(57)【要約】【課題】搬送装置の消費電力を調整して燃料電池システムの出力を平準化させると共に、燃料電池の劣化を抑制する。【解決手段】外部からの需要電力ＰＷＤが、最小供給出力ＰＷ２を下回ると、運転モードは、搬送エネルギー貯留運転モードＭ２に切り換えられる。搬送エネルギー貯留運転モードＭ２では、第１ブロア３０、第２ブロア３２、及びポンプ３４を駆動させ、圧縮ガスタンク２２にメタンを圧縮貯留すると共に、空気を圧縮空気タンク２４に圧縮貯留し、且つ、燃料電池スタック１６で発電を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力駆動により、発電時に燃料電池システム内において流体を搬送する搬送装置と、
前記燃料電池システムの需要電力が所定の小出力を下回るときに、前記搬送装置と共にまたは前記搬送装置に代えて前記流体を搬送するための搬送エネルギーを、前記燃料電池システムで発電された電力を消費して貯留する搬送エネルギー貯留部と、
を備えた燃料電池用流体搬送補助システム。
【請求項２】
前記所定の小出力は、前記燃料電池システムにおける最小供給出力である、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用流体搬送補助システム。
【請求項３】
前記搬送エネルギー貯留部は、前記搬送エネルギーとして圧縮気体を貯留可能なタンクを有する、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池用流体搬送補助システム。
【請求項４】
前記搬送装置の下流側に前記タンクが配置され、前記搬送装置の駆動により前記タンクへ前記圧縮気体が貯留される、ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用流体搬送補助システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池用流体搬送補助システムを備え、需要電力が最大供給電力を上回るときに、前記搬送エネルギー貯留部に貯留された搬送エネルギーを用いて前記流体を搬送する、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池用流体搬送補助システム、及び、この燃料電池用流体搬送補助システムを備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムには、燃料ガス、空気を搬送するためのブロアや、水を循環させるためのポンプなど、燃料電池の電力で駆動される種々の流体搬送用の装置（搬送装置）が搭載されている。これらの搬送装置は、燃料電池の出力に応じて消費電力が変化し、燃料電池の出力が大きい場合には駆動のための消費電力が大きくなり、燃料電池の出力が小さい場合には駆動のための消費電力が小さくなる。
【０００３】
ところで、燃料電池では、出力が小さくなりすぎると、燃料電池のセルスタックが高電圧になり劣化が生じるため、需要電力が所定の数値を下回ると発電を停止するように制御されている。一方、燃料電池の出力が大きくなると、搬送装置による消費電力も大きくなり、供給可能な電力量が実際の発電量から大きく下回る。
【０００４】
特許文献１には、タービンを駆動させて発電するシステムにおいて、夜間電力を利用する電力平準化システムが開示されている。この電力平準化システムでは、夜間にタービンを電力により駆動させて圧縮空気槽へ圧縮空気を貯蔵し、昼間は圧縮空気槽に貯蔵された圧縮空気を用いてタービンを駆動させて発電する。しかしながら、特許文献１では、タービンは電力駆動により回転するのではなく圧縮空気により回転して発電に寄与するので、発電時においてタービンによる電力消費は想定されていない。さらに、特許文献１は、燃料電池に関する技術ではないため、セルスタックの劣化を防止するために、出力が所定の数値を下回ると発電を停止させるという運転制御が想定されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−４２５７３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記事実を考慮して成されたもので、搬送装置の消費電力を調整して燃料電池システムの出力を平準化させると共に、燃料電池の劣化を抑制することが可能な燃料電池用流体搬送補助システム、及び、この燃料電池用流体搬送補助システムを備えた燃料電池システムを得ることが目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１記載の発明に係る燃料電池用流体搬送補助システムは、電力駆動により、発電時に燃料電池システム内において流体を搬送する搬送装置と、前記燃料電池システムの需要電力が所定の小出力以下となるときに、前記搬送装置と共にまたは前記搬送装置に代えて、前記流体を搬送するための搬送エネルギーを、前記燃料電池システムで発電された電力を消費して貯留する搬送エネルギー貯留部と、を備えている。
【０００８】
請求項１に係る燃料電池用流体搬送補助システムは、燃料電池システム内において流体を搬送するための搬送エネルギーを貯留する搬送エネルギー貯留部を備えている。この搬送エネルギーによる流体の搬送は、搬送装置と共にまたは搬送装置に代えて行われる。搬送エネルギー貯留部への搬送エネルギーの貯留は、燃料電池システムの需要電力が所定の小出力以下となるときに、燃料電池システムで発電された電力を消費して行われる。搬送エネルギーを貯留しているときには、燃料電池システム内における電力消費量は、単に発電のために流体を搬送するときの電力消費量よりも大きくなる。したがって、需要電力が所定の小出力以下となるときに、燃料電池システムによる実発電量を大きくして燃料電池の劣化を抑制することができる。
【０００９】
また、例えば、需要電力が大きくなった場合に、搬送装置と共にまたは搬送装置に代えて搬送エネルギーによって流体の搬送を行うことにより、搬送装置に要する電力を抑制することができ、搬送装置の消費電力を調整して、燃料電池システムの出力を平準化させることができる。
【００１０】
請求項２記載の発明に係る燃料電池用流体搬送補助システムは、前記所定の小出力は、前記燃料電池システムにおける最小供給出力である、ことを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の発明に係る燃料電池用流体搬送補助システムでは、燃料電池システムにおける最小供給出力を下回るときに搬送エネルギー貯留部へ搬送エネルギーが貯留される。したがって、消費電力が増加し、必要な電力の増加に伴って実発電量が増加する。これにより、需要電力が駆動可能最小発電量を下回っても、発電が可能となり、発電可能な出力範囲の下限を下げることができる。これにより、燃料電池システムの稼働率を向上させることができる。
なお、ここでの最小供給出力は、燃料電池システムにおいて発電可能な最小出力から搬送装置の消費電力を差し引いた出力である。
【００１２】
請求項３記載の発明に係る燃料電池用流体搬送補助システムは、前記搬送エネルギー貯留部は、前記搬送エネルギーとして圧縮気体を貯留可能なタンクを有する、ことを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の発明に係る燃料電池用流体搬送補助システムによれば、圧縮気体を搬送エネルギーとして貯留し、この圧縮気体を放出することにより、流体の搬送を行うことができる。
【００１４】
請求項４記載の発明に係る燃料電池用流体搬送補助システムは、前記搬送装置の下流側に前記タンクが配置され、前記搬送装置の駆動により前記タンクへ前記圧縮気体が貯留される、ことを特徴とする。
【００１５】
請求項４記載の発明に係る燃料電池用流体搬送補助システムでは、搬送装置の駆動により圧縮気体が搬送エネルギーとして貯留されるので、搬送エネルギーを貯留するために別の装置が不要となり、システムを簡素化することができる。
【００１６】
請求項５記載の発明に係る燃料電池システムは、前記搬送装置は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池用流体搬送補助システムを備え、需要電力が最大供給電力を上回るときに、前記搬送エネルギー貯留部に貯留された搬送エネルギーを用いて前記流体を搬送するものである。
【００１７】
請求項５記載の発明に係る燃料電池システムによれば、搬送装置の消費電力を調整することにより、燃料電池システムの消費電力を平準化させると共に、燃料電池の劣化を抑制することができる。
なお、ここでの最大供給出力は、燃料電池システムにおいて発電可能な最大出力から搬送装置の消費電力を差し引いた出力である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る燃料電池システムによれば、搬送装置の消費電力を調整することにより、燃料電池システムの消費電力を平準化させると共に、燃料電池の劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】第１実施形態に係る燃料電池システムの制御系のブロック図である。
【図３】第１実施形態に係る燃料電池システムの最大出力／最小出力、最大供給出力／最小供給電力、及び搬送電力の関係を示す図である。
【図４】第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図５】第２実施形態に係る燃料電池システムの制御系のブロック図である。
【図６】第２実施形態に係る燃料電池システムの最大出力／最小出力、最大供給出力／最小供給電力、及び搬送電力の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。
【００２１】
〔第１実施形態〕
図１には、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１０Ａが示されている。燃料電池システム１０Ａは、主要な構成として、気化器１２、改質器１４、燃料電池スタック１６、燃焼器１８、水タンク２０、圧縮ガスタンク２２、及び圧縮空気タンク２４を備えている。また、流体（原料ガス、水、空気など）を搬送するための搬送装置として、第１ブロア３０、第２ブロア３２、ポンプ３４を備えている。また、燃料電池システム１０Ａに搭載された燃料電池用流体搬送補助システムとして、第１ブロア３０、第２ブロア３２、圧縮ガスタンク２２、圧縮空気タンク２４を備えている。
【００２２】
気化器１２には、原料ガス管Ｐ１の一端が接続されており、原料ガス管Ｐ１の他端は図示しないガス源に接続されている。原料ガス管Ｐ１には第１ブロア３０が配設されている。第１ブロア３０は、燃料電池システム１０Ａにおいて発電された電力で駆動されている。第１ブロア３０により、ガス源からは、メタンが下流側へ送出される。原料ガス管Ｐ１には、第１ブロア３０よりも下流側に、圧縮ガスタンク２２が接続されている。圧縮ガスタンク２２は、入口及び出口が原料ガス管Ｐ１と接続され、原料ガス管Ｐ１の迂回路を構成している。図２に示されるように、第１ブロア３０は、制御部３８と接続されている。制御部３８は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、メモリ等を含んで構成されており、燃料電池システム１０Ａ内の各部の駆動や、バルブの切り換え、開閉等を制御する。第１ブロア３０は、制御部３８によって、駆動が制御されている。
【００２３】
圧縮ガスタンク２２は、入口側では、バルブ４０を介して原料ガス管Ｐ１と接続されている。バルブ４０は、切換弁で構成されており、原料ガスの送出経路を、気化器１２側（圧縮ガスタンク２２を経由しない側）、圧縮ガスタンク２２側、に切り換えることができると共に、圧縮ガスタンク２２側と気化器１２側の両方を閉鎖（バルブ４０を閉鎖）することが可能となっている。圧縮ガスタンク２２の出口には、バルブ４２が設けられている。バルブ４２は絞り制御可能な開閉バルブで構成されている。バルブ４０及びバルブ４２は、図２に示されるように、制御部３８と接続されており、制御部３８によって切り換え、開閉、絞りが制御されている。
【００２４】
バルブ４０により原料ガス管Ｐ１が気化器１２側と連通されているときには、第１ブロア３０を駆動させることにより、ガス源からのメタンは、直接気化器１２へ送出される。バルブ４０により原料ガス管Ｐ１が圧縮ガスタンク２２と連通され、バルブ４２が開放されて絞り制御されているときには、第１ブロア３０を駆動させることにより、ガス源からのメタンは、圧縮ガスタンク２２へ送出され、圧縮されたメタンが搬送エネルギーとして貯留されると共に、バルブ４２から送出されたメタンが気化器１２へ供給される。バルブ４０を閉鎖し、バルブ４２を開放すると、圧縮ガスタンク２２内のメタンが、気化器１２へ送出される。
【００２５】
原料ガス管Ｐ１の下流側（圧縮ガスタンク２２の出口側の接続位置よりも下流側）には、水を貯留する水タンク２０と連結された水供給管Ｐ２が接続されている。水タンク２０には、水が貯留されており、水タンク２０の上部には、通気弁２０Ａが設けられている。通気弁２０Ａを閉鎖することにより、水タンク２０内は密閉され、通気弁２０Ａを開放することにより、水タンク２０内は大気に開放される。水供給管Ｐ２は、水タンク２０の下部に連結されている。通気弁２０Ａは、制御部３８と接続されている。なお、図示しないが、水タンク２０への水の供給は、アノード１６Ａから排出されるアノードオフガスの水蒸気を回収して行ってもよいし、外部の水道から行ってもよい。
【００２６】
水供給管Ｐ２は、第１水供給路Ｐ２Ａと第２水供給路Ｐ２Ｂに分岐され、原料ガス管Ｐ１との接続位置の手前で合流されている。第１水供給路Ｐ２Ａにはポンプ３４が配設されており、第２水供給路Ｐ２Ｂにはポンプ３４が配設されていない。ポンプ３４は、燃料電池システム１０Ａにおいて発電された電力で駆動される。
【００２７】
第１水供給路Ｐ２Ａと第２水供給路Ｐ２Ｂの分岐部分には、バルブ４４が設けられている。バルブ４４は、切換弁で構成されており、水の送出経路を第１水供給路Ｐ２Ａと第２水供給路Ｐ２Ｂとで切り換える。バルブ４４は、図２に示されるように、制御部３８と接続されており、制御部３８によって切り換えが制御されている。
【００２８】
バルブ４４により水供給管Ｐ２が第１水供給路Ｐ２Ａ側と連通されているときには、ポンプ３４を駆動させることにより、水タンク２０から、水が第１水供給路Ｐ２Ａを通って気化器１２へ送出される。このとき、通気弁２０Ａは開放されている。バルブ４４により水供給管Ｐ２が第２水供給路Ｐ２Ｂ側と連通されているときには、通気弁２０Ａは閉鎖され、後述する圧縮空気タンク２４から圧縮空気を送出することにより、水タンク２０内の空気が圧縮され、水タンク２０から水が押し出されて第２水供給路Ｐ２Ｂを通って気化器１２へ送出される。
【００２９】
気化器１２では、水が気化される。気化には、後述する燃焼器１８の熱が用いられる。なお、本実施形態では、原料ガスとしてメタンを用いるが、改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数４以下の低級炭化水素が挙げられ、本実施形態で用いるメタンが好ましい。なお、炭化水素燃料としては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよい。
【００３０】
メタン及び水蒸気は、気化器１２から配管Ｐ３を介して改質器１４へ送出される。改質器１４は、一例として、燃焼器１８及び燃料電池スタック１６と隣接されており、これらとの間で熱交換を行うことで加熱される。
【００３１】
改質器１４では、メタンを改質し、水素を含む６００℃程度の温度の燃料ガスを生成する。改質器１４は、燃料電池スタック１６のアノード（燃料極）１６Ａと接続されている。改質器１４で生成された燃料ガスは、燃料ガス管Ｐ４を介して第１燃料電池スタック１６のアノード１６Ａに供給される。
【００３２】
燃料電池スタック１６は固体酸化物形の燃料電池スタックであり、積層された複数の燃料電池セルを有している。第１燃料電池スタック１６は本発明における燃料電池の一例であり、本実施形態では、作動温度が６５０℃程度とされている。個々の燃料電池セルは、電解質層と、当該電解質層の表裏面にそれぞれ積層されたアノード１６Ａ、及びカソード（空気極）１６Ｂと、を有している。
【００３３】
燃料電池スタック１６のカソード１６Ｂには、後述する空気管Ｐ５を介して空気が供給される。カソード１６Ｂでは、下記（１）式に示すように、空気中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質層を通って燃料電池スタック１６のアノード１６Ａに到達する。
【００３４】
（空気極反応）
１／２Ｏ２＋２ｅ− →Ｏ２−  …（１）
カソード１６Ｂには、カソード１６Ｂから排出されるカソードオフガスを燃焼器１８へ送出するカソードオフガス管Ｐ６が接続されている。
【００３５】
一方、燃料電池スタック１６のアノード１６Ａでは、下記（２）式及び（３）式に示すように、電解質層を通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水(水蒸気)及び二酸化炭素と電子が生成される。アノード１６Ａで生成された電子がアノード１６Ａから外部回路を通ってカソード１６Ｂに移動することで、各燃料電池セルにおいて発電される。また、各燃料電池セルは、発電時に発熱する。
【００３６】
（燃料極反応）
Ｈ２ ＋Ｏ２− →Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  …(２)
ＣＯ＋Ｏ２− →ＣＯ２＋２ｅ−  …(３)
【００３７】
燃料電池スタック１６のアノード１６Ａには、アノード１６Ａから排出されるアノードオフガスを燃焼器１８へ送出するアノードオフガス管Ｐ７が接続されている。アノードオフガスには、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。
【００３８】
カソード１６Ｂには、空気管Ｐ５の一端が接続されている。空気管Ｐ５には、第２ブロア３２が配設されている。第２ブロア３２は、燃料電池システム１０Ａにおいて発電された電力で駆動されている。第２ブロア３２により、空気がカソード側へ送出される。空気管Ｐ５には、第２ブロア３２よりも下流側に、圧縮空気タンク２４が接続されている。圧縮空気タンク２４は、入口及び出口が空気管Ｐ５と接続され、空気管Ｐ５の迂回路を構成している。図２に示されるように、第２ブロア３２は、制御部３８と接続されている。第２ブロア３２は、制御部３８によって、駆動が制御されている。
【００３９】
圧縮空気タンク２４は、入口側では、バルブ４６を介して空気管Ｐ５と接続されている。バルブ４６は、切換弁で構成されており、空気の送出経路を、カソード１６Ｂ側（圧縮空気タンク２４を経由しない側）、圧縮空気タンク２４側、に切り換えることができると共に、圧縮空気タンク２４側とカソード１６Ｂ側の両方を閉鎖（バルブ４６を閉鎖）することが可能となっている。圧縮空気タンク２４の出口には、バルブ４８が設けられている。バルブ４８は絞り制御可能なバルブで構成され、水タンク２０側とカソード１６Ｂ側の開閉を切り換えると共に、カソード１６Ｂ側の開度を絞り制御することが可能となっている。バルブ４６及びバルブ４８は、図２に示されるように、制御部３８と接続されており、制御部３８によって切り換え、開閉、絞りが制御されている。
【００４０】
また、圧縮空気タンク２４には、バルブ４８を介して圧送管Ｐ９の一端が連結されている。圧送管Ｐ９の他端は水タンク２０と連結されている。
【００４１】
バルブ４６により空気管Ｐ５がカソード１６Ｂ側と連通されているときには、第２ブロア３２を駆動させることにより、空気は、直接カソード１６Ｂへ送出される。バルブ４６により空気管Ｐ５が圧縮空気タンク２４と連通され、バルブ４８のカソード１６Ｂ側が開放されて絞り制御されているときには、第２ブロア３２を駆動させることにより、空気は、カソード１６Ｂへ送出されると共に、圧縮空気タンク２４へ送出され、圧縮された空気が搬送エネルギーとして貯留される。バルブ４６を閉鎖し、バルブ４８を開放すると、圧縮空気タンク２４内の空気が、カソード１６Ｂ及び水タンク２０へ送出される。
【００４２】
燃焼器１８では、アノードオフガスが燃焼される。燃焼器１８には、燃焼排ガス管Ｐ８が接続されている。燃焼排ガス管Ｐ８は、燃焼器１８から排出される燃焼排ガスを、気化器１２を経て燃料電池システム１０Ａの外部に送出する。気化器１２内では、燃焼排ガスによって水が加熱される。
【００４３】
制御部３８内の不図示のメモリには、最大出力ＰＷｍａｘ、最小出力ＰＷｍｉｎが記憶されている。最大出力ＰＷｍａｘは、燃料電池システム１０Ａにおいて、発電可能な最大出力であり、第１ブロア３０、第２ブロア３２、及びポンプ３４を駆動させた場合に、これらに供給される電力を含んでいる。また、最小出力ＰＷｍｉｎは、燃料電池システム１０Ａにおける最小出力であり、第１ブロア３０、第２ブロア３２、及びポンプ３４に供給される電力を含んでいる。
【００４４】
最大出力ＰＷｍａｘのときに、搬送装置（第１ブロア３０、第２ブロア３２、及びポンプ３４）に供給される電力を搬送電力ＰＰ１とすると、搬送装置を通常駆動させた場合に、燃料電池システム１０Ａの外部へ供給可能な最大出力は、最大出力ＰＷｍａｘから搬送電力ＰＰ１を差し引いた出力となる。この出力を、最大供給出力ＰＷ１とする(図３参照）。燃料電池システム１０Ａでは、外部からの需要電力ＰＷＤが最大供給出力ＰＷ１を超えたときに、搬送電力ＰＰ１を消費せずに流体（メタン、空気、水）を搬送する、搬送補助運転モードＭ１に切り換えられる。
【００４５】
最小出力ＰＷｍｉｎは、燃料電池システム１０Ａにおいて、発電可能な最小出力であり、最小出力ＰＷｍｉｎを下回ると、燃料電池システム１０Ａでの発電が停止されるように制御されている。最小出力ＰＷｍｉｎは、燃料電池システム１０Ａ内の搬送装置（第１ブロア３０、第２ブロア３２、及びポンプ３４）に供給される電力を含んでいる。最小出力ＰＷｍｉｎのときに、第１ブロア３０、第２ブロア３２、及びポンプ３４の駆動に必要とされる電力を搬送電力ＰＰ２とすると、燃料電池システム１０Ａの外部へ供給される出力は、最小出力ＰＷｍｉｎから搬送電力ＰＰ２を差し引いた出力となる。この出力を、最小供給出力ＰＷ２とする（図３参照）。なお、搬送電力ＰＰ２は搬送電力ＰＰ１よりも小さい。燃料電池システム１０Ａでは、外部からの需要電力ＰＷＤが最小供給出力ＰＷ２を下回ったときに、搬送電力ＰＰ２に加えて、圧縮ガスタンク２２へメタンを圧縮して貯留すると共に、圧縮空気タンク２４へ空気を圧縮して貯留する搬送エネルギー貯留運転モードＭ２に切り換えられる。搬送エネルギー貯留運転モードＭ２における、第１ブロア３０の駆動電力及び第２ブロア３２の駆動用消費電力の合計を貯留用消費ＰＰ３とする。貯留用消費ＰＰ３は搬送電力ＰＰ２よりも大きい。
【００４６】
次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ａの動作について説明する。
【００４７】
燃料電池システム１０Ａでは、ガス源からメタンが気化器１２へ供給され、水タンク２０から水が気化器１２へ供給される。気化器１２では、供給されたメタン及び水が混合される。そして、燃焼排ガス管Ｐ８を流通する燃焼排ガスから熱を得て加熱され、水が気化され水蒸気となる。
【００４８】
メタン及び水蒸気は、気化器１２から配管Ｐ３を介して改質器１４へ送出される。改質器１４では、改質反応により、水素を含む６００℃程度の燃料ガスが生成される。燃料ガスは、燃料ガス管Ｐ４を介して燃料電池スタック１６のアノード１６Ａに供給される。
【００４９】
燃料電池スタック１６のカソード１６Ｂには、空気管Ｐ５から空気が供給される。これにより、燃料電池スタック１６では、前述の反応により発電が行われる。この発電に伴い燃料電池スタック１６のアノード１６Ａからは、アノードオフガスが排出される。また、カソード１６Ｂからは、カソードオフガスが排出される。アノードオフガスは、アノードオフガス管Ｐ７を通って燃焼器１８へ供給される。カソードオフガスは、カソードオフガス管Ｐ６を通って燃焼器１８へ供給される。
【００５０】
燃焼器１８では、アノードオフガスとカソードオフガスの混合ガスが燃焼される。燃焼器１８からは、燃焼排ガスが排出され、気化器１２を経て燃料電池システム１０Ａの外部に排出される。気化器１２は、燃焼排ガスによって加熱される。
【００５１】
次に、燃料電池システム１０Ａの運転モードについて説明する。
【００５２】
燃料電池システム１０Ａでは、外部からの需要電力ＰＷＤが、最小供給出力ＰＷ２以上、且つ、最大供給出力ＰＷ１以下の場合には、通常運転モードＭ０で発電が行われる。このとき、第１ブロア３０、第２ブロア３２、及びポンプ３４は、燃料電池システム１０Ａの出力に応じて、各々が駆動され、流体を搬送する。具体的には、バルブ４０は原料ガス管Ｐ１が気化器１２側と連通するように切り換えられ、バルブ４４は水供給路Ｐ２が第１水供給路Ｐ２Ａと連通されるように切り換えられ、通気弁２０Ａは開放され、バルブ４６は空気管Ｐ５がカソード１６Ｂと連通されるように切り換えられる。
【００５３】
外部からの需要電力ＰＷＤが、最小供給出力ＰＷ２を下回ると、運転モードは、搬送エネルギー貯留運転モードＭ２に切り換えられる。搬送エネルギー貯留運転モードＭ２では、バルブ４０は原料ガス管Ｐ１が圧縮ガスタンク２２と連通するように切り換えられ、バルブ４２は開放され、絞りにより所定の流量で圧縮ガスタンク２２からメタンが気化器１２へ送られる。また、バルブ４６は空気管Ｐ５が圧縮空気タンク２４側と連通されるように切り換えられ、バルブ４８はカソード１６Ｂ側に開放され、絞りにより所定の流量で圧縮空気タンク２４から空気がカソード１６Ｂへ送られる。また、バルブ４４は水供給路Ｐ２が第１水供給路Ｐ２Ａと連通されるように切り換えられ、通気弁２０Ａは開放される。そして、第１ブロア３０、第２ブロア３２、及びポンプ３４を駆動させる。これにより、圧縮ガスタンク２２にメタンが圧縮貯留されると共に空気が圧縮空気タンク２４に圧縮貯留され、且つ、燃料電池スタック１６では発電が行われる。
【００５４】
このとき、圧縮ガスタンク２２へのメタンの圧縮貯留、及び、圧縮空気タンク２４への空気の圧縮貯留のために、第１ブロア３０、第２ブロア３２の出力は、単に、メタン、空気を燃料電池スタック１６へ送出する場合の出力よりも大きい。搬送エネルギー貯留運転モードＭ２では、第１ブロア３０、第２ブロア３２、及びポンプ３４での消費電力合計は、搬送電力ＰＰ２よりも大きい、貯留用消費ＰＰ３となる。貯留用消費ＰＰ３は、搬送電力ＰＰ２よりも大きいので、需要電力ＰＷＤが最小供給出力ＰＷ２を下回っても、燃料電池システム１０Ａの出力は、最小出力ＰＷｍｉｎよりも大きく維持でき、最小供給出力ＰＷ２よりも（ＰＰ３−ＰＰ２）低いＰＷ２’となる需要電力ＰＷＤｍｉｎまで、発電を継続することができる（図３参照）。これにより、燃料電池システム１０Ａの稼働率を向上させることができる。
【００５５】
外部からの需要電力ＰＷＤが、最大供給出力ＰＷ１を超えると、運転モードは、搬送補助運転モードＭ１に切り換えられる。搬送補助運転モードＭ１では、第１ブロア３０、第２ブロア３２、及びポンプ３４は、停止される。そして、バルブ４０は、原料ガス管Ｐ１の圧縮ガスタンク２２側と気化器１２側の両方を閉鎖するように制御され、バルブ４６は、空気管Ｐ５の圧縮空気タンク２４側とカソード１６Ｂ側の両方を閉鎖するように制御される。また、バルブ４２及びバルブ４８（カソード１６Ｂ側と水タンク２０側の両方）は開放され、通気弁２０Ａは閉鎖される。これにより、圧縮ガスタンク２２からメタンが気化器１２へ送出され、圧縮空気タンク２４から空気がカソード１６Ｂへ送出される。さらに、圧縮空気タンク２４からの空気は、水タンク２０へ送出され、水タンク２０内に貯留された水が気化器１２へ送出される。
【００５６】
このとき、第１ブロア３０、第２ブロア３２、及びポンプ３４は、停止されていて、搬送電力ＰＰ１の消費はない。したがって、需要電力ＰＷＤは、最大供給出力ＰＷ１を超えても、最大出力ＰＷｍａｘよりも小さく維持でき、最大供給出力ＰＷ１よりもＰＰ１高いＰＷ１’となる需要電力ＰＷＤまで、発電を継続することができる（図３参照）。
【００５７】
本実施形態の燃料電池システム１０Ａによれば、需要電力ＰＷＤが最小供給出力ＰＷ２を下回っても、燃料電池システム１０Ａの出力を、最小出力ＰＷｍｉｎよりも大きく維持できる。したがって、燃料電池システム１０Ａを駆動可能な需要電力の下限ＰＷＤｍｉｎを低くすることができる。また、需要電力ＰＷＤが、最大供給出力ＰＷ１を超えた場合に、第１ブロア３０、第２ブロア３２に代えて圧縮ガスタンク２２の圧縮ガス、及び、圧縮空気タンク２４の圧縮空気によって、原料ガス、空気、及び水の搬送を行う。したがって、第１ブロア３０、第２ブロア３２の駆動に要する電力を外部へ供給することができ、需要電力の上限ＰＷＤｍａｘを高くすることができる。これにより、燃料電池システム１０Ａの出力を平準化させることができる。
【００５８】
また、本実施形態では、圧縮ガス、圧縮空気の貯留に、第１ブロア３０、第２ブロア３２を用いるので、別途コンプレッサー等の装置を必要とせず、燃料電池システム１０Ａを簡素化することができる。もちろん、設計等の要請により、圧縮ガス、圧縮空気の貯留に、第１ブロア３０、第２ブロア３２を用いず、別途コンプレッサーなどを用いてもよい。
【００５９】
なお、本実施形態では、搬送補助運転モードＭ１において、第１ブロア３０、第２ブロア３２を停止させて、圧縮ガスタンク２２の圧縮ガス、及び、圧縮空気タンク２４の圧縮空気によってのみ、原料ガス、空気、及び水の搬送を行ったが、圧縮ガス、圧縮空気と共に、第１ブロア３０、第２ブロア３２を低出力で駆動させて搬送を行ってもよい。
【００６０】
また、本実施形態では、外部からの需要電力ＰＷＤが最小供給出力ＰＷ２を下回ったときに、運転モードが搬送エネルギー貯留運転モードＭ２へ切り換えられたが、外部からの需要電力ＰＷＤが最小供給出力ＰＷ２よりも大きい場合でも、需要電力ＰＷＤが比較的小さく燃料電池スタック１６が高電圧となる場合に、搬送エネルギー貯留運転モードＭ２へ切り換えてもよい。この場合でも、燃料電池システム１０Ａの出力を大きくして、燃料電池スタック１６の劣化を抑制することができる。
【００６１】
また、本実施形態では、搬送補助運転モードＭ１において、第１ブロア３０、第２ブロア３２、及び、ポンプ３４のすべての駆動を補助したが、一部の搬送装置のみの駆動を補助するようにしてもよい。
【００６２】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００６３】
図４には、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１０Ｂが示されている。燃料電池システム１０Ｂは、第１実施形態で説明した燃料電池システム１０Ａと比較して、搬送エネルギー貯留部として上部水タンク２１を備えている点が主に異なっている。
【００６４】
上部水タンク２１は、気化器１２よりも上に配置されており、水を搬送エネルギー（位置エネルギー）として貯留する。上部水タンク２１は、上部水供給路Ｐ２Ｃ及びバルブ４５を介してポンプ３４の下流側に接続されている。水供給管Ｐ２は、第２水供給路Ｐ２Ｂ及びバルブ４４を備えておらず、水タンク２０からの水は、ポンプ３４によって搬送され、バルブ４５を通って気化器１２へ送出される。バルブ４５は切換弁で構成されており、第１水供給路Ｐ２Ａと気化器１２側との連通、第３水供給路Ｐ２Ｃと気化器１２側との連通、及び、第１水供給路Ｐ２Ａ、第２水供給路Ｐ２Ｃ、気化器１２側の３方の連通、の３パターンに切り換えることができる。図５に示されるように、バルブ４５は、制御部３８と接続されており、前記３パターンの切り換えが制御されている。
【００６５】
なお、本実施形態では、水タンク２０に通気弁２０Ａは設けられていない。また、水タンク２０に圧送管Ｐ９は接続されていない。  
【００６６】
次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ｂの運転モードについて説明する。
【００６７】
燃料電池システム１０Ｂでは、外部からの需要電力ＰＷＤが、最小供給出力ＰＷ２以上、且つ、最大供給出力ＰＷ１以下の場合には、通常運転モードＭ０で発電が行われる。このとき、バルブ４５は、第１水供給路Ｐ２Ａと気化器１２側とを連通させるように切り換えられている。第１ブロア３０、第２ブロア３２、及びポンプ３４の駆動、バルブ４０、４２、４６、４８の制御については、第１実施形態と同様である。
【００６８】
外部からの需要電力ＰＷＤが、最小供給出力ＰＷ２を下回ると、運転モードは、搬送エネルギー貯留運転モードＭ２に切り換えられる。搬送エネルギー貯留運転モードＭ２では、バルブ４５は、第１水供給路Ｐ２Ａ、第２水供給路Ｐ２Ｃ、気化器１２側の３方を連通させるように切り換えられる。ポンプ３４の駆動により、気化器１２へ水が送出されると共に、上部水タンク２１にも水が送出され、上部水タンク２１に水が貯留される。第１ブロア３０、第２ブロア３２の駆動、バルブ４０、４２、４６、４８の制御については、第１実施形態と同様である。
【００６９】
搬送エネルギー貯留運転モードＭ２では、圧縮ガスタンク２２へのメタンの圧縮貯留、圧縮空気タンク２４への空気の圧縮貯留、及び、上部水タンク２１への水貯留のために、第１ブロア３０、第２ブロア３２、ポンプ３４の出力は、単に、メタン、空気を燃料電池スタック１６へ送出し、水を気化器１２へ送出する場合の出力よりも大きい。搬送エネルギー貯留運転モードＭ２では、第１ブロア３０、第２ブロア３２、及びポンプ３４での消費電力合計は、搬送電力ＰＰ２よりも大きい、貯留用消費ＰＰ４となる。これにより、圧縮ガスタンク２２にメタンが圧縮貯留され、空気が圧縮空気タンク２４に圧縮貯留され、水が上部水タンク２１に貯留され、且つ、燃料電池スタック１６では発電が行われる。
【００７０】
前述のように、貯留用消費ＰＰ４は、搬送電力ＰＰ２によりも大きい。したがって、需要電力ＰＷＤが最小供給出力ＰＷ２を下回っても、燃料電池システム１０Ａの出力は、最小出力ＰＷｍｉｎよりも大きく維持でき、最小供給出力ＰＷ２よりも（ＰＰ４−ＰＰ２）低いＰＷ２”の需要電力ＰＷＤｍｉｎまで、発電を継続することができる（図６参照）。
【００７１】
外部からの需要電力ＰＷＤが、最大供給出力ＰＷ１を超えると、運転モードは、搬送補助運転モードＭ１に切り換えられる。搬送補助運転モードＭ１では、第１ブロア３０、第２ブロア３２、及びポンプ３４は、停止される。そして、バルブ４５は、第３水供給路Ｐ２Ｃと気化器１２側とが連通される。これにより、上部水タンク２１から水が流下して気化器１２へ供給される。バルブ４０、４２、４６、４８の制御については、第１実施形態と同様であり、圧縮ガスタンク２２から気化器１２へメタンが送出され、圧縮空気タンク２４からカソード１６Ｂへ空気が送出される。
【００７２】
搬送エネルギー貯留運転モードＭ２では、第１ブロア３０、第２ブロア３２、及びポンプ３４は、停止されていて、搬送電力ＰＰ１の消費はない。したがって、需要電力ＰＷＤは、最大供給出力ＰＷ１を超えても、最大出力ＰＷｍａｘよりも小さく維持でき、最大供給出力ＰＷ１よりもＰＰ１高いＰＷ２’の需要電力ＰＷＤｍａｘまで、発電を継続することができる（図４参照）。
【００７３】
なお、本発明の燃料電池としては、固体酸化物形の燃料電池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)に限られるものではなく、他の燃料電池、例えば固体高分子形燃料電池(PEFC)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)であってもよい。
【００７４】
また、本発明は、燃料電池スタック１６からのアノードオフガスを再利用する、循環式や多段式の燃料電池システムに適用することもできる。
【００７５】
さらに、本発明は、前述の第１、２実施形態に限定されず、本発明の技術的思想内で、当業者によって、既知の装置を組み合わせて実施することができる。例えば、熱交換器の設置、組み合わせなどを、種々に設定することができる。
【符号の説明】
【００７６】
１０Ａ 燃料電池システム
１０Ｂ 燃料電池システム
２１   上部水タンク（搬送エネルギー貯留部）
３０  第１ブロア（搬送装置）
３２  第２ブロア（搬送装置）
２２   圧縮ガスタンク（搬送エネルギー貯留部）
２４   圧縮空気タンク（搬送エネルギー貯留部）
３４   ポンプ（搬送装置）
ＰＷ２ 最小供給出力（最小供給出力）
ＰＷＤ  需要電力
【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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