JP6111762B2

JP6111762B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP6111762B2
Application number: JP2013055106A
Authority: JP
Inventors: 俊介後藤
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2013-03-18
Filing date: 2013-03-18
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2033-03-18
Also published as: JP2014182884A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムの一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。燃料電池システムにおいては、系統の停電発生時に、受電系統を系統から遮断し、受電系統の自立負荷に非常用電源として燃料電池発電装置より電源を供給している。この場合、連系用遮断器を遮断すると共にインバータを一旦停止させ、燃料電池発電装置が自立負荷に供給できる最大の電気出力に相当する原燃料、反応空気及び改質用蒸気を予め供給し、かつ自立負荷の接続を確認したのちに、インバータの再起動を行わせるようになっている。

特開２００５−２０３１４５号公報

しかしながら、上述した燃料電池システムにおいては、自立発電運転中においても必要な原燃料は出力電流に応じて設定される。一方、燃料電池の内部抵抗は燃料電池自身の温度、環境温度や積算運転時間によって異なるため、出力電圧は変化しひいては出力電流も変化する。したがって、出力電力が必要な消費電力より小さいときには、燃料電池の電極が酸化して劣化する。一方、出力電力が必要な消費電力より大きいときには、燃料電池の熱バランスが崩れ燃料電池の温度が著しく上昇する。このように、必要な消費電力に対して出力電力の過不足があると、いろいろな問題が発生する。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムにおいて、自立発電運転中、必要な消費電力に対して燃料電池の出力電力をできるだけ過不足なく供給することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る燃料電池システムは、燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、燃料電池の出力電流を検出する電流センサと、系統電源の送電が停止された場合であって系統電源と解列された燃料電池を発電させる自立発電運転中において、燃料電池からの出力電力のみが供給されて、消費電力が可変に制御できる可変負荷装置と、を備えた燃料電池システムであって、燃料の原料となる原燃料を燃料電池システムに供給する原燃料供給装置と、燃料電池システムを制御する制御装置と、をさらに備え、制御装置は、自立発電運転中であって、燃料電池の出力電力が可変負荷装置の最大消費電力に相当する第１の電力量となるまでの間の運転である自立準備運転中においては、可変負荷装置の消費電力を第１の所定速度で上昇させるように可変負荷装置を制御する第１の可変負荷装置制御部と、電流センサによって検出された出力電流値に、第１の可変負荷装置制御部によって制御される可変負荷装置の消費電力の上昇分に相当するオフセット値を加えて得た値と、原燃料の投入量と燃料電池の出力電流との関係を示すマップまたは関係式と、から原燃料供給装置によって供給される原燃料投入量を導出する第１の原燃料投入量導出部と、原燃料の供給量が、第１の原燃料投入量導出部によって導出された原燃料投入量となるように原燃料供給装置を制御する第１の原燃料供給制御部と、を備え、制御装置は、自立準備運転が完了した後の自立発電運転中において、燃料電池の出力電力を第１の電力量を超えて第２の電力量まで増大させるときには、自立発電運転中にのみ出力電力が供給される自立運転時負荷装置と可変負荷装置との総消費電力を第２の所定速度で上昇させるように可変負荷装置を制御する第２の可変負荷装置制御部と、電流センサによって検出された出力電流値に、第２の可変負荷装置制御部によって制御される総消費電力の上昇分に相当するオフセット値を加えて得た値と、原燃料の投入量と燃料電池の出力電流との関係を示すマップまたは関係式と、から原燃料供給装置によって供給される原燃料投入量を導出する第２の原燃料投入量導出部と、原燃料の供給量が、第２の原燃料投入量導出部によって導出された原燃料投入量となるように原燃料供給装置を制御する第２の原燃料供給制御部と、を備えている。

また請求項２に係る発明は、請求項１に係る燃料電池システムにおいて、制御装置は、燃料電池の出力電力のうち余剰電力が生じる場合には、可変負荷装置の消費電力を調整して余剰電力を消費させて、出力電力が第１の電力量または第２の電力量に一定となるように制御する余剰電力調整部を、さらに備えている。

また請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に係る燃料電池システムにおいて、制御装置は、オフセット値を、燃料電池の積算運転時間が長いほど大きくなるように補正する第１のオフセット設定部を、さらに備えている。

また請求項４に係る発明は、請求項１ないし請求項３の何れか一項に係る燃料電池システムにおいて、原燃料と改質用水蒸気とから燃料を生成する改質部と、燃料電池と改質部とを少なくとも収容する断熱性を有する筐体と、筐体内の温度を検出する温度センサと、をさらに備え、制御装置は、オフセット値を、温度センサによって検出される筐体内の温度が低いほど大きくなるように補正する第２のオフセット設定部を、さらに備えている。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、第１の可変負荷装置制御部が、自立発電運転中であって、燃料電池の出力電力が可変負荷装置の最大消費電力に相当する第１の電力量となるまでの間の運転である自立準備運転中においては、可変負荷装置の消費電力を第１の所定速度で上昇させるように可変負荷装置を制御する。第１の原燃料投入量導出部が、電流センサによって検出された出力電流値に、第１の可変負荷装置制御部によって制御される可変負荷装置の消費電力の上昇分に相当するオフセット値を加えて得た値と、原燃料の投入量と燃料電池の出力電流との関係を示すマップまたは関係式と、から原燃料供給装置によって供給される原燃料投入量を導出する。そして、第１の原燃料供給制御部が、原燃料の供給量が、第１の原燃料投入量導出部によって導出された原燃料投入量となるように原燃料供給装置を制御する。これにより、自立準備運転中において、燃料電池の出力電力の消費先である可変負荷装置を所定速度で上昇させるとともに、可変負荷装置の消費電力の上昇分に相当する上昇率にて燃料電池が出力電流ひいては出力電力を発生できるように原燃料を投入することできる。よって、自立発電運転中、必要な消費電力に対して燃料電池の出力電力をできるだけ過不足なく供給することができる。

また、請求項１に係る燃料電池システムにおいて、制御装置は、自立準備運転が完了した後の自立発電運転中において、燃料電池の出力電力を第１の電力量を超えて第２の電力量まで増大させるときには、自立発電運転中にのみ出力電力が供給される自立運転時負荷装置と可変負荷装置との総消費電力を第２の所定速度で上昇させるように可変負荷装置を制御する第２の可変負荷装置制御部と、電流センサによって検出された出力電流値に、第２の可変負荷装置制御部によって制御される総消費電力の上昇分に相当するオフセット値を加えて得た値と、原燃料の投入量と燃料電池の出力電流との関係を示すマップまたは関係式と、から原燃料供給装置によって供給される原燃料投入量を導出する第２の原燃料投入量導出部と、原燃料の供給量が、第２の原燃料投入量導出部によって導出された原燃料投入量となるように原燃料供給装置を制御する第２の原燃料供給制御部と、を備えている。これにより、自立準備運転完了後の自立発電運転中においても、燃料電池の出力電力の消費先である可変負荷装置を所定速度で上昇させるとともに、可変負荷装置の消費電力の上昇分に相当する上昇率にて燃料電池が出力電流ひいては出力電力を発生できるように原燃料を投入することできる。よって、自立発電運転中、必要な消費電力に対して燃料電池の出力電力をできるだけ過不足なく供給することができる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、請求項１に係る燃料電池システムにおいて、制御装置は、燃料電池の出力電力のうち余剰電力が生じる場合には、可変負荷装置の消費電力を調整して余剰電力を消費させて、出力電力が第１の電力量または第２の電力量に一定となるように制御する余剰電力調整部を、さらに備えている。これにより、自立発電運転中、必要な消費電力に対して燃料電池の出力電力をより確実に過不足なく供給することができる。

上記のように構成した請求項３に係る発明においては、請求項１または請求項２に係る燃料電池システムにおいて、制御装置は、オフセット値を、燃料電池の積算運転時間が長いほど大きくなるように補正する第１のオフセット設定部を、さらに備えている。これにより、燃料電池の積算運転時間の長さに応じて、燃料電池の出力電力の消費先である可変負荷装置を所定速度で上昇させることができ、ひいてはその可変負荷装置の消費電力の上昇分に相当する上昇率にて燃料電池が出力電流ひいては出力電力を発生できるように原燃料を投入することできる。

上記のように構成した請求項４に係る発明においては、請求項１ないし請求項３の何れか一項に係る燃料電池システムにおいて、原燃料と改質用水蒸気とから燃料を生成する改質部と、燃料電池と改質部とを少なくとも収容する断熱性を有する筐体と、筐体内の温度を検出する温度センサと、をさらに備え、制御装置は、オフセット値を、温度センサによって検出される筐体内の温度が低いほど大きくなるように補正する第２のオフセット設定部を、さらに備えている。これにより、燃料電池と改質部とを少なくとも収容する断熱性を有する筐体の温度に応じて、燃料電池の出力電力の消費先である可変負荷装置を所定速度で上昇させることができ、ひいてはその可変負荷装置の消費電力の上昇分に相当する上昇率にて燃料電池が出力電流ひいては出力電力を発生できるように原燃料を投入することできる。

本発明による燃料電池システムの実施形態を示す概要図である。図１に示す発電機の概要図である。本発明による燃料電池システムの停電が発生した場合における動作のフローチャートである。本発明による燃料電池システムの自立準備運転に係るサブルーチンのフローチャートである。本発明による燃料電池システムの原燃料の投入量の導出に係るサブルーチンのフローチャートである。本発明による燃料電池システムの自立準備運転完了後に係るサブルーチンのフローチャートである。原燃料投入量と出力電流（出力電力）との関係を示す図である。上段は可変負荷装置の時間変化を示し、下段は出力電流（出力電力）および原燃料投入量の時間変化を示す図である。本発明による燃料電池システムの原燃料の投入量の導出に係る他のサブルーチンのフローチャートである。燃料電池モジュール内の温度と温度補正量との関係を示す図である。燃料電池モジュール内の温度と燃料電池の内部抵抗との関係を示す図である。燃料電池の積算運転時間と温度補正量との関係を示す図である。燃料電池の積算運転時間と燃料電池の内部抵抗との関係を示す図である。本発明による燃料電池システムの一制御例のタイムチャートである。本発明による燃料電池システムの他の実施形態における燃料電池の概要図である。

以下、本発明による燃料電池システムの実施形態の一つである実施例について説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは、発電ユニット１０および貯湯ユニット２０を備えている。

発電ユニット１０は、発電装置１１、電源基板１３および燃料電池制御装置１９（以下、制御装置１９という。）を備えている。発電装置１１は、電力（本実施形態では交流電力）を発生させるものであり、直流電力を発電する発電機１１ａおよび電力変換装置１１ｂから構成されている。図２に示すように、発電機１１ａは、燃料電池モジュール４０を含んで構成されている。

燃料電池モジュール４０は、ケーシング４１、蒸発部４２、改質部４３および燃料電池４４を備えている。ケーシング４１は、断熱性材料で箱状に形成されている。ケーシング４１内には、蒸発部４２、改質部４３、燃料電池４４および第１燃焼部４６である燃焼空間Ｒ３が配設されている。ケーシング４１内は、その内部の温度を検出する温度センサ４１ｂが設けられており、その検出結果が制御装置１９に出力されるようになっている。

蒸発部４２は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、供給された改質用原料を予熱するものである。蒸発部４２は、このように生成された水蒸気と予熱された改質用原料を混合して混合ガスを改質部４３に供給するものである。改質用原料としては天然ガス、ＬＰＧなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料がある。

この蒸発部４２には、一端（下端）が水タンク６１内に配設された給水管５１の他端が接続されている。給水管５１には、改質水ポンプ５１ａが設けられている。改質水ポンプ５１ａは、蒸発部４２に改質水を供給するとともにその改質水供給量（供給流量（単位時間あたりの流量））を調整するものである。

また、蒸発部４２には、改質用原料の供給源（以下、供給源という。）Ｇｓからの改質用原料が改質用原料供給管５２を介して供給されている。供給源Ｇｓは、例えば都市ガスのガス供給管、ＬＰガスのガスボンベである。改質用原料供給管５２には、原料ポンプ５２ａが設けられている。

原料ポンプ５２ａは、燃料電池４４に燃料を供給する供給装置（すなわち燃料電池システムに燃料の原料となる原燃料（改質用原料）を供給する原燃料供給装置）であり、制御装置１９からの制御指令値にしたがって供給源Ｇｓからの燃料供給量（供給流量（単位時間あたりの流量））を調整するものである。この原料ポンプ５２ａは、改質用原料を吸入し改質部４３に圧送する圧送装置である。

改質部４３は、後述する燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部４２から供給された混合ガス（改質用原料および水蒸気）から改質ガスを生成して導出するものである。混合ガスが触媒によって反応し、改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水素が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は燃料電池４４の燃料極に導出されるようになっている。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス（メタンガス）、改質に使用されなかった改質水（水蒸気）を含んでいる。このように、改質部４３は改質用原料と改質水とから燃料である改質ガスを生成して燃料電池４４に供給する。

燃料電池４４は、燃料と酸化剤ガスとにより発電するものである。燃料電池４４は、燃料極、空気極（酸化剤極）、および両極の間に介装された電解質からなる複数のセル４４ａが図２の左右方向に積層されて構成されている。本実施形態の燃料電池４４は、固体酸化物燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池４４の燃料極には、燃料としての水素、一酸化炭素、メタンガスなどが供給される。セル４４ａの燃料極側には、燃料である改質ガスが流通する燃料流路４４ｂが形成されている。セル４４ａの空気極側には、酸化剤ガスである空気（カソードエア）が流通する空気流路４４ｃが形成されている。空気流路４４ｃには、カソードエアがカソードエアブロワ５４ａ（またはカソードエアポンプ）によって供給されている。燃料電池４４内は、その内部の温度を検出する温度センサ４４ｄが設けられており、その検出結果が制御装置１９に出力されるようになっている。

燃料電池４４は、図２に示すように、マニホールド４５上に設けられている。マニホールド４５には、改質部４３からの改質ガスが改質ガス供給管５３を介して供給される。燃料流路４４ｂは、その下端（一端）がマニホールド４５の燃料導出口に接続されており、その燃料導出口から導出される改質ガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。空気流路４４ｃの下端には、一端がカソードエアブロワ５４ａに接続されたカソードエア供給流路５４が連通されており、カソードエアが空気流路４４ｃの下端から導入され上端から導出されるようになっている。

燃料電池４４においては、燃料極に供給された燃料と空気極に供給された酸化剤ガスによって発電が行われる。すなわち、燃料極では、下記化１および化２に示す反応が生じ、空気極では、下記化３に示す反応が生じている。すなわち、空気極で生成した酸化物イオン（Ｏ^２−）が電解質を通過し、燃料極で水素と反応することにより電気エネルギーを発生させている。したがって、燃料流路４４ｂおよび空気流路４４ｃからは、発電に使用されなかった改質ガスおよび酸化剤ガス（空気）が導出する。
（化１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
（化２）
ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２ｅ⁻
（化３）
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−

そして、燃料流路４４ｂおよび空気流路４４ｃから導出した、発電に使用されなかった改質ガス（アノードオフガス）は、燃料電池４４と蒸発部４２（改質部４３）の間の燃焼空間Ｒ３にて、発電に使用されなかった酸化剤ガス（カソードオフガス）によって燃焼され、その燃焼ガス（火炎４７）によって蒸発部４２および改質部４３が加熱される。さらには、燃料電池モジュール４０内を動作温度に加熱している。

このように、燃焼空間Ｒ３が、燃料電池４４からのアノードオフガスと燃料電池４４からのカソードオフガスとが燃焼されて改質部４３を加熱する第１燃焼部４６である。すなわち、第１燃焼部４６は、燃料電池４４からの未使用の燃料を含む可燃性ガスを導入し酸化剤ガスで燃焼して燃焼ガスを導出する燃焼部である。

第１燃焼部４６（燃焼空間Ｒ３）では、アノードオフガスが燃焼されて火炎４７が発生している。燃焼空間Ｒ３で生じた燃焼ガスは、その後は導出口４１ａから燃料電池モジュール４０の外に排気される。
第１燃焼部４６には、アノードオフガスを着火させるための一対の着火ヒータ４６ａ１，４６ａ２が設けられている。この着火ヒータ４６ａ１，４６ａ２は交流電源の負荷装置である。着火ヒータ４６ａ１，４６ａ２の総消費電力は、合わせて１００Ｗである。

排熱回収システムは、燃料電池モジュール４０の排熱と貯湯水との間で熱交換することで排熱を貯湯水に回収して蓄える排熱回収系である。排熱回収システムは、貯湯水を貯湯する貯湯槽２１と、貯湯水が循環する貯湯水循環ライン２４と、燃料電池モジュール４０からの燃焼排ガスと貯湯水との間で熱交換が行われる熱交換器２５と、が備えられている。

貯湯槽２１は、１つの柱状容器を備えており、その内部に温水が層状に、すなわち上部の温度が最も高温であり下部にいくにしたがって低温となり下部の温度が最も低温であるように貯留されるようになっている。貯湯槽２１の柱状容器の下部には水道水などの水（低温の水）が補給され、貯湯槽２１に貯留された高温の温水が貯湯槽２１の柱状容器の上部から導出されるようになっている。

貯湯水循環ライン２４の一端は貯湯槽２１の下部に、他端は貯湯槽２１の上部に接続されている。貯湯水循環ライン２４上には、一端から他端に向かって順番に貯湯水循環手段である貯湯水循環ポンプ２４ａ、熱交換器２５および貯湯水用ヒータ２４ｂが配設されている。

貯湯水循環ポンプ２４ａは、貯湯槽２１の下部の貯湯水を吸い込んで貯湯水循環ライン２４を図示矢印方向へ通水させて貯湯槽２１の上部に吐出するものであり、その流量（送出量）が制御されるようになっている。貯湯水循環ポンプ２４ａは、図示しない温度センサの検出温度（貯湯水の貯湯槽２１の入口温度）が所定の温度または温度範囲となるように、送出量が制御されるようになっている。

貯湯水用ヒータ２４ｂは、貯湯水循環ライン２４を加熱して凍結を防止するためのヒータである。この貯湯水用ヒータ２４ｂは交流電源の負荷装置である。貯湯水用ヒータ２４ｂの総消費電力は、１００Ｗである。

熱交換器２５は、燃料電池モジュール４０から排気される燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽２１からの貯湯水が供給され燃焼排ガスと貯湯水が熱交換する熱交換器である。熱交換器２５は、ケーシング２５ａを備えている。ケーシング２５ａの上部には、燃料電池モジュール４０のケーシング４１の下部に設けられ燃焼排ガスが導出される導出口４１ａに連通している。ケーシング２５ａの下部には、排気管５５が接続されている。ケーシング２５ａの底部には、純水器６２に接続されている凝縮水供給管５６が接続されている。ケーシング２５ａ内には、貯湯水循環ライン２４に接続されている熱交換部２５ｂが配設されている。

このように構成された熱交換器２５においては、燃料電池モジュール４０からの燃焼排ガスは、導出口４１ａを通ってケーシング２５ａ内に導入され、貯湯水が流通する熱交換部２５ｂを通る際に貯湯水との間で熱交換が行われ凝縮されるとともに冷却される。凝縮後の燃焼排ガスは排気管５５を通って外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水供給管５６を通って純水器６２に供給される（自重で落水する）。一方、熱交換部２５ｂに流入した貯湯水は、加熱されて流出される。

ケーシング４１の導出口４１ａには、第２燃焼部４８が設けられている。第２燃焼部４８は、第１燃焼部４６から排気されるガスである第１燃焼部オフガス、すなわち、第１燃焼部４６から排気される未使用の可燃性ガス（例えば、水素、メタンガス、一酸化炭素など）を導入し燃焼して導出するものである。第２燃焼部４８は、可燃性ガスを燃焼する触媒である燃焼触媒（例えばセラミックハニカムまたは、メタルハニカムと貴金属の触媒である。）で構成されている。

第２燃焼部４８には、燃焼触媒を触媒の活性温度まで加熱して可燃性ガスを燃焼させるための燃焼触媒ヒータ４８ａが設けられている。この燃焼触媒ヒータ４８ａは交流電源の負荷装置である。燃焼触媒ヒータ４８ａは消費電力が可変に制御できるものであり、その最大消費電力は２００Ｗである。燃焼触媒ヒータ４８ａは制御装置１９の指示によって制御されるものである。

なお、上述した着火ヒータ４６ａ１，４６ａ２と燃焼触媒ヒータ４８ａとから、消費電力が可変に制御できる可変負荷装置Ｌ（特許請求の範囲に記載の可変負荷装置）が構成されている。この可変負荷装置Ｌは、系統電源３０の送電が停止された場合であって系統電源３０と解列された燃料電池４４を発電させる自立発電運転中において、燃料電池４４からの出力電力のみが供給されて、消費電力が可変に制御できる可変負荷装置である。この可変負荷装置Ｌは、貯湯水用ヒータ２４ｂをさらに加えて構成するようにしてもよい。また、可変負荷装置Ｌは、燃料電池システムの内部の負荷装置で構成するだけでなく、燃料電池システムの外部の負荷装置で構成するようにしてもよく、内外両方の負荷装置で構成するようにしてもよい。

また、燃料電池システムは、水タンク６１および純水器６２を備えている。水タンク６１は、純水器６２から導出された純水を貯めておくものである。純水器６２は、活性炭とイオン交換樹脂を内蔵しており、例えばフレーク状の活性炭と粒状のイオン交換樹脂を充填している。また被処理水の状態によっては、中空糸フィルタを設置しても良い。純水器６２は、熱交換器２５からの凝縮水を活性炭とイオン交換樹脂によって純水化するものである。純水器６２は、配管５７を介して水タンク６１に連通しており、純水器６２内の純水は配管５７を通って水タンク６１に導出される。

図１に示すように、発電機１１ａと電力変換装置１１ｂとの間には、電流センサ１１ａ１が設けられている。電流センサ１１ａ１は、発電機１１ａ（すなわち燃料電池４４）の出力電流を検出する電流センサであり、その検出結果が制御装置１９に送信されるようになっている。なお、電流センサ１１ａ１に代えて電力センサを設けるようにしてもよい。

電力変換装置１１ｂは、燃料電池４４から供給された直流電流を交流電流に変換するものである。また、電力変換装置１１ｂは、変換した交流電流を出力する機能を備えている。電力変換装置１１ｂには、送電線１４の一端が接続されており、電力変換装置１１ｂの交流電力が送電線１４に出力されるようになっている。送電線１４の他端には、第１負荷装置１５が接続されている。電力変換装置１１ｂが出力する電力は、必要に応じて送電線１４を介して第１負荷装置１５に供給されるようになっている。第１負荷装置１５は、電灯、アイロン、テレビ、洗濯機、電気コタツ、電気カーペット、エアコン、冷蔵庫などの電気器具である。

電力変換装置１１ｂの交流電力の出力部には、センサ１１ｂ１が設けられている。センサ１１ｂ１は、電力変換装置１１ｂ（燃料電池４４）から出力される電流または電圧の少なくともいずれか一つを検出するものである。センサ１１ｂ１が電圧と電流の両方を検出していれば、それらの値を乗じることにより、接続されている負荷装置例えば着火ヒータ４６ａ１，４６ａ２、燃焼触媒ヒータ４８ａ、貯湯水用ヒータ２４ｂ、第２負荷装置１８などの消費電力は算出される。また、センサ１１ｂ１が電圧または電流のいずれか１つを検出している場合は、制御装置１９はいずれか一つの検出値から上記負荷装置の消費電力を算出する。具体的には、負荷装置は、家庭内で使用される電気機器であるため、停電時に使用されるものについてあらかじめ調査することができる。調査結果から選定された複数の電気機器の電圧または電流と電力の関係を把握しておき、電圧または電流の値に対応する電力の値をまとめた表を制御プログラムに記憶させておく。制御装置１９はこの表に従って、検出された電圧または電流のいずれか一方に対応する電力の値を負荷装置の消費電力として算出する。

また、電力変換装置１１ｂは、電源ライン３１および送電線１４を介して供給される系統電源３０からの交流電力を直流電力に変換して出力する機能も備えている。電力変換装置１１ｂが出力する直流電力は、電源基板１３に出力される。電源基板１３は、供給された直流電力を所定の直流電力に変換して制御装置１９、補機１０ｂなどに供給している。補機１０ｂは、改質水ポンプ５１ａ、原料ポンプ５２ａや各部位の温度センサなどの発電ユニット１０を作動させるのに必要であって直流電流で作動するものから構成されている。

送電線１４上であって電力変換装置１１ｂと第１負荷装置１５の間には、一端が系統電源３０に接続された電源ライン３１の他端が接続部１４ａで接続されている。また、電源ライン３１上には、配電盤３２が配設されている。発電ユニット１０が発電する電力より第１負荷装置１５の消費電力が上回った場合、その不足電力は、電源ライン３１から配電盤３２を介して系統電源３０からの電力が供給されるようになっている。このように、第１負荷装置１５は、系統電源３０からの電力および電力変換装置１１ｂからの電力が供給されるようになっている。

また、電源ライン３１上であって系統電源３０と配電盤３２の間には、電流センサ３１ａが配設されている。電流センサ３１ａは、系統電源３０から電力変換装置１１ｂへ供給される電力の電流を検出するものである。なお、本実施形態においては、系統電源３０の電流を検出するために電流センサ３１ａを配設しているが、系統電源３０から電力変換装置１１ｂへ供給される電力を検出する電力センサを配設するようにしても良い。

また、送電線１４上であって電力変換装置１１ｂと接続部１４ａの間には、ブレーカ１４ｂが配設されている。系統電源３０からの送電が行われている場合であって、何らかの原因により送電線１４に異常な電流（例えば過電流）が流れたときに、ブレーカ１４ｂは自動で送電線１４を開路とするようになっている。

また、送電線１４上であって電力変換装置１１ｂとブレーカ１４ｂとの間に第１開閉器１４ｃが設けられている。第１開閉器１４ｃは、開路または閉路することにより電力変換装置１１ｂと系統電源３０とを電気的に遮断または接続するものである。

また、送電線１４上であってブレーカ１４ｂと第１開閉器１４ｃとの間に電圧センサ１００ａが設けられている。電圧センサ１００ａは、その配置場所の電圧を検出してその検出結果を制御装置１９に出力する。

また、送電線１４上であって電力変換装置１１ｂと第１開閉器１４ｃとの間には、一端が自立用出力端子１６に接続された送電線１７ａの他端が接続されている。送電線１７ａには、第２開閉器１７ａ１および電力センサ１７ａ２が設けられている。第２開閉器１７ａ１は、電力変換装置１１ｂと自立用出力端子１６（ひいては第２負荷装置１８）との間に配設され、開路または閉路することにより、電力変換装置１１ｂと第２負荷装置１８とを電気的に遮断または接続する開閉装置である。電力センサ１７ａ２は、電力変換装置１１ｂから第２負荷装置１８に電力が供給されている場合、第２負荷装置１８の消費電力を検出してその検出結果を制御装置１９に出力する。

自立用出力端子１６は、系統電源３０からの電力供給が停止（以下、停電とする）された場合に発電装置１１（燃料電池４４）を発電させて電力変換装置１１ｂからの電力のみを第２負荷装置１８に供給する発電運転（以下、自立発電運転とする）中のみに使用されるものである。第２負荷装置１８は、自立用出力端子１６に着脱可能に接続されるものである。第２負荷装置１８は、第１負荷装置１５と同様の電気器具であるが、停電の場合における自立発電運転中のみに、使用者が使用したい電気器具について、自立用出力端子１６に接続して使用されるものである。第２負荷装置１８は、自立発電運転中にのみ燃料電池４４からの出力電力が供給される。

また、送電線１４上であって電力変換装置１１ｂと第１開閉器１４ｃとの間には、一端が着火ヒータ４６ａ１，４６ａ２に接続された送電線１７ｂの他端が接続されている（図２参照）。送電線１７ｂには、第３開閉器１７ｂ１が設けられている。第３開閉器１７ｂ１は、開路または閉路することにより、電力変換装置１１ｂと着火ヒータ４６ａ１，４６ａ２とを電気的に遮断または接続する開閉装置である。

また、送電線１４上であって電力変換装置１１ｂと第１開閉器１４ｃとの間には、一端が燃焼触媒ヒータ４８ｂに接続された送電線１７ｃの他端が接続されている。送電線１７ｃには、第４開閉器１７ｃ１が設けられている。第４開閉器１７ｃ１は、開路または閉路することにより、電力変換装置１１ｂと燃焼触媒ヒータ４８ｂとを電気的に遮断または接続する開閉装置である。

また、送電線１４上であって電力変換装置１１ｂと第１開閉器１４ｃとの間には、一端が貯湯水用ヒータ２４ｂに接続された送電線１７ｄの他端が接続されている。送電線１７ｄには、第５開閉器１７ｄ１が設けられている。第５開閉器１７ｄ１は、開路または閉路することにより、電力変換装置１１ｂと貯湯水用ヒータ２４ｂとを電気的に遮断または接続する開閉装置である。

制御装置１９は、発電装置１１（燃料電池４４）の制御を少なくとも行うもの（燃料電池システムを制御するもの）である。具体的には、系統電源３０から電力供給があるときは、第１負荷装置１５の消費電力となるように燃料電池４４の発電量の制御を行う。このとき、燃料電池４４の発電する電力が第１負荷装置１５の消費電力を下回る場合は、その不足電力を系統電源３０から受電して補うようになっている。停電の場合は、燃料電池４４の発電量が一定の出力電力（例えば定格の半分（３５０Ｗ））となるように制御している。なお、第２負荷装置１８の消費電力となるように燃料電池４４の発電量の制御を行ってもよい。
また、第１〜第５開閉器１４ｃ，１７ａ１，１７ｂ１，１７ｃ１，１７ｄ１は、制御装置１９からの指示に従って、開閉制御されるようになっている。

制御装置１９は、センサ１１ｂ１の検出信号が入力されるようになっている。制御装置１９はセンサ１１ｂ１の検出信号に基づいて、系統電源３０の停電を検出することができる。また、制御装置１９は、電流センサ３１ａの検出信号が入力されるようになっている。制御装置１９は、入力された電流センサ３１ａの信号に基づいて、系統電源３０の停電を検出するようにしてもよい。具体的には、センサ１１ｂ１（または電流センサ３１ａ）によって検出された系統電源３０の電流が所定電流以下（例えば定格の１／１０以下）である場合は、系統電源３０は停電であると検出される。このように、電流センサ３１ａを、発電装置１１と系統電源３０との間に配設されて、その配設された位置の電流または電圧の少なくともいずれか一つを検出する検出装置（上述した）として使用してもよい。

貯湯ユニット２０は、図１に示すように、上述した貯湯槽２１、貯湯槽制御装置２２および電源基板２３を備えている。
貯湯槽２１の内部には残湯量検出センサである温度センサ群２１ａが設けられている。この温度センサ群２１ａによる各位置での湯温の検出結果に基づいて貯湯槽２１内の残湯量が、この温度センサ群２１ａの検出結果が送信される貯湯槽制御装置２２によって導出されるようになっている。残湯量は、貯湯槽２１内に蓄えられた熱量を表している。

貯湯槽２１には、給湯管２６が接続されている。給湯管２６には、上流から順番に補助加熱装置であるガス湯沸かし器（図示省略）、温度センサ２６ａおよび流量センサ２６ｂが配設されている。ガス湯沸かし器は、給湯管２６を通過する貯湯槽２１からの湯水を加熱して給湯するようになっている。温度センサ２６ａはガス湯沸かし器を通過した後の湯水の温度を検出するものであり、その検出信号は貯湯槽制御装置２２に送信されるようになっている。また、流量センサ２６ｂは、貯湯槽２１から供給されている単位時間あたりの湯水消費量（給湯量）を検出するものである。

給湯管２６には、貯湯槽２１に貯留している湯水を給湯として利用する湯水使用場所Ａ２に設置されている複数の湯利用機器Ａ２ａが接続されている。この湯利用機器としては、浴槽、シャワ、キッチン（キッチンの蛇口）、洗面所（洗面所の蛇口）などがある。また、給湯管２６には、貯湯槽２１の湯水を熱源として利用する湯水使用場所Ａ２に設置されている熱利用機器Ａ２ｂが接続されている。この熱利用機器としては、浴室暖房、床暖房、浴槽の湯の追い炊き機構などがある。

貯湯槽制御装置２２は、制御装置１９と互いに通信可能に接続されている。貯湯槽制御装置２２は、温度センサ群２１ａの検出結果に基づいて、貯湯水循環ポンプ２４ａを作動させて湯水を循環させ加熱することにより貯湯槽２１の残湯量の制御をする。電源基板２３は、系統電源３０からの交流電力を所定の直流電力に変換して貯湯槽制御装置２２へ供給している。

さらに、貯湯ユニット２０は、貯湯槽制御リモコン２７を備えている。貯湯槽制御リモコン２７は、貯湯槽制御装置２２と互いに通信可能に接続されて、貯湯槽２１内の湯水の残湯量、給湯温度および湯水消費量などの貯湯槽２１の貯湯状況や、発電機１１ａの発電する電力や使用電力量などの発電ユニット１０の運転状況が表示される。

次に、上述した燃料電池システムの系統電源３０から送電がある場合の基本的動作の一例について説明する。制御装置１９は、図示しないスタートスイッチが押されて運転が開始される場合、または計画運転にしたがって運転が開始される場合には、起動運転を開始する。ここで、系統電源３０から電力の供給がある場合は、第１開閉器１４ｃは閉路に、第２開閉器１７ａ１は開路となるように制御装置１９によって制御されている。このように、系統電源３０からの電力供給が正常である場合、すなわち発電機１１ａが系統電源３０と系統連系されている場合、発電機１１ａが発電を行うことを系統連系発電という。

起動運転が開始されるときは、制御装置１９は、モータ駆動のポンプなどの補機１０ｂを作動させ、発電機１１ａの蒸発部４２に燃料および改質水の供給を開始する。上述したように、蒸発部４２では混合ガスが生成されて、混合ガスは改質部４３に供給される。改質部４３では、供給された混合ガスから改質ガスが生成されて、改質ガスが燃料電池４４に供給される。改質部４３が所定温度以上となれば、起動運転は終了し、定常運転（通常発電運転）が開始される。

通常発電運転中では、制御装置１９は、発電機１１ａの発電する電力が、センサ１１ｂ１からの検出信号に基づいて算出される第１負荷装置１５の電力となるように補機１０ｂを制御して、改質ガスおよびカソードエアを発電機１１ａに供給する。上述したように、発電機１１ａの発電する電力より第１負荷装置１５の電力が上回った場合、その不足電力を系統電源３０から受電して補うようになっている。

このような発電運転中に、図示しないストップスイッチが押されて発電運転が停止される場合、または運転計画にしたがって運転が停止される場合には、制御装置１９は、燃料電池システムの停止運転（停止処理）を実施する。
制御装置１９は、燃料電池４４から電力を引くのを停止し、蒸発部４２へ供給する原燃料および水（改質用蒸気）、ならびに空気極へ供給する空気（反応用空気）の量を燃料電池モジュール４０の温度に合わせて変更し、燃料電池モジュール４０の温度が一定温度以下まで下がると停止する。

このような停止運転が終了すると、燃料電池システムは待機状態（待機時）となる。待機時は、燃料電池システムの発電停止状態（すなわち、起動運転、発電運転、停止運転のいずれの運転中でない状態である。）のことであり、発電指示（スタートスイッチのオンなど）を待っている状態のことである。すなわち、停止運転状態終了時点の状態が維持される。

次に、系統電源３０が停電した場合の燃料電池システムの動作の一例について、図３に示すフローチャートに沿って説明する。
系統電源３０からの電力供給が正常である場合に、すなわち第１開閉器１４ｃが閉路され第２開閉器１７ａ１が開路されて発電機１１ａ（燃料電池４４）が系統電源３０と系統連系されている場合に、系統電源３０が停電すると、制御装置１９は、ステップＳ１０２において、「ＹＥＳ」と判定し、プログラムをステップＳ１０４に進める。一方、系統電源３０からの電力供給が正常である場合には、ステップＳ１０２の処理を繰り返し実行する。なお、系統電源３０の停電判定は、上述したように、センサ１１ｂ１（または電流センサ３１ａ）によって検出された系統電源３０の電流が所定電流以下（例えば定格の１／１０以下）である場合は、系統電源３０は停電であると判定される。

制御装置１９は、ステップＳ１０４において、第１開閉器１４ｃが開路されて燃料電池４４が系統電源３０と解列し、運転に必要な補機の電力分のみの発電を行う。なお、出力電力は、内部負荷装置である着火ヒータ４６ａ１，４６ａ２や燃焼触媒ヒータ４８ａで消費するようにすればよい。

制御装置１９は、発電停止の開始時点から所定時間が経過すると（ステップＳ１０６にて「ＹＥＳ」と判定し）、自立発電（自立運転）を開始する。なお所定時間は例えば５分である。具体的には、制御装置１９は、ステップＳ１０８において、図４に示すサブルーチンのフローチャートに沿ったプログラムを所定の短時間毎に繰り返し実行する。

制御装置１９は、ステップＳ２０２において、可変負荷装置Ｌを制御する。具体的には、制御装置１９は、自立発電運転中であって、燃料電池４４の出力電力が可変負荷装置Ｌの最大消費電力に相当する第１の電力量（本実施形態では３００Ｗ）となるまでの間の運転である自立準備運転中においては、可変負荷装置Ｌの消費電力を第１の所定速度で上昇させるように可変負荷装置Ｌを制御する（第１の可変負荷装置制御部）。

可変負荷装置Ｌは、上述したように、消費電力が固定（１００Ｗ）の着火ヒータ４６ａ１，４６ａ２と、消費電力が可変（０〜２００Ｗ）の燃焼触媒ヒータ４８ａとから構成されている。よって、可変負荷装置Ｌの消費電力は、０〜１００Ｗの範囲においては着火ヒータ４６ａ１，４６ａ２をオフに維持するとともに燃焼触媒ヒータ４８ａの消費電力を変更制御することで実現できる。１００〜３００Ｗの範囲においては着火ヒータ４６ａ１，４６ａ２をオンに維持するとともに燃焼触媒ヒータ４８ａの消費電力を変更制御することで実現できる。

なお、第１の所定速度は、原燃料の投入量の時間あたりの増大分に相当する。しかし、原燃料の増大は、燃料電池４４の出力電力（出力電流）の時間あたりの増大分を越えないように設定されるのが好ましい。

制御装置１９は、ステップＳ２０４において、原燃料の投入量を導出する。具体的には、制御装置１９は、電流センサ１１ａ１によって検出された出力電流値に、ステップＳ２０２（第１の可変負荷装置制御部）において制御される可変負荷装置Ｌの消費電力の上昇分（前記第１の所定速度）に相当するオフセット値α（基準オフセット値α０）を加えて得た値と、原燃料の投入量と燃料電池４４の出力電流との関係を示すマップまたは関係式と、から原料ポンプ５２ａ（原燃料供給装置）によって供給される原燃料投入量Ａを導出する（第１の原燃料投入量導出部）。

図７および図８を参照して説明する。図７は、原燃料の投入量と燃料電池４４の出力電流との関係を示すマップである。横軸に原燃料投入量（供給量）を示し、縦軸に出力電流（出力電力）を示している。なお、出力電力を一定としているため、縦軸を出力電力とすることができる。図７に示すように、原燃料投入量が０からＡ０までの間においては、出力電流は一定値Ｉ０である。原燃料投入量がＡ０を越えると、出力電流は原燃料投入量が大きくなるほど大きくなる（例えば正比例の関係にある）。原燃料投入量がＡ１のとき、出力電流はＩ１＋α０（後述する）である。なお、投入量は単位時間あたりの流量である。

図８は、上段に可変負荷装置Ｌの消費電力の時間変化を示し、下段に燃料電池４４の出力電流Ｉ（太い実線）と原燃料投入量Ａ（細い実線）とを示す。可変負荷装置Ｌの消費電力は第1の所定速度で上昇するように調整されている。このとき、時刻ｔ１から時刻ｔ２まで、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの各時間はＴで同一であり、時間Ｔの間の消費電力の上昇分がΔＬである。時間Ｔは制御サイクル時間であり、例えば１００ｍｓに設定されている。また、基準オフセット値α０は、可変負荷装置Ｌの消費電力の上昇分（すなわち可変負荷装置Ｌの負荷上昇速度分の電流）に相当する値に設定するのが好ましい。可変負荷装置Ｌの消費電力の上昇分としては、前記第１の所定速度でもよいし、所定時間の上昇分（本実施形態ではΔＬ）でもよい。

ステップＳ２０４の処理は、図５に示すサブルーチンのフローチャートに沿ったプログラムを実行する処理である。ステップＳ２１２において、電流センサ１１ａ１によって検出された出力電流値Ｉを取得する。ステップＳ２１４において、可変負荷装置Ｌの消費電力の上昇分に相当する基準オフセット値α０を演算する。このとき、上昇速度と基準オフセット値との関係を予め測定し記憶しておけば、上昇速度とその関係とから基準オフセット値α０を演算することができる。ステップＳ２１６において、ステップＳ２１２にて取得した出力電流値Ｉに、ステップＳ２１４にて演算した基準オフセット値α０を加算する（加算値＝Ｉ＋α０）。ステップＳ２１８において、ステップＳ２１６にて演算した加算値と、図７に示す原燃料の投入量と燃料電池４４の出力電流との関係を示すマップと、からステップＳ２１６にて演算した加算値に応じた原燃料の投入量を導出する。

例えば、図８に示すように、時刻ｔ２のときには、電流センサ１１ａ１によって検出された出力電流値Ｉ１が取得される（ステップＳ２１２）。可変負荷装置Ｌの消費電力の上昇分（制御されている）から基準オフセット値α０が演算される（ステップＳ２１４）。出力電流値Ｉ１に基準オフセット値α０を加算して加算値（＝Ｉ１＋α０）が演算される（ステップＳ２１６）。そして、加算値（Ｉ１＋α０）と図７に示すマップとから、加算値（Ｉ１＋α０）に応じた原燃料の投入量Ａ１が導出される（ステップＳ２１８）。
なお、改質蒸気および反応空気の各投入量も、原燃料の投入量と同様に、導出すればよい。このとき、改質蒸気および反応空気の各投入量は、図７に相当する各マップを使用すればよい。

制御装置１９は、プログラムを図４のステップＳ２０６に戻し、ステップＳ２０６において、ステップＳ２１８にて導出した原燃料投入量Ａ１となるように原料ポンプ５２ａを制御する。なお、改質水ポンプ５１ａは、改質蒸気投入量となるように制御され、カソードエアブロワ５４ａは、反応空気投入量となるように制御される。

制御装置１９は、燃料電池４４の出力電力が第１の電力量（３００Ｗ）に到達するまでは、ステップＳ１１０にて「ＮＯ」の判定を繰り返し、上述した自立準備運転を継続する。一方、燃料電池４４の出力電力が第１の電力量（３００Ｗ）を越えると、制御装置１９は、ステップＳ１１０にて「ＹＥＳ」と判定し、ステップＳ１１２において、自立準備運転を終了する。ステップＳ１１０において、電流センサ１１ａ１によって検出された出力電流に一定である出力電圧を乗算することで出力電力を演算するようにしてもよく、出力電力を第１の電力量に相当する第1電流値と比較するようにしてもよい。また、燃料電池４４の出力電力を電力計により直接測定するようにしてもよい。なお、出力電力の演算に電流センサ１１ａ１の検出値を用いる場合、燃料電池４４の電圧を用い、補機１０ｂと電力変換装置１１ｂの変換効率分を減算する。

制御装置１９は、ステップＳ１１２において、自立準備運転を完了し、燃料電池４４が一定の出力電力（例えば３００Ｗ）となるように制御する。また、制御装置１９は、第２開閉器１７ａ１を開路から閉路へと切り替えて、燃料電池４４の出力電力を自立用出力端子１６からのみ出力可能とする。このとき、制御装置１９は、図６に示すサブルーチンのフローチャートに沿ったプログラムを所定の短時間毎に繰り返し実行する。

制御装置１９は、ステップＳ２４２において、電力センサ１７ａ２から第２負荷装置１８の消費電力を取得する。制御装置１９は、ステップＳ２４４において、燃料電池４４の一定の出力電力（３００Ｗ）から第２負荷装置１８の消費電力を減算して、燃料電池４４の余剰電力を導出する。そして、制御装置１９は、ステップＳ２４６において、余剰電力と同じ電力にて消費するように可変負荷装置Ｌの消費電力を調整する。すなわち、制御装置１９は、燃料電池４４の出力電力のうち余剰電力が生じる場合には、可変負荷装置Ｌの消費電力を調整して前記余剰電力を消費させて、出力電力が一定の出力電力（上述した第１の電力量または後述する第２の電力量）に一定となるように制御する（余剰電力調整部）。

制御装置１９は、第２負荷装置１８の消費電力が第３の電力量（５０Ｗ）に到達するまでは、ステップＳ１１４にて「ＮＯ」の判定を繰り返し、上述した第１の電力量にて一定の出力電力での燃料電池４４の発電を継続する。一方、第２負荷装置１８の消費電力が第３の電力量（５０Ｗ）を越えると、制御装置１９は、ステップＳ１１４にて「ＹＥＳ」と判定し、ステップＳ１１６において、出力電力の上限の増大を開始する。

第３の電力量は、後述する第２の電力量と第１の電力量との差分である。第１の電力量は、上述したように、可変負荷装置Ｌの最大消費電力に相当する電力量（本実施形態では３００Ｗ）である。第２の電力量は、第１の電力量より大きい値であり、燃料電池４４の自立発電運転中における最大出力電力（例えば３５０Ｗ）である。
制御装置１９は、ステップＳ１１４において、電力センサ１７ａ２によって検出された第２負荷装置１８の消費電力が第３の電力量より大きいか否かを判定している。

制御装置１９は、ステップＳ１１６において、基本的には上述したステップＳ１０８と同様な処理を行う。
制御装置１９は、上述したステップＳ２０２と同様に、前記自立準備運転が完了した後の自立発電運転中において、燃料電池４４の出力電力を、第１の電力量を超えて第２の電力量まで増大させるときには、自立発電運転中にのみ出力電力が供給される第２負荷装置１８（自立運転時負荷装置）と可変負荷装置Ｌとの総消費電力を第２の所定速度で上昇させるように可変負荷装置Ｌを制御する（第２の可変負荷装置制御部）。

具体的には、制御装置１９は、電力センサ１７ａ２から第２負荷装置１８の消費電力を取得し、第２負荷装置１８の消費電力の時間変化と第２の所定速度との差分を算出し、その差分を可変負荷装置Ｌで調整する。なお、第２の所定速度は、第１の所定速度と同様に設定されるものであり、第１の所定速度と同一でもよく、早くても遅くてもよい。

制御装置１９は、上述したステップＳ２０４と同様に、電流センサ１１ａ１によって検出された出力電流値に、前記第２の可変負荷装置制御部によって制御される前記総消費電力の上昇分（前記第２の所定速度）に相当するオフセット値α（基準オフセット値α０）を加えて得た値と、原燃料の投入量と燃料電池の出力電流との関係を示すマップ（図７）または関係式と、から原料ポンプ５２ａ（原燃料供給装置）によって供給される原燃料投入量Ａを導出する（第２の原燃料投入量導出部）。
なお、改質蒸気および反応空気の各投入量も、原燃料の投入量と同様に、導出すればよい。このとき、改質蒸気および反応空気の各投入量は、図７に相当する各マップを使用すればよい。
制御装置１９は、上述したステップＳ２０６と同様に、前記第２の原燃料投入量導出部にて導出した原燃料投入量Ａとなるように原料ポンプ５２ａを制御する。

制御装置１９は、燃料電池４４の出力電力が第２の電力量（３５０Ｗ）に到達するまでは、ステップＳ１１８にて「ＮＯ」の判定を繰り返し、上述した出力電力の増大制御を継続する。一方、燃料電池４４の出力電力が第２の電力量（３５０Ｗ）を越えると、制御装置１９は、ステップＳ１１８にて「ＹＥＳ」と判定し、ステップＳ１２０において、自立定常発電運転を開始する。なお、ステップＳ１１８においては、ステップＳ１１０の処理と同様に、出力電力を検出したり演算したりすればよい。
制御装置１９は、ステップＳ１２０において、出力電力の増大制御を完了し、燃料電池４４が一定の出力電力（例えば３５０Ｗ）となるように制御し、自立定常発電を開始する。自立定常発電は、燃料電池４４の自立発電運転中における最大出力電力にて発電することである。
なお、制御装置１９は、第２負荷装置１８の消費電力量が減少すると、燃料電池４４の出力電力を第２の電力量から第１の電力量に切り替える。

制御装置１９は、自立定常発電中において、系統電源３０の復電を検出するまでは、ステップＳ１２２にて「ＮＯ」の判定を繰り返し、上述した自立定常発電を継続する。一方、系統電源３０の復電を検出すると、制御装置１９は、ステップＳ１２２にて「ＹＥＳ」と判定し、ステップＳ１２４において、自立発電運転を終了し、ステップＳ１２６において、上述した通常発電運転を開始する。ステップＳ１２２において、電圧センサ１００ａによって検出された系統電源３０の電圧が所定電圧以上（例えば定格の９／１０以上）である場合は、系統電源３０は復電したと判定される。なお、ステップＳ１１４，１１８においても、ステップＳ１２２と同様に復電の検出を行っており、復電が検出されると、自立発電運転を終了し通常発電運転を開始する。

また、制御装置１９は、上述した図５に示すサブルーチンに代えて、図９に示すサブルーチンのフローチャートに沿ったプログラムを実行するようにしてもよい。この図９に示すサブルーチンにおいては、基準オフセット値α０を、燃料電池モジュール４０の温度および燃料電池４４の積算運転時間の少なくとも何れか一方に基づいて補正して得た、補正オフセット値α１を用いている。

具体的には、図５に示すステップＳ２１４とステップＳ２１６との間に、ステップＳ２２２〜ステップＳ２３０までの処理を行う。
ステップＳ２２２において、制御装置１９は、温度センサ４１ｂによって検出（その後記憶）された燃料電池モジュール４０内の温度であって停電発生時点（または自立運転開始時点）の温度を取得する。燃料電池モジュール４０内の温度に代えて燃料電池４４の温度を温度センサ４４ｄから取得するようにしてもよい。

ステップＳ２２４において、制御装置１９は、予め記憶している燃料電池モジュール４０内の温度と温度補正値との相関を示すマップ（図１０）と、ステップＳ２２２にて取得した温度とから、温度補正値β１を演算する。具体的には、図１０を用いて取得した温度と基準温度Ｔｎとの差分に応じた温度補正値β１を演算する。例えば、取得した温度が基準温度ＴｎよりΔＴだけ高いＴn+1であるときは、温度補正値は＋β１ａであり、取得した温度が基準温度ＴｎよりΔＴだけ低いＴn-1であるときは、温度補正値は−β１ａである。基準温度Ｔｎは、基準オフセット値α０に対応する温度である。

図１０に示すマップは、図１１に示す燃料電池４４の内部抵抗と燃料電池モジュール４０内の温度との関係であるマップから算出できる。燃料電池４４の内部抵抗と燃料電池モジュール４０内の温度とは、燃料電池モジュール４０内の温度が高くなるほど内部抵抗が小さくなる逆比例の関係にある。例えば、基準温度Ｔｎのとき基準抵抗値ｒｎであり、温度Ｔn-1のとき基準抵抗値ｒｎより大きい抵抗ｒn+1であり、温度Ｔn+1のとき基準抵抗値ｒｎより小さい抵抗ｒn-1である。

ステップＳ２２６において、制御装置１９は、燃料電池４４の積算運転時間を演算する。具体的には、燃料電池システムを設置した時点から現時点までの運転時間を積算する。
ステップＳ２２８において、制御装置１９は、予め記憶している燃料電池４４の積算運転時間と温度補正値との相関を示すマップ（図１２）と、ステップＳ２２６にて演算した積算運転時間とから、温度補正値β２を演算する。具体的には、図１２を用いて積算運転時間に応じた運転時間補正値β２を演算する。例えば、積算運転時間がＴＭnであるときは、運転時間補正値はβ２ｂであり、積算運転時間がＴＭnより長いＴＭn+1であるときは、運転時間補正値はβ２ａ（β２ｂより小さい）である。基準オフセット値α０に対応する積算運転時間は０時間である。

図１２に示すマップは、図１３に示す燃料電池４４の内部抵抗と積算運転時間との関係であるマップから算出できる。燃料電池４４の内部抵抗と積算運転時間とは、積算運転時間が長くなるほど内部抵抗が大きくなる正比例の関係にある。例えば、積算運転時間が０であるとき基準抵抗値であり、ＴＭnであるとき抵抗値ｒｎであり、ＴＭn+1であるとき抵抗値ｒｎ+1である。

そして、制御装置１９は、ステップＳ２３０において、基準オフセット値α０を温度補正値β１および運転時間補正値β２により補正して補正オフセット値α１を演算する。そして、ステップＳ２１６において、ステップＳ２１２にて取得した出力電流値Ｉに、ステップＳ２３０にて演算した補正オフセット値α１を加算する。

さらに、上述した制御による燃料電池システムの作動の一例を図１４を参照して説明する。燃料電池４４の出力電力を実線で示し、第２負荷装置１８の消費電力を網掛け部分で示す。時刻ｔ１から自立発電運転が開始される。時刻ｔ１から燃料電池４４の出力電力が第1の電力量（３００Ｗ）に到達するまで（時刻ｔ２）の間においては、上述したように自立準備運転が行われる。

具体的には、可変負荷装置Ｌの消費電力を第１の所定速度で上昇させるように可変負荷装置Ｌを制御する。電流センサ１１ａ１によって検出された出力電流値に、可変負荷装置Ｌの消費電力の上昇分（前記第１の所定速度）に相当するオフセット値α（基準オフセット値α０）を加えて得た値と、原燃料の投入量と燃料電池４４の出力電流との関係を示すマップまたは関係式と、から原料ポンプ５２ａによって供給される原燃料投入量Ａを導出する。そして、原燃料投入量Ａ１となるように原料ポンプ５２ａを制御する。
このように、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間においては、可変負荷装置Ｌによってのみ、燃料電池４４の出力電力が消費される。

そして、時刻ｔ２に、自立準備運転が終了するとともに、自立用出力端子から燃料電池４４からの出力が開始される。この時刻ｔ２から第２負荷装置１８の消費電力が５０Ｗを越える時刻ｔ３までの間においては、燃料電池４４の出力電力が第１の電力量に一定となるように制御される。燃料電池４４の出力電力の余剰電力、すなわち燃料電池４４の出力電力から第２負荷装置１８の消費電力を差し引いた電力を可変負荷装置Ｌで消費するように可変負荷装置Ｌの消費電力を調整する。

第２負荷装置１８の消費電力が５０Ｗを越えると（時刻ｔ３）、燃料電池４４の出力電力の増大を開始する。時刻ｔ３から燃料電池４４の出力電力が第２の電力量（３５０Ｗ）に到達するまで（時刻ｔ４）の間においては、上述したように燃料電池４４の出力電力の増大が行われる。

具体的には、第２負荷装置１８と可変負荷装置Ｌとの総消費電力を第２の所定速度で上昇させるように可変負荷装置Ｌを制御する。電流センサ１１ａ１によって検出された出力電流値に、第２負荷装置１８と可変負荷装置Ｌとの総消費電力の上昇分（前記第２の所定速度）に相当するオフセット値α（基準オフセット値α０）を加えて得た値と、原燃料の投入量と燃料電池４４の出力電流との関係を示すマップまたは関係式と、から原料ポンプ５２ａによって供給される原燃料投入量Ａを導出する。そして、原燃料投入量Ａ１となるように原料ポンプ５２ａを制御する。
このように、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間においては、第２負荷装置１８と可変負荷装置Ｌによって、燃料電池４４の出力電力が消費される。

時刻ｔ５に、第２負荷装置１８の消費電力が増大すると、燃料電池４４の出力電力の余剰電力、すなわち燃料電池４４の出力電力から第２負荷装置１８の消費電力を差し引いた電力を可変負荷装置Ｌで消費するように可変負荷装置Ｌの消費電力を調整する。

本実施形態によれば、制御装置１９（第１の可変負荷装置制御部）が、自立発電運転中であって、燃料電池４４の出力電力が可変負荷装置Ｌの最大消費電力に相当する第１の電力量となるまでの間の運転である自立準備運転中においては、可変負荷装置Ｌの消費電力を第１の所定速度で上昇させるように可変負荷装置Ｌを制御する（ステップＳ２０２）。制御装置１９（第１の原燃料投入量導出部）が、電流センサ１１ａ１によって検出された出力電流値に、第１の可変負荷装置制御部によって制御される可変負荷装置Ｌの消費電力の上昇分に相当するオフセット値αを加えて得た値と、原燃料の投入量と燃料電池４４の出力電流との関係を示すマップまたは関係式と、から原料ポンプ５２ａ（原燃料供給装置）によって供給される原燃料投入量を導出する（ステップＳ２０４）。そして、第１の原燃料供給制御部が、原燃料の供給量が、第１の原燃料投入量導出部によって導出された原燃料投入量となるように原料ポンプ５２ａ（原燃料供給装置）を制御する。これにより、自立準備運転中において、燃料電池４４の出力電力の消費先である可変負荷装置Ｌを所定速度で上昇させるとともに、可変負荷装置Ｌの消費電力の上昇分に相当する上昇率にて燃料電池４４が出力電流ひいては出力電力を発生できるように原燃料を投入することできる。よって、自立発電運転中、必要な消費電力に対して燃料電池４４の出力電力をできるだけ過不足なく供給することができる。また、燃料電池４４の劣化を防止することができるとともに、ロバスト性を確保することができる。また、初めから原燃料を多量に投入することによる熱暴走を抑制することができる。

また、制御装置１９は、自立準備運転が完了した後の自立発電運転中において、燃料電池４４の出力電力を第１の電力量を超えて第２の電力量まで増大させるときには、自立発電運転中にのみ出力電力が供給される第２負荷装置１８（自立運転時負荷装置）と可変負荷装置Ｌとの総消費電力を第２の所定速度で上昇させるように可変負荷装置Ｌを制御する第２の可変負荷装置制御部と、電流センサ１１ａ１によって検出された出力電流値に、第２の可変負荷装置制御部によって制御される総消費電力の上昇分に相当するオフセット値αを加えて得た値と、原燃料の投入量と燃料電池４４の出力電流との関係を示すマップまたは関係式と、から原料ポンプ５２ａ（原燃料供給装置）によって供給される原燃料投入量を導出する第２の原燃料投入量導出部と、原燃料の供給量が、第２の原燃料投入量導出部によって導出された原燃料投入量となるように原料ポンプ５２ａ（原燃料供給装置）を制御する第２の原燃料供給制御部と、を備えている。これにより、自立準備運転完了後の自立発電運転中においても、燃料電池４４の出力電力の消費先である可変負荷装置Ｌを所定速度で上昇させるとともに、可変負荷装置Ｌの消費電力の上昇分に相当する上昇率にて燃料電池４４が出力電流ひいては出力電力を発生できるように原燃料を投入することできる。よって、自立発電運転中、必要な消費電力に対して燃料電池４４の出力電力をできるだけ過不足なく供給することができる。

また、制御装置１９は、燃料電池４４の出力電力のうち余剰電力が生じる場合には、可変負荷装置Ｌの消費電力を調整して余剰電力を消費させて、出力電力が第１の電力量または第２の電力量に一定となるように制御する余剰電力調整部（ステップＳ２４６）を、さらに備えている。これにより、自立発電運転中、必要な消費電力に対して燃料電池４４の出力電力をより確実に過不足なく供給することができる。

また、制御装置１９は、オフセット値を、燃料電池４４の積算運転時間が長いほど大きくなるように補正する第１のオフセット設定部（ステップＳ２２６−２３０）を、さらに備えている。これにより、燃料電池４４の積算運転時間の長さに応じて、燃料電池４４の出力電力の消費先である可変負荷装置Ｌを所定速度で上昇させることができ、ひいてはその可変負荷装置Ｌの消費電力の上昇分に相当する上昇率にて燃料電池４４が出力電流ひいては出力電力を発生できるように原燃料を投入することできる。

また、原燃料と改質用水蒸気とから燃料を生成する改質部４３と、燃料電池４４と改質部４３とを少なくとも収容する断熱性を有する筐体４１と、筐体４１内の温度を検出する温度センサ４１ｂと、をさらに備え、制御装置１９は、オフセット値を、温度センサ４１ｂによって検出される筐体４１内の温度が低いほど大きくなるように補正する第２のオフセット設定部（ステップＳ２２２，２２４，２３０）を、さらに備えている。これにより、燃料電池４４と改質部４３とを少なくとも収容する断熱性を有する筐体４１の温度（ひいては相関関係にある燃料電池４４の温度）に応じて、燃料電池４４の出力電力の消費先である可変負荷装置Ｌを所定速度で上昇させることができ、ひいてはその可変負荷装置Ｌの消費電力の上昇分に相当する上昇率にて燃料電池が出力電流ひいては出力電力を発生できるように原燃料を投入することできる。

なお、上述した実施形態においては、燃料電池４４の出力電圧を一定としたが、燃料電池４４の電流−電圧特性を用いて制御するようにしてもよい。燃料電池４４の電流−電圧特性は、電流が大きくなるほど電圧が小さくなる関係である。これによれば、より精度よく電流を算出し、より精度よく原燃料投入量を制御することができる。

また、上述した実施形態においては、原燃料の投入量を導出するようにしたが、原燃料の投入量と同様に、改質水の投入量、酸化剤ガスの投入量を導出し、その供給量を制御するようにしてもよい。原燃料の投入量は、改質水の投入量、酸化剤ガスの投入量とよい相関があるからである。これによれば、改質水投入量および酸化剤ガス投入量も、原燃料投入量と同様に、自立発電運転中、必要な消費電力に対して燃料電池４４の出力電力をできるだけ過不足なく供給することができる。また、燃料電池４４の劣化を防止することができるとともに、ロバスト性を確保することができる。

また、上述した実施形態における燃料電池４４は固体酸化物燃料電池であったが、本発明を高分子電解質形燃料電池に適用するようにしても良い。この場合、発電機１１ａは、図１５に示すように、主として燃料電池７１ａおよび改質器７１ｂから構成されている。
燃料電池７１ａは、燃料ガス（水素ガス）および酸化剤ガス（酸素を含む空気）が供給されて水素と酸素の化学反応により発電して直流電流（例えば４０Ｖ）を出力するものである。
改質器７１ｂは、燃料（改質用燃料）を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを燃料電池７１ａに供給するものであり、バーナ（燃焼部）７１ｂ１、改質部７１ｂ２、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）７１ｂ３および一酸化炭素選択酸化反応部（以下、ＣＯ選択酸化部という）７１ｂ４から構成されている。燃料としては、天然ガス、ＬＰＧ、灯油、ガソリンおよびメタノールなどがある。
バーナ７１ｂ１は、起動運転時に外部から燃焼用燃料および燃焼用空気が供給され、または定常運転時に燃料電池７１ａの燃料極からアノードオフガス（燃料電池７１ａに供給されずに排出された改質ガス）が供給され、供給された各可燃性ガスを燃焼して燃焼ガスを改質部７１ｂ２に導出するものである。

改質部７１ｂ２は、外部から供給された燃料に蒸発器からの水蒸気（改質水）を混合した混合ガスを改質部７１ｂ２に充填された触媒により改質して水素ガスと一酸化炭素ガスを生成している（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気を水素ガスと二酸化炭素とに変成している（いわゆる一酸化炭素シフト反応）。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）はＣＯシフト部７１ｂ３に導出される。
ＣＯシフト部７１ｂ３は、この改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気をその内部に充填された触媒により反応させて水素ガスと二酸化炭素とに変成している。これにより改質ガスは一酸化炭素濃度が低減されてＣＯ選択酸化部７１ｂ４に導出される。
ＣＯ選択酸化部７１ｂ４は、改質ガスに残留している一酸化炭素と外部からさらに供給されたＣＯ浄化用の空気とをその内部に充填された触媒により反応させて二酸化炭素を生成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）燃料電池７１ａの燃料極に導出される。

さらに、本発明による燃料電池システムの他の実施形態として、自立用出力端子１６が省略されている実施形態も考えられる。この場合、系統電源３０の送電がある場合または停電の場合であっても常に第２負荷装置１８が第２開閉器１７ａ１に直接接続されている。系統電源３０からの送電があるときは、第２開閉器１７ａ１を開路とするため、第２負荷装置１８には電力供給はされない。一方、停電の場合における自立発電運転中には、第２開閉器１７ａ１を閉路とするため、使用者によらず、自動的に第２負荷装置１８へ発電機１１ａからの電力のみが供給されることになる。

１０…発電ユニット、１１…発電装置、１１ａ…発電機、４１…筺体、４１ｂ…温度センサ、４３…改質部、４４…燃料電池、１１ｂ…電力変換装置、１１ｂ１…電流センサ、１４…送電線、１４ｃ…第１開閉器、１５…第１負荷装置、１７ａ…送電線、１７ａ１…第２開閉器、１８…第２負荷装置、１９…燃料電池制御装置（第１および第２の負荷装置制御部、第１および第２の原燃料投入量導出部、第１および第２の原燃料供給制御部、余剰電力調整部、第１および第２のオフセット補正部）、２０…貯湯ユニット、２１…貯湯槽、２２…貯湯槽制御装置、２４…湯水循環回路、２５…熱交換器、２５ａ…ケーシング、２７…貯湯槽制御リモコン、３０…系統電源、３１…電源ライン、３１ａ…電流センサ、４６ａ１，４６ａ２…着火ヒータ、４８ｂ…燃焼触媒ヒータ、１００ａ…電圧センサ、Ｌ…可変負荷装置。

Claims

燃料と酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
前記燃料電池の出力電流を検出する電流センサと、
系統電源の送電が停止された場合であって前記系統電源と解列された前記燃料電池を発電させる自立発電運転中において、前記燃料電池からの出力電力のみが供給されて、消費電力が可変に制御できる可変負荷装置と、を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料の原料となる原燃料を前記燃料電池システムに供給する原燃料供給装置と、
前記燃料電池システムを制御する制御装置と、をさらに備え、
前記制御装置は、
前記自立発電運転中であって、前記燃料電池の出力電力が前記可変負荷装置の最大消費電力に相当する第１の電力量となるまでの間の運転である自立準備運転中においては、前記可変負荷装置の消費電力を第１の所定速度で上昇させるように前記可変負荷装置を制御する第１の可変負荷装置制御部と、
前記電流センサによって検出された出力電流値に、前記第１の可変負荷装置制御部によって制御される前記可変負荷装置の消費電力の上昇分に相当するオフセット値を加えて得た値と、前記原燃料の投入量と前記燃料電池の出力電流との関係を示すマップまたは関係式と、から前記原燃料供給装置によって供給される原燃料投入量を導出する第１の原燃料投入量導出部と、
前記原燃料の供給量が、前記第１の原燃料投入量導出部によって導出された前記原燃料投入量となるように前記原燃料供給装置を制御する第１の原燃料供給制御部と、
前記自立準備運転が完了した後の自立発電運転中において、前記燃料電池の出力電力を前記第１の電力量を超えて第２の電力量まで増大させるときには、前記自立発電運転中にのみ前記出力電力が供給される自立運転時負荷装置と前記可変負荷装置との総消費電力を第２の所定速度で上昇させるように前記可変負荷装置を制御する第２の可変負荷装置制御部と、
前記電流センサによって検出された出力電流値に、前記第２の可変負荷装置制御部によって制御される前記総消費電力の上昇分に相当するオフセット値を加えて得た値と、前記原燃料の投入量と前記燃料電池の出力電流との関係を示すマップまたは関係式と、から前記原燃料供給装置によって供給される原燃料投入量を導出する第２の原燃料投入量導出部と、
前記原燃料の供給量が、前記第２の原燃料投入量導出部によって導出された前記原燃料投入量となるように前記原燃料供給装置を制御する第２の原燃料供給制御部と、
を備えた燃料電池システム。
前記制御装置は、前記燃料電池の出力電力のうち余剰電力が生じる場合には、前記可変負荷装置の消費電力を調整して前記余剰電力を消費させて、前記出力電力が前記第１の電力量または前記第２の電力量に一定となるように制御する余剰電力調整部を、さらに備えた請求項１の燃料電池システム。
前記制御装置は、前記オフセット値を、前記燃料電池の積算運転時間が長いほど大きくなるように補正する第１のオフセット設定部を、さらに備えた請求項１または請求項２の燃料電池システム。
前記原燃料と改質用水蒸気とから前記燃料を生成する改質部と、
前記燃料電池と前記改質部とを少なくとも収容する断熱性を有する筐体と、
前記筐体内の温度を検出する温度センサと、
をさらに備え、
前記制御装置は、前記オフセット値を、前記温度センサによって検出される筐体内の温度が低いほど大きくなるように補正する第２のオフセット設定部を、さらに備えた請求項１ないし請求項３の何れか一項の燃料電池システム。