(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、該燃料電池の電流値を計測する電流計測器と、該電流計測器により計測された燃料電池電流値を入力し、該燃料電池電流値に基づいて前記燃料電池の燃料供給量を調整制御する制御装置とを有する燃料電池システムであって、
前記制御装置は、系統電源から独立して自立運転を行う場合、仮想電流値に応じて前記燃料供給量を決定し、一定期間経過する毎に、該一定期間内の燃料電池電流値データに基づいて、該一定期間内の燃料電池電流値の最大値又は極大値を新たな前記仮想電流値として設定する燃料供給量調整制御手段を有し、
前記燃料電池システムは前記燃料電池に供給する燃料のオフガスを改質器の昇温に用いるものであり、
前記燃料供給量調整制御手段は、前記改質器の温度が一定レベル以上に上昇したとき、前記仮想電流値の設定を変更することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料供給量調整制御手段は、前記燃料電池電流値が前記仮想電流値を越えた場合には、該燃料電池電流値が前記仮想電流値を越えないように該仮想電流値を再設定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、系統電源から独立した燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の自立運転における従来の原燃料制御の実施形態例を図４に示す。
【０００３】
従来の自立運転の原燃料流量の制御方法は、燃料電池電流値Ifcから換算したQin_Refを原燃料流量の需要量（指令値）として設定する方法であった。しかし電流を検出してから燃料が供給されるまでに一定時間が必要なため（図示のQinが実際の燃料の供給量）、顧客負荷５が急変動した時に燃料不足または燃料の過剰な供給を行う可能性があった。図４に示すように、特に、指令値Qin_Refが変化してから実際に原燃料流量が変わるまでに時間が掛かる。
【０００４】
上記の問題を回避するための方法として、例えば特許文献１に記載の手法が知られている。図５に、特許文献1の実施形態例である補機負荷を用いた電流の制御図を示す。
【０００５】
この制御では顧客負荷Pｌと燃料電池システム内部補機負荷Pauxの合計を一定とするように内部補機負荷Pauxを制御している。例えば顧客負荷Pｌが増加したら、内部補機負荷Pauxを減少させて、燃料電池本体１の出力を一定に保ち、原燃料供給の遅れによる燃料不足を防ぐ。
【０００６】
しかし、内部補機負荷Pauxがヒータのように微調整が難しくステップ的に変化する機器である場合、顧客負荷Pｌと補機負荷Paux合計は完全に一定にはならないので、電流IfcとQin_Refも完全に一定にはならない。この方法によって上記の問題はある程度改善されるが完全には解決しない。
【０００７】
また、特許文献２に記載の発明は、燃料ガスを増大供給しながら燃料電池の反応量を増大させて出力電力を増大させるとともに、その出力電力の増大分を擬似負荷手段で消費させるようにして、燃料電池の出力電力が外部負荷の消費電力に対して設定値を加えた出力電力になるようにし、かつ、外部負荷の消費電力の増大傾向に伴い、その増大分に見合う分だけ、擬似負荷手段で消費させる電力を減少させるものである。
【特許文献１】特開平１０−２２８９１９号公報
【特許文献２】特開平５−３６４２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、系統電源から独立して自立運転を行う時の出力の制御方法として、従来の制御方法は、燃料電池電流に基づいて原燃料流量の制御を行っていた。しかし、この方法では、顧客負荷が急変動した場合、燃料電池電流もそれに伴い急変動するため、原燃料流量の制御の遅れにより燃料不足または燃料供給が過剰となることがあった。またその回避策として、顧客負荷が急変した場合は内部補機負荷を変化させることで燃料電池出力を一定にする制御を行っていた。しかし、内部補機負荷は出力の微調整が難しく、ステップ的に変化するため、燃料電池出力は完全に一定にならず、上記の問題の完全な解決はできなかった。
【０００９】
上述した燃料供給量を電流に同期制御させる方法では、顧客負荷が急変動した場合、燃料不足または燃料を過剰に供給することになる。それを回避するために特許文献1の制御を用いて補機負荷により燃料電池出力を一定にする方法を行った場合にも、補機負荷は微調整が難しいため、問題は完全には解決しない。
【００１０】
ところで、ここで、燃料不足の問題は、燃料の過剰供給の問題よりも大事である。なぜなら、燃料不足の問題が大きくなると、燃料電池が緊急停止してしまう可能性があるからである。
【００１１】
その為、燃料不足による緊急停止を防ぐために燃料を一定量多く供給する方法が考えられるが、自立運転期間が長くなると過剰な燃料が増大するという欠点がある。
【００１２】
また、改質器の温度異常（温度高）によっても燃料電池システムが緊急停止する可能性がある。
【００１３】
本発明の課題は、燃料電池システムの緊急停止を防止することを前提にして、特に燃料不足による緊急停止を防ぐために燃料を一定量多く供給しつつ、燃料の過剰な供給を低減ができ、あるいは改質器の温度異常（温度高）による燃料電池システムの緊急停止を防止できる燃料電池システム、その制御装置、プログラム等を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、該燃料電池の電流値を計測する電流計測器と、該電流計測器により計測された燃料電池電流値を入力し、該燃料電池電流値に基づいて前記燃料電池の燃料供給量を調整制御する制御装置とを有する燃料電池システムであって、前記制御装置は、系統電源から独立して自立運転を行う場合、仮想電流値に応じて前記燃料供給量を決定し、一定期間経過する毎に、該一定期間内の燃料電池電流値データに基づいて、該一定期間内の燃料電池電流値の最大値又は極大値を新たな前記仮想電流値として設定する燃料供給量調整制御手段を有し、前記燃料電池システムは前記燃料電池に供給する燃料のオフガスを改質器の昇温に用いるものであり、前記燃料供給量調整制御手段は、前記改質器の温度が一定レベル以上に上昇したとき、前記仮想電流値の設定を変更する。
【００１５】
上記燃料電池システムは、基本的には燃料電池電流値に基づく燃料供給制御を行うが、燃料電池電流値そのものではなく、燃料電池電流値に基づいて決定される電流値（「仮想電流値」と呼ぶ）に基づいて制御するものとし、一定時間内の燃料電池電流値の最大値を仮想電流値として燃料供給の制御を行い、一定時間毎に仮想電流値を再設定することで、燃料不足による緊急停止を防ぐために燃料を一定量多く供給しつつ、燃料の過剰な供給を低減ができる。
【００１６】
また、上記燃料電池システムにおいて、更に例えば、前記燃料供給量調整制御手段は、前記燃料電池電流値が前記仮想電流値を越えた場合には、該燃料電池電流値が前記仮想電流値を越えないように該仮想電流値を再設定する。
【００１８】
上記一定時間経過する毎の仮想電流値の再設定以外に、燃料不足や改質器の温度高による燃料電池システムの緊急停止を防ぐ為に、必要に応じて仮想電流値を再設定する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の燃料電池システム、その制御装置、プログラム等によれば、燃料不足による燃料電池システムの緊急停止を防ぎつつ、燃料の過剰な供給を低減ができる。また、燃料不足状態になった場合にも直ちに対応できる。また、改質器の温度高による燃料電池システムの緊急停止を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００２１】
図１は、本手法に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【００２２】
すなわち、図１には、系統連系用遮断器６を用いることによって系統電源７から独立することができる燃料電池システム８の概略構成を示す。そして、本手法は、基本的に、系統電源７から独立して自立運転を行う時の出力の制御方法に係るものである。
【００２３】
図示の燃料電池システム８は、燃料電池本体１、インバータ２、補機負荷３、燃料電池内部負荷４、燃料電池電流計測器１３、及び制御装置１１より成る。尚、燃料電池システム８から電力供給する顧客負荷５側に備えられる、顧客負荷５の負荷量を測定する為の顧客負荷量計測器９も、燃料電池システム８に含まれると考えても良い。
【００２４】
但し、顧客負荷量計測器９と補機負荷３は、上記特許文献１と同様に、顧客負荷の負荷量Ｐ１の変化に応じて補機負荷３の負荷を変化させることで（その為の制御装置１１からの負荷制御指示信号が図示のＰauxである）、全体の負荷を略一定に保つようにする為の構成である。つまり、図示の構成は、特許文献１の手法に加えて本手法を用いる場合の構成例である。
【００２５】
但し、この例に限らず、本手法は必ずしも特許文献１の手法を前提とするものではない。よって、図１の構成において顧客負荷量計測器９が無い（制御装置１１において信号Ｐauxを求めて出力する処理も行われない）構成であってもよい。
【００２６】
尚、上述したことから、Ｐ１、Ｐauxによる補機負荷３の負荷制御については、特許文献１に記載の従来技術と略同様であってよいので、特に説明しないものとする。
【００２７】
本手法では、制御装置１１が、燃料電池電流計測器１３によって計測された燃料電池電流値Ifcを入力して、これに基づいて原燃料制御指令値Qin_Refを決定して燃料電池本体１へ出力するものであり、指令値Qin_Refの決定方法に特徴があるものであり、これについて以下説明する。
【００２８】
燃料電池本体１から出力された直流電力はインバータ２によって交流に変換され、補機負荷３と燃料電池内部負荷４と顧客負荷５に供給される。また、燃料電池本体１への燃料供給量（原燃料制御指令Qin_Ref値）は、基本的には従来と同様に燃料電池電流値Ifcに基づいて決定されるが、本手法では燃料電池電流値Ifcそのままから決定するのではなく、燃料電池電流値Ifcから後述する仮想電流値を求めて、この仮想電流値に基づいてQin_Ref値を決定する。電流値からQin_Ref値を算出（換算）する方法自体は、従来と同様であってよく、特に説明しない。
【００２９】
制御装置１１は、燃料電池本体１に対して原燃料制御指令Qin_Refを出力する。すなわち、制御装置１１は、燃料電池電流計測器１３が計測した燃料電池電流計測値Ifcを常時入力しており、後述する図２の処理を実行することで例えば定期的に、電流値Ifcに基づいて仮想電流値を求めて、この仮想電流値に基づいて原燃料制御指令Qin_Refの指令値を決定・出力する。燃料電池本体１は、この指令Qin_Refに応じて燃料の供給量（原燃料流量）を調整する。
【００３０】
制御装置１１は、特に図示しないが、ＣＰＵ／ＭＰＵ、メモリ等の記憶部、入出力インタフェース等を有し、上記記憶部に予め記憶されている所定のアプリケーションプログラムを、上記ＣＰＵ／ＭＰＵが実行することにより、図２の処理を実現する。また、図２の処理における仮想電流値や電流値Ifcのデータは、上記記憶部に記憶される。
【００３１】
尚、補機負荷３は、負荷の調整の目的以外にも、燃料電池に必要な負荷であり、負荷の調整を行わない構成の場合には、例えばヒータ等である。
【００３２】
図２は、制御装置１１の処理フローチャート図である。
【００３３】
ここで、図２の処理を説明する前に、本手法の基本について説明する。従来では原燃料制御指令Qin_Refの値（指令値）は、電流値Ifcに応じて決定していたが、本手法では仮想電流値に応じて決定される。仮想電流値は、図２の処理によって定期的に又は特定のイベント発生時に、電流値Ifcに基づいて再設定される。よって、従来では電流値Ifcが変化すると、これに応じて指令値が変わっていたが、本手法では電流値Ifcが変化しても仮想電流値が変わらない限り、指令値Qin_Refは変化しない。
【００３４】
図２の処理では、基本的には、予め設定される一定期間Ｔ１経過する毎に（ステップＳ１，ＹＥＳ）仮想電流値を再設定するが（ステップＳ４）、一定期間Ｔ１経過しなくても（ステップＳ１，ＮＯ）、電流値Ifcが設定値（現在設定されている仮想電流値）を超えた場合（ステップＳ２，ＹＥＳ）、あるいは改質器の温度が予め設定される値（制限値）を越えた場合にも（ステップＳ３，ＹＥＳ）、仮想電流値の再設定処理（それぞれステップＳ５，Ｓ６）が実行されるものである。
【００３５】
尚、本処理では、カウンタのカウンタ値を参照することで、上記一定期間Ｔ１経過したか否かを判定する。
【００３６】
以下、上記各再設定処理について、図３も参照して説明する。
【００３７】
図３は、電流値Ifcのデータ例と仮想電流値の設定例を示すものである。
【００３８】
図３に示す例では、一定期間Ｔ１経過による仮想電流値の再設定が３回行なわれた後、電流値Ifcが設定値（現在設定されている仮想電流値）を超えたことによる再設定が２回行なわれ、更に、改質器の温度が制限値を越えたことによる再設定が行なわれている。
【００３９】
上記一定期間Ｔ１経過した場合には（ステップＳ１，ＹＥＳ）、この一定期間Ｔ１内に取得した電流値Ifcのデータに基づき、極大値（電流値Ifcが増加から減少に転じる箇所の電流値）を求める。そして、この極大値を新たな仮想電流値として設定する。極大値が複数ある場合には、そのなかで最大のものを新たな仮想電流値として設定する。尚、極大値ではなく、一定期間Ｔ１内の電流値Ifcの最大値を、新たな仮想電流値として設定してもよい。このような電流値Ifcの最大値又は最大の極大値を、“最大電流値”と呼ぶものとする。
【００４０】
上記再設定が完了したら、上記カウンタをリセットする（ステップＳ７）。
【００４１】
上記の通り、本手法では、原燃料制御指令Qin_Refの値は仮想電流値に応じた値としているので、仮想電流値が変わればQin_Refの値が変わるが、上記再設定が行なわれてから再び再設定が行なわれるまでの間は、Qin_Refの値は変わらない（一定となる）。
【００４２】
図３に示す例では、最初の一定期間Ｔ１経過時の仮想電流値Ifc_tempの再設定により、当該最初の一定期間Ｔ１内の“最大電流値”が新たな仮想電流値Ifc_tempとなり、次の一定期間Ｔ１中は、ステップＳ２又はＳ３がＹＥＳにならない限り、この仮想電流値Ifc_tempは変更されないので、当該次の一定期間Ｔ１中の原燃料制御指令Qin_Refはこの仮想電流値Ifc_tempに応じた一定の値となる。
【００４３】
換言すれば、ある一定期間Ｔ１（ここでは上記最初の一定期間Ｔ１）における“最大電流値”によって、次の一定期間Ｔ１の原燃料制御指令Qin_Refが決まり、且つ当該次の一定期間Ｔ１中に上記ステップＳ２，Ｓ３の何れかがＹＥＳにならない限り、当該次の一定期間Ｔ１中、Qin_Refの値は変わらない（一定となる）。
【００４４】
また、上記の通り、一定期間Ｔ１経過する前であっても、ステップＳ２又はＳ３の判定がＹＥＳとなった場合には、仮想電流値Ifc_tempの再設定処理が実行される。
【００４５】
すなわち、電流値Ifcが設定値（現在設定されている仮想電流値）を超えた場合には（ステップＳ２，ＹＥＳ）、極大値出現待ち状態となる。すなわち、その時点以降の電流値Ifcのデータを取得し続け、極大値（電流値Ifcが増加から減少に転じる箇所）が出現するのを待つ。そして、極大値が出現したら、当該極大値を新たな仮想電流値Ifc_tempに設定する（ステップＳ５）。
【００４６】
つまり、燃料電池電流値Ifcが上記設定値を越えた場合には、燃料不足となることから、燃料不足状態を解消する為に、仮想電流値Ifc_tempを再設定する。これは基本的には燃料電池電流値Ifcが仮想電流値を越えないように仮想電流値を再設定するものであり、例えば上記の通り、極大値が出現したら、当該極大値を新たな仮想電流値Ifc_tempに設定するものであるが、この例に限らない。
【００４７】
例えば、極大値出現待ちとはしないで、直ちに、例えば“新たな仮想電流値＝現在の仮想電流値＋α（α；予め設定される固定値）”により新たな仮想電流値を算出・再設定するようにしてもよい。上記の処理例では、極大値が出現するまで再設定が行なわれないので、図３に示す例のように、その間、電流値Ifcが設定値を越えており、場合によっては燃料不足状態が長引く可能性があるからである。
【００４８】
あるいは、直ちに上記新たな仮想電流値の算出・再設定を行ったうえで、極大値出現待ち状態とし、極大値出現したら、仮想電流値を設定し直すようにしてもよい。
【００４９】
また、改質器の温度が予め設定される値（制限値）を越えた場合には（ステップＳ３，ＹＥＳ）、この時点から過去の一定期間Ｔ２内（図３に一例を示す）に取得した電流値Ifcのデータに基づき、この期間Ｔ２内の電流値Ifcの最大値を求め、これを新たな仮想電流値に設定する（ステップＳ６）。
【００５０】
尚、上記一定期間Ｔ１，Ｔ２は、Ｔ１＞Ｔ２の関係とする。Ｔ２が長すぎると、設定値が変わらない可能性があるからである。
【００５１】
また、尚、上記一定期間Ｔ１、及び改質器の温度の制限値の具体例を以下に示す。
【００５２】
例１；一定期間Ｔ１；６０秒、改質器温度制限値；９００℃
例２；一定期間Ｔ１；４０秒、改質器温度制限値；８８０℃
改質器温度制限値は、上記一例に限るものではなく、改質器の温度が上がり過ぎないようにする為（改質器保護の為）に適切な値を設定すればよい。例２のように制限値を比較的低くする場合には、期間Ｔ１をより短くして温度上昇を防ぐことが望ましい。
【００５３】
上述したように、一定時間内の最大電流値を次の一定時間内の仮想電流Ifc_tempとおき、その仮想電流から決定される原燃料制御指令Qin_Refの値により燃料の供給を調整すると共に、一定時間ごとに仮想電流Ifc_tempの再設定を行うことで、燃料不足による緊急停止を防ぐために燃料を一定量多く供給しつつ、原燃料流量の過剰な供給を低減することができる。
【００５４】
また、電流Ifcが仮想電流Ifc_tempを超えた場合は、仮想電流Ifc_tempは電流Ifcに追従し最大電流の再設定を行う。また、改質器の昇温には燃料電池のオフガスを用いているため、改質器の温度が制限値を越えた場合も仮想電流Ifc_tempを再設定することで、改質器の温度高による燃料電池システムの緊急停止を防ぐことができる。
【００５５】
上述した本例の燃料電池システムによれば、以下のような効果が得られる。
【００５６】
１) 燃料電池電流値に基づく燃料供給制御であるが、燃料電池電流値そのものではなく、燃料電池電流値に基づいて決定される仮想電流値に基づいて制御するものとし、一定時間内の燃料電池電流値の最大電流値を仮想電流値として燃料供給の制御を行い、一定時間毎に仮想電流値を再設定することで、燃料不足による緊急停止を防ぐために燃料を一定量多く供給しつつ、燃料の過剰な供給を低減ができる。
【００５７】
２）また、燃料不足状態になった場合にも、直ちに又は少なくとも上記一定時間の経過を待たずに、燃料不足状態を解消するように仮想電流値を再設定することで、燃料不足による緊急停止を防ぐ。
【００５８】
３）または、改質器の温度が制限値を越えた場合、仮想電流を再設定することで、改質器の温度高による燃料電池システムの緊急停止を防ぐことができる。
【００５９】
また、既に述べたように、本例の燃料電池システムは、図１に示すように特許文献１の内部補機負荷を変える構成に加えて上記仮想電流値に基づく制御を行うようにしてもよいし、内部補機負荷を変える構成は用いずに仮想電流値に基づく制御のみを行うようにしてもよい。内部補機負荷を変える構成は用いない場合には、内部補機負荷の負荷制御を行う必要がない為、構成が簡単になるという効果も得られる。また、本手法による多少の供給過剰程度では、内部補機負荷を用いなくても、特に問題はない。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本例の燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】制御装置の処理フローチャート図である。
【図３】図２の処理による仮想電流値（それに応じた指令指令値）の設定の一例を示す図である。
【図４】燃料電池の自立運転における従来の原燃料制御の実施形態例である。
【図５】特許文献1の補機負荷を用いた電流の制御図である。
【符号の説明】
【００６１】
１  燃料電池本体
２  インバータ
３  補機負荷
４  燃料電池内部負荷
５  顧客負荷
６  系統連系用遮断器
７  系統電源
８  燃料電池システム
９  顧客負荷量計測器
１１  制御装置
１３  燃料電池電流計測器
【図１】
0005239409.tif 000002
【図２】
0005239409.tif 000003
【図４】
0005239409.tif 000004
【図５】
0005239409.tif 000005
【図３】
0005239409.tif 000006