JP5039324B2 - 燃料電池発電装置及び制御プログラム並びに制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池発電装置及び該燃料電池発電装置を制御するための制御プログラム並びに制御方法に関する。

ガスの電気化学反応により電気を発生させる燃料電池発電装置は、発電効率が高く、排出されるガスがクリーンで環境に対する影響が極めて少ないことから、近年、発電用途などに利用されている。この燃料電池発電装置は、反応温度や電解質の種類によって分類することができ、反応温度が３００℃程度以下の低温型には、固体高分子型（ＰＥＦＣ）、アルカリ型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）などがあり、高温型には、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）などがある。

この中で、固体酸化物型は、運転温度が高いために触媒を使用する必要がなく、排熱が利用しやすく、また、電池構成材料が全て固体でできていることから構成がシンプルであり、高い発電効率が得られるなどの特徴があり、近年盛んに開発が行われている。また、燃料電池発電装置は、発電セルの形状により、円筒型、モノリス型、平板積層型の３つに分類されるが、発電セルの形成が容易な平板積層型が広く採用されている。

上記平板積層型の固体酸化物型燃料電池装置は、発電セルとセパレータとが交互に積層されて燃料電池スタックが構成されている。発電セルは、酸化物イオン導電体からなる固体電解質層を空気極（カソード）層と燃料極（アノード）層とで挟み込んだ積層構造を有し、空気極側には酸化剤ガスとしても酸素（空気）が供給され、燃料極側には燃料ガスが供給されるようになっている。

上記空気極層及び燃料極層は、酸素や燃料ガスが固体電解質層との界面に到達することができるように多孔質材料で形成されている。また、セパレータは、発電セル間を電気的に接続すると共に、燃料ガスや酸化剤ガスをセパレータ外周面から導入して燃料極層に向かって吐出させる通路を有している。また、セパレータと空気極層との間には空気極集電体が配置され、セパレータと燃料極層との間には燃料極集電体が配置されている。

上記構成の固体酸化物燃料電池では、セパレータを介して発電セルの空気極側に供給された酸化剤ガス（酸素）は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、空気極から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^２−）になる。この酸化物イオンは、燃料極に向かって固体電解質層内を拡散移動し、燃料極との界面近傍で燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ_２Ｏ等）となり、燃料極に電子を放出する。そして、この電子を燃料極集電体から取り出すことによって電流が発生する。上記電極反応（発電反応）は、燃料ガスとして水素を用いた場合は以下のようになる。

空気極： １／２Ｏ_２ ＋ ２ｅ⁻ → Ｏ^２−
燃料極： Ｈ_２ ＋ Ｏ^２− → Ｈ_２Ｏ ＋ ２ｅ⁻
全体 ： Ｈ_２ ＋ １／２Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ

ここで、燃料ガスとして水素を使用する場合、水素の濃度をコントロールするために窒素が混合され、燃料電池発電装置を起動する際には、水素と窒素を用いて燃料極の還元状態が保持される。例えば、１ｋＷ級モジュールでは、窒素２０ＮＬ／ｍｉｎ（”Ｎ”は０℃基準を意味する。）と水素２ＮＬ／ｍｉｎの混合ガスを用いてパージを行っており、装置が大型化するにつれて窒素の使用量が増加してしまう。特に、燃料電池スタックが密閉されていないシールレスタイプの燃料電池発電装置では上記混合ガスの使用量が更に増加するため、発電に利用されない窒素を無駄に消費してしまい、発電コストが増加するという問題があった。

そこで、燃料ガスとして水素に代えて都市ガスや天然ガスなどの炭化水素系ガスを使用する燃料電池発電装置が提案されている。この燃料電池発電装置は、例えば、図６に示すように、燃料ガスの流量と酸化剤ガスの流量とに応じて直流出力電力を発生する燃料電池スタック３と、燃料電池スタック３に酸化剤ガスとしても空気を導入する空気ブロア６や熱交換器２０、空気供給配管などの空気供給系と、燃料電池スタック３に燃料ガスを導入する燃料ガス昇圧器７や燃料ガス供給配管などの燃料ガス供給系と、燃料ガス供給系から送られる炭化水素ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質器４と、燃料ガス供給系に水蒸気を導入する水移送ポンプ８や水蒸気発生器１０、水蒸気供給配管などの水蒸気供給系と、燃料電池スタック３を加熱するヒータやバーナなどの加熱手段２１と、各種制御を行う制御部５などで構成され、燃料電池スタック３と燃料改質器４とで燃料電池モジュール２が構成される。

ここで、上記いずれのタイプの装置でも、発電を行うためには燃料電池スタックの温度が所定の温度以上であり、かつ、発電に必要な流量の燃料ガス（上記タイプの場合は燃料ガス及び水蒸気）と酸化剤ガスとが供給されている必要があるため、加熱手段を制御して燃料電池スタックを加熱し、燃料ガス供給系や水蒸気供給系、酸化剤ガス供給系を制御して所定の流量の燃料ガスや水蒸気、酸化剤ガスを供給して発電可能な状態（ホットスタンバイ状態）にした後、自動運転モード又は手動運転モードでの発電を開始している。また、自動運転モード時には出力を監視して所定の定格出力が得られるように燃料ガスや水蒸気、酸化剤ガスの流量を制御している。

例えば、下記特許文献１では、自動運転モード時における酸化剤ガスの流量制御に関して、要求発電量に基づいて目標酸化ガス流量値を演算する目標酸化ガス流量演算部と、燃料電池の運転状態に基づいて酸化ガス流量検出値の正常範囲を演算する流量センサ正常範囲演算部と、目標酸化ガス流量値と酸化ガス流量センサが検出した酸化ガス流量検出値とを用いて酸化ガスの流量を制御するフィードバック制御器と、目標酸化ガス流量値を用いて酸化ガスの流量を制御するフィードフォワード制御器と、酸化ガス流量検出値が正常範囲内であればフィードバック制御を行い、酸化ガス流量検出値が正常範囲外へ逸脱したときはフィードフォワード制御を行うように、フィードバック制御器とフィードフォワード制御器とを切り替える制御切替器とを備えた燃料電池システムが開示されている。

特開２００４−９５２２６号公報（第４−１０頁、第２図）

ここで、自動運転モード時と手動運転モード時とでは燃料ガスや水蒸気、酸化剤ガスの流量などの条件が大きく異なる場合があり、そのような場合に手動運転モードから自動運転モードに移行させると出力が急激に変化して発電を継続することができなくなってしまう。そこで、手動運転モードから自動運転モードに移行する時は、通常、手動運転モードからホットスタンバイ状態に戻し、自動運転が可能な状態になった後に自動運転モードに移行させる制御が行われる。そのため、手動運転モードから自動運転モードに速やかに移行させることができず、発電を効率的に行うことができないという問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、手動運転モードから自動運転モードへの移行を可能にして、発電を効率的に行うことができる燃料電池発電装置及び該燃料電池発電装置の制御プログラム並びに制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタックを含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給手段と、前記燃料電池スタックの温度を測定する温度測定手段と、制御手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置において、前記制御手段は、前記燃料電池発電装置の手動運転時に、自動運転時の定格出力に応じた発電又は自動運転時の負荷電流に応じた発電に要する燃料ガスの流量又は空気の流量の少なくとも一方を算出する流量算出手段と、前記流量算出手段で算出した流量と前記手動運転時の設定流量との差分を算出する差分算出手段と、前記差分の前記設定流量に対する比率が所定の範囲内である場合に、前記手動運転から前記自動運転への移行を許可する判定手段と、前記自動運転に際して前記差分に基づいて燃料ガスの流量又は空気の流量の少なくとも一方を制御する流量制御手段と、を含むものであり、前記判定手段は、前記燃料電池スタックの温度が所定の範囲内であり、前記負荷電流が略設定値である場合に、前記手動運転から前記自動運転への移行を許可する構成とすることができる。

また、本発明は、炭化水素系の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び前記燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給手段と、前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、前記燃料電池スタック及び前記燃料改質器の温度を測定する温度測定手段と、制御手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置において、前記制御手段は、前記燃料電池発電装置の手動運転時に、自動運転時の定格出力に応じた発電又は自動運転時の負荷電流に応じた発電に要する燃料ガス及び水蒸気の流量又は空気の流量の少なくとも一方を算出する流量算出手段と、前記流量算出手段で算出した流量と前記手動運転時の設定流量との差分を算出する差分算出手段と、前記差分の前記設定流量に対する比率が所定の範囲内である場合に、前記手動運転から前記自動運転への移行を許可する判定手段と、前記自動運転に際して前記差分に基づいて燃料ガス及び水蒸気の流量又は空気の流量の少なくとも一方を制御する流量制御手段と、を含むものであり、前記判定手段は、前記燃料電池スタックの温度が所定の範囲内であり、前記燃料改質器の温度が所定の値以上であり、負荷電流が略設定値である場合に、前記手動運転から前記自動運転への移行を許可する構成とすることができる。

また、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタックを含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給手段と、前記燃料電池スタックの温度を測定する温度測定手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置を制御するためのプログラムであって、コンピュータを、前記燃料電池発電装置の手動運転時に、自動運転時の定格出力に応じた発電又は自動運転時の負荷電流に応じた発電に要する燃料ガスの流量又は空気の流量の少なくとも一方を算出する流量算出手段、前記流量算出手段で算出した流量と前記手動運転時の設定流量との差分を算出する差分算出手段、前記差分の前記設定流量に対する比率が所定の範囲内である場合に、前記手動運転から前記自動運転への移行を許可する判定手段、前記自動運転に際して前記差分に基づいて燃料ガスの流量又は空気の流量の少なくとも一方を制御する流量制御手段、として機能させるものであり、前記判定手段は、前記燃料電池スタックの温度が所定の範囲内であり、前記負荷電流が略設定値である場合に、前記手動運転から前記自動運転への移行を許可する構成とすることができる。

また、本発明は、炭化水素系の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び前記燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給手段と、前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、前記燃料電池スタック及び前記燃料改質器の温度を測定する温度測定手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置を制御するためのプログラムであって、コンピュータを、前記燃料電池発電装置の手動運転時に、自動運転時の定格出力に応じた発電又は自動運転時の負荷電流に応じた発電に要する燃料ガス及び水蒸気の流量又は空気の流量の少なくとも一方を算出する流量算出手段、前記流量算出手段で算出した流量と前記手動運転時の設定流量との差分を算出する差分算出手段、前記差分の前記設定流量に対する比率が所定の範囲内である場合に、前記手動運転から前記自動運転への移行を許可する判定手段、前記自動運転に際して前記差分に基づいて燃料ガス及び水蒸気の流量又は空気の流量の少なくとも一方を制御する流量制御手段、として機能させるものであり、前記判定手段は、前記燃料電池スタックの温度が所定の範囲内であり、前記燃料改質器の温度が所定の値以上であり、負荷電流が略設定値である場合に、前記手動運転から前記自動運転への移行を許可する構成とすることができる。

また、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタックを含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給手段と、前記燃料電池スタックの温度を測定する温度測定手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置の制御方法であって、前記燃料電池発電装置の運転モードを手動運転に設定する設定ステップと、前記手動運転時に、自動運転時の定格出力に応じた発電又は自動運転時の負荷電流に応じた発電に要する燃料ガスの流量又は空気の流量の少なくとも一方を算出する流量算出ステップと、前記流量算出手段で算出した流量と前記手動運転時の設定流量との差分を算出する差分算出ステップと、前記差分の前記設定流量に対する比率が所定の範囲内であるかを判定する判定ステップと、前記比率が前記所定の範囲内である場合に、前記手動運転から前記自動運転に移行する移行ステップと、前記自動運転時に、前記差分に基づいて燃料ガスの流量又は空気の流量の少なくとも一方を制御する流量制御ステップと、を少なくとも有するものであり、前記移行ステップでは、更に、前記燃料電池スタックの温度が所定の範囲内であり、前記負荷電流が略設定値である場合に、前記手動運転から前記自動運転に移行する構成とすることができる。

また、本発明は、炭化水素系の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び前記燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給手段と、前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、前記燃料電池スタック及び前記燃料改質器の温度を測定する温度測定手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置の制御方法であって、前記燃料電池発電装置の運転モードを手動運転に設定する設定ステップと、前記手動運転時に、自動運転時の定格出力に応じた発電又は自動運転時の負荷電流に応じた発電に要する燃料ガス及び水蒸気の流量又は空気の流量の少なくとも一方を算出する流量算出ステップと、前記流量算出手段で算出した流量と前記手動運転時の設定流量との差分を算出する差分算出ステップと、前記差分の前記設定流量に対する比率が所定の範囲内であるかを判定する判定ステップと、前記比率が前記所定の範囲内である場合に、前記手動運転から前記自動運転に移行する移行ステップと、前記自動運転時に、前記差分に基づいて燃料ガス及び水蒸気の流量又は空気の流量の少なくとも一方を制御する流量制御ステップと、を少なくとも有するものであり、前記移行ステップでは、更に、前記燃料電池スタックの温度が所定の範囲内であり、前記燃料改質器の温度が所定の値以上であり、負荷電流が略設定値である場合に、前記手動運転から前記自動運転に移行する構成とすることができる。

このように、本発明では、手動運転時に、自動動運転時の定格出力又は負荷電流に応じた発電に要する燃料ガスや水蒸気、空気の流量を算出し、算出した流量と手動運転時の設定流量とを比較して差分を算出し、算出した差分の設定流量に対する比率が所定の範囲内であれば自動運転への移行を許可し、自動運転では算出した差分に基づいて流量制御を行うため、手動運転から自動運転への移行を可能にして、発電を効率的に行うことができる。

本発明の燃料電池発電装置及び制御プログラム並びに制御方法によれば、手動運転モードから自動運転モードへの移行を可能にして、発電を効率的に行うことができる。

その理由は、燃料電池発電装置の制御部に、手動運転時に自動動運転時の定格出力又は負荷電流に応じた発電に必要な燃料ガスや水蒸気、空気の流量を算出する流量算出手段と、算出した流量と手動運転時の設定値との差分を算出する差分算出手段と、算出した差分の設定流量に対する比率が所定の範囲内であれば手動運転から自動運転への移行を許可する判定手段と、自動運転時に、算出した差分に基づいて燃料ガスや水蒸気、空気の流量を制御する流量制御手段とを設けているため、手動運転モードからホットスタンバイ状態を介さずに直ちに自動運転モードに移行させることができるからである。

上述したように、燃料電池発電装置では、自動運転モードにおける条件と手動運転モードにおける条件とが大きく異なる場合があり、そのような場合に手動運転モードから自動運転モードに移行させると出力が急激に変動する恐れがある。そのため、手動運転モードから自動運転モードに移行させる場合には、通常、手動運転モードから一旦ホットスタンバイ状態に戻し、その後自動運転モードに移行させる制御を行う必要があり、発電を効率的に行うことができないという問題があった。

そこで、本発明では、制御手段に、流量算出手段と差分算出手段と判定手段と流量制御手段とを設け、流量算出手段では、手動運転時に、自動運転時の定格出力又は負荷電流に応じた発電に必要な燃料ガスや水蒸気、空気の流量を算出し、差分算出手段では、流量算出手段で算出した流量と手動運転時の設定流量との差分を算出し、判定手段では、差分算出手段で算出した差分の設定流量に対する比率が所定の範囲内であれば自動運転への移行を許可する判定を行い、流量制御手段では、自動運転時に、算出した差分に基づいて燃料ガスや水蒸気、空気の流量を制御する。これにより、手動運転モードから自動運転モードへの移行を可能にして発電を効率的に行うことができるようにする。以下、その具体的構成について、図面を参照して説明する。

上記した本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明すべく、本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置及び燃料電池発電装置の制御プログラム並びに制御方法について、図１乃至図５を参照して説明する。図１は、本実施例の燃料電池発電装置の構成を模式的に示す図であり、図２及び図３は、燃料電池発電装置の他の構成を示す図である。また、図４は、燃料電池スタックの具体的構成例を示す図であり、図５は、本実施例の燃料電池発電装置を用いた制御手順を示すフローチャート図である。

図１に示すように、本実施例の燃料電池発電装置１は、燃料ガス（都市ガスや天然ガス、ＬＰＧガスなどの炭化水素ガス）の流量と酸化剤ガス（酸素や空気など）の流量とに応じて直流出力電力を発生する燃料電池スタック３と、燃料電池スタック３に酸化剤ガス（本実施例では空気とする。）を導入する空気供給系と、燃料電池スタック３に燃料ガスを導入する燃料ガス昇圧器７や燃料ガス供給配管などの燃料ガス供給系と、燃料電池モジュール２内に配設され、燃料ガス供給系から送られる炭化水素ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質器４と、燃料ガス供給系に水蒸気を導入する水移送ポンプ８や水蒸気発生器１０、水蒸気供給配管などの水蒸気供給系と、燃料電池スタック３や燃料改質器４を加熱するヒータやバーナなどの加熱手段２１と、燃料電池スタック３や燃料改質器４の温度を測定する温度測定手段（図示せず）と、燃料ガス供給系や水蒸気供給系、空気供給系の制御などを行う制御部５と、燃料電池スタック３からの直流出力を交流出力に変換して交流電力を外部負荷に供給するインバータ（図示せず）などで構成されている。

また、制御部５は、手動運転モードでの運転時に、自動運転時の定格出力又は負荷電流に応じた発電に際して燃料電池スタック３に供給する燃料ガス及び水蒸気の流量又は空気の流量の少なくとも一方を算出する流量算出手段５ａと、流量算出手段５ａで算出した流量と手動運転時の設定流量との差分を算出する差分算出手段５ｂと、差分算出手段５ｂで算出した差分の手動運転時の設定値に対する比率が所定の範囲内であるか場合に手動運転モードから自動運転モードへの移行を許可する判定手段５ｃと、自動運転時に、差分算出手段５ｂで算出した差分に基づいて燃料ガス及び水蒸気の流量又は空気の流量の少なくとも一方を制御する流量制御手段５ｄと、を備えている。この制御部５は制御装置内にハードウェアとして構成されていてもよいし、コンピュータ（ソフトウェアを実行可能なハードウェア資源の総称）を、上記制御部５として機能させる制御プログラムとして構成し、該制御プログラムを制御装置で実行させるようにしてもよい。

また、燃料電池スタック３は、例えば、図４に示すように、固体電解質層１２の両面に燃料極層１３と空気極層１１とを配置した発電セル１４と、燃料極層１３の外側に配置した燃料極集電体１９と、空気極層１１の外側に配置した空気極集電体１８と、各集電体の外側に配したセパレータ１７とからなる単セルが縦方向に多数積層されて構成されている。

固体電解質層１２はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層１３はＮｉ、Ｃｏ等の金属又はＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層１１はＬａＭｎＯ_３、ＬａＣｏＯ_３等で構成されている。また、燃料極集電体１９はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体１８はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ１７はステンレス等で構成されている。

また、セパレータ１７は、発電セル１４間を電気的に接続すると共に、発電セル１４に対してガスを供給する機能を有し、燃料ガスをセパレータ１７の外周面から導入して燃料極集電体１９に対向する面のほぼ中央部から吐出する燃料ガス通路と、酸化剤ガス（空気）をセパレータ１７の外周面から導入して空気極集電体１８に対向する面に吐出する酸化剤ガス通路とを備えている。

また、この燃料電池スタック３の両側にはステンレス等で形成された一対の端板１５、１６が配置されており、燃料電池スタック３の電力はこの上下一対の端板１５、１６を介して外部に取り出すことができるようになっている。

この燃料電池スタック３は、発電セル１４の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造となっており、運転時には、燃料ガス通路及び酸化剤ガス通路を通してセパレータ１７の略中心部から発電セル１４に向けて供給される燃料ガス及び酸化剤ガス（空気）を発電セル１４の外周方向に拡散させながら燃料極層１３及び空気極層１１の全面に良好な分布で行き渡らせて発電反応を生じさせると共に、発電反応で消費されなかった余剰ガス（高温排ガス）を発電セル１４の外周部からハウジング内に自由に放出するようになっており、ハウジングの内部空間に放出された排ガスは排気穴より燃料電池モジュール２外に排出されるようになっている。

なお、図１では、燃料ガスとして炭化水素ガスを利用する燃料電池発電装置１を示したが、図２に示すように、水素を使用する燃料電池発電装置としてもよい。その場合は、流量算出手段５ａでは燃料ガスの流量又は空気の流量の少なくとも一方を算出すればよい。また、図１では、空気供給系を１系統備える燃料電池発電装置１を示したが、図３に示すように、温空気を供給する第１の空気供給系と冷空気を供給する第２の空気供給系の２系統の空気供給系を備える構成としてもよい。

次に、上記構成の燃料電池発電装置１を用いた具体的な制御手順について、図５のフローチャート図を参照して説明する。なお、以下では、図１の構成（燃料ガスとして炭化水素系のガスを使用する構成）の燃料電池発電装置に基づいて説明する。

まず、ステップＳ１０１で、コールドスタンバイ状態（常温状態）において、制御装置のボタン操作などによって起動を指示すると、ステップＳ１０２で、制御部５は、加熱手段２１を制御して、燃料電池スタック３を加熱、昇温する。

次に、ステップＳ１０３で、制御部５は、空気供給系を制御して、燃料電池スタック３に空気を供給する。その際、１系統の空気供給系のみで構成される装置では空気の温度を細かく制御することが難しいが、温空気を供給する第１の空気供給系と冷空気を供給する第２の空気供給系の２系統の空気供給系で構成される装置では、燃料電池スタック３の温度を正確かつ均一に制御することが可能である。

また、制御部５は、燃料ガス供給系及び水蒸気供給系を制御して、燃料改質器４に燃料ガスと水蒸気を導入する。その際、水蒸気供給配管の温度が低いと燃料ガス供給系に水が混入してしまうため、制御部５で水蒸気発生器１０の出口近傍の温度を監視し、その温度が気化可能な所定の温度以上になってから水蒸気発生器１０に水を投入することが好ましい。また、初期投入時に少量の水を投入し、その後、徐々に水の流量を増やすと、発電に必要な水蒸気量を生成するまでに時間がかかり、装置を迅速に起動することができないため、水の初期投入時に定常状態よりも多い流量で水を供給した後、水蒸気発生器１０の出口近傍の温度の低下量が予め定められた所定の範囲を超えたら、上記流量よりも少ない流量で水を供給するように制御することが好ましい。また、水の供給量が多いと燃料ガス供給系に水が混入したり燃料ガスの温度が低下し、また、水の供給量が少ないと発電に必要な水蒸気量を生成するまでに時間がかかるため、燃料ガス投入後、燃料ガス供給配管の水蒸気供給配管との合流点近傍の温度を監視し、この部分の温度が低下したら水蒸気発生器１０への水の供給量を減少又は水の供給を停止し、逆にこの部分の温度が上昇したら水の供給量を増やす制御を行うことが好ましい。

次に、ステップＳ１０４で、制御部５は、予め設けられた温度測定手段を用いて燃料電池スタック３の温度を監視し、ステップＳ１０５で、燃料電池スタック３が所定の温度（運転可能温度）以上となったら、ステップＳ１０６で、オペレータは自動運転モード又は手動運転モードのいずれかを選択し、自動運転モードが選択された場合は、ステップＳ１１４で、予め定められた運転パターンに従って自動運転モードでの発電を開始する。

一方、手動運転モードが選択された場合は、ステップＳ１０７で、燃料ガスや水蒸気、空気の流量をオペレータが設定して、発電を開始する。その際、本実施例では、手動運転モードから自動運転モードに移行できるようにするために、ステップＳ１０８で、流量算出手段５ａは、燃料電池発電装置１の出力（すなわち、自動運転時の定格出力）又は負荷電流に応じた発電に際して燃料電池スタック３に供給する燃料ガス及び水蒸気の流量を算出すると共に、ステップＳ１０９で、上記発電に際して燃料電池スタック３に供給する空気の流量を算出する。なお、ここでは燃料ガス及び水蒸気の流量と空気の流量の双方を算出しているが、いずれか一方の流量のみを算出する構成としてもよい。

次に、ステップＳ１１０で、差分算出手段５ｂは、上記ステップで算出した流量と、手動設定モードでの運転時にオペレータが設定している設定流量とを比較し、その差分を算出する。

次に、ステップＳ１１１で、判定手段５ｃは、上記ステップで算出した差分とオペレータの設定流量とを比較し、差分の設定流量に対する比率が所定の範囲内であるか否かを調べる。なお、上記範囲を広くすると、自動運転モードに移行した際に燃料ガス、水蒸気及び空気の流量が大きく変動して定格出力が得られないなどの問題が生じ、範囲を狭くすると自動運転モードへの移行が困難になることから好ましい範囲が存在するが、本願発明者の知見によれば、差分が設定値に対して略±１５％以内であれば、自動運転モードに移行させても問題がないことを確認している。

そして、上記比率が所定の範囲を逸脱している場合には、自動運転モードへの移行はできないと判定してステップＳ１１３にスキップし、一方、上記比率が所定の範囲内である場合には、自動運転モードへの移行が可能と判定する。その際、上記比率が所定の範囲内であっても、燃料電池スタック３の温度が所定の範囲（発電反応が可能な温度範囲）を超えていたり、燃料改質器４の温度が所定の温度以下（改質が可能な温度以下）であったり、負荷電流が設定値から外れている場合に自動運転モードに移行しても、正常に発電することができないことから、判定手段５ｃでは、上記比率が所定の範囲内であるのみならず、燃料電池スタック３の温度が所定の範囲（例えば、６５０℃〜８００℃程度）であり、燃料改質器４の温度が所定の温度以上（例えば、５５０℃程度以上）であり、かつ、負荷電流が設定値通り（例えば、発電セル１４の直径が略１２ｃｍ（面積が略１１３ｃｍ^２）の場合は、３０Ａ程度）である場合に、自動運転モードへの移行を許可する構成とすることもできる。

そして、自動運転モードへの移行が可能な場合は、ステップＳ１１２で、オペレータは運転モードを変更するか否かを判断し、運転モードを変更する場合は、ステップＳ１１４で、自動運転モードでの発電を開始する。その際、手動運転時での流量の設定値が自動運転時の流量と異なる場合に定格出力又は負荷電流が得られないため、制御部５は、上記ステップで算出した燃料ガス及び水蒸気の流量や空気の流量に基づいて、燃料ガス供給系及び水蒸気供給系、空気供給系を制御する。これにより、速やかに定格出力又は負荷電流に応じた発電を行うことができる。

その後、手動運転モードで運転している場合は、ステップＳ１１３で、制御装置のボタン操作などによって停止が指示されたかを判断し、停止が指示されなかった場合は、ステップＳ１０７に戻って手動運転モードでの運転を続行し、また、自動運転モードで運転している場合は、ステップＳ１１５で、停止が指示されたかを判断し、停止が指示されなかった場合は、ステップＳ１１４に戻って自動運転モードでの運転を続行する。一方、停止が指示された場合は、ステップＳ１１６で、制御部５は、燃料ガス及び水蒸気の流量を徐々に減らすと共に、空気の流量を増やして燃料電池スタック３の温度を下げ、コールドスタンバイ状態（常温状態）戻して一連の処理を終了する。

このように、本実施例の燃料電池発電装置１では、制御部５に、流量算出手段５ａと差分算出手段５ｂと判定手段５ｃと流量制御手段５ｄとを設け、手動運転モードでの運転時に、自動運転時の定格出力又は負荷電流に応じた発電に必要な燃料ガス及び水蒸気や空気の流量を算出し、算出した流量と手動運転時の設定流量との差分を算出し、算出した差分の設定流量に対する比率が所定の範囲内である場合に自動運転モードへの移行を許可し、自動運転モードでは差分に基づいて燃料ガス及び水蒸気や空気の流量を制御するため、手動運転モードからホットスタンバイ状態を介さずに直ちに自動運転モードに移行させることができ、発電を効率的に行うことができる。

なお、シールレスタイプの燃料電池発電装置１について記載したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、シールタイプの燃料電池発電装置１に対しても同様に適用することができる。

本発明の制御方法は、作動温度の高い固体酸化物型燃料電池発電装置において特に有効であるが、固体高分子型燃料電池発電装置、アルカリ型燃料電池発電装置、リン酸型燃料電池発電装置、溶融炭酸塩型燃料電池発電装置などの他の種類の燃料電池発電装置に対しても適用することが可能である。

本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置の構成を模式的に示す図である。 本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置の他の構成を示す図である。 本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置の他の構成を示す図である。 本発明の一実施例に係る燃料電池スタックの具体的構成を示す図である。 本発明の一実施例に係る燃料電池発電装置を用いた制御手順を示すフローチャート図である。 従来の燃料電池発電装置の構成を模式的に示す図である。

符号の説明

１ 燃料電池発電装置
２ 燃料電池モジュール
３ 燃料電池スタック
４ 燃料改質器
５ 制御部
５ａ 流量算出手段
５ｂ 差分算出手段
５ｃ 判定手段
５ｄ 流量制御手段
６ａ、６ｂ 空気ブロア
７ 燃料ガス昇圧器
８ 水移送ポンプ
９ 純水タンク
１０ 水蒸気発生器
１１ 空気極層
１２ 固体電解質層
１３ 燃料極層
１４ 発電セル
１５、１６ 端板
１７ セパレータ
１８ 空気極集電体
１９ 燃料極集電体
２０ 熱交換器

Claims (12)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタックを含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給手段と、前記燃料電池スタックの温度を測定する温度測定手段と、制御手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置において、
   前記制御手段は、前記燃料電池発電装置の手動運転時に、自動運転時の定格出力に応じた発電又は自動運転時の負荷電流に応じた発電に要する燃料ガスの流量又は空気の流量の少なくとも一方を算出する流量算出手段と、前記流量算出手段で算出した流量と前記手動運転時の設定流量との差分を算出する差分算出手段と、前記差分の前記設定流量に対する比率が所定の範囲内である場合に、前記手動運転から前記自動運転への移行を許可する判定手段と、前記自動運転に際して前記差分に基づいて燃料ガスの流量又は空気の流量の少なくとも一方を制御する流量制御手段と、を含むことを特徴とする燃料電池発電装置。
2. 前記判定手段は、前記燃料電池スタックの温度が所定の範囲内であり、前記負荷電流が略設定値である場合に、前記手動運転から前記自動運転への移行を許可することを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。
3. 炭化水素系の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び前記燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給手段と、前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、前記燃料電池スタック及び前記燃料改質器の温度を測定する温度測定手段と、制御手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置において、
   前記制御手段は、前記燃料電池発電装置の手動運転時に、自動運転時の定格出力に応じた発電又は自動運転時の負荷電流に応じた発電に要する燃料ガス及び水蒸気の流量又は空気の流量の少なくとも一方を算出する流量算出手段と、前記流量算出手段で算出した流量と前記手動運転時の設定流量との差分を算出する差分算出手段と、前記差分の前記設定流量に対する比率が所定の範囲内である場合に、前記手動運転から前記自動運転への移行を許可する判定手段と、前記自動運転に際して前記差分に基づいて燃料ガス及び水蒸気の流量又は空気の流量の少なくとも一方を制御する流量制御手段と、を含むことを特徴とする燃料電池発電装置。
4. 前記判定手段は、前記燃料電池スタックの温度が所定の範囲内であり、前記燃料改質器の温度が所定の値以上であり、負荷電流が略設定値である場合に、前記手動運転から前記自動運転への移行を許可することを特徴とする請求項３記載の燃料電池発電装置。
5. 燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタックを含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給手段と、前記燃料電池スタックの温度を測定する温度測定手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置を制御するためのプログラムであって、
   コンピュータを、
   前記燃料電池発電装置の手動運転時に、自動運転時の定格出力に応じた発電又は自動運転時の負荷電流に応じた発電に要する燃料ガスの流量又は空気の流量の少なくとも一方を算出する流量算出手段、
   前記流量算出手段で算出した流量と前記手動運転時の設定流量との差分を算出する差分算出手段、
   前記差分の前記設定流量に対する比率が所定の範囲内である場合に、前記手動運転から前記自動運転への移行を許可する判定手段、
   前記自動運転に際して前記差分に基づいて燃料ガスの流量又は空気の流量の少なくとも一方を制御する流量制御手段、として機能させることを特徴とする制御プログラム。
6. 前記判定手段は、前記燃料電池スタックの温度が所定の範囲内であり、前記負荷電流が略設定値である場合に、前記手動運転から前記自動運転への移行を許可することを特徴とする請求項５記載の制御プログラム。
7. 炭化水素系の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び前記燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給手段と、前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、前記燃料電池スタック及び前記燃料改質器の温度を測定する温度測定手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置を制御するためのプログラムであって、
   コンピュータを、
   前記燃料電池発電装置の手動運転時に、自動運転時の定格出力に応じた発電又は自動運転時の負荷電流に応じた発電に要する燃料ガス及び水蒸気の流量又は空気の流量の少なくとも一方を算出する流量算出手段、
   前記流量算出手段で算出した流量と前記手動運転時の設定流量との差分を算出する差分算出手段、
   前記差分の前記設定流量に対する比率が所定の範囲内である場合に、前記手動運転から前記自動運転への移行を許可する判定手段、
   前記自動運転に際して前記差分に基づいて燃料ガス及び水蒸気の流量又は空気の流量の少なくとも一方を制御する流量制御手段、として機能させることを特徴とする制御プログラム。
8. 前記判定手段は、前記燃料電池スタックの温度が所定の範囲内であり、前記燃料改質器の温度が所定の値以上であり、負荷電流が略設定値である場合に、前記手動運転から前記自動運転への移行を許可することを特徴とする請求項７記載の制御プログラム。
9. 燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタックを含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給手段と、前記燃料電池スタックの温度を測定する温度測定手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置の制御方法であって、
   前記燃料電池発電装置の運転モードを手動運転に設定する設定ステップと、
   前記手動運転時に、自動運転時の定格出力に応じた発電又は自動運転時の負荷電流に応じた発電に要する燃料ガスの流量又は空気の流量の少なくとも一方を算出する流量算出ステップと、
   前記流量算出手段で算出した流量と前記手動運転時の設定流量との差分を算出する差分算出ステップと、
   前記差分の前記設定流量に対する比率が所定の範囲内であるかを判定する判定ステップと、
   前記比率が前記所定の範囲内である場合に、前記手動運転から前記自動運転に移行する移行ステップと、
   前記自動運転時に、前記差分に基づいて燃料ガスの流量又は空気の流量の少なくとも一方を制御する流量制御ステップと、を少なくとも有することを特徴とする燃料電池発電装置の制御方法。
10. 前記移行ステップでは、更に、前記燃料電池スタックの温度が所定の範囲内であり、前記負荷電流が略設定値である場合に、前記手動運転から前記自動運転に移行することを特徴とする請求項９記載の燃料電池発電装置の制御方法。
11. 炭化水素系の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により電力を発生させる燃料電池スタック及び前記燃料ガスを改質する燃料改質器を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給手段と、前記燃料ガスの供給経路に水蒸気を導入する水蒸気供給手段と、前記燃料電池スタック及び前記燃料改質器の温度を測定する温度測定手段と、を少なくとも備える燃料電池発電装置の制御方法であって、
    前記燃料電池発電装置の運転モードを手動運転に設定する設定ステップと、
    前記手動運転時に、自動運転時の定格出力に応じた発電又は自動運転時の負荷電流に応じた発電に要する燃料ガス及び水蒸気の流量又は空気の流量の少なくとも一方を算出する流量算出ステップと、
    前記流量算出手段で算出した流量と前記手動運転時の設定流量との差分を算出する差分算出ステップと、
    前記差分の前記設定流量に対する比率が所定の範囲内であるかを判定する判定ステップと、
    前記比率が前記所定の範囲内である場合に、前記手動運転から前記自動運転に移行する移行ステップと、
    前記自動運転時に、前記差分に基づいて燃料ガス及び水蒸気の流量又は空気の流量の少なくとも一方を制御する流量制御ステップと、を少なくとも有することを特徴とする燃料電池発電装置の制御方法。
12. 前記移行ステップでは、更に、前記燃料電池スタックの温度が所定の範囲内であり、前記燃料改質器の温度が所定の値以上であり、負荷電流が略設定値である場合に、前記手動運転から前記自動運転に移行することを特徴とする請求項１１記載の燃料電池発電装置の制御方法。

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