JP5203570B2

JP5203570B2 - 燃料電池装置の出力制御方法

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Publication number: JP5203570B2
Application number: JP2006029761A
Authority: JP
Inventors: 保雄桑原; 和政高田
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 2006-02-07
Filing date: 2006-02-07
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2026-02-07
Also published as: JP2007213854A

Description

本発明は、水素ガスを燃料とする燃料電池を備える燃料電池装置に関し、特に、燃料電池の燃料として使用されなかった水素ガスを回収して、水素ガス製造器の燃料として使用する燃料電池装置の出力制御方法に関する。

従来より、水素ガスを燃料として発電を行う燃料電池を備える燃料電池装置が知られている。この種の装置は、燃料電池へ供給する水素ガスを製造する水素ガス製造器を備える。水素ガス製造器は、メタンガス等の原料ガスより水素ガスを製造する。例えば、水素ガスは、所定の触媒存在下、メタンガスと水とを反応させることにより、製造することができる。

上記反応等の水素ガスの生成反応は、一般的に、反応の進行に熱を必要とする吸熱反応である。その為、水素ガス製造器は、熱を発生させるための燃焼器を備える。燃焼器の燃料としては、通常、所定の空燃比で混合された水素ガスと空気（酸素ガス）との混合ガスが使用される。

水素ガス製造器で製造された水素ガスは、所定の供給量で燃料電池へ供給される。この種の燃料電池装置においては、供給されたすべての水素ガスが燃料電池で消費される訳ではなく、一部の水素ガスは消費されずに燃料電池を素通りし、燃料電池より排出される。

上記のようにして燃料電池より排出された水素ガスは、回収され燃料等として使用されることが望ましい。そこで、特許文献１は、回収した水素ガスを水素ガス製造器の燃焼器の燃料として利用する燃料電池装置を開示する。

特開２００４−１７８９６２号公報

上記燃料電池装置において、所定の出力で発電する際、水素ガス製造器より燃料電池へ供給される供給用水素ガス量と、燃料電池で発電用として消費される発電用水素ガス量と、燃料電池で発電用として消費されなかった水素ガスの内、燃焼器の燃料として回収され、使用される燃焼器用水素ガス量とが制御され、定常状態となる。このような燃料電池装置において出力を変化させると、以下の問題が生じる。

例えば、燃料電池の出力を目標出力まで上げる場合、燃料電池で消費される水素ガス量が多くなり、その為、回収され燃焼器の燃料として用いられる水素ガスが少なくなり、場合によっては、燃焼器が燃料不足で燃焼器の火が消える恐れがあり、問題であった。また燃料電池の出力を目標出力まで下げる場合、逆に、燃料電池で消費される水素ガス量が少なくなり、その為、回収され燃焼器の燃料として用いられる水素ガス量が多くなり、場合によっては、燃焼器に過剰の燃料が供給され、燃焼器の過熱を引き起こす恐れがあり、問題であった。

本発明の目的は、燃料電池の出力変化に伴う水素ガス製造器の燃焼器の火が消えること、過熱を防止する燃料電池装置の出力制御方法を提供することである。

本発明に係る燃料電池装置の出力制御方法は、水素ガスを燃料として発電する燃料電池と、原料ガスから水素ガスを製造し、水素ガスを燃料電池へ供給する水素ガス製造器と、燃料電池へ供給された水素ガスの内の少なくとも一部を燃焼用燃料として使用し、水素ガス製造器で使用する熱を発生させる燃焼器と、燃料電池の出力を調節する出力調節器と、を備え、水素ガス製造器から燃料電池へ供給される水素ガス量を制御して所定の電力を出力させる燃料電池装置の出力制御方法において、燃料電池の出力を、現在の出力から目標出力まで変化させる場合、出力調節器は、第１時期において、燃料電池の出力を、現在の出力から目標出力へ変化させる順方向に対して、一旦逆方向へ変化させ、水素ガス製造器が燃料電池の出力を目標出力とするために必要な水素ガスを製造でき、かつ燃焼器が予め定めた許容温度を超えないように、水素ガス製造器の温度が予め定めた水素ガス製造器の閾値温度に達した後、第２時期において、燃料電池の出力を、順方向へ変化させることを特徴とする。

上記燃料電池装置の出力制御方法は、例えば、燃料電池の出力を、現在の出力から目標出力まで上げる場合、出力調節器は、第１時期において、燃料電池の出力を一旦下げ、燃料電池で消費される水素ガス量を低減して燃焼器の燃焼用燃料の量を増加させ、水素ガス製造器の温度が、燃料電池の出力を目標出力まで上げる間に必要とされる水素ガス量を水素ガス製造器が製造できる温度に関連付けられた値として予め定めた第１閾値温度に達した後、第２時期において、燃料電池の出力を目標出力まで上げる。

また上記燃料電池装置の出力制御方法は、例えば、燃料電池の出力を、現在の出力から目標出力まで下げる場合、出力調節器は、第１時期において、燃料電池の出力を一旦上げ、燃料電池で消費される水素ガス量を増加して燃焼器の燃焼用燃料の量を減少させ、水素ガス製造器の温度が、燃料電池の出力を目標出力まで下げる間に、燃焼器が予め定めた許容温度を超えない温度に関連付けられた値として定めた第２閾値温度に達した後、第２時期において、燃料電池の出力を目標出力まで下げる。

また上記燃料電池装置の出力制御方法は、例えば、出力調節器は、水素ガス製造器から燃料電池へ供給される供給用水素ガス量と、燃料電池で消費される発電用水素ガス量と、
燃焼器で消費される燃焼器用水素ガス量と、を制御する。

また上記燃料電池装置の出力制御方法において、燃料電池装置は、更に、水素ガス製造器の温度を検出する温度センサと、温度センサの検出値に基づいて、水素ガス製造器の温度が予め定めた閾値温度であるか否かを判断する温度判断部と、を備え、出力調節器は、温度判断部の結果に基づいて、第１時期から第２時期へ切り換えることを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池装置の出力制御方法は、燃料電池装置において、更に、燃料電池から排出され、燃焼器へ供給される水素ガス量を調節するガス調節器を備え、燃料電池の出力を、現在の出力から目標出力まで変化させる場合、ガス調節器は、目標出力に対して燃焼器が必要とする水素ガスの目標ガス量を算出し、燃料電池から排出される水素ガス量と目標ガス量との差が小さくなるように調節する。

上記燃料電池装置の出力制御方法において、前記出力調節器は、例えば、燃料電池の出力として、電流および電圧の少なくとも一方を調節する。

本発明は、燃料電池装置の出力制御方法以外の別の態様であってもよい。例えば、本発明の別の態様としては、燃料電池装置等がある。

本発明の燃料電池装置の出力制御方法によれば、燃料電池の出力変化に伴う水素ガス製造器の燃焼器の火が消えること、過熱を防止することができる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る燃料電池装置１の概略構成図である。燃料電池装置１は、家庭等で用いられる定置用の燃料電池装置である。燃料電池装置１は、燃料電池２と、水素ガス製造器３と、出力調節器４と、出力調節器４の制御等を行う制御部５とを備える。

燃料電池２は、固体高分子電解質型燃料電池からなり、複数個の単セルを積層したスタックからなる。各単セルは、電解質膜（例えば、イオン交換膜）の一方の表面に燃料ガス（水素ガス）の反応するアノードを有し、他方の表面に酸化ガス（酸素ガス）の反応するカソードを有する膜−電極アッセンブリ（Membrane-Electrode Assembly：ＭＥＡ）を備える。燃料電池２に水素ガスおよび酸素ガス（通常は、空気）を供給すると、各単セルのＭＥＡ上で所定の化学反応が進行し、燃料電池２より電気を取り出すことができる。

本実施形態において、燃料電池２へ供給される水素ガスは、すべてＭＥＡ上で反応し、消費される訳ではない。換言すれば、燃料電池２には発電に必要な水素ガス量よりも多い水素ガス量が供給されている。供給された水素ガスの内、一部はＭＥＡ上で反応せず、燃料電池２より排出される。排出された水素ガス（オフガス）は、回収され水素ガス製造器３の燃料として使用される。なお、燃料電池２へ供給される空気（酸化ガス）についても同様、本実施形態においては、発電に必要な酸化ガス量よりも多い酸化ガス量が供給される。ＭＥＡ上で反応せず、消費されなかった酸化ガスは、排気ガスとして燃料電池２より排出される。

水素ガス製造器３は、メタンガス等の原料ガスより水素ガスを製造する装置である。水素ガス製造器３は、一般的に、メタンガスを改質して水素ガスを製造する改質器と称される装置と同様である。水素ガス製造器３に供給された原料ガス（メタンガス）は、所定の改質反応によって水素ガスに改質される。メタンガスを改質して水素ガスを生成する反応としては、例えば、所定の触媒存在下、水素ガスと水とを反応させて水素ガスを生成する水蒸気改質反応がある。この反応は吸熱反応であり、この反応を進行させる為には、水素ガス製造器３内を５００℃〜９００℃の温度範囲で維持する必要がある。その為、水素ガス製造器３は、熱を発生させるための燃焼器（バーナー）６を備える。

燃焼器６は、上記燃料電池２で消費されずに排出され、回収された水素ガスを燃料とする。回収された水素ガスは、空気（酸化ガス）と所定の比率（空燃比）で混合され、燃焼器６の燃料として使用される。なお回収された水素ガスのすべてを燃焼器６の燃料として用いても良いが、少なくとも回収された水素ガスの内の一部を燃焼器６の燃料として用いても良い。水素ガス製造器３により製造された水素ガスは、燃料電池２へ供給される。

水素ガス製造器３内において、水素ガスの製造に充分な熱量が確保されている状態で、水素ガス製造器３へ供給する原料ガス供給量を増加させると、水素ガス製造器３で製造され、水素ガス製造器３から燃料電池２へ供給される水素ガス量も相関して増加する。また、水素ガス製造器３へ供給する原料ガス供給量を減少させると、水素ガス製造器３で製造され、水素ガス製造器３へ供給される水素ガス量も相関して減少する。したがって水素ガス製造器３内において、水素ガスの製造に充分な熱量が確保されていれば、原料ガス供給量を調節することにより、燃料電池２へ供給される水素ガス量を調節することが出来る。

これに対し、水素ガス製造器３内の熱量が不充分であると、原料ガスから製造される水素ガスが減少し、場合によっては、水素ガスが製造されなくなる。その為、水素ガス製造器３へ供給する原料ガス供給量を変化させても、水素ガス製造器３から燃料電池２へ供給される水素ガス量を、相関させて変化させることが出来ない。したがって、水素ガス製造器３内の熱量が不充分であると、原料ガス供給量を調節することにより、燃料電池２へ供給される水素ガス量を調節することが出来ない。

水素ガス製造器３は、水素ガス製造器３の温度を検出する温度センサ７を備える。温度センサ７は、通常、水素ガス製造器３内において、水素ガスの生成反応が行われる個所に設置される。他の実施形態においては、温度センサ７を燃焼器６の温度を検出する位置に備え付けてもよい。温度センサ６を設置する主たる目的は、水素ガス製造器３内の温度を把握することと、燃焼器６の温度を把握することである。この温度センサ７の検出値に基づいて、水素ガス製造器３内の温度が水素ガスの製造に適する温度であるか否かを判断することが出来る。また燃焼器６の温度が水素ガス製造器３（燃焼器６）の許容温度範囲内であるか否かを判断することが出来る。なお、温度センサ７の検出値は、図示されない所定のインターフェイスを介して制御部５へ送信される。

出力調節器４は、燃料電池２の出力を調節する装置である。本実施形態においては、出力調節器４は、例えば、チョッパとインバータとを組み合わせた装置より構成することができ、出力電流を調節する。このような構成とすれば、電流調節と併せて、燃料電池より出力された直流電流を、交流電流に変換することができる。この構成によれば、デューティー比を調節することにより、燃料電池２の出力を調節することが出来る。他の実施形態においては、電圧を調節しても良いし、電力を調節しても良い。なお出力調節器４の出力は、所定の負荷８に供される。

制御部５は、出力調節器４に対して燃料電池２の出力を調節する指令を出す出力調節指令部９を備える。出力調節指令部９は、外部からあるいは別の制御系等から与えられる出力要求指令１１に応じて、出力調節器４に対し指令を出す。また制御部５は、温度センサ７の検出値に基づいて、水素ガス製造器３の温度が水素ガスの製造に適する温度であるか否かを判断する温度判断部１０を備える。前記出力調節指令部９は、温度判断部１０の判断結果に基づいて、出力調節器４に対して所定の指令を出す。なお制御部５は、電子制御ユニットからなり、その機能は、ＲＯＭ等の記憶媒体に格納されたプログラムがＣＰＵより実行されることにより実現される。なお機能の一部をハードウェアで構成してもよい。

次に発電時の燃料電池装置１の動作の説明を行う。発電時、水素ガス製造器３には、原料ガス供給路１２を通って原料ガス（メタンガス）が供給される。また水素ガス製造器３には、水蒸気改質反応に利用される水が水供給路１３を通って供給される。水素ガス製造器３の燃焼器６には、燃料の水素ガスと混合される空気が空気供給路１４を通って供給される。これらの原料ガスの供給量、水の供給量および空気の供給量は、第二制御部１５によって制御される。第二制御部１５は、制御部５からの指令を受けて機能する。温度センサ７は、水素ガス製造器３内の温度を検出し、検出値を制御部５に対して送信する。

水素ガス製造器３により製造された水素ガスは、水素ガス供給路１６を通って燃料電池２へ供給される。燃料電池２へ供給された水素ガスは、アノードで消費される。アノードで消費されなかった水素ガスは、燃料電池２から排出され水素ガス回収路１７を通って水素ガス製造器３の燃焼器６の燃料として使用される。また燃料電池２には、酸化ガス（空気）が酸化ガス供給路１８を通って供給される。供給された酸化ガス（空気）はカソードで消費され、消費されなかった酸化ガスは、燃料電池２より排気ガスとして排気ガス排出路１９を通って排出される。燃料電池２へ供給される酸化ガス（空気）は、図示されない他の制御部により供給量が制御されている。なお燃料電池２に供給される燃料ガス、酸化ガスは所定の加湿器（図示せず）により加湿され、供給されてもよい。また図示されないが、燃料電池２には冷却器より冷却水が供給され、燃料電池２の過熱を防止している。

燃料電池２の出力は出力調節器４により調節される。出力調節器４は、制御部５の出力調節指令部９の指令に基づいて作動し、燃料電池２の出力を調節する。なお出力調節器４により燃料電池２の出力を調節すれば、燃料電池２で消費される水素ガス量や燃料電池２で消費されずに排出される水素ガス量が調節される。例えば、出力調節器４により燃料電池２の出力電流を大きくすれば、燃料電池２のアノードで消費される水素ガス量が増加し、燃料電池２から排出される水素ガス量が減少する。これに対し、出力調節器４により燃料電池２の出力を小さくすれば、燃料電池２のアノードで消費される水素ガス量が減少し、燃料電池２から排出される水素ガス量が増加する。このようにして、燃料電池２の出力を操作することにより、燃料電池２で消費される水素ガス量と、燃料電池より排出され、回収される水素ガス量（燃焼器で燃料とされる水素ガス量）とが変化する。

制御部５は、出力要求指令１１に基づいて、出力調節器４に対して出力調節を行う指令を出す。制御部５は、水素ガス製造器３の温度センサ７の検出値を取得し、この検出値に基づいて温度判断部１０が水素ガス製造器３の温度が水素ガスの製造に適する温度であるか否かを判断する。また制御部５は、水素ガス製造器３へ供給される原料ガスや水の供給量の制御を行う為に、第二制御部１５に対して指令を出す。

本実施形態に係る燃料電池装置１において、水素ガス量の状態は以下の通りである。水素ガス製造器３より燃料電池２へ供給される水素ガス量（供給用水素ガス量）をＱとし、この内、燃料電池２で消費される水素ガス量（発電用水素ガス量）をαとし、発電に用いられずに回収され燃焼器６の燃料として使用される水素ガス量（燃焼器用水素ガス量）をβとすると、Ｑ＝α＋β＋ｋである。ここで、ｋは、必要に応じて用いられる補正量を表す。燃料電池２の出力が供給される負荷からの要求等に基づき、発電用水素ガス量αが定まり、発電用水素ガス量αが定まると、これに必要な熱量を確保するための燃焼器用水素ガス量βが定まる。これらに補正量ｋを加えることにより、燃料電池２への供給用水素ガス量Ｑが定まる。

本実施形態に係る燃料電池装置１は、燃料電池２の出力変化の要求指令（出力要求指令１１）があった場合、まず燃料電池２の出力が操作される。本実施形態においては、燃料電池２へ供給される水素ガス量、燃料電池２へ供給される酸化ガス量等の制御は、上記出力の操作を伴って行われる。

ところで、燃料電池２の出力変化が大きい場合において、燃料電池２の出力を目標出力までいきなり上げると、燃料電池２で消費される水素ガス量が増加するため、回収され、燃焼器６の燃料として使用される水素ガス量が減少する。回収される水素ガス量が減少すると、燃焼器６が燃料不足となり、燃焼器６の温度が低下する。すると燃焼器６は水素ガス製造器３に改質反応に必要な熱を供給することが出来なくなる。場合によっては燃焼器６の火が消えてしまうこともある。そうなると、水素ガス製造器６で水素ガスを充分製造出来なくなり、燃料電池２へ目標出力を得るのに必要な水素ガス量を供給することも出来なくなる。

一方、燃料電池２の出力変化が大きい場合において、燃料電池２の出力を目標出力まで下げると、燃料電池２で消費される水素ガス量が減少するため、回収され、燃焼器６の燃料として使用される水素ガス量が増加する。回収される水素ガス量が増加すると、燃焼器６の燃焼が激しくなり、場合によっては燃焼器６の温度が許容温度範囲を超えてしまう。このように燃焼器６が許容温度範囲を超え、過熱（オーバーヒート）すると燃焼器６（水素ガス製造器３）が故障する場合があり問題である。

したがって、本実施形態に係る燃料電池装置１の出力制御方法においては、燃料電池２の出力を、現在の出力から目標出力まで変化させる場合、第１時期および第２時期の２つの時期において、出力の変化方向を切り換える。ここで、燃料電池２の出力を、現在の出力から目標出力まで変化させる場合、現在の出力から目標出力へ変化が向かう場合を順方向とする。これに対し、現在の出力から目標出力とは逆に変化が向かう場合を逆方向とする。例えば、現在の出力から目標出力まで上げる場合、順方向へ出力を変化させるとは、出力を上げて変化させることであり、逆方向へ出力を変化させるとは、出力を下げて変化させることである。また、現在の出力から目標出力まで下げる場合においては、順方向へ出力を変化させるとは、出力を下げて変化させることであり、逆方向へ出力を変化させるとは、出力を上げて変化させることである。

本実施形態に係る燃料電池装置１は、燃料電池２の出力を、現在の出力から目標出力まで変化させる場合、第１時期において、先ず逆方向に変化させる。その後、第２時期において、燃料電池２の出力を、順方向に変化させる。具体的には、燃料電池２の出力を、現在の出力から目標出力まで上げる場合、第１時期において、燃料電池２の出力を下げる。燃料電池２の出力を下げることにより、燃料電池２で消費される水素ガス量が減少する。すると燃料電池２より排出される水素ガス量が増加し、燃焼器６で使用される燃料が増加することになる。燃焼器６の燃料が増加すると、水素ガス製造器３の温度が上がり、水素ガスの製造に充分な熱が蓄えられることになる。その後、燃料電池２の出力を目標出力まで上げる。これに対し、燃料電池２の出力を、現在の出力から目標出力まで下げる場合、第１時期において、燃料電池２の出力を上げる。燃料電池２の出力を上げることにより、燃料電池２で消費される水素ガス量が増加する。すると燃料電池２より排出される水素ガス量が減少し、燃焼器６で使用される燃料が減少することになる。燃焼器６の燃料が減少すると、燃焼器６の温度が下がり、燃焼器６のオーバーヒートを防止することが出来る。その後、燃料電池２の出力を目標出力まで下げる。

以下、本実施形態に係る燃料電池装置１の出力制御方法を具体的に示す。先ず、図１に示される燃料電池装置１において、燃料電池の出力電流Ｉ_１を目標出力（目標値）Ｉ_３まで上げる場合の手順を説明する。図２は、燃料電池２の出力電流を目標出力まで上げる手順を示すフローチャートである。図１および図２を用いて前記手順を説明する。

出力電流Ｉ_１で発電する燃料電池装置１において、燃料電池２へ供給される供給用水素ガス量Ｑと、燃料電池２で消費される発電用水素ガス量αと、回収され燃焼器６の燃料として使用される燃焼器用水素ガス量βとの間は、上記のようにＱ＝α＋β＋ｋの状態になっている。制御部５が燃料電池２の出力電流Ｉ_１を目標出力Ｉ_３まで上げる内容の出力要求指令１１を取得すると、制御部５の出力調節指令部９が、出力調節器４に対して出力電流Ｉ_１を、一旦、Ｉ_２まで下げる指令を出す（Ｓ１）。出力調節器４は、前記指令に基づいて作動し、燃料電池２の出力電流をＩ_１からＩ_２まで下げる（Ｓ２）。燃料電池２の出力電流を下げると、燃料電池２で消費されずに回収される水素ガス量が増加する。回収され、燃焼器６の燃料として使用される水素ガス量が増加すると、燃焼器６の温度（水素ガス製造器３の温度）が上昇する。

次に、水素ガス製造器３の温度センサ７が水素ガス製造器３の温度Ｔを検出する（Ｓ３）。温度センサ７の検出値は、制御部５に送信される。制御部５の温度判断部１０は、温度センサ７の検出値に基づいて、水素ガス製造器３の温度Ｔが、閾値ｍ以上であるか否かを判断する（Ｓ４）。この閾値ｍは、水素ガス製造器３の温度であって、燃料電池２の出力を目標出力Ｉ_３まで上げる間に必要とされる水素ガス量を、水素ガス製造器３が製造出来る温度に関連付けられた値として予め定めることが出来る。

水素ガス製造器３の温度Ｔが閾値ｍ以上の場合、水素ガス製造器３の温度が水素ガスの製造に適する温度と判断される。すると制御部５の出力調節指令部９より出力調節器４に対して出力電流を目標出力Ｉ_３まで上げる指令が出される（Ｓ５）。一方、水素ガス製造器３の温度Ｔが閾値ｍ未満の場合は、水素ガス製造器３の温度が水素ガスの製造に適する温度と判断されず、その為Ｓ４より再びＳ３へ戻り、温度センサ７による温度Ｔの検出を行う。その後、再び、Ｓ４において温度判断部１０による判断が行われる。

出力調節器４が、出力電流を目標出力Ｉ_３まで上げる指令を取得すると、出力調節器４が燃料電池２の出力電流を目標出力Ｉ_３まで上げるように作動する（Ｓ６）。その後、制御部５は、第二制御部１５に対して、水素ガス製造器３へ供給される原料ガスの供給量および水の供給量を増加させる為の指令を出す。第二制御部１５が前記指令を取得すると、原料ガスの供給量、水の供給量の制御が行われる（Ｓ７）。この際、併せて、水素ガス製造器３の燃焼器６へ供給される空気の供給量、燃料電池２のカソードへ供給される空気の供給量の制御等も行われる。

以上の手順により、燃料電池２の出力電流Ｉ_１は目標値Ｉ_３へ達する（Ｓ８）。こうして、燃料電池が出力Ｉ_３で発電する際、燃料電池２へ供給される水素ガス量（供給用水素ガス量Ｑ’）と、燃料電池２で消費される水素ガス量（発電用水素ガス量α’）と、回収され燃焼器６の燃料とされる水素ガス量（燃焼器用水素ガス量β’）との間の関係がＱ’＝α’＋β’＋ｋとなり、上記出力電流Ｉ_１で発電する際の関係（Ｑ＝α＋β＋ｋ）から移行する。

図３(a)において、前記手順における燃料電池２の出力電流の変化をグラフで示す。縦軸は燃料電池２の出力電流Ｉを示し、横軸は時間ｔを示す。時間ｔ_１は、燃料電池２の出力電流Ｉ_１が一旦、Ｉ_２まで低下し始めた時間を示す。時間ｔ_２は、燃料電池２の出力電流が目標出力Ｉ_３まで上昇し始めた時間を示す。時間ｔ_３は、燃料電池２の出力が目標出力Ｉ_３に達した時間を示す。また図３(b)において、水素ガス製造器３へ供給される原料ガスの供給量ｖの変化をグラフで示す。縦軸は水素ガス製造器３へ供給される原料ガス供給量ｖを示し、横軸は時間ｔを示す。なお図３(b)において示される時間ｔは、図３(a)において示される時間ｔと同一である。燃料電池２が出力電流Ｉ_１で発電する際、水素ガス製造器３には原料ガスが所定の供給量ｖ_１で供給されている。時間ｔ_１において、燃料電池２の出力電流が低下し始めても、原料ガス供給量ｖ_１はそのままの状態である。時間ｔ_２において、燃料電池２の出力電流を目標出力Ｉ_３まで上げ始めた後に、水素ガス製造器３へ供給する原料ガス供給量ｖが増加し始める。時間ｔ_３において、燃料電池２の出力が目標出力Ｉ_３となると、水素ガス製造器３へ供給される原料ガス供給量ｖは、ｖ_３となり一定となる。なお時間ｔ_１〜時間ｔ_２が第１時期であり、時間ｔ_２〜時間ｔ_３が第２時期である。

以上のようにして、水素ガス製造器３の燃焼器６の火が燃料不足により消えてしまうことなく、燃料電池２の出力電流Ｉ_１を目標出力Ｉ_３まで上げることが出来る。

続いて本実施形態に係る燃料電池装置１において、燃料電池２の出力電流Ｉ_１１を目標出力（目標値）I_１３まで下げる場合の手順を説明する。図４は、燃料電池２の出力電流Ｉ_１１を目標出力I_１３まで下げる手順を示すフローチャートである。図１および図４を用いて前記手順を説明する。

出力電流I_１１で発電する燃料電池装置１において、燃料電池２へ供給される供給用水素ガス量Ｑ’’と、燃料電池で消費される発電量水素ガス量α’’と、回収され燃焼器６の燃料として使用される燃焼器用水素ガス量β’’との間は、上記のように、Ｑ’’＝α’’＋β’’＋ｋの状態になっている。制御部５が燃料電池３の出力電流Ｉ_１１を目標出力Ｉ_１３まで下げる内容の出力要求指令１１を取得すると、制御部５の出力調節指令部９が、出力調節器４に対して、出力電流Ｉ_１１を、一旦、Ｉ_１２まで上げる指令を出す（Ｓ１１）。前記指令を受け取った出力調節器４は、前記指令に基づいて作動し、燃料電池２の出力電流をＩ_１１からＩ_１２まで上げる（Ｓ１２）。燃料電池２の出力電流を上げると、燃料電池２で消費される水素ガス量が増加する。その為、回収され、燃焼器６の燃料として使用される水素ガス量が減少し、燃焼器６の温度（水素ガス製造器３の温度）が低下する。

次に、水素ガス製造器３の温度センサ７が水素ガス製造器３の温度Ｔを検出する（Ｓ１３）。温度センサ７の検出値は、制御部５に入力される。制御部５の温度判断部１０は、温度センサ７の検出値に基づいて、水素ガス製造器３の温度Ｔが、閾値ｎ以下であるか否かを判断する（Ｓ１４）。この閾値ｎは、燃焼器６の温度であって、燃料電池２の出力電流を目標出力Ｉ_１３まで下げる間に、燃焼器６がオーバーヒートしない温度に関連付けられた値として定めることができる。

水素ガス製造器３の温度Ｔが閾値ｎ以下の場合、燃焼器６の温度は、燃料電池２の出力電流を目標出力まで下げる間に、オーバーヒートしない温度まで低下していると判断される。すると制御部５の出力指令部９より出力調節器４に対して出力電流を目標出力Ｉ_１３まで下げる指令が出される（Ｓ１５）。一方、水素ガス製造器３の温度Ｔが閾値ｎを超える場合、燃焼器６の温度がオーバーヒートしない温度まで低下していない状態にある。その為、Ｓ１４より再びＳ１３へ戻り、温度センサ７による温度Ｔの検出を行う。その後、再び、Ｓ１４において温度判断部１０による判断が行われる。

出力調節器４が、出力電流を目標出力Ｉ_１３まで下げる指令を取得すると、出力調節器４が燃料電池２の出力電流を目標出力Ｉ_１３まで下げる作動を行う（Ｓ１６）。その後、制御部５は、第二制御部１５に対して、水素ガス製造器３へ供給される原料ガスの供給量および水の供給量を減少させる為の指令を出す。第二制御部１５が前記指令を取得すると、原料ガスの供給量、水の供給量の制御が行われる（Ｓ１７）。この際、併せて、水素ガス製造器３の燃焼器６へ供給される空気の供給量、燃料電池２のカソードへ供給される空気の供給量の制御も行われる。

以上の手順により、燃料電池２の出力電流Ｉ_１１は目標値Ｉ_１３へ達する（Ｓ１８）。こうして、燃料電池２が出力Ｉ_１３で発電する際、燃料電池２へ供給される水素ガス量（供給用水素ガス量Ｑ’’’）と、燃料電池２で消費される水素ガス量（発電用水素ガス量α’’’）と、回収され燃焼器６の燃料とされる水素ガス量（燃焼器用水素ガス量β’’’）との間の関係がＱ’’’＝α’’’＋β’’’＋ｋとなり、上記出力電流Ｉ_１１で発電する際の関係（Ｑ’’＝α’’＋β’’＋ｋ）から移行する。

図５(a)において、前記手順における燃料電池２の出力電流の変化をグラフで示す。縦軸は燃料電池２の出力電流Ｉを示し、横軸は時間ｔを示す。時間ｔ_１１は、燃料電池２の出力電流Ｉ_１１が一旦、Ｉ_１２まで上昇し始めた時間を示す。時間ｔ_１２は、燃料電池２の出力電流が目標出力Ｉ_１３まで低下し始めた時間を示す。時間ｔ_１３は、燃料電池２の出力が目標出力Ｉ_１３に達した時間を示す。また図５(b)において、水素ガス製造器３へ供給される原料ガスの供給量ｖの変化をグラフで示す。縦軸は水素ガス製造器３へ供給される原料ガス供給量ｖを示し、横軸は時間ｔを示す。なお図５(b)において示される時間ｔは、図５(a)において示される時間ｔと同一である。燃料電池２が出力電流Ｉ_１１で発電する際、水素ガス製造器３には原料ガスが所定の供給量ｖ_１１で供給されている。時間ｔ_１１において、燃料電池２の出力電流が上昇し始めても、原料ガス供給量ｖ_１１はそのままの状態である。時間ｔ_１２において、燃料電池２の出力電流を目標出力Ｉ_１３まで下げ始めた後に、水素ガス製造器３へ供給する原料ガス供給量ｖが減少し始める。時間ｔ_１３において、燃料電池２の出力が目標出力Ｉ_１３となると、水素ガス製造器３へ供給される原料ガス供給量ｖは、ｖ_１３となり一定となる。なお時間ｔ_１１〜時間ｔ_１２が第１時期であり、時間ｔ_１２〜時間ｔ_１３が第２時期である。

以上のようにして、水素ガス製造器３の燃焼器６がオーバーヒートすることなく、燃料電池２の出力電流Ｉ_１１を目標出力Ｉ_１３まで下げることが出来る。

以下、他の実施形態について説明する。上記実施形態において、燃料電池２の出力を目標出力Ｉ_３まで上げる場合、一旦、出力を下げ、温度判断部１０が温度センサの検出値に基づいて、水素ガス製造器３の温度が水素ガスの製造に適する温度であるか否かを判断し、その判断結果に基づいて、出力を目標出力Ｉ_３まで上げることを行っていたが、他の実施形態においては、温度判断部１０による判断を行わなくてもよい。例えば、温度判断部１０の判断のかわりに、上記場合において一旦、出力を下げ、所定時間Ｔ_１経過後に出力を目標出力Ｉ_３まで上げても良い。この場合において、所定時間Ｔ_１は、予め定められた時間であって、水素ガス製造器３の温度を、この場合において必要とされる水素ガス量を水素ガス製造器３が製造可能な温度まで上げる時間として定めることが出来る。この所定時間Ｔ_１の間、一旦、出力を下げることにより、燃焼器６の燃焼により熱が確保され、水素ガス製造器３内の温度が上昇する。

同様にして、燃料電池２の出力を目標出力Ｉ_１３まで下げる場合、他の実施形態においては、一旦、出力を上げ、所定時間Ｔ_１１経過後に出力を目標出力Ｉ_１３まで下げても良い。この場合において、所定時間Ｔ_１１は、予め定められた時間であって、水素ガス製造器３の温度が、オーバーヒートしない温度まで下げる時間として定めることが出来る。この所定時間Ｔ_１１の間、一旦、出力を上げることにより、燃焼器６の温度を低下させ、燃焼器６がオーバーヒートしない温度にすることが出来る。

更に、他の実施形態として、上記燃料電池装置１は、更に、燃料電池から排出され、燃焼器へ供給される水素ガス量を調節するガス調節器を備えるものであっても良い。燃料電池の出力を、現在の出力から目標出力まで変化させる場合、ガス調節器が、目標出力に対して燃焼器が必要とする水素ガスの目標ガス量を算出し、燃料電池において消費されずに排出される水素ガス量と、前記目標ガス量との差が小さくなるように調節する。このように、燃料電池から燃焼器へ供給される水素ガス量を直接変更しても良い。例えば、目標ガス量が、燃料電池より排出される水素ガス量よりも少ない場合、ガス調節器は、燃焼器へ供給する水素ガスの量を、目標ガス量に近づけるために、燃料電池より排出された水素ガスを減量する。その後、水素ガスを燃焼器へ供給する。これに対し、目標ガス量が、燃料電池より排出される水素ガス量よりも多い場合、ガス調節器は、燃焼器へ供給する水素ガスの量を、目標ガス量に近づけるために、燃料電池より排出された水素ガスに、他の水素ガスを加え、増量する。その後、増量された水素ガスを燃焼器へ供給する。なお、他の水素ガスは、ガス調節器が燃料電池より排出される水素ガスを減量した際に生じる水素ガスを所定の容器等に蓄えておいたものを用いても良いし、他の供給源より供給されるものを用いてもよい。このように燃料電池装置がガス調節器を更に備えると、現在の出力から目標出力まで変化させやすくなる。

他の実施形態において、メタンガスより水素ガスを製造する際に、上記実施形態において示した反応以外に、炭酸ガス改質反応、部分酸化改質反応等の公知の反応を用いても良い。またメタンガス以外に、プロパン等の別の原料ガスを使用しても良い。また水素ガスの原料として、メタノールやガソリン等の液体燃料を用いても良い。

上記実施形態において、制御系が、制御部と、第二制御部とに分離したものを用いているが、他の実施形態においては、これらの機能を一つにまとめたものを用いても良い。

本実施形態に係る燃料電池装置の概略構成図を示す。燃料電池の出力を目標出力まで上げる場合の手順を示すフローチャートである。燃料電池の出力を目標出力まで上げる場合であって、(a)燃料電池の出力の変化を示すグラフである。(b)水素ガス製造器へ供給される原料ガス供給量の変化を示すグラフである。燃料電池の出力を目標出力まで下げる場合の手順を示すフローチャートである。燃料電池の出力を目標出力まで下げる場合であって、(a)燃料電池の出力の変化を示すグラフである。(b)水素ガス製造器へ供給される原料ガス供給量の変化を示すグラフである。

符号の説明

１燃料電池装置、２燃料電池、３水素ガス製造器、４出力調節器、５制御部、６燃焼器、７温度センサ、８負荷、９出力調節指令部、１０温度判断部、１１出力要求指令、１２原料ガス供給路、１３水供給路、１４空気供給路、１５第二制御部、１６水素ガス供給路、１７水素ガス回収路、１８酸化ガス供給路、１９排気ガス排出路。

Claims

水素ガスを燃料として発電する燃料電池と、
原料ガスから水素ガスを製造し、水素ガスを燃料電池へ供給する水素ガス製造器と、
燃料電池へ供給された水素ガスの内の少なくとも一部を燃焼用燃料として使用し、水素ガス製造器で使用する熱を発生させる燃焼器と、
燃料電池の出力を調節する出力調節器と、を備え、
水素ガス製造器から燃料電池へ供給される水素ガス量を制御して所定の電力を出力させる燃料電池装置の出力制御方法において、
燃料電池の出力を、現在の出力から目標出力まで変化させる場合、
出力調節器は、
第１時期において、燃料電池の出力を、現在の出力から目標出力へ変化させる順方向に対して、一旦逆方向へ変化させ、
水素ガス製造器が燃料電池の出力を目標出力とするために必要な水素ガスを製造でき、かつ燃焼器が予め定めた許容温度を超えないように、水素ガス製造器の温度が予め定めた水素ガス製造器の閾値温度に達した後、
第２時期において、燃料電池の出力を、順方向へ変化させることを特徴とする燃料電池装置の出力制御方法。
請求項１記載の燃料電池装置の出力制御方法において、
燃料電池の出力を、現在の出力から目標出力まで上げる場合、
出力調節器は、
第１時期において、燃料電池の出力を一旦下げ、燃料電池で消費される水素ガス量を低減して燃焼器の燃焼用燃料の量を増加させ、水素ガス製造器の温度が、燃料電池の出力を目標出力まで上げる間に必要とされる水素ガス量を水素ガス製造器が製造できる温度に関連付けられた値として予め定めた第１閾値温度に達した後、
第２時期において、燃料電池の出力を目標出力まで上げることを特徴とする燃料電池装置の出力制御方法。
請求項１記載の燃料電池装置の出力制御方法において、
燃料電池の出力を、現在の出力から目標出力まで下げる場合、
出力調節器は、
第１時期において、燃料電池の出力を一旦上げ、燃料電池で消費される水素ガス量を増加して燃焼器の燃焼用燃料の量を減少させ、水素ガス製造器の温度が、燃料電池の出力を目標出力まで下げる間に、燃焼器が予め定めた許容温度を超えない温度に関連付けられた値として定めた第２閾値温度に達した後、
第２時期において、燃料電池の出力を目標出力まで下げることを特徴とする燃料電池装置の出力制御方法。
請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の燃料電池装置の出力制御方法において、
出力調節器は、
水素ガス製造器から燃料電池へ供給される供給用水素ガス量と、
燃料電池で消費される発電用水素ガス量と、
燃焼器で消費される燃焼器用水素ガス量と、を制御することを特徴とする燃料電池装置の出力制御方法。
請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の燃料電池装置の出力制御方法において、
燃料電池装置は、更に、
水素ガス製造器の温度を検出する温度センサと、
温度センサの検出値に基づいて、水素ガス製造器の温度が予め定めた閾値温度であるか否かを判断する温度判断部と、
を備え、
出力調節器は、温度判断部の結果に基づいて、第１時期から第２時期へ切り換えることを特徴とする燃料電池装置の出力制御方法。
請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の燃料電池装置の出力制御方法において、
燃料電池装置はさらに、
燃料電池から排出され、燃焼器へ供給される水素ガス量を調節するガス調節器を備え、
燃料電池の出力を、現在の出力から目標出力まで変化させる場合、
ガス調節器は、
目標出力に対して燃焼器が必要とする水素ガスの目標ガス量を算出し、燃料電池から排出される水素ガス量と目標ガス量との差が小さくなるように調節することを特徴とする燃料電池装置の出力制御方法。
請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の燃料電池装置の出力制御方法において、
前記出力調節器は、燃料電池の出力として、電流および電圧の少なくとも一方を調節することを特徴とする燃料電池装置の出力制御方法。