JP2009301936A - 燃料電池発電装置及び燃料電池発電装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】不要な燃料投入を行うことなく、負荷変動に対する追従性の向上可能な燃料電池発電装置の制御方法を提供する。
【解決手段】顧客負荷の負荷変動幅が小さい場合には、顧客負荷の負荷変動を相殺するようにヒータ負荷の負荷量を調整し、予備燃料及び水素ガスの流量は変更しない。顧客負荷の負荷が閾値を超えて増加したときは、増加分相当の予備燃料増加量ΔＱだけ予備燃料流量を増量し、且つ、燃料電池に供給される改質ガスが、増量した予備燃料流量相当の改質ガス流量に達するまでの応答遅れに伴う改質ガスの不足分相当の追加流量Δｑだけ、燃料電池に供給される水素ガスを一時的に増量する。結果的に改質ガスの不足分が水素ガスにより補われることと同等となり、負荷量の変動に対する発電電力の追従性を向上させることができる。このとき、改質ガスの不足分相当の水素ガスのみを供給しているため、水素ガスを過不足なく投入することができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池の発電電力により負荷への供給電力を賄うようにした燃料電池発電装置及び燃料電池発電装置の制御方法に関する。

従来、燃料電池の発電電力を負荷に供給するようにした燃料電池発電装置においては、燃料電池の発電電流に見合った燃料流量となるように燃料流量制御を行っている。
燃料電池の燃料としては都市ガスなどが用いられており、燃料として都市ガスを用いる場合には、都市ガスを水素リッチなガスに改質し、この改質ガスを燃料電池に供給している。

そして、都市ガスを燃料として負荷への電力供給を行っている状態で、地震等により都市ガスの供給が停止されたときには、都市ガスに替えて、水素ガスタンクからの水素ガスを燃料電池に供給することで、負荷への電力供給を継続するようにしたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、このように貯蔵しておいた水素ガスを燃料として用いるようにしたものにおいて、都市ガスを燃料として用いる際に、水素ガスタンクの残量に応じて生成される改質ガスの流量を調整し、都市ガスを改質して得た水素ガスを水素ガスタンクに補充するようにした方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、電力系統と燃料電池とで連系運転を行わず、負荷への電力供給を燃料電池の発電出力のみにより賄う自立運転時に、改質を行う必要のある原燃料ガスを燃料として用いる場合、原燃料ガスを改質して改質ガスを生成する必要があるため、改質を行う分、改質ガスが実際に燃料電池に供給されるまでに時間を要する。
このため、負荷の負荷量の変動に伴い発電電流が変動したとしても、この発電電流に見合った流量の改質ガスが実際に燃料電池に供給されるまでには時間を要するため、結果的に燃料電池が燃料不足傾向となる可能性がある。

これを回避するために、負荷の負荷量の上昇割合を検出し、この上昇割合から負荷量の上昇に伴う燃料電池の発電電流の増加分を予測しこれに伴い必要となる原燃料ガスの増加分を予測し、予測した原燃料ガスの増加分を余剰分とし、この余剰分だけ燃料電池に供給する燃料流量を前以って増加させると共にダミー負荷抵抗を増加させて、余剰分相当だけ増加した燃料電池の発電出力と負荷全体の電力負荷とのバランスをとるようにし、この状態から負荷の負荷量が増加すると、負荷量の増加量に応じてダミー負荷抵抗を調整することにより、負荷の負荷量の増加に伴い燃料ガスが不足傾向となることを回避しつつ、燃料電池の発電出力と電力負荷とのバランスをとる方法などが提案されている。

また、このように負荷量の変動に対する追従特性を向上させるために、負荷の負荷量の変動パターンを予め検出しておき、この変動パターンに沿って改質ガスの流量を調整することにより、負荷変動に対する追従性を向上させるようにしたもの（特許文献３）、水素を予め緩衝用タンクに充填しておき、負荷が急増して燃料電池における水素の消費量が急増したときにタンクに蓄積しておいた水素や、配管内の水素を用いることにより、負荷変動に対する追従性を向上させるようにしたもの（特許文献４）、また、水素バッファのみ、或いは水素バッファと電気バッファとを設け、必要に応じてこれらによりアシストを行うことにより負荷変動に対する追従性を向上させるようにしたもの（特許文献４及び特許文献５）等も提案されている。
特開２００４−８６４５８号公報 特開２００４−９５３６３号公報 特開平１１−３１５２１号公報 特開平９−３０６５３１号公報 特開２００２−３２９５１９号公報 特開２００１−０３５５１８号公報

しかしながら、上述のように、負荷変動に対する追従性確保のために、前以って余剰分だけ、原燃料ガスの流量を増量する方法にあっては、真に必要な原燃料ガスよりも常に余剰分だけ増量した原燃料ガスが投入されるため、その分原燃料ガスが無駄に消費されることになる。また、改質ガスとは別に水素ガスを投入して追従性を確保する方法においても、水素ガスの投入量が少ない場合には追従応答性を十分向上させることができず燃料電池が燃料不足傾向となる可能性があり、また、水素ガスの投入量が多過ぎる場合には、燃料ガス過多となって燃料電池の温度上昇等をもたらす可能性がある。特に、自立運転時にガスタンクに貯蔵されている原燃料ガスを用いる場合、或いは、水素ガスタンクに貯蔵している水素ガスを投入する場合には、ガスタンクの貯蔵量には限りがあるため、必要以上のガスの投入は好ましくない。
そこで、この発明は上記従来の未解決の課題に着目してなされたものであり、不要な燃料投入を行うことなく、負荷変動に対する追従性向上を図ることの可能な燃料電池発電装置及び燃料電池発電装置の制御方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る発明は、供給される原燃料を水素リッチなガスに改質しこの改質ガスを燃料電池に供給する改質手段と、水素ガスが貯蔵される水素ガス貯蔵手段と、負荷で必要とする電力に見合った発電を行うように前記改質手段に供給する原燃料の流量を制御すると共に、前記水素ガスを前記燃料電池に供給する燃料制御手段と、を有し、前記燃料電池の発電電力のみにより前記負荷への供給電力を賄う自立運転を行う燃料電池発電装置において、前記負荷の負荷量を検出する負荷量検出手段と、前記負荷量検出手段の検出値に基づき前記負荷の負荷量が予め設定した閾値以上増加したことを検出したとき、前記負荷量の増加分相当だけ前記燃料電池の発電出力を増加させるために必要な前記原燃料の流量を演算する原燃料増流量演算手段と、前記燃料電池に実際に供給される前記改質ガスの流量が、前記原燃料増流量演算手段で演算された原燃料増流量だけ増量された原燃料相当の改質ガス流量に達するまでの間の、前記燃料電池に実際に供給される改質ガスの流量と前記増量された原燃料相当の改質ガス流量との差分の積分値に相当する燃料不足量を演算する燃料不足量演算手段と、を備え、前記燃料制御手段は、前記負荷量検出手段の検出値に基づき前記負荷の負荷量が前記閾値以上増加したことを検出したとき、前記原燃料増流量演算手段で演算された前記原燃料増流量相当だけ前記改質手段に供給する原燃料の流量を増量すると共に、前記燃料電池に供給する前記水素ガスの流量を前記燃料不足量相当だけ一時的に増量することを特徴としている。

ここで、負荷の負荷量が増加した場合には、これに伴い改質手段への原燃料の流量を増量し、燃料電池への改質ガスの供給流量を増量させる必要があるが、原燃料を増量した時点から、燃料電池に供給される改質ガスが増量するまでには応答遅れが生じるため、その間、燃料電池は燃料不足傾向となる可能性がある。
しかしながら、改質手段に供給する原燃料の流量を増量すると共に、応答遅れによる改質ガスの不足量相当の水素ガスを直接燃料電池に供給しているため、結果的に改質ガスの不足分が水素ガスにより補われることと同等となり、負荷量の変動に対する発電電力の追従性を向上させることができる。このとき、投入する水素ガスは、応答遅れによる改質ガスの不足量相当だけ投入するようにしているため、過不足のない水素ガス投入を行うことができ、水素ガスの無駄な消費を回避することができる。

また、請求項２に係る発明は、前記燃料不足量演算手段は、前記原燃料増流量と、前記原燃料の増量が開始された時点から増量された原燃料相当の改質ガスが前記燃料電池に達するまでの予測される所要時間と、前記燃料電池での燃料電池発電における前記原燃料及び前記水素ガス中の水素使用量の比と、に基づき前記燃料不足量を推測することを特徴としている。

この発明によれば、負荷量の増加分相当だけ燃料電池の発電出力を増加させるために必要な原燃料増流量と、原燃料の増量が開始された時点から増量された原燃料が改質されその改質ガスが燃料電池に達するまでの予測される所要時間と、燃料電池での燃料電池発電における原燃料中及び水素ガス中の水素使用量の比と、に基づき、改質ガスの応答遅れに伴う燃料不足量を推測するため、燃料不足量を容易且つ的確に検出することができる。

また、請求項３に係る発明は、負荷量を調整可能な調整用負荷と、前記負荷量検出手段で検出される前記負荷量と前記調整用負荷の負荷量との和が一定となるように前記調整用負荷の負荷量を調整する負荷量調整手段と、を備え、前記原燃料増流量演算手段は、前記負荷の負荷量が予め設定した閾値以上増加したときには前記負荷量の増加量から前記負荷量調整手段による前記調整用負荷の調整量を減算した差分相当だけ前記燃料電池の発電出力を増加させるために必要な前記原燃料の流量を演算し、前記燃料制御手段は、前記負荷の負荷量の変動量が前記閾値よりも小さいときには、前記原燃料及び前記水素ガスの流量を保持することを特徴としている。

この発明によれば、負荷量調整手段により負荷の負荷量と調整用負荷の負荷量との和が一定となるように制御するため、負荷の負荷量の変動に対し、原燃料や水素ガスの流量変更を伴うことなく比較的速やかに対応することができる。また、負荷の変動量が閾値以上増加したときには、調整用負荷の負荷量の調整分相当を差し引いて原燃料の流量制御を行うため、原燃料の流量を的確に制御することができる。

また、請求項４に係る発明は、前記燃料電池に対し、前記負荷で必要とする電力に見合った流量と予め設定した余裕代との和相当の燃料を供給する燃料電池発電装置であって、前記燃料制御手段は、前記負荷で必要とする電力に見合った流量の前記原燃料を前記改質手段に供給し、且つ前記余裕代相当の前記水素ガスを前記燃料電池に供給することを特徴としている。

この発明によれば、燃料電池に対し、負荷で必要とする電力に見合った流量の燃料と、負荷変動を見越して予め多めに燃料供給を行うための余裕代相当の燃料とを供給する際に、負荷で必要とする電力に見合った燃料は原燃料を用い、余裕代分は水素ガスを用いるようにしたため、余裕代分も原燃料を用いる場合に比較して、その分だけ原燃料の消費量を削減することができる。自立運転時の原燃料としてガスタンクに貯蔵されたＬＰＧガスを用いる場合等には、ガスタンクの貯蔵量には限界があるため、原燃料の消費量を削減することによりその分、自立運転をより長い時間継続することができる。

また、請求項５に係る発明は、電力系統と連系して前記負荷に電力供給を行う連系運転を行い、且つ連系運転時には都市ガスを前記原燃料として用いる燃料電池発電装置であって、前記連系運転時の予め設定した期間に、前記改質手段で改質された改質ガスを、前記水素ガスとして前記水素ガス貯蔵手段に補充することを特徴としている。
この発明によれば、都市ガスを用いて、電力系統と連系して負荷への電力供給を行う連系運転時の予め設定した期間に、都市ガスを改質して得た改質ガスを水素ガスとして水素ガス貯蔵手段に補充するため、水素ガス貯蔵手段の貯蔵量が零となることを回避することができる。また、水素ガス貯蔵手段への水素ガスの補充を、連系運転時の予め設定した期間に行い、例えば、夜間等負荷への電力供給量が比較的少ないときなどに行うことによって、改質ガスを流用したとしても負荷に対して影響を与えることなく、水素ガスを補充することができる。

また、請求項６に係る発明は、前記水素ガス貯蔵手段は、水素ガスを貯蔵する水素ガス貯蔵機能及び水素ガスを生成する水素ガス生成機能の少なくとも何れか一方を有することを特徴としている。
また、請求項７に係る発明は、前記水素ガス貯蔵手段は、前記水素ガス生成機能を有し、前記燃料電池の発電過程で生成される燃料電池生成水と、酸化卑金属との化学反応により前記水素ガスを生成することを特徴としている。

さらに、本発明の請求項８に係る発明は、供給される原燃料を水素リッチなガスに改質しこの改質ガスを燃料電池に供給する改質手段と、水素ガスが貯蔵される水素ガス貯蔵手段と、を備え、負荷で必要とする電力に見合った電力発電を行うように前記改質手段に供給する原燃料の流量を制御すると共に、前記水素ガスを前記燃料電池に供給して、燃料電池の発電電力のみにより前記負荷への供給電力を賄う自立運転を行う燃料電池発電装置の制御方法において、前記負荷の負荷量が予め設定した閾値以上増加したときには、前記負荷量の増加分相当だけ前記燃料電池の発電出力を増加させるように前記改質手段に供給する前記原燃料の流量を増量し、且つ、前記燃料電池に実際に供給される前記改質ガスの流量が、前記原燃料増流量演算手段で演算された原燃料増流量だけ増量された原燃料相当の改質ガス流量に達するまでの間の、前記燃料電池に実際に供給される改質ガスの流量と前記増量された原燃料相当の改質ガス流量との差分の積分値に相当する燃料不足量相当だけ、前記燃料電池に供給する水素ガスの流量を一時的に増加することを特徴としている。

ここで、負荷の負荷量が増加した場合には、これに伴い改質手段への原燃料の流量を増量し、燃料電池への改質ガスの供給流量を増量させる必要があるが、原燃料を増量した時点から、燃料電池に供給される改質ガスが増量するまでには応答遅れが生じるため、その間、燃料電池は燃料不足傾向となる可能性がある。
しかしながら、改質手段に供給する原燃料の流量を増量すると共に、応答遅れによる改質ガスの不足量相当の水素ガスを直接燃料電池に供給しているため、結果的に改質ガスの不足分が水素ガスにより補われることと同等となり、負荷量の変動に対する発電電力の追従性を向上させることができる。このとき、投入する水素ガスは、応答遅れによる改質ガスの不足量相当だけを供給するようにしているため、過不足のない水素ガス投入を行うことができ、水素ガスの無駄な消費を回避することができる。

本発明の請求項１及び請求項２に係る発明によれば、負荷の負荷量が増加した場合には、改質手段への原燃料の供給流量を増量すると共に、応答遅れに伴う改質ガスの燃料不足量相当の水素ガスを燃料電池に供給しているため、結果的に改質ガスの不足分が水素ガスにより補われることと同等となり、負荷量の変動に対する発電電力の追従性を向上させることができる。また、応答遅れによる改質ガスの燃料不足量を予測し、この燃料不足量相当だけ、水素ガスを投入しているため、過不足のない水素ガス投入を行うことができ、水素ガスの無駄な消費を回避することができる。

また、請求項３に係る発明によれば、負荷量調整手段により調整用負荷の負荷量を調整するため、負荷の負荷量の変動に対し、原燃料や水素ガスの流量変更を伴うことなく比較的速やかに対応することができる。また、負荷の変動量が閾値以上増加したときには、調整用負荷の負荷量の調整分相当を差し引いて原燃料の流量制御を行うため、原燃料の流量を的確に制御することができる。

また、請求項４に係る発明によれば、負荷変動を見越して多めに燃料供給を行うための余裕代分の燃料として水素ガスを用いるため、余裕代分も原燃料を用いる場合に比較して、その分だけ原燃料の消費量を削減することができる。自立運転時の原燃料としてガスタンクに貯蔵されたＬＰＧガスを用いる場合等には、原燃料が零となり、自立運転ができなくなる時点をより遅らせることができる。

また、請求項５に係る発明によれば、都市ガスを用いて、電力系統と連系して負荷への電力供給を行う連系運転時の予め設定した期間に、都市ガスを改質して得た改質ガスを水素ガスとして水素ガス貯蔵手段に補充するため、水素ガス貯蔵手段の貯蔵量が零となることを回避することができる。また、水素ガス貯蔵手段への水素ガスの補充を、夜間等負荷への電力供給量が比較的少ないとき等の予め設定した期間に行うことにより、改質ガスを流用したとしても負荷に対して影響を与えることなく、補充することができる。

また、請求項６及び請求項７に係る発明によれば、水素ガス貯蔵手段として、水素ガスを貯蔵する水素ガス貯蔵機能や、水素ガスを生成する水素ガス生成機能を備えたものを用いることにより水素ガスを貯蔵するだけでなく生成することができ、特に、前記燃料電池の発電過程で生成される燃料電池生成水を用い、酸化卑金属との化学反応により前記水素ガスを生成することにより燃料電池生成水を有効に活用することができる。

さらに、本発明の請求項８に係る発明によれば、負荷の負荷量が増加した場合には、改質手段への原燃料の供給流量を増量すると共に、応答遅れに伴う改質ガスの燃料不足量相当の水素ガスを燃料電池に供給しているため、結果的に改質ガスの不足分が水素ガスにより補われることと同等となり、負荷量の変動に対する発電電力の追従性を向上させることができる。また、応答遅れによる改質ガスの燃料不足量を予測し、この燃料不足量相当だけ、水素ガスを投入しているため、過不足のない水素ガス投入を行うことができ、水素ガスの無駄な消費を回避することができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明を適用した燃料電池発電装置１００の概略構成を示すブロック図である。
図１に示すように、燃料電池発電装置１００は、燃料電池により発電を行う電池部1と、電池部１で発電された直流電力を交流電力に変換するインバータ２と、燃料電池の負荷となる負荷全体の電力負荷調整用のヒータ負荷３と、燃料電池発電装置１００内の図示しないブロワ等といった各種の補機負荷４と、燃料電池冷却用の図示しない冷却設備等といった外部冷却器負荷５と、燃料電池発電装置１００全体を制御するコントローラ６と、コントローラ６に対して常時電力供給を行うための無停電電源装置等で構成される外部バッテリ６ａと、を備える。

インバータ２は、インバータ２を系統電源２１及び各種負荷から切り離すための遮断器７と、系統電源２１を電池部１及び各種負荷から切り離すための系統連系用遮断器８とを介して、系統電源２１に接続される。
遮断器７と系統連系用遮断器８との間に、外部バッテリ６ａ、補機負荷４、外部冷却負荷５がそれぞれ直接接続される。さらに遮断器７と系統連系用遮断器８との間には、遮断器９を介してヒータ負荷３が接続されると共に、電力供給対象である顧客負荷２２が、遮断器１０を介して接続される。

電池部１は、燃料として供給される都市ガス等の原燃料を、改質用蒸気を用いて水蒸気改質し、水素に富んだガスに改質する改質器１１と、改質器１１で生成した改質ガスを用いて燃料電池発電を行う燃料電池１２と、水素ガスを貯蔵する水素貯蔵器１３とを備える。
改質器１１は、供給される燃料ガスを、図示しないブロワから供給される燃焼ガス及び燃料電池１２から排出される未反応水素を含む燃料オフガスを用いて水蒸気改質し、水素に富む水素リッチガスを生成する。

改質器１１には、系統電源２１と連系して顧客負荷２２への電力供給を行う連系運転時は主燃料としての都市ガスが供給される。また、地震などにより都市ガスの供給が停止したとき、或いは系統電源２１に停電が生じたときなど、電池部１及び顧客負荷２２を系統電源２１から解列し、顧客負荷２２への供給電力を燃料電池１２の発電出力のみを用いて賄う自立運転に移行する必要が生じたときには、主燃料に替えて予備燃料が供給される。この予備燃料としては、例えば、ＬＰＧガスなどの原燃料ガスが適用される。

水素貯蔵器１３は、ガスタンクやガスフォルダ等で構成される。なお、水素貯蔵器１３は、水素貯蔵合金やナノフラーレンＣ６０を充填して構成してもよく、また、燃料電池本体１２での発電過程で生成される燃料電池生成水と酸化卑金属との化学反応等により即時に水素生成が可能な装置などで構成してもよい。このように燃料電池生成水を化学反応に用いることにより、発電過程で生成される燃料電池生成水を有効に活用することができる。また、自然エネルギを利用して水素ガスを得る構成としてもよい。例えば、太陽電池を利用し水電解にて生成した水素を貯蔵するようにしてもよい。このように自然エネルギを用いることにより、エネルギの大幅な増加を伴うことなく、水素ガスを得ることができる。

水素貯蔵器１３は、改質器１１と燃料電池１２との間に接続され、水素貯蔵器１３と燃料電池１２との間の水素ガスライン１６には、水素貯蔵器１３からの水素ガスの供給及び水素貯蔵器１３への水素ガスの導入を遮断する遮断弁１６ａと、水素貯蔵器１３からの水素ガスの供給量及び水素ガス貯蔵器１３への水素ガスの導入量を制御する流量制御弁１６ｂとが設けられている。
そして、必要に応じて遮断弁１６ａ、流量制御弁１６ｂを制御することにより、水素貯蔵器１３に貯蔵された水素ガスを、水素ガスライン１６を通じて燃料電池１２に供給し、また改質器１１からの改質ガスを水素貯蔵器１３に導入する。

改質器１１に主燃料を供給するための主燃料ライン１４には、主燃料の供給を遮断する遮断弁１４ａと、遮断弁１４ａの下流側に、改質器１１に供給される主燃料の流量調整を行うための流量制御弁１４ｂとが設けられている。同様に、改質器１１に予備燃料を供給するための予備燃料ライン１５には、予備燃料の供給を遮断する遮断弁１５ａと、遮断弁１５ａの下流側に、改質器１１に供給される予備燃料の流量調整を行うための流量制御弁１５ｂとが設けられている。
また、顧客負荷２２と遮断器１０との間には、顧客負荷２２への供給電力量を検出する電力計２２ａが設けられている。また、燃料電池１２の出力側には、発電電流を計測する電流センサ１２ａが設けられている。
これら電力計２２ａ及び電流センサ１２ａの検出値は、コントローラ６に供給される。

コントローラ６は、各種センサの検出信号をもとに、インバータ２や各種遮断器を制御すると共に電池部１内の各部を制御し、電池部１と系統電源２１とで連系運転をして顧客負荷２２に電力供給を行い、系統電源２１に異常が生じた場合、或いは、地震により主燃料の供給が停止された場合など、必要に応じて電池部１及び顧客負荷２２を系統電源２１から解列して切り離すと共に、燃料を、主燃料から予備燃料に切り替えて自立運転を行う。また、コントローラ６は、改質器１１に供給される燃料流量が電流センサ１２ａの検出値に見合った流量となるように、主燃料の各制御弁１４ａ、１４ｂ、及び予備燃料の各制御弁１５ａ、１５ｂを制御する。

さらに、自立運転中は、予め設定した余剰流量ｑ１相当の水素ガスを水素貯蔵器１３から燃料電池１２に供給すると共に、電力計２２ａの検出値に基づき顧客負荷２２の負荷量を監視し、負荷量の変動に応じてヒータ負荷３の負荷量を調整して、燃料電池１２の発電出力と負荷全体の電力負荷とのバランスをとる。また、顧客負荷２２の負荷量が予め設定したしきい値以上増加したときには負荷量の変動分に基づき燃料電池１２に供給する水素ガスの流量を増量すると共に改質器１１に供給する予備燃料の流量を、前記負荷量の変動分に応じて増加させる。

次に、上記実施の形態を、自立運転時にコントローラ６で実行される処理の処理手順を示す、図２から図４のフローチャート及び、図５のタイムチャートを用いて説明する。
なお、図２は、改質器１１に供給する予備燃料の流量を制御する処理の処理手順を示す。図３は、ヒータ負荷３の負荷量を制御する処理の処理手順を示す。図４は、水素貯蔵器１３から燃料電池１２に供給する水素ガスの流量を制御する処理手順を示す。

また、図５は、自立運転時の各部の状態を表すタイムチャートであって、（ａ）は顧客負荷２２の負荷量、（ｂ）は予備燃料の流量制御弁１５ｂの目標開度、（ｃ）は燃料電池１２に入力される予備燃料の改質ガスの流量、（ｄ）は燃料電池１２に入力される水素ガスの流量、（ｅ）は燃料電池１２に入力される予備燃料の改質ガスと水素ガスとの混合ガスの流量、（ｆ）は電流センサ１２ａで検出される燃料電池１２の発電電流、（ｇ）はヒータ負荷３の負荷量を表す。

燃料電池発電装置１００は、連系運転中は、主燃料を改質器１１に供給し、改質器１１に供給する主燃料流量が電流センサ１２ａで検出される燃料電池１２の発電電流に見合った流量となるように主燃料の流量制御弁１４ｂを制御する。これにより燃料電池１２で電力負荷に見合った発電が行われ、その発電出力が、インバータ２で交流電力に変換された後、遮断器７を介して補機負荷４及び外部冷却器負荷５に供給されると共に、遮断器７及び遮断器１０を介して顧客負荷２２に供給される。さらに、燃料電池１２の発電電力の余剰分は、遮断器７及び系統連系用遮断器８を介して系統電源２１に供給される。また、燃料電池１２の発電電力が不足する場合には、系統電源２１から系統連系用遮断器８及び遮断器１０を介して顧客負荷２２に電力供給がなされると共に、系統連系用遮断器８を介して補機負荷４、外部冷却器負荷５に供給される。系統運転時には、遮断器９は開状態に制御され、ヒータ負荷３への電力供給は行われない。
これによって、燃料電池１２において過不足のない発電が行われ、顧客負荷２２や各種負荷に対して各負荷で要求する電力量相当の電力供給が行われる。

また、コントローラ６では、夜間等、顧客負荷２２での電力需要が低い予め設定した時間帯に、水素貯蔵器１３への水素ガスの補充を行う。例えば、貯蔵量センサ等の、水素貯蔵器１３の貯蔵量を検出する図示しない貯蔵量検出手段を設けておく。また、水素ガスの遮断弁１６ａ及び流量制御弁１６ｂを双方向制御可能な弁で構成し、さらに改質ガスを水素貯蔵機１３に導入するために必要な、圧力、温度、流量などの計測器を初めとする図示しない導入装置を設けておく。そして、水素ガスの貯蔵量がある程度少なくなったときに、水素ガスの遮断弁１６ａ及び流量制御弁１６ｂを制御し、図示しない導入装置を作動させることにより、改質器１１からの改質ガスを水素貯蔵器１３に導入する。これにより、水素貯蔵器１３の貯蔵量が零となることを回避することができる。また、この水素ガスの補充は、夜間等、電力需要の低い時間帯に行っているため、燃料電池１２に供給される改質ガスが不足し、この改質ガスの不足のために各負荷への電力供給量が不足したりすることなく実現することができる。逆に、水素貯蔵器１３への補充を行うことにより、電力需要が低い時間帯であっても改質器１１の出力特性の変化を抑制することができ、効果的である。

この状態から、地震等により主燃料である都市ガスの供給が停止されたとき或いは系統電源２１で停電等が生じた場合には、コントローラ６では、系統連系用遮断器８を開状態に切り替えて電池部１及び顧客負荷２２を系統電源２１から解列し、遮断器１０を開状態に切り替える。さらに、主燃料の遮断弁１４ａ、流量制御弁１４ｂを閉状態に切り替え、逆に予備燃料の遮断弁１５ａ、流量制御弁１５ｂを開状態に切り替え、燃料を主燃料から予備燃料に切り替える。また、水素貯蔵器１３から燃料電池１２に対し、予め設定した余剰流量相当の水素ガスの供給を開始する。そして、遮断器９を閉状態に切り替える。

これによって、改質器１１で改質された改質ガスと水素貯蔵器１３の水素ガスとの混合ガスが燃料電池１２に供給され、燃料電池１２では、供給される混合ガス流量に応じた発電を行う。この発電出力は遮断器９を介してヒータ負荷３に供給され、燃料電池１２の発電出力が安定し顧客負荷２２への電力供給が可能な状態となったとき、遮断器１０を閉状態に切り替えて顧客負荷２２への電力供給を開始した後、ヒータ負荷３の負荷量を略零に制御する。

このとき、コントローラ６では、顧客負荷２２への電力供給が可能な状態となるまでの間、ヒータ負荷３の負荷量を、予め検出した自立運転移行時に顧客負荷２２で必要とされる電力相当に調整する。このため、顧客負荷２２への電力供給を開始した時点で、ヒータ負荷３に供給されていた燃料電池１２の発電電力の出力先が、ヒータ負荷３から顧客負荷２２に切り替わることになって、顧客負荷２２で必要とする電力供給を行うことができる。

以後、予備燃料を燃料として用い、系統電源２１と連系せずに、燃料電池１２の発電出力のみにより顧客負荷２２への供給電力を賄う自立運転を行う。
この自立運転中、コントローラ６は、図２のフローチャートに示す手順にしたがって、改質器１１に供給される予備燃料の流量制御を行う。
すなわち、まず、ステップＳ１で、電力計２２ａの検出値を読み込み、ステップＳ２に移行して、電力計２２ａの検出値に基づき、顧客負荷２２の消費電力が前回値よりも閾値以上増加しているか否かを判断する。

この閾値は、顧客負荷２２の消費電力の変化量に相当する顧客負荷２２の負荷量の増加に伴って、増加分相当だけ燃料電池１２の発電電力を増加させるにあたり、ヒータ負荷３の負荷量を調整することのみにより対応することが可能な負荷量の増加分の最大値相当に設定される。
そして、顧客負荷２２の負荷量の変動幅が比較的小さく閾値を下回る場合には、ステップＳ２からステップＳ３に移行し、予備燃料の流量を変更せず、予備燃料の流量制御弁１５ｂの開度はそのままを維持する。このため、顧客負荷２２の負荷量の変動が小さい間は、予備燃料の流量制御弁１５ｂの開度は一定に維持され、一定量の予備燃料が改質器１１に供給される。

コントローラ６では、図２の予備燃料制御を行うと共に、電力計２２ａの検出値に基づきヒータ負荷３の負荷量を調整する。このヒータ負荷３の負荷量の調整は、図３のフローチャートに示すように、まず、ステップＳ２１で電力計２２ａの検出値を読み込み、ステップＳ２２に移行して、電力計２２ａの検出値に基づき、顧客負荷２２の消費電力が前回値よりも前記閾値以上増加しているか否かを判断する。

そして、消費電力が閾値以上増加していなければ顧客負荷２２の負荷量の変動は小さいか又は負荷量が減少したと判断し、ステップＳ２３に移行して、消費電力の変動分に応じてヒータ負荷３の負荷量を調整する。すなわち、顧客負荷２２の消費電力が増加している場合はヒータ負荷３の負荷量を増加分相当低減してヒータ負荷３の負荷量と顧客負荷２２の負荷量との和を一定に保つ。逆に顧客負荷２２の消費電力が減少している場合にはヒータ負荷３の負荷量を減少分相当増加してヒータ負荷３の負荷量と顧客負荷２２の負荷量との和を一定に保つ。このため、顧客負荷２２の負荷量の変動が小さいか、負荷量が減少している間は、ヒータ負荷３の負荷量は、顧客負荷２の負荷量の変動に応じて、これらの負荷量の和が一定となるように制御されることになる。

さらに、コントローラ６では、自立運転中、水素貯蔵器１３に貯蔵している水素ガスを燃料電池１２に供給し、その流量を、図４のフローチャートに示す手順で調整する。
この水素ガスの流量制御では、図３に示すヒータ負荷制御のステップＳ２１及びステップＳ２２の処理と同様に、電力計２２ａの検出値を読み込み（ステップＳ３１）、この検出値に基づき、顧客負荷２２の負荷量が閾値以上増加しているかを判断する（ステップＳ３２）。そして、顧客負荷２２の負荷量が閾値以上増加していなければ、ステップＳ３３に移行し、予め設定した前述の余剰流量ｑ１を水素ガスの目標流量ｑとし、燃料電池１２に供給される水素ガスの流量が目標流量ｑ（＝ｑ１）となるように水素ガスの流量制御弁１６ｂを調整する。このため、顧客負荷２２の負荷量の変動が小さいか、顧客負荷２２の負荷量が減少する間は、燃料電池１２への水素ガスの流量は、余剰流量ｑ１相当となるように制御されることになる。

したがって、自立運転中、顧客負荷２２の負荷量の変動が小さいときには、予備燃料の流量は変更されず（図２のステップＳ１〜Ｓ３）、顧客負荷２２の負荷量の変動に対し、顧客負荷２２の負荷量とヒータ負荷３の負荷量との和が一定となるようにヒータ負荷３の負荷量が調整されるため（図３のステップＳ２１〜Ｓ２３）、結果的に、燃料電池１２に対する電力負荷の変動が抑制される。また、燃料電池１２には、予め設定した余剰流量ｑ１相当の水素ガスが常時余分に供給されており（図４のステップＳ３１〜Ｓ３３）、燃料電池１２には、燃料電池１２の発電電流に見合った流量の予備燃料を改質した改質ガスと、余剰流量ｑ１相当の水素ガスとの混合ガスが供給される。したがって、通常、連系運転時には、負荷全体で真に必要とする燃料流量よりも余分に主燃料を供給しているが、自立運転時には、真に必要とする燃料流量及び余分に供給する余剰分との両方を予備燃料で賄うのではなく、余分に供給している余剰分は水素ガスで賄って余剰分に相当する余剰流量ｑ１だけ供給し、予備燃料は、負荷全体で真に必要とする燃料流量相当分のみを賄うようにしているため、余剰流量ｑ１相当だけ予備燃料の供給量を削減することができる。

この状態から、何らかにより顧客負荷２２の負荷量が大幅に増加し、電力計２２ａで検出される検出値が大きく増加しその変動量が閾値を超えると、コントローラ６では、図２の予備燃料制御において、ステップＳ１からステップＳ２、ステップＳ１１を経てステップＳ１２に移行する。そして、顧客負荷２２の負荷量の変動分相当から、後述のヒータ負荷３で賄うべきヒータ負荷担当分ΔＱｓを除いた負荷変動分相当だけ燃料電池１２の発電電力を増加させるために必要な予備燃料の増加量ΔＱを算出する。そして、ステップＳ１３に移行し、予備燃料の目標流量Ｑの前回値にステップＳ１２で算出した予備燃料増加量ΔＱだけ加算した値を、今回の予備燃料の目標流量Ｑとする。そしてステップＳ１４に移行し、改質器１１に供給される予備燃料流量が目標流量Ｑとなるように、予備燃料の流量制御弁１５ｂの開度を調節する。

また、コントローラ６では、ヒータ負荷３の負荷量調整を行い、顧客負荷２２の負荷量の変動分が閾値を超えていることから、図３のステップＳ２１からステップＳ２２を経てステップＳ２４に移行し、ヒータ負荷３の負荷量を前述の負荷担当分ΔＱｓだけ低減させる。
さらに、コントローラ６では、図４の水素ガス流量制御を行い、顧客負荷２２の負荷量の変動分が閾値を超えていることから、ステップＳ３１からステップＳ３２を経てステップＳ３５に移行し、顧客負荷２２の負荷量の増加に対する水素ガスの追加流量Δｑを算出する。

ここで、前記予備燃料流量制御では、顧客負荷２２の負荷量の変動に応じて予備燃料の流量制御弁１５ｂの開度を制御し予備燃料の増加を図っているが、流量制御弁１５ｂの開度が実際に目標とする開度に達し、増量された予備燃料が改質器１１で改質されて燃料電池１２に供給されるまでには、ある程度の所要時間がかかる。このため、図５（ｂ）に示すように、時点ｔ０で予備燃料の流量制御弁１５ｂの目標開度を、増量した予備燃料相当の開度に切り替えたとしても、燃料電池１２に実際に供給される、予備燃料を改質した改質ガスの流量は、図５（ｃ）に示すように緩やかに増加し、時点ｔ３で目標流量Ｑに達することになる。

前記水素ガスの追加流量Δｑは、図５（ｃ）に斜線で示す領域で表される、時点ｔ０から時点ｔ３間における、目標流量Ｑ相当の予備燃料が供給されたときに得られる改質ガス流量の目標値と燃料電池１２に実際に供給される予備燃料の改質ガス流量との差の積分値である不足量Ｅｑ相当分に応じて設定される。つまり、顧客負荷２２の負荷量が閾値を超えて増加した時点ｔ０からの不足量Ｅｑ相当分を水素ガスにより補うように追加流量Δｑを設定し、図５（ｄ）に示すように、顧客負荷２２の負荷量が閾値を超えた時点から速やかに水素ガスの供給流量を増加させ、図５（ｃ）に示す燃料電池１２に実際に供給される予備燃料の改質ガスの流量が増加するとこれに伴って水素ガスの流量が減少し、予備燃料の改質ガスの流量が目標値相当に達する時点ｔ３近傍で、水素ガスの供給流量が略零となるように、追加流量Δｑを設定する。

具体的には、まず、予備燃料の流量制御弁１５ｂの開度制御を開始した時点から、流量制御弁１５ｂの開度制御により増量された予備燃料の改質ガスが目標流量相当に達するまでの所要時間、すなわち、改質器１１での改質に伴う処理時間や、改質器１１から出力された改質ガスが燃料電池１２に入力されるまでの移動時間等を含んだ、時点ｔ０から時点ｔ３の応答時間Ｔを算出する。
ここで、予備燃料として、例えばＬＰＧガスを用いた場合、ＬＰＧガスの改質反応式は、次式（１）で表すことができる。
Ｃ₃Ｈ₈＋６Ｈ₂Ｏ→１０Ｈ₂＋３ＣＯ₂ ……（１）
したがって、単純に同モル量で計算すると、同一量の水素ガスを得るためには、ＬＰＧガスの容量に対して１０倍の容量の水素ガスが必要となる。

応答時間Ｔにおける改質ガスの不足量Ｅｑは、予備燃料増加量ΔＱ〔ｍ³／ｈ(normal)〕で予備燃料を投入したときの、応答時間あたりに投入された予備燃料から得られる改質ガス量に相当する。
このため、例えば、予備燃料増加量ΔＱ〔ｍ³／ｈ(normal)〕を“５〔ｍ³／ｈ(normal)〕”とすると、“５〔ｍ³／ｈ(normal)〕”で投入される予備燃料から得られる改質ガスと同一量の水素ガスを投入するためには、その１０倍の、５×１０〔ｍ³／ｈ(normal)〕で水素ガスを投入する必要がある。したがって、応答時間を例えば、１０秒とすると、１０秒間に投入される予備燃料から得られる改質ガスと同量の水素ガスを投入するためには、５×１０〔ｍ³／ｈ(normal)〕×１０秒＝約０．１４ｍ³（１４０Ｌ）の水素ガスが必要となる。
したがって、改質ガスの不足量Ｅｑを補うためには、約０．１４ｍ³（１４０Ｌ）の水素ガスを投入すればよいことになる。

したがって、顧客負荷２２の負荷量が閾値を超えて増加した時点から、応答時間の間の水素ガスの投入量の総和が、上述のようにして算出される改質ガスの不足量Ｅｑに相当する水素ガス容量Ｅｑ（Ｈ）（＝約０．１４ｍ³（１４０Ｌ））となるように、水素ガスの流量を設定し、且つ、図５（ｄ）に示すように実際に燃料電池１２に供給される水素ガスが、顧客負荷２２の負荷量が閾値を超えた時点から速やかに増加し、さらに増量された予備燃料の改質ガスの不足分を補うように水素ガスの流量を設定する。

例えば、増量された予備燃料の改質ガスが燃料電池１２に供給されるときの、改質ガスの変化特性と、水素ガスの流量制御弁１６ｂを制御したときの燃料電池１２に供給される水素ガスの変化特性とを予め検出しておき、この変化特性に基づき設定すればよい。また、追加流量Δｑや、改質ガスの不足量Ｅｑに相当する水素ガス容量Ｅｑ（Ｈ）等に基づき、水素ガスの増量時間を設定する。
そして、ステップＳ３６に移行し、水素ガスの追加流量Δｑと、前述の余剰流量ｑ１との和を目標流量ｑ（＝ｑ１＋Δｑ）とし、燃料電池１２に供給される水素ガスの流量が、目標流量ｑとなるように水素ガスの流量制御弁１６ｂの開度を制御する。

そして、前述の水素ガスの増量時間が経過し、改質ガスの不足量Ｅｑに相当する水素ガス容量Ｅｑ（Ｈ）相当の水素ガスの供給が終了したとき、ステップＳ３７からステップＳ３８に移行し、水素ガスの流量制御弁１６ｂの目標開度ｑを前述の余剰流量ｑ１に切り替え、目標開度ｑとなるように流量制御弁１６ｂを調節し、燃料電池１２への水素ガスの供給量を、余剰流量ｑ１相当に戻す。
これにより、燃料電池１２に供給される水素ガスの流量は、図５（ｄ）に示すように、給電負荷２２の負荷量が増加した後、余剰流量ｑ１相当から一時的に増加した後、余剰流量ｑ１に収束することになる。

したがって、図５のタイムチャートに示すように、時点ｔ０で顧客負荷２２の負荷量が閾値を超えて増加すると（図５（ａ））、この時点で、予備燃料の流量制御弁１４ｂが目標開度となるように制御を開始したとしても（図５（ｂ））、流量制御弁１４ｂの弁開度が実際に目標開度に達するまでには応答遅れがあり、また、増量された予備燃料を改質した改質ガスが燃料電池１２に実際に供給されるまでには時間がかかるため、燃料電池１２に実際に供給される改質ガスは、図５（ｃ）に示すように時点ｔ０から応答時間が経過した時点ｔ３で目標流量相当の流量となる。

このため、この予備燃料を改質した改質ガスのみを用いて燃料電池１２で電池発電を行った場合、燃料電池１２の発電電流は、図５（ｆ）に破線で示すように、時点ｔ３からさらに電池発電に要する所要時間が経過した時点ｔ４で、顧客負荷２２の負荷量に見合った発電電流に達することになる。
つまり、時点ｔ０から時点ｔ４間は、燃料電池１２の発電出力は、顧客負荷２２を含む電力負荷全体で必要とする電力量よりも少ないことになり、すなわち、この時点ｔ０〜ｔ４間は、燃料電池１２が燃料不足傾向となることになる。

しかしながら、図５（ｄ）に示すように、時点ｔ０で顧客負荷２２の負荷量が増加したとき、水素ガスを追加流量Δｑだけ増量投入しており、この追加流量Δｑは、図５（ｃ）に斜線で示すように、本来時点ｔ０から投入されるべき予備燃料の不足分相当である。このため、図５（ｅ）に示すように、燃料電池１２には図５（ｄ）に示す流量の水素ガスと図５（ｃ）に示す流量の改質ガスとの混合ガスが、時点ｔ０から供給されることになり、この混合ガスは、時点ｔ０から比較的速やかに増加し、時点ｔ１で目標とする予備燃料の目標流量に達する。このため、燃料電池１２の発電電流も、時点ｔ１から比較的速やかに増加し時点ｔ２で目標電流に達することになる。

したがって、水素ガスと改質ガスとの混合ガスを燃料電池１２への燃料ガスとして用いることにより、燃料電池１２に供給される燃料用ガスが目標流量に達する時点を予備燃料の改質ガスのみを燃料とした場合の時点ｔ３から、より早い時点ｔ１に早めることができ、これに伴い、燃料電池の発電電流が目標電流に達する時点を、予備燃料の改質ガスのみを燃料とした場合の時点ｔ４からより早い時点ｔ２に早めることができる。すなわち、燃料電池１２が燃料不足傾向となる期間を短縮することができる。

そして、このようにして、顧客負荷２２の負荷量の大きな変動に対し、燃料電池１２の発電電力の負荷追従性を向上させて顧客負荷２２の負荷量にみあった電力発電を行っている状態で、顧客負荷２２の負荷量が変動した場合には、コントローラ６では、顧客負荷２２の負荷の変動量が小さい場合には、予備燃料の制御は行わずに、ヒータ負荷３の負荷量を調整することで顧客負荷２２の負荷量の変動に対して追従する（図２のステップＳ１〜ステップＳ３、図３のステップＳ２１〜ステップＳ２３）。

また、この状態から、顧客負荷２２の負荷量が閾値を超えて低減された場合には、コントローラ６では、図２のステップＳ１からステップＳ２、ステップＳ１１を経てステップＳ１６に移行し、電流センサ１２ａの検出値を読み込み、燃料電池１２の発電電流に見合った目標流量Ｑを算出し（ステップＳ１７）、この目標流量Ｑとなるように予備燃料の流量制御を行う（ステップＳ１４）。これにより、燃料電池１２の発電電力と電力負荷とが平衡状態に収束することになる。

以上のように、顧客負荷２２が大きく変動した場合には、水素ガスを追加投入するようにしているため、増量された予備燃料の改質ガスが燃料電池１２に到達するまでの応答遅れを短縮することができ、その分、燃料電池１２が燃料不足傾向となる可能性のある期間を短縮することができる。
また、このとき、水素ガスの追加流量Δｑ１として、図５（ｃ）に斜線で示す、予備燃料の不足分に相当する不足量Ｅｑ相当に設定し、水素ガスを不足量Ｅｑ相当だけ導入するようにしているため、必要以上に水素ガスを導入することはない。このため、燃料電池１２に供給される燃料ガスが過多となり燃料電池１２本体の温度上昇等が生じ、燃料電池１２本体に影響を与えることを回避することができる。

また、水素貯蔵器１３に貯蔵された水素ガスを供給するようにしているため、供給可能な水素ガスには限りがある。しかしながら、必要量の水素ガスのみを導入しているため、水素貯蔵器１３の貯蔵量が零に達する時点をより遅らせることができる。
また、顧客負荷２２の負荷量の増加に伴い、予備燃料及び水素ガスを増量するだけでなく、ヒータ負荷３の負荷量を所定量だけ低減している。このため、顧客負荷２２の負荷量の増加に伴う発電電力の不足分を、予備燃料及び水素ガスのみにより補う場合に比較して、予備燃料及び水素ガスの流量増加分は少なくてすむ。したがって、顧客負荷２２の負荷量の増加により消費される予備燃料及び水素ガスの流量を削減することができ、ガスボンベ等に貯蔵される予備燃料や水素貯蔵器１３に貯蔵される水素ガスといった、限りある資源の使用量を低減することができ、その分、予備燃料や水素ガスの貯蔵量が零に達する時点を遅らせることができる。

また、真に必要な燃料ガス流量よりも安全を見込んで投入する余剰流量ｑ１相当の燃料として、予備燃料ではなく水素ガスを用いているため、その分、予備燃料の消費量を低減することができる。
また、顧客負荷２２の負荷量の変動が比較的小さい場合には、予備燃料の増量は行わず、ヒータ負荷３の負荷量を変更することで対応しているため、その分、予備燃料の消費を低減することができる。
特に、自立運転時には、予備燃料を用いて電池発電を行っているため、このように予備燃料の消費量を低減することは、自立運転が可能な時間を延長することになるため、効果的である。

なお、上記実施の形態においては、顧客負荷２２の負荷量の増加が大きいときには、ヒータ負荷３の負荷量を、ヒータ負荷担当分ΔＱｓだけ低減させ、ヒータ負荷３の負荷量の調整と水素ガスを追加投入することとの両方により、燃料電池１２の負荷追従特性を向上させるようにした場合について説明したが、水素ガスの追加投入のみにより対応するようにしてもよい。例えば、ヒータ負荷３の負荷量が限度に達し、必要分だけ低減することができない可能性がある場合等には、水素ガスの追加投入のみにより対応してもよい。

また、上記実施の形態においては、ヒータ負荷３の負荷量の調整と、水素ガスを余剰流量ｑ１相当投入することにより、顧客負荷２２の変動幅の比較的小さな変動に対して対応するようにしているが、余剰流量ｑ１の投入は行わず、ヒータ負荷３の負荷量の調整のみにより対応するようにしてもよい。このようにすることにより、その分、水素ガスの消費量を低減することができる。例えば、水素貯蔵器１３の貯蔵量が少ない場合などには、ヒータ負荷３の負荷量の調整のみにより対応することで、水素ガスの消費量が低減されるため、効果的である。

また、上記実施の形態においては、顧客負荷２２の変動幅の比較的小さな変動に対して、ヒータ負荷３の負荷量を調整することで対応しているが、補機負荷４や外部冷却器負荷５の負荷量を調整することが可能であるならば、ヒータ負荷３の負荷量と共に、これら補機負荷４や外部冷却器負荷５の負荷量を調整することにより対応する構成とすることも可能である。

ここで、上記実施の形態において、改質器１１が改質手段に対応し、水素貯蔵器１３が水素ガス貯蔵手段に対応し、コントローラ６が燃料制御手段に対応し、電力計２２ａが負荷量検出手段に対応している。
また、図２のステップＳ１２で、予備燃料増加量ΔＱを算出する処理が原燃料増流量演算手段に対応し、図４のステップＳ３５で、追加投入量Δｑを算出する処理が燃料不足量演算手段に対応している。
また、ヒータ負荷３が調整用負荷に対応し、図３のヒータ負荷制御処理が負荷量調整手段に対応している。

本発明を適用した燃料電池発電装置の一例を示す概略構成図である。 予備燃料制御の処理手順の一例を示すフローチャートである。 ヒータ負荷制御の処理手順の一例を示すフローチャートである。 水素ガス流量制御の処理手順の一例を示すフローチャートである。 顧客負荷が増加したときの各部の状況を示すタイムチャートである。

符号の説明

１ 電池部
２ インバータ
３ ヒータ負荷
４ 補機負荷
５ 外部冷却器負荷
６ コントローラ
１１ 改質器
１２ 燃料電池
１２ａ 電流センサ
１３ 水素貯蔵器
２１ 電力系統
２２ 給電負荷
２２ａ 電力計
１００ 燃料電池発電装置

Claims (8)

1. 供給される原燃料を水素リッチなガスに改質しこの改質ガスを燃料電池に供給する改質手段と、
   水素ガスが貯蔵される水素ガス貯蔵手段と、
   負荷で必要とする電力に見合った発電を行うように前記改質手段に供給する原燃料の流量を制御すると共に、前記水素ガスを前記燃料電池に供給する燃料制御手段と、を有し、
   前記燃料電池の発電電力のみにより前記負荷への供給電力を賄う自立運転を行う燃料電池発電装置において、
   前記負荷の負荷量を検出する負荷量検出手段と、
   前記負荷量検出手段の検出値に基づき前記負荷の負荷量が予め設定した閾値以上増加したことを検出したとき、前記負荷量の増加分相当だけ前記燃料電池の発電出力を増加させるために必要な前記原燃料の流量を演算する原燃料増流量演算手段と、
   前記燃料電池に実際に供給される前記改質ガスの流量が、前記原燃料増流量演算手段で演算された原燃料増流量だけ増量された原燃料相当の改質ガス流量に達するまでの間の、前記燃料電池に実際に供給される改質ガスの流量と前記増量された原燃料相当の改質ガス流量との差分の積分値に相当する燃料不足量を演算する燃料不足量演算手段と、を備え、
   前記燃料制御手段は、
   前記負荷量検出手段の検出値に基づき前記負荷の負荷量が前記閾値以上増加したことを検出したとき、前記原燃料増流量演算手段で演算された前記原燃料増流量相当だけ前記改質手段に供給する原燃料の流量を増量すると共に、前記燃料電池に供給する前記水素ガスの流量を前記燃料不足量相当だけ一時的に増量することを特徴とする燃料電池発電装置。
2. 前記燃料不足量演算手段は、前記原燃料増流量と、前記原燃料の増量が開始された時点から増量された原燃料相当の改質ガスが前記燃料電池に達するまでの予測される所要時間と、前記燃料電池での燃料電池発電における前記原燃料及び前記水素ガス中の水素使用量の比と、に基づき前記燃料不足量を推測することを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。
3. 負荷量を調整可能な調整用負荷と、
   前記負荷量検出手段で検出される前記負荷量と前記調整用負荷の負荷量との和が一定となるように前記調整用負荷の負荷量を調整する負荷量調整手段と、を備え、
   前記原燃料増流量演算手段は、前記負荷の負荷量が予め設定した閾値以上増加したときには前記負荷量の増加量から前記負荷量調整手段による前記調整用負荷の調整量を減算した差分相当だけ前記燃料電池の発電出力を増加させるために必要な前記原燃料の流量を演算し、
   前記燃料制御手段は、前記負荷の負荷量の変動量が前記閾値よりも小さいときには、前記原燃料及び前記水素ガスの流量を保持することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池発電装置。
4. 前記燃料電池に対し、前記負荷で必要とする電力に見合った流量と予め設定した余裕代との和相当の燃料を供給する燃料電池発電装置であって、
   前記燃料制御手段は、前記負荷で必要とする電力に見合った流量の前記原燃料を前記改質手段に供給し、且つ前記余裕代相当の前記水素ガスを前記燃料電池に供給することを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載の燃料電池発電装置。
5. 電力系統と連系して前記負荷に電力供給を行う連系運転を行い、且つ連系運転時には都市ガスを前記原燃料として用いる燃料電池発電装置であって、
   前記連系運転時の予め設定した期間に、前記改質手段で改質された改質ガスを、前記水素ガスとして前記水素ガス貯蔵手段に補充することを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１項に記載の燃料電池発電装置。
6. 前記水素ガス貯蔵手段は、水素ガスを貯蔵する水素ガス貯蔵機能及び水素ガスを生成する水素ガス生成機能の少なくとも何れか一方を有することを特徴とする請求項１から請求項５の何れか１項に記載の燃料電池発電装置。
7. 前記水素ガス貯蔵手段は、前記水素ガス生成機能を有し、前記燃料電池の発電過程で生成される燃料電池生成水と、酸化卑金属との化学反応により前記水素ガスを生成することを特徴とする請求項６記載の燃料電池発電装置。
8. 供給される原燃料を水素リッチなガスに改質しこの改質ガスを燃料電池に供給する改質手段と、
   水素ガスが貯蔵される水素ガス貯蔵手段と、を備え、
   負荷で必要とする電力に見合った電力発電を行うように前記改質手段に供給する原燃料の流量を制御すると共に、前記水素ガスを前記燃料電池に供給して、燃料電池の発電電力のみにより前記負荷への供給電力を賄う自立運転を行う燃料電池発電装置の制御方法において、
   前記負荷の負荷量が予め設定した閾値以上増加したときには、前記負荷量の増加分相当だけ前記燃料電池の発電出力を増加させるように前記改質手段に供給する前記原燃料の流量を増量し、且つ、前記燃料電池に実際に供給される前記改質ガスの流量が、前記原燃料増流量演算手段で演算された原燃料増流量だけ増量された原燃料相当の改質ガス流量に達するまでの間の、前記燃料電池に実際に供給される改質ガスの流量と前記増量された原燃料相当の改質ガス流量との差分の積分値に相当する燃料不足量相当だけ、前記燃料電池に供給する水素ガスの流量を一時的に増加することを特徴とする燃料電池発電装置の制御方法。

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