(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化性ガスとの酸化反応により還元性ガスである燃料ガスを発生する燃料発生部と、
前記燃料発生部で発生した前記燃料ガスが供給され前記燃料ガスを用いた発電を行う燃料電池部と、
前記燃料発生部と前記燃料電池部との間で前記酸化性ガス及び前記燃料ガスを含むガスを循環させるためのガス流路と、
前記ガス流路上に設けられ、前記燃料発生部と前記燃料電池部との間で前記酸化性ガス及び前記燃料ガスを含むガスを強制的に循環させる循環器と、
を備え、
前記発電によって前記燃料電池部において発生した前記酸化性ガスが前記燃料発生部に供給される燃料電池システムであって、
前記燃料電池部と前記燃料発生部との間を循環するガスの循環量が、時刻に関連した単位時間毎の電力需要予測値に対して定められる、時刻に関連した単位時間毎の循環量となるよう前記燃料電池部と前記燃料発生部との間を循環するガスの循環量を設定するガス循環量設定部を備え、
前記ガス循環量設定部において設定されるガスの循環量は、前記時刻に関連した単位時間毎の電力需要予測値の発電を前記燃料電池システムが行うために必要な量である、時刻に関連した単位時間毎の必要量予測値を上回るように設定されるものであり、
前記ガス循環量設定部は、前記必要量予測値を一つ前の前記単位時間の電力需要実績に基づいて決定することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
酸化性ガスとの酸化反応により還元性ガスである燃料ガスを発生する燃料発生部と、
前記燃料発生部で発生した前記燃料ガスが供給され前記燃料ガスを用いた発電を行う燃料電池部と、
前記燃料発生部と前記燃料電池部との間で前記酸化性ガス及び前記燃料ガスを含むガスを循環させるためのガス流路と、
前記ガス流路上に設けられ、前記燃料発生部と前記燃料電池部との間で前記酸化性ガス及び前記燃料ガスを含むガスを強制的に循環させる循環器と、
を備え、
前記発電によって前記燃料電池部において発生した前記酸化性ガスが前記燃料発生部に供給される燃料電池システムであって、
前記燃料電池部と前記燃料発生部との間を循環するガスの循環量が、時刻に関連した単位時間毎の電力需要予測値に対して定められる、時刻に関連した単位時間毎の循環量となるよう前記燃料電池部と前記燃料発生部との間を循環するガスの循環量を設定するガス循環量設定部を備え、
前記ガス循環量設定部は、前記電力需要予測値を一つ前の前記単位時間の電力需要実績に基づいて決定することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記ガス循環量設定部において設定されるガスの循環量は、前記時刻に関連した単位時間毎の電力需要予測値の発電を前記燃料電池システムが行うために必要な量を上回るように設定されるものであることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記ガス循環量設定部によって設定される設定値は、
前記燃料電池部の最大放電電流に必要な量以上を最大値とする複数の離散的な値であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記ガス循環量設定部において設定されるガスの循環量は、前記時刻に関連した単位時間毎の電力需要予測値の発電を前記燃料電池システムが行うために必要な量である、時刻に関連した単位時間毎の必要量予測値を上回るように設定されるものであり、
前記ガス循環量設定部は、前記燃料電池部と前記燃料発生部との間を循環するガスの循環量が、前記単位時間より短期の電力変動分以上の余裕分を前記必要量予測値に加えた量を上回るように、前記燃料電池部と前記燃料発生部との間を循環するガスの循環量を設定することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池部の放電電流が前記ガス循環量設定部によって設定される設定値に相当する電流を超えないように前記燃料電池部の放電電流を制限する電流制限部を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池部と燃料発生部とを備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池コジェネレーションシステムは、都市ガス等を燃料として燃料電池で発電を行い、発電した電気を利用するとともに、燃料電池での発電の際に発生する熱も給湯や暖房等に利用してエネルギー効率を高めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−７３３１６号公報
【特許文献２】特開２００６−１４０１０３号公報
【特許文献３】特開２００６−２４４８８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、燃料電池コジェネレーションシステムでは、燃料電池の発電量に合った量の燃料ガスを供給しないと、発電に寄与しない燃料ガスが大量にシステムから排出されたり、逆に燃料ガスが不足したりすることになる。したがって、燃料電池コジェネレーションシステムでは、燃料電池の発電量あるいは燃料電池の発電量と相関がある物理量をモニタしながら、モニタ結果に応じて燃料ガスの供給量を細かく制御する必要がある。通常、燃料電池コジェネレーションシステムは、燃料ガス利用率が７０〜８０％程度になるように運転されている。【０００５】
特許文献１〜３で提案されている燃料電池システムはいずれも燃料電池コジェネレーションシステムに適用可能であって燃料ガスの供給量を制御することができるが、エネルギー効率が低下しないように燃料ガス利用率を高レベル（例えば７０〜８０％程度）で維持するためには燃料ガスの供給量を細かく制御する必要がある。【０００６】
本発明は、上記の状況に鑑み、燃料ガスの供給量の細かな制御を必要とせずに、燃料ガスの不足や無駄が生じないようにすることができる燃料電池システム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】
【０００７】
上記目的を達成するために本発明の一側面に係る燃料電池システムは、燃料ガスを発生する燃料発生部と、前記燃料ガスを用いた発電を行う燃料電池部とを備え、前記燃料電池部と前記燃料発生部との間で前記燃料ガスを含むガスを強制循環させる燃料電池システムであって、前記燃料電池部と前記燃料発生部との間を循環するガスの循環量が、時刻に関連した単位時間毎の電力需要予測値に対して定められる循環量となるよう前記燃料電池部と前記燃料発生部との間を循環するガスの循環量を設定するガス循環量設定部を備える構成とする。上記循環量は時刻に関連した単位時間毎の循環量とすることができる。【０００８】
また、前記ガス循環量設定部において設定されるガスの循環量は、前記時刻に関連した単位時間毎の電力需要予測値の発電を前記燃料電池システムが行うために必要な量を上回るよう設定されることができる。【０００９】
さらに、前記ガス循環量設定部において設定されるガスの循環量は、前記時刻に関連した単位時間毎の電力需要予測値の発電を前記燃料電池システムが行うために必要な量である、時刻に関連した単位時間毎の必要量予測値を上回るように設定されることができる。
【発明の効果】
【００１０】
上記燃料電池システムによると、前記単位時間を比較的長い時間とすることで、燃料ガスの供給量の細かな制御を必要とせずに、燃料ガスの不足が生じないようにすることができる。また、上記燃料電池システムによると、燃料電池部で使用されなかった燃料ガスは循環によって再度燃料電池部に供給されて利用されるので、燃料ガスの無駄が生じないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図２】家庭内での平均電力使用量の推移例を示す図である。
【図３】深夜電力を用いて充電し、昼間に発電する場合のガス循環量の設定例を示す図である。
【図４】太陽光発電システムの発電電力を用いて充電する場合のガス循環量の設定例を示す図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施形態について図面を参照して以下に説明する。なお、本発明は、後述する実施形態に限られない。
【００１３】
本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を図１に示す。図１に示す本発明の一実施形態に係る燃料電池システムは、燃料ガスを発生する燃料発生部材１と、酸素を含む酸化剤と燃料発生部材１から供給される燃料ガスとの反応により発電を行う燃料電池部２と、燃料発生部材１を収容する容器３と、燃料電池部２を収容する容器４と、燃料発生部材１と燃料電池部２とを連通するガス流通経路５を構成するためのガス流通経路構成部材５Ａと、燃料電池部２と燃料発生部材１との間で燃料ガスを含むガスを強制循環させるためにガス流通経路５上に設けられる循環器（例えばブロアやポンプ等）６と、燃料電池部２と燃料発生部材１との間を循環するガスの循環量を設定し、その設定に応じて循環器６を制御するコントローラ７とを備えている。なお、燃料発生部材１の周辺や燃料電池部２の周辺には必要に応じて、温度を調節するヒーター等を設けてもよい。
【００１４】
コントローラ７は、循環器６の制御の他に、燃料電池部２と、太陽光発電システム８、電力系統９、及び負荷１０との各接続状態の切り替えも行っている。したがって、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池部２を電気分解器として動作させたときに燃料発生部材１の再生が可能な２次電池型燃料電池システムである場合、例えば、電力系統９から供給される深夜電力あるいは太陽光発電システム８の出力電力を充電し、別の時間に発電して家庭内の各種電気器具である負荷１０に電力を供給することができる。
【００１５】
燃料発生部材１としては、例えば、金属を母材として、その表面に金属または金属酸化物が添加されており、化学反応によって燃料を発生するものを用いることができる。母材の金属としては例えば、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｖ、Ｍｇやこれらを基材とする合金が挙げられ、特にＦｅは安価で、加工も容易なので好ましい。また、添加される金属としては、Ａｌ、Ｒｄ、Ｐｄ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｖ、Ｍｏが挙げられ、添加される金属酸化物としてはＳｉＯ２、ＴｉＯ２が挙げられる。ただし、母材となる金属と、添加される金属は同一の材料ではない。なお、本実施形態においては、燃料発生部材１として、Ｆｅを主体とする水素発生部材を用いる。
【００１６】
また、燃料発生部材１においては、その反応性を上げるために単位体積当りの表面積を大きくすることが望ましい。燃料発生部材１の単位体積当りの表面積を増加させる方策としては、例えば、燃料発生部材１の主体を微粒子化し、その微粒子化したものを成型すればよい。微粒子化の方法は例えばボールミル等を用いた粉砕によって粒子を砕く方法が挙げられる。さらに、機械的な手法などにより微粒子にクラックを発生させることで微粒子の表面積をより一層増加させてもよく、酸処理、アルカリ処理、ブラスト加工などによって微粒子の表面を荒らして微粒子の表面積をより一層増加させてもよい。また、燃料発生部材１としては、微粒子をガスが通過する程度の空隙を残して固めたものであってもよいし、ペレット状の粒に形成してこの粒を多数空間内に埋める形態であっても構わない。
【００１７】
燃料電池部２は、図１に示す通り、電解質膜２Ａの両面に燃料極２Ｂと酸化剤極である空気極２Ｃを接合したＭＥＡ構造(膜・電極接合体：Membrane  Electrode  Assembly)である。なお、図１では、ＭＥＡを１つだけ設けた構造を図示しているが、ＭＥＡを複数設けたり、さらに複数のＭＥＡを積層構造にしたりしてもよい。
【００１８】
電解質膜２Ａの材料としては、酸素イオン又は水酸化物イオンを通す電解質、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を用いた固体酸化物電解質を用い、発電時に燃料極２Ｂ側に水を発生させるようにしている。この場合、発電時に燃料極２Ｂ側に発生した水を用いた化学反応によって燃料発生部材１から水素を発生させることができる。
【００１９】
電解質膜２Ａは、電気化学蒸着法（ＣＶＤ−ＥＶＤ法；Chemical  Vapor  Deposition  -  Electrochemical  Vapor  Deposition）等を用いて形成することができる。
【００２０】
燃料極２Ｂ、空気極２Ｃはそれぞれ、例えば、電解質膜２Ａに接する触媒層と、その触媒層に積層された拡散電極とからなる構成にすることができる。触媒層としては、例えば白金黒或いは白金合金をカーボンブラックに担持させたもの等を用いることができる。また、燃料極２Ｂの拡散電極の材料としては、例えばカーボンペーパ、Ｎｉ−Ｆｅ系サーメットやＮｉ−ＹＳＺ系サーメット等を用いることができる。また、空気極２Ｃの拡散電極の材料としては、例えばカーボンペーパ、Ｌａ−Ｍｎ−Ｏ系化合物やＬａ−Ｃｏ−Ｃｅ系化合物等を用いることができる。燃料極２Ｂ、空気極２Ｃはそれぞれ、例えば蒸着法等を用いて形成することができる。
【００２１】
燃料電池部２として固体酸化物燃料電池を用いた場合、発電時の燃料電池部２では下記の（１）式の反応が起こる。燃料電池部２は、燃料極２Ｂで水素を消費し、空気極２Ｃで酸素を消費して発電を行う。そして、燃料極２Ｂ側で生成された水蒸気は燃料発生部材１に供給される。
Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ  …（１）
【００２２】
また、発電時の燃料発生部材１では下記の（２）式の反応が起こる。燃料発生部材１は、燃料電池部２から供給された水蒸気を消費して水素を生成し、その生成した水素を燃料電池部２へと供給する。
３Ｆｅ＋４Ｈ２Ｏ→Ｆｅ３Ｏ４＋４Ｈ２  …（２）
【００２３】
また、充電時においては、上記の（１）式および（２）式の逆反応がそれぞれ起こる。このため、充電時に燃料電池部２は水蒸気を電気分解し、燃料極２Ｂで水素を生成し、空気極２Ｃで酸素を生成する。また、充電時に燃料発生部材１は、燃料電池部２の燃料極２Ｂから供給された水素を消費して酸化鉄を還元して水蒸気を生成し、その生成した水蒸気を燃料電池部２の燃料極２Ｂへと供給する。
【００２４】
ここで、家庭内での平均電力使用量の推移例を図２に示す。平均電力使用量のグラフの形は家族構成や生活スタイルで様々であるが、季節、曜日、時間帯によってある程度決まったパターンを示す。図２に示す平均電力使用量のグラフ１００は、例えば１時間あたりの電力使用量の平均をプロットしたものである。実電力使用量のグラフ１０１は、家庭内の各電気機器のオン／オフすなわち負荷１０の変動に伴い、図２上に一部を例示するように数分程度の短期期間で大きく変動し得る。
【００２５】
コントローラ７は、家庭内での平均電力使用量を基に、燃料電池部２の発電によって賄うべき時刻に関連した単位時間毎の電力、すなわち時刻に関連した単位時間毎の電力需要予測値を決定している。発電時に必要なガスの循環量に関しては、時刻に関連した単位時間毎の電力需要予測値に対応する放電電流から単位時間毎の水素消費量が決まり、単位時間毎の水素消費量と循環するガスに占める水素の割合とから単位時間毎に循環させるべきガス量（必要量予測値）が求まる。充電時に必要なガスの循環量に関しても同様であり、充電電流から電気分解に必要な単位時間毎の水蒸気量が決まり、電気分解に必要な単位時間毎の水蒸気量と循環するガスに占める水蒸気の割合とから単位時間に循環させるべきガス量が求まる。なお、燃料発生部材１と燃料電池部２とを循環するガスにおける水蒸気と水素の比率は、十分な速さで反応できるだけの鉄量があれば、鉄の温度による平衡条件で決まる。
【００２６】
図３は、深夜電力を用いて充電し、昼間に発電する場合のガス循環量の設定例を示す図である。図３に示す例では、９時から２１時まで本発明の一実施形態に係る燃料電池システムで発電している。それ以外の時間帯は例えば電力系統９から供給される電力を用いて負荷１０に電力を供給することができる。また、図３に示す例では、２３時から５時まで本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを充電している。
【００２７】
コントローラ７は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの発電時（９時から２１時）に、前述した必要量予測値（図３中のグラフ１０２）を上回るようにガスの循環量（図３中のグラフ１０３）を設定している。ここで、コントローラ７は、制御を簡略化するため、図３に示す通り、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの最大電力に対応できる値を最大値とし、０を最小値とした４段階の離散的な循環量（Ｖ１〜Ｖ４）を設け、前述した必要量予測値を上回る最も小さい循環量を時刻に関連して設定している。
【００２８】
単位時間を比較的長い時間（例えば１時間）とすることで、燃料ガスの供給量の細かな制御を必要とせずに、燃料ガスの不足が生じないようにすることができる。また、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムは、燃料発生部材１と燃料電池部２との間で燃料ガスを含むガスを循環させる構成であり、燃料電池部２で使用されなかった燃料ガスは循環によって再度燃料電池部２に供給されて利用されるので、燃料ガスの無駄が生じないようにすることができる。
【００２９】
なお、単位時間を長くすると、単位時間より短期の電力変動によって一時的に燃料ガスが不足するおそれがあるため、コントローラ７は、必要量予測値を上回る最も小さい循環量を設定するのではなく、ガスの循環量が必要量予測値の所定倍以上、例えば１．５倍以上になるように設定してもよく、或いは、単位時間より短期の電力変動（図２中のグラフ１０１参照）分以上の余裕分を必要量予測値に加えた量を上回るように、ガスの循環量を設定してもよい。
【００３０】
ガスの循環量の段階数は、図３中の１０３の例では最小値の０であるＶ１を含めてＶ４までの４段階であるが、段階数はこれに限られない。これより多い段階数でも構わない一方、これより少なく、最も簡単にはオン／オフの２値（例えば図３中に１０３Ａで示すようにＶ４とＶ１）であってよい。それにより、ガス循環量の制御がきわめて容易で簡易なものとなる。一方、図３に示す設定例１０３では、循環器６の過剰な運転を抑制し、無駄な電力消費や騒音を避けることを狙って、必要量予測値を上回る最も小さい循環量を時刻に関連して設定し、循環量を増減させている。
【００３１】
燃料発生部材１の鉄のほとんどが酸化し、発電余力が無くなると、コントローラ７は発電を停止させる。発電が停止された状態のときには、コントローラ１０の制御により、負荷１０には電力系統９及び太陽光発電システム８の一方もしくは両方から電力が供給される。深夜には電力系統９から供給される電力を用いて充電を行う。このときの充電電流はコントローラ７が決定するので、大きな短期変動が発生しないようにすることができ、ガスの循環量を一定の設定値（例えば図３中のＶ４）で循環させることができる。燃料発生部材１の酸化鉄のほとんどが還元されて充電が完了すると、コントローラ７は充電動作を停止させる。コントローラ７は、燃料発生部材１の酸化還元状態を検出する検出部として、例えば燃料発生部材１の重量変化に基づいて酸化還元状態を検出する装置や燃料発生部材１の透磁率変化に基づいて酸化還元状態を検出する装置などを備えてもよく、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの外部に燃料発生部材１の酸化還元状態を検出する検出部を設け、コントローラ７が当該検出部の検出結果を受け取るようにしてもよい。
【００３２】
ここで、時刻に関連した単位時間毎の電力需要予測値の決定方法について説明する。最も簡単な決定方法としては、コントローラ７が内蔵するメモリに過去１年分の平均電力使用量のデータを記憶しておき、前年同月同日の平均電力使用量を時刻に関連した単位時間毎の電力需要予測値とする方法である。
【００３３】
また、電力需要予測値の予測精度を向上させる観点から、電力需要予測値を、直前の電力需要予測値と直前の本発明の一実施形態に係る燃料電池システムに対する電力需要実績とに基づいて決定するようにしてもよい。例えば、９時から１０時までの電力需要予測値が９時から１０時までの本発明の一実施形態に係る燃料電池システムに対する電力需要実績よりも大きかった場合、換言すると、実際の電力需要量が予測値よりも下回った場合、次の１０時から１１時までの電力需要予測値を９時から１０時までの電力需要予測値よりも小さく設定する。逆に９時から１０時までの電力需要予測値が９時から１０時までの本発明の一実施形態に係る燃料電池システムに対する電力需要実績よりも小さかった場合、換言すると、実際の電力需要量が予測値を上回った場合、次の１０時から１１時までの電力需要予測値を９時から１０時までの電力需要予測値よりも大きく設定する。そして、前記小さく、あるいは前記大きく設定された電力需要予測値に対応した必要量予測値に基づき、ガス循環量を決定する。なお、直前における電力需要予測値と燃料電池システムに対する電力需要実績との差が大きい場合に、その差に応じて直前の電力需要予測値から小さくしたり大きくしたりする幅を拡大してもよい。例えば図３に示すように、ガス循環量が複数の離散的な値となるよう段階的に制御するよう構成している場合、直前における電力需要予測値と燃料電池システムに対する電力需要実績との差が大きいときには、一段階ではなく二段階以上増減するようにしてもよい。
【００３４】
また、電力需要予測値の予測精度を向上させる観点から、電力需要予測値を、過去の平均電力使用量と直前の本発明の一実施形態に係る燃料電池システムに対する電力需要実績に基づいて決定するようにしてもよい。例えば、前年同月同日の平均電力使用量あるいは昨日の平均電力使用量を基準とし、直前の本発明の一実施形態に係る燃料電池システムに対する電力需要実績に応じて前年同月同日の平均電力使用量あるいは昨日の平均電力使用量を補正したものを時刻に関連した単位時間毎の電力需要予測値としてもよい。例えば、過去の平均電力使用量の９時から１０時までの値が９時から１０時までの本発明の一実施形態に係る燃料電池システムに対する電力需要実績よりも大きかった場合、換言すると、実際の電力需要量が過去の平均電力使用量よりも下回った場合、次の１０時から１１時までの電力需要予測値を過去の平均電力使用量の１０時から１１時までの値よりも小さく設定する。逆に過去の平均電力使用量の９時から１０時までの値が９時から１０時までの本発明の一実施形態に係る燃料電池システムに対する電力需要実績よりも小さかった場合、換言すると、実際の電力需要量が過去の平均電力使用量を上回った場合、次の１０時から１１時までの電力需要予測値を過去の平均電力使用量の１０時から１１時までの値よりも大きく設定する。そして、前記小さく、あるいは前記大きく設定された電力需要予測値に対応した必要量予測値に基づき、ガス循環量を決定する。なお、直前における燃料電池システムに対する電力需要実績とそれに対応する過去の平均電力使用量の値との差が大きい場合に、その差に応じて直前の電力需要予測値から小さくしたり大きくしたりする幅を拡大してもよい。例えば図３に示すように、ガス循環量が複数の離散的な値となるよう段階的に制御するよう構成している場合、直前における燃料電池システムに対する電力需要実績とそれに対応する過去の平均電力使用量の値との差が大きいときには、一段階ではなく二段階以上増減するようにしてもよい。
【００３５】
また、コントローラ７が設定したガスの循環量に相当する電流値を超えた電流を燃料電池部２が流そうとして燃料極２Ｂや空気極２Ｃが損傷するなどの事態を避けるために、コントローラ７が、燃料電池部２の放電電流がコントローラ７によって設定されるガスの循環量の設定値に相当する電流を超えないように燃料電池部２の放電電流を制限するようにしてもよい。燃料電池部２の放電電流を制限する方法としては、例えば、コントローラ７が燃料電池部２と負荷１０との電気的な接続を遮断する方法、或いは、コントローラ７が超過分の電流を電力系統９から調達する方法などを挙げることができる。
【００３６】
図４は、太陽光発電システム８の発電電力を用いて充電する場合のガス循環量の設定例を示す図である。図４に示す例では、６時から１８時まで本発明の一実施形態に係る燃料電池システムで充電している。太陽光発電システム８の発電電力は天候によって大きく変化するが、設置場所、季節、および時刻によって最大発電電力は容易に予測することができる。
【００３７】
充電時に必要なガスの循環量に関しては、時刻に関連した単位時間毎の太陽光発電システム８の最大発電電力に対応する充電電流から電気分解に必要な単位時間毎の水蒸気量が決まり、電気分解に必要な単位時間毎の水蒸気量と循環するガスに占める水蒸気の割合とから単位時間に循環させるべきガス量（必要量予測値）が求まる。
【００３８】
コントローラ７は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの充電時（６時から１８時）に、前述した必要量予測値（図４中のグラフ１０４）を上回るようにガスの循環量（図４中のグラフ１０５）を設定している。なお、太陽光発電システム８の発電電力を負荷１０で使用しながら、太陽光発電システム８の余剰電力によって本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを充電する場合は、時刻に関連した単位時間毎の太陽光発電システム８の最大発電電力から上述した家庭内での時刻に関連した単位時間毎の平均電力使用量を引いた量に対応する充電電流から電気分解に必要な単位時間毎の水蒸気量を決めるようにすればよい。
【００３９】
＜変形例＞
上述した実施形態においては、まず家庭内での平均電力使用量（図２におけるグラフ１００）すなわち電力需要予測値を設定し、それに対応するガスの必要量予測値（図３におけるグラフ１０２）を求め、それを上回るようにガスの循環量（図３におけるグラフ１０３）を決定している。しかしながら、予め平均電力使用量（電力需要予測値）を一定量もしくは一定比率上回る量として電力使用予定量を設定し、ガスの循環量をそれに対応して求めるようにしてもよい。
【００４０】
上述した実施形態においては、燃料電池部２の電解質膜２Ａとして固体酸化物電解質を用いて、発電の際に燃料極２Ｂ側で水を発生させるようにする。この構成によれば、燃料発生部材１が設けられた側で水を発生するため、装置の簡素化や小型化に有利である。一方、特開２００９−９９４９１号公報に開示された燃料電池のように、燃料電池部２の電解質膜２Ａとして水素イオンを通す固体高分子電解質を用いることも可能である。但し、この場合には、発電の際に燃料電池部２の酸化剤極である空気極２Ｃ側で水が発生されることになるため、この水を燃料発生部材１に伝搬する流路を設ければよい。また、上述した実施形態では、１つの燃料電池部２が発電も水の電気分解も行っているが、燃料電池（例えば発電専用の固体酸化物燃料電池）と水の電気分解器（例えば水の電気分解専用の固体酸化物燃料電池）が燃料発生部材１に対してガス流路上並列に接続される構成にしてもよい。
【００４１】
上述した実施形態では、燃料発生部材１として、化学反応によって燃料を発生するものを用いたが、例えば燃料を水素とした場合、水素吸蔵合金を用いることも可能である。
【００４２】
また、上述した実施形態では、燃料電池部２の燃料を水素にしているが、一酸化炭素や炭化水素など水素以外の還元性ガスを燃料電池部２の燃料として用いても構わない。
【００４３】
また、上述した各実施形態では、酸化剤ガスに空気を用いているが、空気以外の酸化剤ガスを用いても構わない。
【００４４】
また、上述した実施形態では、燃料発生部材１と燃料電池部２とを別々の容器に収容しているが、図５に示すように同一の容器１１に収容するようにしてもよい。図５において図１と同一の部分には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。図５に示す本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムでは、燃料極２Ｂと燃料発生部材１との間に仕切部材１２が設けられている。仕切部材１２は、図５の紙面手前及び紙面奥において、容器１１の内壁に接続されている。一方、図５の紙面左右方向において、仕切部材１２と容器１１の内壁との間に隙間が設けられている。このような構成により、図５に示す本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムも図１に示す本発明の一実施形態に係る燃料電池システムと同様に循環器６によって燃料電池部２と燃料発生部材１との間で燃料ガスを含むガスを強制循環させることができる。
【００４５】
以上説明した燃料電池システムは、燃料ガスを発生する燃料発生部と、前記燃料ガスを用いた発電を行う燃料電池部とを備え、前記燃料電池部と前記燃料発生部との間で前記燃料ガスを含むガスを強制循環させる燃料電池システムであって、前記燃料電池部と前記燃料発生部との間を循環するガスの循環量が、時刻に関連した単位時間毎の電力需要予測値に対して定められる循環量となるよう前記燃料電池部と前記燃料発生部との間を循環するガスの循環量を設定するガス循環量設定部を備える構成（第１の構成）である。上記循環量は時刻に関連した単位時間毎の循環量とすることができる。
【００４６】
上記第１の構成において、前記ガス循環量設定部において設定されるガスの循環量は、前記時刻に関連した単位時間毎の電力需要予測値の発電を前記燃料電池システムが行うために必要な量を上回るよう設定される構成とすることができる。
【００４７】
上記第１の構成において、前記ガス循環量設定部において設定されるガスの循環量は、前記時刻に関連した単位時間毎の電力需要予測値の発電を前記燃料電池システムが行うために必要な量である、時刻に関連した単位時間毎の必要量予測値を上回るように設定される構成とすることができる。
【００４８】
また、上記第１の構成の燃料電池システムにおいて、前記ガス循環量設定部は、前記必要量予測値を直前の電力需要実績に基づいて決定する構成（第２の構成）としてもよい。
【００４９】
また、上記第１の構成または上記第２の構成の燃料電池システムにおいて、前記ガス循環量設定部によって設定される設定値は、前記燃料電池部の最大放電電流に必要な量以上を最大値とする複数の離散的な値である構成（第３の構成）としてもよい。
【００５０】
また、上記第１〜第３のいずれかの構成の燃料電池システムにおいて、前記ガス循環量設定部は、前記燃料電池部と前記燃料発生部との間を循環するガスの循環量が、前記単位時間より短期の電力変動分以上の余裕分を前記必要量予測値に加えた量を上回るように、前記燃料電池部と前記燃料発生部との間を循環するガスの循環量を設定する構成（第４の構成）としてもよい。
【００５１】
また、上記第１〜第４のいずれかの構成の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池部の放電電流が前記ガス循環量設定部によって設定される設定値に相当する電流を超えないように前記燃料電池部の放電電流を制限する電流制限部を備える構成としてもよい。
【００５２】
以上のような各構成によれば、前記単位時間を比較的長い時間とすることで、燃料ガスの供給量の細かな制御を必要とせずに、燃料ガスの不足が生じないようにすることができる。また、このような構成によると、燃料電池部で使用されなかった燃料ガスは循環によって再度燃料電池部に供給されて利用されるので、燃料ガスの無駄が生じないようにすることができる。
【符号の説明】
【００５３】
１  燃料発生部材
２  燃料電池部
２Ａ  電解質膜
２Ｂ  燃料極
２Ｃ  空気極
３、４、１１  容器
５  ガス流通経路
５Ａ  ガス流通経路構成部材
６  循環器
７  コントローラ
８  太陽光発電システム
９  電力系統
１０  負荷
１００  平均電力使用量のグラフ
１０１  実電力使用量のグラフ
１０２、１０４  必要量予測値のグラフ
１０３、１０３Ａ、１０５  ガスの循環量のグラフ
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図１】
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【図５】
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