(57)【要約】【課題】発電装置の起動時における熱ロスの低減、ひいては消費電力の低減を図った燃料電池発電装置の起動時昇温制御方法を提供する。【解決手段】燃料電池と、燃料改質器と、ＣＯ変成器と、ＣＯ除去器とを備え、かつ燃料電池，ＣＯ変成器およびＣＯ除去器は、それぞれ、起動時に所定の各設定温度まで昇温するための起動時昇温用電気ヒータを備え、各電気ヒータにより、前記各機器の起動時の昇温制御を行う燃料電池発電装置の起動時昇温制御方法において、前記各設定温度と起動過程における温度測定値との温度偏差と、所定のヒータ投入電力によって予め実験的に求めた各設定温度に到達するまでの各到達時間の機器間の時間偏差とに基づいて、燃料電池，ＣＯ変成器およびＣＯ除去器の起動時における各設定温度までの到達時間が実質的に同一となるようにＰＩＤ演算を行って、各電気ヒータの制御出力を求め、各電気ヒータの出力制御を行う。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系原燃料を改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気との電気化学反応に基づいて電気を発生する燃料電池と、燃料改質器と、ＣＯ変成器と、ＣＯ除去器とを備え、かつ前記燃料電池，ＣＯ変成器およびＣＯ除去器は、それぞれ、起動時に所定の各設定温度まで昇温するための起動時昇温用電気ヒータを備え、前記各電気ヒータにより、前記各機器の起動時の昇温制御を行う燃料電池発電装置の起動時昇温制御方法において、
前記各設定温度と起動過程における温度測定値との温度偏差と、所定のヒータ投入電力によって予め実験的に求めた前記各設定温度に到達するまでの各到達時間の機器間の時間偏差とに基づいて、前記燃料電池，ＣＯ変成器およびＣＯ除去器の起動時における各設定温度までの到達時間が実質的に同一となるようにＰＩＤ演算を行って、前記各電気ヒータの制御出力を求め、各電気ヒータの出力制御を行うことを特徴とする燃料電池発電装置の起動時昇温制御方法。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池発電装置の起動時昇温制御方法において、前記各電気ヒータへの投入電力は、それぞれピーク値が等しいステップ状の電力とし、前記各電気ヒータのＰＩＤ制御出力値は、各電気ヒータのオン時間とすることを特徴とする燃料電池発電装置の起動時昇温制御方法。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池発電装置の起動時昇温制御方法において、前記各電気ヒータの内、一つの電気ヒータがオンの際は、他の電気ヒータはオフとなるように制御することを特徴とする燃料電池発電装置の起動時昇温制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、原燃料を水蒸気改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとを燃料電池に供給して発電を行なう燃料電池発電装置の起動時昇温制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池発電装置に組み込まれる燃料電池としては、電解質の種類、改質原料の種類等によって異なる種々のタイプがあるが、例えば、固体高分子膜を電解質として用い、その運転温度が約８０℃と比較的低いタイプの燃料電池として、固体高分子電解質型燃料電池がよく知られている。
【０００３】
この固体高分子電解質型燃料電池は、リン酸型燃料電池と同様に、例えばメタンガス等の炭化水素系原燃料を水蒸気改質して得られた燃料ガス中の水素と空気中の酸素とを、燃料電池の燃料極および空気極にそれぞれ供給し、電気化学反応に基づいて発電を行うものである。
【０００４】
また、原燃料を燃料ガスへ改質するに際しては、原燃料に水蒸気を加え燃料改質器で触媒により改質を促進する方法が採られているが、改質を定常的に行なうには所要の水蒸気量を定常的に補給する必要があり、水蒸気の供給装置には、これに対応した水を常時補給する必要がある。なお、使用する水は高純度の水であることが必要であり、イオン交換式の水処理装置で不純物を除去したイオン交換水が用いられるのが通例である。
【０００５】
一方、燃料電池の電気化学反応では発電生成水が生じ、また燃料改質器では吸熱反応である水蒸気改質反応を定常的に行なうための触媒加熱用の燃焼に伴い燃焼生成水が生じるが、これらの生成水は通常の水道水に比べて不純物が少なく、これらの生成水を原水として用いれば、水処理装置の負荷を軽減することができるため、回収水タンクおよび排ガス冷却器を付加して、これらの生成水を回収して改質水蒸気発生用の供給水とする方法が、通常採用されている。
【０００６】
図５は、都市ガスを原燃料とする従来の固体高分子電解質型燃料電池発電装置の一例であって、主に燃料改質系に着目した基本的な系統図である（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
図５において、模式的に示した燃料電池１は、燃料極１ａと空気極１ｂとを有する単位セルを複数個重ねる毎に冷却管または冷却溝を有する図示しない冷却板を配設，積層することにより構成されている。
【０００８】
原燃料はまず改質用水蒸気とともに改質器１１に供給され、以下の反応により、水素と一酸化炭素に改質される。
【０００９】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ  （吸熱反応）
その後、この改質ガスは、ＣＯ変成器１２に供給され、以下の反応により、改質ガス中の―酸化炭素は１％程度まで低減される。
【００１０】
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２  （発熱反応）
その後、さらにＣＯ除去器１３に供給され、以下の反応により、改質ガス中の一酸化炭素は１００ｐｐｍ程度まで低減された後、燃料電池の燃料極１ａに供給される。
【００１１】
ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２  （発熱反応）
上記の如く、改質器１１において改質反応を行う場合、水蒸気を供給する必要があり、固体高分子型燃料電池発電装置では、その熱源として改質器１１の燃焼排ガスの顕熱，ＣＯ変成器１２及びＣＯ除去器１３の反応熱を利用するのが一般的である。そのため、ポンプにて供給される改質用水を、ＣＯ変成器１２，ＣＯ除去器１３，水蒸気発生器１４の各反応器を直列に順次流すための改質用水蒸気供給ライン１５を設け、前記各反応器から熱を受けて水蒸気とし、この水蒸気と原燃料とを混合して、改質用水蒸気供給ライン１５から改質器１１へ導入する構成としている。
【００１２】
又、上記の各反応器は触媒による化学反応を行うため、燃料電池発電装置の起動時には、適正な温度に予め昇温する必要がある。
各反応器の適正な温度は以下のとおりである。改質器：５００〜７００℃、ＣＯ変成器：２００〜３００℃、ＣＯ除去器：１００〜２５０゜Ｃである。
【００１３】
このため、改質器１１は、原燃料を改質器内に設置されているバーナで燃焼させることで昇温しており、その燃焼排ガスにより水蒸気発生器１４も昇温されている。一方、ＣＯ変成器１２とＣＯ除去器１３とは、それぞれが個々に備える電気ヒータ１２ａおよび１３ａにより昇温している。
【００１４】
次に、図６の従来システム例について述べる。図６に示すシステムは、図５に示したシステムにおいて、電池冷却水の温度調節に着目したシステム例を示し、説明の便宜上、一部の部材を追加または省略して示す。なお、図６において、図２に示した部材と同一機能部材には、同一番号を付してその詳細説明を省略する。
【００１５】
図６において２０で示した一点鎖線の範囲内は、固体高分子型燃料電池発電装置のパッケージの内部を示す。パッケージ２０の内部には、図示以外にも多数の機器が存在するが、ここでは省略している。
【００１６】
１は燃料電池を示し、発生した熱は電池冷却水冷却器５１により外部の貯湯槽７０に供給される。このとき、三方調節弁６７により、電池冷却水温度検出器６６による検出温度を燃料電池１が安定して運転できる温度になるように、電池冷却水冷却器５１を通過する電池冷却水流量を適宜調節している。電池冷却水冷却器５１により外部に供給された熱は、貯湯槽循環水ポンプ６９により送出される貯湯槽循環水により、貯湯槽７０に蓄熱される。
【００１７】
貯湯槽７０の温度レベルが一定値以上に達したことを貯湯槽循環水温度検出器６８が検知すると、貯湯槽循環水冷却器７１が作動し、燃料電池発電装置の電池冷却水温度制御が正常に行えるよう制御される。なお、貯湯槽循環水は、貯湯槽７０の下部より導出され、電池冷却水冷却器５１により加熱された後、貯湯槽上部に供給される配管構成となっている。これは、貯湯槽７０内部の自然対流による温水の温度分布、すなわち貯湯槽７０内の上層部の温度レベルが高いことを考慮し、貯湯槽の温水を使用するユーザ給湯口７６に可能な限り高いレベルの温度を供給するためである。
【００１８】
一方、燃料電池発電装置が発電に至るまでの起動工程時においては、発電開始に備え、燃料電池１の温度を所定の温度まで昇温するために、電池冷却水系タンク５５に設けられた電池冷却水昇温ヒータ６４により、電池冷却水が加熱される。このとき、昇温された電池冷却水の熱を逃さないように、電池冷却水の流路は、三方調節弁６７によって、電池冷却水冷却器５１をバイパスするよう設定される。
【００１９】
なお、図６において、６０は電池冷却水循環回路、５４は電池冷却水循環用ポンプ、６０ａは電池冷却水バイパスライン、８０は貯湯槽内温水循環回路、７７は貯湯槽７０の液面レベルを所定の範囲内に維持するために、ユーザ給湯口７６での温水使用量に応じて供給される市水の開閉弁を示す。
【００２０】
【特許文献１】
特開２００２−１２４２８８（第２−３頁、図２）
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述のように、従来の燃料電池発電装置においては、燃料電池，ＣＯ変成器およびＣＯ除去器は、それぞれ、起動時に所定の各設定温度まで昇温するための起動時昇温用電気ヒータを備え、前記各電気ヒータにより、前記各機器の起動時の昇温制御を行っているが、その起動時昇温制御方法においては、下記のような問題があった。
【００２２】
図４は、従来の各機器の温度上昇経過と各電気ヒータのオンオフタイミングの模式的説明図である。図４（ａ）は各機器の温度上昇経過の一例を示し、前記図５における燃料電池１，ＣＯ変成器１２およびＣＯ除去器１３の所定位置における温度上昇経過を示し、起動時の電気ヒータの電力投入により、前記各機器が、それぞれ代表的な設定温度８０℃，２５０℃および１８０℃まで上昇する過程の一例を示す。
【００２３】
また、図４（ｂ）は各電気ヒータのオンオフタイミングチャートの一例を示し、前記燃料電池，ＣＯ変成器およびＣＯ除去器を、それぞれ、起動時に所定の各設定温度まで昇温するための起動時昇温用電気ヒータ（ヒータＨ０１，ヒータＨ０２，ヒータＨ０３）のステップ状電力投入の各チャートと、前記３種類のヒータ合計のチャートとを示す。前記ヒータＨ０１およびヒータＨ０２，Ｈ０３は、それぞれ、図６および図５における部番６４および１２ａ，１３ａを示す。
【００２４】
従来装置においては、ヒータＨ０１，ヒータＨ０２，ヒータＨ０３の出力は、各機器の熱容量に応じて、例えば５００Ｗ，３００Ｗ，２００Ｗとし、それぞれ独立的に昇温制御されており、各設定温度まで到達する時間もまちまちであって、図４の例によれば、熱容量の一番大きい燃料電池の到達時間が一番長く、ＣＯ除去器のそれが一番短いのが現状である。
【００２５】
上記のように、各設定温度までの到達時間が異なる場合、例えば先に設定温度まで到達したＣＯ除去器は、燃料電池がその設定温度に到達するまでの間、設定温度でのスタンバイ状態が続くこととなるので、その間、自然放熱に伴う無駄な熱ロスが発生することとなる。また、前記のように、各電気ヒータのヒータ容量が異なる点も、熱効率を低下させる要因となる。
【００２６】
この発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、この発明の課題は、発電装置の起動時における熱ロスの低減、ひいては消費電力の低減を図った燃料電池発電装置の起動時昇温制御方法を提供することにある。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、この発明は、炭化水素系原燃料を改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気との電気化学反応に基づいて電気を発生する燃料電池と、燃料改質器と、ＣＯ変成器と、ＣＯ除去器とを備え、かつ前記燃料電池，ＣＯ変成器およびＣＯ除去器は、それぞれ、起動時に所定の各設定温度まで昇温するための起動時昇温用電気ヒータを備え、前記各電気ヒータにより、前記各機器の起動時の昇温制御を行う燃料電池発電装置の起動時昇温制御方法において、前記各設定温度と起動過程における温度測定値との温度偏差と、所定のヒータ投入電力によって予め実験的に求めた前記各設定温度に到達するまでの各到達時間の機器間の時間偏差とに基づいて、前記燃料電池，ＣＯ変成器およびＣＯ除去器の起動時における各設定温度までの到達時間が実質的に同一となるようにＰＩＤ演算を行って、前記各電気ヒータの制御出力を求め、各電気ヒータの出力制御を行うこととする（請求項１の発明）。
【００２８】
上記方法によれば、燃料電池発電装置の起動昇温時に、ヒータの制御出力に重み付けを行なって、各設定温度までの到達時間を実質的に同一に制御できるので、熱ロス低減、ひいては消費電力の低減を図ることが可能となる。
【００２９】
また、前記請求項１の発明の実施態様としては、下記請求項２ないし３の発明が好ましい。即ち、前記請求項１記載の燃料電池発電装置の起動時昇温制御方法において、前記各電気ヒータへの投入電力は、それぞれピーク値が等しいステップ状の電力とし、前記各電気ヒータのＰＩＤ制御出力値は、各電気ヒータのオン時間とする（請求項２の発明）。
【００３０】
さらに、前記請求項２記載の燃料電池発電装置の起動時昇温制御方法において、前記各電気ヒータの内、一つの電気ヒータがオンの際は、他の電気ヒータはオフとなるように制御する（請求項３の発明）。
【００３１】
上記のように、各電気ヒータの投入電力のピーク値を同一とし、各電気ヒータのオン時間の調節により、シンプルかつリーズナブルな制御が可能となる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、本発明の実施例について以下にのべる。
【００３３】
図１は、この発明のＰＩＤ制御の説明図である。図１において、ＰＩＤ１，ＰＩＤ２およびＰＩＤ３は、それぞれ、燃料電池，ＣＯ変成器およびＣＯ除去器昇温用電気ヒータ制御用のＰＩＤ演算器を示す。この演算器には、前記各機器の温度の目標値（ＳＶ）と測定値（ＰＶ）とが入力され、前述のようなＰＩＤ制御出力値（ＭＶ）を出力する。
【００３４】
図１において、ＰＩＤ制御出力値の矢印の先端に示すＡ，Ｂ，Ｃは、後述する図２と関係する各電気ヒータの瞬時の制御出力値を示す。また、燃料電池，ＣＯ変成器およびＣＯ除去器の目標値（ＳＶ）および測定値（ＰＶ）は、それぞれ、Ｔ−Ｈ０１（ＳＶ），Ｔ−Ｈ０２（ＳＶ），Ｔ−Ｈ０３（ＳＶ）およびＴ−Ｈ０１（ＰＶ），Ｔ−Ｈ０２（ＰＶ），Ｔ−Ｈ０３（ＰＶ）で示す。
【００３５】
上記構成において、ＰＩＤ演算器の調節要素は、前記燃料電池，ＣＯ変成器およびＣＯ除去器の各設定温度目標値（ＳＶ）と起動過程における温度測定値（ＰＶ）との温度偏差と、所定のヒータ投入電力によって予め実験的に求めた前記各設定温度に到達するまでの各到達時間の機器間の時間偏差とに基づいて、前記燃料電池，ＣＯ変成器およびＣＯ除去器の起動時における各設定温度までの到達時間が実質的に同一となるように設定され、これに基づいてＰＩＤ演算を行って、各電気ヒータの制御出力を各電気ヒータのオン時間として求め、各電気ヒータの出力制御を行う。
【００３６】
図２は、本発明の各電気ヒータのオンオフタイミングの模式的説明図である。図２に示すように、各電気ヒータへの投入電力は、それぞれピーク値が等しいステップ状の電力とし、各電気ヒータのＰＩＤ制御出力値は、各電気ヒータのオン時間としている。また、一つの電気ヒータがオンの際は、他の電気ヒータはオフとなるように制御する。
【００３７】
図２において、最下段のステップ図は、ヒータ３個の合計を示し、時間Ｔ１はオン時間、時間Ｔ２はオフ時間を示す。その上段のステップ図は、順次、ヒータＨ０１，ヒータＨ０２，ヒータＨ０３の出力値（オン時間）を示し、各ヒータのオン時間は、それぞれ、図１の制御出力値Ａ，Ｂ，Ｃに基づき、Ｔ１×Ａ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ），Ｔ１×Ｂ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ），Ｔ１×Ｃ／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）となる。
【００３８】
次に、図３について述べる。図３は、本発明の燃料電池発電装置の起動時昇温制御方法を実施した場合の各機器の温度上昇経過と各電気ヒータのオンオフタイミングの一例を示す模式図である。従来の図３の場合と異なり、燃料電池１，ＣＯ変成器１２およびＣＯ除去器１３の起動時の各設定温度までの到達時間が略同一となるように、各電気ヒータはＰＩＤ制御され、各電気ヒータのオン時間は異なるものの、３種類のヒータは、前記到達時間に至るまで万遍なくオンオフを繰り返すように制御されている。このような制御により、起動時における熱ロスの低減、ひいては消費電力の低減を図ることができる。
【００３９】
【発明の効果】
上記のとおり、この発明によれば、炭化水素系原燃料を改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気との電気化学反応に基づいて電気を発生する燃料電池と、燃料改質器と、ＣＯ変成器と、ＣＯ除去器とを備え、かつ前記燃料電池，ＣＯ変成器およびＣＯ除去器は、それぞれ、起動時に所定の各設定温度まで昇温するための起動時昇温用電気ヒータを備え、前記各電気ヒータにより、前記各機器の起動時の昇温制御を行う燃料電池発電装置の起動時昇温制御方法において、前記各設定温度と起動過程における温度測定値との温度偏差と、所定のヒータ投入電力によって予め実験的に求めた前記各設定温度に到達するまでの各到達時間の機器間の時間偏差とに基づいて、前記燃料電池，ＣＯ変成器およびＣＯ除去器の起動時における各設定温度までの到達時間が実質的に同一となるようにＰＩＤ演算を行って、前記各電気ヒータの制御出力を求め、各電気ヒータの出力制御を行うことにより、
発電装置の起動時における熱ロスの低減、ひいては消費電力の低減を図った燃料電池発電装置の起動時昇温制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のＰＩＤ制御の説明図
【図２】この発明の各電気ヒータのオンオフタイミングの模式的説明図
【図３】この発明の燃料電池発電装置の起動時昇温制御方法を実施した場合の各機器の温度上昇経過と各電気ヒータのオンオフタイミングの一例の模式図
【図４】従来の燃料電池発電装置における各機器の温度上昇経過と各電気ヒータのオンオフタイミングの模式的説明図
【図５】従来の燃料電池発電装置の一例を示す系統図
【図６】従来の図５とは異なる燃料電池発電装置の一例を示す系統図
【符号の説明】
１：燃料電池、１１：改質器、１２：ＣＯ変成器、１２ａ：ヒータＨ０２、１３：ＣＯ除去器、１３ａ：ヒータＨ０３、６４：ヒータＨ０１。
【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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【図６】
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