(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、改質用水を供給するための水供給手段と、燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックからの排気ガスを排出するための排気ガス排出流路と、排気ガスの熱を温水として回収するための貯湯装置と、前記燃料電池セルスタックの発電電力の一部を熱として回収するためのヒータ手段と、前記燃料ガス供給手段及び前記水供給手段を制御するための制御手段とを備え、前記制御手段は、電力負荷に追従して前記燃料電池セルスタックの発電電力が変動するように前記燃料ガス供給手段及び前記水供給手段を制御する燃料電池システムであって、
前記制御手段は、発電効率優先モードと総合効率優先モードとの運転を切り換えるための運転モード切換手段を含み、
前記運転モード切換手段により前記発電効率優先モードを設定したときには、前記燃料電池セルスタックの発電出力が第１設定出力と定格出力との間の発電効率優先第１発電範囲では前記燃料電池セルスタックの前記発電出力の増加に伴い燃料ガスの供給流量が増加し、前記燃料電池セルスタックの前記発電出力が前記第１設定出力以下である発電効率優先第２発電範囲では燃料ガスの供給流量を一定に保持した状態で前記燃料電池セルスタックの発電端出力が低下するように制御し、
また、前記運転モード切換手段により前記総合効率優先モードを設定したときには、前記燃料電池セルスタックの前記発電出力が第２設定出力と前記定格出力との間の総合効率優先第１発電範囲では前記燃料電池セルスタックの前記発電出力の増加に伴い燃料ガスの供給流量を増加させ、前記燃料電池セルスタックの前記発電出力が前記第２設定出力以下である総合効率優先第２発電範囲では前記燃料電池セルスタックの前記発電出力を一定に保持するとともに前記燃料電池セルスタックの前記発電出力の一部を前記ヒータ手段に通電して熱として回収して前記貯湯装置で温水として蓄熱するように制御し、
前記総合効率優先モードにおける前記第２設定出力は、前記発電効率優先モードにおける前記第１設定出力よりも大きくなるように設定されているとともに、前記第１設定出力における総合効率は、前記総合効率優先モードの方が前記発電効率優先モードよりも大きいことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料ガス供給手段に関連して、前記改質器に供給される燃料ガスの流量又は圧力を検知するための燃料ガス流量検知手段又は燃料ガス圧力検知手段が設けられ、前記制御手段は、燃料ガスの供給流量又は供給圧力に関する乖離を演算する乖離演算手段を含み、前記発電効率優先モードの運転における前記第２設定出力以下の発電範囲において、前記乖離演算手段は前記燃料電池セルスタックの発電出力に対応する供給目標値と前記燃料ガス流量検知手段又は前記燃料ガス圧力検知手段の供給検知値との乖離値を演算し、前記乖離演算手段による乖離値に基づいてその乖離の程度が大きくなると、前記運転モード切換手段は、前記発電効率優先モードから前記総合効率優先モードの運転に切り換えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記貯湯装置に関連して、前記貯湯装置における蓄熱状態を検知するための蓄熱指数検知手段が設けられ、前記制御手段は、前記蓄熱指数検知手段の検知信号に基づいて蓄熱指数を演算する蓄熱指数演算手段と、前記蓄熱指数演算手段により演算された蓄熱指数値に基づいて前記貯湯装置での蓄熱状態を判定する蓄熱状態判定手段とを含み、前記蓄熱状態判定手段が蓄熱不足と判定すると、前記運転モード切換手段は前記発電効率優先モードから前記総合効率優先モードの運転に切り換え、また前記蓄熱状態判定手段が蓄熱余剰と判定すると、前記運転モード切換手段は前記総合効率優先モードから前記発電効率優先モードの運転に切り換えることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記発電効率優先モードの運転においては、前記蓄熱指数演算手段により演算された前記蓄熱指数に基づいて前記蓄熱状態判定手段が蓄熱不足が発生しているかの判定を行い、前記蓄熱状態判定手段が蓄熱不足と判定すると、前記運転モード切換手段は前記発電効率優先モードから前記総合効率優先モードの運転に切り換え、また前記総合効率優先モードの運転においては、前記蓄熱指数演算手段により演算された前記蓄熱指数に基づいて前記蓄熱状態判定手段が蓄熱余剰が発生しているかの判定を行い、前記蓄熱状態判定手段が蓄熱余剰と判定すると、前記運転モード切換手段は前記総合効率優先モードから前記発電効率優先モードの運転に切り換えることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御手段は、所定運転期間における最大蓄熱指数を抽出する最大蓄熱指数抽出手段を含み、前記発電効率優先モードの運転においては、前記蓄熱状態判定手段は、前記最大蓄熱指数抽出手段により抽出された前記最大蓄熱指数に基づいて設定される熱不足指数値を用いて蓄熱不足が発生しているかの判定を行い、また前記総合効率優先モードの運転においては、前記蓄熱状態判定手段は、前記最大蓄熱指数に基づいて設定される熱余剰指数値を用いて蓄熱余剰が発生しているかの判定を行うことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記貯湯装置は、温水を貯湯する貯湯タンクと、前記排気ガス排出流路に配設された熱回収用熱交換器を通して前記貯湯タンクの温水を循環する貯湯水循環流路とを備え、前記貯湯タンクの底部又は前記貯湯水循環流路における前記熱回収用熱交換器よりも上流側の部位に、貯湯水の温度を検知する温度検知手段が設けられ、更に、前記制御手段は、前記貯湯装置での蓄熱状態を判定する蓄熱状態判定手段を含んでおり、前記発電効率優先モードの運転においては、前記蓄熱状態判定手段は前記温度検知手段の検知温度に基づいて熱不足が発生しているかの判定を行い、前記蓄熱状態判定手段が蓄熱不足と判定すると、前記運転モード切換手段は前記発電効率優先モードから前記総合効率優先モードの運転に切り換え、前記総合効率優先モードの運転においては、前記蓄熱状態判定手段は前記温度検知手段の検知温度に基づいて熱余剰が発生しているかの判定を行い、前記蓄熱状態判定手段が蓄熱余剰と判定すると、前記運転モード切換手段は前記総合効率優先モードから前記発電効率優先モードの運転に切り換えることを特徴とする請求項１又は２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、燃料ガスを燃料として用いて発電を行う燃料電池セルスタックを備え、この燃料電池セルスタックからの排気ガスの排熱を温水として貯湯装置で貯湯するようにした燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムの一例として、固体酸化物形の燃料電池セルスタックを備えたものが実用に供されている。この燃料電池システムにおける燃料電池セルスタックは、酸素イオンを伝導する固体電解質を備え、この固体電解質の片側に燃料極が配設され、その他側に酸素極が配設されている。この燃料電池セルスタックでは、酸素極側での燃料ガス（例えば、水蒸気改質された改質燃料ガス）の酸化と酸素極側での酸化材ガス（例えば、空気中の酸素）の還元による電気化学反応によって発電が行われる。
【０００３】
この固体酸化物形の燃料電池セルスタックでは、固体電解質に導電性を持たせるために、その作動温度は７００〜１０００℃と高温となり、そのために、燃料電池セルスタック、燃料ガス（例えば、都市ガス）を水蒸気改質するための改質器及び改質用水を水蒸気化するための気化器が電池ハウジング内に収容され、この電池ハウジング内が高温状態に保持される。そして、このように高温状態に保つために、燃料電池セルスタックの燃料極側から排出される反応燃料ガス（発電に用いられなかった燃料ガス）とその酸素極側から排出される空気（発電に用いられなかった酸素）とが燃焼域で燃焼され、この燃焼熱により気化器及び改質器が加熱されるとともに、電池ハウジング内が高温状態に保たれる。
【０００４】
また、この燃料電池システムでは、燃料電池セルスタックから排出される燃焼排気ガスの排熱を回収するために貯湯装置が設けられ、この貯湯装置に関連して、燃料電池セルスタックからの排気ガスが流れる排気ガス排出流路に熱回収用熱交換器が配設されている。貯湯装置は、排熱を温水として貯える貯湯タンクと、この貯湯タンク内の貯湯水を熱回収用熱交換器を通して循環するための貯湯水循環流路とを備えている。この熱回収用熱交換器では、排気ガス排出流路を流れる排気ガスと貯湯水循環流路を流れる貯湯水との間で熱交換が行われ、この熱交換により加温された貯湯水が貯湯タンクに貯えられる。
【０００５】
このような燃料電池システムにおいては、発電効率を高めるために、燃料電池セルスタックは、電力負荷（例えば、家庭用の電力需要）に追従して発電するように制御され、この燃料電池セルスタックの発電電力と供給される燃料ガスとの関係は、一般的に、燃料利用率というパラメータをもとに最適となるように調整され、この燃料利用率を用いて燃料電池セルスタックが運転制御される。燃料利用率とは、燃料電池セルスタックのセル部分を通過させた燃料ガスの供給流量を価電子数で表し、その価電子数のなかで発電に変換した電子数の割合である。例えば、燃料利用率７０％とは、供給される燃料ガスの７０％が燃料電池セルスタックにおける発電に消費され、残りの３０％が燃焼域で燃焼されて高温に維持するのに利用される。
【０００６】
この燃料利用率は、燃料電池セルスタックの発電出力（出力電流）が変化する場合、その発電出力（出力電流）に対応した値となるように設定され、このように設定することにより、燃料電池セルスタックの作動温度、気化器の気化温度及び改質器の改質温度などが安定化され、また燃料電池セルスタックの発電効率の最大化を図ることができる。
【０００７】
このような燃料利用率は、燃料電池セルスタックの発電出力との関係をマップ化して用いられ、このマップを用いて燃料電池セルスタックに供給される燃料ガスの供給流量を制御することによって、ターンダウン比（最低出力と定格出力との比）が小さい範囲まで燃料電池セルスタックの発電運転が可能となっている（例えば、特許文献１参照）。この制御では、燃料電池セルスタックの発電電流と燃料利用率との関係は右肩上がりの相関となっており、所定発電出力（例えば、定格の３０％出力）以下では、発電電流と燃料利用率とが原点を通る一次式となるようになっており、この一次式となる範囲では、燃料ガスは所定供給流量に固定され（燃料利用率を定義する際の分母となる燃料流量供給速度が一定となる）、燃料電池セルスタックの発電電流（燃料利用率を定義する際の分子となる発電に使用した価電子）のみが変化しており、このように制御することによって、燃料電池セルスタックにおける発電をターンダウン比の小さい範囲まで広げている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１３−２２９２２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
一般的に、燃料電池システムにおいては、燃料ガスの供給流量は、燃料ガス供給流路に配設された質量流量計（マスフローメータ）により計測され、この質量流量計の計測信号をフィードバックしてその制御が行われている。
【００１０】
しかしながら、このような供給流量の制御では、この供給流量が少ない（即ち、計測値が小さい）ほど計測誤差が生じやすく、燃料ガスの供給目標値（ＳＶ）と質量流量計の検知値（ＰＶ）との乖離が生じたり、その時間的な変動も大きくなるおそれがある。供給目標値（ＳＶ）と検知値（ＰＶ）との乖離が生じて燃料ガスの供給流量の制御が安定しない場合、改質器及び燃料電池セルスタックに供給される燃料ガスのＳ／Ｃ比（スチーム／カーボンの比）が安定せず、このＳ／Ｃ比が許容レベルを超えると、改質器においては炭素析出が生じて閉塞が生じたり、燃料電池セルスタックにおいてはセル破損に至るおそれがある。そのために、このような乖離が生じたときには、燃料ガスの供給に異常が生じたとしてエラーを発するとともに、システムの運転を停止させていた。
【００１１】
本発明の目的は、燃料ガスの供給流量の少ない発電運転中において、この乖離が生じたときに省エネ性を維持しながら供給流量の安定化を図ることができる燃料電池システムを提供することである。
【００１２】
また、本発明の他の目的は、貯湯装置における貯湯状態に応じた効率的な発電を行うことができる燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の請求項１に記載の燃料電池システムは、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、改質用水を供給するための水供給手段と、燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元によって発電を行う燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックからの排気ガスを排出するための排気ガス排出流路と、排気ガスの熱を温水として回収するための貯湯装置と、前記燃料電池セルスタックの発電電力の一部を熱として回収するためのヒータ手段と、前記燃料ガス供給手段及び前記水供給手段を制御するための制御手段とを備え、前記制御手段は、電力負荷に追従して前記燃料電池セルスタックの発電電力が変動するように前記燃料ガス供給手段及び前記水供給手段を制御する燃料電池システムであって、
前記制御手段は、発電効率優先モードと総合効率優先モードとの運転を切り換えるための運転モード切換手段を含み、
前記運転モード切換手段により前記発電効率優先モードを設定したときには、前記燃料電池セルスタックの発電出力が第１設定出力と定格出力との間の発電効率優先第１発電範囲では前記燃料電池セルスタックの前記発電出力の増加に伴い燃料ガスの供給流量が増加し、前記燃料電池セルスタックの前記発電出力が前記第１設定出力以下である発電効率優先第２発電範囲では燃料ガスの供給流量を一定に保持した状態で前記燃料電池セルスタックの発電出力が低下するように制御し、
また、前記運転モード切換手段により前記総合効率優先モードを設定したときには、前記燃料電池セルスタックの前記発電出力が第２設定出力と前記定格出力との間の総合効率優先第１発電範囲では前記燃料電池セルスタックの前記発電出力の増加に伴い燃料ガスの供給流量を増加させ、前記燃料電池セルスタックの前記発電出力が前記第２設定出力以下である総合効率優先第２発電範囲では前記燃料電池セルスタックの前記発電出力を一定に保持するとともに前記燃料電池セルスタックの前記発電出力の一部を前記ヒータ手段に通電して熱として回収して前記貯湯装置で温水として蓄熱するように制御し、
前記総合効率優先モードにおける前記第２設定出力は、前記発電効率優先モードにおける前記第１設定出力よりも大きくなるように設定されているとともに、前記第１設定出力における総合効率は、前記総合効率優先モードの方が前記発電効率優先モードよりも大きいことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の請求項２に記載の燃料電池システムでは、前記燃料ガス供給手段に関連して、前記改質器に供給される燃料ガスの流量又は圧力を検知するための燃料ガス流量検知手段又は燃料ガス圧力検知手段が設けられ、前記制御手段は、燃料ガスの供給流量又は供給圧力に関する乖離を演算する乖離演算手段を含み、前記発電効率優先モードの運転における前記第２設定出力以下の発電範囲において、前記乖離演算手段は前記燃料電池セルスタックの発電出力に対応する供給目標値と前記燃料ガス流量検知手段又は前記燃料ガス圧力検知手段の供給検知値との乖離値を演算し、前記乖離演算手段による乖離値に基づいてその乖離の程度が大きくなると、前記運転モード切換手段は、前記発電効率優先モードから前記総合効率優先モードの運転に切り換えることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の請求項３に記載の燃料電池システムでは、前記貯湯装置に関連して、前記貯湯装置における蓄熱状態を検知するための蓄熱指数検知手段が設けられ、前記制御手段は、前記蓄熱指数検知手段の検知信号に基づいて蓄熱指数を演算する蓄熱指数演算手段と、前記蓄熱指数演算手段により演算された蓄熱指数値に基づいて前記貯湯装置での蓄熱状態を判定する蓄熱状態判定手段とを含み、前記蓄熱状態判定手段が蓄熱不足と判定すると、前記運転モード切換手段は前記発電効率優先モードから前記総合効率優先モードの運転に切り換え、また前記蓄熱状態判定手段が蓄熱余剰と判定すると、前記運転モード切換手段は前記総合効率優先モードから前記発電効率優先モードの運転に切り換えることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の請求項４に記載の燃料電池システムでは、前記発電効率優先モードの運転においては、前記蓄熱指数演算手段により演算された前記蓄熱指数に基づいて前記蓄熱状態判定手段が蓄熱不足が発生しているかの判定を行い、前記蓄熱状態判定手段が蓄熱不足と判定すると、前記運転モード切換手段は前記発電効率優先モードから前記総合効率優先モードの運転に切り換え、また前記総合効率優先モードの運転においては、前記蓄熱指数演算手段により演算された前記蓄熱指数に基づいて前記蓄熱状態判定手段が蓄熱余剰が発生しているかの判定を行い、前記蓄熱状態判定手段が蓄熱余剰と判定すると、前記運転モード切換手段は前記総合効率優先モードから前記発電効率優先モードの運転に切り換えることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の請求項５に記載の燃料電池システムでは、前記制御手段は、所定運転期間における最大蓄熱指数を抽出する最大蓄熱指数抽出手段を含み、前記発電効率優先モードの運転においては、前記蓄熱状態判定手段は、前記最大蓄熱指数抽出手段により抽出された前記最大蓄熱指数に基づいて設定される熱不足指数値を用いて蓄熱不足が発生しているかの判定を行い、また前記総合効率優先モードの運転においては、前記蓄熱状態判定手段は、前記最大蓄熱指数に基づいて設定される熱余剰指数値を用いて蓄熱余剰が発生しているかの判定を行うことを特徴とする。
【００１８】
更に、本発明の請求項６に記載の燃料電池システムでは、前記貯湯装置は、温水を貯湯する貯湯タンクと、前記排気ガス排出流路に配設された熱回収用熱交換器を通して前記貯湯タンクの温水を循環する貯湯水循環流路とを備え、前記貯湯タンクの底部又は前記貯湯水循環流路における前記熱回収用熱交換器よりも上流側の部位に、貯湯水の温度を検知する温度検知手段が設けられ、更に、前記制御手段は、前記貯湯装置での蓄熱状態を判定する蓄熱状態判定手段を含んでおり、前記発電効率優先モードの運転においては、前記蓄熱状態判定手段は前記温度検知手段の検知温度に基づいて熱不足が発生しているかの判定を行い、前記蓄熱状態判定手段が蓄熱不足と判定すると、前記運転モード切換手段は前記発電効率優先モードから前記総合効率優先モードの運転に切り換え、前記総合効率優先モードの運転においては、前記蓄熱状態判定手段は前記温度検知手段の検知温度に基づいて熱余剰が発生しているかの判定を行い、前記蓄熱状態判定手段が蓄熱余剰と判定すると、前記運転モード切換手段は前記総合効率優先モードから前記発電効率優先モードの運転に切り換えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の請求項１に記載の燃料電池システムによれば、システムを制御する制御手段は運転モード切換手段を含み、この運転モード切換手段により発電効率優先モードと総合効率優先モードの運転に切り換えることができる。発電効率優先モードの運転においては、発電効率優先第１発電範囲では燃料電池セルスタックの発電出力の増加に伴い燃料ガスの供給流量が増加し、発電効率優先第２発電範囲では燃料ガスの供給流量を一定に保持した状態で燃料電池セルスタックの発電出力が低下するように制御されるので、燃料電池セルスタックの発電効率を高めた運転を行うことができる。また、総合効率優先モードの運転においては、総合効率優先第１発電範囲では燃料電池セルスタックの発電出力の増加に伴い燃料ガスの供給流量を増加させ、総合効率優先第２発電範囲では燃料電池セルスタックの発電出力を一定に保持するとともに燃料電池セルスタックの発電出力の一部（即ち、余剰発電電力）をヒータ手段に通電して熱として回収して温水として蓄熱するので、燃料ガスの供給状態を安定させながら燃料電池システムの総合効率を高めた運転をすることができる。
【００２０】
また、総合効率優先モードにおける第２設定出力は、発電効率優先モードにおける第１設定出力よりも大きくなるように設定されているので、燃料ガス供給手段からの燃料ガスの供給が少なくて不安定になるときには、発電効率優先モードから総合効率優先モードの運転に切り換えることによって、システムの総合効率を維持しながら燃料ガスの供給を安定させることができる。また、第１設定出力における総合効率は、総合効率優先モードの方が発電効率優先モードよりも大きいので、貯湯装置の蓄熱状態が熱不足のときには、発電効率優先モードから総合効率優先モードの運転に切り換えることによって、この熱不足を解消することができ、またその蓄熱状態が熱余剰のときには、総合効率優先モードから発電効率優先モードに切り換えることによって、この熱余剰を解消することができる。
【００２１】
また、本発明の請求項２に記載の燃料電池システムによれば、改質器に供給される燃料ガスの供給流量（又は供給圧力）を検知するための燃料ガス流量検知手段（又は燃料ガス圧力検知手段）が設けられ、発電効率優先モードの運転における第２設定出力以下の発電範囲において、燃料電池セルスタックの発電出力に対応する供給目標値と燃料ガス流量検知手段（又は燃料ガス圧力検知手段）の供給検知値との乖離の程度が大きくなると、発電効率優先モードから総合効率優先モードの運転に切り換えられるので、システムの総合効率を維持しながら燃料ガスの供給を安定させることができる。
【００２２】
また、本発明の請求項３に記載の燃料電池システムによれば、貯湯装置における蓄熱状態を検知するための蓄熱指数検知手段が設けられ、この蓄熱指数検知手段の検知信号に基づく蓄熱指数を用いて蓄熱状態判定手段が蓄熱不足と判定すると、発電効率優先モードから総合効率優先モードの運転に切り換えられるので、貯湯装置における蓄熱不足を解消することができる。また、この蓄熱指数を用いて蓄熱状態判定手段が蓄熱余剰と判定すると、総合効率優先モードから発電効率優先モードの運転に切り換えられるので、貯湯装置における蓄熱余剰を解消することができる。
【００２３】
また、本発明の請求項４に記載の燃料電池システムによれば、発電効率優先モードの運転においては、蓄熱状態判定手段が蓄熱不足を生じているかの判定を行い、また総合効率優先モードの運転においては、蓄熱状態判定手段が蓄熱余剰を生じているかの判定を行うので、比較的簡単な制御でもって蓄熱不足、蓄熱余剰の解消を図ることができる。
【００２４】
また、本発明の請求項５に記載の燃料電池システムによれば、発電効率優先モードの運転においては、蓄熱状態判定手段は、最大蓄熱指数に基づいて設定される熱不足指数値を用いて蓄熱不足が発生しているかの判定を行うので、蓄熱不足状態の発生を比較的簡単に且つ正確に判定することができる。また、総合効率優先モードの運転においては、蓄熱状態判定手段は、最大蓄熱指数に基づいて設定される熱余剰指数値を用いて蓄熱余剰が発生しているかの判定を行うので、蓄熱余剰状態の発生を比較的簡単に且つ正確に判定することができる。
【００２５】
更に、本発明の請求項６に記載の燃料電池システムによれば、貯湯装置における貯湯タンクの底部（又は貯湯水循環流路の熱回収用熱交換器よりも上流側の部位）に温度検知手段が設けられ、蓄熱状態判定手段は、この温度検知手段の検知温度に基づいて熱余剰が発生しているか、また熱不足が発生しているかの判定を行うので、簡単な構成でもって蓄熱余剰及び蓄熱不足の判定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に従う燃料電池システムの第１の実施形態を簡略的に示す全体図。
【図２】図１の固体酸化物形燃料電池システムにおける制御系を示すブロック図。
【図３】発電効率優先モードにおける燃料電池セルスタックの発電出力と燃料ガス流量及び燃料利用率との関係を示す図。
【図４】発電効率優先モードにおける燃料電池セルスタックのＡＣ発電出力と燃料電池セルスタックの発電端出力及びＤＣ／ＡＣ変換損失との関係を示す図。
【図５】発電効率優先モードにおける燃料電池セルスタックのＡＣ発電出力と総合効率、送電端効率及び排熱回収効率との関係を示す図。
【図６】総合効率優先モードにおける燃料電池セルスタックの発電出力と燃料ガス流量及び燃料利用率との関係を示す図。
【図７】総合効率優先モードにおける燃料電池セルスタックのＡＣ発電出力と燃料電池セルスタックの発電端出力及びＤＣ／ＡＣ変換損失との関係を示す図。
【図８】総合効率優先モードにおける燃料電池セルスタックのＡＣ発電出力と総合効率、送電端効率及び排熱回収効率との関係を示す図。
【図９】図２の制御系による燃料電池システムの制御の流れを示すフローチャート。
【図１０】本発明に従う燃料電池システムの第２の実施形態を簡略的に示す全体図。
【図１１】図１０に示す燃料電池システムの制御系を簡略的に示すブロック図。
【図１２】図１１の制御系による燃料電池システムの制御の流れを示すフローチャート。
【図１３】本発明に従う燃料電池システムの第３の実施形態の制御系を簡略的に示すブロック図。
【図１４】図１３の制御系による燃料電池システムの制御の流れを示すフローチャート。
【図１５】本発明に従う燃料電池システムの第４の実施形態における発電効率優先モードの制御の流れを示すフローチャート。
【図１６】燃料電池システムの第４の実施形態における総合効率優先モードの制御の流れを示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、添付図面を参照して、本発明に従う燃料電池システムの各種の実施形態について説明する。まず、図１〜図９を参照して、第１の実施形態の燃料電池システムについて説明する。
【００２８】
図１において、図示の燃料電池システム２は、燃料ガス（例えば、都市ガス、ＬＰガスなど）を消費して発電を行うものであり、燃料ガスを改質するための改質器４と、改質器４にて改質された燃料ガス（改質燃料ガス）及び酸化材としての空気の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物形の燃料電池セルスタック６と、を備えている。
【００２９】
燃料電池セルスタック６は、例えば、電気化学反応によって発電を行うための複数の固体酸化物形の燃料電池セルを集電部材を介して積層して構成されており、図示していないが、酸素イオンを伝導する固体電解質と、この固体電解質の片側に設けられた燃料極と、固体電解質の他側に設けられた酸素極（空気極）とを備え、固体電解質として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。
【００３０】
燃料電池セルスタック６の燃料極の導入側は、改質燃料ガス送給流路８を介して改質器４に接続され、この改質器４は、ガス・水蒸気送給流路１０を介して気化器１２に接続されている。気化器１２は、燃料ガス供給流路１４を介して燃料ガスを供給するための燃料ガス供給源１６（例えば、埋設管や貯蔵タンクなど）に接続されている。また、この気化器１２は、水供給流路１８を介して改質水タンク２０に接続されている。
【００３１】
改質器４には改質触媒が収容され、改質触媒として例えばアルミナにルテニウムを担持させたものが用いられ、この改質触媒によって燃料ガス供給流路１４を通して供給される燃料ガスが水蒸気改質される。尚、この実施形態では、改質器４と気化器１２とを別体に構成しているが、これらを一体的に構成するようにしてもよい。また、この実施形態では、燃料ガス供給手段からの燃料ガスを気化器１２に送給しているが、この気化器１２に代えて、改質器４に直接的に送給するようにしてもよい。
【００３２】
燃料ガス供給流路１４には、脱硫器２２、バッファタンク２４、燃料ガスポンプ２６、燃料ガス流量センサ２８（燃料ガス流量検知手段を構成する）及び遮断弁３０が配設されている。脱硫器２２は、燃料ガスに含まれる硫黄成分（付臭剤中の硫黄成分）を除去し、バッファタンク２４では、燃料ガス供給流路１４を流れる燃料ガスの圧力の変動が緩和され、またその流量の制御が安定化される。燃料ガスポンプ２６は、燃料ガス供給流路１４を流れる燃料ガスの供給流量を制御し、燃料ガス供給源１６からの燃料ガスを気化器１２に送給する。また、燃料ガス流量センサ２８は、燃料ガス供給流路１４を通して送給される燃料ガスの流量を測定し、遮断弁３０は、閉状態になると燃料ガス供給流路１４を遮断して燃料ガスの供給を停止する。この実施形態では、燃料ガス供給源１６、燃料ガス供給流路１４及び燃料ガスポンプ２６が燃料ガス供給手段を構成し、燃料ガスポンプ２６の回転数が大きくなる（又は小さくなる）と、燃料ガス供給手段からの燃料ガスの供給流量が増大（又は減少）する。
【００３３】
更に、水供給流路１８には水ポンプ３２が配設され、この水ポンプ３２の作用によって、改質水タンク２０内の水（回収水）が水供給流路１８を通して気化器１２に供給される。この実施形態では、改質水タンク２０、水供給流路１８及び水ポンプ３２が水供給手段を構成し、水ポンプ３２の回転数が大きくなる（又は小さくなる）と、水供給手段からの改質用水の供給流量が増大（又は減少）する。
【００３４】
この燃料電池セルスタック６の酸素極（空気極）の導入側は、空気供給流路３４を介して送風手段としての送風ブロア３６に接続され、この空気供給流路３４に空気流量センサ３８が配設されている。送風ブロア３６は、酸化材としての空気を空気供給流路３４を通して燃料電池セルスタック６の空気極側に供給し、空気流量センサ３８は、空気供給流路３４を流れる空気の流量を計測する。尚、この実施形態では、送風ブロア３６及び空気供給流路３４が発電用の空気を供給するための空気供給手段（酸化材供給手段）を構成し、送風ブロア３６の回転数が大きくなる（又は小さくなる）と、空気供給手段からの改質用水の供給流量が増大（又は減少）する。
【００３５】
燃料電池セルスタック６の燃料極及び空気極の排出側には燃焼域４０が設けられ、燃料電池セルスタック６の燃料極側から排出される反応燃料ガス（余剰の燃料ガスを含んでいる）と空気極側から排出される空気（酸素を含んでいる）とがこの燃焼域４０にて燃焼され、この燃料ガスの燃焼熱を利用して気化器１２及び改質器４が加熱される。排気ガス（燃焼排気ガス）は排気ガス排出流路４２を通して大気に排出され、この排気ガスを利用して空気供給流路３４を通して燃料電池セルスタック６の空気極側に供給される空気を加温するようにしてもよい。
【００３６】
この実施形態では、排気ガスの熱が温水として貯えられるように貯湯装置４４が設けられているとともに、排気ガスに含まれる水分を回収して改質水と利用するように凝縮水回収手段４６が設けられている。更に説明すると、排気ガス排出流路４０には熱回収用熱交換器４８が配設され、この熱回収用熱交換器４８に関連して貯湯装置４４及び凝縮水回収手段４６が設けられている。
【００３７】
図示の貯湯装置４４は、温水を貯める貯湯タンク５０と、貯湯タンク５０の貯湯水（温度が低いと水であるが、温度が高くなると温水となる）を熱回収用熱交換器４８を通して循環させるための貯湯水循環流路５２とを備え、この貯湯水循環流路５２には、貯湯タンク５０内の貯湯水を貯湯水循環流路５２を通して循環させる貯湯水循環ポンプ５４が配設されている。
【００３８】
また、図示の凝縮水回収手段４６は、熱回収用熱交換器４８から改質水タンク２０に延びる凝縮水回収流路５６を備え、この凝縮水回収流路５６に水精製器５８が配設されている。このように構成されているので、熱回収用熱交換器４８による熱交換により排気ガスが冷やされ、これによって、排気ガスに含まれた水分が凝縮されて回収され、回収された凝縮水は水精製器５８により純水に精製された後に改質水タンク２０に貯えられる。
【００３９】
次に、貯湯装置４４及びそれに関連する構成について更に説明すると、貯湯装置４４の貯湯水循環ポンプ５４は貯湯水循環流路５２の上流側部６０に配設され、この上流側部６０の一端側が貯湯タンク５０の底部に接続され、その他端側が熱回収用熱交換器４８の流入側に接続されている。また、貯湯水循環流路５０の下流側部６２の一端側は熱回収用熱交換器４８の流出側に接続され、その他端側が貯湯タンク５０の上部に接続されている。
【００４０】
この貯湯水循環流路５２の下流側部６２には、更に、貯湯タンク５０に送給する貯湯水（熱回収用熱交換器４８にて加温された温水）を加熱するためのヒータ手段６４が配設されている。ヒータ手段６４は、例えば電気加熱ヒータ６４から構成され、後述するように、燃料電池セルスタック６の発電電力のうちの余剰発電電力（発電電力から電力負荷などで消費される消費電力を除いた後の余剰の電力）を用いて作動される。このヒータ手段６４は、貯湯水循環流路５２の下流側部６２の適宜の部位に配設されるが、これに代えて、貯湯タンク５０内の上部に配設するようにしてもよい。
【００４１】
この貯湯装置４４では、更に、貯湯タンク５０の底部に水流入流路７０が接続され、この水流入流路７０は、水道管などの水供給源７２に接続され、水供給源７２からの水が水流入流路７０を通して貯湯タンク５０に補給される。また、貯湯タンク５０の上部には出湯流路７４が接続され、貯湯タンク５０内に貯えられた温水（貯湯水）が出湯流路７４を通して出湯される。また、燃料電池セルスタック６の発電出力端には、発電電力を検知するための発電端出力検知センサ７６（発電端出力検知手段を構成する）（図２参照）が配設され、この発電端出力検知センサ７６は、燃料電池セルスタック６の直流の発電出力をインバータ手段（図示せず）により交流に変換した後の発電出力（ＡＣ発電出力）、即ち発電端出力を検知する。
【００４２】
次に、この燃料電池システム２の発電運転について概説する。燃料ガス供給源１６からの燃料ガスは、燃料ガスポンプ２６の作用によって燃料ガス供給流路１４を通して流れ、脱硫器２２にて脱硫された後に気化器１２に送給される。また、気化器１２には、水ポンプ３２の作用によって改質水タンク２０からの水（純水）が水供給流路１８を通して供給され、気化器１２にて気化されて水蒸気となり、発生した水蒸気及び燃料ガスがガス・水蒸気送給流路１０を通して改質器４に送給される。
【００４３】
改質器４においては、ガス・水蒸気送給流路１０を通して送給された水蒸気により燃料ガスが水蒸気改質され、水蒸気改質された改質燃料ガスが改質燃料ガス送給流路８を通して燃料電池セルスタック６の燃料極側に送給される。また、燃料電池セルスタック６の空気極側には、送風ブロア３６からの空気が空気供給流路３２を通して送給される。
【００４４】
燃料電池セルスタック６においては、燃料極側を流れる改質燃料ガス及び空気極側を流れる空気（空気中の酸素）の酸化及び還元によって発電が行われ、発電により得られた直流電力は、インバータ（図示せず）により交流電力に変換された後に、電力負荷（図示せず）に送給される。
【００４５】
燃料電池セルスタック６の燃料極側から燃焼域４０に反応燃料ガス（余剰の燃料ガスを含んでいる）が排出されるともに、その空気極側から燃焼域４０に空気（酸素を含んでいる）が排出され、この燃焼域４０にて反応燃料ガスが燃焼され、燃焼域４０からの燃焼排気ガスが排気ガス排出流路４２を通して大気に排出される。
【００４６】
排気ガス（燃焼排気ガス）が熱回収用熱交換器４８を流れる際に、貯湯装置４４の貯湯水循環流路５２を流れる貯湯水との間で熱交換が行われる。この熱交換により加温された貯湯水は、貯湯水循環流路５０の下流側部６２を通して貯湯タンク５０に貯湯され、ヒータ手段６４が作動するときはこのヒータ手段６４により更に加温された後に貯湯される。また、熱回収用熱交換器４６における熱交換により排気ガスに含まれる水分が凝縮され、この凝縮水が凝縮水回収流路５６を通り、水精製器５８により精製された後に改質水タンク２０に貯まる。
【００４７】
この燃料電池システム２は、図２に示す制御系により運転制御され、燃料電池セルスタック６の発電効率を優先して発電運転する発電効率優先モードと燃料電池システム２の総合効率を優先して発電運転する総合効率優先モードとを切り換えて運転できるように構成されている。主として図２を参照して、この燃料電池システム２は、更に、システムを運転制御するためのコントローラ８０（制御手段を構成する）を備え、このコントローラ８０はマイクロプロセッサなどから構成される。
【００４８】
図示の形態では、コントローラ８０は、発電出力演算手段８１、燃料ガス流量偏差演算手段８２（乖離演算手段を構成する）、運転モード切換手段８４、作動制御手段８６、運転タイマ８８、積算タイマ９０及びメモリ手段９２を備えている。発電出力演算手段８１は、発電端出力検知センサ７６の検知電力に基づいて燃料電池セルスタック６の発電出力を後述する如く演算する。この実施形態では、燃料ガスの供給目標値に対する乖離の程度をその偏差値を用いて行っている。即ち、乖離演算手段としての燃料ガス流量偏差演算手段は８２は、燃料電池セルスタック６の発電出力に対応する供給目標値（ＳＶ）と燃料ガス流量センサ２８（燃料ガス流量検知手段）の供給検知値（ＰＶ）との偏差〔（ＳＶ−ＰＶ）／ＳＶ〕を演算する。
【００４９】
また、運転モード切換手段８４は、後述するように発電効率優先モードの運転においてこの乖離の程度が大きくなると発電効率優先モードから総合効率優先モードの運転に切り換える。作動制御手段８６は、発電効率優先モード及び総合効率優先モードの運転において燃料ガスポンプ２６、水ポンプ３２、送風ブロア３６、貯湯水循環ポンプ５４及びヒータ手段６４を所要の通りに作動制御する。更に、運転タイマ８８は、設定される所定時間を計時し、積算タイマ９０は、発電効率優先モードの運転において燃料ガスの供給流量の偏差が大きくなったときにその時間を積算する。
【００５０】
また、メモリ手段９２には、システムの運転制御に用いる各種データ、即ち燃料ガスの供給流量に乖離が生じているかの基準となる所定流量偏差値（例えば、３〜５％程度に設定される）、燃料ガスの供給流量の乖離の程度が大きくなったかの基準となる所定積算値（例えば、１〜１０分程度に設定される）及び燃料ガスの供給流量に乖離が生じているかを判定するための基準となる所定運転時間（例えば、１〜３時間程度に設定される）が登録されている。更に、このメモリ手段９２には、システムを発電効率優先モードでもって運転するための発電効率優先モード運転マップ及び総合効率優先モードでもって運転するための総合効率優先モード運転マップが登録されている。
【００５１】
ここで、図３〜図６を参照して、発電効率優先モードの運転について説明する。発電効率優先モードの運転においては、燃料ガスの供給流量（供給流量を定格時の供給流量との比、即ち定格比で示している）は、燃料電池セルスタック６の発電出力（出力を定格比で示している）に対応して図３に実線で示すように制御され、第１設定出力を基準に、この第１設定出力から定格までの発電効率優先第１発電範囲においては、燃料電池セルスタック６の発電出力の増加に伴い燃料ガスの供給流量も増加し、またこの第１設定出力以下である発電効率優先第２発電範囲においては、燃料ガスの供給流量が一定に保持され、このときの燃料利用率は、図３に破線で示すように、発電出力と燃料利用率とはほぼ比例関係となるように制御される。
【００５２】
この第１設定出力は、定格出力の２０〜４０％の適宜の出力値、例えば２５％程度に設定することができ、この場合、定格出力が例えば７００Ｗ（燃料電池セルスタック６の発電出力：約７８０Ｗ）の燃料電池システムであると、この第１設定出力は例えば約１９５Ｗとなり、燃料電池セルスタックの発電出力が１９５〜７８０Ｗの範囲が発電効率優先第１発電範囲となり、この発電出力が１９５Ｗ以下である範囲が発電効率優先第２発電範囲となる。
【００５３】
この図３及び図４に示すデータは、発電効率優先モードの運転マップの一部となり、コントローラ８０のメモリ手段９２に登録される。尚、燃料ガスの供給流量をこのように変動させたときには、酸化材としての空気の供給流量及び改質用水の供給流量も所要の通りに制御される。
【００５４】
このような発電効率優先モードの運転においては、燃料電池システム２の発電出力（定格比）と燃料電池セルスタック６の発電出力とは、図４に実線で示す関係となり、燃料電池システムの発電出力（即ち、インバータ手段により直流電力から交流電力に変換する過程での損失や、各種ポンプ、ヒータなどの補機の消費電力を合算した全補機損失を差し引いた、ＡＣ発電出力）は、
ＡＣ発電出力＝（燃料電池セルスタックの発電出力）−（全変換損失）
となり、この明細書全体を通して、燃料電池セルスタック６からの直流電力の発電電力を「燃料電池セルスタックの発電出力」と表現し、燃料電池セルスタック６からの直流電力をインバータ手段により交流電力に変換し、補機損失を減じた後の送電端に供給される出力電力を「燃料電池システムの発電電力」と表現している。
【００５５】
そして、この発電効率優先モードにおける総合効率（燃料電池システム２全体の効率）、送電端効率（燃料電池システム２の発電電力の効率）及び排熱回収効率（貯湯装置で排熱を温水として回収した効率）は、図５に示す通りとなり、この総合効率は、（送電端効率）＋（排熱回収効率）として定義される。
【００５６】
この発電効率優先モードの運転においては、発電効率優先第１発電範囲（例えば、定格比で２５〜１００％の範囲）では燃料電池セルスタック６の発電出力は電力負荷に追従するように制御され、燃料ガスの供給流量もこの発電出力に対応して変動するように制御される一方、発電効率優先第２発電範囲（例えば、定格比で２５％以下の範囲）では燃料電池の発電出力は電力負荷に追従して変動するが、燃料ガスの供給流量は一定となるように制御される。尚、このときの余剰の燃料ガスは燃焼域４０で燃焼され、その燃焼熱でもって、燃料電池セルスタック６を作動温度に、気化器１２を気化温度に、また改質器４を改質温度に維持するために用いられる。
【００５７】
次に、図６〜図８を参照して、総合効率優先モードの運転について説明する。総合効率優先モードの運転においては、燃料ガスの供給流量（供給流量を定格時の供給流量との比、即ち定格比で示している）は、燃料電池セルスタック６の発電出力（出力を定格比で示している）に対応して図６に実線で示すように制御され、第２設定出力を基準に、この第２設定出力から定格までの総合効率優先第１発電範囲においては、燃料電池セルスタック６の発電出力の増加に伴い燃料ガスの供給流量も増加し、またこの第２設定出力以下である発電効率優先第２発電範囲においては、燃料ガスの供給流量が一定に保持され、このとき、燃料利用率は、図６に破線で示すように制御され、総合効率優先モードにおいても燃料電池セルスタック６の発電出力と燃料利用率とはほぼ比例関係になるように制御される。
【００５８】
この第２設定出力は、定格出力の４０〜７０％の適宜の出力値、例えば５０％程度に設定することができ、この場合、定格出力が例えば７００Ｗ（燃料電池セルスタック６の発電出力：約７８０Ｗ）の燃料電池システムであると、この第２設定出力は例えば約３９０Ｗとなり、燃料電池セルスタック６の発電出力が３９０〜７８０Ｗの範囲が発電効率優先第１発電範囲となり、この発電出力が３９０Ｗ以下である範囲が発電効率優先第２発電範囲となる。
【００５９】
この図６に示すデータは、総合効率優先モードの運転マップの一部となり、コントローラ８０のメモリ手段９２に登録される。尚、燃料ガスの供給流量をこのように変動させたときには、酸化材としての空気の供給流量及び改質用水の供給流量も所要の通りに制御される。
【００６０】
このような総合効率優先モードの運転においては、燃料電池システム２の発電出力（定格比）と燃料電池セルスタック６の発電出力とは、図７に実線で示す関係となり、図７では、図４と同様に定格出力が７００Ｗである場合を示している。総合効率優先モードの運転においては、図７から理解される如く、総合効率優先第２発電範囲においては、燃料ガスの供給流量が一定に保持される故に、燃料電池セルスタック６は電力負荷よりも多く発電するようになり、この発電電力の一部、即ち余剰発電電力がヒータ手段６４で消費される。そして、このヒータ手段６４で消費した電力が熱として貯えられ、温水として貯湯タンク５０に蓄熱される。尚、図７において、総合効率優先第２発電範囲において全補機損失が大きな値となっているが、これはヒータ手段６４で消費される余剰発電電力が全補機損失に含まれているためである。
【００６１】
この総合効率優先モードにおける総合効率、送電端効率及び排熱回収効率は、図８に示す通りとなる。この総合効率優先モードの運転においては、総合効率優先第１発電範囲（例えば、定格比で５０〜１００％の範囲）では燃料電池セルスタック６の発電出力は電力負荷に追従するように制御され、燃料ガスの供給流量もこの発電出力に対応して変動するように制御される一方、発電効率優先第２発電範囲（例えば、定格比で５０％以下の範囲）では燃料電池の発電出力は電力負荷に追従して変動するが、燃料ガスの供給流量は一定となるように制御される。尚、このときの余剰の燃料ガスの一部は、燃焼域４０で燃焼され、その燃焼熱でもって、燃料電池セルスタック６を作動温度に、気化器１２を気化温度に、また改質器４を改質温度に維持するために用いられるとともに、この燃料ガスの残部は燃料電池セルスタック６での発電に用いられ、発電により生じた余剰発電電力がヒータ手段６４で消費される。
【００６２】
発電効率優先モードと総合効率優先モードとに切り換えて運転するときには、次のように構成することが重要である。第１に、総合効率優先モードにおける第２設定出力（例えば、定格の５０％出力）が発電効率優先モードにおける第１設定出力（例えば、定格の２５％出力）よりも大きくなるように設定することである。燃料ガスの供給流量が少なくなると、燃料ガスの供給目標値（ＳＶ）（燃料電池セルスタック６の発電出力に対応する供給流量）と燃料ガス流量センサ２８の供給検知値（ＰＶ）との乖離が生じて燃料ガスの供給が安定しなくなるおそれがあるが、この供給流量を増やすことによりこの乖離を少なくなくして燃料ガスの供給を安定させることができる。従って、上述のような燃料ガスの供給不安定が生じると、発電効率優先モードから総合効率優先モードに切り換えることにより、燃料ガスの供給不安定を解消することができる。
【００６３】
第２に、この第１設定出力（例えば、定格の２５％出力）におけるシステムの総合効率に関し、総合効率優先モードにおける第１設定出力の総合効率が発電効率優先モードにおける第１設定出力の総合効率よりも大きくなっていることである。この第１設定出力の総合効率に関し、図５と図８とを対比することによって理解される如く、総合効率優先モードにおける総合効率が発電効率優先モードにおける総合効率よりも大きいということは、それらのモードにおいては上述したように制御されることから、第１設定出力以下の発電出力範囲において総合効率優先モードの方が発電効率優先モードの方よりも総合効率が高くなるということであり、またこのように総合効率を高く維持できるということは、燃料電池セルスタック６の発電電力を電力負荷よりも大きくし、これにより生じた余剰発電電力をヒータ手段６４で消費して温水として蓄熱するためである。このようなことから、貯湯装置４４（貯湯タンク５０）で蓄熱不足が発生した場合、発電効率優先モードから総合効率優先モードに切り換えることにより蓄熱不足を解消することができ、またこの貯湯装置４４で蓄熱余剰が発生した場合、総合効率優先モードから発電効率優先モードに切り換えることにより蓄熱余剰を解消することができる。
【００６４】
次に、図１及び図２とともに図９を参照して、上述した燃料電池システム２の運転制御について説明する。この運転制御においては、主として燃料ガスの供給不安定を解消するための制御となっている。燃料電池システム２を稼働すると、発電効率優先モードが設定され（ステップＳ１）、運転タイマ８８が計時を開始し（ステップＳ２）、燃料電池システム２の発電効率優先モードの運転が行われ（ステップＳ３）、この運転は発電効率優先モードの運転マップ（図３に示すマップデータ）を用いて行われる。
【００６５】
この発電効率優先モードの運転中は、発電端出力（即ち、ＡＣ発電出力）に相当する電力を供給するために、図４に示すような相関となるように、システムの電力に応じた燃料電池セルスタック６の発電出力が出力される。
【００６６】
そして、この発電出力が第２設定出力（例えば、約３９０Ｗ）を超えているときには、燃料ガスが安定して供給されているとしてステップＳ４からステップＳ５に進み、運転タイマ８８が設定運転時間（例えば、２秒程度に設定される）を計時した後にステップＳ４に戻り、再び上述した発電出力の検知判定が行われる。
【００６７】
ステップＳ４における発電出力の判定において、燃料電池セルスタック６の発電出力が第２設定出力以下であると、ステップＳ４からステップＳ６に移り、燃料ガスの供給流量が少ない状態であるので、その供給流量に乖離が生じていないかの制御が行われる。即ち、燃料ガス流量偏差演算手段８２は、発電効率優先モードの運転マップ（図４のマップデータ）及び図３の燃料ガス流量値に基づいて設定値（ＳＶ）を決定し、燃料ガス流量センサ２８の流量値（ＰＶ）の乖離幅（ＰＶ−ＳＶ）を演算し、演算した乖離幅と設定値（ＳＶ）の比（所謂、流量偏差値）が、例えば３％より小さいと、燃料ガスの供給状態が安定しているとしてステップＳ７からステップＳ５を経てステップＳ４に戻る。
【００６８】
一方、演算した乖離幅が所定流量偏差値以上であると、燃料ガスの供給流量が供給目標値から乖離しているとしてステップＳ７からステップＳ８に進み、積算タイマ９０は、供給目標値に対して乖離状態にある乖離時間を積算する。そして、この積算タイマ９０の積算値が所定積算値（例えば、５分）以上になると、燃料ガスの供給流量の乖離が大きいとしてステップＳ９からステップＳ１０に進み、積算タイマ９０がリセットされ、運転モードの切換えが行われる（ステップＳ１１）。即ち、運転モード切換手段８４は、発電効率優先モードから総合効率優先モードへの運転の切換えを行い、このように運転モードを総合効率優先モードへ切り換えることにより、燃料ガスの供給状態を安定化させることができる。尚、この積算タイマ９０の積算時間が所定積算値に達しないときには、ステップＳ９からステップＳ５戻る。
【００６９】
このようにして総合効率優先モードの運転が開始される（ステップＳ１２）と、この所定運転時間の残りの運転時間は、総合効率優先モードの運転が継続して行われ、その運転は総合効率優先モードの運転マップ（図６に示すマップデータ）を用いて行われる。
【００７０】
このようにして運転タイマ８８が所定運転時間を計時すると、ステップＳ１３からステップＳ１４に進み、運転タイマ８８がリセットされ、所定運転時間についての運転が行われたとして運転モードの切換えが再び行われ（ステップＳ１５）、その後ステップＳ１に戻る。即ち、運転モード切換手段８４は、総合効率優先モードから発電効率優先モードに戻し、次の所定運転期間に対する発電効率優先モードの運転が再開される。
【００７１】
この実施形態では、燃料ガス供給流路１４に燃料ガス流量センサ２８（燃料ガス流量検知手段）を配設し、この燃料ガス流量センサ２８により燃料ガス供給流路１４を通して供給される燃料ガスの供給流量を計測しているが、この燃料ガス流量センサ２８に代えて、燃料ガス供給流路１４を流れる燃料ガスの供給圧力を検知する燃料ガス圧力センサ（燃料ガス圧力検知手段を構成する）を設け、この燃料ガス圧力センサの検知圧力に基づき燃料ガス供給流路を通して供給される燃料ガスの供給流量を制御するようにしてよい。この場合、コントローラ８０は、乖離演算手段としての燃料ガス圧力偏差演算手段を含み、発電効率優先モードの運転における第２設定出力以下の発電範囲において、燃料ガス圧力偏差演算手段は燃料電池セルスタックの発電出力に対応する供給目標値と燃料ガス圧力検知センサの供給検知値との乖離値を演算し、この乖離値に基づいてその乖離の程度が大きくなると、発電効率優先モードから総合効率優先モードの運転に切り換えることができる。
【００７２】
上述の第１の実施形態では、発電効率優先モードと総合効率優先モードとの切換えを燃料ガスの供給安定化のために適用しているが、このような供給安定化に代えて、貯湯装置の蓄熱状態における蓄熱不足及び蓄熱余剰の解消に適用することができ、このときには、例えば図１０〜図１２に示すように構成することができる。
【００７３】
燃料電池システムの第２の実施形態を示す図１０〜図１１において、この第２の実施形態では、貯湯装置４４（貯湯タンク５０）における蓄熱状態を検知するために蓄熱指数検知手段１０２が設けられている。図示の例では、蓄熱指数検知手段１０２は、５つの温水温度センサ、即ち第１〜第５温水温度センサ１０４，１０６，１０８，１１０，１１２と、一つの水温度センサ１１４とから構成されている。第１〜第５温水温度センサ１０４，１０６，１０８，１１０，１１２は貯湯タンク５０の外周側面に実質上等間隔にされ、例えば、第１温水温度センサ１０４は貯湯タンク５０の上端部に、第５温水温度センサ１１２は貯湯タンク５０の底部に、第３温水温度センサ１０８は、第１及び第５温水温度センサ１０４，１１２の中間に、また第２温水温度センサ１０６は、第１及び第３温水温度センサ１０４，１０８の中間に、更に第４温水温度センサ１１０は、第３及び第５温水温度センサ１０８，１１２の中間に配置され、これら第１〜第５温水温度センサ１０４〜１１２は、貯湯タンク５０内の貯湯水の温度を検知する。また、水温度センサ１１４は水流入流路７０に配設され、水流入流路７０を通して貯湯タンク５０に流入する水の温度を検知する。
【００７４】
このことに関連して、コントローラは、蓄熱指数演算手段１１６及び蓄熱状態判定手段１１８を含んでいる。蓄指数演算手段１１６は、第１〜第５温水温度センサ１０４〜１１２及び水温度センサ１１４の検知温度に基づいて次のようにして貯湯タンク５０の蓄熱指数（満蓄熱に対する現蓄熱の比率）を演算し、蓄熱状態判定手段１１８は、演算した蓄熱指数を用いて後述する如くして蓄熱状態を判定する。
【００７５】
例えば、第１〜第５温水温度センサ１０４〜１１２の検知温度をＴ１〜Ｔ５とし、水温度センサ１１４の検知温度をＴ０とすると、第１温水温度センサ１０４の検知温度Ｔ１と水温度センサ１１４の検知温度Ｔ０との温度差ＴＸが満蓄熱までの温度となる（ＴＸ＝Ｔ１−Ｔ０）。また、第１〜第５温水温度センサ１０４〜１１２の検知温度Ｔ１〜Ｔ５の平均温度ＴＡ〔ＴＡ＝（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ４＋Ｔ５）／５〕と水温度センサ１１４の検知温度Ｔ０との温度差ＴＺが現時点の蓄熱の温度となり、従って、満蓄熱までの温度ＴＸに対する現時点の蓄熱の温度ＴＺの比率ＴＨ（ＴＨ＝ＴＺ／ＴＸ）を演算すると、この演算値が貯湯タンク５０の現時点の蓄熱指数となり、蓄熱指数演算手段１１６は、このようにして蓄熱指数を演算する。
【００７６】
尚、水温度センサ１１４は、貯湯装置４４における貯湯水循環流路５２の上流側部６０に配設してもよく、或いは第５温水温度センサ１１２を水温度センサとしても機能させるようにしてもよい。また、例えば２４時間単位で貯湯水の温度を管理する場合、蓄熱指数を演算する際の分母となる検知温度として、第１温水温度センサ１０４については２４時間内の最大検知温度を採用し、水温度センサ１１４については２４時間内の最低検知温度を採用し、これらの最大検知温度及び最低検知温度を次の２４時間における第１温水温度センサ１０４及び水検知温度１１４の検知温度として用いるようにしてもよい。
【００７７】
また、例えば、発電効率優先モードの運転中においては、蓄熱不足となるおそれがあるために蓄熱不足かどうかの判定が行われ、蓄熱不足と判定されたときに、運転モード切換手段８４は、後述するように発電効率優先モードから総合効率優先モードの運転に切り換える。例えば、総合効率優先モードの運転中においては、蓄熱余剰となるおそれがあるために蓄熱余剰かどうかの判定が行われ、蓄熱余剰と判定されたときに、運転モード切換手段８４は、後述するように総合効率優先モードから発電効率優先モードの運転に切り換える。
【００７８】
上述したことに関連して、コントローラ８０Ａのメモリ手段９２Ａには、発電効率優先モードの運転マップ及び総合効率優先モードの運転マップに加えて、蓄熱状態の判断基準となる所定蓄熱指数値、熱不足が生じていると判定する熱不足判定時間（例えば、３〜８時間程度、例えば５時間に設定される）及び熱余剰が生じていると判定する熱余剰判定時間（例えば、１〜３時間程度、例えば２時間に設定される）などが登録される。この第２の実施形態における燃料電池システム２Ａのその他の構成は、上述した第１の実施形態と実質上同一でよい。
【００７９】
次に、図１２をも参照して、この燃料電池システム２Ａの運転制御について説明する。この運転制御においては、主として貯湯装置４４における蓄熱不足及び蓄熱余剰を解消するための制御となっている。燃料電池システム２を稼働すると、発電効率優先モードの運転が行われる（ステップＳ２１）。このように運転が開始されると、運転タイマ８８が計時を開始し（ステップＳ２２）、燃料電池システム２Ａの発電効率優先モードの運転が行われ、この運転は、上述したものと同様に発電効率優先モードの運転マップ（図３に示すマップデータ）を用いて行われる。
【００８０】
この発電効率優先モードの運転中は、蓄熱指数検知手段１０２により貯湯装置４４の蓄熱状態の検知が行われる（ステップＳ２３）。即ち、第１〜第５温水温度検知センサ１０４〜１１２は、貯湯タンク５０内の貯湯水の温度を検知し、水温度センサ１１４は、水流入流路７０内の水の温度を検知し、これら検知信号がコントローラ８０Ａに送給される。このように蓄熱状態を検知すると、蓄熱指数演算手段１１６は、第１〜第５温水温度センサ１０４〜１１２及び水温度センサ１１４の検知温度に基づき上述したようにして蓄熱指数を演算する（ステップＳ２４）。
【００８１】
この演算した蓄熱指数が所定蓄熱指数値（例えば、５０〜６０％程度に設定される）よりも小さいと、ステップＳ２５からステップＳ２６に進み、運転タイマ８８が所定運転時間（例えば、２４時間）を計時するまでステップＳ２３に戻り、貯湯装置４４における蓄熱状態の検知が継続して行われる。また、この蓄熱指数が所定蓄熱指数値以上であると、ステップＳ２５からステップＳ２７に移り、蓄熱状態が標準蓄熱状態を超えているとして余剰蓄熱時間の計時が行われ、積算タイマ９０がこの余剰蓄熱時間を積算する。そして、運転タイマ８８のスタートから所定運転時間を計時するまでステップＳ２８からステップＳ２３に戻り、貯湯装置４４における蓄熱状態の検知が継続して行われる。
【００８２】
このようにして所定運転時間（例えば、２４時間）にわたって貯湯装置４４の蓄熱状態が検知されると、ステップＳ２６又はステップＳ２８からステップＳ２９に移り、運転タイマ８８の計時時間がリセットされ、その後貯湯装置４４における蓄熱状態の判定が行われる（ステップＳ３０）。
【００８３】
発電効率優先モードの運転においては、蓄熱不足が生じていないかの判定が行われ、蓄熱状態判定手段１１８は、積算タイマ９０の積算時間と熱不足判定時間（例えば、５時間）とを比較する（ステップＳ３１）。そして、積算タイマ９０による積算時間がこの熱不足判定時間以下である場合、ステップＳ３２に進み、貯湯装置４４における蓄熱状態が標準蓄熱状態を超えていることが少ないとして蓄熱状態判定手段１１８は蓄熱不足と判定し、この蓄熱不足の判定に基づき運転モード切換手段８４は運転モードの切換えを行い（ステップＳ３３）、次の所定運転時間の運転として総合効率優先モードが設定される。また、この積算時間が熱不足判定時間を超えていると、貯湯装置４４の蓄熱状態が標準蓄熱状態をある程度超えて熱不足が生じていないとして蓄熱状態判定手段１１８は蓄熱適正と判定し（ステップＳ３４）、この発電効率優先モードが継続され（ステップＳ３５）、ステップＳ２１に戻って、発電効率優先モードの運転が継続して行われる。
【００８４】
運転モードの切換えが行われて総合効率優先モードの運転が行われる（ステップＳ３６）と、所定運転時間（例えば、２４時間）の間にわたって余剰蓄熱時間の積算が行われ、ステップＳ３７〜ステップＳ４３における制御の流れは、発電効率優先モードの運転におけるステップＳ２２〜ステップＳ２８における制御の流れと同じである。
【００８５】
このようにして所定運転時間（例えば、２４時間）にわたって貯湯装置４４の蓄熱状態が検知されると、ステップＳ４１又はステップＳ４３からステップＳ４４に移り、運転タイマ８８の計時時間がリセットされ、貯湯装置４４における蓄熱状態の判定が行われる（ステップＳ４５）。
【００８６】
総合効率優先モードの運転においては、蓄熱余剰が生じていないかの判定が行われ、蓄熱状態判定手段１１８は、積算タイマ９０の積算時間と熱余剰判定時間（例えば、２時間）とを比較する（ステップＳ４６）。そして、積算タイマ９０による積算時間がこの熱余
剰判定時間以上である場合、ステップＳ４７に進み、貯湯装置４４における蓄熱状態が標準蓄熱状態を超えていることが多いとして蓄熱状態判定手段１１８は蓄熱余剰と判定し、この蓄熱余剰の判定に基づき運転モード切換手段８４は運転モードの切換えを行い（ステップＳ４８）、次の所定運転時間の運転として発電効率優先モードが設定され、ステップＳ２１に戻る。また、この積算時間が熱余剰判定時間より少ないと、貯湯装置４４の蓄熱状態が標準蓄熱状態を超えることが多くないとして蓄熱状態判定手段１１８は蓄熱適正と判定し（ステップＳ４９）、この総合効率優先モードが継続され（ステップＳ５０）、ステップＳ３６に戻って、総合効率優先モードの運転が継続して行われる。
【００８７】
上述の第２の実施形態では、貯湯装置における蓄熱状態を判定するために、所定蓄熱指数値以上の蓄熱状態となる時間を積算し、この積算時間に基づいて蓄熱不足及び蓄熱余剰を判定しているが、このような構成に代えて、図１３及び図１４に示すように構成することもできる。この第３の実施形態においては、所定運転時間（例えば、２４時間）の蓄熱指数値のうち最大蓄熱指数値を用いて次の所定運転時間の運転における熱不足指数値及び熱余剰指数値を演算し、この熱不足指数値を蓄熱不足の判定に用い、またこの熱余剰指数値を蓄熱余剰の判定に用いている。
【００８８】
図１３において、この第３の実施形態におけるコントローラ８０Ｂは、蓄熱指数演算手段１１６などに加えて、最大蓄熱指数抽出手段１３２、熱不足指数演算手段１３４及び熱余剰指数演算手段１３６を備えている。蓄熱指数演算手段１１６は、蓄熱指数検知手段１０２からの検知信号に基づいて上述したようにして蓄熱指数を演算し、最大蓄熱指数抽出手段１３２は、所定運転時間（例えば、２４時間）にわたって演算された蓄熱指数のうち最も大きいもの、即ち最大蓄熱指数値を抽出する。また、熱不足指数演算手段１３４は、抽出した最大蓄熱指数値に基づき熱不足指数値を演算し、この最大蓄熱指数値の例えば３０〜５０％程度の値となるように演算し、熱余剰指数演算手段１３６は、抽出された最大蓄熱指数値に基づき熱余剰蓄熱指数を演算し、この最大蓄熱指数値の例えば６０〜８０％程度の値となるように演算する。
【００８９】
このような構成に関連して、メモリ手段９２Ｂには、発電効率優先モードの運転マップ及び総合効率優先モードの運転マップなどに加えて、蓄熱指数演算手段１１６により演算された演算蓄熱指数値、最大蓄熱指数抽出手段１３２により抽出された最大蓄熱指数値、熱不足指数演算手段１３４により演算された熱不足指数値及び熱余剰指数演算手段１３６により演算された熱余剰指数値が記憶される。この第３の実施形態における燃料電池システム２Ｂのその他の構成は、上述した第２の実施形態と実質上同一でよい。
【００９０】
次に、図１４をも参照して、この燃料電池システム２Ｂの運転制御について説明する。この運転制御においても、主として貯湯装置における蓄熱不足及び蓄熱余剰を解消するための制御となっている。燃料電池システムを稼働すると、発電効率優先モードの運転が行われる（ステップＳ６１）。このように運転が開始されると、運転タイマ８８が計時を開始し（ステップＳ６２）、燃料電池システムの発電効率優先モードの運転が行われ、この運転は、上述したと同様に発電効率優先モードの運転マップ（図３に示すマップデータ）を用いて行われる。
【００９１】
この発電効率優先モードの運転中は、蓄熱指数検知手段１０２により貯湯装置の蓄熱状態の検知が行われ（ステップＳ２３）、蓄熱指数演算手段１１６は、第１〜第５温水温度センサ１０４〜１１２及び水温度センサ１１４の検知温度に基づき上述したようにして蓄熱指数を演算し（ステップＳ６４）、演算された蓄熱指数値がメモリ手段９２Ｂに記憶される。
【００９２】
この演算した蓄熱指数がメモリ手段９２Ｂに記憶された熱不足指数値（例えば、最大蓄熱指数値の約４０％程度の値）よりも大きいと、ステップＳ６５からステップＳ６６に進み、運転タイマ８８が所定運転時間（例えば、２４時間）を計時するまでステップＳ６３に戻り、貯湯装置４４における蓄熱状態の検知が継続して行われる。また、この蓄熱指数が熱不足指数値以下であると、ステップＳ６５からステップＳ６７に移り、貯湯装置における蓄熱状態が不足しているとして熱不足時間の計時が行われ、積算タイマ９０がこの熱不足時間を積算する。そして、運転タイマ８８が所定運転時間を計時するまでステップＳ６８からステップＳ６３に戻り、貯湯装置４４における蓄熱状態の検知が継続して行われる。
【００９３】
このようにして所定運転時間（例えば、２４時間）にわたって貯湯装置の蓄熱状態が検知されると、ステップＳ６６又はステップＳ６８からステップＳ６９に移り、運転タイマ８８の計時時間がリセットされ、次の所定運転時間における条件設定が行われる（ステップＳ７０）。即ち、最大蓄熱指数抽出手段１３２は、この所定運転時間において演算された蓄熱指数値のうち最大蓄熱指数値を抽出し、熱不足指数演算手段１３４は、抽出した最大蓄熱指数値に基づき上述したようにして熱不足指数値を演算し、また熱余剰指数演算手段１３６は、抽出した最大蓄熱指数値に基づき上述したようにして熱余剰指数値を演算し、演算された熱不足指数値及び熱余剰指数値がメモリ手段９２Ｂに記憶され、次の所定運転時間においてこの熱不足指数値及び熱余剰指数値が用いられる。
【００９４】
このように次の運転の条件設定が行われた後に、貯湯装置における蓄熱状態の判定が行われる（ステップＳ７１）。発電効率優先モードの運転においては、上述したと同様に、蓄熱不足が生じていないかの判定が行われ、蓄熱状態判定手段１１８は、積算タイマ９０の積算時間と熱不足判定時間（例えば、３〜８時間程度、例えば５時間に設定される）とを比較する（ステップＳ７２）。そして、積算タイマ９０による積算時間がこの熱不足判定時間以上であると、ステップＳ７３に進み、貯湯装置４４における蓄熱不足の状態が長いとして蓄熱状態判定手段１１８は蓄熱不足と判定し、この蓄熱不足の判定に基づき運転モード切換手段８４は運転モードの切換えを行い（ステップＳ７４）、次の所定運転時間の運転として総合効率優先モードが設定される。また、この積算時間が熱不足判定時間より小さいと、貯湯装置４４の蓄熱不足の状態が長くないとして蓄熱状態判定手段１１８は蓄熱適正と判定し（ステップＳ７５）、この発電効率優先モードの運転が継続され（ステップＳ７６）、ステップＳ６１に戻って、発電効率優先モードの運転が継続して行われる。
【００９５】
運転モードの切換えが行われて総合効率優先モードの運転が行われる（ステップＳ７７）と、運転タイマ８８が計時を開始し（Ｓ７８）、燃料電池システムの総合効率優先モードの運転が行われ、この運転は、上述したと同様に総合効率優先モードの運転マップ（図７に示すマップデータ）を用いて行われる。
【００９６】
この総合効率優先モードの運転中は、上述したと同様に、蓄熱指数検知手段１０２により貯湯装置の蓄熱状態の検知が行われ（ステップＳ７９）、蓄熱指数演算手段１１６は上述したようにして蓄熱指数を演算する（ステップＳ８０）。そして、この演算した蓄熱指数がメモリ手段９２Ｂに記憶された熱余剰指数値（例えば、最大蓄熱指数値の約７０％程度の値）よりも大きいと、ステップＳ８１からステップＳ８２に進み、運転タイマ８８が所定運転時間（例えば、２４時間）を計時するまでステップＳ７９に戻る。また、この蓄熱指数が熱余剰指数値以上であると、ステップＳ８１からステップＳ８３に移り、貯湯装置における蓄熱状態が余剰である熱余剰時間の計時が行われ、積算タイマ９０がこの熱余剰時間を積算する。そして、運転タイマ８８が所定運転時間を計時するまでステップＳ８４からステップＳ７９に戻る。
【００９７】
このようにして所定運転時間（例えば、２４時間）にわたって貯湯装置の蓄熱状態が検知されると、ステップＳ８２又はステップＳ８４からステップＳ８５に移り、運転タイマ８８の計時時間がリセットされ、次の所定運転時間における条件設定が行われる（ステップＳ８６）。この条件設定は、上述したと同様に行われ、次の所定運転時間における熱不足指数値及び熱余剰指数値が設定される。
【００９８】
その後に、貯湯装置における蓄熱状態の判定が行われる（ステップＳ８７）。総合効率優先モードの運転においては、上述したと同様に、蓄熱余剰が生じていないかの判定が行われ、蓄熱状態判定手段１１８は、積算タイマ９０の積算時間と熱余剰判定時間（例えば、１〜３時間程度、例えば２時間に設定される）とを比較する（ステップＳ８８）。そして、積算タイマ９０による積算時間がこの熱余剰判定時間以上であると、ステップＳ８９に進み、貯湯装置における蓄熱余剰の状態が長いとして蓄熱状態判定手段１１８は蓄熱余剰と判定し、この蓄熱余剰の判定に基づき運転モード切換手段８４は運転モードの切換えを行い（ステップＳ９０）、次の所定運転時間の運転として発電効率優先モードが設定され、ステップＳ６１に戻る。また、この積算時間が熱余剰判定時間より小さいと、貯湯装置の蓄熱余剰の状態が長くないとして蓄熱状態判定手段１１８は蓄熱適正と判定し（ステップＳ９２）、この総合効率優先モードの運転が継続され（ステップＳ９３）、ステップＳ７７に戻って、総合効率優先モードの運転が継続して行われる。
【００９９】
第１の実施形態では、燃料ガスの供給安定化のために運転モードを上述したように切り換え、また第２及び第３の実施形態においては、貯湯装置における蓄熱不足及び蓄熱余剰を解消するために運転モードを上述したように切り換えているが、燃料ガスの供給安定化並びに貯湯装置における蓄熱不足及び蓄熱余剰の解消の双方を行うために運転モードを切り換えるようにしてもよく、この場合の制御系の構成は、例えば第１の実施形態（図２に示す構成）と第３の実施形態（図１３に示す構成）を組み合わせたものとなり、そのときの制御は、例えば，図１５及び図１６に示す通りとなる。
【０１００】
次に、図１５及び図１６を参照して、かかる場合における燃料電池システムについての制御を概説する。図１５において、燃料電池システムの発電効率優先モードの運転においては、上述したと同様に、燃料電池セルスタックの発電端出力（即ち、ＡＣ発電出力）の検知が行われ（ステップＳ１０１）、この発電端出力に基づき燃料電池セルスタックの発電出力が演算され、この発電出力が第２設定出力（例えば、約３９０Ｗ）を超えているか判断される（ステップＳ１０２）。
【０１０１】
この発電出力が第２設定出力を超えているとステップＳ１０３を経てステップＳ１０１に戻る。また、この発電出力が第２設定出力以下であると、ステップＳ１０２からステップＳ１０４に移り、上述したようにして燃料ガスの流量偏差の演算が行われ、この流量偏差を用いて燃料ガスの流量偏差の監視が行われる（ステップＳ１０５）。この流量偏差の管理は、第１の実施形態と同様に行われ、この演算偏差値が所定流量偏差値（例えば、３％）以上であるかを判断し、所定流量偏差値以上であると燃料ガスの供給流量が供給目標値から乖離しているとしてこの乖離時間を積算タイマで積算する。
【０１０２】
この燃料ガスの供給流量の乖離程度の監視が、所定運転時間（例えば、１〜３時間程度）の間行われ、この所定運転時間が経過すると、ステップＳ１０３又はステップ１０６からステップＳ１０７に移り、この燃料ガスの供給流量の乖離傾向の判定が行われる。即ち、積算タイマの積算時間（乖離積算時間）に基づいて供給流量の乖離傾向が判定され、乖離積算時間が短い（例えば、１分以下である）と、ステップＳ１０８からステップＳ１０９に進み、燃料ガスの供給流量の乖離傾向が小さいとして運転モードが継続され、発電効率優先モードの運転が引き続き行われる。また、この乖離積算時間が長い（例えば、５分以上である）と、ステップＳ１０８からステップＳ１１０を経てステップＳ１１１に移り、燃料ガスの供給流量の乖離傾向が大きいとして、運転モード切換手段は運転モードを切換え、次の所定運転時間において総合効率優先モードの運転が行われる。この乖離積算期間が中程度である（即ち、長くも短くもなく、例えば１〜５分間程度である）場合、ステップＳ１０８からステップＳ１１０を経てステップＳ１１２に移り、燃料電池システムの熱利用の判定が行われる。
【０１０３】
この熱利用判定においては、発電効率優先モードの運転中に貯湯装置における蓄熱不足が発生しているかの判定が行われる。上述したと同様に、蓄熱指数検知手段により蓄熱状態の検知が行われ（ステップＳ１１３）、この蓄熱指数検知手段の検知温度に基づいて蓄熱指数演算手段が蓄熱指数を演算し（ステップＳ１１４）、この蓄熱指数を用いて貯湯装置における蓄熱不足の監視が行われる（ステップＳ１１５）。この蓄熱不足の管理は、例えば第３の実施形態と同様に行われ、この蓄熱指数値が熱不足指数値以下であるかを判断し、熱不足指数値以下であると貯湯装置（貯湯タンク）において蓄熱不足が発生しているとして熱不足時間を積算タイマで積算する。
【０１０４】
この貯湯装置における蓄熱不足の監視が、所定運転時間（例えば、３〜８時間程度）の間行われ、この所定運転時間が経過すると、ステップ１１６からステップＳ１１７に移り、貯湯装置における熱不足状態の判定が行われる。即ち、積算タイマの積算時間（熱不足積算時間）に基づいて蓄熱不足が発生しているかが判定される。
【０１０５】
熱不足積算時間が熱不足判定時間以上であると、ステップＳ１１８からステップＳ１１９に進み、貯湯装置における蓄熱状態が不足しているとして、蓄熱状態判定手段は蓄熱不足の判定を行い、この蓄熱不足の判定に基づいて、運転モード切換手段が運転モードの切換えを行い（ステップＳ１２０）、次の所定運転時間において、蓄熱のための熱の発生が多い総合効率優先モードの運転が行われる。また、熱不足積算時間が熱不足判定時間より小さいと、ステップＳ１１８からステップＳ１２１に移り、貯湯装置における蓄熱状態が不足していないとして、蓄熱状態判定手段は蓄熱適正と判定し、この運転モードが継続され（ステップＳ１２２）、発電効率優先モードの運転が引き続き行われる。
【０１０６】
このように、この発電効率優先モードの運転においては、燃料ガスの供給流量の乖離傾向が優先的に判断され、この乖離傾向が小さいと発電効率優先モードの運転が継続して行われるが、この乖離傾向が大きくなると運転モードが切り換えられ、発電効率優先モードから総合効率優先モードに切り換えて運転される。また、この乖離傾向が中程度である場合には、熱利用を考慮して判断（この場合、蓄熱不足の判断）され、貯湯装置において蓄熱不足が生じていないと発電効率優先モードの運転が継続して行われるが、蓄熱不足が生じていると運転モードが切り換えられ、発電効率優先モードから総合効率優先モードに切り換えて運転される。
【０１０７】
次に、図１６を参照して、燃料電池システムの総合効率優先モードの運転について説明する。この総合効率優先モードの運転においても、上述したと同様に、燃料電池セルスタックの発電端出力（即ち、ＡＣ発電出力）の検知が行われ（ステップＳ１２３）、この発電端出力に基づき燃料電池セルスタックの発電出力が演算され、この発電出力が第２設定出力（例えば、約３９０Ｗ）を超えているか判断される（ステップＳ１２４）。
【０１０８】
この発電出力が第２設定出力を超えているとステップＳ１２５を経てステップＳ１２３に戻る。また、この発電出力が第２設定出力以下であると、ステップＳ１２４からステップＳ１２６に移り、上述したようにして燃料ガスの流量偏差の演算が行われ、この流量偏差を用いて燃料ガスの流量偏差の監視が行われる（ステップＳ１２７）。この流量偏差の管理は、発電効率優先モードの運転のときと同様に行われ、燃料ガスの供給流量が供給目標値から乖離していると、その乖離時間を積算タイマで積算する。
【０１０９】
この燃料ガスの供給流量の乖離程度の監視が、所定運転時間の間行われると、ステップＳ１２５又はステップ１２８からステップＳ１２９に移り、この燃料ガスの供給流量の乖離傾向の判定が行われる。即ち、積算タイマの積算時間（乖離積算時間）に基づいて供給流量の乖離傾向が判定され、乖離積算時間が長い（例えば、５分以上である）と、ステップＳ１３０からステップＳ１３１に進み、燃料ガスの供給流量の乖離傾向が大きいとして運転モードが継続され、総合効率優先モードの運転が引き続き行われる。また、この乖離積算時間が短い（例えば、１分以下である）と、ステップＳ１３０からステップＳ１３２を経てステップＳ１３３に移り、燃料ガスの供給流量の乖離傾向が小さいとして、運転モード切換手段は運転モードを切換え、次の所定運転時間において発電効率優先モードの運転が行われる。この乖離積算期間が中程度である（例えば、１〜５分間である）場合、ステップＳ１３０からステップＳ１３２を経てステップＳ１３４に移り、燃料電池システムの熱利用の判定が行われる。
【０１１０】
この熱利用判定においては、総合効率優先モードの運転中に貯湯装置における蓄熱余剰が発生しているかの判定が行われる。上述したと同様に、蓄熱指数検知手段により蓄熱状態の検知が行われ（ステップＳ１３５）、この蓄熱指数検知手段の検知温度に基づいて蓄熱指数演算手段が蓄熱指数を演算し（ステップＳ１３６）、この蓄熱指数を用いて貯湯装置における蓄熱余剰の監視が行われる（ステップＳ１３７）。この蓄熱余剰の管理は、例えば第３の実施形態と同様に行われ、この蓄熱指数値が熱余剰指数値以上であるかを判断し、熱余剰指数値以上であると貯湯装置（貯湯タンク）において蓄熱余剰が発生しているとして熱余剰時間を積算タイマで積算する。
【０１１１】
この貯湯装置における蓄熱余剰の監視が、所定運転時間（例えば、１〜３時間程度）の間行われ、この所定運転時間が経過すると、ステップ１３８からステップＳ１３９に移り、貯湯装置における熱余剰状態の判定が行われる。即ち、積算タイマの積算時間（熱余剰積算時間）に基づいて蓄熱余剰が発生しているかが判定される。
【０１１２】
熱余剰積算時間が熱余剰判定時間以上であると、ステップＳ１４０からステップＳ１４１に進み、貯湯装置における蓄熱状態が余剰であるとして、蓄熱状態判定手段は蓄熱余剰の判定を行い、この蓄熱余剰の判定に基づいて、運転モード切換手段が運転モードの切換えを行い（ステップＳ１４２）、次の所定運転時間において、蓄熱のための熱の発生が少ない発電効率優先モードの運転が行われる。また、熱余剰積算時間が熱余剰判定時間より小さいと、ステップＳ１４０からステップＳ１４３に移り、貯湯装置における蓄熱状態が余剰でないとして、蓄熱状態判定手段は蓄熱適正と判定し、この運転モードが継続され（ステップＳ１４４）、総合効率優先モードの運転が引き続き行われる。
【０１１３】
このように、この総合効率優先モードの運転においても、燃料ガスの供給流量の乖離傾向が優先的に判断され、この乖離傾向が大きいと総合効率優先モードの運転が継続して行われるが、この乖離傾向が小さくなると運転モードが切り換えられ、総合効率優先モードから発電効率優先モードに切り換えて運転される。また、この乖離傾向が中程度である場合には、熱利用を考慮して判断（この場合、蓄熱余剰の判断）され、貯湯装置において蓄熱余剰が生じていないと総合効率優先モードの運転が継続して行われるが、蓄熱余剰が生じていると運転モードが切り換えられ、総合効率優先モードから発電効率優先モードに切り換えて運転される。
【０１１４】
以上、本発明に従う燃料電池システムの各種実施形態について説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されず、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変更乃至修正が可能である。
【０１１５】
例えば、上述した実施形態では、蓄熱指数検知手段１０２として貯湯タンク５０に配設された５つの温水温度センサ１０４〜１１２から構成しているが、２〜４つ又は６つ以上の温水温度センサから構成するようにしてもよい。
【０１１６】
また、例えば、上述した実施形態では、貯湯装置４４の蓄熱状態を判定するために蓄熱指数という概念を用いているが、このような概念を用いることなく、この熱利用の判定を温度センサ（温度検知手段を構成する）を用いて簡易的に行うようにしてもよい。例えば、蓄熱不足については、温度センサは貯湯装置４４の貯湯タンク５０内の中央部付近よりも下の位置（例えば、図１０における第４温水温度センサ１１０の位置付近）に設けられ、この温度センサの検知温度に基づいて次のように熱利用の判定を行うことができる。この温度センサの検知温度が熱不足温度値（例えば、５０℃程度に設定される）を超えないか、或いはこの熱不足温度値を超える時間（即ち、熱不足積算時間）が熱不足判定時間以下であるときに蓄熱不足と判定することができる。また、蓄熱余剰については、温度センサは、貯湯装置４４の貯湯タンク５０内の底部又は貯湯水循環流路５２の上流側部６０内に設けられ、この温度センサの検知温度が熱余剰温度値（例えば、５０℃程度に設定される）を超えるか、或いはこの熱余剰温度を超える時間（即ち、熱余剰積算時間）が熱余剰判定時間以上であるときに蓄熱余剰と判定することができる。
【符号の説明】
【０１１７】
２，２Ａ  燃料電池システム
４  改質器
６  燃料電池セルスタック
２８  燃料ガス流量センサ
４４  貯湯装置
６４  ヒータ手段
７６  発電端出力検知センサ
８０，８０Ａ  コントローラ
８２  燃料ガス流量偏差演算手段
８４  運転モード切換手段
１０２  蓄熱指数検知手段
１１６  蓄熱指数演算手段
１１８  蓄熱状態判定手段
１３２  最大蓄熱指数抽出手段
１３４  熱不足指数演算手段
１３６  熱余剰指数演算手段
【図１】
0006649162.tif 000002
【図２】
0006649162.tif 000003
【図３】
0006649162.tif 000004
【図４】
0006649162.tif 000005
【図５】
0006649162.tif 000006
【図６】
0006649162.tif 000007
【図７】
0006649162.tif 000008
【図８】
0006649162.tif 000009
【図９】
0006649162.tif 000010
【図１０】
0006649162.tif 000011
【図１１】
0006649162.tif 000012
【図１２】
0006649162.tif 000013
【図１３】
0006649162.tif 000014
【図１４】
0006649162.tif 000015
【図１５】
0006649162.tif 000016
【図１６】
0006649162.tif 000017