JP4627420B2 - 燃料電池発電システムとその制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、水素供給部からの水素と、酸素供給部からの酸素の供給を受けて発電する燃料電池から排出される未反応の反応ガスを前記水素供給部の熱源として使用するシステムにおいて、前記水素供給部の温度制御装置を備えた燃料電池発電システムに関する。
近年、固体高分子膜の電気化学的特性が向上したことにより、オンサイト型分散電源としての家庭用固体高分子形燃料電池システムの実現が期待されるようになってきた。この家庭用燃料電池システムの商用化時には従来の発電システムよりも高い効率が期待されており、高効率化のためにさまざまな提案がされている。
固体高分子形燃料電池発電システムの一例として、炭化水素系燃料を改質器で改質して改質ガス中のＣＯを除去した後に、燃料電池に供給して改質ガス中の水素と空気中の酸素を消費して発電を行い、燃料電池から排出される未反応のガスを、改質器で炭化水素系燃料を改質するための熱源として使用するシステムが良く知られている。
このような発電システムではシステムを高効率に運転するために、システムの改質ガス系統は、改質器を始点とし、燃料電池、熱交換器などを経由し、再び改質器の燃焼部へ戻ってくる構成となっている。このような構成においては、改質ガス系統は閉じた系統になっているので、供給ガス量の変動、改質器触媒の劣化による水素発生量及び改質ガス組成の変化、外気温の変化など、何らかの外乱が生じた場合に改質器の燃焼部に与える熱量が変化する。しかし、この系統には、システムを安定化させる緩衝機構がないために、何らかの外乱が与えられた場合、システムを安定に運転することが非常に難しくなる。
そこで、特許文献１には、複数に分割した燃料電池本体を直列に配し、その最終段の分割燃料電池からの燃料オフガスを改質器のバーナに供給し、この最終段の分割燃料電池の発電電力を制御して、前記改質器の反応部の温度を制御する技術が開示されている。
特開平８−２５５６２１号公報（全体）
本発明の目的は、簡単な構成で、外乱に対して安定に運転できる水素供給部の反応部の温度制御を実現する燃料電池発電システムを提供することである。
本発明の望ましい実施態様においては、燃料電池の発電電力の目標として、第１の目標電力ＰＴ及び所定量低減した第２の目標値ＰＬを設定しておく。そして、改質器あるいは水素発生器からなる水素供給部の反応部等の温度の所定の変化に応じて、燃料電池の発電電力の目標値を、第１と第２の目標電力の間で切換える目標電力切換え手段を備える。
ここで、燃料電池の発電電力の第１及び第２の目標値ＰＴ及びＰＬは、当該燃料電池発電システムにおいて、水素欠を起こさせない水素利用率と燃料電池の発電効率を考慮して、予め設定することが望ましい。
本発明の望ましい他の実施態様においては、水素供給部の温度を検出する温度センサの検出温度を所定範囲内に保持するように燃料電池の発電電力を制御する温度制御手段を備えた燃料電池発電システムにおいて、温度制御手段は、検出温度が第１の所定範囲を外れたことに応じて、水素供給部への燃焼用酸化剤（空気）の供給を増減させる第１の温度制御手段と、検出温度が第２の所定範囲を外れたことに応じて、燃料電池の発電電力を増減させる第２の温度制御手段を備える。
本発明の望ましい実施態様によれば、システムに何らかの外乱が与えられた場合にも、簡単な構成で、所定の温度範囲内に水素供給部の温度を維持することができ、燃料電池発電システムの安定を保つことができる。このとき、燃料電池の発電電力の第２の目標値ＰＬの望ましい設定により、発電電力量や発電効率を許容範囲内に収めることができる。
本発明によるその他の目的と特徴は、以下に述べる実施例の説明で明らかにする。
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
図１は、本発明の第１の実施例による燃料電池発電システムの構成ブロック図である。燃料電池６は、燃料である水素と空気中の酸素を反応させて発電するものであり、例えば、固体高分子形燃料電池が用いられる。この実施例の燃料電池システムでは、水素を含む改質ガスを発生させる改質器１で発生したガス中のＣＯ濃度を低減するＣＯ変性器４、ＣＯ除去器５を備え、ＣＯを低減したガスを燃料電池６に供給する。また、加湿部７から、空気１４中の酸素を供給するように構成されている。一方、制御部８は、改質器１に供給する炭化水素系燃料１５、空気１１及び水１６を制御している。また、改質器１の燃焼部２に供給する燃焼用空気１２も制御している。さらに、ＣＯ除去器５に供給する空気１３、燃料電池に供給する空気１４、発電出力（出力電流、電圧）を制御し、発電した電力は、外部回路１０に供給している。燃料電池６から排出される未反応の反応ガス（例えば水素、メタン）６１は、改質器１に付属した燃焼部２の燃料として供給される。燃焼部２では、未反応のガス６１を燃焼させることにより、改質反応を進行させるための熱を得る。
ここで、改質器１の温度を検出するセンサ、すなわち、燃焼部温度センサ１７、供給ガス温度センサ１８及び改質部温度センサ１９を設置している。これらのいずれか単独又は組合せの温度を演算部９に取込み、与えられた温度目標値に対して所定の関係となったことに応じて、制御部８によって、燃料電池６から外部回路１０へ供給する出力電力を制御する。
図２は、本発明の実施例に採用可能な第１の温度制御処理の動作説明図である。まず、検出する改質器１の所定の部位の温度データＴＤに対する上限温度２０と、下限温度２１を設定する。次に、燃料電池６の発電電力の第１の目標電力ＰＴと、想定される何らかの外乱等に対しても水素欠を起こさせない水素利用率を考慮して、燃料電池６の発電電力を所定量低減した第２の目標電力ＰＬを設定しておく。
ここで、図２に示すように、時点ｔ１において、温度センサから取込んだ温度データＴＤが、設定された下限温度２１よりも低くなったとする。この場合には、改質器１の熱量が不足している状況であり、演算部９と制御部８では、燃料電池６の発電電力を、それまでの第１の目標電力ＰＴから、低減した第２の目標電力ＰＬへ低減させる。したがって、燃料電池６からの未反応ガス６１が増加し、改質器１に供給する燃料を増加させ、燃焼部２の熱量を増加させる。これによって、改質器１の温度は回復に向う。その後、時点ｔ２において、温度データＴＤが、設定された上限温度２０を超えたと仮定する。温度データＴＤが、上限温度２０を超えた場合には、演算部９と制御部８では、燃料電池６の発電電力を増加させるように、第１の目標電力ＰＴに切換えて制御し、改質器１の燃焼部２の熱源として供給する未反応ガス６１を減らし、その熱量を減少させる。以下、改質器１の所定部の温度が、予定の上限温度２０や下限温度２１に達すると、上記の目標電力の切換え制御を行い、温度センサから取込んだ温度データＴＤを所定範囲に保つように機能する。
したがって、この実施例によれば、システムに何らかの外乱が与えられた場合にも、簡単な構成で、所定の温度範囲内に水素供給部（改質器１）の温度を維持することができ、燃料電池発電システムの安定を保つことができる。このとき、燃料電池の発電電力の第１及び第２の目標電力ＰＴ及びＰＬの望ましい設定により、発電電力量や発電効率を許容範囲内に収めることができる。
図３は、本発明の第２の実施例による燃料電池発電システムの構成ブロック図である。この実施例において、図１の実施例と同じ部分には同一符号を付けて重複説明は避ける。図1と異なる点は、図１の改質器1に代えて、水素発生手段２２により、燃料電池６への水素燃料を供給するように構成したことである。水素発生手段２２は、有機ハイドライド（デカリン、シクロヘキサンなど）２３を燃料としている。また、制御部８により、水素発生手段２２に供給する有機ハイドライド２３及び空気１２が制御され、燃料電池６に供給する空気１４が制御される。燃料電池６から排出される未反応の反応ガス（例えば水素）６１は、水素発生手段２２の燃焼部２６の燃料として供給される。燃焼部２６では、未反応のガス６１を燃焼させることにより、水素発生を進行させるための熱を得る。
ここで、水素発生手段２２の温度を制御するために、水素発生手段２２の温度を検出する燃焼部温度センサ１７、供給ガス温度センサ１８及び気液分離器２４の気液分離器温度センサ２５のいずれか単独又は組合せの温度を演算部９に取込む。その後の、水素発生手段２２の温度制御の具体的制御処理は、図２を参照して説明した第１の実施例と同様であり、詳細は省略する。
この有機ハイドライド２３を燃料とする燃料電池システムにおいても、システムに何らかの外乱が与えられた場合にも、簡単な構成で、所定の温度範囲内に水素供給部の温度を維持することができ、燃料電池発電システムの安定を保つことができる。このとき、燃料電池の発電電力の第１及び第２の目標電力ＰＴ及びＰＬの望ましい設定により、発電電力量や発電効率を許容範囲内に収めることができる。
図４は、本発明の第３の実施例による燃料電池発電システムの構成ブロック図である。この実施例において、図３の実施例と同じ部分には同一符号を付けて重複説明は避ける。図３と異なる点は、図３の水素発生手段２２に代えて、水素発生手段２２１から、燃料電池６への水素燃料を供給するように構成したことである。この水素発生手段２２１は、水素吸蔵合金２７を用い、水素を発生させる。また、制御部８により、水素吸蔵合金２７に供給する水素２９、水素発生手段２２１の燃焼部３０に供給する空気１２が制御され、燃料電池６に供給する空気１４が制御される。燃料電池６から排出される未反応の反応ガス（例えば水素）６１は、水素発生手段２２１の燃焼部３０の燃料として供給される。燃焼部３０では、未反応のガス６１を燃焼させることにより、水素発生を進行させるための熱を得る。
ここで、水素発生手段２２１の温度を制御するために、水素発生手段２２１の温度を検出する燃焼部温度センサ１７、供給ガス温度センサ１８及び水素吸蔵合金温度センサ２８のいずれか単独又は組合せの温度を演算部９に取込む。その後の、水素発生手段２２１の温度制御の具体的制御処理は、図２を参照して説明した第１の実施例と同様であり、詳細は省略する。
この水素吸蔵合金２７を水素供給源とする燃料電池システムにおいても、システムに何らかの外乱が与えられた場合にも、簡単な構成で、所定の温度範囲内に水素供給部の温度を維持することができ、燃料電池発電システムの安定を保つことができる。このとき、燃料電池の発電電力の第１及び第２の目標電力ＰＴ及びＰＬの望ましい設定により、発電電力量や発電効率を許容範囲内に収めることができる。
以上の実施例を要約すると次の通りである。まず、水素系燃料を改質して又は水素系原料から水素を含む反応ガスを発生させる水素供給部（１，２２又は２２１）と、酸素供給部（１４，７）と、これらの水素及び酸素供給部からそれぞれ水素及び酸素の供給を受けて発電する燃料電池６を備えている。また、前記水素供給部の温度を検出する温度センサ（１７，１８，１９，２５又は２８）と、この温度センサの検出温度に基いて、前記燃料電池６の発電電力を調整して前記水素供給部（１，２２又は２２１）の温度を制御する温度制御手段（９，８）を備えている。ここで、前記温度制御手段は、前記燃料電池６の発電電力の目標値として、第１の目標電力ＰＴ及び第２の目標電力ＰＬを設定する目標電力設定手段を設けている。そして、前記検出温度の所定の変化に応じて、前記燃料電池６の発電電力の目標値を、前記第１と第２の目標電力の間で切換える目標電力切換え手段を備えている。
このように、前記第１と第２の目標電力を、水素欠を起こさせない水素利用率と燃料電池の発電効率を考慮して、当該燃料電池発電システムにとって適切な値に設定して置くことにより、簡単な構成で、システムの安定を保つことができる。
図５は、本発明の各実施例に採用可能な第２の温度制御処理の動作説明図である。この第２の制御処理においては、所定の温度設定値からの逸脱によって燃料電池６の発電電力の目標値を切換えるだけでなく、そのときの温度データＴＤの増減率により、燃料電池６の発電電力の目標値を切換える応答速度にも変化を持たせたものである。すなわち、目標値切換えの早さを、温度データＴＤの増減の傾きによって調整するようにした点で第１の制御処理とは異なっている。
まず、図５に示すように、時点ｔ１において、温度センサから取込んだ温度データＴＤが、設定された下限温度２１よりも低くなったとする。この場合、改質器１の熱量が不足している状況であり、演算部９と制御部８では、燃料電池６の発電電力を、それまでの第１の目標電力ＰＴから、低減した第２の目標電力ＰＬへ低減させようとするところまでは前述の実施例と同じである。この実施例では、下限温度２１に達したとき、温度データＴＤの変化率を演算する。一例として、その直前の時間幅Δｔにおける温度データＴＤの変化量ｄｔ１を演算し、その大きさに応じた応答速度で目標電力を切換える。この場合には、温度データＴＤの変化量ｄｔ１が大きいので、速い応答、すなわち小さな時間遅れｔｄ１で、低減された第２の目標電力ＲＬへの切換えを実行している。
次に、時点ｔ２において、温度データＴＤが、設定された上限温度２０よりも高くなったとする。この場合、改質器１の熱量がオーバーしている状況であり、演算部９と制御部８では、燃料電池６の発電電力を、それまでの低減された第２の目標電力ＰＬから、第１の目標電力ＰＴへ増加させる。このとき、上限温度２０に達したとき、温度データＴＤの変化率をその直前の時間幅Δｔにおける温度データＴＤの変化量ｄｔ２から演算し、その大きさに応じた応答速度で目標電力を切換える。この場合には、温度データＴＤの変化量ｄｔ２が比較的大きいので、比較的速い応答、すなわち比較的小さな時間遅れｔｄ２で、第１の目標電力ＲＴへの切換えを実行している。
このような制御を適用したシステムでは、温度センサから取込んだ温度データＴＤと、制御部８により制御している反応ガスの量から、温度センサからの温度データＴＤが一定になるように、演算部９において燃料電池６の発電電力を切換える。さらに、温度センサの温度変化の傾きを算出し、演算部で算出した燃料電池６の発電電力で保持する時間を調整している。
この実施例を要約すると次の通りである。まず、第１の目標電力ＰＴと、この第１の目標電力ＰＴよりも低い第２の目標電力ＰＬを設定する目標電力設定手段を備えている。また、検出温度データＴＤが予定の上限温度２０を上回ったとき、その温度ＴＤの時間変化率（ｄＴ２／Δｔ）に応じた応答速度ｔｄ２で、前記燃料電池６の発電電力の目標を前記第１の目標電力ＰＴに切換える。一方、前記検出温度ＴＤが予定の下限温度２１を下回ったとき、その温度ＴＤの時間変化率（ｄＴ３／Δｔ）に応じた応答速度ｔｄ３で、前記燃料電池６の発電電力の目標を前記第２の目標電力ＰＬに切換える発電電力制御手段８を備えているのである。
以上のような制御を行うことにより、温度センサの温度変化に時間遅れがある場合にも温度センサの温度データのトレンドを考慮することにより、良好な温度制御が可能なシステムを提供できる。
図６は、本発明の各実施例に採用可能な第３の温度制御処理の動作説明図である。この第３の制御処理においては、所定の温度設定値からの逸脱によって燃料電池６の発電電力の目標値を切換える点は同じである。しかし、その前に、温度センサから取込んだ温度データＴＤと制御部８により制御している反応ガスの量から、温度センサの温度が一定になるように、演算部９において熱源に供給する空気量すなわち燃焼用酸化剤の供給量を制御する。まず、第１に、演算部９の算出結果に基づき、制御部８で改質器１又は水素発生手段２２，２２１に供給する空気１２を制御することにより、燃焼部２，２６又は３０の燃焼温度を変化させて、温度制御を行う。しかし、温度センサの温度データに大きな変化がない場合、第２に、燃料電池６の発電電力を変化させて、確実な温度制御を実行する。
図６の例では、温度データＴＤの評価のために、図２及び図５で説明した上限温度２０、下限温度２１のほかに、温度高め２０１及び温度低め２１１を設定している。そして、時点ｔ１で温度データＴＤが、設定された下限温度２１よりも低くなる前の時点ｔ１１で、温度データＴＤが温度低め２１１に達したことを検知する。すると、空気量減少指令１２１を発し、水素供給部の燃焼部２，２６又は３０への空気１２の風量を減らし、温度が上がるように制御する。この制御により、温度が上がれば、発電電力の目標値を下げる必要はない。
しかし、それでも温度データが上がらず、設定された下限温度２１よりも低くなった場合に初めて、前述した発電電力の目標値を低減された第２の目標電力ＰＬに切換える。
また、時点ｔ２で温度データＴＤが、設定された下限温度２１よりも低くなる前の時点ｔ２１で、温度データＴＤが温度高め２０１に達したことを検知する。すると、空気量増加指令１２２を発し、水素供給部の燃焼部２，２６又は３０への空気１２の風量を増やし、温度が下がるように制御する。この制御により、温度が下がれば、発電電力の目標値を変更する必要はない。
しかし、それでも温度データが下がらず、設定された上限温度２０よりも高くなった場合に初めて、前述した発電電力の目標値を第１の目標電力ＰＴに切換える。
以上のような制御を適用して、第１に、改質器１又は水素発生手段２２，２２１に供給する空気１２を制御し、第２段階として、燃料電池６の発電電力を制御することにより、単独の場合の制御と比較して、より広い温度範囲において、良好な温度制御性を実現できる。
本発明の第１の実施例による燃料電池発電システムの構成ブロック図。 本発明の各実施例に採用可能な第１の温度制御処理の動作説明図。 本発明の第２の実施例による燃料電池発電システムの構成ブロック図。 本発明の第３の実施例による燃料電池発電システムの構成ブロック図。 本発明の各実施例に採用可能な第２の温度制御処理の動作説明図。 本発明の各実施例に採用可能な第３の温度制御処理の動作説明図。
符号の説明
１…改質器、２，２６，３０…燃焼部、３…改質部、４…ＣＯ変性器、５…ＣＯ除去器、６…燃料電池、７…加湿部、８…制御部、９…演算部、１０…外部回路、１１，１３，１４…空気、１２…燃焼用空気、１５…炭化水素系燃料、１６…水、１７…燃焼部温度センサ、１８…供給ガス温度センサ、１９…改質部温度センサ、２０…温度設定上限値、２０１…温度高め設定値、２１…温度設定下限値、２１１…温度低め設定値、２２，２２１…水素発生手段、２３…有機ハイドライド、２４…気液分離器、２５…気液分離器温度センサ、２７…水素吸蔵合金、２８…水素吸蔵合金温度センサ。

Claims (6)

  1. 水素系燃料を改質して又は水素系原料から水素を含む反応ガスを発生させる水素供給部と、酸素供給部と、これらの水素及び酸素供給部からそれぞれ水素及び酸素の供給を受けて発電する燃料電池と、前記水素供給部の温度を検出する温度センサと、この温度センサの検出温度に基いて、前記燃料電池の発電電力を調整して前記水素供給部の温度を制御する温度制御手段を備えた燃料電池発電システムにおいて、
    前記温度制御手段は、前記燃料電池の発電電力の目標値として、第１の目標電力と、この第１の目標電力よりも低い第２の目標電力を設定する目標電力設定手段と、
    前記検出温度が第１の予定温度を上回ったとき、その温度の時間変化率に応じた応答速度で、前記燃料電池の発電電力の目標を前記第１の目標電力に切換えるとともに、前記検出温度が、前記第１の予定温度よりも低い第２の予定温度を下回ったとき、その温度の時間変化率に応じた応答速度で、前記燃料電池の発電電力の目標を前記第２の目標電力に切換える発電電力制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
  2. 請求項１において、前記検出温度に対する上限温度及び下限温度を設定する手段を備え、前記発電電力制御手段は、前記第１の予定温度として前記上限温度を採用し、前記第２の予定温度として前記下限温度を採用することを特徴とする燃料電池発電システム。
  3. 水素系燃料を改質して又は水素系原料から水素を含む反応ガスを発生させる水素供給部と、酸素供給部と、これらの水素及び酸素供給部からそれぞれ水素及び酸素の供給を受けて発電する燃料電池と、前記水素供給部に対して燃焼用酸化剤を供給する酸化剤供給部と、前記水素供給部の温度を検出する温度センサと、この温度センサの検出温度を所定範囲内に保持するように前記燃料電池の発電電力を制御する温度制御手段を備えた燃料電池発電システムにおいて、
    前記温度制御手段は、前記検出温度が第１の所定範囲を上回ったことに応じて、前記水素供給部への前記燃焼用酸化剤の供給を増加させ、前記検出温度が第１の所定範囲を下回ったことに応じて、前記水素供給部への前記燃焼用酸化剤の供給を減少させる第１の温度制御手段と、
    前記検出温度が第２の所定範囲を外れたことに応じて、前記燃料電池の発電電力を増減させる第２の温度制御手段を備え、
    前記第２の温度制御手段は、第１の目標電力と、この第１の目標電力よりも低い第２の目標電力を設定する目標電力設定手段と、前記検出温度が予定の上限温度を上回ったとき、その温度の時間変化率に応じた応答速度で、前記燃料電池の発電電力の目標を前記第１の目標電力に切換えるとともに、前記検出温度が予定の下限温度を下回ったとき、その温度の時間変化率に応じた応答速度で、前記燃料電池の発電電力の目標を前記第２の目標電力に切換える発電電力制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
  4. 水素系燃料を改質して又は水素系原料から水素を含む反応ガスを発生させる水素供給部と、酸素供給部と、これらの水素及び酸素供給部からそれぞれ水素及び酸素の供給を受けて発電する燃料電池と、前記水素供給部の温度を検出する温度センサと、この温度センサの検出温度を所定範囲内に保持するように前記燃料電池の発電電力を制御する燃料電池発電システムの制御方法において、
    第１の目標電力と、この第１の目標電力よりも低い第２の目標電力を設定するステップと、前記検出温度が、第１の予定温度を上回ったとき、その温度の時間変化率に応じた応答速度で、前記燃料電池の発電電力の目標を前記第１の目標電力に切換えるステップと、前記検出温度が、前記第１の予定温度よりも低い第２の予定温度を下回ったとき、その温度の時間変化率に応じた応答速度で、前記燃料電池の発電電力の目標を前記第２の目標電力に切換えるステップを備えたことを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
  5. 請求項４において、前記検出温度に対する上限温度及び下限温度を設定するステップを備え、前記第１の予定温度として前記上限温度を採用し、前記第２の予定温度として前記下限温度を採用することを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
  6. 水素系燃料を改質して又は水素系原料から水素を含む反応ガスを発生させる水素供給部と、酸素供給部と、これらの水素及び酸素供給部からそれぞれ水素及び酸素の供給を受けて発電する燃料電池と、前記水素供給部に対して燃焼用酸化剤を供給する酸化剤供給部と、前記水素供給部の温度を検出する温度センサとを備え、この温度センサの検出温度を所定範囲内に保持するように前記燃料電池の発電電力を制御する燃料電池発電システムの制御方法において、
    前記検出温度が第１の所定範囲を上回ったことに応じて、前記水素供給部への前記燃焼用酸化剤の供給を増加させ、前記検出温度が第１の所定範囲を下回ったことに応じて、前記水素供給部への前記燃焼用酸化剤の供給を減少させる第１の温度制御ステップと、
    前記検出温度が第２の所定範囲を外れたことに応じて、前記燃料電池の発電電力を増減させる第２の温度制御ステップを備え、
    前記第２の温度制御ステップは、第１の目標電力と、この第１の目標電力よりも低い第２の目標電力を設定するステップと、前記検出温度が、第１の予定温度を上回ったとき、その温度の時間変化率に応じた応答速度で、前記燃料電池の発電電力の目標を前記第１の目標電力に切換えるステップと、前記検出温度が、前記第１の予定温度よりも低い第２の予定温度を下回ったとき、その温度の時間変化率に応じた応答速度で、前記燃料電池の発電電力の目標を前記第２の目標電力に切換えるステップを備えることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
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