JP2010073504A - 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】燃料電池の燃料極から排出されるガスを利用して改質器の加熱を行いつつ、インバータの機能を停止させることによりインバータを過電流から保護することができるようにする。
【解決手段】変換制御部２４０は、電流検出部の検出値が基準値を超えた場合に、インバータ回路の変換動作を第１の時間の間停止させる。燃焼制御部３００は、インバータ回路の変換動作が停止している間、電流検出部の検出値の代わりに、定常状態における電流量を示す定常値を用いて、改質器の燃焼部に供給する空気量を制御する。燃焼制御部３００は、例えば第１の時間より長い第２の時間前の検出値を、上記した定常値と定める。
【選択図】図３

Description

本発明は、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。

燃料電池を用いて発電を行う燃料電池発電装置は、例えば特許文献１及び２に記載するように、改質器を有している。改質器は、触媒を用いて、原燃料ガスの水素ガス含有率を上昇させた改質ガスを生成する処理を行う。触媒が改質反応を起こすためには、触媒をバーナーなどの燃焼部で加熱する必要がある。

燃料電池は、燃料極に供給された改質ガスと空気極に供給された空気を用いて発電を行うが、改質ガスに含まれる可燃成分のすべてが燃料電池で反応するわけではない。そこで、例えば特許文献１に記載するように、燃料電池の燃料極から回収されたガスであるオフガスをバーナー等の燃焼部で燃焼させることにより、改質器の触媒を加熱することがある。

特許文献１において、燃焼部にはオフガスの他に空気が供給されている。燃焼部に供給される空気の量Ｑ_Ｒは、以下の（１）式に従って制御されている。
Ｑ_Ｒ＝Ｆ_１×Ｋ_１−Ｉ×Ｋ_２×Ｋ_１・・・（１）
ただし、Ｆ_１：原燃料ガスの流量、Ｋ_１：単位量の原燃料ガスを燃焼させるために必要な空気の流量、Ｉ：燃料電池の発電電流量、Ｋ_２：単位量の電流を発電するために必要な改質ガスの流量である。

一方、燃料電池は直流電源であるため、燃料電池発電装置は、燃料電池からの直流電力を交流電力に変換するインバータを有している。このインバータには、インバータを構成する素子を過電流から保護するための過電流保護機能を設ける必要がある。インバータの過電流保護機能としては、例えば特許文献３に記載の機能がある。この機能は、過電流が流れた場合にインバータの機能を停止させるものである。
特開平６−３３３５８７号公報 特開２００５−２０３１４５号公報 特開平０７−３０８０７４号公報

特許文献１に記載の燃料電池発電装置に特許文献３に記載の過電流保護機能を適用した場合、インバータの機能が停止している間は燃料電池から出力される電流量が０になるため、改質器の加熱部に供給される空気量が急増し、改質器の温度が低下してしまう。このため、特許文献１に記載の燃料電池発電装置に特許文献３に記載の過電流保護機能を適用するのみでは、燃料極から排出されるガスを利用して改質器の加熱を行いつつ、インバータの機能を停止させることによりインバータを過電流から保護することはできなかった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池の燃料極から排出されるガスを利用して改質器の加熱を行いつつ、インバータの機能を停止させることによりインバータを過電流から保護することができる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にある。

本発明によれば、原燃料ガスを改質して改質ガスを生成する反応室を有する改質器と、
燃料極に前記改質ガスが供給され、前記改質ガスを用いて直流電力を発電する燃料電池と、
制御信号が入力されることにより、前記燃料電池が発電した直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、
前記制御信号を前記インバータ回路に入力する変換制御部と、
前記原燃料ガスの流量又は前記改質ガスの流量の一方を検出するガス流量検出部と、
前記インバータ回路又は前記燃料電池の出力電流量を検出する電流検出部と、
前記燃料電池の前記燃料極から回収されたガスであるオフガスを空気で燃焼させることにより、前記反応室を加熱する燃焼部と、
前記ガス流量検出部の検出値と前記電流検出部の検出値を用いて前記燃焼部に供給する空気量を制御する燃焼制御部と、
を備え、
前記変換制御部は、前記電流検出部の検出値が基準値を超えた場合に、前記インバータ回路の変換動作を第１の時間の間停止させ、
前記燃焼制御部は、前記インバータ回路の変換動作が停止している間、前記電流検出部の検出値の代わりに、定常状態における前記出力電流量を示す定常値を用いて前記空気量を制御する燃料電池発電装置が提供される。

本発明によれば、燃料電池発電装置の制御方法であって、
前記燃料電池発電装置は、
原燃料ガスを改質して改質ガスを生成する反応室を有する改質器と、
燃料極に前記改質ガスが供給され、前記改質ガスを用いて直流電力を発電する燃料電池と、
制御信号が入力されることにより、前記燃料電池が発電した直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、
前記制御信号を前記インバータ回路に入力する変換制御部と、
前記原燃料ガスの流量又は前記改質ガスの流量の一方を検出するガス流量検出部と、
前記インバータ回路又は前記燃料電池の出力電流量を検出する電流検出部と、
前記燃料電池の前記燃料極から回収されたガスであるオフガスを空気で燃焼させることにより、前記反応室を加熱する燃焼部と、
前記ガス流量検出部の検出値と前記電流検出部の検出値を用いて前記燃焼部に供給する空気量を制御する燃焼制御部と、
を備え、
前記電流検出部の検出値が基準値を超えた場合に、前記変換制御部が前記インバータ回路の変換動作を第１の時間の間停止させ、
前記インバータ回路の変換動作が停止している間、前記燃焼制御部が、前記電流検出部の検出値の代わりに、定常状態における前記出力電流量を示す定常値を用いて前記空気量を制御する燃料電池発電装置の制御方法が提供される。

本発明によれば、燃料電池の燃料極から排出されるガスを利用して改質器の加熱を行いつつ、インバータの機能を停止させることによりインバータを過電流から保護することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

図１は、本実施の形態における燃料電池発電装置の構成を示すブロック図である。この燃料電池発電装置は、改質器１００、燃料電池１２０、インバータ２００、ガス流量検出部１１２，１３２、電流検出部１６０、及び燃焼制御部３００を有している。改質器１００は、配管１１０を介して供給された原燃料ガスを改質して改質ガスを生成する反応室を有している。反応室は改質反応の触媒を有しており、燃焼部１０２によって加熱される。

燃料電池１２０は燃料極及び空気極を有している。燃料極には、配管１３０を介して改質器から改質ガスが供給され、空気極には、配管１５０を介して反応空気供給装置１４０から空気が供給される。燃料電池１２０は、改質ガスと空気を反応させることにより直流電力を発電する。燃料電池１２０は、自立運転における定常運転時には、発電した電力の電圧が一定値となるように制御されている。

インバータ２００はインバータ回路及びインバータ回路を制御する変換制御部を有している。インバータ回路は、制御信号が入力されることにより、燃料電池が発電した直流電力を交流電力に変換する。変換制御部は、制御信号をインバータ回路に入力する。インバータ２００が出力した交流電力は、電磁的に開閉する接点スイッチ４００を介して電気負荷に供給される。接点スイッチ４００は、電流が流れなくなってから一定時間の間（例えば１０ミリ秒）は、閉じた状態を維持する。

燃焼部１０２には、燃料電池１２０の燃料極から回収されたガスであるオフガスが配管１７０を介して供給され、かつ配管１９０を介して燃焼空気供給装置１８０から空気が供給される。オフガスには、燃料電池１２０で反応しなかった水素等の可燃成分が含まれている。燃焼部１０２は、オフガスを燃焼させることにより、改質器１００の反応室を加熱する。

ガス流量検出部１１２は、配管１１０における原燃料ガスの流量を検出し、ガス流量検出部１３２は、配管１３０における改質ガスの流量を検出する。電流検出部１６０は、燃料電池で発電された直流電流量（出力電流量）を検出する。これらの検出値は燃焼制御部３００に出力される。

燃焼制御部３００は、ガス流量検出部１１２，１３２のいずれか一方の検出値Ｆ_１と、電流検出部１６０の検出値Ｉ（又はインバータ２００内のインバータ回路の出力電流量を示す検出値）を用いて燃焼空気供給装置１８０を制御することにより、燃焼部１０２に供給する空気量Ｑ_Ｒを制御する。具体的には、燃焼部１０２に供給される空気量Ｑ_Ｒは、以下の（２）式に従って制御されている。
Ｑ_Ｒ＝Ｆ_１×Ｋ_１−Ｉ×Ｋ_２×Ｋ_１・・・（２）
ただし、Ｋ_１：単位量の原燃料ガス又は改質ガスを燃焼させるために必要な空気の流量、Ｋ_２：単位量の電流を発電するために必要な改質ガスの流量である。Ｋ_１は、例えば原燃料ガス又は改質ガスの組成から定められる定数であり、Ｋ_２は、例えば実測により定められる定数である。なお、Ｋ_１も実測により定めても良い。

また燃焼制御部３００は、電流検出部１６０による過去の検出値を電流値記憶部３２０に記憶させる。たとえば燃焼制御部３００は、一定期間前（たとえば１時間前）までの電流検出部１６０の検出値を、一定時間ごと（例えば１ｍｓごと）に、検出時刻に対応付けて電流値記憶部３２０に記憶させる。

図２は、インバータ２００の構成を示すブロック図である。インバータ２００は、インバータ回路２１０、電圧検出部２２０、電流検出部２３０、及び変換制御部２４０を有している。インバータ回路２１０は、入力された制御信号に従って、燃料電池１２０が発電した直流電力を交流電力に変換する。電圧検出部２２０はインバータ回路２１０から出力された交流電力の電圧を検出し、電流検出部２３０はインバータ回路２１０から出力された交流電力の電流量を検出する。これらの検出値は変換制御部２４０に出力される。変換制御部２４０は、交流電力の周波数及び電圧が所定の値になるように、インバータ回路２１０の制御信号を生成し、生成した制御信号をインバータ回路２１０に入力する。

また変換制御部２４０は、インバータ回路２１０が出力する電流量が基準値を超えた場合、インバータ回路２１０に過電流が流れたと判断し、インバータ回路２１０を過電流から保護するために、インバータ回路２１０に対する制御信号の入力を第１の時間の間、一時的に停止する。これによりインバータ回路２１０からは交流電力が第１の時間の間出力されない。第１の時間は、予め定められた一定値であり、例えば図１に示した接点スイッチ４００が閉じた状態を維持できる時間より短い時間（例えば１ミリ秒）に設定されている。ここでインバータ回路２１０が出力する電流量は、例えば電流検出部２３０の検出値であるが、電流検出部１６０の検出値であっても良い。

上記したように燃料電池１２０は、自立運転における定常運転時には、発電した電力の電圧が一定値となるように制御されている。このため、インバータ回路２１０から交流電力が出力されない場合、すなわちインバータ回路２１０に対する制御信号の入力が停止している間、燃料電池１２０から出力される電流量は略０になる。

この間も、図１に示した燃焼制御部３００は上記した（２）式に従った制御を行っている。燃料電池１２０から出力される電流量が０になると、そのままでは燃焼部１０２に供給される空気量Ｑ_Ｒは非常に多くなる。一方、燃料電池１２０から出力される電流量が０になると、オフガスに含まれる可燃成分の量は増加するが、可燃成分が増加したオフガスが燃焼部１０２に到達するまでには時間を要する。このため、燃焼部１０２においてオフガスに含まれる可燃成分の量に対して空気量Ｑ_Ｒが過剰になり、その結果、改質器１００の反応室の温度が低下してしまう。改質器１００の反応室の温度が低下すると改質率が低下してしまう。

これに対して本実施形態では、燃焼制御部３００は、インバータ回路２１０に対する制御信号の入力が一時的に停止している間、電流検出部１６０の検出値の代わりに、定常状態における電流量を示す定常値を用いて空気量Ｑ_Ｒを制御する。このため、インバータ回路２１０に対する制御信号の入力が一時的に停止している間においても、空気量Ｑ_Ｒは増加しないため、改質器１００の反応室の温度が低下することを防止できる。

燃焼制御部３００は、例えば図１に示した電流値記憶部３２０に記憶されている電流検出部１６０の過去の検出値を用いて、定常状態における電流量を示す定常値を定める。例えば燃焼制御部３００は、インバータ回路２１０への制御信号の入力が停止している時間である第１の時間より長い第２の時間前の検出値を、上記した定常値として用いることができる。

なお変換制御部２４０は、インバータ回路２１０に対する制御信号の入力を一時的に停止していることを示す停止信号を燃焼制御部３００に出力する。燃焼制御部３００は、停止信号を受信することにより、インバータ回路２１０に対する制御信号の入力が一時的に停止していることを把握できる。

図３は、変換制御部２４０及び燃焼制御部３００が行う制御を説明するフローチャートである。まず変換制御部２４０は、燃料電池発電装置が自立運転を行っている間、自立運転用の制御を行う。具体的には、変換制御部２４０は、インバータ回路２１０から出力される交流電力の周波数及び電圧が所定の値になるように、インバータ回路２１０の制御信号を生成し、生成した制御信号をインバータ回路２１０に入力する（Ｓ１０）。

この間、燃焼制御部３００は、ガス流量検出部１１２の検出値すなわち原燃料ガスの流量Ｆ_１と、電流検出部１６０の検出値Ｉを用いて、上記した（２）式に従った制御を行い、燃焼部１０２に供給する燃焼空気の空気量Ｑ_Ｒを制御する（Ｓ１００）。

また自立運転が行われている間、変換制御部２４０はインバータ回路２１０から出力される交流電力の電流量を監視し、この電流量が基準値を超えたか否か、すなわちインバータ回路２１０に過電流が流れたか否かを判断する（Ｓ２０）。

インバータ回路２１０に過電流が流れた場合（Ｓ２０：Ｙｅｓ）、変換制御部２４０は、インバータ回路２１０に対する制御信号の入力を一時的に停止し（Ｓ３０）、かつ停止信号を燃焼制御部３００に出力する（Ｓ４０）。

燃焼制御部３００は、停止信号が入力されると、第１の時間の間、電流値記憶部３２０から第２の時間前の電流検出部１６０の検出値Ｉを読み出す。そして燃焼制御部３００は、第１の時間の間、現在の電流検出部１６０の検出値Ｉの代わりに読み出した検出値Ｉを用いることにより、上記した（２）式に従って空気量Ｑ_Ｒを制御する（Ｓ１１０）。なおこの処理において燃焼制御部３００は、予め定められた定数Ｉ_ｃを現在の電流検出部１６０の検出値Ｉの代わりに用いても良い。この定数Ｉ_ｃは、定常状態における燃料電池１２０の出力電流量を示す値である。

また変換制御部２４０は、第１の時間が経過した後、リセット処理として、インバータ回路２１０に対する制御信号の入力を再開する（Ｓ５０）。これにより、インバータ回路２１０は交流電力の出力を再開する。ただし、変換制御部２４０は、インバータ回路２１０に過電流が再び流れることを防止するために、定格電圧より低い電圧であるリスタート電圧でインバータ回路２１０から交流電力を出力させる（Ｓ６０）。

変換制御部２４０は、交流電力の出力を開始したときに、インバータ回路２１０から出力される交流電力の電流量が基準値を超えたか否か、すなわちインバータ回路２１０に過電流が流れたか否かを判断する（Ｓ７０）。過電流が発生した場合（Ｓ７０：Ｙｅｓ）、変換制御部２４０は、制御信号の出力を停止し（Ｓ３０）、Ｓ４０〜Ｓ７０に示した処理を、過電流が発生しなくなるまで繰り返し行う。

変換制御部２４０は、交流電力の出力を開始したときに過電流が発生しない場合（Ｓ７０：Ｎｏ）、インバータリトライ制御を行い（Ｓ８０）、その後、自立運転用の制御を行う（Ｓ１０）。インバータリトライ制御において、変換制御部２４０は、交流電力の出力電圧を所定の速度で、自立運転における定格電圧まで増加させる。

図４は、図３のＳ３０〜Ｓ８０に示した制御の一例を具体的に示すタイミングチャートである。本図に示す例において、時間ｔ_１までは燃料電池発電装置は定常状態で自立運転を行っている。そして時間ｔ_１において過電流が発生すると、変換制御部２４０は時間ｔ_２まで制御信号の出力を停止する。時間ｔ_１〜ｔ_２の間、インバータ回路２１０は停止し、インバータ回路２１０からの出力電流及び出力電圧は０になる。

そして時間ｔ_２において、変換制御部２４０はリセット処理を行い、インバータ回路２１０に対する制御信号の入力を再開する。これにより、インバータ回路２１０は交流電力の出力を再開する。このときのインバータ回路２１０からの出力電圧は、定格電圧に対して６０％の値を有している。本図に示す例において、時間ｔ_２における交流電力の出力電流量は過電流の基準値超となっている。このため、変換制御部２４０は再び制御信号の出力を停止する。そして過電流が発生しなくなるまで同じ処理を繰り返す。

本図に示す例では、時間ｔ_３においてリセット処理時の電流量が過電流の基準値未満となっている。そして時間ｔ_３〜ｔ_４までの間、変換制御部２４０は、インバータリトライ制御を行い、交流電力の出力電圧を所定の速度で、自立運転における定格電圧まで増加させる。

次に、本発明の作用効果について説明する。本実施形態において、インバータ回路２１０に過電流が流れた場合、変換制御部２４０は、インバータ回路２１０に対する制御信号の入力を一時的に停止する。これにより、インバータ回路２１０からの出力は略０になり、インバータ回路２１０は過電流から保護される。一方、燃焼制御部３００は、上記した（２）式に従って改質器１００の燃焼部１０２に供給する空気量Ｑ_Ｒを制御しているが、インバータ回路２１０に対する制御信号の入力が停止している間は、電流検出部１６０の検出値の代わりに、定常状態における電流量を示す定常値を用いる。このため、インバータ回路２１０に対する制御信号の入力が停止している間に、空気量Ｑ_Ｒの流量が増加して燃焼部１０２の温度が低下し、改質器１００の反応室の温度が低下することを防止できる。

従って、燃料電池の燃料極から排出されるオフガスを利用して改質器１００の加熱を行いつつ、インバータ回路２１０の機能を停止させることによりインバータ回路２１０を過電流から保護することができる。

また電流値記憶部３２０には、電流検出部１６０の過去の検出値が記憶されており、燃焼制御部３００は電流値記憶部３２０に記憶されている検出値を用いて定常値を定めている。このため、燃焼制御部３００は、定常値として適切な値を設定することができる。とくに燃焼制御部３００が、インバータ回路２１０が停止する時間より長い時間前の検出値を定常値として定めた場合、設定した定常値が適切な値から外れる可能性は低くなる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

本実施の形態における燃料電池発電装置の構成を示すブロック図である。 インバータの構成を示すブロック図である。 変換制御部及び燃焼制御部が行う制御を説明するフローチャートである。 図３に示した制御の一例を具体的に示すタイミングチャートである。

符号の説明

１００ 改質器
１０２ 燃焼部
１１０ 配管
１１２ ガス量検出部
１２０ 燃料電池
１３０ 配管
１３２ ガス流量検出部
１４０ 反応空気供給装置
１５０ 配管
１６０ 電流検出部
１７０ 配管
１８０ 燃焼空気供給装置
１９０ 配管
２００ インバータ
２１０ インバータ回路
２２０ 電圧検出部
２３０ 電流検出部
２４０ 変換制御部
３００ 燃焼制御部
３２０ 電流値記憶部
４００ 接点スイッチ

Claims (4)

1. 原燃料ガスを改質して改質ガスを生成する反応室を有する改質器と、
   燃料極に前記改質ガスが供給され、前記改質ガスを用いて直流電力を発電する燃料電池と、
   制御信号が入力されることにより、前記燃料電池が発電した直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、
   前記制御信号を前記インバータ回路に入力する変換制御部と、
   前記原燃料ガスの流量又は前記改質ガスの流量の一方を検出するガス流量検出部と、
   前記インバータ回路又は前記燃料電池の出力電流量を検出する電流検出部と、
   前記燃料電池の前記燃料極から回収されたガスであるオフガスを空気で燃焼させることにより、前記反応室を加熱する燃焼部と、
   前記ガス流量検出部の検出値と前記電流検出部の検出値を用いて前記燃焼部に供給する空気量を制御する燃焼制御部と、
   を備え、
   前記変換制御部は、前記電流検出部の検出値が基準値を超えた場合に、前記インバータ回路の変換動作を第１の時間の間停止させ、
   前記燃焼制御部は、前記インバータ回路の変換動作が停止している間、前記電流検出部の検出値の代わりに、定常状態における前記出力電流量を示す定常値を用いて前記空気量を制御する燃料電池発電装置。
2. 請求項１に記載の燃料電池発電装置において、
   前記電流検出部の過去の検出値を記憶する電流値記憶部を備え、
   前記燃焼制御部は、前記電流値記憶部に記憶されている前記検出値を用いて前記定常値を定める燃料電池発電装置。
3. 請求項２に記載の燃料電池発電装置において、
   前記電流値記憶部は、前記第１の時間より長い第２の時間前の前記検出値を記憶しており、前記第２の時間前の検出値を前記定常値と定める燃料電池発電装置。
4. 燃料電池発電装置の制御方法であって、
   前記燃料電池発電装置は、
   原燃料ガスを改質して改質ガスを生成する反応室を有する改質器と、
   燃料極に前記改質ガスが供給され、前記改質ガスを用いて直流電力を発電する燃料電池と、
   制御信号が入力されることにより、前記燃料電池が発電した直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、
   前記制御信号を前記インバータ回路に入力する変換制御部と、
   前記原燃料ガスの流量又は前記改質ガスの流量の一方を検出するガス流量検出部と、
   前記インバータ回路又は前記燃料電池の出力電流量を検出する電流検出部と、
   前記燃料電池の前記燃料極から回収されたガスであるオフガスを空気で燃焼させることにより、前記反応室を加熱する燃焼部と、
   前記ガス流量検出部の検出値と前記電流検出部の検出値を用いて前記燃焼部に供給する空気量を制御する燃焼制御部と、
   を備え、
   前記電流検出部の検出値が基準値を超えた場合に、前記変換制御部が前記インバータ回路の変換動作を第１の時間の間停止させ、
   前記インバータ回路の変換動作が停止している間、前記燃焼制御部が、前記電流検出部の検出値の代わりに、定常状態における前記出力電流量を示す定常値を用いて前記空気量を制御する燃料電池発電装置の制御方法。

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