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JP2002190308A - 燃料電池システムおよび供給電力切換方法 - Google Patents

燃料電池システムおよび供給電力切換方法

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Publication number
JP2002190308A
JP2002190308A JP2000387088A JP2000387088A JP2002190308A JP 2002190308 A JP2002190308 A JP 2002190308A JP 2000387088 A JP2000387088 A JP 2000387088A JP 2000387088 A JP2000387088 A JP 2000387088A JP 2002190308 A JP2002190308 A JP 2002190308A
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JP
Japan
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fuel cell
power
fuel
cost
electric
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JP2000387088A
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Katsuji Yamashita
勝司 山下
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 トータルのランニングコストを最適に抑える
ことが可能な燃料電池システムを提供する。 【解決手段】 制御部６００は家庭内電気負荷４００で
の消費電力を、電力会社からの購入によって賄う場合の
コストＣｅを求め（Ｓ１０２）、燃料電池２００による
自家発電によって賄う場合のコストＣｇを求める（Ｓ１
０４）。給湯がされている場合には（Ｓ１０６）、さら
に、都市ガスのみを利用して給湯対象５００に給湯を行
う場合のコストＣｇｂを求め（Ｓ１１４）、燃料電池２
００からの廃熱を少なくとも利用して給湯を行う場合の
コストＣｇｂｃを求める（Ｓ１１６）。制御部６００
は、Ｃｇ＋ＣｇｂｃがＣｅ＋Ｃｇｂより安い場合、燃料
電池２００からの電力を家庭内電気負荷４００に供給す
る（Ｓ１２０）。Ｃｅ＋ＣｇｂがＣｇ＋Ｃｇｂｃより安
い場合は、電力会社からの電力を家庭内電気負荷４００
に供給する（Ｓ１２２）。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池装置から
発生された電力と外部から導入された電力のうち、少な
くとも一方を電気負荷に供給することが可能な燃料電池
システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】環境に優しく省エネルギに優れた燃料電
池システムは、家庭などで使用する、小型の据え置き型
発電システムとしても、利用価値が検討されている。例
えば、家庭では、燃料電池の発電時に発生する熱を風呂
などの給湯に利用することができるため、コジェネレー
ション効果によって、一層高いエネルギ効率を達成する
ことができる。
【０００３】このような家庭などで使用される燃料電池
システムとして、現在提案されているものは、例えば、
都市ガスなどの商用ガスから改質器によって水素リッチ
な燃料ガスを生成し、この燃料ガスと、空気などの酸化
ガスを燃料電池に供給して、電気化学反応により発電す
るシステムである。そして、この発電により得られる電
圧は、直流であるため、ＤＣ−ＡＣインバータにより交
流に変換されて、エアコンや照明器具などの家庭内電気
負荷に使用される。
【０００４】また、上記したＤＣ−ＡＣインバータと家
庭内電気負荷との間に、電力会社からの外線を接続する
ことにより、燃料電池による自家発電エネルギの不足分
を、この外線を介して電力会社から購入し、過剰分を、
この外線を介して電力会社に販売することも可能とな
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】このような燃料電池シ
ステムを使用する場合、燃料電池によって自家発電する
際のコスト（主に、ガス料金）が、電力会社から電力を
購入する際のコスト（電気料金）に比べて安い場合に
は、ランニング利益を生む。しかし、自家発電する際の
コストが安いからと言って、過剰に発電し過ぎると、過
剰分を電力会社に販売することになるため、その際の販
売価格が、その過剰分を発電するのに必要なガス代より
安い場合には、ランニング損益を生むことになる。従っ
て、そのような過剰分はできる限り少なくした方が、コ
ストメリット上、好ましい。要するに、家庭内電気負荷
で消費される電力に最も近い量を燃料電池によって発電
し、過渡的な電力の不足分や過剰分を、電力会社からの
購入や電力会社への販売によって賄うことが、システム
運転の基本となる。
【０００６】しかしながら、近い将来、このような家庭
などでの燃料電池システムの利用が拡大するに連れて、
燃料電池によって自家発電する際のガス料金と、電力会
社から電力を購入する際の電気料金と、が拮抗すること
が予測される。そのような場合には、燃料電池による自
家発電と電力会社からの電力の購入とを時々刻々切り換
えて行うことが、トータルのランニングコストを抑える
ことになる。しかし、具体的に、どのように切り換えて
いくかが課題となる。
【０００７】従って、本発明の目的は、上記した従来技
術の課題を解決し、トータルのランニングコストを最適
に抑えることが可能な燃料電池システムを提供すること
にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明
の第１の燃料電池システムは、燃料の供給を受けて電力
を発生する燃料電池装置を備え、該燃料電池装置から発
生された電力と外部から導入された電力のうち、少なく
とも一方を電気負荷に供給することが可能な燃料電池シ
ステムであって、前記燃料電池装置からの電力と外部か
らの電力とを切り換えて、両者のうち、少なくとも一方
を前記電気負荷に供給する切換部と、前記電気負荷に供
給すべき電力を前記燃料電池装置からの電力によって賄
う場合に掛かる前記燃料のコストと、前記電気負荷に供
給すべき電力を外部からの電力によって賄う場合に掛か
る前記電力のコストと、を算出し、これら算出したコス
トに基づいて、トータルコストが安くなるように、前記
切換部における電力の切り換えを制御する制御部と、を
備えることを要旨とする。
【０００９】また、本発明の第１の供給電力切換方法
は、燃料の供給を受けて電力を発生する燃料電池装置を
備え、該燃料電池装置から発生された電力と外部から導
入された電力のうち、少なくとも一方を電気負荷に供給
することが可能な燃料電池システムにおける供給電力の
切換方法であって、 （ａ）前記電気負荷に供給すべき電力を前記燃料電池装
置からの電力によって賄う場合に掛かる前記燃料のコス
トと、前記電気負荷に供給すべき電力を外部からの電力
によって賄う場合に掛かる前記電力のコストと、を算出
する工程と、 （ｂ）これら算出したコストに基づいて、トータルコス
トが安くなるように、前記燃料電池装置からの電力と外
部からの電力とを切り換えて、両者のうち、少なくとも
一方を前記電気負荷に供給する工程と、を備えることを
要旨とする。
【００１０】このように、第１の燃料電池システムまた
は供給電力切換方法では、まず、電気負荷に供給すべき
電力を燃料電池装置からの電力によって賄う場合に掛か
る燃料のコストと、外部からの電力によって賄う場合に
掛かる電力のコストと、を算出し、次に、算出したコス
トに基づいて、トータルコストが安くなるように、燃料
電池装置からの電力と外部からの電力とを切り換えて、
両者のうち、少なくとも一方を電気負荷に供給するよう
にしている。
【００１１】従って、第１の燃料電池システムまたは供
給電力切換方法によれば、時々刻々、トータルコストが
より安くなるように、電力の供給源が選択できるため、
トータルのランニングコストを最適に抑えることが可能
となる。また、このような電力の切り換えは、自動的に
行なわれるため、ユーザは切り換えを気にすることな
く、電力を使用することができ、省労力を実現すること
ができる。
【００１２】本発明の第２の燃料電池システムは、燃料
の供給を受けて電力を発生すると共に、電力発生時に生
じた熱を廃棄する燃料電池装置を備え、該燃料電池装置
から発生された電力と外部から導入された電力のうち、
少なくとも一方を電気負荷に供給することが可能である
と共に、前記燃料電池からの廃熱を熱負荷に与えること
が可能な燃料電池システムであって、前記燃料電池装置
からの電力と外部からの電力とを切り換えて、両者のう
ち、少なくとも一方を前記電気負荷に供給する切換部
と、前記電気負荷に供給すべき電力を前記燃料電池装置
からの電力によって賄う場合に掛かる前記燃料のコスト
と、前記電気負荷に供給すべき電力を外部からの電力に
よって賄う場合に掛かる前記電力のコストと、前記熱負
荷に与えるべき熱を前記燃料を燃焼させることによって
得られる熱で賄う場合に掛かる前記燃料のコストと、前
記熱負荷に与えるべき熱を前記燃料電池からの廃熱によ
って賄い、その不足分を前記燃料を燃焼させることによ
って得られる熱で賄う場合に掛かる前記燃料のコスト
と、をそれぞれ算出し、これら算出したコストに基づい
て、トータルコストが安くなるように、前記切換部にお
ける電力の切り換えを制御する制御部と、を備えること
を要旨とする。
【００１３】本発明の第２の供給電力切換方法は、燃料
の供給を受けて電力を発生すると共に、電力発生時に生
じた熱を廃棄する燃料電池装置を備え、該燃料電池装置
から発生された電力と外部から導入された電力のうち、
少なくとも一方を電気負荷に供給することが可能である
と共に、前記燃料電池からの廃熱を熱負荷に与えること
が可能な燃料電池システムにおける供給電力の切換方法
であって、 （ａ）前記電気負荷に供給すべき電力を前記燃料電池装
置からの電力によって賄う場合に掛かる前記燃料のコス
トと、前記電気負荷に供給すべき電力を外部からの電力
によって賄う場合に掛かる前記電力のコストと、前記熱
負荷に与えるべき熱を前記燃料を燃焼させることによっ
て得られる熱で賄う場合に掛かる前記燃料のコストと、
前記熱負荷に与えるべき熱を前記燃料電池からの廃熱に
よって賄い、その不足分を前記燃料を燃焼させることに
よって得られる熱で賄う場合に掛かる前記燃料のコスト
と、をそれぞれ算出する工程と、 （ｂ）これら算出したコストに基づいて、トータルコス
トが安くなるように、前記燃料電池装置からの電力と外
部からの電力とを切り換えて、両者のうち、少なくとも
一方を前記電気負荷に供給する工程と、を備えることを
要旨とする。
【００１４】このように、第２の燃料電池システムまた
は供給電力切換方法では、まず、電気負荷に供給すべき
電力を燃料電池装置からの電力によって賄う場合に掛か
る燃料のコストと、外部からの電力によって賄う場合に
掛かる電力のコストと、熱負荷に与えるべき熱を燃料を
燃焼させることによって得られる熱で賄う場合に掛かる
燃料のコストと、燃料電池からの廃熱によって賄い、そ
の不足分を燃料を燃焼させることによって得られる熱で
賄う場合に掛かる燃料のコストと、をそれぞれ算出し、
次に、これら算出したコストに基づいて、トータルコス
トが安くなるように、燃料電池装置からの電力と外部か
らの電力とを切り換えて、両者のうち、少なくとも一方
を電気負荷に供給するようにしている。
【００１５】従って、第２の燃料電池システムまたは供
給電力切換方法においても、時々刻々、トータルコスト
がより安くなるように、電力の供給源が選択できるた
め、トータルのランニングコストを最適に抑えることが
可能となる。また、このような電力の切り換えは、自動
的に行なわれるため、ユーザは切り換えを気にすること
なく、電力を使用することができ、省労力を実現するこ
とができる。さらに、燃料電池からの廃熱を熱負荷に与
えるなど、コジェネレーションも積極的に考慮している
ので、システム全体のエネルギ効率を向上させることが
できる。
【００１６】本発明の燃料電池システムにおいて、前記
制御部は、前記燃料電池装置からの電力と外部からの電
力のうち、何れか一方のみを前記電気負荷に供給するよ
う、前記切換部における電力の切り換えを制御すること
が好ましい。
【００１７】このように、電力の切り換えを制御するこ
とにより、切り換えの仕方が簡素化されるため、制御方
法が複雑化しなくて済む。
【００１８】本発明の燃料電池システムにおいて、前記
燃料電池装置は、前記燃料を改質して水素リッチな燃料
ガスを生成する改質器と、生成された前記燃料ガスの供
給を受けて電力を発生する燃料電池と、を備えることが
好ましい。
【００１９】このように、改質器を利用することによ
り、燃料として、商用ガスなどを利用して、燃料電池に
よる発電を行なうことができる。
【００２０】本発明の燃料電池システムにおいて、前記
切換部は、前記燃料電池装置から出力される直流電圧を
交流電圧に変換するＤＣ−ＡＣインバータと、前記燃料
電池装置から前記ＤＣ−ＡＣインバータを介して前記電
気負荷に電力を供給するための第１の電力供給線と、外
部から前記電気負荷に電力を供給するための第２の電力
供給線と、前記第１の電力供給線上に配置され、該第１
の電力供給線に対する通電／遮断を切り換える第１のス
イッチと、前記第２の電力供給線上に配置され、該第２
の電力供給線に対する通電／遮断を切り換える第２のス
イッチと、を備え、前記制御部は、前記ＤＣ−ＡＣイン
バータ、並びに前記第１および第２のスイッチを制御す
ることが好ましい。
【００２１】このように構成することによって、ＤＣ−
ＡＣインバータを制御することにより、燃料電池装置か
らの出力電流を確実に制御できると共に、第１および第
２のスイッチを制御することによって、燃料電池装置か
らの電力と外部からの電力とを容易に切り換えることが
できる。
【００２２】本発明の燃料電池システムにおいて、前記
燃料電池装置は、前記燃料を改質して水素リッチな燃料
ガスを生成する改質器と、生成された前記燃料ガスの供
給を受けて電力を発生する燃料電池と、を備えると共
に、前記切換部は、前記燃料電池装置から出力される直
流電圧を交流電圧に変換するＤＣ−ＡＣインバータと、
前記燃料電池装置から前記ＤＣ−ＡＣインバータを介し
て前記電気負荷に電力を供給するための第１の電力供給
線と、外部から前記電気負荷に電力を供給するための第
２の電力供給線と、前記第１の電力供給線上に配置さ
れ、該第１の電力供給線に対する通電／遮断を切り換え
る第１のスイッチと、前記第２の電力供給線上に配置さ
れ、該第２の電力供給線に対する通電／遮断を切り換え
る第２のスイッチと、を備え、前記制御部は、前記燃料
電池に供給される前記燃料ガスの量から、前記燃料電池
から出力されるべき目標電流値を算出すると共に、前記
第１のスイッチを通電から遮断に、または、遮断から通
電に切り換える際には、切り換え直前の所定時間、前記
燃料電池から前記目標電流値に相当する電流が出力され
るよう、前記ＤＣ−ＡＣインバータを制御することが好
ましい。
【００２３】このように制御することによって、第１の
スイッチが通電から遮断に切り換える際に、改質器で生
成された燃料ガスが、燃料電池で消費されずに大気中に
流出してしまうのを防ぐことができると共に、エネルギ
効率の低下を抑えることができる。また、第１のスイッ
チが遮断から通電に切り換える際に、改質器で生成され
た分だけ、燃料ガスを燃料電池において過不足なく消費
して、発電動作を行うので、分極反応を生じさせること
なく、徐々に定常状態に近づけることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を実施
例に基づいて以下の順序で説明する。 Ａ．実施例の構成： Ｂ．各構成要素の機能および動作： Ｃ．制御部による制御内容： Ｄ．変形例： Ｄ−１．変形例１： Ｄ−２．変形例２： Ｄ−３．その他の変形例：
【００２５】Ａ．実施例の構成：図１は本発明の一実施
例としての燃料電池システムの構成を示すブロック図で
ある。図１に示す燃料電池システムは、家庭などで使用
可能な燃料電池システムであって、燃料として商用ガス
である都市ガスを用い、その都市ガスから水素リッチな
燃料ガスを生成し、この生成した燃料ガスを利用して発
電を行い、家庭内の電気負荷に電力を供給すると共に、
発電の際に発生した熱を風呂などの給湯に利用して、コ
ジェネレーション効果を得ている。
【００２６】この燃料電池システムは、主として、都市
ガスと水から水素リッチな燃料ガスを生成する改質器１
００と、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて電気化学反
応により起電力を発生する燃料電池２００と、電力会社
からの電力と燃料電池２００からの電力とを切り換える
インバータＢＯＸ３００と、ＣＰＵなどで構成される制
御部６００と、を備えている。なお、改質器１００と燃
料電池２００とで、燃料電池装置７００を構成してい
る。
【００２７】このうち、改質器１００は、都市ガスおよ
び水の供給を受けてこれらを気化・昇温させる蒸発部１
０２と、蒸発部１０２で要する熱を発生する燃焼部１０
４と、燃焼部１０４で発生した熱を蒸発部１０２に伝え
る熱交換器１０６と、改質反応により燃料ガスを生成す
る改質部１０８と、改質部１０８で生成された燃料ガス
中の一酸化炭素（ＣＯ）濃度を酸化反応により低減する
ＣＯ酸化部１１０と、を備えている。
【００２８】燃料電池２００は、燃料ガスが供給される
水素極２０２と、酸化ガスが供給される酸素極２０４
と、を備えている。また、インバータＢＯＸ３００は、
燃料電池２００からの直流電圧を交流電圧に変換するＤ
Ｃ−ＡＣインバータ３０２と、燃料電池２００からの電
力の通電／遮断を切り換えるリレースイッチＡと、電力
会社からの電力の通電／遮断を切り換えるリレースイッ
チＢと、を備えている。
【００２９】その他、蒸発部１０２には、商用ガスであ
る都市ガスを供給するためのガス流路５２と、外部から
水を供給するための水流路５４が接続されている。ガス
流路５２には、流量制御弁５８と、流量センサ６０が設
けられており、水流路５４には、流量制御弁６２と、流
量センサ６４が設けられている。また、燃焼部１０４に
は、燃焼燃料を供給するための燃焼燃料流路５６が接続
されており、その燃焼燃料流路５６には、流量制御弁６
６が設けられている。
【００３０】また、燃焼部１０４，改質部１０８，ＣＯ
酸化部１１０および燃料電池２００には、酸化ガスであ
る空気を圧縮して供給するブロア１１６，１１２，１１
４および２０６がそれぞれ接続されている。
【００３１】また、インバータＢＯＸ３００の入力に
は、燃料電池２００からの出力線と、電力会社からの外
線が接続されており、その出力は電力センサ４０２を介
して家庭内電気負荷４００に接続されている。なお、家
庭内電気負荷４００としては、エアコン，電気ファンヒ
ータ，冷蔵庫，電子レンジ，電気炊飯器，洗濯機，電気
乾燥機，照明器具，掃除機などが挙げられる。
【００３２】また、家庭内には、家庭内電気負荷４００
の他に、風呂，床暖房などの給湯対象５００が存在す
る。この給湯対象５００には、ガス給湯器５０４からの
給湯と熱交換器５０２からの給湯が可能となっている。
ガス給湯器５０４には、商用ガスである都市ガスを供給
するためのガス流路５０６が接続されており、熱交換器
５０２には、燃料電池２００から導かれた冷却水路２０
８が接続されている。
【００３３】Ｂ．各構成要素の機能および動作：流量制
御弁５８および流量制御弁６２は、それぞれ、図示せざ
る制御線によって制御部６００に接続されており、制御
部６００からの制御信号に基づいて、蒸発部１０２に供
給される都市ガス量および水の量を調節する。また、流
量センサ６０および流量センサ６４は、それぞれ、図示
せざる検出線を介して制御部６００に接続されており、
蒸発部１０２に実際に供給されている都市ガス量および
水の量を検出して、その検出結果を制御部６００に送信
する。
【００３４】蒸発部１０２は、水流路５４を介して供給
される水を気化させて、ガス流路５２を介して供給され
る都市ガスと混合し、都市ガスと水蒸気とから成る原燃
料ガスを生成し、これを所定の温度に昇温して、改質部
１０８に供給する。
【００３５】また、蒸発部１０２には、都市ガスおよび
水を気化・昇温させるための熱源として、内部に燃焼触
媒を備えた燃焼部１０４が併設されている。この燃焼部
１０４には、燃焼燃料流路５６を介して燃焼燃料が供給
されると共に、併設されたブロワ１１６によって酸化ガ
スである空気が供給される。流量制御弁６６は、図示せ
ざる制御線によって制御部６００に接続されており、制
御部６００からの制御信号に基づいて、燃焼部１０４に
供給される燃焼燃料の量を調節する。
【００３６】燃焼部１０４では、燃焼燃料が供給される
と、この燃料と空気とを用いて触媒上で燃焼反応が進行
し、所望の熱を発生する。燃焼部１０４と蒸発部１０２
との間には熱交換器１０６が設けられており、この熱交
換器１０６によって燃焼部１０４で発生した熱が蒸発部
１０２に伝えられる。なお、燃焼部１０４に供給される
燃焼燃料としては、商用ガスである都市ガスを用いても
良いし、後述する燃料電池２００から排出される燃料オ
フガスを用いても良い。
【００３７】改質部１０８は、内部に改質触媒を備えて
おり、供給された都市ガスと水蒸気とから成る原燃料ガ
スを水蒸気改質反応によって改質して、水素リッチな燃
料ガスを生成し、ＣＯ酸化部１１０に供給する。都市ガ
スの主成分はメタンであり、改質触媒としては、例え
ば、ニッケル触媒を用いることができる。水蒸気改質反
応は、式（１）に従って起こる。
【００３８】 ＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ → ４Ｈ2＋ＣＯ2 （１）
【００３９】このように、改質部１０８では、水蒸気改
質反応によって水素リッチな燃料ガスを生成している
が、改質部１０８には、さらに、併設されたブロワ１１
２によって、酸化ガスである空気が供給されており、都
市ガス（メタン）の部分酸化反応によっても、水素の生
成がなされている。この場合、水蒸気改質反応で要する
熱を、部分酸化反応で生じる熱によって賄うことが可能
となる。
【００４０】ＣＯ酸化部１１０は、改質部１０８で生成
された燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減して、燃料電
池２００に供給する。改質部１０８で生成された燃料ガ
スは、所定量の一酸化炭素を含有しており、燃料電池２
００にこのまま供給されると、燃料ガス中の一酸化炭素
によって触媒が被毒して、電気化学反応が阻害されるか
らである。ＣＯ酸化部１１０で進行する反応は、燃料ガ
ス中に豊富に含まれる水素に優先して、一酸化炭素を酸
化する一酸化炭素選択酸化反応である。このため、ＣＯ
酸化部１１０には、併設されたブロア１１４によって、
酸化ガスである空気が供給されていると共に、一酸化炭
素の選択酸化触媒である白金触媒、ルテニウム触媒、パ
ラジウム触媒、金触媒、あるいはこれらを第１元素とし
た合金触媒を担持した担体が充填されている。
【００４１】燃料電池２００は、改質器１００から水素
リッチな燃料ガスの供給を受けると共に、併設されたブ
ロア２０６によって酸化ガスである空気の供給を受け
て、水素極２０２と酸素極２０４において、下記に示す
ような反応式に従って、電気化学反応を起こし、電力を
発生させる。
【００４２】即ち、水素極２０２に水素リッチな燃料ガ
スが、酸素極２０４に酸化ガスである空気がそれぞれ供
給されると、水素極側では式（２）の反応が、酸素極側
では式（３）の反応がそれぞれ起こり、燃料電池全体と
しては、式（４）の反応が行なわれる。
【００４３】 Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- （２） ２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ （３） Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ （４）
【００４４】また、燃料電池２００は、複数の単セルが
積層されたスタック構造となっており、１つの単セル
は、電解質膜（図示せず）と、それを両側から挟み込む
拡散電極である水素極２０２及び酸素極２０４と、さら
にそれらを両側から挟み込む２枚のセパレータ（図示せ
ず）と、で構成されている。セパレータの両面には、凹
凸が形成されており、挟み込んだ水素極２０２と酸素極
２０４との間で、単セル内ガス流路を形成している。こ
のうち、水素極２０２との間で形成される単セル内ガス
流路には、前述したごとく供給された燃料ガスが、酸素
極２０４との間で形成される単セル内ガス流路には、酸
化ガスが、それぞれ流れている。そして、上記電気化学
反応に供された燃料ガスおよび酸化ガスは、オフガスと
して排出される。また、数層毎に、単セルと単セルとの
間には冷却水路が形成されており、その中に冷却水を流
すことによって、上記した電気化学反応等で生じた熱を
取り除いている。
【００４５】燃料電池２００で発生される電圧は直流電
圧であるのに対し、家庭内電気負荷４００で用いられる
電圧は交流電圧である。そのため、燃料電池２００と家
庭内電気負荷４００との間には、ＤＣ−ＡＣインバータ
３０２が設けられており、これによって、燃料電池２０
０で発生された直流電圧を交流電圧に変換している。
【００４６】燃料電池２００からＤＣ−ＡＣインバータ
３０２を介して入力された電力は、リレースイッチＡを
介して、家庭内電気負荷４００に供給される。また、燃
料電池２００からの電力の他に、電力会社から外線を介
して電力が入力されており、この電力は、リレースイッ
チＢを介して、家庭内電気負荷４００に供給される。リ
レースイッチＡ，Ｂは、それぞれ、図示せざる制御線を
介して制御部６００に接続されており、制御部６００か
らの制御信号に基づいて、ＯＮ／ＯＦＦが切り換えられ
る。
【００４７】インバータＢＯＸ３００と家庭内電気負荷
４００との間に設けられた電力センサ４０２は、図示せ
ざる検出線を介して制御部６００に接続されており、家
庭内電気負荷４００で消費される電力を検出して、その
検出結果を制御部６００に送信する。
【００４８】一方、熱交換器５０２には、燃料電池２０
０から冷却水路２０８を介して、暖められた冷却水が供
給されている。熱交換器５０２では、その冷却水に燃料
電池２００によって捨てられた廃熱を回収し、その回収
した熱を利用して、風呂などの給湯対象５００に対して
給湯を行う。
【００４９】また、ガス給湯器５０４には、ガス流路５
０６を介して都市ガスが供給されており、その都市ガス
を燃焼させることによって、給湯対象５００に対して給
湯を行う。
【００５０】制御部６００は、予め設定された制御プロ
グラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ（図示
せず）や、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な
制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ
（図示せず）や、同じくＣＰＵで各種演算処理をするの
に必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ
（図示せず）や、流量センサ６０，６４および電力セン
サ４０２等の各種センサからの検出結果などを入力する
と共に、ＣＰＵでの演算結果に応じて既述した各ブロワ
や流量制御弁などの制御対象に制御信号を出力する入出
力ポートなどを備えている。制御部６００は、このよう
に各種の信号を入出力することによって、燃料電池シス
テム全体の運転状態を制御する。
【００５１】以上のように、本実施例の燃料電池システ
ムは、家庭内電気負荷４００に対しては、燃料電池２０
０による自家発電によって得られる電力と、電力会社か
ら購入して得られる電力と、をリレースイッチＡ，Ｂに
よって切り換えて供給することができるようになってい
る。また、給湯対象５００に対しては、都市ガスを用い
て給湯ができる他、燃料電池２００からの廃熱を利用し
て給湯ができるようにもなっている。
【００５２】Ｃ．制御部による制御内容：本実施例で
は、このような燃料電池システムにおいて、制御部６０
０が、電力供給に掛かるコストの他、給湯に掛かるコス
トも考慮した上で、トータルコストが有利になるよう
に、リレースイッチＡ，Ｂを切り換えるようにしてい
る。なお、制御部６００がリレースイッチＡ，Ｂを切り
換える際には、一方のリレースイッチをＯＮしたときに
は、他方のリレースイッチはＯＦＦするように切り換え
る。
【００５３】図２および図３は図１の燃料電池システム
における制御部６００の制御手順を示すフローチャート
である。図２における丸Ａは、図３における丸Ａに続い
ている。図２および図３に示す制御ルーチンは、制御部
６００によって一定時間毎に繰り返される。
【００５４】図２に示す制御ルーチンが開始されると、
制御部６００は、家庭内での電力消費に掛かるコストを
求めるために、まず、家庭内電気負荷４００で消費され
る電力を、電力会社からの購入によって賄うと仮定した
場合のコストを求める（ステップＳ１０２）。具体的に
は、以下の処理を行う。
【００５５】即ち、まず、制御部６００は、電力センサ
４０２からの検出結果を入力して、家庭内電気負荷４０
０で消費される電力：Ｕｋｉ［ｋＷ］を、サンプル時
間：ＤＴ（＝１ｓｅｃ）毎に測定し、式（５）に従っ
て、サンプル６０点を積分することで、過去１分間の使
用電力量：Ｘｋ［ｋＷｈ］を算出する。
【００５６】 Ｘｋ［ｋＷｈ］＝Σ（Ｕｋｉ×ＤＴ） （５）
【００５７】次に、制御部６００は、この過去１分間の
使用電力量Ｘｋ［ｋＷｈ］を、電力会社から購入によっ
て賄う場合のコスト：Ｃｅ［円］を、式（６）に従って
算出する。
【００５８】 Ｃｅ［円］＝Ｋｅ１＋Ｋｅ２×Ｘｋ （６）
【００５９】ここで、Ｋｅ１は、過去１分間の電気の基
本料金に相当する定数であり、Ｋｅ２は、電気の従量料
金単価に相当する係数である。
【００６０】こうして、電力会社からの購入によって電
力を賄うと仮定した場合のコストを求めることができ
る。
【００６１】次に、制御部６００は、家庭内電気負荷４
００で消費される電力を、燃料電池２００による自家発
電によって賄うと仮定した場合のコストを求める（ステ
ップＳ１０４）。具体的には、以下の処理を行う。
【００６２】即ち、まず、制御部６００は、家庭内電気
負荷４００で消費される電力：Ｕｋ［ｋＷ］を賄うため
に、燃料電池２００から出力すべき電流：Ｉｆｃ［Ａ］
を、式（７）に従って算出する。
【００６３】 Ｉｆｃ［Ａ］＝Ｋｄｃａｃ×Ｕｋ／Ｖｆｃ （７）
【００６４】ここで、ＫｄｃａｃはインバータＢＯＸ３
００内のＤＣ−ＡＣインバータ３０２の変換効率などを
含む定数であり、Ｖｆｃ［Ｖ］は燃料電池２００から出
力される電圧である。なお、この出力電圧は電圧センサ
（図示せず）によって検出された値であっても良いし、
近似的な名目上の定数であっても良い。
【００６５】次に、制御部６００は、前述した燃料電池
２００における反応式（２）を基に、燃料電池２００か
ら、この算出した電流：Ｉｆｃ［Ａ］を出力させるのに
必要な水素量：Ｆｈ［ｍｏｌ／ｓ］を計算する。具体的
には、式（８）に従って算出する。
【００６６】 Ｆｈ［ｍｏｌ／ｓ］＝Ｉｆｃ×Ｋｆｃｈ／（２×Ｆ） （８）
【００６７】ここで、Ｆはファラデ定数であり、Ｋｆｃ
ｈは燃料電池２００における水素利用率の逆数である。
【００６８】次に、制御部６００は、前述した改質器１
００における反応式（１）を基に、この算出した水素
量：Ｆｈ［ｍｏｌ／ｓ］を改質器１００で生成させるの
に必要なメタン流量：Ｆｍ［ｍｏｌ／ｓ］を計算する。
具体的には、式（９）に従って算出する。
【００６９】 Ｆｍ［ｍｏｌ／ｓ］＝Ｆｈ／４ （９）
【００７０】次に、制御部６００は、この算出したメタ
ン流量：Ｆｍ［ｍｏｌ／ｓ］を改質器１００で使用させ
るために、改質器１００に供給すべき都市ガスの流量：
Ｆｋ［ｍｏｌ／ｓ］は、式（１０）に従って算出する。
【００７１】 Ｆｋ［ｍｏｌ／ｓ］＝Ｋｍ２ｋ×Ｆｍ （１０）
【００７２】都市ガスには、一般に天然ガスが用いられ
ており、或る一定の割合で窒素が混入されている。従っ
て、この窒素分を考慮して補正するために、式（９）で
は、係数としてＫｍ２ｋが掛けられている。
【００７３】こうして、制御部６００は、サンプル時
間：ＤＴ（＝１ｓｅｃ）毎に、改質器１００に供給すべ
き都市ガスの流量：Ｆｋｉ［ｍｏｌ／ｓ］を算出し、式
（１１）に従って、サンプル６０点を積分することで、
過去１分間の使用ガス量：Ｖｋ［ｍ3］を算出する。
【００７４】 Ｖｋ［ｍ3］＝Ｋｍ２ｖ×Σ（Ｆｋｉ×ＤＴ） （１１）
【００７５】ここで、Ｋｍ２ｖは、モル数を標準状態
（２０℃，１気圧）の容積に変換するための係数であ
る。
【００７６】即ち、この算出した過去１分間の使用ガス
量Ｖｋ［ｍ3］が、改質器１００で都市ガスを改質し燃
料電池２００で自家発電を行うことによって、前述した
過去１分間の使用電力量Ｘｋ［ｋＷｈ］を賄うのに必要
となるガス量である。そこで、次に、制御部６００は、
この算出した過去１分間の使用ガス量Ｖｋ［ｍ3］か
ら、都市ガスを用いて燃料電池２００による自家発電を
行うことにより、過去１分間の使用電力量Ｘｋ［ｋＷ
ｈ］を賄う場合のコスト：Ｃｇ［円］を、式（１２）に
従って算出する。
【００７７】 Ｃｇ［円］＝Ｋｇ１＋Ｋｇ２×Ｖｋ （１２）
【００７８】ここで、Ｋｇ１は、過去１分間のガスの基
本料金に相当する定数であり、Ｋｇ２は、ガスの従量料
金単価に相当する係数である。
【００７９】こうして、燃料電池による自家発電によっ
て電力を賄うと仮定した場合のコストを求めることがで
きる。
【００８０】次に、制御部６００は、現在、家庭内で、
風呂などの給湯対象５００に給湯がされているか否かを
判定し（ステップＳ１０６）、給湯がされていない場合
には、給湯に掛かるコストを考慮しなくて良いため、ス
テップＳ１０８の処理に進み、給湯がされている場合に
は、給湯に掛かるコストを考慮する必要があるため、ス
テップＳ１１４に進む。
【００８１】ステップＳ１０８では、制御部６００は、
ステップＳ１０２で求めた電力会社からの購入によって
賄うと仮定した場合のコスト（過去１分間のコスト：Ｃ
ｅ［円］）と、ステップＳ１０４で求めた燃料電池２０
０による自家発電によって賄うと仮定した場合のコスト
（過去１分間のコスト：Ｃｇ［円］）と、を比較して、
後者（自家発電）のコストＣｇ［円］の方が、前者（電
力会社からの購入）のコストＣｅ［円］よりも安い場合
には、式（１３）に従って、燃料電池側のリレースイッ
チＡに対応するリレーフラッグＲＬＹａをＯＮにし、外
線側のリレースイッチＢに対応するリレーフラッグＲＬ
ＹｂをＯＦＦにする（ステップＳ１１０）。
【００８２】 IF Ｃｅ≧Ｃｇ THEN ＲＬＹａ＝ＯＮ，ＲＬＹｂ＝ＯＦＦ （１３）
【００８３】反対に、前者（電力会社からの購入）のコ
ストＣｅ［円］の方が、後者（自家発電）のコストＣｇ
［円］よりも安い場合には、式（１４）に従って、燃料
電池側のリレースイッチＡに対応するリレーフラッグＲ
ＬＹａをＯＦＦにし、外線側のリレースイッチＢに対応
するリレーフラッグＲＬＹｂをＯＮにする（ステップＳ
１１２）。
【００８４】 IF Ｃｅ＜Ｃｇ THEN ＲＬＹａ＝ＯＦＦ，ＲＬＹｂ＝ＯＮ （１４）
【００８５】但し、この時点では、制御部６００は、リ
レースイッチＡ，Ｂの切り換えを行わない。
【００８６】以上が、家庭内で給湯がされていない場合
の処理である。なお、この処理が終了したら、図２の丸
Ａに続く図３の丸Ａ以降の処理に進む。
【００８７】一方、家庭内で給湯がされている場合に
は、制御部６００は、家庭内での給湯に掛かるコストを
求めるために、まず、都市ガスのみを利用することによ
って給湯を行う（具体的には、ガス給湯器５０４のみに
よって給湯を行う）と仮定した場合のコストを求める
（ステップＳ１１４）。このように、都市ガスのみを利
用して給湯を行う場合とは、燃料電池２００が自家発電
を行っておらず、燃料電池２００の廃熱を利用できない
場合（コジェネレーションがない場合）、即ち、上記し
た、家庭内電気負荷４００での消費電力を電力会社から
の購入によって賄う場合に相当する。制御部６００は、
具体的には、以下の処理を行う。
【００８８】制御部６００は、まず、給湯に必要な熱
量：Ｈｂ［ｋｃａｌ／ｓ］を取得し、この熱量Ｈｂ［ｋ
ｃａｌ／ｓ］を都市ガスの利用のみによって賄う場合
の、給湯に必要な都市ガスの流量：Ｆｂ［ｍｏｌ／ｓ］
を、式（１５）に従って算出する。
【００８９】 Ｆｂ［ｍｏｌ／ｓ］＝Ｋｈ２ｆ×Ｈｂ （１５）
【００９０】ここで、Ｋｈ２ｆは、都市ガスの主成分で
あるメタンの燃焼熱、ガス給湯器５０４の熱交換率など
から成る変換係数である。
【００９１】なお、給湯に必要な熱量Ｈｂ［ｋｃａｌ／
ｓ］は、図示せざる温度センサからの検出結果や、蓄積
された過去のデータなどに基づいて取得する。
【００９２】こうして、制御部６００は、サンプル時
間：ＤＴ（＝１ｓｅｃ）毎に、給湯に必要な都市ガスの
流量：Ｆｂｉ［ｍｏｌ／ｓ］を算出し、式（１６）に従
って、サンプル６０点を積分することで、過去１分間の
使用ガス量（給湯のみ）：Ｖｂ［ｍ3］を算出する。
【００９３】 Ｖｂ［ｍ3］＝Ｋｍ２ｖ×Σ（Ｆｂｉ×ＤＴ） （１６）
【００９４】ここで、Ｋｍ２ｖは、前述したとおり、モ
ル数を標準状態（２０℃，１気圧）の容積に変換するた
めの係数である。
【００９５】次に、制御部６００は、この算出した過去
１分間の使用ガス量（給湯のみ）Ｖｂ［ｍ3］から、都
市ガスのみを利用して、過去１分間、給湯を行う場合の
コスト：Ｃｇｂ［円］を、式（１７）に従って算出す
る。
【００９６】 Ｃｇｂ［円］＝Ｋｇ１＋Ｋｇ２×Ｖｂ （１７）
【００９７】ここで、Ｋｇ１は、前述したとおり、過去
１分間のガスの基本料金に相当する定数であり、Ｋｇ２
は、ガスの従量料金単価に相当する係数である。
【００９８】こうして、都市ガスのみを利用することに
よって給湯を行うと仮定した場合のコストを求めること
ができる。
【００９９】次に、制御部６００は、燃料電池２００か
らの廃熱を少なくとも利用することによって給湯を行う
と仮定した場合（コジェネレーションがある場合）のコ
ストを求める（ステップＳ１１６）。このように、燃料
電池２００からの廃熱を利用して給湯を行う場合とは、
家庭内電気負荷４００での消費電力を、燃料電池２００
による自家発電によって賄う場合に相当し、燃料電池２
００からの廃熱のみを利用して給湯を行う（具体的に
は、熱交換器５０２のみによって給湯を行う）場合と、
燃料電池２００からの廃熱を利用する他、都市ガスも利
用して給湯を行う（即ち、熱交換器５０２とガス給湯器
５０４の両方によって給湯を行う）場合と、に分けられ
る。制御部６００は、具体的には、以下の処理を行う。
【０１００】即ち、まず、制御部６００は、式（１８）
に示すように、前述のステップＳ１０４において算出し
た燃料電池２００の出力電流Ｉｆｃ［Ａ］に基づいて、
予めＲＯＭ（図示せず）に格納されているマップから、
回収熱量：Ｈｒｅｃ［ｋｃａｌ／ｓ］を求める。
【０１０１】 Ｈｒｅｃ［ｋｃａｌ／ｓ］＝ＭＡＰ（Ｉｆｃ） （１８）
【０１０２】ここで、Ｈｒｅｃは、冷却水に燃料電池２
００によって捨てられた廃熱を、熱交換器５０２で回収
した際の回収熱量である。この回収熱量Ｈｒｅｃは、燃
料電池２００の出力電流Ｉｆｃ［Ａ］と、例えば、図４
に示すような相関がある。
【０１０３】次に、制御部６００は、給湯に必要な熱
量：Ｈｂ［ｋｃａｌ／ｓ］を取得し、この熱量Ｈｂ［ｋ
ｃａｌ／ｓ］を都市ガスの利用と燃料電池２００からの
廃熱の利用とによって賄う場合の、給湯に必要な都市ガ
スの流量：Ｆｂｃ［ｍｏｌ／ｓ］を、式（１９）に従っ
て算出する。
【０１０４】但し、Ｈｂ≦Ｈｒｅｃの場合、給湯に必要
な熱量Ｈｂは燃料電池２００の廃熱から回収した熱量Ｈ
ｒｅｃによって全て賄うことができるので、給湯のため
に、都市ガスを利用する必要がない。そのため、給湯に
必要な都市ガスの流量Ｆｂｃは、０となる。
【０１０５】反対に、Ｈｂ＞Ｈｒｅｃの場合、給湯に必
要な熱量Ｈｂは燃料電池２００の廃熱から回収した熱量
Ｈｒｅｃだけでは不足するのて、都市ガスを用いて熱量
を補う必要がある。そのため、給湯に必要な都市ガスの
流量Ｆｂｃは、式（１９）に従う。
【０１０６】 Ｆｂｃ［ｍｏｌ／ｓ］＝Ｋｈ２ｆ×（Ｈｂ−Ｈｒｅｃ） （１９）
【０１０７】ここで、Ｋｈ２ｆは、前述したとおり、都
市ガスの主成分であるメタンの燃焼熱、ガス給湯器５０
４の熱交換率などから成る変換係数である。
【０１０８】こうして、制御部６００は、サンプル時
間：ＤＴ（＝１ｓｅｃ）毎に、給湯に必要な都市ガスの
流量：Ｆｂｃｉ［ｍｏｌ／ｓ］を算出し、式（２０）に
従って、サンプル６０点を積分することで、過去１分間
の使用ガス量（給湯のみ）：Ｖｂｃ［ｍ3］を算出す
る。
【０１０９】 Ｖｂｃ［ｍ3］＝Ｋｍ２ｖ×Σ（Ｆｂｃｉ×ＤＴ） （２０）
【０１１０】ここで、Ｋｍ２ｖは、前述したとおり、モ
ル数を標準状態（２０℃，１気圧）の容積に変換するた
めの係数である。
【０１１１】次に、制御部６００は、この算出した過去
１分間の使用ガス量（給湯のみ）Ｖｂｃ［ｍ3］から、
都市ガスと燃料電池２００からの廃熱を利用して、過去
１分間、給湯を行う場合のコスト：Ｃｇｂｃ［円］を、
式（２１）に従って算出する。
【０１１２】 Ｃｇｂｃ［円］＝Ｋｇ１＋Ｋｇ２×Ｖｂｃ （２１）
【０１１３】ここで、Ｋｇ１は、前述したとおり、過去
１分間のガスの基本料金に相当する定数であり、Ｋｇ２
は、ガスの従量料金単価に相当する係数である。
【０１１４】こうして、燃料電池２００からの廃熱を少
なくとも利用することによって給湯を行うと仮定した場
合のコストを求めることができる。
【０１１５】以上の通り、家庭内で給湯がされている場
合、次の２つの利用形態が考えられる。即ち、１つ目
は、家庭内電気負荷４００での電力消費を、電力会社か
らの購入によって賄い、給湯対象５００への給湯を都市
ガスのみを利用することによって行う形態、即ち、コジ
ェネレーションがない場合の形態である。また、２つ目
は、家庭内電気負荷４００での電力消費を、燃料電池２
００による自家発電によって賄い、給湯対象５００への
給湯を燃料電池２００からの廃熱を少なくとも利用する
ことによって行う形態、即ち、コジェネレーションがあ
る場合の形態である。
【０１１６】前者の利用形態の場合に掛かるコストは、
ステップＳ１０２で求めた電力会社からの購入によって
賄うと仮定した場合のコスト（過去１分間のコスト：Ｃ
ｅ［円］）と、ステップＳ１１４で求めた都市ガスのみ
を利用して給湯を行うと仮定した場合のコスト（過去１
分間分のコスト：Ｃｇｂ［円］）と、の和Ｃｅ＋Ｃｇｂ
［円］である。一方、後者の利用形態の場合に掛かるコ
ストは、ステップＳ１０４で求めた燃料電池２００によ
る自家発電によって賄うと仮定した場合のコスト（過去
１分間のコスト：Ｃｇ［円］）と、ステップＳ１１６で
求めた燃料電池２００からの廃熱を少なくとも利用して
給湯を行うと仮定した場合のコスト（過去１分間分のコ
スト：Ｃｇｂｃ［円］）と、の和Ｃｇ＋Ｃｇｂｃ［円］
である。
【０１１７】そこで、制御部６００は、前者の利用形態
の場合に掛かるコスト（過去１分間のコスト：Ｃｅ＋Ｃ
ｇｂ［円］）と、後者の利用形態の場合に掛かるコスト
（過去１分間のコスト：Ｃｇ＋Ｃｇｂｃ［円］）と、を
比較して、後者の利用形態（自家発電など）の場合に掛
かるコストＣｇ＋Ｃｇｂｃ［円］の方が、前者の利用形
態（電力会社からの購入など）の場合に掛かるコストＣ
ｅ＋Ｃｇｂ［円］よりも安い場合には、式（２２）に従
って、燃料電池側のリレースイッチＡに対応するリレー
フラッグＲＬＹａをＯＮにし、外線側のリレースイッチ
Ｂに対応するリレーフラッグＲＬＹｂをＯＦＦにする
（ステップＳ１２０）。
【０１１８】IF Ｃｅ＋Ｃｇｂ≧Ｃｇ＋Ｃｇｂｃ THEN
ＲＬＹａ＝ＯＮ，ＲＬＹｂ＝ＯＦＦ（２２）
【０１１９】反対に、前者の利用形態（電力会社からの
購入など）の場合に掛かるコストＣｅ＋Ｃｇｂ［円］の
方が、後者の利用形態（自家発電など）の場合に掛かる
コストＣｇ＋Ｃｇｂｃ［円］よりも安い場合には、式
（２３）に従って、燃料電池側のリレースイッチＡに対
応するリレーフラッグＲＬＹａをＯＦＦにし、外線側の
リレースイッチＢに対応するリレーフラッグＲＬＹｂを
ＯＮにする（ステップＳ１２２）。
【０１２０】IF Ｃｅ＋Ｃｇｂ＜Ｃｇ＋Ｃｇｂｃ THEN
ＲＬＹａ＝ＯＦＦ，ＲＬＹｂ＝ＯＮ（２３）
【０１２１】但し、この時点では、制御部６００は、リ
レースイッチＡ，Ｂの切り換えを行わない。
【０１２２】以上が、家庭内で給湯がされている場合の
処理である。なお、この処理が終了したら、図２の丸Ａ
に続く図３の丸Ａ以降の処理に進む。
【０１２３】ところで、一般に、燃料電池システムにお
いては、改質器の応答が燃料電池のそれよりも約１０倍
遅いと言う特徴がある。このため、例えば、運転中の燃
料電池システムを急停止させる場合、インバータによる
燃料電池からの電流の引き抜きを急停止することは可能
であるが、改質器においては、都市ガスの供給を急停止
しても、改質反応はしばらく（数秒）持続するため、そ
の間に生成された燃料ガス（水素を含む）を大気中に廃
棄せざるを得ず、エネルギ効率が低下してしまうという
問題があった。逆に、停止している燃料電池システムを
起動する場合、燃料電池において急激に発電しようとし
ても、改質器での燃料ガスの生成が間に合わず、この状
態で、インバータにより燃料電池から電流を引こうとす
ると、燃料電池において分極反応が顕著に現れ、燃料電
池の出力電圧が急激に低下するという問題があった。
【０１２４】前者の問題は、図１に示す燃料電池システ
ムにおいては、リレースイッチＡをＯＮからＯＦＦに切
り換えた際に、後者の問題は、リレースイッチＡをＯＦ
ＦからＯＮに切り換えた際に、それぞれ、生じる恐れが
ある。そこで、本実施例においては、以下に述べるとお
り、燃料電池２００に供給される水素量から、ＤＣ−Ａ
Ｃインバータ３０２の目標電流値を算出し、リレースイ
ッチＡのＯＮ／ＯＦＦを切り換える際に、その目標電流
値を用いてＤＣ−ＡＣインバータ３０２の協調制御を行
うようにしている。以下、制御部６００の具体的に処理
について説明する。
【０１２５】即ち、図３に示す制御ルーチンでは、ま
ず、制御部６００は、燃料電池２００に供給される水素
量から、ＤＣ−ＡＣインバータ３０２の目標電流値を求
める（ステップＳ１２４）。具体的には、以下の通りと
なる。
【０１２６】制御部６００は、まず、流量センサ６０の
検出結果から、都市ガス流量の計測値：Ｆｋ［ｍｏｌ／
ｓ］を取得し、その値から、改質器モデルを用いて、燃
料電池２００に供給される水素量の推定値：Ｆｈｅｓｔ
［ｍｏｌ／ｓ］を算出する。例えば、改質器１００を
「１次遅れ＋むだ時間」系で表すとすると、上記推定値
Ｆｈｅｓｔ［ｍｏｌ／ｓ］は、式（２４）の如くにな
る。
【０１２７】Ｆｈｅｓｔ［ｍｏｌ／ｓ］＝ｅｘｐ（τｋ
×Ｓ）／（Ｔｋ×Ｓ＋１）×Ｆｋ（２４）
【０１２８】ここで、τｋ，Ｔｋは改質器１００のむだ
時間，時定数であり、Ｓはラプラス演算子である。
【０１２９】なお、式（２４）は、いわゆる開ループ推
定であるが、精度をさらに上げるために、カルマンフィ
ルタ等を用いて、閉ループ推定としても良い。
【０１３０】次に、制御部６００は、算出した水素量の
推定値Ｆｈｅｓｔ［ｍｏｌ／ｓ］に対して、この水素量
が燃料電池２００に供給され、燃料電池２００におい
て、その水素量が過不足なく消費されて、適切に発電が
行われた場合の、燃料電池２００の出力電流Ｉｆｃ
［Ａ］を、式（８）を逆算することによって求め、その
値をＤＣ−ＡＣインバータ３０２の目標電流値：Ｉｉｎ
ｖ［Ａ］とする。即ち、ＤＣ−ＡＣインバータ３０２に
よって、燃料電池２００から目標電流値Ｉｉｎｖ［Ａ］
分、電流を引くことにより、燃料電池２００では、供給
された上記水素量Ｆｈｅｓｔ［ｍｏｌ／ｓ］が過不足な
く消費されて発電されることになる。
【０１３１】ＤＣ−ＡＣインバータ３０２の目標電流値
Ｉｉｎｖ［Ａ］は、具体的には、式（２５）の如くにな
る。
【０１３２】 Ｉｉｎｖ［Ａ］＝Ｆｈｅｓｔ×（２×Ｆ）／Ｋｆｃｈ （２５）
【０１３３】次に、制御部６００は、リレースイッチ
Ａ，ＢのＯＮ／ＯＦＦ状態と、リレーフラッグＲＬＹ
ａ，ＲＬＹｂのＯＮ／ＯＦＦ状態を、それぞれ確認する
（ステップＳ１２６）。そして、確認の結果、リレース
イッチＡがＯＮであり、かつ、リレーフラッグＲＬＹａ
がＯＦＦであるならば（ステップＳ１２８）、リレース
イッチＡのＯＮからＯＦＦへの切換処理を許可して（ス
テップＳ１３０）、図３に示す制御ルーチンを抜ける。
また、リレースイッチＡがＯＦＦであり、かつ、リレー
フラッグＲＬＹａがＯＮであるならば（ステップＳ１３
２）、リレースイッチＡのＯＦＦからＯＮへの切換処理
を許可して（ステップＳ１３２）、図３に示す制御ルー
チンを抜ける。さらに、上記以外の場合には、そのまま
図３に示す制御ルーチンを抜ける。以上で、図３に示す
制御ルーチンの説明を終了する。
【０１３４】次に、図５はリレースイッチＡのＯＮから
ＯＦＦへの切換処理の処理手順を示すフローチャートで
ある。
【０１３５】リレースイッチＡのＯＮからＯＦＦへの切
換処理が許可された場合、制御部６００は、一定時間毎
に繰り返される図２および図３に示す制御ルーチンと並
行して、図５に示す切換処理を開始する。まず、制御部
６００は、流量制御弁５８を制御して、改質器１００へ
の都市ガスの供給を停止する（ステップＳ２０２）。次
に、制御部６００は、図３のステップＳ１２４の処理が
繰り返される毎に、算出される目標電流値Ｉｉｎｖ
［Ａ］に基づいて、ＤＣ−ＡＣインバータ３０２の協調
制御を行う（ステップＳ２０４）。即ち、制御部６００
は、燃料電池２００から目標電流値Ｉｉｎｖ［Ａ］に相
当する電流を出力電流として引き出すように、ＤＣ−Ａ
Ｃインバータ３０２を制御する。そして、都市ガスの供
給停止から所定時間経過後、制御部６００は、ＤＣ−Ａ
Ｃインバータ３０２の協調制御を終了し、リレースイッ
チＡをＯＮからＯＦＦへ切り換えると同時に、リレース
イッチＢをＯＦＦからＯＮへ切り換える（ステップＳ２
０６）。こうして、リレースイッチＡのＯＮからＯＦＦ
への切換処理を終了する。
【０１３６】この場合のタイミングチャートを図６に示
す。図６において、（ａ）は改質器１００に対する都市
ガスの供給／停止状態を示し、（ｂ）はリレースイッチ
ＡのＯＮ／ＯＦＦ状態を示し、（ｃ）はＤＣ−ＡＣイン
バータ３０２の目標電流値Ｉｉｎｖを示す。なお、横軸
は時間である。
【０１３７】図６に示すように、改質器１００への都市
ガスの供給を停止した後、目標電流値Ｉｉｎｖに従って
ＤＣ−ＡＣインバータ３０２の協調制御を行い、目標電
流値Ｉｉｎｖが少なくなった所定時間経過後に、リレー
スイッチＡをＯＮからＯＦＦに切り換える。
【０１３８】このように、リレースイッチＡのＯＮから
ＯＦＦへの切り換え時に、ＤＣ−ＡＣインバータ３０２
の協調制御を行うことにより、改質器１００への都市ガ
スの供給を停止した後、改質器１００において、しばら
く改質反応が持続し、燃料ガスが生成されても、その燃
料ガスを燃料電池２００において過不足なく消費して、
徐々に発電動作を終了することになるので、燃料ガスを
大気中に廃棄することなく、エネルギ効率を向上させる
ことができる。
【０１３９】次に、図７はリレースイッチＡのＯＦＦか
らＯＮへの切換処理の処理手順を示すフローチャートで
ある。
【０１４０】反対に、リレースイッチＡのＯＦＦからＯ
Ｎへの切換処理が許可された場合には、制御部６００
は、一定時間毎に繰り返される図２および図３に示す制
御ルーチンと並行して、図７に示す切換処理を開始す
る。まず、制御部６００は、流量制御弁５８を制御し
て、改質器１００への都市ガスの供給を開始する（ステ
ップＳ３０２）。次に、制御部６００は、図３のステッ
プＳ１２４の処理が繰り返される毎に、算出される目標
電流値Ｉｉｎｖ［Ａ］に基づいて、上述したと同様のＤ
Ｃ−ＡＣインバータ３０２の協調制御を行う（ステップ
Ｓ３０４）。そして、都市ガスの供給開始から所定時間
経過したら、制御部６００は、ＤＣ−ＡＣインバータ３
０２の協調制御を終了し、リレースイッチＡをＯＦＦか
らＯＮへ切り換えると同時に、リレースイッチＢをＯＮ
からからＯＦＦへ切り換える（ステップＳ３０６）。こ
うして、リレースイッチＡのＯＦＦからＯＮへの切換処
理を終了する。
【０１４１】この場合のタイミングチャートを図８に示
す。図８において、（ａ）は改質器１００に対する都市
ガスの供給／停止状態を示し、（ｂ）はリレースイッチ
ＡのＯＮ／ＯＦＦ状態を示し、（ｃ）はＤＣ−ＡＣイン
バータ３０２の目標電流値Ｉｉｎｖを示す。なお、横軸
は時間である。
【０１４２】図８に示すように、改質器１００への都市
ガスの開始を停止した後、目標電流値Ｉｉｎｖに従って
ＤＣ−ＡＣインバータ３０２の協調制御を行い、目標電
流値Ｉｉｎｖが上昇してきた所定時間経過後に、リレー
スイッチＡをＯＦＦからＯＮに切り換える。
【０１４３】このように、リレースイッチＡのＯＦＦか
らＯＮへの切り換え時に、ＤＣ−ＡＣインバータ３０２
の協調制御を行うことにより、改質器１００への都市ガ
スの供給開始後、改質器１００で生成された分だけ、燃
料ガスを燃料電池２００において過不足なく消費して、
発電動作を行うので、分極反応を生じさせることなく、
徐々に定常状態に近づけることができる。
【０１４４】以上説明したように、本実施例によれば、
時々刻々、トータルコストがより安くなるように、燃料
電池２００からの電力か、電力会社からの電力かを切り
換えて、電力の供給源を選択できるため、トータルのラ
ンニングコストを最適に抑えることが可能となる。ま
た、このような電力の切り換えは、自動的に行なわれる
ため、ユーザは切り換えを気にすることなく、電力を使
用することができ、省労力を実現することができる。ま
たさらに、燃料電池２００からの廃熱を給湯に利用する
など、コジェネレーションも積極的に考慮しているの
で、システム全体のエネルギ効率を向上させることがで
きる。
【０１４５】なお、本発明は上記した実施例や実施形態
に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲に
おいて種々の態様にて実施することが可能である。
【０１４６】Ｄ．変形例： Ｄ−１．変形例１：上記した実施例においては、制御部
６００は、リレースイッチＡ，Ｂを切り換える際には、
一方のリレースイッチをＯＮしたときには、他方のリレ
ースイッチはＯＦＦするように切り換えていた。しかし
ながら、リレースイッチＡがＯＮで、燃料電池２００に
よる自家発電によって得られた電力を家庭内電気負荷４
００に供給している場合に、電気負荷の急増が起こり、
かつ、改質器１００における燃料ガスの生成が追いつか
ない場合（過渡最悪ケース）、過渡的に、電力会社から
外線を介して電力の供給を受けて、不足分を補い必要が
ある。そこで、そのような制御を付加した変形例につい
て、説明する。
【０１４７】この変形例では、制御部６００は、リレー
スイッチＡがＯＮである時、必要に応じて、リレースイ
ッチＢをＯＮする。
【０１４８】図９はこの変形例における制御部６００の
制御手順の主要部を示すフローチャートである。図９に
示す処理は、図２および図３の制御ルーチンの最後尾に
追加される。
【０１４９】図９に示すように、制御部６００は、図３
のステップＳ１２６で確認した結果、リレースイッチＡ
がＯＮである場合（ステップＳ１３６）に、図２のステ
ップＳ１０４中で算出した、家庭内電気負荷４００での
消費電力を賄うために燃料電池２００から出力すべき電
流Ｉｆｃ［Ａ］、即ち、要求値と、図３のステップＳ１
２４中で算出した、供給された水素量が過不足なく消費
されて適切に発電が行われた場合の燃料電池２００の出
力電流（ＤＣ−ＡＣインバータ３０２の目標電流値）Ｉ
ｉｎｖ［Ａ］、即ち、実現可能値と、の差を求め、その
差（Ｉｆｃ−Ｉｉｎｖ）がしきい値Ｋｔｈより大きいか
否かを判定する（ステップＳ１３８）。ここで、Ｋｔｈ
は、リレースイッチＡがＯＮの時に、リレースイッチＢ
のＯＮを許可するためのしきい値である。
【０１５０】そして、判定の結果、差（Ｉｆｃ−Ｉｉｎ
ｖ）がしきい値Ｋｔｈより大きい場合、即ち、燃料電池
２００の出力電流の要求値Ｉｆｃが、実現可能値Ｉｉｎ
ｖに比べて大き過ぎる場合、電気負荷が急増して、それ
に対して改質器１００での燃料ガスの生成が追いついて
いない（つまり、過渡最悪ケース）と判断して、制御部
６００は、リレースイッチＢをＯＮにする（ステップＳ
１４０）。
【０１５１】それ以外の場合には、制御部６００は、何
もしないで、図２および図３の制御ルーチンをそのまま
抜ける。
【０１５２】このような制御を行うことによって、電気
負荷の急増が起こり、かつ、改質器１００における燃料
ガスの生成が追いつかない場合（過渡最悪ケース）で
も、電力会社から電力の供給を受けて、不足分を補うこ
とができる。また、図５のステップＳ２０４で行う協調
制御時に、過渡的に、燃料電池２００による発電能力が
足りなくなった場合でも、安定運転を確保することがで
きる。
【０１５３】Ｄ−２．変形例２：上記した実施例におい
ては、図３のステップＳ１２４において、ＤＣ−ＡＣイ
ンバータ３０２の目標電流値Ｉｉｎｖ［Ａ］を求める
際、流量センサ６０の検出結果である、都市ガス流量の
計測値Ｆｋから、燃料電池２００に供給される水素量を
推定したが、改質器１００から燃料電池２００に至るガ
ス流路中（好ましくは、燃料電池２００の燃料ガスに、
所望のセンサを設けて、燃料電池２００に供給される水
素量を直接計測するようにしても良い。その場合、制御
部６００は、その計測値：Ｆｈｍｅｓ［ｍｏｌ／ｓ］か
ら、式（２６）に従って、ＤＣ−ＡＣインバータ３０２
の目標電流値Ｉｉｎｖ［Ａ］を求めるようにする。
【０１５４】 Ｉｉｎｖ［Ａ］＝Ｆｈｍｅｓ×（２×Ｆ）／Ｋｆｃｈ （２６）
【０１５５】このような方法を用いることにより、より
精度よく、ＤＣ−ＡＣインバータ３０２の目標電流値Ｉ
ｉｎｖ［Ａ］を求めることができる。
【０１５６】Ｄ−３．その他の変形例：上記した実施例
では、熱負荷として、給湯対象を例として挙げたが、風
呂などの場合、給湯を熱交換器５０２，ガス給湯器５０
４で行う他、追い炊きをガス釜で行う場合も考えられ
る。このような場合にも、本発明は当然に適用可能であ
る。
【０１５７】また、燃料電池装置７００に供給する燃料
としては、商用ガスである都市ガスやプロパンガスの
他、エタノール，メタノールなどのアルコールや、ガソ
リン，灯油などの石油系燃料や、アルデヒド，エーテル
なども含まれる。
【０１５８】また、本発明の燃料電池システムは、家庭
用のみならず、オフィスやコンビニエンスストアなど事
業用としても、利用可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システムの
構成を示すブロック図である。
【図２】図１の燃料電池システムにおける制御部６００
の制御手順の前半部分を示すフローチャートである。
【図３】図１の燃料電池システムにおける制御部６００
の制御手順の後半部分を示すフローチャートである。
【図４】図１における燃料電池２００の出力電流Ｉｆｃ
と熱交換器５０２での回収熱量Ｈｒｅｃとの相関関係を
示すグラフである。
【図５】図１におけるリレースイッチＡのＯＮからＯＦ
Ｆへの切換処理の処理手順を示すフローチャートであ
る。
【図６】図１におけるリレースイッチＡのＯＮからＯＦ
Ｆへ切り換える際の改質器１００に対する都市ガスの供
給／停止状態、リレースイッチＡのＯＮ／ＯＦＦ状態、
およびＤＣ−ＡＣインバータ３０２の目標電流値Ｉｉｎ
ｖを示すタイミングチャートである。
【図７】図１におけるリレースイッチＡのＯＦＦからＯ
Ｎへの切換処理の処理手順を示すフローチャートであ
る。
【図８】図１におけるリレースイッチＡのＯＦＦからＯ
Ｎへ切り換える際の改質器１００に対する都市ガスの供
給／停止状態、リレースイッチＡのＯＮ／ＯＦＦ状態、
およびＤＣ−ＡＣインバータ３０２の目標電流値Ｉｉｎ
ｖを示すタイミングチャートである。
【図９】変形例における制御部６００の制御手順の主要
部を示すフローチャートである。
【符号の説明】
５２…ガス流路 ５４…水流路 ５６…燃焼燃料流路 ５８…流量制御弁 ６０…流量センサ ６２…流量制御弁 ６４…流量センサ ６６…流量制御弁 １００…改質器 １０２…蒸発部 １０４…燃焼部 １０６…熱交換器 １０８…改質部 １１０…ＣＯ酸化部 １１２…ブロワ １１４…ブロア １１６…ブロア ２００…燃料電池 ２０２…水素極 ２０４…酸素極 ２０６…ブロア ２０８…冷却水路 ３００…インバータＢＯＸ ３０２…ＤＣ−ＡＣインバータ ４００…家庭内電気負荷 ４０２…電力センサ ５００…給湯対象 ５０２…熱交換器 ５０４…ガス給湯器 ５０６…ガス流路 ６００…制御部 ７００…燃料電池装置 Ａ…リレースイッチ Ｂ…リレースイッチ

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃料の供給を受けて電力を発生する燃料
    電池装置を備え、該燃料電池装置から発生された電力と
    外部から導入された電力のうち、少なくとも一方を電気
    負荷に供給することが可能な燃料電池システムであっ
    て、 前記燃料電池装置からの電力と外部からの電力とを切り
    換えて、両者のうち、少なくとも一方を前記電気負荷に
    供給する切換部と、 前記電気負荷に供給すべき電力を前記燃料電池装置から
    の電力によって賄う場合に掛かる前記燃料のコストと、
    前記電気負荷に供給すべき電力を外部からの電力によっ
    て賄う場合に掛かる前記電力のコストと、を算出し、こ
    れら算出したコストに基づいて、トータルコストが安く
    なるように、前記切換部における電力の切り換えを制御
    する制御部と、 を備える燃料電池システム。
  2. 【請求項２】 燃料の供給を受けて電力を発生すると共
    に、電力発生時に生じた熱を廃棄する燃料電池装置を備
    え、該燃料電池装置から発生された電力と外部から導入
    された電力のうち、少なくとも一方を電気負荷に供給す
    ることが可能であると共に、前記燃料電池からの廃熱を
    熱負荷に与えることが可能な燃料電池システムであっ
    て、 前記燃料電池装置からの電力と外部からの電力とを切り
    換えて、両者のうち、少なくとも一方を前記電気負荷に
    供給する切換部と、 前記電気負荷に供給すべき電力を前記燃料電池装置から
    の電力によって賄う場合に掛かる前記燃料のコストと、
    前記電気負荷に供給すべき電力を外部からの電力によっ
    て賄う場合に掛かる前記電力のコストと、前記熱負荷に
    与えるべき熱を前記燃料を燃焼させることによって得ら
    れる熱で賄う場合に掛かる前記燃料のコストと、前記熱
    負荷に与えるべき熱を前記燃料電池からの廃熱によって
    賄い、その不足分を前記燃料を燃焼させることによって
    得られる熱で賄う場合に掛かる前記燃料のコストと、を
    それぞれ算出し、これら算出したコストに基づいて、ト
    ータルコストが安くなるように、前記切換部における電
    力の切り換えを制御する制御部と、 を備える燃料電池システム。
  3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の燃料電
    池システムにおいて、 前記制御部は、前記燃料電池装置からの電力と外部から
    の電力のうち、何れか一方のみを前記電気負荷に供給す
    るよう、前記切換部における電力の切り換えを制御する
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  4. 【請求項４】 請求項１ないし請求項３のうちの任意の
    １つに記載の燃料電池システムにおいて、 前記燃料電池装置は、 前記燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改
    質器と、 生成された前記燃料ガスの供給を受けて電力を発生する
    燃料電池と、 を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  5. 【請求項５】 請求項１ないし請求項３のうちの任意の
    １つに記載の燃料電池システムにおいて、 前記切換部は、 前記燃料電池装置から出力される直流電圧を交流電圧に
    変換するＤＣ−ＡＣインバータと、 前記燃料電池装置から前記ＤＣ−ＡＣインバータを介し
    て前記電気負荷に電力を供給するための第１の電力供給
    線と、 外部から前記電気負荷に電力を供給するための第２の電
    力供給線と、 前記第１の電力供給線上に配置され、該第１の電力供給
    線に対する通電／遮断を切り換える第１のスイッチと、 前記第２の電力供給線上に配置され、該第２の電力供給
    線に対する通電／遮断を切り換える第２のスイッチと、 を備え、 前記制御部は、前記ＤＣ−ＡＣインバータ、並びに前記
    第１および第２のスイッチを制御することを特徴とする
    燃料電池システム。
  6. 【請求項６】 請求項１ないし請求項３のうちの任意の
    １つに記載の燃料電池システムにおいて、 前記燃料電池装置は、 前記燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改
    質器と、 生成された前記燃料ガスの供給を受けて電力を発生する
    燃料電池と、 を備えると共に、 前記切換部は、 前記燃料電池装置から出力される直流電圧を交流電圧に
    変換するＤＣ−ＡＣインバータと、 前記燃料電池装置から前記ＤＣ−ＡＣインバータを介し
    て前記電気負荷に電力を供給するための第１の電力供給
    線と、 外部から前記電気負荷に電力を供給するための第２の電
    力供給線と、 前記第１の電力供給線上に配置され、該第１の電力供給
    線に対する通電／遮断を切り換える第１のスイッチと、 前記第２の電力供給線上に配置され、該第２の電力供給
    線に対する通電／遮断を切り換える第２のスイッチと、 を備え、 前記制御部は、前記燃料電池に供給される前記燃料ガス
    の量から、前記燃料電池から出力されるべき目標電流値
    を算出すると共に、前記第１のスイッチを通電から遮断
    に、または、遮断から通電に切り換える際には、切り換
    え直前の所定時間、前記燃料電池から前記目標電流値に
    相当する電流が出力されるよう、前記ＤＣ−ＡＣインバ
    ータを制御することを特徴とする燃料電池システム。
  7. 【請求項７】 燃料の供給を受けて電力を発生する燃料
    電池装置を備え、該燃料電池装置から発生された電力と
    外部から導入された電力のうち、少なくとも一方を電気
    負荷に供給することが可能な燃料電池システムにおける
    供給電力の切換方法であって、 （ａ）前記電気負荷に供給すべき電力を前記燃料電池装
    置からの電力によって賄う場合に掛かる前記燃料のコス
    トと、前記電気負荷に供給すべき電力を外部からの電力
    によって賄う場合に掛かる前記電力のコストと、を算出
    する工程と、 （ｂ）これら算出したコストに基づいて、トータルコス
    トが安くなるように、前記燃料電池装置からの電力と外
    部からの電力とを切り換えて、両者のうち、少なくとも
    一方を前記電気負荷に供給する工程と、 を備える供給電力切換方法。
  8. 【請求項８】 燃料の供給を受けて電力を発生すると共
    に、電力発生時に生じた熱を廃棄する燃料電池装置を備
    え、該燃料電池装置から発生された電力と外部から導入
    された電力のうち、少なくとも一方を電気負荷に供給す
    ることが可能であると共に、前記燃料電池からの廃熱を
    熱負荷に与えることが可能な燃料電池システムにおける
    供給電力の切換方法であって、 （ａ）前記電気負荷に供給すべき電力を前記燃料電池装
    置からの電力によって賄う場合に掛かる前記燃料のコス
    トと、前記電気負荷に供給すべき電力を外部からの電力
    によって賄う場合に掛かる前記電力のコストと、前記熱
    負荷に与えるべき熱を前記燃料を燃焼させることによっ
    て得られる熱で賄う場合に掛かる前記燃料のコストと、
    前記熱負荷に与えるべき熱を前記燃料電池からの廃熱に
    よって賄い、その不足分を前記燃料を燃焼させることに
    よって得られる熱で賄う場合に掛かる前記燃料のコスト
    と、をそれぞれ算出する工程と、 （ｂ）これら算出したコストに基づいて、トータルコス
    トが安くなるように、前記燃料電池装置からの電力と外
    部からの電力とを切り換えて、両者のうち、少なくとも
    一方を前記電気負荷に供給する工程と、 を備える供給電力切換方法。
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