する給湯器は独立に給湯サービス運転できるが，燃料電池による発電と熱回収はされない状態のことである。この待機状態では，燃料電池発電システムの制御用マイコンは駆動しているので，ユーザによるシステム起動スイッチのＯＮを判断してシステム起動プロセスへ遷移できる。待機状態では，制御用マイコンの自己診断をしたり，周辺機器の接続状態や運転状態を通信によって確認したりできる。

待機状態から起動プロセスへの遷移は，起動スイッチによる他，タイマー設定による自動遷移としてもよい。毎日同じタイマー設定とする代わりに，制御ユニット内のカレンダーに基づいて起動時間を設定するようにしてもよい。

起動プロセスは，燃料電池システムが発電と熱回収可能な状態へ持っていくためのプロセスである。ここでは，例えば，燃料電池スタックにヒータで加熱した温水を循環させ，燃料電池スタックを発電に適する温度まで昇温すると共に，燃料電池スタックへ水素を供給する水素製造装置を立ち上げるようにする。温水の生成に必要なヒータは，燃料電池スタック温度が所定温度以下の場合のみに通電するようにしておけば無駄がない。

水素製造装置の触媒が所定温度に昇温されて安定な触媒反応をするようになり，燃料電池スタックも発電可能な温度となり，燃料電池スタックへ水素を含む改質ガスが供給可能な状態となった時点で起動完了とし，次の状態へ遷移する。ここで，改質ガスの供給可能な状態とは，所定濃度の水素を含有する改質ガスを生成できるようになると共に，一酸化炭素など燃料電池スタックの電極触媒へ悪影響を及ぼすガス成分については，これを所定濃度以下に低減できた状態を意味する。上記起動プロセスでは，水素製造装置に付属する燃焼器に対して所定量の燃料と空気を供給して燃焼させることはできるが，燃料電池スタックへの改質ガス供給前であるから，実際の燃料電池オフガスを還流し，これを燃料として燃焼させることはできない。

ここで，燃料電池オフガスを還流して燃焼器で燃焼させる場合と，別の燃料を燃焼させる場合とを比較すると次のような違いがある。燃料電池オフガスと別途供給する燃料との熱量をあわせることは比較的容易であるが，燃料電池オフガスに多く含まれる水分などその他のガス組成まで合わせることは難しい。水分の多い燃料電池オフガスは一般に燃焼しにくいので，水素製造装置起動にあたっては，あらかじめ燃料電池オフガスを還流燃焼させた状態で反応に必要な熱的バランスを保っておく。その後にサービス運転へ移行すれば，サービス運転開始前に熱的バランスを崩すことがなく，システムを安定にしておくことができる。

特に家庭用燃料電池システムにおいては，変化の大きい家庭電力負荷に追従させるシステム運転が望まれており，安定化前の水素製造装置をサービス運転に入ってから熱的にバランスさせることは難しい。水素製造装置の触媒温度は生成水素量や濃度に直接係わるので熱的バランスは重要であり，一旦安定化した後には，水素製造装置ごとに最適なシーケンスで水素製造量を変えて負荷追従運転ができる。そこで，本発明に係わる燃料電池システムでは，上記起動プロセスの完了を受けて，慣らし運転に入り，その後，要求電力負荷に対応するサービス運転を開始するようにした。

慣らし運転とは，水素製造装置から燃料電池スタックへ改質ガスを供給し，燃料電池スタックから電流を制御して取り出す電力変換手段によって，所定の電流を取り出し，燃料電池スタックのアノード極オフガスを水素製造装置の燃焼器に還流燃焼させる状態である。取り出した電流は家庭負荷などのユーザ側へは出さず，別途設ける模擬負荷にてこれを消費あるいは蓄積する。

模擬負荷としては，燃料電池システムで使われるポンプやファン，ブロアなどの補機類や，燃料電池システムと連携して運転される周辺電気機器や，電気ヒータなどの電熱変換手段や，二次電池などの蓄電手段を使うことができる。補機や周辺電気機器を模擬負荷として使用する場合は，別途系統電力から不足分を補うようにすれば，燃料電池スタックの発電量を補機や周辺電気機器に合わせて決める必要はない。電気ヒータなどで電気を熱に変換する場合には，別途設ける貯湯槽などの水を直接あるいは間接的に昇温するようにできる。これにより，電気を湯（熱）に変えて蓄積できる。二次電池などの蓄電手段を使う場合には，発電した電力を当該蓄電手段に蓄え，必要なときにこれを放電できるので，システム運用上，発電量を調整できて好ましい。

上記慣らし運転では，水素製造装置の燃焼器には，実際に燃料電池スタックで発電された後のアノードオフガスが還流燃焼されているので，そのガス組成のガスにより安定な燃焼ができれば，通常のサービス運転へ移行した後も安定に運転できる。

また，慣らし運転開始時点で，燃料電池スタック温度が充分に昇温しきっていない場合には，慣らし運転によって昇温をアシストできる。なぜなら，慣らし運転では燃料電池で実際の発電をするので，発電に伴う熱が発生するからである。一例として，燃料電池スタックを代表温度あるいは平均温度７０℃で運転する場合，慣らし運転は５０℃程度あるいはそれ以下の温度から開始するといった運転ができる。なお，慣らし運転にて充分な発熱が期待できる場合には，その熱を貯湯槽に湯として熱回収してもよい。

慣らし運転中の水素製造量および制御電流量は，水素製造装置が燃焼器を含めて安定化しやすい状態に設定しておけばよい。一例として，定格負荷（１００％）に対し，５０％程度の部分負荷状態に相当する水素量と電流量を設定しておけば，起動状態から次第に水素製造量が増える形になるので，無理なく速やかに安定状態へ移行できる。

ここで，慣らし運転として特別な状態を設けることなく，部分負荷状態のひとつをもって慣らし運転状態としておけば，水素製造装置の運転制御が複雑になることがない。また，５０％程度の中間負荷に設定しておけば，その後に負荷が増えても減っても，負荷変化が少ないので，運転状態の変化を小さくできる。

また，模擬負荷運転に必要な最適水素製造量を目標として水素製造装置を起動できるので，水素製造装置起動時の安定化が容易である。この目標値は，一般に水素製造装置の種類毎に異なるが，同じ機種であっても１台１台調整しておくようにしてもよい。

慣らし運転の完了は，例えば水素製造装置の触媒部分に別途設けた温度センサの温度を検出して判断するようにしてもよい（即ち模擬負荷運転を任意時間継続する）が，より実用的には，上記慣らし運転開始から所定時間経過したことをもって完了とすることができる。この場合，あらかじめプロセスの継続時間が決まっているので，触媒温度に変動があっても制御が乱されることがない。また，新たなセンサや処理手段が不要となるので，システム構成を簡単にできる。

所定時間は，水素製造装置や配管長などに依存するので，あらかじめ実験により安定化するまでの時間を決めておけばよい。時間の計測は，マイコン制御によるシステムであれば，タイマカウントによって，所定の時間経過をカウントし，その後，サービス運転開始へ移行するようにできる。

上記所定時間は，水素製造装置やシステム構成によるばかりでなく，季節によって変わる場合もある。いずれの季節でも充分に安定化ができるよう，上記所定時間をあらかじめ余裕をみて長くしておくこともできるが，季節ごとに最適な時間を調整できればなおよい。前述のとおり，所定時間という概念を用いる代わりに，任意時間という概念を用いることもできる。

図１の実施例においては，外気温などを測る温度センサあるいは水道水温などを測る水温センサの情報をもとに，慣らし運転時間Ａを切り替え可能とした。一例として，参照した温度に対する慣らし運転時間Ａをマップの形で記憶させておき，慣らし運転開始にあわせたデータ要求に基づき，温度に対するデータを読み出すようにした。参照温度としては，外気温あるいは水温のいずれかを取ってもよいし，これらのデータをもとに算出した結果をもって参照温度としてもよい。

外気温を計測する温度センサはシステム筐体内外にこれを設けてもよいが，制御ユニット基板上に設けたサーミスタなどを使って温度を計測してもよい。実際に反応の安定化に効く温度は，水素製造装置内部の温度であるので，外気温センサ信号の代わりに水素製造装置本体に制御用に設けてある熱電対信号などを利用するようにしてもよい。触媒の温度は起動前の触媒温度や起動完了時点での触媒温度を参照して，慣らし運転完了までの時間Ａを変えれば，再起動時など，もともと触媒が暖まっているような場合にサービス運転開始を早めることができる。

水温センサは，貯湯槽や追い炊き手段など付属する給湯設備に入る水道水温を測るように設置すれば，夏場，冬場，あるいは中間期といった季節の違いを検知できる。水素製造に係わる触媒に有意な経時劣化があるような場合には，上記マップを起動停止の積算回数に応じて切り替えるようにしてもよい。

いずれの場合も，ソフト的なマップの書き換えや追加で調整ができるので，水素製造装置毎への調整が容易である。それぞれの情報を組み合せて判断する場合も同様にマップの形にまとめることができるが，情報量が多くなる場合にはマップでなく関数として記憶しておいてもよい。上記所定時間Ａは，慣らし運転開始からの時間として説明をしたが，起動プロセス開始からの時間としてもよい。この場合，外気温や水温あるいは，起動前の触媒温度によって起動に要する時間を同様に予め決めておけば，起動プロセスの時間と慣らし運転の時間との合計を所定時間Ａとすればよい。もちろん両者を独立に設定してもよい。

図１の実施例では，更に，上記慣らし運転の後，すぐにサービス運転に入らず，サービス運転開始の判断をすることができる。燃料電池システムとして家庭などの負荷に適切に追従して運転するには，蓄電手段や貯湯手段などに適正な空き容量のあることが望ましい。このため，サービス運転開始まえに蓄電手段や貯湯手段などに適正な空き容量があることを確認し，空き容量がある場合にサービス運転へ移行するようにした。サービス運転に移行できないと判断した場合には，後述する図３および本発明の第２の実施例で説明する方法によって状態遷移させる。

ここで，サービス運転ができるかどうか分からないままシステムを起動させるようにした理由は，次のとおりである。即ち，１つには起動スイッチＯＮによるユーザの意思を優先すること，また１つには，起動の間にも必要な負荷電力の状態が変わり得るので，起動開始時に電力負荷がなくても，起動完了時には負荷要求があるということが想定されることにある。このシステム運転法によれば，ユーザとしてはシステムＯＮと同時に速やかにシステムが立ち上がるので好ましく，システムとしては，起動後の負荷状態でその後の運転を判断できるので好ましい。

上記本発明の第１の実施例に係わる燃料電池発電システムによれば，起動プロセス完了を受けて，慣らし運転に入り，これを任意時間又は所定時間Ａだけ継続したのちに要求電力負荷に対応するサービス運転を開始する。従って，サービス運転前に水素製造装置の反応安定化や燃料電池スタックの昇温を充分に実行することができる。特に，慣らし運転期間において，燃料電池アノードオフガスを水素製造装置の燃焼器へ還流し，燃焼させるようにしたので，燃焼器を含む水素製造装置の熱的バランスを確実にでき，これに続くサービス運転では種々の負荷追従運転を安定的に実行することができる。

また，上記慣らし運転での水素製造量を，システム定格運転時の水素製造量より少なく設定しておくことで，起動状態から次第に水素製造量が増える形になるので，無理なく速やかに安定状態へ移行できる。サービス運転開始後には要求負荷変化の大きい家庭用システムでも，予め定めた模擬負荷運転に必要な水素製造量を目標値に決めて水素製造装置を起動できるので，水素製造装置起動時の安定化が容易である。

また，上述の予定時間Ａを外気温や水道水温，触媒温度やシステム起動停止の積算回数を参照して変えるようにした。このため，季節や前回停止から再起動までの時間の違いによる安定化時間の違い，触媒経時劣化などを補正し，最適な慣らし運転時間あるいは起動時間を設定するようにできる。

更に，上記慣らし運転の後すぐにサービス運転に入らず，サービス運転開始の判断をする状態を設けるようにした。従って，ユーザとしてはシステムＯＮと同時に速やかにシステムが立ち上がるので好ましく，システムとしては，起動後の負荷状態でその後の運転を判断できるので好ましい。

図２に，上記本発明第１の実施例に係わる慣らし運転のシステム構成と状態の一例を説明する。１は水素製造装置であり，１ａは主たる反応器，１ｂは燃焼器である。２は燃料電池（ＰＥＦＣ）スタックである。３は模擬負荷である二次電池など蓄電池である。４は電力変換手段であり，４ａは燃料電池スタック２から電力を取り出すチョッパ，３ｂは模擬負荷である蓄電池３へ電力を充放電する双方向チョッパ，４ｃはサービス運転のためのインバータである。５は燃料電池スタック２から熱回収された温水を蓄える貯湯槽である。
ここで，双方向チョッパ４ｂは，一般の模擬負荷，例えば電気抵抗体などに対しては省略してよい。模擬負荷として蓄電池を想定する場合であっても，正確な充放電管理をしない場合には同様に省略することもできる。

本発明に係わる慣らし運転では，水素製造装置１は水素を含む改質ガスを生成し，当該改質ガスを燃料電池スタック２へ供給し，電力変換手段のうちチョッパ４ａで所定電力を燃料電池スタック２から引き出し，双方向チョッパ４ｂを介して模擬負荷である蓄電池３へ充電する。チョッパ４ａは燃料電池スタック２から所定の電流を引くので，それによってチョッパ４ａ，４ｂ間の電圧が上昇しないように双方向チョッパ４ｂにて模擬負荷である蓄電池３へ充電をするようにした。上記の過程において，燃料電池スタック２は電力変換手段４の制御電流量に見合う量の水素を消費し，発電をする。その結果発生する熱は，図では省略している熱交換手段を介して飲料も可能な温水に変換され，貯湯槽５に蓄えられる。消費されずに残った水素は，アノードオフガスとして燃焼器１ｂへ還流され，ここで空気と共に燃やされる。燃焼によって発生した熱は，反応器１ａでの水素製造のために使われる。

以上において，サービス運転のためのインバータ４ｃは停止しているから，燃料電池スタック２の発電電力はすべて模擬負荷である蓄電池３に蓄電される。負荷３があるので，燃料電池スタックは，あたかも実際の負荷が接続されているかのように発電をすることができ，その結果得られるアノードオフガスを燃焼器１ｂで燃焼させるので，この状態で水素製造装置の運転が安定化しておけば，サービス運転へ無理なく移行できる。なお，給湯に必要な温水は慣らし運転時であっても貯湯槽５から供給をすることができる。貯湯槽の残湯量が不足する場合は，追加分をガス給湯器などで追炊きして加えるようにしてもよい。

慣らし運転において模擬負荷である蓄電池３へ充分な充電ができるようにするには，当該システム起動時に必要な補機供給電力の少なくとも一部を，上記蓄電池３によって予め賄うようにし，空き領域を作っておけばよい。充電池が満充電になってしまった場合には，模擬負荷として，直流駆動の補機などへ直接電力を供給するようにできる。交流電力で動く補機を模擬負荷とする場合には，インバータによる直交変換後に電力を供給するようにすればよい。

起動時の補機動力は系統電力で賄うようにできるが，上記蓄電池３によってシステム起動時に必要な補機供給電力の少なくとも一部を必ず賄えるようにするには，例えば，前回システム停止時に蓄電量を検出し，充分な充電量がない場合はシステム停止前にこれを充電しておくようにしてもよい。上記本発明の第１の実施例に係わる慣らし運転のシステム構成と状態によれば，上記慣らし運転の模擬負荷として，二次電池など蓄電手段を使用する。したがって，慣らし運転中の発電電力を蓄電し，これを必要なときに放電できるので運転の効率を上げることができる。

また，システム起動時に必要な補機供給電力の少なくとも一部を上記蓄電手段で賄うようにすることで，上記模擬負荷運転に必要な充電のための空き容量を確実に設けておくようにできる。

図３に，上記本発明の第１の実施例に係わるサービス運転開始判断の一例を説明する。フローとして，まず貯湯量と蓄電量に係わる情報を読み込む。燃料電池システムとして家庭などの負荷に適切に追従して運転するには，蓄電手段や貯湯手段などに適正な空き容量のあることが望ましい。このため，サービス運転開始まえに蓄電手段や貯湯手段などに適正な空き容量があることを確認している。蓄電量は，充放電量の積算や蓄電池自体の特性変化などによってこれを近似的に検出できる。貯湯量は，貯湯タンクに設けたサーミスタなどの温度検出手段で湯温を計測することで近似的に検出できる。貯湯量，蓄電量それぞれからもとめられる貯湯槽，蓄電池の空き容量が所定値以上であることをもって，サービス運転へ移行するようにした。

サービス運転開始判断には，貯湯量と蓄電量だけでなく，給湯，給電がどれだけあるかが重要になる場合もある。なぜなら，仮に蓄電量が満充電に近くても，電力需要があれば，運転を開始するほうがよい場合があるからである。給湯，給電に係わる情報の取り込みを点線で示した。

給湯，給電に係わる情報には，実際に給湯量，給電量を計測する代わりに，システム内外のデータベースに基づく予測情報や，過去のトレンドから計算した推定値を使うようにしてもよい。また，両方の情報を使うようにしてもよい。一例として，蓄電量が満充電に近く，現在のところ電力需要もあるが，時間帯においては一般に電力需要が少ないという傾向がデータベースとしてある場合には，サービス運転に移行しないというように判断することができる。また，別の例として，蓄電量が少ないが，現在のところ電力需要がないという場合であっても，その時間帯においては一般に電力需要が多くなる傾向がデータベースとしてあれば，サービス運転に移行しておく方が効率的な運転につなげることができる。

上記本発明の第１の実施例に係わるサービス運転開始判断の一例によれば，貯湯量，蓄電量の空き容量や給湯，給電の状態や予測値をもとにサービス運転開始の判断をする。そのため，サービス運転開始直後に貯湯が一杯で運転継続できなくなったり，蓄電池が満充電で運転継続できなくなったりすることを回避できるため，システムに負担の大きい起動停止を繰り返すことがなく，効率的な運転ができる。起動停止は水素製造装置や燃料電池スタックの触媒劣化につながるので，これを抑制することが好ましい。

図３において，上術のサービス運転可否判断を実施し，その結果，サービス運転へ移行するのが好ましくないという場合には，最低部分負荷運転に移行するようにした。一般に，部分負荷運転では，発電量が減り，また，放熱量に対する発熱量も減るため熱回収量が低減する。そこで，部分負荷運転の一つの状態として，発電補機消費電力相当の発電と，放熱損失とほぼ見合う量の熱回収になる状態を選んでおけば，貯湯量や蓄電量がほぼ一杯であっても運転を継続することができる。運転継続できない場合，システムは停止せざるを得ないが，停止プロセスへの移行前に，上記最低部分負荷運転によるホットスタンバイを設けると，頻繁な停止，再起動の発生を抑制でき，システムへの負担が少なくなり好ましい。

もちろん，発電量を厳密に補機消費電力量に一致させることや，発熱量を厳密にシステムの熱損失量と一致させることは難しいが，ほぼその状態になれば，蓄電量の増加も貯湯量の増加も事実上ゼロに近づくので，ホットスタンバイ運転としてこれを所定時間維持することができる。

上記本発明の第１の実施例に係わるサービス運転開始判断によれば，サービス運転できないと判断された場合に，予め決めた所定の部分負荷状態（最低部分負荷運転）へ移行し，発電量と発熱量を抑えることができる。そのため，貯湯量や蓄電量がほぼ一杯であっても運転を継続することができ，頻繁な停止，再起動の発生を抑制できる。また，ホットスタンバイとして特殊な状態ではなく，部分負荷の一つの状態を選択しているので，システム制御を複雑にすることがない。

図３において，上記サービス運転可否判断を実施し，その結果，サービス運転へ移行できると判断された場合には，インバータの電流制御を駆動し，実負荷に見合った電力を外部へ供給開始するようにした。

図４に，上記本発明第１の実施例に係わるサービス運転負荷の設定例を示す。サービス運転開始できると判断された場合，燃料電池スタックから所定の目標電力値まで電力変換手段にて電流を制御して取り出すようにするが，ここで目標電力値は，電力負荷変化を平滑化し，更に離散化した値とするようにした。

図４の各グラフ中，縦軸が消費電力，横軸が時刻を示す。一番上のグラフ（ａ）は，家庭での負荷パターンを模式的に示したものである。緩やかな消費電力変化にスパイク状の電力変化が重畳されている点に特徴がある。このスパイク状の電力変化は，家庭電化製品のスイッチ動作などによって発生する。中央のグラフ（ｂ）は，これを時間的に平均し，平滑化したものである。ここでは上記緩やかな変化が特徴として抽出されている。一番下のグラフ（ｃ）は，これをさらに離散化したものである。燃料電池システムの発電量は連続的に変化させることができるが，システムの応答遅れの点から，部分負荷レベルとして段階的な変化をさせるほうが運転として安定化できる場合が多い。

以上のように，電力負荷変化を平滑化し，更に離散化した値の取り方を決めておき，サービス運転開始時の実負荷を検出して，上述の目標電力量を設定するようにした。なお，目標値までは，制御電流量を次第に増加させるようにしたほうが燃料電池スタックを傷めることがない。

上記本発明の第１の実施例に係わるサービス運転開始判断によれば，サービス運転へ移行できると判断された場合，燃料電池スタックから所定の目標電力値まで電力変換手段により電流を制御して取り出すようにする。また，目標値を決めるにあたり，電力負荷変化を平滑化し，更にそれを離散化した値に基づいて決定することで，負荷変化の大きなサービス運転環境でも負荷追従運転を無理なく開始できる。電流の取り出しには，電力変換手段であるインバータの電流制御のもと，燃料電池スタックから所定の目標電力値まで電流を制御して取り出すようにする。

図５に本発明の第２の実施例に係わる燃料電池システムの最低部分負荷運転（ホットスタンバイ運転）移行後の状態遷移を示す。上記本発明の第１の実施例に係わるサービス運転開始の判断により，サービス運転できないと判断された場合，ホットスタンバイ状態として，あらかじめ想定する部分負荷運転のうち出力が最低となる部分負荷運転（最低部分負荷運転）へ移行するようにした。運転状態への移行完了をもって，タイムカウントを開始する。

タイムカウントが所定時間Ｂだけ経過したことをもって，上記最低部分負荷運転からサービス運転への復帰の可否を判断する。この判断は，一例として図３で説明した方法によればよい。その結果，サービス運転への復帰ができる場合には，サービス運転での所定負荷運転へ遷移する。ここで，所定負荷の設定は，一例として図４で説明した方法によればよい。この所定負荷には，定格負荷と上記最低部分負荷以外の部分負荷が含まれる。

サービス運転への復帰ができない場合には，上記最低部分負荷運転を継続することになるが，その合計継続時間を算出し，これが所定時間Ｃを超過していないかどうかを判断するようにした。なぜなら，最低部分負荷運転を設けることで，停止，再起動の頻繁な発生を回避できるものの，最低部分負荷運転自体は発電効率の悪い運転状態であるので，これを所定時間以上継続すると，システム効率上悪い影響がでるからである。継続時間の判断により，継続時間が所定時間Ｃを超過している場合には，システムを停止させるプロセスへ遷移し，継続時間が所定時間Ｃ以内である場合には，最低部分負荷運転を継続し，上記タイムカウントへ再び遷移するようにした。判断にあたり，所定時間Ｃ以上の時間経過をもってシステムを停止させるプロセスへ遷移させてもよい。

上記所定時間ＢおよびＣは，電力給湯需要に依存し，またユーザの生活パターンに依存する場合がある。そこで，外気温などを計測する温度センサの情報，水道水温を計測する水温センサの情報，またユーザの生活情報に基づいて所定時間Ｂ，Ｃの値を変えるようにした。

温度センサおよび水温センサによって季節の違いを判断する方法については，上記本発明の第１の実施例と同様にできる。生活情報としては，昼型であるか夜型であるか，会社員であるか自営業であるか，等といった情報に基づく典型的な生活パターンを予め用意しておき，ユーザが自分にあった生活パターンを自由に選択できるようにしておくようにできる。あるいは，燃料電池発電システムの運転状態や要求負荷変化を学習し，その結果をもって生活情報とすることもできる。

上記所定時間Ｂ，Ｃは，例えば，生活パターンと季節ごとに予めマップや函数として用意しておくようにした。図５のデータマップはその一例である。なお，当該データマップに記載された時間は説明のためのものである。例えば，昼型の人が夏場にシステムを運転する場合，上術の最低部分負荷状態になってから１分ごとにサービス運転復帰を判断し，合計１５分を超えた時点で，システム停止させるようにしている。夏場は電力需要が多いので，比較的頻繁にサービス運転復帰を判断するようにし，またシステム起動停止の回数を１日１回程度に抑えるために，継続許容時間である所定時間Ｃを長めにした。また，夜型の人が冬場にシステムを運転する場合には，上記最低部分負荷状態になってから２分ごとにサービス運転復帰を判断し，合計６分を超えた時点で，システム停止させるようにしている。

冬場の夜間に給電，給湯の需要がまとまって発生し，需要がなくなった際には朝までシステムを停止させた方がよい場合を想定した。給電給湯需要の変化が少ないので運転復帰の判断周期であるＢを長めに，需要がなくなったら速やかに就寝したと判断できることから継続許容時間である所定時間Ｃを短めにした。上記所定の時間Ｂ，Ｃは，ユーザが自分自身によって，時間を設定入力するようにしてもよい。プリセットされた時間設定に対して，ユーザ設定が合った場合には，当該ユーザ設定を優先することで，ユーザの納得するシステム運転を実現できる。上記所定の時間Ｂ，Ｃは，上記所定の時間Ａの場合と同様に，気温，水温，ユーザ生活パターンに係わる情報以外の情報に基づいて切り替えるようにすることもできる。

上記本発明の第２の実施例に係わる燃料電池システムの最低部分負荷運転（ホットスタンバイ運転）移行後の状態遷移によれば，サービス運転開始が困難と判断された場合，最低部分負荷運転（ホットスタンバイ運転）へ移行する。それと同時に，当該最低部分負荷運転（ホットスタンバイ運転）からの復帰が可能か否かを所定時間Ｂごとに判断し，復帰が困難な場合には，所定時間Ｃをもって停止へ移行できるようにしている。従って，当該所定時間Ｂ，Ｃを自動的にあるいはユーザ設定により調整することで，運転を効率的に実施できる。また，この運転法は，システムの起動時ばかりでなく，システム運転が継続困難になった場合一般にも適用できる。

図６に，上記本発明に係わる燃料電池発電システムを各家庭に配置する定置型分散電源に適用した場合の例を示す。２００は，定置型分散電源であり，本発明に係る電池給湯発電システムを少なくともその一部に含むものである。本システムにおいて，水素製造装置は，外部から供給されるガスと空気，それに燃料電池発電の結果生じる純水や水道水から作られるイオン交換水などを原料として水素を製造する。原料であるガスには，メタンを主成分とする天然ガスや都市ガスなどを使用できる。プロパンガスやその他の燃料をボンベ等により供給するようにしてもよい。都市ガスを使用する場合には，付臭剤に含まれる硫黄成分が触媒を被毒することが知られているので，脱硫器を通して触媒反応部へ供給する。

固体高分子形燃焼電池の場合，発電時の温度は７０−８０℃程度であり，冷却水などを利用して燃料電池内部の温度を調節する。燃料電池の反応や内部抵抗などで生じる余分な熱を冷却により回収することで温水が得られる。但し，外部から供給する水を燃料電池の冷却に直接使用すると，水に含まれる不純物によって燃料電池に悪影響を及ぼす場合があるので，そうした場合には熱交換機能を有する手段を用いて，外部から供給する水を間接的に昇温すればよい。

昇温された温水は，例えば５０−６０℃くらいになるので，温水を貯湯槽に蓄えて使用すれば，台所や風呂あるいは手洗いで使用する温水を給湯器に代って提供できる。加えて，発電により得られた電力は，外部からの供給電力と併せて家庭内の様々な電化製品の駆動に使用できるので，外部からの供給電力量を削減できる。もちろん，充分な発電容量があれば，外部からの供給電力なしに電力を賄うことができる。

外部から供給する水の温度が低く，熱回収で得られる温水の温度が低い場合，また上記貯湯槽内の水温が低下する場合には，別途加熱手段を設けてもよい。その加熱手段は，外部から供給される原料ガスの一部を燃焼させて水を昇温するようにできる。加熱量や温水の流速を調節するフィードバック制御などにより，供給水温を所定温度に昇温維持できる。市販のガス追い焚き器と組み合せて同様のシステムを構成してもよい。

上記本発明に係わる燃料電池発電システムを用いた家庭用燃料電池発電システムによれば，サービス運転開始前でありながら，部分負荷運転に相当するアノードオフガスを還流燃焼できるようにしたので，水素製造装置を燃焼器と一緒に熱的にバランスさせることが容易である。従って，サービス運転開始前にこれを実施することで，変化の大きな家庭用負荷にも安定に追従開始することができる。

また，水素製造装置に無理のない負荷追従運転ができるので，水素製造装置で使われる触媒寿命の低下を抑制できる。

本発明第１の実施例に係わる燃料電池システムの完全停止状態からサービス運転開始までの状態遷移。 本発明第１の実施例に係わる慣らし運転のシステム構成と状態の一例。 本発明第１の実施例に係わるサービス運転開始判断の一例。 本発明第１の実施例に係わるサービス運転負荷の設定例。 本発明第２の実施例に係わる燃料電池システムの最低部分負荷運転（ホットスタンバイ運転）移行後の状態遷移。 上記本発明に係わる燃料電池発電システムを各家庭に配置する定置型分散電源に適用した場合の例。

符号の説明

１…水素製造装置，１ａ…主たる反応器，１ｂ…燃焼器，２…燃料電池（ＰＥＦＣ）スタック，３…模擬負荷，４…電力変換手段，４ａ…チョッパ，３ｂ…双方向チョッパ，４ｃ…インバータ，５…貯湯槽，２００…発電システム制御。

Claims (10)

1. 燃料電池スタックと，該燃料電池スタックから電流を制御して取り出す電力変換手段と，該燃料電池スタックに水素を供給する触媒を備えた水素製造装置と，水道に連結された貯湯手段と、燃料電池発電システムを通常の負荷に接続するサービス運転前に，模擬負荷に接続した燃料電池スタック及び水素製造装置の運転を任意時間又は所定時間Ａの間実行する手段と、外気温、水道水温又は前記水素製造装置の触媒温度を計測する手段と、前記計測手段により計測された計測値によって、前記模擬負荷に接続する運転の任意時間又は所定時間Ａを実行して前記燃料電池スタック及び水素製造装置が所定の状態になったことを検知して前記サービス運転を開始するかどうかを決定する手段を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 燃料電池スタックと，該燃料電池スタックから電流を制御して取り出す電力変換手段と，該燃料電池スタックに水素を供給する触媒を備えた水素製造装置と，水道に連結された貯湯手段と、燃料電池発電システムを通常の負荷に接続するサービス運転前に，模擬負荷に接続した燃料電池スタック及び水素製造装置を接続した運転を，上記水素製造装置の状態が安定化するまで任意時間又は所定時間Ａの間継続する手段と、外気温、水道水温又は前記水素製造装置の触媒温度を計測する手段と、その計測値により、前記模擬負荷に接続する運転の任意時間又は所定時間Ａを実行して前記燃料電池スタック及び水素製造装置が所定の状態になったことを検知して前記サービス運転を開始するかどうかを決定する手段を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
3. 請求項１または２において、模擬負荷を接続した運転状態で，上記燃料電池スタックのアノードオフガスを上記水素製造装置の燃焼器へ還流燃焼する手段を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
4. 請求項１又は２において，更に，蓄電手段を備え，上記模擬負荷を接続した運転状態により，該貯湯手段の貯湯量と，当該蓄電手段の蓄電量の少なくとも一つを参照して，前記サービス運転開始の可否を判断するようにしたことを特徴とする燃料電池発電システム。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて，前記サービス運転が開始できないと判断された場合，所定の部分負荷運転状態へ遷移し，発電および熱回収量を抑えた運転をするようにしたことを特徴とする燃料電池発電システム。
6. 請求項１ないし５のいずれかにおいて，前記サービス運転が開始できると判断された場合，電力負荷変化を平滑化した値に基づいて算出した目標出力電力値まで，上記電力変換手段により電流を制御して取り出すようにしたことを特徴とする燃料電池発電システム。
7. 請求項１から６のいずれかにおいて，上記模擬負荷を接続した運転状態での水素製造量を，当該システム定格運転時の水素製造量より少なく設定したことを特徴とする燃料電池発電システム。
8. 請求項１から３、５及び７のいずれかにおいて，上記模擬負荷が蓄電手段であることを特徴とする燃料電池発電システム。
9. 請求項８において，該システムの起動時に必要な補機供給電力の少なくとも一部を，上記蓄電手段によって賄うようにしたことを特徴とする燃料電池発電システム。
10. 燃料電池スタックと，該燃料電池スタックから電流を制御して取り出す電力変換手段と，該燃料電池スタックに水素を供給する触媒を備えた水素製造装置と，水道に連結された貯湯手段と、燃料電池発電システムを通常の負荷に接続するサービス運転前に，模擬負荷に接続した燃料電池スタック及び水素製造装置の運転を任意時間又は所定時間Ａの間実行する手段と、外気温又は水道水温を計測する手段と、前記計測手段により計測された計測値と予め記憶した慣らし運転時時間Ａのデータマップとの比較により、前記燃料電池スタック及び水素製造装置が所定の状態になったことを検知して前記サービス運転を開始するかどうかを決定する手段を有することを特徴とする燃料電池発電システム。

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