JP2008192541A - 燃料電池の運転制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】システムを大型化することなく、余剰となる電力や熱の発生を極力抑えることが可能な燃料電池の運転制御システムを提供する。
【解決手段】発電効率決定・調節部５２は、発電効率マップＭＰ１を利用することで、負荷推定部５１から供給される推定結果に基づき、設定すべき燃料電池２０の発電効率を決定する。そして、発電効率決定・調節部５２は、決定した発電効率が得られるように燃料電池のＩ−Ｖ特性を制御する。燃料電池のＩ−Ｖ特性は、供給する酸化ガス量に応じて変動するため、本発明では燃料電池に供給する酸化ガス量（すなわちエアストイキ比）を調整し、Ｉ−Ｖ特性を変えることで発電効率の調節を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池の運転制御システムに関し、特に、家庭用や業務用として利用される定置型燃料電池の運転制御システムに関する。

現在、家庭用や業務用として利用されている定置型燃料電池は、２００Ｗ〜３０ｋＷ級程度の発電容量の小さい機種が開発されている。このような定置型燃料電池を経済的に運用するためには、電力負荷および熱負荷の変動パターンに追従して運転を制御し、余剰となる電力や熱の発生を極力抑える必要がある。

このような要請に応えるべく、下記特許文献１には、発電容量の小さな燃料電池を複数台設置し、電力負荷や熱負荷に応じて各燃料電池の運転状態を個別に制御する方法が提案されている。
特開２００４−３４２４４０号公報

しかしながら、上記構成では、燃料電池を複数台設置する必要があるため、システムが大型化してしまうという問題がある。

本発明は以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、システムを大型化することなく、余剰となる電力や熱の発生を極力抑えることが可能な燃料電池の運転制御システムを提供することを目的とする。

上述した問題を解決するため、本発明に係る燃料電池の運転制御システムは、燃料電池に要求される発熱量および発電量に基づき、前記燃料電池の発電効率を決定する決定手段と、決定された発電効率に応じて前記燃料電池に関わるパラメータを調整する調整手段とを具備することを特徴とする。

かかる構成によれば、燃料電池に要求される発熱量および発電量に基づき、燃料電池の発電効率を決定し、決定した発電効率が得られるように燃料電池に関わるパラメータが調整されるため、余剰となる電力や熱の発生を極力抑えることが可能となる。また、複数の燃料電池を設置する必要がないため、上述した従来構成に比べて、小型化を図ることが可能となる。

ここで、上記構成にあっては、前記調整手段は、決定された発電効率に応じて前記燃料電池に供給するガス量を調整する態様が好ましい。

さらに、上記構成にあっては、前記燃料電池のカソードには、酸素を含む酸化ガスが供給され、前記調整手段は、前記酸化ガスのガス量を調整する態様が好ましい。

また、上記構成にあっては、前記調整手段は、決定された発電効率に応じて前記燃料電池の温度を調整する態様が好ましい。

さらに、上記構成にあっては、前記調整手段は、前記燃料電池を循環する冷却水と貯湯タンク内の貯湯水との間で熱交換を行う熱交換器の位置を制御することで、前記燃料電池の温度を調整する態様が好ましい。

また、上記構成にあっては、前記調整手段は、決定された発電効率に応じて前記燃料電池の電解質膜の湿潤状態を調整する態様が好ましい。

さらに、上記構成にあっては、前記燃料電池のカソードには、酸素を含む酸化ガスが供給され、前記調整手段は、前記酸化ガスに含まれる水分量を調整する態様が好ましい。

また、上記構成にあっては、前記調整手段は、決定された発電効率に応じて前記燃料電池の電極面積を調整する態様が好ましい。

さらに、上記構成にあっては、前記燃料電池に要求される発熱量および発電量を推定する推定手段をさらに備え、前記決定手段は、前記推定手段によって推定された前記発熱量および前記発電量に基づき、前記燃料電池の発電効率を決定する態様が好ましい。

以上説明したように、本発明によれば、システムを大型化することなく、余剰となる電力や熱の発生を極力抑えることが可能な燃料電池の運転制御システムを提供することができる。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。
Ａ．本実施形態
（１）実施形態の構成
図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１００の要部構成を示す図である。

本実施形態では、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置型の燃料電池システムを想定するが、これに限定する趣旨ではなく、車両、船舶、航空機、電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体に適用可能である。

また、本実施形態では、酸化剤、燃料として、それぞれガス状態の酸化ガス、燃料ガスを使用しているが、これに限定されない。例えば、燃料としてメタノール等の液体を使用しても良い。また、燃料ガスとして改質ガスを使用する代わりに、水素ガス、水素含有ガス等を使用してもよい。

図１に示すように、酸化ガスとしての空気（外気）は、エアポンプ、エアフィルタ等からなるスタックエアー供給系１から加湿器２により加湿された後、燃料電池（ＦＣスタック）２０に供給される。燃料電池２０から排出される空気オフガスは、凝縮器(図示略）により水回収された後、排気される。

他方、燃料ガスとしての改質ガス（水素含有ガス）は、改質器３０に供給される都市ガス等が水素を含むガスに変換された後、燃料電池２０に供給される。燃料電池２０から排出される改質ガスオフガス（残ガス）は、凝縮器（図示略）で水回収された後、改質器３０に導入されて改質反応の熱源として利用される。

また燃料電池２０には、スタック冷却水が循環される。スタック冷却水は、燃料電池２０の発電に伴う熱を吸収し、貯湯タンク１５内の貯湯水との間で熱交換器１６を介して熱交換される。熱交換器１６によるスタック冷却水と貯湯水との間での熱交換は、制御ユニット５０によって制御される。

貯湯タンク１５に供給される水道水や貯湯タンク１５から排出される給湯水の水量は、制御ユニット５０が制御弁８１〜８３の弁開度等を調整することによって制御する。制御弁８１〜８３としては、例えば電磁弁や空気作動弁等を用いることができる。

インバータ２１は、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御ユニット８０から与えられる制御指令に応じて燃料電池２０から出力される直流電力を三相交流電力に変換し、負荷４０へ供給する。この負荷４０としては、例えばテレビや冷蔵庫、エアコン、照明機器などの電力機器が挙げられる。

燃料電池２０は、供給される反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）から電力を発生する手段であり、単セルを所要数積層した燃料電池スタック（ＦＣスタック）として構成されている。単セルは、ＭＥＡと、ＭＥＡを挟持する一対のセパレータとで構成され、全体として積層形態を有している。セパレータは、ガス不透過の導電性材料よりなり、ＭＥＡ側に対向する面には、酸化ガスまたは燃料ガスのガス流路が形成されている。燃料電池２０の出力電圧（ＦＣ電圧）及び出力電流（ＦＣ電流）は、それぞれ電圧センサ２５及び電流センサ２６によって検出される。

ＭＥＡは、高分子材料のイオン交換膜からなる電解質膜と、電解質膜を両面から挟んだ一対の電極とで構成されている。電極は、白金などの触媒を結着した例えば多孔質のカーボン素材で構成されている。一方の電極には、空気などの酸化ガスが供給され、他方の電極には、改質ガスなどの燃料ガスが供給され、ＭＥＡ１１内で電気化学反応が生じることで電力を発生する。

制御ユニット５０は、負荷４０からの要求電力や、該システムに設けられた各センサからの制御情報を受け取り、システム各部の運転を制御する。なお、制御ユニット５０は、図示しない制御コンピュータシステムによって構成される。この制御コンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成り、市販されている制御用コンピュータシステムによって構成される。

図２は、制御ユニット５０の機能ブロック図である。

制御ユニット５０は、負荷推定部５１と、発電効率決定・調節部５２と、運転制御部５３とを備えている。

負荷推定部５１は、使用パターン履歴データベースＤＢに登録されている過去の実績などに基づいて、その日の電力使用量及び給湯使用量を推定する。使用パターン履歴データベースＤＢには、例えば過去数日の使用パターン履歴を示す直近使用パターン履歴情報Ｒ１、天候別の使用パターン履歴を示す天候別使用パターン履歴情報Ｒ２、季節別の使用パターン履歴を示す季節別使用パターン履歴情報Ｒ３など、様々な種類の使用パターン履歴情報が登録されている。

負荷推定部５１は、この使用パターン履歴データベースＤＢに登録されている種々の使用パターン履歴と、図示せぬセンサから供給される環境情報（当該時点の日時や天気、気温などをあらわす情報）などに基づいて、その日の電力使用量及び給湯使用量を推定し、推定結果を発電効率決定・調節部５２に出力する。なお、電力使用量や給湯使用量は、どのような方法で推定しても良く、また推定する期間（例えば数時間や数日など）なども任意に設定すれば良い。

発電効率決定・調節部５２は、負荷推定部５１から供給される推定結果に基づいて、燃料電池２０の発電量と発熱量の比を算出し、設定すべき発電効率（＝１／発熱効率）を決定する。ここで、発電効率とは、消費燃料エネルギーに対する燃料電池２０の出力電力の割合をいい、発電効率が１００%（理論値）であれば消費燃料の全てが電力に変換される（すなわち発熱しない）。ここで、図３は、発電効率決定・調節部５２が保持する発電効率マップＭＰ１を例示した図であり、横軸はＦＣ電流、縦軸は出力電力（ＦＣ電力）を示す。

図３に示すように、発電効率マップＭＰ１には、様々な発電効率をあらわすＩ−Ｐラインｌ０〜ｌｎ（ｎ≧２）が登録されている。図３では、Ｉ−Ｐラインｌ０→Ｉ−Ｐラインｌ１→・・・→Ｉ−Ｐラインｌｎの順で発電効率が低くなっている。ここで、発電量と発熱量の関係について、Ｉ−Ｐラインｌ１上の（Ｉ１，Ｐ１）を例に説明すると、ＦＣ電流Ｉ１の場合は発電量Ｐ１と発熱量Ｐｌｏｓｓ１が得られることになる。

発電効率決定・調節部５２は、この発電効率マップＭＰ１を利用することで、負荷推定部５１から供給される推定結果に基づき、設定すべき燃料電池２０の発電効率（本実施形態ではＩ−Ｐライン）を決定する。そして、発電効率決定・調節部５２は、決定した発電効率が得られるように燃料電池２０のＩ−Ｖ特性を制御する。周知のとおり、燃料電池２０のＩ−Ｖ特性は、供給する酸化ガス量に応じて変動する。よって、本実施形態では、燃料電池２０に供給する酸化ガス量（すなわちエアストイキ比）を調整し、Ｉ−Ｖ特性を変えることで発電効率の調節を行う。

図４は、エアストイキ比を変えた場合のＩ−Ｖ特性を例示した図であり、横軸にＦＣ電流、縦軸にＦＣ電圧をあらわしている。

図４では、Ｉ−ＶカーブＣ１→Ｉ−ＶカーブＣ２→・・・Ｉ−ＶカーブＣｍ（ｍ≧３）の順でエアストイキ比が小さく設定されている。図４から明らかなように、エアストイキ比が小さくなるにつれ、発電効率が低くなる。発電効率決定・調節部５２は、決定した発電効率に応じて燃料電池２０に供給する酸化ガス量を調整することで、燃料電池２０のＩ−Ｖ特性を変更し、決定した発電効率を得る。なお、発電効率の調節は、燃料電池２０に対する酸化ガスの供給量を調整する方法（別言すれば、エアストイキ比の増減によって濃度分極を増減する方法）に限らず、種々の方法を採用することができる(詳細は変形例を参照）。

運転制御部５３は、発電効率決定・調節部５２によって決定・調整された発電効率（例えば図４に示すいずれかのＩ−Ｖライン上）にて運転が行われるよう、ＤＣ／ＤＣコンバータ（図示略など）を用いて燃料電池２０の発電を制御する。
（２）実施形態の動作
図５は、制御ユニット５０によって実行される発電制御処理のフローチャートである。

制御ユニット５０の負荷推定部５１は、タイマなどを利用して本日分の負荷を推定すべきタイミングが到来したことを検知すると、使用パターン履歴データベースＤＢに登録されている過去の実績などに基づいて、その日の負荷、すなわち電力使用量及び給湯使用量を推定する（ステップＳ１０）。そして、負荷推定部５１は、推定結果を発電効率決定・調節部５２に出力する。なお、推定するタイミングは、予め制御ユニット５０に設定しても良いが、ユーザがボタン操作などによって自由に設定・変更できるように構成しても良い。

発電効率決定・調節部５２は、負荷推定部５１から推定結果を受け取ると、受け取った推定結果に基づいて燃料電池２０の発電量と発熱量の比を算出し、設定すべき発電効率（＝１／発熱効率）を決定する(ステップＳ２０）。具体的には、負荷推定部５１から供給される推定結果と発電効率マップＭＰ１（図３参照）を利用することで、設定すべき燃料電池２０の発電効率（図３ではＩ−Ｐライン）を決定する。

そして、発電効率決定・調節部５２は、決定した発電効率が得られるように燃料電池２０のＩ−Ｖ特性を制御する。具体的には、決定した発電効率に応じて燃料電池２０に供給する酸化ガス量を調整することで、燃料電池２０のＩ−Ｖ特性を変更し、決定した発電効率を得る（ステップＳ３０）。

このようにして発電効率が決定し、調節されると、運転制御部５３は、調節された発電効率（例えば図４に示すいずれかのＩ−Ｖライン上）にて運転が行われるよう、ＤＣ／ＤＣコンバータ（図示略）などを用いて燃料電池２０の発電を制御する（ステップＳ４０）。

以上説明したように、本実施形態によれば、電力使用量及び給湯使用量の推定結果に基づいて、燃料電池の発電効率を決定し、決定した発電効率が得られるように燃料電池に供給する酸化ガスのガス量（エアストイキ比）が調整されるため、余剰となる電力や熱の発生を極力抑えることが可能となる。また、複数の燃料電池を設置する必要がないため、上述した従来構成に比べて、小型化を図ることが可能となる。
Ｂ．変形例
＜変形例１＞
上述した本実施形態では、燃料電池２０に供給する酸化ガス量を調整することで発電効率を調節したが、これに代えて（あるいは加えて）燃料電池２０に供給する燃料ガス量を調整することで発電効率を調節しても良い。
＜変形例２＞
また、燃料電池２０の温度（ＦＣ温度）を調整することで発電効率を調節しても良い。図６は、ＦＣ温度を変えた場合のＩ−Ｖ特性を例示した図であり、横軸にＦＣ電流、縦軸にＦＣ電圧をあらわしている。図６では、Ｉ−ＶカーブＣ１→Ｉ−ＶカーブＣ２→・・・Ｉ−ＶカーブＣｍ（ｍ≧３）の順でＦＣ温度が低く設定されている。図５から明らかなように、ＦＣ温度が低くなるにつれ、発電効率も低くなる。発電効率決定・調節部５２は、決定した発電効率に応じてＦＣ温度を調整することで、燃料電池２０のＩ−Ｖ特性を変更し、決定した発電効率を得る。

図７は、ＦＣ温度を調整する具体的な方法を説明するための図である。通常、燃料電池２０を循環するスタック冷却水は、貯湯タンク１５の一端側（図７では上部）の貯湯水との間で熱交換が行われる。従って、貯湯タンク１５内では一端側の貯湯水が高温になり、他端側の貯湯水が低温になるといった温度勾配が生じる。この温度勾配を利用して、決定した発電効率に応じて上記熱交換を行う熱交換器１６の位置をシフトさせる。例えば、決定した発電効率がこれまでの発電効率よりも低い場合には、制御ユニット５０は、上記熱交換を行う熱交換器１６の位置を図７の実線で示す位置から図７の破線で示す位置までシフトさせる。これにより、ＦＣ温度は下がり（例えば８０℃→２０℃）、決定した発電効率を得ることが可能となる（図６参照）。このように、ＦＣ温度を調整することで（別言すれば、ＦＣ温度変更による活性化分極の増減により）、発電効率を調節しても良い。
＜変形例３＞
また、燃料電池２０を構成する電解質膜の湿潤状態を調整することで発電効率を調節しても良い。図８は、電解質膜の湿潤状態を変えた場合のＩ−Ｖ特性を例示した図であり、横軸にＦＣ電流、縦軸にＦＣ電圧をあらわしている。図８では、Ｉ−ＶカーブＣ１→Ｉ−ＶカーブＣ２→・・・Ｉ−ＶカーブＣｍ（ｍ≧３）の順で電解質膜が高湿潤状態（ウェット）から低湿潤状態（ドライ）に設定されている。図８から明らかなように、電解質膜が乾燥するにつれ、発電効率も低くなる。発電効率決定・調節部５２は、決定した発電効率に応じて電解質膜の湿潤状態を調整することで（別言すれば、電解質膜の湿潤状態変更によるプロトン伝導／抵抗分極の増減により）、発電効率を調節しても良い。なお、電解質膜の湿潤状態を調整するためには、例えば燃料電池２０に供給する酸化ガス量などを調整すれば良い。
＜変形例４＞
また、燃料電池２０の電極面積を調整することで発電効率を調整しても良い。発電効率決定・調節部５２は、例えば決定した発電効率が低い場合には、発電に利用する電極面積を小さくする設定する一方、決定した発電効率が高い場合には、発電に利用する電極面積を大きく設定する。このように、燃料電池２０の電極面積を調整することが発電効率を調整しても良い。

本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 制御ユニットの機能ブロック図である。 発電効率マップを例示した図である。 エアストイキ比を変えた場合のＩ−Ｖ特性を例示した図である。 発電制御処理のフローチャートである。 ＦＣ温度を変えた場合のＩ−Ｖ特性を例示した図である。 ＦＣ温度を調整する具体的な方法を説明するための図である。 電解質膜の湿潤状態を変えた場合のＩ−Ｖ特性を例示した図である。

符号の説明

１００・・・燃料電池システム、１・・・スタックエアー供給系、２・・・加湿器、１５・・・貯湯タンク、２０・・・燃料電池、２１・・・インバータ、３０・・・加湿器、４０・・・負荷、５０・・・制御ユニット、５１・・・負荷推定部、ＤＢ・・・使用パターン履歴データベース、５２・・・発電効率決定・調節部、ＭＰ１・・・発電効率マップ、５３・・・運転制御部。

Claims (9)

1. 燃料電池に要求される発熱量および発電量に基づき、前記燃料電池の発電効率を決定する決定手段と、
   決定された発電効率に応じて前記燃料電池に関わるパラメータを調整する調整手段と
   を具備することを特徴とする燃料電池の運転制御システム。
2. 前記調整手段は、決定された発電効率に応じて前記燃料電池に供給するガス量を調整することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の運転制御システム。
3. 前記燃料電池のカソードには、酸素を含む酸化ガスが供給され、
   前記調整手段は、前記酸化ガスのガス量を調整することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の運転制御システム。
4. 前記調整手段は、決定された発電効率に応じて前記燃料電池の温度を調整することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の運転制御システム。
5. 前記調整手段は、前記燃料電池を循環する冷却水と貯湯タンク内の貯湯水との間で熱交換を行う熱交換器の位置を制御することで、前記燃料電池の温度を調整することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の運転制御システム。
6. 前記調整手段は、決定された発電効率に応じて前記燃料電池の電解質膜の湿潤状態を調整することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の運転制御システム。
7. 前記燃料電池のカソードには、酸素を含む酸化ガスが供給され、
   前記調整手段は、前記酸化ガスに含まれる水分量を調整することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池の運転制御システム。
8. 前記調整手段は、決定された発電効率に応じて前記燃料電池の電極面積を調整することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の運転制御システム。
9. 前記燃料電池に要求される発熱量および発電量を推定する推定手段をさらに備え、
   前記決定手段は、前記推定手段によって推定された前記発熱量および前記発電量に基づき、前記燃料電池の発電効率を決定することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１の請求項に記載の燃料電池の運転制御システム。

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