JP2008176943A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の発電電力の急減を安定に実施できる燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】燃料電池システム１０は、商用電源９９に連系された燃料電池３０と、アノードオフガスｐと燃焼用空気ａとを導入し燃焼させて改質熱を発生させる燃焼部２３を有する改質器２０と、燃料電池３０の発電電力を調節する発電電力調節手段３４と、制御装置３６とを備える。制御装置３６は、電力負荷９８の消費電力が急減したときに、燃焼部２３に供給される燃焼用空気ａの量の、燃焼部２３に供給されるアノードオフガスｐ中の可燃成分の量に対する比が、所定の比率となる範囲内で燃料電池３０の発電電力を急減するように発電電力調節手段３４を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に燃料電池の発電電力の急減を安定に実施できる燃料電池システムに関するものである。

水素と酸素とを使用して、これらの電気化学的反応により発電する燃料電池は、環境に優しい発電装置として注目されている。燃料電池は発電に水素を必要とするが、水素自体を供給するインフラが普及していないことから入手が比較的困難であるため、都市ガスや灯油等の原料を改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器を燃料電池に併設することが多い。改質器は、改質ガスとなる原料を導入して改質する改質部と、燃焼用の燃料と空気とを導入して燃料を燃焼させ改質部における改質に利用される改質熱を発生する燃焼部とを有している。燃料電池と改質器とを備える燃料電池システムの運転中は、燃料電池に導入された改質ガス中の水素のうち電気化学的反応に利用されなかった水素を含むアノードオフガスを燃料として燃焼部に導入して燃焼させる。

改質器は、性質上、改質ガスの生成量を急激に増減することが難しい。他方、燃料電池における発電電力は、燃料電池システムの運転を安定させる観点から、生成される改質ガスの量に応じた出力とするのが好ましい。燃料電池の発電電力に対して供給される改質ガスの量が多すぎると、水素の利用率が低下してアノードオフガス中の水素濃度が高くなって燃焼部における燃焼が不安定になり、逆に改質ガスの量が少なすぎると、水素の利用率が上昇して水素量が不足がちになり、燃料電池の劣化を引き起こす場合があるからである。生成される改質ガスの量に応じた燃料電池の発電電力とするため、一般に、燃料電池を商用電源に連系して、燃料電池における発電電力を電力需要よりも所定量だけ少なくしつつ不足分の電力を商用電源から受電し、電力需要の変動分は商用電源で吸収している（例えば、特許文献１参照。）。その一方で、燃料電池の発電電力を、電力需要の変動に追随してゆるやかに（改質ガス生成量の調節可能な範囲で）変動させることとしている。
特開２００６−０１２５６３号公報（段落００６３等）

しかしながら、改質ガス生成量の調節可能な範囲で燃料電池の発電電力を調節する場合は、例えば電力需要が急激に減少することによって、燃料電池の発電電力が電力需要を上回る場合があり、この場合は余剰電力が生じることとなる。余剰電力を商用電源に逆潮流することができればよいが、電力供給の安定化の観点から、逆潮流を認めていない電力会社も多い。余剰電力が生じないように燃料電池の発電電力を急激に減少させると、上述のように改質器における改質ガスの生成量は急激に減少させることができないため、燃料電池における水素の利用率が低下してアノードオフガス中の水素濃度が高くなり、アノードオフガスを燃焼させる空気が相対的に不足して燃焼部における燃焼が不安定になる。一方で、制御の安定化の観点から、燃焼部に供給する空気量を急激に増加するのは難しい。

本発明は上述の課題に鑑み、燃料電池の発電電力の急減を安定に実施できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、水素と酸素との電気化学的反応により電力負荷９８に供給する電力を発電する燃料電池３０であって、商用電源９９に連系された燃料電池３０と；原料ｍ１を導入し加熱して改質することにより燃料電池３０に供給する水素を含有する改質ガスｇを生成する改質器２０であって、燃料電池３０における電気化学的反応に使用されなかった水素を含むアノードオフガスｐと燃焼用空気ａとを導入して燃焼させることにより原料ｍ１の改質に用いる改質熱を発生させる燃焼部２３を有する改質器２０と；燃料電池３０の発電電力を調節する発電電力調節手段３４と；燃料電池３０の運転中に電力負荷９８の消費電力が急減したときに、燃焼部２３に供給される燃焼用空気ａの量の、燃焼部２３に供給されるアノードオフガスｐ中の可燃成分の量に対する比が、所定の比率となる範囲内で燃料電池３０の発電電力を急減するように発電電力調節手段３４を制御する制御装置３６とを備える。ここで、燃料電池の発電電力を急減するとは、典型的には、改質器で生成される改質ガスの減少速度に追随して燃料電池の発電電力が減少する場合よりも速い速度で燃料電池の発電電力が減少することをいう。また、電力負荷の消費電力が急減するとは、典型的には、燃料電池の発電電力を急減することを要するほどの速度で、電力負荷の消費電力が減少することをいう。なお、空気中の酸素の割合はほぼ一定であることに鑑み、アノードオフガスｐ中の可燃成分の量に対する「燃焼用空気の量」には、燃焼用空気中の酸素の量も含まれることとする（すなわち、燃焼用空気中の酸素の量を基準としてもよい）。

このように構成すると、燃料電池の運転中に電力負荷の消費電力が急減したときに、燃焼部に供給される燃焼用空気の量の、燃焼部に供給されるアノードオフガス中の可燃成分の量に対する比が、所定の比率となる範囲内で燃料電池の発電電力を急減するように発電電力調節手段を制御するので、燃料電池の発電電力の急減を安定に実施することができる。

また、請求項２に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、請求項１に記載の燃料電池システム１０において、燃料電池３０において発生する余剰電力を消費する、電力負荷９８とは異なる電力消費負荷１３を備え；電力消費負荷１３は、許容される最大の範囲で急減したときの燃料電池３０の発電電力を燃料電池３０の最大発電電力から差し引いた容量を超える容量、かつ、燃料電池の定格発電電力よりも小さい容量に構成されている。

これまで、改質ガス生成量の調節可能な範囲で燃料電池の発電電力を調節していたときは、燃料電池の最大出力で発電しているときに電力負荷の消費電力が急減した場合でも確実に余剰電力の逆潮流を防ぐために燃料電池の最大発電電力の容量の電力消費負荷を備えるのが一般的であり、電力消費負荷の重量、容積、コストが負担となっていた。しかし、請求項２に記載の発明に係る燃料電池システムのように構成すると、余剰電力が逆潮流することを確実に防ぎつつ、燃料電池システムの小型化、軽量化及びコストダウンを図ることが可能となる。なお「余剰電力」とは、典型的には、燃料電池の発電電力から電力負荷の消費電力を差し引いた分の電力である。

また、請求項３に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、請求項２に記載の燃料電池システム１０において、電力消費負荷１３が電気ヒータで構成され；燃料電池３０における電気化学的反応によって発生した熱及び電気ヒータ１３で発生した熱を蓄える蓄熱槽８０を備える。

このように構成すると、電力消費負荷が電気ヒータで構成されているので、単純な構成で、余剰電力の逆潮流防止を図ることができる。また、蓄熱槽を備えるので、燃料電池における電気化学的反応によって発生した熱及び電気ヒータで発生した熱を有効に利用することができる。

また、請求項４に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、水素と酸素との電気化学的反応により電力負荷９８に供給する電力を発電する燃料電池３０であって、商用電源９９に連系された燃料電池３０と；原料ｍ１を導入し加熱して改質することにより燃料電池３０に供給する水素を含有する改質ガスｇを生成する改質器２０であって、燃料電池３０における電気化学的反応に使用されなかった水素を含むアノードオフガスｐと燃焼用空気ａとを導入して燃焼させることにより原料ｍ１の改質に用いる改質熱を発生させる燃焼部２３を有する改質器２０と；燃料電池３０の発電電力を調節する発電電力調節手段３４と；原料ｍ１を改質器２０に導入するための原料供給ライン５７に配設され、原料ｍ１の流量の変動が所定の期間にわたって所定の変動幅の範囲内にあるときに安全装置が作動するメータ１５と；原料ｍ１の流量の変動が前記所定の変動幅にある期間が前記所定の期間を経過する前に、燃焼部２３に供給される燃焼用空気ａの量の、燃焼部２３に供給されるアノードオフガスｐ中の可燃成分の量に対する比が、所定の比率となる範囲内で燃料電池３０の発電電力を急減するように発電電力調節手段３４を制御する制御装置３６とを備える。

例えば燃料電池が定格出力で運転することを要求されるような電力需要が所定期間にわたって継続する場合、その期間原料が安定的に改質器に供給されて流量の変動が所定の変動幅から出ない（変動がない）と、メータは、原料の漏洩があるために流量の変動がないと誤判断して安全装置が作動する場合がある。安全装置の誤作動を回避するために、意図的に燃料電池の発電電力を変動させて改質器に供給される原料の流量を変動させることも考えられるが、燃料電池の発電電力をゆるやかに変動させる場合は、改質器に供給される原料の流量の変動が所定の変動幅から出ずに安全装置の誤作動を回避できない場合がある。しかし、請求項４に記載の発明に係る燃料電池システムのように構成すると、原料の流量の変動が所定の変動幅にある期間が所定の期間を経過する前に、燃焼部に供給される燃焼用空気の量の、燃焼部に供給されるアノードオフガス中の可燃成分の量に対する比が、所定の比率となる範囲内で燃料電池の発電電力を急減するように発電電力調節手段を制御するので、安全装置の誤作動を回避することができる。

本発明によれば、燃料電池の運転中に電力負荷の消費電力が急減したときに、燃焼部に供給される燃焼用空気の量の、燃焼部に供給されるアノードオフガス中の可燃成分の量に対する比が、所定の比率となる範囲内で燃料電池の発電電力を急減するように発電電力調節手段を制御するので、燃料電池の発電電力の急減を安定に実施することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。なお、図１中、破線は制御信号を表す。

まず図１を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１０の構成について説明する。図１は、燃料電池システム１０の模式的系統図である。燃料電池システム１０は、水素に富む改質ガスｇを生成する改質器２０と、燃焼用空気供給手段としての空気ブロワ２９と、水素と酸素との電気化学的反応により発電する燃料電池３０と、発電電力調節手段としてのパワーコンディショナ３４と、燃料電池システム１０を制御する制御装置３６とを備えている。また、燃料電池システム１０は、燃料電池３０で発電した電力が余るときに余剰電力を消費する電力消費負荷としての電気ヒータ１３と、燃料電池３０で発生した熱及び電気ヒータ１３で発生した熱を蓄える蓄熱槽としての貯湯槽８０とを備えている。また、燃料電池システム１０は、改質器２０に導入される原料ｍ１の流量の変動を検出することができるメータ１５を備えている。

改質器２０は、原料ｍ１とプロセス水（不図示）とを導入し水蒸気改質反応により水素に富む改質ガスｇを生成する改質部２５と、原料ｍ１の水蒸気改質反応に用いる改質熱を発生する燃焼部２３とを備えている。原料ｍ１は、典型的には、メタン、エタン等の鎖式炭化水素（天然ガスも含む）、あるいはメタノール、石油製品（灯油、ガソリン、ナフサ、ＬＰＧ等）等の炭化水素を主成分とする混合物等の炭化水素系の燃料であり、加熱用の燃焼に適するものが用いられる。改質部２５に導入するプロセス水（不図示）は水蒸気であってもよい。また、水素に富む改質ガスｇとは、水素を主成分とするガスであり、水素を４０体積％以上、典型的には７０〜８０体積％程度含んだ、燃料電池３０に供給するガスである。改質ガスｇ中の水素濃度は８０体積％以上でもよく、すなわち燃料電池３０に供給したときに酸化剤ガスｔ中の酸素との電気化学的反応により発電可能な濃度であればよい。

改質部２５には、改質触媒が充填されており、水蒸気改質反応を促進させるように構成されている。改質触媒としては、典型的には、ニッケル系改質触媒やルテニウム系改質触媒が用いられる。改質触媒の作用により原料ｍ１が改質され、生成された水素に富むガスに所定量以上の一酸化炭素が含まれていると、燃料電池３０の電極触媒が被毒する。そのため、改質部２５は、変成触媒が充填された変成部（不図示）、及び選択酸化触媒が充填された選択酸化部（不図示）を有し、改質器２０から導出される改質ガスｇ中の一酸化炭素濃度が約１０体積ｐｐｍ以下、好適には１体積ｐｐｍ程度となるようにするのが好ましい。変成触媒には、典型的には、鉄−クロム系変成触媒、銅−亜鉛系変成触媒、白金系変成触媒等が用いられる。選択酸化触媒には、典型的には、白金系選択酸化触媒、ルテニウム系選択酸化触媒、白金−ルテニウム系選択酸化触媒等が用いられる。なお、改質触媒における反応は吸熱反応であるが、変成触媒を有する変成部及び選択酸化触媒を有する選択酸化部における反応は発熱反応となる。

改質部２５には、原料ｍ１を導入するための原料管５５と、プロセス水（不図示）を導入するためのプロセス水管（不図示）とが接続されている。プロセス水管（不図示）は、改質部２５直近の原料管５５に接続されていると、原料ｍ１とプロセス水（不図示）とが混合された状態で改質部２５に導入されて好適である。しかしながら、プロセス水管（不図示）が改質部２５に直接接続されていてもよい。原料管５５には、原料弁６５が設けられている。また、改質部２５（改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減させる部位を有する場合は当該部位）には改質ガスｇを導出する改質ガス管５１が接続されている。さらに改質部２５には、温度を検出する温度検出器（不図示）が設けられている。

燃焼部２３は、改質部２５の改質触媒が設けられている位置に隣接するように、改質器２０内に配設されており、改質熱を発生するための装置として、バーナー（不図示）が設けられている。燃焼部２３は、炭化水素系燃料である燃焼用燃料ｍ２、並びに水素含有ガスであるアノードオフガスｐ及び改質ガスｇを導入すると共に、燃焼用空気ａを導入し、バーナー（不図示）でこれらを燃焼させて水蒸気改質反応に用いる改質熱を得ることができるように構成されている。燃焼部２３は、燃料電池システム１０の状態に応じて、燃焼用燃料ｍ２、アノードオフガスｐ、改質ガスｇのいずれか１種類あるいは２種類以上を導入して燃焼させる。燃焼用燃料ｍ２は、本実施の形態では、原料ｍ１と同じものが使用される。すなわち、原料ｍ１及び燃焼用燃料ｍ２は、原料供給ラインとしての燃料管５７を流れる燃料ｍが分流したものを用途に応じて呼称を変えたものであり、成分は同じものである。アノードオフガスｐの成分は、典型的には、約半分が水素、残りの半分に二酸化炭素、窒素、原料あるいはその化合物（例えばメタン等）が含まれている。燃料管５７には、気体の燃料ｍを送る燃料ブロワ２８が配設されている。燃料ブロワ２８は、典型的にはインバータにより回転数（ｒｐｍ）を調節することができ、これにより燃料ｍの流量を増減することができるように構成されている。なお、燃料ｍが液体の場合は燃料ブロワ２８に代えて燃料ポンプが配設されるが、本実施の形態では燃料ブロワ２８として説明する。

メータ１５は、典型的にはマイコンメータであり、内部を流れる流体の流量の変動が所定の期間にわたって所定の変動幅の範囲内にあるときに安全装置が作動する（及び／又は安全装置を作動させる信号を発信する）ように構成されている。本実施の形態におけるメータ１５は、所定の期間よりも短いスパンの一定の期間に区切って流体の流量を平均し、前後する一定の期間ごとの流量を比較して、所定の期間内に、前後する一定の期間の流量の変動が所定の変動幅を超えないときに、流体の漏洩があったと推定して安全装置を作動するように構成されている。本実施の形態における、所定の期間は例えば数時間〜十数時間程度、一定の期間は例えば数秒〜十数秒程度である。また、安全装置は、警報を発報する、流体の流れを弁で強制的に遮断する等である。

燃焼部２３には、アノードオフガスｐ及び改質ガスｇを導入可能なアノードオフガス管５２と、燃焼用燃料ｍ２を導入する燃焼燃料管５６と、燃焼用空気ａを導入する燃焼空気管５８とが接続されている。燃焼燃料管５６には、燃焼燃料弁６６が設けられている。また、燃焼部２３には、バーナー（不図示）で燃焼した後の排ガスｅを排出する排ガス管５９が接続されている。

燃料電池３０は、典型的には固体高分子形燃料電池である。燃料電池３０は、改質ガスｇを導入するアノード３１と、酸化剤ガスｔを導入するカソード３２と、電気化学的反応により発生した熱を奪う冷却部３３とを含んで構成されている。カソード３２に導入される酸化剤ガスｔは、典型的には空気である。燃料電池３０は、図では簡易的に示されているが、実際には、固体高分子膜をアノード３１とカソード３２とで挟んで単一のセルが形成され、このセルを冷却部３３を介し複数枚積層して構成されている。燃料電池３０では、アノード３１に供給された改質ガスｇ中の水素が水素イオンと電子とに分解し、水素イオンが固体高分子膜を通過してカソード３２に移動すると共に電子がアノード３１とカソード３２とを結ぶ導線を通ってカソード３２に移動して、カソード３２に供給された酸化剤ガスｔ中の酸素と反応して水を生成し、この反応の際に発熱する。この反応における、電子が導線を通ることにより、直流の電力を取り出すことができる。燃料電池３０は、出力ケーブル４１を介してパワーコンディショナ３４と電気的に接続されている。

燃料電池３０は、出力ケーブル４１及び商用電源ケーブル４９を介して商用電源９９に接続されている。出力ケーブル４１と商用電源ケーブル４９との接続部には、電力負荷９８につながる電力負荷ケーブル４８が接続されている。すなわち、燃料電池３０と、商用電源９９と、電力負荷９８とは電気的に接続されている。電力負荷９８は、典型的には、家電や生産機械等の電気機器である。出力ケーブル４１にはパワーコンディショナ３４が配設されている。パワーコンディショナ３４よりも商用電源ケーブル４９側の出力ケーブル４１には、電気ヒータ１３につながるヒータ用ケーブル４２が接続されている。ヒータ用ケーブル４２には開閉器４３が配設されている。開閉器４３は、典型的には、ソリッドステートリレーである。また、商用電源ケーブル４９には、商用電源９９から供給を受ける電力を計測する電力計４５が配設されている。電力計４５は、信号ケーブルを介して制御装置３６に電力値の信号を送信できるように構成されている。

パワーコンディショナ３４は、燃料電池３０で発電された直流電力を交流電力に変換するインバータを有している。また、パワーコンディショナ３４は、燃料電池３０における発電電流の大きさを、燃料電池３０の出力が最低発電量（例えば定格出力の３０％等）と定格出力とになる幅の間で任意に決定することができるように構成されている。つまり、パワーコンディショナ３４は、燃料電池３０の発電電力を調節することができるものである。燃料電池３０では、パワーコンディショナ３４で設定された電流を発電するだけの水素と酸素とが反応することとなる。なお、本明細書では、燃料電池３０のアノード３１に供給された改質ガスｇ中の水素量に対する電気化学的反応に利用された水素量の比を水素の利用率といい、カソード３２に供給された酸化剤ガスｔ中の酸素量に対する電気化学的反応に利用された酸素量の比を酸素の利用率ということとする（典型的には共に百分率で表す。）。パワーコンディショナ３４は、燃料電池３０と連系した商用電源９９の異常を検出する商用電源異常検出手段を備えていてもよい。

アノード３１と改質部２５とは、改質ガス管５１を介して接続されている。改質ガス管５１には改質ガス弁６１が設けられている。また、アノード３１と燃焼部２３とは、アノードオフガス管５２を介して接続され、燃料電池３０での電気化学的反応に利用されなかった水素を含むアノードオフガスｐを燃焼部２３に導入することができるようになっている。アノードオフガス管５２には、アノードオフガス弁６２が配設されている。また、改質ガス弁６１の上流側の改質ガス管５１と、アノードオフガス弁６２よりも下流のアノードオフガス管５２とが、バイパス管５３で接続されている。バイパス管５３にはバイパス弁６３が設けられている。カソード３２には、酸化剤ガスｔを導入する酸化剤ガス管５４と、燃料電池３０での電気化学的反応に利用されなかった酸素を含むカソードオフガスｑを排出するカソードオフガス管５４Ｑとが接続されている。酸化剤ガス管５４は、空気管５４Ａから分岐した管の１つであり、空気管５４Ａから分岐した他の１つは燃焼空気管５８である。空気管５４Ａには、カソード３２に酸化剤ガスｔを送ると共に燃焼部２３に燃焼用空気ａを送る空気ブロワ２９が配設されている。空気ブロワ２９は、典型的にはインバータにより回転数（ｒｐｍ）を調節することができ、これにより燃焼用空気ａや酸化剤ガスｔの流量を増減することができるように構成されている。酸化剤ガス管５４には、酸化剤ガス遮断弁６４が設けられている。また、酸化剤ガス管５４には、典型的には、酸化剤ガスｔを加湿する加湿器（不図示）が配設される。

燃料電池３０の冷却部３３の冷却水導入口には冷却水管７５が、冷却水導出口には冷却水管７４が、それぞれ接続されている。冷却水管７４、７５により、燃料電池３０から導出された冷却水ｃが熱交換器７０を通過し、熱交換器７０を通過して温度が下がった冷却水ｃが燃料電池３０に導入されるように循環流路が形成されている。冷却水管７５には内部を流れる冷却水ｃを循環させる冷却水ポンプ７３が配置されている。冷却水ポンプ７３は、典型的にはインバータにより回転数（ｒｐｍ）を調整し、燃料電池３０の発熱量に応じて冷却水ｃの流量を調整することができるように構成されている。冷却水ポンプ７３のインバータと制御装置３６とは信号ケーブルで接続されている。

冷却水管７４には電気ヒータ１３が配置されている。電気ヒータ１３は、燃料電池３０で発電された電力のうち電灯や電気機器等の電力負荷９８で消費されない余剰電力を熱に変換し、変換した熱を冷却水管７４を流れる冷却水ｃに伝達するように構成されている。電気ヒータ１３は、典型的には、発熱部を絶縁材料で被覆したケーブル型の電気ヒータであり、冷却水管７４の外周に巻きつけられテープで固定される。また、電気ヒータ１３は発熱部を収容したケーシングに冷却水ｃを導入し、発熱部と冷却水ｃとが接触して冷却水ｃの温度を上昇させるように構成されていてもよい。電気ヒータ１３で発熱がある場合、冷却部３３で温度が上昇した冷却水ｃは、電気ヒータ１３でさらに温度が上昇して熱交換器７０に流入することになる。

ここで図２を参照して（各部材の符号については図１参照）、電気ヒータ１３の容量について説明する。図２は、電力消費負荷（電気ヒータ１３）の容量を、燃料電池３０の容量との比較において説明するグラフである。電気ヒータ１３の容量は、燃料電池３０の定格出力ＦＣｒよりも小さくなっている。燃料電池３０における発電電力が商用電源９９に逆潮流することを確実に防ぐ観点からは電気ヒータ１３の容量を燃料電池３０の最大出力ＦＣｍａｘと同程度の容量にすることが好ましいと考えられるが、本実施の形態では、重量、容積、コストを低減する観点から電気ヒータ１３の容量を燃料電池３０の定格出力ＦＣｒよりも小さくしている。他方、電気ヒータ１３の容量の下限は、燃料電池３０の最大出力ＦＣｍａｘから最大減少幅Ｄｍａｘを引いた値の電力消費負荷下限値ＨＴＲｍｉｎである。つまり、電気ヒータ１３の容量は、電力消費負荷下限値ＨＴＲｍｉｎ以上、定格出力ＦＣｒ未満のものが用いられる。ここで、最大減少幅Ｄｍａｘは、燃料電池３０の発電電力を最大出力ＦＣｍａｘから急減させることができる最大の範囲である。例えば、燃焼部２３に供給される、燃焼用空気ａの量のアノードオフガスｐ中の可燃成分の量に対する燃焼比（「燃焼用空気ａの量」／「アノードオフガスｐ中の可燃成分の量」）の許容範囲が１．２〜１．６の場合、燃料電池３０の最大出力ＦＣｍａｘから急減して燃焼比が１．２となるときの燃料電池３０の発電電力が電力消費負荷下限値ＨＴＲｍｉｎとなる。電気ヒータ１３の容量は、重量、容積、コストを低減する観点からは電力消費負荷下限値ＨＴＲｍｉｎとすることが好ましいが、典型的には、安全をみて、電力消費負荷下限値ＨＴＲｍｉｎに余裕分を加えた値とする。なお、最大減少幅Ｄｍａｘは、急減を開始するときの燃焼比の値によって変動しうるが、定常運転時の値として設定される燃焼比を基準としてよい。例えば、定常運転時の燃焼比が１．４に設定される場合、燃料電池３０の発電電力の急減が許容される最大の範囲は、燃焼部２３における燃焼比が１．４から１．２となるまでアノード３１における水素の利用率を減少したときの燃料電池３０の発電電力となる。また、燃焼比の基準としては、モル比や体積比等の燃料電池システム１０に適合する基準を用いればよい。

燃料電池３０の発電電力を急減させた場合は、アノード３１における水素の利用率が減少することに伴ってアノードオフガスｐ中の水素の量が急減容量に応じて増加することとなり、燃焼用空気ａの量に対して水素が多すぎるとアノードオフガスｐ中に含まれる水素以外の可燃成分（原料ｍ１等）が燃焼するための空気が不足することとなる。通常、水素以外の可燃成分よりも水素の方が燃焼しやすいため、アノードオフガスｐ中の水素の量が急増すると水素以外の可燃成分が不完全燃焼して排ガスｅ中の一酸化炭素濃度が許容量以上となる等の不具合が生じる場合がある。なお、燃焼部２３における燃焼用空気ａの供給量が多すぎると燃焼部２３のバーナー（不図示）の失火の原因となるため、最大減少幅Ｄｍａｘを大きくする目的で定常運転時から燃焼用空気ａの供給量を大きくすることは難しい。そのため、上記の燃焼比に上限が設けられている。

再び図１に戻って燃料電池システム１０の説明を続ける。熱交換器７０は、冷却水ｃと蓄熱水ｈとの間で熱交換を行なう機器であり、典型的にはプレート型熱交換器が用いられる。熱交換器７０は、燃料電池３０から受熱して温度が上昇した冷却水ｃと冷却水ｃよりも温度が低い蓄熱水ｈとがカウンターフローにより熱交換し、燃料電池３０の排熱を冷却水ｃから蓄熱水ｈに伝達するように構成されている。熱交換器７０は、燃料電池３０から受熱して温度が上昇した冷却水ｃを導入する冷却水導入口と蓄熱水ｈとの熱交換により温度が下がった冷却水ｃを導出する冷却水導出口と、温度が低い蓄熱水ｈを導入する蓄熱水導入口と冷却水ｃとの熱交換により温度が上昇した蓄熱水ｈを導出する蓄熱水導出口とを有している。熱交換器３０の冷却水導入口には冷却水管７４が、冷却水導出口には冷却水管７５が、それぞれ接続されている。

熱交換器７０の蓄熱水導出口には蓄熱水管８４が、蓄熱水導入口には蓄熱水管８５が、それぞれ接続されている。蓄熱水管８４は、熱交換器７０から導出された蓄熱水ｈが貯湯槽８０の上部に流入するように貯湯槽８０の上部に接続されており、好適には頂部に接続される。蓄熱水管８５は、熱交換器７０に導入される蓄熱水ｈが貯湯槽８０の下部から採水されるように貯湯槽８０の下部に接続されており、好適には底部に接続される。蓄熱水管８４、８５は熱交換器７０及び貯湯槽８０と接続されて循環流路を形成している。蓄熱水管８５には内部を流れる蓄熱水ｈを循環する蓄熱水ポンプ８３が配置されている。蓄熱水ポンプ８３は、典型的にはインバータにより回転数（ｒｐｍ）を調整し、熱交換器７０での交換熱量に応じて蓄熱水ｈの流量を調整することができるように構成されている。蓄熱水ポンプ８３のインバータと制御装置３６とは信号ケーブルで接続されている。

貯湯槽８０は、頂部に温度が高い蓄熱水ｈを導入する蓄熱水導入口が、底部に温度が低い蓄熱水ｈを導出する蓄熱水導出口が形成されている。上述のように、貯湯槽８０の蓄熱水導入口には蓄熱水管８４が、蓄熱水導出口には蓄熱水管８５が接続されている。熱交換器７０で燃料電池３０の排熱を受熱した蓄熱水ｈは蓄熱水管８４を通って貯湯槽８０に流入し、貯湯槽８０に燃料電池３０の排熱が蓄熱されるように構成されている。流入して貯湯槽８０に貯留された蓄熱水ｈは、上部の温度が高く下部の温度が低い温度成層が形成されている。さらに貯湯槽８０の上部には、温水ｗ１を導出する熱負荷温水導出口が設けられており、この熱負荷温水導出口から給湯や暖房等の熱需要で利用されるために温水ｗ１が導出される。また、貯湯槽８０の下部には熱需要で利用されて減少した水量を補う補給水導入口が設けられている。補給水導入口からは補給水ｗ２が導入される。

蓄熱水管８４にはバイパス管８６が接続されており、バイパス管８６の他端は蓄熱水ポンプ８３よりも上流側で蓄熱水管８５に接続されている。バイパス管８６は、蓄熱水管８４を流れる蓄熱水ｈを貯湯槽８０に流入させずに蓄熱水管８５に導く管である。バイパス管８６には蓄熱水ｈの温度を下げることができる冷却装置としてのラジエータ８１が配設されている。ラジエータ８１は、燃料電池３０を冷却するのに必要な冷却水ｃの温度となるまでに冷却水ｃから熱を奪うことができないほど貯湯槽８０から導出される蓄熱水ｈの温度が高いときに、熱交換器７０に導入される蓄熱水ｈの温度を冷却水ｃから熱を奪うことができる温度になるまで冷却できるように構成されている。ラジエータ８１は冷却板としてのフィンを備えており、フィンに蓄熱水ｈを導入して空気と熱交換することにより蓄熱水ｈの温度を低下させることができるように構成されている。さらに、ラジエータ８１はより多くの空気をフィンに供給して交換熱量を増加するために、強制的にフィンに空気を送る送気ファン（不図示）を備えている。

蓄熱水管８４とバイパス管８６との分岐部には、蓄熱水ｈの流れ方向を切り替える三方弁８２が配設されている。三方弁８２と制御装置３６とは信号ケーブルで接続されており、三方弁８２は制御装置３６からの信号を受信して切替動作をするように構成されている。また、三方弁８２の設置位置は、貯湯槽８０及びラジエータ８１の上流側に限られず、貯湯槽８０及びラジエータ８１の下流側であってもよい。また、三方弁８２に代えて二方弁を２個用いることにより、蓄熱水ｈの流れ方向を切り替え、あるいは貯湯槽８０に流入する蓄熱水ｈの流量とラジエータ８１に流入する蓄熱水ｈの流量との配分を調整することができるように構成してもよい。

制御装置３６は、燃料電池システム１０の運転を制御する。制御装置３６は、燃料ブロワ２８及び空気ブロワ２９に信号を送信して発停を制御すると共に、燃料ブロワ２８及び空気ブロワ２９から吐出される流体の流量を制御する。また、制御装置３６は、冷却水ポンプ７３及び蓄熱水ポンプ８３に信号を送信して発停を制御すると共に、冷却水ポンプ７３及び蓄熱水ポンプ８３から吐出される流体の流量を制御する。なお、各ブロワ２８、２９及び各ポンプ７３、８３に信号を送信することには、これらに送電する動力盤（不図示）に信号を送信することも含む。また、制御装置３６は、パワーコンディショナ３４に信号を送信して燃料電池３０における発電電流を設定する。また、制御装置３６は、各弁６１〜６６とそれぞれ信号ケーブルで接続されており、開閉信号を送信して弁の開閉動作をさせることができるように構成されている。また、制御装置３６は、三方弁８２と信号ケーブルで接続されており、信号を送信して蓄熱水ｈの流路を切り替えることができるように構成されている。また、制御装置３６は、開閉器４３に信号を送信して電気ヒータ１３への通電の有無を制御する。また、制御装置３６は、メータ１５から信号を受信して、安全装置を作動させることができるように構成されている。また、制御装置３６は、改質部２５の温度を検出する温度検出器（不図示）と信号ケーブルで接続されており、温度信号を受信することができるように構成されている。

引き続き図１を参照して、燃料電池システム１０の作用を説明する。停止している燃料電池システム１０の運転を開始するには、燃料ブロワ２８を起動して燃焼部２３に燃焼用燃料ｍ２を供給すると共に空気ブロワ２９を起動して燃焼部２３に燃焼用空気ａを供給する。このとき、燃焼燃料弁６６は開、その他の弁６１〜６５は閉となっている。燃焼部２３で燃焼用燃料ｍ２が燃焼して改質熱が発生し、改質部２５が昇温したら、原料弁６５を開にして原料ｍ１を改質部２５に導入する。改質部２５の温度は温度検出器（不図示）で検出する。改質部２５にはプロセス水（不図示）も導入され、燃焼部２３から改質熱を得て原料ｍ１が水蒸気改質反応を起こし、改質ガスｇが生成される。改質器２０では、上述のように改質ガスｇが生成されるが、運転開始当初は改質ガスｇの組成が安定していないため、改質ガス弁６１及びアノードオフガス弁６２を閉にし、バイパス弁６３を開にして、組成が安定していない改質ガスｇを燃料電池３０に供給せずに燃焼部２３に導いて燃焼させる。このとき、燃焼部２３に導入した組成が安定していない改質ガスｇを主として燃焼させ、不足分の燃焼用燃料ｍ２を燃焼燃料弁６６の開度を調節して燃焼部２３に導入する。組成が安定していない改質ガスｇで足りる場合は燃焼燃料弁６６を閉とする。

改質器２０で生成される改質ガスｇの組成が安定し、改質ガスｇ中の一酸化炭素濃度が所定の値まで低減するようになると、制御装置３６が改質ガス弁６１及びアノードオフガス弁６２を開に、バイパス弁６３を閉にして、改質ガスｇが燃料電池３０に導入されるようにする。これにより、燃料電池３０のアノード３１に改質ガスｇが導入される。他方、制御装置３６は、酸化剤ガス遮断弁６４を開にし、これによって燃料電池３０のカソード３２に酸化剤ガスｔが導入される。典型的には、アノード３１に供給される改質ガスｇの量が、水素の利用率が７０〜８０％程度、好ましくは７５％程度となるように、改質器２０で改質ガスｇが生成される（これに合わせて原料ｍ１が改質部２５に導入される）。また、酸素の利用率が４５〜６０％程度、好ましくは５０％程度となる量の酸化剤ガスｔがカソード３２に供給されるように空気ブロワ２９の回転数や流量調整弁（不図示）が調節される。

燃料電池３０ではアノード３１に導入された改質ガスｇ中の水素と、カソード３２に導入された酸化剤ガスｔ中の酸素とによる電気化学的反応が行われる。電気化学的反応は、アノード３１側では以下の（１）式に示す反応が行われ、カソード３２側では以下の（２）式に示す反応が行われる。
２Ｈ_２ → ４Ｈ^＋ ＋ ４ｅ⁻ ・・・（１）
Ｏ_２ ＋ ４Ｈ^＋ ＋ ４ｅ⁻ → ２Ｈ_２Ｏ ・・・（２）
この電気化学的反応によって発電し、発熱すると共に水分が生成される。さらに説明を加えると、アノード３１側の電子が外部電気回路を通ってカソード３２側に移動する際に電力を得ることができる。アノード３１側の水素イオンは固体高分子膜を通過してカソード３２側に移動し、酸素と結合して水分が発生する。この電気化学的反応は発熱反応である。

燃料電池３０によって得られる電力は直流電力であるため、パワーコンディショナ３４で交流電力に変換されて電力負荷９８に、及び各ブロワ２８、２９、各ポンプ７３、８３に送電される。燃料電池３０で発電される電力は、電力負荷及び各ブロワ２８、２９、各ポンプ７３、８３の消費電力の合計に対して所定の値（例えば合計消費電力の９０％）となるように、パワーコンディショナ３４で設定される。この設定値に対して適切な供給量となるように、制御装置３６により燃料電池３０に供給される改質ガスｇ及び酸化剤ガスｔの量が調節される。不足分の電力は、商用電源９９から交流電力の供給を受ける。

燃料電池３０の作動中、アノード３１からはアノードオフガスｐが排出される。排出されたアノードオフガスｐは、アノードオフガス管５２を介して改質器２０の燃焼部２３に導かれて燃焼される。燃焼部２３におけるアノードオフガスｐの燃焼により、改質部２５における改質に用いる改質熱を発生させることができる。燃焼部２３へ導入されるアノードオフガスｐの燃焼だけでは発生する改質熱が不足する場合は、燃焼燃料弁６６の開度を調節して燃焼用燃料ｍ２を燃焼部２３に導入する。燃焼部２３における燃焼によって生じた排ガスｅは、排ガス管５９を介して系外に排出される。他方、カソード３２からはカソードオフガスｑが排出され、カソードオフガス管５４Ｑを介して系外に排出される。

上述のように、燃料電池３０における電気化学的反応は発熱反応であるため、燃料電池３０の運転を継続するために発生した熱を冷却水ｃで除去する。燃料電池３０に改質ガスｇ及び酸化剤ガスｔが導入されて発電が行われるようになると、制御装置３６は、冷却水ポンプ７３及び蓄熱水ポンプ８３を起動して冷却水ｃ及び蓄熱水ｈを循環させる。冷却部３３に導入された冷却水ｃは、燃料電池３０における電気化学的反応で発生した熱によって温度が上昇する。燃料電池３０は冷却水ｃによって発熱が除去されて、運転に適した温度（約６０℃〜８０℃程度）に維持される。冷却部３３から導出された冷却水ｃは熱交換器７０に向かって流れ、熱交換器７０に導入される。なお、電気ヒータ１３が作動しているときは、冷却部３３から導出されたときの温度からさらに温度が上昇して熱交換器７０に導入される。熱交換器７０に導入された冷却水ｃは、蓄熱水ｈと熱交換して温度が低下し、再び冷却部３３に導入され、以降は上述のサイクルを続ける。

他方、熱交換器７０に導入された蓄熱水ｈは、冷却水ｃと熱交換して温度が上昇する。温度が上昇した蓄熱水ｈは熱交換器７０から導出されて貯湯槽８０に向かって流れ、典型的には上部から貯湯槽８０に流入する。貯湯槽８０に流入した蓄熱水ｈは、給湯や暖房等の熱需要（不図示）で使用することができる程度の温度になっている。貯湯槽８０内は、蓄熱水ｈの密度差により、上部に温度が高い水が、下部に温度が低い水が貯留されて温度成層が形成される。このため、形成された温度成層を極力崩さないという観点から、貯湯槽８０に流入する蓄熱水ｈの動圧が低い（流速が小さい）方が好ましい。ただし動圧が低すぎると蓄熱水管８４の径が太くなり設置スペース及び設置コストが大になるので、許容範囲内で動圧を低くする。

貯湯槽８０内に貯留された蓄熱水ｈは、上部の温度の高い水が温水ｗ１として熱需要（不図示）に供給され、温水ｗ１の熱が消費される。このように燃料電池３０で発生した熱を有効利用することにより、燃料電池システム１０の効率が向上することとなる。熱需要（不図示）に供給された温水ｗ１は、熱が利用されて温度が低下した後に貯湯槽８０の下部に戻される。あるいは、温水ｗ１の熱だけでなく温水ｗ１自体が消費される場合は、減少した分の水を補給水ｗ２として外部（例えば市水等）から貯湯槽８０の下部に導入する。これにより、貯湯槽８０の下部に温度が低い水が貯留される。貯湯槽８０下部の温度が低い蓄熱水ｈは、蓄熱水管８５を流れて熱交換器７０に導入される。熱交換器７０に導入された蓄熱水ｈは、冷却水ｃと熱交換して温度が上昇し、熱交換器７０から導出される。

熱需要（不図示）における熱の消費がなく、貯湯槽８０の下部に貯留された水（熱交換器７０に向けて導出される水）の温度が、燃料電池３０を冷却するために求められる温度（燃料電池３０の運転を継続できる温度）にまで冷却水ｃを冷却できない温度となった場合（いわゆる満蓄となった場合）、そのまま貯湯槽８０内の蓄熱水ｈを熱交換器７０に導入すると燃料電池３０の運転を継続することができなくなる。このような場合、制御装置３６は三方弁８２を切り替えて、熱交換器７０から導出された蓄熱水ｈを貯湯槽８０ではなくラジエータ８１に導く。蓄熱水管８４からラジエータ８１に導入された蓄熱水ｈは大気に放熱し、温度が低下して蓄熱水管８５に流入し、熱交換器７０に導入される。消費できない熱をラジエータ８１で放熱することで、燃料電池３０の運転を継続することができる。

ところで、前述のように、燃料電池３０における発電電力は、電力負荷及び燃料電池システム１０の消費電力の合計に対して所定の値に制御される（段落００４０参照）。商用電源９９から購入する電力をできるだけ抑制しつつ商用電源９９に悪影響を及ぼさないようにする観点から、燃料電池システム１０における燃料電池３０の最適な運転は、燃料電池システム１０の消費電力を含む電力負荷に対し所定の割合で供給する電力が釣り合っていることが望ましい。燃料電池３０における発電電力に対して燃料電池３０に供給する改質ガスｇは、前述のように水素の利用率が７０〜８０％程度、好ましくは７５％程度となる量であることが好ましい。なお、燃料電池における発電に適した水素の利用率は、燃料電池の個性や種類あるいは構築する燃料電池システムによって変動する場合があり、本実施の形態では７０〜８０％程度であるとして説明しているが、例えば改質器の燃焼部における燃焼が不安定になること（未燃、失火等）を防ぐことができ、燃料電池の劣化を防ぐことができれば、７０〜８０％程度以外の値であってもよい。

できるだけ燃料電池３０における発電に適した水素の利用率となるように改質ガスｇが燃料電池３０に供給されることが好ましいが、燃料電池３０に供給される改質ガスｇの量は、改質部２５に導入される原料ｍ１の量に基づいているため、燃料電池３０に導入する改質ガスｇ量を増減する指令を出してから実際に反映されるまでにタイムラグが生じる。このタイムラグは、およそ原料ｍ１を改質部２５に導入し改質ガスｇが生成されて燃料電池３０まで到達するのに要する時間分である。電力負荷９８は、上述のタイムラグに相当する時間よりも短時間で消費電力が変動する場合がある（以下、この短時間を「急激」と表現することもある。）。電力負荷９８の消費電力が急激に増加した場合は、商用電源９９から不足分の電力供給を受ければよい。逆に電力負荷９８の消費電力が急激に減少した場合は、電気ヒータ１３で余剰電力（燃料電池３０の発電電力から電力負荷９８の消費電力を差し引いた値）を消費する。ところが、本実施の形態では、重量、容積、コストを低減する観点から電気ヒータ１３の容量を燃料電池３０の定格出力未満の容量ととしたため（段落００２９参照）、余剰電力を電気ヒータ１３で消費しきれない場合が生じうる。余剰電力を電気ヒータ１３で消費しきれない場合でも余剰電力を逆潮流しないようにするため、燃料電池システム１０では以下のような制御を行う。

図３は、電力負荷９８における消費電力が変動したときの燃料電池システム１０の制御を説明するフローチャートである。燃料電池システム１０は、定常運転（燃料電池３０から電力負荷９８に対し所定の割合（例えば合計消費電力の９０％）で供給する電力が燃料電池３０の発電電力と釣り合っている状態の運転）をしているときに（ＳＴ１）、電力計４５で検出した商用電源９９から供給される電力とパワーコンディショナ３４で設定された燃料電池３０で発電される電力とから、電力負荷９８の消費電力を把握し、電力負荷９８の消費電力が急減したか否かを判断する（ＳＴ２）。急減していない場合は、燃料電池システム１０を定常運転する工程（ＳＴ１）に戻る。

電力負荷９８の消費電力が急減した場合、制御装置３６はパワーコンディショナ３４に信号を送信して燃料電池３０の発電電力を急減させると共に、改質部２５に供給される原料ｍ１及びプロセス水（不図示）の量を減少させる（ＳＴ３）。このとき制御装置３６は、燃焼部２３に供給される燃焼用空気ａの流量を急減前の流量に固定する（ＳＴ４）。工程ＳＴ３、ＳＴ４において、燃料電池３０の発電電力の減少幅は、アノードオフガスｐが流入した燃焼部２３における燃焼比（「燃焼用空気ａの量」／「アノードオフガスｐ中の可燃成分の量」）が所定の比率の範囲内となる最小値を限度とする。また、原料ｍ１及びプロセス水（不図示）の量は、急減した電力を発電する際に燃料電池３０に供給されるべき改質ガスｇを生成するのに要する流量に減少させる。燃焼用空気ａの流量を急減前の流量に固定するのは、原料ｍ１等を減少させた効果がアノードオフガスｐ中に現れるまでにタイムラグがある反面、燃料電池３０の発電電力を急激に低下させると水素の利用率が低下することに伴ってアノードオフガスｐ中の水素含有量が増加するため、仮に燃料電池３０の発電電力の減少に追随させて燃焼部２３への燃焼用空気ａの供給量を減らすとアノードオフガスｐを燃焼させるための酸素が不足してアノードオフガスｐ中の可燃成分が不完全燃焼となって排ガスｅ中に許容量を超える一酸化炭素が含まれうるからである。なお、燃料電池３０の発電電力を急減させてもなお余剰電力があるときは、制御装置３６は開閉器４３を開にさせて電気ヒータ１３で余剰電力を消費させる。このようにすると、確実に商用電源９９への逆潮流を防ぐことができる。

燃焼用空気ａの流量を急減前の状態に固定したままの状態（ＳＴ４）で燃料電池３０の発電電力を急減（ＳＴ３）したら、制御装置３６は燃料電池３０の発電電力を急減してから設定期間が経過したか否かを判断する（ＳＴ５）。ここで「設定期間」とは、典型的には、原料ｍ１等を減少させた効果がアノードオフガスｐ中に現れるまでの時間であり、アノードオフガスｐ中の水素の量が定常運転時の水素の利用率の際にアノードオフガスｐ中に含まれる水素の量に戻るまでの時間である。工程ＳＴ５において、設定期間が経過していないときは、燃焼用空気ａの流量を急減前の流量に固定する工程（ＳＴ４）に戻る。設定期間が経過したときは、燃焼用空気ａの流量を定常運転時の燃焼比の流量まで予め定められた勾配で徐々に減少させる（ＳＴ６）。燃焼用空気ａの流量を予め定められた勾配で減少させることで、比較的安定した状態で燃料部２３における燃焼を定常運転時の燃焼比に戻すことができる。制御装置３６は、燃焼用空気ａの流量の減少が完了したか否か（燃焼用空気ａの流量が定常運転時の燃焼比の流量まで減少したか否か）を判断し（ＳＴ７）、完了していなければ燃焼用空気ａの流量を減少させる工程（ＳＴ６）に戻り、完了していれば燃料電池システム１０が定常運転している工程（ＳＴ１）に戻る。

図４に、時間経過に対する、燃料電池３０の発電電力並びに原料ｍ１及びプロセス水を減少させたときの燃焼用空気ａの流量変化と、燃焼部２３からの排ガスｅに含まれる一酸化炭素濃度の関係のグラフを示す。図４（ａ）は本発明に係る実施の形態のように燃料電池３０の発電電力を急減させてから設定期間経過後に燃焼用空気ａの流量を減少させた場合、図４（ｂ）は燃料電池３０の発電電力の急減と共に燃焼用空気ａの流量を減少させた場合のグラフである。図４（ａ）に示す本発明に係る実施の形態の場合は排ガスｅに含まれる一酸化炭素濃度は僅か（例えば、排ガスｅ中の一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍまで許容される、あるいは、排ガスｅ中の一酸化炭素濃度が５０ｐｐｍまで許容される等、大気に放出しても問題ない程度）であるのに対し、図４（ｂ）に示す場合は高濃度の一酸化炭素が含まれることとなる。このように、本発明に係る実施の形態（図４（ａ）のグラフ）では、燃料電池３０の発電電力を急減させても燃焼部２３における燃焼を安定に行うことができる。

以上で説明したような制御をすることで、電気ヒータ１３の容量が燃料電池の定格発電電力よりも小さい場合でも、余剰電力が逆潮流することを防ぎつつ、改質器２０の燃焼部２３における燃焼が不安定となることを回避することができる。

なお、上述の燃料電池３０の発電電力を急減させる制御を利用することで、メータ１５を備えた燃料電池システム１０において、所定の期間を超えて燃料電池３０からほぼ一定の出力を得ることができる。上述のように、メータ１５は、内部を流れる原料ｍ１が所定の期間にわたって所定の変動幅の範囲内にあるときは、たとえ一定の電力需要が継続してあったとしても、原料ｍ１の漏洩があったと推定して安全装置が作動してしまうが、以下に説明する制御をすることでメータ１５の安全装置の誤作動を回避することができる。

図５は、メータ１５の安全装置の誤作動を回避する制御を説明するフローチャートである。燃料電池システム１０は、定常運転をしているときに（ＳＴ１１）、メータ１５で原料ｍ１の流量変動を検出している。制御装置３６は、今回のスパンの原料ｍ１の平均流量を前回のスパンの平均流量と比較し、流量差が所定の変動幅内にあるか否かを判断する（ＳＴ１２）。この工程ＳＴ１２における判断は、メータ１５自体でも行われており、原料ｍ１の流量の変動なく所定の期間が経過したときにメータ１５の安全装置が作動するが、本実施の形態では各スパンの平均流量の信号が制御装置３６に送信もされている。所定の変動幅内にないとき（すなわち、実質的に流量変動があったとき）は、メータ１５の所定の期間の計測がリセットされるため、フローは燃料電池システム１０を定常運転する工程（ＳＴ１１）に戻る。他方、所定の変動幅内にあるとき（すなわち、実質的に流量変動がないとき）は、メータ１５が所定の期間の計測を開始してから（実質的に流量変動がなくなってから）「所定の期間−α」が経過したか否かを判断する（ＳＴ１３）。ここで、時間αを減じているのは、メータ１５の安全装置が作動する前に対処するためである。したがって、時間αは、少なくとも以下に説明する誤作動回避措置に要する時間を確保する。

「所定の期間−α」が経過していなければ、流量差が所定の変動幅内にあるか否かを判断する工程（ＳＴ１２）に戻る。他方、「所定の期間−α」が経過していれば、制御装置３６はパワーコンディショナ３４に信号を送信して燃料電池３０の発電電力を急減させると共に、改質部２５に供給される原料ｍ１及びプロセス水（不図示）の量を減少させる（ＳＴ１４）。このとき、燃焼部２３に供給される燃焼用空気ａの流量は、急減前の流量に固定したままとする（ＳＴ１４）。また、ここでの燃料電池３０の発電電力の減少幅は、アノードオフガスｐが流入した燃焼部２３における燃焼比（「燃焼用空気ａの量」／「アノードオフガスｐ中の可燃成分の量」）が所定の比率の範囲内となる最小値を限度とする。また、原料ｍ１及びプロセス水（不図示）の量は、急減した電力を発電する際に燃料電池３０に供給されるべき改質ガスｇを生成するのに要する流量に減少させる。燃焼用空気ａの流量を急減前の流量に固定するのは、燃焼部２３における不完全燃焼を回避するためである。なお、燃料電池３０の発電電力を急減させると継続した一定の需要がある電力負荷９８への供給電力が不足することとなるが、このときの不足分は商用電源９９から供給される電力を増加させることで賄う。

制御装置３６は、燃料電池３０の発電電力の急減及び原料ｍ１の流量の減少等（ＳＴ１４）を行ったら、一定の期間が経過したか否かを判断する（ＳＴ１５）。一定の期間は、メータ１５が原料ｍ１の流量を平均する基準となるスパンである。一定の期間が経過していないときは、燃料電池３０の発電電力を急減した状態及び原料ｍ１の流量の減少等（ＳＴ１４）を維持する。他方、一定の期間が経過したときは、メータ１５の所定の期間の計測がリセットされるため、燃料電池３０の発電電力を電力負荷９８の消費電力に応じた出力に増加させる（ＳＴ１６）。燃料電池３０の発電電力の増加に伴って、改質部２５への原料ｍ１の供給量及びプロセス水の供給量も増加させる。燃料電池３０の発電電力の増加等（ＳＴ１６）を行ったら、燃料電池システム１０は、定常運転の状態に戻る（ＳＴ１１）。

以上で説明したような制御をすることで、メータ１５の安全装置の誤作動を回避して、所定の期間を超えて燃料電池３０からほぼ一定の出力を得ることができる。この間、一定の期間（１スパン）だけ燃料電池３０の発電電力が減少することとなるが、減少した電力は商用電源９９から供給される電力で賄うことができる。この制御により、メータ１５が誤作動してリセットするために燃料電池システム１０を一旦停止する場合に比べて、燃料電池システム１０を有効利用することができる。なお、以上の説明では、各スパンの平均流量の信号がメータ１５から制御装置３６に送信され、制御装置３６からパワーコンディショナ３４に燃料電池３０の発電電力を急減させる信号が送信されることとして説明したが、メータ１５自体が「所定の期間−α」が経過したか否かを判断（ＳＴ１３）して、メータ１５からパワーコンディショナ３４に燃料電池３０の発電電力を急減させる信号が送信されることとしてもよい。この場合、メータ１５が制御装置を内蔵していることとなる（すなわち、メータ１５が制御装置を兼ねていることとなる）。

また、以上の説明では、電気ヒータ１３を冷却水管７４に設けることとしたが、蓄熱水管８４に設けてもよく、あるいは冷却水管７４及び蓄熱水管８４に設けてもよい。また、以上の説明では、電力消費負荷が電気ヒータ１３であるとしたが、余剰電力を消費することができれば電気ヒータ１３以外の公知の電力消費機器（キャパシタ、抵抗器、冷却ファン等）であってもよい。例えば電力消費負荷をキャパシタとした場合は、蓄えた電力を任意の時間に有効に利用することができる。電力消費負荷を電気ヒータ１３とすると、余剰電力を変換した熱を貯湯槽８０に蓄えて、有効に利用することが可能となる。

以上の説明では、電気ヒータ１３が交流電力を受電することとしたが、パワーコンディショナ３４から直流電力を受電することとしてもよい。

以上の説明では、改質器２０の燃焼部２３で発生する排ガスｅをそのまま系外へ排出することとしたが、排ガスｅの熱を回収して貯湯槽８０に蓄えることとしてもよい。この場合、例えば、排ガス管５９を流れる排ガスｅの熱と蓄熱水管８４を流れる蓄熱水ｈの熱（あるいは冷却水管７４を流れる冷却水ｃの熱）とで熱交換を行わせる熱交換器を設けるとよい。

以上の説明では、燃料電池３０が固体高分子形燃料電池であるとして説明したが、りん酸形燃料電池等の固体高分子形燃料電池以外の燃料電池であってもよい。しかしながら、固体高分子形燃料電池とすると、比較的低温で運転することができ、装置を小型化できるので、一般家庭等に設置するのに適している。

本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの模式的系統図である。 電力消費負荷の容量を燃料電池の容量との比較で説明するグラフである。 電力負荷における消費電力が急減したときの燃料電池システムの制御を説明するフローチャートである。 時間経過に対する燃料電池の発電電力、原料、プロセス水を減少させたときの燃焼用空気の流量変化と一酸化炭素濃度の関係を示すグラフである。（ａ）は本発明の実施の形態に係るもののグラフ、（ｂ）は従来のもののグラフである。 メータの安全装置の誤作動回避の制御を説明するフローチャートである。

符号の説明

１０ 燃料電池システム
１３ 電気ヒータ
１５ メータ
２０ 改質器
２３ 燃焼部
２９ 空気ブロワ
３０ 燃料電池
３４ パワーコンディショナ
３６ 制御装置
５７ 燃料管
８０ 貯湯槽
９８ 電力負荷
９９ 商用電源
ａ 燃焼用空気
ｇ 改質ガス
ｍ１ 原料
ｐ アノードオフガス

Claims (4)

1. 水素と酸素との電気化学的反応により電力負荷に供給する電力を発電する燃料電池であって、商用電源に連系された燃料電池と；
   原料を導入し加熱して改質することにより前記燃料電池に供給する水素を含有する改質ガスを生成する改質器であって、前記燃料電池における電気化学的反応に使用されなかった水素を含むアノードオフガスと燃焼用空気とを導入して燃焼させることにより前記原料の改質に用いる改質熱を発生させる燃焼部を有する改質器と；
   前記燃料電池の発電電力を調節する発電電力調節手段と；
   前記燃料電池の運転中に前記電力負荷の消費電力が急減したときに、前記燃焼部に供給される前記燃焼用空気の量の、前記燃焼部に供給される前記アノードオフガス中の可燃成分の量に対する比が、所定の比率となる範囲内で前記燃料電池の発電電力を急減するように前記発電電力調節手段を制御する制御装置とを備える；
   燃料電池システム。
2. 前記燃料電池において発生する余剰電力を消費する、前記電力負荷とは異なる電力消費負荷を備え；
   前記電力消費負荷は、許容される最大の範囲で急減したときの前記燃料電池の発電電力を前記燃料電池の最大発電電力から差し引いた容量を超える容量、かつ、前記燃料電池の定格発電電力よりも小さい容量に構成された；
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記電力消費負荷が電気ヒータで構成され；
   前記燃料電池における電気化学的反応によって発生した熱及び前記電気ヒータで発生した熱を蓄える蓄熱槽を備える；
   請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 水素と酸素との電気化学的反応により電力負荷に供給する電力を発電する燃料電池であって、商用電源に連系された燃料電池と；
   原料を導入し加熱して改質することにより前記燃料電池に供給する水素を含有する改質ガスを生成する改質器であって、前記燃料電池における電気化学的反応に使用されなかった水素を含むアノードオフガスと燃焼用空気とを導入して燃焼させることにより前記原料の改質に用いる改質熱を発生させる燃焼部を有する改質器と；
   前記燃料電池の発電電力を調節する発電電力調節手段と；
   前記原料を前記改質器に導入するための原料供給ラインに配設され、前記原料の流量の変動が所定の期間にわたって所定の変動幅の範囲内にあるときに安全装置が作動するメータと；
   前記原料の流量の変動が前記所定の変動幅にある期間が前記所定の期間を経過する前に、前記燃焼部に供給される前記燃焼用空気の量の、前記燃焼部に供給される前記アノードオフガス中の可燃成分の量に対する比が、所定の比率となる範囲内で前記燃料電池の発電電力を急減するように前記発電電力調節手段を制御する制御装置とを備える；
   燃料電池システム。

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