JP5683031B2 - 燃料電池システムおよびその運転方法 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムおよびその運転方法に関し、特に、原料ガスから水素を含む還元剤ガスを生成し、この還元剤ガスおよび酸化剤ガスを電気化学反応させて発電する、たとえば、家庭用の燃料電池コージェネレーションシステムに用いられる、燃料電池システムおよびその運転方法に関する。
従来、燃料電池の出力電力が変化する際に燃料電池の不具合が発生することを防止する燃料電池システムが知られている。たとえば、特許文献１に示す燃料電池発電装置では、燃料処理装置において炭化水素系燃料から水素リッチな燃料ガスを改質反応により生成している。そして、複数の単位セルの積層体からなる燃料電池スタックにおいて、燃料ガスと空気とを化学反応することにより発電し、各単位セルに設けられた電圧検出器が単位セル毎の計測電圧を検出している。
制御装置は、外部負荷の電力需要量の変化に応じて燃料電池発電装置から外部負荷へ供給する電力を変化させる、電力負荷追従運転を実施している。この場合、制御装置は、電力変化に追従して燃料電池スタックに供給される燃料ガスや空気の量を調整し、燃料電池スタックの出力電力を変化させている。ただし、出力電力が急激に上昇する場合、その上昇に対応して燃料ガスなどの供給量が増加せず、燃料電池スタックにガス不足が発生することがある。これを回避するため、単位セル毎の計測電圧が一定電圧に低下した場合、制御装置は燃料電池発電装置の運転を停止している。
特開平６−２４３８８２号公報
上記燃料電池発電装置では、ガス不足に起因する燃料電池スタックの不具合を防止することができる。ただし、出力電力の急激な変化に燃料ガスの供給量が一時的に追随できずに、計測電圧が一時的に低下するものの、間もなく必要な量の燃料ガスが燃料電池スタックに供給されて、計測電圧が回復することがある。このような場合でも、単位セル毎の計測電圧が一定電圧に低下した途端に燃料電池発電装置を停止すると、燃料電池発電装置の停止および起動が不必要に繰り返されてしまう。
また、経年劣化や使用状態などにより燃料電池装置が出力電力の急激な変化に対応することができない場合がある。このような場合、燃料電池装置を停止後に再運転しても、出力電力を急激に変化させると、停止前と同様の現象が生じるため、燃料電池発電装置が停止される。よって、燃料電池発電装置の停止および起動が不必要に繰り返されることになる。
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の出力電力の変化に伴う不具合を防止しながら、燃料電池の不必要な停止および起動の繰り返しを低減し得る、燃料電池システムおよびその運転方法を提供することを目的としている。
本発明のある態様に係る、燃料電池システムは、酸化剤ガスを供給する供給器と、原料ガスにより水素を含む還元剤ガスを生成する水素生成装置と、前記還元剤ガスおよび前記酸化剤ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池の電圧を計測する電圧計測器と、各機器を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記燃料電池の出力電力を変化させたときに、前記電圧計測器による計測電圧が第一の所定値に低下した場合には、前記出力電力の変化速度を、前記計測電圧が第一の所定値に低下する前の値よりも低く下げる制御、または、前記燃料電池の発電を停止し、停止後に発電を再開した運転時において前記出力電力を変化させるときに、前記出力電力の変化速度を、前記計測電圧が第一の所定値に低下する前の値よりも低く下げる制御を行うように構成されている。
本発明は、以上に説明した構成を有し、燃料電池の出力電力の変化に伴う不具合を防止しながら、燃料電池の不必要な停止および起動の繰り返しを低減し得る、燃料電池システムおよびその運転方法を提供することができるという効果を奏する。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムを示すブロック図である。 図１の燃料電池システムにおける電力および電圧の経時変化を模式的に示すグラフである。 図１の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。 変形例１に係る燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。 変形例２に係る燃料電池システムにおける電力および電圧の経時変化を模式的に示すグラフである。 変形例２に係る燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムを示すブロック図である。 図５の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。 変形例３に係る燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。 変形例４に係る燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。 変形例５に係る燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。
第１の本発明に係る燃料電池システムは、酸化剤ガスを供給する供給器と、原料ガスにより水素を含む還元剤ガスを生成する水素生成装置と、前記還元剤ガスおよび前記酸化剤ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池の電圧を計測する電圧計測器と、各機器を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記燃料電池の出力電力を変化させたときに、前記電圧計測器による計測電圧が第一の所定値に低下した場合には、前記出力電力の変化速度を、前記計測電圧が第一の所定値に低下する前の値よりも低く下げる制御、または、前記燃料電池の発電を停止し、停止後に発電を再開した運転時において前記出力電力を変化させるときに、前記出力電力の変化速度を、前記計測電圧が第一の所定値に低下する前の値よりも低く下げる制御を行うように構成されている。
第２の本発明に係る燃料電池システムは、第１の発明において、前記制御装置は、前記出力電力の変化速度を下げた後に、前記計測電圧が前記第一の所定値より小さい第二の所定値にさらに低下した場合、前記燃料電池の発電を停止する制御を行うように構成されていてもよい。
第３の本発明に係る燃料電池システムは、第１または第２の発明において、前記計測電圧が第一の所定値に低下した回数を記憶する記憶装置をさらに備え、前記制御装置は、前記計測電圧が第一の所定値に低下した場合に、前記回数を増加させて前記記憶装置に記憶させ、前記記憶装置に記憶される前記第一の所定値に低下した回数が増加するに従って、前記出力電力の変化速度をより低く設定する制御を行うように構成されていてもよい。
第４の本発明に係る燃料電池システムは、第１〜第３のいずれかの発明において、前記計測電圧が第三の所定値以上になった時間を記憶する記憶装置をさらに備え、前記制御装置は、前記出力電力の変化速度を下げた後に、前記計測電圧が第三の所定値以上になった時間が第一の所定期間に達した場合、前記出力電力の変化速度を、前記計測電圧が第一の所定値に低下する前の値に戻す制御を行うように構成されていてもよい。
第５の本発明に係る燃料電池システムは、第１〜第３のいずれかの発明において、前記計測電圧が第三の所定値以上になった回数を記憶する記憶装置をさらに備え、前記制御装置は、前記計測電圧が第三の所定値になった場合に、前記回数を増加させて前記記憶装置に記憶させ、前記出力電力の変化速度を下げた後に、前記計測電圧が前記第三の所定値以上になった回数が所定回数に達した場合、前記出力電力の変化速度を、前記計測電圧が第一の所定値に低下する前の値に戻す制御を行うように構成されていてもよい。
第６の本発明に係る燃料電池システムは、第４または第５の発明において、前記第三の所定値が、前記第一の所定値よりも大きくてもよい。
第７の本発明に係る燃料電池システムは、第１〜第６の発明において、前記制御装置は、前記出力電力の変化速度を下げた後、第二の所定期間毎に、前記出力電力の変化速度を、前記計測電圧が第一の所定値に低下する前の値に戻す制御を行うように構成されていてもよい。
第８の本発明に係る燃料電池システムは、酸化剤ガスを供給する供給器と、原料ガスにより水素を含む還元剤ガスを生成する水素生成装置と、前記還元剤ガスおよび前記酸化剤ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池の電圧を計測する電圧計測器と、各機器を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記燃料電池の出力電力を変化させたときに、前記電圧計測器による計測電圧が低下し、前記計測電圧の低下速度が所定速度に達した場合には、前記出力電力の変化速度を、前記計測電圧の低下速度が所定速度に達する前の値よりも低く下げる制御、または、前記燃料電池の発電を停止し、停止後に発電を再開した運転時において前記出力電力を変化させるときに、前記出力電力の変化速度を、前記計測電圧の低下速度が所定速度に達する前の値よりも低く下げる制御を行うように構成されている。
第９の本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、酸化剤ガスを供給する供給器と、原料ガスにより水素を含む還元剤ガスを生成する水素生成装置と、前記還元剤ガスおよび前記酸化剤ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池の電圧を計測する電圧計測器と、各機器を制御する制御装置と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、前記制御装置は、前記燃料電池の出力電力を変化させたときに、前記電圧計測器による計測電圧が第一の所定値に低下した場合には、前記出力電力の変化速度を、前記計測電圧が第一の所定値に低下する前の値よりも低く下げる、または、前記燃料電池の発電を停止し、停止後に発電を再開した運転時において前記出力電力を変化させるときに、前記出力電力の変化速度を、前記計測電圧が第一の所定値に低下する前の値よりも低く下げる。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。
なお、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００を示すブロック図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、商用電源および電力負荷と交流電力経路２２などの配線により相互に接続されている。燃料電池システム１００は、燃料電池１を備え、燃料電池１で発電された電力を商用電源と連係して電力負荷に供給している。この電力負荷は、家庭の電化製品などの電力を消費する機器である。
燃料電池１は、還元剤ガスおよび酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、電力および熱を同時に発生させる装置である。燃料電池１としては、固体高分子型、リン酸型、固体電解質型などが用いられるが、ここでは、固体高分子型燃料電池について説明する。燃料電池１は複数のセルが積層されたスタックを備え、各セルは高分子電解質膜と、高分子電解質膜を間に挟む一対の電極を含んでいる。高分子電解質膜は、含有する水により水素イオンを選択的に通過させ、一対の電極間を移動させる膜である。一対の電極を構成する燃料極（アノード）および空気極（カソード）は、たとえば、触媒層およびガス拡散層をそれぞれ有している。この触媒層は、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とした多孔質層であって、高分子電解質膜上に配されている。ガス拡散層は、通気性および電子導電性を併せ持つ多孔質層であって、触媒層上に配されている。
燃料電池１において電気化学反応に必要なガスの供給経路として、還元剤ガス供給経路１３がアノードに接続され、酸化剤ガス供給経路１５がカソードに接続されている。また、燃料電池１において電気化学反応に不要なガスの排出経路として、還元剤ガス排出経路１４がアノードに接続され、酸化剤ガス排出経路１６がカソードに接続されている。さらに、燃料電池１で発電した電力の供給経路として直流電力経路２１が燃料電池１のスタックに接続されている。
還元剤ガス供給経路１３は、その下流端が燃料電池１のアノードに接続され、上流端が水素生成装置２に接続されている。水素生成装置２は、添加した改質水の水蒸気と炭化水素系原料とを改質反応させて、還元剤ガスを生成する装置である。還元剤ガスは、燃料電池１の発電に必要な水素を多く含むガスであって、還元剤ガス供給経路１３により燃料電池１のアノードに供給される。水素生成装置２は、たとえば、改質反応を促進する改質触媒を含む反応器（図示せず）と、反応器を加熱するバーナ（図示せず）および電気ヒータ（図示せず）を含みかつ温度調整機能を有する加熱器８と、改質反応に必要な水蒸気を供給する蒸気発生器９とにより構成されている。ただし、水素生成装置２は、水素を生成するものであれば特にこの構成に限定されない。また、加熱器８および蒸気発生器９は、水素生成装置２に組み込まれていてもよいし、水素生成装置２と別に設けられていてもよい。また、水素生成装置２が水蒸気を用いずに還元剤ガスを生成する場合、蒸気発生器９が水素生成装置２に設けられなくてもよい。
水素生成装置２の蒸気発生器９に改質水供給経路１２の下流端が接続されている。改質水供給経路１２の上流端は、純水源（図示せず）に接続されている。純水としては、たとえば、燃料電池システム１００内の回収水、イオン交換処理がなされてシステム外部から供給されるイオン交換水、蒸留処理がなされた蒸留水などが用いられる。この純粋の純度は、蒸気発生器９や水素生成装置２の反応器で要求される程度であればよい。この水素生成装置２の反応器に原料ガス供給経路１１が接続されている。
原料ガス供給経路１１は、その下流端が水素生成装置２に接続され、上流端が原料供給源（図示せず）に接続されている。原料供給源は、天然ガス（都市ガス）のインフラストラクチャ、ＬＰＧのボンベなどである。炭化水素系原料は、水蒸気改質反応により水素含有ガスを生成できるものであって、たとえば、メタンを主成分とする天然ガスや都市ガス、ブタンやプロパンなどを主成分とするＬＰＧ、灯油、メタノールなどのアルコール、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）が用いられる。
酸化剤ガス供給経路１５は、その下流端が燃料電池１のカソードに接続され、上流端が空気供給装置３に接続されている。空気供給装置３としては、たとえば、遠心ポンプや往復ポンプ、スクロールポンプなどが用いられる。この場合、酸化剤ガスとして空気が用いられるが、この他に酸素なども酸化剤ガスとして用いることができる。空気供給装置３からの空気は、酸化剤ガス供給経路１５によって燃料電池１のカソードに供給される。
還元剤ガス排出経路１４は、その上流端が燃料電池１のアノードに接続され、下流端が水素生成装置２の加熱器８に接続されている。燃料電池１で電気化学反応に用いられなかった還元剤ガスや、水素生成装置２で改質されなかった炭化水素系原料が、燃焼用の燃料として、アノードから加熱器８へ還元剤ガス排出経路１４を通って供給される。加熱器８は、これらの燃焼用の燃料を燃焼させて、この熱を水素生成装置２の反応器や蒸気発生器９に供給する。
酸化剤ガス排出経路１６は、その上流端が燃料電池１のカソードに接続され、下流端が大気に開放されている。この酸化剤ガス排出経路１６により、燃料電池１で電気化学反応に用いられなかった空気が大気中に放出される。
直流電力経路２１は、その一端が燃料電池１に接続され、他端が電力変換装置４に接続されている。この直流電力経路２１に電圧計測器６が設けられており、電圧計測器６は燃料電池１から出力される電力の電圧を計測し、計測電圧を制御装置７に伝達する。
電力変換装置４は、燃料電池１から出力された直流電力を、商用電源の交流電力の周波数と同じ周波数を持つ交流電力に変換する。この電力変換装置４に交流電力経路２２の一端が接続され、他端が電力負荷に接続される。この交流電力経路２２には電力負荷計測器５が設けられ、電力負荷計測器５は電力負荷の需要量を計測して制御装置７に伝達する。
制御装置７は、水素生成装置２などの各機器や各種センサ（図示せず）と信号線で接続され、これらと信号を送受信することにより燃料電池システム１００における各機器を制御する。たとえば、制御装置７は、電力負荷の需要量に基づいて燃料電池１が発電する目標電力を決定し、かつ燃料電池１が目標電力を発電するよう電力変換装置４、水素生成装置２や空気供給装置３などの内部負荷を制御する。制御装置７は、単独の制御器で集中制御を行うように構成されていてもよく、複数の制御器で分散制御を行うように構成されていてもよい。制御装置７は、制御機能を有すればよく、たとえば、マイクロコンピュータ、プロセッサ、論理回路等で構成される。
次に、上記燃料電池システム１００の動作（運転方法）を説明する。図２は、燃料電池システム１００における電力および電圧の経時変化を模式的に示すグラフである。上段のグラフの縦軸は燃料電池１の出力電力および目標電力を示している。なお、上段のグラフ中の点線は通常時の出力電力、実線は異常時の出力電力、破線は目標電力を示している。また、下段のグラフの縦軸は電圧計測器６により計測された燃料電池１の出力電力の電圧（計測電圧）を示し、点線は通常時の電圧、実線は異常時の電圧を示している。そして、両方のグラフの横軸は時刻を示す。
燃料電池システム１００の起動時には、商用電源からの交流電力が電力変換装置４で直流電力に変換されて、直流電力が水素生成装置２や空気供給装置３などの内部負荷に供給される。これにより、水素生成装置２の反応器や蒸気発生器９は加熱器８のバーナや電気ヒータにより加熱されて、水蒸気および還元剤ガスが生成される。この還元剤ガスと、空気供給装置３からの空気とが電気化学反応し、燃料電池１は発電する。そして、電圧計測器６は、燃料電池１から出力される電力の電圧を計測し、この計測電圧を制御装置７に送信する。また、制御装置７は、電力負荷に供給される電力を電力負荷計測器５によって計測し、この電力負荷需要量に基づいて目標電力を決定する。制御装置７は、この目標電力を発電するために必要な量の還元剤ガスおよび空気が燃料電池１へ供給されるように、水素生成装置２への炭化水素系原料および改質水の供給量、空気供給装置３の駆動量などを制御する。
そして、電力負荷需要量が燃料電池システム１００の定格出力以上である場合、制御装置７は目標電力を定格出力として燃料電池システム１００を発電運転し、この出力電力を電力負荷に電力変換装置４が交流電力経路２２を介して供給する。このとき、電力負荷需要量の不足分は、交流電力経路２２に接続されている商用電源により賄う。一方、電力負荷需要量が燃料電池システム１００の定格出力未満である場合、制御装置７は電力負荷需要量相当の目標電力に出力電力がなるように燃料電池システム１００を発電運転し、この出力電力を電力負荷へ電力変換装置４が供給する。
この発電運転時、電力負荷需要量が一定である場合、図２の上段グラフの時刻：０−Ａにおいて破線で示すように目標電力が一定になり、下段グラフの時刻：０−Ａにおいて実線で示すように計測電圧はほぼ変化しない。
図２の各グラフにおける時刻：Ａで電力負荷需要量が上昇すると、これに伴い、上段グラフの破線で示すように目標電力が高く設定される。これに従って、制御装置７は、燃料電池１の出力電力が目標電力になるように出力電力を変化させるとともに、これに応じた還元剤ガスの供給量になるように水素生成装置２などを制御する。しかし、炭化水素系原料、還元剤ガスおよび酸化剤ガスは各経路１１、１３、１５を介して供給されるという物理的要因により、出力電力の変化と同時にそれに見合った量の各ガスを水素生成装置２および空気供給装置３が燃料電池１に供給することができない。また、加熱により水蒸気が蒸気発生器９で生成されたり、改質反応により還元剤ガスが水素生成装置２で生成されたりするという化学的要因により、出力電力の変化と同時にそれに見合った量の還元剤ガスを燃料電池１に供給することができない。このような燃料電池システム１００の固有の出力電力の変化に対する応答遅れを考慮し、図２の上段グラフの時刻：Ａ−Ｂ’において点線で示すように、所定の変化速度、たとえば、１Ｗ／秒で、出力電力を目標電力になるように変化させていく。この場合、図２の下段グラフの時刻：Ａ−Ｂ’において点線で示すように、計測電圧は出力電力の上昇に従った速度で徐々に減少していく。そして、上段グラフの時刻：Ｂ’で出力電力が目標電力に達して一定になると、下段グラフで示すように、計測電圧も一定になる。
これに対して、燃料電池システム１００の経年劣化などによって、水素生成装置２の改質触媒の活性が低く還元剤ガスの水素生成能力が低かったり、空気供給装置３の送出能力が低かったりすることがある。この場合、出力電力の変化に対する各装置の応答遅れが大きくなっている。このため、出力電力の変化に応じた還元剤ガスまたは酸化剤ガスの必要量が燃料電池１に供給されず、燃料電池１における各ガスの量が不足する。
また、燃料電池システム１００の使用状態などによって、出力電力の変化に対する各装置の応答遅れが大きくなっていることがある。たとえば、長期間、最低出力で燃料電池システム１００が運転されると、蒸気発生器９の蒸発部（図示せず）の一部しか使用されず、蒸発部の表面が不均一な状態になることがある。この場合、蒸気発生器９の蒸発量は出力電力の上昇に応じて連続的に増加せず、これに伴い、水素生成装置２における還元剤ガスの生成量も出力電力の上昇に追随することができない。よって、燃料電池１において還元剤ガスが一時的に不足してしまう。
このようなガス不足の場合、燃料電池１の出力電圧は出力電力の上昇に従った一定の速度で徐々に減少せずに、急激に低下する。このため、電圧計測器６による計測電圧に基づいて、制御装置７は燃料電池１の出力電圧を監視する。
図３は、燃料電池システム１００の動作の一例を示すフローチャートである。図３に示すように、出力電力が変化開始してから目標電力に達するまでの間に、計測電圧が第一の所定値（たとえば、定格出力時の正常電圧の８５％）に達したか否かを制御装置７は判定する（ステップＳ１）。図２の下段グラフの時刻：Ａ’でガス不足が生じると、実線で示すように計測電圧が落ち始める。そして、図２の下段グラフの時刻：Ｂで計測電圧が第一の所定値に達すると（ステップＳ１：ＹＥＳ）、制御装置７は、図２の上段グラフの実線に示すように、出力電力の変化速度を、たとえば、１Ｗ／秒から０．７Ｗ／秒へ下げる（ステップＳ２）。これにより、出力電力に必要な各ガスの量が減少するため、ガス不足が解消して、燃料電池１は安定して発電することができるようになる。このため、下段グラフに示すように、計測電圧は回復し、その後、出力電力の上昇に従って徐々に減少していく。そして、上段グラスの時刻：Ｃで出力電力が目標電力に達してから、下段グラフで示すように、計測電圧は一定になる。
このように、電圧計測器６により計測された燃料電池１の出力電圧が第一の所定値に低下した場合、この低下前の出力電力の変化速度：１Ｗ／秒より低い速度：０．７Ｗ／秒に変化速度を下げた。これにより、経年劣化や使用状態などにより各ガスの供給能力が低く、出力電力の急激な変化に各ガスの供給量が対応できない場合であっても、燃料電池システム１００の運転を継続することができる。このため、燃料電池１の停止および起動が不必要に繰り返されることが防止される。
また、一時的にガス不足が生じても、出力電力の変化速度を下げて、燃料電池１に必要な各ガスの量を減少させることにより、ガス不足が解消される。よって、ガス不足による燃料電池１の不具合が発生することを防止することができる。
（変形例１）
実施の形態１における変形例１に係る燃料電池システム１００では、制御装置７は、燃料電池１の出力電力を変化させたとき、計測電圧が第一の所定値に低下した場合、燃料電池１の発電を停止させる。そして、停止後に発電を再開した運転時において出力電力を変化させるときには、計測電圧が第一の所定値に低下する前の出力電力の変化速度より低く出力電力の変化速度を下げる（変化速度の絶対値を小さくする）。
具体的には、図４は、変形例１の燃料電池システム１００の動作の一例を示すフローチャートである。図４に示すように、出力電力が変化開始してから目標電力に達するまでの間に、計測電圧が第一の所定値に達すると（ステップＳ３：ＹＥＳ）、制御装置７は、燃料電池１を停止し、燃料電池システム１００の発電運転を停止する（ステップＳ４）。そして、停止後に自動的に行われる再起動またはユーザによる発電要求により燃料電池システム１００が起動させられる。そして、燃料電池１が発電している状態において、外部負荷の需要電力量に伴い目標電力が変えられると、この目標電力になるように出力電力が変化させられる。このとき、出力電力の変化速度は、計測電圧が第一の所定値に低下する前の出力電力の変化速度：１Ｗ／秒より低く、たとえば、０．７Ｗ／秒に設定される（ステップＳ５）。この設定された出力電力の変化速度に従って、制御装置７は燃料電池１の出力電力を変化させる。
このように、燃料電池システム１００の発電運転を停止させた後、次回の運転時に出力電力を変化させる際、その変化速度を低下させる。これにより、ガス不足による不具合が回避される。また、再運転時において停止前と同様の現象が生じるような場合であっても、ガス不足の発生が抑えられることにより、燃料電池システム１００の発電運転を継続することができる。
（変形例２）
実施の形態１における変形例２に係る燃料電池システム１００では、制御装置７は、計測電圧が第一の所定値に達したために出力電力の変化速度を下げた後に、計測電圧が第一の所定値より小さい第二の所定値にさらに低下した場合、燃料電池１の発電を停止する。
具体的には、図５は、変形例２に係る燃料電池システム１００の電力および電圧の経時変化を模式的に示すグラフである。上段のグラフの縦軸は燃料電池１の出力電力および目標電力を示している。なお、上段のグラフ中の点線は通常時の出力電力、実線は異常時の出力電力、破線は目標電力を示している。また、下段のグラフの縦軸は電圧計測器６により計測された燃料電池１の出力電力の電圧（計測電圧）を示し、点線は通常時の電圧、実線は異常時の電圧を示している。そして、両方のグラフの横軸は時刻を示す。図６は、燃料電池システム１００の動作の一例を示すフローチャートである。
図５の上段グラフにおける破線で示すように、時刻：Ａで外部負荷の電力需要量の推移に応じて目標電力が変化する。これに伴い、実線で示すように、燃料電池システム１００の固有の目標電力の変化に対する応答遅れを考慮した、所定の変化速度、たとえば、１Ｗ／秒で、出力電力を変化させていく。この場合、下段グラフの時刻：Ａ−Ａ’において実線で示すように、計測電圧は出力電力の上昇に従って徐々に減少していく。しかしながら、下段グラフの時刻：Ａ’でガス不足が生じると、計測電圧が急に落ち始める。そして、下段グラフの時刻：Ｂで計測電圧が第一の所定値に達すると（ステップＳ６：ＹＥＳ）、制御装置７は、上段グラフの実線に示すように、出力電力の変化速度をたとえば１Ｗ／秒から０．７Ｗ／秒へ下げる（ステップＳ７）。これにより、燃料電池１が必要とする各ガスの量が減少するが、この減少した量に対しても各ガスの供給量が満たさず、ガス不足が依然継続する場合がある。この場合、計測電圧は下がり続け、下段グラフの時刻Ｃにおいて第二の所定値（たとえば、定格出力時の正常電圧の７５％）に達する（ステップＳ８：ＹＥＳ）。ここで、制御装置７は、燃料電池１の発電を停止し、燃料電池システム１００の発電運転を停止する（ステップＳ９）。
このように、出力電力の変化速度を下げても、ガス不足が解消しない場合、燃料電池１の発電を停止することにより、ガス不足による燃料電池１の不具合を防止することができる。
また、第二の所定値を第一の所定値よりも低くすることで、出力電力の変化速度を下げることによるガス不足の解消を試みた上で、燃料電池１の発電を停止する。このため、発電運転を継続できる機会を増やすとともに、燃料電池１の損傷を防止することができる。
（その他の変形例）
上記実施の形態１およびその変形例では、出力電力を変化させたときに計測電圧が第一の所定値に低下した場合、制御装置７は出力電力の変化速度を下げた。これに対して、出力電力を変化させたときに計測電圧が低下し、この計測電圧の低下速度が大きくなって第一の所定速度に達した場合、出力電力の変化速度を制御装置７は下げてもよい。
また、上記実施の形態１の変形例２では、出力電力の変化速度を下げた後に、計測電圧が第一の所定値より小さい第二の所定値にさらに低下した場合、制御装置７は燃料電池１の発電を停止した。これに対し、出力電力の変化速度を下げた後に、計測電圧が第一の所定速度まで低下し、この計測電圧の低下速度がさらに大きくなって第二の所定速度に達した場合、制御装置７は燃料電池１の発電を停止してもよい。
（実施の形態２）
図７は、実施の形態２に係る燃料電池システム１００を示すブロック図である。実施の形態２に係る燃料電池システム１００は、図７に示すように、計測電圧が第一の所定値に低下した回数を記憶する記憶装置１０をさらに備え、記憶装置１０は制御装置７に設けられている。記憶装置１０は、この電圧の低下回数に加えて、電圧の低下回数と出力電圧の変化速度との関係をさらに記憶している。この関係は、数式やデータベースなどであって、電圧の低下回数と出力電圧の変化速度とが対応するように表されているものである。そして、この関係に基づいて、制御装置７は、記憶装置１０に記憶される回数が増加するに従って低くなるように出力電力の変化速度を設定する。
次に、上記燃料電池システム１００の動作（運転方法）を説明する。図８は、燃料電池システム１００の動作の一例を示すフローチャートである。
制御装置７は、外部負荷の電力需要量の推移に応じて目標電力を設定し、この目標電力に燃料電池１の出力電力がなるように、出力電力を変化させる。出力電力を変化させた際、この変化に伴って電圧計測器６による計測電圧が低下していく。ただし、この計測電圧がガス不足で急激に低下し、低下速度が大きくなることがある。このため、制御装置７は、出力電力が変化開始してから目標電力に達するまでの間に、計測電圧が第一の所定値に達するが否かを監視する（ステップＳ２１）。そして、計測電圧が第一の所定に達すると（ステップＳ２１：ＹＥＳ）、制御装置７は、既に記憶されている電圧の低下回数に“＋１”を加算して記憶装置１０に記憶する（ステップＳ２２）。ここで、初めて（１回目に）電圧の低下回数を記憶する場合、記憶装置１０に既に記憶されている電圧の低下回数は“０”である。このため、“１”を加算すると、記憶装置１０に記憶される電圧の低下回数は“１”となる。
制御装置７は、記憶装置１０に記憶されている電圧の低下回数と出力電圧の変化速度との関係とに基づいて、低下回数に応じた出力電力の変化速度を求める（ステップＳ２３）。たとえば、電圧の低下回数が“１”である場合、出力電圧の変化速度は、１．０Ｗ／秒から０．８Ｗ／秒に低下させる。この低下させた変化速度に従って、制御装置７は燃料電池１の出力電力を目標電力まで変化させ、発電運転を行う。
さらに、発電運転の継続中に、または、停止後の次回以降の発電運転中に、出力電力の変化開始から目標電力達成までの間に計測電圧が第一の所定値に達した場合（ステップＳ２１）、制御装置７は、既に記憶されている電圧低下回数に“＋１”を加算して記憶装置１０に記録する（ステップＳ２２）。ここで、電圧の低下回数が“２”である場合、出力電圧の変化速度は、０．８Ｗ／秒から０．５Ｗ／秒に低下させ、この変化速度：０．５Ｗ／秒で発電運転を継続する（ステップＳ２３）。
このように、計測電圧が第一の所定値に低下した回数が増加するのに従って低く出力電力の変化速度を設定することにより、応答遅れが拡大したような状態においても発電運転を継続することができる。
なお、上記実施の形態２では、燃料電池１の発電開始から停止までの間の１回の運転において、計測電圧が第一の所定値に低下した回数を計測し、その回数に従って低くなるように出力電力の変化速度を設定した。これに対して、計測電圧が第一の所定値に低下した運転回数を計測し、この運転回数に従って低くなるように出力電力の変化速度を設定してもよい。
（変形例３）
実施の形態２における変形例３に係る燃料電池システム１００では、記憶装置１０は、電圧計測器６により計測された燃料電池１の電圧が第三の所定値（たとえば、定格出力時の正常電圧の９０％）以上である期間を記憶する。制御装置７は、出力電力の変化速度を下げた後に、計測電圧が第三の所定値以上になった時間が第一の所定期間に達した場合、計測電圧が第一の所定値に低下する前の変化速度に出力電力の変化速度を戻す。なお、第三の所定値は、第一の所定値より大きな値である。
具体的には、図９は、燃料電池システム１００の動作の一例を示すフローチャートである。たとえば、図８に示すフローチャートに従って出力電力の変化速度を低下した後、燃料電池１におけるガス不足が解消すると、低下していた出力電力が上昇する。このため、制御装置７は、図９に示すように、計測電圧が第三の所定値以上か否かを判定する（ステップＳ３１）。計測電圧が第三の所定値以上である時間を計測し、この継続時間を記憶装置１０に記録する（ステップＳ３２）。継続期間が第一の所定期間（たとえば、１週間）に達した時（ステップＳ３３）、ガス不足が解消したとして、制御装置７は燃料電池１の出力電力の変化速度を初期速度（たとえば１Ｗ／秒）に戻し、発電運転を継続する（ステップＳ３４）。なお、この初期速度は、燃料電池システム１００の固有の目標電力の変化に対する応答遅れを考慮した、所定の速度である。
このように、制御装置７は、燃料電池１の発電電圧（計測電圧）が第三の所定値以上になる期間が第一の所定期間に達することにより、ガス不足が解消したと判定することができる。このような十分な検証期間を設けたことにより、出力電力の変化速度を初期速度に戻しても、ガス不足が再度発生することを抑えられ、安定して発電運転を継続することができる。
なお、上記変形例３では、図８に示すフローチャートに従って出力電力の変化速度を低下した後に図９に示すフローチャートに基づいた処理を制御装置７が実施した。これに対して、たとえば、図３、図４または図６に示すフローチャートに従って出力電力の変化速度を低下した後に、図９に示すフローチャートに基づいた処理を制御装置７が実施してもよい。
また、上記変形例３では、ステップＳ３４において出力電力の変化速度が初期速度に戻された。これに対して、この戻される変化速度の値は、計測電圧が第一の所定値に低下する前の出力電力の低下速度とすることができる。要は、戻される変化速度の値は、戻される前の変化速度よりも大きい値であればよい。
（変形例４）
実施の形態２における変形例４に係る燃料電池システム１００では、記憶装置１０は、計測電圧が第三の所定値以上になった回数を記憶する。制御装置７は、出力電力の変化速度を下げた後に、計測電圧が第三の所定値以上になった回数が所定回数に達した場合、計測電圧が第一の所定値に低下する前の出力電力の変化速度に出力電力の変化速度を戻す。ここで、第三の所定値は、第一の所定値より大きな値をとる。
具体的には、図１０は、燃料電池システム１００の動作の一例を示すフローチャートである。図１０に示すように、制御装置７は、燃料電池１の発電を開始し（ステップＳ４１）、電圧計測器６により計測された燃料電池１の発電電圧（計測電圧）が第三の所定値（たとえば、定格出力時の正常電圧の９０％）に達したか否かを制御装置７は判定する（ステップＳ４２）。ここで、たとえば、燃料電池１の出力電力を変化させた際に、ガス不足により計測電圧が第一の所定値まで低下すると、計測電圧が第三の所定値未満になる（ステップＳ４２：ＮＯ）。このとき、たとえば、図８のステップＳ２３における、電圧低下回数と変化速度との関係に基づいて出力電力の変化速度を定め、初期速度（たとえば１Ｗ／秒）から低下させる。その後の出力電力の変化速度は、図８のフローチャートに基づき初期速度より低い値に設定される。なお、このとき、記憶装置１０に記憶されている、計測電圧が第三の所定値に達した運転回数を“０”にリセットしてもよい。
このように、たとえば、出力電力の変化速度が下げられることにより燃料電池１の発電に必要なガスの供給量が減少し、ガス不足が解消すると、計測電圧が第三の所定値以上に回復する（ステップＳ４２：ＹＥＳ）。この状態で、燃料電池１の発電が停止されると（ステップＳ４３：ＹＥＳ）、計測電圧が第三の所定値に達した運転回数を制御装置７は記憶する（ステップＳ）。このとき、記憶装置１０に既に記憶されている運転回数に“１”を加算して、この運転回数を記憶装置１０に記憶する。
記憶装置１０に記憶される運転回数が所定回数（たとえば、３回）未満であれば（ステップＳ４５：ＮＯ）、出力電力の変化速度は初期速度より低い値に維持される。一方、運転回数が所定回数以上になれば（ステップＳ４５：ＹＥＳ）、ガス不足が解消しているとして、制御装置７は燃料電池１の出力電力の変化速度を初期速度（たとえば１Ｗ／秒）に戻す（ステップＳ４６）。そして、停止後に燃料電池システム１００を再び起動し、燃料電池１の発電を開始する（ステップＳ４１）。このとき、初期速度で出力電力を変化させる。
このように、燃料電池１の発電電圧が第三の所定値以上となる運転が所定回数以上行われると、燃料電池１におけるガス不足が解消していると判定することができる。このため、出力電力の変化速度を初期速度に戻しても、燃料電池１の発電電圧が再び急激に低下することが低減される。これにより、燃料電池１の発電運転を継続することができる。
さらに、出力電力の変化速度を上昇させるための判定基準である第三の所定値が、出力電力の変化速度を低下させるための判定基準である第一の所定値よりも大きく設けられている。このため、出力電力の変化速度を上昇させても、燃料電池１の発電電圧の急激な低下を招く事態が起こり難い。よって、燃料電池１の出力電力の低下に伴う不具合を防止しながら、燃料電池１の不必要な停止および起動の繰り返しを低減することができる。
なお、上記変形例４では、図８に示すフローチャートに従って出力電力の変化速度を低下した。これに対して、たとえば、図３、図４または図６に示すフローチャートに従って出力電力の変化速度を低下してもよい。
また、上記変形例４では、ステップＳ４６において出力電力の変化速度が初期速度に戻された。これに対して、この戻される変化速度の値は、計測電圧が第一の所定値に低下する前の出力電力の低下速度とすることができる。要は、戻される変化速度の値は、戻される前の変化速度よりも大きい値であればよい。
さらに、上記変形例４では、計測電圧が第三の所定値に達した運転回数を計測し、その運転回数が所定回数に達したときに出力電力の変化速度を初期速度に戻した。これに対して、燃料電池１の発電開始から停止までの間の１回の運転において、計測電圧が第三の所定値に達した回数を計測してもよい。この場合、計測した回数が所定回数に達したときに出力電力の変化速度を初期速度に戻す。
（変形例５）
実施の形態２における変形例５に係る燃料電池システム１００では、制御装置７は、出力電力の変化速度を下げた後、第二の所定期間毎に、計測電圧が第一の所定値に低下する前の出力電力の変化速度に出力電力の変化速度を戻す。なお、記憶装置１０は、出力電力の変化速度を下げてからの経過時間を記憶する。
具体的には、図１１は、燃料電池システム１００の動作の一例を示すフローチャートである。たとえば、図８に示すフローチャートに従って出力電力の変化速度を低下した後、燃料電池１におけるガス不足が解消すると、低下していた出力電力が上昇する。このため、制御装置７は、図１１に示すように、所定時点からの期間を計測し、この経過期間を記憶装置１０に記憶する（ステップＳ５１）。なお、この所定時点は、たとえば、燃料電池システム１００に通電を開始した時点、燃料電池１の発電を開始した時点、出力電力を変化した時点、出力電力の変化速度を低下した時点、計測電圧が第一の所定値に低下した時点などが挙げられる。
制御装置７は、経過期間が第二の所定期間（たとえば１週間）に達したか否かを判定する（ステップＳ５２）。経過期間が第二の所定期間に達すると（ステップＳ５２：ＹＥＳ）、ガス不足が解消したとして、制御装置７は、燃料電池１の出力電力の変化速度を初期速度（たとえば１Ｗ／秒）に戻し（ステップＳ５３）、記憶装置１０の経過期間をゼロにリセットした上で（ステップＳ５４）、発電運転を継続する。なお、この初期速度は、計測電圧が第一の所定値に低下する前の出力電力の低下速度である。
このように、所定時点からの経過期間が第二の所定期間に達することにより、ガス不足が解消したと判定することができる。このような十分な検証期間を設けたことにより、複雑な判定処理を実施することなく出力電力の変化速度を初期速度に戻しても、ガス不足などの問題が再度発生することを抑え、安定して発電運転を継続することができる。
なお、上記変形例５では、図８に示すフローチャートに従って出力電力の変化速度を低下した後に図１１に示すフローチャートに基づいた処理を制御装置７が実施した。これに対して、たとえば、図３、図４または図６に示すフローチャートに従って出力電力の変化速度を低下した後に、図１１に示すフローチャートに基づいた処理を制御装置７が実施してもよい。
また、上記変形例５では、ステップＳ５３において出力電力の変化速度が初期速度に戻された。これに対して、この戻される変化速度の値は、計測電圧が第一の所定値に低下する前の出力電力の低下速度とすることができる。要は、戻される変化速度の値は、戻される前の変化速度よりも大きい値であればよい。
（その他の変形例）
上記実施の形態２およびその変形例では、実施の形態１と同様に、出力電力を変化させたときに計測電圧が低下し、この計測電圧の低下速度が大きくなって第一の所定速度に達した場合、出力電力の変化速度を制御装置７は下げてもよい。また、出力電力の変化速度を下げた後に、計測電圧が第一の所定速度まで低下し、この計測電圧の低下速度がさらに大きくなって第二の所定速度に達した場合、制御装置７は燃料電池１の発電を停止してもよい。
さらに、上記実施の形態２およびその変形例では、計測電圧が第三の所定値以上になった時間や回数に基づいて、低下している出力電力の変化速度を初期速度に制御装置７は戻した。これに対して、計測電圧が上昇し、この計測電圧の上昇速度が第三の所定速度に達した場合、その時間や回数に基づいて、低下している出力電力の変化速度を初期速度に制御装置７は戻してもよい。
なお、上記全実施の形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせてもよい。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明の燃料電池システムは、燃料電池の出力電力の変化に伴う不具合を防止しながら、燃料電池の不必要な停止および起動の繰り返しを低減し得る、燃料電池システムおよびその運転方法等として有用である。
１ 燃料電池
２ 水素生成装置
３ 空気供給装置
４ 電力変換装置
５ 電力負荷計測器
６ 電圧計測器
７ 制御装置
８ 加熱器
９ 蒸気発生器
１０ 記憶装置
１１ 原料ガス供給経路
１２ 改質水供給経路
１３ 還元剤ガス供給経路
１４ 還元剤ガス排出経路
１５ 酸化剤ガス供給経路
１６ 酸化剤ガス排出経路
２１ 直流電力経路
２２ 交流電力経路
１００ 燃料電池システム

Claims (2)

  1. 酸化剤ガスを供給する供給器と、
    原料ガスにより水素を含む還元剤ガスを生成する水素生成装置と、
    前記還元剤ガスおよび前記酸化剤ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池と、
    前記燃料電池の電圧を計測する電圧計測器と、
    各機器を制御する制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、
    前記燃料電池の出力電力を変化させたときに、前記電圧計測器による計測電圧が第一の所定値に低下した場合には、前記燃料電池の発電を停止し、停止後に発電を再開した運転時において前記出力電力を変化させるときに、前記出力電力の変化速度を、前記計測電圧が第一の所定値に低下する前の値よりも低く下げる制御
    を行うように構成されている、燃料電池システム。
  2. 酸化剤ガスを供給する供給器と、
    原料ガスにより水素を含む還元剤ガスを生成する水素生成装置と、
    前記還元剤ガスおよび前記酸化剤ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池と、
    前記燃料電池の電圧を計測する電圧計測器と、
    各機器を制御する制御装置と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、
    前記制御装置は、
    前記燃料電池の出力電力を変化させたときに、前記電圧計測器による計測電圧が第一の所定値に低下した場合には、前記燃料電池の発電を停止し、停止後に発電を再開した運転時において前記出力電力を変化させるときに、前記出力電力の変化速度を、前記計測電圧が第一の所定値に低下する前の値よりも低く下げる、燃料電池システムの運転方法。
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