(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の発電電力を変換するＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記燃料電池の出力電力を算出する燃料電池・出力電力算出手段と、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータからの出力電力を蓄積し、負荷機器が接続される電力蓄積要素と、
前記電力蓄積要素の出力電圧を検出する電力蓄積要素・出力電圧検出手段と、
前記燃料電池への燃料供給量を制御して前記燃料電池の発電量を制御し、前記ＤＣ−ＤＣコンバータを制御して前記燃料電池の出力電圧を変換して当該変換した電力を電力蓄積要素に蓄積させる、制御部と、
を有する燃料電池の発電制御装置であって、
前記電力蓄積要素の出力電圧が、第３閾値Ｖ３＜第１閾値（下限値）Ｖ１＜第４閾値Ｖ４＜第２閾値（上限値）Ｖ２の関係にあり、
前記制御部は、
前記電力蓄積要素の出力電圧が前記第２閾値以上になると、休止モードとして、前記燃料電池への燃料供給を停止し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を停止させ、
前記電力蓄積要素の出力電圧が前記第１閾値以下になると、前記燃料電池に燃料の供給を開始し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御し、
前記電力蓄積要素の出力電圧が前記第１閾値以上前記第２閾値以下のとき、燃料消費抑制モードとして、検出した電力燃料比が最大の電力燃料比で動作するように、前記燃料電池に燃料を供給し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御し、
前記電力蓄積要素・出力電圧検出手段の検出電圧が前記第１閾値より低い第３閾値以下になると、最大電力モードとして、前記燃料電池が当該燃料電池の最大出力電力点で運転するように、前記燃料電池に燃料を供給し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御し、
前記制御部は、前記燃料消費抑制モードにおいて、
予め定めた複数の燃料供給量のいずれかで前記燃料電池に燃料が供給されるよう設定し、
前記複数の燃料供給量の各燃料供給量における前記燃料電池・出力電力算出手段で算出した各燃料電池・出力電力を求め、
前記各燃料供給量に対応する前記燃料電池・出力電力算出手段で算出した各燃料電池・出力との比率である複数の電力燃料比を演算し、
前記各電力燃料比のうちで、電力燃料比が最も大きい最大電力燃料比を選択し、
前記選択した最大電力燃料比で動作するように、前記燃料電池に燃料を供給し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御する、
ことを特徴とする、燃料電池の発電制御装置。
【請求項２】
前記各燃料供給量は、前記燃料電池の出力電流の０から運転時の最大電流までの範囲を、複数に分割した前記燃料電池の出力電流に対応した各燃料供給量である、
請求項１に記載の燃料電池の発電制御装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記燃料消費抑制モードにおいて、前記燃料電池に前記複数の各燃料供給量の燃料が供給されるよう設定したとき、ある燃料供給量から次の燃料供給量に切り換えたとき、燃料供給量が安定するまでの間、変化している前記燃料電池の燃料電池・出力電力に追従させて前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を制御する、
請求項１または２に記載の燃料電池の発電制御装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記複数の各燃料供給量の全てについて前記出力電力を検出しても、演算した前記電力燃料比が前回の値より下がらない場合には、最後の検出に用いた燃料供給量を前記最大電力燃料比として選択する、
請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池の発電制御装置。
【請求項５】
前記制御部は、選択した前記燃料供給量の下で前記燃料電池を発電させている場合に、前記電力蓄積要素の出力電圧が前記第１閾値より低い前記第３閾値以下になると、前記燃料電池の発電のための燃料供給量を、選択した前記燃料供給量の下での発電のための燃料供給量から、前記燃料電池の出力電力が最大となる燃料供給量の下での発電のための燃料供給量に切り替える、
請求項２から４のいずれか一項記載の燃料電池の発電制御装置。
【請求項６】
燃料タンクから燃料が供給されて発電する燃料電池と、
前記燃料電池による発電を制御する発電制御装置と、
負荷機器と
を有する燃料電池発電システムであって、
前記発電制御装置は、
燃料電池の発電電力を変換するＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記燃料電池の出力電力を算出する燃料電池・出力電力算出手段と、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータからの出力電力を蓄積し、負荷機器が接続される電力蓄積要素と、
前記電力蓄積要素の出力電圧を検出する電力蓄積要素・出力電圧検出手段と、
前記燃料電池への燃料供給量を制御して前記燃料電池の発電量を制御し、前記ＤＣ−ＤＣコンバータを制御して前記燃料電池の出力電圧を変換して当該変換した電力を電力蓄積要素に蓄積させる、制御部と、
を有し、
前記電力蓄積要素の出力電圧が、第３閾値Ｖ３＜第１閾値（下限値）Ｖ１＜第４閾値Ｖ４＜第２閾値（上限値）Ｖ２の関係にあり、
前記制御部は、
前記電力蓄積要素の出力電圧が前記第２閾値以上になると、休止モードとして、前記燃料電池への燃料供給を停止し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を停止させ、
前記電力蓄積要素の出力電圧が前記第１閾値以下になると、前記燃料電池に燃料の供給を開始し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御し、
前記電力蓄積要素の出力電圧が前記第１閾値以上前記第２閾値以下のとき、燃料消費抑制モードとして、検出した電力燃料比が最大の電力燃料比で動作するように、前記燃料電池に燃料を供給し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御し、
前記電力蓄積要素・出力電圧検出手段の検出電圧が前記第１閾値より低い第３閾値以下になると、最大電力モードとして、前記燃料電池が当該燃料電池の最大出力電力点で運転するように、前記燃料電池に燃料を供給し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御し、
前記制御部は、前記燃料消費抑制モードにおいて、
予め定めた複数の燃料供給量のいずれかで前記燃料電池に燃料が供給されるよう設定し、
前記複数の燃料供給量の各燃料供給量における前記燃料電池・出力電力算出手段で算出した各燃料電池・出力電力を求め、
前記各燃料供給量に対応する前記燃料電池・出力電力算出手段で算出した各燃料電池・出力との比率である複数の電力燃料比を演算し、
前記各電力燃料比のうちで、電力燃料比が最も大きい最大電力燃料比を選択し、
前記選択した最大電力燃料比で動作するように、前記燃料電池に燃料を供給し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御する、
燃料電池発電システム。
【請求項７】
発電制御装置を用いて燃料が供給されると発電する燃料電池の発電制御を行う燃料電池の制御方法であって、
当該発電制御装置は、
燃料電池の発電電力を変換するＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記燃料電池の出力電力を算出する燃料電池・出力電力算出手段と、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータからの出力電力を蓄積し、負荷機器が接続される電力蓄積要素と、
前記電力蓄積要素の出力電圧を検出する電力蓄積要素・出力電圧検出手段と
を有し、
前記燃料電池への燃料供給量を制御して前記燃料電池の発電量を制御し、前記ＤＣ−ＤＣコンバータを制御して前記燃料電池の出力電圧を変換して当該変換した電力を電力蓄積要素に蓄積させ、
前記電力蓄積要素の出力電圧が、第３閾値Ｖ３＜第１閾値（下限値）Ｖ１＜第４閾値Ｖ４＜第２閾値（上限値）Ｖ２の関係にあり、
当該制御方法は、
前記電力蓄積要素の出力電圧が前記第２閾値以上になると、休止モードとして、前記燃料電池への燃料供給を停止し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を停止させ、
前記電力蓄積要素の出力電圧が前記第１閾値以下になると、前記燃料電池に燃料の供給を開始し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御し、
前記電力蓄積要素の出力電圧が前記第１閾値以上前記第２閾値以下のとき、燃料消費抑制モードとして、検出した電力燃料比が最大の電力燃料比で動作するように、前記燃料電池に燃料を供給し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御し、
前記電力蓄積要素・出力電圧検出手段の検出電圧が前記第１閾値より低い第３閾値以下になると、最大電力モードとして、前記燃料電池が当該燃料電池の最大出力電力点で運転するように、前記燃料電池に燃料を供給し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御し、
前記燃料消費抑制モードにおいて、
予め定めた複数の燃料供給量のいずれかで前記燃料電池に燃料が供給されるよう設定し、
前記複数の燃料供給量の各燃料供給量における前記燃料電池・出力電力算出手段で算出した各燃料電池・出力電力を求め、
前記各燃料供給量に対応する前記燃料電池・出力電力算出手段で算出した各燃料電池・出力との比率である複数の電力燃料比を演算し、
前記各電力燃料比のうちで、電力燃料比が最も大きい最大電力燃料比を選択し、
前記選択した最大電力燃料比で動作するように、前記燃料電池に燃料を供給し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御する、
制御方法。
【請求項８】
発電制御装置を用いて燃料が供給されると発電する燃料電池の発電制御を、コンピュータに実行させるプログラムであって、
当該発電制御装置は、
燃料電池の発電電力を変換するＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記燃料電池の出力電力を算出する燃料電池・出力電力算出手段と、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータからの出力電力を蓄積し、負荷機器が接続される電力蓄積要素と、
前記電力蓄積要素の出力電圧を検出する電力蓄積要素・出力電圧検出手段と
を有し、
前記燃料電池への燃料供給量を制御して前記燃料電池の発電量を制御し、前記ＤＣ−ＤＣコンバータを制御して前記燃料電池の出力電圧を変換して当該変換した電力を電力蓄積要素に蓄積させ、
前記電力蓄積要素の出力電圧が、第３閾値Ｖ３＜第１閾値（下限値）Ｖ１＜第４閾値Ｖ４＜第２閾値（上限値）Ｖ２の関係にあり、
当該プログラムは、
前記電力蓄積要素の出力電圧が前記第２閾値以上になると、休止モードとして、前記燃料電池への燃料供給を停止し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を停止させ、
前記電力蓄積要素の出力電圧が前記第１閾値以下になると、前記燃料電池に燃料の供給を開始し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御し、
前記電力蓄積要素の出力電圧が前記第１閾値以上前記第２閾値以下のとき、燃料消費抑制モードとして、検出した電力燃料比が最大の電力燃料比で動作するように、前記燃料電池に燃料を供給し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御し、
前記電力蓄積要素・出力電圧検出手段の検出電圧が前記第１閾値より低い第３閾値以下になると、最大電力モードとして、前記燃料電池が当該燃料電池の最大出力電力点で運転するように、前記燃料電池に燃料を供給し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御し、
前記燃料消費抑制モードにおいて、
予め定めた複数の燃料供給量のいずれかで前記燃料電池に燃料が供給されるよう設定し、
前記複数の燃料供給量の各燃料供給量における前記燃料電池・出力電力算出手段で算出した各燃料電池・出力電力を求め、
前記各燃料供給量に対応する前記燃料電池・出力電力算出手段で算出した各燃料電池・出力との比率である複数の電力燃料比を演算し、
前記各電力燃料比のうちで、電力燃料比が最も大きい最大電力燃料比を選択し、
前記選択した最大電力燃料比で動作するように、前記燃料電池に燃料を供給し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御する、
諸手順を、コンピュータに実行させるプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の発電制御装置、燃料電池発電システム、燃料電池の発電制御方法、およびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
二酸化炭素の排出量問題、省エネルギー問題などの対策として、燃料電池が注目されている。
燃料電池は、化学反応または酵素の働きにより電気を直接的に発生するため、一般的に発電効率が良いとされている。
また、燃料電池の化学反応後に生成される物質は主に水である。排出物にＮＯｘ成分などが含まれないため、環境にやさしい。
【０００３】
燃料電池には、たとえば固体高分子形燃料電池（PEFC, Polymer Electrolyte Fuel Cell）、りん酸形燃料電池（PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell）、溶融炭酸塩形燃料電池（MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell）、固体酸化物形燃料電池（SOFC, Solid Oxide Fuel Cell）、アルカリ電解質形燃料電池（AFC, Alkaline Fuel Cell）がある。
ＰＥＦＣでは、イオン交換膜に対して水素と酸素とを供給する。イオン交換膜において水素と酸素との化学反応が生じ、電気が発生する。ＰＥＦＣの運転温度は、約１００度と比較的低温である。
他の方式の燃料電池でも、燃料を供給することにより発電する。
【０００４】
このように燃料電池は、燃料が供給されることにより発電する。
燃料電池は、燃料が継続的に供給されることにより、継続的に発電し続ける。
また、燃料電池の出力電力特性には、通常、ピークがある。
そこで、燃料電池では、燃料電池の出力電力が最大となる動作点をサーチし、その出力電力が最大となる動作点において燃料電池を運転している（特許文献１から３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２７００４７号公報
【特許文献２】特開２００５−０６３９０１号公報
【特許文献３】特開２００８−１０２２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、燃料電池では、燃料電池の出力電力が最大となる動作点での燃料供給量と、一定量の燃料により発電可能な電力（電力量）が最大となる燃料供給量とが異なる。
このため、燃料電池の出力電力が最大となる動作点をサーチし、その動作点で燃料電池を運転させたとしても、燃料電池は、一定量の燃料により発電可能な電力（電力量）を最大とした状態で運転していることにならない。
【０００７】
また、この一定量の燃料により発電可能な電力（電力量）が最大となる燃料供給量は、たとえば燃料電池が設置された環境（温度、湿度など）に応じて変化する。
たとえば家庭用の燃料電池が屋外に設置されている場合、燃料電池の環境温度は、マイナス数十度からプラス数十度まで変化する。加えて、燃料電池の環境温度は、１日の間で数十度の急激な温度変化が生じることもある。このように環境温度が変化すると、一定量の燃料により発電可能な電力（電力量）が最大となる燃料供給量が変化する。車両用の燃料電池においても、当該燃料供給量が環境の変化に応じて変化する。
よって、出力電力が最大となる燃料供給量に替えて、燃料電池に対して、仮にたとえばある環境（温度）において一定量の燃料により発電可能な電力（電力量）を最大する燃料供給量を固定的に設定したとしても、実際の使用環境下では、燃料電池は、最適な燃料供給量で運転しているとは限らない。環境が随時変化していることからすれば、むしろ、燃料電池は、最適でない燃料供給量で運転している場合が多いと予想される。
【０００８】
このように燃料電池では、燃料の使用量を抑えて効率的に運転することが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、燃料電池の発電電力を変換するＤＣ−ＤＣコンバータと、前記燃料電池の出力電力を算出する燃料電池・出力電力算出手段と、前記ＤＣ−ＤＣコンバータからの出力電力を蓄積し、負荷機器が接続される電力蓄積要素と、前記電力蓄積要素の出力電圧を検出する電力蓄積要素・出力電圧検出手段と、前記燃料電池への燃料供給量を制御して前記燃料電池の発電量を制御し、前記ＤＣ−ＤＣコンバータを制御して前記燃料電池の出力電圧を変換して当該変換した電力を電力蓄積要素に蓄積させる、制御部と、を有する燃料電池の発電制御装置であって、
前記電力蓄積要素の出力電圧が、第３閾値Ｖ３＜第１閾値（下限値）Ｖ１＜第４閾値Ｖ４＜第２閾値（上限値）Ｖ２の関係にあり、
前記制御部は、
前記電力蓄積要素の出力電圧が前記第２閾値以上になると、休止モードとして、前記燃料電池への燃料供給を停止し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を停止させ、
前記電力蓄積要素の出力電圧が前記第１閾値以下になると、前記燃料電池に燃料の供給を開始し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御し、
前記電力蓄積要素の出力電圧が前記第１閾値以上前記第２閾値以下のとき、燃料消費抑制モードとして、検出した電力燃料比が最大の電力燃料比で動作するように、前記燃料電池に燃料を供給し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御し、
前記電力蓄積要素・出力電圧検出手段の検出電圧が前記第１閾値より低い第３閾値以下になると、最大電力モードとして、前記燃料電池が当該燃料電池の最大出力電力点で運転するように、前記燃料電池に燃料を供給し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御し、
前記制御部は、前記燃料消費抑制モードにおいて、
予め定めた複数の燃料供給量のいずれかで前記燃料電池に燃料が供給されるよう設定し、
前記複数の燃料供給量の各燃料供給量における前記燃料電池・出力電力算出手段で算出した各燃料電池・出力電力を求め、
前記各燃料供給量に対応する前記燃料電池・出力電力算出手段で算出した各燃料電池・出力との比率である複数の電力燃料比を演算し、
前記各電力燃料比のうちで、電力燃料比が最も大きい最大電力燃料比を選択し、
前記選択した最大電力燃料比で動作するように、前記燃料電池に燃料を供給し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御する、
ことを特徴とする、燃料電池の発電制御装置が提供される。
【００１７】
また本発明によれば、燃料電池と上記燃料電池の発電制御装置とを有する燃料電池発電システムが提供される。
【００１８】
本発明によれば、上記燃料電池の発電制御装置または燃料電池発電システムにおける制御方法が提供される。
【００１９】
本発明によれば、上記制御方法の各処理がコンピータで実行されるプログラムが提供される。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、燃料電池の燃料の使用量を抑えて効率的に運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池発電システムの概略構成図である。
【図２】図２は、図１の燃料電池の発電特性図である。
【図３】図３は、図１の燃料電池発電システムの状態遷移の説明図である。
【図４】図４は、図３の制御の下で燃料電池発電システムにより実行される制御例のタイミングチャートである。
【図５】図５は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池発電システムの概略構成図である。
【図６】図６は、図５の燃料電池発電システムの燃料消費抑制モードにおけるタイミングチャートである。
【図７】図７は、図５の燃料電池発電システムで使用可能な固体高分子型燃料電池の基本特性図である。
【図８】図８は、負荷機器の消費電力波形の説明図である。
【図９】図９は、一般家庭での１日の負荷電力（消費電力）を１００Ｗ規模に縮小した一例を示す図である。
【図１０】図１０は、変形例に係る燃料電池発電システムの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を図面に関連付けて説明する。
【００２３】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池発電システム１の概略構成図である。
図１の燃料電池発電システム１は、燃料電池１３で発電した電力を直流の電力として出力するものであり、たとえば一般家庭に設置される。
図１の燃料電池発電システム１には、直流電圧で動作可能な負荷（負荷機器）１００を接続できる。
【００２４】
図１の燃料電池発電システム１は、発電系の構成要素として、タンク１１、供給弁１２、燃料電池１３、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４、エネルギー蓄積要素１５を有する。
また、図１の燃料電池発電システム１は、検出制御系の構成要素として、流量センサ２１、ＦＣ出力電圧センサ２２、ＦＣ出力電流センサ２３、出力電圧センサ２４、出力電流センサ２５、マイクロプロセッサ２６を有する。
【００２５】
燃料電池１３は、燃料が供給されることで発電する。
燃料電池１３には、たとえば固体高分子形燃料電池（PEFC）がある。固体高分子形燃料電池では、イオン交換膜に対して水素と酸素とが供給されることで、イオン交換膜において水素と酸素との化学反応が生じ、発電する。
固体高分子形燃料電池は、イオン交換膜に対して水素と酸素とが供給され続けることで、発電し続ける。
【００２６】
タンク１１は、燃料電池１３へ供給する燃料を収容する。
燃料電池１３が固体高分子形燃料電池（PEFC）である場合、タンク１１には、燃料として水素が収容される。
なお、タンク１１は、ガス供給会社のガス管に接続され、そのガス管から水素を含むガスが供給されてもよい。この場合、ガス管から供給されるガス中の水素が抽出され、この水素がタンク１１に収容される。
【００２７】
供給弁１２は、タンク１１と燃料電池１３とを接続する。
これにより、タンク１１から燃料電池１３までの燃料供給経路が構成される。
供給弁１２は、単に開閉するものであってもよいが、燃料供給量を調整するためには、任意の開口率に制御可能なものが望ましい。
そして、供給弁１２は、マイクロプロセッサ２６から供給量Ｈ（ＳＥＴ）の制御信号が入力されると、それに対応する燃料を供給可能な開口率で開口する。これにより、タンク１１から燃料電池１３へ、制御信号で指定された供給量Ｈ（ＤＴＣＴ）の燃料が供給される。燃料電池１３は、供給された水素量に応じた電力を発電する。
また、供給弁１２が閉じると、燃料電池１３への燃料供給が停止する。これにより、燃料電池１３の発電は停止する。
【００２８】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、燃料電池１３に接続される。
エネルギー蓄積要素１５は、たとえば電気二重層キャパシタ、リチウムイオン電池である。
エネルギー蓄積要素１５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４と負荷機器１００との間に接続される。
これにより、燃料電池１３から負荷機器１００までの電力供給経路が構成される。
【００２９】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、マイクロプロセッサ２６からの制御信号の入力に応じて、燃料電池１３の出力電圧（ＦＣ出力電圧ＶＦＣ）を変換する。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１４が生成した電圧によりエネルギー蓄積要素１５が充電される。
【００３０】
負荷機器１００には、このエネルギー蓄積要素１５の充電電圧（燃料電池発電システム１の出力電圧ＶＬ）が印加される。
負荷機器１００には、エネルギー蓄積要素１５により平滑化されたＤＣ／ＤＣコンバータ１４の出力電圧が印加される。
たとえばエネルギー蓄積要素１５の充電電圧が不足する場合、制御信号の入力に応じて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４は、エネルギー蓄積要素１５の充電電圧より高い電圧を生成して出力する。これにより、エネルギー蓄積要素１５は充電される。
この充電動作をエネルギー蓄積要素１５の充電電圧に応じて繰り返すことにより、エネルギー蓄積要素１５の充電電圧を略一定に維持することが可能になる。
【００３１】
流量センサ２１は、供給弁１２から燃料電池１３までの区間の燃料供給経路に設置される。
流量センサ２１は、燃料供給経路を通じて燃料電池１３へ供給される燃料（水素）の流量Ｈ（ＤＴＣＴ）を検出する。
流量センサ２１は、検出した流量Ｈ（ＤＴＣＴ）を通知する信号をマイクロプロセッサ２６へ出力する。
【００３２】
ＦＣ出力電圧センサ２２は、燃料電池１３からＤＣ／ＤＣコンバータ１４までの電力供給経路において、燃料電池１３のＦＣ出力電圧ＶＦＣを検出する。
ＦＣ出力電圧センサ２２は、検出したＦＣ出力電圧ＶＦＣを通知する信号をマイクロプロセッサ２６へ出力する。
【００３３】
ＦＣ出力電流センサ２３は、燃料電池１３からＤＣ／ＤＣコンバータ１４までの電力供給経路において、燃料電池１３のＦＣ出力電流ＩＦＣを検出する。
ＦＣ出力電流センサ２３は、検出したＦＣ出力電流ＩＦＣを通知する信号をマイクロプロセッサ２６へ出力する。
【００３４】
出力電圧センサ２４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４から負荷１００までの電力供給経路において、燃料電池発電システム１の出力電圧ＶＬを検出する。
出力電圧センサ２４は、検出した出力電圧ＶＬを通知する信号をマイクロプロセッサ２６へ出力する。
【００３５】
出力電流センサ２５は、燃料電池１３からＤＣ／ＤＣコンバータ１４までの電力供給経路において、燃料電池発電システム１の出力電流ＩＬを検出する。
出力電流センサ２５は、検出した出力電流ＩＬを通知する信号をマイクロプロセッサ２６へ出力する。
【００３６】
マイクロプロセッサ２６には、流量センサ２１、ＦＣ出力電圧センサ２２、ＦＣ出力電流センサ２３、出力電圧センサ２４、出力電流センサ２５が接続され、検出信号が入力される。
また、マイクロプロセッサ２６は、供給弁１２、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４に接続され、制御信号を出力する。
マイクロプロセッサ２６は、たとえばＤＳＰ（Digital  Signal  Processor）であり、内蔵するメモリに記憶されているプログラムを実行することにより、燃料電池発電システム１の動作を制御する。
これにより、マイクロプロセッサ２６に、燃料電池発電システム１の制御部３１が実現される。
【００３７】
制御部３１は、たとえば流量センサ２１などの各種センサから入力される信号に基づいて供給弁１２、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を制御することにより、燃料電池１３およびＤＣ／ＤＣコンバータ１４の動作を制御する。
たとえば制御部３１は、出力電圧センサ２４の検出電圧ＶＬが所定値（以下、第１閾値Ｖ１という）より下がった場合、供給弁１２を通じた燃料電池１３への燃料供給を開始して燃料電池１３を発電させ、その発電電力をＤＣ／ＤＣコンバータ１４で変換し、エネルギー蓄積要素１５を充電する。
この場合、制御部３１は、供給弁１２へ燃料供給量の制御信号を出力し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４へ所定の電圧変換動作の制御信号を出力する。
また、出力電圧センサ２４の検出電圧が第１閾値より高い所定値（以下、第２閾値Ｖ２という）以上になると、供給弁１２を通じた燃料電池１３への燃料供給を停止して燃料電池１３およびＤＣ／ＤＣコンバータ１４を停止させ、エネルギー蓄積要素１５の充電を停止する。
この場合、制御部３１は、供給弁１２へ弁を閉じるための制御信号（たとえば燃料供給量を０とする制御信号）を出力し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４へ電圧変換動作を停止させる制御信号を出力する。
【００３８】
図２は、図１の燃料電池１３の発電特性図である。
図２の発電特性図は、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の一例の発電特性図である。
図２の横軸はＦＣ出力電流ＩＦＣである。
縦軸は、ＦＣ出力電圧ＶＦＣおよび電力燃料比Ｃ（＝ＰＦＣ÷Ｈ）である。
図２には、２つの山形の曲線として、ＦＣ出力電力ＰＦＣの特性曲線４１と、電力燃料比Ｃの特性曲線４２とが図示されている。
電力燃料比Ｃが高いほど、同じ出力電力ＰＦＣを得るために必要となる燃料が少なくなる。
また、図２には、燃料電池１３の出力電圧ＶＦＣの特性曲線４３も図示されている。
図２において、ＰＦＣは、燃料電池１３の出力電力ＰＦＣ（＝ＶＦＣ×ＩＦＣ）である。流量Ｈは、燃料電池１３への燃料供給量である。ＰＦＣｍａｘは、最大電力である。Ｃｍａｘは、最大の電力燃料比である。ＰＦＣｏｐは、Ｃｍａｘでの電力である。ＶＦＣｏｐは、ＣｍａｘでのＦＣ出力電圧である。ＩＦＣｏｐは、ＣｍａｘでのＦＣ出力電流である。ＩＦＣｍａｘは、燃料電池１３の運転時の最大電流である。
【００３９】
そして、図２においてＰＦＣｍａｘとＣｍａｘとは異なる動作点となっている。
燃料使用量Ｈに対する燃料電池１３の出力電力ＰＦＣの比の最大点Ｃｍａｘは、最大電力ＰＦＣｍａｘの点と一致しない。
また、燃料電池１３のＦＣ出力電流ＩＦＣを最大とする定電流制御の場合でも、その出力電流が最大となる場合の電力燃料比Ｃは、必ずしも最大の電力燃料比Ｃｍａｘと一致しない。
すなわち、図２の燃料電池１３では、ＰＦＣｍａｘとなる場合のＦＣ出力電圧ＶＦＣおよびＦＣ出力電流ＩＦＣと、Ｃｍａｘとなる場合のＦＣ出力電圧ＶＦＣｏｐおよびＦＣ出力電流ＩＦＣｏｐとは異なっている。
このため、燃料電池１３の最大の出力電力ＰＦＣｍａｘにおいて燃料電池１３を運転させたとしても、燃料電池１３の電力燃料比Ｃは、最大とならない。一定量の燃料により発電可能な電力（電力量）は最大にならない。
なお、最大の出力電力点（ＰＦＣｍａｘまたはＩＦＣｍａｘ）で運転するように燃料電池１３を制御する方式は、ＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）方式と呼ばれている。
【００４０】
また、図２の発電特性図は、ある環境下における燃料電池１３の特性図である。
燃料電池１３の発電特性は、たとえば温度、湿度、燃料供給量などの環境が変化すると、それに応じて変化する。
このため、仮にたとえばある環境（温度）において一定量の燃料により発電可能な電力（電力量）が最大となる特定の燃料供給量を設定したとしても、実際の使用環境下では、燃料電池１３は、最適な燃料供給量で運転しているとは限らない。
環境が随時変化することからすれば、むしろ、燃料電池１３は、最適でない燃料供給量で運転している場合が多いと予想される。
【００４１】
また、図２の燃料電池１３では、ＩＦＣｍａｘ以下の電流で運転するように、ＦＣ出力電流ＩＦＣが制限されている。
このため、本実施形態の制御部３１は、ＩＦＣｏｐからＩＦＣｍａｘまでの範囲のＦＣ出力電流ＩＦＣが得られるように燃料電池１３を制御するとよい。
制御部３１は、与えられた環境(温度、湿度、燃料供給状態など)の中で燃料消費を極力抑えるように制御を実行するとよい。
【００４２】
たとえば後述する図３に示すように、制御部３１は、燃料電池発電システム１の出力電圧に応じて、燃料電池発電システム１の動作モードを、休止モード５１と、運転モードとの間で切り替える。
運転モードには、最大電力モード５２と、燃料消費抑制モード５３とがある。
最大電力モード５２では、制御部３１は、最大の出力電力点（ＰＦＣｍａｘまたはＩＦＣｍａｘ）で運転するように燃料電池１３を制御する。
燃料消費抑制モード５３では、制御部３１は、Ｃｍａｘで運転するように燃料電池１３を制御する。
このような燃料電池発電システム１では、制御部３１は、通常の運転時には燃料消費抑制モード５３で燃料電池１３を制御すれとよい。
【００４３】
図３は、燃料電池発電システム１の状態遷移の説明図である。
図３には、燃料電池発電システム１の動作モードとして、休止モード５１、最大電力モード５２、燃料消費抑制モード５３が図示されている。
【００４４】
休止モード５１では、燃料電池１３およびＤＣ／ＤＣコンバータ１４は停止する。
制御部３１は、燃料電池１３およびＤＣ／ＤＣコンバータ１４を停止させる制御信号を出力する。
【００４５】
最大電力モード５２では、燃料電池１３およびＤＣ／ＤＣコンバータ１４は動作する。
また、燃料電池１３は、その最大電力ＰＦＣｍａｘを出力する状態で動作する。
ただし、図２に示すように、図１の燃料電池１３では、ＩＦＣｍａｘが制限されている。
このため、図１の燃料電池１３では、ＩＦＣｍａｘでの動作が、最大電力を出力する状態である。
制御部３１は、燃料電池１３に対して最大電力を出力させる燃料を供給するように供給弁１２へ制御信号を出力し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４へ動作させる制御信号を出力する。
【００４６】
燃料消費抑制モード５３では、燃料電池１３およびＤＣ／ＤＣコンバータ１４は動作する。
また、燃料電池１３は、電力燃料比Ｃが最大となる状態（図２のＣｍａｘ）で動作する。
制御部３１は、燃料電池１３に対して電力燃料比を最大とする燃料を供給するように供給弁１２へ制御信号を出力し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４へ動作させる制御信号を出力する。
【００４７】
そして、図３に示すように、出力電圧センサ２４の検出電圧ＶＬが上限値（第２閾値Ｖ２）以上になると、燃料電池発電システム１の動作モードは、最大電力モード５２または燃料消費抑制モード５３から、休止モード５１へ移行する。
休止モード５１において出力電圧センサ２４の検出電圧ＶＬが下限値（第１閾値Ｖ１）以下になると、燃料電池発電システム１の動作モードは、燃料消費抑制モード５３となる。
休止モード５１において出力電圧センサ２４の検出電圧ＶＬが下限値より低い第３閾値Ｖ３以下になると、燃料電池発電システム１の動作モードは、最大電力モード５２となる。
燃料消費抑制モード５３での動作中に、出力電圧センサ２４の検出電圧ＶＬが第３閾値Ｖ３以下になると、燃料電池発電システム１の動作モードは、最大電力モード５２となる。
最大電力モード５２での動作中に、出力電圧センサ２４の検出電圧ＶＬが、第１閾値Ｖ１と第２閾値Ｖ２との間の第４閾値Ｖ４になると、燃料電池発電システム１の動作モードは、燃料消費抑制モード５３となる。
これにより、燃料電池発電システム１は、燃料消費を極力抑えた高効率な運転を実現する。
なお、燃料電池発電システム１の燃料効率を高めるためには、負荷１００の平均電力が図２のＰＦＣｏｐ以下となるように燃料電池１３の定格を設定することが望ましい。
【００４８】
次に、燃料消費抑制モード５３での動作を詳しく説明する。
図４は、図３の制御の下で燃料電池発電システム１により実行される制御例のタイミングチャートである。
図４（Ａ）は、電力燃料比Ｃ（＝ＰＦＣ÷Ｈ）の波形である。
図４（Ｂ）は、燃料電池１３のＦＣ出力電圧ＶＦＣの波形である。
図４（Ｃ）は、燃料電池１３のＦＣ出力電流ＩＦＣの波形である。
図４において、時間は左から右に経過している。
【００４９】
図４のタイミングチャートは、休止モード５１から燃料消費抑制モード５３となり、燃料消費抑制モード５３から最大電力モード５２となる場合の例である。
出力電圧センサ２４により検出される燃料電池発電システム１の出力電圧ＶＬが第１閾値Ｖ１以下になると、制御部３１により、燃料電池発電システム１は、休止モード５１から燃料消費抑制モード５３となる。
燃料消費抑制モード５３での動作中に負荷電力が急増するなどして燃料電池発電システム１の出力電圧ＶＬが第３閾値Ｖ３以下になると、燃料電池発電システム１は、燃料消費抑制モード５３から最大電力モード５２となる。
【００５０】
そして、制御部３１は、燃料消費抑制モード５３を開始する場合、まず、電力燃料比が最大（Ｃｍａｘ）となる燃料供給量のサーチ処理を実行する。
燃料供給量のサーチ処理では、制御部３１は、複数の燃料供給量Ｈ（ＳＥＴ）を供給弁１２に順番に設定する。
図２の燃料電池１３の場合、このスキャンに係る複数の燃料供給量は、たとえば燃料電池１３のＦＣ出力電流ＩＦＣの範囲、すなわち０からＩＦＣｍａｘまでの範囲を段階的に分割するように離散した複数の燃料供給量である。
これに対して、たとえば燃料電池１３が、図２の最大出力電力ＰＦＣｍａｘに対応するＦＣ出力電流ＩＦＣを出力可能である場合には、後述するスキャンに係る複数の燃料供給量は、たとえば０から最大出力電力ＰＦＣｍａｘに対応するＦＣ出力電流までの範囲を段階的に分割するように離散した複数の燃料供給量とするとよい。
【００５１】
また、複数の燃料供給量を順番に設定するにあたり、制御部３１は、値「０」の燃料供給量から、燃料供給量を段階的に増加させる順番で、複数の燃料供給量Ｈ（ＳＥＴ）を設定する。
図４では、タイミングＴ１からＴ４において、４段階の燃料供給量Ｈ（ＳＥＴ）が供給弁１２に順番に設定されている。
タイミングＴ１からＴ４において、燃料供給量Ｈ（ＳＥＴ）は、段階的に増えている。
供給弁１２は、制御信号により設定された燃料供給量Ｈ（ＳＥＴ）により、燃料電池１３へ燃料を供給する。
流量センサ２１は、各燃料供給量の設定に基づいて実際に燃料電池１３へ供給されている燃料供給量Ｈ（ＤＴＣＴ）を流量により検出し、制御部３１へ出力する。
【００５２】
制御部３１は、新たな燃料供給量を設定すると、実際に燃料電池１３に対する供給量が安定すると予測される期間を待つ。
図４で言えば、たとえばＴ１からＴ２までの期間を待つ。
この待ち時間は、燃料電池１３の発電量などに応じて異なるものであるが、たとえば数秒から数十秒程度の時間である。燃料電池１３では、水素などの流体を供給する必要があるため、流量を制御をしてからその流量に安定するまでに時間がかかる。
【００５３】
燃料の流量が安定すると、燃料電池１３は、その安定した流量の水素と酸素との化学反応により、水素の供給量に応じたＦＣ出力電圧ＶＦＣおよびＦＣ出力電流ＩＦＣを出力する。
このＦＣ出力電圧ＶＦＣおよびＦＣ出力電流ＩＦＣは、燃料供給量Ｈ（ＳＥＴ）が段階的に制御されることにより、段階的に変化する。
【００５４】
このように燃料の供給量を停止した状態から段階的に増やすことで、燃料電池１３に対する燃料供給量を段階的に増やすことができる。
また、各燃料供給量において、前回の燃料供給量との差分を最小限に抑えることができるため、各回において供給量が安定化するまでの時間が短くなる。
その分、早期の検出および次段階への切替が可能である。サーチ期間が短縮される。
【００５５】
燃料供給量が安定するまでの待ち期間において、制御部３１は、検出されているＦＣ出力電圧ＶＦＣおよびＦＣ出力電流ＩＦＣに基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を制御する。
制御部３１は、変化しているＦＣ出力電圧ＶＦＣおよびＦＣ出力電流ＩＦＣに追従させて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の動作を制御する。
【００５６】
燃料供給量が安定するまでの待ち期間が経過すると、制御部３１は、各種のセンサの検出値を取得する（タイミングＴ２からＴ５）。
そして、制御部３１は、燃料電池１３のＦＣ出力電圧ＶＦＣとＦＣ出力電流ＩＦＣとを乗算し、燃料電池１３の出力電力ＰＦＣを演算する。
また、制御部３１は、燃料電池１３の出力電力ＰＦＣを、流量センサ２１により検出された燃料供給量Ｈ（ＤＴＣＴ）で除算し、電力燃料比Ｃを演算する。
【００５７】
また、２段階目以降の燃料供給量の検出タイミングＴ３からＴ５では、制御部３１は、新たに演算した電力燃料比Ｃを、前回の値と比較する。
制御部３１は、新たに演算した電力燃料比Ｃが前回の値より下がるか否かを判断する。
たとえば図４のタイミングＴ３では、新たに演算した電力燃料比Ｃが前回の値より大きいため、制御部３１は、新たに演算した電力燃料比Ｃが前回の値より下がらないと判断する。
新たに演算した電力燃料比Ｃが前回の値より下がらないと判断した場合、制御部３１は、次の燃料供給量を設定し、同様の処理を繰り返す。
また、タイミングＴ４でも、新たに演算した電力燃料比Ｃが前回の値より大きいため、制御部３１は、新たに演算した電力燃料比が前回の値より下がらないと判断する。
新たに演算した電力燃料比Ｃが前回の値より下がらないと判断した場合、制御部３１は、次の燃料供給量を設定し、同様の処理を繰り返す。
このように制御部３１は、新たに演算した電力燃料比Ｃが前回の値より下がると判断するまで、複数の燃料供給量のうちの次の燃料供給量を設定し、検出判定処理を繰り返す。
【００５８】
そして、図４のタイミングＴ５に示すように、新たに演算した電力燃料比Ｃが前回の値より下がる場合、制御部３１は、電力燃料比が最大（Ｃｍａｘ）となる燃料供給量のサーチ処理を終了する。
具体的には、制御部３１は、複数の燃料供給量についての出力電力の検出を終了する。
また、制御部３１は、前回の演算に係る燃料供給量Ｈ（ＳＥＴ）を、電力燃料比が最大（Ｃｍａｘ）となる燃料供給量として選択する。
その後の追従動作期間では、制御部３１は、このサーチ処理により選択した燃料供給量Ｈ（ＳＥＴ）を用いて燃料電池１３を動作させる。
【００５９】
これに対して、たとえば複数の燃料供給量のすべてについてサーチ処理を実行し終えたとしても、演算した電力燃料比Ｃが前回の値より下がることがない場合が考えられる。
この場合には、制御部３１は、たとえば最後の検出に用いた燃料供給量を選択する。
そして、制御部３１は、複数の燃料供給量についての出力電力の検出を終了する。
この場合、その後の追従動作期間では、制御部３１は、この検出処理により選択した燃料供給量Ｈ（ＳＥＴ）を用いて燃料電池１３を動作させる。
【００６０】
また、図２の電力特性図では、ＩＦＣｏｐよりＩＦＣｍａｘが右側にある。すなわちＣｍａｘよりもＰＦＣｍａｘが右側にある。
このため、制御部３１は、追従動作期間において、出力電圧ＶＬと出力電流ＩＬとを常に検出し、負荷電力ＰＬを監視する。
そして、たとえば負荷電力ＰＬ（＝Ｖｌ×ＩＬ）がある設定値を超えた場合、制御部３１は、動作モードを燃料消費抑制モード５３から最大電力モード５２に切り替える。
具体的にはたとえば、燃料電池発電システム１の出力電圧ＶＬが負荷電力の急増などにより第３閾値Ｖ３より下がると、制御部３１は、動作モードを燃料消費抑制モード５３から最大電力モード５２に切り替える。
制御部３１は、最大電力となる燃料供給量を供給弁１２へ指示する。
図２の場合、制御部３１は、ＩＦＣｍａｘとなる燃料供給量を供給弁１２へ指示する。
また、制御部３１は、検出されているＦＣ出力電圧ＶＦＣおよびＦＣ出力電流ＩＦＣに基づいて、その変化に追従するようにＤＣ／ＤＣコンバータ１４を制御する。
【００６１】
以上のように、第１実施形態では、制御部３１は、燃料消費抑制モード５３の開始時に電力燃料比を最大（Ｃｍａｘ）とする燃料供給量Ｈ（ＳＥＴ）を選択し、燃料消費抑制モード５３における燃料供給量を、その選択した燃料供給量Ｈ（ＳＥＴ）とする。
よって、第１実施形態では、一定量の燃料により発電可能な電力（電力量）を最大とした状態で燃料電池１３を運転することができる。
燃料の使用量を最小限に抑え、効率的に運転することができる。
特に、流量センサ２１により実際に供給されている燃料供給量Ｈ（ＤＴＣＴ）を検出し、その検出された燃料供給量Ｈ（ＤＴＣＴ）を用いて電力燃料比Cを演算している。
このため、設定値Ｈ（ＳＥＴ）を演算に用いる場合より、正確な電力燃料比を演算できる。燃料供給量の設定値Ｈ（ＳＥＴ）と検出値Ｈ（ＤＴＣＴ）との誤差を含まない正確な演算ができる。
【００６２】
第１実施形態では、負荷機器１００と燃料電池１３との間にＤＣ／ＤＣコンバータ１４およびエネルギー蓄積要素１５を設けている。
これにより、第１実施形態では、燃料電池１３を間欠的に発電させながら、負荷機器１００へ安定した電力を供給することができる。
また、第１実施形態では、この燃料電池１３を間欠的に動作させることを利用し、各燃料消費抑制モード５３での発電期間の開始時に、最適な電力燃料比（Ｃｍａｘ）が得られる燃料供給量を選択している。
よって、第１実施形態では、燃料電池１３の環境が変化したとしても、その環境の変化にかかわらず、変化する各々の環境下において最適な燃料供給量で燃料電池１３を運転することができる。
燃料電池１３は、休止モード５１から繰り返し復旧することにより、常に最適な燃料供給量で運転できる。
また、第１実施形態では、電力燃料比Ｃを演算するための複数の燃料供給量による運転を、燃料電池１３を動作させる必要がある燃料消費抑制モード５３において実行している。
これにより、その計測中に発電される電力についても、エネルギー蓄積要素１５の充電に用いることができる。
環境に応じた最適な電力燃料比（Ｃｍａｘ）を得るための運転により生成される電力を無駄にしない。
【００６３】
第１実施形態では、電力燃料比が最大（Ｃｍａｘ）となることを判断するために必要となる複数の燃料供給量について計測したら、それ以降の計測を中断する。
このため、燃料供給量の制御可能な範囲のすべてについて計測することなく、早期に検出動作を中断することができる。
検出のための電力燃料比Ｃが高くない状態での運転時間を短縮し、燃料消費を抑制できる。
また、第１実施形態では、停止した状態から検出を開始するにあたり、少ない燃料供給量（具体的には「０」）から順次増加させる順番で検出している。
これにより、各燃料供給量への安定化時間を最小限にできる。
その結果、第１実施形態では、複数の燃料供給量について検出するためのトータルの検出期間を、実質的に短縮することができる。
必要最小限の短い時間で一連の検出処理を終了することができる。
【００６４】
第１実施形態では、複数の燃料供給量において極大となる最適な電力燃料比（Ｃｍａｘ）が得られない環境であっても、その極大値（Ｃｍａｘ）に最も近い効率で発電することができる。
すなわち、複数の燃料供給量が設定される燃料供給量の制御可能な範囲において利用可能な最も高い電力燃料比で発電が可能となる。
【００６５】
第１実施形態では、休止モード５１または燃料消費抑制モード５３中に出力電圧ＶＬが低下すると、最大電力モード５２となる。
よって、燃料電池１３の最大出力を用いて、出力電圧ＶＬを維持することができる。
そして、通常は燃料消費抑制モード５３での運転とすることで、高効率と高負荷運転とを高度なレベルで両立できる。
【００６６】
第１実施形態では、出力電圧ＶＬが第１閾値電圧Ｖ１より高い第４閾値電圧Ｖ４以上となるまで最大電力モード５２を継続する。
これにより、最大電力モード５２から燃料消費抑制モード５３へ復帰した直後に、出力電圧ＶＬが第１閾値電圧Ｖ１以下となり難くできる。
最大電力モード５２と燃料消費抑制モード５３との間で、頻繁なモード切替が発生しないようにできる。
【００６７】
＜第２実施形態＞
図５は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池発電システム１の概略構成図である。
図５の燃料電池発電システム１は、燃料電池１３で発電した電力を交流の電力として出力するものであり、たとえば一般家庭に設置される。
図５の燃料電池発電システム１には、交流電圧で動作可能な負荷（負荷機器）１００を接続できる。図５の燃料電池発電システム１は、交流の電力系統に接続してもよい。
なお、第２実施形態の以下の説明では、第１実施形態の構成要素との対応関係を明確にするために、同様の機能を果たす構成要素には第１実施形態と同一の符号を付して説明を省略する。
【００６８】
図５の燃料電池発電システム１は、発電系の構成要素として、ＰＥＦＣ装置６１、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１４−１、電気二重層キャパシタ１５−１、インバータ６２を有する。
昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１４−１、電気二重層キャパシタ１５−１、およびインバータ６２は、ＰＥＦＣ装置６１から負荷機器１００までの電力供給経路に対して、その順番に接続される。
【００６９】
また、図５の燃料電池発電システム１は、検出制御系の構成要素として、ＦＣ出力電圧センサ２２、ＦＣ出力電流センサ２３、コンバータ出力電圧センサ７１、出力電圧センサ２４、出力電流センサ２５、およびこれらが接続されたＤＳＰ制御ボード７２を有する。
また、図５には、光電変換回路７３、ゲートドライバ７４、パージ制御回路７５が図示されている。
【００７０】
ＰＥＦＣ装置６１は、図１のタンク１１、供給弁１２、燃料電池１３、流量センサ２１を有する。
電気二重層キャパシタ１５−１は、エネルギー蓄積要素１５の一種である。
ＦＣ出力電圧センサ２２は、ＰＥＦＣ装置６１の出力電圧を検出する。
ＦＣ出力電流センサ２３は、ＰＥＦＣ装置６１の出力電流を検出する。
コンバータ出力電圧センサ７１は、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１４−１の出力電圧を検出する。
出力電圧センサ２４は、インバータ６２の出力電圧を検出する。
出力電流センサ２５は、インバータ６２の出力電流を検出する。
ＤＳＰ制御ボード７２は、マイクロプロセッサ２６を有する。
マイクロプロセッサ２６がプログラムを実行することにより、制御部３１が実現される。
【００７１】
パージ制御回路７５は、ＰＥＦＣ装置６１のタンク１１、燃料電池１３などから、残留水などを排出するための制御回路である。
タンク１１、燃料電池１３などは、水分過多となることにより、劣化したり、出力が低下したりする。
パージ処理により不要な空気、ガス並びに水分を外気に放出させることにより、これらの弊害の発生を防止できる。
具体的にはたとえば、燃料電池１３の水素排出口に電磁弁を設け、この電磁弁の開閉をＤＳＰで制御すればよい。
【００７２】
昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１４−１は、コイル８１、ダイオード８２、キャパシタ８３、ＭＯＳＦＥＴ８４を有する。
コイル８１の一端は、ＰＥＦＣ装置６１に接続される。
ダイオード８２のアノードは、コイル８１の他端に接続される。
ダイオード８２のカソードは、電気二重層キャパシタ１５−１の一端（プラス側）に接続される。
これにより、コイル８１およびダイオード８２は、ＰＥＦＣ装置６１から電気二重層キャパシタ１５−１までの電力供給経路の一方の電力線９１において直列に接続される。
【００７３】
キャパシタ８３の一端は、ダイオード８２のカソードから電気二重層キャパシタ１５−１までの一方の電力線９１に接続される。
キャパシタ８３の他端は、他方の電力線９２に接続される。
これにより、キャパシタ８３は、ＰＥＦＣ装置６１から電気二重層キャパシタ１５−１までの電力供給経路に並列に接続される。
【００７４】
ＭＯＳＦＥＴ８４のソースは、コイル８１とダイオード８２との間において一方の電力線９１に接続される。
ドレインは、他方の電力線９２に接続される。
ゲートは、ゲートドライバ７４に接続される。
ゲートドライバ７４は、光電変換回路７３に接続される。
光電変換回路７３は、ＤＳＰ制御ボード７２に接続される。
【００７５】
ＤＳＰ制御ボード７２は、たとえばパルス幅変調されたオンオフの光信号を出力する。
光電変換回路７３は、光パルス信号を電気パルス信号へ変換する。
ゲートドライバ７４は、電気パルス信号に基づいてＭＯＳＦＥＴ８４をオンオフ制御する。
たとえばゲートドライバ７４は、電気パルス信号が入力される場合、そのパルス幅の期間でＭＯＳＦＥＴ８４をオン状態に制御し、それ以外の期間でオフ状態に制御する。
【００７６】
ＭＯＳＦＥＴ８４がオン状態とオフ状態との間で切り替えられることにより、コイル８１には、電圧が誘導される。
また、ＭＯＳＦＥＴ８４がオフ状態である場合に、ＰＥＦＣ装置６１のＦＣ出力電圧にコイル８１の誘導電圧を加算した電圧がダイオード８２およびキャパシタ８３の直列回路に印加される。
これにより、キャパシタ８３は、ＦＣ出力電圧より高い電圧に充電される。
また、ダイオード８２が直列に接続されているため、キャパシタ８３の充電電圧が高い場合でも、キャパシタ８３からＰＥＦＣ装置６１側へ電流が流れない。
このため、たとえば電力燃料比が最大となる運転のためにＰＥＦＣ装置６１のＦＣ出力電圧が低くなったとしても、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１４−１は、所望の高い電圧を出力することができる。
電気二重層キャパシタ１５−１を所望の電圧に充電し、その電圧に維持することができる。
【００７７】
図６は、第２実施形態における燃料消費抑制モード５３の動作を示すタイミングチャートである。
図６（Ａ）は、燃料電池１３のＦＣ出力電圧ＶＦＣの波形である。
図６（Ｂ）は、燃料電池１３のＦＣ出力電流ＩＦＣの波形である。
図６（Ｃ）は、燃料の流量に対する電力の比を示す電力燃料比Ｃ（＝ＰＦＣ÷Ｈ）の波形である。
図６において、時間は左から右に経過している。
【００７８】
燃料消費抑制モード５３では、制御部３１は、まず、電力燃料比Ｃが最大となる燃料供給量のサーチ処理を実行する。
サーチ処理において、制御部３１は、水素消費の過渡応答に基づいて選定した時間間隔（たとえば２０［ｓ］）で燃料電池１３への燃料供給量Ｈ（ＳＥＴ）を段階的に変化させ、図２の燃料消費特性曲線をゆっくりスキャン（ソフトスキャン）する（タイミングＴ１１からＴ１７）。
タイミングＴ１１からＴ１７の各段階において、制御部３１は、燃料電池１３のＦＣ出力電圧ＶＦＣ［Ｖ］、燃料電池１３のＦＣ出力電流ＩＦＣ［Ａ］、並びに燃料供給量の検出流量Ｈ［ｌ／ｍｉｎ］を各センサで検出し、これらをＤＳＰで演算処理して、電力燃料比Ｃ［Ｗ／ｌ／ｍｉｎ］を求める。
図６ではＴ１２からＴ１５までの各タイミングでは、電力燃料比Ｃは、段階的に上昇している。
Ｔ１６のタイミングでは、電力燃料比Ｃは、前回の値より減少している。
この電力燃料比Ｃの減少を検出することで、制御部３１は、電力燃料比Ｃが最大となる燃料供給量を選択する。
具体的には、制御部３１は、前回の燃料供給量Ｈ（ＳＥＴ）を選択する。
そして、タイミングＴ１７において、制御部３１は、選択した燃料供給量Ｈ（ＳＥＴ）を設定する。
このため、検出期間に続く追従期間では、燃料電池１３は、電力燃料比Ｃが最大となる状態で発電し続ける。
【００７９】
これに対して、たとえば燃料電池１３が出力可能な所定の電圧範囲（燃料供給量の範囲）についてスキャンを終了したとしても、演算した電力燃料比Ｃが前回の値より下がらない場合には、制御部３１は、最後の検出に用いた燃料供給量を選択する。
また、制御部３１は、複数の燃料供給量についてのサーチ処理を終了する。
この場合のその後の追従動作期間では、制御部３１は、このサーチ処理により選択した燃料供給量Ｈ（ＳＥＴ）を用いて燃料電池１３を動作させる。
【００８０】
図７は、図５の燃料電池発電システム１で使用可能な固体高分子型燃料電池の基本特性図である。
図７の固体高分子型燃料電池は、定格出力電力が１００Ｗであり、０から１０Ａまでの範囲のＦＣ出力電流を出力可能である。
図７の横軸は、ＦＣ出力電流である。
縦軸は、ＦＣ出力電圧、ＦＣ出力電力、電力燃料比である。
そして、図７には、ＦＣ出力電圧の特性曲線１１１、ＦＣ出力電力の特性曲線１１２、電力燃料比の特性曲線１１３が図示されている。
図７の特性曲線１１１に示すように、固体高分子型燃料電池のＦＣ出力電圧は、ＦＣ出力電流ＩＦＣの増加に伴い減少する。
【００８１】
また、ＦＣ出力電力ＰＦＣは、特性曲線１１２に示すように、ＦＣ出力電流ＩＦＣの増加に伴い増加する。
そして、電力燃料比Ｃは、特性曲線１１３に示すように、ＦＣ出力電流ＩＦＣが０から１．５Ａまでの範囲で急激に上昇し、１．５Ａにおいてピーク（最大値）となり、１．５から１０Ａまでの範囲で緩やかに降下する。
このため、図７の固体高分子型燃料電池では、燃料消費抑制モード５３においてはＦＣ出力電流ＩＦＣが約１．５Ａとなる燃料供給量で燃料電池１３を動作させるのが望ましい。
なお、燃料電池１３の燃料効率は、一般的に、ＦＣ出力電力ＰＦＣが増加するほど、悪化する傾向にある。
たとえばＦＣ出力電流が２倍になると、必要とされる燃料供給量は２倍以上になる。
また、図７において、斜面ハッチングを付した範囲が、平均電力制御対象範囲である。図７の場合、ＦＣ出力電流ＩＦＣが０から１．５Ａまでの範囲が、これに相当している。
【００８２】
図８は、負荷機器１００の消費電力波形の説明図である。
横軸は、時間である。縦軸は、電力である。
図８には、Ａ波形と、Ｂ波形とが図示されている。
Ａ波形は、ピーク電力を８０Ｗ、平均電力を２０Ｗ、周期１２０秒とする負荷電力の波形である。
Ｂ波形は、ピーク電力を４０Ｗ、平均電力を２０Ｗ、周期１２０秒とする負荷電力の波形である。
Ａ波形とＢ波形とでは、周期が同一であるものの、ピーク電力および平均電力が異なる。
【００８３】
【表１】
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【００８４】
表１は、図７の固体高分子型燃料電池に対して、図８の波形で電力を消費する負荷機器１００を接続した場合の燃料消費量の実験結果の一例である。
【００８５】
そして、表１の上段に示すように、Ｂ波形の負荷機器１００を図７の固体高分子型燃料電池に直結した場合、水素（燃料）の消費量は、２．９８２リットルになる。
これに対して、Ｂ波形の負荷機器１００と図７の固体高分子型燃料電池との間に図５の回路を接続した場合、水素（燃料）の消費量は、２．９３０リットルに減る。
このように、第２実施形態では、燃料電池１３に負荷１００を直結した場合に比べて、水素（燃料）の消費量を１．７４％も低減できる。
【００８６】
また、表１の下段に示すように、Ａ波形の負荷機器１００を図７の固体高分子型燃料電池に対して直結した場合、水素（燃料）の消費量は、３．６９５リットルになる。
これに対して、Ａ波形の負荷機器１００と図７の固体高分子型燃料電池との間に図５の回路を接続した場合、水素（燃料）の消費量は、２．９５７リットルになる。
水素（燃料）の消費量は、直結した場合に比べて、実に２０．０％も低減される。
【００８７】
以上のように、第２実施形態の燃料電池発電システム１では、燃料消費量を効果的に削減できる。
特に、第２実施形態の燃料電池発電システム１では、表１から明らかなように、負荷１００のピーク電流が高いほど、または負荷１００のピーク電力と平均電力との差が大きいほど、燃料消費量についての高い削減効果が得られる。
【００８８】
図９は、一般家庭での１日の負荷電力（消費電力）を１００Ｗ規模に縮小した一例を示す図である。
横軸は、時刻である。縦軸は、負荷電力である。
この縮小した規模での負荷電力パターンは、一般的に、０Ｗから数十Ｗの範囲で変動する。
また、朝方、夕方、夜中にピーク電力が発生する。
【００８９】
【表２】
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【００９０】
表２は、図９の負荷電力パターンの下で、図７の固体高分子型燃料電池を用いた場合の燃料（水素）消費量である。
表２において「ＭＰＰＴ制御」は、固体高分子型燃料電池による発電をする場合に最大電力点をサーチし、そのサーチした最大電力によるＭＰＰＴ方式により発電する場合である。この場合の燃料（水素）消費量は、３５１リットルになる。
提案方式「Ａ方式」および「Ｂ方式」は、基本的に、燃料消費抑制方式で負荷電力を監視する例である。
そして、提案方式「Ｂ方式」では、監視する負荷電力が、電力燃料比Ｃｍａｘでの電力ＰＦＣｏｐより小さい場合には常に電力燃料比Ｃｍａｘで動作させ、電力ＰＣｏｐより大きくなった場合にはＭＰＰＴ方式に切り替える。この場合の燃料（水素）消費量は、２８６リットルになる。
これに対して、提案方式「Ａ方式」では、監視する負荷電力が、電力燃料比Ｃｍａｘでの電力ＰＦＣｏｐより小さい場合には常に電力燃料比Ｃｍａｘで動作させ、電力ＰＣｏｐより大きくなった場合には、燃料電池の出力電力を負荷電力より１０％程度高い電力で制御する方式に切り替える。この場合の燃料（水素）消費量は、２３９リットルになる。
このように「Ａ方式」は、「Ｂ方式」と比べて、常に電力燃料比Ｃが高いところで動作するように制御する。このため、「Ａ方式」は、「Ｂ方式」と比べても消費電力を抑えることができる。
【００９１】
そして、燃料消費抑制方式で負荷電力を監視する「Ａ方式」では、「ＭＰＰＴ制御」と比べて水素消費量が６８％に低下する。実に３０％以上の削減効果がある。
また、「Ａ方式」は、「Ｂ方式」と比べても水素消費量において１３％以上の削減効果がある。
このように燃料消費抑制方式で負荷電力を監視することにより、従来の方式に比べて燃料（水素）を効率的に利用できる。
以上のように、燃料消費抑制方式で負荷電力を監視する方式を採用する第２実施形態の燃料電池発電システム１は、一般家庭などの実社会において現実的に利用される場合に、従来の制御方式に比べて燃料消費量についての高い削減効果が得られる。
【００９２】
以上の各実施形態は、本発明の好適な実施形態の例であるが、本発明は、これに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更または変形が可能である。
【００９３】
たとえば上記各実施形態は、一般家庭に設置される定置型の燃料電池発電システム１の例である。
この他にも例えば、燃料電池発電システム１は、自動車、電車、航空機、衛星などの移動体に設置されるものであってもよい。
移動体に設置される燃料電池発電システム１に本発明を適用することにより、移動体に積載された燃料を長持ちさせることができ、移動距離を伸ばすことができる。
【００９４】
上記実施形態では、燃料電池１３と負荷機器１００との間の電力供給経路に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４とエネルギー蓄積要素１５とを接続している。
この他にもたとえば、燃料電池１３と負荷機器１００との間の電力供給経路に、抵抗素子などの定電流制御素子とエネルギー蓄積要素１５とを接続してもよい。
この場合でも、本発明の方式で燃料電池１３を運転することにより、燃料消費量を減らすことができる。
【００９５】
図１０は、燃料電池１３と負荷機器１００との間の電力供給経路に、抵抗素子１２１とエネルギー蓄積要素１５とを接続した燃料電池発電システム１の概略構成図である。
図１０の燃料電池発電システム１は、負荷変動をエネルギー蓄積要素１５で吸収し、抵抗素子１２１で燃料電池１３の電流を略一定に保つように動作する。
このため、図１０の変形例の燃料電池発電システム１における燃料電池１３のエネルギー効率は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４とエネルギー蓄積要素１５とを用いた場合に比べて、必ずしも良いとは言えない。
【００９６】
上記実施形態では、電力燃料比の最大値Ｃｍａｘをサーチする場合に、制御部３１は、最小の燃料供給量から段階的に供給量を増加している。
この他にもたとえば、制御部３１は、最大の燃料供給量から段階的に供給量を減少させてもよい。
また、制御部３１は、温度センサなどの検出に基づいて環境変化の大小を判断し、環境変化が大きい場合にはすべての燃料供給量についてのサーチ制御を実行し、環境変化が小さい場合には前回使用した燃料供給量およびその前後の一部の燃料供給量についてのサーチ制御を実行してもよい。
【００９７】
上記実施形態では、制御部３１は、休止モード５１から燃料消費抑制モード５３へ復旧する場合に、燃料供給量のサーチ処理を実行している。
この他にもたとえば、制御部３１は、最大電力モード５２から燃料消費抑制モード５３へ移行する場合、燃料消費抑制モード５３から休止モード５１へ移行する場合などにおいて、燃料供給量をサーチしてもよい。
また、制御部３１は、休止モード５１から復旧する度に毎回サーチするのではなく、たとえば環境変化の大小や復旧回数などに応じて、複数回に１回の割合でサーチを実行してもよい。
たとえば、制御部３１は、燃料消費抑制モード５３への復旧回数をカウントしたり、最後にサーチしてからの経過時間を計測したり、時刻を参照したりして、複数回に１回の割合でサーチを実行すればよい。
この場合、その複数回の期間において、制御部３１は、最後にサーチした最新の燃料供給量を共通に使用すればよい。
【符号の説明】
【００９８】
１…燃料電池発電システム（発電制御装置）、１３…燃料電池、２２…ＦＣ出力電圧センサ（第１検出部）、１４…ＤＣ／ＤＣコンバータ（変換部）、１５…エネルギー蓄積要素（蓄積部）、２１…流量センサ（第３検出部）、２３…ＦＣ出力電流センサ（第１検出部）、２４…出力電圧センサ（第２検出部）、３１…制御部、１００…負荷機器、Ｖ１…第１閾値電圧、Ｖ３…第３閾値電圧、Ｖ４…第４閾値電圧、Ｃ…電力燃料比
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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