JP4988281B2

JP4988281B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP4988281B2
Application number: JP2006257033A
Authority: JP
Inventors: 佳央田村; 良和田中; 英夫小原; 正高尾関
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-09-22
Filing date: 2006-09-22
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2026-09-22
Also published as: JP2008078016A

Description

本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、コージェネレーションシステム等に使用する燃料電池システムに関する。

現在、水素含有ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池を用いた燃料電池システムが、クリーンエネルギーの観点から注目されている。このような燃料電池システムにおいては、水素含有ガスとして、例えば、水素ガスが用いられる。

燃料電池システムは、炭化水素系の原料を水蒸気によって改質し、水素リッチなガス（以下、水素含有ガスという）を生成する改質器（水素生成装置）を備えている。燃料電池システムは、制御器を備えていて、制御器は、改質器の温度が適正な温度になるよう制御する。

ここで、制御器が、水素含有ガス生成量に関係なく改質器の温度を一定に制御すると、水素含有ガス生成量が少ない場合において、改質器の熱効率が低下するという問題がある。

そこで、処理負荷（水素含有ガス生成量）が少ない状態で運転する場合において、改質器の温度を低く設定することにより、処理負荷が変動しても高い熱効率を得られる水素生成装置が報告されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１０４７０２号公報

しかしながら、上記従来の水素生成装置のように、電力負荷需要の低下、すなわち燃料電池の発電量の低下に伴う水素生成装置の水素含有ガスの生成量の低下に伴い、改質器の温度を低下させた場合、その後、電力負荷需要の増加すなわち発電量の増加に伴い水素生成量を増加させようとしても、改質器温度の上昇は追従性が悪いため、原料ガスから水素含有ガスへの転化率の上昇が遅れ、電力負荷需要を満たす燃料電池の発電量に対応した水素の供給ができないという課題を有している。

このため、上記水素生成装置を備える燃料電池システムは、エネルギー効率の高い高発電運転(高水素生成量)の時間帯が減少し、エネルギー効率が低下するという課題がある。

本発明は、電力負荷需要（もしくは発電量）の増減に応じて改質器の温度を昇降させる燃料電池システムにおいて、電力負荷需要（もしくは発電量）の増加に対する改質器の温度上昇の追従性の悪さによるエネルギー効率の減少を抑制することを可能にすることを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、原料と水蒸気とを改質反応させて水素を含む水素含有ガスを生成する改質器を有する水素生成装置と、該改質器を加熱するための加熱器と、前記水素生成装置より供給される前記水素含有ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、該燃料電池の発電量を計画する運転計画器と、該運転計画器によって計画された発電量（以下、計画発電量という）となるよう前記燃料電池の発電量を制御する発電量制御器と、制御器とを備え、所定の時点以降の前記計画発電量が低下する場合に、前記制御器は、前記所定の時点以降の所定の期間において前記計画発電量が前記所定の時点における前記計画発電量を下回る累積時間の割合もしくは頻度が所定の閾値以上になる場合には前記加熱器からの加熱量を制御して所定の時点における前記改質器の温度を下げ、そうでない場合には前記加熱器からの加熱量を制御して前記所定の時点における前記改質器の温度を維持するよう制御することを特徴とする。

このように、長期的な（長周期の）計画発電量の低下には改質器の温度を追従（低下）させ、短期的な（短周期の）計画発電量の低下には改質器の温度を追従（低下）させないことが好ましい。そして、このような構成とすると、発電量の増加に対する改質器の温度上昇の追従性の悪さにより発電量の上昇が遅れるという状況が減少するため、高発電運転の時間帯が増加し、高いエネルギー効率で燃料電池システムを運転することが可能になる。

所定の時点における前記計画発電量が低下しない場合に、所定の時点における前記改質器の温度が前記維持されている温度（以下、維持温度という）である場合には、前記制御器は、所定の時点における前記計画発電量が前記維持温度への維持開始時点における前記計画発電量を上回るまでは前記維持温度を維持し、所定の時点における前記計画発電量が前記維持温度の維持開始時点における前記計画発電量を上回ると前記計画発電量の上昇に応じて前記改質器の温度を上げてもよい。

また、本発明の燃料電池システムは、原料と水蒸気とを改質反応させて水素を含む水素含有ガスを生成する改質器を有する水素生成装置と、該改質器を加熱するための加熱器と、前記水素生成装置より供給される前記水素含有ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電量を制御する発電量制御器と、制御器と、を備え、所定の時点以降に前記発電量が低下した場合に、前記制御器は、前記所定の時点以降に前記加熱器からの加熱量を制御して前記所定の時点における前記改質器の温度を維持するとともに、前記発電量が前記所定の時点以降の所定の期間において前記所定の時点における発電量を下回る累積時間の割合もしくは頻度が所定の閾値以上になる場合には前記所定の期間経過後に前記加熱器からの加熱量を制御して前記改質器の温度を下げることを特徴とする。

このように、長期的な負荷電力量（燃料電池の発電量）の低下には改質器の温度を追従（低下）させ、短期的な負荷電力量（燃料電池の発電量）の低下には改質器の温度を追従（低下）させないことが好ましい。そして、このような構成とすると、負荷電力量（燃料電池の発電量）の増加に対する改質器の温度上昇の追従性の悪さにより発電量の上昇が遅れるという状況が減少するため、高発電運転の時間帯が増加し、高いエネルギー効率で燃料電池システムを運転することが可能になる。

前記所定の時点における前記発電量が低下しない場合に、所定の時点における前記改質器の温度が前記維持されている温度（以下、維持温度という）である場合には、前記制御器は、所定の時点における前記発電量が前記維持温度の維持開始時点における前記発電量を上回るまでは前記維持温度を維持し、所定の時点における前記発電量が前記維持温度の維持開始時点における前記発電量を上回ると前記発電量の変化に従って変化するよう前記改質器の温度を制御してもよい。

本発明は上記のように構成することにより、発電量の増加に対する改質器の温度上昇の追従性の悪さにより発電量の上昇が遅れるという状況が減少するため、高発電運転の時間帯が増加し、高いエネルギー効率で燃料電池システムを運転することが可能になる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態の燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図である。図２は、図１の燃料電池システムにおける改質器温度制御プログラムの内容を示すフローチャートである。図３は、図２の改質器温度制御プログラムにおいて計画発電量が低下する場合の計画発電量に対する改質器温度の制御アルゴリズムを示すグラフであって、（ａ）は計画発電量が大きい場合のグラフ、（ｂ）は計画発電量が中程度の場合のグラフである。図４は、計画発電量の所定程度の低下の判定基準を示すグラフである。図５は、図２の改質器温度制御プログラムにおいて計画発電量が低下しない場合の計画発電量に対する改質器温度の制御アルゴリズムを示すグラフであって、（ａ）は計画発電量が小さい場合のグラフ、（ｂ）は計画発電量が中程度の場合のグラフである。図６は、図２の改質器温度制御プログラムに従った改質器の温度制御を示す図であって、（ａ）は計画発電量の経時変化を示すグラフ、（ｂ）は（ａ）の計画発電量に応じて制御した改質器温度の経時変化を示すグラフである。図７は、図１の燃料電池システムにおいて、一日における計画発電量と改質器温度との経時変化を示すグラフである。

燃料電池システム１００は、図１に示すように、水素生成装置１を備えている。水素生成装置１は、改質器１０を備えている。

改質器１０には、改質器温度センサ１１と、加熱器１２とが配設されている。改質器温度センサ１１は、改質器１０の温度（以下、改質器温度という）を検知する。加熱器１２は、改質器１０を加熱する。

改質器１０は、後述する制御装置６０により、改質器温度、原料流量などが制御される。改質器１０には原料と水蒸気とが供給される。本実施形態では、天然ガスからなる都市ガスが使用される。改質器１０は、供給された原料と水蒸気とから、以下の化学反応により、水素を含む水素含有ガスを生成する。

[化１]
Ｃ_ｍＨ_ｎ＋ｍＨ_２Ｏ→ｍＣＯ＋（ｍ＋ｎ／２）Ｈ_２

燃料電池システム１００は、燃料電池２０を備えている。燃料電池２０は、燃料ガス供給流路（図示せず）を介して、水素生成装置１から水素含有ガスを燃料ガスとして供給される。一方、燃料電池２０は、酸化剤ガス供給流路（図示せず）を介して酸化剤ガス供給器（図示せず）から酸化剤ガスを供給される。酸化剤ガス供給器は、例えば空気ブロアで構成される。燃料電池２０は、本実施形態では、高分子電解質型燃料電池で構成される。なお、本発明の燃料電池システム１００においては、他の燃料電池、例えば、リン酸型燃料電池、固体酸化物型燃料電池などを用いることも可能である。

燃料電池システム１００は、インバータ３０を備えている。インバータ３０は、燃料電池２０の出力端子と接続されている。インバータ３０は、燃料電池２０から直流電流を取り出し、この直流電流を交流電流へと変換する。

燃料電池システム１００は、系統電源（商用電力網）４０と系統連系されている。系統電源４０は、燃料電池２０のみでは賄えない場合に不足分の電力を後述する電力負荷５０に供給し、逆に、燃料電池２０で発生した電力が余った場合には、これが系統電源４０に逆潮流する。

インバータ３０には、電力負荷５０が接続されている。電力負荷５０は、例えば、家庭内での電気機器が該当する。

燃料電池システム１００は、制御装置６０を備えている。制御装置６０は、発電量制御器６１と、運転計画器６２と、制御器６３と、記憶器７１とを備えている。

制御装置６０は、本実施形態では単独のコンピュータで構成され、その内部メモリ等の記憶器７１に格納された所定のソフトウエアがそのＣＰＵ等の演算部で実行されることによって、上述の発電量制御器６１、運転計画器６２、及び制御器６３が実現される。もちろん、発電量制御器６１、運転計画器６２、及び制御器６３を、それぞれ、別個のコンピュータで構成してもよい。これらのことは、後述する実施形態の制御装置６０についても同様である。

発電量制御器６１は、インバータ３０に指令値を出力し、インバータ３０により燃料電池２０から取り出される電流量を制御する。つまり、発電量制御器６１は、インバータ３０を介して燃料電池２０の発電量を制御する。発電量制御器６１は、運転計画器６２で計画された発電量となるようにこの発電量を制御する。この際、制御器６３は、運転計画器６２で計画された発電量に必要な水素を生成するために改質器１０に供給される原料の流量、水の流量等を制御する。これについては、後で説明を補足する。

運転計画器６２は、燃料電池２０の将来の発電を計画する。この発電の計画は、任意に計画することができる。例えば、負荷電力量の経時変化が特定のパターンを有するような用途においては、その特定のパターンに従った発電を計画すればよい。本実施形態では燃料電池システム１００の用途を家庭用として想定している。このような場合には、負荷電力量の過去のデータに基づいて発電が計画される。この発電計画は、所定の発電パターンをその記憶器７１に記憶しておき、これを逐次読み出して計画発電量として出力するようにしてもよく、また、所定の演算式等を記憶しておき、この演算式等に基づいてリアルタイムで計画発電量を演算して出力するようにしてもよい。また、過去の検知負荷電力のデータに基づき負荷電力を予測する負荷電力予測器（図示せず）を更に備え、この負荷電力予測器により予測される負荷電力量に基づき、発電計画器６２が発電量を計画してもよい。本実施形態では、過去のデータを元に、曜日（もしくは平日及び休日）の違い及び／または季節による負荷電力パターンの違いも考慮し、一次エネルギーを最も削減できる、もしくは、エネルギーコストが一番有利な条件となる発電パターンを予測し、この予測によって得られたパターンを発電パターンとして用いる。一般的な予測機能を実現する構成自体は周知であるので、ここでは、予測機能についてのこれ以上の詳しい説明は省略する。

制御器６３は、改質器温度センサ１１で検出された改質器温度に基づき、所定の目標温度になるようフィードバック制御して、加熱器１２により改質器温度を調整する。以下では、加熱器１２が燃焼燃料として、燃料電池２０のアノードから排出される燃料オフガスを使用する場合と、燃料オフガスとは別個の燃料（原料等）を使用する場合とに分けて説明する。

まず、燃焼燃料として燃料電池２０から排出される燃料オフガスを使用する場合を説明する。制御器６３には、改質器温度センサ１１で検知される改質器温度（以下、検知改質器温度という）と、運転計画器６２の計画発電量とが入力される。制御器６３は、入力された計画発電量に対応する目標原料ガス流量を決定し、この目標原料ガス流量となるよう原料供給器に指令を出し原料を供給する。一方、制御器６３は、計画発電量に対応する目標改質器温度を決定し、この目標改質器温度と実際に改質器温度センサ１１で検知される温度とを比較しながら、上記目標原料流量になるよう原料供給器から供給されている原料流量を、この目標改質器温度に検知改質器温度が一致するようフィードバック制御する。

なお、上記発電量に対応する目標原料ガス流量及び目標改質器温度はそれぞれ記憶器７１に記憶されており、そのデータベースに基づき、制御器６３は運転計画器６２で計画された計画発電量に対応する目標原料供給量及び目標改質器温度を決定する。

一方、計画発電量が低下しても制御器６３が改質器温度を維持すると判断した場合には、この目標原料ガス流量では当該改質器温度を維持することができない。そこで、制御器６３は、原料ガス流量を調整して、検知改質器温度が目標改質器温度となるよう改質器１０の温度をフィードバック制御する。

次に、燃焼燃料として、燃料オフガスとは別個の燃料を使用する場合を説明する。この場合には、制御器６３が、燃焼燃料及び燃焼空気の流量を調整して、検知改質器温度が目標改質器温度となるよう改質器１０の温度をフィードバック制御する。

次に、本実施形態の燃料電池システム１００の動作を、図１乃至図７を参照しながら説明する。

ここでは、燃料電池システム１００の一般的動作の説明は省略し、本発明を特徴付ける改質器温度制御のみについて説明する。

図２の改質器温度制御プログラムは、制御器６３の記憶器７１に記憶されていて、これを制御器６３が実行することによって実現される。

図２に示すように、制御器６３は、改質器温度センサ１１を介して改質器温度を取得する（ステップＳ１）。次に、発電量制御器６１は、運転計画器６２から計画発電量を取得する（ステップＳ２）。発電量制御器６１は、所定の時点以降の計画発電量が低下するか否かを判定する（ステップＳ３）。

所定の時点以降の計画発電量が低下する場合には、発電量制御器６１は、所定の時点以降の計画発電量が、所定の時点から所定の期間の間に、所定の程度、所定の時点における発電量よりも下回るかどうかを判定する（ステップＳ４）。なお、ステップＳ４の判定基準となる所定の程度とは、所定の時点以降の所定の期間において、計画発電量が所定の時点における計画発電量を下回る累積時間の割合もしくは頻度が所定の閾値以上になる場合であり、この所定の閾値は、計画発電量の低下が長期的であると見做される値として設定される。

将来の計画発電量が所定の時点の計画発電量より所定の程度下回ると判定された場合には、制御器６３は、改質器温度を低下させる（ステップＳ５）。この場合、制御器６３は、図３（ａ），（ｂ）の破線Ｂに示すように、改質器温度を所定の時点の温度から、計画発電量に応じて比例して、低下させる。一方、所定の時点以降の計画発電量が所定の時点の計画発電量より所定の程度下回らないと判定された場合には、図３（ａ），（ｂ）の実線Ａに示すように、制御器６３は、改質器温度を所定の時点における改質温度に維持する（ステップＳ１０）。

ここで、所定の時点以降の所定の期間の間に、所定の程度、所定の時点における発電量を下回るか否かの判断基準は、以下の通りである。すなわち、図４に示すように、所定の時点における計画発電量Ｇ０とし、将来の計画発電量をＧとすると、将来の計画発電量Ｇが所定の時点の計画発電量Ｇ０を下回る期間の合計（Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３＋Ｐ４）の、所定の期間（Ｐ０）に対する割合が所定の割合以上であるかどうかが判定基準とされる。ここで、所定の期間Ｐ０とは、３０分以上６０分以下の期間をいう。また、所定の割合は、６０％以上１００％以下の範囲である。このような構成とすると、計画発電量の低下が一時的であるか否かの判定基準を適切に定めることができる。

なお、所定の時点以降の所定の期間の間に、所定の程度、所定の時点における計画発電量が低下するか否かの判断基準は、所定の期間Ｐ０において計画発電量Ｇが所定の時点における計画発電量Ｇ０を下回る合計回数が所定の回数以上であってもよい。この場合において、所定の回数とは、１回以上５回以下の範囲である。このような構成とすると、計画発電量が頻繁に変動しない場合は、計画発電量の低下が一時的であるか否かの判定基準を適切に定めることができる。

一方、上述のステップＳ３において所定の時点以降の計画発電量が低下しない場合には、制御器６３は、改質器温度がステップＳ１０で維持された温度（維持温度）かどうかを判定する（ステップＳ６）。

改質器温度が維持温度でない場合には、制御器６３は、改質器温度を計画発電量の変化に伴って変化させる（ステップＳ９）。この場合、制御器６３は、計画発電量が所定の時点以降変化しない場合（一定の場合）は、図５（ａ），（ｂ）の実線Ｃに示すように、改質器温度を所定の時点の温度に維持し、計画発電量が所定の時点以降上昇する場合は、図５（ａ），（ｂ）の破線Ｄに示すように、改質器温度を所定の時点の温度から、計画発電量に直線的に比例して、上昇させる。

一方、上述のステップＳ６において、改質器温度が維持温度である場合には、発電量制御器６１は、所定の時点の計画発電量が、ステップＳ１０において当該温度の維持を開始した時点の計画発電量を上回ったかどうかを判定する（ステップＳ７）。所定の時点の計画発電量が温度維持開始時点の計画発電量を上回らない場合には、制御器６３は、改質器温度を維持温度に維持し（ステップＳ８）、ステップＳ７とステップＳ８とを繰り返す。つまり、一旦、改質器温度を維持温度に維持した場合は、所定の時点の計画発電量が温度維持開始時点の計画発電量を上回らない限りは、その後、計画発電量が上昇しても、所定の時点の改質器温度を維持する。

そして、所定の時点の計画発電量が温度維持開始時点の計画発電量を上回った場合には、制御器６３は、改質器温度を計画発電量の変化に伴って変化させる（ステップＳ９）。この場合、制御器６３は、計画発電量が所定の時点から変化しない場合（一定の場合）は、図５（ａ），（ｂ）の実線Ｃに示すように、改質器温度を所定の時点の温度に維持し、計画発電量が所定の時点以降上昇する場合は、図５（ａ），（ｂ）の破線Ｄに示すように、改質器温度を所定の時点の温度から、計画発電量に直線的に比例して、上昇させる。

次に、本実施形態の燃料電池システム１００の経時的な動作を、図６を参照しながら説明する。なお、ここでは、説明を簡易にするため、所定の期間において計画発電量が所定の時点における計画発電量を下回るか否か判定基準が、その下回る累積時間の所定の期間に対する割合が１００％であるか否かである場合について説明する。

制御器６３が、改質器温度センサ１１を介して、ｔ１の時点における改質器温度を検知する。併せて、発電量制御器６１が、ｔ１以降の計画発電量を取得する。この場合において、計画発電量は、ｔ１の時点から低下する。

次に、発電量制御器６１が、ｔ１の時点から所定の期間Ｐ０経過後（ｔ４）までの計画発電量を取得する。この場合に、ｔ１の時点から所定の時間Ｐ０経過後（ｔ４）までの計画発電量は所定の時点（ｔ１）の計画発電量よりも常に低くなっている。すなわち、所定の期間Ｐ０において計画発電量が所定の時点における計画発電量を下回る累積時間の所定の期間Ｐ０に対する割合が１００％である。したがって、制御器６３は、ｔ１の時点において、改質器温度を下げる。ｔ１の時点を過ぎた時点からｔ２の時点までは、所定の期間Ｐ０経過後における計画発電量が常に所定の時点の計画発電量よりも下回っているので、制御器６３は、同様に、改質器温度を下げる。

次に、ｔ２の時点になると、ｔ２の時点から所定の期間Ｐ０経過後の計画発電量がｔ２の時点の計画発電量に等しくなり、ｔ２の時点を経過すると、ｔ２の時点から所定の期間Ｐ０経過後の計画発電量が、ｔ２の時点の計画発電量を上回るようになる。すなわち、所定の期間Ｐ０において計画発電量がｔ２の時点における計画発電量を下回る累積時間の所定の期間Ｐ０に対する割合が１００％ではなくなる。したがって、制御器６３は、改質器温度をｔ２の時点の温度（維持温度）に維持する。

そして、ｔ３の時点からｔ４の時点までは、計画発電量が略一定値となり、計画発電量が低下しない。したがって、制御器６３は、ｔ４の時点まで維持温度を維持する。

ｔ４の時点を経過すると、計画発電量は上昇しはじめる。しかし、ｔ５の時点までは、計画発電量は、改質温度を維持温度に維持開始した時点（ｔ２）の計画発電量を上回らない。したがって、制御器６３は、ｔ５の時点まで維持温度を維持する。

そして、ｔ５の時点になると、計画発電量は、改質温度を維持温度に維持開始した時点（ｔ２）の計画発電量に等しくなり、ｔ５の時点を経過すると、改質温度を維持温度に維持開始した時点（ｔ２）の計画発電量を上回る。したがって、制御器６３は、ｔ５の時点からは、改質器１０の温度を計画発電量の変化に従って変化させる。すなわち、制御器６３は、ｔ５の時点からは、改質器温度を上げる。

次に、ｔ６の時点になると計画発電量の上昇が止まり、ｔ７の時点までは計画発電量が略一定値となる。したがって、制御器６３は、ｔ６の時点から改質器１０の温度を上げるのを止め、改質器温度をｔ６の時点における温度（維持温度）に維持する。

次に、ｔ７の時点になると、計画発電量が低下しはじめるが、ｔ７の時点から所定の期間Ｐ０経過後（ｔ９）の計画発電量は、ｔ７の時点の計画発電量よりも高くなる。すなわち、所定の期間Ｐ０において計画発電量がｔ７の時点における計画発電量を下回る累積時間の所定の期間Ｐ０に対する割合が１００％ではなくなる。したがって、制御器６３は、改質器温度を維持温度に維持する。

その後、ｔ８の時点になると、改質温度を維持温度に維持開始した時点（ｔ６）の計画発電量に等しくなり、ｔ８の時点を経過すると、改質温度を維持温度に維持開始した時点（ｔ６）の計画発電量を上回る。したがって、制御器６３は、ｔ８の時点からは、改質器１０の温度を計画発電量の変化に従って変化させる。すなわち、制御器６３は、ｔ８の時点からは、改質器温度を上げる。

以上の制御を一日の動作に適応すると、計画発電量と、改質器温度との変化は、図７に示すようになる。図７中における実線は計画発電量の変化を示しており、図７中における一点鎖線は改質器温度の変化を示している。

本実施形態の燃料電池システム１００は、上記のような構成としたため、燃料電池２０が計画に従って発電し、その計画発電量（ひいては水素含有ガス生成量）が一時的に低下する（短期的に変動する）場合には、改質器１０の温度を計画発電量には追従（低下）させないので、無駄な改質器１０の温度変化を防止することができ、発電量の増加に対する改質器１０の温度上昇の追従性の悪さにより発電量の上昇が遅れるという状況が減少するため、高発電運転の時間帯が増加し、高いエネルギー効率で燃料電池システム１００を運転することが可能になる。

また、本実施形態の燃料電池システム１００は、計画発電量が短期的に低下する場合以外の場合には、改質器１０の温度を計画発電量の変化に追従させるので、より高発電運転の時間帯が増加し、高いエネルギー効率で燃料電池システムを運転することが可能になる。

（第２実施形態）
図８は、本発明の第２実施形態の燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図である。図９は、図８の燃料電池システムにおける改質器温度制御プログラムの内容を示すフローチャートである。図１０は、負荷電力量に基づいて決定された発電量の所定程度の低下の判定基準を示すグラフである。図１１は、図９の改質器温度制御プログラムに従った改質器の温度制御を示す図であって、（ａ）は発電量の経時変化を示すグラフ、（ｂ）は（ａ）の発電量に応じて制御した改質器温度の経時変化を示すグラフである。図１２は、図８の燃料電池システムにおいて、一日における発電量と改質器温度との経時変化を示すグラフである。図８において、図１と同一又は相当する部分には同一符号を付してその説明を省略する。以下、図８乃至図１２を参照しながら本実施形態の燃料電池システムについて説明する。

図８に示すように、本実施形態の燃料電池システム２００は、負荷電力検知器５１を備えている。負荷電力検知器５１は、電力負荷５０における負荷電力量を検知する。負荷電力検知器５１は、検知された負荷電力量のデータを、制御装置６０における制御器６３に送る。制御器６３は、入力された検知負荷電力量に基づき必要な発電量を決定し、発電量制御器６１にその値を出力する。発電量制御器６１は、制御器６３より入力された発電量に基づきインバータ３０を介して、燃料電池２０の発電量を制御する。また、制御器６３が決定した発電量は制御装置６０内の記憶器７１に記憶される。

その他の構成要素については、第１実施形態の燃料電池システム１００の構成要素と同様である。

次に、本実施形態の燃料電池システム２００の制御について、図９を参照しながら説明する。

図９に示すように、制御器６３は、改質器温度センサ１１を介して改質器温度を取得する（ステップＳ２１）。次に、制御器６３は、記憶器７１に記憶された燃料電池２０の発電量のデータを取得する（ステップＳ２２）。次に、上記発電量のデータをもとに制御器６３が、所定の時点以降に発電量が低下したかどうかを判定する（ステップＳ２３）。所定の時点以降に発電量が低下した場合には、制御器６３は、所定の時点以降の発電量が所定の期間に、所定の程度、所定の時点における発電量を下回ったかどうかを判定する（ステップＳ２４）。なお、ステップＳ２４の判定基準となる所定の程度とは、所定の時点以降の所定の期間において、発電量が所定の時点における発電量を下回る累積時間の割合もしくは頻度が所定の閾値以上になる場合であり、この所定の閾値は、発電量の低下が長期的であると見做される値として設定される。

所定の時点以降の発電量が所定の時点の発電量より所定の程度下回ったと判定された場合には、制御器６３が、改質器温度を下げる（ステップＳ２５）。一方、所定の時点以降の発電量が所定の時点における発電量を下回らなかったと判定された場合には、制御器６３は、改質器温度を所定の時点における温度（維持温度）に維持する（ステップＳ３０）。

ここで、所定の時点以降の所定の期間に、所定の程度、所定の時点における発電量を下回る場合とは、以下の場合をいう。すなわち、図１０に示すように、発電量をＧ’とし、所定の時点における制御器６３により決定された発電量をＧ’０とすると、発電量Ｇ’が所定の時点の発電量Ｇ’０を下回る期間の合計（Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３＋Ｐ４）の、所定の期間（Ｐ０）に対する割合が所定の割合以上であるかどうかを判定する。ここで、所定の期間Ｐ０とは、１０分以上３０分以下の期間をいう。また、所定の割合は、６０％以上１００％以下の範囲である。このような構成とすると、発電量の低下が一時的であるか否かの判定基準を適切に定めることができる。

なお、所定の時点以降の所定の期間Ｐ０に、所定の程度、所定の時点における発電量Ｇ’０を下回る場合とは、所定の期間において発電量Ｇ’が所定の時点における発電量Ｇ’０を下回る合計回数が所定の回数以上である場合であってもよい。この場合において、所定の回数とは、１回以上５回以下の範囲である。

このような構成とすると、負荷電力検知器５１により検知された検知負荷電力に基づき制御器６３により決定される発電量が頻繁に変動しない場合に、所定の時点における発電量の低下が一時的であるか否かの判定基準を適切に定めることができる。

一方、上述のステップＳ２３において、所定の時点以降の発電量が低下しない場合には、制御器６３は、改質器温度が維持温度かどうかを判定する（ステップＳ２６）。改質器温度が維持温度でない場合には、制御器６３は、改質器温度を自らが決定した発電量の変化に従って変化させる（ステップＳ２９）。一方、改質器温度が維持温度である場合には、制御器６３は、所定の時点における発電量が温度維持開始時点の負荷電力量を上回っているかどうかを判定する（ステップＳ２７）。所定の時点の発電量が温度維持開始時点の発電量を上回らない場合には、制御器６３は、改質器温度を維持温度に維持し（ステップＳ２８）、ステップＳ２７とステップＳ２８との制御を繰り返す。そして、所定の時点の発電量が温度維持開始時点の発電量を上回るようになった場合には、制御器６３は、改質器温度を発電量の変化に従って変化させる（ステップＳ２９）。

次に、本実施形態の燃料電池システム２００の短期間における動作を、図１１を参照しながら説明する。なお、ここでは、説明を簡易にするため、負荷電力量５１で検知された検知負荷電力に基づき制御器６３により決定された発電量が所定の期間において所定の時点における発電量を下回る累積時間の所定の期間に対する割合が１００％である場合について説明する。

制御器６３が、改質器温度センサ１１を介して、ｔ１の時点における改質器温度を取得する。併せて、制御器６３が、負荷電力検知器５１により検知された検知負荷電力に基づいて決定したｔ１の時点以降の発電量がｔ１の時点の発電量より低下しているかどうか判定する。この場合において所定の時点ｔ１以降の発電量は低下しており、改質器温度を所定の時点以降ｔ１の時点の温度を維持する。

所定の時点ｔ１以降の発電量は、所定の期間Ｐ０経過後（ｔ４）まで所定の時点ｔ１の発電量よりも常に下回っている。すなわち、所定の期間Ｐ０において発電量が所定の時点ｔ１における発電量を下回る累積時間の所定の期間Ｐ０に対する割合が１００％である。したがって、制御器６３は、ｔ４の時点以降の発電量に対応した目標改質器温度になるよう改質器温度を下げる。

そして、ｔ６の時点になると、ｔ６の時点での発電量に対応した目標改質器温度と一致し、ｔ６の時点以降の発電量はｔ７まで維持されるため改質器１０の温度も維持する。次にｔ７以降の発電量は低下し始めるが、その後も改質器１０の温度は維持し、ｔ７から所定の期間Ｐ０経過する前のｔ８の時点でｔ７と同じ発電量に戻り、その後発電量は上昇する。従って、制御器６３は、ｔ８までｔ６での発電量に対応した改質器温度を維持するが、ｔ８以降その発電量の上昇に合わせて改質器１０の温度を上昇させる。

以上の制御を一日の動作に適応すると、発電量と、改質器温度との変化は、図１２に示すようになる。図１２中における破線は発電量の変化を示しており、図１２中における一点鎖線は改質器温度の変化を示している。

本実施形態の燃料電池システム２００は、上記のような構成としたため、実際の発電量が一時的に低下する（短期的に変動する）場合には、改質器１０の温度を発電量には追従（低下）させないので、無駄な改質器１０の温度変化を防止することができ、発電量の増加に対する改質器１０の温度上昇の追従性の悪さにより発電量の上昇が遅れるという状況が減少するため、高発電運転の時間帯が増加し、高いエネルギー効率で燃料電池システム２００を運転することが可能になる。

また、本実施形態の燃料電池システム２００は、上記のような構成としたため、所定期間内に検知負荷電力量より決定された発電量が短期的に低下する場合以外の場合には、改質器１０の温度を発電量の変化に追従させるので、より高発電運転の時間帯が増加し、高いエネルギー効率で燃料電池システム２００を運転することが可能になる。

なお、本実施形態においては、負荷電力検知器５１により検知された負荷電力量に基づき制御器６３が燃料電池２０の発電すべき発電量を決定したが、過去の検知負荷電力量のデータに基づき負荷電力量を予測する負荷電力予測器（図示せず）を更に備え、この負荷電力予測器により予測される負荷電力量に基づき、制御器６３が燃料電池２０の発電すべき発電量を決定してもよい。

本発明燃料電池システムは、水素含有ガス生成量が少ない状態から水素含有ガス生成量が多い状態へと移行する場合においても、改質器の温度変化の追従性を向上させ、かつエネルギーロスを小さくすることができる燃料電池システムとして有用である。

本発明の第１実施形態の燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図。図１の燃料電池システムにおける改質器温度制御プログラムの内容を示すフローチャート。図２の改質器温度制御プログラムにおいて計画発電量が低下する場合の計画発電量に対する改質器温度の制御アルゴリズムを示すグラフであって、（ａ）は計画発電量が大きい場合のグラフ、（ｂ）は計画発電量が中程度の場合のグラフ。計画発電量の所定程度の低下の判定基準を示すグラフ。図２の改質器温度制御プログラムにおいて計画発電量が低下しない場合の計画発電量に対する改質器温度の制御アルゴリズムを示すグラフであって、（ａ）は計画発電量が小さい場合のグラフ、（ｂ）は計画発電量が中程度の場合のグラフ。図２の改質器温度制御プログラムに従った改質器の温度制御を示す図であって、（ａ）は計画発電量の経時変化を示すグラフ、（ｂ）は（ａ）の計画発電量に応じて制御した改質器温度の経時変化を示すグラフ。図１の燃料電池システムにおいて、一日における計画発電量と改質器温度との経時変化を示すグラフ。本発明の第２実施形態の燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図。図８の燃料電池システムにおける改質器温度制御プログラムの内容を示すフローチャート。負荷電力量に基づいて決定された発電量の所定程度の低下の判定基準を示すグラフ。図９の改質器温度制御プログラムに従った改質器の温度制御を示す図であって、（ａ）は発電量の経時変化を示すグラフ、（ｂ）は（ａ）の発電量に応じて制御した改質器温度の経時変化を示すグラフ。図８の燃料電池システムにおいて、一日における発電量と改質器温度との経時変化を示すグラフ。

符号の説明

１水素生成装置
１０改質器
１１改質器温度センサ
１２加熱器
２０燃料電池
３０インバータ
４０系統電源（商用電力網）
５０電力負荷
５１負荷電力検知器
６０制御装置
６１発電量制御器
６２運転計画器
６３制御器
７１記憶器
１００，２００燃料電池システム
Ａ所定期間内に、所定程度、計画発電量が低下しない場合の改質器温度の制御
Ｂ所定期間内に、所定程度、計画発電量が低下する場合の改質器温度の制御
Ｃ所定の時点における計画発電量が、維持温度に維持した時点における計画発電量を上回らない場合の改質器温度の制御
Ｄ所定の時点における計画発電量が、維持温度に維持した時点における計画発電量を上回る場合の改質器温度の制御
Ｇ計画発電量
Ｇ０所定の時点における計画発電量
Ｇ’ 発電量
Ｇ’０所定の時点における発電量
ｔ１〜ｔ９所定の時点

Claims

原料と水蒸気とを改質反応させて水素を含む水素含有ガスを生成する改質器を有する水素生成装置と、該改質器を加熱するための加熱器と、前記水素生成装置より供給される前記水素含有ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、該燃料電池の発電量を計画する運転計画器と、該運転計画器によって計画された発電量（以下、計画発電量という）となるよう前記燃料電池の発電量を制御する発電量制御器と、制御器とを備え、
所定の時点以降の前記計画発電量が低下する場合に、前記制御器は、前記所定の時点以降の所定の期間において前記計画発電量が前記所定の時点における前記計画発電量を下回る累積時間の割合もしくは頻度が所定の閾値以上になる場合には前記加熱器からの加熱量を制御して所定の時点における前記改質器の温度を下げ、そうでない場合には前記加熱器からの加熱量を制御して前記所定の時点における前記改質器の温度を維持するよう制御することを特徴とする燃料電池システム。
所定の時点における前記計画発電量が低下しない場合に、所定の時点における前記改質器の温度が前記維持されている温度（以下、維持温度という）である場合には、前記制御器は、所定の時点における前記計画発電量が前記維持温度への維持開始時点における前記計画発電量を上回るまでは前記維持温度を維持し、所定の時点における前記計画発電量が前記維持温度の維持開始時点における前記計画発電量を上回ると前記計画発電量の上昇に応じて前記改質器の温度を上げる、請求項１に記載の燃料電池システム。
原料と水蒸気とを改質反応させて水素を含む水素含有ガスを生成する改質器を有する水素生成装置と、該改質器を加熱するための加熱器と、前記水素生成装置より供給される前記水素含有ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電量を制御する発電量制御器と、制御器と、を備え、
所定の時点以降に前記発電量が低下した場合に、前記制御器は、前記所定の時点以降に前記加熱器からの加熱量を制御して前記所定の時点における前記改質器の温度を維持するとともに、前記発電量が前記所定の時点以降の所定の期間において前記所定の時点における発電量を下回る累積時間の割合もしくは頻度が所定の閾値以上になる場合には前記所定の期間経過後に前記加熱器からの加熱量を制御して前記改質器の温度を下げることを特徴とする燃料電池システム。
前記所定の時点における前記発電量が低下しない場合に、所定の時点における前記改質器の温度が前記維持されている温度（以下、維持温度という）である場合には、前記制御器は、所定の時点における前記発電量が前記維持温度の維持開始時点における前記発電量を上回るまでは前記維持温度を維持し、所定の時点における前記発電量が前記維持温度の維持開始時点における前記発電量を上回ると前記発電量の変化に従って変化するよう前記改質器の温度を制御する、請求項３に記載の燃料電池システム。