JP3889553B2 - 燃料電池システムの制御方法およびその装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、改質装置で生成された水素を使用して発電させ、発電された電力を商用電源からも電力の供給を受けるようにされた外部負荷に供給できるように構成した燃料電池システムにおいて、前記商用電源に停電が生じたときの燃料電池の制御方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水素を燃料ガスとして使用する固体高分子型燃料電池（以下単に燃料電池という）は、酸やアルカリによる腐食の心配がなく寿命が長い上に、化石燃料改質ガスにより燃料ガスを得るものは応用範囲も広くコージェネシステムなどでも用いられつつある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
改質装置は、例えば、改質器、ＣＯ（一酸化炭素）変成器、ＣＯ除去器等から構成され、該改質装置に連結された燃料電池は、水素ボンベや水素吸蔵合金を使って水素（燃料ガス）の供給を受けるものと比較して、電池の性能が改質装置によって影響を受ける問題がある。
【０００４】
また、燃料電池で発電された電力を外部の負荷に供給できるように接続された燃料電池システムにおいては、この外部負荷に電力を供給している商用電源が停電したときは、ブレーカが落ちるので、燃料電池から、外部負荷への出力は行なえなくなる。燃料電池から外部負荷への電気出力はゼロとなり、対応して、燃料電池を停止するときは、改質器のバーナの燃焼を止め、電池を構成する機器やバーナ及びこれらをつなぐ管路（燃料システム）内のガスを窒素でパージし、その後に全ての弁を閉じることになる。
【０００５】
このため、燃料電池システムの運転を一度停止すると、運転を再開するのに、３０分乃至１時間近くかかるという問題があり、これを避けるために、停電のときには、燃料電池システムを待機運転モードに移行させるという考えもある。
【０００６】
しかし、従来の燃料電池システムは、電気出力と改質装置に供給する原燃料とは連動されているので、停電で外部への電気出力が止まると同時に、これと連動して、改質装置等に供給する原燃料ガスを停めて運転停止をしたり、原燃料ガスの量を絞るような待機運転に自動的に移行するように構成されている。
改質装置への原燃料ガス量を絞る待機運転に移行することは、これに応じて関連の全ての機器、例えば、水蒸気の供給やガスの流れを制御する制御弁、燃焼空気や反応空気を送る送風機或いは水蒸気や水を送るポンプ等の機器の制御や調整も並行して行なわれるということである。
【０００７】
逆に、停電が復旧した復電後には、このような運転停止や待機運転から、燃料電池システムの運転を通常の安定作動状態に復帰させるのに時間がかかり、仮に待機運転モードであっても従来の待機運転では、負荷の急な出力アップに対応できないという問題がある。
【０００８】
この発明は、従来技術の問題点を解決するもので、その目的は、停電が終わり、外部負荷側への給電が復旧したときは、直ちに燃料電池システムを通常運転状態に復帰できるようにした燃料電池システムの制御方法及びその装置を提供することである。
【０００９】
又、この発明の他の目的は、停電中の燃料電池システムの待機運転がいたずらに長引かないように管理し、燃料電池システムの合理的な運転制御が行なえるようにした燃料電池システムの制御方法及びその装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１の燃料電池の制御方法は、原燃料ガスを水素に改質する改質装置を有し、該改質装置で生成された改質ガスを燃料電池に供給して発電させ、この発電された電力を商用電源につながれた外部負荷に供給するように構成した燃料電池システムにおいて、前記商用電源が停電のときは、改質装置の改質機能を停電前の安定作動状態に維持したまま、燃料電池で使用されない改質ガスをＰＧバーナで燃焼し、燃料電池を外部負荷への給電を行わない待機運転状態にすることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項２の燃料電池の制御装置は、原燃料ガスを水素に改質する改質装置を有し、該改質装置で生成された改質ガスを燃料電池に供給して発電させ、この発電された電力を商用電源につながれた外部負荷に供給するように構成した燃料電池システムにおいて、前記改質装置には、原燃料ガスの供給量を制御する燃料供給制御弁及び改質反応用熱源としてのバーナを設けるとともに、改質装置と燃料電池との間には、燃料極へ供給する改質ガスの流れを制御する制御弁を設け、前記商用電源が停電のときは、前記燃料供給制御弁の開度を維持したまま、燃料電池で使用されない改質ガスをＰＧバーナで燃焼し、燃料電池の燃料極に供給する改質ガスの量を外部負荷への給電を行わない待機運転状態の量に制御する制御装置を有していることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項３の制御装置は、原燃料ガスを水素に改質する改質装置を有し、該改質装置で生成された改質ガスを燃料電池に供給して発電させ、この発電された電力を商用電源につながれた外部負荷に供給するように構成した燃料電池システムにおいて、前記改質装置には、原燃料ガスの供給量を制御する燃料供給制御弁及び改質反応用熱源としてのバーナ及び該バーナに供給される燃料ガスの量及び燃料極から排出されるオフガスの流量を制御する弁を設けるとともに、前記商用電源が停電のときは、前記改質装置に供給する原燃料の量及び前記燃料極に供給する改質ガスの量を停電前の安定作動状態に維持したまま、燃料電池で使用されない改質ガスをＰＧバーナで燃焼し、前記改質器のバーナへのオフガスの供給を停止することを特徴としている。
【００１３】
また、請求項４の燃料電池の制御方法は、原燃料ガスを水素に改質する改質装置を有し、該改質装置で生成された改質ガスを燃料電池に供給して発電させ、この発電された電力を商用電源につながれた外部負荷に供給できるように構成した燃料電池において、前記商用電源が停電したときは、改質装置の改質機能を停電前の安定作動状態に維持したまま、燃料電池で使用されない改質ガスをＰＧバーナで燃焼し、燃料電池を外部負荷への給電を行わない待機運転状態にし、かつ、前記停電が一定時間経過したときは、改質装置の改質機能及び燃料電池を外部負荷への給電を行わない待機運転状態に切替えるようにすることを特徴としている。
【００１４】
さらにまた、請求項５の燃料電池の制御装置は、原燃料ガスを水素に改質する改質装置を有し、該改質装置で生成された改質ガスを燃料電池に供給して発電させ、この発電された電力を商用電源につながれた外部負荷に供給できるように構成した燃料電池において、前記改質装置には、原燃料ガスの供給量を制御する燃料供給制御弁及び改質反応用熱源としてのバーナ及び該バーナに供給される燃料ガスの量及び燃料極から排出されて前記バーナに供給されるオフガス量を制御する弁を設けるとともに、前記商用電源が停電のときは、前記改質装置への原燃料の供給量及び前記燃料電池に供給する改質ガスの量を維持したまま、燃料電池で使用されない改質ガスをＰＧバーナで燃焼し、前記改質器のバーナへのオフガスの供給を停止して該バーナの燃料を燃料ガスに切替え、この停電状態が一定時間経過したときは、前記改質装置に供給する原燃料の量及び燃料電池に供給する改質ガスの量を外部負荷への給電を行わない待機運転状態の量に制御する装置を有していることを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１は燃料電池システムの基本構成を示し、符号３は改質装置を構成する改質器、６は、例えば、固体高分子型燃料電池等、１００℃以下で動作する低温動作型の燃料電池、１２は改質器３の加熱用のバーナである。
【００１７】
燃料電池６は燃料極６ａ、空気極６ｋ及び冷却部６ｃを有している。燃料極６ａは管路６４を介して改質装置に接続され、改質装置から高濃度の水素ガス（改質ガス）を電池の燃料ガスとして導入し、燃料電池６で発電に使用する。燃料極６ａで反応しなかった余剰水素はオフガスとして制御弁９２を経て管路１５に排出される。
【００１８】
一方、空気極６ｋは、管路１６を介して水タンク２１、空気ポンプ１１に接続され、酸化剤としての反応空気を導入してこれを燃料電池６の発電に使用し、反応後の空気は、管路２７を経て大気中に排出する。
【００１９】
冷却部６ｃには、燃料電池６が作動温度に維持されるように、冷却水等の冷却媒体が循環されている。
【００２０】
改質器３では、原燃料管１、燃料供給制御弁４１経由で送られてくる天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタン等の原燃料ガスが、水蒸気源２０から供給される水蒸気と共に昇圧ポンプ１０で昇圧されて改質器３に供給される。
【００２１】
改質器３に供給された原燃料ガス及び水蒸気は、ここで化学反応をし、水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスに改質される。
この改質ガスは、さらに、後述するＣＯ変成器やＣＯ除去器を経て、一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下に低減された水素濃度の高いガス（改質ガス）として、燃料電池の燃料極６ａに供給される。
【００２２】
上記構成において、改質器３における改質反応は吸熱反応であるので、バーナ１２で加熱することによって反応熱が与えられる。バーナ１２へは、燃焼制御弁４２を有する燃料管１３を介して燃料ガスが供給され、オフガス制御弁９２を有する管路１５を介してオフガスが供給され、バーナ１２では、送風機１４によって供給される燃焼空気によって、燃料ガス及びオフガスの燃焼が行われる。
【００２３】
燃料電池システムの起動時には、改質器３及び燃料電池６の温度は低く、オフガスの発生もないので、改質器のバーナ１２は、燃焼制御弁４２、燃料管１３を経て供給される燃料ガスによって燃焼が行われる。
【００２４】
その後、改質器３の温度が上がって、改質ガスを生成し、燃料電池６に改質ガスが送られて、燃料電池６における発電が始まると、負荷昇温によって燃料電池６の温度を次第に上昇させることができる。
【００２５】
このようにして、改質装置及び燃料電池６の温度が作動温度まで上がって安定し、燃料電池システムが定常運転状態に移行したときは、燃料電池の燃料極６ａからオフガスが安定して排出されるようになる。
【００２６】
後述する制御装置９５は、このオフガスを、管路１５経由でバーナ１２に供給して、オフガス中の未反応水素ガスを燃焼させ、改質器３をオフガスの燃焼で加熱できるように制御する。
【００２７】
燃料電池システムが定常安定運転状態に移行した後は、燃料制御弁４２は閉じられ、燃料管１３経由の燃料ガスの供給は断たれ、バーナ１２による改質器３の加熱は、オフガス制御弁９２の作動によって、オフガスの燃焼のみでおこなわれるようになる。
【００２８】
空気極６ｋへ供給される反応空気は、空気ポンプ１１によって水タンク２１内の水中に反応空気を泡立てつつ気相部５３に送出して加湿が行われる。反応空気はこのように燃料電池６における反応が適度に維持されるように水分を与えられた後、管路１６を経て燃料電池の空気極６ｋに供給される。
【００２９】
燃料電池６では、燃料極６ａに供給された改質ガス中の水素と、空気ポンプ１１によって空気極６ｋに供給された空気中の酸素との電気化学反応によって発電が行われる。
【００３０】
この電気化学反応時の活性化過電圧、濃度過電圧、抵抗過電圧により電池自体が反応熱を発生し、燃料電池６の作動に必要な温度が維持される。
【００３１】
燃料電池６の冷却部６ｃは、燃料電池６が定常運転状態に移行した後に、反応熱等で燃料電池６が過熱しないように冷却するために、燃料電池６の電極６ａ、６ｋに並置された冷却装置である。冷却部６ｃにはポンプ４８によって水タンク２１の水が循環され、この冷却水によって、燃料電池６内の温度が発電に適した作動温度、例えば、７０℃〜８０℃に保たれるように冷却される。
【００３２】
これにより、燃料電池６は、電池内の温度が反応熱で過度に上昇して電池の構成材料の機能を低下させたり、電池の固体高分子膜を損傷させたりしないように制御されている。
【００３３】
燃料電池システムでは、上述のようにして改質装置で生成された改質ガスが燃料電池の燃料電極６ａに供給され、燃料電池６では、所定の化学反応と発電が継続される。
【００３４】
次に、この燃料電池システムの起動制御について説明する。
【００３５】
図１の９５は、燃料電池システムの制御装置であり、この制御装置９５は、改質器３の温度センサ４４及び燃料電池６の温度センサ４５によって、改質器３および燃料電池６の温度を監視しつつ、燃料電池システムの燃料やガスの流れを制御すると同時に、燃料電池６で発電された電力を負荷７１、７２に供給する制御も行なっている。
【００３６】
なお、４９は、燃料電池６で発電された電気の電流量を検出する電流センサである。
【００３７】
制御装置９５による燃料ガスの制御は、原燃料ガスの原燃料管１に設けられた燃料供給制御弁４１及び燃料管１３に設けられた燃焼制御弁４２並びに改質ガスが流れる管路６４と３５に設けられた制御弁９３と開閉弁３６及び、オフガスが流れる管路３８と１５に設けられた制御弁４０とオフガス制御弁９２の開閉制御によって行なわれる。
【００３８】
このような構成の燃料電池システムの起動時には、温度が低く改質反応も充分でないので、制御装置９５は、改質器３等の各反応器の温度が作動温度に達して安定した組成の改質ガスが生成されるようになるまでは、制御弁９３を閉じ、開閉弁３６を開く制御をする。
【００３９】
これにより、不安定な組成の改質ガスは燃料電池６に供給されず、管路３５経由でＰＧバーナ３４に導かれて、ここで燃焼される。
【００４０】
燃料電池システムの改質装置を起動し、改質器３を含む各反応器の温度や作動が安定した後に、制御装置９５は、開閉弁３６を閉じ、制御弁９３を開いて、改質ガスを燃料電池の燃料極６ａに供給し、燃料電池システムにおける発電を開始させる。
【００４１】
改質ガスを導入された燃料極６ａも当初は電池の温度が低く、殆ど発電は行われないし、発電を開始しても、直ちに定格安定作動状態になる訳でもない。
【００４２】
制御装置９５は、燃料電池６の温度が低く、発電が僅かな中は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０７や系統連係インバータ１０８を制御して燃料電池６の発電能力に見合った負荷をかけながら、電池自身の発熱で燃料電池の温度が上がるよう（負荷昇温）に制御する。
【００４３】
すなわち、制御装置９５は、燃料電池6による発電が開始されてそのオープン電圧を確認したら、直ちにオープン電圧からインバータ１０８を介した電力系統への連系を行い、発電能力が小さい中から、燃料電池６に電気負荷をかけ始める。
【００４４】
この過程において、制御装置９５は、温度センサ４５によって燃料電池６の温度を監視し、そのときの電池温度に応じて取出し電流値を増やす形で、燃料電池６に対する電気負荷を徐々に増大させ、燃料電池６の自己反応熱によって、電池の温度をできるだけ早く定格安定作動状態の温度に上げるようにして、すみやかに燃料電池の運転が定常運転状態に移行できるように制御するものである。
【００４５】
燃料電池６で発電に使用されなかった未反応ガスは、管路３８、制御弁４０経由でＰＧバーナ３４に導かれ、ここで燃焼される。
【００４６】
燃料電池６の温度が負荷昇温によって上昇して作動温度（例えば、７０℃〜８０℃）近くで安定し、定格出力状態に達した後は、燃料極６ａから排出されるオフガスの組成も安定してくる。制御装置９５は、制御弁４０を閉じ、オフガス制御弁９２を開くことにより、オフガスの流れを管路３８から管路１５に切替え、オフガスが改質器のバーナ１２で燃焼できるように制御する。
【００４７】
このようにして、燃料電池システムが定格安定作動状態に達した後は、改質器のバーナ１２では、管路１５経由で導入されるオフガス中の未反応ガス（水素）が燃焼されて改質器３の加熱を継続する定常運転状態になる。
【００４８】
燃料電池システムの定常運転状態における管路１５、６４、３５、３８では、制御弁９２、９３が開かれ、弁３６、４０が閉じられた状態である。
【００４９】
このようにして、燃料電池システムでは、冷却部６ｃによって燃料電池６の温度が作動温度（７０℃〜８０℃）に保たれ、連続して定格発電が行なえるようになる。
【００５０】
この状態では、改質ガスのエネルギの大半は発電に使われ、得られた電力はＤＣ／ＤＣコンバータ１０７や系統連係インバータ１０８を制御して供給電力量が定格負荷（例えば、交流で１ｋｗ）に納まるように制御されつつ、この燃料電池システムに接続された負荷７２に供給される。
【００５１】
負荷には、この燃料電池システムを構成する附属機器、例えば、水ポンプや送風機、制御弁や開閉弁或いは、制御器等の電気負荷（以下システム負荷７１という）や、燃料電池を設置している家庭の照明器具や電気機器等の自家用の負荷（以下自家負荷７２という）等があり、燃料電池システムの発電能力に応じて、電力がこれらの負荷７１、７２に供給される。
【００５２】
燃料電池システムから得られる電流量（電力）と管路１経由で燃料電池システムに供給される原燃料ガスの量との関係は、例えば、図２に示すように、電池電流値と改質用原燃料ガス量（改質器３へ供給される原燃料ガス量）とが略比例関係にある。
【００５３】
図２は燃料電池において、発電に使用される水素ガスの利用率を一定の割合（例えば、７０％程度）に規定し、残余はオフガスとして排出されるようにしたときの相関を示している。
【００５４】
図２からは、改質装置に供給する原燃料ガス量を増減させれば、燃料電池システムの発電電力（電池電流値）も比例して増減できるようになっていることがわかる。
【００５５】
なお、燃料電池システムを構成する附属機器、例えば、ポンプや送風機、制御弁や開閉弁或いは、制御器等（システム負荷）への給電は、システムの起動時は、商用電源によって電力を供給されているのであるが、燃料電池６が定格安定作動状態になった後は、燃料電池からの給電に切替え、商用電源から独立して運転できるようにしてもよい。
【００５６】
また、燃料電池システムで発電された電力を、自家負荷７２に供給したり、自家負荷７２に供給する電気負荷量が増減するなどして燃料電池６の発電量を増減する必要があるときは、制御装置９５は、電流センサ４９によってこの変化を検知し、インバータ１０８によって系統への逆潮流がゼロのなるような制御をしつつ、同時に、例えば、図２で説明したように、増減する負荷電力量に応じて燃料極６ａに供給する改質ガスの量を増減するような制御をする。
【００５７】
制御装置９５は、負荷電力量に応じた改質ガスが燃料極６ａに供給できるようにするために、改質器３に供給する原燃料ガスの量を演算して求めて燃料ガス供給制御弁４１の開度を広げると共に、改質器３に供給される水蒸気量も増やす。これにより、燃料電池の燃料極６ａでは、電気負荷の増大に応じた電力を発電することができる。
【００５８】
なお、図１には具体的には示していないが、バーナ１２及びＰＧバーナ３４に設けられている送風機１４および３７は、それぞれのバーナ１２及び３４に供給されるガスの量に応じた量の空気をバーナに供給して燃焼させるものである。
制御弁４０、燃焼制御弁４２、オフガス制御弁９２等の開閉制御は、例えば、管路３８に設けた制御弁４０、管路１３に設けた燃焼制御弁４２および管路１５に設けたオフガス制御弁９２をいずれも、開度が自在に変えられる弁とし、改質器３の温度を、常時、一定の作動温度に保って乱さないように制御するのが好ましい。
【００５９】
改質器のバーナ１２には、オフガス制御弁９２を経由したオフガスと燃焼制御弁４２を経由した燃料ガスとを同時に供給して燃焼させ、燃料電池システムが定格安定作動状態に達した後に、燃焼制御弁４２を閉止し、オフガスのみの燃焼に切替えるようにしてもよい。
【００６０】
さらにまた、燃料電池システムが定格安定作動状態に達した後でも、随時、管路３８、制御弁４０経由で余分なオフガスをＰＧバーナ３４に導いて燃焼させ、改質器３の温度を安定させるようにしてもよい。
【００６１】
次に、燃料電池システムが定格安定作動状態に達した後に、外部負荷が接続されている商用電源に停電があったときの制御の説明をする。
【００６２】
燃料電池システムが接続されている外部負荷側の商用電源に停電が発生したとき、まず、停電を検知した切替器（図示せず）は、燃料電池システムから自家負荷７２へ行われていた給電を一旦停止する。
【００６３】
一方、商用電源からシステム負荷７１への給電が行われている燃料電池システムにおいては、給電が停電で中断しないように、電力の供給を燃料電池から行なえるように切替器が作動する。一方、燃料電池システムが定常安定作動状態になった後に、システム負荷７１への給電が燃料電池6から行われた燃料電池システムにおいては、引き続いて燃料電池６からの電力の供給が受けられるように制御し、燃料電池システム及びシステムを構成する機器の運転に支障を生じないように制御器９５が作動する。
【００６４】
このとき、燃料電池システムを構成する改質装置側においては、商用電源系統の停電があっても、その改質機能は停電前の改質ガス生成能力の状態に維持されるように制御され、燃料電池6側は外部負荷への給電を行わない低発電能力の待機運転状態になるように制御される。
【００６５】
このために、燃料電池システムを構成する改質装置及びこの関連機器の制御は、停電前と同様に制御される。改質器３の温度は停電前の温度がそのまま保たれるように、燃焼制御弁４２及び燃料管１３を介して改質器のバーナ１２に燃料ガスが供給され、改質器３に原燃料ガスを供給する原燃料供給制御弁４１は停電前の開度に保たれ、水蒸気源２０からは、原燃料ガスの改質反応に見合った水蒸気が供給されて停電前と同様な量の改質ガスが管路６４に供給され続ける。
【００６６】
また、燃料電池システムを構成する燃料電池６及びこの関連機器の制御は、開閉弁３６を開き改質ガスの多くをＰＧバーナ３４で燃焼させつつ、制御弁９３の開度を変えて燃料電池の燃料極に６ａに供給される改質ガスの量を待機運転状態の量、換言すれば、燃料電池６で発電能力をシステム負荷７１に供給するのに適合した発電能力になるように発電能力を減じた待機運転の制御にする。
【００６７】
また、オフガス制御弁９２を閉じ、制御弁４０を開いて、燃料極６ａから排出されるオフガスが全てＰＧバーナ３４において燃焼されるように制御される。
【００６８】
燃料極６ａに供給される改質ガスの制御は、これに限らず、例えば、開閉弁３６を閉じたまま、改質装置で生成された改質ガスのすべてを制御弁９３経由で燃料極６ａに供給し、燃料電池６で使用されなかった改質ガスを全て制御弁４０、管路３８経由でＰＧバーナに流して燃焼させるように制御しても良い。
【００６９】
これによって、例えば、燃料電池システムは、商用電源系統に停電があった後は、改質装置の改質ガス生成機能を停電前の作動の状態に安定して保ったまま、燃料電池６だけは、システム負荷７１に給電してインバータ１０８の出力がゼロになるようにする制御する待機運転状態に制御される。
【００７０】
なお、上記の説明では、改質器のバーナ１２の燃料は、燃料管１３からの燃料ガスによて全てまかなうようにしたが、制御装置９５によって、制御弁９２及び燃焼制御弁４２の制御を精密に行えるならば、燃料電池６からのオフガスの一部をバーナ１２に流して改質器３の温度を定常運転状態の温度に保つように制御することもできる。
【００７１】
また、このようにして、改質装置の改質機能を停電前の安定作動状態に維持したまま、燃料電池６を待機運転に保つ状態が一定時間、例えば、１０分とか３０分以上続くようなときは、制御装置９５がタイマー（図示せず）によって、この時間経過を検知し、改質器３に原燃料ガスを供給する燃料供給制御弁４１の開度を絞るようにしてもよい。
【００７２】
この場合の燃料供給制御弁４１の開度は、システム負荷７１と自家負荷７２は電力を供給しているときと、システム負荷７１だけに電力を供給しているときとは自ずと異なるが、その開度は、負荷量に応じた原燃料ガスが改質器３に供給されるような開度に絞られる。
【００７３】
これにより、改質器３へ供給される原燃料ガスは、燃料電池６がシステム負荷７１或いはシステム負荷７１と自家負荷７２に電力を供給するに必要な改質ガスを生成するだけの原燃料ガスの量に制限され、燃料電池システムは、実質的には、従来と同様な待機運転状態に切替えられるようになる。
【００７４】
なお、上述の実施の形態では燃料電池として、固体高分子型燃料電池を中心に説明をしたが、本発明が使用できる燃料電池は、改質装置を燃料電池の燃料ガス（水素）の供給源とする電池であれば、他の電池、例えば、ＰＡＦＣ（燐酸電解質型）やＡＦＣ（アルカリ水溶液電解質型）等の電池にも使用できるものである。
【００７５】
このような、燃料電池システムにおいては、該燃料電池が接続された外部負荷へ電力を供給している商用電源に停電を生じて外部負荷への出力が無くなったときも、改質装置に供給する原燃料ガスの量を変えずに、停電前と同じに流し、改質装置の作動を停電前の作動状態と同じに維持しているので、例えば、停電が数秒で終わったり、数分で復電するようなときは、直ちに燃料電池からの給電を開始でき、燃料電池システム及び該システムから給電されている負荷には、短時間の停電による実質的な影響を殆ど受けることなく給電を再開することができる。
【００７６】
また、本発明においては、停電時にも改質装置への原燃料ガスの供給を続けて、改質ガスをＰＧバーナで燃焼するように制御するのであるが、この停電時間が短時間のときは、燃料電池システムを停めてパージし、運転再開時に、再び改質装置の予熱運転をするような方法と比較して、総合的には、むしろ省エネになり、燃料電池システムの合理的な運転を行なえるものである。
【００７７】
図３は、このような燃料電池システムに、ポリマ・エレクトロライト・フューエル・セル等の固体高分子型燃料電池を用い、電力と温水とを外部に供給できるように組込んだ家庭用の小型総合エネルギシステムに使用された実施形態を示す図である。
【００７８】
なお、図３において、図１と同様な機器、部品については、同じ番号を付してその説明を省略する。
【００７９】
この実施形態の総合エネルギシステムは、後述するように燃料電池６を用いた発電システムＧＳのほかに熱回収装置ＲＤを含んでいる。
【００８０】
この燃料電池発電システムＧＳの燃料電池６で発電された電力は、システム負荷７１に供給される一方、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０７を経て、１８０Ｖにまで昇圧され、系統連系インバータ１０８を経て、照明装置やテレビ等の自家負荷７２に供給されている。
【００８１】
熱回収装置ＲＤは、貯湯タンク５０、熱交換器３２、４６及びポンプ３３、４７を備えた水の循環路等で連結されている。
【００８２】
このような燃料電池６を用いた総合エネルギシステムでは、貯湯タンク５０に接続された水供給管６１を通じて、貯湯タンク５０内に市水が供給される。この貯湯タンク５０に供給された市水を、例えば、燃料電池６による発電の過程で発生する熱や、発電システムＧＳで生じるガスを燃焼して加温する等、得られた熱エネルギや排熱を回収して水を加熱し、昇温された温水を貯湯タンク５０に蓄え、給湯管６２を経て、風呂や台所等に供給する等、燃料電池６に使用される燃料が持つエネルギを有効に利用できるようにしている。
【００８３】
図３において、改質器３への原燃料ガス供給は、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタン等の原燃料ガスが燃料管１を経て脱硫器２に供給され、ここで原燃料ガスから硫黄成分が除去される。この脱硫器２を経た原燃料ガスは、昇圧ポンプ１０で昇圧して改質器３に供給される。
【００８４】
改質器３の排気系３１には、熱交換器１７が接続され、この熱交換器１７に、水タンク２１の水が、ポンプ２２を介して供給されると、この熱交換器１７で水蒸気化するようになっている。すなわち、熱交換器１７は、改質器３に対しては、水蒸気源２０として機能し、この水蒸気は、脱硫器２、ポンプ１０を通った原燃料ガスと混合して改質器３に供給される。
【００８５】
この改質器３に供給された原燃料ガスは、ここで化学反応をし、水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。この改質ガスは、ＣＯ変成器４に供給され、ここでは燃料ガスに含まれる一酸化炭素が二酸化炭素に変成される。このＣＯ変成器４を経たガスは、ＣＯ除去器５に供給され、ここではＣＯ変成器４を経たガス中の未変成の一酸化炭素が酸化されて二酸化炭素になる。ＣＯ除去器５を経て、一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下に低減された水素濃度の高いガス（改質ガス）が、固体高分子型の燃料電池６の燃料極６ａに供給される。
【００８６】
このとき、ポンプ２２によって、水タンク２１から改質器３に供給される処理水の量を調節することによって改質ガスへの水蒸気の添加量が調整される。例えば、熱交換器１７を経て改質器３に供給される水蒸気の量と原燃料ガスの量との比（Ｓ／Ｃ比）を、従来のＳ／Ｃ比である２乃至３の値よりも高めの値、例えば、３乃至４のＳ／Ｃ比となるように設定すれば、改質器３を出た改質ガスに含まれる水分量を増大させることができる。
【００８７】
ＣＯ除去器５を出た燃料ガスを直接に燃料電池６に供給するようにしてもよいが、高温のままの燃料ガスが燃料極６ａに流入し、燃料電池６が高温になり過ぎて発電機能が低下したり、電池の電極を損傷するおそれがあるときは、ＣＯ除去器５と燃料電池６との間の管路６４に熱交換器（図示せず）を設け、この熱交換器に水タンク２１の水を流す等して改質ガスと熱交換させ改質ガスの温度調節をする。
【００８８】
また、Ｓ／Ｃ比を高めにすると、改質ガスを加湿するための独立した加湿装置を特別に付設しないでも、燃料電池の燃料極６ａに供給される改質ガスに適度の水分を与えることができる。
【００８９】
総合エネルギシステムの起動時には、上述のように、バーナ１２に、燃料ガスと燃焼空気が供給されて燃焼が行われ、起動後に、改質器３および燃料電池６が作動温度で安定したときには、燃料管１３からの燃料ガスの供給が断たれ、代わりに管路１５を介して、燃料極６ａから排出されるオフガスが燃料として供給されてバーナ１２における燃焼が継続される。
【００９０】
ＣＯ変成器４、ＣＯ除去器５で行われる化学反応は発熱反応であるので、例えばＣＯ除去器５では、燃料電池システム起動時にのみバーナ（図示せず）を燃焼させて燃焼ガスを発生させ、このとき発生した燃焼ガスの熱でＣＯ除去器５の温度を反応温度まで上昇させ、その後は、自らの発熱反応の熱により反応温度が維持される。
【００９１】
外部からは、必要に応じてＣＯ変成器４及びＣＯ除去器５が反応温度以上に昇温しないように冷却制御が行われる。
【００９２】
燃料電池６では、燃料極６ａに供給された改質ガス中の水素と、空気ポンプ１１、水タンクの気相部５３を経て、空気極６ｋに供給された空気中の酸素との電気化学反応によって発電が行われる一方、この電気化学反応によって電池自体が反応熱を発生し昇温する。
【００９３】
燃料電池６の冷却部６ｃは、図１と同様にポンプ４８で水タンク２１の水を冷却水として循環されて、燃料電池６内の温度が、発電に適した温度に保たれるように冷却制御している。
【００９４】
改質器３とＣＯ変成器４との間、ＣＯ変成器４とＣＯ除去器５との間には、それぞれ熱交換器１８、１９が接続され、各熱交換器１８、１９には水タンク２１から、ポンプ２３、２４を介して水が循環され、改質器３、ＣＯ変成器４を経たガスがそれぞれ冷却される。
【００９５】
このようにして改質器３、ＣＯ変成器４、ＣＯ除去器５及び燃料電池６では、所定の化学反応（改質反応）と発電が継続される。
【００９６】
改質器３および燃料電池６の温度が作動温度で安定し、連続して定格発電が行われる（定格安定作動状態）ようになった後は、燃料極６ａに供給される改質ガスの大部は発電に使われ、得られた電力は上述のようにＤＣ／ＤＣコンバータ１０７経由で電気機器などの負荷に供給される。
【００９７】
図３の制御装置９５は、燃料電池６で発電される電力の制御や負荷昇温の制御をする一方、燃料電池６の起動後に、改質器３の温度が安定して、一定の成分の改質ガスが得られるまでは、燃料電池６で生じる不安定なガス組成の改質ガスをＰＧバーナ３４で燃焼させて、バーナ３４につながれている熱負荷、例えば、貯湯タンク５０などに熱エネルギを回収するように制御するものである。
【００９８】
改質器３やＣＯ除去器５等から構成された改質装置から所定の質の改質ガスが得られる状態になったら、制御装置９５は、改質ガスを燃料電池の燃料極６ａに流し、その排出ガスをＰＧバーナ３４で燃焼させつつ、徐々に取出し電流を増大させる等して、燃料電池を負荷昇温させる。
【００９９】
燃料電池６が定格安定作動状態に達したら燃料極６ａから排出されるオフガスの流れを改質器の加熱バーナ１２側に切替えるような制御が制御装置９５によって行われる。
【０１００】
一方、このようにして定格安定作動状態になった総合エネルギシステムの運転中に、該システムで使用されている燃料電池が接続されている外部負荷側の商用電源に停電を生じ、燃料電池から外部負荷への出力が止ったときは、制御装置は、図１で説明したと同様に、改質装置に供給する原燃料ガスの量を変えずに、停電前と同じ量の原燃料ガスを流し、改質装置の作動を停電前の作動状態と同じに維持する。
【０１０１】
小型の総合エネルギシステムが使用される家庭等に電力を供給している商用電源では、停電があってもその時間は、殆どの場合が数秒とか数分で復電することが多く、このようなときは、直ちに燃料電池からの給電を再開でき、総合エネルギシステム及び該システムから給電されている負荷には、短時間の停電による実質的な影響を殆ど受けることなく給電を再開することができる。
【０１０２】
本発明の燃料電池システムの制御方法を用いた総合エネルギシステムにおいては、発電が開始される前のエネルギのみならず停電時において発電に使用されなかったエネルギや未利用の燃料ガスなどは、バーナで燃焼させ、熱エネルギとして温水に回収して利用されるようになるのでエネルギ効率の面でもその損失を少なくして、停電時のシステムの待機運転をおこなうことができ、この総合エネルギシステムに供給される原燃料ガスのエネルギの一層の有効活用に結びついた発電と熱利用効果の大きいコージェネレーションシステムを提供することができものである。
【０１０３】
【発明の効果】
本発明では、改質装置を有した燃料電池で発電された電力を商用電源につながれた外部負荷に供給するように構成した燃料電池システムにおいて、前記商用電源が停電のときは、改質装置の改質機能を停電前の作動状態に維持したまま、燃料電池を待機運転状態にするようにしたので、外部負荷側に停電があって燃料電池からの電力供給が止ったときでも、実質的には、燃料電池システムの運転を停電前と同様に継続させることができ、かつ、復電後には、直ちに燃料電池を通常運転状態に復帰できるものである。
【０１０４】
また、このような制御が一定時間以上続くようなときは、タイマーによって、この時間経過を検知し、改質装置に原燃料ガスを供給する燃料供給制御弁の開度を絞るようにしたので、燃料電池システムの利便性とエネルギ効率をより高めた燃料電池システムの提供を実現できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による制御装置を有する燃料電池システムの基本構成を示す図である。
【図２】燃料電池による発電電流値と改質用原燃料ガス量との関係を示す図である。
【図３】本発明による制御装置を有する総合エネルギシステムの一実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１ 原燃料管
３ 改質器
６ 燃料電池
６ａ 燃料極
６ｋ 空気極
１２ 改質器加熱用のバーナ
１３、１５、３５、３８ 管路
２０ 水蒸気源
３４ ＰＧバーナ
３６ 開閉弁
４０、９３ 制御弁
４１ 燃料供給制御弁
４２ 燃焼制御弁
４４、４５ 温度センサ
４９ 電流センサ
７１ システム負荷
７２ 自家負荷
９２ オフガス制御弁
９５ 制御装置
１０７ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０８ 系統連系インバータ
ＧＳ 発電システム
ＲＤ 熱回収装置

Claims (5)

1. 原燃料ガスを水素に改質する改質装置を有し、該改質装置で生成された改質ガスを燃料電池に供給して発電させ、この発電された電力を商用電源につながれた外部負荷に供給するように構成した燃料電池システムにおいて、前記商用電源が停電のときは、改質装置の改質機能を停電前の安定作動状態に維持したまま、燃料電池で使用されない改質ガスをＰＧバーナで燃焼し、燃料電池を外部負荷への給電を行わない待機運転状態にすることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
2. 原燃料ガスを水素に改質する改質装置を有し、該改質装置で生成された改質ガスを燃料電池に供給して発電させ、この発電された電力を商用電源につながれた外部負荷に供給するように構成した燃料電池システムにおいて、前記改質装置には、原燃料ガスの供給量を制御する燃料供給制御弁及び改質反応用熱源としてのバーナを設けるとともに、改質装置と燃料電池との間には、燃料極へ供給する改質ガスの流れを制御する制御弁を設け、前記商用電源が停電のときは、前記燃料供給制御弁の開度を維持したまま、燃料電池で使用されない改質ガスをＰＧバーナで燃焼し、燃料電池の燃料極に供給する改質ガスの量を外部負荷への給電を行わない待機運転状態の量に制御する制御装置を有していることを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
3. 原燃料ガスを水素に改質する改質装置を有し、該改質装置で生成された改質ガスを燃料電池に供給して発電させ、この発電された電力を商用電源につながれた外部負荷に供給するように構成した燃料電池システムにおいて、前記改質装置には、原燃料ガスの供給量を制御する燃料供給制御弁及び改質反応用熱源としてのバーナ及び該バーナに供給される燃料ガスの量及び燃料極から排出されるオフガスの流量を制御する弁を設けるとともに、前記商用電源が停電のときは、前記改質装置に供給する原燃料の量及び前記燃料極に供給する改質ガスの量を停電前の安定作動状態に維持したまま、燃料電池で使用されない改質ガスをＰＧバーナで燃焼し、前記改質器のバーナへのオフガスの供給を停止することを特徴とする燃料電池の制御装置。
4. 原燃料ガスを水素に改質する改質装置を有し、該改質装置で生成された改質ガスを燃料電池に供給して発電させ、この発電された電力を商用電源につながれた外部負荷に供給できるように構成した燃料電池において、前記商用電源が停電したときは、改質装置の改質機能を停電前の安定作動状態に維持したまま、燃料電池で使用されない改質ガスをＰＧバーナで燃焼し、燃料電池を外部負荷への給電を行わない待機運転状態にし、かつ、前記停電が一定時間経過したときは、改質装置の改質機能及び燃料電池を外部負荷への給電を行わない待機運転状態に切替えるようにすることを特徴とする燃料電池の制御方法。
5. 原燃料ガスを水素に改質する改質装置を有し、該改質装置で生成された改質ガスを燃料電池に供給して発電させ、この発電された電力を商用電源につながれた外部負荷に供給できるように構成した燃料電池において、前記改質装置には、原燃料ガスの供給量を制御する燃料供給制御弁及び改質反応用熱源としてのバーナ及び該バーナに供給される燃料ガスの量及び燃料極から排出されて前記バーナに供給されるオフガス量を制御する弁を設けるとともに、前記商用電源が停電のときは、前記改質装置への原燃料の供給量及び前記燃料電池に供給する改質ガスの量を維持したまま、燃料電池で使用されない改質ガスをＰＧバーナで燃焼し、前記改質器のバーナへのオフガスの供給を停止して該バーナの燃料を燃料ガスに切替え、この停電状態が一定時間経過したときは、前記改質装置に供給する原燃料の量及び燃料電池に供給する改質ガスの量を外部負荷への給電を行わない待機運転状態量に減じるようにする装置を有していることを特徴とする燃料電池の制御装置。

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