JP2011009099A - 燃料電池発電装置の制御方法及び燃料電池発電装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】自立運転時に顧客負荷が変動した場合であっても、燃料電池の発電出力を有効に利用しつつ、安定した発電を行なう。
【解決手段】自立運転中(ステップS1)、温度センサ106aで検出されるパッケージ内温度が規定温度以下であるときには(ステップS2)、凍結防止ヒータ110を負荷量合計値調整用の負荷として用い、凍結防止としての用途と兼ねて作動させる。逆に、パッケージ内温度が規定温度を上回るときには、凍結防止ヒータ110に代えて水蒸気分離器ヒータ35を負荷量合計値調整用の負荷として作動させ(ステップS4)、燃料電池1の出力電流が許容範囲内に収まるように監視しつつ、内部負荷3及び顧客負荷12の負荷量の合計値が出力目標値Wsumとなるように凍結防止ヒータ110又は水蒸気分離器ヒータ35の負荷量を調整する。
【選択図】 図5
【解決手段】自立運転中(ステップS1)、温度センサ106aで検出されるパッケージ内温度が規定温度以下であるときには(ステップS2)、凍結防止ヒータ110を負荷量合計値調整用の負荷として用い、凍結防止としての用途と兼ねて作動させる。逆に、パッケージ内温度が規定温度を上回るときには、凍結防止ヒータ110に代えて水蒸気分離器ヒータ35を負荷量合計値調整用の負荷として作動させ(ステップS4)、燃料電池1の出力電流が許容範囲内に収まるように監視しつつ、内部負荷3及び顧客負荷12の負荷量の合計値が出力目標値Wsumとなるように凍結防止ヒータ110又は水蒸気分離器ヒータ35の負荷量を調整する。
【選択図】 図5
Description
本発明は、自立運転時に、負荷と調整用負荷との負荷量の合計が所定値となるように調整用負荷の負荷量を調整するようにした燃料電池発電装置の制御方法及び燃料電池発電装置に関する。
従来、電力系統と燃料電池発電装置とで連系して、電力供給を行うべき負荷に対して電力供給を行うようにした燃料電池発電装置が提案されている。
この燃料電池発電装置においては、連系運転時には、燃料電池発電装置の発電出力を負荷に供給し、負荷への供給電力が不足する場合には電力系統から不足分を獲得してこれを供給し、逆に余剰分は電力系統に供給することで、負荷に対して過不足のない給電を行っている。
この燃料電池発電装置においては、連系運転時には、燃料電池発電装置の発電出力を負荷に供給し、負荷への供給電力が不足する場合には電力系統から不足分を獲得してこれを供給し、逆に余剰分は電力系統に供給することで、負荷に対して過不足のない給電を行っている。
また、電力系統から燃料電池発電装置及び負荷を解列して切り離し、燃料電池発電装置の発電出力により負荷への供給電力を賄う自立運転時には、負荷と、燃料電池発電装置の発電出力により電力供給が行なわれる内部補機負荷との負荷量の合計が所定値となるように、内部補機負荷のうち、可変負荷の負荷量を調整することで、負荷に負荷変動が生じた場合であっても、負荷に対して過不足なく給電を行なうと共に、負荷変動に伴う燃料電池発電装置の発電電圧の変動を抑制するようにしている。そして、前記可変負荷としては、例えば、燃料電池発電装置内の水蒸気分離器の冷却水昇温用ヒータ(以下、水蒸気分離器ヒータという)等が用いられている((例えば、特許文献1参照)。
一方、従来から、例えば、燃料電池本体で発生する熱を冷却するための冷却水循環経路での冷却水の凍結の防止や、水温が低い場合や氷点下以下では使用することのできない機器が使用不可となることを回避するために、凍結防止ヒータを用いる方法が知られている。
また、パッケージに吸気孔及び排気孔を設けると共にファンを設け、ファンによりパッケージ内の空気を外部に放出すると共に、パッケージの内側に面状ヒータを設けることにより凍結防止を図る方法(例えば、特許文献2参照)、或いは、パッケージに開閉蓋を有する窓を設け、温度センサの検出値に応じて開閉蓋の開閉制御とヒータへの通電制御とを行なうことにより凍結防止を図る方法(例えば、特許文献3参照)、さらに、パッケージの最下面全面に凍結防止用ヒータを設け、運転待機中又は停止状態であり、且つ外気温度が閾値以下であるときに、凍結防止用ヒータ及び換気用ファンを作動させることにより、凍結防止を図る方法(例えば、特許文献4参照)、等が提案されている。
また、パッケージに吸気孔及び排気孔を設けると共にファンを設け、ファンによりパッケージ内の空気を外部に放出すると共に、パッケージの内側に面状ヒータを設けることにより凍結防止を図る方法(例えば、特許文献2参照)、或いは、パッケージに開閉蓋を有する窓を設け、温度センサの検出値に応じて開閉蓋の開閉制御とヒータへの通電制御とを行なうことにより凍結防止を図る方法(例えば、特許文献3参照)、さらに、パッケージの最下面全面に凍結防止用ヒータを設け、運転待機中又は停止状態であり、且つ外気温度が閾値以下であるときに、凍結防止用ヒータ及び換気用ファンを作動させることにより、凍結防止を図る方法(例えば、特許文献4参照)、等が提案されている。
ところで、水蒸気分離器ヒータを負荷量調整用の負荷として用いた場合、負荷量調整を行なう必要があるときには、冷却水の昇温を行なう必要がない場合であっても水蒸気分離器ヒータは作動されることになる。
冷却水の昇温を行なう必要がない状態で水蒸気分離器ヒータを作動させた場合、水蒸気分離器ヒータに供給される燃料電池の発電出力は、負荷量調整のために用いられてはいるものの、水蒸気分離器ヒータの負荷量を変更すると燃料電池本体の出力特性を変化させてしまう可能性があることから、水蒸気分離器ヒータを負荷量調整用の負荷として用いることは、燃料電池の発電出力の有効利用という観点からすれば、必ずしも有効利用されているとはいえない。
冷却水の昇温を行なう必要がない状態で水蒸気分離器ヒータを作動させた場合、水蒸気分離器ヒータに供給される燃料電池の発電出力は、負荷量調整のために用いられてはいるものの、水蒸気分離器ヒータの負荷量を変更すると燃料電池本体の出力特性を変化させてしまう可能性があることから、水蒸気分離器ヒータを負荷量調整用の負荷として用いることは、燃料電池の発電出力の有効利用という観点からすれば、必ずしも有効利用されているとはいえない。
また、上述のように、燃料電池発電装置のパッケージには、凍結防止ヒータが設けられており、温度環境に応じて適宜作動されるが、水蒸気分離器ヒータと凍結防止ヒータとは独立して制御される。
このため、凍結防止を目的として凍結防止ヒータを作動させる必要のある状況であり且つ負荷量調整を行なう必要のある状況となった場合、凍結防止ヒータ及び水蒸気分離器ヒータ共に作動させることになる。しかしながら、凍結防止ヒータを作動させることによっても負荷量を調整することができるため、あえて水蒸気分離器ヒータを負荷量調整用の負荷として作動させなくてもよいにも関わらず、単に負荷量調整のためだけに水蒸気分離器ヒータを作動させることになって、この場合も、燃料電池の発電出力が有効利用されているとは必ずしもいえない。
このため、凍結防止を目的として凍結防止ヒータを作動させる必要のある状況であり且つ負荷量調整を行なう必要のある状況となった場合、凍結防止ヒータ及び水蒸気分離器ヒータ共に作動させることになる。しかしながら、凍結防止ヒータを作動させることによっても負荷量を調整することができるため、あえて水蒸気分離器ヒータを負荷量調整用の負荷として作動させなくてもよいにも関わらず、単に負荷量調整のためだけに水蒸気分離器ヒータを作動させることになって、この場合も、燃料電池の発電出力が有効利用されているとは必ずしもいえない。
そこで、この発明は、上記従来の未解決の問題点に着目してなされたものであり、自立運転時に、電力供給を行なうべき負荷の負荷量が変動した場合であっても、燃料電池の発電出力を有効に利用しつつ、安定した発電を行なうことの可能な燃料電池発電装置の制御方法及び燃料電池発電装置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、系統電源とは独立に燃料電池から負荷に電力供給を行なう自立運転中は、前記負荷と調整用負荷との負荷量合計値が所定値となるように前記調整用負荷の負荷量を調整するようにした燃料電池発電装置の制御方法であって、前記調整用負荷として、構成機器が収納されるパッケージ内の温度を調整するためのパッケージ温度調整用ヒータを用いることを特徴としている。
また、本発明の請求項2に係る発明は、系統電源とは独立に燃料電池から負荷に電力供給を行なう自立運転中は、前記負荷と調整用負荷との負荷量合計値が所定値となるように前記調整用負荷の負荷量を調整するようにした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、燃料電池本体と、該燃料電池本体に冷却水を供給する水蒸気分離器と、該水蒸気分離器の温度を調整するための水蒸気分離器ヒータと、構成機器が収納されるパッケージ内の温度を調整するためのパッケージ温度調整用ヒータと、前記パッケージ内の温度を検出する温度センサと、を備え、前記温度センサで検出されるパッケージ内温度が、予め設定した規定温度以下のときに、前記調整用負荷として前記パッケージ温度調整用ヒータを用い、前記パッケージ内温度が前記規定温度を上回るときには前記調整用負荷として前記水蒸気分離器ヒータを用いることを特徴としている。
また、請求項3に係る発明は、前記パッケージ温度調整用ヒータの負荷量を調整する処理は、前記燃料電池本体の発電電力の出力特性が、予め設定した出力特性の許容範囲に収まるように前記パッケージ温度調整用ヒータの負荷量を調整する第1の負荷量調整処理と、前記負荷量合計値が前記所定値となるように前記パッケージ温度調整用ヒータの負荷量を調整する第2の負荷量調整処理と、からなることを特徴としている。
さらに、請求項4に係る発明は、前記第1の負荷量調整処理を、前記第2の負荷量調整処理よりも優先することを特徴としている。
また、本発明の請求項5に係る発明は、系統電源とは独立に燃料電池から負荷に電力供給を行う自立運転中に、前記負荷と調整用負荷との負荷量合計値が所定値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合計値調整手段を備えた燃料電池発電装置であって、構成機器が収納されるパッケージ内の温度を調整するためのパッケージ温度調整用ヒータを有し、前記負荷量合計値調整手段は前記調整用負荷として前記パッケージ温度調整用ヒータを用いることを特徴としている。
また、本発明の請求項5に係る発明は、系統電源とは独立に燃料電池から負荷に電力供給を行う自立運転中に、前記負荷と調整用負荷との負荷量合計値が所定値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合計値調整手段を備えた燃料電池発電装置であって、構成機器が収納されるパッケージ内の温度を調整するためのパッケージ温度調整用ヒータを有し、前記負荷量合計値調整手段は前記調整用負荷として前記パッケージ温度調整用ヒータを用いることを特徴としている。
さらに、本発明の請求項6に係る発明は、系統電源とは独立に燃料電池から負荷に電力供給を行う自立運転中に、前記負荷と調整用負荷との負荷量合計値が所定値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合計値調整手段を備えた燃料電池発電装置であって、燃料電池本体と、該燃料電池本体に冷却水を供給する水蒸気分離器と、該水蒸気分離器の温度を調整するための水蒸気分離器ヒータと、構成機器が収納されるパッケージ内の温度を調整するためのパッケージ温度調整用ヒータと、前記パッケージ内の温度を検出する温度センサと、を備え、前記負荷量合計値調整手段は、前記温度センサで検出されるパッケージ内温度が、予め設定した規定温度以下のときに、前記調整用負荷として前記パッケージ温度調整用ヒータを用い、前記パッケージ内温度が前記規定温度を上回るときには前記調整用負荷として前記水蒸気分離器ヒータを用いることを特徴としている。
本発明によれば、負荷と調整用負荷との負荷量合計値が所定値となるように調整用負荷の負荷量を調整する際に、調整用負荷として、パッケージ内の温度を調整するためのパッケージ温度調整用ヒータを用いている。パッケージ温度調整用ヒータの負荷量を変化させたとしても燃料電池の出力特性を変化させることはないため、調整用負荷としてパッケージ温度調整用ヒータを用いることにより、燃料電池の発電出力を有効利用しつつ、安定した発電を行なうことができる。
さらに、パッケージ内温度に応じて、調整用負荷を、パッケージ温度調整用ヒータと水蒸気分離器ヒータとで切り替える構成とすることにより、例えば、パッケージ温度調整用ヒータを作動させることに伴うパッケージ内温度の上昇等、パッケージ内温度を考慮して調整用負荷を切り替えつつ、燃料電池の発電出力を有効利用し、且つ安定した発電を行なうことができる。
さらに、パッケージ内温度に応じて、調整用負荷を、パッケージ温度調整用ヒータと水蒸気分離器ヒータとで切り替える構成とすることにより、例えば、パッケージ温度調整用ヒータを作動させることに伴うパッケージ内温度の上昇等、パッケージ内温度を考慮して調整用負荷を切り替えつつ、燃料電池の発電出力を有効利用し、且つ安定した発電を行なうことができる。
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10の概略構成を示すブロック図である。
燃料電池発電装置10は、直流電力を発電する燃料電池1と、この燃料電池1の発電出力を交流電力に変換するインバータ2と、燃料電池1による発電に必要な各種の補機負荷からなる内部負荷3と、燃料電池発電装置10を系統電源11から切り離すための系統連系用遮断器4と、システム制御装置7と、を備える。
図1は、本発明を適用した燃料電池発電装置10の概略構成を示すブロック図である。
燃料電池発電装置10は、直流電力を発電する燃料電池1と、この燃料電池1の発電出力を交流電力に変換するインバータ2と、燃料電池1による発電に必要な各種の補機負荷からなる内部負荷3と、燃料電池発電装置10を系統電源11から切り離すための系統連系用遮断器4と、システム制御装置7と、を備える。
燃料電池1の発電出力はインバータ2で交流電力に変換され、燃料電池発電装置10の給電対象である顧客負荷12に供給されると共に内部負荷3に供給される。前記内部負荷3は、後述の水蒸気分離器ヒータ35及び凍結防止ヒータ110や、その他、ブロア等、各種の補機負荷5を含む。また、燃料電池1の発電出力の余剰分は、系統連系用遮断器4を介して系統電源11に供給され、逆に、不足分は、系統連系用遮断器4を介して系統電源11から顧客負荷12に供給される。
前記燃料電池1には、その発電出力を検出する電流センサ1aが設けられている。また、内部負荷3及び顧客負荷12のそれぞれへの電力供給経路には、内部負荷3及び顧客負荷12それぞれの負荷量を計測するための電力計等の負荷計測センサ3a及び12aが設けられている。これら電流センサ1a、負荷計測センサ3a及び12aのセンサ出力は、システム制御装置7に入力される。
図2は、燃料電池1の概略構成を示すブロック図である。
天然ガスやLPG等といった原燃料は、原燃料供給系21を経て燃料反応器22に供給される。この燃料反応器22は、脱硫器22a、CO変成器22b及び熱交換機22cが一体に組み込まれて形成され、燃料反応器22に供給された原燃料は、熱交換器22cで加熱された後、脱硫器22aに供給される。
脱硫器22aは、天然ガスやLPG等といった炭化水素系の原燃料に含まれる硫黄分を除去する脱硫触媒が充填され、脱硫器22aで脱硫された原燃料は、エゼクタ23に送られる。
エゼクタ23は、脱硫器22aからの原燃料と、水蒸気供給系23aを経て導入される水蒸気分離器24で分離された水蒸気とを混合して改質器25に供給する。
天然ガスやLPG等といった原燃料は、原燃料供給系21を経て燃料反応器22に供給される。この燃料反応器22は、脱硫器22a、CO変成器22b及び熱交換機22cが一体に組み込まれて形成され、燃料反応器22に供給された原燃料は、熱交換器22cで加熱された後、脱硫器22aに供給される。
脱硫器22aは、天然ガスやLPG等といった炭化水素系の原燃料に含まれる硫黄分を除去する脱硫触媒が充填され、脱硫器22aで脱硫された原燃料は、エゼクタ23に送られる。
エゼクタ23は、脱硫器22aからの原燃料と、水蒸気供給系23aを経て導入される水蒸気分離器24で分離された水蒸気とを混合して改質器25に供給する。
改質器25には、水蒸気と混合された原燃料がエゼクタ23から導入されると共に、燃焼空気供給用ブロア26aを備えた燃焼空気供給系26を通して燃焼空気が導入され、さらに、燃料電池本体27から排出される未反応水素を含む燃料オフガスがオフガス供給系28を経て導入される。そして、改質器25において、水蒸気が付加された原燃料がバーナ25aによる燃焼により水蒸気改質されて、水素に富む水素リッチガスが生成される。
改質器25で生成された水素リッチガスはCO変成器22bに送られ、含まれる触媒被毒物質であるCOがCO2へ変成された後、燃焼ガスとして、改質ガス供給系29を経て燃料電池本体27の燃料極27aへと送られる。また、改質器25から出た燃焼排ガスは、燃焼排ガス系30を通して水回収用凝縮器31に送られる。
改質器25で生成された水素リッチガスはCO変成器22bに送られ、含まれる触媒被毒物質であるCOがCO2へ変成された後、燃焼ガスとして、改質ガス供給系29を経て燃料電池本体27の燃料極27aへと送られる。また、改質器25から出た燃焼排ガスは、燃焼排ガス系30を通して水回収用凝縮器31に送られる。
一方、燃料電池本体27の空気極27bには、反応空気ブロア32aを備えた反応空気供給系32を通して反応用の空気が送られ、電池反応後の空気は、空気排出系33を通して水回収用凝縮器31に送られる。
また、燃料電池本体27には、冷却板27cが組み込まれている。この冷却板27cの内部には、水蒸気分離器24に貯留された、電気伝導度が低く且つシリカ等の鉱物系異物の少ない純水が冷却水として供給される。この純水は、燃料電池冷却水循環ポンプ34aを備えた冷却水循環系34により水蒸気分離器24から循環供給されると共に、純水の一部は、燃料電池用冷却水の廃熱回収用の熱交換器34bを介して循環供給され、これによって、燃料電池本体27の発電に伴う発熱を除去し、燃料電池本体27の温度を所定の運転温度に維持している。
また、燃料電池本体27には、冷却板27cが組み込まれている。この冷却板27cの内部には、水蒸気分離器24に貯留された、電気伝導度が低く且つシリカ等の鉱物系異物の少ない純水が冷却水として供給される。この純水は、燃料電池冷却水循環ポンプ34aを備えた冷却水循環系34により水蒸気分離器24から循環供給されると共に、純水の一部は、燃料電池用冷却水の廃熱回収用の熱交換器34bを介して循環供給され、これによって、燃料電池本体27の発電に伴う発熱を除去し、燃料電池本体27の温度を所定の運転温度に維持している。
冷却水循環系34により燃料電池本体27に循環供給され、燃料電池本体27での発電による生成熱を除去して冷却し、その熱を得て高温になった加圧水、或いは水と水蒸気とからなる気液二層流の冷却水は、水蒸気分離器ヒータ35を経て水蒸気分離器24の気相部へと還流される。
水蒸気分離器ヒータ35は、水蒸気分離器24の温度調整や圧力変動時の補償用として設置されている。水蒸気分離器ヒータ35の負荷量は調整可能に構成され、図1に示すシステム制御装置7により可変制御される。
水蒸気分離器ヒータ35は、水蒸気分離器24の温度調整や圧力変動時の補償用として設置されている。水蒸気分離器ヒータ35の負荷量は調整可能に構成され、図1に示すシステム制御装置7により可変制御される。
水回収用凝縮器31には燃焼排ガス系30を通して改質器25からの燃焼排ガスが導入されると共に、空気排出系33を通して燃料電池本体27の空気極27bからの電池反応後の空気排出ガスが導入され、空冷式冷却器戻りライン41を通して導入される空冷式冷却器42で冷却された冷却水により、燃焼排ガス及び空気排出ガス中の回収水を冷却する。
水回収用凝縮器31で回収された生成水のうち、一部は、回収水循環ポンプ43a及び外部冷却器循環ポンプ43bを備える空冷式冷却器往きライン43を通して空冷式冷却器42に導入される。空冷式冷却器往きライン43の、回収水循環ポンプ43aと外部冷却器循環ポンプ43bとの間には三方調節弁43cが設けられ、空冷式冷却器往きライン43を循環する、水回収用凝縮器31で回収された生成水の一部は冷却媒体循環系44に排出される。この冷却媒体循環系44に排出された水回収用凝縮器31からの生成水は、冷却媒体として燃料電池用冷却水の廃熱回収用熱交換器34bに供給された後、排熱中温水熱交換器44aに供給され、ここで熱交換された後、一部は空冷式冷却器往きライン43に戻される。
また、空冷式冷却器往きライン43の、外部冷却器循環ポンプ43bと空冷式冷却器42との間には三方調節弁43dが設けられ、空冷式冷却器往きライン43を流れる生成水の一部は、空冷式冷却器戻りライン41に排出される。
水回収用凝縮器31で生成された生成水は、さらに補給水ポンプ46aを備えた生成水回収ライン46を介して燃料電池高温水熱変換器47に供給された後、イオン交換式水処理装置48に導入される。そして、このイオン交換式水処理装置48で生成された純水が給水ポンプ49により、燃料電池冷却水循環ポンプ34aの吸入側に吐出され、これによって、水蒸気分離器24の純水の補給が行われる。
水回収用凝縮器31で生成された生成水は、さらに補給水ポンプ46aを備えた生成水回収ライン46を介して燃料電池高温水熱変換器47に供給された後、イオン交換式水処理装置48に導入される。そして、このイオン交換式水処理装置48で生成された純水が給水ポンプ49により、燃料電池冷却水循環ポンプ34aの吸入側に吐出され、これによって、水蒸気分離器24の純水の補給が行われる。
燃料電池高温水熱交換機47には、冷却媒体として、空冷式冷却器戻りライン41を流れる冷却水が冷却媒体循環系47aにより循環供給される。
そして、水蒸気分離器24には、水蒸気分離器24の圧力を検出するための圧力センサ24aが設けられている。また、水蒸気分離器ヒータ35には、その負荷量を検出するための電力計等の負荷計測センサ35aが設けられている。これら圧力センサ24a及び負荷計測センサ35aのセンサ出力は、図1に示すシステム制御装置7に入力される。
そして、水蒸気分離器24には、水蒸気分離器24の圧力を検出するための圧力センサ24aが設けられている。また、水蒸気分離器ヒータ35には、その負荷量を検出するための電力計等の負荷計測センサ35aが設けられている。これら圧力センサ24a及び負荷計測センサ35aのセンサ出力は、図1に示すシステム制御装置7に入力される。
図3は、燃料電池発電装置10の構成機器が収納されたパッケージ100内の換気経路を示す図である。パッケージ100内は、主機室101と、電気ユニット102と、補機室103とから構成される。主機室101には換気ファン104及び吸気口105が設けられ、換気ファン104を作動することによって、吸気口105から換気ファン104への換気経路が形成されるようになっている。
また、電気ユニット102には換気ファン106が設けられている。さらに、補機室103には排気口107が設けられると共に、補機室103の電気ユニット102側の側面には通風口103aが形成され、電気ユニット102の換気ファン106を作動させることによって、換気ファン106から通風口103aを介して排気口107への換気経路が形成されるようになっている。
また、電気ユニット102には換気ファン106が設けられている。さらに、補機室103には排気口107が設けられると共に、補機室103の電気ユニット102側の側面には通風口103aが形成され、電気ユニット102の換気ファン106を作動させることによって、換気ファン106から通風口103aを介して排気口107への換気経路が形成されるようになっている。
さらに、電気ユニット102の換気ファン106近傍には、電気ユニット102及び補機室103内の各種機器の凍結の防止や冷却水の昇温等を図るための凍結防止ヒータ110が設けられている。この凍結防止ヒータ110には、凍結防止ヒータ110の負荷量PHを検出する負荷計測センサ110aが設けられ、負荷計測センサ110aの計測値はシステム制御装置7に入力される。
また、換気ファン106の近傍には、温度センサ106aが設けられ、この温度センサ106aのセンサ出力は、システム制御装置7に入力される。
また、換気ファン106の近傍には、温度センサ106aが設けられ、この温度センサ106aのセンサ出力は、システム制御装置7に入力される。
システム制御装置7は、図示しない各種センサのセンサ出力に基づいて、燃料電池1、インバータ2、系統連系用遮断器4を駆動制御し、連系運転時には、燃料電池1と系統電源11とで連系して顧客負荷12及び内部負荷3への給電を行う。また、これら負荷への供給電力が不足するときには系統電源11からの電力を用いて不足分を補い、余剰分が生じる場合にはこれを系統電源11に供給する。また、水蒸気分離器24の水の温度や圧力に応じて水蒸気分離器ヒータ35を制御して水蒸気分離器24の冷却水温度を調整する冷却水温度調整処理を行なうと共に、温度センサ106aで検出されるパッケージ内温度に基づき凍結防止ヒータ110を制御してパッケージ内の温度をパッケージ内の各種機器が動作可能な温度に維持するパッケージ内温度調整処理を行なう。
一方、系統電源11側に停電等異常が生じた場合には、系統連系用遮断器4を開状態に切り替え、燃料電池発電装置10側を系統電源11から切り離して自立運転に切り替えて、燃料電池1の発電出力のみを用いて顧客負荷12及び内部負荷3への電力供給を行う。
また、システム制御装置7は、自立運転中は、負荷計測センサ3a及び12a等、各種センサのセンサ出力に基づき内部負荷3の負荷量と顧客負荷12の負荷量との和である負荷量合計値が、燃料電池1の出力目標値Wsumに維持されるように、水蒸気分離器ヒータ35又は凍結防止ヒータ110の負荷量を制御する、負荷量合計値調整処理を行なう。これにより、顧客負荷12に負荷変動が生じても負荷量合計値は出力目標値Wsumに維持されるため、燃料電池1からみた負荷量が一定となり燃料電池1の発電出力を変化させることなく、燃料電池1の発電出力と、燃料電池1の電力負荷である顧客負荷12及び内部負荷3とのバランスを保ち、顧客負荷12の負荷変動に伴って、燃料電池1の周辺機器の応答遅れのために燃料電池1に燃料や空気の供給不足が生じることなく、燃料電池本体27の電池特性の劣化を防止する。
また、システム制御装置7は、自立運転中は、負荷計測センサ3a及び12a等、各種センサのセンサ出力に基づき内部負荷3の負荷量と顧客負荷12の負荷量との和である負荷量合計値が、燃料電池1の出力目標値Wsumに維持されるように、水蒸気分離器ヒータ35又は凍結防止ヒータ110の負荷量を制御する、負荷量合計値調整処理を行なう。これにより、顧客負荷12に負荷変動が生じても負荷量合計値は出力目標値Wsumに維持されるため、燃料電池1からみた負荷量が一定となり燃料電池1の発電出力を変化させることなく、燃料電池1の発電出力と、燃料電池1の電力負荷である顧客負荷12及び内部負荷3とのバランスを保ち、顧客負荷12の負荷変動に伴って、燃料電池1の周辺機器の応答遅れのために燃料電池1に燃料や空気の供給不足が生じることなく、燃料電池本体27の電池特性の劣化を防止する。
また、システム制御装置7は、負荷量合計値を出力目標値Wsumに維持することを目的として水蒸気分離器ヒータ35を制御する場合には、電流センサ1a及び圧力センサ24aのセンサ出力を監視し、電流センサ1aで検出される燃料電池1の発電電流が予め設定した許容範囲内に収まるように、水蒸気分離器ヒータ35の負荷量を調整する。また、これと共に、圧力センサ24aで検出される水蒸気分離器24の圧力が、予め設定した燃料電池1での安定した電力発電が可能な許容範囲内に収まるように、水蒸気分離器ヒータ35の負荷量を調整する。
一方、負荷量合計値を出力目標値Wsumに維持することを目的として凍結防止ヒータ110を制御する際には、電流センサ1aのセンサ出力を監視し、電流センサ1aで検出される燃料電池1の発電電流が予め設定した許容範囲内に収まるように、凍結防止ヒータ110の負荷量PHを制御する。
ここで、燃料電池1による発電では、主燃料とする都市ガスの流量によって取り出し得る電流量に制約があるため、発電電流をある程度の大きさ以下に制限する必要がある。また、燃料電池1の燃料電池本体27を腐食等から保護するためには発電電圧をある程度の大きさ以下に制限する必要がある。
ここで、燃料電池1による発電では、主燃料とする都市ガスの流量によって取り出し得る電流量に制約があるため、発電電流をある程度の大きさ以下に制限する必要がある。また、燃料電池1の燃料電池本体27を腐食等から保護するためには発電電圧をある程度の大きさ以下に制限する必要がある。
すなわち、図4の特性図に示すように、燃料電池1の発電電流及び発電電圧がそれぞれの上限値を共に下回る範囲に収まるように、燃料電池1の発電出力を制御する必要がある。なお、図4において、横軸は発電電流、縦軸は発電電圧であって、斜線で示す領域は、燃料電池1の発電電流及び発電電圧の少なくとも何れか一方が、それぞれの上限値を上回る領域、すなわち非安定領域を表す。
図4において、発電電流及び発電電圧がそれぞれの上限値以下となる領域、すなわち図4において斜線領域に囲まれた領域が安定領域となり、燃料電池1の発電出力が安定領域に収まるように燃料電池1を制御する必要がある。
このため、電流センサ1aのセンサ出力を監視し、センサ出力が発電電流の上限値を超えるときには、負荷量合計値を出力目標値Wsumに維持するための水蒸気分離器ヒータ35又は凍結防止ヒータ110の負荷量を減少させて消費電流の削減を図ることで発電電流の減少を図る。また、発電電圧の監視は、電流センサ1aのセンサ出力を用いて行い、発電電圧が発電電圧の上限値を超えるとき、すなわち、電流センサ1aのセンサ出力が発電電圧の上限値相当の発電電流値を下回るときには、負荷量合計値を出力目標値Wsumに維持するための水蒸気分離器ヒータ35又は凍結防止ヒータ110の負荷量を増大させて消費電流の増大を図ることで発電電圧の減少を図る。
このため、電流センサ1aのセンサ出力を監視し、センサ出力が発電電流の上限値を超えるときには、負荷量合計値を出力目標値Wsumに維持するための水蒸気分離器ヒータ35又は凍結防止ヒータ110の負荷量を減少させて消費電流の削減を図ることで発電電流の減少を図る。また、発電電圧の監視は、電流センサ1aのセンサ出力を用いて行い、発電電圧が発電電圧の上限値を超えるとき、すなわち、電流センサ1aのセンサ出力が発電電圧の上限値相当の発電電流値を下回るときには、負荷量合計値を出力目標値Wsumに維持するための水蒸気分離器ヒータ35又は凍結防止ヒータ110の負荷量を増大させて消費電流の増大を図ることで発電電圧の減少を図る。
なお、システム制御装置7は、自立運転中も、前記水蒸気分離器24の冷却水温度調整処理や、パッケージ内温度調整処理を行なうが、前記負荷量合計値調整処理において前記水蒸気分離器ヒータ35が負荷量調整用の負荷として選択された場合には、前記冷却水温度調整処理による水蒸気分離器ヒータ35の負荷量の調整よりも、負荷量合計値調整処理による水蒸気分離器ヒータ35の負荷量の調整を優先して行い、同様に、負荷量合計値調整処理において前記凍結防止ヒータ110が負荷量調整用の負荷として選択された場合には、前記負荷量合計値調整処理による凍結防止ヒータ110の負荷量PHの調整を優先して行なう等、負荷量合計値調整処理による水蒸気分離器ヒータ35及び凍結防止ヒータ110の負荷量の調整と、前記冷却水温度調整処理による水蒸気分離器ヒータ35の負荷量の調整及び前記パッケージ内温度調整処理による凍結防止ヒータ110の負荷量PHの調整とが干渉しないようにしている。
次に、本発明の動作を、図5のフローチャートに基づいて説明する。
なお、図5は、システム制御装置7で実行される負荷量合計値調整処理の処理手順を示したものである。この負荷量合計値調整処理は、予め設定した定周期で実行される。
システム制御装置7では、まず、自立運転中であるか否かを判定し(ステップS1)、自立運転中でなければそのまま処理を終了する。一方、自立運転中である場合には、ステップS2に移行し、温度センサ106aの計測温度T1を読み込み、この計測温度T1、すなわちパッケージ100内の温度が規定温度以下であるか否かを判定する。
なお、図5は、システム制御装置7で実行される負荷量合計値調整処理の処理手順を示したものである。この負荷量合計値調整処理は、予め設定した定周期で実行される。
システム制御装置7では、まず、自立運転中であるか否かを判定し(ステップS1)、自立運転中でなければそのまま処理を終了する。一方、自立運転中である場合には、ステップS2に移行し、温度センサ106aの計測温度T1を読み込み、この計測温度T1、すなわちパッケージ100内の温度が規定温度以下であるか否かを判定する。
この規定温度は、パッケージ100内の燃料電池発電装置の構成機器のうち、水温が低い場合や氷点下以下では使用することのできない機器において水温条件を満足させる値、或いは凍結を防止することの可能な値(例えば摂氏2〜4度)以上であり、且つパッケージ100内を昇温することにより、パッケージ内部の機器に影響を及ぼさない温度以下であればよく、すなわち、パッケージ内の機器の動作可能温度(例えば、摂氏40度程度)を上限として設定することができる。ここでは、例えば摂氏2〜4度に設定される。
そして、ステップS2で計測温度T1が規定温度以下であるときにはステップS3に移行して、凍結防止ヒータ110を調整することにより負荷量合計値の調整を図る。そして、この状態から計測温度T1が規定温度を上回る状態となったときには、ステップS1からステップS2を経てステップS4に移行し、凍結防止ヒータ110に代えて、水蒸気分離器ヒータ35を調整することにより負荷量合計値の調整を図る。
この状態から、計測温度T1が再度規定温度以下となったときには、ステップS1からステップS2を経てステップS3に移行し、水蒸気分離器ヒータ35に代えて凍結防止ヒータ110を調整することにより負荷量合計値の調整を図る。
そして、自立運転から連系運転に移行したときには、水蒸気分離器ヒータ35又は凍結防止ヒータ110による負荷量合計値の調整を終了する。
そして、自立運転から連系運転に移行したときには、水蒸気分離器ヒータ35又は凍結防止ヒータ110による負荷量合計値の調整を終了する。
図6は、図5のステップS3で実行される凍結防止ヒータ110による制御の処理手順の一例を示すフローチャートである。
まず、ステップS11で、電流センサ1aの検出値を読み込み、燃料電池1の出力電流が、予め設定した上限値Imaxを上回っているか否かを判断する。この上限値Imaxは、例えば、燃料電池1本体に影響を及ぼすことなく安定した発電出力を得ることの可能な発電電流の最大値である最大許容値よりも1%程度小さな値に設定される。
まず、ステップS11で、電流センサ1aの検出値を読み込み、燃料電池1の出力電流が、予め設定した上限値Imaxを上回っているか否かを判断する。この上限値Imaxは、例えば、燃料電池1本体に影響を及ぼすことなく安定した発電出力を得ることの可能な発電電流の最大値である最大許容値よりも1%程度小さな値に設定される。
そして、電流センサ1aのセンサ出力が上限値Imaxよりも大きいときには、ステップS11からステップS12に移行し、凍結防止ヒータ110の負荷量PHを所定量Δph1(例えば、凍結防止ヒータ110のヒータ容量が15〔kW〕の場合、5〔kW〕程度)だけ減少させる。これにより、凍結防止ヒータ110の負荷量PHが低くなり、凍結防止ヒータ110の消費電流がその分減少するため、結果的に燃料電池1の発電電流が低下する。このため、燃料電池1の発電出力が図4の安定領域に収まることになって、燃料電池1を保護することができる。
一方、電流センサ1aのセンサ出力が上限値Imax以下であるときには、ステップS11からステップS13に移行し、次に電流センサ1aのセンサ出力が、発電電流の下限値Iminを下回るか否かを判定する。この発電電流の下限値Iminは、燃料電池1の発電電圧の最大許容値に応じて設定される。この最大許容値は、例えば、燃料電池1に影響を及ぼすことなく安定した発電出力を得ることの可能な発電電圧の最大値である。下限値Iminは、発電電圧の最大許容値を満足するときの発電電流の最小値を最小許容値としたとき、この最小許容値よりも1%程度大きな値に設定される。
そして、電流センサ1aのセンサ出力が下限値Iminを下回るとき、すなわち、発電電圧が最大許容値を超えるときには、ステップS13からステップS14に移行し、凍結防止ヒータ110の負荷量PHを所定量Δph1だけ増加させる。これにより、凍結防止ヒータ110の負荷量PHが高めに設定され、凍結防止ヒータ110の消費電流がその分増加するため、結果的に燃料電池1の発電電圧が低下する。このため、燃料電池1の発電出力が図4の安定領域に収まることになって、燃料電池1を保護することができる。
また、電流センサ1aのセンサ出力が、上限値Imax以下であり且つ下限値Imin以上であるときにはステップS15に移行し、凍結防止ヒータ110の負荷量の目標値MVを算出する。すなわち、負荷計測センサ3a及び12aの出力を読み込み、内部負荷3の負荷量と顧客負荷12の負荷量の和を求める。次に、求めた負荷量の和と出力目標値Wsumとの差分を求める。次に、負荷計測センサ110aの出力である現在の凍結防止ヒータ110の負荷量PHに、求めた差分を加算又は減算する。これによって、内部負荷3の負荷量と顧客負荷12の負荷量との和を出力目標値Wsumに一致させ得る凍結防止ヒータ110の負荷量が演算される。そして、この演算された負荷量を目標値MVとする。
そして、負荷計測センサ110aのセンサ出力である凍結防止ヒータ110の負荷量PHから、所定値Δph1を減算した値が、ステップS15で演算した凍結防止ヒータ110の負荷量の目標値MVよりも大きいか否かを判定し、目標値MVよりも大きいときにはステップS12に移行し、凍結防止ヒータ110の負荷量PHから所定値Δph1を減算し、これを凍結防止ヒータ110の負荷量の目標値MVとして更新する。そして、凍結防止ヒータ110の負荷量PHが目標値MVとなるように凍結防止ヒータ110の負荷量PHを調整する。
一方、ステップS16で、負荷計測センサ110aのセンサ出力である凍結防止ヒータ110の負荷量PHから、所定値Δph1を減算した値が、ステップS15で算出した凍結防止ヒータ110の負荷量の目標値MV以下であるときには、ステップS17に移行する。このステップS17では、負荷計測センサ110aのセンサ出力である、凍結防止ヒータ110の負荷量PHに所定値Δph1を加算した値が、ステップS15で演算した凍結防止ヒータ110の負荷量の目標値MVよりも小さいか否かを判定し、目標値MVよりも小さいときにはステップS14に移行し、凍結防止ヒータ110の負荷量PHに所定値Δph1を加算し、これを新たな凍結防止ヒータ110の負荷量の目標値MVとして更新する。そして、凍結防止ヒータ110の負荷量PHが目標値MVとなるように凍結防止ヒータ110の負荷量PHを調整する。
一方、ステップS17で、凍結防止ヒータ110の負荷量PHに所定値Δph1を加算した値が、凍結防止ヒータ110の負荷量の目標値MV以上であるときには、そのまま処理を終了する。
つまり、凍結防止ヒータ110は、図7に示すように、負荷量の目標値MVが、所定量Δph1変化したときに、凍結防止ヒータ110の負荷量PHが所定量Δph1ずつ増加又は減少するように構成され、すなわちヒステリシスをもって変化するように制御される。これによって、負荷量の目標値MVの変動に応じて凍結防止ヒータ110の負荷量PHが増減を繰り返すことを回避するようにしている。
つまり、凍結防止ヒータ110は、図7に示すように、負荷量の目標値MVが、所定量Δph1変化したときに、凍結防止ヒータ110の負荷量PHが所定量Δph1ずつ増加又は減少するように構成され、すなわちヒステリシスをもって変化するように制御される。これによって、負荷量の目標値MVの変動に応じて凍結防止ヒータ110の負荷量PHが増減を繰り返すことを回避するようにしている。
図8は、図5のステップS4で実行される水蒸気分離器ヒータ35による制御の処理手順の一例を示すフローチャートである。
まず、ステップS21で、電流センサ1aのセンサ出力である、燃料電池1の出力電流が、予め設定した上限値Imaxを上回っているか否かを判断する。この上限値Imaxは、例えば、燃料電池本体に影響を及ぼすことなく安定した発電出力を得ることの可能な発電電流の最大値である最大許容値よりも1%程度小さな値に設定される。
まず、ステップS21で、電流センサ1aのセンサ出力である、燃料電池1の出力電流が、予め設定した上限値Imaxを上回っているか否かを判断する。この上限値Imaxは、例えば、燃料電池本体に影響を及ぼすことなく安定した発電出力を得ることの可能な発電電流の最大値である最大許容値よりも1%程度小さな値に設定される。
そして、電流センサ1aのセンサ出力が上限値Imaxよりも大きいときには、ステップS21からステップS22に移行し、水蒸気分離器ヒータ35の負荷量を所定量Δph2(例えば、水蒸気分離器ヒータ35のヒータ容量が35〔kW〕の場合、5〔kW〕程度)だけ減少させる。これにより、水蒸気分離器ヒータ35の負荷量が低くなり、水蒸気分離器ヒータ35の消費電流がその分減少するため、結果的に燃料電池1の発電電流が低下する。このため、燃料電池1の発電出力が図4の安定領域に収まることになって、燃料電池1を保護することができる。
一方、電流センサ1aのセンサ出力が上限値Imax以下であるときには、ステップS21からステップS23に移行し、次に電流センサ1aのセンサ出力が、発電電流の下限値Iminを下回るか否かを判定する。この発電電流の下限値Iminは、燃料電池1の発電電圧の最大許容値に応じて設定される。この最大許容値は、例えば、燃料電池1に影響を及ぼすことなく安定した発電出力を得ることの可能な発電電圧の最大値である。下限値Iminは、発電電圧の最大許容値を満足するときの発電電流の最小値を最小許容値としたとき、この最小許容値よりも1%程度大きな値に設定される。
そして、電流センサ1aのセンサ出力が下限値Iminを下回るとき、すなわち、発電電圧が最大許容値を超えるときには、ステップS23からステップS24に移行し、水蒸気分離器ヒータ35の負荷量を所定量Δph2だけ増加させる。これにより、水蒸気分離器ヒータ35の負荷量が高めに設定され、水蒸気分離器ヒータ35の消費電流がその分増加するため、結果的に燃料電池1の発電電圧が低下する。このため、燃料電池1の発電出力が図4の安定領域に収まることになって、燃料電池1を保護することができる。
また、電流センサ1aのセンサ出力が、上限値Imax以下であり且つ下限値Imin以上であるときにはステップS25に移行し、次に、圧力センサ24aのセンサ出力である、水蒸気分離器24の圧力が、最大圧力Pmaxを上回るかどうかを判定する。この最大圧力Pmaxは、燃料電池1において安定した電力発電を行うことの可能な、水蒸気分離器24の圧力の最大値である最大許容値に応じて設定され、例えば、最大許容値よりも1%程度小さな値に設定される。
そして、圧力センサ24aのセンサ出力が最大圧力Pmaxを上回るときには、ステップS25からステップS22に移行し、水蒸気分離器ヒータ35の負荷量を所定量Δph2だけ減少させる。これにより、水蒸気分離器24の圧力が低下するため、エゼクタ23への高圧の水蒸気の供給量を安定させることができ、燃料電池1の発電出力特性の変動を抑制することができる。
一方、圧力センサ24aのセンサ出力が最大圧力Pmax以下であるときには、ステップS25からステップS26に移行し、圧力センサ24aのセンサ出力が最小圧力Pminを下回るかどうかを判定する。この最小圧力Pminは、水蒸気分離器24の圧力が、燃料電池1において安定した電力発電を行うことの可能な圧力の最小値である最小許容値に応じて設定され、例えば最小許容値よりも1%程度大きな値に設定される。
そして、圧力センサ24aのセンサ出力が最小圧力Pminを下回るときには、ステップS26からステップS24に移行し、水蒸気分離器ヒータ35の負荷量を所定量Δph2だけ増加させる。これにより、水蒸気分離器24の圧力が増加するため、エゼクタ23への高圧の水蒸気の供給量を安定させることができ、燃料電池1の発電出力特性の変動を抑制することができる。
さらに、電流センサ1aのセンサ出力が、上限値Imax以下且つ下限値Imin以上であり、圧力センサ24aのセンサ出力が、最大圧力Pmax以下且つ最小圧力Pmin以上であるときには、ステップS27に移行し、負荷量合計値を出力目標値Wsumとし得る水蒸気分離器ヒータ35の負荷量の目標値を算出する。すなわち、負荷計測センサ3a及び12aのセンサ出力を読み込み、内部負荷3の負荷量と顧客負荷12の負荷量の和を求める。次に、求めた負荷量の和と出力目標値Wsumとの差分を求める。次に、負荷計測センサ35aのセンサ出力である現在の水蒸気分離器ヒータ35の負荷量に、求めた差分を加算又は減算する。これによって、内部負荷3の負荷量と顧客負荷12の負荷量との和を出力目標値Wsumに一致させ得る水蒸気分離器ヒータ35の負荷量が演算され、この演算された負荷量に目標値MVを更新する。そして、この目標値MVとなるように水蒸気分離器ヒータ35の負荷量を調整する。
このため、水蒸気分離器ヒータ35の負荷量は、負荷量合計値が出力目標値Wsumと一致するような値に調整されることになり、燃料電池1から見た負荷量合計値は出力目標値Wsumに維持されるため、顧客負荷12の負荷変動に関係なく燃料電池1に対する負荷は一定となり、燃料電池1の応答遅れによる影響を受けることなく、顧客負荷12への電力供給の負荷追従性を確保することができる。
ここで、上述のように、システム制御装置7では、自立運転中、顧客負荷12の変動に関わらず負荷量合計値が一定となるように水蒸気分離器ヒータ35又は凍結防止ヒータ110の負荷量を調整している。したがって、負荷量合計値が変動することによって燃料電池本体に影響を与えることはなく、燃料電池1の出力特性が変化することを回避することができ、安定した電力発電を継続することができる。
また、このとき、温度センサ106aで計測した計測温度T1、すなわちパッケージ内温度に応じて、負荷量調整用の負荷としての、凍結防止ヒータ110と水蒸気分離器ヒータ35とを切り替え、計測温度T1が規定温度以下である場合には、図5のステップS2からステップS3に移行して、凍結防止ヒータ110を作動させている。
また、このとき、温度センサ106aで計測した計測温度T1、すなわちパッケージ内温度に応じて、負荷量調整用の負荷としての、凍結防止ヒータ110と水蒸気分離器ヒータ35とを切り替え、計測温度T1が規定温度以下である場合には、図5のステップS2からステップS3に移行して、凍結防止ヒータ110を作動させている。
したがって、凍結防止ヒータ110と水蒸気分離器ヒータ35とを切り替える規定温度として、凍結防止ヒータ110を作動させるべき温度、つまり、水温が低い場合や氷点下以下では使用することのできない機器において水温条件を満足させる値、或いは凍結を防止することの可能な値(例えば、摂氏2〜4度)に設定すれば、パッケージ内温度の昇温のために本来作動させるべき状況にある凍結防止ヒータ110を負荷量調整用の負荷として作動させることになり、負荷量調整と共に凍結防止を行なうことができる。また、凍結防止ヒータ110は本来作動させる状態にあるものであるから、凍結防止ヒータ110を作動させたとしても何ら問題はなく、負荷量調整と凍結防止とを効率よく行なうことができる。
また、負荷量調整用の負荷として用いている凍結防止ヒータ110や水蒸気分離器ヒータ35には、負荷量の調整を行なうという用途の他に、凍結防止ヒータ110には、パッケージ内の凍結を回避するという用途があり、水蒸気分離器ヒータ35には、水蒸気分離器24内の冷却水温度を調整するという用途がある。このため、これら凍結防止ヒータ110や水蒸気分離器ヒータ35を負荷量調整用の負荷として用いると、本来作動させる必要のない状況において作動されることになる。つまり、凍結防止ヒータ110は、パッケージ内温度が比較的低温であって凍結防止を行なう必要のある状況において作動されるものであるため、パッケージ内温度が比較的高温であるときには作動させる必要はない。このため、凍結を防止するという用途からみれば、凍結防止ヒータ110は不要に作動されることになりこれはすなわち、無駄に電力消費が行なわれることになって、燃料電池1の発電出力が有効利用されていないことになる。
しかしながら、本発明では、上述のように、パッケージ内温度が規定温度以下のときにのみ凍結防止ヒータ110を負荷量調整用の負荷として作動させているため、規定温度として凍結防止ヒータ110を作動させる必要のあるときの温度を設定することによって、作動させる必要のあるときに凍結防止ヒータ110を作動させることになり、燃料電池1の発電出力を有効に利用することができる。
また、パッケージ内温度が規定温度以下のときに、仮に負荷量調整用の負荷として水蒸気分離器ヒータ35を用いるように構成した場合、パッケージ内温度が規定温度以下の状態では凍結防止ヒータ110を凍結防止の用途で作動させる必要があるため、水蒸気分離器ヒータ35と凍結防止ヒータ110とを共に作動させることになる。
しかしながら、規定温度を、凍結防止ヒータ110を作動させる必要のあるときの温度に設定し、凍結防止ヒータ110を作動させる必要のある状況においては、凍結防止ヒータ110を、負荷量調整用の負荷としての用途と凍結防止のための用途との両方を兼ねて作動させ、水蒸気分離器ヒータ35は作動させないようにすることによって、水蒸気分離器ヒータ35を単に電力消費を行なうために作動させることを回避し、燃料電池1の発電出力を有効に活用することができる。
しかしながら、規定温度を、凍結防止ヒータ110を作動させる必要のあるときの温度に設定し、凍結防止ヒータ110を作動させる必要のある状況においては、凍結防止ヒータ110を、負荷量調整用の負荷としての用途と凍結防止のための用途との両方を兼ねて作動させ、水蒸気分離器ヒータ35は作動させないようにすることによって、水蒸気分離器ヒータ35を単に電力消費を行なうために作動させることを回避し、燃料電池1の発電出力を有効に活用することができる。
また、水蒸気分離器ヒータ35は、水蒸気分離器24の冷却水温度の調整を行なう必要があるときに作動されるものであるため、負荷量調整用の負荷として、仮に、水蒸気分離器ヒータ35を用いると、冷却水温度の調整を行なう必要のないときにも作動されることになって、水蒸気分離器ヒータ35は、冷却水温度を調整するという用途の点からみれば、不要に作動されることになり、単に電力消費のためだけに作動されることになる。
しかしながら、本発明では、上述のように、パッケージ内温度が規定温度を上回るときのみ、負荷量調整用の負荷として、水蒸気分離器ヒータ35を用いているため、水蒸気分離器ヒータ35が不要に作動される状況を少なくすることができ、すなわち、燃料電池1の発電出力が有効利用されない状態となることを抑制することができる。
また、水蒸気分離器ヒータ35を作動させると、水蒸気分離器24の特性が変化し、結果的に燃料電池本体の出力特性が変化する可能性がある。しかしながら、パッケージ内温度に応じて、負荷量調整用の負荷として用いるヒータを切り替えることにより、負荷量調整用の負荷として水蒸気分離器ヒータ35を用いる機会を少なくしているため、水蒸気分離器24の特性が変化することにより燃料電池本体の出力特性が変化することを抑制することができる。
また、水蒸気分離器ヒータ35を作動させると、水蒸気分離器24の特性が変化し、結果的に燃料電池本体の出力特性が変化する可能性がある。しかしながら、パッケージ内温度に応じて、負荷量調整用の負荷として用いるヒータを切り替えることにより、負荷量調整用の負荷として水蒸気分離器ヒータ35を用いる機会を少なくしているため、水蒸気分離器24の特性が変化することにより燃料電池本体の出力特性が変化することを抑制することができる。
また、水蒸気分離器ヒータ35を作動させることにより燃料電池の出力特性が変化する可能性があるが、燃料電池1の出力電流と、水蒸気分離器24の圧力とを監視し、燃料電池1の発電出力が安定領域の範囲内となるように、水蒸気分離器ヒータ35の負荷量を調整しているため、燃料電池1の発電電流や発電電圧が許容値を超えることによって、燃料電池1に悪影響を与えることを回避し、燃料電池1を保護することができると共に、燃料電池の出力特性の変化を抑制し安定した電力発電を継続することができる。
また、負荷量調整用の負荷として、凍結防止ヒータ110を用いる場合にも、図6に示すように、燃料電池1の発電電流を監視し、燃料電池の発電出力が安定領域の範囲内となるように調整している。
したがって、負荷量調整用の負荷として凍結防止ヒータ110を用いる場合においても、安定した電力発電を継続することができる。
また、負荷量調整用の負荷として、凍結防止ヒータ110を用いる場合にも、図6に示すように、燃料電池1の発電電流を監視し、燃料電池の発電出力が安定領域の範囲内となるように調整している。
したがって、負荷量調整用の負荷として凍結防止ヒータ110を用いる場合においても、安定した電力発電を継続することができる。
また、自立運転時に、顧客負荷12が新たに投入された場合、或いは顧客負荷12が停止された場合等、燃料電池の発電電流が過電流或いは電流不足となった場合には、燃料電池本体27を保護するために燃料電池発電装置10全体を停止させるように構成されている場合であっても、上述のように、燃料電池1の発電出力が安定領域の範囲内に収まるように調整するため、顧客負荷12に変動があった場合でも、燃料電池発電装置10全体がシステム停止に至ることを回避することができる。
また、図6のフローチャートに示すように、負荷量調整用の負荷としての負荷量の調整よりも、燃料電池の発電電流の監視による負荷量の調整を優先して行っているため、燃料電池発電装置10がシステム停止に至ることをより確実に回避することができる。
また、上記実施の形態においては、凍結防止ヒータ110と水蒸気分離器ヒータ35とを切り替える規定温度として、摂氏2〜4度程度に設定した場合について説明したが、これに限るものではない。前述のように、規定温度として、パッケージ内の機器の動作可能温度を上限として設定することができ、規定温度が高くなるほど、凍結防止ヒータ110が負荷量調整用の負荷として設定されやすくなり、すなわち、水蒸気分離器ヒータ110が負荷量調整用の負荷として設定される機会が少なくなる。したがって、その分、負荷量合計値の調整に伴い燃料電池本体の出力特性が変化することが抑制される。
また、上記実施の形態においては、凍結防止ヒータ110と水蒸気分離器ヒータ35とを切り替える規定温度として、摂氏2〜4度程度に設定した場合について説明したが、これに限るものではない。前述のように、規定温度として、パッケージ内の機器の動作可能温度を上限として設定することができ、規定温度が高くなるほど、凍結防止ヒータ110が負荷量調整用の負荷として設定されやすくなり、すなわち、水蒸気分離器ヒータ110が負荷量調整用の負荷として設定される機会が少なくなる。したがって、その分、負荷量合計値の調整に伴い燃料電池本体の出力特性が変化することが抑制される。
また、燃料電池発電装置10は、通常、パッケージ内温度が動作可能温度の上限値以下となる温度環境下で用いられるため、凍結防止ヒータ110と水蒸気分離器ヒータ35とを切り替える規定温度としてパッケージ内の機器の動作可能温度の上限値(例えば、摂氏40度程度)相当の値等、比較的高い温度に設定すれば、パッケージ内温度が常に規定温度以下となるため、負荷量調整用の負荷として、常に凍結防止ヒータ110が選択されるように構成することも可能である。
このように常に、凍結防止ヒータ110を用いる構成とした場合、前述のように、負荷量調整用の負荷として、水蒸気分離器ヒータ35を用いた場合には、水蒸気分離器24の特性が変化し、結果的に燃料電池本体の出力特性が変化する可能性があるが、凍結防止ヒータ110の場合には、負荷量を変化させたとしても燃料電池本体の出力特性に変化が生じることはないため、燃料電池本体の出力特性を変化させることなく、負荷量調整を行なうことができる。
なお、上述のように、負荷量調整用の負荷として常に凍結防止ヒータ110を用いることが可能な温度環境下においては、負荷量合計値調整処理として、図9に示す手順で処理を行なうようにしてもよい。
すなわち、ステップS31で自立運転中でないと判断されるときにはそのまま処理を終了するが、自立運転中であると判定される場合には、ステップS31からステップS32に移行し、前記図6のフローチャートにしたがって、凍結防止ヒータ110を調整することにより負荷量合計値の調整を図る。
すなわち、ステップS31で自立運転中でないと判断されるときにはそのまま処理を終了するが、自立運転中であると判定される場合には、ステップS31からステップS32に移行し、前記図6のフローチャートにしたがって、凍結防止ヒータ110を調整することにより負荷量合計値の調整を図る。
また、上記実施の形態においては、パッケージ内温度が規定温度以下であるか否かにより凍結防止ヒータ110と水蒸気分離器ヒータ35とを切り替える場合について説明したが、凍結防止ヒータ110と水蒸気ヒータ35とを切り替える際にヒステリシスをもたせるようにしてもよい。
また、上記実施の形態においては、燃料電池1の発電電流に基づいて、燃料電池1の出力特性を安定領域に収める場合について説明したが、これに限るものではない。
また、上記実施の形態においては、燃料電池1の発電電流に基づいて、燃料電池1の出力特性を安定領域に収める場合について説明したが、これに限るものではない。
例えば、燃料電池1の発電電流に替えて、燃料電池1の発電電圧を検出しこれに基づいて、発電出力が安定領域に収まるように制御してもよい。また、発電電流及び発電電圧をそれぞれ検出しこれらがそれぞれの上限値を下回るように制御してもよく、要は、燃料電池1の発電出力が図4に示す安定領域に収まるように制御を行えば、発電電流及び発電電圧の何れに基づいて制御してもよい。
また、上記実施の形態においては、水蒸気分離器ヒータ35の負荷量を制御する際に、水蒸気分離器24の圧力に基づき制御する場合について説明したが、これに限るものではない。
また、上記実施の形態においては、水蒸気分離器ヒータ35の負荷量を制御する際に、水蒸気分離器24の圧力に基づき制御する場合について説明したが、これに限るものではない。
例えば、圧力センサ24aに替えて、水蒸気分離器24の温度を検出する温度センサ、或いは、水蒸気分離器24から出力される水蒸気流量を検出する水蒸気流量センサを設け、温度センサで検出される水蒸気分離器24の温度、或いは水蒸気流量センサで検出される水蒸気分離器24から出力される水蒸気流量を、水蒸気分離器24の圧力相当値として用い、この圧力相当値に基づき冷却水加熱器35の負荷量を調整するようにしてもよい。
また、上記実施の形態においては、電気ユニット102及び補機室103の温度調整を行なうための、換気ファン106近傍に設けられた凍結防止ヒータ110を、パッケージ温度調整用ヒータとして適用した場合について説明したが、これに限るものではない。例えば、パッケージ内の最下面全面に設けられた面状のヒータであってもよく、要は、各種の循環水等、燃料電池発電装置10において必要な水の凍結や、この水を処理する補機の凍結を防止するために設けられているヒータであれば、適用することができる。
ここで、上記実施の形態において、凍結防止ヒータ110がパッケージ温度調整用ヒータに対応し、温度センサ106aが温度センサに対応している。
また、図6のステップS11〜ステップS14の処理が第1の負荷量調整処理に対応し、ステップS12及びステップS14〜ステップS17の処理が第2の負荷量調整処理に対応している。
さらに、図5の負荷量合計値調整処理が負荷量合計値調整手段に対応している。
また、図6のステップS11〜ステップS14の処理が第1の負荷量調整処理に対応し、ステップS12及びステップS14〜ステップS17の処理が第2の負荷量調整処理に対応している。
さらに、図5の負荷量合計値調整処理が負荷量合計値調整手段に対応している。
1 燃料電池
1a 電流センサ
2 インバータ
3 内部負荷
3a 負荷計測センサ
5 補機負荷
7 システム制御装置
12 顧客負荷
12a 負荷計測センサ
24 水蒸気分離器
24a 圧力センサ
35 水蒸気分離器ヒータ
35a 負荷計測センサ
106a 温度センサ
110 凍結防止ヒータ
110a 負荷計測センサ
1a 電流センサ
2 インバータ
3 内部負荷
3a 負荷計測センサ
5 補機負荷
7 システム制御装置
12 顧客負荷
12a 負荷計測センサ
24 水蒸気分離器
24a 圧力センサ
35 水蒸気分離器ヒータ
35a 負荷計測センサ
106a 温度センサ
110 凍結防止ヒータ
110a 負荷計測センサ
Claims (6)
- 系統電源とは独立に燃料電池から負荷に電力供給を行なう自立運転中は、前記負荷と調整用負荷との負荷量合計値が所定値となるように前記調整用負荷の負荷量を調整するようにした燃料電池発電装置の制御方法であって、
前記調整用負荷として、構成機器が収納されるパッケージ内の温度を調整するためのパッケージ温度調整用ヒータを用いることを特徴とする燃料電池発電装置の制御方法。 - 系統電源とは独立に燃料電池から負荷に電力供給を行なう自立運転中は、前記負荷と調整用負荷との負荷量合計値が所定値となるように前記調整用負荷の負荷量を調整するようにした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、
燃料電池本体と、
該燃料電池本体に冷却水を供給する水蒸気分離器と、
該水蒸気分離器の温度を調整するための水蒸気分離器ヒータと、
構成機器が収納されるパッケージ内の温度を調整するためのパッケージ温度調整用ヒータと、
前記パッケージ内の温度を検出する温度センサと、を備え、
前記温度センサで検出されるパッケージ内温度が、予め設定した規定温度以下のときに、前記調整用負荷として前記パッケージ温度調整用ヒータを用い、
前記パッケージ内温度が前記規定温度を上回るときには前記調整用負荷として前記水蒸気分離器ヒータを用いることを特徴とする燃料電池発電装置の制御方法。 - 前記パッケージ温度調整用ヒータの負荷量を調整する処理は、前記燃料電池本体の発電電力の出力特性が、予め設定した出力特性の許容範囲に収まるように前記パッケージ温度調整用ヒータの負荷量を調整する第1の負荷量調整処理と、
前記負荷量合計値が前記所定値となるように前記パッケージ温度調整用ヒータの負荷量を調整する第2の負荷量調整処理と、
からな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の制御方法。 - 前記第1の負荷量調整処理を、前記第2の負荷量調整処理よりも優先することを特徴とする請求項3記載の燃料電池発電装置の制御方法。
- 系統電源とは独立に燃料電池から負荷に電力供給を行う自立運転中に、前記負荷と調整用負荷との負荷量合計値が所定値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合計値調整手段を備えた燃料電池発電装置であって、
構成機器が収納されるパッケージ内の温度を調整するためのパッケージ温度調整用ヒータを有し、
前記負荷量合計値調整手段は前記調整用負荷として前記パッケージ温度調整用ヒータを用いることを特徴とする燃料電池発電装置。 - 系統電源とは独立に燃料電池から負荷に電力供給を行う自立運転中に、前記負荷と調整用負荷との負荷量合計値が所定値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合計値調整手段を備えた燃料電池発電装置であって、
燃料電池本体と、
該燃料電池本体に冷却水を供給する水蒸気分離器と、
該水蒸気分離器の温度を調整するための水蒸気分離器ヒータと、
構成機器が収納されるパッケージ内の温度を調整するためのパッケージ温度調整用ヒータと、
前記パッケージ内の温度を検出する温度センサと、を備え、
前記負荷量合計値調整手段は、
前記温度センサで検出されるパッケージ内温度が、予め設定した規定温度以下のときに、前記調整用負荷として前記パッケージ温度調整用ヒータを用い、
前記パッケージ内温度が前記規定温度を上回るときには前記調整用負荷として前記水蒸気分離器ヒータを用いることを特徴とする燃料電池発電装置。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2009152141A JP2011009099A (ja) | 2009-06-26 | 2009-06-26 | 燃料電池発電装置の制御方法及び燃料電池発電装置 |
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JP2009152141A JP2011009099A (ja) | 2009-06-26 | 2009-06-26 | 燃料電池発電装置の制御方法及び燃料電池発電装置 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2009
- 2009-06-26 JP JP2009152141A patent/JP2011009099A/ja active Pending
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