JP7335747B2

JP7335747B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP7335747B2
Application number: JP2019134596A
Authority: JP
Inventors: 駿介木村; 英樹吉田
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2019-07-22
Filing date: 2019-07-22
Publication date: 2023-08-30
Anticipated expiration: 2039-07-22
Also published as: JP2021018944A

Description

本発明は、ガスにより発電を行う燃料電池システムに関するものである。

系統電力との連系が停止した場合、自立運転を行うことができる燃料電池システムがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４－０１１０５７号公報

従来、燃料電池システムは、燃料電池から排出された熱を用いて上水を温めて出湯する機能を有している。また、燃料電池システムは、系統電力との連系が停止された場合（停電の場合）に、自立運転に切り替えられる。自立運転の場合に、燃料電池で発電された電力の一部は、燃料電池システムの補機（例えば、ポンプ等）を稼動させるために使用され、燃料電池で発電された電力の他の一部は、ユーザによって使用される。つまり、補機の消費電力が多いと、ユーザが使用できる電力が制限される。

本発明の課題は、上水を温めるために燃料電池の排熱を優先して利用するモードで燃料電池システムの補機が常に制御されている場合と比して、補機の消費電力を抑制することが出来る燃料電池システムを得ることである。

第１態様に係る燃料電池システムは、電力を生成し、熱を排出する燃料電池と、前記燃料電池から排出された熱を用いて上水を温める加熱部と、前記加熱部から送られた上水を温めて出湯することができる熱源機と、前記加熱部で前記燃料電池の排熱を利用して上水を温めるために用いる第一補機と、前記熱源機で上水を温めるのに用いる第二補機と、前記第一補機、及び前記第二補機の少なくとも一方を制御し、上水を温めるために前記燃料電池の排熱を優先して利用する第一運転モードと、前記第一運転モードに比して前記第一補機の消費電力と前記第二補機の消費電力との合計の消費電力の少ない第二運転モードとで、前記第一補機及び前記第二補機を運転する制御装置と、を備えることを特徴とする。

この構成によると、加熱部は、燃料電池から排出された熱を用いて上水を温める。さらに、熱源機は、必要に応じて、加熱部で温められた上水を更に温めて出湯する。この湯は、ユーザによって使用される。また、第一補機は、加熱部で燃料電池の排熱を利用して上水を温めるために用いられ、第二補機は、熱源機で上水を更に温めるのに用いられる。

ここで、制御装置は、第一補機、及び第二補機の少なくとも一方を制御し、上水を温めるために燃料電池の排熱を優先する第一運転モードと、第一運転モードに比して第一補機の消費電力と第二補機の消費電力との合計の消費電力の少ない第二運転モードとで、第一補機及び第二補機を運転する。

このように、制御装置が、第一運転モードと第二運転モードとで、第一補機及び第二補機を運転することで、上水を温めるために燃料電池の排熱を優先して利用するモードで燃料電池システムの補機が常に制御されている場合と比して、補機の消費電力を抑制することが出来る。

第２態様に係る燃料電池システムは、第１に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記第二運転モードでは、前記第一補機の消費電力と前記第二補機の消費電力との合計の消費電力が最小となるように、前記第一補機及び前記第二補機の少なくとも一方を運転することを特徴とする。

この構成によると、制御装置は、第二運転モードでは、第一補機の消費電力と第二補機の消費電力との合計の消費電力が最小となるように、第一補機及び第二補機を運転する。これにより、第一補機の消費電力と第二補機の消費電力との合計の消費電力が最小とならない場合と比して、燃料電池によって生成された電力が第一補機及び第二補機によって消費されるのを抑制することができる。

第３態様に係る燃料電池システムは、第１又は第２態様に記載の燃料電池システムにおいて、系統電力と連系している場合に、前記制御装置は、前記第一運転モードで前記第一補機及び前記第二補機を運転し、前記系統電力との連系が停止して自立運転に切り替わると、前記制御装置は、前記第一運転モードから前記第二運転モードに切り替えることを特徴とする。

この構成によると、系統電力との連系が停止して自立運転に切り替わると、制御装置は、第一運転モードから第二運転モードに切り替える。このため、上水を温めるために燃料電池の排熱を優先して利用するモードで補機が常に制御されている場合と比して、ユーザが使用する電力が制限されるのを抑制することができる。

本態様では、上水を温めるために燃料電池の排熱を優先して利用するモードで燃料電池システムの補機が常に制御されている場合と比して、補機の消費電力を抑制することが出来る燃料電池システムを得ることができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムを示した概略構成図である。本発明の実施形態に係る燃料電池システムに備えられた燃料電池モジュールを示した概略構成図である。本発明の実施形態に係る燃料電池システムに備えられた制御装置の制御系を示したブロック図である。本発明の実施形態に係る燃料電池システムに接続された分電盤を示した概略構成図である。本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおいて通常時に送出ポンプ及び循環ポンプを制御する工程を示したフロー図である。本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおいて停電時に送出ポンプ及び循環ポンプを制御する工程を示したフロー図である。本発明の実施形態に係る燃料電池システムに備えられた送出ポンプ及び循環ポンプにおいて、上水の上昇温度と消費電力との関係をグラフで示した図面である。

本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０を図１～図７にしたがって説明する。本実施形態の燃料電池システム１０は、一例として住宅に用いられるものである。

燃料電池システム１０は、図１に示されるように、燃料電池ユニット１２（以下「電池ユニット１２）」）、及び電池ユニット１２とは別体とされたバックアップ熱源機ユニット１４（以下「熱源機ユニット１４）」）の２個のユニットで構成されている。さらに、燃料電池システム１０は、燃料電池システム１０に設けられた各種電装部品の制御を行う制御装置７０を備えている。この電池ユニット１２、及び熱源機ユニット１４は、一例として、屋外のコンクリート等で形成された基礎の上、又はベランダ等に設置することができる。

（電池ユニット１２の構成）
電池ユニット１２の筐体１６の内部には、発電を行うと共に排ガスを排出する発電部１７、及び排ガスの熱を回収して上水を加熱する熱回収部１９が設けられている。熱回収部１９は、加熱部の一例である。

〔発電部１７の構成〕
発電部１７は、都市ガス、空気（酸素）及び蒸留水が供給されて発電を行う燃料電池モジュール１８（以下「電池モジュール１８」）を備えている。さらに、発電部１７は、都市ガスを電池モジュール１８へ供給するための燃料ガス管２０と、燃料ガス管２０の中間部に設けられ都市ガス中に含まれる硫黄化合物を除去する脱硫器２２とを備えている。さらに、発電部１７は、蒸留水を電池モジュール１８へ供給するための供給管２６と、供給管２６の中間部に設けられ、蒸留水を電池モジュール１８側へ送り出すポンプ４０とを備えている。

また、発電部１７は、電池モジュール１８で発電された電力を外部へ送電する配線６６と、配線６６の中間部に設けられ、直流電力を交流電力に変換するインバータ６８とを備えている。さらに、発電部１７は、酸化ガス（筐体１６の外部の空気）を電池モジュール１８へ供給するための酸化ガス管８８と、酸化ガス管８８の中間部に設けられ、酸化ガスを電池モジュール１８側へ送り出す空気ブロワ８６とを備えている。

また、発電部１７は、電池モジュール１８から排出された排出ガスを、熱回収部１９へ送るための第一排ガス管３２を備えている。

－電池モジュール１８の構成－
次に、発電部１７に備えられた電池モジュール１８について具体的に説明する。電池モジュール１８の筐体７１の内部には、図２に示されるように、改質触媒７２と、バーナ７４と、燃料電池スタック７６と、が設けられている。電池モジュール１８は、燃料電池の一例である。

改質触媒７２は、燃料ガス管２０と接続されている。この改質触媒７２には、脱硫器２２によって硫黄化合物が吸着除去された都市ガスが燃料ガス管２０を通じて供給される。この改質触媒７２は、供給された都市ガス（原料ガス）を、供給管２６を通じて供給された蒸留水を利用して水蒸気改質する。

バーナ７４には、後述するスタック排ガス管８０が接続されている。このバーナ７４は、スタック排ガス管８０を通じて供給されたバーナガス（未反応の水素ガスを含むスタック排ガス）を燃焼し、改質触媒７２を加熱する。そして、この改質触媒７２では、脱硫器２２から供給された都市ガス（原料ガス）から、水素ガスを含む燃料ガスが生成される。この燃料ガスは、燃料ガス管７５を通じて後述する燃料電池スタック７６の燃料極７８へ供給される。

燃料電池スタック７６は、固体酸化物形の燃料電池スタックであり、積層された複数の燃料電池セル８１（図２では１つのみ図示）を有している。各燃料電池セル８１は、電解質層８２と、この電解質層８２の表裏面にそれぞれ積層された燃料極７８及び空気極８４とを有している。

空気極８４（カソード極）には、空気ブロワ８６が設けられた酸化ガス管８８を通じて酸化ガス（筐体１６の外部の空気）が供給される。この空気極８４では、下記式（１）で示されるように、酸化ガス中の酸素と後述する燃料極７８で生成された電子とが反応して酸素イオンが生成される。この酸素イオンは、電解質層８２を通って燃料極７８に到達する。

（空気極反応）
１／２Ｏ_２＋２ｅ^－ →Ｏ^２－・・・（１）

一方、燃料極７８では、下記式（２）及び式（３）で示されるように、電解質層８２を通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水（水蒸気）及び二酸化炭素と、電子が生成される。燃料極７８で生成された電子は、外部回路を通って空気極８４に到達する。そして、このようにして電子が燃料極７８から空気極８４に移動することにより、各燃料電池セル８１において発電される。また、各燃料電池セル８１は、発電時に上記反応に伴って発熱する。

（燃料極反応）
Ｈ_２＋Ｏ^２－ →Ｈ_２Ｏ＋２ｅ^－・・・（２）
ＣＯ＋Ｏ^２－ →ＣＯ_２＋２ｅ^－・・・（３）

燃料電池スタック７６に接続されたスタック排ガス管８０の上流側は、燃料極排ガス管９０及び空気極排ガス管９２に分岐されており、この燃料極排ガス管９０及び空気極排ガス管９２は、燃料極７８及び空気極８４にそれぞれ接続されている。燃料極７８から排出された燃料極排ガスと、空気極８４から排出された空気極排ガスとは、燃料極排ガス管９０及び空気極排ガス管９２を通じて排出されると共に、スタック排ガス管８０内にて混合されてスタック排ガスとされる。このスタック排ガスは、燃料極排ガスに含まれる未反応の水素ガスを含んでおり、前述の通り、バーナ７４にバーナガスとして供給される。なお、このバーナ７４には、排ガス（「バーナ排ガス」）を熱回収部１９へ排出する第一排ガス管３２が接続されている。

〔熱回収部１９の構成〕
熱回収部１９は、図１に示されるように、第一排ガス管３２が接続されている排気熱交換器３１と、排気熱交換器３１を通過した排ガスを筐体１６の外部へ排出するための第二排ガス管３４とを備えている。さらに、熱回収部１９は、筐体１６の外部から排気熱交換器３１へ上水を供給するための配管５２を備えている。

また、熱回収部１９は、配管５２を流れる上水の温度を検知する温度センサ５８と、配管５２の中間部から分岐された分岐配管５４と、排気熱交換器３１を通過することで温められた上水を排出する配管４２と、排気熱交換器３１から排出された温められた上水が貯留される蓄熱槽４４とを備えている。さらに、熱回収部１９は、蓄熱槽４４に貯留された温められた上水を供給するための配管５６と、配管５６に設けられた送出ポンプ５０と、配管５６から供給された温められた上水と分岐配管５４から供給された冷たい上水とを混合する混合弁６２と、を備えている。また、熱回収部１９は、蓄熱槽４４に貯留された温められた上水の熱量Ｑを検知する熱量計３７を備えている。送出ポンプ５０は、第一補機の一例である。なお、熱量計３７は、蓄熱槽４４に貯留された上水の水量を検知する検知部と、蓄熱槽４４に貯留された上水の温度を検知する検知部とを備えており、この水量と温度から熱量Ｑを検知するようになっている。

さらに、熱回収部１９は、混合弁６２から筐体１６の外部へ上水を排出する配管６４と、配管６４の途中に配置され、筐体１６の外部へ排出される上水の温度（＝Ｔｃ）を検知する温度センサ６０と、を備えている。

（熱源機ユニット１４の構成）
図１に示す熱源機ユニット１４は、電池ユニット１２から供給される温められた上水を更に加熱して出湯することができる潜熱回収型の熱源機である。

熱源機ユニット１４は、筐体９３と、上水を加熱するための熱交換器９４と、電池ユニット１２からの上水を熱交換器９４へ供給する配管９６と、熱交換器９４から上水を筐体９３の外部へ出湯する配管９８と、配管９８の途中に配置され、出湯される上水の温度を検知する温度センサ１１０とを備えている。

さらに、熱源機ユニット１４は、熱交換器９４から排出された上水を熱交換器９４へ戻す配管１０６と、配管１０６の途中に配置され、配管１０６によって上水を循環させる循環ポンプ１１２と、配管１０６を流れる上水を加熱するバーナ１００とを備えている。また、熱源機ユニット１４は、ユーザが図示せぬ蛇口を開放して出湯要求をしたときに、熱源機ユニット１４から出湯される上水の温度をユーザがリモコンで設定することができる設定部１２６を備えている。循環ポンプ１１２は、第二補機の一例である。

この構成において、熱源機ユニット１４は、電池ユニット１２から供給される上水の温度が低い場合に、電池ユニット１２から供給される温められた上水を更に温める。また、熱源機ユニット１４は、図示しない住宅の風呂の追い炊きをする場合に使用することもできる。

（制御装置７０）
制御装置７０は、図３に示されるように、例えば、インバータ６８からの電力が供給され、ポンプ４０、送出ポンプ５０、循環ポンプ１１２、及び混合弁６２等の制御を行う。

（その他）
図１に示されるように、電池ユニット１２の配管６４と熱源機ユニット１４の配管９６とを接続する接続配管１１４が設けられている。

（作用）
次に、本実施形態の燃料電池システム１０の動作について説明する。
燃料電池システム１０では、図２に示す改質触媒７２から燃料ガスが燃料電池スタック７６の燃料極７８へ供給されると共に、空気ブロワ８６が稼動して酸化ガス管８８から酸化ガスとしての空気が燃料電池スタック７６の空気極８４へ供給される。これにより、燃料電池スタック７６において燃料ガス及び酸化ガスが反応し発電する。

この発電に伴い燃料電池スタック７６からは、未反応の水素ガスを含むスタック排ガスが排出され、このスタック排ガスは、バーナガスとしてバーナ７４にて燃焼され、このバーナ７４からは、バーナ排ガスが排出される。このバーナ排ガスは、図１に示す第一排ガス管３２を通じて排気熱交換器３１へ供給される。排気熱交換器３１へ供給されたバーナ排ガスは、排気熱交換器３１を通過し、第二排ガス管３４を流れて筐体１６の外部に排出される。

また、排気熱交換器３１では、配管５２を流れて排気熱交換器３１へ供給された上水と、バーナ排ガスとの間で熱交換がなされる。筐体１６の外部から供給された上水は、排気熱交換器３１で温められ後、配管４２を流れる。さらに、配管４２を流れる温められた上水は、蓄熱槽４４に貯留される。ユーザが図示せぬ蛇口を開放して出湯要求をしたときに、送出ポンプ５０を稼動させることで、蓄熱槽４４に貯留された温められた上水が、配管５６を流れる。

混合弁６２は、配管５６を流れる上水に、筐体１６の外部から供給された冷たい上水を混合して排出することができ、また、温められた上水をそのまま排出することもできる。混合弁６２は、制御装置７０からの制御信号に基づいて、温められた上水と、外部の上水道から供給された冷たい上水との混合比を調整して排出する。

熱源機ユニット１４では、電池ユニット１２から供給される上水を更に温める場合に、制御装置７０が、バーナ１００、及び循環ポンプ１１２を制御する。そして、熱交換器９４で更に温められた上水が熱源機ユニット１４から出湯される。

一方、熱源機ユニット１４では、電池ユニット１２から供給される上水をそのまま出湯する場合に、制御装置７０が、バーナ１００、及び循環ポンプ１１２を停止する。そして、熱交換器９４で上水が温められることなく、上水が熱源機ユニット１４からそのまま出湯される。

（要部構成）
先ず、住宅内の家電や照明等に電力を供給するために設けられた分電盤３００について説明し、次に、熱源機ユニット１４の要部構成について説明する。

〔分電盤３００の構成〕
分電盤３００は、図４に示されるように、配線３３０を介し系統電力が供給される第一ブレーカ３０２と、配線６６を介して電池モジュール１８（図１参照）で発電された電力が供給される第二ブレーカ３１２とを備えている。さらに、分電盤３００は、家電や照明等に電力を分配する個別ブレーカ３０４を備えている。そして、この個別ブレーカ３０４へは、第一ブレーカ３０２から配線３１６を介して系統電力が供給され、第二ブレーカ３１２から配線３１８を介して電池モジュール１８で発電された電力が供給されるようになっている。

また、配線３１８には、切換部材３０８が設けられており、この切換部材３０８から分岐して、非常用コンセント３２０が、分電盤３００の外部に配置されている。さらに、個別ブレーカ３０４には、燃料電池システム１０の補機類に電力を供給するための配線３３２の一端が接続されている。

この構成において、燃料電池システム１０が系統電力と連系している場合には、切換部材３０８によって、第二ブレーカ３１２と個別ブレーカ３０４とが接続され、系統電力との連系が停止して自立運転に切り替わると、切換部材３０８によって、第二ブレーカ３１２と非常用コンセント３２０とが接続されるようになっている。

〔制御装置７０の要部構成〕
次に、制御装置７０の要部構成について説明する。具体的には、燃料電池システム１０が系統電力と連系している場合、及び系統電力との連系が停止して自立運転をしている場合における制御装置７０の構成について説明する。

系統電力と連系している場合には、燃料電池システム１０に対して、環境への負担を軽減するため、電池モジュール１８の排熱を最大限利用して（優先して利用して）、熱源機ユニット１４から出湯することが求められる。一方、自立運転をしている場合には、燃料電池システム１０に対して、燃料電池システム１０で消費される電力を抑えて、熱源機ユニット１４から出湯することが求められる。

系統電力と連系している場合には、前述したように、電池モジュール１８の排熱を最大限利用して、熱源機ユニット１４から出湯することが求められる。そこで、制御装置７０は、電池モジュール１８の排熱を最大限利用して送出ポンプ５０及び循環ポンプ１１２を稼動させる第一運転モードで、送出ポンプ５０及び循環ポンプ１１２を系統電力で運転する。

一方、自立運転をしている場合には、前述したように、燃料電池システム１０で消費される電力を抑えることが求められる。そこで、制御装置７０は、燃料電池システム１０で消費される電力を抑える第二運転モードで、送出ポンプ５０及び循環ポンプ１１２を電池モジュール１８によって発電された電力で運転する。

ここで、制御装置７０は、送出ポンプ５０の消費電力（回転数に比例）と、送出ポンプ５０の稼働によって熱回収部１９から供給することができる上水の上昇温度との関係、及び循環ポンプ１１２の消費電力（回転数に比例）と、循環ポンプ１１２の稼動によって熱交換器９４で熱交換することによる上水の上昇温度との関係を予め記憶している。

図７に示すグラフには、送出ポンプ５０の消費電力（回転数に比例）と、送出ポンプ５０の稼働によって熱回収部１９から供給することができる上水の上昇温度との関係が、実線Ｌ１で示されている。

また、図７に示すグラフには、循環ポンプ１１２の消費電力（回転数に比例）と、循環ポンプ１１２の稼動によって、熱交換器９４で熱交換することによる上水の上昇温度との関係が、破線Ｌ２で示されている。

この関係は、排気熱交換器３１へ供給される上水の温度Ｔｉｎ、出湯される湯の温度Ｔｏｕｔ、及び排気熱交換器３１へ排出されるバーナ排ガスの温度（＝Ｔｇｉｎ）が夫々一定である場合の一例を示している。実線Ｌ１と破線Ｌ２とは、二次曲線となっており、上昇温度軸を反転させて示している。

送出ポンプ５０の稼動のみで上水を温度Ｔｉｎから温度Ｔｏｕｔまで上昇させる場合は、送出ポンプ５０を最大回転数すなわち最大消費電力Ｐ１で稼働させる。また、循環ポンプ１１２の稼動のみで上水を温度Ｔｉｎから温度Ｔｏｕｔまで上昇させる場合は、循環ポンプ１１２を最大回転数すなわち最大消費電力Ｐ２で稼働させる。

一方、送出ポンプ５０と循環ポンプ１１２とを協業させて、上水を温度Ｔｉｎから温度Ｔｏｕｔまで上昇させる場合は、送出ポンプ５０の稼動により、温度Ｔｉｎから温度Ｔｃまで上昇させ、循環ポンプ１１２の稼動により上水を温度Ｔｃから温度Ｔｏｕｔまで上昇させる。

また、図７に示すグラフには、この場合の送出ポンプ５０の消費電力と循環ポンプ１１２の消費電力との合計の消費電力が、一点鎖線Ｌ３で示されている。この一点鎖線Ｌ３で示される合計の消費電力が、最小となる温度Ｔｃｍｉｎを求め、送出ポンプ５０の稼動により、上水を温度Ｔｉｎから温度Ｔｃｍｉｎまで上昇させ、循環ポンプ１１２の稼動により上水を温度Ｔｃｍｉｎから温度Ｔｏｕｔまで上昇させれば、送出ポンプ５０の消費電力と循環ポンプ１１２の消費電力との合計の消費電力は、最小となる。

なお、図７に示すグラフは、一例であり、送出ポンプ５０を最大消費電力で稼働させても、上水を温度Ｔｉｎから温度Ｔｏｕｔまで上昇させることができない場合や、送出ポンプ５０を最大消費電力で稼働させなくても、上水を温度Ｔｉｎから温度Ｔｏｕｔまで上昇させることができる場合がある。電池モジュール１８の排熱を最大限利用する第一運転モードには、送出ポンプ５０と循環ポンプ１１２とを協業させる場合が含まれる。

さらに、本実施形態では、配線３３２からの系統電力の供給が停止して自立運転に切り替わると、制御装置７０は、燃料電池システム１０を第一運転モードから第二運転モードに切り替えるようになっている。また、系統電力の供給が復帰すると、制御装置７０は、燃料電池システム１０を第二運転モードから第一運転モードに切り替えるようになっている。

（要部構成の作用）
要部構成の作用について、系統電力と連系している場合と、自立運転をしている場合とに分けて夫々説明する。

〔系統電力と連系している場合〕
先ず、系統電力と連系している場合に、制御装置７０が、電池モジュール１８の排熱を最大限利用する第一運転モードで、送出ポンプ５０及び循環ポンプ１１２を運転する工程について、図５に示すフロー図を用いて説明する。

ステップＳ１００で、系統電力と連系している場合に、ユーザが図示せぬ蛇口を開放して出湯要求をすると、制御装置７０は、熱源機ユニット１４から出湯される湯の設定温度（＝Ｔｏｕｔ）を図１に示す設定部１２６から取得する。さらに、制御装置７０は、排気熱交換器３１へ供給される上水の温度（＝Ｔｉｎ）を温度センサ５８から取得し、蓄熱槽４４に貯留されている上水の熱量Ｑを熱量計３７から取得する。

次に、ステップＳ２００で、制御装置７０は、温度Ｔｉｎ、温度Ｔｏｕｔ、及び熱量Ｑに基づいて、電池ユニット１２から熱源機ユニット１４へ供給される上水の温度（＝Ｔｃ）を決定する。具体的には、制御装置７０は、電池モジュール１８の排熱を最大限に利用できる温度Ｔｃを決定する。換言すれば、熱源機ユニット１４で上水を温めるのを最小にする温度Ｔｃを決定する。

例えば、電池モジュール１８の排熱を最大限に利用するように送出ポンプ５０を、消費電力が最も大きくなる回転数で回転させたときに、熱回収部１９から供給することができる上水の上昇の温度が、温度Ｔｏｕｔ以下の場合がある。この場合に、制御装置７０は、送出ポンプ５０を消費電力が最も大きくなる回転数とし、排気熱交換器３１で温められる上水の温度を、温度Ｔｃとして決定する。そして、制御装置７０は、混合弁６２を制御し、熱回収部１９で温められた上水をそのまま熱源機ユニット１４へ供給する。

これに対して、送出ポンプ５０を消費電力が最も大きくなる回転数で回転させたときに、熱回収部１９から供給することができる上水の温度が、温度Ｔｏｕｔに対して高い場合がある。この場合に、制御装置７０は、送出ポンプ５０を消費電力が最も大きくなる回転数に対して少ない回転数で回転させ、温度Ｔｏｕｔを、温度Ｔｃとして決定する。

次に、ステップＳ３００で、排気熱交換器３１で温められた上水を熱源機ユニット１４で更に温める必要がある場合に、制御装置７０は、バーナ１００及び循環ポンプ１１２を稼動させ、上水を更に温める。そして、制御装置７０は、熱源機ユニット１４から供給される上水の温度を温度Ｔｏｕｔとする。換言すれば、制御装置７０は、熱回収部１９による昇温不足分（温度Ｔｏｕｔ－温度Ｔｃ）だけ、上水を熱源機ユニット１４で更に温める。

このように、「電池モジュール１８の排熱を最大限利用する第一運転モード」では、一例として、熱回収部１９での排気ガスと上水との熱交換が最も効率良く行われるように送出ポンプ５０を稼動させ、かつ、昇温不足分だけ、上水を熱源機ユニット１４で更に温める。

次に、ステップＳ４００で、制御装置７０は、出湯要求が継続されているか否かを判断し、継続している場合は、ステップＳ１００へ移行して前述して工程が繰り返される。これに対して、出湯要求が継続していない場合は、一連の工程を終了させる。

〔自立運転をしている場合〕
自立運転をしている場合に、制御装置７０が、燃料電池システム１０で消費される電力を抑える第二運転モードで、送出ポンプ５０及び循環ポンプ１１２を運転する工程について、図６に示すフロー図を用いて説明する。具体的には、制御装置７０が、送出ポンプ５０の消費電力と循環ポンプ１１２の消費電力との合計の消費電力が最小となる第二運転モードで、送出ポンプ５０及び循環ポンプ１１２を運転する工程について、図６に示すフロー図を用いて説明する。

本実施形態では、系統電力の供給が停止すると（停電すると）、制御装置７０は、燃料電池システム１０を第一運転モードから第二運転モードに切り替える。

ステップＴ１００で、自立運転によって燃料電池システム１０が稼動しているときに、ユーザが図示せぬ蛇口を開放して出湯要求をすると、制御装置７０は、熱源機ユニット１４から出湯される湯の設定温度Ｔｏｕｔを図１に示す設定部１２６から取得する。さらに、制御装置７０は、排気熱交換器３１へ供給される上水の温度Ｔｉｎを温度センサ５８から取得し、蓄熱槽４４に貯留されている上水の熱量Ｑを熱量計３７から取得する。

次に、ステップＴ２００で、制御装置７０は、温度Ｔｉｎ、温度Ｔｏｕｔ、及び熱量Ｑに基づいて、電池ユニット１２から熱源機ユニット１４へ供給される上水の温度Ｔｃｍｉｎを決定する。具体的には、制御装置７０は、送出ポンプ５０の消費電力と、循環ポンプ１１２の消費電力との合計の消費電力が最小となる温度Ｔｃｍｉｎを決定する。

さらに、制御装置７０は、合計の消費電力が最小となる消費電力で送出ポンプ５０を稼動させる。そして、制御装置７０は、熱回収部１９で温められた上水を熱源機ユニット１４へ供給する。

次に、図６に示すステップＴ３００で、制御装置７０は、合計の消費電力が最小となる消費電力で循環ポンプ１１２を稼動させ、熱源機ユニット１４から出湯される湯の温度が温度Ｔｏｕｔとなるようにバーナ１００を稼動させる。

このように、第二運転モードでは、排ガスとの熱交換だけで上水が温度Ｔｏｕｔまで温まる場合であっても、循環ポンプ１１２を稼動させて熱源機ユニット１４で上水を更に温めて出湯するように、送出ポンプ５０及び循環ポンプ１１２が制御される。

このように、「送出ポンプ５０の消費電力と循環ポンプ１１２の消費電力との合計の消費電力が最小となる第二運転モード」とは、排ガスとの熱交換だけで上水が温度Ｔｏｕｔまで温まる場合であっても、送出ポンプ５０の消費電力を少なし、かつ、循環ポンプ１１２を稼動させて、合計の消費電力を最小にさせることである。

次に、ステップＴ４００で、制御装置７０は、出湯要求が継続されているか否かを判断し、継続している場合は、ステップＳ１００へ移行して前述して工程が繰り返される。これに対して、出湯要求が継続していない場合は、一連の工程を終了させる。

一方、第一運転モードから第二運転モードに切り替えられたときには、図４に示す切換部材３０８によって、第二ブレーカ３１２と非常用コンセント３２０とが接続される。これにより、電池モジュール１８によって発電された一部の電力は、自立運転をするために使用され、他の一部の電力は、ユーザによって使用される。

（まとめ）
以上説明したように、系統電力の供給が停止して自立運転に切り替わると、制御装置７０が、第一運転モードで運転されている送出ポンプ５０及び循環ポンプ１１２を第二運転モードで運転する。これにより、自立運転をしている場合に、系統電力と連系している場合と比して、送出ポンプ５０の消費電力と循環ポンプ１１２の消費電力との合計の消費電力を少なくすることができる。換言すれば、上水を温めるために電池モジュール１８の排熱を優先して利用する第一運転モードで燃料電池システム１０の送出ポンプ５０及び循環ポンプ１１２が常に制御されている場合と比して、送出ポンプ５０の消費電力と循環ポンプ１１２の消費電力との合計の消費電力を少なくすることができる。

また、自立運転をしている場合に、送出ポンプ５０の消費電力と循環ポンプ１１２の消費電力との合計の消費電力を少なくすることで、ユーザが使用できる電力が制限されるのを抑制することができる。

また、制御装置７０は、第一運転モードでは、電池モジュール１８の排熱を最大限利用するように、送出ポンプ５０及び循環ポンプ１１２を運転する。このため、第一運転モードで、送出ポンプの消費電力を抑えるように、送出ポンプ及び循環ポンプを運転する場合と比して、電池モジュール１８の排熱を効果的に利用することができる。

また、制御装置７０は、第二運転モードでは、送出ポンプ５０の消費電力と循環ポンプ１１２の消費電力との合計の消費電力が最小となるように、送出ポンプ５０及び循環ポンプ１１２を運転する。このため、第二運転モードで、送出ポンプの消費電力をだけを抑えるように、送出ポンプ及び循環ポンプを運転する場合と比して、送出ポンプ５０の消費電力と循環ポンプ１１２の消費電力との合計の消費電力を抑制することができる。

また、系統電力の供給が停止すると、制御装置７０は、第一運転モードから第二運転モードへ切り替える。このため、系統電力の供給が停止すると、ユーザが第一運転モードから第二運転モードへ切り替える場合と比して、ユーザが切り替えを忘れた場合でも、ユーザが使用できる電力が制限されるのを抑制することができる。

なお、本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明は係る実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態をとることが可能であることは当業者にとって明らかである。例えば、上記実施形態では、燃料電池システム１０が系統電力と連系している場合に、第一運転モードで送出ポンプ５０及び循環ポンプ１１２を運転し、自立運転をしている場合に、第二運転モードで送出ポンプ５０及び循環ポンプ１１２を運転した。しかし、電力とは無関係に、状況に応じて、送出ポンプ５０及び循環ポンプ１１２を第一運転モードで運転してもよく、状況に応じて、送出ポンプ５０及び循環ポンプ１１２を第二運転モードで運転してもよい。

また、上記実施形態では、消費電力を抑える対象部品が送出ポンプ５０であったが、消費電力を抑える対象部品が、電池モジュール１８の発電に用いる他の補機であってもよい。

また、上記実施形態では、制御装置７０は、第一運転モードでは、電池モジュール１８の排熱を最大限利用するように、送出ポンプ５０及び循環ポンプ１１２を稼動させたが、第二運転モードでの送出ポンプ５０の消費電力と循環ポンプ１１２の消費電力との合計の消費電力が、第一運転モードでの送出ポンプ５０の消費電力と循環ポンプ１１２の消費電力との合計と比して少なくなっていればよい。しかし、この場合には、電池モジュール１８の排熱を最大限利用するように、送出ポンプ５０及び循環ポンプ１１２を稼動させることで生じる作用は生じない。

また、上記実施形態では、制御装置７０は、第二運転モードでは、送出ポンプ５０の消費電力と循環ポンプ１１２の消費電力との合計の消費電力が最小となるように、送出ポンプ５０及び循環ポンプ１１２を稼動させたが、第二運転モードでの送出ポンプ５０の消費電力と循環ポンプ１１２の消費電力との合計の消費電力が、第一運転モードでの送出ポンプ５０の消費電力と循環ポンプ１１２の消費電力との合計と比して少なくなっていればよい。しかし、この場合には、送出ポンプ５０の消費電力と循環ポンプ１１２の消費電力の合計の消費電力が最小とすることで生じる作用は生じない。

また、上記実施形態では、燃料電池システム１０は、２ユニットに分割されていたが、３ユニット以上に分割されていてもよい。

１０燃料電池システム
１４熱源機ユニット（熱源機の一例）
１８電池モジュール（燃料電池の一例）
１９熱回収部（加熱部の一例）
５０送出ポンプ（第一補機の一例）
７０制御装置
１１２循環ポンプ（第二補機の一例）

Claims

電力を生成し、熱を排出する燃料電池と、
前記燃料電池から排出された熱を用いて上水を温める加熱部と、
前記加熱部から送られた上水を温めて出湯することができる熱源機と、
前記加熱部で前記燃料電池の排熱を利用して上水を温めるために用いる第一補機と、
前記熱源機で上水を温めるのに用いる第二補機と、
前記第一補機、及び前記第二補機の少なくとも一方を制御し、上水を温めるために前記燃料電池の排熱を優先して利用する第一運転モードと、前記燃料電池の排熱を利用するだけで上水を温めて出湯できる場合であっても、前記第一運転モードに比して前記第一補機の消費電力と前記第二補機の消費電力との合計の消費電力を少なくすることを優先する第二運転モードとで、前記第一補機及び前記第二補機を運転する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記第二運転モードでは、前記第一補機の消費電力と前記第二補機の消費電力との合計の消費電力が最小となるように、前記第一補機及び前記第二補機の少なくとも一方を運転する燃料電池システム。
系統電力と連系している場合に、前記制御装置は、前記第一運転モードで前記第一補機及び前記第二補機を運転し、前記系統電力との連系が停止して自立運転に切り替わると、前記制御装置は、前記第一運転モードから前記第二運転モードに切り替える請求項１に記載の燃料電池システム。