JP2003197232A

JP2003197232A - 燃料電池発電システムおよびその制御方法

Info

Publication number: JP2003197232A
Application number: JP2001393935A
Authority: JP
Inventors: Nobuki Hattori; 伸希服部; Koichiro Hara; 浩一郎原; Osamu Nakanishi; 修中西; Shiro Yamazaki; 史朗山▲崎▼
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2001-12-26
Publication date: 2003-07-11

Abstract

(57)【要約】【課題】水素濃度センサを用いることなく燃料電池を
最適水素利用率で運転すると共に製造のばらつきや組み
付け精度などにより生じるシステムの特性や経年変化に
も対応可能とする。【解決手段】要求負荷に基づいて初期設定される改質
器への都市ガスの供給量でシステムを運転し（Ｓ１００
〜Ｓ１０８）、定常運転状態になったら、燃料電池への
負荷を徐々に増加して検出される燃料電池の端子間電圧
Ｖの時間微分値ｄＶが最適水素利用率における端子間電
圧Ｖの時間微分値として設定された閾値ｄＶ未満となっ
たときに（Ｓ１１２〜Ｓ１１８）、その直前の負荷でシ
ステムを運転する（Ｓ１２０）。これにより、水素濃度
センサを用いることなく燃料電池を最適水素利用率で運
転することができると共に製造のばらつきなどのシステ
ムの特性や経年変化にも対応することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池発電シス
テムおよびその制御方法に関する。

【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、燃料電池の供給ガスの出口に取り付けられた水
素濃度センサにより検出された水素濃度に基づいて水素
利用率を計算して燃料電池の運転に用いるものが提案さ
れている（例えば、特開昭６３−５１０６１号公報や特
開平５−２７５０９７号公報など）。水素利用率は、燃
料電池のアノードに供給された水素量に対する燃料電池
のアノードで消費された水素量の比として計算されるも
のであり、燃料電池の端子間電圧が急降下する直前の水
素利用率である最大水素利用率以下の水素利用率で燃料
電池の運転が行なわれる。

【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、燃料電池の運転制御に水
素利用率を用いるために水素濃度センサを備える必要が
ある。水素濃度センサの精度が良好であれば最大水素利
用率で燃料電池を良好に運転できるが、水素濃度センサ
の精度が低い場合やセンサにオフセットが生じた場合な
どには燃料電池を良好に運転することができない。特に
水素センサや水素濃度センサは、水素以外の成分によっ
てその精度が低くなることが多いから、炭化水素系の燃
料を水素リッチな燃料ガスに改質して燃料電池に供給す
る場合には、十分な検出精度を得ることができず、燃料
電池を良好に運転することができない場合が多い。

【０００４】本発明の燃料電池発電システムおよびその
制御方法は、水素濃度センサや水素センサを用いること
なく燃料電池を良好に運転すること、即ちセンサレスに
よるシステムのコストダウンを図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
制御方法は、製造のばらつきや組み付け精度などにより
生じるシステム毎の特性に適応できるものとすることを
目的の一つとする。本発明の燃料電池発電システムおよ
びその制御方法は、システムの経年変化に対応すること
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制御方法は、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】本発明の第１の燃料電池発電システムは、
燃料電池により発電する燃料電池発電システムであっ
て、前記燃料電池に供給する供給ガスの供給量を調整可
能なガス調整手段と、前記燃料電池の負荷を調整可能な
負荷調整手段と、前記供給ガスの供給量を一定に保持し
て前記燃料電池を定常運転状態とした状態で該燃料電池
の負荷を徐々に変化させたときに該燃料電池の端子間電
圧が急降下する直前の負荷と供給ガスの供給量との関係
を最適条件として複数記憶する最適条件記憶手段と、前
記燃料電池への要求負荷が指示されたとき、前記最適条
件記憶手段により記憶された複数の最適条件から前記要
求負荷に対応する供給ガスの供給量が前記燃料電池に供
給されるよう前記供給ガス調整手段を制御すると共に前
記要求負荷が前記燃料電池に作用するよう前記負荷調整
手段を制御する制御手段と、を備えることを要旨とす
る。

【０００７】この本発明の第１の燃料電池発電システム
では、燃料電池への要求負荷が指示されたときには、最
適条件記憶手段に記憶された複数の最適条件のうち指示
された要求負荷に対応する供給ガスの供給量が燃料電池
に供給されるよう供給ガスの供給量を調整すると共に指
示された要求負荷が燃料電池に作用するよう調整する。
したがって、燃料電池は、水素濃度センサや水素センサ
を備えることなしに最適条件で運転することができる。
この結果、システムのコストダウンを図ることができ
る。なお、最適条件は、供給ガスの供給量を一定に保持
して燃料電池を定常運転状態とした状態で燃料電池の負
荷を徐々に変化させたときに燃料電池の端子間電圧が急
降下する直前の負荷と供給ガスの供給量との関係として
最適条件記憶手段に複数記憶される。

【０００８】こうした本発明の第１の燃料電池発電シス
テムにおいて、前記燃料電池が定常運転状態のとき、前
記供給ガスの供給量が一定に保持されるよう前記供給ガ
ス調整手段を制御すると共に前記電圧検出手段により前
記燃料電池の端子間電圧を検出しながら前記燃料電池の
負荷が徐々に変化するよう前記負荷調整手段を制御し、
前記燃料電池の端子間電圧が急降下する直前の負荷と前
記供給ガスの供給量とを検出して前記最適条件記憶手段
に記憶されている最適条件を更新する最適条件更新手段
を備えるものとすることもできる。こうすれば、製造の
ばらつきや組み付け精度などにより生じるシステム毎の
特性にも対応することができると共にシステムの経年変
化にも対応することができる。ここで、端子間電圧の急
降下は、端子間電圧の時間当たりの変化量や時間微分値
などが所定値より小さいか否かにより判定するものとす
ることもできる。こうした態様の本発明の第１の燃料電
池発電システムにおいて、前記最適条件更新手段は、シ
ステムが起動されて前記燃料電池が定常運転状態になる
タイミングで前記更新を行なう手段であるものとした
り、前記供給ガス調整手段により供給ガスの供給量が所
定量以上の変更を伴って調整された後に該供給ガスの供
給量で前記燃料電池が定常運転状態となったタイミング
で前記更新を行なう手段であるものとすることもでき
る。

【０００９】本発明の第２の燃料電池発電システムは、
燃料電池により発電する燃料電池発電システムであっ
て、要求負荷に対応する供給ガスの供給量の初期設定値
を記憶する初期設定値記憶手段と、前記燃料電池に供給
する供給ガスの供給量を調整可能な供給ガス調整手段
と、前記燃料電池の負荷を調整可能な負荷調整手段と、
前記燃料電池への要求負荷が指示されたとき、前記初期
設定値記憶手段に記憶された供給ガスの供給量のうち該
指示された要求負荷に対応する供給ガスの供給量が前記
燃料電池に供給されるよう前記供給ガス調整手段を制御
すると共に前記要求負荷が前記燃料電池に作用するよう
前記負荷調整手段を制御する初期制御手段と、該初期制
御手段による制御で前記燃料電池が定常運転状態になっ
たとき、前記供給ガスの供給量が一定に保持されるよう
前記供給ガス調整手段を制御すると共に前記電圧検出手
段により前記燃料電池の端子間電圧を検出しながら前記
燃料電池の負荷が徐々に変化するよう前記負荷調整手段
を制御して、前記燃料電池の端子間電圧が急降下する直
前の負荷を検出し、該検出した負荷が前記燃料電池に作
用するよう前記負荷調整手段を制御する調整制御手段
と、を備えることを要旨とする。

【００１０】本発明の第２の燃料電池発電システムで
は、燃料電池への要求負荷が指示されたときには、初期
設定値記憶手段に記憶された供給ガスの供給量のうち指
示された要求負荷に対応する供給ガスの供給量が燃料電
池に供給されるよう供給ガスの供給量を調整すると共に
要求負荷が燃料電池に作用するよう調整する。そして、
こうした制御により燃料電池が定常運転状態になったと
きに、供給ガスの供給量が一定に保持されるよう供給ガ
ス調整手段を制御すると共に電圧検出手段により燃料電
池の端子間電圧を検出しながら燃料電池の負荷が徐々に
変化するよう負荷調整手段を制御して、燃料電池の端子
間電圧が急降下する直前の負荷を検出し、この検出した
負荷が燃料電池に作用するよう負荷調整手段を制御す
る。したがって、燃料電池を、水素濃度センサや水素セ
ンサを備えることなしに良好な条件で運転することがで
きる。この結果、システムのコストダウンを図ることが
できる。また、製造のばらつきや組み付け精度などによ
り生じるシステム毎の特性やシステムの経年変化にも対
応することができる。

【００１１】これら本発明の第１または第２の燃料電池
発電システムにおいて、前記制御手段は、前記供給ガス
調整手段により供給ガスの供給量を変更して調整された
とき、該供給量の調整が供給量の増加を伴う調整のとき
には負荷を徐々に増加して前記要求負荷が前記燃料電池
に作用するよう制御し、該供給量の調整が供給量の減少
を伴う調整のときには直ちに前記要求負荷が前記燃料電
池に作用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、燃料電池を安定運転状態のままで
変更された条件に移行させることができる。即ち、過渡
状態に燃料電池の端子間電圧の急降下を抑止することが
できる。

【００１２】また、本発明の第１または第２の燃料電池
発電システムにおいて、炭化水素系の燃料を水素リッチ
な燃料ガスに改質して前記供給ガスの一つとして前記燃
料電池に供給する改質手段を備え、前記供給ガス調整手
段は前記改質手段への前記炭化水素系の燃料の供給量を
調整することにより前記燃料電池に供給する供給ガスの
供給量を調節する手段であるものとすることもできる。
こうすれば、改質手段における製造のばらつきや経年変
化に対しても対応することができる。なお、この改質手
段は、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。この改質手段を備える態様の本発明の第１または
第２の燃料電池発電システムにおいて、前記炭化水素系
の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、燃料電池発電システムを一
般家庭で用いるのに適したものとすることができる。

【００１３】本発明の第１または第２の燃料電池発電シ
ステムにおいて、前記燃料電池からの直流電力を所望の
電力に変換可能な電力変換手段を備え、該変換した電力
を他系統電源から負荷機器への電力供給ラインに供給可
能なものとすることもできる。こうすれば、他系統電源
と共に負荷機器に電力を供給することができる。

【００１４】本発明の第１または第２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、システムのエネルギー効
率を高くすることができる。

【００１５】本発明の第１の燃料電池発電システムの制
御方法は、燃料電池に供給する供給ガスの供給量を調整
可能なガス調整手段と、前記燃料電池の負荷を調整可能
な負荷調整手段と、前記供給ガスの供給量を一定に保持
して前記燃料電池を定常運転状態とした状態で該燃料電
池の負荷を徐々に変化させたときに該燃料電池の端子間
電圧が急降下する直前の負荷と供給ガスの供給量との関
係を最適条件として複数記憶する最適条件記憶手段と、
を備える燃料電池発電システムの制御方法であって、
（ａ）前記燃料電池への要求負荷が指示されたとき、前
記最適条件記憶手段により記憶された複数の最適条件か
ら前記要求負荷に対応する供給ガスの供給量が前記燃料
電池に供給されるよう前記供給ガス調整手段を制御する
と共に前記要求負荷が前記燃料電池に作用するよう前記
負荷調整手段を制御することを要旨とする。

【００１６】この本発明の第１の燃料電池発電システム
の制御方法によれば、燃料電池への要求負荷が指示され
たときには、最適条件記憶手段に記憶された複数の最適
条件のうち指示された要求負荷に対応する供給ガスの供
給量が燃料電池に供給されるよう供給ガスの供給量を調
整すると共に指示された要求負荷が燃料電池に作用する
よう調整する。したがって、燃料電池を水素濃度センサ
や水素センサを備えることなしに最適条件で運転するこ
とができる。この結果、システムのコストダウンを図る
ことができる。

【００１７】こうした本発明の第１の燃料電池発電シス
テムの制御方法において、前記ステップ（ａ）による制
御で前記燃料電池が定常運転状態になったとき、前記供
給ガスの供給量が一定に保持されるよう前記供給ガス調
整手段を制御すると共に前記電圧検出手段により前記燃
料電池の端子間電圧を検出しながら前記燃料電池の負荷
が徐々に変化するよう前記負荷調整手段を制御し、前記
燃料電池の端子間電圧が急降下する直前の負荷と前記供
給ガスの供給量とを検出して前記最適条件記憶手段に記
憶されている最適条件を更新するステップを備えるもの
とすることもできる。こうすれば、製造のばらつきや組
み付け精度などにより生じるシステム毎の特性にも対応
することができると共にシステムの経年変化にも対応す
ることができる。

【００１８】本発明の第２の燃料電池発電システムの制
御方法は、要求負荷に対応する供給ガスの供給量の初期
設定値を記憶する初期設定値記憶手段と、前記燃料電池
に供給する供給ガスの供給量を調整可能な供給ガス調整
手段と、前記燃料電池の負荷を調整可能な負荷調整手段
と、を備える燃料電池発電システムの制御方法であっ
て、（ａ）前記燃料電池への要求負荷が指示されたと
き、前記初期設定値記憶手段に記憶された供給ガスの供
給量のうち該指示された要求負荷に対応する供給ガスの
供給量が前記燃料電池に供給されるよう前記供給ガス調
整手段を制御すると共に前記要求負荷が前記燃料電池に
作用するよう前記負荷調整手段を制御し、（ｂ）該制御
により前記燃料電池が定常運転状態になったとき、前記
供給ガスの供給量が一定に保持されるよう前記供給ガス
調整手段を制御すると共に前記電圧検出手段により前記
燃料電池の端子間電圧を検出しながら前記燃料電池の負
荷が徐々に変化するよう前記負荷調整手段を制御して、
前記燃料電池の端子間電圧が急降下する直前の負荷を検
出し、該検出した負荷が前記燃料電池に作用するよう前
記負荷調整手段を制御することを要旨とする。

【００１９】この本発明の第２の燃料電池発電システム
の制御方法によれば、燃料電池への要求負荷が指示され
たときには、初期設定値記憶手段に記憶された供給ガス
の供給量のうち指示された要求負荷に対応する供給ガス
の供給量が燃料電池に供給されるよう供給ガスの供給量
を調整すると共に要求負荷が燃料電池に作用するよう調
整する。そして、こうした制御により燃料電池が定常運
転状態になったときに、供給ガスの供給量が一定に保持
されるよう供給ガス調整手段を制御すると共に電圧検出
手段により燃料電池の端子間電圧を検出しながら燃料電
池の負荷が徐々に変化するよう負荷調整手段を制御し
て、燃料電池の端子間電圧が急降下する直前の負荷を検
出し、この検出した負荷が燃料電池に作用するよう負荷
調整手段を制御する。したがって、燃料電池を、水素濃
度センサや水素センサを備えることなしに良好な条件で
運転することができる。この結果、システムのコストダ
ウンを図ることができる。また、製造のばらつきや組み
付け精度などにより生じるシステム毎の特性やシステム
の経年変化にも対応することができる。

【００２０】これら本発明の第１または第２の燃料電池
発電システムにおいて、前記燃料電池システムは炭化水
素系の燃料を水素リッチな燃料ガスに改質して前記供給
ガスの一つとして前記燃料電池に供給する改質手段を備
え、前記供給ガス調整手段は前記改質手段への前記炭化
水素系の燃料の供給量を調整することにより前記燃料電
池に供給する供給ガスの供給量を調節する手段であるも
のとすることもできる。こうすれば、改質手段における
製造のばらつきや経年変化に対しても対応することがで
きる。なお、この改質手段は、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。

【００２１】本発明の第１または第２の燃料電池発電シ
ステムにおいて、前記燃料電池システムは前記燃料電池
からの直流電力を所望の電力に変換可能な電力変換手段
を備え、該変換した電力を他系統電源から負荷機器への
電力供給ラインに供給可能なものとすることもできる。
こうすれば、他系統電源と共に負荷機器に電力を供給す
ることができる。

【００２２】

【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５
４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５
６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。

【００２３】改質器３０は、ガス配管２２から調節弁２
４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。

【００２４】

【数１】ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ₂ （１）ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂ （２）

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】燃料電池４０の図示しない出力端子は、Ｄ
Ｃ／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。

【００２８】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。

【００２９】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、Ｃ
ＰＵ６２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、燃料電池４０の出力端子に取り付け
られた電圧センサ５１からの端子間電圧Ｖやインバータ
５４内の図示しない電流センサや電圧センサからの出力
電流や電圧，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，ＤＣ／Ｄ
Ｃ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。

【００３０】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、特に最適条件で燃料電池を運転する
動作について説明する。図２は、要求負荷が指示された
ときに電子制御ユニット６０により実行される運転制御
ルーチンの一例を示すフローチャートである。要求負荷
は、図示しない運転モード設定ルーチンにより高負荷の
Ｈｉｇｈモード、中程度の負荷のＭｉｄモード、低負荷
のＬｏｗモードの３段階のいずれかに運転モードが設定
されたときに各モードに対応する負荷として設定され
る。

【００３１】運転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、要求負荷に基づ
いて改質器３０に供給する都市ガスの供給量Ｑを初期設
定値にする処理を行なう（ステップＳ１００）。実施例
では、指示された各運転モードに対応した要求負荷に対
してこの要求負荷を燃料電池４０から安定して出力可能
な燃料ガスが燃料電池４０に供給される都市ガスの供給
量を要求負荷と共に初期設定値として予めＲＯＭ６４に
マップとして記憶しておき、要求負荷が与えられるとマ
ップから対応する供給量を導出して初期設定値とし、こ
の供給量Ｑが改質器３０に供給されるよう調節弁２４お
よび昇圧ポンプ２６を調整するものとした。

【００３２】続いて、初期設定値の都市ガスの供給量Ｑ
が現在の供給量から増加を伴うか否かを判定し（ステッ
プＳ１０２）、増加を伴うときには、所定時間経過する
のを待って（ステップＳ１０４）、燃料電池４０の負荷
を要求負荷に至るまで徐々に増加するようＤＣ／ＤＣコ
ンバータ５２やインバータ５４を制御する（ステップＳ
１０６）。ここで、所定時間経過するのを待つのは、改
質器３０への都市ガスの供給量Ｑを増加しても燃料電池
４０に供給される燃料ガスは直ちに増加されないためで
あり、燃料電池４０の負荷を徐々に増加するのは、急激
な増加により燃料電池４０の端子間電圧が降下するのを
防止するためである。一方、初期設定値の都市ガスの供
給量Ｑが現在の供給量から減少を伴うときには、所定時
間の経過を待つことなく、直ちに燃料電池４０の負荷を
要求負荷に減少するようＤＣ／ＤＣコンバータ５２やイ
ンバータ５４を制御する（ステップＳ１０８）。ここ
で、負荷を徐々に減少せずに急激に減少するのは、負荷
の減少に対しては燃料電池４０の応答性はよいからであ
る。

【００３３】次に、改質器３０に初期設定値の供給量Ｑ
の都市ガスが安定して供給されて燃料電池４０が要求負
荷で安定して定常運転状態に至るのを待って（ステップ
Ｓ１１０）、燃料電池４０の負荷を所定量だけ増加し
（ステップＳ１１２）、電圧センサ５１から燃料電池４
０の端子間電圧Ｖを読み込み（ステップＳ１１４）、読
み込んだ端子間電圧Ｖの時間微分値ｄＶを計算し（ステ
ップＳ１１６）、計算した時間微分値ｄＶを閾値ｄＶｒ
ｅｆと比較する（ステップＳ１１８）。燃料電池は、図
３の燃料電池端子間電圧と水素利用率との関係の一例に
示すように、燃料電池に供給された水素量に対する燃料
電池で消費された水素量として表わされる水素利用率を
増加すると、ある水素利用率（図中、Ｌポイント、以
下、最適水素利用率という）で燃料電池の端子間電圧が
急降下するようになる。水素利用率の増加は、燃料電池
に供給される水素量が同じときには、燃料電池で消費さ
れる水素量を増加することにより行なわれるから、都市
ガスの改質器３０への供給量Ｑを一定に保った状態で
は、燃料電池４０への負荷の増加と同意となる。いま、
水素利用率を徐々に増加したとき、即ち燃料電池へ供給
する水素量を同一に保った状態で燃料電池への負荷を徐
々に増加したときに燃料電池端子間電圧が急降下する最
適水素利用率となるポイントにおける端子間電圧の時間
微分値やこの時間微分値より若干小さな値を閾値ｄＶｒ
ｅｆとして設定すれば、ステップＳ１１８の処理は燃料
電池４０の運転状態が最適水素利用率を超えたか否かを
判定する処理となる。したがって、実施例では、ステッ
プＳ１１２における負荷の増加量としての所定量として
一回の増加で最適水素利用率を大きく超えないよう比較
的小さな値を用い、ステップＳ１１８における閾値ｄＶ
ｒｅｆとしては、予め実験などにより燃料電池４０の負
荷を所定量ずつ増加したときの最適水素利用率における
燃料電池４０の端子間電圧Ｖの時間微分値を用いた。な
お、燃料電池４０の端子間電圧Ｖは燃料電池４０の負荷
の増加に対して単調減少傾向にあるから、端子間電圧Ｖ
の時間微分値は負の値となる。

【００３４】ステップＳ１１８で時間微分値ｄＶが閾値
ｄＶｒｅｆ以上のときには、最適水素利用率の状態に至
っていないと判断して、ステップＳ１１２に戻り、燃料
電池４０の負荷を所定量だけ増加したときの燃料電池４
０の端子間電圧Ｖの時間微分値ｄＶを計算して閾値ｄＶ
ｒｅｆと比較する処理を繰り返す。一方、時間微分値ｄ
Ｖが閾値ｄＶｒｅｆ未満のときには、最適水素利用率の
状態を超えたと判断し、燃料電池４０の負荷を所定量だ
け減少して（ステップＳ１２０）、本ルーチンを終了す
る。ここで、燃料電池４０の負荷を所定量だけ減少する
のは、負荷の所定量の増加によって最適水素利用率の状
態を超えるため、燃料電池４０の運転状態を最適水素利
用率の直近下位の状態とするためである。

【００３５】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、水素濃度センサを用いることなくシス
テムを最適水素利用率やその近傍で良好に運転すること
ができる。しかも、システムを初期設定された都市ガス
の供給量で定常運転状態とした後に最適水素利用率やそ
の近傍で運転するよう制御するから、燃料電池４０や改
質器３０の製造のばらつきや組み付け精度などにより生
じるシステムの特性に適応できるものとすることができ
ると共にシステムの経年変化にも対応することができ
る。

【００３６】実施例の燃料電池発電システム２０では、
要求負荷が指示されたときには、まず、要求負荷に対し
て初期設定された都市ガスの供給量Ｑとしてシステムを
運転し、燃料電池４０が定常運転状態になったときに、
都市ガスの供給量Ｑに対する最適水素利用率近傍でシス
テムを運転するものとしたが、予め最適水素利用率とな
る負荷と都市ガスの供給量との関係を最適条件設定マッ
プとして記憶しておき、要求負荷が指示されると、マッ
プから対応する都市ガスの供給量を導出してシステムを
運転するものとしてもよい。この場合、図２の運転制御
ルーチンに代えて図４の運転制御ルーチンを実行すれば
よい。この図４のルーチンは、要求負荷と最適条件とに
基づいて都市ガスの供給量を設定する処理（ステップＳ
２００）を除いて図２の運転制御ルーチンのステップＳ
１００〜Ｓ１０８の処理と同一である。こうした変形例
では、システムを迅速に最適条件で運転することができ
る。この結果、システムの効率を更に向上させることが
できる。

【００３７】このように最適条件としての負荷と都市ガ
スの供給量との関係に基づいてシステムを運転する場
合、システムが定常運転状態となったときに図５に例示
する最適条件を更新する最適条件更新処理ルーチンを実
行するものとしてもよい。この図５に例示する最適条件
更新処理ルーチンのステップＳ２１２〜Ｓ２１８の処理
は図２の運転処理ルーチンのステップＳ１１２〜Ｓ１１
８と同一である。図５の最適条件更新処理では、時間微
分値ｄＶが閾値ｄＶｒｅｆ未満のときには、ステップ２
１２で所定量増加した燃料電池の負荷をこの所定量だけ
減少した値とそのときの都市ガスの供給量Ｑとを最適条
件として記憶している最適条件設定マップの対応するも
のを更新して（ステップＳ２２０）、ルーチンを終了す
る。こうして更新された最適条件は、次に図４に例示す
る運転制御ルーチンが実行されたときに用いられるか
ら、その後、システムは最適条件で運転されることにな
る。この最適条件更新処理を実行するシステムでは、燃
料電池４０や改質器３０の製造のばらつきや組み付け精
度などによりシステムに特性が生じるものであってもシ
ステムが経年変化しても、システムを常に最適条件で運
転することができる。なお、最適条件更新処理は、シス
テムが定常運転状態にあればいつでも行なうことができ
るから、システムが起動される毎に行なうものとしても
よいし、要求負荷が指示される毎に行なうものとしても
よいし、所定の頻度（例えば１週間毎）に行なうものと
してもよい。

【００３８】実施例の燃料電池発電システム２０では、
要求負荷をＨｉｇｈモード，Ｍｉｄモード，Ｌｏｗモー
ドの３段階の運転モードに対応したものとしたが、２段
の運転モードに対応するものとしてもよく、あるいは、
４段階以上の運転モードに対応するものとしてもよい。

【００３９】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。

【００４０】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（１２
Ａ）やガスボンベに充填されたプロパンガスを改質器３
０に供給して燃料ガスを生成するものとしてもよい。

【００４１】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、図２の運転制御ルーチンのステップＳ１００
では指示された要求負荷に基づいて初期設定される燃料
ガスや純水素の供給量を用いてシステムを運転すればよ
く、図４の運転制御ルーチンのステップＳ２００では燃
料電池４０に供給される燃料ガスや純水素の供給量と負
荷とによる最適条件を用いてシステムを運転すればよ
い。また、燃料電池４０への供給量が直接変更されるか
ら、燃料ガスや純水素の供給量を初期設定値や最適条件
とした後に図２および図４の運転制御ルーチンのステッ
プＳ１０４やＳ２０４のように所定時間経過するのを待
つ必要はなく、ステップＳ１０６やＳ２０６の用に要求
負荷となるよう徐々に負荷を増加する必要もない。

【００４２】実施例の燃料電池発電システム２０では、
燃料電池４０の熱を用いて水を加温して貯湯する貯湯槽
４４を備えるものとしたが、貯湯槽４４を備えないもの
としても差し支えない。

【００４３】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】要求負荷が指示されたときに電子制御ユニット
６０により実行される運転制御ルーチンの一例を示すフ
ローチャートである。

【図３】燃料電池端子間電圧と水素利用率との関係の一
例に示す説明図である。

【図４】変形例の運転制御ルーチンの一例を示すフロー
チャートである。

【図５】変形例の電子制御ユニット６０により実行され
る最適条件更新処理ルーチンの一例を示すフローチャー
トである。

【符号の説明】

１０商用電源、１２電力ライン、１４遮断器、１
６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、２７脱硫器、３０改質器、３２燃焼部、３
４ＣＯ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、４
６ポンプ、５１電圧センサ、５２ＤＣ／ＤＣコン
バータ、５４インバータ、５５遮断器、５６ＤＣ
／ＤＣコンバータ、５８負荷電力計、６０電子制御
ユニット、６２ＣＰＵ、６４ＲＯＭ、６６ＲＡ
Ｍ、６８タイマ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者原浩一郎愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者中西修愛知県刈谷市朝日町２丁目１番地アイシン精機株式会社内 (72)発明者山▲崎▼ 史朗愛知県刈谷市朝日町２丁目１番地アイシン精機株式会社内Ｆターム(参考） 5H027 AA02 BA01 DD06 KK25 KK54 MM26

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料電池により発電する燃料電池発電シ
ステムであって、前記燃料電池に供給する供給ガスの供給量を調整可能な
ガス調整手段と、前記燃料電池の負荷を調整可能な負荷調整手段と、前記供給ガスの供給量を一定に保持して前記燃料電池を
定常運転状態とした状態で該燃料電池の負荷を徐々に変
化させたときに該燃料電池の端子間電圧が急降下する直
前の負荷と供給ガスの供給量との関係を最適条件として
複数記憶する最適条件記憶手段と、前記燃料電池への要求負荷が指示されたとき、前記最適
条件記憶手段により記憶された複数の最適条件から前記
要求負荷に対応する供給ガスの供給量が前記燃料電池に
供給されるよう前記供給ガス調整手段を制御すると共に
前記要求負荷が前記燃料電池に作用するよう前記負荷調
整手段を制御する制御手段と、を備える燃料電池発電システム。
【請求項２】前記燃料電池が定常運転状態のとき、前
記供給ガスの供給量が一定に保持されるよう前記供給ガ
ス調整手段を制御すると共に前記電圧検出手段により前
記燃料電池の端子間電圧を検出しながら前記燃料電池の
負荷が徐々に変化するよう前記負荷調整手段を制御し、
前記燃料電池の端子間電圧が急降下する直前の負荷と前
記供給ガスの供給量とを検出して前記最適条件記憶手段
に記憶されている最適条件を更新する最適条件更新手段
を備える請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】前記最適条件更新手段は、システムが起
動されて前記燃料電池が定常運転状態になるタイミング
で前記更新を行なう手段である請求項２記載の燃料電池
発電システム。
【請求項４】前記最適条件更新手段は、前記供給ガス
調整手段により供給ガスの供給量が所定量以上の変更を
伴って調整された後に該供給ガスの供給量で前記燃料電
池が定常運転状態となったタイミングで前記更新を行な
う手段である請求項２記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】燃料電池により発電する燃料電池発電シ
ステムであって、要求負荷に対応する供給ガスの供給量の初期設定値を記
憶する初期設定値記憶手段と、前記燃料電池に供給する供給ガスの供給量を調整可能な
供給ガス調整手段と、前記燃料電池の負荷を調整可能な負荷調整手段と、前記燃料電池への要求負荷が指示されたとき、前記初期
設定値記憶手段に記憶された供給ガスの供給量のうち該
指示された要求負荷に対応する供給ガスの供給量が前記
燃料電池に供給されるよう前記供給ガス調整手段を制御
すると共に前記要求負荷が前記燃料電池に作用するよう
前記負荷調整手段を制御する初期制御手段と、該初期制御手段による制御で前記燃料電池が定常運転状
態になったとき、前記供給ガスの供給量が一定に保持さ
れるよう前記供給ガス調整手段を制御すると共に前記電
圧検出手段により前記燃料電池の端子間電圧を検出しな
がら前記燃料電池の負荷が徐々に変化するよう前記負荷
調整手段を制御して、前記燃料電池の端子間電圧が急降
下する直前の負荷を検出し、該検出した負荷が前記燃料
電池に作用するよう前記負荷調整手段を制御する調整制
御手段と、を備える燃料電池発電システム。
【請求項６】前記制御手段は、前記供給ガス調整手段
により供給ガスの供給量を変更して調整されたとき、該
供給量の調整が供給量の増加を伴う調整のときには負荷
を徐々に増加して前記要求負荷が前記燃料電池に作用す
るよう制御し、該供給量の調整が供給量の減少を伴う調
整のときには直ちに前記要求負荷が前記燃料電池に作用
するよう制御する手段である請求項１ないし５いずれか
記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】請求項１ないし６いずれか記載の燃料電
池発電システムであって、炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料ガスに改質して前
記供給ガスの一つとして前記燃料電池に供給する改質手
段を備え、前記供給ガス調整手段は、前記改質手段への前記炭化水
素系の燃料の供給量を調整することにより前記燃料電池
に供給する供給ガスの供給量を調節する手段である燃料
電池発電システム。
【請求項８】前記炭化水素系の燃料は都市ガスまたは
プロパンガスである請求項７記載の燃料電池発電システ
ム。
【請求項９】前記燃料電池からの直流電力を所望の電
力に変換可能な電力変換手段を備え、該変換した電力を
他系統電源から負荷機器への電力供給ラインに供給可能
な請求項１ないし８いずれか記載の燃料電池発電システ
ム。
【請求項１０】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９いずれか記載の燃料電池発電システム。
【請求項１１】燃料電池に供給する供給ガスの供給量
を調整可能なガス調整手段と、前記燃料電池の負荷を調
整可能な負荷調整手段と、前記供給ガスの供給量を一定
に保持して前記燃料電池を定常運転状態とした状態で該
燃料電池の負荷を徐々に変化させたときに該燃料電池の
端子間電圧が急降下する直前の負荷と供給ガスの供給量
との関係を最適条件として複数記憶する最適条件記憶手
段と、を備える燃料電池発電システムの制御方法であっ
て、（ａ）前記燃料電池への要求負荷が指示されたと
き、前記最適条件記憶手段により記憶された複数の最適
条件から前記要求負荷に対応する供給ガスの供給量が前
記燃料電池に供給されるよう前記供給ガス調整手段を制
御すると共に前記要求負荷が前記燃料電池に作用するよ
う前記負荷調整手段を制御する燃料電池発電システムの
制御方法。
【請求項１２】前記ステップ（ａ）による制御で前記
燃料電池が定常運転状態になったとき、前記供給ガスの
供給量が一定に保持されるよう前記供給ガス調整手段を
制御すると共に前記電圧検出手段により前記燃料電池の
端子間電圧を検出しながら前記燃料電池の負荷が徐々に
変化するよう前記負荷調整手段を制御し、前記燃料電池
の端子間電圧が急降下する直前の負荷と前記供給ガスの
供給量とを検出して前記最適条件記憶手段に記憶されて
いる最適条件を更新するステップを備える請求項１１記
載の燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項１３】要求負荷に対応する供給ガスの供給量
の初期設定値を記憶する初期設定値記憶手段と、前記燃
料電池に供給する供給ガスの供給量を調整可能な供給ガ
ス調整手段と、前記燃料電池の負荷を調整可能な負荷調
整手段と、を備える燃料電池発電システムの制御方法で
あって、（ａ）前記燃料電池への要求負荷が指示された
とき、前記初期設定値記憶手段に記憶された供給ガスの
供給量のうち該指示された要求負荷に対応する供給ガス
の供給量が前記燃料電池に供給されるよう前記供給ガス
調整手段を制御すると共に前記要求負荷が前記燃料電池
に作用するよう前記負荷調整手段を制御し、（ｂ）該制
御により前記燃料電池が定常運転状態になったとき、前
記供給ガスの供給量が一定に保持されるよう前記供給ガ
ス調整手段を制御すると共に前記電圧検出手段により前
記燃料電池の端子間電圧を検出しながら前記燃料電池の
負荷が徐々に変化するよう前記負荷調整手段を制御し
て、前記燃料電池の端子間電圧が急降下する直前の負荷
を検出し、該検出した負荷が前記燃料電池に作用するよ
う前記負荷調整手段を制御する燃料電池発電システムの
制御方法。
【請求項１４】前記燃料電池システムは炭化水素系の
燃料を水素リッチな燃料ガスに改質して前記供給ガスの
一つとして前記燃料電池に供給する改質手段を備え、前
記供給ガス調整手段は前記改質手段への前記炭化水素系
の燃料の供給量を調整することにより前記燃料電池に供
給する供給ガスの供給量を調節する手段である請求項１
１ないし１３いずれか記載の燃料電池発電システムの制
御方法。
【請求項１５】前記燃料電池システムは前記燃料電池
からの直流電力を所望の電力に変換可能な電力変換手段
を備え、該変換した電力を他系統電源から負荷機器への
電力供給ラインに供給可能な請求項１１ないし１４いず
れか記載の燃料電池発電システムの制御方法。