JP2005294190A - 発電装置およびその運転制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 多様な負荷変動に効率よく追従することができ、かつ容量が小さい二次電池との組み合わせで構成した燃料電池による発電装置およびその運転制御方法を提供する。
【解決手段】 燃料電池（１：ＦＣ１、ＦＣ２）は比較的小容量の複数個を並列に設け、それらの燃料電池（ＦＣ１、ＦＣ２）、二次電池（２）および負荷（５）に接続する制御装置（３）を設け、その制御装置（３）は負荷に応じてそれぞれの燃料電池（ＦＣ１、ＦＣ２）の起動・停止および二次電池（２）を含む出力の制御を行い負荷変動に対応して効率よく追従運転を行う運転制御機能を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池と二次電池とを並設した発電装置と、その運転制御方法に関する。より詳細には、本発明は、燃料電池の起動時間を考慮して設置された発電装置及びその運転制御方法に関する。

燃料電池を用いた発電装置においては、燃料電池の起動に時間を要することと、部分負荷運転に際して許容される最小出力限界が存在することが良く知られている。
そして、従来技術において、起動時における負荷変動や、上記最小出力限界以下の部分負荷運転時における負荷変動に追従して、効率よく電力を供給できるように、図４に示すように、燃料電池１Ａと二次電池２とを並列に設けた発電装置が存在する（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。

図４で示す従来の発電装置、例えば１０ｋＷの燃料電池１Ａを有する発電装置において、燃料電池１Ａの最小出力限界を４０％（４ｋＷ）と仮定する。そして、図５に示す横軸の時間（ｔ）に対して縦軸の負荷（ｋＷ）が図示のように変動した場合について考える。
図４で示す燃料電池１Ａの起動時間をΔｔとすれば、図５において、時間０からＴ１の間の領域では、負荷が最小出力限界（４ｋＷ）以下であるため、燃料電池１Ａを起動させずに、二次電池２で電力供給が行われる。

Ｔ１の時点になれば、負荷が最小出力限界（４ｋＷ）を超えるので、燃料電池１Ａの起動を開始する。
起動開始後、起動時間Δｔが経過するまでは燃料電池１Ａによる電力供給は出来ないので、二次電池２による電力供給を続行する。そして、起動開始後、起動時間Δｔが経過して電力供給可能になるＴ１＋Δｔの時点から、燃料電池１Ａによる電力供給が行われる。

負荷が最小出力限界を下回るＴ２の時点以降は（図５において、Ｔ２よりも右側の領域）、燃料電池１Ａを停止して二次電池２による電力供給に再び移行する。
燃料電池１Ａによる電力が行われるＴ１＋ΔｔからＴ２の間は、燃料電池１Ａの発電の余裕出力は二次電池２の充電にあてられている。

図４、図５で説明した従来の燃料電池を有する発電装置においては、負荷が上記の最小出力限界以下である場合に対処するため二次電池を併設しているが、最小出力限界以下の部分負荷運転時を全て二次電池により電力供給を補うために、非常に容量の大きい二次電池が必要となる。
また、燃料電池の停止時間が長くなるので、燃料電池の再起動に長時間が必要となり、その結果、二次電池で電力供給を補う時間がさらに長期間となってしまう。
特開平９−２３１９９１号公報 特開２００３−３３１９３０号公報

本発明は、上述した様な従来技術の問題点に対処するべく提案されたものであり、多様な負荷の態様に対して効率よく追従することができ、かつ容量が小さい二次電池との組み合わせで効率の高い発電ができる発電装置およびその運転制御方法を提供することを目的としている。

本発明の発電装置によれば、燃料電池（１、ＦＣ１、ＦＣ２）と二次電池（２）とを並設した発電装置において、（比較的容量が小さい）燃料電池（１、ＦＣ１、ＦＣ２）を複数個並列に設け、該複数の燃料電池（１、ＦＣ１、ＦＣ２）と二次電池（２）と負荷（５）とに接続する制御装置（３）を設け、該制御装置（３）は、負荷及び各燃料電池（ＦＣ１、ＦＣ２）の起動時間を考慮して、燃料電池（ＦＣ１、ＦＣ２）及び／又は二次電池（２）の起動・停止を制御する様に構成されている（請求項１）。

また、本発明による発電装置の運転制御方法は、（比較的容量の小さい）複数の燃料電池（１、ＦＣ１、ＦＣ２）と二次電池（２）とを並設した発電装置の運転制御方法において、負荷を検出する工程（負荷モニタ工程：ステップＳ１）と、燃料電池の起動状況を確認する工程（ステップＳ２、ステップＳ３、ステップＳ４、ステップＳ８）と、検出された負荷では停止するべき燃料電池を停止する（検出された負荷の領域では、運転するべきではない燃料電池を停止せしめる）工程（ステップＳ５、Ｓ７）と、検出された負荷では稼動するべき燃料電池を起動する工程（ステップＳ９、Ｓ１３）と、起動中の燃料電池（ＦＣ１、ＦＣ２）における電力供給状況を検出する（燃料電池の起動開始後に所定の起動時間Δｔ１或いはΔｔ２が経過して、電力を供給可能な状態であるか否かを判定する）工程（ステップＳ１０、Ｓ１４）と、燃料電池（１：ＦＣ１、ＦＣ２）及び／又は二次電池（２）の起動、停止を決定する工程（ステップＳ６、Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１５、Ｓ１６）、とを有している（請求項２）。

本発明によれば、以下に示す作用効果を奏する。
（１） 複数の比較的小容量の燃料電池を採用することによって、最小出力限界を下げることができ。特に、比較的小容量の燃料電池を採用した場合に、そのメリットが大きい。
（２） 燃料電池により電力供給する時間の割合が増加するので、効率が高い。
（３） また、大容量の燃料電池を採用する必要が無くなる。
（４） 燃料電池の停止時間が短縮し、当該燃料電池の起動時間を短縮できる。
（５） 二次電池による電力供給量および稼働時間を減少して、その容量を小さくすることができる。
（６） 負荷に応じて各電池の起動・停止制御を行い、負荷変動に容易に追従することができる。
（７） 燃料電池の起動時間を考慮した制御を行うことが出来る。

以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
図１において、燃料電池１は定格出力５ｋＷの２台の燃料電池ＦＣ１、ＦＣ２によって合計１０ｋＷの発電容量を有している。燃料電池ＦＣ１、ＦＣ２と二次電池２とは、それぞれ並列に接続されて負荷５に接続しており、以って、発電装置を構成している。
燃料電池ＦＣ１、ＦＣ２、二次電池２、負荷５は、制御信号伝達用のラインＳＬ１〜ＳＬ４を介して、制御装置３と接続されている。

次に図２を参照し、運転制御の態様を説明する。
まず、ステップＳ１で負荷５を監視する（負荷モニタ工程）。そして、監視された負荷が０〜２ｋＷの場合、第２の燃料電池ＦＣ２は停止状態で、ステップＳ２へ移る。
負荷が２〜４ｋＷの場合は、ステップＳ３へ移る。
負荷が４〜１０ｋＷの場合は、第１の燃料電池ＦＣ１は稼動状態で、ステップＳ４に移る。

負荷が、０〜２ｋＷと判定された場合は、ステップＳ２では、第１の燃料電池ＦＣ１が起動しているか検知する。
第１の燃料電池ＦＣ１が停止中であれば（ステップＳ２で「停止中」）、二次電池２での電力供給を行い（ステップＳ６）、ステップＳ１に戻る。
第１の燃料電池ＦＣ１が起動している場合（ステップＳ２で「起動中」）は、第１の燃料電池ＦＣ１を停止し（ステップＳ５）、二次電池２での電力供給を行って（ステップＳ６：バッテリ供給）、ステップＳ１に戻る。

ステップＳ１（負荷モニタ工程）で、負荷が２〜４ｋＷと判定された場合、第２の燃料電池ＦＣ２における起動状況の検出を行う（ステップＳ３）。
ここで、第１の燃料電池ＦＣ１の起動時間をΔｔ１、第２の燃料電池ＦＣ２の起動時間をΔｔ２とする。

第２の燃料電池ＦＣ２が停止している場合（ステップＳ３で「停止中」）は、第１の燃料電池ＦＣ１における起動状況の検出を行う（ステップＳ８）。
第２の燃料電池ＦＣ２が起動している場合には（ステップＳ３で「起動中」）、第２の燃料電池ＦＣ２を停止して（ステップＳ７）、第１の燃料電池ＦＣ１における起動状況の検出を行う（ステップＳ８）。

ステップＳ８において、第１の燃料電池ＦＣ１が停止していれば（ステップＳ８で「停止中」）、燃料電池ＦＣ１の起動を開始（ステップＳ９）した後、二次電池２による電力供給を実行して（ステップＳ１１：バッテリ供給）、ステップＳ１に戻る。
ステップＳ８で第１の燃料電池ＦＣ１が起動中であれば（ステップＳ８で「起動中」）、その電力供給状況の検出を行う（ステップＳ１０）。換言すれば、ステップＳ１０では、第１の燃料電池ＦＣ１の起動開始後、起動時間Δｔ１が経過して、燃料電池ＦＣ１が電力供給可能な状態となっているか否かを判定する。

第１の燃料電池ＦＣ１の起動開始後、起動時間Δｔ１が経過しておらず、燃料電池ＦＣ１が電力供給が出来ない状態であると判定されれば（ステップＳ１０で「供給不可」）二次電池２で電力供給を行い（ステップＳ１１：バッテリ供給）、ステップＳ１に戻る。
これに対して、第１の燃料電池ＦＣ１の起動開始後、起動時間Δｔ１が経過して、燃料電池ＦＣ１が電力供給可能な状態となっていると判定されれば（ステップＳ１０で「供給可」）、第１の燃料電池ＦＣ１で電力供給を行い（ステップＳ１２：ＦＣ１供給）、ステップＳ１に戻る。

ステップＳ１（負荷モニタ工程）で４〜１０ｋＷと判定された場合、第２の燃料電池ＦＣ２が起動しているか検知する（ステップＳ４）。
第２の燃料電池ＦＣ２が停止中であれば（ステップＳ４が「停止中」）、第２の燃料電池ＦＣの起動を開始する（ステップＳ１３）。そして、第１の燃料電池ＦＣ１と二次電池２による電力供給を行い（ステップＳ１５：ＦＣ１＋バッテリ供給）、ステップＳ１に戻る。

ステップＳ４で第２の燃料電池ＦＣ２が起動中であれば（ステップＳ４が「起動中」）、第２の燃料電池ＦＣ２における電力供給状況の検出を行う（ステップＳ１４）。換言すれば、ステップＳ１４では、第２の燃料電池ＦＣ２の起動開始後、起動時間Δｔ２が経過して、燃料電池ＦＣ２が電力供給可能な状態となっているか否かを判定する。

第２の燃料電池ＦＣ２の起動開始後、起動時間Δｔ２が経過しておらず、燃料電池ＦＣ２が電力供給を行うことが出来ない状態にあると判定されれば（ステップＳ１４で「供給不可」）、第１の燃料電池ＦＣ１と二次電池２とによる電力供給を行い（ステップＳ１５）、ステップＳ１に戻る。
一方、ステップＳ１４において、第２の燃料電池ＦＣ２の起動開始後、起動時間Δｔ２が経過して、燃料電池ＦＣ２が電力供給可能な状態となっていると判定されれば（ステップＳ１４で「供給可」）、第１の燃料電池ＦＣ１及び第２の燃料電池ＦＣ２の双方による電力供給を行い（ステップＳ１６：ＦＣ１＋ＦＣ２供給）、ステップＳ１に戻る。

図２を主に参照して説明した上述の制御によれば、
（Ａ） ２ｋＷの最小出力限界以下の負荷では、二次電池２による電力供給（ステップＳ６：バッテリ供給）が行われ、
（Ｂ） 負荷が２〜４ｋＷでは、第１の燃料電池ＦＣ１の起動開始後で起動時間Δｔ１が経過するまでは、二次電池２による電力供給（ステップＳ１１：バッテリ供給）が行われ、第１の燃料電池ＦＣ１の起動開始後で起動時間Δｔ１が経過した後は、当該燃料電池ＦＣ１による電力供給（ステップＳ１２：ＦＣ１供給）が行われ、
（Ｃ） 負荷が４〜１０ｋＷでは、第２の燃料電池ＦＣ２の起動開始後で起動時間Δｔ２が経過するまでは、第１の燃料電池ＦＣ１と二次電池２による電力供給（ステップＳ１５：ＦＣ１＋バッテリ供給）が行われ、第２の燃料電池ＦＣ２の起動開始後で起動時間Δｔ２が経過した後は、第１の燃料電池ＦＣ１と第２の燃料電池ＦＣ２による電力供給（ステップＳ１６：ＦＣ１＋ＦＣ２供給）が行われる。

図１及び図２で説明した実施形態について、図３を参照して、前記図５で説明した例と同様の負荷変動での制御運転を行う場合を、次に説明する。
ここで、各燃料電池ＦＣ１、ＦＣ２の最小出力限界を（図５で説明した場合と同様に）それぞれ４０％（２ｋＷ）とし、第１の燃料電池ＦＣ１の起動時間をΔｔ１、第２の燃料電池ＦＣ２の起動時間をΔｔ２とする。

当初の非常に負荷の低いＴ１〜Ｔ２間は、第１の燃料電池ＦＣ１、第２の燃料電池ＦＣ２は共に停止して、二次電池２によって電力供給が行われる。
Ｔ２の時点で第１の燃料電池ＦＣ１の起動が開始され、Ｔ２＋Δｔ２の時点で第１の燃料電池ＦＣ１は電力供給可能となるので、それ以降は第１の燃料電池ＦＣ１で電力供給が行われる。

Ｔ３の時点で第２の燃料電池ＦＣ２の起動が開始され、第２の燃料電池ＦＣ２が電力供給可能状態となるＴ３＋Δｔ２の時点以降は、第１の燃料電池ＦＣ１及び第２の燃料電池ＦＣ２の双方を用いた電力供給が行われる。
ここで、Ｔ３＋Δｔ２の時点より以前の段階で負荷が５ｋＷを超えた場合には、負荷に対する第１の燃料電池ＦＣ１による発電能力の不足分は、二次電池２で補われる。

その後、第１の燃料電池ＦＣ１及び第２の燃料電池ＦＣ２の双方を用いた電力供給における最小出力限界値（４ｋＷ）を下回ったならば（Ｔ５の時点よりも図３で右側の領域）、第２の燃料電池ＦＣ２は停止され、第１の燃料電池ＦＣ１のみで電力供給が行われる。

以上のような構成および運転制御方法によれば、燃料電池１の起動時間Δｔが減少する。それと共に、図５の領域Ａ２の面積と、図３の領域Ａ１の面積を比較すれば明らかなように、二次電池２による供給電力量が大幅に減少する。
その結果、発電装置全体の効率化が図れ、また、負荷変動に容易に追従することが可能になる。
しかも、二次電池２を小容量化することができる。

図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨ではない。
例えば、図示の実施形態では、２台の燃料電池を備えている場合を示しているが、燃料電池の設置台数は２台に限るものではない。負荷変動の形態や、燃料電池の最小出力限界値に対応して、最適の設置台数を選択することで、各種の負荷形態に効率良く対応することが可能である。
また、各燃料電池の容量（発電能力）は同一の必要はなく、負荷形態に応じて適宜選択すればよい。

本発明の発電装置の構成を示す図。 本発明の運転制御方法を説明するフロー図。 図２の制御による負荷運転の一例を説明する図。 燃料電池を使用した従来の発電装置の構成を示す図。 図４の発電装置における負荷運転を説明する図。

符号の説明

１・・・燃料電池（ＦＣ１、ＦＣ２）
２・・・二次電池
３・・・制御装置
５・・・負荷

Claims (2)

1. 燃料電池と二次電池とを並設した発電装置において、燃料電池を複数個並列に設け、該複数の燃料電池と二次電池と負荷とに接続する制御装置を設け、該制御装置は、負荷及び各燃料電池の起動時間を考慮して、燃料電池及び／又は二次電池の起動・停止を制御する様に構成されていることを特徴とする発電装置。
2. 複数の燃料電池と二次電池とを並設した発電装置の運転制御方法において、負荷を検出する工程と、燃料電池の起動状態を確認する工程と、検出された負荷では停止するべき燃料電池を停止する工程と、検出された負荷では稼動するべき燃料電池を起動する工程と、起動中の燃料電池における電力供給状況を検出する工程と、燃料電池及び／又は二次電池の起動、停止を決定する工程、とを有していることを特徴とする発電装置の運転制御方法。

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