(57)【要約】【課題】燃料電池の運転継続に必要な発電電力を維持するために負荷の容量を高めると、システムの大型化やコストアップを招く場合があること。【解決手段】燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電し、燃料極で生成された水蒸気を含む燃料排ガスを排出する発電部と、燃料排ガス及び原燃料ガスが供給される改質部と、改質部に再循環される燃料排ガスの量を制御する制御部と、電力を消費して、改質部に供給される水蒸気を生成する水蒸気生成部とを備え、制御部は、燃料電池システムと並列して電力を供給可能な外部電源から燃料電池システムが切り離された場合に、余剰電力の少なくとも一部を水蒸気生成部に供給し、余剰電力の少なくとも一部を水蒸気生成部が消費することにより水蒸気生成部で生成された水蒸気量に応じて、質部に再循環される燃料排ガスの量を減少させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電し、燃料極で生成された水蒸気を含む燃料排ガスを排出する発電部と、
前記燃料排ガス及び原燃料ガスが供給される改質部と、
前記改質部に再循環される前記燃料排ガスの量を制御する制御部と、
電力を消費して、前記改質部に供給される水蒸気を生成する水蒸気生成部と
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池システムと並列して電力を供給可能な外部電源から前記燃料電池システムが切り離された場合に、余剰電力の少なくとも一部を前記水蒸気生成部に供給し、前記余剰電力の前記少なくとも一部を前記水蒸気生成部が消費することにより前記水蒸気生成部で生成された水蒸気量に応じて、前記改質部に再循環される前記燃料排ガスの量を減少させる
燃料電池システム。
【請求項２】
前記外部電源は系統電源であり、
前記制御部は、前記燃料電池システムが前記系統電源から解列された場合に、前記余剰電力の少なくとも一部を前記水蒸気生成部に供給し、前記水蒸気生成部で生成された前記水蒸気量に応じて、前記改質部に再循環される前記燃料排ガスの量を減少させる
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御部は、
前記燃料電池システムが前記外部電源と並列して電力を供給中に、前記燃料電池システムの出力が定格出力となるように前記発電部を制御し、
前記燃料電池システムが前記外部電源から切り離された場合に、前記発電部の発電電力を低下させて、前記燃料電池システムの出力を、前記燃料電池システムを自立運転するために維持するべき予め定められた自立時出力に低下させるとともに、前記余剰電力の少なくとも一部を前記水蒸気生成部に供給し、前記水蒸気生成部で生成された前記水蒸気量に応じて、前記改質部に再循環される前記燃料排ガスの量を減少させる
請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
電力を消費する内部負荷
をさらに備え、
前記制御部は、前記燃料電池システムが前記外部電源から切り離された場合に更に、前記余剰電力の一部を前記内部負荷に供給して、前記発電部の発電電力を、前記改質部及び前記発電部を含む燃料電池モジュールにおける熱自立を維持できる電力に維持する
請求項１から３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御部は、前記発電部の発電電力が負荷電力を超える場合に、前記負荷電力を超える余剰電力の少なくとも一部を前記水蒸気生成部に供給し、前記余剰電力の前記少なくとも一部を前記水蒸気生成部が消費することにより前記水蒸気生成部で生成された水蒸気量に応じて、前記改質部に再循環される前記燃料排ガスの量を減少させる
請求項１から４の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御部は、前記改質部に供給される前記燃料排ガス及び前記原燃料ガスを含むガス中のスチームカーボン比を予め定められた値に維持するべく、前記水蒸気生成部で生成された前記水蒸気量に応じて、前記改質部に再循環される前記燃料排ガスの量を減少させる
請求項１から５の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電し、燃料極で生成された水蒸気を含む燃料排ガスを排出する発電部と、
前記燃料排ガス及び原燃料ガスが供給される改質部と、
電力を消費して、前記改質部に供給される水蒸気を生成する水蒸気生成部と
を備える燃料電池システムの制御装置であって、
前記燃料電池システムと並列して電力を供給可能な外部電源から前記燃料電池システムが切り離された場合に、余剰電力の少なくとも一部を前記水蒸気生成部に供給し、前記余剰電力の前記少なくとも一部を前記水蒸気生成部が消費することにより前記水蒸気生成部で生成された水蒸気量に応じて、前記改質部に再循環される前記燃料排ガスの量を減少させる制御部
を備える制御装置。
【請求項８】
燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電し、燃料極で生成された水蒸気を含む燃料排ガスを排出する発電部と、
前記燃料排ガス及び原燃料ガスが供給される改質部と、
電力を消費して、前記改質部に供給される水蒸気を生成する水蒸気生成部と
を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムと並列して電力を供給可能な外部電源から前記燃料電池システムが切り離された場合に、余剰電力の少なくとも一部を前記水蒸気生成部に供給する段階と、
前記余剰電力の前記少なくとも一部を前記水蒸気生成部が消費することにより前記水蒸気生成部で生成された水蒸気量に応じて、前記改質部に再循環される前記燃料排ガスの量を減少させる段階と
を備える制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム、燃料電池システムの制御装置及び制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
系統電源の停電時に、自立運転開始までの待機時間の間、外部負荷に電力を供給することなく、アイドリング電力以外の余剰電力をヒータや蓄電池に供給することにより、燃料電池の発電電力を自立時発電電力に維持する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１  特開２０１５−１８６４０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ヒータや蓄電池等の負荷では余剰電力を消費しきれず、燃料電池の運転継続に必要な発電電力を維持できない場合がある。そのため、運転継続に必要な発電電力を維持するために負荷の容量を高めると、例えばシステムの大型化やコストアップを招く場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様においては、燃料電池システムが提供される。燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電し、燃料極で生成された水蒸気を含む燃料排ガスを排出する発電部を備えてよい。燃料電池システムは、原燃料ガス及び再循環した燃料排ガスが供給される改質部を備えてよい。燃料電池システムは、改質部に再循環される燃料排ガスの量を制御する制御部を備えてよい。燃料電池システムは、電力を消費して、改質部に供給される水蒸気を生成する水蒸気生成部を備えてよい。制御部は、燃料電池システムと並列して電力を供給可能な外部電源から燃料電池システムが切り離された場合に、余剰電力の少なくとも一部を水蒸気生成部に供給し、余剰電力の少なくとも一部を水蒸気生成部が消費することにより水蒸気生成部で生成された水蒸気量に応じて、改質部に再循環される燃料排ガスの量を減少させてよい。
【０００５】
外部電源は系統電源であってよい。制御部は、燃料電池システムが系統電源から解列された場合に、余剰電力の少なくとも一部を水蒸気生成部に供給し、水蒸気生成部で生成された水蒸気量に応じて、改質部に再循環される燃料排ガスの量を減少させてよい。
【０００６】
制御部は、燃料電池システムが外部電源と並列して電力を供給中に、燃料電池システムの出力が定格出力となるように発電部を制御してよい。制御部は、燃料電池システムが外部電源から切り離された場合に、発電部の発電電力を低下させて、燃料電池システムの出力を、燃料電池システムを自立運転するために維持するべき予め定められた自立時出力に低下させるとともに、余剰電力の少なくとも一部を水蒸気生成部に供給し、水蒸気生成部で生成された水蒸気量に応じて、改質部に再循環される燃料排ガスの量を減少させてよい。
【０００７】
電力を消費する内部負荷をさらに備えてよい。制御部は、燃料電池システムが外部電源から切り離された場合に更に、余剰電力の一部を内部負荷に供給して、発電部の発電電力を、改質部及び発電部を含む燃料電池モジュールにおける熱自立を維持できる電力に維持してよい。
【０００８】
制御部は、発電部の発電電力が負荷電力を超える場合に、負荷電力を超える余剰電力の少なくとも一部を水蒸気生成部に供給し、水蒸気生成部で生成された水蒸気量に応じて、改質部に再循環される燃料排ガスの量を減少させてよい。
【０００９】
制御部は、改質部に再循環される燃料排ガス及び原燃料ガスを含むガス中のスチームカーボン比を予め定められた値に維持するべく、水蒸気生成部で生成された水蒸気量に応じて、改質部に再循環される燃料排ガスの量を減少させてよい。
【００１０】
第２の実施形態においては、燃料電池システムの制御装置が提供される。燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電し、燃料極で生成された水蒸気を含む燃料排ガスを排出する発電部と、燃料排ガス及び原燃料ガスが供給される改質部と、電力を消費して、改質部に供給される水蒸気を生成する水蒸気生成部とを備えてよい。制御装置は、燃料電池システムが外部電源と切り離された場合に、余剰電力の少なくとも一部を水蒸気生成部に供給し、余剰電力の少なくとも一部を水蒸気生成部が消費することにより水蒸気生成部で生成された水蒸気量に応じて、改質部に再循環される燃料排ガスの量を減少させる制御部を備えてよい。
【００１１】
本発明の第３の態様においては、燃料電池システムの制御方法が提供される。燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電し、燃料極で生成された水蒸気を含む燃料排ガスを排出する発電部と、燃料排ガス及び原燃料ガスが供給される改質部と、電力を消費して、改質部に供給される水蒸気を生成する水蒸気生成部とを備えてよい。制御方法は、燃料電池システムが外部電源と切り離された場合に、負荷電力を超える余剰電力の少なくとも一部を水蒸気生成部に供給する段階を備えてよい。制御方法は、余剰電力の少なくとも一部を水蒸気生成部が消費することにより水蒸気生成部で生成された水蒸気量に応じて、改質部に再循環される燃料排ガスの量を減少させる段階を備えてよい。
【００１２】
上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。これらの特徴群のサブコンビネーションも発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】一実施形態における燃料電池システム１０の機能ブロックを含む、外部電源８０、外部負荷９０及び外部電源ライン２０とともに概略的に示す。
【図２】燃料電池システム１０が連系運転中に解列したときの運転パラメータの時間変化を説明するための図である。
【図３】比較例１の燃料電池システムにおける運転パラメータの時間変化を説明するための図である。
【図４】制御部１００による燃料電池システム１０の制御方法を示すフローチャートである。
【図５】他の実施形態における燃料電池システム５００の機能ブロックを含む、外部電源８０、外部負荷９０及び外部電源ライン２０とともに概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１５】
図１は、一実施形態における燃料電池システム１０の機能ブロックを含む、外部電源８０、外部負荷９０及び外部電源ライン２０とともに概略的に示す。
【００１６】
図１において、太線は電気、電流、電力の流れを示す。実線は、例えばガスや水等の流体の流れを示す。破線は制御信号や検出信号等の各種の信号の流れを示す。
【００１７】
燃料電池システム１０は、外部電源ライン２０に接続され、外部電源ライン２０に電力を供給する。外部電源ライン２０には、外部電源８０及び外部負荷９０が接続されている。外部電源８０は、外部電源ライン２０に電力を供給する。外部負荷９０は、外部電源ライン２０から供給される電力により動作する。
【００１８】
燃料電池システム１０は、外部電源８０と並列して電力を供給可能である。例えば、燃料電池システム１０は、外部電源８０と並列して電力を供給する場合に、定格運転を行う。これにより、燃料電池システム１０の定格出力を外部電源ライン２０に供給可能となる。外部負荷９０は、外部負荷９０の消費電力のうち燃料電池システム１０の定格出力で賄えない部分の電力を、外部電源８０から受け取る。
【００１９】
本実施形態において、外部電源８０は商用系統電源であり、燃料電池システム１０は、連系運転を行うことが可能である。他の実施形態において、外部電源８０は、内燃力発電機等の発電機であってよい。
【００２０】
燃料電池システム１０は、継電器２２と、内部電源ライン２４と、内部負荷３０と、水蒸気生成部４０と、加熱部５０と、ＤＣ−ＡＣ変換部６０と、脱硫部７０と、制御部１００と、燃料電池モジュール１１０と、流量センサ１５０と、ブロア１６０と、原燃料流路１８０と、水蒸気供給流路１８１と、燃料排ガス流路１８２と、燃料排ガス再循環流路１８３と、燃料排ガス排出流路１８４と、酸化剤ガス流路１８６と、酸化剤排ガス流路１８８と、排エネルギー利用部１９０とを備える。燃料電池モジュール１１０は、改質部１２０と、発電部１３０とを備える。燃料電池モジュール１１０は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。
【００２１】
燃料電池システム１０において、加熱部５０は、燃料電池システム１０の起動に必要な熱を供給する。例えば、加熱部５０は、外部電力等を消費して、改質部１２０及び発電部１３０の少なくとも一方を加熱する。例えば、加熱部５０は、電気ヒータである。加熱部５０は、外部電源８０から供給される電力により生じた熱で空気等の熱媒体を加熱して、改質部１２０及び発電部１３０の少なくとも一方に供給してよい。
【００２２】
水蒸気生成部４０は、燃料電池システム１０の起動時に、外部電力等を消費して、水蒸気を生成する。例えば、水蒸気生成部４０は、外部電源８０から供給される電力により熱により水を加熱して、水蒸気を生成する。水蒸気生成部４０が生成した水蒸気は、水蒸気供給流路１８１を通じて原燃料流路１８０に供給され、原燃料ガスとともに燃料電池モジュール１１０に供給される。なお、燃料電池システム１０が外部電源８０と連系運転している場合には、加熱部５０及び水蒸気生成部４０は停止状態となる。
【００２３】
原燃料流路１８０には、脱硫部７０が接続されている。脱硫部７０には、原燃料ガスが供給される。原燃料ガスは、例えば、都市ガス、ＬＰガス、灯油等から生成される。脱硫部７０は、原燃料ガスに含まれる硫黄成分を実質的に除去する。脱硫部７０により脱硫された原燃料ガスは、原燃料流路１８０に供給される。
【００２４】
後述するように、燃料電池モジュール１１０が外部電源８０と連系運転している場合、原燃料流路１８０には、燃料電池モジュール１１０から排出された水蒸気を含む燃料排ガスが循環供給される。
【００２５】
改質部１２０には、原燃料流路１８０を通じて、原燃料ガス及び水蒸気が供給される。改質部１２０は、原燃料ガスを改質して燃料ガスを生成する。具体的には、改質部１２０は、燃料排ガスに含まれる水蒸気を用いて原燃料ガスに含まれる原燃料を改質して、燃料ガスを生成する。燃料ガスは、例えば水蒸気を含む改質水素である。改質部１２０が生成した燃料ガスは、発電部１３０に供給される。発電部１３０には更に、酸化剤ガス流路１８６を通じて、酸化剤ガスが供給される。酸化剤ガスは例えば空気から生成されてよい。改質部１２０は、発電部内部に備えても良いし、発電部の外部に改質器として備えても良い。
【００２６】
発電部１３０は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する。具体的には、発電部１３０は、複数の発電セルを積層または集合体として構成したセルスタックを有する。各発電セルは、酸化剤極と燃料極で電解質を挟んだ構成を有する。各発電セルの間にはセパレータが設けられ、各発電セルは電気的に直列に接続される。発電部１３０の各発電セルは、酸化剤極で生成された酸化物イオンが電解質を透過して燃料極に移動し、燃料極で酸化物イオンが水素又は一酸化炭素と電気化学反応をすることにより、電気エネルギーを発生する。例えば、発電部１３０の燃料極において、酸素イオンが水素と反応することにより、電気エネルギーを発生する。
【００２７】
発電部１３０の燃料極において、酸素イオンが水素と反応することにより、水が生成される。燃料極で生成した水は、発電セルにおける電気化学反応に寄与しなかった燃料ガス成分とともに、燃料排ガスとして発電セルから排出される。このように、発電部１３０は、燃料極で生成された水蒸気を含む燃料排ガスを排出する。燃料排ガスは、燃料排ガス流路１８２を通じて、燃料電池モジュール１１０の外部に排出される。また、酸化剤極において、水素及び一酸化炭素との電気化学反応に寄与しなかった酸化剤成分を含む酸化剤排ガスは、酸化剤排ガス流路１８８を通じて、燃料電池モジュール１１０の外部に排出される。
【００２８】
燃料排ガス流路１８２を通じて燃料電池モジュール１１０から排出された燃料排ガスの少なくとも一部は、燃料排ガス排出流路１８４を通じて排エネルギー利用部１９０に供給される。酸化剤排ガス流路１８８を通じて燃料電池モジュール１１０から排出された酸化剤排ガスは、酸化剤排ガス流路１８８を通じて排エネルギー利用部１９０に供給される。
【００２９】
排エネルギー利用部１９０は、燃料排ガス及び酸化剤排ガスに含まれる熱エネルギー及び化学エネルギーの少なくとも一方を回収して、排ガスとして排出する。例えば、排エネルギー利用部１９０は、燃料排ガス及び酸化剤排ガスを燃焼させて得られる熱エネルギーにより、水を加温して温水を生成する。燃焼により生じた排ガスは外気に排出される。
【００３０】
燃料電池モジュール１１０から燃料排ガス流路１８２を通じて排出された燃料排ガスの少なくとも一部は、燃料排ガス再循環流路１８３を通じて、原燃料流路１８０に再循環される。したがって、改質部１２０には、上述したように燃料排ガス及び原燃料ガスが供給されることとなる。これにより、改質部１２０は、環流される燃料排ガスに含まれる水蒸気を用いて、原燃料ガスに含まれる原燃料を改質して、水素リッチな燃料ガスを生成することができる。
【００３１】
燃料電池モジュール１１０の発電部１３０の発電により得られた直流電流は、ＤＣ−ＡＣ変換部６０に供給される。ＤＣ−ＡＣ変換部６０は、発電部１３０からの直流電流を交流電流に変換する。継電器２２がオン状態の場合、ＤＣ−ＡＣ変換部６０が出力する交流電流は、外部電源ライン２０に供給される。このように、燃料電池システム１０は、継電器２２がオン状態の場合、外部電源８０と連系状態となる。継電器２２がオフ状態の場合、解列状態となる。
【００３２】
燃料電池システム１０が連系状態である場合の制御部１００の制御を説明する。ここでは、燃料電池システム１０は定格運転をしているものとする。制御部１００は、脱硫部７０からの原燃料ガスの流量を、燃料電池システム１０が定格運転するための既定値に制御する。また、制御部１００は、ブロア１６０を制御することにより、燃料電池モジュール１１０から再循環される燃料排ガスの流量を、燃料電池システム１０を定格運転するための既定値にする。例えば、制御部１００は、流量センサ１５０で検出された燃料排ガスの流量が規定値になるように、ブロア１６０を制御する。また、燃料電池システム１０の定格運転時には、制御部１００は、加熱部５０及び水蒸気生成部４０を停止させる。
【００３３】
燃料電池システム１０が解列状態の場合、燃料電池システム１０は自立運転を行う。自立運転時には、制御部１００は、燃料電池システム１０の出力を定格出力より低い自立時出力まで低下させる。例えば、定格出力は１００ｋＷであり、自立時出力は５０ｋＷである。自立運転時には、発電部１３０の発電電力のうち一部が、ブロア１６０等の補機で使用される。発電部１３０の発電電力のうち、補機で使用される電力を除く５０ｋＷが、自立時出力となる。燃料電池システム１０が自立運転をする場合、この５０ｋＷが余剰電力となり得る。
【００３４】
燃料電池システム１０の自立運転時には、制御部１００は、余剰電力で少なくとも水蒸気生成部４０を駆動する。制御部１００は、自立運転時において、余剰電力の一部を内部負荷３０に供給する。内部負荷３０は、例えば電気ヒータであってよい。電気ヒータで生じた熱は、燃料電池システム１０の周囲に放出されてよい。
【００３５】
自立運転時の余剰電力を水蒸気生成部４０及び内部負荷３０で消費することにより、発電部１３０の発電量を、燃料電池モジュール１１０が熱自立可能な発電量に維持することができる。そのため、燃料電池システム１０が外部電源８０と連系を再開する場合に、燃料電池システム１０の出力を短時間で定格出力に戻すことができる。なお、燃料電池モジュール１１０の熱自立状態とは、例えば、発電部１３０の発電により生成する熱によって、発電部１３０の温度及び改質部１２０の温度を規定値に維持することが可能な状態であってよい。
【００３６】
このように、燃料電池システム１０によれば、自立運転時の余剰電力を水蒸気生成部４０で消費させるので、自立運転を維持するために必要な内部負荷３０の容量の増大を抑制することができる。ひいては、燃料電池システム１０の大型化やコストアップを抑制することができる。
【００３７】
なお、水蒸気生成部４０を駆動することにより、原燃料流路１８０に供給される水蒸気量が増加する。したがって、改質部１２０に供給されるガスのスチームカーボン比（Ｓ／Ｃ）が上昇する。そこで、制御部１００は、ブロア１６０を制御して、燃料排ガスの再循環流量を低下させる。これにより、スチームカーボン比（Ｓ／Ｃ）の上昇を抑制することができ、発電部１３０の出力低下を抑制することができる。そのため、自立運転時において燃料電池システム１０を熱自立することが容易になる。
【００３８】
このように、燃料電池システム１０においては、制御部１００は、燃料電池システム１０が系統電源から解列された場合に、余剰電力の少なくとも一部を水蒸気生成部４０に供給し、水蒸気生成部４０で生成された水蒸気量に応じて、改質部１２０に再循環される燃料排ガスの量を減少させる。具体的には、制御部１００は、改質部１２０に再循環される燃料排ガス及び原燃料ガスを含むガス中のＳ／Ｃを予め定められた値に維持するべく、水蒸気生成部４０で生成された水蒸気量に応じて、改質部１２０に再循環される燃料排ガスの量を減少させる。
【００３９】
具体的には、制御部１００は、燃料電池システム１０が系統電源と連系運転中に、燃料電池システム１０の出力が定格出力となるように発電部１３０を制御する。そして、燃料電池システム１０が系統電源から解列された場合に、制御部１００は、発電部１３０の発電電力を低下させて、燃料電池システム１０の出力を、燃料電池システム１０を自立運転するために維持するべき予め定められた自立時出力に低下させるとともに、余剰電力の少なくとも一部を水蒸気生成部４０に供給し、水蒸気生成部４０で生成された水蒸気量に応じて、改質部１２０に再循環される燃料排ガスの量を減少させる。
【００４０】
また、制御部１００は、燃料電池システム１０が系統電源から解列された場合に更に、余剰電力の一部を内部負荷３０に供給する。これにより、発電部１３０の発電電力を、改質部１２０及び発電部１３０における熱自立を維持できる電力に維持する。
【００４１】
なお、本実施形態では主として、外部電源８０が商用系統電源である場合を説明する。しかし、本実施形態で説明する制御と同様の制御は、外部電源８０が商用系統電源以外の電源である場合において、燃料電池システム１０が外部電源８０から切り離された場合にも適用できる。すなわち、制御部１００は、燃料電池システム１０が外部電源８０から切り離された場合に、余剰電力の少なくとも一部を水蒸気生成部４０に供給し、水蒸気生成部４０で生成された水蒸気量に応じて、改質部１２０に再循環される燃料排ガスの量を減少させてよい。
【００４２】
図２は、燃料電池システム１０が連系運転中に解列したときの運転パラメータの時間変化を説明するための図である。図２の横軸は時間を示し、縦軸は運転パラメータを示す。図２には、運転パラメータとして、システム出力、内部負荷３０の消費電力、水蒸気生成部４０の消費電力、燃料排ガスの再循環流量、及びＳ／Ｃが示される。
【００４３】
連系運転中において、制御部１００は、燃料電池システム１０の出力が１００ｋＷの定格出力となるように制御する。具体的には、制御部１００は、原燃料流路１８０に供給される原燃料ガスの量が、定格出力に対応づけられた規定量になるように、脱硫部７０を制御する。また、制御部１００は、燃料排ガス再循環流路１８３内の燃料排ガスの流量が、定格出力に対応づけられた規定量になるように、ブロア１６０を制御する。これにより、制御部１００は、改質部１２０への供給ガスのＳ／Ｃが規定値３．５となるように制御する。
【００４４】
図示されるように、燃料電池システム１０の定格運転時には、内部負荷３０及び水蒸気生成部４０には電力は供給されていない。また、燃料電池システム１０の出力とは、ＤＣ−ＡＣ変換部６０が出力可能な電力のうち、燃料電池システム１０が備える補機に供給される電力を差し引いた電力である。
【００４５】
燃料電池システム１０を解列すると、制御部１００は、燃料電池システム１０の出力が自立時出力である５０ｋＷとなるように制御する。例えば、制御部１００は、原燃料流路１８０内の原燃料ガスの流量を、自立時出力に対応づけられた規定量になるように、脱硫部７０を制御する。具体的には、制御部１００は、原燃料ガスの流量を、定格運転時の流量から半減させる。
【００４６】
そして、制御部１００は、ＤＣ−ＡＣ変換部６０からの電力を、内部電源ライン２４を通じて内部負荷３０に供給して消費させる。自立運転時に内部負荷３０に供給する電力は２５ｋＷである。また、制御部１００は、制御部１００は、ＤＣ−ＡＣ変換部６０からの出力電力を、内部電源ライン２４を通じて水蒸気生成部４０に供給して、水蒸気を生成させる。水蒸気生成部４０に供給する電力は２５ｋＷである。内部負荷３０及び水蒸気生成部４０で電力を消費することにより、燃料電池モジュール１１０における熱自立を維持する。
【００４７】
図２のＳ／Ｃのグラフにおける線２１０が示すように、水蒸気生成部４０が２５ｋＷの電力を消費することにより水蒸気量は、Ｓ／Ｃ換算で３．０の寄与となる。そこで、制御部１００は、図２のＳ／Ｃのグラフにおける線２００に示されるように、燃料排ガスの再循環量を、Ｓ／Ｃ換算で０．５になるまで減少させて、改質部１２０への供給ガスのＳ／Ｃを既定値３．５に維持する。具体的には、制御部１００は、燃料排ガスの再循環流量を、定格運転時の再循環流量の１／７に減少させる。燃料排ガスの再循環流量を減少させることで、制御部１００の出力低下を抑制することができる。なお、燃料排ガスの再循環流量を減少させることで余剰となった燃料排ガスは、燃料排ガス排出流路１８４を通じて排エネルギー利用部１９０に供給される。
【００４８】
このように、制御部１００は、自立時出力の５０ｋＷの電力を、水蒸気生成部４０に供給して消費させる。これにより、内部負荷３０の容量を過剰に大きくする必要がなくなる。
【００４９】
表１は、本実施形態の燃料電池システム１０の仕様と、比較例１、比較例２及び比較例３における燃料電池システムの仕様とを示す。
【表１】
2018206744.tif 000003
【００５０】
比較例１における燃料電池システムは、内部負荷の容量を５０ｋＷとして、自立時出力を内部負荷で全て消費する制御を行うようにしたものである。
【００５１】
図３は、比較例１の燃料電池システムにおける運転パラメータの時間変化を説明するための図である。図３の運転パラメータは、図２の運転パラメータと同じである。
【００５２】
図３に示されるように、燃料電池システムが解列されると、燃料電池モジュールの出力は５０ｋＷに低下される。５０ｋＷの自立時出力は全て内部負荷で消費される。Ｓ／Ｃを３．５に維持するために、燃料排ガスの再循環流量は定格運転時の５０％に制御される。
【００５３】
比較例１の燃料電池システムによっても、自立運転を維持することができる。しかし、５０ｋＷの容量を持つ内部負荷を燃料電池システムに設ける必要がある。そのため、表１に示されるように、内部負荷の寸法が大きくなり、燃料電池システムが大型化してしまう。また、燃料電池システム全体のコストが増大してしまう。
【００５４】
次に、比較例２について説明する。比較例２における燃料電池システムは、比較例１の燃料電池システムにおいて、内部負荷の容量を２５ｋＷとし、燃料電池の自立時出力を２５ｋＷとしたものである。比較例２の燃料電池システムによれば、燃料電池システムの大型化を抑制することができる。しかし、燃料電池の自立時出力が２５ｋＷであるため、燃料電池モジュールの発電部における発熱量が小さい。そのため、燃料電池モジュール１１０の熱自立を維持することが容易でない。
【００５５】
次に、比較例３について説明する。比較例３における燃料電池システムは、本実施形態の燃料電池システム１０において、燃料排ガスの再循環流量を５０％にする制御を行うものである。比較例３の燃料電池システムによれば、燃料電池システムの大型化を抑制することができる。しかし、燃料排ガスの再循環流量を５０％とすると、改質部への供給ガス内の水蒸気分圧が著しく高まる。すなわち、Ｓ／Ｃが著しく高まる。これにより、発電部の出力が低下するため、燃料電池モジュールの熱自立を維持することが容易でない。
【００５６】
比較例１、比較例２、及び比較例３の燃料電池システムに比べると、燃料電池システム１０によれば、燃料電池モジュールの熱自立が容易であり、かつ、より小型の燃料電池システムを提供することができる。
【００５７】
図４は、制御部１００による燃料電池システム１０の制御方法を示すフローチャートである。本制御方法における各段階の動作の主体は、制御部１００であってよい。制御部１００は、本フローチャートで説明する制御方法を実装するために、ＣＰＵ又はＡＳＩＣ等の処理装置及びメモリ等を有してよい。なお、図４のフローチャートは、燃料電池システム１０における制御方法の一例を示すに過ぎない。図４のフローチャートの各段階を適宜組み換えてよく、図４のフローチャートの一部の段階を省略してもよく、図４のフローチャートに他の段階を追加してもよい。
【００５８】
本フローチャートのＳ４００において、制御部１００は、燃料電池システム１０の起動処理を行う。具体的には、制御部１００は、外部電源８０からの電力を加熱部５０に供給して加熱部５０を駆動して、改質部１２０及び発電部１３０を加熱する。また、制御部１００は、外部電源８０からの電力を水蒸気生成部４０に供給して水蒸気生成部４０を駆動して、水蒸気を原燃料流路１８０に供給するとともに、原燃料ガスの流量を制御して原燃料流路１８０に供給する。
【００５９】
燃料電池システム１０の出力が定格出力に到達すると、Ｓ４０２において、外部電源８０との連系運転を行う。連系運転中には、水蒸気生成部４０及び加熱部５０の動作は停止される。
【００６０】
Ｓ４０４において、燃料電池システム１０を外部電源８０から解列するか否かを判断する。例えば、制御部１００は、外部電源８０の停電が生じた場合に、外部電源８０から解列すると判断する。例えば、制御部１００は、外部電源ライン２０の電圧が予め定められた値を下回った場合に、停電が生じたと判断してよい。また、制御部１００は、外部電源ライン２０の周波数と基準周波数との差が予め定められた値を超えた場合に、外部電源８０から解列すると判断してよい。また、制御部１００は、外部から解列指示を受信した場合に、外部電源８０から解列すると判断してよい。
【００６１】
外部電源８０から解列する場合、Ｓ４０６において、燃料電池システム１０を外部電源８０から解列する。具体的には、制御部１００は、継電器２２をオフ状態にすることにより、燃料電池システム１０を外部電源８０から解列する。
【００６２】
Ｓ４０８において、制御部１００は、燃料電池システム１０の出力を、定格出力１００ｋＷから自立時出力５０ｋＷまで低下させる。具体的には、制御部１００は、脱硫部７０から原燃料流路１８０に供給される原燃料の流量を、定格運転時の５０％にすることにより、燃料電池システム１０の出力を定格出力から自立時出力に低下させる。
【００６３】
また、制御部１００は、Ｓ４１０において、ＤＣ−ＡＣ変換部６０からの電力を内部電源ライン２４を通じて水蒸気生成部４０に供給して水蒸気生成部４０を起動して、水蒸気生成部４０に水蒸気を生成させる。
【００６４】
また、制御部１００は、Ｓ４１２において、ＤＣ−ＡＣ変換部６０からの電力を内部電源ライン２４を通じて内部負荷３０に供給して、内部負荷３０で消費させる。
【００６５】
続いて、Ｓ４１４において、制御部１００は、改質部１２０への供給ガスのＳ／Ｃが３．５の近傍に維持されるように、ブロア１６０を制御して燃料排ガスの再循環流量を制御する。
【００６６】
Ｓ４１６において、外部電源８０との連系を再開するか否かを判断する。例えば、Ｓ４０４で外部電源８０の停電に応じて解列した場合、制御部１００は、外部電源８０の復電を検出したときに、外部電源８０との連系を再開すると判断してよい。また、制御部１００は、外部電源ライン２０の周波数と基準周波数との差が予め定められた値以下になった場合に、外部電源８０から解列すると判断してよい。その他、外部からの連系指示を受信した場合に、外部電源８０との連系を再開すると判断してよい。
【００６７】
外部電源８０との連系を再開する場合、Ｓ４１８において、連系の再開処理を行う。具体的には、制御部１００は、継電器２２をオン状態にすることにより、ＤＣ−ＡＣ変換部６０の出力側を外部電源ライン２０に接続する。また、制御部１００は、原燃料流路１８０に供給される原燃料の流量を、定格運転時の規定量まで上げていく。次に、外部電源８０との連系運転を行うＳ４０２に進んだ後、燃料電池システム１０の出力を定格出力まで上げる。上述したように、燃料電池システム１０によれば、解列状態において出力５０ｋＷの自立運転を維持することができるので、連系運転を開始するまでに要する時間を短縮することができる。
【００６８】
なお、本フローチャートのＳ４１６において、外部電源８０との連系を再開しないと判断した場合、Ｓ４２０において燃料電池システム１０の運転を停止するか否かを判断する。例えば、制御部１００は、燃料電池システム１０の運転停止指示を受信した場合に、燃料電池システム１０の運転を停止すると判断する。燃料電池システム１０の運転を停止しない場合、Ｓ４１４に処理を進める。燃料電池システム１０の運転を停止する場合、Ｓ４２２で燃料電池システム１０の停止処理をして、本フローチャートの処理を終了する。
【００６９】
また、本フローチャートのＳ４０４において、外部電源８０から解列すると判断した場合、Ｓ４２０と同様に、Ｓ４３０において燃料電池システム１０の運転を停止するか否かを判断する。燃料電池システム１０の運転を停止しない場合、Ｓ４０２に処理を進める。燃料電池システム１０の運転を停止する場合、Ｓ４２２に処理を進める。
【００７０】
図５は、他の実施形態における燃料電池システム５００の機能ブロックを含む、外部電源８０、外部負荷９０及び外部電源ライン２０とともに概略的に示す。燃料電池システム５００は、その構造上、上述した燃料電池システム１０が備える構成要素に加えて、制御弁５１０、制御弁５２０及び水蒸気排出流路５８０を備える点で、燃料電池システム１０が備える構成と相違する。
【００７１】
水蒸気排出流路５８０は、水蒸気供給流路１８１から分岐して設けられる。水蒸気排出流路５８０は、燃料排ガス排出流路１８４に接続される。制御弁５１０は、水蒸気排出流路５８０に設けられる。制御弁５２０は、水蒸気供給流路１８１において水蒸気排出流路５８０との分岐点より下流側に設けられる。
【００７２】
燃料電池システム５００の制御内容については、主として燃料電池システム１０との相違点を説明する。制御部１００は、燃料電池システム１０を自立時出力で運転させる場合に、制御弁５２０を閉状態にし、制御弁５１０を開状態にする。これにより、水蒸気生成部４０で生成された水蒸気を、水蒸気排出流路５８０を通じて燃料排ガス排出流路１８４に排出する。燃料電池システム５００によれば、燃料排ガスの再循環流量を大きく減少させることなく、自立時出力を維持することができる。
【００７３】
なお、以上の説明において、燃料電池システム１０における自立時出力の一部を内部負荷３０が消費する形態を説明した。他の実施形態として、制御部１００は、自立時出力の一部を加熱部５０で消費させてもよい。すなわち、内部負荷とは、本実施形態で説明した内部負荷３０以外に、加熱部５０を含む概念である。内部負荷とは、定格運転時に燃料電池システム１０において実質的に駆動されない様々な負荷を含み得る。
【００７４】
なお、制御部１００は、コンピュータにより実現されてよい。コンピュータがプログラムを実行することにより、プログラムは、コンピュータが有するプロセッサおよびメモリ等の各部を制御することにより、制御部１００の機能を実現してよい。当該プログラムは、コンピュータが読出し可能な記録媒体に格納されてよい。
【００７５】
なお、本実施形態で説明した制御部１００の制御と同様の制御は、燃料電池システム１０が外部電源８０から切り離された場合以外にも適用できる。例えば、燃料電池システム１０が起動後に自立運転を維持している場合において、燃料電池システム１０の自立運転時の発電部１３０の発電電力が、自立運転時の負荷電力を超える場合にも適用できる。ここで、自立運転時の負荷電力は、燃料電池システム１０の補機が消費する電力であってよい。また、内部電源ラインに２４に非常用負荷が接続される場合、自立運転時の負荷電力には、非常用負荷が消費する電力を含み得る。更に、本実施形態で説明する制御部１００の制御と同様の制御は、燃料電池システム１０が外部電源８０と接続されているか否かにかかわらず、発電部１３０が発電可能な電力が、発電部１３０の発電電力を消費する負荷電力を超える場合に、適用できる。
【００７６】
すなわち、制御部１００は、発電部１３０の発電電力が負荷電力を超える場合に、負荷電力を超える余剰電力の少なくとも一部を水蒸気生成部４０に供給し、余剰電力の少なくとも一部を水蒸気生成部４０が消費することにより水蒸気生成部４０で生成された水蒸気量に応じて、改質部１２０に供給される燃料排ガスの量を減少させてよい。これにより、水蒸気量の増加に伴う発電電力の低下を抑制して、燃料電池システム１０の熱自立を維持するために必要な出力を維持することができる。
【００７７】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００７８】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００７９】
１０  燃料電池システム
２０  外部電源ライン
２２  継電器
２４  内部電源ライン
３０  内部負荷
４０  水蒸気生成部
５０  加熱部
６０  ＤＣ−ＡＣ変換部
７０  脱硫部
８０  外部電源
９０  負荷
１００  制御部
１１０  燃料電池モジュール
１２０  改質部
１３０  発電部
１５０  流量センサ
１６０  ブロア
１８０  原燃料流路
１８１  水蒸気供給流路
１８２  燃料排ガス流路
１８３  燃料排ガス再循環流路
１８４  燃料排ガス排出流路
１８６  酸化剤ガス流路
１８８  酸化剤排ガス流路
１９０  排エネルギー利用部
２００、２１０  線
５００  燃料電池システム
５１０  制御弁
５２０  制御弁
５８０  水蒸気排出流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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