JP2003197233A

JP2003197233A - 燃料電池発電システムおよびその運転方法

Info

Publication number: JP2003197233A
Application number: JP2001393936A
Authority: JP
Inventors: Naomichi Akimoto; 直道秋元; Takeshi Masui; 武桝井; Osamu Nakanishi; 修中西; Shiro Yamazaki; 史朗山▲崎▼
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2001-12-26
Publication date: 2003-07-11
Anticipated expiration: 2021-12-26
Also published as: JP3999513B2

Abstract

(57)【要約】【課題】頻繁な変更を抑止しながら負荷変動に追従す
ると共に他系統電源への逆潮流を防止する。【解決手段】負荷電力計５８により検出される負荷１
６の消費電力の属する運転モードが現在設定されている
運転モードと異なるものとなったときにタイマをリセッ
トし、その状態が所定時間に亘って維持されたときに運
転モードを消費電力の属する運転モードに変更する。運
転モードを変更する所定時間経過するまでにインバータ
５４からの出力電力が負荷電力計５８により検出される
消費電力を超えるときには、インバータ５４からの出力
電力が負荷１６の消費電力に一致するようインバータ５
４を制御する。この結果、頻繁な運転モードの変更を抑
制することができると共に負荷変動に追従し、システム
から商用電源１０への逆潮流を防止することができる。

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１４０
Ｖ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ＡＣ
１００Ｖ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
流電力を所望の電力に変換可能な電力変換手段とを備
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
出された消費電力に基づいて予め設定された複数の運転
モードのうちのいずれか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
電力変換手段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、
負荷の消費電力に基づいて複数の運転モードのうちのい
ずれかの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電力変換手段を制御する。
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。

【０００８】こうした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、前記検出された消
費電力が所定時間継続して各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に設定する手
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、前記電力変換手段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
共に電力変換手段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、少
なくとも前記炭化水素系燃料の供給量の増加に対しては
時間当たり所定の割合で増加する手段であるものとする
こともできる。こうすれば、改質部における改質反応の
効率を高くすることができ、その結果、システム全体の
効率を高くすることができる。

【００１４】この炭化水素系燃料の供給量を所定の割合
で増加する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を所定の割
合で増加する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電力変換手
段とを備え、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に基づいて予め設定された
複数の運転モードのうちのいずれかを設定し、（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電力変換手段を制御す
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、負荷の消費電力に基づいて複数の運転モ
ードのうちのいずれかの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電力変換手段を
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。

【００２１】こうした本発明の燃料電池システムの運転
方法において、前記ステップ（ｂ）は、前記検出された
消費電力が所定時間継続して各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に設定する
ステップであるものとすることもできる。こうすれば、
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。

【００２４】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。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、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。

【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、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、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Ｓ
１０２）。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Ｓ１０
６）、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Ｍ
ｐを前回このルーチンが実行されたときの運転モードＭ
ｐ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Ｓ
２００）、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５
４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Ｓ２１
４）、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Ｓ２０
６）。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５
２とインバータ５４とを制御して（ステップＳ２１
４）、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Ｓ
１０６，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Ｐ
ｉ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Ｐ
ｏ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５
４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Ｌｏ
ｗ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Ｐ
ｏ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Ｐ
ｉ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ｔ
１１では、改質器３０の運転状態は運転モードＭのＨｉ
ｇｈ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Ｐ
ｏ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２
０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（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。

【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Ｄ
Ｃ／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、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、３０改質器、３２燃焼部、３４ＣＯ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、
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、６４
ＲＯＭ、６６ＲＡＭ、６８タイマ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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） 5H026 AA06 5H027 AA02 BA01 BA16 BA17 BA19 CC06 DD01 DD06 KK51 MM12 MM26

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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
な電力変換手段とを備え、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に基づいて予め設定された複数の
運転モードのうちのいずれか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
よう前記電力変換手段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。
【請求項２】前記運転モード設定手段は、前記検出さ
れた消費電力が所定時間継続して各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に設定
する手段である請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】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または２記載の燃料
電池発電システム。
【請求項４】前記電力変換手段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ないし３いずれか記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】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４いずれか記載の燃料電池発電シス
テム。
【請求項６】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。
【請求項７】前記燃料電池運転手段は、少なくとも前
記炭化水素系燃料の供給量の増加に対しては時間当たり
所定の割合で増加する手段である請求項６記載の燃料電
池発電システム。
【請求項８】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７記載の燃
料電池発電システム。
【請求項９】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７または８記載の燃料電池発電システム。
【請求項１０】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６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】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１０記載の燃料電池
発電システム。
【請求項１２】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６ないし１１いずれか記載の
燃料電池発電システム。
【請求項１３】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１２いずれか記載の燃料電池発電システム。
【請求項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所望の電力に変換可能
な電力変換手段とを備え、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に基づいて予め
設定された複数の運転モードのうちのいずれかを設定
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電力変換
手段を制御する燃料電池発電システムの運転方法。
【請求項１５】前記ステップ（ｂ）は、前記検出され
た消費電力が所定時間継続して各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に設定す
るステップである請求項１４記載の燃料電池発電システ
ムの運転方法。
【請求項１６】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１４または１５記
載の燃料電池発電システムの運転方法。