JP2019040663A - 発電装置、制御装置、および制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】ユーザビリティの向上に資する発電装置、制御装置、および制御プログラムを提供する。【解決手段】発電装置１は、燃料電池２４と、燃料電池２４に供給される燃料ガスに原燃料ガスを改質する改質部２２と、制御部１０と、を備える。制御部１０は、改質部２２に供給される改質水の流量を制御する。また、制御部１０は、改質部２２に関連する温度に応じて、改質部２２に供給される改質水の流量を増やすように制御する。【選択図】図３

Description

本開示は、発電装置、制御装置、および制御プログラムに関する。

固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell（以下、ＳＯＦＣと記す））等のような燃料電池を備える発電装置には、改質器を備えるものがある。改質器は、原燃料ガス及び改質水を供給されて、例えば水素のような燃料ガスを生成する（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７−０１６８１６号公報

燃料電池を備える発電システムにおいては、発電開始前の起動時などに、燃料電池および／または改質器などの温度を適切に制御するのが望ましい。このような制御により、発電を良好に開始したり、燃料電池の劣化を軽減したりできれば、ユーザビリティの向上に資する。

本開示の目的は、ユーザビリティの向上に資する発電装置、制御装置、および制御プログラムを提供することにある。

一実施形態に係る発電装置は、
燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガスに原燃料ガスを改質する改質部と、制御部と、を備える。
前記制御部は、前記改質部に供給される改質水の流量を制御する。
また、前記制御部は、前記改質部に関連する温度に応じて、前記改質部に供給される改質水の流量を増やすように制御する。

一実施形態に係る制御装置は、
燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガスに原燃料ガスを改質する改質部と、を備える発電装置を制御する。
前記制御装置は、前記改質部に供給される改質水の量を制御する。
また、前記制御装置は、前記改質部に関連する温度に応じて、前記改質部に供給される改質水の流量を増やすように制御する。

一実施形態に係る制御プログラムは、
燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガスに原燃料ガスを改質する改質部と、を備える発電装置を制御する制御装置に、
前記改質部に供給される改質水の量を制御するステップと、
前記改質部に関連する温度に応じて、前記改質部に供給される改質水の流量を増やすように制御するステップと、
を実行させる。

一実施形態に係る発電装置、制御装置および制御プログラムによれば、ユーザビリティを向上させることができる。

一実施形態に係る発電装置の構成を概略的に示す機能ブロック図である。 一実施形態に係る発電装置の構成を部分的により詳細に示す機能ブロック図である。 一実施形態に係る発電装置の構成を部分的により詳細に示す機能ブロック図である。 一実施形態に係る発電装置の動作の一例を説明するフローチャートである。 一実施形態に係る発電装置の構成の変形例を概略的に示す機能ブロック図である。

以下、本開示の一実施形態について、図面を参照して説明する。まず、本実施形態に係る発電装置の構成を説明する。

図１は、一実施形態に係る発電装置の構成を概略的に示す機能ブロック図である。また、図２および図３は、図１に示した発電装置の構成の一部を、より詳細に示す機能ブロック図である。

図１に示すように、本実施形態に係る発電装置（発電ユニット）１は、貯湯タンク６０と、負荷１００と、商用電源（grid）２００とに接続される。また、図１に示すように、発電装置１は、外部から原燃料ガス、水、および空気が供給されることにより発電し、発電した電力を負荷１００等に供給する。

図１に示すように、発電装置１は、制御部１０と、記憶部１２と、燃料電池モジュール２０と、原燃料ガスを供給するガス供給部３２と、改質水を供給する改質水供給部３４と、酸素含有ガスとしての空気を供給する空気供給部３６と、インバータ４０と、排熱回収処理部５０と、循環水処理部５２とを備える。

発電装置１は、以下にさらに詳細に述べられるように、種々の機能を実行するための制御および処理能力を提供するために、制御部１０として少なくとも１つのプロセッサを含む。種々の実施形態によれば、少なくとも１つのプロセッサは、単一の集積回路（ＩＣ）として、または複数の通信可能に接続された集積回路、および／またはディスクリート回路（discrete circuits）として実現されてもよい。少なくとも１つのプロセッサは、種々の既知の技術に従って実現されることが可能である。

ある実施形態において、プロセッサは、１以上のデータ計算手続または処理を実行するために構成された、１以上の回路またはユニットを含む。例えば、プロセッサは、１以上のプロセッサ、コントローラ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、デジタル信号処理装置、プログラマブルロジックデバイス、フィールドプログラマブルゲートアレイ、またはこれらのデバイス若しくは構成の任意の組み合わせ、または他の既知のデバイス若しくは構成の組み合わせを含むことにより、以下に説明する機能を実行してもよい。

制御部１０は、記憶部１２と、燃料電池モジュール２０と、ガス供給部３２と、改質水供給部３４と、空気供給部３６と、インバータ４０とに接続され、これらの各機能部をはじめとして発電装置１の全体を制御および管理する。制御部１０は、記憶部１２に記憶されているプログラムを取得して、このプログラムを実行することにより、発電装置１の各部に係る種々の機能を実現する。制御部１０から他の機能部に制御信号または各種の情報などを送信する場合、制御部１０と他の機能部とは、有線または無線により接続されていればよい。制御部１０が行う本実施形態に特徴的な制御については、さらに後述する。また、本実施形態において、制御部１０は、燃料電池モジュール２０に含まれるセルスタックの稼働時間（例えば発電時間）を計測するなど、所定の時間を計測することができるものとする。

記憶部１２は、制御部１０から取得した情報を記憶する。また記憶部１２は、制御部１０によって実行されるプログラム等を記憶する。その他、記憶部１２は、例えば制御部１０による演算結果などの各種データも記憶する。さらに、記憶部１２は、制御部１０が動作する際のワークメモリ等も含むことができるものとして、以下説明する。記憶部１２は、例えば半導体メモリまたは磁気ディスク等により構成することができるが、これらに限定されず、任意の記憶装置とすることができる。例えば、記憶部１２は、光ディスクのような光学記憶装置としてもよいし、光磁気ディスクなどとしてもよい。

図１に示す燃料電池モジュール２０は、図２により詳細に示すように、改質器２２と、セルスタック２４と、温度センサ８２とを備えている。図２においては、図１に示した発電装置１のうち、制御部１０、燃料電池モジュール２０、および空気供給部３６のみを示し、その他の機能部は省略している。図２に示すように、本実施形態において、燃料電池モジュール２０は、２つの改質器２２Ａおよび改質器２２Ｂと、４つのセルスタック２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｄとを備えている。以下、改質器２２Ａと改質器２２Ｂとを特に区別しない場合、単に、改質器２２のように総称する。同様に、以下、セルスタック２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｄを特に区別しない場合、単に、セルスタック２４のように総称する。このように、本実施形態において、発電装置１は、燃料電池モジュール２０を備えている。この燃料電池モジュール２０は、燃料電池（セルスタック２４）を含む。

燃料電池モジュール２０のセルスタック２４は、改質器２２から供給される燃料ガス、および空気供給部３６から供給される酸素含有ガスである空気を用いて発電する。燃料ガスは、例えば水素を含む。燃料電池モジュール２０内で発電した直流電力は、インバータ４０に出力される。燃料電池モジュール２０は、ホットモジュールとも呼ばれる。燃料電池モジュール２０において、セルスタック２４は、発電に伴い発熱する。本開示において、実際に発電を行うセルスタック２４を、適宜、「燃料電池」と記す。また、本開示において、セルスタック２４を含めた任意の機能部を、適宜、「燃料電池」と総称することがある。例えば、「燃料電池」としては、単体のセル、セルスタック、または燃料電池モジュールなどが挙げられる。図２に示す例においては、発電装置１は４つの燃料電池を備えているが、本実施形態に係る発電装置は、１つ以上の任意の数の燃料電池を備えてもよい。

改質器２２は、ガス供給部３２から供給される原燃料ガス、および、改質水供給部３４から供給される改質水を用いて、例えば、水素および／または一酸化炭素のような燃料ガスを生成する。すなわち、改質器２２は、ガス供給部３２から供給される原燃料ガスを、セルスタック２２に供給される燃料ガスに改質する。例えば、改質器２２は、改質水供給部３４から供給される改質水を用いて水蒸気を生成する。さらに、改質器２２は、生成した水蒸気を用いた水蒸気改質により、ガス供給部３２から供給される原燃料ガスを用いて、水素および／または一酸化炭素のような燃料ガスを生成する。セルスタック２４は、改質器２２で生成された水素および／または一酸化炭素のような燃料ガスと、空気中の酸素とを反応させることにより、発電する。すなわち、本実施形態において、セルスタック２４は、電気化学反応により発電する。

改質器２２は、実際の構成としては、セルスタック２４の上方に設置されてもよい。改質器２２の出口には、セルスタック２４の下方に出口のある配管が設置されている。改質器２２は、この配管を通して、改質器２２において生成された水素および／または一酸化炭素を、セルスタック２４に供給する。

図２に示すように、改質器２２Ａおよび改質器２２Ｂには、それぞれ別個にガス供給部３２から原燃料ガスが供給される。また、図２に示すように、改質器２２Ａはセルスタック２４Ａおよび２４Ｂに接続され、改質器２２Ｂはセルスタック２４Ｃおよび２４Ｄに接続される。これらの接続により、改質器２２Ａおよび改質器２２Ｂは、それぞれセルスタック２４Ａ，２４Ｂおよびセルスタック２４Ｃ，２４Ｄに、水素および／または一酸化炭素のような燃料ガスを供給することができる。このように、本実施形態において、改質器２２Ａは、ガス供給部３２からセルスタック２４Ａ，２４Ｂに供給される原燃料ガスを、燃料ガスに改質する。また、本実施形態において、改質器２２Ｂは、ガス供給部３２からセルスタック２４Ｃ，２４Ｄに供給される原燃料ガスを、燃料ガスに改質する。

以下、セルスタック２４は、ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）であるとして説明する。しかしながら、本実施形態に係るセルスタック２４はＳＯＦＣに限定されない。本実施形態に係るセルスタック２４は、例えば固体高分子形燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell（ＰＥＦＣ））、リン酸形燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell（ＰＡＦＣ））、および溶融炭酸塩形燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell（ＭＣＦＣ））などのような燃料電池で構成してもよい。なお、セルスタック２４が例えばＰＥＦＣ等、ＳＯＦＣと異なるタイプの場合、セルスタック２４は、改質器２２と同じ筺体内に含まれなくてもよく、前述したような燃料電池モジュール２０を有していなくてもよい。また、セルスタック２４が例えばＰＥＦＣ等、ＳＯＦＣと異なるタイプの場合、セルスタック２４と改質器２２が同じ筺体内であっても近傍に位置しなくてもよい。また、本実施形態において、セルスタック２４は、図２に示すように、例えば単体で７００Ｗ程度の発電ができるものを４つ備えている。この場合、燃料電池モジュール２０は、全体として３ｋＷ程度の電力を出力することができる。しかしながら、本実施形態に係るセルスタック２４および燃料電池モジュール２０は、このような構成に限定されるものではなく、種々の構成を採用することができる。例えば、本実施形態に係る燃料電池モジュール２０は、１つ以上の任意の個数のセルスタック２４を備えてもよい。本実施形態において、発電装置１は、ガスを利用して発電を行う燃料電池を備えていればよい。したがって、例えば、発電装置１は、燃料電池として、セルスタック２４ではなく、単に１つのみのセルを備える燃料電池を複数備えてもよい。また、本実施形態に係る燃料電池は、例えばＰＥＦＣのように、モジュールのない燃料電池としてもよい。

図１に示すガス供給部３２は、図２により詳細に示すように、２つの流量計９２Ａおよび９２Ｂと、２つのガスポンプ９４Ａおよびガスポンプ９４Ｂと、を備えている。以下、流量計９２Ａと流量計９２Ｂとを特に区別しない場合、単に、流量計９２のように総称する。同様に、以下、空気ブロワ９４Ａと空気ブロワ９４Ｂとを特に区別しない場合、単に、空気ブロワ９４のように総称する。

ガス供給部３２は、燃料電池モジュール２０の改質器２２に原燃料ガスを供給する。このとき、ガス供給部３２は、制御部１０からの制御信号に基づいて、改質器２２に供給する燃料ガスの流量を制御する。またガス供給部３２は、原燃料ガスの脱硫処理を行ってもよいし、原燃料ガスを予備的に加熱してもよい。原燃料ガスは、例えば、都市ガス、またはＬＰＧ等であるが、これらに限定されない。例えば、原燃料ガスは、燃料電池に応じて、天然ガスまたは石炭ガスなどとしてもよい。ガス供給部３２の構成については、さらに後述する。

図２に示すように、ガス供給部３２に供給される原燃料ガスは、１つの供給源から２つの経路に分岐されて、それぞれ流量計９２Ａおよび流量計９２Ｂに供給される。また、図２に示すように、流量計９２Ａはガスポンプ９４Ａに接続され、流量計９２Ｂはガスポンプ９４Ｂに接続される。これらの接続により、ガスポンプ９４Ａおよびガスポンプ９４Ｂは、それぞれ流量計９２Ａおよび流量計９２Ｂを経た原燃料ガスを、それぞれ改質器２２Ａおよび改質器２２Ｂに供給することができる。図２に示すように、ガス供給部３２が供給する原燃料ガスの経路は、流量計９２Ａおよびガスポンプ９４Ａを経る第１のガスラインと、流量計９２Ｂおよびガスポンプ９４Ｂを経る第２のガスラインとを有している。本実施形態において、ガスポンプ９４Ａは改質器２２Ａに原燃料ガスを供給し、ガスポンプ９４Ｂはセル改質器２２Ｂに原燃料ガスを供給する。このように、本実施形態において、ガス供給部３２は、燃料電池モジュール２０（の改質器２２）に原燃料ガスを供給する。図２に示す例においては、１つの供給源から２つの経路に分岐された原燃料ガスが、それぞれ流量計９２Ａおよび９２Ｂに供給されている。しかしながら、例えば流量計９２Ａおよび９２Ｂには、それぞれ別個の供給源から原燃料ガスが供給されるようにしてもよい。

流量計９２Ａおよび９２Ｂは、それぞれを経て流れる原燃料ガスの流量を測定する。ここで、流量計９２Ａおよび９２Ｂがそれぞれ計測する原燃料ガスの流量とは、例えば、単位時間あたりに原燃料ガスが流量計９２Ａまたは９２Ｂを経て移動する量とすることができる。流量計９２Ａおよび９２Ｂは、原燃料ガスの流量を計測できるものであれば、任意のものを採用することができる。

ガスポンプ９４Ａおよび９４Ｂは、それぞれ流量計９２Ａおよび９２Ｂを経た原燃料ガスを、燃料電池モジュール２０の改質器２２Ａおよび改質器２２Ｂにそれぞれ送出する。ガスポンプ９４Ａおよび９４Ｂは、改質器２２Ａおよび２２Ｂに原燃料ガスを送出できるものであれば、任意のものを採用することができる。

図２に示すように、ガス供給部３２は、制御部１０と有線または無線により通信可能に接続される。流量計９２Ａおよび流量計９２Ｂがそれぞれ計測した原燃料ガスの流量の情報は、制御部１０に送信される。これにより、制御部１０は、流量計９２Ａおよび流量計９２Ｂがそれぞれ計測した原燃料ガスの流量を把握することができる。また、制御部１０は、ガス供給部３２と通信可能に接続されることにより、ガスポンプ９４Ａおよび９４Ｂがそれぞれ改質器２２Ａおよび２２Ｂに送出するガスの流量を調整（増減）することができる。したがって、本実施形態において、制御部１０は、改質器２２Ａに供給される原燃料ガスの流量および改質器２２Ｂに供給され原燃料ガスの流量を調整することができる。

本実施形態に係る発電装置において、ガス供給部３２は、図２に示すような構成に限定されるものではない。例えば、図２に示すガス供給部３２においては、流量計９２は、ガスポンプ９４によって送出される前の原燃料ガスの流量を測定している。しかしながら、ガス供給部３２において、流量計９２は、ガスポンプ９４によって送出された後の原燃料ガスの流量を測定してもよい。

図１に示す改質水供給部３４は、図３により詳細に示すように、改質水タンク９６と、２つの改質水ポンプ９８Ａおよび改質水ポンプ９８Ｂと、を備えている。図３においては、図１に示した発電装置１のうち、制御部１０、燃料電池モジュール２０、および改質水供給部３４のみを示し、その他の機能部は省略している。以下、改質水ポンプ９８Ａと改質水ポンプ９８Ｂとを特に区別しない場合、単に、改質水ポンプ９８のように総称する。

改質水供給部３４は、燃料電池モジュール２０の改質器２２に改質水を供給する。このとき、改質水供給部３４は、制御部１０からの制御信号に基づいて、改質器２２に供給する改質水の流量を制御する。改質水供給部３４は、セルスタック２４の排気から回収された水を原料として改質水を生成してもよい。

図３に示すように、改質水供給部３４に供給される改質水は、１つの供給源から改質水タンク９６に蓄えられ、それから２つの経路に分かれて、それぞれ改質器２２Ａおよび改質器２２Ｂに供給される。

改質水タンク９６は、改質水を溜めておくことができる。改質水タンク９６は、必要に応じて、改質水の凍結を防止する凍結防止ヒータ等を備えてもよい。改質水タンク９６は、適宜、外部から改質水を供給されたり、または外部に改質水を排出したりする機構を備えてもよい。

図３に示すように、改質水ポンプ９８Ａは、改質水タンク９６と、改質器２２Ａとを物理的に接続することで、改質水の１つの経路を形成している。同様に、改質水ポンプ９８Ｂは、改質水タンク９６と、改質器２２Ｂとを物理的に接続することで、改質水の１つの経路を形成している。改質水ポンプ９８は、改質水タンク９６から汲み上げた改質水を、改質器２２に送出する。改質水ポンプ９８は、改質水タンク９６の改質水を改質器２２に送出できるものであれば、任意のものを採用してもよい。例えば、改質水ポンプ９８は、ポンプモータ式のポンプ等としてもよい。

図２に示す例においては、１つの改質水タンク９６から２つの経路に分岐された改質水が、それぞれ改質水ポンプ９８Ａおよび改質水ポンプ９８Ｂに汲み上げられる。しかしながら、例えば改質水ポンプ９８Ａおよび改質水ポンプ９８Ｂには、それぞれ別個の改質水タンクから改質水が供給されるようにしてもよい。

図２に示すように、改質水供給部３４は、制御部１０と有線または無線により通信可能に接続される。これにより、制御部１０は、改質水ポンプ９８Ａおよび改質水ポンプ９８Ｂがそれぞれ改質器２２Ａおよび２２Ｂに供給する改質水の流量を調整（増減）することができる。したがって、本実施形態において、制御部１０は、改質器２２Ａに供給される改質水の流量および改質器２２Ｂに供給される改質水の流量を調整することができる。

空気供給部３６は、図１および図２に示すように、燃料電池モジュール２０のセルスタック２４に空気を供給する。このとき、空気供給部３６は、制御部１０からの制御信号に基づいて、セルスタック２４に供給する空気の流量を制御する。本実施形態において、空気供給部３６は、例えば空気ブロワ等によって構成することができる。また空気供給部３６は、外部から取り込んだ空気を予備的に加熱して、セルスタック２４に供給してもよい。空気を加熱する熱源として、セルスタック２４の排熱が利用されてもよい。本実施形態において、空気供給部３６は、セルスタック２４が発電する際の電気化学反応に用いられる空気を供給する。空気供給部３６が供給する気体は空気に限定されず、水素等の燃料ガスと反応して発電できる気体であればよい。例えば、空気供給部３６は、酸素を含有する空気以外の気体を供給してもよい。

空気供給部３６は、セルスタック２４の下方に出口のある配管を通して、空気をセルスタック２４に供給する。

図１に示すインバータ４０は、燃料電池モジュール２０内のセルスタック２４に電気的に接続される。インバータ４０は、セルスタック２４が発電した直流電力を、交流電力に変換する。インバータ４０から出力される交流電力は、分電盤などを介して、負荷１００に供給される。負荷１００は、分電盤などを介して、インバータ４０から出力された電力を受電する。図１において、負荷１００は、１つのみの部材として図示してあるが、負荷を構成する任意の個数の各種電気機器とすることができる。また、負荷１００は、分電盤などを介して、商用電源２００から受電することもできる。図１に示すように、インバータ４０と制御部１０とは、有線または無線により通信可能に接続されるようにしてもよい。この接続により、制御部１０は、インバータ４０による交流電力の出力を制御することができる。

排熱回収処理部５０は、セルスタック２４の発電により生じる排気から排熱を回収する。排熱回収処理部５０は、例えば熱交換器等で構成することができる。排熱回収処理部５０は、循環水処理部５２および貯湯タンク６０に接続される。

循環水処理部５２は、貯湯タンク６０から排熱回収処理部５０へ水を循環させる。排熱回収処理部５０に供給された水は、排熱回収処理部５０で回収された排熱によって加熱され、貯湯タンク６０に戻る。排熱回収処理部５０は、排熱を回収した排気を外部に排出する。

貯湯タンク６０は、排熱回収処理部５０および循環水処理部５２に接続される。貯湯タンク６０は、燃料電池モジュール２０のセルスタック２４などから回収された排熱を利用して生成された湯を、貯えることができる。

図２に示すように、発電装置１は、改質器２２に関連する温度を検出する温度センサ８２を備えている。図２に示すように、本実施形態において、燃料電池モジュール２０は、２つの温度センサ８２Ａおよび８０Ｂを備えている。図２に示すように、温度センサ８２Ａは改質器２２Ａに関連する温度を検出し、温度センサ８２Ｂは改質器２２Ｂに関連する温度を検出する。以下、温度センサ８２Ａ，８２Ｂを特に区別しない場合、単に、温度センサ８２のように総称する。

ここで、温度センサ８２が検出する「改質器２２に関連する温度」とは、改質器２２に関する各部位の温度とすることができる。例えば、温度センサ８２は、図２に示すように、改質器２２近傍の温度を検出する位置に設置することができる。ここで、温度センサ８２が温度を検出する改質器２２近傍とは、発電装置１において改質器２２に関連する温度の測定に好適な位置、例えば改質器２２が発生する熱が適度に伝導する位置とすることができる。例えば、温度センサ８２が温度を検出する改質器２２近傍とは、改質器２２から燃料ガスが送出される出口（以下、「改質出口」と記す）近傍の温度としてもよい。また、本実施形態において、温度センサ８２が温度を検出する改質器２２近傍とは、例えば改質器２２全体の温度としてもよいし、改質器２２内部の温度などとしてもよい。以下、温度センサ８０が温度を検出する改質器２２近傍とは、改質出口の温度（以下、適宜「改質出口温度」と記す）とする場合について説明する。

温度センサ８２は、例えば熱電対などにより構成することができる。この場合、例えば、改質器２２から燃料ガスが送出される出口付近に、熱電対の温度検出部が挿入されるようにしてもよい。一方、温度センサ８２は、当該温度センサ８２を構成する素材によっては、過度の高熱を計測できない場合も想定される。このような場合、温度センサ８２は、例えば改質器２２から離れているが、改質器２２が発生する熱が伝導する位置における温度を検出してもよい。

温度センサ８２は、熱電対に限定されず、温度を測定できる部材であれば、任意のものを採用することができる。例えば、温度センサ８２は、サーミスタまたは白金測温抵抗体としてもよい。温度センサ８２は、制御部１０に接続される。このため、図２に示すように、燃料電池モジュール２０は、制御部１０と有線または無線により通信可能に接続される。温度センサ８２は、検出した温度に基づく信号を制御部１０に送信する。この信号を受信することで、制御部１０は、改質器２２に関連する温度を把握することができる。

次に、本実施形態に係る発電装置１の動作について説明する。

まず、本実施形態に係る発電装置１は、上述したように、制御部１０は、改質器２２に供給される改質水の流量を制御する。ここで、制御部１０は、改質水供給部３４を制御することで、改質器２２に供給される改質水の流量を制御することができる。また、本実施形態において、改質器２２は、原燃料ガスを、セルスタック２４に供給される燃料ガスに改質する。

本実施形態に係る発電装置１は、例えば起動時などにおいて、改質器２２に関連する温度に応じて、改質器２２に供給される改質水を増やす。これにより、本実施形態に係る発電装置１は、改質器２２および／またはセルスタック２４の温度が過度に上昇することを防ぐことができる。また、発電装置１は、図３に示すように、改質水の経路を２つ有している。すなわち、発電装置１は、改質水タンク９６から改質水ポンプ９８Ａを経た改質水が改質器２２Ａに供給される経路と、改質水タンク９６から改質水ポンプ９８Ｂを経た改質水が改質器２２Ｂ供給される経路とを有している。このように、改質水の経路が複数ある場合、本実施形態に係る発電装置１において、制御部１０は、原燃料ガスを燃料ガスに改質する複数の改質器２２ａ，２２Ｂにそれぞれの経路を経て供給される改質水の流量を、それぞれの経路ごとに制御してもよい。これにより、本実施形態に係る発電装置１は、改質器２２Ａと改質器２２Ｂとにおける温度差が大きくならないようにする。

ここで、本実施形態に係る発電装置１において、制御部１０が、改質器２２に供給される改質水の流量を制御する構成について説明する。本実施形態においては、スチームカーボン比に基づいて、改質器２２に所定の燃料ガスとともに供給すべき改質水の流量を決めることができる。ここで、スチームカーボン比とは、原料炭化水素に含まれる炭素と、反応の際に添加する水蒸気のモル比である。以下、スチームカーボン比を、単に「Ｓ／Ｃ」と記す。ここで、スチーム（Ｓ）は、改質水に含まれるスチーム（Ｈ_２Ｏ）の量を示す。また、カーボン（Ｃ）は、燃料ガスの成分に含まれる炭素の量を示す。本実施形態においては、スチームの流量を変更して、Ｓ／Ｃを制御することができる。したがって、制御部１０は、改質水供給部３４が改質器２２に供給する改質水の流量を制御することにより、スチームの流量を制御（増減）することができる。

本実施形態において、Ｓ／ＣのうちＣは、例えば、原燃料ガスを供給するガス供給部３２において、流量計９２が計測する燃料ガスの流量から算出することができる。また、本実施形態において、Ｓ／ＣのうちＳは、例えば、改質水を供給する改質水供給部３４において、流量を算出することができる。具体的には、改質水ポンプ９８がポンプモータを用いている場合には、ポンプモータの単位時間あたりの回転数などから、改質水の流量を算出することができる。以下に説明するように、本実施形態において、制御部１０は、所定の条件に基づいてＳ／Ｃの目標値を設定し、当該目標値に向けて改質水および／または原燃料ガスの流量を制御する。

図４は、本実施形態に係る発電装置１の動作の例を説明するフローチャートである。

図４に示す処理が開始すると、制御部１０は、発電装置１の起動処理を行う（ステップＳ１１）。ステップＳ１１においては、発電装置１の起動処理として、例えば、燃料電池モジュール２０のセルスタック２４が発電できる状態になる前段階の処理としてよい。また、発電装置１の起動処理として、各機能部の初期化をはじめとして各種の処理を行ってもよい。例えば、ステップＳ１１において行う起動処理とは、以下のような処理とすることができる。すなわち、起動時において、改質器２２に改質水が供給されていない場合、制御部１０は、改質水供給部３４から燃料電池モジュール２０の改質器２２に改質水が供給されるように制御する。そして、制御部１０は、各セルスタック２４において、燃焼触媒を暖めるために、セルスタック２４の温度が上昇するように温度制御を行う。これにより、セルスタック２４に燃料ガスを供給する前に、燃焼触媒を活性化させることができる。すなわち、このような温度制御により、改質器２２からセルスタック２４に燃料ガスが供給される前であって、改質器２２において改質が行われる前の段階において、セルスタック２４を温めることができる。このようにして、セルスタック２４を通過して温められた原燃料ガスまたは燃料排ガスにより燃焼触媒を温めることができる。ステップＳ１１において行う、その他の起動処理については、通常の燃料電池モジュール２０の起動と同様に行うことができるため、より詳細な説明は省略する。

このように、本実施形態において、制御部１０は、発電装置１の起動時において、改質器２２に供給される改質水の流量を制御してもよい。また、制御部１０は、発電装置１の起動時であって発電前において、改質器２２に供給される改質水の流量を制御してもよい。また、制御部１０は、発電装置１の停止時において、改質器２２に供給される改質水の流量を制御してもよい。

ステップＳ１１における起動処理が行われたら、制御部１０は、温度センサ８２が検出する改質部に関連する温度が所定の閾値以上であるか否か判定する（ステップＳ１２）。以下、改質部（改質器２２）に関連する温度は、改質出口温度Ｔｒである場合について説明する。また、所定の閾値は、５００℃である場合について説明する。これは、改質出口温度Ｔｒが５００℃程度以上になると、水蒸気改質反応が進み、水素が十分生成されるため、火炎が安定する傾向にあることによる。このようにして火炎が安定すれば、失火が生じるリスクが低くなるため、Ｓ／Ｃの目標値を高く設定することが可能になる。

ステップＳ１２において改質出口温度Ｔｒが５００℃以上でない、すなわち５００℃未満であると判定されたら、制御部１０は、ステップＳ１３の処理に移行する。ステップＳ１３において、制御部１０は、Ｓ／Ｃの目標値を、一例として、固定値である２．５に設定する（ステップＳ１３）。この数値２．５は、例えば、Ｓ／Ｃの目標値の初期値としてもよい。

一方、ステップＳ１２において改質出口温度Ｔｒが５００℃以上であると判定されたら、制御部１０は、Ｓ／Ｃの目標値を、改質出口温度Ｔｒに応じて設定する（ステップＳ１４）。ステップＳ１４においては、次の式（１）に従って算出した値を、Ｓ／Ｃの目標値として設定する。
Ｓ／Ｃ目標値＝２．５＋（改質出口温度Ｔｒ−５００）／１００ 式（１）
すなわち、この場合、Ｓ／Ｃの目標値の初期値に対して、改質出口温度Ｔｒに応じた加算分を付加する。

ステップＳ１３またはステップＳ１４においてＳ／Ｃの目標値が設定されたら、制御部１０は、設定された目標値に向けて改質水などの供給を開始する（ステップＳ１５）。ステップＳ１５においては、制御部１０は、Ｓ／Ｃが設定された目標値に近づくように、改質水および／または原燃料ガスの流量を制御する。具体的には、制御部１０は、改質水を供給する改質水供給部３４および／または原燃料ガスを供給するガス供給部３２を制御することで、それぞれの流量を制御することができる。

このように、本実施形態において、制御部１０は、改質器２２に関連する温度に応じて、改質器２２に供給される改質水の流量を増やすように制御する。この場合、制御部１０は、改質器２２に関連する温度が所定の閾値（例えば５００℃）以上であると、当該温度に応じて、改質器２２に供給される改質水の流量を増やすように制御してもよい。また、制御部１０は、改質器２２に関連する温度が所定の閾値（例えば５００℃）未満であると、改質器２２に供給される改質水の流量が不変になるように制御してもよい。

上記のような制御において、制御部１０は、改質器２２に供給される燃料ガスに含まれる炭素に対して、改質器２２に供給される改質水に含まれるスチームのモル比（Ｓ／Ｃ）を増やすように制御してもよい。

以上説明したように、本実施形態に係る発電装置１は、改質出口温度Ｔｒが高くなるに従って、改質器２２に供給される改質水の流量を増やすように制御する。このため、本実施形態に係る発電装置１は、改質器２２／セルスタック２４の温度が過度に高くならないようにすることができる。したがって、本実施形態に係る発電装置１は、燃料電池（セルスタック２４）の劣化の進行度合いを抑制することができる。

また、本実施形態に係る発電装置１は、改質水供給部３４から改質器２２に改質水が供給される経路を複数有する場合、そのそれぞれの経路において、改質水の流量を制御する。したがって、改質器２２を複数備える場合に、それぞれの温度を独立に制御するため、複数の改質器２２に関連する温度のばらつきを小さくし、それぞれの温度差が大きくならないように制御することができる。

例えば、複数の改質器２２のそれぞれについて個別に温度管理する構成においては、複数の改質器２２に関連する温度のばらつきが大きいと、起動時に次のフェーズの動作にスムーズに移行できないことも想定される。また、例えば、複数の改質器２２の全てについて一括して同じ温度管理を行う構成においては、複数の改質器２２に関連する温度のばらつきが大きいと、まだ適切な温度に達していない改質器２２も次のフェーズに進んでしまうことが懸念される。しかしながら、本実施形態に係る発電装置１は、複数の改質器２２に関連する温度のばらつきを小さくし、それぞれの温度差が大きくならないように制御することができる。したがって、本実施形態に係る発電装置１によれば、起動時などに次のフェーズの動作にスムーズに移行することができ、発電を良好に開始することができる。

以上説明したように、本実施形態に係る発電装置１によれば、ユーザビリティの向上に資することができる。

上述した改質部に関連する温度の所定の閾値およびＳ／Ｃの目標値などの各数値は、本実施形態に係る発電装置１の構成・仕様によるものとして例示したものである。したがって、本実施形態において、上述の各数値は、発電装置の構成・仕様または要求などに応じて、適宜設定することができる。

本発明を諸図面および実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形および修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形および修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各機能部、各手段、各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の機能部およびステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。また、上述した本発明の各実施形態は、それぞれ説明した各実施形態に忠実に実施することに限定されるものではなく、適宜、各特徴を組み合わせたり、一部を省略したりして実施することもできる。

以上の開示においては、本実施形態として、ＳＯＦＣとするセルスタック２４を備える発電装置１について説明した。しかしながら、上述したように、本実施形態に係る発電装置１は、ＳＯＦＣを備えるものに限定されず、例えばモジュールのないＰＥＦＣなど、各種の燃料電池を備えるものとすることができる。本開示において「燃料電池」とは、例えば発電システム、発電ユニット、燃料電池モジュール、ホットモジュール、セルスタック、またはセルなどを意味する。また、本開示における「燃料電池」は、燃料電池車に搭載される燃料電池であってもよい。

上述した実施形態において、発電装置１は、図２に示したように、４つのセルスタック２４と、２つの改質器２２とを備える例について説明した。しかしながら、本実施形態において、セルスタック２４および改質器２２の個数はそれぞれ限定されるものではない。本実施形態において、セルスタック２４および改質器２２は、それぞれ１つ以上の任意の個数としてもよい。改質器２２が複数の場合、上述した改質器に関連する温度は、複数の改質器２２に関連する温度のうち最大値、最小値、または平均値などに基づいて決めてもよい。また、セルスタック２４が複数の場合、上述した燃料電池に関連する温度は、複数の改質器２２のうち全部ではなく一部の温度に基づいて、決めてもよい。

本開示の実施形態は、図１に示す発電装置１の制御部１０および記憶部１２に相当する機能ブロックを、発電装置１の外部に有する構成として実現することもできる。このような実施形態の一例を図５に示す。図５に示す例においては、発電装置１を外部から制御する制御装置２は、制御部１０と、記憶部１２とを備える。図５に示す制御装置２の制御部１０および記憶部１２の機能は、図１に示す発電装置１の制御部１０および記憶部１２の機能とそれぞれ同等である。すなわち、本実施形態に係る制御装置２は、燃料電池（セルスタック２４）を備える発電装置を制御する。制御装置２は、改質部に供給される改質水の量を制御する。また、制御装置２は、改質部に関連する温度に応じて、改質部に供給される改質水の流量を増やすように制御する。

また、本開示の実施形態は、例えば、図５に示す制御装置２に実行させる制御プログラムとして実現することもできる。すなわち、本実施形態に係る制御プログラムは、燃料電池（セルスタック２４）を備える発電装置１を制御する制御装置２に、以下のステップを実行させる。すなわち、本実施形態に係る制御プログラムは、制御装置２に、改質部に供給される改質水の量を制御するステップを実行させる。また、本実施形態に係る制御プログラムは、制御装置２に、改質部に関連する温度に応じて、改質部に供給される改質水の流量を増やすように制御するステップを実行させる。

１ 発電装置
２ 制御装置
１０ 制御部
１２ 記憶部
２０ 燃料電池モジュール
２２ 改質器
２４ セルスタック
３２ ガス供給部
３４ 改質水供給部
３６ 空気供給部
４０ インバータ
５０ 排熱回収処理部
５２ 循環水処理部
６０ 貯湯タンク
８２ 温度センサ
９２ 流量計
９４ ガスポンプ
９６ 改質水タンク
９８ 改質水ポンプ
１００ 負荷
２００ 商用電源

Claims (11)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池に供給される燃料ガスに原燃料ガスを改質する改質部と、
   前記改質部に供給される改質水の流量を制御する制御部と、
   を備える発電装置であって、
   前記制御部は、前記改質部に関連する温度に応じて、前記改質部に供給される改質水の流量を増やすように制御する、発電装置。
2. 前記制御部は、前記発電装置の起動時であって発電前において、前記改質部に供給される改質水の流量を制御する、請求項１に記載の発電装置。
3. 前記制御部は、前記発電装置の起動時および停止時の少なくとも一方において、前記改質部に供給される改質水の流量を制御する、請求項１または２に記載の発電装置。
4. 前記改質部に改質水を供給する改質水供給部を備え、
   前記制御部は、前記改質水供給部が前記改質部に供給する改質水の流量を制御する、請求項１から３のいずれかに記載の発電装置。
5. 前記改質部に原燃料ガスを供給するガス供給部を備え、
   前記制御部は、前記ガス供給部が前記改質部に供給する原燃料ガスの流量を制御する、請求項１から４のいずれかに記載の発電装置。
6. 前記制御部は、前記温度が所定の閾値以上であると、当該温度に応じて、前記改質部に供給される改質水の流量を増やすように制御する、請求項１から５のいずれかに記載の発電装置。
7. 前記制御部は、前記温度が所定の閾値未満であると、前記改質部に供給される改質水の流量が不変になるように制御する、請求項６に記載の発電装置。
8. 前記制御部は、前記原燃料ガスを燃料ガスに改質する複数の改質部にそれぞれの経路を経て供給される改質水の流量を、前記それぞれの経路ごとに制御する、請求項１から７のいずれかに記載の発電装置。
9. 前記制御部は、前記改質部に供給される燃料ガスに含まれる炭素に対して、前記改質部に供給される改質水に含まれるスチームのモル比を増やすように制御する、請求項１から８のいずれかに記載の発電装置。
10. 燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガスに原燃料ガスを改質する改質部と、を備える発電装置を制御する制御装置であって、
    前記制御装置は、前記改質部に供給される改質水の量を制御し、前記改質部に関連する温度に応じて、前記改質部に供給される改質水の流量を増やすように制御する、制御装置。
11. 燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガスに原燃料ガスを改質する改質部と、を備える発電装置を制御する制御装置に、
    前記改質部に供給される改質水の量を制御するステップと、
    前記改質部に関連する温度に応じて、前記改質部に供給される改質水の流量を増やすように制御するステップと、
    を実行させる、制御プログラム。

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