JP4982039B2 - 負荷が消費する電力を発電するために必要な量のみの水素を燃料電池に提供する燃料電池システム、燃料電池システム制御方法および集合住宅 - Google Patents

Description

本発明は、各複数の負荷が消費する電力を発電するために必要な量のみの水素を対応する燃料電池に提供することができる燃料電池システムおよび燃料電池システム制御方法に関する。特に本発明は、燃料電池の出力電圧の各々に基づいて、対応する燃料電池に対して設けられた分散レギュレータを制御することにより水素を燃料電池へ提供する、燃料電池システムおよび燃料電池システム制御方法に関する。

燃料電池を用いた分散型電源においては、燃料改質型の燃料電池システムが知られている。燃料改質型の燃料電池システムは、都市ガス、プロパンガス等を改質して水素を生成する改質器を備え、改質器が生成する水素を燃料電池に供給する（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００１−１８５１８２号公報

しかし、現状の改質器は、生成する水素の量を変動させるのに数秒の時間を要する。このため、負荷電力が大きく変動した場合に、燃料電池が必要とする量の水素を改質器が供給できず、燃料電池の発電量を負荷電力に応答よく追従させることが困難であった。

また、改質器は、起動時の暖機運転に数十分の時間を要する。したがって、燃料電池が発電する必要がないときに改質器の運転を停止していた場合には、燃料電池が発電を開始しようとしたときに必要な水素を迅速に供給することができなかった。

また、従来の燃料電池システムでは、燃料電池ごとに改質器を備え、改質器は各々の燃料電池が必要とする水素を生産する。このようなシステムでは、燃料電池が最大の電力量を発電するために必要とする水素量を生産することのできる改質器を、各々の燃料電池に設置する必要がある。また、燃料電池が発電する電力が少なく、燃料電池が必要とする水素量が、改質器が生産することができる水素量よりも少ない場合でも、改質器は燃料電池が必要とする水素を生産する必要がある。このため、例えば、集合住宅の各住居に燃料電池を設置したとき、集合住宅全体としては、全ての改質器が生産することのできる水素量を有効に使用できず、無駄が多い。

また、燃料電池は水素を含む排気ガスを排出する。この排気ガスが持つ熱量を改質器で消費することによってエネルギーの効率化を図るシステムがあるが、排気ガスの持つ熱量を改質器に回収するための設備が必要であった。

このような課題を解決するために、本発明の第１の形態における燃料電池システムは、水素を生成する改質器と、改質器が生成した水素により発電する複数の燃料電池と、燃料電池毎に設けられ、燃料電池の各々に提供する水素の圧力を目的圧力以下に保ちつつ水素を燃料電池に提供する分散レギュレータと、燃料電池の出力電圧の各々に基づいて、対応する燃料電池に対して設けられた分散レギュレータを制御することにより水素を燃料電池へ提供する制御部とを備えた。

制御部は、燃料電池の出力電圧の各々に基づいて、対応する燃料電池に対して設けられた分散レギュレータを制御することにより水素を燃料電池へ提供するので、各複数の負荷が消費する電力を発電するために必要な量のみの水素を対応する燃料電池に提供することができる。

また本形態における燃料電池システムは、改質器により生成された水素を貯蔵する水素貯蔵バッファと、水素貯蔵バッファに貯蔵された水素を、分散レギュレータへ提供する中央レギュレータとを更に備え制御部は、改質器が生成する水素の量が、複数の燃料電池が消費する水素の総量よりも多い場合に水素を水素貯蔵バッファへ貯蔵し、改質器が生成する水素の量が、燃料電池が消費する水素の合計量より小さい場合に、中央レギュレータを用いて水素を分散レギュレータへ供給する。

制御部は改質器が生成する水素の量が、複数の燃料電池が消費する水素の総量よりも多い場合に水素を水素貯蔵バッファへ貯蔵し、改質器が生成する水素の量が、燃料電池が消費する水素の合計量より小さい場合に、中央レギュレータを用いて水素を分散レギュレータへ供給するので、複数の燃料電池が必要とする水素の合計量を過不足なく迅速に分散レギュレータへ供給できる。

また本形態における燃料電池システムは、水素が燃料電池に提供される前に、改質器により生成された水素の純度を高める高純度化装置を更に備えた。このため、燃料電池の排気ガスが減少し、排気ガスを改質器に導く配管等の設備が不要になる。改質器は、時間あたりの最大の水素生成量が、燃料電池が消費する時間あたりの最大の水素消費量の合計量よりも小さい。このため、改質器を小型にすることができる。また、定格に近い出力領域で改質器を駆動することになるので、高い効率で改質器を駆動することができる。

また本形態における燃料電池システムは、改質器により生成された水素を水素貯蔵バッファへ加圧蓄積する水素ポンプを更に備え制御部は、改質器が生成する水素の量が、複数の燃料電池が消費する水素の総量よりも多い場合に、水素ポンプを用いて水素を水素貯蔵バッファへ貯蔵する。このため、水素貯蔵バッファに水素を貯蔵する必要があるときに、改質器が生成する水素の圧力が、水素貯蔵バッファに水素を蓄積するための圧力より低い場合であっても、水素貯蔵バッファに水素を貯蔵することができる。また、改質器の出力を高く保ち、予め定めた効率より高い効率で改質器を駆動し続けることができる。

制御部は、複数の燃料電池による水素の消費量の総量の変動を、水素貯蔵バッファを用いて緩衝することにより、改質器の動作の変動を低減する。このため、改質器の出力を変動させるときに生じるエネルギーのロスを削減できる。

また本形態における燃料電池システムは、各燃料電池から提供される電力により動作する複数の負荷の消費電力を測定する電力測定装置を更に備え、制御部は、電力測定装置により測定された消費電力を複数の燃料電池が発電するために必要な水素の総量と比較して、改質器により生成される水素の量の方が多い場合に、水素ポンプを駆動することにより水素を水素貯蔵バッファへ加圧蓄積する。このため、各複数の負荷が消費する電力を発電するために必要な量のみの水素を分散レギュレータに提供することができる。

また、制御部は、改質器が生成した水素を、水素ポンプを用いて夜間に水素貯蔵バッファへ貯蔵する。このため、消費電力が少ない夜間であっても、改質器を高い効率で駆動し続けることができる。制御部は、改質器を停止することなく全日の間動作させ続ける。このため、改質器を起動するときに生じるエネルギーのロスを削減することができる。

本発明の他の形態における燃料電池システム制御方法は、改質器を用いて水素を生成するステップと、燃料電池毎に設けられた分散レギュレータを用いて、燃料電池の各々に提供する水素の圧力を目的圧力以下に保ちつつ水素を燃料電池に提供するステップと、燃料電池を用いて、改質器が生成した水素により発電するステップと、燃料電池の出力電圧の各々に基づいて、対応する燃料電池に対して設けられた分散レギュレータを制御することにより水素を燃料電池へ提供する制御ステップとを備えた。

また本形態における燃料電池システム制御方法は、改質器により生成された水素を水素貯蔵バッファへ貯蔵するステップと、中央レギュレータを用いて、水素貯蔵バッファに貯蔵された水素を分散レギュレータへ提供するステップとを更に備え、制御ステップは、改質器が生成する水素の量が、複数の燃料電池が消費する水素の総量よりも多い場合に水素を水素貯蔵バッファへ貯蔵し、改質器が生成する水素の量が、燃料電池が消費する水素の合計量より小さい場合に、中央レギュレータを用いて水素を分散レギュレータへ供給する。

また本形態における燃料電池システム制御方法は、水素が燃料電池に提供される前に、高純度化装置を用いて、改質器により生成された水素の純度を高めるステップを更に備えた。

また、制御ステップは、改質器が生成する水素の量が、複数の燃料電池が消費する水素の総量よりも多い場合に、水素ポンプを用いて水素を水素貯蔵バッファへ貯蔵する。

また、制御ステップは、複数の燃料電池による水素の消費量の総量の変動を、水素貯蔵バッファを用いて緩衝することにより、改質器の動作の変動を低減する。

また本形態における燃料電池システム制御方法は、電力測定装置を用いて、各燃料電池から提供される電力により動作する複数の負荷の消費電力を測定するステップを更に備え、制御ステップは、電力測定装置により測定された消費電力を複数の燃料電池が発電するために必要な水素の総量と比較して、改質器により生成される水素の量の方が多い場合に、水素ポンプを駆動することにより水素を水素貯蔵バッファへ加圧蓄積する。

また、制御ステップは、改質器が生成した水素を、水素ポンプを用いて夜間に水素貯蔵バッファへ貯蔵する。また、制御ステップは、改質器が生成した水素を、水素ポンプを用いて夜間に水素貯蔵バッファへ貯蔵する。また、制御ステップは、改質器を停止することなく全日の間動作させ続ける。

なお上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションも又発明となりうる。

本発明によれば、制御部は燃料電池の出力電圧の各々に基づいて、対応する燃料電池に対して設けられた分散レギュレータを制御することにより水素を燃料電池へ提供するので、各複数の負荷が消費する電力を発電するために必要な量のみの水素を対応する燃料電池に提供することができる。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、又実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の開発手段に必須であるとは限らない。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム３０の構成の一例を示す図である。本実施形態は、各複数の負荷が消費する電力を発電するために必要な量のみの水素を対応する燃料電池に提供することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

燃料電池システム３０は、例えば複数の住居（１１０ａ〜１１０ｃ、以下１１０と総称する。）を含む集合住宅に電力を供給する。ここで、集合住宅とは、一の建築物に複数の住居１１０を設けたものであってよく、異なる領域に設けられた複数の建築物のそれぞれを住居１１０としたものであってもよい。

住居１１０ｂおよび住居１１０ｃは、住居１１０ａと同一の構成要素を持つ。住居１１０ｂおよび住居１１０ｃが持つ各構成要素の符号の末尾にそれぞれｂおよびｃの符号を付けることにより、いずれの住居１１０の構成要素であるかを識別する。すなわち、燃料電池システム３０は、複数の燃料電池（４８ａ〜４８ｃ、以下４８と総称する。）、複数の負荷（５４ａ〜５４ｃ、以下５４と総称する。）、複数の電力測定装置（５２ａ〜５２ｃ、以下５２と総称する。）、および複数の分散レギュレータ（６２ａ〜６２ｃ、以下６２と総称する。）、ならびに、住居１１０が有さない単独の改質器４０、高純度化装置６０、水素ポンプ４４、水素貯蔵バッファ４２、中央レギュレータ４６、バイパス配管５６、および制御部５０を備える。

以下、住居１１０ａの各構成要素の動作について説明する。本実施形態においては、燃料電池４８ａは、住居１１０ａに設けられ、負荷５４ａに電力を供給する。

燃料電池４８ａは、例えば固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）である。燃料電池４８ａは、改質器４０が生成し、分散レギュレータ６２ａを経由して供給される水素により発電する。

分散レギュレータ６２ａは、燃料電池４８ａ毎に設けられ、燃料電池４８ａに提供する水素の圧力を目的圧力以下に保ちつつ水素を燃料電池４８ａに提供する。分散レギュレータ６２ａが、燃料電池４８ａに供給する水素の圧力を適切な値に保つことで、燃料ガスの圧力差による燃料電池４８ａの劣化を抑制することができる。

負荷５４ａは、燃料電池４８ａから提供される電力により動作する。電力測定装置５２ａは、負荷５４ａの消費電力を測定する。本実施例では、電力測定装置５２ａは、燃料電池４８ａから負荷５４ａに流れる電流を測定する。

以上、住居１１０ａの各構成要素の動作について説明したが、住居１１０ｂおよび住居１１０ｃの持つそれぞれの各構成要素の動作は、住居１１０ａの各構成要素の動作と同一であるので説明を省略する。

改質器４０は、水素を生成する。改質器４０は、例えば、都市ガス、プロパンガス等を改質して、水素ガスを生成する。改質器４０は、燃料電池４８が消費する水素を供給する。

改質器４０は、燃料電池４８の各々が消費する水素の量の合計量を供給するので、いずれかの燃料電池４８が消費する水素の量が増加したときに、別のいずれかの燃料電池４８が消費する水素の量が減少した場合には、改質器４０が供給すべき水素の量の時間的な変動量が小さくなる。したがって、各々の負荷５４が消費する電力が時間的に変動した場合であっても、改質器４０が生成する水素の量の時間的な変動を小さくすることができる。

また、改質器４０が生成した水素を分散レギュレータ６２に導く配管内に水素を蓄積できる。したがって、燃料電池４８が必要とする水素の量の合計量の増加量を、改質器４０が生成した水素を分散レギュレータ６２に導く配管内に蓄積されている水素によって補うことができる場合には、改質器４０が生成する水素の量を変動させずに、燃料電池４８に水素を供給することができる。このため、改質器４０が生成する水素の量の時間的な変動を更に小さくすることができる。

改質器４０が生成した水素ガスは、高純度化装置６０を経由して、燃料電池４８に供給される。このとき、燃料電池４８に供給される水素の圧力は大気圧より２０ｋＰａから２００ｋＰａ程度高く設定する。この圧力は、改質器４０の運転条件により設定することができる。また、配管に絞りを入れて負圧を高めたり、ポンプで強制的に圧力を高めたりすることもできる。また、高純度化装置６０の出口の圧力を調整して設定してもよい。

この圧力は限定されるものではないが、大気圧より２０ｋＰａ程度高い圧力以下の場合は、燃料電池４８の稼働率が高まったときに増加した水素消費量を補えなくなるおそれがある。また、大気圧より２００ｋＰａ程度以上高い圧力では、余計なエネルギーを要するおそれがあり、また、改質器４０の運転条件によってこの圧力を設定した場合には、改質反応において生成物の選択率が低下する場合がある。

改質器４０が生成した水素は、ＰＳＡ法、水素分離膜法、ＣＯ選択酸化法などの水素精製方法で精製して用いることができる。それぞれの水素精製方法は、規模や燃料電池４８の性能などから適宜に選択される。このような水素精製方法を用いて水素の純度を高めると、燃料電池４８の運転効率が上がるので有利である。

本実施例の高純度化装置６０は、ＰＳＡ法を用いて、水素が燃料電池４８に提供される前に、水素の純度を高度に高める。ＰＳＡ法で水素の純度を高度に高めた場合、燃料電池４８からの排気ガスが減少するとともに、排気ガスに含まれる水素を燃料電池４８の燃料とすることで、排気ガスに含まれる水素をそれぞれの燃料電池４８の近傍で消費することもできる。

一般に、燃料電池４８に供給する水素の純度が低いほど、排気ガスが多く生成される。この排気ガスの持つ熱量を無駄にしないためには、例えば、排気ガスを改質器４０で燃焼させるべく、排気ガスを改質器４０に導くための配管等を設置する必要がある。しかしながら、本実施例では、高純度化装置６０によって燃料電池４８の排気ガスが減少するので、排気ガスを改質器４０に導くための配管等の設備が不要になる。

水素貯蔵バッファ４２は、改質器４０により生成された水素を貯蔵する。本実施例では、水素貯蔵バッファ４２は、水素貯蔵合金を有する。水素貯蔵合金は、例えば、Ｔｉ−Ｃｒ−Ｖ系合金よりなる。水素貯蔵バッファ４２の水素貯蔵合金は、水素を選択的に吸着するので、水素の純度を高めることができる。

また、水素貯蔵バッファ４２が水素を貯蔵するので、改質器４０が生成する水素の量が、燃料電池４８が必要とする水素の量の合計量に比べて不足する場合であっても、水素貯蔵バッファ４２に貯蔵された水素を用いて、燃料電池４８が必要とする水素の量の合計量を供給できる。したがって、本実施例の改質器４０は、時間あたりの最大の水素生成量が、燃料電池４８が消費する時間あたりの最大の水素消費量の合計量よりも小さくてよい。これにより、改質器４０を小型にすることができる。

水素ポンプ４４は、改質器４０により生成され、高純度化装置６０により高純度化された水素を水素貯蔵バッファ４２へ加圧蓄積する。中央レギュレータ４６は、水素貯蔵バッファ４２に貯蔵された水素を、分散レギュレータ６２へ提供する。これにより、分散レギュレータ６２を操作することで、対応する燃料電池４８に水素を供給できるよう、分散レギュレータ６２にかかる水素の圧力を適切な値に維持できる。

例えば、分散レギュレータ６２が、対応する燃料電池４８に１気圧で水素を供給するよう水素の流量を制御するとき、中央レギュレータ４６は、分散レギュレータ６２に供給する水素の圧力が１．１気圧になるように、水素貯蔵バッファ４２から供給する水素の流量を制御する。

バイパス配管５６は、改質器４０が生成した水素を、水素貯蔵バッファ４２を経由させずに分散レギュレータ６２へ供給する。このため、水素の貯蔵および水素の放出のためにエネルギーを消費することなく、分散レギュレータ６２に水素を供給することができる。

制御部５０は、燃料電池４８の出力電圧の各々に基づいて、対応する燃料電池４８に対して設けられた分散レギュレータ６２を制御することにより水素を燃料電池４８へ提供する。

また、制御部５０は、改質器４０が生成する水素の量が、複数の燃料電池４８が消費する水素の総量よりも多い場合に水素を水素貯蔵バッファ４２へ貯蔵し、改質器４０が生成する水素の量が、燃料電池４８が消費する水素の合計量より小さい場合に、中央レギュレータ４６を用いて水素を分散レギュレータ６２へ供給する。これにより、複数の燃料電池４８が必要とする水素の合計量を過不足なく迅速に分散レギュレータ６２へ供給できる。

また、制御部５０は、改質器４０が生成する水素を水素貯蔵バッファ４２へ貯蔵する場合に、水素ポンプ４４を用いて水素を水素貯蔵バッファ４２へ貯蔵する。このため、水素貯蔵バッファ４２に水素を貯蔵する必要があるときに、改質器４０が生成する水素の圧力が、水素貯蔵バッファ４２に水素を蓄積するための圧力より低い場合であっても、水素貯蔵バッファ４２に水素を貯蔵することができる。

このように、制御部５０は、複数の燃料電池４８による水素の消費量の総量の変動を、水素貯蔵バッファ４２を用いて緩衝することにより、改質器４０の動作の変動を低減する。改質器４０の動作の変動を低減することで、改質器４０を効率よく駆動できる。

一般に、改質器４０が効率良く水素を生成するためには、改質器４０は適切な温度を維持し、熱平衡状態を安定させる必要がある。改質器４０が生成する水素の量を変えるには、改質器４０に与える熱量を変える必要があるが、改質器４０に与える熱量を変更すると、改質器４０の内部の熱平衡状態がくずれ、温度の偏りが一時的に大きくなる。このため、再度、熱平衡状態が安定するまでの間、改質効率が低下する。また、改質器４０に与える熱量の変更を繰り返すと、改質器４０の温度変化が繰り返し発生することになり、温度サイクルの影響で改質器４０が劣化する。

しかしながら、本実施形態の燃料電池システム３０では、個々の燃料電池４８のそれぞれが改質器４０を備える場合に比べて、改質器４０の動作の変動を低減できるので、改質器４０の出力を変動させるときに生じるエネルギーのロスを削減できる。また、制御部５０が、水素貯蔵バッファ４２を用いて、改質器４０の動作の変動を更に低減するので、改質器４０の出力を変動させるときに生じるエネルギーのロスを更に削減できる。また、温度サイクルの影響で改質器４０が劣化することを抑制できる。

図２は、改質器４０における、出力と効率との関係の一例を示す図である。横軸は改質器４０における定格に対する出力の割合であり、縦軸は改質効率である。一般に、改質器４０の効率は、改質器４０の出力に依存する。したがって、効率の下限となる基準効率を定めると、改質器４０の効率を基準効率以上とするための、改質器４０の出力の下限が定まる。本実施例における改質器４０は、時間あたりの最大の水素生成量が、燃料電池４８が消費する時間あたりの最大の水素消費量の合計量よりも小さいので、より定格に近い出力領域で改質器４０を駆動することになり、高い効率で改質器４０を駆動することができる。

また、予め定めた効率より高い効率で改質器４０を駆動すべく改質器４０の出力を高く保った場合に、改質器４０が生成する水素の量が、燃料電池４８が消費する水素の量よりも多くなっても、制御部５０が水素ポンプ４４を制御して、余剰の水素を水素貯蔵バッファ４２へ貯蔵して、燃料電池４８による水素の消費量の変動を緩衝する。したがって、改質器４０の出力を高く保つよう改質器４０を制御することで、燃料電池４８が消費する水素の量が一時的に低くなった場合でも、予め定めた効率より高い効率で改質器４０を駆動し続けることができる。

また、制御部５０は、改質器４０が生成した水素を、水素ポンプ４４を用いて夜間に水素貯蔵バッファ４２へ貯蔵するよう制御する。一般に、夜間は、昼間に比べて消費電力が少なく、燃料電池４８が必要とする水素の量も昼間に比べて少ない。しかしながら、夜間に、改質器４０を予め定めた効率よりも高い効率で駆動し続けたときに、改質器４０が生成する水素の量が、燃料電池４８が必要とする水素の量よりも多い場合でも、改質器４０が生産した余剰の水素を水素貯蔵バッファ４２へ貯蔵することができる。このように、消費電力が少ない夜間であっても、改質器４０を高い効率で駆動し続けることができる。

図３は、燃料電池４８の出力電圧に基づいて分散レギュレータ６２を制御する場合の、制御部５０の動作の一例を示すフローチャートである。制御部５０は、燃料電池４８のそれぞれについて、出力電圧と、予め定めた基準電圧とを比較し、差があるか否かを判定する（Ｓ２２２）。

Ｓ２２２において、出力電圧と基準電圧に差がある場合は、燃料電池４８に供給すべき水素の流量を計算する（Ｓ２２４）。このとき、電力測定装置５２によって計測する電力または電流に基づいて、対応する燃料電池４８が必要とする水素の量を計算してもよい。Ｓ２２４で計算された、燃料電池４８の各々に供給すべき水素の流量に基づいて、対応する分散レギュレータ６２を制御し、燃料電池４８の各々に供給すべき水素を供給し、処理を終了する。

Ｓ２２２において、出力電圧と基準電圧に差がない場合は、処理を終了する。

また、Ｓ２２２の判断に用いる基準電圧として、基準電圧の上限および基準電圧の下限を定めてもよい。すなわち、Ｓ２２２において、燃料電池４８の出力電圧が基準電圧の上限を越える場合、または、燃料電池４８の出力電圧が基準電圧の下限を下回る場合は、ＳＳ２２４およびＳ２２６を実行して、処理を終了する。また、Ｓ２２２において、燃料電池４８が出力する電圧が、基準電圧の下限以上であり、かつ、基準電圧の上限以下である場合は、処理を終了する。

このように、制御部５０が、燃料電池４８の出力電圧の各々に基づいて、対応する燃料電池４８に対して設けられた分散レギュレータ６２を制御することにより水素を燃料電池４８へ提供するので、各複数の負荷５４が消費する電力を発電するために必要な量のみの水素を対応する燃料電池４８に提供することができる。

また、制御部５０は、燃料電池４８が消費する水素の量の合計量と、改質器４０が生成する水素の量とを比較して、水素貯蔵バッファ４２に水素を貯蔵するか否かを判断する。

図４は、水素を水素貯蔵バッファ４２に貯蔵するか否かを、水素の消費量と水素の生成量とに基づいて判定する場合の、制御部５０の動作の一例を示すフローチャートである。制御部５０は、燃料電池４８の各々が必要とする水素の量を計算し、その合計値を、燃料電池４８が必要とする水素の量の合計量とする（Ｓ２４２）。なお、Ｓ２４２において制御部５０は、燃料電池４８の各々が必要とする水素の量を、対応する電力測定装置５２により測定された消費電力に基づいて計算する。

Ｓ２４２において計算された、燃料電池４８が必要とする水素の量の合計量と、改質器４０が生成する水素の量を比較する（Ｓ２４４）。

Ｓ２４４において、改質器４０が生成する水素の量が、燃料電池４８が必要とする水素の合計量を上回る場合、貯蔵すべき水素の量を計算する（Ｓ２４６）。Ｓ２４６において制御部５０は、例えば、改質器４０が時間あたりに生成する水素の量と、燃料電池４８が時間あたりに必要とする水素の合計量との差を、時間あたりに貯蔵すべき水素の量とする。

Ｓ２４６で計算された貯蔵すべき水素の量に基づいて、水素ポンプ４４を駆動することにより水素貯蔵バッファ４２へ水素を加圧蓄積し（Ｓ２４８）、処理を終了する。

Ｓ２４４において、改質器４０が生成する水素の量が、燃料電池４８が必要とする水素の合計量を下回る場合、供給すべき水素の量を計算する（Ｓ２５０）。Ｓ２５０において制御部５０は、例えば、燃料電池４８が時間あたりに必要とする水素の合計量と、改質器４０が時間あたりに生成する水素の量との差を、時間あたりに供給すべき水素の量とする。

Ｓ２５０で計算された供給すべき水素の量に基づいて、中央レギュレータ４６を制御して水素貯蔵バッファ４２から分散レギュレータ６２に水素を供給し（Ｓ２５２）、処理を終了する。

このように、制御部５０が、電力測定装置５２により測定された消費電力を複数の燃料電池４８が発電するために必要な水素の総量と比較して、改質器４０により生成される水素の量の方が多い場合に、水素ポンプ４４を駆動することにより水素を水素貯蔵バッファ４２へ加圧蓄積するので、各複数の負荷５４が消費する電力を発電するために必要な量のみの水素を分散レギュレータ６２に提供することができる。

また、制御部５０は、水素を水素貯蔵バッファ４２に貯蔵するか否かを、分散レギュレータ６２に供給する水素の圧力で判定する。

図５は、水素を貯蔵するか否かを、分散レギュレータ６２に供給する水素の圧力で判定する場合の、制御部５０の動作の一例を示すフローチャートである。制御部５０は、バイパス配管５６内の水素の圧力を、分散レギュレータ６２に供給する水素の圧力として検出し、予め定めた基準圧力と比較する（Ｓ２０２）。

Ｓ２０２において、バイパス配管５６内の水素の圧力が基準圧力を越える場合は、水素の圧力が基準圧力を越えないために水素貯蔵バッファ４２に貯蔵すべき水素の量を計算する（Ｓ２０４）。Ｓ２０４で計算された貯蔵すべき量の水素に基づいて、水素ポンプ４４を駆動して水素貯蔵バッファ４２に水素を貯蔵し（Ｓ２０６）、処理を終了する。

Ｓ２０２において、バイパス配管５６内の水素の圧力が基準圧力を下回る場合は、水素の圧力が基準圧力を下回らないために水素貯蔵バッファ４２から供給すべき水素の量を計算する（Ｓ２０８）。Ｓ２０８で計算された供給すべき量の水素に基づいて、中央レギュレータ４６を制御して水素貯蔵バッファ４２から水素を供給し（Ｓ２１０）、処理を終了する。

また、Ｓ２０２の判断に用いる基準圧力として、基準圧力の上限および基準圧力の下限を定めてもよい。すなわち、Ｓ２０２において、バイパス配管５６内の水素の圧力が、基準圧力の上限を越える場合は、Ｓ２０４およびＳ２０６を実行して、処理を終了する。また、Ｓ２０２において、バイパス配管５６内の水素の圧力が、基準圧力の下限を下回る場合は、Ｓ２０８およびＳ２１０を実行して、処理を終了する。また、Ｓ２０２において、生成される水素の圧力が、基準圧力の下限以上であり、かつ、基準圧力の上限以下である場合は、処理を終了してよい。

また、Ｓ２０２において制御部５０は、分散レギュレータ６２に供給される水素の圧力のそれぞれを、分散レギュレータ６２のそれぞれの近傍で検出し、予め定めた基準圧力と比較してもよい。例えば、分散レギュレータ６２に供給される水素の圧力の中で最小の圧力と、予め定めた基準圧力とを比較する。分散レギュレータ６２に供給される水素の圧力の中で最小の圧力が基準圧力を越える場合は、Ｓ２０４およびＳ２０６を実行して、処理を終了する。また、分散レギュレータ６２に供給される水素の圧力の中で最小の圧力が基準圧力を下回る場合は、Ｓ２０８およびＳ２１０を実行して、処理を終了する。

このように、制御部５０が、改質器４０が生成する水素の圧力が予め定めた圧力を下回った場合に、中央レギュレータ４６を制御することにより水素を分散レギュレータ６２へ提供し、改質器４０が生成する水素の圧力が予め定めた圧力を越えた場合に、水素ポンプ４４を駆動することにより水素を水素貯蔵バッファ４２へ加圧蓄積するので、分散レギュレータ６２に提供する水素の圧力を適切な値に維持できる。このため、燃料電池４８が水素を必要としたときに、対応する分散レギュレータ６２を操作することで迅速に燃料電池４８に水素を供給できる。

図６は、一日における水素の生成と消費の時間発展の一例を示す図である。横軸は時刻であり、縦軸は時間あたりに生成される水素量または時間あたりに消費される水素量である。制御部５０は、例えば、改質器４０が生成する時間あたりの水素の量を、一日を通じて一定となるよう制御する。また、制御部５０は、改質器４０を停止することなく全日の間動作させ続ける。

すなわち、時刻ｔ０から時刻ｔ１の時間帯および時刻ｔ４から時刻ｔ５の時間帯は、改質器４０が生成する時間あたりの水素の量が、燃料電池４８が消費する時間あたりの水素の合計量を上回る。これらの時間帯では、制御部５０は、燃料電池４８が消費する水素の合計量を、バイパス配管５６を用いて分散レギュレータ６２に供給しつつ、水素ポンプ４４を制御して、余剰に生成される量の水素を水素貯蔵バッファ４２に貯蔵する。

また、時刻ｔ２から時刻ｔ３の時間帯では、燃料電池４８が時間あたりに消費する水素の合計量が、改質器４０が時間あたりに生成する水素の量を上回る。これらの時間帯では、制御部５０は、改質器４０が生成する水素を、バイパス配管５６を用いて分散レギュレータ６２に供給しつつ、中央レギュレータ４６を制御して、不足する量の水素を水素貯蔵バッファ４２から供給する。

また、時刻ｔ１から時刻ｔ２の時間帯および時刻ｔ３から時刻ｔ４の時間帯では、改質器４０が生成する時間あたりの水素の量が、燃料電池４８が消費する時間あたりの水素の量と同じである。これらの時間帯では、制御部５０は、改質器４０が生成する水素を、バイパス配管５６を用いて分散レギュレータ６２に水素を供給する。

一般に、改質器４０は、起動時に暖機運転させて改質器４０を昇温させる必要がある。したがって、改質器４０を停止させると、起動時に暖機運転に要するエネルギーが無駄になる。また、改質器４０の起動と停止を繰り返すと、改質器４０の温度サイクルによって改質器４０が劣化する。また、暖機運転には数十分の時間を要し、その期間には、改質器４０は燃料電池４８に供給する水素を生成できない。

しかしながら、本実施形態の燃料電池システム３０によれば、制御部５０が、改質器４０を停止することなく全日の間動作させ続けるので、改質器４０を起動するときに生じるエネルギーのロスを削減することができる。また、起動と停止を繰り返すことによる改質器４０の劣化を抑えることができる。また、改質器４０を継続的に運転させることで、燃料電池４８が水素を必要とするときに、改質器４０が水素を生成できる。

図７は、制御部５０が有するコンピュータ５００の構成の一例を示す図である。本例において、コンピュータ５００は、燃料電池システムを図１から図６において説明した、燃料電池システム３０として機能させるプログラムを格納する。

コンピュータ５００は、ＣＰＵ７００と、ＲＯＭ７０２と、ＲＡＭ７０４と、通信インターフェース７０６と、ハードディスクドライブ７１０と、フレキシブルディスクドライブ７１２と、ＣＤ−ＲＯＭドライブ７１４とを備える。ＣＰＵ７００は、ＲＯＭ７０２、ＲＡＭ７０４、ハードディスクドライブ７１０、フレキシブルディスク７２０、及び／又はＣＤ−ＲＯＭ７２２に格納されたプログラムに基づいて動作する。

例えば、燃料電池システム３０を機能させるプログラムは、コンピュータ５００を、図１から図６に関連して説明した制御部５０として機能させ、燃料電池システムを機能させる。

通信インターフェース７０６は、例えば燃料電池４８、改質器４０、水素ポンプ４４、中央レギュレータ４６、分散レギュレータ６２、および電力測定装置５２と通信し、それぞれの状態等に関する情報を受信し、またそれぞれを制御する制御信号を送信する。格納装置の一例としてのハードディスクドライブ７１０、ＲＯＭ７０２、又はＲＡＭ７０４は、設定情報、及びＣＰＵ７００を動作させるためのプログラム等を格納する。また、当該プログラムは、フレキシブルディスク７２０、ＣＤ−ＲＯＭ７２２等の記録媒体に格納されていてもよい。

フレキシブルディスクドライブ７１２は、フレキシブルディスク７２０がプログラムを格納している場合、フレキシブルディスク７２０からプログラムを読み取りＣＰＵ７００に提供する。ＣＤ−ＲＯＭドライブ７１４は、ＣＤ−ＲＯＭ７２２がプログラムを格納している場合、ＣＤ−ＲＯＭ７２２からプログラムを読み取りＣＰＵ７００に提供する。

また、プログラムは記録媒体から直接ＲＡＭに読み出されて実行されても、一旦ハードディスクドライブ７１０にインストールされた後にＲＡＭ７０４に読み出されて実行されてもよい。更に、上記プログラムは単一の記録媒体に格納されても複数の記録媒体に格納されても良い。また記録媒体に格納されるプログラムは、オペレーティングシステムとの共同によってそれぞれの機能を提供してもよい。例えば、プログラムは、機能の一部または全部を行うことをオペレーティングシステムに依頼し、オペレーティングシステムからの応答に基づいて機能を提供するものであってもよい。

プログラムを格納する記録媒体としては、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭの他にも、ＤＶＤ、ＰＤ等の光学記録媒体、ＭＤ等の光磁気記録媒体、テープ媒体、磁気記録媒体、ＩＣカードやミニチュアーカードなどの半導体メモリー等を用いることができる。又、専用通信ネットワークやインターネットに接続されたサーバシステムに設けたハードディスクまたはＲＡＭ等の格納装置を記録媒体として使用してもよい。

以上の説明から明らかなように本実施形態によれば、制御部５０は燃料電池４８の出力電圧の各々に基づいて、対応する燃料電池４８に対して設けられた分散レギュレータ６２を制御することにより水素を燃料電池４８へ提供するので、各複数の負荷５４が消費する電力を発電するために必要な量のみの水素を対応する燃料電池４８に提供することができる。

制御部５０は改質器４０が生成する水素の量が、複数の燃料電池４８が消費する水素の総量よりも多い場合に水素を水素貯蔵バッファ４２へ貯蔵し、改質器４０が生成する水素の量が燃料電池４８が消費する水素の合計量より小さい場合に、中央レギュレータ４６を用いて水素を分散レギュレータ６２へ供給するので、複数の燃料電池４８が必要とする水素の合計量を過不足なく迅速に分散レギュレータ６２へ供給できる。

高純度化装置６０は水素が燃料電池４８に提供される前に、改質器４０により生成された水素の純度を高めるので、燃料電池４８の排気ガスが減少し、排気ガスを改質器４０に導く配管が不要になる。改質器４０は時間あたりの最大の水素生成量が、燃料電池４８が消費する時間あたりの最大の水素消費量の合計量よりも小さいので、改質器４０を小型にすることができる。また、定格に近い出力領域で改質器４０を駆動することになるので、高い効率で改質器４０を駆動することができる。

制御部５０は改質器４０が生成する水素の量が、複数の燃料電池４８が消費する水素の総量よりも多い場合に、水素ポンプ４４を用いて水素を水素貯蔵バッファ４２へ貯蔵するので、水素貯蔵バッファ４２に水素を貯蔵する必要があるときに、改質器４０が生成する水素の圧力が、水素貯蔵バッファ４２に水素を蓄積するための圧力より低い場合であっても、水素貯蔵バッファ４２に水素を貯蔵することができる。また、改質器４０の出力を高く保ち、予め定めた効率より高い効率で改質器４０を駆動し続けることができる。

制御部５０は複数の燃料電池４８による水素の消費量の総量の変動を、水素貯蔵バッファ４２を用いて緩衝することにより、改質器４０の動作の変動を低減するので、改質器４０の出力を変動させるときに生じるエネルギーのロスを削減できる。制御部５０は電力測定装置５２により測定された消費電力を複数の燃料電池４８が発電するために必要な水素の総量と比較して、改質器４０により生成される水素の量の方が多い場合に、水素ポンプ４４を駆動することにより水素を水素貯蔵バッファ４２へ加圧蓄積するので、各複数の負荷５４が消費する電力を発電するために必要な量のみの水素を分散レギュレータ６２に提供することができる。

制御部５０は改質器４０が生成した水素を、水素ポンプ４４を用いて夜間に水素貯蔵バッファ４２へ貯蔵するので、消費電力が少ない夜間であっても、改質器４０を高い効率で駆動し続けることができる。制御部５０は改質器４０を停止することなく全日の間動作させ続けるので、改質器４０を起動するときに生じるエネルギーのロスを削減することができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態に、多様な変更又は改良を加えることができることが当業者に明らかである。その様な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ことが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

本発明の実施形態に係る燃料電池システム３０の構成の一例を示す。 改質器４０における、出力と効率との関係の一例を示す。 燃料電池４８の出力電圧に基づいて分散レギュレータ６２を制御する場合の、制御部５０の動作の一例を示すフローチャートである。 水素を水素貯蔵バッファ４２に貯蔵するか否かを、水素の消費量と水素の生成量とに基づいて判定する場合の、制御部５０の動作の一例を示すフローチャートである。 水素を貯蔵するか否かを、分散レギュレータ６２に供給する水素の圧力で判定する場合の、制御部５０の動作の一例を示すフローチャートである。 一日における水素の生成と消費の時間発展の一例を示す。 制御部５０が有するコンピュータ５００の構成の一例を示す。

符号の説明

４０・・・改質器、４４・・・水素ポンプ、４６・・・中央レギュレータ、５０・・・制御部、５６・・・バイパス配管、６０・・・高純度化装置、６２・・・分散レギュレータ、４８・・・燃料電池、５２・・・電力測定装置、５４・・・負荷、３０・・・燃料電池システム

Claims (10)

1. 水素を生成する改質器と、
   前記改質器により生成された水素を貯蔵する水素貯蔵バッファと、
   前記改質器が生成した水素により発電する複数の燃料電池と、
   前記複数の燃料電池にそれぞれ設けられ、前記複数の燃料電池のそれぞれに提供する水素の圧力を目的圧力以下に保ちつつ水素を前記複数の燃料電池にそれぞれ提供する分散レギュレータと、
   前記改質器により生成された水素を前記水素貯蔵バッファへ加圧蓄積する水素ポンプと、
   前記水素貯蔵バッファに貯蔵された水素を、前記分散レギュレータへ提供する中央レギュレータと、
   前記改質器が生成した水素を、前記水素貯蔵バッファ、前記水素ポンプおよび前記中央レギュレータを経由させずに前記分散レギュレータへ供給するバイパス配管と、
   前記複数の燃料電池のそれぞれから提供される電力により動作する複数の負荷のそれぞれの消費電力を測定する電力測定装置と、
   前記複数の燃料電池のそれぞれの出力電圧に基づいて、前記複数の燃料電池のうちの対応する燃料電池に対して設けられた前記分散レギュレータを制御することにより、前記複数の負荷のそれぞれの消費電力を発電するために必要な量の水素を前記複数の燃料電池へそれぞれ提供するとともに、前記水素ポンプおよび前記中央レギュレータを用いて、前記複数の負荷の消費電力を発電するために必要な水素の合計量を前記分散レギュレータに提供する制御部と
   を備え、
   前記制御部は、前記電力測定装置により測定された消費電力を前記複数の燃料電池が発電するために必要な水素の総量と比較して、前記改質器により生成される水素の量の方が少ない場合に、前記電力測定装置により測定された消費電力に基づいて前記水素貯蔵バッファから提供すべき不足する水素の量を計算し、計算された水素の量に基づいて、前記中央レギュレータを制御して前記水素貯蔵バッファから前記分散レギュレータに不足する量の水素を提供し、前記電力測定装置により測定された消費電力を前記複数の燃料電池が発電するために必要な水素の総量と比較して、前記改質器により生成される水素の量の方が多い場合に、前記電力測定装置により測定された消費電力に基づいて前記水素貯蔵バッファに貯蔵すべき余剰となる水素の量を計算し、計算された水素の量に基づいて、前記水素ポンプを駆動することにより前記水素貯蔵バッファへ余剰となる量の水素を加圧蓄積し、
   前記バイパス配管および前記水素貯蔵バッファから前記分散レギュレータに提供される水素の圧力が、前記制御部が前記水素ポンプおよび前記中央レギュレータを制御することによって予め定められた値に維持される
   燃料電池システム。
2. 水素が前記分散レギュレータに提供される前に、前記改質器により生成された水素の純度を高める高純度化装置
   を更に備える請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記改質器は、時間あたりの最大の水素生成量が、前記複数の燃料電池が消費する時間あたりの最大の水素消費量の合計量よりも小さい
   請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御部は、前記改質器を停止することなく全日の間動作させ続ける
   請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 複数の住居を有する集合住宅であって、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池システム
   を備え、
   前記複数の住居のそれぞれは、前記燃料電池、前記負荷および前記分散レギュレータを有する
   集合住宅。
6. 改質器を用いて、水素を生成するステップと、
   水素ポンプを用いて、前記改質器により生成された水素を水素貯蔵バッファへ加圧蓄積するステップと、
   複数の燃料電池にそれぞれ設けられた分散レギュレータを用いて、前記複数の燃料電池のそれぞれに提供する水素の圧力を目的圧力以下に保ちつつ水素を前記複数の燃料電池にそれぞれ提供するステップと、
   中央レギュレータを用いて、前記水素貯蔵バッファに貯蔵された水素を前記分散レギュレータへ提供するステップと、
   前記改質器が生成した水素を前記水素貯蔵バッファ、前記水素ポンプおよび前記中央レギュレータを経由させずに前記分散レギュレータへ供給するバイパス配管を介して、前記改質器が生成した水素を前記分散レギュレータへ供給するステップと、
   前記複数の燃料電池を用いて、前記改質器が生成した水素により発電するステップと、
   前記複数の燃料電池のそれぞれから提供される電力により動作する複数の負荷のそれぞれの消費電力を測定するステップと、
   前記複数の燃料電池のそれぞれの出力電圧に基づいて、前記複数の燃料電池のうちの対応する前記燃料電池に対して設けられた前記分散レギュレータを制御することにより、前記複数の負荷のそれぞれの消費電力を発電するために必要な量の水素を前記複数の燃料電池へそれぞれ提供するとともに、前記水素ポンプおよび前記中央レギュレータを用いて、前記複数の負荷の消費電力を発電するために必要な水素の合計量を前記分散レギュレータに提供する制御ステップと
   を備え、
   前記制御ステップは、前記測定された消費電力を前記複数の燃料電池が発電するために必要な水素の総量と比較して、前記改質器により生成される水素の量の方が少ない場合に、前記測定された消費電力に基づいて前記水素貯蔵バッファから提供すべき不足する水素の量を計算し、計算された水素の量に基づいて、前記中央レギュレータを制御して前記水素貯蔵バッファから前記分散レギュレータに不足する量の水素を提供し、前記測定された消費電力を前記複数の燃料電池が発電するために必要な水素の総量と比較して、前記改質器により生成される水素の量の方が多い場合に、前記測定された消費電力に基づいて前記水素貯蔵バッファに貯蔵すべき余剰となる水素の量を計算し、計算された水素の量に基づいて、前記水素ポンプを駆動することにより前記水素貯蔵バッファへ余剰となる量の水素を加圧蓄積し、
   前記制御ステップで前記水素ポンプおよび前記中央レギュレータを制御することによって、前記バイパス配管および前記水素貯蔵バッファから前記分散レギュレータに提供される水素の圧力が予め定められた値に維持される
   燃料電池システム制御方法。
7. 水素が前記燃料電池に提供される前に、高純度化装置を用いて、前記改質器により生成された水素の純度を高めるステップ
   を更に備える請求項６に記載の燃料電池システム制御方法。
8. 前記制御ステップは、更に、前記改質器を停止することなく全日の間動作させ続ける
   請求項６または７に記載の燃料電池システム制御方法。
9. 前記改質器は、時間あたりの最大の水素生成量が、前記複数の燃料電池が消費する時間あたりの最大の水素消費量の合計量よりも小さい
   請求項６から８のいずれか一項に記載の燃料電池システム制御方法。
10. 前記燃料電池、前記分散レギュレータおよび前記負荷は、集合住宅が有する複数の住居のそれぞれに設けられる
    請求項６から９のいずれか一項に記載の燃料電池システム制御方法。

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