(57)【要約】【課題】冬期などの発電運転において、蓄熱槽に回収される蓄熱媒体温度で循環流量を制御することができず、蓄熱槽入口温度を所定の範囲に維持できないという課題があった。【解決手段】燃料電池１と、燃料電池１の発電にともなって発生する熱を回収する冷却媒体を通流する冷却経路４と、冷却媒体から熱を回収し蓄熱する蓄熱媒体を通流する蓄熱経路７と、冷却媒体と蓄熱媒体の間で熱交換を行う熱交換器６と、蓄熱媒体を蓄える蓄熱槽１０と、熱交換器６での熱回収後に蓄熱槽１０に戻る蓄熱媒体の温度を計測する蓄熱温度センサ１１と、制御器１２とを備えた燃料電池システムにおいて、制御器１２は、前記蓄熱温度センサ１１により計測された蓄熱槽入口温度が第一の閾値よりも低い場合、燃料電池１に許容される最低発電量を増加させることを特徴とする燃料電池コージェネレーションシステム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含む還元剤ガスと、空気などの酸化剤ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電にともなって発生する熱を回収する冷却媒体を通流する冷却経路と、前記冷却媒体から熱を回収し蓄熱する蓄熱媒体を通流する蓄熱経路と、前記冷却媒体と蓄熱媒体の間で熱交換を行う熱交換器と、前記蓄熱媒体を蓄える蓄熱槽と、前記熱交換器での熱回収後に前記蓄熱槽に戻る前記蓄熱媒体の温度を計測する蓄熱槽入口温度計測手段と、制御器とを備え、前記制御器は、前記蓄熱槽入口温度計測手段により計測された蓄熱槽入口温度が第一の閾値よりも低い場合、前記燃料電池に許容される最低発電量を増加させることを特徴とする燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項２】
前記制御器は、前記最低発電量を増加させた後、蓄熱槽入口温度が、前記第一の閾値より高く設定された第二の閾値よりも高い状態を所定時間継続した場合、前記最低発電量を低下させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項３】
気温を計測する外気温計測手段をさらに備え、前記制御器は、前記最低発電量を増加させた後、前記外気温計測手段により計測された外気温度が第三の閾値よりも高い状態を所定時間継続した場合、前記最低発電量を低下させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項４】
気温を計測する外気温計測手段をさらに備え、前記制御器は、前記最低発電量を増加させた後、前記外気温計測手段により計測された外気温が、最低発電量を増加させた際に計測した外気温よりも、第四の閾値以上高い状態を所定時間継続した場合、前記燃料電池に許容される最低発電量を低下させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項５】
前記制御器は、前記最低発電量を増加させた後、所定の時間が経過した場合、前記最低発電量を低下させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項６】
前記制御器は、前記最低発電量を増加させた後、発電運転を停止した場合、前記最低発電量を初期値に戻すことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項７】
前記燃料電池と前記熱交換器と前記制御機と前記冷却経路とを発電ユニットとして構成し、前記蓄熱槽と前記蓄熱槽入口温度計測手段とを貯湯ユニットとして構成して、前記蓄熱経路は、前記発電ユニットと前記貯湯ユニットとの間を通流するよう構成されている請求項１〜６記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子形やリン酸形、固体電解質形などの燃料電池を備え、電気および熱の供給を行なう燃料電池システムおよびその運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形やリン酸形などの燃料電池を用いた燃料電池システムは、主にコージェネレーションシステムなどで使用されており、発電と同時に発生する熱をお湯として回収することでエネルギを有効に活用でき、高効率の分散型電源として注目されている。一般的に電力負荷は常時発生し熱負荷は断続的に発生するという特性を持ち、さらにコージェネレーションシステムの発電により瞬間的に回収できる熱量は断続的に発生する熱負荷の需要量に比べて少ない。このため、前述のコージェネレーションシステムでは、発電に伴って回収した熱を直接供給するのではなく、一度蓄熱槽に貯えた後、必要な量を負荷に供給している。
このような従来の燃料電池システムは、図９に示すように、発電を実施する燃料電池ユニット１００と、熱を蓄える貯湯ユニット２００で構成される。燃料電池ユニット１００は、還元剤ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池１と、都市ガスやプロパン、灯油などの炭化水素系原料に水蒸気を添加して改質し、水素を多く含んだ還元剤ガスを生成する水素生成装置２と、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池１に供給する空気供給装置３と、燃料電池１で発電と同時に発生した熱を冷却する冷却媒体を流通する冷却経路４および冷却水ポンプ５と、経路に接続され冷却媒体から蓄熱媒体に熱を回収する熱交換器６と、蓄熱媒体を流通する蓄熱経路７および蓄熱水ポンプ８と、燃料電池１で発電された直流電力を交流電力に変換し、家庭の電化製品などの電力負荷に供給する電力変換装置９とで構成され、貯湯ユニット２００は、蓄熱経路７に接続され熱交換器６により熱を回収した蓄熱媒体を蓄える蓄熱槽１０と、蓄熱槽に蓄えられる蓄熱媒体の温度を計測する蓄熱温度センサ１１と、燃料電池システム内のこれら各機器を制御する制御器１２とで構成される。
【０００３】
燃料電池１は、水素生成装置２により生成された水素を多く含んだ還元剤ガスと、空気供給装置３が供給する空気を電気化学反応させて電力を発生させる。水素生成装置２は、都市ガスなどの炭化水素系原料に水蒸気を添加し、改質反応させて水素を多く含んだ還元剤ガスを生成する。燃料電池１には、発電で発生する熱を除去するため、冷却経路４を通じて冷却媒体としての冷却水を冷却水ポンプ５にて通流する。冷却水は、燃料電池１で加熱された後、熱交換器６にて蓄熱媒体としての蓄熱水に熱を伝達して冷却され、再び燃料電池１へと供給される。蓄熱槽１０には、燃料電池ユニットより発生した熱を回収するための蓄熱水が蓄えられる。蓄熱水は、発電時には蓄熱水ポンプ８により蓄熱槽１０の底部付近から取水され、熱交換器６を経由して熱回収した後、蓄熱槽１０の上部近くに回帰する。燃料電池ユニット１００と貯湯ユニット２００をつなぐ蓄熱経路７は外気にさらされることが多く、冬期などの外気温が低い場合には蓄熱経路７における放熱ロスが大きくなり、蓄熱槽入口温度（蓄熱温度センサ１１における温度）が低下するという課題があった。
【０００４】
このような燃料電池システムにおいて、制御器１２は、水温、外気温や燃料電池ユニットが設置された家庭の熱負荷需要、電力負荷需要、蓄熱槽入口温度、放熱率などの過去の実績と予測対象日の運転条件に基づいて、予測対象日の蓄熱槽入口温度を設定し、蓄熱槽入口温度が設定値になるように、蓄熱水ポンプ８を制御する技術が提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２４１１４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記従来の燃料電池システムが、燃料電池１の発電運転時の温度維持を、冷却水および熱交換器６を通じて蓄熱水で調整するだけの構成では、貯湯タンクに回収される温水温度で循環流量を制御することができず、蓄熱槽入口温度を所定の範囲に維持できないという課題があった。
【０００７】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、発電ユニットを所定の性能に保つための冷却装置として熱回収を実施している場合において、冬期に、低出力を長時間継続する場合や、蓄熱経路の距離が長い場合などでも、蓄熱槽入口温度を所定の値に維持することが可能な燃料電池システムを供給することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、空気などの酸化剤ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電にともなって発生する熱を回収する冷却媒体を通流する冷却経路と、前記冷却媒体から熱を回収し蓄熱する蓄熱媒体を通流する蓄熱経路と、前記冷却媒体と蓄熱媒体の間で熱交換を行う熱交換器と、前記蓄熱媒体を蓄える蓄熱槽と、前記熱交換器での熱回収後に前記蓄熱槽に戻る前記蓄熱媒体の温度を計測する蓄熱槽入口温度計測手段と、制御器とを備え、前記制御器は、前記蓄熱槽入口温度計測手段により計測された蓄熱槽入口温度が第一の閾値よりも低い場合、前記燃料電池に許容される最低発電量を増加させるとしたものである。
【０００９】
これによって、最低発電量における熱回収量（最低熱回収量）と比較して蓄熱経路の放熱が大きく、蓄熱槽に蓄えられる蓄熱媒体の温度が低下する場合、最低発電量を増加させるので、最低熱回収量が増加して放熱の影響が小さくなり、蓄熱槽入口温度の低下が防止される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の燃料電池システムおよびその運転方法において、とくに冬期に、低出力を長時間継続する場合や、蓄熱経路の距離が長い場合などでも、蓄熱槽入口温度を所定の値に維持することが可能な燃料電池システムを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムのブロック図
【図２】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの動作フローチャート
【図３】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの動作フローチャート
【図４】本発明の実施の形態２における燃料電池システムのブロック図
【図５】本発明の実施の形態２における燃料電池システムの動作フローチャート
【図６】本発明の実施の形態２における燃料電池システムの動作フローチャート
【図７】本発明の実施の形態２における燃料電池システムの動作フローチャート
【図８】本発明の実施の形態２における燃料電池システムの動作フローチャート
【図９】従来の燃料電池システムのブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
第１の発明は、水素を含む還元剤ガスと、空気などの酸化剤ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電にともなって発生する熱を回収する冷却媒体を通流する冷却経路と、前記冷却媒体から熱を回収し蓄熱する蓄熱媒体を通流する蓄熱経路
と、前記冷却媒体と蓄熱媒体の間で熱交換を行う熱交換器と、前記蓄熱媒体を蓄える蓄熱槽と、前記熱交換器での熱回収後に前記蓄熱槽に戻る前記蓄熱媒体の温度を計測する蓄熱槽入口温度計測手段と、制御器とを備える。
前記制御器は、前記蓄熱槽入口温度計測手段により計測された蓄熱槽入口温度が第一の閾値よりも低い場合、前記燃料電池に許容される最低発電量を増加させることにより、蓄熱槽入口温度計測手段で計測された蓄熱槽入口温度が第一の閾値以下に低下した場合、最低発電量を増加させるので、最低発電量における熱回収量が増加して放熱の影響が小さくなり、蓄熱槽入口温度の低下を防止することができる。
【００１３】
第２の発明は、前記制御器は、前記最低発電量を増加させた後、蓄熱槽入口温度が、前記第一の閾値より高く設定された第二の閾値よりも高い状態を所定時間継続した場合、前記最低発電量を低下させることにより、最低発電量を増加させた後、時間が経過して放熱の影響が小さくなった時間帯の運転において、最低発電量を低下させるため、蓄熱槽入口温度の低下を防止することができるとともに、より低い発電量での運転が可能となり、燃料電池システムの省エネ性能を向上することができる。
【００１４】
第３の発明は、気温を計測する外気温計測手段をさらに備え、前記制御器は、前記最低発電量を増加させた後、前記外気温計測手段により計測された外気温度が第三の閾値よりも高い状態を所定時間継続した場合、前記最低発電量を低下させることにより、冬期の運転などで最低発電量を増加させた後、外気温度が上昇し放熱の影響が小さくなった時間帯の運転において、最低発電量を低下させるため、蓄熱槽入口温度の低下を防止できるとともに、より低い発電量での運転が可能となり、燃料電池システムの省エネ性能を向上することができる。
【００１５】
第４の発明は、前記最低発電量を増加させた後、前記外気温計測手段により計測された外気温が、最低発電量を増加させた際に計測した外気温よりも、第四の閾値以上高い状態を所定時間継続した場合、前記燃料電池に許容される最低発電量を低下させることにより、  最低発電量を初期化させるので、冬期の運転などで最低発電量を増加させた後、外気温度が上昇し放熱の影響が小さくなった時間帯の運転において、個別の燃料電池システムの設置状態や環境に応じて最低発電量を低下させるため、蓄熱槽入口温度の低下を防止できるとともに、より低い発電量での運転が可能となり、燃料電池システムの省エネ性能をより向上することができる。
【００１６】
第５の発明は、前記最低発電量を増加させた後、所定の時間が経過した場合、前記最低発電量を低下させることにより、冬期の運転などで最低発電量を増加させた後、時間が経過し放熱の影響が小さくなった時間帯の運転において、最低発電量を低下させるため、蓄熱槽入口温度の低下を防止できるとともに、外気温計測手段を有することなくより低い発電量での運転が可能となり、簡潔な構成で燃料電池システムの省エネ性能を向上することができる。
【００１７】
第６の発明は、前記最低発電量を増加させた後、発電運転を停止した場合、前記最低発電量を初期値に戻すことにより、冬期の運転などで最低発電量を増加させた後、簡易的な手段で最低発電量を低下させるため、蓄熱槽入口温度の低下を防止できるとともに、より簡潔な構成で燃料電池システムの省エネ性能を向上することができる。
【００１８】
第７の発明は、前記燃料電池と前記熱交換器と前記制御機と前記冷却経路とを発電ユニットとして構成し、前記蓄熱槽と前記蓄熱槽入口温度計測手段とを貯湯ユニットとして構成して、前記蓄熱経路は、前記発電ユニットと前記貯湯ユニットとの間を通流するよう構成することにより、燃料電池システムの設置自由度が向上することができ、蓄熱槽入口温度の低下も防止できる。
【００１９】
以下、本発明の実施形態について具体的に説明する。なお、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【００２１】
図１に示すように、本発明の実施の形態１の燃料電池システムは、燃料電池ユニット１００と、貯湯ユニット２００で構成される。燃料電池ユニット１００の主な要素として、燃料電池１、水素生成装置２、空気供給装置３、冷却経路４、冷却水ポンプ５、熱交換器６、蓄熱経路７、蓄熱水ポンプ８、電力変換装置９、制御器１２、冷却温度センサ１３、及び余剰電力消費ヒータ１４を備えている。また、貯湯ユニット２００の主な要素として、蓄熱経路７、蓄熱槽１０及び蓄熱温度センサ１１を備えている。
【００２２】
燃料電池１は、水素を含有する還元剤ガスと、空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる。燃料電池１は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、および高分子電解質膜の両面に形成された一対の電極、すなわち燃料極（アノード）と空気極（カソード）を複数積層し構成される。アノード及びカソードは、例えば、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜の両面に形成される触媒層、および前記触媒層の外面に形成される、通気性と電子導電性とを併せ持つガス拡散層から構成される。燃料電池１としては、例えば、固体高分子形やリン酸形、固体酸化物形などが用いられる。
【００２３】
燃料電池１のアノードには、還元剤ガス供給経路１６の下流端が接続されている。還元剤ガス供給経路１６の上流端は、水素生成装置２に接続されている。これにより、水素生成装置２で生成された水素を多く含む還元剤ガスがアノードに供給される。
【００２４】
燃料電池１のカソードには、酸化剤ガス供給経路１５の下流端が接続されている。酸化剤ガス供給経路１５の上流端は、空気供給装置３に接続されている。これにより、空気供給装置３からカソードに酸化剤ガスが供給される。酸化剤ガスとしては、主に空気が用いられる。空気供給装置３としては、例えば、遠心ポンプや往復ポンプ、スクロールポンプなどが用いられる。
【００２５】
水素生成装置２は、燃料電池の発電に必要な水素を多く含む還元剤ガスを、都市ガスなどの炭化水素系原料に水蒸気を添加し、改質反応させて生成する。水素生成装置２は、メタンを主成分とする天然ガスや都市ガス、ブタン、プロパンなどを主成分とするＬＰＧ、灯油、アルコール（メタノール）、ジメチルエーテルといった原料を改質することにより水素を生成してもよい。
【００２６】
冷却経路４は、冷却水ポンプ５、冷却温度センサ１３、燃料電池１、余剰電力消費ヒータ１４、熱交換器６と接続され再び冷却水ポンプ５に接続されている。これにより、冷却媒体が燃料電池１に供給され、発電とともに発生する熱を除去する。冷却経路４の接続は前述の順番に限るものではなく、燃料電池１からの熱を蓄熱経路７に伝達できる位置であればよい。冷却水ポンプ５には、主に遠心ポンプや斜流ポンプ、往復ポンプなどが用いられ、熱交換器６には、主にプレート式熱交換器や二重管式熱交換器、フィンチューブ式熱交換器などが用いられる。余剰電力消費ヒータ１４は、発電により余った電力を熱にして消費するものであり、配管内に挿入され直接的に冷却媒体を加熱してもよく、配管外に設
置され間接的に冷却媒体を加熱してもよい。さらに、冷却経路４に設置されてもよく、蓄熱経路７に設置されてもよい。
【００２７】
蓄熱経路７は、蓄熱槽１０の底部付近、蓄熱水ポンプ８、熱交換器６、蓄熱槽入口温度計測手段としての蓄熱温度センサ１１と接続され再び蓄熱槽１０の上部付近に接続されている。これにより、蓄熱槽１０の底部の冷たい蓄熱媒体が熱交換器６に供給され、燃料電池１の熱を回収した高温の蓄熱媒体が蓄熱槽１０の上部に回収される積層沸き上げ方式としている。蓄熱水ポンプ８には、主に遠心ポンプや斜流ポンプ、往復ポンプなどが用いられる。蓄熱経路７の接続は前述の順番に限るものではなく、燃料電池１からの熱を蓄熱槽１０に回収できる位置であればよく、蓄熱水ポンプ８は、貯湯ユニット２００に設置されてもよい。
【００２８】
制御器１２は、燃料電池システム内の各機器と信号線により接続されており、各機器からの情報に応じて、水素生成装置２や各種センサ（図示せず）などを含む燃料電池システム全体の動作を制御する。制御器１２は、単独の制御器で集中制御を行うよう構成されてもよく、複数の制御器で分散制御を行うよう構成されてもよい。制御器１２は、制御機能を有すればよく、例えば、マイクロコンピュータ、プロセッサ、論理回路等で構成される。また、制御器１２は、貯湯ユニット２００に設置されても良い。
【００２９】
更に燃料電池１には、直流電力経路１７の一端が接続されている。直流電力経路１７の他端は電力変換装置９に接続される。
【００３０】
更に電力変換装置９には、交流電力経路１８の一端が接続されている。交流電力経路１８の他端は家庭の電化製品などの電力負荷（図示せず）や商用電源に接続される。電力変換装置９では、燃料電池１で発電された直流電力を交流電力に変換して電力負荷に供給する。
【００３１】
以上のように構成された燃料電池システムの発電時の動作（燃料電池システムの運転方法）を、図１から図３を参照しながら説明する。この運転制御は、通常の発電運転時に、制御器１２によって遂行される。
【００３２】
図２および図３は図１の燃料電池システムの運転制御の一例を示すフローチャートである。
【００３３】
制御器１２は負荷追従運転を実施し、電力負荷の需要量を計測する電力負荷計測器（図示せず）で計測された電力負荷需要量が、燃料電池システムの定格出力以上の場合、燃料電池システムを定格出力にて発電運転し、電力負荷に電力を供給する。電力負荷需要量の残りの不足分は、交流電力経路１８に接続された商用電源により賄う。一方、電力負荷需要量が燃料電池システムの定格出力未満の場合、燃料電池システムを電力負荷需要量相当で発電運転し、電力負荷へ電力を供給する。さらに、電力負荷需要量が燃料電池システムの最低発電量未満の場合、燃料電池システムを最低発電量で発電運転し、電力負荷へ電力を供給するとともに、余剰電力消費ヒータ１４により残りの電力（余剰電力）を熱として変換・回収し、熱負荷へ供給する。場合によっては、商用電源に逆潮流することで売電してもよい。
【００３４】
この際、制御器１２は冷却温度センサ１３により計測される冷却媒体温度が、燃料電池１の制御温度である所定の値になるように、蓄熱水ポンプ８を動作させ、蓄熱経路７の蓄熱媒体流量を制御する。
【００３５】
次に冬期、低出力を長時間継続する場合や、蓄熱経路の距離が長い場合など、ある特定
の状況で蓄熱経路の放熱が大きく蓄熱槽入口温度の低下が発生する場合の動作について説明する。この運転制御は、発電運転時に上記の事象が発生した場合に、制御器１２によって遂行される。
【００３６】
前述した通常の発電運転時において制御器１２は、蓄熱温度センサ１１により計測した蓄熱槽入口の蓄熱媒体の温度（つまり、蓄熱槽に蓄えられる蓄熱媒体の温度）が第一の閾値（例えば、５０℃）以下に低下したかどうか判断する（図２ステップＳ１１）。蓄熱槽入口温度が第一の閾値以下に低下した場合、燃料電池システムの最低発電量を所定量（例えば、５０Ｗ）増加させ負荷追従運転を継続する（図２ステップＳ１２）。燃料電池システムにおいて、発電量の変化および発電量の変化による蓄熱槽入口温度の変化は瞬時には起こらないため、以後、所定の時間間隔（例えば３０分）で同様の動作を実施する（図２ステップＳ１３）。
【００３７】
本実施の燃料電池システムの構成およびその動作により、制御器１２は、蓄熱温度センサ１１で計測された蓄熱槽入口温度が第一の閾値以下に低下した場合、最低発電量を増加させるので、例えば蓄熱経路の距離が長い設置形態における冬期の運転において、最低発電量における熱回収量（最低熱回収量）と比較して蓄熱経路の放熱が大きく、蓄熱槽に蓄えられる蓄熱媒体の温度が低下する場合、最低熱回収量が増加して放熱の影響が小さくなり、蓄熱槽入口温度の低下が防止できる。
【００３８】
さらに、燃料電池システムを最低発電量で発電運転した際に、電力負荷へ供給した残りの電力を余剰電力消費ヒータ１４で熱として変換・回収する構成の場合、最低発電量を増加させることにより、余剰電力も増加し、発電量の増加分以上に最低熱回収量が増加する効果がある。このため、より少ない最低発電量の増加で蓄熱槽入口温度の低下を防止することができる。
【００３９】
[変形例１]
本実施の形態１の変形例１において、制御器１２は、最低発電量における発電が第二の所定時間継続したか（例えば、６０分）、さらには、その間の蓄熱温度センサ１１により計測した蓄熱槽入口の蓄熱媒体の温度が第一の閾値よりも高い第二の閾値（例えば、６０℃）以上を継続したかどうか判断する（図３ステップＳ２１）。条件を満足した場合、現在の燃料電池システムの最低発電量が初期設定値（例えば２００Ｗ）であるかどうかを判断する（図３ステップＳ２２）。初期設定値でない場合、最低発電量を所定量（例えば、５０Ｗ）低下させ負荷追従運転を継続する（図３ステップＳ２３）。一方、ステップＳ２１において条件を満足しない場合、蓄熱槽入口の蓄熱媒体の温度が第一の閾値（例えば、５０℃）以上を第一の所定時間（例えば３０分）継続したかどうか判断する（図３ステップＳ２４）。条件を満足する場合、燃料電池システムの最低発電量を所定量（例えば、５０Ｗ）増加させ負荷追従運転を継続する（図３ステップＳ２５）。
【００４０】
本実施の燃料電池システムの構成およびその動作により、制御器１２は、蓄熱温度センサ１１で計測された蓄熱槽入口温度が第一の閾値以下に低下した場合、最低発電量を増加させ、第二の閾値以上を継続した場合、最低発電量を低下させるので、冬期の運転で最低発電量を増加させた後、時間が経過し放熱の影響が小さくなった時間帯の運転において、最低発電量を低下させるため、蓄熱槽入口温度の低下を防止できるとともに、より低い発電量での運転が可能となり、燃料電池システムの省エネ性能を向上することができる。
【００４１】
（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【００４２】
図４に示すように、本実施の形態２の燃料電池システムは、外気温計測手段としての外気温度センサ１９を備える点が実施の形態１の燃料電池システムと相違し、その他の点は実施の形態１の燃料電池システムと同じである。
【００４３】
以上のように構成された燃料電池システムの発電時の動作（燃料電池システムの運転方法）を、図４から図８を参照しながら説明する。この運転制御は、通常の発電運転時に、制御器１２によって遂行される。
【００４４】
図５から図８は図４の燃料電池システムの運転制御の一例を示すフローチャートである。
【００４５】
前述した通常の発電運転時において制御器１２は、外気温度センサ１９により計測した外気温が第三の閾値（例えば、１０℃）以上を第三の所定時間継続したか（例えば、６０分）どうかを判断する（図５ステップＳ３１）。条件を満足した場合、燃料電池システムの最低発電量を初期設定値に変更し負荷追従運転を継続する（図５ステップＳ３２）。一方、ステップＳ３１において条件を満足しない場合、蓄熱槽入口の蓄熱媒体の温度が第一の閾値（例えば、５０℃）以上を第一の所定時間（例えば３０分）継続したかどうか判断する（図５ステップＳ３３）。条件を満足する場合、燃料電池システムの最低発電量を所定量（例えば、５０Ｗ）増加させ負荷追従運転を継続する（図５ステップＳ３４）。
【００４６】
本実施の燃料電池システムの構成およびその動作により、制御器１２は、蓄熱温度センサ１１で計測された蓄熱槽入口温度が第一の閾値以下に低下した場合、最低発電量を増加させ、外気温度センサ１９で計測された外気温度が第三の閾値以上を継続した場合、最低発電量を初期化させるので、冬期の運転で最低発電量を増加させた後、外気温度が上昇し放熱の影響が小さくなった時間帯の運転において、最低発電量を低下させるため、蓄熱槽入口温度の低下を防止できるとともに、より低い発電量での運転が可能となり、燃料電池システムの省エネ性能を向上することができる。
【００４７】
[変形例１]
本実施の形態２の変形例１において、最低発電量を増加させた時点で外気温度センサ１９により計測された外気温度を記憶する記憶装置（図示せず）を制御器１２に備え、最低発電量を増加させた時点から外気温度が所定値以上上昇した場合、最低発電量の設定を初期化するものである。
【００４８】
具体的には、制御器１２は、蓄熱槽入口の蓄熱媒体の温度が第一の閾値（例えば、５０℃）以上を第一の所定時間（例えば３０分）継続したかどうか判断する（図６ステップＳ４３）。条件を満足する場合、燃料電池システムの最低発電量を所定量（例えば、５０Ｗ）増加させ負荷追従運転を継続する（図６ステップＳ４４）。次に、その時点で外気温度センサ１９により計測した外気温Ｔ１を記憶装置に記憶する（図６ステップＳ４５）。外気温度センサ１９により計測した外気温Ｔ４と、記憶した外気温Ｔ１との温度差（＝Ｔ４-Ｔ１）が第四の閾値（例えば、１０℃）以上を第三の所定時間継続したか（例えば、６０分）どうかを判断する（図６ステップＳ４１）。条件を満足した場合、燃料電池システムの最低発電量を初期設定値に変更し負荷追従運転を継続する（図６ステップＳ４２）。一方、ステップＳ４１において条件を満足しない場合、ステップＳ４３へと続く。
【００４９】
本実施の燃料電池システムの構成およびその動作により、制御器１２は、蓄熱温度センサ１１で計測された蓄熱槽入口温度が第一の閾値以下に低下した場合、最低発電量を増加させ、外気温度センサ１９で計測された外気温度が、記憶装置に記憶された最低発電量を低下させた時点での外気温より第四の閾値以上状態が継続した場合、最低発電量を初期化させるので、冬期の運転で最低発電量を増加させた後、外気温度が上昇し放熱の影響が小
さくなった時間帯の運転において、個別の燃料電池システムの設置状態や環境に応じて最低発電量を低下させるため、蓄熱槽入口温度の低下を防止できるとともに、より低い発電量での運転が可能となり、燃料電池システムの省エネ性能をより向上することができる。
【００５０】
[変形例２]
本実施の形態２の変形例２において、最低発電量を増加させた時刻を記憶する記憶装置（図示せず）を制御器１２に備え、最低発電量を増加させた時点から所定時間経過した場合、最低発電量の設定を増加させるものである。
【００５１】
具体的には、制御器１２は、蓄熱槽入口の蓄熱媒体の温度が第一の閾値（例えば、５０℃）以上を第一の所定時間（例えば３０分）継続したかどうか判断する（図７ステップＳ５４）。条件を満足する場合、燃料電池システムの最低発電量を所定量（例えば、５０Ｗ）増加させ負荷追従運転を継続する（図７ステップＳ５５）。次に、その時刻ｔ１を記憶装置に記憶する（図７ステップＳ５６）。最低発電量を増加させてからの発電運転（現在時刻をｔとするとｔ−ｔ１）が第五の所定時間（例えば、１８０分）継続したかどうか判断する（図７ステップＳ５１）。条件を満足した場合、現在の燃料電池システムの最低発電量が初期設定値（例えば２００Ｗ）であるかどうかを判断する（図７ステップＳ５２）。初期設定値でない場合、最低発電量を所定量（例えば、５０Ｗ）低下させ負荷追従運転を継続する（図７ステップＳ５３）。一方、ステップＳ５１において条件を満足しない場合、ステップＳ５４へと続く。
【００５２】
本実施の燃料電池システムの構成およびその動作により、制御器１２は、蓄熱温度センサ１１で計測された蓄熱槽入口温度が第一の閾値以下に低下した場合、最低発電量を増加させ、最低発電量を増加させる運転が第五の所定時間を継続した場合、最低発電量を低下させるので、冬期の運転で最低発電量を増加させた後、時間が経過し放熱の影響が小さくなった時間帯の運転において、最低発電量を低下させるため、蓄熱槽入口温度の低下を防止できるとともに、外気温度センサ１９を有することなくより低い発電量での運転が可能となり、簡潔な構成で燃料電池システムの省エネ性能を向上することができる。
【００５３】
[変形例３]
本実施の形態２の変形例３において、制御器１２は、燃料電池システムが発電運転か否かを判断する（図８ステップＳ６１）。ステップＳ６１において、発電運転の場合、蓄熱温度センサ１１により計測した蓄熱槽入口の蓄熱媒体の温度が第一の閾値（例えば、５０℃）以下に低下したかどうか判断する（図８ステップＳ６２）。蓄熱槽入口温度が第一の閾値以下に低下した場合、燃料電池システムの最低発電量を所定量（例えば、５０Ｗ）増加させ負荷追従運転を継続する（図８ステップＳ６３）。以後、所定の時間間隔（例えば３０分）で同様の動作を実施する（図８ステップＳ６４）。一方、ステップＳ６１において発電運転でない場合、制御器１２は、燃料電池システムの最低発電量を初期設定地に変更し、次回発電運転時に再びステップＳ６１から動作を実施する（図８ステップＳ６５）。
【００５４】
本実施の燃料電池システムの構成およびその動作により、制御器１２は、蓄熱温度センサ１１で計測された蓄熱槽入口温度が第一の閾値以下に低下した場合、最低発電量を増加させた後、次回発電運転時において最低発電量を初期化するので、冬期の運転で最低発電量を増加させた後、簡易的な手段で最低発電量を低下させるため、蓄熱槽入口温度の低下を防止できるとともに、より簡潔な構成で燃料電池システムの省エネ性能を向上することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の燃料電池システムおよびその動作によれば、蓄熱経路の距離が長い設置形態に
おける冬期の運転などにおいて、蓄熱槽入口温度の低下が防止でき、例えば家庭用の燃料電池コージェネレーションシステム等として有用である。
【符号の説明】
【００５６】
１  燃料電池
２  水素生成装置
３  空気供給装置
４  冷却経路
５  冷却水ポンプ
６  熱交換器
７  蓄熱経路
８  蓄熱水ポンプ
９  電力変換装置
１０  蓄熱槽
１１  蓄熱温度センサ
１２  制御器
１３  冷却温度センサ
１４  余剰電力消費ヒータ
１５  酸化剤ガス供給経路
１６  還元剤ガス供給経路
１７  直流電力経路
１８  交流電力経路
１９  外気温度センサ
１００  燃料電池ユニット
２００  貯湯ユニット
【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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