(57)【要約】 【課題】  一酸化炭素変成器ヒータの投入量を最適化することにより、システム信頼性と省エネ性能を高次元で両立することができる燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】  本実施の形態は、制御装置２２が、燃料電池２１の累積発電時間に基づいて、一酸化炭素変成器１２のヒータ１２ｂの設定温度を算出し、この算出された設定温度となるようにヒータ投入量を算出し、この算出されたヒータ投入量に基づいて、一酸化炭素変成器ヒータを制御する。【選択図】図１
2013004418.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料ガスから水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器で得られた改質ガスの中の一酸化炭素の濃度を低下させる一酸化炭素変成器と、
前記一酸化炭素変成器で得られた改質ガスを燃料ガスとして用い、そ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と、
前記一酸化炭素変成器の温度を上昇させる一酸化炭素変成器ヒータと、
前記一酸化炭素変成器ヒータの設定温度を制御する制御装置とを具備し、
前記制御装置は、
前記燃料電池の累積発電時間に応じて、前記一酸化炭素変成器ヒータの設定温度を算出する手段と、
前記算出された設定温度となるようにヒータ投入量を算出し、この算出されたヒータ投入量に基づいて、前記一酸化炭素変成器ヒータを制御する手段と
を具備する燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記設定温度を算出する手段は、前記燃料電池の発電出力及び累積発電時間に応じて、前記一酸化炭素変成器ヒータの設定温度を算出する請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記設定温度を算出する手段は、さらに、前記燃料電池の発電出力の上昇時に、前記一酸化炭素変成器ヒータの設定温度を上昇させる手段を具備する請求項１または２記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記設定温度を算出する手段は、さらに、
前記燃料電池の発電出力に基づいて第１の設定温度を算出する手段と、
前記燃料電池の累積発電時間に基づいて、第２の設定温度を算出する手段と、
前記燃料電池の発電出力が上昇しているか否かを判断する手段と、
前記燃料電池の発電出力が上昇していると判断された場合には、前記第１の設定温度、前記第２の設定温度及び燃料電池の発電出力の上昇に対して設定された第３の設定温度とに基づいて設定温度を算出し、前記燃料電池の発電出力が上昇していないと判断された場合には、前記第１の設定温度及び前記第２の設定温度に基づいて設定温度を算出することを特徴とする請求項３記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記一酸化炭素変成器ヒータを制御する手段は、
前記算出された設定温度と、前記一酸化炭素変成器の測定温度との差分に基づいて、一酸化炭素変成器ヒータのヒータ投入量を算出し、この算出されたヒータ投入量となるように前記一酸化炭素変成器ヒータの制御を行なうことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
原燃料ガスから水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器で得られた改質ガスの中の一酸化炭素の濃度を低下させる一酸化炭素変成器と、
前記一酸化炭素変成器で得られた改質ガスを燃料ガスとして用い、そ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と、
前記一酸化炭素変成器の温度を上昇させる一酸化炭素変成器ヒータと、
前記一酸化炭素変成器ヒータの設定温度を制御する制御装置と
を具備する燃料電池発電システムにおける一酸化炭素変成器ヒータの制御方法において、
前記制御装置は、
前記燃料電池の累積発電時間に応じて、前記一酸化炭素変成器ヒータの設定温度を算出し、
前記算出された設定温度となるようにヒータ投入量を算出し、この算出されたヒータ投入量に基づいて、前記一酸化炭素変成器ヒータを制御することを特徴とする制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムにおける一酸化炭素変成器のヒータ制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、炭化水素を含む原燃料ガスと改質蒸気とから水素リッチな改質ガスを生成するための改質器と、改質器で得られた改質ガスの中の一酸化炭素の濃度を低下させる一酸化炭素変成器と、空気を供給して一酸化炭素変成器で得られた変成ガスの一酸化炭素をさらに取り除く一酸化炭素除去器と、一酸化炭素除去器で得られた改質ガスを燃料ガスとして用い、そ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と、一酸化炭素変成器の温度を適切に上昇させるための一酸化炭素変成器ヒータと、これらを制御するためのシステム制御装置とを有する燃料電池発電システムが広く知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２９９１２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の燃料電池発電システムにおいては、一酸化炭素変成器ヒータの設定温度を一定としているため、一酸化炭素変成器の温度低下に伴なうシステムの信頼性の低下や、逆に一酸化炭素変成器のヒータの過大投入に伴うシステムの省エネ性が低下するという課題があった。
【０００５】
また、特に発電出力上昇時には、一時的に一酸化炭素変成器の負荷が高まり、整定時よりも高い反応温度が必要となり、システムの信頼性の低下及び省エネ性が低下するという課題があった。
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、一酸化炭素変成器ヒータの投入量を最適化することにより、システム信頼性と省エネ性能を高次元で両立することができる燃料電池発電システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の燃料電池発電システムは、原燃料ガスから水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記改質器で得られた改質ガスの中の一酸化炭素の濃度を低下させる一酸化炭素変成器と、前記一酸化炭素変成器で得られた改質ガスを燃料ガスとして用い、そ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を発生する燃料電池と、前記一酸化炭素変成器の温度を上昇させる一酸化炭素変成器ヒータと、前記一酸化炭素変成器ヒータの設定温度を制御する制御装置とを具備し、前記制御装置は、前記燃料電池の累積発電時間に応じて、前記一酸化炭素変成器ヒータの設定温度を算出する手段と、前記算出された設定温度となるようにヒータ投入量を算出し、この算出されたヒータ投入量に基づいて、前記一酸化炭素変成器ヒータを制御する手段とを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、一酸化炭素変成器ヒータの投入量を最適化することにより、システム信頼性と省エネ性能を高次元で両立することができる。これにより、既存システムの構成を変えることなく、顧客満足度の増大を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態の燃料電池発電システムの構成を示す図である。
【図２】実施形態の制御装置の一酸化炭素変成器のヒータの制御方法を説明するための図である。
【図３】実施形態に係る燃料電池発電システムの制御装置のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は、本実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す図である。なお、図１に示した燃料電池発電システムにおいては、理解の容易のために、本実施の形態に関連する燃料処理系の主要な構成のみを示しており、熱交換系や、ブロア制御系などは示していないが、これらは一般的な燃料電池発電システムと同様である。
【００１２】
同図に示すように、燃料電池発電システム１の燃料処理系２は、改質器１１、一酸化炭素変成器１２及び一酸化炭素除去器１３を有している。
【００１３】
改質器１１には、炭化水素を含む原燃料ガスを通すためのガス配管１０が接続され、ガス配管１０を介して供給される原燃料ガスと改質蒸気とから水素リッチな改質ガスを生成する。
【００１４】
一酸化炭素変成器１２は、改質器１１によって生成された改質ガスの中の一酸化炭素の濃度を低下させる。また、この一酸化炭素変成器１２には、一酸化炭素変成器１２の温度を測定するための温度センサ１２ａ及び一酸化炭素変成器１２の温度を上昇するためのヒータ１２ｂが設けられている。
【００１５】
一酸化炭素除去器１３は、一酸化炭素変成器１２からの一酸化炭素の濃度が低下した変成ガスに空気を供給して一酸化炭素をさらに取り除き、改質ガスとして燃料電池２１のアノードに供給する。
【００１６】
燃料電池２１は、一酸化炭素変成器１２で得られた改質ガスを燃料ガスとして用い、そ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を発生する。また、燃料電池２１には、燃料電池２１の発電出力を測定するための電力測定器２１ｂが設けられている。なお、この電力測定器２１ｂはインバータ２３に設けられていても良く、その設置箇所は、燃料電池の発電出力が測定できる箇所であれば良い。
【００１７】
インバータ２３は、燃料電池２１の直流電力を交流電力に変換して系統２４に出力する。
【００１８】
制御装置２２は、温度センサ１２ａによって測定された一酸化炭素変成器１２の温度、電力測定器２１ｂによって測定された燃料電池２１の発電電力、インバータ２１が稼動しているかを示す信号２３ａなどに基づいて、本実施の形態に係る燃料電池発電システム１の一酸化炭素変成器１２の温度制御を行なう。また、制御装置２２は、燃料電池発電システム１の全体を制御する。
【００１９】
本実施の形態では、一酸化炭素変成器１２の温度センサ１２ａによって測定された一酸化炭素変成器１２の温度が設定温度よりも低い場合には、一酸化炭素変成器１２のヒータ１２ｂが投入され、一酸化炭素変成器１２の温度を設定温度に保つように制御される。
【００２０】
この設定温度は、事前検証やシミュレーションにより予め設定される。本実施の形態では、この設定温度に対して、燃料電池２１の発電出力及び累積発電時間などが考慮される。すなわち、設定温度は発電出力及び累積発電時間の関数として表現される。一般的には、発電出力が高いほど設定温度が高くなり、累積発電時間が長くなるほど設定温度が高くなる。
【００２１】
さらに、発電出力上昇時には、一時的に一酸化炭素変成器１２の負荷が高まり、整定時よりも高い反応温度が必要となるため、発電出力上昇を検出した場合は、設定温度を上昇させる。
【００２２】
図２は、本実施の形態の制御装置の一酸化炭素変成器１２のヒータ１２ｂの制御方法を説明するための図である。
【００２３】
電力測定器２１ｂによって測定された燃料電池２１の発電出力ｘ１［ｗ］は、発電出力と設定温度との関数ｆ（ｘ１）により、設定温度Ｔ１［℃］が算出される。なお、図２においては、関数ｆ（ｘ１）を一次関数として示しているがこれに限られるものではない。
【００２４】
一方、制御装置２２はインバータ２１が稼動しているかを示す信号２３ａに基づいて、インバータが稼動している時間、すなわち、燃料電池２１の累積発電時間ｘ２を制御装置２２に内臓のタイマー（図示せず）を利用して計測する。
【００２５】
そして、累積発電時間ｘ２は、累積発電時間と係数αとの関数により、その係数αが決定される。図２においては、累積発電時間と係数αとの関係は右上がりの階段形状を示しているが、これに限られるものではない。例えば、一定の累積発電時間以上の場合は係数を「１」として、一定の累積発電時間よりも小さい場合には係数を「０」とするような二者択一の関数としても良い。
【００２６】
そして、決定された係数αは、累積発電時間ｘ２に対して設定された所定の温度Ｔ２［℃］と乗算される。すなわち、α・Ｔ２は、累積発電時間ｘ２の関数ｆ（ｘ２）である。その後、設定温度Ｔ１とα・Ｔ２とが加算されて、発電出力ｘ１及び累積発電時間ｘ２が考慮された設定温度ｙ１＝Ｔ１＋（α・Ｔ２）が算出される。すなわち、ｙ１＝ｆ（ｘ１，ｘ２）である。
【００２７】
次に、電力測定器２１ｂによって測定された燃料電池２１の発電出力が上昇中の場合には、予め設定された温度ｙ３［℃］が加算される。なお、燃料電池２１の発電出力が上昇中であるか否かの判断は、例えば、所定の時間間隔で、所定の発電出力上昇があるか否かにより判断される。したがって、最終的な設定温度は、発電出力上昇がある場合にはｙ２＝ｙ１＋ｙ３となり、発電出力上昇がない場合にはｙ２＝ｙ１となる。
【００２８】
なお、本実施の形態においては、発電出力上昇がある場合と発電出力上昇がない場合とで、最終的な設定温度を変える場合について示したが、このプロセスは省略されても良い。
【００２９】
ＯＮ／ＯＦＦ制御部３１は、最終的な設定温度ｙ２と、温度センサ１２ａによって測定された一酸化炭素変成器１２の温度との差に基づいて、一酸化炭素変成器１２の温度が最終的な設定温度ｙ２となるようヒータ１２ｂのヒータ投入量を算出し、ヒータ１２ｂのＯＮ／ＯＦＦ制御を行なう。
【００３０】
図３は、本実施の形態に係る燃料電池発電システムの制御装置のフローチャートである。なお、本実施の形態に係る制御は、所定の時間間隔で行なわれるものとするが、これに限られるものではない。
【００３１】
まず、最初に、発電出力ｘ１に基づいて、Ｔ１＝ｆ（ｘ１）を算出する（Ｓ１）。
【００３２】
ここで、
ｘ１：燃料電池２１の発電出力
ｆ（ｘ）：設定温度Ｔ１［℃］と発電出出力ｘ［ｗ］との関数
Ｔ１：発電出力に対する設定温度
である。
【００３３】
次に、累積発電時間ｘ２に基づいて、α・Ｔ２＝ｆ（ｘ２）を算出する（Ｓ２）。
【００３４】
ここで、
ｘ２：燃料電池２１の累積発電時間ｘ２
α  ：係数
Ｔ２：累積発電時間に対する設定温度
である。
【００３５】
次に、ｙ１＝ｆ（ｘ１，ｘ２）＝Ｔ１＋α・Ｔ２を算出する（Ｓ３）。
【００３６】
ここで、ｙ１は、発電出力ｘ１及び累積発電時間ｘ２を考慮した設定温度である。
【００３７】
次に、電力測定器２１ｂによって測定された燃料電池２１の発電出力と、インバータ２１が稼動しているかを示す信号２３ａとに基づいて、燃料電池２１の発電出力が上昇しているか否かの判断が行なわれる（Ｓ４）。
【００３８】
発電出力が上昇していないと判断された場合には、ｙ２＝ｙ１とする（Ｓ５）。一方、発電出力が上昇していると判断された場合には、ｙ２＝ｙ１＋ｙ３とする（Ｓ６）。ここで、ｙ２は、発電出力ｘ１、累積発電時間ｘ２、発電出力上昇を考慮した最終設定温度である。
【００３９】
そして、ＯＮ／ＯＦＦ制御部３１により、最終設定温度ｙ２と温度センサ１２ａによって測定された一酸化炭素変成器１２の実際の測定温度との差分に基づいて、ヒータ１２ｂの投入量を算出し（Ｓ７）、この算出されたヒータ１２ｂの投入量に基づいてヒータ１２ｂのＯＮ／ＯＦＦ制御を最終設定温度ｙ２となるようにヒータ１２ｂに対して行ない（Ｓ８）、Ｓ１の処理に戻る。
【００４０】
従って、本実施形態によれば、発電出力、累積発電時間及び発電出力が上昇しているか否かに基づいて設定温度を変化させることが可能となり、どのような運転状態においても、一酸化炭素変成器１２を最適な状態にすることができる。
【００４１】
また、どのような運転状態においても、必要最低限のヒータ投入量とすることができ、システムの信頼性を損なうことなく、高い省エネルギー性を実現することができる。すなわち、一酸化炭素変成器１２のヒータ１２ｂへの投入量を最適化することにより、システム信頼性とシステム省エネ性を高次元で両立することができる燃料電池発電システムを提供することができる。これにより、既存システムの構成を変えることなく、顧客満足度の増大を図ることができる。
【００４２】
なお、一酸化炭素除去器は省略してもよい。
【００４３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４４】
１…燃料電池発電システム、２…燃料処理系、１０…ガス配管、１１…改質器、１２…一酸化炭素変成器、１２ａ…温度センサ、１２ｂ…ヒータ、１３…一酸化炭素除去器、２１…燃料電池、２１ｂ…電力測定器、２２…制御装置、２３…インバータ、２４…系統。
【図１】
2013004418.tif 000003
【図２】
2013004418.tif 000004
【図３】
2013004418.tif 000005