JP6734206B2 - 燃料電池装置、燃料電池システム、および制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池装置、燃料電池システム、および燃料電池装置を制御する制御装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と酸素含有ガス（空気）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを備える燃料電池装置が提唱されている。

このような、燃料電池装置では、発電を行う燃料電池から排気される高温の排ガスによって水道水等を加熱して湯水を生成し、給湯している。一方、水道水等によって排ガスが冷却されて水分が凝縮し、得られた凝縮水を改質反応等に再利用している。

特許文献１記載のコンバインシステムは、エネルギー効率を向上させるために、凝縮水タンクの水位、給湯量、貯湯層の水温などを検出し、検出結果に基づいてシステムの動作を制御している。

特開２００１−３２５９８２号公報

大規模な電力消費施設に複数の燃料電池装置を設置する場合は、要求される発電電力に対して、複数の燃料電池装置にそれぞれ発電電力を割り当てるように制御している。このような制御においてもエネルギー効率の向上が求められているが、単に均等割りなどの割り当てを行うと、熱媒体の冷却ユニットにおいて、熱媒体の凍結などが発生してしまう

本実施形態に係る燃料電池装置は、燃料電池セルを含む燃料電池セルユニットと、他の燃料電池装置の周囲の温度を取得する温度取得ユニットと、生じた排ガスからの熱を受けた媒体を冷却する冷却ユニットを有する他の燃料電池装置の周囲温度が、所定の温度より低い場合、前記冷却ユニットが駆動しないように制御する、少なくとも１つのプロセッサと、を含む。

本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池セルを含む燃料電池セルユニットと、周囲の温度を測定する温度検出ユニットと、生じた排ガスからの熱を受けた媒体を冷却する冷却ユニットと、を備える燃料電池装置の複数個と、複数個のうちのいずれかの燃料電池装置の周囲温度が、所定の温度より低い場合、当該燃料電池装置の前記冷却ユニットが駆動しないように制御する、少なくとも１つのプロセッサと、を含む。

本実施形態に係る制御装置は、第１の燃料電池装置の周囲温度を取得する、温度取得ユニットと、生じた排ガスからの熱を受けた媒体を冷却する冷却ユニットを有する第１の燃料電池装置の周囲温度が、所定の温度よりも低い場合、前記冷却ユニットが駆動しないように制御する、少なくとも１つのプロセッサと、を含む。

本実施形態に係る燃料電池装置は、他の燃料電池装置の周囲の温度が低い場合に、他の燃料電池装置の冷却ユニットを駆動しないように制御することで、他の燃料電池装置の熱媒体の凍結を抑制することができる。

本実施形態に係る燃料電池システムは、複数個の燃料電池装置のうちの他の燃料電池装置の周囲の温度が低い場合に、他の燃料電池装置の冷却ユニットを駆動しないように制御することで、他の燃料電池装置の熱媒体の凍結を抑制することができる。

本実施形態に係る制御装置は、周囲の温度が低い燃料電池装置に対して冷却ユニットを駆動しないように制御することで、燃料電池装置の熱媒体の凍結を抑制することができる。

本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 燃料電池装置の機能を示すブロック図である。 システム制御装置の電気的構成を示すブロック図である。 発電電力と排ガス温度との関係を示すグラフの一例である。 発電電力と排ガス温度との関係および発電電力と循環水温度との関係を示すグラフの一例である。 燃料電池システムの制御を説明するためのフローチャートである。 変形例の燃料電池システムの制御を説明するためのフローチャートである。 他の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。

図１は、燃料電池システムの構成を示すブロック図であり、図２は、燃料電池装置の機能を示すブロック図である。燃料電池システムＳは、複数の燃料電池装置１，２，…Ｎおよびシステム制御装置１００を含んでいる。複数の燃料電池装置１，２，…Ｎのそれぞれは、システム制御装置１００とデータ通信可能に接続されている。接続方法は、無線通信接続であってもよく、有線通信接続であってもよい。また、全ての燃料電池装置１，２，…Ｎが、同じ接続方法であってもよく、燃料電池装置ごとに、接続方法が異なっていてもよい。燃料電池システムＳの各燃料電池装置には、各燃料電池装置によって発電された直流電力を交流電力に変換し、変換された電力を統合して外部負荷２００への供給量を調整するためのパワーコンディショナ１０１が接続されている。パワーコンディショナ１０１は、システム制御装置１００とも接続されており、システム制御装置１００は、外部負荷２００への電力供給量に関連する情報を、パワーコンディショナ１０１から取得することができる。

各燃料電池装置は、同じ構成であるので、以下では、燃料電池装置１，２，…Ｎのうち、燃料電池装置１についてのみ説明し、燃料電池装置２，…Ｎについての説明は省略する。燃料電池装置１は、燃料電池本体３１と給湯装置５０とを含んでいるが、燃料電池装置は給湯装置を含まなくてもよい。

燃料電池本体３１は、燃料電池セル３４および改質器３５を有する燃料電池セルユニット３６と、都市ガス等の原燃料を燃料電池セルユニット３６に供給する原燃料供給装置３２と、空気等の酸素含有ガスを燃料電池セルユニット３６に供給するための酸素含有ガス供給装置３３と、を備えている。また、図示していないが、燃料電池セル３４と改質器３５との間の空間には、燃料電池セル３４の発電に使用されなかった余剰の燃料ガスを燃焼させるための着火装置が配置された燃焼部を設けるほか、燃焼後の排ガスや燃料電池セル３４から排出される発電に使用されなかった排ガスを浄化するための浄化装置を設けることができる。なお、燃料電池セル３４としては、固体酸化物形の燃料電池セルを組み合わせてなる燃料電池セル３４とすることができるが、固体酸化物形に限定されない。

また、図２に示す燃料電池本体３１においては、燃料電池セル３４の発電により生じた排ガスと熱交換のための媒体である熱媒水との間で熱交換を行なう熱交換器３７（熱交換ユニット）を備えている。熱交換器３７において、熱媒水は、排ガスからの熱を受けて温度が上昇する。さらに、熱交換器３７において熱媒水により排ガスが冷却されて生成した凝縮水を純水に処理するための水処理装置３８、水処理装置３８にて処理された水（純水）を貯水するための凝縮水タンク３９が設けられており、凝縮水タンク３９と熱交換器３７との間が凝縮水導水管４０により接続されている。なお、水処理装置３８としては、例えばイオン交換樹脂を備えるイオン交換樹脂装置を用いることができる。図２に示す給湯装置５０においては、熱媒水を蓄える蓄熱タンク５１と、熱交換器３７と蓄熱タンク５１との間で熱媒水が循環する循環流路である循環部１３と、蓄熱タンク５１に接続されて水道水が供給される入水管５２と、蓄熱タンク５１に接続されて蓄熱タンク５１に貯留された湯水を出湯する出湯管５３と、を備えている。

凝縮水タンク３９に貯水された水は、凝縮水タンク３９と改質器３５とを接続する改質水供給管４１に備えられた水ポンプ４２により改質器３５に供給される。図２に示す燃料電池本体３１には、燃料電池装置１が備える各種機器の動作を制御するＦＣ制御部４３が設けられている。

さらに、燃料電池本体３１においては、循環部１３に設けられるラジエータ４５と、循環ポンプ４６と、入口温度センサ４７（循環温度取得ユニット）と、出口温度センサ４８と、を備えている。ラジエータ４５は、熱交換器３７に流入する熱媒水を冷却する冷却ユニットである。循環ポンプ４６は、ラジエータ４５と熱交換器３７との間に配設され、熱媒水を、蓄熱タンク５１、ラジエータ４５および熱交換器３７をこの順に循環させる調節ユニットである。さらに、入口温度センサ４７は、循環部１３の熱交換器３７の入口側に、熱交換器３７に流入する熱媒水の温度（循環温度）を測定するために設けられており、出口温度センサ４８は、熱交換器３７の出口側に、熱交換器３７より流出する熱媒水の温度を測定するために設けられている。

ＦＣ制御部４３は、システム制御装置１００から通知される発電電力に応じて、原燃料供給装置３２、酸素含有ガス供給装置３３、水ポンプ４２の各装置の動作を制御するほか、入口温度センサ４７、出口温度センサ４８により測定された温度情報に基づいて、ラジエータ４５の動作、循環ポンプ４６の動作を制御する。なお、ＦＣ制御部４３は、マイクロコンピュータを有しており、入出力インターフェイス、少なくとも１つのプロセッサであるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ‐Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）およびＲＯＭ（Ｒｅａｄ‐Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）を備えている。なお、ＣＰＵは、燃料電池装置１の運転処理を実施するものであり、ＲＯＭは動作制御プログラム、通信プログラムなどの各種プログラムおよびプログラム実行時に参照される閾値（基準値）を記憶するものであり、ＲＡＭはプログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものである。

ＦＣ制御部４３は、さらにシステム制御装置１００とデータ通信可能に構成されている。データ通信に用いられる通信方式は、どのようなものであってもよい。

ここで、燃料電池装置１の運転方法について説明する。燃料電池装置を運転させるにあたり、システム制御装置１００から、燃料電池装置ごとに発電量が通知される。ＦＣ制御部４３は、システム制御装置１００から通知された発電量に応じて、自装置の運転条件を決定する。

燃料電池セル３４の発電に必要な燃料ガスを生成するにあたり、ＦＣ制御部４３は原燃料供給装置３２、水ポンプ４２を動作させる。それにより、改質器３５に原燃料（天然ガス、灯油等）と水とが供給され、改質器３５で水蒸気改質を行なうことにより、水素を含む改質燃料ガスが生成されて燃料電池セルの燃料極層側に供給される。

一方、ＦＣ制御部４３は酸素含有ガス供給装置３３を動作させることにより、燃料電池セルの酸素極層側に酸素含有ガス（空気）を供給する。

なお、ＦＣ制御部４３は燃料電池セルユニット３６において着火装置を作動させることにより、燃料電池セル３４の発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させることができる。それにより、燃料電池セルユニット３６の温度（燃料電池セル３４や改質器３５の温度）が上昇し、エネルギー効率のよい発電を行なうことができる。

燃料電池セル３４の発電に伴って生じた排ガスは、浄化装置にて浄化された後、熱交換器３７に供給され、循環部１３を流れる熱媒水との間で熱交換される。熱交換器３７での熱交換により燃料電池セルユニット３６より排出される排ガスに含まれる水が凝縮水となり、凝縮水導水管４０を介して、水処理装置３８に供給される。凝縮水は、水処理装置３８にて純水とされて、凝縮水タンク３９に貯水される。凝縮水タンク３９に貯水された水は、水ポンプ４２により改質水供給管４１を介して改質器３５に供給される。このように、凝縮水を有効利用することにより、水自立運転を行なうことができる。

給湯装置５０では、入口温度センサ４７、出口温度センサ４８により測定された温度情報に基づいてＦＣ制御部４３が、循環ポンプ４６を制御し、循環部１３を流れる循環水の流量を制御している。給湯に使用されるなどして蓄熱タンク５１に蓄えられた給湯用の熱媒水の温度が低下すると、入口温度センサ４７で測定された温度に基づいて、循環水を加熱するために、熱交換器３７における熱交換効率を上げるべく、循環水の流量を減少させる。熱交換器３７に流入する前の循環水である熱交換前媒体の温度が、予め定める基準液温よりも高いときには、熱交換器３７において排ガス中水分が凝縮しない場合があるので、ラジエータ４５を動作させ、冷却された循環水を熱交換器３７に流入させる。

なお、上述の例においては熱交換器３７にて生成される凝縮水のみを改質器３５に供給する構成の燃料電池装置１について説明したが、改質器３５に供給する水として水道水を利用することもできる。この場合、水道水に含まれる不純物を処理するための水処理装置として、例えば、活性炭フィルター、逆浸透膜装置、イオン交換樹脂装置等を、この順に接続することで、純水を効率よく精製することができる。なお、水道水を用いる場合においても、水処理装置３８にて生成した純水が、凝縮水タンク３９に貯水されるよう各装置を接続する。

本実施形態の燃料電池装置１は、燃料電池装置１が設置されている周囲温度を検出する温度検出ユニットである温度センサ４４をさらに備えている。温度センサ４４は、燃料電池装置１の周囲の雰囲気温度を検出可能に設けられている。温度センサ４４は、検出結果をＦＣ制御部４３に出力可能に構成されていればよい。温度センサ４４は、特にラジエータ４５により近い位置で周囲温度を測定可能であればよい。ＦＣ制御部４３に入力された検出結果である周囲温度は、ＦＣ制御部４３からシステム制御装置１００に送信される。

システム制御装置１００は、以下にさらに詳細に述べられるように、種々の機能を実行するための制御および処理能力を提供するために、少なくとも１つのプロセッサ１１０を含む。種々の実施形態によれば、少なくとも１つのプロセッサ１１０は、単一の集積回路（ＩＣ）として、又は複数の通信可能に接続された集積回路及び／又はディスクリート回路（discrete circuits）として実行されてもよい。少なくとも１つのプロセッサ１１０は、種々の既知の技術に従って実行されることが可能である。ある実施形態において、プロセッサ１１０は、１以上のデータ計算手続又は処理を実行するために構成された１以上の回路又はユニットを含む。例えば、プロセッサ１１０は、１以上のプロセッサ、コントローラ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路（ASIC）、デジタル信号処理装置、プログラマブルロジックデバイス、フィールドプログラマブルゲートアレイ、又はこれらのデバイス若しくは構成の任意の組み合わせ、又は他の既知のデバイスおよび構成の組み合わせを含み、以下に説明される機能を実行してもよい。

システム制御装置１００は、図３のブロック図に示すように、ＣＰＵ１１０、ＲＡＭ１１１、ＲＯＭ１１２および通信インターフェイス１１３を備える。ＣＰＵ１１０は、各燃料電池装置の動作制御を実施するものであり、ＲＯＭは動作制御プログラム、通信プログラムなどの各種プログラムおよびプログラム実行時に参照される閾値（基準値）を記憶する記憶ユニットであり、ＲＡＭはプログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものである。システム制御装置１００は、例えば、汎用のパーソナルコンピュータまたはサーバコンピュータなどの情報処理装置で実現されてもよい。温度取得ユニットである通信インターフェイス１１３を介してシステム制御装置１００は、燃料電池装置１〜Ｎとデータ通信を行い、少なくとも各燃料電池装置からは、温度センサ４４で検出された周囲温度を取得し、各燃料電池装置に対しては、燃料電池装置ごとに出力すべき発電電力を通知することで各燃料電池装置の動作を制御する。なお、システム制御装置１００は、周囲温度以外に各燃料電池装置から装置動作に関連する各種情報を取得してもよい。

システム制御装置１００は、通信インターフェイス１１３を介してパワーコンディショナ１０１ともデータ通信を行い、外部負荷２００に供給すべき電力（供給電力）を取得する。システム制御装置１００は、取得した供給電力および予め定める割り当て条件に基づいて、各燃料電池装置に設定すべき発電電力を決定し、決定した発電電力を各燃料電池装置に対して通知する。通知を受けた各燃料電池装置は、通知された発電電力を出力できるように、ＦＣ制御部４３が燃料電池装置の動作を制御する。以下では、予め定める割り当て条件について説明する。

例えば、従来では、各燃料電池装置に対して、発電電力を均等に割り当てるという割り当て条件を用いている。これは、供給電力をＡとし、燃料電池装置の台数をＮとしたとき、各燃料電池装置に設定すべき発電電力を、一律にＡ／Ｎに決定する。しかしながら、各燃料電池装置が設置される環境は全て同一とは限らない。例えば、燃料電池装置の中には、周囲温度が比較的低い第１の燃料電池装置と比較的高い第２の燃料電池装置とが存在する。

燃料電池装置１は、発電電力が多いほど、排ガスの温度が高くなり、熱交換器３７に流入する循環水の温度が高くなるので、水自立運転を行うために、前述のようにラジエータ４５を駆動させて循環水の温度を低下させている。燃料電池装置１が設置されている環境によっては、該装置の周囲温度が予め定める基準温度よりも低いような低温環境となる場合もある。この場合にラジエータ４５が駆動すると、循環水が過剰に冷却され、ラジエータ４５内で循環水が凍結する場合がある。凍結が生じないようにするために、例えば、周囲温度が低い燃料電池装置（低温装置）については、設定する発電電力を、他の燃料電池装置よりも小さくして、熱交換前の循環水の温度を低くし、ラジエータ４５が駆動しないように制御する。割り当て条件としては、例えば、低温装置の発電電力を、ラジエータ４５が駆動しない程度の低発電電力とし、外部負荷２００への供給電力から低発電電力を除いた残余の電力を、低温装置以外の他の燃料電池装置に均等に割り当てて各燃料電池装置に設定する発電電力を決定する。または、低温装置以外の他の燃料電池装置の発電電力を、最大の発電電力とし（例えば３ｋＷ）、外部負荷２００への供給電力から（最大の発電電力×最大の発電電力で発電する他の燃料電池装置の台数）を除いた残余の発電電力が、低発電電力の範囲内であれば、低温装置の発電電力として決定する。これにより、外部負荷２００への供給電力を確保できるとともに、ラジエータ４５駆動による循環水の凍結を抑制することができる。

このような制御は、例えば、予め発電電力と排ガス温度との関係を示すグラフまたはテーブル（対応表）などをＲＯＭ１１２に記憶させておき、これを参照することで容易に可能となる。図４は、発電電力と排ガス温度との関係を示すグラフの一例である。図４に示す例によれば、燃料電池装置の発電電力が０．５〜２．０ｋｗの範囲内では、排ガス温度が比較的低温となり、ラジエータ４５を駆動しないようにすることができる。低温装置に対しては、発電電力を０．５〜２．０ｋｗの範囲内に決定すれば、低温装置ではラジエータ４５が駆動しないので、循環水の凍結を抑制することができる。本例では、３台の燃料電池装置１〜３を制御し、そのうちの燃料電池装置３が低温装置であり、外部負荷２００への供給電力が７．２ｋｗの場合を示している。低温装置ではない燃料電池装置１，２については、最大の発電電力である３ｋｗとし、低温装置については、０．５〜２．０ｋｗの範囲内である１．２ｋｗ（＝７．２−３×２）とする。これにより、低温装置の燃料電池装置３は、ラジエータ４５を駆動しないように制御することで、循環水の凍結を抑制し、外部負荷２００への供給電力を満足することができる。従来のように、７．２ｋｗを３台の燃料電池装置で均等割りした場合、それぞれの発電電力が２．４ｋｗとなり、低温装置である燃料電池装置３において、ラジエータ４５が駆動し、循環水が凍結してしまう可能性が高い。

なお、発電電力と排ガス温度との関係は、燃料電池装置の構成、仕様などによって異なるので、予め実験などによりグラフまたはテーブルなどを作成しておき、ＲＯＭ１１２に記憶させておけばよい。

上記の制御は、外部負荷２００への供給電力が比較的小さい場合、すなわち、供給電力が予め定める基準電力以下である場合の制御である。この場合には、燃料電池システムＳにおいて、上記のような割り当て条件で動作させることができる。これに対して、外部負荷２００への供給電力が比較的大きい場合、すなわち、供給電力が予め定める基準電力よりも大きい場合には、燃料電池システムＳにおいて、供給電力の確保と循環水の凍結抑制とを両立することが難しい。

そこで、供給電力が比較的大きい場合には、低温装置の発電電力を、ラジエータ４５が駆動しない程度の低発電電力（第１低電力）よりも大きい低発電電力（第２低電力）とする。ただし、このままでは、低温装置において、ラジエータ４５が駆動して循環水の凍結が生じてしまう可能性があるので、第２発電電力で通常設定されている循環ポンプの制御の値よりも回転数を増やすなどして循環水の流量を大きくしてもよい。また、循環水の流量を低温装置以外の燃料電池装置の循環水の流量よりも大きくしてもよい。循環水の流量を大きくすることで、熱交換器３７内に循環水が滞留する時間が短縮され、熱交換効率が低下する。熱交換効率が低下すると循環水の温度が上昇しにくくなるので、発電電力を第２低電力に設定しても、循環水の凍結を抑制することができる。

このような制御は、例えば、予め発電電力と排ガス温度との関係および発電電力と循環水温度との関係を示すグラフまたはテーブル（対応表）などをＲＯＭ１１２に記憶させておき、これを参照することで容易に可能となる。図５は、発電電力と排ガス温度との関係および発電電力と循環水温度との関係を示すグラフの一例である。図５に示す例によれば、通常時の循環水温度に比べて、流量を増加させたときの循環水温度は、低く抑えられており、ラジエータ４５を駆動しないようにすることができる。低温装置に対しては、発電電力を０．５〜２．０ｋｗの範囲内に決定すれば、低温装置ではラジエータ４５が駆動しないので、循環水の凍結を抑制することができる。

本例では、３台の燃料電池装置１〜３を制御し、そのうちの燃料電池装置３が低温装置であり、外部負荷２００への供給電力が８．４ｋｗの場合を示している。供給電力の基準電力は、例えば７．９ｋｗであり、本例は、基準電力を超えている。低温装置ではない燃料電池装置１，２については、最大の発電電力である３ｋｗとし、低温装置については、０．５〜２．０ｋｗの範囲内である１．９ｋｗとする。これにより、低温装置の燃料電池装置３は、ラジエータ４５を駆動しないように制御することで、循環水の凍結を抑制し、外部負荷２００への実際の供給可能な電力を、３＋３＋１．９＝７．９ｋｗとし、供給電力にできるだけ近い電力とする。

従来のように、８．４ｋｗを３台の燃料電池装置で均等割りした場合、それぞれの発電電力が２．８ｋｗとなり、供給電力は満足するが、低温装置である燃料電池装置３において、ラジエータ４５が駆動し、循環水が凍結してしまう可能性が高い。

図６は、燃料電池システムの制御を説明するためのフローチャートである。ステップＳ１において、システム制御装置１００は、燃料電池装置１〜Ｎにおいて検出された周囲温度を各燃料電池装置から取得する。燃料電池装置１〜Ｎは、システム制御装置１００からの要求に応じて温度センサ４４で周囲温度を検出し、検出結果をＦＣ制御部４３からシステム制御装置１００に送信してもよい。または、燃料電池装置１〜Ｎは、予め定めるタイミング（一定時間間隔、定時刻など）で、温度センサ４４で周囲温度を検出し、検出結果をＦＣ制御部４３からシステム制御装置１００に送信してもよい。

ステップＳ２において、システム制御装置１００は、パワーコンディショナ１０１から外部負荷２００に供給すべき供給電力を取得する。パワーコンディショナ１０１は、システム制御装置１００からの要求に応じて、要求時点での供給電力をシステム制御装置１００に送信してもよい。または、パワーコンディショナ１０１は、予め定めるタイミング（一定時間間隔、定時刻など）で、供給電力をシステム制御装置１００に送信してもよい。

ステップＳ３において、システム制御装置１００の抽出部が、ステップＳ１で取得した周囲温度と、予め定める基準温度とを比較し、基準温度よりも周囲温度が低い燃料電池装置を低温装置として抽出する。基準温度は、ＲＯＭ１１２に予め記憶しておけばよい。

ステップＳ４では、低温装置が抽出されたかどうかを判断する。ステップＳ３において、燃料電池装置１〜Ｎのうち、周囲温度が基準温度よりも低い燃料電池装置が存在したかどうかを判断すればよい。低温装置が抽出されていればステップＳ５に進む。低温装置が抽出されていなければ、現時点での動作を継続してもよく、従来の割り当て条件（均等割り）に従って、供給電力を各燃料電池装置に割り当てた発電電力を決定するようにしてもよい。

ステップＳ５では、ステップＳ２で取得した供給電力が、予め定める基準電力以下であるかどうかを判断する。基準電力以下であれば、ステップＳ６に進み、基準電力よりも大きければ、ステップＳ７に進む。基準電力は、ＲＯＭ１１２に予め記憶しておけばよい。

ステップＳ６では、システム制御装置１００の電力決定部が、低温装置の発電電力を、第１低電力に決定する。第１低電力は、低温装置以外の他の燃料電池装置に設定する発電電力よりも小さい発電電力であって、低温装置のラジエータ４５が動作しない発電電力である。低温装置に対して発電電力を第１低電力に決定するとともに、低温装置以外の他の燃料電池装置の発電電力としては、供給電力の残余の電力を均等割りした発電電力に決定してもよく、最大発電電力としてもよく、その他の割り当てをしてもよい。低温装置を含む燃料電池装置１〜Ｎの全てに対して発電電力を決定すると、決定した発電電力を各燃料電池装置に送信して通知する。

各燃料電池装置では、通知された発電電力に応じてＦＣ制御部４３が燃料電池装置の動作を制御する。

ステップＳ７では、システム制御装置１００の電力決定部が、低温装置の発電電力を、第２低電力（＞第１低電力）に決定する。第２低電力は、第１低電力と同様に、低温装置以外の他の燃料電池装置に設定する発電電力よりも小さい発電電力であって、第１低電力よりも大きい発電電力である。低温装置に対して発電電力を第２低電力に決定するとともに、低温装置以外の他の燃料電池装置の発電電力としては、上記のように供給電力の残余の電力を均等割りした発電電力に決定してもよく、最大発電電力としてもよく、その他の割り当てをしてもよいが、他の燃料電池装置が発電可能な最大電力を超えて割り当てることはできないので、均等割りした結果、最大電力を超えてしまう場合は、他の燃料電池装置の発電電力を最大発電電力に決定する。低温装置を含む燃料電池装置１〜Ｎの全てに対して発電電力を決定すると、決定した発電電力を各燃料電池装置に送信して通知する。

ステップＳ８では、システム制御装置１００の流量制御部が、低温装置の給湯装置５０において、循環水の流量を増加させるために、第２発電電力で通常設定されている循環ポンプの制御の値よりも回転数を増やしてもよい。また、循環水の流量を低温装置以外の燃料電池装置の循環水の流量よりも大きくしてもよい。ここでの流量は、低温装置の発電電力をステップＳ７で決定した発電電力としたときに、ラジエータ４５が駆動しない流量とする。循環水の流量は、給湯装置５０の循環ポンプ４６を制御すればよい。

各燃料電池装置に設定した第２低電力と最大電力との総和が、供給電力に満たない場合であっても、供給電力は変動することもあり、一時的に不足しても燃料電池システムＳ全体として大きな不具合とはならない可能性が高い。これに対して、ラジエータ４５が動作することによって循環水が循環部１３において凍結すると、配管が破損するなど修復困難な不具合が発生する可能性が高いので、低温装置に対しては、設定すべき発電電力を、第１低温電力よりもなるべく大きい電力とし、ラジエータ４５を動作させないように、循環水の流量を増加させている。

上記の抽出部、電力決定部および流量制御部は、例えばＲＯＭ１１２に記憶されたプログラムをＣＰＵ１１０およびＲＡＭ１１１が実行することによって実現される。

以上の動作により、循環水の凍結を抑制して、長期にわたり安定して発電を継続可能とすることにより、エネルギー効率を向上させることができる。

次に、本実施形態の変形例について説明する。上記では、低温装置において、ラジエータ４５が駆動しないような制御として、低温装置の発電電力を比較的小さく設定する、または低温装置の発電電力を比較的小さくするとともに循環水の流量を比較的大きく設定する、としている。これに限らず、システム制御装置１００が、低温装置に対して、ラジエータ４５の駆動を停止するように、停止指示を送信してもよい。低温装置が停止指示を受信すると、ＦＣ制御部４３は、ラジエータ４５の駆動を停止する。ラジエータ４５が停止するので、循環水が凍結することを抑制できる。

図７は、変形例の燃料電池システムの制御を説明するためのフローチャートである。ステップＡ１〜Ａ４は、図６に示したステップＳ１〜Ｓ４と同じであるので、説明を省略する。ステップＡ５では、低温装置のラジエータ４５を停止させるために、システム制御装置１００は、低温装置に対してラジエータ４５の停止指示を送信する。

他の変形例について説明する。上記では、ラジエータ４５が駆動しないように制御する制御対象の低温装置を、周囲温度が基準温度よりも低い燃料電池装置としている。これに対して本変形例では、複数の燃料電池装置において、最も周囲温度が低い燃料電池装置を低温装置として抽出する。燃料電池装置が２台の構成であれば、いずれか周囲温度が低い方の燃料電池装置を低温装置とし、３台以上の構成であれば、その中で周囲温度が最も低い燃料電池装置を低温装置とする。本変形例では、例えば、図６のステップＳ３および図７のステップＡ３において、低温装置を抽出する方法が前述の方法と異なるだけであり、低温装置が抽出される前の処理および抽出された後の処理は同じであるので、詳細な説明は省略する。

次に、他の実施形態について説明する。図８は、他の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。本実施形態の燃料電池システムＳＡは、複数の燃料電池装置１ｍ，２ｓ，…Ｎｓを含む。上記の実施形態とは、システム制御装置１００を含まない点で異なっている。また、複数の燃料電池装置１ｍ，２ｓ，…Ｎｓは、燃料電池装置１ｍをマスター装置とし、その他の燃料電池装置２ｓ，…Ｎｓをスレーブ装置とするマスター／スレーブ方式のネットワークを形成している。

燃料電池装置１ｍのＦＣ制御部４３が、上記のシステム制御装置１００と同等の機能をさらに有しており、ＦＣ制御部４３のＣＰＵが、少なくとも１つのプロセッサとして機能し、ＦＣ制御部４３のＲＯＭが記憶ユニットとして機能する。例えば、燃料電池装置１ｍが、燃料電池装置２ｓ，…Ｎｓから周囲温度を取得し、自装置の周囲温度を加え、基準温度に基づいて、自装置を含む燃料電池装置１ｍ，２ｓ，…Ｎｓの中から、低温装置を抽出する。本実施形態では、複数の燃料電池装置のうちの１つの装置が、主装置として、その他の副装置を制御するので、システム制御装置１００のように別途ハードウェアを準備する必要が無い。また、システム制御装置１００に不具合が発生した場合、システムの動作が続行不可能となるが、本実施形態では、公知のマスター／スレーブ方式を採用することにより、マスター装置に不具合が発生したときには、スレーブ装置の中から新たにマスター装置を定めてシステムの動作を続行することが可能である。

本実施形態の燃料電池システムＳＡにおける制御について、例えば、マスター装置である燃料電池装置１ｍとスレーブ装置である燃料電池装置２ｓとの２台でシステムが構成されている場合について説明する。燃料電池装置１ｍは、自装置の温度センサ４４によって自装置の周囲温度を取得し、燃料電池装置２ｓから燃料電池装置２ｓの周囲温度を取得する。ＦＣ制御部４３は、周囲温度と基準温度とを比較し、基準温度よりも周囲温度が低い燃料電池装置を低温装置とする。自装置の周囲温度が基準温度よりも低い場合は、自装置を低温装置とし、ＦＣ制御部４３は、自装置のラジエータ４５が駆動しないように自装置を制御する。自装置のラジエータ４５が駆動しない制御は、上記の実施形態と同様に、自装置の発電電力を比較的小さく設定する、自装置の発電電力を比較的小さくするとともに循環水の流量を比較的大きく設定する、またはラジエータ４５の駆動を停止する。

また、燃料電池装置２ｓの周囲温度が基準温度よりも低い場合は、燃料電池装置２ｓを低温装置とし、ＦＣ制御部４３は、燃料電池装置２ｓのラジエータ４５が駆動しないように制御する。燃料電池装置２ｓのラジエータ４５が駆動しない制御は、上記の実施形態と同様に、燃料電池装置２ｓの発電電力を比較的小さく設定して燃料電池装置２ｓに通知する、燃料電池装置２ｓの発電電力を比較的小さくするとともに循環水の流量を比較的大きく設定して燃料電池装置２ｓに通知する、またはラジエータ４５の駆動を停止するよう燃料電池装置２ｓに停止指示を送信する。

変形例として、燃料電池装置１ｍは、自装置の温度センサ４４によって自装置の周囲温度を取得し、燃料電池装置２ｓから燃料電池装置２ｓの周囲温度を取得し、ＦＣ制御部４３が、周囲温度が低い方の燃料電池装置を低温装置とする。自装置の周囲温度が燃料電池装置２ｓの周囲温度よりも低い場合は、自装置を低温装置とし、ＦＣ制御部４３が、自装置のラジエータ４５が駆動しないように自装置を制御する。自装置のラジエータ４５が駆動しない制御は、上記と同様である。

また、燃料電池装置２ｓの周囲温度が燃料電池装置１ｍよりも低い場合は、燃料電池装置２ｓを低温装置とし、ＦＣ制御部４３が、燃料電池装置２ｓのラジエータ４５が駆動しないように制御する。燃料電池装置２ｓのラジエータ４５が駆動しない制御は、上記と同様である。

なお、上記では燃料電池本体３１が備えるとしている、ラジエータ４５、循環ポンプ４６、入口温度センサ４７および出口温度センサ４８については、これらのうちの少なくとも１つが、給湯装置５０に備えられていてもよい。

なお、複数の燃料電池装置のうちの１つの装置が、主装置として機能するシステムであれば、マスター／スレーブ方式に限らず、サーバ／クライアント方式などを採用することもできる。

１，２，…，Ｎ；１ｍ，２ｓ，…，Ｎｓ 燃料電池装置
１３ 循環部
３１ 燃料電池本体
３２ 原燃料供給装置
３３ 酸素含有ガス供給装置
３４ 燃料電池セル
３５ 改質器
３６ 燃料電池
３７ 熱交換器
３８ 水処理装置
３９ 凝縮水タンク
４０ 凝縮水導水管
４１ 改質水供給管
４２ 水ポンプ
４３ ＦＣ制御部
４４ 温度センサ
４５ ラジエータ
４６ 循環ポンプ
４７ 入口温度センサ
４８ 出口温度センサ
５０ 給湯装置
５１ 蓄熱タンク
５２ 入水管
５３ 出湯管
１００ システム制御装置
１０１ パワーコンディショナ
１１０ ＣＰＵ
１１１ ＲＡＭ
１１２ ＲＯＭ
１１３ 通信インターフェイス
２００ 外部負荷
Ｓ，ＳＡ 燃料電池システム

Claims (9)

1. 燃料電池セルを含む燃料電池セルユニットと、
   他の燃料電池装置の周囲の温度を取得する温度取得ユニットと、
   前記他の燃料電池装置との合計発電電力を決める電力決定ユニットと、
   生じた排ガスからの熱を受けた媒体を冷却する冷却ユニットを有する他の燃料電池装置の周囲温度が、所定の温度より低い場合、前記冷却ユニットが駆動しないように制御する、少なくとも１つのプロセッサと、を含み、
   前記電力決定ユニットは、前記他の燃料電池装置の周囲温度が、所定の温度より低い場合、前記冷却ユニットが動作する温度よりも低い温度に関連する発電電力となるように前記他の燃料電池装置の発電電力を決定する、燃料電池装置。
2. 前記他の燃料電池装置における発電電力とそれに関する前記媒体の温度との関係を記憶する記憶ユニットと、をさらに含み、
   前記電力決定ユニットは、前記記憶ユニットに記憶された前記関係に基づいて、前記合計発電電力を決める、請求項１記載の燃料電池装置。
3. 前記媒体が前記排ガスと熱交換して熱を受ける熱交換ユニットをさらに含み、
   前記少なくとも１つのプロセッサは、
   前記他の燃料電池装置の前記発電電力が、予め定める基準電力よりも大きいとき、
   前記熱交換ユニットに流れる前記媒体の流量を、前記基準電力以下における前記媒体の流量よりも大きくなるように、前記他の燃料電池装置を制御する、請求項１記載の燃料電池装置。
4. 周囲の温度を測定する温度検出ユニットをさらに有する、請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池装置。
5. 生じた排ガスからの熱を受けた媒体を冷却する冷却ユニットをさらに有する、請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池装置。
6. 燃料電池セルを含む燃料電池セルユニットと、
   周囲の温度を測定する温度検出ユニットと、
   生じた排ガスからの熱を受けた媒体を冷却する冷却ユニットと、
   を備える燃料電池装置の複数個と、
   複数個の燃料電池装置の合計発電電力を決める電力決定ユニットと、
   複数個のうちのいずれかの燃料電池装置の周囲温度が、所定の温度より低い場合、当該燃料電池装置の前記冷却ユニットが駆動しないように制御する、少なくとも１つのプロセッサと、を含み、
   前記電力決定ユニットは、複数個のうちのいずれかの燃料電池装置の周囲温度が、所定の温度より低い場合、前記冷却ユニットが動作する温度よりも低い温度に関連する発電電力となるように、周囲温度が所定の温度より低い燃料電池装置の発電電力を決定する、燃料電池装置システム。
7. 第１の燃料電池装置の周囲温度および第２の燃料電池装置の周囲温度を取得する、温度取得ユニットと、
   前記第１の燃料電池装置と前記第２の燃料電池装置との合計発電電力を決める電力決定ユニットと、
   生じた排ガスからの熱を受けた媒体を冷却する冷却ユニットを有する第１の燃料電池装置の周囲温度が、所定の温度よりも低い場合、前記冷却ユニットが駆動しないように制御する、少なくとも１つのプロセッサと、
   を含み、
   前記電力決定ユニットは、前記第１の燃料電池装置の周囲温度が、所定の温度より低い場合、前記冷却ユニットが動作する温度よりも低い温度に関連する発電電力となるように前記第１の燃料電池装置の発電電力を決定する、制御装置。
8. 前記第１の燃料電池装置における発電電力とそれに関する前記媒体の温度との第１の関係を記憶し、前記第２の燃料電池装置における発電電力とそれに関する前記媒体の温度との第２の関係を記憶する、記憶ユニットと、をさらに含み、
   前記電力決定ユニットは、前記記憶ユニットに記憶された前記第１の関係および前記第２の関係に基づいて、前記合計発電電力を決める、請求項７記載の制御装置。
9. 前記媒体が前記排ガスと熱交換して熱を受ける熱交換ユニットをさらに含み、
   前記少なくとも１つのプロセッサは、
   前記第１の燃料電池装置の前記発電電力が、予め定める基準電力よりも大きいとき、
   前記熱交換ユニットに流れる前記媒体の流量を、前記基準電力以下における前記媒体の流量よりも大きくなるように、前記第１の燃料電池装置を制御する、請求項７記載の制御装置。

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