(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素を含む原燃料ガスから水素リッチな改質ガスを生成するための改質器と、この改質器で得られた前記改質ガスを燃料ガスとして用い、この燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギーを発生する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガス及び酸化剤ガスの流量を燃料ブロワ及び酸化剤ブロワを制御して調整する電気制御装置とからなり、燃料流量センサを備えない燃料電池発電システムにおいて、
前記改質器に改質器温度センサを備え、
前記改質器に前記燃料ガスを供給する系に燃料系圧力センサを備え、
前記改質器温度センサから得られる改質器温度と、予め設定した改質器温度設定値との偏差を比例積分制御し、改質器温度補正係数を算出する手段と、
前記燃料電池スタックから得られる電池電流に、前記改質器温度補正係数を乗じて、燃料流量設定値を算出する手段と、
前記燃料ブロワの回転数から得られる燃料流量を基準算出値としてこの値に、前記燃料系圧力センサから得られる燃料系圧力から決まる燃料系圧力補正係数を乗じて、燃料流量を算出する手段と、
前記燃料流量設定値と燃料流量との偏差を比例積分制御し、前記燃料ブロワ回転数の指令値を求める手段と、を備えることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記改質器に供給される燃料ガスに蒸気量を調整する改質蒸気量制御手段と、
前記改質器蒸気量制御手段により算出される改質蒸気量補正係数を、前記燃料ブロワの回転数から得られる燃料流量の前記基準算出値に乗じる手段とを備えたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
炭化水素を含む原燃料ガスから水素リッチな改質ガスを生成するための改質器と、この改質器で得られた前記改質ガスを燃料ガスとして用い、この燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギーを発生する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガス及び酸化剤ガスの流量を燃料ブロワ及び酸化剤ブロワを制御して調整する電気制御装置とを用い、燃料流量センサを用いずに、燃料流量を適切に保持する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記電気制御装置は、
改質器温度センサから得られる改質器温度と、予め設定した改質器温度設定値との偏差を比例積分制御し改質器温度補正係数を算出する処理と、
前記燃料電池スタックから得られる電池電流に、前記改質器温度補正係数を乗じて、燃料流量設定値を算出する処理と、
前記燃料ブロワの回転数から得られる燃料流量を基準算出値としてこの値に、前記燃料系圧力センサから得られる燃料系圧力から決まる燃料系圧力補正係数を乗じて、燃料流量を算出する処理と、
前記燃料流量設定値と燃料流量との偏差を比例積分制御し、前記燃料ブロワ回転数の指令値を求める処理と、を実行することを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電システム及びその制御方法に係り、特に、燃料電池スタックの信頼性を向上させる技術の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は電解質の違い等により様々なタイプのものに分類されるが、電解質に固体高分子電解質膜を用いた固体高分子形燃料電池は、低温動作性や高出力密度等の特徴から、一般家庭用を視野に入れた小型コージェネレーションシステムや電気自動車用の動力源としての用途に適しており、今後、市場規模が急激に拡大しているタイプの燃料電池である。
【０００３】
この固体高分子形燃料電池は、一般家庭用の定置用小型コージェネレーションシステムを例にとると、改質器と、燃料電池スタックと、電気制御装置及び熱利用系とからなる。改質器は、都市ガスやＬＰＧ等に代表される炭化水素系燃料から水素含有ガスを製造するものである。燃料電池スタックは、ＣＯシフト変成装置とＣＯ選択酸化装置とで製造された副生ガスとしてＣＯ2 、ＣＯ及びＮ2 が含まれる主成分をＨ2 とする水素リッチガスと、大気中の空気と、を燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給して起電力を発生させるものである。そして、電気制御装置は、燃料電池スタックで発生した電気エネルギーを外部負荷に供給するものであり、熱利用系は、発電に伴う発熱を回収するものである。
【０００４】
このような燃料電池発電システムにおいては、燃料流量計を有しないものがあり、この場合、燃料流量制御は、発電中は電池電流などから基準の燃料ブロワ回転数を与え、改質器温度で補正を加えることによって行っている（特許文献１及び２参照）。また、起動中は改質器バーナ点火、昇温などの各ステートで各々基準の燃料ブロワ回転数を与えている。
【特許文献１】特開２００４−０４７４３８号公報
【特許文献２】特開２００１−１２６７４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のような従来の燃料ブロワ回転数に対する補正を改質器温度で行うだけでは、燃料ブロワ能力の個体差および燃料系圧力損失の個体差を補うことができず、発電中の燃料流量を適切に維持することが困難であった。起動中においても改質器温度のみでは、発電中と同様、燃料ブロワ能力の個体差および燃料系圧力損失の個体差を補うことができず、起動中の燃料流量を適切に保つことが困難であった。
【０００６】
燃料流量を適切に保つことができない場合、電池本体への水素供給量が適切になされなくなり、燃料電池発電システムが発電継続できなくなるだけでなく、電池本体などの主要機器に回復不能な損傷を与える可能性も考えられる。
【０００７】
さらに、起動中においても燃料流量を適切に保つことができない場合には、改質器バーナ点火の失敗によってシステムの起動ができないだけでなく、改質器バーナへ過大な燃料が導入することによって生じる不完全燃焼が発生する可能性がある。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、燃料流量を適切に保つことでシステムの信頼性を向上させる燃料電池発電システム及びその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以上の課題を解決するため、本発明は、炭化水素を含む原燃料ガスから水素リッチな改質ガスを生成するための改質器と、この改質器で得られた前記改質ガスを燃料ガスとして用い、この燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギーを発生する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガス及び酸化剤ガスの流量を燃料ブロワ及び酸化剤ブロワを制御して調整する電気制御装置とからなり、燃料流量センサを備えない燃料電池発電システムにおいて、前記改質器に改質器温度センサを備え、  前記改質器に前記燃料ガスを供給する系に燃料系圧力センサを備え、前記改質器温度センサから得られる改質器温度と、予め設定した改質器温度設定値との偏差を比例積分制御し、改質器温度補正係数を算出する手段と、前記燃料電池スタックから得られる電池電流に、前記改質器温度補正係数を乗じて、燃料流量設定値を算出する手段と、前記燃料ブロワの回転数から得られる燃料流量を基準算出値としてこの値に、前記燃料系圧力センサから得られる燃料系圧力から決まる燃料系圧力補正係数を乗じて、燃料流量を算出する手段と、前記燃料流量設定値と燃料流量との偏差を比例積分制御し、前記燃料ブロワ回転数の指令値を求める手段と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
以上のような本発明によれば、燃料流量の算出に燃料ブロワの回転数だけでなく、改質蒸気量と燃料系圧力により補正を適切に施すことで、精度良く燃料流量を算出可能である。また、発電中の各状態量の関係と、起動中および起動前の各状態量の関係を発電中と起動中の相互に有効活用することで、システムの個体差を把握し、これに応じた燃料ブロワ回転数を与えることができる。これにより、燃料流量センサがなくとも、改質器温度と燃料系圧力によって燃料流量を適切に算出可能であり、システムの信頼性を向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料流量を適切に保つことでシステムの信頼性を向上させる燃料電池発電システム及びその制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る代表的な実施形態（以下、本実施形態という。）について、図１及び２を参照して具体的に説明する。図１は、本実施形態における燃料電池発電システムの構成を示すブロック図であり、図２は本実施形態における燃料電池発電システムの制御ロジック図である。
【００１３】
［構成］
図１において、本実施形態の燃料電池発電システムは、改質器１と、燃料電池スタック２と、電気制御装置３とからなる。改質器１は、都市ガスやＬＰＧ等に代表される炭化水素系燃料から水素リッチな改質ガスを製造し、燃料電池スタック２に供給するものである。この燃料電池スタック２に供給される水素量を適切に維持するために、燃料ブロワ４により適正量の原燃料がシステムに供給される。また、燃料電池発電システムの起動中においては、改質器１のバーナ室に対して、燃料ブロワ４により原燃料が供給されるとともに、空気ブロワ６によって空気が供給され、適切な空燃比により燃焼する。
【００１４】
電気制御装置３は、改質器温度センサ７から得られる改質器１の温度と、燃料電池本体２の電池電流と、燃料ブロワ４並びに改質水ポンプ５の回転数と、燃料系圧力センサ８によって得られる燃料系圧力とを監視し、これらに基づいて、燃料ブロワ４の回転数を決定して燃料流量の調整を行うものである。
【００１５】
［作用］
図２は、発電中における電気制御装置３の制御ロジックを示すものであり、具体的には次のとおりである。まず、従来と同様、燃料電池２の電池電流から決定される改質器温度設定値と、改質器１の温度センサ７から得られる改質器温度との偏差に、比例積分制御（以下、ＰＩ制御という。）を用いて、改質器温度補正係数を算出する。次に、燃料電池２の電池電流によって決定される燃料流量基準設定値に、上記の改質器温度補正係数を乗じて燃料流量設定値が算出される。
【００１６】
燃料流量の算出値は、本実施形態では、燃料ブロワの回転数に加え、改質水ポンプの回転数と燃料系圧力とによって算出される。すなわち、本実施形態における燃料流量は、燃料ブロワ４の回転数から得られる燃料流量を基準算出値としてこの値に、燃料系圧力センサ８から得られる燃料系圧力から決まる燃料系圧力補正係数を乗じて算出する。これに加えて、燃料ブロワ回転数によって決定される燃料流量基準算出値に、改質水ポンプ回転数から決定される改質蒸気量補正係数を乗じることによってさらに補正を行うことも可能である。
【００１７】
本実施形態では、以上のようにして算出された燃料流量設定値と、燃料流量との偏差からＰＩ制御を用いて燃料ブロワ回転数の指令値が決定され、これを燃料ブロワ４に送る。これに基づいて、燃料ブロワ４は、改質器１に適切な流量の燃料を供給することとなる。
【００１８】
［効果］
以上のような本実施形態によれば、発電中に燃料ブロワ回転数と、改質器温度または燃料系圧力との関係を把握することで、燃料ブロワ能力の個体差および燃料系圧力損失の固体差を把握することができる。この特性を起動中の燃料ブロワ回転数の初期値として用いることができる。
【００１９】
また、発電中の特性だけでなく、起動前に燃料ブロワ回転数と燃料系圧力との関係を把握することで前記個体差を把握し、起動中の燃料ブロワ回転数の初期値や燃料ブロワ回転数と燃料流量基準算出値の関数を与えることができる。なお、前記関数は、得られた特性でシステムごとに都度自動的に変更される機能を備えるように構成しても良い。
【００２０】
以上のように、燃料流量の算出に燃料ブロワの回転数だけでなく、改質蒸気量と燃料系圧力により補正を適切に施すことで、精度良く燃料流量を算出可能である。また、発電中の各状態量の関係と、起動中および起動前の各状態量の関係を発電中と起動中の相互に有効活用することで、システムの個体差を把握し、これに応じた燃料ブロワ回転数を与えることができる。
【００２１】
このような本実施形態の燃料電池発電システムによれば、燃料流量センサがなくとも、改質器温度と燃料系圧力によって燃料流量を適切に算出可能であり、システムの信頼性を向上させることが可能となる。
【００２２】
［他の実施形態］
本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、例えば、次のような態様も包含するものである。上述の制御ロジックにおいては、改質蒸気量を、改質水ポンプ３による算出に代えて、改質蒸気調節弁や蒸気エゼクタによって算出する構成も採用可能である。また、電池電流は、発電出力などのシステム負荷を表す状態量で代替でき、各関数でなく数式でも構わない。さらに、改質器温度設定値は電池電流によらず一定としても構わない。
【００２３】
また、燃料流量算出にあたって補正の順序を変えても構わない。さらに、制御方法は一般的に用いられている比例積分制御（ＰＩ制御）としたが、微分制御やその他の制御方式でも構わない。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態における燃料電池発電システムの構成を示すブロック図。
【図２】本発明の実施形態における燃料電池発電システムの制御ロジック図。
【図３】従来の燃料電池発電システムの構成を示すブロック図。
【符号の説明】
【００２５】
１…改質器
２…燃料電池スタック
３…電気制御装置
４…燃焼ブロワ
５…改質水ポンプ、蒸気調節弁又は蒸気エゼクタ
６…空気ブロワ
７…改質器温度センサ
８…燃料系圧力センサ
【図１】
0005198019.tif 000002
【図２】
0005198019.tif 000003
【図３】
0005198019.tif 000004