(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料の供給を受けて電力を発生する燃料電池装置を備え、該燃料電池装置から発生された電力と外部から導入された電力の両方を同時に電気負荷に供給することが可能な燃料電池システムであって、
前記燃料電池装置は、
前記燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質器と、
生成された前記燃料ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、
を備えており、
前記燃料電池システムは、
前記燃料電池装置からの電力を前記電気負荷に供給するか、外部からの電力を前記電気負荷に供給するか、前記燃料電池装置からの電力と外部からの電力との両方を前記電気負荷に供給するか、を切り換える切換部と、
前記電気負荷に供給すべき電力を前記燃料電池装置からの電力によって賄う場合に掛かる前記燃料のコストと、前記電気負荷に供給すべき電力を外部からの電力によって賄う場合に掛かる前記電力のコストと、を算出し、これら算出したコストに基づいて、トータルコストが安くなるように、前記切換部における電力の切り換えを制御する制御部と、
を備え、
前記切換部は、
前記燃料電池装置から出力される直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ−ＡＣインバータと、
前記燃料電池装置から前記ＤＣ−ＡＣインバータを介して前記電気負荷に電力を供給するための第１の電力供給線と、
外部から前記電気負荷に電力を供給するための第２の電力供給線と、
前記第１の電力供給線上に配置され、該第１の電力供給線に対する通電／遮断を切り換える第１のスイッチと、
前記第２の電力供給線上に配置され、該第２の電力供給線に対する通電／遮断を切り換える第２のスイッチと、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの量から、前記燃料電池から出力されるべき目標電流値を算出すると共に、前記第１のスイッチを通電から遮断に、または、遮断から通電に切り換える際には、切り換え直前の所定時間、前記燃料電池から前記目標電流値に相当する電流が出力されるよう、前記ＤＣ−ＡＣインバータを制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料の供給を受けて電力を発生すると共に、電力発生時に生じた熱を廃棄する燃料電池装置を備え、該燃料電池装置から発生された電力と外部から導入された電力の両方を同時に電気負荷に供給することが可能であると共に、前記燃料電池からの廃熱を熱負荷に与えることが可能な燃料電池システムであって、
前記燃料電池装置は、
前記燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質器と、
生成された前記燃料ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、
を備え、
前記燃料電池システムは、
前記燃料電池装置からの電力を前記電気負荷に供給するか、外部からの電力を前記電気負荷に供給するか、前記燃料電池装置からの電力と外部からの電力との両方を前記電気負荷に供給するか、を切り換える切換部と、
前記電気負荷に供給すべき電力を前記燃料電池装置からの電力によって賄う場合に掛かる前記燃料のコストと、前記電気負荷に供給すべき電力を外部からの電力によって賄う場合に掛かる前記電力のコストと、前記熱負荷に与えるべき熱を前記燃料を燃焼させることによって得られる熱で賄う場合に掛かる前記燃料のコストと、前記熱負荷に与えるべき熱を前記燃料電池からの廃熱によって賄い、その不足分を前記燃料を燃焼させることによって得られる熱で賄う場合に掛かる前記燃料のコストと、をそれぞれ算出し、これら算出したコストに基づいて、トータルコストが安くなるように、前記切換部における電力の切り換えを制御する制御部と、
を備え、
前記切換部は、
前記燃料電池装置から出力される直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ−ＡＣインバータと、
前記燃料電池装置から前記ＤＣ−ＡＣインバータを介して前記電気負荷に電力を供給するための第１の電力供給線と、
外部から前記電気負荷に電力を供給するための第２の電力供給線と、
前記第１の電力供給線上に配置され、該第１の電力供給線に対する通電／遮断を切り換える第１のスイッチと、
前記第２の電力供給線上に配置され、該第２の電力供給線に対する通電／遮断を切り換える第２のスイッチと、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの量から、前記燃料電池から出力されるべき目標電流値を算出すると共に、前記第１のスイッチを通電から遮断に、または、遮断から通電に切り換える際には、切り換え直前の所定時間、前記燃料電池から前記目標電流値に相当する電流が出力されるよう、前記ＤＣ−ＡＣインバータを制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記燃料電池装置からの電力と外部からの電力のうち、何れか一方のみを前記電気負荷に供給するよう、前記切換部における電力の切り換えを制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
燃料の供給を受けて電力を発生する燃料電池装置を備え、該燃料電池装置から発生された電力と外部から導入された電力の両方を同時に電気負荷に供給することが可能な燃料電池システムにおける供給電力の切換方法であって、
前記燃料電池装置は、
前記燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質器と、
生成された前記燃料ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、
を備えており、
前記燃料電池システムは、
前記燃料電池装置からの電力を前記電気負荷に供給するか、外部からの電力を前記電気負荷に供給するか、前記燃料電池装置からの電力と外部からの電力との両方を前記電気負荷に供給するか、を切り換える切換部を備え、
前記切換部は、
前記燃料電池装置から出力される直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ−ＡＣインバータと、
前記燃料電池装置から前記ＤＣ−ＡＣインバータを介して前記電気負荷に電力を供給するための第１の電力供給線と、
外部から前記電気負荷に電力を供給するための第２の電力供給線と、
前記第１の電力供給線上に配置され、該第１の電力供給線に対する通電／遮断を切り換える第１のスイッチと、
前記第２の電力供給線上に配置され、該第２の電力供給線に対する通電／遮断を切り換える第２のスイッチと、
を備え、
前記切換方法は、
（ａ）前記電気負荷に供給すべき電力を前記燃料電池装置からの電力によって賄う場合に掛かる前記燃料のコストと、前記電気負荷に供給すべき電力を外部からの電力によって賄う場合に掛かる前記電力のコストと、を算出する工程と、
（ｂ）これら算出したコストに基づいて、トータルコストが安くなるように、前記切換部における電力の切り換えを制御する工程と、
を備え、
前記工程（ｂ）は、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの量から、前記燃料電池から出力されるべき目標電流値を算出すると共に、前記第１のスイッチを通電から遮断に、または、遮断から通電に切り換える際には、切り換え直前の所定時間、前記燃料電池から前記目標電流値に相当する電流が出力されるよう、前記ＤＣ−ＡＣインバータを制御する工程を含む、供給電力切換方法。
【請求項５】
燃料の供給を受けて電力を発生すると共に、電力発生時に生じた熱を廃棄する燃料電池装置を備え、該燃料電池装置から発生された電力と外部から導入された電力の両方を同時に電気負荷に供給することが可能であると共に、前記燃料電池からの廃熱を熱負荷に与えることが可能な燃料電池システムにおける供給電力の切換方法であって、
前記燃料電池装置は、
前記燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質器と、
生成された前記燃料ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、
を備えており、
前記燃料電池システムは、
前記燃料電池装置からの電力を前記電気負荷に供給するか、外部からの電力を前記電気負荷に供給するか、前記燃料電池装置からの電力と外部からの電力との両方を前記電気負荷に供給するか、を切り換える切換部を備え、
前記切換部は、
前記燃料電池装置から出力される直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ−ＡＣインバータと、
前記燃料電池装置から前記ＤＣ−ＡＣインバータを介して前記電気負荷に電力を供給するための第１の電力供給線と、
外部から前記電気負荷に電力を供給するための第２の電力供給線と、
前記第１の電力供給線上に配置され、該第１の電力供給線に対する通電／遮断を切り換える第１のスイッチと、
前記第２の電力供給線上に配置され、該第２の電力供給線に対する通電／遮断を切り換える第２のスイッチと、
を備え、
前記切換方法は、
（ａ）前記電気負荷に供給すべき電力を前記燃料電池装置からの電力によって賄う場合に掛かる前記燃料のコストと、前記電気負荷に供給すべき電力を外部からの電力によって賄う場合に掛かる前記電力のコストと、前記熱負荷に与えるべき熱を前記燃料を燃焼させることによって得られる熱で賄う場合に掛かる前記燃料のコストと、前記熱負荷に与えるべき熱を前記燃料電池からの廃熱によって賄い、その不足分を前記燃料を燃焼させることによって得られる熱で賄う場合に掛かる前記燃料のコストと、をそれぞれ算出する工程と、
（ｂ）これら算出したコストに基づいて、トータルコストが安くなるように、前記切換部における電力の切り換えを制御する工程と、
を備え、
前記工程（ｂ）は、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの量から、前記燃料電池から出力されるべき目標電流値を算出すると共に、前記第１のスイッチを通電から遮断に、または、遮断から通電に切り換える際には、切り換え直前の所定時間、前記燃料電池から前記目標電流値に相当する電流が出力されるよう、前記ＤＣ−ＡＣインバータを制御する工程を含む、供給電力切換方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池装置から発生された電力と外部から導入された電力の両方を同時に電気負荷に供給することが可能な燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
環境に優しく省エネルギに優れた燃料電池システムは、家庭などで使用する、小型の据え置き型発電システムとしても、利用価値が検討されている。例えば、家庭では、燃料電池の発電時に発生する熱を風呂などの給湯に利用することができるため、コジェネレーション効果によって、一層高いエネルギ効率を達成することができる。
【０００３】
このような家庭などで使用される燃料電池システムとして、現在提案されているものは、例えば、都市ガスなどの商用ガスから改質器によって水素リッチな燃料ガスを生成し、この燃料ガスと、空気などの酸化ガスを燃料電池に供給して、電気化学反応により発電するシステムである。そして、この発電により得られる電圧は、直流であるため、ＤＣ−ＡＣインバータにより交流に変換されて、エアコンや照明器具などの家庭内電気負荷に使用される。
【０００４】
また、上記したＤＣ−ＡＣインバータと家庭内電気負荷との間に、電力会社からの外線を接続することにより、燃料電池による自家発電エネルギの不足分を、この外線を介して電力会社から購入し、過剰分を、この外線を介して電力会社に販売することも可能となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような燃料電池システムを使用する場合、燃料電池によって自家発電する際のコスト（主に、ガス料金）が、電力会社から電力を購入する際のコスト（電気料金）に比べて安い場合には、ランニング利益を生む。しかし、自家発電する際のコストが安いからと言って、過剰に発電し過ぎると、過剰分を電力会社に販売することになるため、その際の販売価格が、その過剰分を発電するのに必要なガス代より安い場合には、ランニング損益を生むことになる。従って、そのような過剰分はできる限り少なくした方が、コストメリット上、好ましい。要するに、家庭内電気負荷で消費される電力に最も近い量を燃料電池によって発電し、過渡的な電力の不足分や過剰分を、電力会社からの購入や電力会社への販売によって賄うことが、システム運転の基本となる。
【０００６】
しかしながら、近い将来、このような家庭などでの燃料電池システムの利用が拡大するに連れて、燃料電池によって自家発電する際のガス料金と、電力会社から電力を購入する際の電気料金と、が拮抗することが予測される。そのような場合には、燃料電池による自家発電と電力会社からの電力の購入とを時々刻々切り換えて行うことが、トータルのランニングコストを抑えることになる。しかし、具体的に、どのように切り換えていくかが課題となる。
【０００７】
従って、本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、トータルのランニングコストを最適に抑えることが可能な燃料電池システムを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の第１の燃料電池システムは、燃料の供給を受けて電力を発生する燃料電池装置を備え、該燃料電池装置から発生された電力と外部から導入された電力の両方を同時に電気負荷に供給することが可能な燃料電池システムであって、
前記燃料電池装置からの電力と外部からの電力とを切り換えて、両者のうち、少なくとも一方を前記電気負荷に供給する切換部と、
前記電気負荷に供給すべき電力を前記燃料電池装置からの電力によって賄う場合に掛かる前記燃料のコストと、前記電気負荷に供給すべき電力を外部からの電力によって賄う場合に掛かる前記電力のコストと、を算出し、これら算出したコストに基づいて、トータルコストが安くなるように、前記切換部における電力の切り換えを制御する制御部と、
を備えることを要旨とする。
【０００９】
また、本発明の第１の供給電力切換方法は、燃料の供給を受けて電力を発生する燃料電池装置を備え、該燃料電池装置から発生された電力と外部から導入された電力の両方を同時に電気負荷に供給することが可能な燃料電池システムにおける供給電力の切換方法であって、
（ａ）前記電気負荷に供給すべき電力を前記燃料電池装置からの電力によって賄う場合に掛かる前記燃料のコストと、前記電気負荷に供給すべき電力を外部からの電力によって賄う場合に掛かる前記電力のコストと、を算出する工程と、
（ｂ）これら算出したコストに基づいて、トータルコストが安くなるように、前記燃料電池装置からの電力と外部からの電力とを切り換えて、両者のうち、少なくとも一方を前記電気負荷に供給する工程と、
を備えることを要旨とする。
【００１０】
このように、第１の燃料電池システムまたは供給電力切換方法では、まず、電気負荷に供給すべき電力を燃料電池装置からの電力によって賄う場合に掛かる燃料のコストと、外部からの電力によって賄う場合に掛かる電力のコストと、を算出し、次に、算出したコストに基づいて、トータルコストが安くなるように、燃料電池装置からの電力と外部からの電力とを切り換えて、両者のうち、少なくとも一方を電気負荷に供給するようにしている。
【００１１】
従って、第１の燃料電池システムまたは供給電力切換方法によれば、時々刻々、トータルコストがより安くなるように、電力の供給源が選択できるため、トータルのランニングコストを最適に抑えることが可能となる。また、このような電力の切り換えは、自動的に行なわれるため、ユーザは切り換えを気にすることなく、電力を使用することができ、省労力を実現することができる。
【００１２】
本発明の第２の燃料電池システムは、燃料の供給を受けて電力を発生すると共に、電力発生時に生じた熱を廃棄する燃料電池装置を備え、該燃料電池装置から発生された電力と外部から導入された電力の両方を同時に電気負荷に供給することが可能であると共に、前記燃料電池からの廃熱を熱負荷に与えることが可能な燃料電池システムであって、
前記燃料電池装置からの電力と外部からの電力とを切り換えて、両者のうち、少なくとも一方を前記電気負荷に供給する切換部と、
前記電気負荷に供給すべき電力を前記燃料電池装置からの電力によって賄う場合に掛かる前記燃料のコストと、前記電気負荷に供給すべき電力を外部からの電力によって賄う場合に掛かる前記電力のコストと、前記熱負荷に与えるべき熱を前記燃料を燃焼させることによって得られる熱で賄う場合に掛かる前記燃料のコストと、前記熱負荷に与えるべき熱を前記燃料電池からの廃熱によって賄い、その不足分を前記燃料を燃焼させることによって得られる熱で賄う場合に掛かる前記燃料のコストと、をそれぞれ算出し、これら算出したコストに基づいて、トータルコストが安くなるように、前記切換部における電力の切り換えを制御する制御部と、
を備えることを要旨とする。
【００１３】
本発明の第２の供給電力切換方法は、燃料の供給を受けて電力を発生すると共に、電力発生時に生じた熱を廃棄する燃料電池装置を備え、該燃料電池装置から発生された電力と外部から導入された電力の両方を同時に電気負荷に供給することが可能であると共に、前記燃料電池からの廃熱を熱負荷に与えることが可能な燃料電池システムにおける供給電力の切換方法であって、
（ａ）前記電気負荷に供給すべき電力を前記燃料電池装置からの電力によって賄う場合に掛かる前記燃料のコストと、前記電気負荷に供給すべき電力を外部からの電力によって賄う場合に掛かる前記電力のコストと、前記熱負荷に与えるべき熱を前記燃料を燃焼させることによって得られる熱で賄う場合に掛かる前記燃料のコストと、前記熱負荷に与えるべき熱を前記燃料電池からの廃熱によって賄い、その不足分を前記燃料を燃焼させることによって得られる熱で賄う場合に掛かる前記燃料のコストと、をそれぞれ算出する工程と、
（ｂ）これら算出したコストに基づいて、トータルコストが安くなるように、前記燃料電池装置からの電力と外部からの電力とを切り換えて、両者のうち、少なくとも一方を前記電気負荷に供給する工程と、
を備えることを要旨とする。
【００１４】
このように、第２の燃料電池システムまたは供給電力切換方法では、まず、電気負荷に供給すべき電力を燃料電池装置からの電力によって賄う場合に掛かる燃料のコストと、外部からの電力によって賄う場合に掛かる電力のコストと、熱負荷に与えるべき熱を燃料を燃焼させることによって得られる熱で賄う場合に掛かる燃料のコストと、燃料電池からの廃熱によって賄い、その不足分を燃料を燃焼させることによって得られる熱で賄う場合に掛かる燃料のコストと、をそれぞれ算出し、次に、これら算出したコストに基づいて、トータルコストが安くなるように、燃料電池装置からの電力と外部からの電力とを切り換えて、両者のうち、少なくとも一方を電気負荷に供給するようにしている。
【００１５】
従って、第２の燃料電池システムまたは供給電力切換方法においても、時々刻々、トータルコストがより安くなるように、電力の供給源が選択できるため、トータルのランニングコストを最適に抑えることが可能となる。また、このような電力の切り換えは、自動的に行なわれるため、ユーザは切り換えを気にすることなく、電力を使用することができ、省労力を実現することができる。さらに、燃料電池からの廃熱を熱負荷に与えるなど、コジェネレーションも積極的に考慮しているので、システム全体のエネルギ効率を向上させることができる。
【００１６】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池装置からの電力と外部からの電力のうち、何れか一方のみを前記電気負荷に供給するよう、前記切換部における電力の切り換えを制御することが好ましい。
【００１７】
このように、電力の切り換えを制御することにより、切り換えの仕方が簡素化されるため、制御方法が複雑化しなくて済む。
【００１８】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池装置は、
前記燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質器と、
生成された前記燃料ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、
を備えることが好ましい。
【００１９】
このように、改質器を利用することにより、燃料として、商用ガスなどを利用して、燃料電池による発電を行なうことができる。
【００２０】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記切換部は、
前記燃料電池装置から出力される直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ−ＡＣインバータと、
前記燃料電池装置から前記ＤＣ−ＡＣインバータを介して前記電気負荷に電力を供給するための第１の電力供給線と、
外部から前記電気負荷に電力を供給するための第２の電力供給線と、
前記第１の電力供給線上に配置され、該第１の電力供給線に対する通電／遮断を切り換える第１のスイッチと、
前記第２の電力供給線上に配置され、該第２の電力供給線に対する通電／遮断を切り換える第２のスイッチと、
を備え、
前記制御部は、前記ＤＣ−ＡＣインバータ、並びに前記第１および第２のスイッチを制御することが好ましい。
【００２１】
このように構成することによって、ＤＣ−ＡＣインバータを制御することにより、燃料電池装置からの出力電流を確実に制御できると共に、第１および第２のスイッチを制御することによって、燃料電池装置からの電力と外部からの電力とを容易に切り換えることができる。
【００２２】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池装置は、
前記燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質器と、
生成された前記燃料ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、
を備えると共に、前記切換部は、
前記燃料電池装置から出力される直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ−ＡＣインバータと、
前記燃料電池装置から前記ＤＣ−ＡＣインバータを介して前記電気負荷に電力を供給するための第１の電力供給線と、
外部から前記電気負荷に電力を供給するための第２の電力供給線と、
前記第１の電力供給線上に配置され、該第１の電力供給線に対する通電／遮断を切り換える第１のスイッチと、
前記第２の電力供給線上に配置され、該第２の電力供給線に対する通電／遮断を切り換える第２のスイッチと、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの量から、前記燃料電池から出力されるべき目標電流値を算出すると共に、前記第１のスイッチを通電から遮断に、または、遮断から通電に切り換える際には、切り換え直前の所定時間、前記燃料電池から前記目標電流値に相当する電流が出力されるよう、前記ＤＣ−ＡＣインバータを制御することが好ましい。
【００２３】
このように制御することによって、第１のスイッチが通電から遮断に切り換える際に、改質器で生成された燃料ガスが、燃料電池で消費されずに大気中に流出してしまうのを防ぐことができると共に、エネルギ効率の低下を抑えることができる。また、第１のスイッチが遮断から通電に切り換える際に、改質器で生成された分だけ、燃料ガスを燃料電池において過不足なく消費して、発電動作を行うので、分極反応を生じさせることなく、徐々に定常状態に近づけることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．実施例の構成：
Ｂ．各構成要素の機能および動作：
Ｃ．制御部による制御内容：
Ｄ．変形例：
Ｄ−１．変形例１：
Ｄ−２．変形例２：
Ｄ−３．その他の変形例：
【００２５】
Ａ．実施例の構成：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図１に示す燃料電池システムは、家庭などで使用可能な燃料電池システムであって、燃料として商用ガスである都市ガスを用い、その都市ガスから水素リッチな燃料ガスを生成し、この生成した燃料ガスを利用して発電を行い、家庭内の電気負荷に電力を供給すると共に、発電の際に発生した熱を風呂などの給湯に利用して、コジェネレーション効果を得ている。
【００２６】
この燃料電池システムは、主として、都市ガスと水から水素リッチな燃料ガスを生成する改質器１００と、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて電気化学反応により起電力を発生する燃料電池２００と、電力会社からの電力と燃料電池２００からの電力とを切り換えるインバータＢＯＸ３００と、ＣＰＵなどで構成される制御部６００と、を備えている。なお、改質器１００と燃料電池２００とで、燃料電池装置７００を構成している。
【００２７】
このうち、改質器１００は、都市ガスおよび水の供給を受けてこれらを気化・昇温させる蒸発部１０２と、蒸発部１０２で要する熱を発生する燃焼部１０４と、燃焼部１０４で発生した熱を蒸発部１０２に伝える熱交換器１０６と、改質反応により燃料ガスを生成する改質部１０８と、改質部１０８で生成された燃料ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）濃度を酸化反応により低減するＣＯ酸化部１１０と、を備えている。
【００２８】
燃料電池２００は、燃料ガスが供給される水素極２０２と、酸化ガスが供給される酸素極２０４と、を備えている。また、インバータＢＯＸ３００は、燃料電池２００からの直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ−ＡＣインバータ３０２と、燃料電池２００からの電力の通電／遮断を切り換えるリレースイッチＡと、電力会社からの電力の通電／遮断を切り換えるリレースイッチＢと、を備えている。
【００２９】
その他、蒸発部１０２には、商用ガスである都市ガスを供給するためのガス流路５２と、外部から水を供給するための水流路５４が接続されている。ガス流路５２には、流量制御弁５８と、流量センサ６０が設けられており、水流路５４には、流量制御弁６２と、流量センサ６４が設けられている。また、燃焼部１０４には、燃焼燃料を供給するための燃焼燃料流路５６が接続されており、その燃焼燃料流路５６には、流量制御弁６６が設けられている。
【００３０】
また、燃焼部１０４，改質部１０８，ＣＯ酸化部１１０および燃料電池２００には、酸化ガスである空気を圧縮して供給するブロア１１６，１１２，１１４および２０６がそれぞれ接続されている。
【００３１】
また、インバータＢＯＸ３００の入力には、燃料電池２００からの出力線と、電力会社からの外線が接続されており、その出力は電力センサ４０２を介して家庭内電気負荷４００に接続されている。なお、家庭内電気負荷４００としては、エアコン，電気ファンヒータ，冷蔵庫，電子レンジ，電気炊飯器，洗濯機，電気乾燥機，照明器具，掃除機などが挙げられる。
【００３２】
また、家庭内には、家庭内電気負荷４００の他に、風呂，床暖房などの給湯対象５００が存在する。この給湯対象５００には、ガス給湯器５０４からの給湯と熱交換器５０２からの給湯が可能となっている。ガス給湯器５０４には、商用ガスである都市ガスを供給するためのガス流路５０６が接続されており、熱交換器５０２には、燃料電池２００から導かれた冷却水路２０８が接続されている。
【００３３】
Ｂ．各構成要素の機能および動作：
流量制御弁５８および流量制御弁６２は、それぞれ、図示せざる制御線によって制御部６００に接続されており、制御部６００からの制御信号に基づいて、蒸発部１０２に供給される都市ガス量および水の量を調節する。また、流量センサ６０および流量センサ６４は、それぞれ、図示せざる検出線を介して制御部６００に接続されており、蒸発部１０２に実際に供給されている都市ガス量および水の量を検出して、その検出結果を制御部６００に送信する。
【００３４】
蒸発部１０２は、水流路５４を介して供給される水を気化させて、ガス流路５２を介して供給される都市ガスと混合し、都市ガスと水蒸気とから成る原燃料ガスを生成し、これを所定の温度に昇温して、改質部１０８に供給する。
【００３５】
また、蒸発部１０２には、都市ガスおよび水を気化・昇温させるための熱源として、内部に燃焼触媒を備えた燃焼部１０４が併設されている。この燃焼部１０４には、燃焼燃料流路５６を介して燃焼燃料が供給されると共に、併設されたブロワ１１６によって酸化ガスである空気が供給される。流量制御弁６６は、図示せざる制御線によって制御部６００に接続されており、制御部６００からの制御信号に基づいて、燃焼部１０４に供給される燃焼燃料の量を調節する。
【００３６】
燃焼部１０４では、燃焼燃料が供給されると、この燃料と空気とを用いて触媒上で燃焼反応が進行し、所望の熱を発生する。燃焼部１０４と蒸発部１０２との間には熱交換器１０６が設けられており、この熱交換器１０６によって燃焼部１０４で発生した熱が蒸発部１０２に伝えられる。なお、燃焼部１０４に供給される燃焼燃料としては、商用ガスである都市ガスを用いても良いし、後述する燃料電池２００から排出される燃料オフガスを用いても良い。
【００３７】
改質部１０８は、内部に改質触媒を備えており、供給された都市ガスと水蒸気とから成る原燃料ガスを水蒸気改質反応によって改質して、水素リッチな燃料ガスを生成し、ＣＯ酸化部１１０に供給する。都市ガスの主成分はメタンであり、改質触媒としては、例えば、ニッケル触媒を用いることができる。水蒸気改質反応は、式（１）に従って起こる。
【００３８】
ＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ  →  ４Ｈ2＋ＣＯ2                （１）
【００３９】
このように、改質部１０８では、水蒸気改質反応によって水素リッチな燃料ガスを生成しているが、改質部１０８には、さらに、併設されたブロワ１１２によって、酸化ガスである空気が供給されており、都市ガス（メタン）の部分酸化反応によっても、水素の生成がなされている。この場合、水蒸気改質反応で要する熱を、部分酸化反応で生じる熱によって賄うことが可能となる。
【００４０】
ＣＯ酸化部１１０は、改質部１０８で生成された燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減して、燃料電池２００に供給する。改質部１０８で生成された燃料ガスは、所定量の一酸化炭素を含有しており、燃料電池２００にこのまま供給されると、燃料ガス中の一酸化炭素によって触媒が被毒して、電気化学反応が阻害されるからである。ＣＯ酸化部１１０で進行する反応は、燃料ガス中に豊富に含まれる水素に優先して、一酸化炭素を酸化する一酸化炭素選択酸化反応である。このため、ＣＯ酸化部１１０には、併設されたブロア１１４によって、酸化ガスである空気が供給されていると共に、一酸化炭素の選択酸化触媒である白金触媒、ルテニウム触媒、パラジウム触媒、金触媒、あるいはこれらを第１元素とした合金触媒を担持した担体が充填されている。
【００４１】
燃料電池２００は、改質器１００から水素リッチな燃料ガスの供給を受けると共に、併設されたブロア２０６によって酸化ガスである空気の供給を受けて、水素極２０２と酸素極２０４において、下記に示すような反応式に従って、電気化学反応を起こし、電力を発生させる。
【００４２】
即ち、水素極２０２に水素リッチな燃料ガスが、酸素極２０４に酸化ガスである空気がそれぞれ供給されると、水素極側では式（２）の反応が、酸素極側では式（３）の反応がそれぞれ起こり、燃料電池全体としては、式（４）の反応が行なわれる。
【００４３】
Ｈ2  →  ２Ｈ+＋２ｅ-                               （２）
２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ              （３）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ                       （４）
【００４４】
また、燃料電池２００は、複数の単セルが積層されたスタック構造となっており、１つの単セルは、電解質膜（図示せず）と、それを両側から挟み込む拡散電極である水素極２０２及び酸素極２０４と、さらにそれらを両側から挟み込む２枚のセパレータ（図示せず）と、で構成されている。セパレータの両面には、凹凸が形成されており、挟み込んだ水素極２０２と酸素極２０４との間で、単セル内ガス流路を形成している。このうち、水素極２０２との間で形成される単セル内ガス流路には、前述したごとく供給された燃料ガスが、酸素極２０４との間で形成される単セル内ガス流路には、酸化ガスが、それぞれ流れている。そして、上記電気化学反応に供された燃料ガスおよび酸化ガスは、オフガスとして排出される。また、数層毎に、単セルと単セルとの間には冷却水路が形成されており、その中に冷却水を流すことによって、上記した電気化学反応等で生じた熱を取り除いている。
【００４５】
燃料電池２００で発生される電圧は直流電圧であるのに対し、家庭内電気負荷４００で用いられる電圧は交流電圧である。そのため、燃料電池２００と家庭内電気負荷４００との間には、ＤＣ−ＡＣインバータ３０２が設けられており、これによって、燃料電池２００で発生された直流電圧を交流電圧に変換している。
【００４６】
燃料電池２００からＤＣ−ＡＣインバータ３０２を介して入力された電力は、リレースイッチＡを介して、家庭内電気負荷４００に供給される。また、燃料電池２００からの電力の他に、電力会社から外線を介して電力が入力されており、この電力は、リレースイッチＢを介して、家庭内電気負荷４００に供給される。
リレースイッチＡ，Ｂは、それぞれ、図示せざる制御線を介して制御部６００に接続されており、制御部６００からの制御信号に基づいて、ＯＮ／ＯＦＦが切り換えられる。
【００４７】
インバータＢＯＸ３００と家庭内電気負荷４００との間に設けられた電力センサ４０２は、図示せざる検出線を介して制御部６００に接続されており、家庭内電気負荷４００で消費される電力を検出して、その検出結果を制御部６００に送信する。
【００４８】
一方、熱交換器５０２には、燃料電池２００から冷却水路２０８を介して、暖められた冷却水が供給されている。熱交換器５０２では、その冷却水に燃料電池２００によって捨てられた廃熱を回収し、その回収した熱を利用して、風呂などの給湯対象５００に対して給湯を行う。
【００４９】
また、ガス給湯器５０４には、ガス流路５０６を介して都市ガスが供給されており、その都市ガスを燃焼させることによって、給湯対象５００に対して給湯を行う。
【００５０】
制御部６００は、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ（図示せず）や、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ（図示せず）や、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ（図示せず）や、流量センサ６０，６４および電力センサ４０２等の各種センサからの検出結果などを入力すると共に、ＣＰＵでの演算結果に応じて既述した各ブロワや流量制御弁などの制御対象に制御信号を出力する入出力ポートなどを備えている。制御部６００は、このように各種の信号を入出力することによって、燃料電池システム全体の運転状態を制御する。
【００５１】
以上のように、本実施例の燃料電池システムは、家庭内電気負荷４００に対しては、燃料電池２００による自家発電によって得られる電力と、電力会社から購入して得られる電力と、をリレースイッチＡ，Ｂによって切り換えて供給することができるようになっている。また、給湯対象５００に対しては、都市ガスを用いて給湯ができる他、燃料電池２００からの廃熱を利用して給湯ができるようにもなっている。
【００５２】
Ｃ．制御部による制御内容：
本実施例では、このような燃料電池システムにおいて、制御部６００が、電力供給に掛かるコストの他、給湯に掛かるコストも考慮した上で、トータルコストが有利になるように、リレースイッチＡ，Ｂを切り換えるようにしている。なお、制御部６００がリレースイッチＡ，Ｂを切り換える際には、一方のリレースイッチをＯＮしたときには、他方のリレースイッチはＯＦＦするように切り換える。
【００５３】
図２および図３は図１の燃料電池システムにおける制御部６００の制御手順を示すフローチャートである。図２における丸Ａは、図３における丸Ａに続いている。図２および図３に示す制御ルーチンは、制御部６００によって一定時間毎に繰り返される。
【００５４】
図２に示す制御ルーチンが開始されると、制御部６００は、家庭内での電力消費に掛かるコストを求めるために、まず、家庭内電気負荷４００で消費される電力を、電力会社からの購入によって賄うと仮定した場合のコストを求める（ステップＳ１０２）。具体的には、以下の処理を行う。
【００５５】
即ち、まず、制御部６００は、電力センサ４０２からの検出結果を入力して、家庭内電気負荷４００で消費される電力：Ｕｋｉ［ｋＷ］を、サンプル時間：ＤＴ（＝１ｓｅｃ）毎に測定し、式（５）に従って、サンプル６０点を積分することで、過去１分間の使用電力量：Ｘｋ［ｋＷｈ］を算出する。
【００５６】
Ｘｋ［ｋＷｈ］＝Σ（Ｕｋｉ×ＤＴ）              （５）
【００５７】
次に、制御部６００は、この過去１分間の使用電力量Ｘｋ［ｋＷｈ］を、電力会社から購入によって賄う場合のコスト：Ｃｅ［円］を、式（６）に従って算出する。
【００５８】
Ｃｅ［円］＝Ｋｅ１＋Ｋｅ２×Ｘｋ              （６）
【００５９】
ここで、Ｋｅ１は、過去１分間の電気の基本料金に相当する定数であり、Ｋｅ２は、電気の従量料金単価に相当する係数である。
【００６０】
こうして、電力会社からの購入によって電力を賄うと仮定した場合のコストを求めることができる。
【００６１】
次に、制御部６００は、家庭内電気負荷４００で消費される電力を、燃料電池２００による自家発電によって賄うと仮定した場合のコストを求める（ステップＳ１０４）。具体的には、以下の処理を行う。
【００６２】
即ち、まず、制御部６００は、家庭内電気負荷４００で消費される電力：Ｕｋ［ｋＷ］を賄うために、燃料電池２００から出力すべき電流：Ｉｆｃ［Ａ］を、式（７）に従って算出する。
【００６３】
Ｉｆｃ［Ａ］＝Ｋｄｃａｃ×Ｕｋ／Ｖｆｃ          （７）
【００６４】
ここで、ＫｄｃａｃはインバータＢＯＸ３００内のＤＣ−ＡＣインバータ３０２の変換効率などを含む定数であり、Ｖｆｃ［Ｖ］は燃料電池２００から出力される電圧である。なお、この出力電圧は電圧センサ（図示せず）によって検出された値であっても良いし、近似的な名目上の定数であっても良い。
【００６５】
次に、制御部６００は、前述した燃料電池２００における反応式（２）を基に、燃料電池２００から、この算出した電流：Ｉｆｃ［Ａ］を出力させるのに必要な水素量：Ｆｈ［ｍｏｌ／ｓ］を計算する。具体的には、式（８）に従って算出する。
【００６６】
Ｆｈ［ｍｏｌ／ｓ］＝Ｉｆｃ×Ｋｆｃｈ／（２×Ｆ）          （８）
【００６７】
ここで、Ｆはファラデ定数であり、Ｋｆｃｈは燃料電池２００における水素利用率の逆数である。
【００６８】
次に、制御部６００は、前述した改質器１００における反応式（１）を基に、この算出した水素量：Ｆｈ［ｍｏｌ／ｓ］を改質器１００で生成させるのに必要なメタン流量：Ｆｍ［ｍｏｌ／ｓ］を計算する。具体的には、式（９）に従って算出する。
【００６９】
Ｆｍ［ｍｏｌ／ｓ］＝Ｆｈ／４          （９）
【００７０】
次に、制御部６００は、この算出したメタン流量：Ｆｍ［ｍｏｌ／ｓ］を改質器１００で使用させるために、改質器１００に供給すべき都市ガスの流量：Ｆｋ［ｍｏｌ／ｓ］は、式（１０）に従って算出する。
【００７１】
Ｆｋ［ｍｏｌ／ｓ］＝Ｋｍ２ｋ×Ｆｍ          （１０）
【００７２】
都市ガスには、一般に天然ガスが用いられており、或る一定の割合で窒素が混入されている。従って、この窒素分を考慮して補正するために、式（９）では、係数としてＫｍ２ｋが掛けられている。
【００７３】
こうして、制御部６００は、サンプル時間：ＤＴ（＝１ｓｅｃ）毎に、改質器１００に供給すべき都市ガスの流量：Ｆｋｉ［ｍｏｌ／ｓ］を算出し、式（１１）に従って、サンプル６０点を積分することで、過去１分間の使用ガス量：Ｖｋ［ｍ3］を算出する。
【００７４】
Ｖｋ［ｍ3］＝Ｋｍ２ｖ×Σ（Ｆｋｉ×ＤＴ）            （１１）
【００７５】
ここで、Ｋｍ２ｖは、モル数を標準状態（２０℃，１気圧）の容積に変換するための係数である。
【００７６】
即ち、この算出した過去１分間の使用ガス量Ｖｋ［ｍ3］が、改質器１００で都市ガスを改質し燃料電池２００で自家発電を行うことによって、前述した過去１分間の使用電力量Ｘｋ［ｋＷｈ］を賄うのに必要となるガス量である。
そこで、次に、制御部６００は、この算出した過去１分間の使用ガス量Ｖｋ［ｍ3］から、都市ガスを用いて燃料電池２００による自家発電を行うことにより、過去１分間の使用電力量Ｘｋ［ｋＷｈ］を賄う場合のコスト：Ｃｇ［円］を、式（１２）に従って算出する。
【００７７】
Ｃｇ［円］＝Ｋｇ１＋Ｋｇ２×Ｖｋ              （１２）
【００７８】
ここで、Ｋｇ１は、過去１分間のガスの基本料金に相当する定数であり、Ｋｇ２は、ガスの従量料金単価に相当する係数である。
【００７９】
こうして、燃料電池による自家発電によって電力を賄うと仮定した場合のコストを求めることができる。
【００８０】
次に、制御部６００は、現在、家庭内で、風呂などの給湯対象５００に給湯がされているか否かを判定し（ステップＳ１０６）、給湯がされていない場合には、給湯に掛かるコストを考慮しなくて良いため、ステップＳ１０８の処理に進み、給湯がされている場合には、給湯に掛かるコストを考慮する必要があるため、ステップＳ１１４に進む。
【００８１】
ステップＳ１０８では、制御部６００は、ステップＳ１０２で求めた電力会社からの購入によって賄うと仮定した場合のコスト（過去１分間のコスト：Ｃｅ［円］）と、ステップＳ１０４で求めた燃料電池２００による自家発電によって賄うと仮定した場合のコスト（過去１分間のコスト：Ｃｇ［円］）と、を比較して、後者（自家発電）のコストＣｇ［円］の方が、前者（電力会社からの購入）のコストＣｅ［円］よりも安い場合には、式（１３）に従って、燃料電池側のリレースイッチＡに対応するリレーフラッグＲＬＹａをＯＮにし、外線側のリレースイッチＢに対応するリレーフラッグＲＬＹｂをＯＦＦにする（ステップＳ１１０）。
【００８２】
IF  Ｃｅ≧Ｃｇ  THEN  ＲＬＹａ＝ＯＮ，ＲＬＹｂ＝ＯＦＦ      （１３）
【００８３】
反対に、前者（電力会社からの購入）のコストＣｅ［円］の方が、後者（自家発電）のコストＣｇ［円］よりも安い場合には、式（１４）に従って、燃料電池側のリレースイッチＡに対応するリレーフラッグＲＬＹａをＯＦＦにし、外線側のリレースイッチＢに対応するリレーフラッグＲＬＹｂをＯＮにする（ステップＳ１１２）。
【００８４】
IF  Ｃｅ＜Ｃｇ  THEN  ＲＬＹａ＝ＯＦＦ，ＲＬＹｂ＝ＯＮ      （１４）
【００８５】
但し、この時点では、制御部６００は、リレースイッチＡ，Ｂの切り換えを行わない。
【００８６】
以上が、家庭内で給湯がされていない場合の処理である。なお、この処理が終了したら、図２の丸Ａに続く図３の丸Ａ以降の処理に進む。
【００８７】
一方、家庭内で給湯がされている場合には、制御部６００は、家庭内での給湯に掛かるコストを求めるために、まず、都市ガスのみを利用することによって給湯を行う（具体的には、ガス給湯器５０４のみによって給湯を行う）と仮定した場合のコストを求める（ステップＳ１１４）。このように、都市ガスのみを利用して給湯を行う場合とは、燃料電池２００が自家発電を行っておらず、燃料電池２００の廃熱を利用できない場合（コジェネレーションがない場合）、即ち、上記した、家庭内電気負荷４００での消費電力を電力会社からの購入によって賄う場合に相当する。制御部６００は、具体的には、以下の処理を行う。
【００８８】
制御部６００は、まず、給湯に必要な熱量：Ｈｂ［ｋｃａｌ／ｓ］を取得し、この熱量Ｈｂ［ｋｃａｌ／ｓ］を都市ガスの利用のみによって賄う場合の、給湯に必要な都市ガスの流量：Ｆｂ［ｍｏｌ／ｓ］を、式（１５）に従って算出する。
【００８９】
Ｆｂ［ｍｏｌ／ｓ］＝Ｋｈ２ｆ×Ｈｂ                （１５）
【００９０】
ここで、Ｋｈ２ｆは、都市ガスの主成分であるメタンの燃焼熱、ガス給湯器５０４の熱交換率などから成る変換係数である。
【００９１】
なお、給湯に必要な熱量Ｈｂ［ｋｃａｌ／ｓ］は、図示せざる温度センサからの検出結果や、蓄積された過去のデータなどに基づいて取得する。
【００９２】
こうして、制御部６００は、サンプル時間：ＤＴ（＝１ｓｅｃ）毎に、給湯に必要な都市ガスの流量：Ｆｂｉ［ｍｏｌ／ｓ］を算出し、式（１６）に従って、サンプル６０点を積分することで、過去１分間の使用ガス量（給湯のみ）：Ｖｂ［ｍ3］を算出する。
【００９３】
Ｖｂ［ｍ3］＝Ｋｍ２ｖ×Σ（Ｆｂｉ×ＤＴ）            （１６）
【００９４】
ここで、Ｋｍ２ｖは、前述したとおり、モル数を標準状態（２０℃，１気圧）の容積に変換するための係数である。
【００９５】
次に、制御部６００は、この算出した過去１分間の使用ガス量（給湯のみ）Ｖｂ［ｍ3］から、都市ガスのみを利用して、過去１分間、給湯を行う場合のコスト：Ｃｇｂ［円］を、式（１７）に従って算出する。
【００９６】
Ｃｇｂ［円］＝Ｋｇ１＋Ｋｇ２×Ｖｂ              （１７）
【００９７】
ここで、Ｋｇ１は、前述したとおり、過去１分間のガスの基本料金に相当する定数であり、Ｋｇ２は、ガスの従量料金単価に相当する係数である。
【００９８】
こうして、都市ガスのみを利用することによって給湯を行うと仮定した場合のコストを求めることができる。
【００９９】
次に、制御部６００は、燃料電池２００からの廃熱を少なくとも利用することによって給湯を行うと仮定した場合（コジェネレーションがある場合）のコストを求める（ステップＳ１１６）。このように、燃料電池２００からの廃熱を利用して給湯を行う場合とは、家庭内電気負荷４００での消費電力を、燃料電池２００による自家発電によって賄う場合に相当し、燃料電池２００からの廃熱のみを利用して給湯を行う（具体的には、熱交換器５０２のみによって給湯を行う）場合と、燃料電池２００からの廃熱を利用する他、都市ガスも利用して給湯を行う（即ち、熱交換器５０２とガス給湯器５０４の両方によって給湯を行う）場合と、に分けられる。制御部６００は、具体的には、以下の処理を行う。
【０１００】
即ち、まず、制御部６００は、式（１８）に示すように、前述のステップＳ１０４において算出した燃料電池２００の出力電流Ｉｆｃ［Ａ］に基づいて、予めＲＯＭ（図示せず）に格納されているマップから、回収熱量：Ｈｒｅｃ［ｋｃａｌ／ｓ］を求める。
【０１０１】
Ｈｒｅｃ［ｋｃａｌ／ｓ］＝ＭＡＰ（Ｉｆｃ）            （１８）
【０１０２】
ここで、Ｈｒｅｃは、冷却水に燃料電池２００によって捨てられた廃熱を、熱交換器５０２で回収した際の回収熱量である。この回収熱量Ｈｒｅｃは、燃料電池２００の出力電流Ｉｆｃ［Ａ］と、例えば、図４に示すような相関がある。
【０１０３】
次に、制御部６００は、給湯に必要な熱量：Ｈｂ［ｋｃａｌ／ｓ］を取得し、この熱量Ｈｂ［ｋｃａｌ／ｓ］を都市ガスの利用と燃料電池２００からの廃熱の利用とによって賄う場合の、給湯に必要な都市ガスの流量：Ｆｂｃ［ｍｏｌ／ｓ］を、式（１９）に従って算出する。
【０１０４】
但し、Ｈｂ≦Ｈｒｅｃの場合、給湯に必要な熱量Ｈｂは燃料電池２００の廃熱から回収した熱量Ｈｒｅｃによって全て賄うことができるので、給湯のために、都市ガスを利用する必要がない。そのため、給湯に必要な都市ガスの流量Ｆｂｃは、０となる。
【０１０５】
反対に、Ｈｂ＞Ｈｒｅｃの場合、給湯に必要な熱量Ｈｂは燃料電池２００の廃熱から回収した熱量Ｈｒｅｃだけでは不足するのて、都市ガスを用いて熱量を補う必要がある。そのため、給湯に必要な都市ガスの流量Ｆｂｃは、式（１９）に従う。
【０１０６】
Ｆｂｃ［ｍｏｌ／ｓ］＝Ｋｈ２ｆ×（Ｈｂ−Ｈｒｅｃ）          （１９）
【０１０７】
ここで、Ｋｈ２ｆは、前述したとおり、都市ガスの主成分であるメタンの燃焼熱、ガス給湯器５０４の熱交換率などから成る変換係数である。
【０１０８】
こうして、制御部６００は、サンプル時間：ＤＴ（＝１ｓｅｃ）毎に、給湯に必要な都市ガスの流量：Ｆｂｃｉ［ｍｏｌ／ｓ］を算出し、式（２０）に従って、サンプル６０点を積分することで、過去１分間の使用ガス量（給湯のみ）：Ｖｂｃ［ｍ3］を算出する。
【０１０９】
Ｖｂｃ［ｍ3］＝Ｋｍ２ｖ×Σ（Ｆｂｃｉ×ＤＴ）            （２０）
【０１１０】
ここで、Ｋｍ２ｖは、前述したとおり、モル数を標準状態（２０℃，１気圧）の容積に変換するための係数である。
【０１１１】
次に、制御部６００は、この算出した過去１分間の使用ガス量（給湯のみ）Ｖｂｃ［ｍ3］から、都市ガスと燃料電池２００からの廃熱を利用して、過去１分間、給湯を行う場合のコスト：Ｃｇｂｃ［円］を、式（２１）に従って算出する。
【０１１２】
Ｃｇｂｃ［円］＝Ｋｇ１＋Ｋｇ２×Ｖｂｃ              （２１）
【０１１３】
ここで、Ｋｇ１は、前述したとおり、過去１分間のガスの基本料金に相当する定数であり、Ｋｇ２は、ガスの従量料金単価に相当する係数である。
【０１１４】
こうして、燃料電池２００からの廃熱を少なくとも利用することによって給湯を行うと仮定した場合のコストを求めることができる。
【０１１５】
以上の通り、家庭内で給湯がされている場合、次の２つの利用形態が考えられる。即ち、１つ目は、家庭内電気負荷４００での電力消費を、電力会社からの購入によって賄い、給湯対象５００への給湯を都市ガスのみを利用することによって行う形態、即ち、コジェネレーションがない場合の形態である。また、２つ目は、家庭内電気負荷４００での電力消費を、燃料電池２００による自家発電によって賄い、給湯対象５００への給湯を燃料電池２００からの廃熱を少なくとも利用することによって行う形態、即ち、コジェネレーションがある場合の形態である。
【０１１６】
前者の利用形態の場合に掛かるコストは、ステップＳ１０２で求めた電力会社からの購入によって賄うと仮定した場合のコスト（過去１分間のコスト：Ｃｅ［円］）と、ステップＳ１１４で求めた都市ガスのみを利用して給湯を行うと仮定した場合のコスト（過去１分間分のコスト：Ｃｇｂ［円］）と、の和Ｃｅ＋Ｃｇｂ［円］である。一方、後者の利用形態の場合に掛かるコストは、ステップＳ１０４で求めた燃料電池２００による自家発電によって賄うと仮定した場合のコスト（過去１分間のコスト：Ｃｇ［円］）と、ステップＳ１１６で求めた燃料電池２００からの廃熱を少なくとも利用して給湯を行うと仮定した場合のコスト（過去１分間分のコスト：Ｃｇｂｃ［円］）と、の和Ｃｇ＋Ｃｇｂｃ［円］である。
【０１１７】
そこで、制御部６００は、前者の利用形態の場合に掛かるコスト（過去１分間のコスト：Ｃｅ＋Ｃｇｂ［円］）と、後者の利用形態の場合に掛かるコスト（過去１分間のコスト：Ｃｇ＋Ｃｇｂｃ［円］）と、を比較して、後者の利用形態（自家発電など）の場合に掛かるコストＣｇ＋Ｃｇｂｃ［円］の方が、前者の利用形態（電力会社からの購入など）の場合に掛かるコストＣｅ＋Ｃｇｂ［円］よりも安い場合には、式（２２）に従って、燃料電池側のリレースイッチＡに対応するリレーフラッグＲＬＹａをＯＮにし、外線側のリレースイッチＢに対応するリレーフラッグＲＬＹｂをＯＦＦにする（ステップＳ１２０）。
【０１１８】
IF  Ｃｅ＋Ｃｇｂ≧Ｃｇ＋Ｃｇｂｃ  THEN  ＲＬＹａ＝ＯＮ，ＲＬＹｂ＝ＯＦＦ
（２２）
【０１１９】
反対に、前者の利用形態（電力会社からの購入など）の場合に掛かるコストＣｅ＋Ｃｇｂ［円］の方が、後者の利用形態（自家発電など）の場合に掛かるコストＣｇ＋Ｃｇｂｃ［円］よりも安い場合には、式（２３）に従って、燃料電池側のリレースイッチＡに対応するリレーフラッグＲＬＹａをＯＦＦにし、外線側のリレースイッチＢに対応するリレーフラッグＲＬＹｂをＯＮにする（ステップＳ１２２）。
【０１２０】
IF  Ｃｅ＋Ｃｇｂ＜Ｃｇ＋Ｃｇｂｃ  THEN  ＲＬＹａ＝ＯＦＦ，ＲＬＹｂ＝ＯＮ
（２３）
【０１２１】
但し、この時点では、制御部６００は、リレースイッチＡ，Ｂの切り換えを行わない。
【０１２２】
以上が、家庭内で給湯がされている場合の処理である。なお、この処理が終了したら、図２の丸Ａに続く図３の丸Ａ以降の処理に進む。
【０１２３】
ところで、一般に、燃料電池システムにおいては、改質器の応答が燃料電池のそれよりも約１０倍遅いと言う特徴がある。このため、例えば、運転中の燃料電池システムを急停止させる場合、インバータによる燃料電池からの電流の引き抜きを急停止することは可能であるが、改質器においては、都市ガスの供給を急停止しても、改質反応はしばらく（数秒）持続するため、その間に生成された燃料ガス（水素を含む）を大気中に廃棄せざるを得ず、エネルギ効率が低下してしまうという問題があった。逆に、停止している燃料電池システムを起動する場合、燃料電池において急激に発電しようとしても、改質器での燃料ガスの生成が間に合わず、この状態で、インバータにより燃料電池から電流を引こうとすると、燃料電池において分極反応が顕著に現れ、燃料電池の出力電圧が急激に低下するという問題があった。
【０１２４】
前者の問題は、図１に示す燃料電池システムにおいては、リレースイッチＡをＯＮからＯＦＦに切り換えた際に、後者の問題は、リレースイッチＡをＯＦＦからＯＮに切り換えた際に、それぞれ、生じる恐れがある。そこで、本実施例においては、以下に述べるとおり、燃料電池２００に供給される水素量から、ＤＣ−ＡＣインバータ３０２の目標電流値を算出し、リレースイッチＡのＯＮ／ＯＦＦを切り換える際に、その目標電流値を用いてＤＣ−ＡＣインバータ３０２の協調制御を行うようにしている。以下、制御部６００の具体的に処理について説明する。
【０１２５】
即ち、図３に示す制御ルーチンでは、まず、制御部６００は、燃料電池２００に供給される水素量から、ＤＣ−ＡＣインバータ３０２の目標電流値を求める（ステップＳ１２４）。具体的には、以下の通りとなる。
【０１２６】
制御部６００は、まず、流量センサ６０の検出結果から、都市ガス流量の計測値：Ｆｋ［ｍｏｌ／ｓ］を取得し、その値から、改質器モデルを用いて、燃料電池２００に供給される水素量の推定値：Ｆｈｅｓｔ［ｍｏｌ／ｓ］を算出する。
例えば、改質器１００を「１次遅れ＋むだ時間」系で表すとすると、上記推定値Ｆｈｅｓｔ［ｍｏｌ／ｓ］は、式（２４）の如くになる。
【０１２７】
Ｆｈｅｓｔ［ｍｏｌ／ｓ］＝ｅｘｐ（τｋ×Ｓ）／（Ｔｋ×Ｓ＋１）×Ｆｋ
（２４）
【０１２８】
ここで、τｋ，Ｔｋは改質器１００のむだ時間，時定数であり、Ｓはラプラス演算子である。
【０１２９】
なお、式（２４）は、いわゆる開ループ推定であるが、精度をさらに上げるために、カルマンフィルタ等を用いて、閉ループ推定としても良い。
【０１３０】
次に、制御部６００は、算出した水素量の推定値Ｆｈｅｓｔ［ｍｏｌ／ｓ］に対して、この水素量が燃料電池２００に供給され、燃料電池２００において、その水素量が過不足なく消費されて、適切に発電が行われた場合の、燃料電池２００の出力電流Ｉｆｃ［Ａ］を、式（８）を逆算することによって求め、その値をＤＣ−ＡＣインバータ３０２の目標電流値：Ｉｉｎｖ［Ａ］とする。即ち、ＤＣ−ＡＣインバータ３０２によって、燃料電池２００から目標電流値Ｉｉｎｖ［Ａ］分、電流を引くことにより、燃料電池２００では、供給された上記水素量Ｆｈｅｓｔ［ｍｏｌ／ｓ］が過不足なく消費されて発電されることになる。
【０１３１】
ＤＣ−ＡＣインバータ３０２の目標電流値Ｉｉｎｖ［Ａ］は、具体的には、式（２５）の如くになる。
【０１３２】
Ｉｉｎｖ［Ａ］＝Ｆｈｅｓｔ×（２×Ｆ）／Ｋｆｃｈ          （２５）
【０１３３】
次に、制御部６００は、リレースイッチＡ，ＢのＯＮ／ＯＦＦ状態と、リレーフラッグＲＬＹａ，ＲＬＹｂのＯＮ／ＯＦＦ状態を、それぞれ確認する（ステップＳ１２６）。そして、確認の結果、リレースイッチＡがＯＮであり、かつ、リレーフラッグＲＬＹａがＯＦＦであるならば（ステップＳ１２８）、リレースイッチＡのＯＮからＯＦＦへの切換処理を許可して（ステップＳ１３０）、図３に示す制御ルーチンを抜ける。また、リレースイッチＡがＯＦＦであり、かつ、リレーフラッグＲＬＹａがＯＮであるならば（ステップＳ１３２）、リレースイッチＡのＯＦＦからＯＮへの切換処理を許可して（ステップＳ１３２）、図３に示す制御ルーチンを抜ける。さらに、上記以外の場合には、そのまま図３に示す制御ルーチンを抜ける。以上で、図３に示す制御ルーチンの説明を終了する。
【０１３４】
次に、図５はリレースイッチＡのＯＮからＯＦＦへの切換処理の処理手順を示すフローチャートである。
【０１３５】
リレースイッチＡのＯＮからＯＦＦへの切換処理が許可された場合、制御部６００は、一定時間毎に繰り返される図２および図３に示す制御ルーチンと並行して、図５に示す切換処理を開始する。まず、制御部６００は、流量制御弁５８を制御して、改質器１００への都市ガスの供給を停止する（ステップＳ２０２）。次に、制御部６００は、図３のステップＳ１２４の処理が繰り返される毎に、算出される目標電流値Ｉｉｎｖ［Ａ］に基づいて、ＤＣ−ＡＣインバータ３０２の協調制御を行う（ステップＳ２０４）。即ち、制御部６００は、燃料電池２００から目標電流値Ｉｉｎｖ［Ａ］に相当する電流を出力電流として引き出すように、ＤＣ−ＡＣインバータ３０２を制御する。そして、都市ガスの供給停止から所定時間経過後、制御部６００は、ＤＣ−ＡＣインバータ３０２の協調制御を終了し、リレースイッチＡをＯＮからＯＦＦへ切り換えると同時に、リレースイッチＢをＯＦＦからＯＮへ切り換える（ステップＳ２０６）。こうして、リレースイッチＡのＯＮからＯＦＦへの切換処理を終了する。
【０１３６】
この場合のタイミングチャートを図６に示す。図６において、（ａ）は改質器１００に対する都市ガスの供給／停止状態を示し、（ｂ）はリレースイッチＡのＯＮ／ＯＦＦ状態を示し、（ｃ）はＤＣ−ＡＣインバータ３０２の目標電流値Ｉｉｎｖを示す。なお、横軸は時間である。
【０１３７】
図６に示すように、改質器１００への都市ガスの供給を停止した後、目標電流値Ｉｉｎｖに従ってＤＣ−ＡＣインバータ３０２の協調制御を行い、目標電流値Ｉｉｎｖが少なくなった所定時間経過後に、リレースイッチＡをＯＮからＯＦＦに切り換える。
【０１３８】
このように、リレースイッチＡのＯＮからＯＦＦへの切り換え時に、ＤＣ−ＡＣインバータ３０２の協調制御を行うことにより、改質器１００への都市ガスの供給を停止した後、改質器１００において、しばらく改質反応が持続し、燃料ガスが生成されても、その燃料ガスを燃料電池２００において過不足なく消費して、徐々に発電動作を終了することになるので、燃料ガスを大気中に廃棄することなく、エネルギ効率を向上させることができる。
【０１３９】
次に、図７はリレースイッチＡのＯＦＦからＯＮへの切換処理の処理手順を示すフローチャートである。
【０１４０】
反対に、リレースイッチＡのＯＦＦからＯＮへの切換処理が許可された場合には、制御部６００は、一定時間毎に繰り返される図２および図３に示す制御ルーチンと並行して、図７に示す切換処理を開始する。まず、制御部６００は、流量制御弁５８を制御して、改質器１００への都市ガスの供給を開始する（ステップＳ３０２）。次に、制御部６００は、図３のステップＳ１２４の処理が繰り返される毎に、算出される目標電流値Ｉｉｎｖ［Ａ］に基づいて、上述したと同様のＤＣ−ＡＣインバータ３０２の協調制御を行う（ステップＳ３０４）。そして、都市ガスの供給開始から所定時間経過したら、制御部６００は、ＤＣ−ＡＣインバータ３０２の協調制御を終了し、リレースイッチＡをＯＦＦからＯＮへ切り換えると同時に、リレースイッチＢをＯＮからからＯＦＦへ切り換える（ステップＳ３０６）。こうして、リレースイッチＡのＯＦＦからＯＮへの切換処理を終了する。
【０１４１】
この場合のタイミングチャートを図８に示す。図８において、（ａ）は改質器１００に対する都市ガスの供給／停止状態を示し、（ｂ）はリレースイッチＡのＯＮ／ＯＦＦ状態を示し、（ｃ）はＤＣ−ＡＣインバータ３０２の目標電流値Ｉｉｎｖを示す。なお、横軸は時間である。
【０１４２】
図８に示すように、改質器１００への都市ガスの開始を停止した後、目標電流値Ｉｉｎｖに従ってＤＣ−ＡＣインバータ３０２の協調制御を行い、目標電流値Ｉｉｎｖが上昇してきた所定時間経過後に、リレースイッチＡをＯＦＦからＯＮに切り換える。
【０１４３】
このように、リレースイッチＡのＯＦＦからＯＮへの切り換え時に、ＤＣ−ＡＣインバータ３０２の協調制御を行うことにより、改質器１００への都市ガスの供給開始後、改質器１００で生成された分だけ、燃料ガスを燃料電池２００において過不足なく消費して、発電動作を行うので、分極反応を生じさせることなく、徐々に定常状態に近づけることができる。
【０１４４】
以上説明したように、本実施例によれば、時々刻々、トータルコストがより安くなるように、燃料電池２００からの電力か、電力会社からの電力かを切り換えて、電力の供給源を選択できるため、トータルのランニングコストを最適に抑えることが可能となる。また、このような電力の切り換えは、自動的に行なわれるため、ユーザは切り換えを気にすることなく、電力を使用することができ、省労力を実現することができる。またさらに、燃料電池２００からの廃熱を給湯に利用するなど、コジェネレーションも積極的に考慮しているので、システム全体のエネルギ効率を向上させることができる。
【０１４５】
なお、本発明は上記した実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。
【０１４６】
Ｄ．変形例：
Ｄ−１．変形例１：
上記した実施例においては、制御部６００は、リレースイッチＡ，Ｂを切り換える際には、一方のリレースイッチをＯＮしたときには、他方のリレースイッチはＯＦＦするように切り換えていた。しかしながら、リレースイッチＡがＯＮで、燃料電池２００による自家発電によって得られた電力を家庭内電気負荷４００に供給している場合に、電気負荷の急増が起こり、かつ、改質器１００における燃料ガスの生成が追いつかない場合（過渡最悪ケース）、過渡的に、電力会社から外線を介して電力の供給を受けて、不足分を補い必要がある。そこで、そのような制御を付加した変形例について、説明する。
【０１４７】
この変形例では、制御部６００は、リレースイッチＡがＯＮである時、必要に応じて、リレースイッチＢをＯＮする。
【０１４８】
図９はこの変形例における制御部６００の制御手順の主要部を示すフローチャートである。図９に示す処理は、図２および図３の制御ルーチンの最後尾に追加される。
【０１４９】
図９に示すように、制御部６００は、図３のステップＳ１２６で確認した結果、リレースイッチＡがＯＮである場合（ステップＳ１３６）に、図２のステップＳ１０４中で算出した、家庭内電気負荷４００での消費電力を賄うために燃料電池２００から出力すべき電流Ｉｆｃ［Ａ］、即ち、要求値と、図３のステップＳ１２４中で算出した、供給された水素量が過不足なく消費されて適切に発電が行われた場合の燃料電池２００の出力電流（ＤＣ−ＡＣインバータ３０２の目標電流値）Ｉｉｎｖ［Ａ］、即ち、実現可能値と、の差を求め、その差（Ｉｆｃ−Ｉｉｎｖ）がしきい値Ｋｔｈより大きいか否かを判定する（ステップＳ１３８）。ここで、Ｋｔｈは、リレースイッチＡがＯＮの時に、リレースイッチＢのＯＮを許可するためのしきい値である。
【０１５０】
そして、判定の結果、差（Ｉｆｃ−Ｉｉｎｖ）がしきい値Ｋｔｈより大きい場合、即ち、燃料電池２００の出力電流の要求値Ｉｆｃが、実現可能値Ｉｉｎｖに比べて大き過ぎる場合、電気負荷が急増して、それに対して改質器１００での燃料ガスの生成が追いついていない（つまり、過渡最悪ケース）と判断して、制御部６００は、リレースイッチＢをＯＮにする（ステップＳ１４０）。
【０１５１】
それ以外の場合には、制御部６００は、何もしないで、図２および図３の制御ルーチンをそのまま抜ける。
【０１５２】
このような制御を行うことによって、電気負荷の急増が起こり、かつ、改質器１００における燃料ガスの生成が追いつかない場合（過渡最悪ケース）でも、電力会社から電力の供給を受けて、不足分を補うことができる。また、図５のステップＳ２０４で行う協調制御時に、過渡的に、燃料電池２００による発電能力が足りなくなった場合でも、安定運転を確保することができる。
【０１５３】
Ｄ−２．変形例２：
上記した実施例においては、図３のステップＳ１２４において、ＤＣ−ＡＣインバータ３０２の目標電流値Ｉｉｎｖ［Ａ］を求める際、流量センサ６０の検出結果である、都市ガス流量の計測値Ｆｋから、燃料電池２００に供給される水素量を推定したが、改質器１００から燃料電池２００に至るガス流路中（好ましくは、燃料電池２００の燃料ガスに、所望のセンサを設けて、燃料電池２００に供給される水素量を直接計測するようにしても良い。その場合、制御部６００は、その計測値：Ｆｈｍｅｓ［ｍｏｌ／ｓ］から、式（２６）に従って、ＤＣ−ＡＣインバータ３０２の目標電流値Ｉｉｎｖ［Ａ］を求めるようにする。
【０１５４】
Ｉｉｎｖ［Ａ］＝Ｆｈｍｅｓ×（２×Ｆ）／Ｋｆｃｈ          （２６）
【０１５５】
このような方法を用いることにより、より精度よく、ＤＣ−ＡＣインバータ３０２の目標電流値Ｉｉｎｖ［Ａ］を求めることができる。
【０１５６】
Ｄ−３．その他の変形例：
上記した実施例では、熱負荷として、給湯対象を例として挙げたが、風呂などの場合、給湯を熱交換器５０２，ガス給湯器５０４で行う他、追い炊きをガス釜で行う場合も考えられる。このような場合にも、本発明は当然に適用可能である。
【０１５７】
また、燃料電池装置７００に供給する燃料としては、商用ガスである都市ガスやプロパンガスの他、エタノール，メタノールなどのアルコールや、ガソリン，灯油などの石油系燃料や、アルデヒド，エーテルなども含まれる。
【０１５８】
また、本発明の燃料電池システムは、家庭用のみならず、オフィスやコンビニエンスストアなど事業用としても、利用可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】図１の燃料電池システムにおける制御部６００の制御手順の前半部分を示すフローチャートである。
【図３】図１の燃料電池システムにおける制御部６００の制御手順の後半部分を示すフローチャートである。
【図４】図１における燃料電池２００の出力電流Ｉｆｃと熱交換器５０２での回収熱量Ｈｒｅｃとの相関関係を示すグラフである。
【図５】図１におけるリレースイッチＡのＯＮからＯＦＦへの切換処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図６】図１におけるリレースイッチＡのＯＮからＯＦＦへ切り換える際の改質器１００に対する都市ガスの供給／停止状態、リレースイッチＡのＯＮ／ＯＦＦ状態、およびＤＣ−ＡＣインバータ３０２の目標電流値Ｉｉｎｖを示すタイミングチャートである。
【図７】図１におけるリレースイッチＡのＯＦＦからＯＮへの切換処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図８】図１におけるリレースイッチＡのＯＦＦからＯＮへ切り換える際の改質器１００に対する都市ガスの供給／停止状態、リレースイッチＡのＯＮ／ＯＦＦ状態、およびＤＣ−ＡＣインバータ３０２の目標電流値Ｉｉｎｖを示すタイミングチャートである。
【図９】変形例における制御部６００の制御手順の主要部を示すフローチャートである。
【符号の説明】
５２…ガス流路
５４…水流路
５６…燃焼燃料流路
５８…流量制御弁
６０…流量センサ
６２…流量制御弁
６４…流量センサ
６６…流量制御弁
１００…改質器
１０２…蒸発部
１０４…燃焼部
１０６…熱交換器
１０８…改質部
１１０…ＣＯ酸化部
１１２…ブロワ
１１４…ブロア
１１６…ブロア
２００…燃料電池
２０２…水素極
２０４…酸素極
２０６…ブロア
２０８…冷却水路
３００…インバータＢＯＸ
３０２…ＤＣ−ＡＣインバータ
４００…家庭内電気負荷
４０２…電力センサ
５００…給湯対象
５０２…熱交換器
５０４…ガス給湯器
５０６…ガス流路
６００…制御部
７００…燃料電池装置
Ａ…リレースイッチ
Ｂ…リレースイッチ
【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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