JP3999513B2 - 燃料電池発電システムおよびその運転方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電システムおよびその運転方法に関し、詳しくは、炭化水素系燃料を用いて発電した電力を他系統電源と共に負荷に供給可能な燃料電池発電システムおよびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池発電システムとしては、商用電源への逆潮流防止のために燃料電池出力を負荷消費電力に一致させるものが提案されている（例えば、特開２００１−６８１２５号公報など）。この燃料電池発電システムでは、都市ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する改質器と、供給された燃料ガスを用いて発電する燃料電池と、燃料電池からの直流電力を１４０Ｖに昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータと１４０Ｖの直流電力をＡＣ１００Ｖに変換するインバータとを備え、インバータからのＡＣ１００Ｖを商用電源から負荷への電力供給ラインに供給できるようになっている。このシステムでは、商用電源への電力の供給、即ち逆潮流を防止するために、コントローラによってインバータからのＡＣ１００Ｖ電力が負荷の消費電力以下となるよう制御しており、燃料電池からの余剰電力は加熱ヒータにより水を加熱することに用い、加熱された水を貯湯槽に蓄えて、システム全体としての効率の向上を図っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした燃料電池発電システムでは、燃料電池の一定運転を長時間にわたって行なうため、燃料電池からの余剰電力が多くなりすぎて、システムの効率を低下させる場合が生じる。また、負荷の消費電力に追従できるように燃料電池を可変運転することも考えられるが、燃料電池に燃料ガスを供給する改質器も可変運転する必要から、改質器における改質率の低下や燃料電池における水素利用率の低下によるシステム全体の効率を招いてしまう。
【０００４】
本発明の燃料電池発電システムおよびその運転方法は、負荷変動に追従することを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池発電システムおよびその運転方法は、他系統電源への逆潮流を生じないようにすることを目的の一つとする。本発明の燃料電池発電システムおよびその運転方法は、システムの効率を向上させることを目的の一つとする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池発電システムおよびその運転方法は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００６】
本発明の燃料電池発電システムは、
燃料の供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池からの直流電力を交流電力に変換可能なインバータとを備え、該変換した電力を他系統電源から負荷への電力供給ラインに供給可能な燃料電池発電システムであって、
前記負荷の消費電力を検出する消費電力検出手段と、
該検出された消費電力が所定時間継続して予め設定された複数の運転モードのうちのいずれかの運転モードに対応する電力範囲内になったときに該対応する運転モードを設定する運転モード設定手段と、
該設定された運転モードに対応する燃料の供給量で前記燃料電池を運転する燃料電池運転手段と、
前記設定された運転モードに対応すると共に前記他系統電源に調和する電力が前記電力供給ラインに供給されるよう前記インバータを制御する供給電力制御手段と、
を備えることを要旨とする。
【０００７】
この本発明の燃料電池発電システムでは、負荷の消費電力が所定時間継続して予め設定された複数の運転モードのうちのいずれかの運転モードに対応する電力範囲内になったときに対応する運転モードを設定し、この設定された運転モードに対応する燃料の供給量で燃料電池を運転する。そして、燃料電池からの直流電力が設定された運転モードに対応すると共に負荷に電力供給が行なわれる他系統電源に調和する電力としてこの他系統電源から負荷への電力供給ラインに供給されるようインバータを制御する。この結果、多段的に負荷変動に追従することができると共にシステムの効率を向上させることができる。また、運転モードの頻繁な変更を抑止することができる。
【０００９】
また、本発明の燃料電池発電システムにおいて、前記供給電力制御手段は、前記検出された消費電力以下の電力が前記電力供給ラインに供給されるよう制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、他系統電源への逆潮流を防止することができる。
【００１０】
さらに、本発明の燃料電池システムにおいて、定常運転されているときには前記インバータへの入力電流が一定となるよう電流制御を行なう電流制御手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池を安定して運転できると共にインバータによる電力の変換も安定して行なうことができる。
【００１１】
あるいは、本発明の燃料電池発電システムにおいて、前記複数の運転モードは高中低の３段であるものとすることもできる。こうすれば、高中低の３段の運転モードで負荷変動に追従することができる。
【００１２】
また、本発明の燃料電池発電システムにおいて、炭化水素系燃料を水素リッチな燃料に改質して前記燃料電池に供給される燃料として供給する改質部を備え、前記燃料電池運転手段は、前記設定された運転モードに対応する前記炭化水素系燃料の供給量で前記改質部を運転することにより前記燃料電池を運転する手段であるものとすることもできる。こうすれば、炭化水素系燃料を用いて発電することができる。ここで、改質部は、水素の存在下で一酸化炭素を優先して酸化する一酸化炭素低減部を備えるものを含むものとすることもできる。
【００１３】
この改質部を備える態様の本発明の燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池運転手段は、運転モードの変更に伴って前記炭化水素系燃料の供給量を減少するときには直ちに変更された運転モードに対応する供給量となるよう前記炭化水素系燃料の供給量を減少し、運転モードの変更に伴って前記炭化水素系燃料の供給量を増加するときには前記炭化水素系燃料の供給量を減少するときに比して緩やかな変化をもって変更された運転モードに対応する供給量となるよう前記炭化水素系燃料の供給量を増加する手段であるものとすることもできる。
【００１４】
この炭化水素系燃料の供給量の増加を緩やかに行なう態様の本発明の燃料電池発電システムにおいて、前記運転モード設定手段は、異なる運転モードを設定したときには、前記燃料電池運転手段による前記改質部への前記炭化水素系燃料の供給量が該設定した異なる運転モードに対応する供給量となるまで運転モードの設定を行なわない手段であるものとすることもできる。こうすれば、運転モードの過渡時における運転モードの変更を抑止することができる。
【００１５】
また、炭化水素系燃料の供給量の増加を緩やかに行なう態様の本発明の燃料電池発電システムにおいて、前記供給電力制御手段は、前記運転モード設定手段により異なる運転モードが設定されたときには、前記燃料電池運転手段による前記改質部への前記炭化水素系燃料の供給量の変化に応じて前記電力供給ラインに供給する電力が変化するよう制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、システムを安定して運転することができる。
【００１６】
改質部を備える態様の本発明の燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池運転手段は、前記炭化水素系燃料と前記燃料電池から排出される排ガスとを前記改質部の加熱用燃料として用いて該改質部を運転する手段であるものとすることもできる。こうすれば、システム全体の効率を向上させることができる。この態様の本発明の燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池からの排ガス中の水素が所定量以上のときに該排ガスの少なくとも一部を燃焼可能な排ガス燃焼手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、所定量以上の水素が排ガスに含まれるときには、排ガス燃焼手段により燃焼することができる。
【００１７】
改質部を備える態様の本発明の燃料電池発電システムにおいて、前記炭化水素系燃料は都市ガスまたはプロパンガスであるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池システムを一般家庭に設置して用いるのに適したものとすることができる。
【００１８】
本発明の燃料電池発電システムにおいて、少なくとも前記燃料電池からの熱を用いて加温される水を貯湯する貯湯手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池からの熱を利用することができるから、システムのエネルギー効率を向上させることができる。なお、燃料電池からの熱以外の熱をも用いるものとしてもよいのは勿論である。
【００１９】
本発明の燃料電池発電システムの運転方法は、
燃料の供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池からの直流電力を所望の電力に変換可能なインバータとを備え、該変換した電力を他系統電源から負荷への電力供給ラインに供給可能な燃料電池発電システムの運転方法であって
（ａ）前記負荷の消費電力を検出し、
（ｂ）該検出された消費電力が所定時間継続して予め設定された複数の運転モードのうちのいずれかの運転モードに対応する電力範囲内になったときに該対応する運転モードを設定し、
（ｃ）該設定された運転モードに対応する燃料の供給量で前記燃料電池を運転し、
（ｄ）前記設定された運転モードに対応すると共に前記他系統電源に調和する電力が前記電力供給ラインに供給されるよう前記インバータを制御する
ことを要旨とする。
【００２０】
この本発明の燃料電池発電システムの運転方法によれば、負荷の消費電力が所定時間継続して予め設定された複数の運転モードのうちのいずれかの運転モードに対応する電力範囲内になったときに対応する運転モードを設定すると共にこの設定された運転モードに対応する燃料の供給量で燃料電池を運転し、燃料電池からの直流電力が設定された運転モードに対応すると共に負荷に電力供給が行なわれる他系統電源に調和する電力としてこの他系統電源から負荷への電力供給ラインに供給されるようインバータを制御するから、システムを多段的に負荷変動に追従させることができると共にシステムの効率を向上させることができる。また、運転モードの頻繁な変更を抑止することができる。
【００２２】
また、本発明の燃料電池発電システムの運転方法において、前記ステップ（ｄ）は、前記検出された消費電力以下の電力が前記電力供給ラインに供給されるよう制御するステップであるものとすることもできる。こうすれば、他系統電源への逆潮流を防止することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である燃料電池発電システム２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の燃料電池発電システム２０は、図示するように、ガス配管２２から都市ガス（１３Ａ）の供給を受けて都市ガスを水素リッチな改質ガスに改質する改質器３０と、改質ガス中の一酸化炭素を低減して燃料ガスとするＣＯ選択酸化部３４と、燃料ガスと空気との供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池４０と、燃料電池４０の冷却水と貯湯槽４４の低温水との熱交換を行なう熱交換器４２と、燃料電池４０からの直流電力の電圧および電流を調整して所望の直流電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ５２と、変換された直流電力を商用電源１０と同位相の交流電力に変換して商用電源１０から遮断器１４を介して負荷１６へ電力を供給する電力ライン１２に遮断器５５を介して供給するインバータ５４と、電圧または電流が調整された直流電力の一部を降圧して補機電源として機能するＤＣ／ＤＣコンバータ５６と、負荷１６で消費する負荷電力を検出する負荷電力計５８と、システム全体をコントロールする電子制御ユニット６０とを備える。
【００２４】
改質器３０は、ガス配管２２から調節弁２４と昇圧ポンプ２６と硫黄分を除く脱硫器２７とを介して供給される都市ガスと図示しない配管により供給される水蒸気とによる次式（１）および次式（２）の水蒸気改質反応およびシフト反応により水素リッチな改質ガスを生成する。改質器３０には、こうした反応に必要な熱を供給する燃焼部３２が設けられており、燃焼部３２にはガス配管２２から調節弁２４と昇圧ポンプ２８とを介して都市ガスが供給されるようになっている。また、燃焼部３２には、燃料電池４０のアノード側の排出ガスが供給され、アノードオフガス中の未反応の水素を燃料として用いることができるようになっている。なお、アノードオフガス中の水素量が所定量より多いときには、バルブ４７およびバルブ４８の操作によりアノードオフガスの一部または全部を燃焼器４９に導いて燃焼して排気できるようになっている。
【００２５】
【数１】
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2 （１）
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2 （２）
【００２６】
ＣＯ選択酸化部３４は、図示しない配管による空気の供給を受けて水素の存在下で一酸化炭素を選択して酸化する一酸化炭素選択酸化触媒（例えば白金とルテニウムの合金による触媒）により、改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化して一酸化炭素濃度が極めて低い（実施例では数ｐｐｍ程度）水素リッチな燃料ガスとする。
【００２７】
燃料電池４０は、電解質膜とこの電解質膜を狭持するアノード電極およびカソード電極とこのアノード電極およびカソード電極に燃料ガスと空気とを供給すると共にセル間の隔壁をなすセパレータとからなる単セルを複数積層してなる固体高分子型の燃料電池として構成されており、ＣＯ選択酸化部３４からの燃料ガス中の水素とブロア４１からの空気中の酸素とによる電気化学反応によって発電する。燃料電池４０には循環する冷却水の流路が形成されており、冷却水を循環させることによって適温（実施例では、８０〜９０℃程度）に保持される。この冷却水の循環流路には、熱交換器４２が設けられており、燃料電池４０の冷却水との熱交換により貯湯槽４４からポンプ４６により供給される低温水が加温されて貯湯槽４４に貯湯されるようになっている。
【００２８】
燃料電池４０の図示しない出力端子は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２，インバータ５４，遮断器５５を介して商用電源１０から負荷１６への電力ライン１２に接続されており、燃料電池４０からの直流電力が商用電源１０と同位相の交流電力に変換されて商用電源１０からの交流電力に付加されて負荷１６に供給できるようになっている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５２やインバータ５４は、一般的なＤＣ／ＤＣコンバータ回路やインバータ回路として構成されているから、その詳細な説明は省略する。なお、負荷１６は、遮断器１８を介して電力ライン１２に接続されている。
【００２９】
ＤＣ／ＤＣコンバータ５２の出力側から分岐した電力ラインには、調節弁２４のアクチュエータや昇圧ポンプ２６，２８，ブロア４１，ポンプ４６などの補機に直流電力を供給する直流電源として機能するＤＣ／ＤＣコンバータ５６が接続されている。
【００３０】
電子制御ユニット６０は、ＣＰＵ６２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ６２の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ６４と、データを一時的に記憶するＲＡＭ６６と、図示しない入出力ポートおよび通信ポートとを備える。電子制御ユニット６０には、図示しないインバータ５４内の電流センサや電圧センサからの出力電流ｉや電圧Ｖ，負荷電力計５８からの負荷電力Ｐｏ，改質器３０やＣＯ選択酸化部３４，燃料電池４０に取り付けられた図示しない温度センサからの各温度などが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット６０からは、調節弁２４のアクチュエータや昇圧ポンプ２６，２８，ブロア４１，循環ポンプ４３，ポンプ４６などへの駆動信号や燃焼部３２への点火信号，バルブ４７，４８への駆動信号、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２やＤＣ／ＤＣコンバータ５６への制御信号，インバータ５４へのスイッチング制御信号，遮断器５５への駆動信号などが出力ポートを介して出力されている。
【００３１】
次に、こうして構成された燃料電池発電システム２０の動作、特に負荷１６の消費電力の変化に伴うシステムの動作について説明する。図２はシステムの運転モードを設定する際に電子制御ユニット６０により実行される運転モード処理ルーチンの一例を示すフローチャートであり、図３はインバータ５４からの出力を決定する際に電子制御ユニット６０により実行される出力制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。まず、運転モード設定処理ルーチンについて説明し、その後、出力制御ルーチンについて説明する。なお、両ルーチンは、燃料電池発電システム２０が起動されてから所定時間毎（例えば８ｍｓｅｃ毎）に繰り返し実行される。
【００３２】
運転モード設定処理ルーチンが実行されると、電子制御ユニット６０のＣＰＵ６２は、まず、現在の運転モードＭと負荷電力計５８からの負荷電力Ｐｏとを読み込む処理を実行する（ステップＳ１００）。現在の運転モードＭは、前回以前にこのルーチンにより設定されたときにＲＡＭ６６の所定アドレスに書き込まれた運転モードＭを読み込む処理となる。続いて、現在、運転モードが変更中であるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。システム全体の運転は、運転モードが設定されても直ちに設定された運転モードに対応するものとならず、設定された運転モードに移行する過渡時を有する。これは、主に改質器３０の過渡応答が遅いために生じる。改質器３０では、都市ガスの供給量の増加を伴う運転モードの変更は、供給量の増加を徐変して行なうため、運転モードに対応する供給量になるまでに時間を要し、都市ガスの供給量の減少を伴う運転モードの変更は、直ちに設定された運転モードに対応する供給量に変更されるため、応答遅れはほとんど生じない。したがって、運転モードの変更中が問題となるのは、都市ガスの供給量の増加を伴う運転モードの変更のときとなる。実施例では、こうした運転モードの変更中か否かについては、都市ガスの改質器３０への供給量が設定された運転モードに対応する供給量になっているか否かにより判定している。運転モードの変更中と判定されたときには、変更中の運転モードの設定は行なわないようにするために、何もせずに本ルーチンを終了する。
【００３３】
運転モードの変更中ではないと判定されると、読み込んだ負荷電力Ｐｏが属する運転モードＭｐを判定する（ステップＳ１０４）。実施例では、運転モードとしては、Ｈｉｇｈモード，Ｍｉｄモード，Ｌｏｗモードの３段階のモードが設定されており、各モードに対応してインバータ５４から電力ライン１２に出力される出力電力Ｐｉｈ，Ｐｉｍ，Ｐｉｌが設定されている。負荷電力Ｐｏが属する運転モードＭｐの判定は、負荷電力Ｐｏと各モードに対応して設定されている出力電力Ｐｉとの比較により行なわれ、実施例では、負荷電力ＰｏがＨｉｇｈモードに対応する出力電力Ｐｉｈ以上のときにはＨｉｇｈモードと判定し、負荷電力ＰｏがＭｉｄモードに対応する出力電力Ｐｉｍ以上で出力電力Ｐｉｈ未満のとにきはＭｉｄモードと判定し、負荷電力Ｐｏが出力電力Ｐｉｍ未満のときにはＬｏｗモードと判定する。
【００３４】
こうして負荷電力Ｐｏが属する運転モードＭｐを判定すると、判定した運転モードＭｐが現在の運転モードＭに一致するか否かを判定し（ステップＳ１０６）、運転モードＭｐが現在の運転モードＭに一致するときには、運転モードの変更の必要性がないと判断して本ルーチンを終了する。一方、運転モードＭｐが現在の運転モードＭに一致しないときには、この運転モードＭｐを前回このルーチンが実行されたときの運転モードＭｐと比較し（ステップＳ１０８）、運転モードＭｐが前回の運転モードＭｐと異なるときには、タイマ６８をリセットする（ステップＳ１１０）。そして、今回の運転モードＭｐと前回の運転モードＭｐとの比較の結果の如何に拘わらず、タイマ６８がリセットされてから所定時間経過しているか否かを判定し（ステップＳ１１２）、所定時間経過しているときには負荷電力Ｐｏが属する運転モードＭｐを運転モードＭとして設定して（ステップＳ１１４）、本ルーチンを終了し、所定時間経過していないときには運転モードＭの設定は行なわずに本ルーチンを終了する。タイマ６８がリセットされてから所定時間経過するのを待って運転モードＭを設定するのは、頻繁な運転モードＭの設定を回避するためである。
【００３５】
次に、図３に例示する出力制御ルーチンについて説明する。出力制御ルーチンが実行されると、電子制御ユニット６０のＣＰＵ６２は、まず、負荷電力計５８からの負荷電力Ｐｏとインバータ５４からの出力電力Ｐｉと現在の運転モードＭとを読み込み（ステップＳ２００）、読み込んだ出力電力Ｐｉと負荷電力Ｐｏとを比較する（ステップＳ２０２）。ここで、インバータ５４からの出力電力Ｐｉは、インバータ５４内の図示しない電流センサや電圧センサにより検出される出力電流ｉと電圧Ｖとに基づいて計算することができる。
【００３６】
出力電力Ｐｉが負荷電力Ｐｏより大きいときには、インバータ５４からの出力電力Ｐｉの一部が商用電源１０に供給されるいわゆる逆潮流を防止するために、目標出力Ｐｉ＊に負荷電力Ｐｏを設定し（ステップＳ２１２）、インバータ５４からの出力電力Ｐｉが設定した目標出力Ｐｉ＊となるようにＤＣ／ＤＣコンバータ５２とインバータ５４とを制御して（ステップＳ２１４）、本ルーチンを終了する。
【００３７】
出力電力Ｐｉが負荷電力Ｐｏ以下のときには、運転モードの変更中であるか否かを判定し（ステップＳ２０４）、運転モードの変更中でないときには目標出力Ｐｉ＊に運転モードＭに対応して設定される出力電力Ｐｉを設定し（ステップＳ２０８）、運転モードの変更中であるときには現在の出力電力Ｐｉに所定量ΔＰを加えて目標出力Ｐｉ＊を設定する（ステップＳ２０６）。前述したように、都市ガスの供給量の増加を伴う運転モードの変更では運転モードに対応する供給量になるまでに時間を要し、都市ガスの供給量の減少を伴う運転モードの変更では直ちに設定された運転モードに対応する供給量に変更され応答遅れはほとんどない。したがって、運転モードの変更中であるか否かの判定は、都市ガスの供給量の増加を伴う運転モードの変更中であるか否かの判定となるから、ステップＳ２０６では、この場合の運転モードの変更に対応できるものとして、出力電力Ｐｉの所定量ΔＰの増加の処理となっている。ここで、所定量ΔＰは、改質器３０への都市ガスの供給量の増加に応じて設定されるもの、即ち都市ガスの供給量の増加に伴って増加する燃料電池４０から出力可能な電力の程度に応じて設定されるものであり、実施例ではこの燃料電池４０から出力可能な電力の増加の程度より若干小さい値として設定されている。こうして目標出力Ｐｉ＊が設定されると、設定された目標出力Ｐｉ＊を負荷電力Ｐｏと比較し（ステップＳ２１０）、目標出力Ｐｉ＊が負荷電力Ｐｏ以下のときには、インバータ５４から目標出力Ｐｉ＊が出力されるようＤＣ／ＤＣコンバータ５２とインバータ５４とを制御して（ステップＳ２１４）、本ルーチンを終了する。目標出力Ｐｉ＊が負荷電力Ｐｏより大きいときには、逆潮流を防止するために負荷電力Ｐｏを目標出力Ｐｉ＊として設定し直して（ステップＳ２１２）、設定した目標出力Ｐｉ＊が出力されるようＤＣ／ＤＣコンバータ５２とインバータ５４とを制御して（ステップＳ２１４）、本ルーチンを終了する。なお、運転モードの変更がなされず、出力電力Ｐｉが負荷電力Ｐｏ以下で定常運転とされるときには、目標出力Ｐｉ＊に対応して設定される電流が安定してインバータ５４に入力されるようＤＣ／ＤＣコンバータ５２を一定電流により制御する。
【００３８】
図４は、負荷電力Ｐｏの変化に伴って設定される運転モードとインバータ５４の出力電力Ｐｉと改質器３０の運転状態との関係を時系列的に示す説明図である。図４中、Ｈｉｇｈモードタイマ、Ｍｉｄモードタイマ、Ｌｏｗモードタイマは、図２の運転モード設定処理ルーチンで負荷電力Ｐｏが属する運転モードＭｐにおけるタイマの状態を意味する。時間ｔ０の状態として、負荷電力Ｐｏが運転モードＭがＭｉｄモードに設定されており、負荷電力ＰｏがＭｉｄモードに属する状態を考える。負荷電力Ｐｏの属する運転モードＭｐがＭｉｄモードからＬｏｗモードに変化する時間ｔ１において、図２の運転モード処理ルーチンでは負荷電力Ｐｏが属する運転モードＭｐは現在の運転モードＭと異なると共に前回の運転モードＭｐとも異なると判定され（ステップＳ１０６，Ｓ１０８）、タイマ６８がリセットされて（ステップＳ１１０）、ＬｏｗモードタイマがＯＮされると共にＭｉｄモードタイマがＯＦＦされる。しかし、タイマ６８がリセットされてから所定時間経過するまで運転モードＭは変更されない。インバータ５４の出力電力Ｐｉは、時間ｔ１まではＭｉｄモードに対応する出力電力を維持するが、時間ｔ１以降時間ｔ２までは負荷電力Ｐｏの降下に伴って降下し、その後、負荷電力Ｐｏと同一の値を維持する。改質器３０は、運転モードＭが変更されないから、Ｍｉｄモードの運転状態を維持する。このため、燃料電池４０のアノードオフガスは過剰な水素量を含むことになるが、水素量が所定量以上となったときには、その過剰量はバルブ４８を介して燃焼器４９に供給され、燃焼器４９で燃焼されて排出される。ＬｏｗモードタイマがＯＮされた時間ｔ１から所定時間経過した時間ｔ３では、運転モードＭがＬｏｗモードに設定され、これに伴って改質器３０の運転状態とインバータ５４の出力電力ＰｉがＬｏｗモードに対応した状態とされる。この運転モードＭの変更は都市ガスの供給量の減少を伴う変更であるから、都市ガスの供給量は直ちにＬｏｗモードに対応する供給量に変更され、改質器３０も直ちにＬｏｗモードに対応する運転状態に変更される。
【００３９】
時間ｔ４から時間ｔ５までは、負荷電力Ｐｏの属する運転モードＭｐがＭｉｄモードとなるから、ＭｉｄモードタイマがＯＮされると共にＬｏｗモードタイマがＯＦＦされるが、時間ｔ４から時間ｔ５に至るまでの時間は所定時間未満であるから、運転モードＭは変更されない。したがって、インバータ５４の出力電力Ｐｉも改質器３０の運転状態も変更されない。
【００４０】
時間ｔ６に負荷電力Ｐｏの属する運転モードＭｐがＨｉｇｈモードとなり、これに伴ってＨｉｇｈモードタイマがＯＮされる。時間ｔ６から所定時間経過する時間ｔ７まで負荷電力Ｐｏの属する運転モードＭｐはＨｉｇｈモードに保たれているから、時間ｔ７で運転モードＭはＨｉｇｈモードに変更される。この運転モードの変更は市ガスの供給量の増加を伴う変更であるから、改質器３０への都市ガスの供給量の増加は徐変され、都市ガスの供給量がＨｉｇｈモードに対応する供給量となる時間ｔ１１まで運転モードの変更中の状態となる。したがって、改質器３０の運転状態は、Ｌｏｗモードに対応する状態からＨｉｇｈモードに対応する状態に時間をかけて変化し、インバータ５４の出力電力Ｐｉも改質器３０の運転状態に合わせて変化する。
【００４１】
時間ｔ９から時間ｔ１０までは、運転モードの変更中の状態ではあるが、インバータ５４の出力電力Ｐｉを改質器３０の運転状態に伴って増加させると、出力電力Ｐｉが負荷電力Ｐｏより大きくなり、システムの電力が商用電源１０に供給される逆潮流が生じてしまうから、逆潮流を防止するための処理、即ちインバータ５４の出力電力Ｐｉを負荷電力Ｐｏに制限する処理（図３の出力制御ルーチンのＳ２１０，Ｓ２１２）が実行される。時間ｔ１０以降時間ｔ１１までは、出力電力Ｐｉを所定量ΔＰずつ増加しても逆潮流は生じないから、インバータ５４の出力電力Ｐｉは再び増加される。時間ｔ１１では、改質器３０の運転状態は運転モードＭのＨｉｇｈモードに対応する状態となっているから、インバータ５４の出力電力ＰｉはＨｉｇｈモードに対応する値とされる。
【００４２】
以上説明した実施例の燃料電池発電システム２０によれば、負荷１６の消費電力の変化に伴ってシステムの運転モードＭを変更することにより負荷変動に追従することができる。しかも、運転モードＭの変更は負荷電力Ｐｏの属する運転モードＭｐが所定時間継続したときに変更するから、頻繁な運転モードＭの変更を回避することができる。また、運転モードの変更中には運転モードＭの変更処理を行なわないから、運転モードの変更中に運転モードを変更するといった状態を回避することができる。
【００４３】
実施例の燃料電池発電システム２０によれば、負荷追従に伴って燃料電池４０のアノードオフガス中の水素量が所定量以上となったときには、アノードオフガスの一部または全部を燃焼器４９に導いて燃焼して排気することができる。
【００４４】
また、実施例の燃料電池発電システム２０によれば、インバータ５４の出力電力Ｐｉを負荷電力Ｐｏ以下となるよう出力制御するから、システムから出力される電力が商用電源１０に供給されるといった逆潮流を防止することができる。
【００４５】
さらに、実施例の燃料電池発電システム２０によれば、定常運転状態では、インバータ５４に入力される電流が一定となるようＤＣ／ＤＣコンバータ５２を制御するから、インバータ５４は安定して電力の変換を行なうことができると共に燃料電池４０を安定して運転することができる。
【００４６】
実施例の燃料電池発電システム２０では、運転モードＭをＨｉｇｈモード，Ｍｉｄモード，Ｌｏｗモードの３段階としたが、運転モードＭを２段階としてもよく、あるいは、４段階以上としても構わない。
【００４７】
実施例の燃料電池発電システム２０では、燃料電池４０として固体高分子型の燃料電池を用いたが、固体高分子型の燃料電池に限られず、如何なるタイプの燃料電池であっても構わない。
【００４８】
実施例の燃料電池発電システム２０では、都市ガス（１３Ａ）を改質器３０に供給して水素リッチな燃料ガスを生成するものとしたが、都市ガス（１２Ａ）やガスボンベに充填されたプロパンガスを改質器３０に供給して燃料ガスを生成するものとしてもよい。
【００４９】
実施例の燃料電池発電システム２０では、定常運転状態のときにはインバータ５４への入力電流が一定となるようＤＣ／ＤＣコンバータ５２を制御したが、インバータ５４からの出力電力が一定となるようＤＣ／ＤＣコンバータ５２を制御するものとしてもよい。
【００５０】
実施例の燃料電池発電システム２０では、負荷追従に伴って過剰となる燃料電池４０のアノードオフガス中の水素を燃焼器４９で燃焼するものとしたが、アノードオフガス中の水素のすべてを燃焼部３２により燃焼するものとしてもよい。
【００５１】
実施例の燃料電池発電システム２０では、都市ガスを改質器３０とＣＯ選択酸化部３４とにより水素リッチな燃料ガスとして燃料電池４０に供給するものとしたが、水素リッチな燃料ガスや純水素を蓄える水素タンクから燃料電池４０に供給するものとしてもよい。この場合、運転モードの変更に伴う燃料ガスや純水素の供給量の変更速度に応じて運転モード変更中における出力電力Ｐｉの変化量としての所定量ΔＰを設定すればよい。
【００５２】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である燃料電池発電システム２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】電子制御ユニット６０により実行される運転モード処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図３】電子制御ユニット６０により実行される出力制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図４】負荷電力Ｐｏの変化に伴って設定される運転モードとインバータ５４の出力電力Ｐｉと改質器３０の運転状態との関係を時系列的に示す説明図である。
【符号の説明】
１０ 商用電源、１２ 電力ライン、１４ 遮断器、１６ 負荷、１８ 遮断器、２０ 燃料電池発電システム、２２ ガス配管、２４ 調節弁、２６，２８昇圧ポンプ、３０ 改質器、３２ 燃焼部、３４ ＣＯ選択酸化部、４０ 燃料電池、４１ ブロア、４２ 熱交換器、４３ 循環ポンプ、４４ 貯湯槽、４６ ポンプ、５２ ＤＣ／ＤＣコンバータ、５４ インバータ、５５ 遮断器、５６ ＤＣ／ＤＣコンバータ、５８ 負荷電力計、６０ 電子制御ユニット、６２ ＣＰＵ、６４ ＲＯＭ、６６ ＲＡＭ、６８ タイマ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電システムおよびその運転方法に関し、詳しくは、炭化水素系燃料を用いて発電した電力を他系統電源と共に負荷に供給可能な燃料電池発電システムおよびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池発電システムとしては、商用電源への逆潮流防止のために燃料電池出力を負荷消費電力に一致させるものが提案されている（例えば、特開２００１−６８１２５号公報など）。この燃料電池発電システムでは、都市ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する改質器と、供給された燃料ガスを用いて発電する燃料電池と、燃料電池からの直流電力を１４０Ｖに昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータと１４０Ｖの直流電力をＡＣ１００Ｖに変換するインバータとを備え、インバータからのＡＣ１００Ｖを商用電源から負荷への電力供給ラインに供給できるようになっている。このシステムでは、商用電源への電力の供給、即ち逆潮流を防止するために、コントローラによってインバータからのＡＣ１００Ｖ電力が負荷の消費電力以下となるよう制御しており、燃料電池からの余剰電力は加熱ヒータにより水を加熱することに用い、加熱された水を貯湯槽に蓄えて、システム全体としての効率の向上を図っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした燃料電池発電システムでは、燃料電池の一定運転を長時間にわたって行なうため、燃料電池からの余剰電力が多くなりすぎて、システムの効率を低下させる場合が生じる。また、負荷の消費電力に追従できるように燃料電池を可変運転することも考えられるが、燃料電池に燃料ガスを供給する改質器も可変運転する必要から、改質器における改質率の低下や燃料電池における水素利用率の低下によるシステム全体の効率を招いてしまう。
【０００４】
本発明の燃料電池発電システムおよびその運転方法は、負荷変動に追従することを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池発電システムおよびその運転方法は、他系統電源への逆潮流を生じないようにすることを目的の一つとする。本発明の燃料電池発電システムおよびその運転方法は、システムの効率を向上させることを目的の一つとする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池発電システムおよびその運転方法は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００６】
本発明の燃料電池発電システムは、
燃料の供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池からの直流電力を交流電力に変換可能なインバータとを備え、該変換した電力を他系統電源から負荷への電力供給ラインに供給可能な燃料電池発電システムであって、
前記負荷の消費電力を検出する消費電力検出手段と、
該検出された消費電力が所定時間継続して予め設定された複数の運転モードのうちのいずれかの運転モードに対応する電力範囲内になったときに該対応する運転モードを設定する運転モード設定手段と、
該設定された運転モードに対応する燃料の供給量で前記燃料電池を運転する燃料電池運転手段と、
前記設定された運転モードに対応すると共に前記他系統電源に調和する電力が前記電力供給ラインに供給されるよう前記インバータを制御する供給電力制御手段と、
を備えることを要旨とする。
【０００７】
この本発明の燃料電池発電システムでは、負荷の消費電力が所定時間継続して予め設定された複数の運転モードのうちのいずれかの運転モードに対応する電力範囲内になったときに対応する運転モードを設定し、この設定された運転モードに対応する燃料の供給量で燃料電池を運転する。そして、燃料電池からの直流電力が設定された運転モードに対応すると共に負荷に電力供給が行なわれる他系統電源に調和する電力としてこの他系統電源から負荷への電力供給ラインに供給されるようインバータを制御する。この結果、多段的に負荷変動に追従することができると共にシステムの効率を向上させることができる。また、運転モードの頻繁な変更を抑止することができる。
【０００９】
また、本発明の燃料電池発電システムにおいて、前記供給電力制御手段は、前記検出された消費電力以下の電力が前記電力供給ラインに供給されるよう制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、他系統電源への逆潮流を防止することができる。
【００１０】
さらに、本発明の燃料電池システムにおいて、定常運転されているときには前記インバータへの入力電流が一定となるよう電流制御を行なう電流制御手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池を安定して運転できると共にインバータによる電力の変換も安定して行なうことができる。
【００１１】
あるいは、本発明の燃料電池発電システムにおいて、前記複数の運転モードは高中低の３段であるものとすることもできる。こうすれば、高中低の３段の運転モードで負荷変動に追従することができる。
【００１２】
また、本発明の燃料電池発電システムにおいて、炭化水素系燃料を水素リッチな燃料に改質して前記燃料電池に供給される燃料として供給する改質部を備え、前記燃料電池運転手段は、前記設定された運転モードに対応する前記炭化水素系燃料の供給量で前記改質部を運転することにより前記燃料電池を運転する手段であるものとすることもできる。こうすれば、炭化水素系燃料を用いて発電することができる。ここで、改質部は、水素の存在下で一酸化炭素を優先して酸化する一酸化炭素低減部を備えるものを含むものとすることもできる。
【００１３】
この改質部を備える態様の本発明の燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池運転手段は、運転モードの変更に伴って前記炭化水素系燃料の供給量を減少するときには直ちに変更された運転モードに対応する供給量となるよう前記炭化水素系燃料の供給量を減少し、運転モードの変更に伴って前記炭化水素系燃料の供給量を増加するときには前記炭化水素系燃料の供給量を減少するときに比して緩やかな変化をもって変更された運転モードに対応する供給量となるよう前記炭化水素系燃料の供給量を増加する手段であるものとすることもできる。
【００１４】
この炭化水素系燃料の供給量の増加を緩やかに行なう態様の本発明の燃料電池発電システムにおいて、前記運転モード設定手段は、異なる運転モードを設定したときには、前記燃料電池運転手段による前記改質部への前記炭化水素系燃料の供給量が該設定した異なる運転モードに対応する供給量となるまで運転モードの設定を行なわない手段であるものとすることもできる。こうすれば、運転モードの過渡時における運転モードの変更を抑止することができる。
【００１５】
また、炭化水素系燃料の供給量の増加を緩やかに行なう態様の本発明の燃料電池発電システムにおいて、前記供給電力制御手段は、前記運転モード設定手段により異なる運転モードが設定されたときには、前記燃料電池運転手段による前記改質部への前記炭化水素系燃料の供給量の変化に応じて前記電力供給ラインに供給する電力が変化するよう制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、システムを安定して運転することができる。
【００１６】
改質部を備える態様の本発明の燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池運転手段は、前記炭化水素系燃料と前記燃料電池から排出される排ガスとを前記改質部の加熱用燃料として用いて該改質部を運転する手段であるものとすることもできる。こうすれば、システム全体の効率を向上させることができる。この態様の本発明の燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池からの排ガス中の水素が所定量以上のときに該排ガスの少なくとも一部を燃焼可能な排ガス燃焼手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、所定量以上の水素が排ガスに含まれるときには、排ガス燃焼手段により燃焼することができる。
【００１７】
改質部を備える態様の本発明の燃料電池発電システムにおいて、前記炭化水素系燃料は都市ガスまたはプロパンガスであるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池システムを一般家庭に設置して用いるのに適したものとすることができる。
【００１８】
本発明の燃料電池発電システムにおいて、少なくとも前記燃料電池からの熱を用いて加温される水を貯湯する貯湯手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池からの熱を利用することができるから、システムのエネルギー効率を向上させることができる。なお、燃料電池からの熱以外の熱をも用いるものとしてもよいのは勿論である。
【００１９】
本発明の燃料電池発電システムの運転方法は、
燃料の供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池からの直流電力を所望の電力に変換可能なインバータとを備え、該変換した電力を他系統電源から負荷への電力供給ラインに供給可能な燃料電池発電システムの運転方法であって
（ａ）前記負荷の消費電力を検出し、
（ｂ）該検出された消費電力が所定時間継続して予め設定された複数の運転モードのうちのいずれかの運転モードに対応する電力範囲内になったときに該対応する運転モードを設定し、
（ｃ）該設定された運転モードに対応する燃料の供給量で前記燃料電池を運転し、
（ｄ）前記設定された運転モードに対応すると共に前記他系統電源に調和する電力が前記電力供給ラインに供給されるよう前記インバータを制御する
ことを要旨とする。
【００２０】
この本発明の燃料電池発電システムの運転方法によれば、負荷の消費電力が所定時間継続して予め設定された複数の運転モードのうちのいずれかの運転モードに対応する電力範囲内になったときに対応する運転モードを設定すると共にこの設定された運転モードに対応する燃料の供給量で燃料電池を運転し、燃料電池からの直流電力が設定された運転モードに対応すると共に負荷に電力供給が行なわれる他系統電源に調和する電力としてこの他系統電源から負荷への電力供給ラインに供給されるようインバータを制御するから、システムを多段的に負荷変動に追従させることができると共にシステムの効率を向上させることができる。また、運転モードの頻繁な変更を抑止することができる。
【００２２】
また、本発明の燃料電池発電システムの運転方法において、前記ステップ（ｄ）は、前記検出された消費電力以下の電力が前記電力供給ラインに供給されるよう制御するステップであるものとすることもできる。こうすれば、他系統電源への逆潮流を防止することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である燃料電池発電システム２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の燃料電池発電システム２０は、図示するように、ガス配管２２から都市ガス（１３Ａ）の供給を受けて都市ガスを水素リッチな改質ガスに改質する改質器３０と、改質ガス中の一酸化炭素を低減して燃料ガスとするＣＯ選択酸化部３４と、燃料ガスと空気との供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池４０と、燃料電池４０の冷却水と貯湯槽４４の低温水との熱交換を行なう熱交換器４２と、燃料電池４０からの直流電力の電圧および電流を調整して所望の直流電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ５２と、変換された直流電力を商用電源１０と同位相の交流電力に変換して商用電源１０から遮断器１４を介して負荷１６へ電力を供給する電力ライン１２に遮断器５５を介して供給するインバータ５４と、電圧または電流が調整された直流電力の一部を降圧して補機電源として機能するＤＣ／ＤＣコンバータ５６と、負荷１６で消費する負荷電力を検出する負荷電力計５８と、システム全体をコントロールする電子制御ユニット６０とを備える。
【００２４】
改質器３０は、ガス配管２２から調節弁２４と昇圧ポンプ２６と硫黄分を除く脱硫器２７とを介して供給される都市ガスと図示しない配管により供給される水蒸気とによる次式（１）および次式（２）の水蒸気改質反応およびシフト反応により水素リッチな改質ガスを生成する。改質器３０には、こうした反応に必要な熱を供給する燃焼部３２が設けられており、燃焼部３２にはガス配管２２から調節弁２４と昇圧ポンプ２８とを介して都市ガスが供給されるようになっている。また、燃焼部３２には、燃料電池４０のアノード側の排出ガスが供給され、アノードオフガス中の未反応の水素を燃料として用いることができるようになっている。なお、アノードオフガス中の水素量が所定量より多いときには、バルブ４７およびバルブ４８の操作によりアノードオフガスの一部または全部を燃焼器４９に導いて燃焼して排気できるようになっている。
【００２５】
【数１】
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2 （１）
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2 （２）
【００２６】
ＣＯ選択酸化部３４は、図示しない配管による空気の供給を受けて水素の存在下で一酸化炭素を選択して酸化する一酸化炭素選択酸化触媒（例えば白金とルテニウムの合金による触媒）により、改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化して一酸化炭素濃度が極めて低い（実施例では数ｐｐｍ程度）水素リッチな燃料ガスとする。
【００２７】
燃料電池４０は、電解質膜とこの電解質膜を狭持するアノード電極およびカソード電極とこのアノード電極およびカソード電極に燃料ガスと空気とを供給すると共にセル間の隔壁をなすセパレータとからなる単セルを複数積層してなる固体高分子型の燃料電池として構成されており、ＣＯ選択酸化部３４からの燃料ガス中の水素とブロア４１からの空気中の酸素とによる電気化学反応によって発電する。燃料電池４０には循環する冷却水の流路が形成されており、冷却水を循環させることによって適温（実施例では、８０〜９０℃程度）に保持される。この冷却水の循環流路には、熱交換器４２が設けられており、燃料電池４０の冷却水との熱交換により貯湯槽４４からポンプ４６により供給される低温水が加温されて貯湯槽４４に貯湯されるようになっている。
【００２８】
燃料電池４０の図示しない出力端子は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２，インバータ５４，遮断器５５を介して商用電源１０から負荷１６への電力ライン１２に接続されており、燃料電池４０からの直流電力が商用電源１０と同位相の交流電力に変換されて商用電源１０からの交流電力に付加されて負荷１６に供給できるようになっている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５２やインバータ５４は、一般的なＤＣ／ＤＣコンバータ回路やインバータ回路として構成されているから、その詳細な説明は省略する。なお、負荷１６は、遮断器１８を介して電力ライン１２に接続されている。
【００２９】
ＤＣ／ＤＣコンバータ５２の出力側から分岐した電力ラインには、調節弁２４のアクチュエータや昇圧ポンプ２６，２８，ブロア４１，ポンプ４６などの補機に直流電力を供給する直流電源として機能するＤＣ／ＤＣコンバータ５６が接続されている。
【００３０】
電子制御ユニット６０は、ＣＰＵ６２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ６２の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ６４と、データを一時的に記憶するＲＡＭ６６と、図示しない入出力ポートおよび通信ポートとを備える。電子制御ユニット６０には、図示しないインバータ５４内の電流センサや電圧センサからの出力電流ｉや電圧Ｖ，負荷電力計５８からの負荷電力Ｐｏ，改質器３０やＣＯ選択酸化部３４，燃料電池４０に取り付けられた図示しない温度センサからの各温度などが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット６０からは、調節弁２４のアクチュエータや昇圧ポンプ２６，２８，ブロア４１，循環ポンプ４３，ポンプ４６などへの駆動信号や燃焼部３２への点火信号，バルブ４７，４８への駆動信号、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２やＤＣ／ＤＣコンバータ５６への制御信号，インバータ５４へのスイッチング制御信号，遮断器５５への駆動信号などが出力ポートを介して出力されている。
【００３１】
次に、こうして構成された燃料電池発電システム２０の動作、特に負荷１６の消費電力の変化に伴うシステムの動作について説明する。図２はシステムの運転モードを設定する際に電子制御ユニット６０により実行される運転モード処理ルーチンの一例を示すフローチャートであり、図３はインバータ５４からの出力を決定する際に電子制御ユニット６０により実行される出力制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。まず、運転モード設定処理ルーチンについて説明し、その後、出力制御ルーチンについて説明する。なお、両ルーチンは、燃料電池発電システム２０が起動されてから所定時間毎（例えば８ｍｓｅｃ毎）に繰り返し実行される。
【００３２】
運転モード設定処理ルーチンが実行されると、電子制御ユニット６０のＣＰＵ６２は、まず、現在の運転モードＭと負荷電力計５８からの負荷電力Ｐｏとを読み込む処理を実行する（ステップＳ１００）。現在の運転モードＭは、前回以前にこのルーチンにより設定されたときにＲＡＭ６６の所定アドレスに書き込まれた運転モードＭを読み込む処理となる。続いて、現在、運転モードが変更中であるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。システム全体の運転は、運転モードが設定されても直ちに設定された運転モードに対応するものとならず、設定された運転モードに移行する過渡時を有する。これは、主に改質器３０の過渡応答が遅いために生じる。改質器３０では、都市ガスの供給量の増加を伴う運転モードの変更は、供給量の増加を徐変して行なうため、運転モードに対応する供給量になるまでに時間を要し、都市ガスの供給量の減少を伴う運転モードの変更は、直ちに設定された運転モードに対応する供給量に変更されるため、応答遅れはほとんど生じない。したがって、運転モードの変更中が問題となるのは、都市ガスの供給量の増加を伴う運転モードの変更のときとなる。実施例では、こうした運転モードの変更中か否かについては、都市ガスの改質器３０への供給量が設定された運転モードに対応する供給量になっているか否かにより判定している。運転モードの変更中と判定されたときには、変更中の運転モードの設定は行なわないようにするために、何もせずに本ルーチンを終了する。
【００３３】
運転モードの変更中ではないと判定されると、読み込んだ負荷電力Ｐｏが属する運転モードＭｐを判定する（ステップＳ１０４）。実施例では、運転モードとしては、Ｈｉｇｈモード，Ｍｉｄモード，Ｌｏｗモードの３段階のモードが設定されており、各モードに対応してインバータ５４から電力ライン１２に出力される出力電力Ｐｉｈ，Ｐｉｍ，Ｐｉｌが設定されている。負荷電力Ｐｏが属する運転モードＭｐの判定は、負荷電力Ｐｏと各モードに対応して設定されている出力電力Ｐｉとの比較により行なわれ、実施例では、負荷電力ＰｏがＨｉｇｈモードに対応する出力電力Ｐｉｈ以上のときにはＨｉｇｈモードと判定し、負荷電力ＰｏがＭｉｄモードに対応する出力電力Ｐｉｍ以上で出力電力Ｐｉｈ未満のとにきはＭｉｄモードと判定し、負荷電力Ｐｏが出力電力Ｐｉｍ未満のときにはＬｏｗモードと判定する。
【００３４】
こうして負荷電力Ｐｏが属する運転モードＭｐを判定すると、判定した運転モードＭｐが現在の運転モードＭに一致するか否かを判定し（ステップＳ１０６）、運転モードＭｐが現在の運転モードＭに一致するときには、運転モードの変更の必要性がないと判断して本ルーチンを終了する。一方、運転モードＭｐが現在の運転モードＭに一致しないときには、この運転モードＭｐを前回このルーチンが実行されたときの運転モードＭｐと比較し（ステップＳ１０８）、運転モードＭｐが前回の運転モードＭｐと異なるときには、タイマ６８をリセットする（ステップＳ１１０）。そして、今回の運転モードＭｐと前回の運転モードＭｐとの比較の結果の如何に拘わらず、タイマ６８がリセットされてから所定時間経過しているか否かを判定し（ステップＳ１１２）、所定時間経過しているときには負荷電力Ｐｏが属する運転モードＭｐを運転モードＭとして設定して（ステップＳ１１４）、本ルーチンを終了し、所定時間経過していないときには運転モードＭの設定は行なわずに本ルーチンを終了する。タイマ６８がリセットされてから所定時間経過するのを待って運転モードＭを設定するのは、頻繁な運転モードＭの設定を回避するためである。
【００３５】
次に、図３に例示する出力制御ルーチンについて説明する。出力制御ルーチンが実行されると、電子制御ユニット６０のＣＰＵ６２は、まず、負荷電力計５８からの負荷電力Ｐｏとインバータ５４からの出力電力Ｐｉと現在の運転モードＭとを読み込み（ステップＳ２００）、読み込んだ出力電力Ｐｉと負荷電力Ｐｏとを比較する（ステップＳ２０２）。ここで、インバータ５４からの出力電力Ｐｉは、インバータ５４内の図示しない電流センサや電圧センサにより検出される出力電流ｉと電圧Ｖとに基づいて計算することができる。
【００３６】
出力電力Ｐｉが負荷電力Ｐｏより大きいときには、インバータ５４からの出力電力Ｐｉの一部が商用電源１０に供給されるいわゆる逆潮流を防止するために、目標出力Ｐｉ＊に負荷電力Ｐｏを設定し（ステップＳ２１２）、インバータ５４からの出力電力Ｐｉが設定した目標出力Ｐｉ＊となるようにＤＣ／ＤＣコンバータ５２とインバータ５４とを制御して（ステップＳ２１４）、本ルーチンを終了する。
【００３７】
出力電力Ｐｉが負荷電力Ｐｏ以下のときには、運転モードの変更中であるか否かを判定し（ステップＳ２０４）、運転モードの変更中でないときには目標出力Ｐｉ＊に運転モードＭに対応して設定される出力電力Ｐｉを設定し（ステップＳ２０８）、運転モードの変更中であるときには現在の出力電力Ｐｉに所定量ΔＰを加えて目標出力Ｐｉ＊を設定する（ステップＳ２０６）。前述したように、都市ガスの供給量の増加を伴う運転モードの変更では運転モードに対応する供給量になるまでに時間を要し、都市ガスの供給量の減少を伴う運転モードの変更では直ちに設定された運転モードに対応する供給量に変更され応答遅れはほとんどない。したがって、運転モードの変更中であるか否かの判定は、都市ガスの供給量の増加を伴う運転モードの変更中であるか否かの判定となるから、ステップＳ２０６では、この場合の運転モードの変更に対応できるものとして、出力電力Ｐｉの所定量ΔＰの増加の処理となっている。ここで、所定量ΔＰは、改質器３０への都市ガスの供給量の増加に応じて設定されるもの、即ち都市ガスの供給量の増加に伴って増加する燃料電池４０から出力可能な電力の程度に応じて設定されるものであり、実施例ではこの燃料電池４０から出力可能な電力の増加の程度より若干小さい値として設定されている。こうして目標出力Ｐｉ＊が設定されると、設定された目標出力Ｐｉ＊を負荷電力Ｐｏと比較し（ステップＳ２１０）、目標出力Ｐｉ＊が負荷電力Ｐｏ以下のときには、インバータ５４から目標出力Ｐｉ＊が出力されるようＤＣ／ＤＣコンバータ５２とインバータ５４とを制御して（ステップＳ２１４）、本ルーチンを終了する。目標出力Ｐｉ＊が負荷電力Ｐｏより大きいときには、逆潮流を防止するために負荷電力Ｐｏを目標出力Ｐｉ＊として設定し直して（ステップＳ２１２）、設定した目標出力Ｐｉ＊が出力されるようＤＣ／ＤＣコンバータ５２とインバータ５４とを制御して（ステップＳ２１４）、本ルーチンを終了する。なお、運転モードの変更がなされず、出力電力Ｐｉが負荷電力Ｐｏ以下で定常運転とされるときには、目標出力Ｐｉ＊に対応して設定される電流が安定してインバータ５４に入力されるようＤＣ／ＤＣコンバータ５２を一定電流により制御する。
【００３８】
図４は、負荷電力Ｐｏの変化に伴って設定される運転モードとインバータ５４の出力電力Ｐｉと改質器３０の運転状態との関係を時系列的に示す説明図である。図４中、Ｈｉｇｈモードタイマ、Ｍｉｄモードタイマ、Ｌｏｗモードタイマは、図２の運転モード設定処理ルーチンで負荷電力Ｐｏが属する運転モードＭｐにおけるタイマの状態を意味する。時間ｔ０の状態として、負荷電力Ｐｏが運転モードＭがＭｉｄモードに設定されており、負荷電力ＰｏがＭｉｄモードに属する状態を考える。負荷電力Ｐｏの属する運転モードＭｐがＭｉｄモードからＬｏｗモードに変化する時間ｔ１において、図２の運転モード処理ルーチンでは負荷電力Ｐｏが属する運転モードＭｐは現在の運転モードＭと異なると共に前回の運転モードＭｐとも異なると判定され（ステップＳ１０６，Ｓ１０８）、タイマ６８がリセットされて（ステップＳ１１０）、ＬｏｗモードタイマがＯＮされると共にＭｉｄモードタイマがＯＦＦされる。しかし、タイマ６８がリセットされてから所定時間経過するまで運転モードＭは変更されない。インバータ５４の出力電力Ｐｉは、時間ｔ１まではＭｉｄモードに対応する出力電力を維持するが、時間ｔ１以降時間ｔ２までは負荷電力Ｐｏの降下に伴って降下し、その後、負荷電力Ｐｏと同一の値を維持する。改質器３０は、運転モードＭが変更されないから、Ｍｉｄモードの運転状態を維持する。このため、燃料電池４０のアノードオフガスは過剰な水素量を含むことになるが、水素量が所定量以上となったときには、その過剰量はバルブ４８を介して燃焼器４９に供給され、燃焼器４９で燃焼されて排出される。ＬｏｗモードタイマがＯＮされた時間ｔ１から所定時間経過した時間ｔ３では、運転モードＭがＬｏｗモードに設定され、これに伴って改質器３０の運転状態とインバータ５４の出力電力ＰｉがＬｏｗモードに対応した状態とされる。この運転モードＭの変更は都市ガスの供給量の減少を伴う変更であるから、都市ガスの供給量は直ちにＬｏｗモードに対応する供給量に変更され、改質器３０も直ちにＬｏｗモードに対応する運転状態に変更される。
【００３９】
時間ｔ４から時間ｔ５までは、負荷電力Ｐｏの属する運転モードＭｐがＭｉｄモードとなるから、ＭｉｄモードタイマがＯＮされると共にＬｏｗモードタイマがＯＦＦされるが、時間ｔ４から時間ｔ５に至るまでの時間は所定時間未満であるから、運転モードＭは変更されない。したがって、インバータ５４の出力電力Ｐｉも改質器３０の運転状態も変更されない。
【００４０】
時間ｔ６に負荷電力Ｐｏの属する運転モードＭｐがＨｉｇｈモードとなり、これに伴ってＨｉｇｈモードタイマがＯＮされる。時間ｔ６から所定時間経過する時間ｔ７まで負荷電力Ｐｏの属する運転モードＭｐはＨｉｇｈモードに保たれているから、時間ｔ７で運転モードＭはＨｉｇｈモードに変更される。この運転モードの変更は市ガスの供給量の増加を伴う変更であるから、改質器３０への都市ガスの供給量の増加は徐変され、都市ガスの供給量がＨｉｇｈモードに対応する供給量となる時間ｔ１１まで運転モードの変更中の状態となる。したがって、改質器３０の運転状態は、Ｌｏｗモードに対応する状態からＨｉｇｈモードに対応する状態に時間をかけて変化し、インバータ５４の出力電力Ｐｉも改質器３０の運転状態に合わせて変化する。
【００４１】
時間ｔ９から時間ｔ１０までは、運転モードの変更中の状態ではあるが、インバータ５４の出力電力Ｐｉを改質器３０の運転状態に伴って増加させると、出力電力Ｐｉが負荷電力Ｐｏより大きくなり、システムの電力が商用電源１０に供給される逆潮流が生じてしまうから、逆潮流を防止するための処理、即ちインバータ５４の出力電力Ｐｉを負荷電力Ｐｏに制限する処理（図３の出力制御ルーチンのＳ２１０，Ｓ２１２）が実行される。時間ｔ１０以降時間ｔ１１までは、出力電力Ｐｉを所定量ΔＰずつ増加しても逆潮流は生じないから、インバータ５４の出力電力Ｐｉは再び増加される。時間ｔ１１では、改質器３０の運転状態は運転モードＭのＨｉｇｈモードに対応する状態となっているから、インバータ５４の出力電力ＰｉはＨｉｇｈモードに対応する値とされる。
【００４２】
以上説明した実施例の燃料電池発電システム２０によれば、負荷１６の消費電力の変化に伴ってシステムの運転モードＭを変更することにより負荷変動に追従することができる。しかも、運転モードＭの変更は負荷電力Ｐｏの属する運転モードＭｐが所定時間継続したときに変更するから、頻繁な運転モードＭの変更を回避することができる。また、運転モードの変更中には運転モードＭの変更処理を行なわないから、運転モードの変更中に運転モードを変更するといった状態を回避することができる。
【００４３】
実施例の燃料電池発電システム２０によれば、負荷追従に伴って燃料電池４０のアノードオフガス中の水素量が所定量以上となったときには、アノードオフガスの一部または全部を燃焼器４９に導いて燃焼して排気することができる。
【００４４】
また、実施例の燃料電池発電システム２０によれば、インバータ５４の出力電力Ｐｉを負荷電力Ｐｏ以下となるよう出力制御するから、システムから出力される電力が商用電源１０に供給されるといった逆潮流を防止することができる。
【００４５】
さらに、実施例の燃料電池発電システム２０によれば、定常運転状態では、インバータ５４に入力される電流が一定となるようＤＣ／ＤＣコンバータ５２を制御するから、インバータ５４は安定して電力の変換を行なうことができると共に燃料電池４０を安定して運転することができる。
【００４６】
実施例の燃料電池発電システム２０では、運転モードＭをＨｉｇｈモード，Ｍｉｄモード，Ｌｏｗモードの３段階としたが、運転モードＭを２段階としてもよく、あるいは、４段階以上としても構わない。
【００４７】
実施例の燃料電池発電システム２０では、燃料電池４０として固体高分子型の燃料電池を用いたが、固体高分子型の燃料電池に限られず、如何なるタイプの燃料電池であっても構わない。
【００４８】
実施例の燃料電池発電システム２０では、都市ガス（１３Ａ）を改質器３０に供給して水素リッチな燃料ガスを生成するものとしたが、都市ガス（１２Ａ）やガスボンベに充填されたプロパンガスを改質器３０に供給して燃料ガスを生成するものとしてもよい。
【００４９】
実施例の燃料電池発電システム２０では、定常運転状態のときにはインバータ５４への入力電流が一定となるようＤＣ／ＤＣコンバータ５２を制御したが、インバータ５４からの出力電力が一定となるようＤＣ／ＤＣコンバータ５２を制御するものとしてもよい。
【００５０】
実施例の燃料電池発電システム２０では、負荷追従に伴って過剰となる燃料電池４０のアノードオフガス中の水素を燃焼器４９で燃焼するものとしたが、アノードオフガス中の水素のすべてを燃焼部３２により燃焼するものとしてもよい。
【００５１】
実施例の燃料電池発電システム２０では、都市ガスを改質器３０とＣＯ選択酸化部３４とにより水素リッチな燃料ガスとして燃料電池４０に供給するものとしたが、水素リッチな燃料ガスや純水素を蓄える水素タンクから燃料電池４０に供給するものとしてもよい。この場合、運転モードの変更に伴う燃料ガスや純水素の供給量の変更速度に応じて運転モード変更中における出力電力Ｐｉの変化量としての所定量ΔＰを設定すればよい。
【００５２】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である燃料電池発電システム２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】電子制御ユニット６０により実行される運転モード処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図３】電子制御ユニット６０により実行される出力制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図４】負荷電力Ｐｏの変化に伴って設定される運転モードとインバータ５４の出力電力Ｐｉと改質器３０の運転状態との関係を時系列的に示す説明図である。
【符号の説明】
１０ 商用電源、１２ 電力ライン、１４ 遮断器、１６ 負荷、１８ 遮断器、２０ 燃料電池発電システム、２２ ガス配管、２４ 調節弁、２６，２８昇圧ポンプ、３０ 改質器、３２ 燃焼部、３４ ＣＯ選択酸化部、４０ 燃料電池、４１ ブロア、４２ 熱交換器、４３ 循環ポンプ、４４ 貯湯槽、４６ ポンプ、５２ ＤＣ／ＤＣコンバータ、５４ インバータ、５５ 遮断器、５６ ＤＣ／ＤＣコンバータ、５８ 負荷電力計、６０ 電子制御ユニット、６２ ＣＰＵ、６４ ＲＯＭ、６６ ＲＡＭ、６８ タイマ。
Claims (14)
- 燃料の供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池からの直流電力を交流電力に変換可能なインバータとを備え、該変換した電力を他系統電源から負荷への電力供給ラインに供給可能な燃料電池発電システムであって、
前記負荷の消費電力を検出する消費電力検出手段と、
該検出された消費電力が所定時間継続して予め設定された複数の運転モードのうちのいずれかの運転モードに対応する電力範囲内になったときに該対応する運転モードを設定する運転モード設定手段と、
該設定された運転モードに対応する燃料の供給量で前記燃料電池を運転する燃料電池運転手段と、
前記設定された運転モードに対応すると共に前記他系統電源に調和する電力が前記電力供給ラインに供給されるよう前記インバータを制御する供給電力制御手段と、
を備える燃料電池発電システム。 - 前記供給電力制御手段は、前記検出された消費電力以下の電力が前記電力供給ラインに供給されるよう制御する手段である請求項１記載の燃料電池発電システム。
- 定常運転されているときには前記インバータへの入力電流が一定となるよう電流制御を行なう電流制御手段を備える請求項１または２記載の燃料電池発電システム。
- 前記複数の運転モードは高中低の３段である請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池発電システム。
- 請求項１ないし４いずれか記載の燃料電池発電システムであって、
炭化水素系燃料を水素リッチな燃料に改質して前記燃料電池に供給される燃料として供給する改質部を備え、
前記燃料電池運転手段は、前記設定された運転モードに対応する前記炭化水素系燃料の供給量で前記改質部を運転することにより前記燃料電池を運転する手段である
燃料電池発電システム。 - 前記燃料電池運転手段は、運転モードの変更に伴って前記炭化水素系燃料の供給量を減少するときには直ちに変更された運転モードに対応する供給量となるよう前記炭化水素系燃料の供給量を減少し、運転モードの変更に伴って前記炭化水素系燃料の供給量を増加するときには前記炭化水素系燃料の供給量を減少するときに比して緩やかな変化をもって変更された運転モードに対応する供給量となるよう前記炭化水素系燃料の供給量を増加する手段である請求項５記載の燃料電池発電システム。
- 前記運転モード設定手段は、異なる運転モードを設定したときには、前記燃料電池運転手段による前記改質部への前記炭化水素系燃料の供給量が該設定した異なる運転モードに対応する供給量となるまで運転モードの設定を行なわない手段である請求項６記載の燃料電池発電システム。
- 前記供給電力制御手段は、前記運転モード設定手段により異なる運転モードが設定されたときには、前記燃料電池運転手段による前記改質部への前記炭化水素系燃料の供給量の変化に応じて前記電力供給ラインに供給する電力が変化するよう制御する手段である請求項６または７記載の燃料電池発電システム。
- 前記燃料電池運転手段は、前記炭化水素系燃料と前記燃料電池から排出される排ガスとを前記改質部の加熱用燃料として用いて該改質部を運転する手段である請求項５ないし８いずれか記載の燃料電池発電システム。
- 前記燃料電池からの排ガス中の水素が所定量以上のときに該排ガスの少なくとも一部を燃焼可能な排ガス燃焼手段を備える請求項９記載の燃料電池発電システム。
- 前記炭化水素系燃料は都市ガスまたはプロパンガスである請求項５ないし１０いずれか記載の燃料電池発電システム。
- 少なくとも前記燃料電池からの熱を用いて加温される水を貯湯する貯湯手段を備える請求項１ないし１１いずれか記載の燃料電池発電システム。
- 燃料の供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池からの直流電力を所望の電力に変換可能なインバータとを備え、該変換した電力を他系統電源から負荷への電力供給ラインに供給可能な燃料電池発電システムの運転方法であって
（ａ）前記負荷の消費電力を検出し、
（ｂ）該検出された消費電力が所定時間継続して予め設定された複数の運転モードのうちのいずれかの運転モードに対応する電力範囲内になったときに該対応する運転モードを設定し、
（ｃ）該設定された運転モードに対応する燃料の供給量で前記燃料電池を運転し、
（ｄ）前記設定された運転モードに対応すると共に前記他系統電源に調和する電力が前記電力供給ラインに供給されるよう前記インバータを制御する
燃料電池発電システムの運転方法。 - 前記ステップ（ｄ）は、前記検出された消費電力以下の電力が前記電力供給ラインに供給されるよう制御するステップである請求項１３記載の燃料電池発電システムの運転方法。
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