(57)【要約】【課題】系統電源の異常が瞬時的なものであった場合に、燃料電池システム外に供給する電力を、求められる電力に迅速に復帰させることができる燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法を提供する。【解決手段】系統電源ＰＳに連系された燃料電池システム１は、燃料電池１３と、導入した原料Ｄを、燃料電池１３へ供給される燃料ガスＥに改質する改質器１１と、系統電源ＰＳの異常を検知する異常検知部３５と、制御部４０とを備える。制御部４０は、異常検知部３５が系統電源ＰＳの異常を検知したときに、燃料電池１３の発電電力を減少させる一方で、改質器１１における燃料ガスＥの生成流量を、系統電源ＰＳの異常が解消した場合に燃料電池システム１外に供給することが求められる電力を燃料電池１３で発電するのに必要な流量に調節して、所定の時間にわたって維持する制御を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
系統電源に連系された燃料電池システムであって；
前記燃料電池システム外に供給する電力を発生させる燃料電池と；
導入した原料を、前記燃料電池へ供給される燃料ガスに改質する改質器と；
前記系統電源の異常を検知する異常検知部と；
前記異常検知部が前記系統電源の異常を検知したときに、前記燃料電池の発電電力を減少させる一方で、前記改質器における前記燃料ガスの生成流量を、前記系統電源の異常が解消した場合に前記燃料電池システム外に供給することが求められる電力である復帰要請出力を前記燃料電池で発電するのに必要な流量に調節して、所定の時間にわたって維持する制御を行う制御部とを備える；
燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御部が、前記異常検知部が前記系統電源の異常を検知してから前記所定の時間が経過しても前記系統電源の異常が解消しないときに、前記燃料電池システム外への電力の供給を停止させると共に、前記改質器における前記燃料ガスの生成流量を減少させる制御を行うように構成された；
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池システムが前記燃料電池で発生した電力を外部へ供給していないときに前記燃料電池で発生した電力を利用可能な系内負荷を備え；
前記制御部が、前記異常検知部が前記系統電源の異常を検知してから前記所定の時間が経過しても前記系統電源の異常が解消しないときに、前記燃料電池の発電電力を回復させて前記燃料電池で発生した電力を前記系内負荷に供給する制御を行うように構成された；
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池が、酸化剤ガスと前記燃料ガスとを導入して発電する固体酸化物形燃料電池で構成され；
前記燃料電池に供給された前記燃料ガスのうち発電に利用されなかったガスである燃料オフガスと、前記燃料電池に供給された前記酸化剤ガスのうち発電に利用されなかったガスである酸化剤オフガスと、を導入して前記燃料オフガスを燃焼させる燃焼部をさらに備え；
前記制御部が、前記異常検知部が前記系統電源の異常を検知したときに、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの流量を、前記復帰要請出力を前記燃料電池で発電するのに必要な流量に調節して、所定の時間にわたって維持する制御を行うように構成された；
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
系統電源に連系された燃料電池システムを運転する方法であって；
前記燃料電池システム外に供給する電力を燃料電池で発電する発電工程と；
前記燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料ガス生成工程と；
前記系統電源の異常の有無を監視する異常監視工程と；
前記異常監視工程において前記系統電源の異常を検知したときに、前記燃料電池の発電電力を減少させる一方で、前記燃料ガス生成工程における前記燃料ガスの生成流量を、前記系統電源の異常が解消した場合に前記燃料電池システム外に供給することが求められる電力である復帰要請出力を前記燃料電池で発電するのに必要な流量に調節し、所定の時間にわたって維持して、前記系統電源の異常の解消を待機する待機工程とを備える；
燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法に関し、特に系統電源の異常が瞬時的なものであった場合に、燃料電池システム外に供給する電力を、求められる電力に迅速に復帰させることができる燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素含有ガスと酸素含有ガスとを導入して発電する燃料電池を設置する際、水素含有ガスを入手するためのインフラ整備が十分でないことに鑑み、炭化水素系原料を改質して水素含有ガスとする改質器が併設されることが多い。また、燃料電池は、燃料電池の発電電力が電気機器等の電力負荷の需要電力に満たない場合に備えて、系統電源に連系されるものがある（例えば、特許文献１参照。）。他方、燃料電池と改質器とを備える燃料電池システムの負荷増加時の運転方法として、燃料電池モジュールの目標発電量を設定し、燃料電池モジュールに供給する酸化剤ガスを増加させ、その後、燃料電池モジュールに供給する水を増加させ、燃料電池モジュールに供給する燃料ガスを増加させ、次いで、燃料電池モジュールの発電量を増加させ、その後、燃料電池モジュールの発電量が目標発電量以上に至ったか否かを検出するものがある（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１９２４１９号公報（段落００１５）
【特許文献２】特開２００９−１０４８８６号公報（段落００１２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
将来、燃料電池等の分散電源が普及して、系統電源に対して広域・大量に燃料電池が連系した結果、総発電出力に対する分散電源による発電出力の占める割合が高くなった場合、電力系統の擾乱により分散電源が系統電源から一斉に解列すると系統内の需給バランスが崩れて広範囲に停電が及ぶおそれがある。このような分散電源の一斉解列による問題を回避するため、燃料電池に対して、系統擾乱時に系統電源から燃料電池を解列せずに運転を継続する性能の要件（ＦＲＴ要件）の整備検討が進められている。ＦＲＴ要件においては、系統電源の異常（電圧低下）が瞬時的なものであった場合、燃料電池の発電出力を迅速に異常発生前の状態に回復させることが求められる。しかしながら、特許文献２に記載の運転方法をＦＲＴ要件に類推適用してみると、系統電源の異常発生時の目標発電出力の低下に合わせて改質器の燃料処理量を減少させ、系統電源の異常が瞬時的であると判断された場合に燃料処理量を増加させ、その後に発電出力を増加させることとなるので、燃料電池の発電出力を異常発生前の状態に回復させるのが遅くなってしまう。
【０００５】
本発明は上述の課題に鑑み、系統電源の異常が瞬時的なものであった場合に、燃料電池システム外に供給する電力を、求められる電力に迅速に復帰させることができる燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、系統電源ＰＳに連系された燃料電池システム１であって；燃料電池システム１外に供給する電力を発生させる燃料電池１３と；導入した原料Ｄを、燃料電池１３へ供給される燃料ガスＥに改質する改質器１１と；系統電源ＰＳの異常を検知する異常検知部３５と；異常検知部３５が系統電源ＰＳの異常を検知したときに、燃料電池１３の発電電力を減少させる一方で、改質器１１における燃料ガスＥの生成流量を、系統電源ＰＳの異常が解消した場合に燃料電池システム１外に供給することが求められる電力である復帰要請出力を燃料電池１３で発電するのに必要な流量に調節して、所定の時間にわたって維持する制御を行う制御部４０とを備える。ここで、復帰要請出力は、典型的には、電気事業者間の取り決めによって定められる。また、燃料ガスＥの生成流量を、復帰要請出力を燃料電池１３で発電するのに必要な流量に調節することには、系統電源ＰＳの異常の検知の直前の流量に維持することを含む。
【０００７】
このように構成すると、系統電源の異常を検知したときに燃料電池の発電電力を減少させる一方で、改質器における燃料ガスの生成流量を、復帰要請出力を燃料電池で発電するのに必要な流量に調節して所定の時間にわたって維持するので、系統電源の異常が瞬時的なものであった場合に、燃料電池システム外に供給する電力を迅速に復帰要請出力にすることができる。
【０００８】
また、本発明の第２の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１を参照して示すと、上記本発明の第１の態様に係る燃料電池システム１において、制御部４０が、異常検知部３５が系統電源ＰＳの異常を検知してから所定の時間が経過しても系統電源ＰＳの異常が解消しないときに、燃料電池システム１外への電力の供給を停止させると共に、改質器１１における燃料ガスＥの生成流量を減少させる制御を行うように構成されている。
【０００９】
このように構成すると、系統電源の異常の解消の見込みが立たない状態で復帰要請出力を燃料電池で発電し得る状態の継続を回避することとなって、原料消費量を抑制することができると共に燃料電池システムを保護することができる。
【００１０】
また、本発明の第３の態様に係る燃料電池システムは、例えば図４を参照して示すと、上記本発明の第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池システム１Ａが燃料電池１３で発生した電力を外部へ供給していないときに燃料電池１３で発生した電力を利用可能な系内負荷５１を備え；制御部４０が、異常検知部３５が系統電源ＰＳの異常を検知してから所定の時間が経過しても系統電源ＰＳの異常が解消しないときに、燃料電池１３の発電電力を回復させて燃料電池１３で発生した電力を系内負荷５１に供給する制御を行うように構成されている。
【００１１】
このように構成すると、異常検知部が系統電源の異常を検知してから所定の時間が経過しても系統電源の異常が解消しない場合であっても、系統電源の異常を検知する前の発電電力で燃料電池の運転を継続させることができ、改質器における燃料ガスの生成流量を減少させずに維持することができて、系統電源の異常が解消した場合に燃料電池で発生した電力を迅速に燃料電池システム外へ供給することが可能となる。
【００１２】
また、本発明の第４の態様に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様乃至第３の態様のいずれか１つの態様に係る燃料電池システム１において、燃料電池１３が、酸化剤ガスＡと燃料ガスＥとを導入して発電する固体酸化物形燃料電池で構成され；燃料電池１３に供給された燃料ガスＥのうち発電に利用されなかったガスである燃料オフガスＦｅと、燃料電池１３に供給された酸化剤ガスＡのうち発電に利用されなかったガスである酸化剤オフガスＦａと、を導入して燃料オフガスＦｅを燃焼させる燃焼部１５をさらに備え；制御部４０が、異常検知部３５が系統電源ＰＳの異常を検知したときに、燃料電池１３に供給される酸化剤ガスＡの流量を、復帰要請出力を燃料電池１３で発電するのに必要な流量に調節し、所定の時間にわたって維持する制御を行うように構成されている。
【００１３】
このように構成すると、系統電源の異常が瞬時的なものであった場合に、燃料電池システム外に供給する電力を迅速に復帰要請出力にすることができる。
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明の第５の態様に係る、系統電源ＰＳに連系された燃料電池システムの運転方法は、例えば図１及び図２を参照して示すと、燃料電池システム１外に供給する電力を燃料電池１３で発電する発電工程（Ｓ２）と；燃料電池１３に供給する燃料ガスＥを生成する燃料ガス生成工程（Ｓ１）と；系統電源ＰＳの異常の有無を監視する異常監視工程（Ｓ３）と；異常監視工程（Ｓ３）において系統電源ＰＳの異常を検知したときに、燃料電池１３の発電電力を減少させる一方で、燃料ガス生成工程（Ｓ１）における燃料ガスＥの生成流量を、系統電源ＰＳの異常が解消した場合に燃料電池システム１外に供給することが求められる電力である復帰要請出力を燃料電池１３で発電するのに必要な流量に調節し、所定の時間にわたって維持して、系統電源ＰＳの異常の解消を待機する待機工程（Ｓ４−Ｓ６）とを備える。
【００１５】
このように構成すると、系統電源の異常を検知したときに、燃料電池の発電電力を減少させる一方で、燃料ガス生成工程における燃料ガスの生成流量を、復帰要請出力を燃料電池で発電するのに必要な流量に調節して所定の時間にわたって維持するので、系統電源の異常が瞬時的なものであった場合に、燃料電池システム外に供給する電力を迅速に復帰要請出力にすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、系統電源の異常が瞬時的なものであった場合に、燃料電池システム外に供給する電力を迅速に復帰要請出力にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】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。
【図２】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの運転方法を説明するフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの運転方法を説明するタイムチャートである。
【図４】本発明の実施の形態の変形例に係る燃料電池システムの模式的系統図である。
【図５】本発明の実施の形態の変形例に係る燃料電池システムの運転方法を説明するタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
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１を説明する。図１は、燃料電池システム１の模式的系統図である。燃料電池システム１は、原料Ｄを水素に富む燃料ガスＥに改質する改質器１１と、燃料電池１３と、燃焼部１５と、系統電源ＰＳの異常を検知する異常検知部としての異常検知器３５と、制御部としての制御装置４０とを備えている。
【００２０】
原料Ｄは、改質することで燃料電池１３における発電に利用可能となる程度に水素に富むガス（水素リッチガス）にできるものであり、典型的には炭化水素系燃料が用いられる。具体例として、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料が挙げられ、これらの炭化水素系燃料は、石油・石炭等の化石燃料由来のもの、合成ガス等の合成系燃料由来のもの、バイオマス由来のもの等を適宜用いることができる。炭化水素類としては、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ、都市ガス、タウンガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。アルコール類として、メタノール、エタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットが挙げられる。
【００２１】
改質器１１は、原料Ｄの改質を促進させる改質触媒を内部に有している。改質触媒は、例えば、部分酸化改質触媒、水蒸気改質触媒、自己熱改質触媒等を、これらのうちの一種、又は複数種を組み合わせて用いることができる。本実施の形態では、水蒸気改質触媒が改質器１１に収容されている。水蒸気改質触媒は吸熱反応が優勢となる改質触媒であるので、本実施の形態では、水蒸気改質触媒が、吸熱反応に必要な熱を燃焼部１５からも得ることができるように構成されている。改質器１１には、原料Ｄを導入する原料流路としての原料管２１と、水蒸気改質に用いられる改質水Ｗを導入する改質水流路としての改質水管２３とが接続されている。原料管２１には、原料Ｄを改質器１１に向けて圧送する原料供給装置としての原料ブロワ２２が挿入配置されている。改質水管２３には、改質水Ｗを改質器１１に向けて圧送する改質水供給装置としての改質水ポンプ２４が挿入配置されている。改質器１１は、原料Ｄ及び改質水Ｗを導入して燃料ガスＥを生成するように構成されている。改質器１１には、また、生成された燃料ガスＥを導出する燃料ガス流路としての燃料ガス管２５が接続されている。
【００２２】
燃料電池１３は、燃料ガス管２５を介して改質器１１と接続されている。燃料電池１３には、また、酸素を含む酸化剤ガスＡを導入する酸化剤ガス流路としての酸化剤ガス管２６が接続されている。酸化剤ガスＡは、典型的には空気である。酸化剤ガス管２６には、酸化剤ガスＡを燃料電池１３に向けて圧送する酸化剤ガス供給装置としての酸化剤ガスブロワ２７が挿入配置されている。燃料電池１３は、燃料ガスＥ及び酸化剤ガスＡを導入し、燃料ガスＥ中の水素等と酸化剤ガスＡ中の酸素との電気化学的反応により直流の電力を発生するように構成されている。燃料電池１３としては、本実施の形態では円筒型（平板円筒型を含む）の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）が用いられている。燃料電池１３における発電のために燃料電池１３に供給された燃料ガスＥ及び酸化剤ガスＡは、そのすべてが発電に利用されるのではなく、燃料電池１３の発電電流に応じた分が利用される。燃料電池１３における発電のために燃料電池１３に供給された燃料ガスＥのうち、発電に利用されなかった分は、燃料オフガスＦｅとして導出される。また、燃料電池１３における発電のために燃料電池１３に供給された酸化剤ガスＡのうち、発電に利用されなかった分は、酸化剤オフガスＦａとして導出される。以降、燃料オフガスＦｅ及び酸化剤オフガスＦａを総称してオフガスＦというときもある。
【００２３】
燃焼部１５は、オフガス流路２８を介して燃料電池１３と連絡しており、オフガスＦを燃焼させるように構成されている。燃焼部１５は、主としてオフガスＦ中の未燃成分を浄化するためのものであるが、改質器１１に隣接して配置されていることで、改質器１１内の改質触媒に熱を与えることができるように構成することが好ましい。例えば、改質器１１及び燃料電池１３が収容された筐体（不図示）内において、燃料オフガスＦｅが導出される部分の上部に改質器１１を配置し、改質器１１と燃料電池１３との間の空間でオフガスＦを燃焼させる構造としてもよい。この場合、改質器１１と燃料電池１３との間の空間が燃焼部１５に相当し、オフガス流路２８と燃焼部１５とが極めて近接した構造となる。燃焼部１５は、燃料オフガスＦｅと酸化剤オフガスＦａとが混合したオフガスＦを燃焼させ、オフガスＦの燃焼によって生じる排ガスＧを排出するように構成されている。燃焼部１５には、排ガスＧを流す排ガス流路としての排ガス管２９が接続されている。
【００２４】
燃料電池システム１は、パワーコンディショナ３０を介して系統電源ＰＳに連系されている。系統電源ＰＳは、電力会社が保有する商用の配電線網から供給される電源である。パワーコンディショナ３０は、燃料電池１３で発電された電力を安定した出力に調整する機器である。パワーコンディショナ３０は、燃料電池１３で発電された電圧を昇圧するコンバータ３１と、コンバータ３１で昇圧された直流の電力を交流に変換するインバータ３２と、系統電源ＰＳの異常を検知する異常検知器３５とを有している。インバータ３２は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子を有しており、スイッチング素子をすべてオフにすることで燃料電池システム１と系統電源ＰＳとの連系を電気的に遮断する（ゲートブロックを行う）ことができるように構成されている。パワーコンディショナ３０を介して系統電源ＰＳと連系した燃料電池システム１は、燃料電池システム１の外部に配置された家電機器等の負荷Ｌに電気的に接続されており、燃料電池１３で発電された電力を負荷Ｌに供給することができるように構成されている。
【００２５】
制御装置４０は、燃料電池システム１の動作を制御する機器である。制御装置４０は、原料ブロワ２２、改質水ポンプ２４、酸化剤ガスブロワ２７とそれぞれ信号ケーブルで接続されており、改質器１１に供給する原料Ｄの流量、改質器１１に供給する改質水Ｗの流量、燃料電池１３に供給する酸化剤ガスＡの流量をそれぞれ調節することができるように構成されている。また、制御装置４０は、パワーコンディショナ３０と信号ケーブルで接続されており、燃料電池１３における発電電力を調節することができると共に、異常検知器３５で系統電源ＰＳの異常が検知されたことの情報を受信することができるように構成されている。
【００２６】
引き続き図２を参照して、燃料電池システム１の作用を説明する。図２は、燃料電池システム１の運転状態を説明するフローチャートである。なお、以下の作用の説明において言及する燃料電池システム１の構成については、適宜図１を参照することとする。燃料電池システム１では、原料Ｄ及び改質水Ｗが改質器１１に供給されることで、改質器１１において原料Ｄの水蒸気改質が行われ、燃料ガスＥが生成される（燃料ガス生成工程：Ｓ１）。生成された燃料ガスＥは燃料電池１３の燃料極（不図示）に供給される。また、燃料電池１３の酸化剤極（不図示）に酸化剤ガスＡが供給される。
【００２７】
燃料ガスＥ及び酸化剤ガスＡが導入された燃料電池１３では、燃料ガスＥ中の水素等と酸化剤ガスＡ中の酸素との電気化学的反応による発電が行われる（発電工程：Ｓ２）。燃料電池１３に導入された燃料ガスＥ及び酸化剤ガスＡは、発電に利用された後にオフガスＦとして導出され、燃焼部１５に至る。オフガスＦは、燃焼部１５で燃焼され、このとき生ずる燃焼熱は、改質器１１における水蒸気改質反応に利用される。燃焼部１５でオフガスＦが燃焼されることによって生じた排ガスＧは、排ガス管２９を流れ、熱交換器（不図示）で適宜熱回収が行われた後、燃料電池システム１の外へ排出される。
【００２８】
定常運転時の燃料電池１３では、パワーコンディショナ３０で要求された電力が発電される。ここで、定常運転とは、燃料電池１３において所望の発電電力を発生させることができる状態（このとき、改質器１１では所望の流量の燃料ガスＥを生成できる状態になっている。）の運転であり、典型的には燃料電池システム１の起動工程及び停止工程以外の状態にあるときの運転である。一般に、燃料電池には、要求された電力を燃料電池で発電する際に利用される水素及び酸素の流量よりも多い流量の水素及び酸素が供給される。制御装置４０は、要求された電力を燃料電池１３で発電する際に利用される水素の流量に対して所定の割合だけ多い流量の水素を燃料電池１３に供給可能な流量の燃料ガスＥを改質器１１で生成できるように、原料ブロワ２２の回転速度を調節する。また、制御装置４０は、改質器１１における燃料ガスＥの生成流量に応じた改質水Ｗを改質器１１に供給するように、改質水ポンプ２４の回転速度を調節する。また、制御装置４０は、要求された電力を燃料電池１３で発電する際に利用される酸素の流量に対して所定の割合だけ多い流量の酸素を燃料電池１３に供給可能な流量の酸化剤ガスＡを燃料電池１３に供給するように、酸化剤ガスブロワ２７の回転速度を調節する。燃料電池１３で発電された直流電力は、パワーコンディショナ３０において、コンバータ３１で昇圧され、インバータ３２で交流電力に変換されて、負荷Ｌに供給される。負荷Ｌに供給される電力が、燃料電池１３で発電された電力だけでは不足する場合、不足分の電力が系統電源ＰＳから負荷Ｌに供給される。
【００２９】
上述のように燃料電池システム１が系統電源ＰＳに連系した状態で、燃料電池システム１が定常運転を行っている最中に、系統電源ＰＳが擾乱等の異常を起こす可能性がある。系統電源ＰＳが停電した場合は、一般に、公衆及び作業者の安全確保の観点から、燃料電池システム１等の分散電源を系統電源ＰＳから解列することが求められる。しかし、系統電源ＰＳの停電が瞬時的なものである場合、分散電源が系統電源ＰＳから一斉に解列した状態で系統電源ＰＳが瞬時的な停電前の状態に復電すると、電力負荷に対して系統電源ＰＳの供給電力が不足し、分散電源が解列しなければ生じなかったであろう停電が広範囲で生じるおそれがある。このような事情を考慮して、系統電源ＰＳの停電が瞬時的なものであった場合に速やかに分散電源を系統電源ＰＳに連系した状態とすることができるように、ＦＲＴ要件の整備検討が進められている。そこで、燃料電池システム１では、ＦＲＴ要件を充足すべく、定常運転時に以下の制御を行うこととしている。
【００３０】
ここから、図２及び図１と併せて図３に示すタイムチャートも参照する。燃料電池システム１の定常運転時、制御装置４０は、例えば図３における時間ｔ１から時間ｔ２までの期間Ｐ１のように、燃料電池１３の発電電力を漸増させる際、燃料電池１３に供給される酸化剤ガスＡの流量並びに燃料電池１３に供給される燃料ガスＥの流量に関連する改質器１１に供給する原料Ｄ及び改質水Ｗの流量も漸増させる。また、例えば図３における時間ｔ３から時間ｔ４までの期間Ｐ２のように、燃料電池１３の発電電力を漸減させる際、酸化剤ガスＡの流量並びに燃料ガスＥの流量に関連する原料Ｄ及び改質水Ｗの流量も漸減させる。このようにすることで、燃料電池１３の発電電力の増減に応じて燃料ガスＥの生成流量を増減することができ、適切な水素及び酸素の利用率（燃料電池における発電に利用された流量の、燃料電池に供給された流量に対する割合）を維持することができる流量の燃料ガスＥ及び酸化剤ガスＡを燃料電池１３に供給することが可能となる。制御装置４０は、このような燃料電池システム１の定常運転を行っている間、系統電源ＰＳに異常が発生したか否かを監視している（異常監視工程：Ｓ３）。
【００３１】
異常監視工程（Ｓ３）において、異常検知器３５が系統電源ＰＳの異常の有無を検知しない場合は、再び異常監視工程（Ｓ３）に戻る。他方、異常検知器３５が系統電源ＰＳの異常を検知した場合（図３における時間ｔ５又は時間ｔ８）、制御装置４０は、燃料電池システム１外へ電力が供給されないようにするために、燃料電池１３の発電電力を減少させる（Ｓ４）。なお、系統電源ＰＳの異常によって位相変化が生じたときに、瞬時的にゲートブロックを行ってもよい。制御装置４０は、燃料電池１３の発電電力を減少させる工程（Ｓ４）において、燃料電池１３の発電電力が、異常が生じた系統電源ＰＳに不都合が生じない程度の発電電力となるまで減少させる。ここでの不都合が生じない程度の発電電力として、例えば、燃料電池システム１の内部に備えられる補機（原料ブロワ２２、改質水ポンプ２４、酸化剤ガスブロワ２７など）において消費される程度の電力まで減少させることが挙げられる。本実施の形態では、系統電源ＰＳの異常が検知される直前の燃料電池１３の発電電力の２０％まで燃料電池１３の発電電力を減少させることとしている。
【００３２】
燃料電池１３の発電電力を減少させたことに伴い、制御装置４０は、燃料電池１３に供給される燃料ガスＥ及び酸化剤ガスＡの流量を、以下に示す条件を充足するように調節する（Ｓ５）。ここで充足すべき条件は、復帰要請時間内に、燃料電池システム１外に供給する電力が復帰要請出力となるのに必要な電力を燃料電池１３で発電するのに必要な流量にすることである。ここで「復帰要請出力」は、系統電源ＰＳの異常が解消した場合に燃料電池システム１外に供給することが求められる電力である。また、「復帰要請時間」は、系統内の需給バランスを保つために、系統電源ＰＳの復電から、これに追従して分散電源を復電させる期限までの時間である。本実施の形態における復帰要請時間は、図３における時間ｔ６から時間ｔ７までの期間Ｐ４が相当する。復帰要請時間Ｐ４内に到達させる復帰要請出力は、本実施の形態では系統電源ＰＳの異常が検知される直前の燃料電池１３の発電電力の８０％としている。復帰要請出力及び復帰要請時間は、典型的には、系統電源ＰＳを供給する事業者と、燃料電池システム１等の分散電源を供給する事業者との取り決め（電気事業者間の取り決め）によって定められるものである。また、本実施の形態では、復帰要請時間の経過後となったとしても、系統電源ＰＳの異常が検知される直前の電力を燃料電池システム１外に供給するために、燃料ガスＥ及び酸化剤ガスＡの流量を調節する工程（Ｓ５）における、燃料電池１３に供給される燃料ガスＥ及び酸化剤ガスＡの流量を、系統電源ＰＳの異常が検知される直前の流量のまま維持することとしている。このように、燃料電池１３に供給される燃料ガスＥ及び酸化剤ガスＡの流量を上述の条件を充足するように調節することには、系統電源ＰＳの異常検知直前の流量に維持することが含まれる。燃料電池１３に供給される燃料ガスＥの流量を系統電源ＰＳの異常が検知される直前の流量のまま維持することに伴い、改質器１１に供給される原料Ｄ及び改質水Ｗの流量も系統電源ＰＳの異常が検知される直前の流量のまま維持する。
【００３３】
異常検知器３５が系統電源ＰＳの異常を検知して、燃料電池１３の発電電力を減少させる（Ｓ４）一方で、燃料電池１３に供給される燃料ガスＥの流量を系統電源ＰＳの異常が検知される直前の流量のまま維持すると、燃料電池１３における水素の利用率が低下して、燃料オフガスＦｅ中に含まれる可燃成分（水素）が増大し、燃焼部１５における燃焼状態が変わってしまうおそれがある。しかし、燃料電池１３の発電電力を減少させたときに（Ｓ４）、酸化剤ガスＡの流量も系統電源ＰＳの異常が検知される直前の流量のまま維持するので、燃料電池１３における酸素の利用率も低下して、酸化剤オフガスＦａに含有する酸素量も増大し、燃料オフガスＦｅ中の可燃成分と酸化剤オフガスＦａ中の酸素量とのバランスが崩れることを抑制することができる。そして、燃料電池システム１では、燃料オフガスＦｅ及び酸化剤オフガスＦａ共に燃焼部１５に導いて燃焼させているので、オフガスＦの組成が変動しても、オフガスＦ燃焼のための特別な制御を行うことなく、オフガスＦの燃焼を安定させることができる。
【００３４】
制御装置４０は、燃料電池１３の発電電力を減少させ（Ｓ４）、燃料ガスＥ及び酸化剤ガスＡの流量を調節したら（Ｓ５）、所定の時間が経過したか否かを判断する（Ｓ６）。ここでの所定の時間は、系統電源ＰＳの異常が瞬時的なものか否かを判断できる時間であり、図３における時間ｔ５から時間ｔ６まで又は時間ｔ８からｔ９までの期間Ｐ３が相当する。所定の時間が経過したか否かを判断する工程（Ｓ６）において、所定の時間が経過していないときは、引き続き所定の時間が経過したか否かを判断する工程（Ｓ６）を継続する。他方、所定の時間が経過したら、系統電源ＰＳの異常が解消したか否かを判断する（Ｓ７）。制御装置４０は、系統電源ＰＳの異常が解消したか否かを、異常検知器３５からの信号によって判断する。なお、系統電源ＰＳの異常を検知してから所定の時間が経過するまでが待機工程に相当する。
【００３５】
系統電源ＰＳの異常が解消したか否かを判断する工程（Ｓ７）において、異常が解消した場合、制御装置４０は、燃料電池システム１外への電力の供給を再開するために、燃料電池１３の発電電力を、系統電源ＰＳの異常が検知される直前（図３における時間ｔ５の直前）の発電電力に向けて回復させる（Ｓ８）。なお、系統電源ＰＳの復電による位相変化が生じたときに、ゲートブロックを行ってもよい。このとき、燃料電池１３には、系統電源ＰＳの異常が検知される直前の電力を発電させるのに適した流量の燃料ガスＥ及び酸化剤ガスＡが供給されているので、燃料電池１３の発電電力は速やかに回復し、復帰要請時間Ｐ４内に燃料電池システム１外に供給される電力が復帰要請出力（本実施の形態では系統電源ＰＳの異常が検知される直前の発電電力の８０％）まで回復し、以後まもなく系統電源ＰＳの異常が検知される直前の発電電力の１００％に回復する。仮に、図３に一点鎖線Ｑｃで示すように、系統電源ＰＳの異常が検知された時間ｔ５から、燃料電池１３に供給される燃料ガスＥ等の流量を、燃料電池１３における発電電力の低下に対応させて減少させた場合、系統電源ＰＳの異常が解消した時間ｔ６から燃料電池１３の発電電力を回復させようとして燃料電池１３に供給される燃料ガスＥ等の流量を増加させようとしても、改質器１１における燃料ガスＥ生成流量増大の応答の遅れから、燃料電池１３に供給される燃料ガスＥ等の流量はすぐには増加せず、図３に一点鎖線Ｒｃで示すように、復帰要請時間Ｐ４内に燃料電池システム１外に供給される電力が復帰要請出力まで回復させることできず、ＦＲＴ要件を充足することが困難となる。これに対し、本実施の形態に係る燃料電池システム１では、復帰要請時間Ｐ４内に燃料電池システム１外に供給される電力が復帰要請出力となるように燃料電池１３の発電電力を回復させることができるので、ＦＲＴ要件を充足することができる。制御装置４０は、燃料電池１３の発電電力を回復させたら、再び異常監視工程（Ｓ３）に戻る。
【００３６】
系統電源ＰＳの異常が解消したか否かを判断する工程（Ｓ７）において、異常が解消していない場合（図３における時間ｔ９参照）、制御装置４０は、インバータ３２の出力を停止することで燃料電池システム１外への電力の供給を停止し（Ｓ９）、改質器１１における燃料ガスＥの生成量を減少させることで燃料電池１３に供給される燃料ガスＥの流量を減少させると共に、燃料電池１３に供給される酸化剤ガスＡの流量を減少させる（Ｓ１０）。このとき、改質器１１における燃料ガスＥの生成を少量として継続すると、改質器１１の定常運転を再開する際に立ち上がりを早めることができる。なお、改質器１１における燃料ガスＥの生成量を減少させることには、燃料ガスＥの生成量を０にすることを含み、この場合は改質器１１を停止させたことになる。このとき、改質器１１における燃料ガスＥの生成量を０にして、燃料電池１３自体の発電を停止させる。又は、改質器１１における燃料ガスＥの生成量を少量として、燃料電池システム１の内部に備えられる補機（原料ブロワ２２、改質水ポンプ２４、酸化剤ガスブロワ２７など）において消費可能な程度の電力のみ燃料電池１３で発電を継続しながら系統電源ＰＳの異常が解消するまで待機してもよい。以後、燃料電池１３における発電を再開する際は、燃料ガス生成工程（Ｓ１）から図２に示すフローを行う。
【００３７】
以上で説明したように、本実施の形態に係る燃料電池システム１によれば、系統電源ＰＳの異常を検知したときに、燃料電池１３の発電電力を減少させる一方で、燃料電池１３に供給される燃料ガスＥ（改質器１１で生成される燃料ガスＥ）及び酸化剤ガスＡの流量を系統電源ＰＳの異常が検知される直前の流量のまま維持するので、系統電源ＰＳの異常が瞬時的であった場合に、復帰要請時間Ｐ４内に、燃料電池システム１外に供給する電力が復帰要請出力となるのに必要な電力まで燃料電池１３の発電電力を回復させることができ、ＦＲＴ要件を充足することができる。加えて、燃料オフガスＦｅ及び酸化剤オフガスＦａ共に燃焼部１５で燃焼させるので、系統電源ＰＳの異常を検知したときに、燃料電池１３の発電電力を減少させる一方で、燃料電池１３に供給される燃料ガスＥ及び酸化剤ガスＡの流量を系統電源ＰＳの異常が検知される直前の流量のまま維持しても、燃焼部１５におけるオフガスＦの燃焼を安定的に維持することができる。特に、オフガスＦの燃焼熱を改質器１１の加熱に利用する場合においては、改質器１１が安定的に加熱され、燃料ガスＥの生成も安定的に継続されるため、より好適な燃料ガスＥの生成状態を維持したまま、燃料電池１３の発電電力の回復に備えることができる。
【００３８】
次に図４を参照して本発明の実施の形態の変形例に係る燃料電池システム１Ａを説明する。図４は、燃料電池システム１Ａの模式的系統図である。燃料電池システム１Ａの、燃料電池システム１（図１参照）との異なる点は、系内負荷５１が設けられている点である。系内負荷５１は、バッテリ（蓄電池）、ヒータ、家庭内の電気機器等を適用することができ、その中でもバッテリを適用すると燃料電池１３で発生した電力の利用の自由度が向上することとなり好適である。系内負荷５１は、本変形例では、ケーブル５９を介して、インバータ３２と異常検知器３５との間に電気的に接続されているが、この位置への接続に代えて、図４に二点鎖線で示すように、コンバータ３１とインバータ３２との間、あるいはコンバータ３１の上流（燃料電池１３とコンバータ３１との間）に接続されていてもよい。系内負荷５１がバッテリの場合、インバータ３２よりも上流側に接続されていると、直流に整流しなくて済むという利点がある。ケーブル５９には、リレー５５が配設されている。リレー５５は、典型的には電磁リレーが用いられる。リレー５５は、信号ケーブルを介して制御装置４０と接続されており、制御装置４０からの信号を受信して回路の開閉を行うことができるように構成されている。以下の説明において、リレー５５が開というときは、回路が開いて系内負荷５１に電力が供給されない状態となっており、リレー５５が閉というときは、回路が閉じて系内負荷５１に電力が供給される状態となっているものとする。燃料電池システム１Ａの、上記以外の構成は、燃料電池システム１（図１参照）と同様である。
【００３９】
上述のように構成された燃料電池システム１Ａの作用は、図２に示すフローにおいて、燃料ガス生成工程（Ｓ１）から、燃料電池１３の発電電力を系統電源ＰＳの異常が検知される直前の発電電力に向けて回復させる工程（Ｓ８）までは、前述の燃料電池システム１（図１参照）と同じである。しかし、燃料電池システム１（図１参照）と異なり、図２に示すフローの系統電源ＰＳの異常が解消したか否かを判断する工程（Ｓ７）において異常が解消していない場合に、燃料電池システム外への電力の供給を停止する工程（Ｓ９）及び燃料電池１３に供給される燃料ガスＥ等の流量を減少させる工程（Ｓ１０）に代えて、以下のように作動する。
【００４０】
以下、図５に示すタイムチャートを併せて参照して説明する。図５に示すタイムチャートは、燃料電池システム１Ａの運転方法を説明するものであり、時間ｔ１から時間ｔ８までは、図３に示すタイムチャートと同じになっている。燃料電池システム１Ａでは、系統電源ＰＳの異常を検知していない通常運転時、及び、系統電源ＰＳの異常を検知してから所定の時間以内に異常が解消して燃料電池１３の発電電力を回復させる運転を行う際に、リレー５５が開となっている。図２に示すフローにおける系統電源ＰＳの異常が解消したか否かを判断する工程（Ｓ７）において異常が解消していない場合（図５における時間ｔ９’参照）、制御装置４０は、リレー５５を閉にして系内負荷５１に燃料電池１３で発生した電力を供給できるようにすると共に、燃料電池１３の発電電力を、系統電源ＰＳの異常が検知される直前（図５における時間ｔ８の直前）の発電電力に向けて回復させる。このとき、燃料電池１３には、系統電源ＰＳの異常が検知される直前の電力を発電させるのに適した流量の燃料ガスＥ及び酸化剤ガスＡが供給されているので、燃料電池１３の発電電力は速やかに回復することとなる。つまり、燃料電池システム１Ａでは、系統電源ＰＳの異常を検知してから所定の時間が経過しても異常が解消しない場合であっても、改質器１１における燃料ガスＥの生成量、ひいては燃料電池１３に供給される燃料ガスＥの流量、並びに、燃料電池１３に供給される酸化剤ガスＡの流量を減少させることなく、燃料電池１３における発電を継続することとしている。燃料電池１３で発生した電力が系内負荷５１に供給されている際に、系統電源ＰＳの異常が解消した場合、制御装置４０は、リレー５５を開にし、燃料電池１３で発生した電力を燃料電池システム１Ａ外へ供給する。このときに燃料電池システム１Ａ外へ供給される電力は、系統電源ＰＳの異常が検知される直前の発電電力と同等になっているので、ＦＲＴ要件で求められるのと同等以上の短時間で速やかに燃料電池システム１Ａ外へ電力の供給を再開することができる。なお、系統電源ＰＳの異常が解消して燃料電池システム１Ａ外へ電力が供給されることとなったら、図２に示すフローの異常監視工程（Ｓ３）に戻ればよい。
【００４１】
以上で説明したように、本変形例に係る燃料電池システム１Ａによれば、系統電源ＰＳの異常を検知してから所定の時間が経過しても異常が解消しない場合に、燃料電池１３に供給される燃料ガスＥ及び酸化剤ガスＡの流量を減少させずに、燃料電池１３の発電電力を回復させるので、系統電源ＰＳの異常が解消したか否かにかかわらず、系統電源ＰＳの異常を検知する前の出力で燃料電池１３の運転を継続させることができ、系統電源ＰＳの異常が解消した際に、系統電源ＰＳの異常が検知される直前の発電電力と同等の電力を燃料電池システム１Ａ外へ供給することができて、燃料電池システム１Ａ外へ電力の供給を速やかに再開することができる。
【００４２】
以上の説明では、改質器１１が水蒸気改質反応を行うこととしたが、部分酸化改質反応を行うように構成されていてもよい。改質器１１が部分酸化改質反応を行う構成の場合、改質器１１には改質水Ｗに代えて改質用酸化剤が供給されることになるため、改質水ポンプ２４が配設された改質水管２３に代えて、改質用酸化剤ブロワが配設された改質用酸化剤ガス管が改質器１１に接続されることとなる。
【００４３】
以上の説明では、燃料電池１３が円筒型のＳＯＦＣであるとしたが、プレート型（平型）であってもよい。また、燃焼部１５が、改質器１１と燃料電池１３との間の空間に形成される構造であることとしたが、燃焼部１５は、オフガスＦを燃焼させるバーナを有する燃焼装置として構成されていてもよい。また、改質器１１及び燃料電池１３が筐体に収容されて構成されていることとしたが、改質器１１が筐体の外部に設置されるように構成されていてもよい。この場合、燃焼部１５における燃焼により生じた排ガスを改質器１１の近傍に供給することで、排ガスの熱を改質器１１の加熱に利用することができる。なお、改質器１１において加熱を必要としない改質触媒を用いる場合は、燃焼部１５における燃焼により生じた排ガスと改質器１１との熱の受け渡しは考慮しなくてもよい。
【００４４】
以上の説明では、異常監視工程（Ｓ３）において異常検知器３５が系統電源ＰＳの異常を検知したときに、燃料電池１３の発電電力を減少させる一方で、燃料電池１３に供給される燃料ガスＥの流量（改質器１１における燃料ガスＥの生成流量を含む）及び酸化剤ガスＡの流量を、所定の時間にわたって系統電源ＰＳの異常が検知される直前の流量に維持することとしたが、燃料電池１３に供給される燃料ガスＥ及び酸化剤ガスＡの流量は、所定の時間にわたって「実質的に」系統電源ＰＳの異常が検知される直前の流量に維持することとしてもよい。実質的に系統電源ＰＳの異常が検知される直前の流量に維持するとは、系統電源ＰＳの異常が瞬時的なものであった場合に、異常の解消後に直ちに（復帰要請時間Ｐ４内に）異常検知前に燃料電池システム１外に供給していた電力を出力するのに必要な電力まで燃料電池１３の発電電力を回復できる範囲において、燃料電池１３に供給される燃料ガスＥの流量（これに付随する改質器１１供給される原料Ｄ及び改質水Ｗの流量も含む）及び酸化剤ガスＡの流量の増減を許容することを意味している。
【００４５】
以上の説明では、異常監視工程（Ｓ３）において異常検知器３５が系統電源ＰＳの異常を検知したときに、燃料電池１３の発電電力を減少させる一方で、燃料電池１３に供給される燃料ガスＥの流量（改質器１１における燃料ガスＥの生成流量を含む）及び酸化剤ガスＡの流量を、所定の時間にわたって系統電源ＰＳの異常が検知される直前の流量に維持することとしたが、復帰要請時間内に、燃料電池システム１外に供給する電力が復帰要請出力となるのに必要な電力を燃料電池１３で発電するのに必要な流量とすれば足りることは上述の通りである。復帰要請出力が比較的小さい場合は、燃料ガスＥ及び酸化剤ガスＡの流量を調節する工程（Ｓ５）において燃料ガスＥ及び酸化剤ガスＡの流量を減少させることで原料消費量や補機を作動させる消費電力を削減可能な量が比較的大きくなる。他方、燃料電池１３の発電電力を減少させる一方で、燃料電池１３に供給される燃料ガスＥの流量（改質器１１における燃料ガスＥの生成流量を含む）及び酸化剤ガスＡの流量を、系統電源ＰＳの異常が検知される直前の流量に維持することとした場合は、図２に示すフローにおける燃料ガスＥ及び酸化剤ガスＡの流量を調節する工程（Ｓ５）を省略することが可能となり、制御を簡素化することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１    燃料電池システム
１１  改質器
１３  燃料電池
１５  燃焼部
３５  異常検知器
４０  制御装置
Ａ    酸化剤ガス
Ｄ    原料
Ｅ    燃料ガス
Ｆ    オフガス
Ｆｅ  燃料オフガス
Ｆａ  酸化剤オフガス
ＰＳ  系統電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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