(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料の供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池発電システムであって、
前記燃料電池の出力端子に接続された負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータと該負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータに接続されたインバータとにより構成され、前記燃料電池からの直流電力を用いて他系統電源から負荷への電力供給ラインに電力を供給可能な他系統用電力供給手段と、
前記燃料電池と前記負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータとの間の電力ラインに接続された補機用ＤＣ／ＤＣコンバータにより構成され、前記燃料電池からの直流電力を用いて所定の直流電力により駆動する燃料電池発電システムのための補機に該所定の直流電力を供給する補機用電力供給手段と、
前記燃料電池からの出力電流を検出する電流検出手段と、
前記補機用ＤＣ／ＤＣコンバータの前記補機側の電圧が所定電圧に保持されるよう前記補機用電力供給手段を制御すると共に前記電流検出手段により検出された出力電流が前記燃料電池から出力すべき目標電流から所定範囲内の電流となって前記電力供給ラインに電力の供給が行なわれるよう前記他系統用電力供給手段を制御する電力供給制御手段と、
を備える燃料電池発電システム。
【請求項２】
炭化水素系燃料を水素リッチな燃料に改質して前記燃料電池に供給される燃料として供給する改質部を備える請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記炭化水素系燃料は都市ガスまたはプロパンガスである請求項２記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
少なくとも前記燃料電池からの熱を用いて加温された水を貯湯する貯湯手段を備える請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
燃料の供給を受けて発電する燃料電池と、前記燃料電池の出力端子に接続された負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータと該負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータに接続されたインバータとにより構成され前記燃料電池からの直流電力を用いて他系統電源から負荷への電力供給ラインに電力を供給可能な他系統用電力供給手段と、前記燃料電池と前記負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータとの間の電力ラインに接続された補機用ＤＣ／ＤＣコンバータにより構成され前記燃料電池からの直流電力を用いて所定の直流電力により駆動する燃料電池発電システムのための補機に該所定の直流電力を供給する補機用電力供給手段と、を備える燃料電池発電システムの制御方法であって、
（ａ）前記燃料電池からの出力電流を検出し、
（ｂ）前記補機用ＤＣ／ＤＣコンバータの前記補機側の電圧が所定電圧に保持されるよう前記補機用電力供給手段を制御すると共に前記電流検出手段により検出された出力電流が前記燃料電池から出力すべき目標電流から所定範囲内の電流となって前記電力供給ラインに電力の供給が行なわれるよう前記他系統用電力供給手段を制御する
燃料電池発電システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電システムおよびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池発電システムとしては、燃料電池からの直流電力を商用電源と同一の交流電力に変換して交流電力により駆動する補機に供給するものが提案されている（例えば、特開平８−３１５８４２号公報など）。このシステムでは、燃料電池の出力端子はインバータを介して商用電源から負荷への電力ラインと燃料電池の運転に用いる補機とに接続されており、インバータにより変換された交流電力を用いて補機を駆動している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした燃料電池発電システムでは、システム全体の効率が低下する場合が生じる。燃料電池の運転に用いる補機への電力の供給は、燃料電池により発電された電力が用いられるから、交流電力により駆動する補機に電力を供給するために直流交流変換を行なう必要がある。この直流交流変換による変換効率に伴ってシステム全体の効率が低下してしまう。
【０００４】
本発明の燃料電池発電システムおよびその制御方法は、システム全体の効率を向上させることを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池発電システムおよびその制御方法は、燃料電池を安定して運転することを目的の一つとする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池発電システムおよびその制御方法は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００６】
本発明の燃料電池発電システムは、
燃料の供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池発電システムであって、
前記燃料電池の出力端子に接続された負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータと該負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータに接続されたインバータとにより構成され、前記燃料電池からの直流電力を用いて他系統電源から負荷への電力供給ラインに電力を供給可能な他系統用電力供給手段と、
前記燃料電池と前記負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータとの間の電力ラインに接続された補機用ＤＣ／ＤＣコンバータにより構成され、前記燃料電池からの直流電力を用いて所定の直流電力により駆動する燃料電池発電システムのための補機に該所定の直流電力を供給する補機用電力供給手段と、
前記燃料電池からの出力電流を検出する電流検出手段と、
前記補機用ＤＣ／ＤＣコンバータの前記補機側の電圧が所定電圧に保持されるよう前記補機用電力供給手段を制御すると共に前記電流検出手段により検出された出力電流が前記燃料電池から出力すべき目標電流から所定範囲内の電流となって前記電力供給ラインに電力の供給が行なわれるよう前記他系統用電力供給手段を制御する電力供給制御手段と、
を備えることを要旨とする。
【０００７】
この本発明の燃料電池発電システムでは、燃料電池からの直流電力を用いて所定の直流電力により駆動する燃料電池発電システムのための補機にこの所定の直流電力を供給する。したがって、補機への電力供給に直流交流変換を必要としないから、直流交流変換を必要とするものに比してシステム全体の効率を向上させることができる。もとより、燃料電池からの直流電力を用いて他系統電源から負荷への電力供給ラインに電力を供給することができる。ここで、「補機」には、システムの運転に必要な機器が含まれる。
【００１０】
本発明の燃料電池発電システムにおいて、炭化水素系燃料を水素リッチな燃料に改質して前記燃料電池に供給される燃料として供給する改質部を備えるものとすることもできる。こうすれば、炭化水素系燃料を用いて発電することができる。この態様の本発明の燃料電池発電システムにおいて、前記炭化水素系燃料は都市ガスまたはプロパンガスであるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池システムを一般家庭に設置して用いるのに適したものとすることができる。
【００１１】
本発明の燃料電池発電システムにおいて、少なくとも前記燃料電池からの熱を用いて加温される水を貯湯する貯湯手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池からの熱を利用することができるから、システムのエネルギー効率を向上させることができる。なお、燃料電池からの熱以外の熱をも用いるものとしてもよいのは勿論である。
【００１２】
本発明の燃料電池発電システムの制御方法は、
燃料の供給を受けて発電する燃料電池と、前記燃料電池の出力端子に接続された負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータと該負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータに接続されたインバータとにより構成され前記燃料電池からの直流電力を用いて他系統電源から負荷への電力供給ラインに電力を供給可能な他系統用電力供給手段と、前記燃料電池と前記負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータとの間の電力ラインに接続された補機用ＤＣ／ＤＣコンバータにより構成され前記燃料電池からの直流電力を用いて所定の直流電力により駆動する燃料電池発電システムのための補機に該所定の直流電力を供給する補機用電力供給手段と、を備える燃料電池発電システムの制御方法であって、
（ａ）前記燃料電池からの出力電流を検出し、
（ｂ）前記補機用ＤＣ／ＤＣコンバータの前記補機側の電圧が所定電圧に保持されるよう前記補機用電力供給手段を制御すると共に前記電流検出手段により検出された出力電流が前記燃料電池から出力すべき目標電流から所定範囲内の電流となって前記電力供給ラインに電力の供給が行なわれるよう前記他系統用電力供給手段を制御する
ことを要旨とする。
【００１３】
この本発明の燃料電池発電システムの制御方法によれば、補機への電力供給に直流交流変換を行なわないから、直流交流変換を行なうものに比してシステム全体の効率を向上させることができる。また、燃料電池からの出力電流が目標電流で安定するよう制御するから、燃料電池の運転状態を安定した状態に維持することができる。もとより、燃料電池からの直流電力を用いて他系統電源から負荷への電力供給ラインに電力を供給することができる。ここで、「補機」には、システムの運転に必要な機器が含まれる。
【００１４】
こうした本発明の燃料電池発電システムの制御方法において、前記ステップ（ｂ）は、前記補機用電力供給手段による前記補機への前記所定の直流電力の供給を前記他系統用電力供給手段による前記電力供給ラインへの電力の供給に優先するよう制御するステップであるものとすることもできる。こうすれば、補機への電力供給を優先して行なうから、システムを安定して運転することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である燃料電池発電システム２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の燃料電池発電システム２０は、図示するように、ガス配管２２から都市ガス（１３Ａ）の供給を受けて都市ガスを水素リッチな改質ガスに改質する改質器３０と、改質ガス中の一酸化炭素を低減して燃料ガスとするＣＯ選択酸化部３４と、燃料ガスと空気との供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池４０と、燃料電池４０の冷却水と貯湯槽４４の低温水との熱交換を行なう熱交換器４２と、燃料電池４０からの直流電力の電圧および電流を調整して所望の直流電力に変換する負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ５２と、変換された直流電力を商用電源１０と同位相の交流電力に変換して商用電源１０から遮断器１４を介して負荷１６へ電力を供給する電力ライン１２に遮断器５５を介して供給するインバータ５４と、燃料電池４０からの直流電力を所定の直流電力に変換して補機に供給する補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ５６と、負荷１６で消費する負荷電力を検出する負荷電力計５８と、システム全体をコントロールする電子制御ユニット６０とを備える。
【００１６】
改質器３０は、ガス配管２２から調節弁２４と昇圧ポンプ２６と硫黄分を除く脱硫器２７とを介して供給される都市ガスと図示しない配管により供給される水蒸気とによる次式（１）および次式（２）の水蒸気改質反応およびシフト反応により水素リッチな改質ガスを生成する。改質器３０には、こうした反応に必要な熱を供給する燃焼部３２が設けられており、燃焼部３２にはガス配管２２から調節弁２４と昇圧ポンプ２８とを介して都市ガスが供給されるようになっている。また、燃焼部３２には、燃料電池４０のアノード側の排出ガスが供給され、アノードオフガス中の未反応の水素を燃料として用いることができるようになっている。
【００１７】
【数１】
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2    （１）
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2      （２）
【００１８】
ＣＯ選択酸化部３４は、図示しない配管による空気の供給を受けて水素の存在下で一酸化炭素を選択して酸化する一酸化炭素選択酸化触媒（例えば白金とルテニウムの合金による触媒）により、改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化して一酸化炭素濃度が極めて低い（実施例では数ｐｐｍ程度）水素リッチな燃料ガスとする。
【００１９】
燃料電池４０は、電解質膜とこの電解質膜を狭持するアノード電極およびカソード電極とこのアノード電極およびカソード電極に燃料ガスと空気とを供給すると共にセル間の隔壁をなすセパレータとからなる単セルを複数積層してなる固体高分子型の燃料電池として構成されており、ＣＯ選択酸化部３４からの燃料ガス中の水素とブロア４１からの空気中の酸素とによる電気化学反応によって発電する。燃料電池４０には循環する冷却水の流路が形成されており、冷却水を循環させることによって適温（実施例では、８０〜９０℃程度）に保持される。この冷却水の循環流路には、熱交換器４２が設けられており、燃料電池４０の冷却水との熱交換により貯湯槽４４からポンプ４６により供給される低温水が加温されて貯湯槽４４に貯湯されるようになっている。
【００２０】
燃料電池４０の図示しない出力端子は、負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ５２，インバータ５４，遮断器５５を介して商用電源１０から負荷１６への電力ライン１２に接続されており、燃料電池４０からの直流電力が商用電源１０と同位相の交流電力に変換されて商用電源１０からの交流電力に付加されて負荷１６に供給できるようになっている。負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ５２やインバータ５４は、一般的なＤＣ／ＤＣコンバータ回路やインバータ回路として構成されているから、その詳細な説明は省略する。なお、負荷１６は、遮断器１８を介して電力ライン１２に接続されている。
【００２１】
また、燃料電池４０の出力端子はダイオード５１を介して補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ５６にも接続されている。補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、所定の直流電力により駆動する調節弁２４のアクチュエータや昇圧ポンプ２６，２８，ブロア４１，ポンプ４６などの燃料電池発電システム２０の運転に必要な補機に所定の直流電力を供給している。
【００２２】
電子制御ユニット６０は、ＣＰＵ６２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ６２の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ６４と、データを一時的に記憶するＲＡＭ６６と、図示しない入出力ポートおよび通信ポートとを備える。電子制御ユニット６０には、燃料電池４０の出力端子に取り付けられた電流センサ５０からの出力電流ｉやインバータ５４内の図示しない電流センサや電圧センサからの出力電流や電圧，負荷電力計５８からの負荷電力Ｐｏ，改質器３０やＣＯ選択酸化部３４，燃料電池４０に取り付けられた図示しない温度センサからの各温度などが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット６０からは、調節弁２４のアクチュエータや昇圧ポンプ２６，２８，ブロア４１，循環ポンプ４３，ポンプ４６などへの駆動信号や負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ５２や補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ５６への制御信号，インバータ５４へのスイッチング制御信号，遮断器５５への駆動信号などが出力ポートを介して出力されている。
【００２３】
次に、こうして構成された燃料電池発電システム２０の動作、特にシステムの運転に関する動作について説明する。図２は実施例の電子制御ユニット６０により実行される運転制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、システムが起動されてから所定時間毎（例えば８ｍｓｅｃ毎）に繰り返し実行される。
【００２４】
運転制御ルーチンが実行されると、電子制御ユニット６０のＣＰＵ６２は、まず、運転モードの変更中であるか否かを判定する（ステップＳ１００）。運転モードは、図示しない運転モード設定ルーチンにより負荷電力計５８により検出される負荷の消費電力に基づいて設定されるものであり、実施例では高負荷のＨｉｇｈモード、中程度の負荷のＭｉｄモード、低負荷のＬｏｗモードの３段階のいずれかに設定されてＲＡＭ６６の所定アドレスに書き込まれる。なお、運転モードの設定としては、負荷の消費電力とシステムを運転するために補機により消費される電力との総和に基づいて設定するものとしてもよい。運転モードを設定しても直ちに改質器３０や燃料電池４０を設定した運転モードに対応した運転状態とすることはできない。この運転モードの変更は、図示しない運転モード変更時の運転制御ルーチンにより行なわれる。本ルーチンでは、こうした運転モードの変更中であるか否かにより、このルーチンで制御するか否かを判断している。したがって、運転モードの変更中であるときには、何もせずに本ルーチンを終了する。
【００２５】
運転モードが変更中でないとき、即ち、運転モードに対応した運転状態で改質器３０や燃料電池４０が運転されている定常状態のときには、現在設定されている運転モードをＲＡＭ６６の所定アドレスから読み込むと共に（ステップＳ１０２）、読み込んだ運転モードに対応する目標電流ｉ＊を導出する（ステップＳ１０４）。目標電流ｉ＊は、設定された運転モードで運転したときにシステムが効率よく運転できるときの燃料電池４０の出力電流として設定されるている。実施例では、実験などにより各運転モードで運転したときにシステムが効率よく運転できる燃料電池４０の出力電流を求めてマップとして予めＲＯＭ６４に記憶しておき、運転モードが与えられるとマップから対応する出力電流を目標電流ｉ＊として導出するものとした。
【００２６】
次に、燃料電池４０の出力端子に取り付けられた電流センサ５０から燃料電池４０の出力電流ｉを読み込み（ステップＳ１０６）、目標電流ｉ＊から読み込んだ出力電流ｉを減じて偏差Δｉを計算し（ステップＳ１０８）、計算した偏差Δｉを正負の閾値ｉｒｅｆと比較する（ステップＳ１１０）。正負の閾値ｉｒｅｆは、出力電流ｉの目標電流ｉ＊からの許容範囲として設定されるものであり、システムの特性などにより定められる。偏差Δｉが正負の閾値ｉｒｅｆにより設定される許容範囲外のときには、出力電流ｉと目標電流ｉ＊との偏差Δｉを打ち消す方向にインバータ５４側への電流が偏差Δｉだけ変化するように負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ５２を制御して（ステップＳ１１２）、本ルーチンを終了する。一方、偏差Δｉが許容範囲内のときには、そのまま本ルーチンを終了する。ここで、補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、補機に必要な電力を供給するために出力側が補機駆動に適した所定の電圧を保持するよう制御されている。この運転制御では、燃料電池４０の出力電流ｉが目標電流ｉ＊の許容範囲内となるよう負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ５２を制御するから、この制御は、補機に供給する電力を負荷１６側に供給する電力に優先するものといえる。
【００２７】
以上説明した実施例の燃料電池発電システム２０によれば、燃料電池４０からの直流電力を補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ５６により所定の直流電力としてシステムの運転に必要な補機に供給するから、直流交流変換した電力を補機に供給するものに比して、直流交流変換を行なわない分だけ、システムの効率を向上させることができる。しかも、補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ５６を補機の駆動に適した所定の電圧を保持するよう制御するから、即ち補機に供給する電力を負荷１６側に供給する電力に優先して制御するから、システムを安定して運転することができる。
【００２８】
実施例の燃料電池発電システム２０では、補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の出力側の電圧を補機駆動に適した所定の電圧で保持されるよう補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ５６を制御したが、電圧一定制御を行なう必要はなく、必要に応じて補機に直流電力を供給するものとしてもよい。
【００２９】
実施例の燃料電池発電システム２０では、燃料電池４０の出力電流ｉと目標電流ｉ＊との偏差Δｉが正負の閾値ｉｒｅｆにより設定された許容範囲外になったときにこの偏差を打ち消す方向に負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ５２を制御したが、燃料電池４０の出力電流ｉが目標電流ｉ＊となるよう比例制御や積分制御，微分制御などを組み合わせて制御するものとしてもよい。
【００３０】
実施例の燃料電池発電システム２０では、燃料電池４０の出力電流ｉが運転モードに対応した目標電流ｉ＊で保持されるよう負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ５２を制御したが、運転モード毎に最適水素利用率となるシステム運転状態を検出し、そのときに燃料電池４０から出力される電流を目標電流ｉ＊として燃料電池４０からの出力電流ｉが目標電流ｉ＊に保持されるよう負荷用ＤＣ／ＤＣコンバータ５２を制御するものとしてもよい。
【００３１】
実施例の燃料電池発電システム２０では、運転モードをＨｉｇｈモード，Ｍｉｄモード，Ｌｏｗモードの３段階としたが、運転モードを２段階としてもよく、あるいは、４段階以上としても構わない。
【００３２】
実施例の燃料電池発電システム２０では、燃料電池４０として固体高分子型の燃料電池を用いたが、固体高分子型の燃料電池に限られず、如何なるタイプの燃料電池であっても構わない。
【００３３】
実施例の燃料電池発電システム２０では、都市ガス（１３Ａ）を改質器３０に供給して水素リッチな燃料ガスを生成するものとしたが、都市ガス（１２Ａ）やガスボンベに充填されたプロパンガスを改質器３０に供給して燃料ガスを生成するものとしてもよい。
【００３４】
実施例の燃料電池発電システム２０では、都市ガスを改質器３０とＣＯ選択酸化部３４とにより水素リッチな燃料ガスとして燃料電池４０に供給するものとしたが、水素リッチな燃料ガスや純水素を蓄える水素タンクから燃料電池４０に供給するものとしてもよい。
【００３５】
実施例の燃料電池発電システム２０では、燃料電池４０の熱を用いて水を加温して貯湯する貯湯槽４４を備えるものとしたが、貯湯槽４４を備えないものとしても差し支えない。
【００３６】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である燃料電池発電システム２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】実施例の電子制御ユニット６０により実行される運転制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０  商用電源、１２  電力ライン、１４  遮断器、１６  負荷、１８  遮断器、２０  燃料電池発電システム、２２  ガス配管、２４  調節弁、２６，２８昇圧ポンプ、２７  脱硫器、３０  改質器、３２  燃焼部、３４  ＣＯ選択酸化部、４０  燃料電池、４１  ブロア、４２  熱交換器、４３  循環ポンプ、４４  貯湯槽、４６  ポンプ、５０  電流センサ、５２  ＤＣ／ＤＣコンバータ、５４  インバータ、５５  遮断器、５６  ＤＣ／ＤＣコンバータ、５８  負荷電力計、６０  電子制御ユニット、６２  ＣＰＵ、６４  ＲＯＭ、６６  ＲＡＭ、６８  タイマ。
【図１】
0004263401.tif 000002
【図２】
0004263401.tif 000003