JP4533743B2 - 燃料電池発電装置、及び燃料電池発電方法 - Google Patents

燃料電池発電装置、及び燃料電池発電方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
燃料電池を用いて発電を行う燃料電池発電装置、及び燃料電池発電方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
以下に、従来の燃料電池発電装置について説明する。
【０００３】
図９に示すように、従来の燃料電池発電装置は、燃料ガスと酸化剤を用いて発電を行う燃料電池１と、天然ガスなどに水を添加した発電原料から水素に富んだ燃料を生成する燃料処理器２と、燃料電池１より排出される残余燃料ガスを燃焼する燃焼器３と、酸化剤としての空気を燃料電池１に供給するブロア４と、燃料電池１の発電する電力を調節する発電電力指令手段５と、燃料処理器２へ供給する発電原料および水の量を調節する発電原料調節器６とを有している。
【０００４】
燃料処理器２は、燃料電池１へ供給する燃料を生成する燃料生成手段と、燃料ガスに含まれる一酸化炭素を燃料電池１の触媒にダメージを与えない濃度まで低減する酸化炭素除去手段とからなる。
【０００５】
燃焼器３は、燃料電池１より排出された残余燃料ガスが供給され残余燃料ガスを燃焼することにより、燃料処理器２の燃料生成手段が効率よく燃料ガスを生成する温度（約７００℃）まで燃料処理器２の燃料生成手段を昇温する。
【０００６】
発電原料調節器６は発電電力指令手段５が決定する発電電力に必要な量の燃料ガスが燃料電池１へ供給できるように燃料処理器２へ供給する発電原料の量を調節する。
【０００７】
また、発電原料調節器６は、燃料処理器２へ供給する発電原料の量を変化させることで燃料処理器２の温度を調節する。燃料処理器２の温度が高くなった場合には燃料処理器２へ供給する発電原料の量を少なくすることで燃焼器３へ供給される残余燃料ガスの供給量を減らして燃焼器３での燃焼量を減らし、燃料処理器２の温度を低下させる。
【０００８】
逆に燃料処理器２の温度が低くなった場合、発電原料調節器６は燃料処理器２へ供給する発電原料の量を多くすることで燃焼器３へ供給される残余燃料ガスの供給量を増やして燃焼器３での燃焼量を増やし、燃料処理器２の温度を上昇させる。
【０００９】
上記従来例のような燃料電池発電装置において、燃料処理器２が備える一酸化炭素除去手段は通常２００〜３００℃程度で一酸化炭素を除去する機能が有効に働く。つまり燃料処理器２は約７００℃程度の燃料生成手段と、２００〜３００℃程度の一酸化炭素除去手段を併せ持ち、その２つの手段の温度をうまくバランスさせるために、発電原料の供給量を急激に変更することはできない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
一方、発電電力指令手段５は、燃料電池発電装置が供給すべく負荷電力に応じて、発電電力を逐次変更する。負荷電力は瞬間的に変化するため、効率の良い発電を行うためには発電原料の供給量も負荷電力の変化と同時に行うことが望ましい。
【００１１】
そこで、現実的な発電原料の供給方法として、発電電力を上げる場合は発電原料が足りなければ発電電力を上昇させることが出来ないので、発電原料を上昇させることが可能な上限速度（５０％出力から定格出力へ約２０分）で燃料処理器２へ供給する発電原料の量を増加させるのと同じ速度で発電電力を上昇させる。
【００１２】
一方、発電電力を下げる場合は発電電力を急激に下げて燃料電池から残余燃料ガスの排出量を過渡的に多くして、発電原料の供給量を後から減らして行く方法がとられる。
【００１３】
しかしながら、上記のように発電電力を急激に下げて燃料電池から残余燃料ガスの排出量を増やすと、その残余燃料ガスは燃焼器３へ供給されるため燃焼器３の燃焼量が短時間に急激に増えるため、燃料処理器２の温度が異常に上昇してしまい、燃料電池発電装置を停止しなくてはならなくなる。それにより、燃料処理器２の耐久性を低下させるだけでなく、最悪の場合、燃料処理器２の破損にいたる。
【００１４】
本発明は、このような従来の燃料電池発電装置の課題を考慮し、負荷電力が急激に減少した場合でも燃料処理器の温度が異常に上昇してしまうことがなく、燃料処理器の耐久性を低下させたり、破損させることがない燃料電池発電装置、及び燃料電池発電方法を提供することを目的とするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、第１の本発明は、
燃料と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、
発電原料から前記燃料電池へ供給する燃料を生成する燃料処理器と、
前記燃料電池で消費されなかった残余燃料ガスを燃焼し前記燃料処理器を昇温する燃焼器と、
前記燃料電池の発電電力を決定する発電電力指令手段とを備え、
供給すべき負荷電力が減少するときその減少に応じて、前記発電電力指令手段が前記燃料電池の発電電力を減少させる場合、前記燃料処理器への前記発電原料の供給を減少させるとともに、
前記燃料処理器の温度が上昇中の場合は、予め決められた速度を上限として発電電力を減少させ、前記燃料処理器の温度が上昇中で無い場合は、発電電力の減少速度に制限を設けない、燃料電池発電装置である。
【００１６】
また、第２の本発明は、燃料と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、
発電原料から前記燃料電池へ供給する燃料を生成する燃料処理器と、
前記燃料電池で消費されなかった残余燃料ガスを燃焼し前記燃料処理器を昇温する燃焼器と、
前記燃料電池の発電電力を決定する発電電力指令手段とを備え、
供給すべき負荷電力が減少するときその減少に応じて、前記発電電力指令手段が前記燃料電池の発電電力を減少させる場合、前記燃料処理器への前記発電原料の供給を減少させるとともに、
前記燃料処理器の温度が第一のしきい値以上の場合は、発電電力の減少をさせないモード（第一の電力制限モード）を実行し、
前記燃料処理器の温度が第一のしきい値より低い第二のしきい値以下の場合は、発電電力の減少速度に制限を設けず、
前記発電電力指令手段が前記燃料電池の発電電力の維持もしくは増加を開始した場合は、前記第一の電力制限モードを解除する、燃料電池発電装置である。
【００１７】
また、第３の本発明は、燃料と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、
発電原料から前記燃料電池へ供給する燃料を生成する燃料処理器と、
前記燃料電池で消費されなかった残余燃料ガスを燃焼し前記燃料処理器を昇温する燃焼器と、
前記燃料電池の発電電力を決定する発電電力指令手段とを備え、
供給すべき負荷電力が減少するときその減少に応じて、前記発電電力指令手段が前記燃料電池の発電電力を減少させる場合、前記燃料処理器への前記発電原料の供給を減少させるとともに、
前記燃料処理器の温度が第三のしきい値以上の場合は、予め決められた速度を上限として発電電力を減少させるモード（第二の電力制限モード）を実行し、
前記燃料処理器の温度が第三のしきい値より低い第四のしきい値以下の場合は、発電電力の減少速度に制限を設けず、
前記発電電力指令手段が前記燃料電池の発電電力の維持もしくは増加を開始した場合は、前記第二の電力制限モードを解除する、燃料電池発電装置である。
【００１８】
また、第４の本発明は、燃料と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、
発電原料から前記燃料電池へ供給する燃料を生成する燃料処理器と、
前記燃料電池で消費されなかった残余燃料ガスを燃焼し前記燃料処理器を昇温する燃焼器と、
前記燃料電池の発電電力を決定する発電電力指令手段とを備え、
供給すべき負荷電力が減少するときその減少に応じて、前記発電電力指令手段が前記燃料電池の発電電力を減少させる場合、前記燃料処理器への前記発電原料の供給を減少させるとともに、
前記燃料処理器の温度が第一のしきい値以上の場合は、発電電力の減少をさせないモード（第一の電力制限モード）を実行し、
前記燃料処理器の温度が、前記第一のしきい値より低い第二のしきい値以下の場合は、予め決められた速度を上限として発電電力を減少させるモード（第二の電力制限モード）を実行し、
前記燃料処理器の温度が、前記第二のしきい値より低い第四のしきい値以下の場合は発電電力の減少速度に制限を設けず、
前記発電電力指令手段が前記燃料電池の発電電力の維持もしくは増加を開始した場合は、前記第一および第二の電力制限モードの双方を解除する、燃料電池発電装置である。
【００１９】
また、第５の本発明は、燃料と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、
発電原料から前記燃料電池へ供給する燃料を生成する燃料処理器と、
前記燃料電池で消費されなかった残余燃料ガスを燃焼し前記燃料処理器を昇温する燃焼器と、
前記燃料電池の発電電力を決定する発電電力指令手段とを備えた燃料電池発電装置を用いて発電する燃料電池発電方法であって、
供給すべき負荷電力が減少するときその減少に応じて、前記発電電力指令手段が前記燃料電池の発電電力を減少させる場合、前記燃料処理器への前記発電原料の供給を減少させるとともに、
前記燃料処理器の温度が上昇中の場合は、予め決められた速度を上限として発電電力を減少させ、前記燃料処理器の温度が上昇中で無い場合は、発電電力の減少速度に制限を設けない工程を備えた、燃料電池発電方法である。
【００２０】
また、第６の本発明は、燃料と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、
発電原料から前記燃料電池へ供給する燃料を生成する燃料処理器と、
前記燃料電池で消費されなかった残余燃料ガスを燃焼し前記燃料処理器を昇温する燃焼器と、
前記燃料電池の発電電力を決定する発電電力指令手段とを備えた燃料電池発電装置を用いて発電する燃料電池発電方法であって、
供給すべき負荷電力が減少するときその減少に応じて、前記発電電力指令手段が前記燃料電池の発電電力を減少させる場合、前記燃料処理器への前記発電原料の供給を減少させるとともに、
前記燃料処理器の温度が第一のしきい値以上の場合は、発電電力の減少をさせないモード（第一の電力制限モード）を実行し、
前記燃料処理器の温度が第一のしきい値より低い第二のしきい値以下の場合は、発電電力の減少速度に制限を設けず、
前記発電電力指令手段が前記燃料電池の発電電力の維持もしくは増加を開始した場合は、前記第一の電力制限モードを解除する工程を備えた、燃料電池発電方法である。
【００２１】
また、第７の本発明は、燃料と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、
発電原料から前記燃料電池へ供給する燃料を生成する燃料処理器と、
前記燃料電池で消費されなかった残余燃料ガスを燃焼し前記燃料処理器を昇温する燃焼器と、
前記燃料電池の発電電力を決定する発電電力指令手段とを備えた燃料電池発電装置を用いて発電する燃料電池発電方法であって、
供給すべき負荷電力が減少するときその減少に応じて、前記発電電力指令手段が前記燃料電池の発電電力を減少させる場合、前記燃料処理器への前記発電原料の供給を減少させるとともに、
前記燃料処理器の温度が第三のしきい値以上の場合は、予め決められた速度を上限として発電電力を減少させるモード（第二の電力制限モード）を実行し、
前記燃料処理器の温度が第三のしきい値より低い第四のしきい値以下の場合は、発電電力の減少速度に制限を設けず、
前記発電電力指令手段が前記燃料電池の発電電力の維持もしくは増加を開始した場合は、前記第二の電力制限モードを解除する工程を備えた、燃料電池発電方法である。
【００２２】
また、第８の本発明は、燃料と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、
発電原料から前記燃料電池へ供給する燃料を生成する燃料処理器と、
前記燃料電池で消費されなかった残余燃料ガスを燃焼し前記燃料処理器を昇温する燃焼器と、
前記燃料電池の発電電力を決定する発電電力指令手段とを備えた燃料電池発電装置を用いて発電する燃料電池発電方法であって、
供給すべき負荷電力が減少するときその減少に応じて、前記発電電力指令手段が前記燃料電池の発電電力を減少させる場合、前記燃料処理器への前記発電原料の供給を減少させるとともに、
前記燃料処理器の温度が第一のしきい値以上の場合は、発電電力の減少をさせないモード（第一の電力制限モード）を実行し、
前記燃料処理器の温度が、前記第一のしきい値より低い第二のしきい値以下の場合は、予め決められた速度を上限として発電電力を減少させるモード（第二の電力制限モード）を実行し、
前記燃料処理器の温度が、前記第二のしきい値より低い第四のしきい値以下の場合は発電電力の減少速度に制限を設けず、
前記発電電力指令手段が前記燃料電池の発電電力の維持もしくは増加を開始した場合は、前記第一および第二の電力制限モードの双方を解除する工程を備えた、燃料電池発電方法である。
【００２６】
このように、本発明では、発電原料から前記燃料電池へ供給する燃料を生成する燃料処理器の燃料生成手段の温度に応じて、燃料電池の発電電力を決定する発電電力指令手段が決定する発電電力に制限を設けることにより、負荷電力が急激に減少した場合でも燃料処理器の温度が異常に上昇してしまうことがなくなるため、燃料処理器の耐久性を低下させたり、破損させることがなくなる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２８】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明における実施の形態の一つを示すものである。従来例と同じ構成要素については、同じ番号を付与している。
【００２９】
本発明の実施の形態における燃料電池発電装置は、燃料ガスと酸化剤を用いて発電を行う燃料電池１と、天然ガスなどに水を添加した発電原料から水素に富んだ燃料を生成する燃料処理器２と、燃料電池１より排出される残余燃料ガスを燃焼する燃焼器３と、酸化剤としての空気を燃料電池１に供給するブロア４と、燃料電池１の発電する電力を調節する発電電力指令手段５と、燃料処理器２へ供給する発電原料および水の量を調節する発電原料調節器６と、燃料処理器２の燃料生成手段の温度を検知する温度検知手段７と、異なった時刻に検出された温度を比較することによって燃料処理器２の燃料生成手段の温度が上昇中か、燃料処理器２の燃料生成手段の温度が下降中もしくは変化していないかを判定する温度比較手段８とを有している。
【００３０】
燃料処理器２は、燃料電池１へ供給する燃料を生成する燃料生成手段と、燃料ガスに含まれる一酸化炭素を燃料電池１の触媒にダメージを与えない濃度まで低減する酸化炭素除去手段とからなる。
【００３１】
温度検知手段７は、燃料処理器２の燃料生成手段の温度を検知する。
【００３２】
温度比較手段８は、異なった時刻に検出された温度を比較することによって燃料処理器２の燃料生成手段の温度が上昇中か、燃料処理器２の燃料生成手段の温度が下降中もしくは変化していないかを判定し、その判定結果を発電電力指令手段５へ出力する。
【００３３】
燃焼器３は、燃料電池１より排出された残余燃料ガスが供給され残余燃料ガスを燃焼することにより燃料処理器２の燃料生成手段が効率よく燃料ガスを生成する温度（約７００℃）まで燃料処理器２の燃料生成手段を昇温する。
【００３４】
発電原料調節器６は発電電力指令手段５が決定する発電電力に必要な量の燃料ガスが燃料電池１へ供給できるように燃料処理器２へ供給する発電原料の量を調節する。
【００３５】
また、発電原料調節器６は、燃料処理器２へ供給する発電原料の量を変化させることで燃料処理器２の温度を調節する。燃料処理器２の温度が高くなった場合には燃料処理器２へ供給する発電原料の量を少なくすることで燃焼器３へ供給される残余燃料ガスの供給量を減らして燃焼器３での燃焼量を減らし、燃料処理器２の温度を低下させる。燃料処理器２の温度が低くなった場合、発電原料調節器６は燃料処理器２へ供給する発電原料の量を多くすることで燃焼器３へ供給される残余燃料ガスの供給量を増やして燃焼器３での燃焼量を増やし、燃料処理器２の温度を上昇させる。
【００３６】
図２は、本発明における実施の形態の発電電力指令手段５が発電電力を変更する際のアルゴリズムを示すフローチャートである。
【００３７】
発電電力指令手段５は、燃料電池発電装置が発電している電力と、供給すべき負荷電力とを比較し（Ｓ００１）、負荷電力の方が大きい場合は、燃料処理器２の温度バランスを崩さないで発電原料の供給量を増加させることができる上限の速度（５０％出力から定格出力へ約２０分）で発電電力を上昇させる（Ｓ００２）。燃料電池発電装置の定格が１kWである場合は、４分間に100Wの速度で電力を上昇させる。同時に、発電原料調節器６は発電電力に見合う発電原料が供給できるように、100Wに見合う発電原料の量を４分間で増加させる速度で発電原料の供給量を増加させる。
【００３８】
一方、発電電力指令手段５は、燃料電池発電装置が発電している電力よりも供給すべき負荷電力の方が小さい場合は、燃料処理器２の燃料生成手段の温度が上昇中かを検知し（Ｓ００３）、燃料処理器２の燃料生成手段の温度が下降中、もしくは変化していないならば、燃料電池１からの残余燃料ガスが増加しても燃料処理器２の温度が異常に上昇してしまうことがないと判断して、即座に、発電電力指令手段５が燃料電池から取り出す電流を変化させて、発電電力を負荷電力に一致させる（Ｓ００４）。同時に発電原料調節器６は100Wに見合う発電原料の量を４分間で減少させる速度で発電原料の供給量を減少させる。
【００３９】
燃料処理器２の燃料生成手段の温度が上昇しているときには、発電電力指令手段５は、燃料電池１からの残余燃料ガスが増加して燃料処理器２の温度が異常に上昇する危険があると判断して、発電原料調節器６が発電原料を減少させるのと同じ速度の４分間に100Wの速度で電力を減少させる（Ｓ００５）。その結果、発電電力は徐々に供給すべき負荷電力に近づいていく。
【００４０】
以上のように、燃料電池発電装置において発電電力を低下させる場合に、燃料処理器２の燃料生成手段の温度が下降中もしくは変化していない時には、発電電力指令手段５は発電電力を即座に負荷電力に一致させ、燃料処理器２の燃料生成手段の温度が上昇中の時には、発電電力指令手段５は発電電力を発電原料の供給量を減少させるのと同じ速度で発電電力を低下させるようにすることにより、燃料処理器２の温度が異常に上昇する可能性が低い場合には効率の高い発電を実現し、燃料処理器２の温度が異常に上昇する可能性がある場合には、燃料処理器２の温度の上昇を抑え、必要以上に燃料電池発電装置を停止させたり、燃料処理器２の耐久性の低下、さらには、燃料処理器２の破損にいたる事態を避けることが可能になる。
【００４１】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００４２】
本発明の第２の実施の形態における燃料電池システムの構成は、図３で示される。なお、第１の実施の形態における燃料電池システムと同一の部分については同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４３】
本発明における燃料電池発電装置は、燃料ガスと酸化剤とを用いて発電を行う燃料電池１と、天然ガスなどに水を添加した発電原料から水素に富んだ燃料を生成する燃料処理器２と、燃料電池１より排出される残余燃料ガスを燃焼する燃焼器３と、酸化剤としての空気を燃料電池１に供給するブロア４と、燃料電池１の発電する電力を調節する発電電力指令手段５と、燃料処理器２へ供給する発電原料および水の量を調節する発電原料調節器６と、燃料処理器２の燃料生成手段の温度を検知する温度検知手段７と、温度検知手段７で検出された温度を後述する第１、第２、第３、及び第４の各閾値とそれぞれ比較することによって、温度検出手段７で検出された温度が各閾値より高いかまたは各閾値以下かを判定する温度比較手段９とを有している。
【００４４】
燃料処理器２は、燃料電池１へ供給する燃料を生成する燃料生成手段と、燃料ガスに含まれる一酸化炭素を燃料電池１の触媒にダメージを与えない濃度まで低減する酸化炭素除去手段とからなる。
【００４５】
温度検知手段７は、燃料処理器２の燃料生成手段の温度を検知する。
【００４６】
温度比較手段９は、温度検知手段７で検出された温度を第１、第２、第３、及び第４の閾値とそれぞれ比較することによって、温度検出手段７で検出された温度が各閾値より高いかまたは各閾値以下かを判定し、その判定結果を発電電力指令手段５へ出力する。
【００４７】
燃焼器３は、燃料電池１より排出された残余燃料ガスが供給され残余燃料ガスを燃焼することにより燃料処理器２の燃料生成手段が効率よく燃料ガスを生成する温度（約７００℃）まで燃料処理器２の燃料生成手段を昇温する。
【００４８】
発電原料調節器６は発電電力指令手段５が決定する発電電力に必要な量の燃料ガスが燃料電池１へ供給できるように燃料処理器２へ供給する発電原料の量を調節する。
【００４９】
また、発電原料調節器６は、燃料処理器２へ供給する発電原料の量を変化させることで燃料処理器２の温度を調節する。燃料処理器２の温度が高くなった場合には燃料処理器２へ供給する発電原料の量を少なくすることで燃焼器３へ供給される残余燃料ガスの供給量を減らして燃焼器３での燃焼量を減らし、燃料処理器２の温度を低下させる。燃料処理器２の温度が低くなった場合、発電原料調節器６は燃料処理器２へ供給する発電原料の量を多くすることで燃焼器３へ供給される残余燃料ガスの供給量を増やして燃焼器３での燃焼量を増やし、燃料処理器２の温度を上昇させる。
【００５０】
図４は、本発明における実施の形態の発電電力指令手段５が発電電力を変更する際のアルゴリズムを示すフローチャートである。
【００５１】
発電電力指令手段５は、燃料電池発電装置が発電している電力と供給すべき負荷電力とを比較し（Ｓ１０１）、負荷電力の方が大きい場合は、燃料処理器２の温度バランスを崩さないで発電原料の供給量を増加させることができる上限の速度（５０％出力から定格出力へ約２０分）で発電電力を上昇させる（Ｓ１０２）。燃料電池発電装置の定格が１kWである場合は、４分間に100Wの速度で電力を上昇させる。同時に、発電原料調節器６は発電電力に見合う発電原料が供給できるように、100Wに見合う発電原料の量を４分間で増加させる速度で発電原料の供給量を増加させる。後述する第一、第二の電力制限モードが実行されている場合には、このとき同時に実行されている電力制限モードを解除する。
【００５２】
一方、発電電力指令手段５は、Ｓ１０１において燃料電池発電装置が発電している電力よりも供給すべき負荷電力の方が小さい場合は、燃料処理器２の燃料生成手段の温度と、燃料生成手段の触媒が劣化してしまう温度（約８００度）より安全度（２０℃程度）を見込んだ第一のしきい温度（約７８０℃）とを比較し（Ｓ１０３）、燃料処理器２の燃料生成手段の温度が第一のしきい温度（約７８０℃）よりも高いならば、第一の電力制限モードとして発電電力指令手段５は発電電力を減少させない（Ｓ１０４）。同時に発電原料調節器６は100Wに見合う発電原料の量を４分間で減少させる速度で発電原料の供給量を減少させる。
【００５３】
燃料処理器２の燃料生成手段の温度がＳ１０３において第一のしきい温度（約７８０℃）以下であれば、発電電力指令手段５は、燃料処理器２の燃料生成手段の温度と第二のしきい温度（約７７０℃）とを比較し（Ｓ１０５）、燃料処理器２の燃料生成手段の温度が第二のしきい温度（約７７０℃）以下であれば、第一の電力制限モードを解除する（Ｓ１０６）。一方、Ｓ１０５において、燃料処理器２の燃料生成手段の温度が第二のしきい温度（約７７０℃）より高い場合には、既に第一の電力制限モードが実行されている場合であっても、第一の電力制限モードを解除しない。第二のしきい温度は、第一の電力制限モードの実行／解除が小刻みに発生しないように燃料処理器２の燃料生成手段の温度変化速度を考慮して決定されるが、通常第一のしきい温度よりも１０℃程度低い温度を設定すれば良い。
【００５４】
さらに、発電電力指令手段５は燃料処理器２の燃料生成手段の温度と第三のしきい温度（約７６０℃）とを比較し（Ｓ１０７）、燃料処理器２の燃料生成手段の温度が第三のしきい温度（約７６０℃）よりも高いならば、第二の電力制限モードとして発電電力指令手段５は、発電原料調節器６が発電原料を減少させるのと同じ速度の４分間に100Wの速度で電力を減少させる（Ｓ１０８）。
【００５５】
第三のしきい温度は、燃料処理器２の燃料生成手段の温度が第一のしきい温度よりも十分低い温度として、第一のしきい温度よりも２０℃程度低い温度に設定すれば良い。
【００５６】
燃料処理器２の燃料生成手段の温度がＳ１０７において第三のしきい温度（約７６０℃）以下であれば、発電電力指令手段５は、燃料処理器２の燃料生成手段の温度と第四のしきい温度（約７５０℃）とを比較し（Ｓ１０９）、燃料処理器２の燃料生成手段の温度が第四のしきい温度（約７５０℃）以下であれば、第二の電力制限モードを解除し、発電電力指令手段５は発電電力を即座に負荷電力に一致させる（Ｓ１１０）。一方、Ｓ１０９において、燃料処理器２の燃料生成手段の温度が第四のしきい温度（７５０℃）以上であれば、既に第二の電力制限モードが実行されている場合であっても、第二の電力制限モードを解除しない。
【００５７】
以上のように、燃料電池発電装置において発電電力を低下させる場合に、燃料処理器２の燃料生成手段の温度が第三のしきい温度よりも高い場合には、発電電力指令手段５は発電電力を発電原料の供給量を減少させるのと同じ速度で発電電力を低下させるようにすることにより、燃料処理器２が異常に高温になることを予防することができる。
【００５８】
また、燃料処理器２の燃料生成手段の温度が第一のしきい温度よりも高い場合には、発電電力指令手段５は発電電力を減少させなくすることにより、燃料処理器２が破損にいたるまで高温になるのを防止し、必要以上に燃料電池発電装置を停止させたり、燃料処理器２の耐久性の低下、さらには、燃料処理器２の破損にいたる事態を避けることが可能になる。
【００５９】
さらに、燃料処理器２の燃料生成手段の温度が各々第二、第四のしきい温度以下になった場合には、各々の電力制限モードを解除することにより、燃料処理器の温度が正常な場合は、負荷電力に応じた発電を行い効率の高い発電が可能となる。
【００６０】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００６１】
本発明の第３の実施の形態における燃料電池システムの構成は、図５で示される。なお、第１の実施の形態における燃料電池システムと同一の部分については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００６２】
本発明における燃料電池発電装置は、燃料ガスと酸化剤を用いて発電を行う燃料電池１と、天然ガスなどに水を添加した発電原料から水素に富んだ燃料を生成する燃料処理器２と、燃料電池１より排出される残余燃料ガスを燃焼する燃焼器３と、酸化剤としての空気を燃料電池１に供給するブロア４と、燃料電池１の発電する電力を調節する発電電力指令手段５と、燃料処理器２へ供給する発電原料および水の量を調節する発電原料調節器６と、燃料処理器２の燃料生成手段の温度を検知する温度検知手段７と、温度検知手段７で検出された温度を後述する第１、第２の各閾値とそれぞれ比較することによって、温度検出手段７で検出された温度が各閾値より高いかまたは各閾値以下かを判定する温度比較手段１０とを有している。
【００６３】
なお、燃料電池１、燃料処理器２、燃焼器３、ブロア４、発電電力指令手段５、及び発電原料調節器６の構成は第２の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
【００６４】
次に、このような本実施の形態の動作を第２の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００６５】
第３の実施の形態の第２の実施の形態との相違点は、第３の実施の形態では、第一の電力制限モードのみを実行し、第二の電力制限モードを実行しない点である。
【００６６】
すなわち、温度検知手段７は、第２の実施の形態と同様にして燃料処理器２の燃料生成手段の温度を検知する。
【００６７】
温度比較手段１０は、温度検知手段７で検出された温度を後述する第１、第２の各閾値とそれぞれ比較することによって、温度検出手段７で検出された温度が各閾値より高いかまたは各閾値以下かを判定し、その判定結果を発電電力指令手段５へ出力する。
【００６８】
図６は、本発明における実施の形態の発電電力指令手段５が発電電力を変更する際のアルゴリズムを示すフローチャートである。
【００６９】
発電電力指令手段５は、燃料電池発電装置が発電している電力と供給すべき負荷電力を比較し（Ｓ２０１）、負荷電力の方が大きい場合は、燃料処理器２の温度バランスを崩さないで発電原料の供給量を増加させることができる上限の速度（５０％出力から定格出力へ約２０分）で発電電力を上昇させる（Ｓ２０２）。燃料電池発電装置の定格が１kWである場合は、４分間に100Wの速度で電力を上昇させる。同時に、発電原料調節器６は発電電力に見合う発電原料が供給できるように、100Wに見合う発電原料の量を４分間で増加させる速度で発電原料の供給量を増加させる。このとき同時に、後述する第一の電力制限モードが実行されている場合には、実行されている電力制限モードを解除する。
【００７０】
一方、発電電力指令手段５は、Ｓ２０１において燃料電池発電装置が発電している電力よりも供給すべき負荷電力の方が小さい場合は、燃料処理器２の燃料生成手段の温度と、燃料生成手段の触媒が劣化してしまう温度（約８００度）より安全度（２０℃程度）を見込んだ第一のしきい温度（約７８０℃）とを比較し（Ｓ２０３）、燃料処理器２の燃料生成手段の温度が第一のしきい温度（約７８０℃）よりも高いならば、第一の電力制限モードとして発電電力指令手段５は発電電力を減少させない（Ｓ２０４）。同時に発電原料調節器６は100Wに見合う発電原料の量を４分間で減少させる速度で発電原料の供給量を減少させる。
【００７１】
燃料処理器２の燃料生成手段の温度がＳ２０３において第一のしきい温度（約７８０℃）以下であれば、発電電力指令手段５は、燃料処理器２の燃料生成手段の温度と第二のしきい温度（約７７０℃）とを比較し（Ｓ２０５）、燃料処理器２の燃料生成手段の温度が第二のしきい温度（約７７０℃）以下であれば、第一の電力制限モードを解除し（Ｓ２０６）、発電電力指令手段５は発電電力を即座に負荷電力に一致させる（Ｓ２１０）。
【００７２】
一方、Ｓ１０５において、燃料処理器２の燃料生成手段の温度が第二のしきい温度（約７７０℃）より高い場合には、既に第一の電力制限モードが実行されている場合であっても、第一の電力制限モードを解除しない（Ｓ２０４）。第二のしきい温度は、第一の電力制限モードの実行／解除が小刻みに発生しないように燃料処理器２燃料生成手段の温度変化速度を考慮して決定されるが、通常第一のしきい温度よりも１０℃程度低い温度を設定すれば良い。
【００７３】
以上のように、燃料処理器２の燃料生成手段の温度が第一のしきい温度よりも高い場合には、発電電力指令手段５は発電電力を減少させなくすることにより、燃料処理器２が破損にいたるまで高温になるのを防止し、必要以上に燃料電池発電装置を停止させたり、燃料処理器２の耐久性の低下、さらには、燃料処理器２の破損にいたる事態を避けることが可能になる。
【００７４】
さらに、燃料処理器２の燃料生成手段の温度が第二のしきい温度以下になった場合には、第一の電力制限モードを解除することにより、燃料処理器の温度が正常な場合は、負荷電力に応じた発電を行い効率の高い発電が可能となる。
【００７５】
このように、第一の電力制限モードのみを実行し、第二の電力制限モードを実行しない場合にも、第２の実施の形態と同等の効果を得ることが出来る。
【００７６】
（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００７７】
本発明の第４の実施の形態における燃料電池システムの構成は、図７で示される。なお、第１の実施の形態における燃料電池システムと同一部分については同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００７８】
本発明における燃料電池発電装置は、燃料ガスと酸化剤を用いて発電を行う燃料電池１と、天然ガスなどに水を添加した発電原料から水素に富んだ燃料を生成する燃料処理器２と、燃料電池１より排出される残余燃料ガスを燃焼する燃焼器３と、酸化剤としての空気を燃料電池１に供給するブロア４と、燃料電池１の発電する電力を調節する発電電力指令手段５と、燃料処理器２へ供給する発電原料および水の量を調節する発電原料調節器６と、燃料処理器２の燃料生成手段の温度を検知する温度検知手段７と、温度検知手段７で検出された温度を後述する第３、及び第４の各閾値とそれぞれ比較することによって、温度検出手段７で検出された温度が各閾値より高いかまたは各閾値以下かを判定する温度比較手段１１とを有している。
【００７９】
なお、燃料電池１、燃料処理器２、燃焼器３、ブロア４、発電電力指令手段５、及び発電原料調節器６の構成は第２の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
【００８０】
次に、このような本実施の形態の動作を第２の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００８１】
第４の実施の形態の第２の実施の形態との相違点は、第４の実施の形態では、第二の電力制限モードのみを実行し、第一の電力制限モードを実行しない点である。
【００８２】
すなわち、温度検知手段７は、燃料処理器２の燃料生成手段の温度を検知する。
【００８３】
温度比較手段１１は、温度検知手段７で検出された温度を後述する第３、及び第４の各閾値とそれぞれ比較することによって、温度検出手段７で検出された温度が各閾値より高いかまたは各閾値以下かを判定し、その判定結果を発電電力指令手段５に出力する。
【００８４】
図８は、本発明における実施の形態の発電電力指令手段５が発電電力を変更する際のアルゴリズムを示すフローチャートである。
【００８５】
発電電力指令手段５は、燃料電池発電装置が発電している電力と供給すべき負荷電力を比較し（Ｓ３０１）、負荷電力の方が大きい場合は、燃料処理器２の温度バランスを崩さないで発電原料の供給量を増加させることができる上限の速度（５０％出力から定格出力へ約２０分）で発電電力を上昇させる（Ｓ３０２）。燃料電池発電装置の定格が１kWである場合は、４分間に100Wの速度で電力を上昇させる。同時に、発電原料調節器６は発電電力に見合う発電原料が供給できるように、100Wに見合う発電原料の量を４分間で増加させる速度で発電原料の供給量を増加させる。このとき同時に、後述する第二の電力制限モードが実行されている場合には、実行されている電力制限モードを解除する。
【００８６】
一方、発電電力指令手段５は、Ｓ３０１において燃料電池発電装置が発電している電力よりも供給すべき負荷電力の方が小さい場合は、発電電力指令手段５は燃料処理器２の燃料生成手段の温度と第三のしきい温度（約７６０℃）とを比較し（Ｓ３０７）、燃料処理器２の燃料生成手段の温度が第三のしきい温度（約７６０℃）よりも高いならば、第二の電力制限モードとして発電電力指令手段５は、発電原料調節器６が発電原料を減少させるのと同じ速度の４分間に100Wの速度で電力を減少させる（Ｓ３０８）。
【００８７】
第三のしきい温度は、燃料処理器２の燃料生成手段の温度が、燃料生成手段の触媒が劣化してしまう温度（約８００度）より安全度（２０℃程度）を見込んだ温度（約７８０℃）よりも十分低い温度として、７８０℃よりも２０℃程度低い温度に設定すれば良い。
【００８８】
燃料処理器２の燃料生成手段の温度がＳ３０７において第三のしきい温度（約７６０℃）以下であれば、発電電力指令手段５は、燃料処理器２の燃料生成手段の温度と第四のしきい温度（約７５０℃）とを比較し（Ｓ３０９）、燃料処理器２の燃料生成手段の温度が第四のしきい温度（約７５０℃）以下であれば、第二の電力制限モードを解除し、発電電力指令手段５は発電電力を即座に負荷電力に一致させる（Ｓ３１０）。一方、Ｓ３０９において、燃料処理器２の燃料生成手段の温度が第四のしきい温度（７５０℃）以上であれば、既に第二の電力制限モードが実行されている場合であっても、第二の電力制限モードを解除しない。
【００８９】
以上のように、燃料電池発電装置において発電電力を低下させる場合に、燃料処理器２の燃料生成手段の温度が第三のしきい温度よりも高い場合には、発電電力指令手段５は発電電力を発電原料の供給量を減少させるのと同じ速度で発電電力を低下させるようにすることにより、燃料処理器２が異常に高温になることを予防することができる。
【００９０】
さらに、燃料処理器２の燃料生成手段の温度が第四のしきい温度以下になった場合には、第二の電力制限モードを解除することにより、燃料処理器の温度が正常な場合は、負荷電力に応じた発電を行い効率の高い発電が可能となる。
【００９１】
このように、第一の電力制限モードを実行せず、第二の電力制限モードのみを実行する場合にも第２の実施の形態と同等の効果を得ることが出来る。
【００９２】
なお、第１〜４の各実施の形態において、発電電力指令手段５が発電電力を上昇させる速度として、４分間に100Wの速度で電力を上昇させる例を説明したが、燃料処理器の構成や熱容量が異なればおのずとこの速度は変更されるべきであり、その場合でも本発明の範囲を超えるものではない。すなわち、発電電力指令手段５が発電電力を上昇させる速度は、燃料処理器２の機器構成に依存しているが、燃料処理器２を構成する酸化炭素除去手段が適正温度の範囲に入るような速度であればよい。このような速度であれば、酸化炭素除去手段が適正温度の範囲に入るので、酸化炭素除去手段の出力に含まれる一酸化炭素が適正量以下になる。すなわち、発電電力指令手段５が発電電力を上昇させる速度は、酸化炭素除去手段の出力に含まれる一酸化炭素が適正量以下になるような速度であればよい。例えば、一酸化炭素濃度が２０ｐｐｍまで許容出来るような装置であれば、酸化炭素除去手段の出力で一酸化炭素が２０ｐｐｍ以下になるような速度であればよい。
【００９３】
また、第２〜４の各実施の形態において、第一、第二、第三、第四のしきい値は、燃料処理手段の触媒をルテニウムを主成分とする触媒を用いた例で示しており、燃料処理器に他の触媒を用いた場合にはこの限りではない。さらに、燃料処理器の熱容量が大きい場合には、もっと高い温度に設定し、逆に、燃料処理器の熱容量が小さい場合には、もっと低い温度に設定するのが適当であり、その場合も本発明の範囲を超えるものではない。
【００９４】
【発明の効果】
以上説明したところから明らかなように、本発明は、安定的かつ信頼性の高い燃料電池発電装置、及び燃料電池発電方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態における燃料電池発電装置を示す構成図である。
【図２】 本発明の第１の実施の形態における発電電力指令手段５の動作形態を示すフローチャート図である。
【図３】 本発明の第２の実施の形態における燃料電池発電装置を示す構成図である。
【図４】 本発明の第２の実施の形態における発電電力指令手段５の動作形態を示すフローチャート図である。
【図５】 本発明の第３の実施の形態における燃料電池発電装置を示す構成図である。
【図６】 本発明の第３の実施の形態における発電電力指令手段５の動作形態を示すフローチャート図である。
【図７】 本発明の第４の実施の形態における燃料電池発電装置を示す構成図である。
【図８】 本発明の第４の実施の形態における発電電力指令手段５の動作形態を示すフローチャート図である。
【図９】 従来の燃料電池発電装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 燃料処理器
３ 燃焼器
４ ブロア
５ 発電電力指令手段
６ 発電原料調節器
７ 温度検知手段
８ 温度比較手段

Claims (8)

  1. 燃料と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、
    発電原料から前記燃料電池へ供給する燃料を生成する燃料処理器と、
    前記燃料電池で消費されなかった残余燃料ガスを燃焼し前記燃料処理器を昇温する燃焼器と、
    前記燃料電池の発電電力を決定する発電電力指令手段とを備え、
    供給すべき負荷電力が減少するときその減少に応じて、前記発電電力指令手段が前記燃料電池の発電電力を減少させる場合、前記燃料処理器への前記発電原料の供給を減少させるとともに、
    前記燃料処理器の温度が上昇中の場合は、予め決められた速度を上限として発電電力を減少させ、前記燃料処理器の温度が上昇中で無い場合は、発電電力の減少速度に制限を設けない、燃料電池発電装置。
  2. 燃料と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、
    発電原料から前記燃料電池へ供給する燃料を生成する燃料処理器と、
    前記燃料電池で消費されなかった残余燃料ガスを燃焼し前記燃料処理器を昇温する燃焼器と、
    前記燃料電池の発電電力を決定する発電電力指令手段とを備え、
    供給すべき負荷電力が減少するときその減少に応じて、前記発電電力指令手段が前記燃料電池の発電電力を減少させる場合、前記燃料処理器への前記発電原料の供給を減少させるとともに、
    前記燃料処理器の温度が第一のしきい値以上の場合は、発電電力の減少をさせないモード（第一の電力制限モード）を実行し、
    前記燃料処理器の温度が第一のしきい値より低い第二のしきい値以下の場合は、発電電力の減少速度に制限を設けず、
    前記発電電力指令手段が前記燃料電池の発電電力の維持もしくは増加を開始した場合は、前記第一の電力制限モードを解除する、燃料電池発電装置。
  3. 燃料と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、
    発電原料から前記燃料電池へ供給する燃料を生成する燃料処理器と、
    前記燃料電池で消費されなかった残余燃料ガスを燃焼し前記燃料処理器を昇温する燃焼器と、
    前記燃料電池の発電電力を決定する発電電力指令手段とを備え、
    供給すべき負荷電力が減少するときその減少に応じて、前記発電電力指令手段が前記燃料電池の発電電力を減少させる場合、前記燃料処理器への前記発電原料の供給を減少させるとともに、
    前記燃料処理器の温度が第三のしきい値以上の場合は、予め決められた速度を上限として発電電力を減少させるモード（第二の電力制限モード）を実行し、
    前記燃料処理器の温度が第三のしきい値より低い第四のしきい値以下の場合は、発電電力の減少速度に制限を設けず、
    前記発電電力指令手段が前記燃料電池の発電電力の維持もしくは増加を開始した場合は、前記第二の電力制限モードを解除する、燃料電池発電装置。
  4. 燃料と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、
    発電原料から前記燃料電池へ供給する燃料を生成する燃料処理器と、
    前記燃料電池で消費されなかった残余燃料ガスを燃焼し前記燃料処理器を昇温する燃焼器と、
    前記燃料電池の発電電力を決定する発電電力指令手段とを備え、
    供給すべき負荷電力が減少するときその減少に応じて、前記発電電力指令手段が前記燃料電池の発電電力を減少させる場合、前記燃料処理器への前記発電原料の供給を減少させるとともに、
    前記燃料処理器の温度が第一のしきい値以上の場合は、発電電力の減少をさせないモード（第一の電力制限モード）を実行し、
    前記燃料処理器の温度が、前記第一のしきい値より低い第二のしきい値以下の場合は、予め決められた速度を上限として発電電力を減少させるモード（第二の電力制限モード）を実行し、
    前記燃料処理器の温度が、前記第二のしきい値より低い第四のしきい値以下の場合は発電電力の減少速度に制限を設けず、
    前記発電電力指令手段が前記燃料電池の発電電力の維持もしくは増加を開始した場合は、前記第一および第二の電力制限モードの双方を解除する、燃料電池発電装置。
  5. 燃料と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、
    発電原料から前記燃料電池へ供給する燃料を生成する燃料処理器と、
    前記燃料電池で消費されなかった残余燃料ガスを燃焼し前記燃料処理器を昇温する燃焼器と、
    前記燃料電池の発電電力を決定する発電電力指令手段とを備えた燃料電池発電装置を用いて発電する燃料電池発電方法であって、
    供給すべき負荷電力が減少するときその減少に応じて、前記発電電力指令手段が前記燃料電池の発電電力を減少させる場合、前記燃料処理器への前記発電原料の供給を減少させるとともに、
    前記燃料処理器の温度が上昇中の場合は、予め決められた速度を上限として発電電力を減少させ、前記燃料処理器の温度が上昇中で無い場合は、発電電力の減少速度に制限を設けない工程を備えた、燃料電池発電方法。
  6. 燃料と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、
    発電原料から前記燃料電池へ供給する燃料を生成する燃料処理器と、
    前記燃料電池で消費されなかった残余燃料ガスを燃焼し前記燃料処理器を昇温する燃焼器と、
    前記燃料電池の発電電力を決定する発電電力指令手段とを備えた燃料電池発電装置を用いて発電する燃料電池発電方法であって、
    供給すべき負荷電力が減少するときその減少に応じて、前記発電電力指令手段が前記燃料電池の発電電力を減少させる場合、前記燃料処理器への前記発電原料の供給を減少させるとともに、
    前記燃料処理器の温度が第一のしきい値以上の場合は、発電電力の減少をさせないモード（第一の電力制限モード）を実行し、
    前記燃料処理器の温度が第一のしきい値より低い第二のしきい値以下の場合は、発電電力の減少速度に制限を設けず、
    前記発電電力指令手段が前記燃料電池の発電電力の維持もしくは増加を開始した場合は、前記第一の電力制限モードを解除する工程を備えた、燃料電池発電方法。
  7. 燃料と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、
    発電原料から前記燃料電池へ供給する燃料を生成する燃料処理器と、
    前記燃料電池で消費されなかった残余燃料ガスを燃焼し前記燃料処理器を昇温する燃焼器と、
    前記燃料電池の発電電力を決定する発電電力指令手段とを備えた燃料電池発電装置を用いて発電する燃料電池発電方法であって、
    供給すべき負荷電力が減少するときその減少に応じて、前記発電電力指令手段が前記燃料電池の発電電力を減少させる場合、前記燃料処理器への前記発電原料の供給を減少させるとともに、
    前記燃料処理器の温度が第三のしきい値以上の場合は、予め決められた速度を上限として発電電力を減少させるモード（第二の電力制限モード）を実行し、
    前記燃料処理器の温度が第三のしきい値より低い第四のしきい値以下の場合は、発電電力の減少速度に制限を設けず、
    前記発電電力指令手段が前記燃料電池の発電電力の維持もしくは増加を開始した場合は、前記第二の電力制限モードを解除する工程を備えた、燃料電池発電方法。
  8. 燃料と酸化剤とから電力を発生させる燃料電池と、
    発電原料から前記燃料電池へ供給する燃料を生成する燃料処理器と、
    前記燃料電池で消費されなかった残余燃料ガスを燃焼し前記燃料処理器を昇温する燃焼器と、
    前記燃料電池の発電電力を決定する発電電力指令手段とを備えた燃料電池発電装置を用いて発電する燃料電池発電方法であって、
    供給すべき負荷電力が減少するときその減少に応じて、前記発電電力指令手段が前記燃料電池の発電電力を減少させる場合、前記燃料処理器への前記発電原料の供給を減少させるとともに、
    前記燃料処理器の温度が第一のしきい値以上の場合は、発電電力の減少をさせないモード（第一の電力制限モード）を実行し、
    前記燃料処理器の温度が、前記第一のしきい値より低い第二のしきい値以下の場合は、予め決められた速度を上限として発電電力を減少させるモード（第二の電力制限モード）を実行し、
    前記燃料処理器の温度が、前記第二のしきい値より低い第四のしきい値以下の場合は発電電力の減少速度に制限を設けず、
    前記発電電力指令手段が前記燃料電池の発電電力の維持もしくは増加を開始した場合は、前記第一および第二の電力制限モードの双方を解除する工程を備えた、燃料電池発電方法。
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