(57)【要約】【課題】余剰電力の発生を低減すると共に、燃料電池の発電効率の低下を抑制することのできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池２０の発生電力の変動速度を考慮すると共に実際の需要電力の増加・減少の傾向に応答して電力を供給することを考慮した場合に、最適な時間である過去１５分以内の需要電力の値を全体的に判断することによって、適切な目標値を設定する。このようにして設定した目標値に従うことによって、発生電力が需要電力の急激な変動や局所的な変動による影響を受けないように燃料電池２０を制御し、更に、発生電力の変動が緩やかになるように燃料電池２０を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を発生する燃料電池と、
前記燃料電池を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
過去１５分以内の需要電力に基づいて前記燃料電池の発生電力の目標値を設定する目標値設定手段と、
前記目標値に従って電力を発生するように、前記燃料電池を制御する発生電力制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記目標値設定手段は、過去１５分以内の前記需要電力の最小値に基づいて前記目標値を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、需要に応じて電力を供給する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、需要に応じて電力を供給する技術として特許文献１に記載されたものが知られている。この特許文献１には、電機子巻線を固定子に対して回転させることによって電力を発生する発電機を備え、発生電力が需要電力に追従するように発電機を制御するシステムが記載されている。
【特許文献１】特開２００２−２３８１６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述したような発電機の制御方法を燃料電池システムに適用して、燃料電池の発生電力を需要電力に追従させるようにした場合、需要電力の変動速度に比して燃料電池の発生電力の変動速度が遅いため、例えば、急激に需要電力が低下したときに燃料電池の発生電力が低下するまでに時間がかかり、余剰電力が発生してしまうという問題がある。また、燃料電池は燃料や水の供給量を制御することによって発生電力を調節する方式であり、他の発電方式に比して発生電力の調整が難しく、発生電力の変動を抑えることが望まれるが、局所的な変動の激しい需要電力に追従させて電力を発生させた場合は発生電力が頻繁に変動してしまい、結果として発電効率が低下してしまうという問題がある。
【０００４】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、余剰電力の発生を低減すると共に、燃料電池の発電効率の低下を抑制することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る燃料電池システムは、電力を発生する燃料電池と、燃料電池を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、過去１５分以内の需要電力に基づいて燃料電池の発生電力の目標値を設定する目標値設定手段と、目標値に従って電力を発生するように、燃料電池を制御する発生電力制御手段と、を備えることを特徴とする。
【０００６】
この燃料電池システムによれば、燃料電池の発生電力の変動速度を考慮すると共に実際の需要電力の増加・減少の傾向に応答して電力を供給することを考慮した場合に、最適な時間である過去１５分以内の需要電力の値を全体的に判断することによって、適切な目標値を設定することができる。このようにして設定した目標値に従うことによって、発生電力が需要電力の急激な変動や局所的な変動による影響を受けないように燃料電池を制御することができ、更に、発生電力の変動が緩やかになるように燃料電池を制御することができる。以上によって、余剰電力の発生を低減すると共に、燃料電池の発電効率が低下してしまうことを抑制することができる。
【０００７】
本発明に係る燃料電池システムにおいて、目標値設定手段は、過去１５分以内の需要電力の最小値に基づいて目標値を設定することが好ましい。このようにすれば、需要電力が急激に変動した場合や、局所的に変動した場合であっても、過去１５分以内の需要電力の最小値に基づいて目標値が設定されているため、需要電力の変動の影響を排除すると共に、発生電力の変動を緩やかにすることができる。以上によって、余剰電力の発生を低減すると共に、燃料電池の発電効率が低下してしまうことを抑制することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムによれば、余剰電力の発生を低減すると共に、燃料電池の発電効率の低下を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１０】
図１は、実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図であり、図２は図１の制御装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、水素製造装置（ＦＰＳ）１０、燃料電池２０、インバータ３０、制御装置４０、バーナ燃料供給装置５０、水素製造用原料供給装置６０、冷却水供給装置７０、空気供給装置８０、余剰ヒータ９０、及び計測器１００，１１０を備えている。
【００１１】
ＦＰＳ１０は、水素製造用原料供給装置６０からの水素製造用原料を利用して、水素リッチな改質ガスを生成する。水素製造用原料としては、水蒸気改質により水素を含む改質ガスを得られる物質であれば使用できる。例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類など分子中に炭素と水素を有する化合物を用いることができる。工業用あるいは民生用に安価に入手できる原料として、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、メタン、都市ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）を挙げることができ、また石油から得られるガソリン、ナフサ、灯油、軽油など炭化水素油を挙げることができる。これらの中でも、液体原料が好ましく、特に灯油は入手容易でありその取扱が容易であるため好ましい。
【００１２】
このＦＰＳ１０は、改質部１１、バーナ１２、シフト部１３、及び選択酸化部１４を有している。改質部１１は、改質用水を用いて水素製造用原料を水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを生成する。水蒸気改質のための改質触媒としては、例えば、ニッケル系、ルテニウム系、ロジウム系等の金属をアルミナやジルコニア等からなる担体に担持させたものが挙げられる。バーナ１２は、吸熱反応である水蒸気改質に必要な熱を供給する。このバーナ１２は、燃料電池システム１の起動時には、バーナ燃料供給装置５０からの燃料を燃焼させる。また、バーナ１２は、燃料電池２０で使用されずに排出された改質ガスの余剰分であるオフガスを燃焼させる。
【００１３】
シフト部１３は、シフト触媒を用いて水性シフト反応により改質ガス中のＣＯを数千ｐｐｍ程度まで除去する。シフト触媒としては、例えば、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃｒ等をアルミナやジルコニア等からなる担体に担持させたものが挙げられる。シフト触媒による水性シフト反応が活性化される温度範囲は、触媒の種類により異なるものの、凡そ２００〜５００℃の範囲である。
【００１４】
選択酸化部１４は、選択酸化触媒を用いて選択酸化により改質ガス中のＣＯを数十ｐｐｍ程度まで除去する。選択酸化触媒としては、例えば、Ｐｔ、Ｒｕ等をアルミナやジルコニア等からなる担体に担持させたものが挙げられる。選択酸化触媒による選択酸化反応が活性化される温度範囲は、触媒の種類により異なるものの、凡そ１２０〜１８０℃の範囲である。また、選択酸化触媒の還元が促進される温度範囲は、触媒の種類により異なるものの、凡そ２００〜２５０℃の範囲である。選択酸化部１４は、改質ガスを生成したら燃料電池２０へ供給する。
【００１５】
空気供給装置８０は、選択酸化部１４における選択酸化反応に必要な酸素源としての空気を、選択酸化部１４に供給する。
【００１６】
冷却水供給装置７０は、発熱反応である水性シフト反応を行うシフト部１３、及び発熱反応である選択酸化反応を行う選択酸化部１４を冷却するための冷却水を供給する。
【００１７】
燃料電池２０は、例えば、固体高分子形（ＰＥＦＣ）の電池スタックであり、複数の電池セルが積み重ねられて構成され、ＦＰＳ１０で生成された改質ガスを用いて電力を発生し、インバータ３０を介して家庭用の電気機器ＥＩへ電力を供給する。電池セルは、アノードと、カソードと、アノード及びカソード間に配置された電解質である高分子のイオン交換膜とを有しており、アノード側に改質ガスを導入させると共に、カソード側に空気を導入させることで、各電池セルにおいて電気化学的な発電反応が行われる。また、インバータ３０は、出力されたＤＣ電流を交流（ＡＣ）電流に変換する。なお、燃料電池２０の発生電力が電気機器ＥＩの需要電力に満たない場合は、商用電力系統ＣＥから補助電力が電気機器ＥＩへ供給される。
【００１８】
余剰ヒータ９０は、電気機器ＥＩの需要電力より燃料電池２０の発生電力が上回った場合に、その余剰電力を利用して、例えば湯を沸かすものである。
【００１９】
計測器１００は、燃料電池２０から電気機器ＥＩへ供給される供給電力を測定し、供給電力の測定値を制御装置４０へ出力する。また、計測器１１０は、商用電力系統ＣＥから電気機器ＥＩへ供給される補助電力を測定し、補助電力の測定値を制御装置４０へ出力する。
【００２０】
制御装置４０は、例えば、電子制御を行うデバイスであり、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）、および入出力インターフェイスなどを備えて構成されている。制御装置４０の入出力インターフェイスには、燃料電池２０及びそれに備わる電流計、バーナ燃料供給装置５０、水素製造用原料供給装置６０、冷却水供給装置７０、空気供給装置８０、及び計測器１００，１１０に、直接あるいはネットワークを介して論理的に接続されており、信号の送受信が可能となっている。
【００２１】
この制御装置４０は、燃料電池２０を制御するものであり、図２に示すように、需要電力取得部４１、記憶部４２、目標値設定部（目標値設定手段）４３、及び発生電力制御部（発生電力制御手段）４４、を備えて構成されている。
【００２２】
需要電力取得部４１は、計測器１００，１１０から入力された供給電力及び補助電力に基づいて電気機器ＥＩからの需要電力を取得する機能を有する。需要電力は、供給電力と補助電力の和によって算出される。また、需要電力取得部４１は、需要電力を取得すると記憶部４２へ出力する機能を有する。
【００２３】
記憶部４２は、需要電力取得部４１から入力された需要電力に基づき、過去から現在に至るまでの需要電力によって描かれた需要電力プロットを記憶する機能を有する。需要電力プロットは、図４（ａ）〜（ｃ）中においてＷｚで示されるグラフである。また、記憶部４２は、需要電力プロットを目標値設定部４３へ出力する機能を有する。
【００２４】
目標値設定部４３は、記憶部４２から入力された需要電力プロットに基づいて燃料電池２０の発生電力の目標値を設定する機能を有する。目標値設定部４３は、具体的には、過去数分以内の需要電力プロットを参照して、その範囲における需要電力の最小値を目標値に設定する。なお、遡る時間は、短すぎる場合、燃料電池２０の発生電力の変動速度の影響によって余剰電力が発生する虞があり、一方、長すぎる場合、実際の需要電力の増加・減少の傾向に応答して電力を供給することができない虞があるため、過去１５分まで遡ることが好ましく、過去５〜１０分まで遡ることが更に好ましい。目標値設定部４３は、目標値を設定すると発生電力制御部４４へ出力する機能を有する。
【００２５】
発生電力制御部４４は、目標値設定部４３から取得した目標値に従って電力を発生するように、燃料電池２０を制御する機能を有する。発生電力制御部４４は、具体的には、バーナ燃料供給装置５０、水素製造用原料供給装置６０、冷却水供給装置７０、及び空気供給装置８０へ制御信号を出力し、バーナ１２の火力、水素製造用原料の供給量、冷却水の供給量、及び空気の供給量を調節することによって、燃料電池２０を制御する。
【００２６】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の制御装置４０の動作について、図３を参照して説明する。図３は制御装置の動作を示すフローチャートである。
【００２７】
制御装置４０は、図３に示す制御処理を所定のタイミングで繰り返し実行する。最初に、制御装置４０は、需要電力取得処理から開始する（Ｓ１０）。Ｓ１０の処理は、需要電力取得部４１で実行され、電気機器ＥＩからの需要電力を取得する処理である。Ｓ１０の処理が終了すると、需要電力プロット取得処理へ移行する（Ｓ１２）。
【００２８】
Ｓ１２の処理は目標値設定部４３で実行され、記憶部４２から需要電力プロットを取得する処理である。需要電力プロットは、時間経過に伴いＳ１０で新たな需要電力が取得されるたびに更新される。Ｓ１２の処理が終了すると、目標値設定処理へ移行する（Ｓ１４）。
【００２９】
Ｓ１４の処理は、目標値設定部４３で実行され、Ｓ１２で取得された需要電力プロットに基づいて、燃料電池２０の発生電力の目標値を設定する処理である。
【００３０】
ここで、Ｓ１４における目標値の設定方法の詳細について、図４を参照して具体的に説明する。図４は、燃料電池の発生電力の目標値の設定方法を示す図である。
【００３１】
図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、過去から現在に至るまでの需要電力プロットＷｚにおいて、最小の極小点をＰ１、極小点Ｐ１以降の時刻であって極小点Ｐ１の次に小さい極小点をＰ３とし、そのときの時刻をそれぞれＴ１，Ｔ３とする。また、極小点Ｐ１と極小点Ｐ３との間で、極小点Ｐ３の値と同一値となる点を中間点Ｐ２とし、そのときの時刻をＴ２とする。また、図中において、現在の時刻をＴｎとし、現在から所定時間遡った時刻をＴｂとする。このように時刻を設定した場合、時刻Ｔｎと時刻Ｔｂとの間の需要電力の最小値が燃料電池２０の発生電力の目標値Ｐｄとして設定される。
【００３２】
図４（ａ）に示すように、時刻Ｔｂが時刻Ｔ１以前である場合、時刻Ｔｎと時刻Ｔｂとの間の最小需要電力は、時刻Ｔ１での需要電力、すなわち極小点Ｐ１によって与えられる。従って、目標値Ｐｄは極小点Ｐ１における需要電力と同一値に設定される。
【００３３】
図４（ｂ）に示すように、時刻Ｔｂが時刻Ｔ１より後、且つ、時刻Ｔ２以前である場合、時刻Ｔｎと時刻Ｔｂとの間の最小需要電力は、時刻Ｔｂでの需要電力となる（図中においてＰｍと示す）。従って、目標値ＰｄはＰｍにおける需要電力と同一値に設定される。なお、このとき、現在までの目標値Ｐｄによって描かれる目標値プロットＷｔの勾配は、極小点Ｐ１と中間点Ｐ２との間の需要電力プロットの勾配と同一となる。
【００３４】
図４（ｃ）に示すように、時刻Ｔｂが時刻Ｔ２より後、且つ、時刻Ｔ３以前である場合、時刻Ｔｎと時刻Ｔｂとの間の最小需要電力は、時刻Ｔ３での需要電力、すなわち極小点Ｐ３によって与えられる。従って、目標値Ｐｄは極小点Ｐ３における需要電力と同一値に設定される。
【００３５】
図３へ戻り、Ｓ１４の処理が終了すると、発生電力制御処理へ移行する（Ｓ１６）。Ｓ１６の処理は、発生電力制御部４４で実行され、Ｓ１４で設定した目標値Ｐｄに従って電力を発生するように、燃料電池２０を制御する処理である。Ｓ１６の処理が終了すると、図３に示す燃料電池２０の電力発生処理が終了する。
【００３６】
以上によって、燃料電池２０の発生電力の変動速度を考慮すると共に実際の需要電力の増加・減少の傾向に応答して電力を供給することを考慮した場合に、最適な時間である過去１５分以内の需要電力の値を全体的に判断することによって、適切な目標値を設定することができる。このようにして設定した目標値に従うことによって、発生電力が需要電力の急激な変動や局所的な変動による影響を受けないように燃料電池２０を制御することができ、更に、発生電力の変動が緩やかになるように燃料電池２０を制御することができる。以上によって、余剰電力の発生を低減すると共に、燃料電池２０の発電効率が低下してしまうことを抑制することができる。
【００３７】
また、需要電力が急激に変動した場合や、局所的に変動した場合であっても、過去１５分以内の需要電力の最小値に基づいて目標値が設定されているため、需要電力の変動の影響を排除すると共に、発生電力の変動を緩やかにすることができる。以上によって、余剰電力の発生を低減すると共に、燃料電池２０の発電効率が低下してしまうことを抑制することができる。
【００３８】
本発明は上述した実施形態に限られるものではない。
【００３９】
本実施形態においては、過去数分以内の需要電力の最小値を目標値に設定しているが、最小値よりも電力を数ワット上乗せした値を目標値に設定してもよい。また、局所的に異常な需要電力低下があった場合、その箇所における最小値を無視するようにして目標値を設定してもよい。
【００４０】
また、燃料電池として固体高分子形（ＰＥＦＣ）のものを適用しているが、これに限らず、アルカリ電解質形、リン酸形、溶融炭酸塩形あるいは固体酸化物形などの他の形式の燃料電池であってもよい。
【実施例】
【００４１】
以下、上記効果を確認すべく、本発明者らが実施した実施例、比較例について述べる。結果は図５に示す。
【００４２】
（比較例）
図５において、実線で示すグラフＷｚは需要電力プロットであり、点線で示すグラフＷｈは、燃料電池の発生電力が需要電力に追従するようにして制御を行った場合の燃料電池の発生電力プロットである。図５に示すように、需要電力の変動速度は一秒当たり数百ワットであるのに対して燃料電池の発生電力の変動速度は一秒当たり数ワット程度しかなく、変動速度が遅い。よって、需要電力が急増したら発生電力が緩やかに増加し、需要電力が急減したら発生電力が緩やかに減少するため、余剰電力が発生してしまう。比較例においては、図５中においてＥｒで示されるだけの余剰電力が発生する。また、発生電力の変動が激しいため、燃料電池の発電効率が低下してしまう。
【００４３】
（実施例）
図５において、一点鎖線で示すグラフＷｐは、過去５分以内の需要電力プロットを参照して、その範囲における需要電力の最小値を目標値に設定して制御を行った場合の燃料電池の発生電力プロットである。図５に示すように、燃料電池は、実際の需要電力の増加・減少の傾向に応答しつつも、需要電力の急激な変動による影響をほとんど受けず、余剰電力を発生することなく電力を発生している。また、比較例に比して発生電力の変動が緩やかであり、これによって、燃料電池の発電効率が低下してしまうことを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】図１の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図４】燃料電池の発生電力の目標値の設定方法を示す図であり、（ａ）は時刻Ｔｂが時刻Ｔ１以前である場合、（ｂ）は時刻Ｔｂが時刻Ｔ１より後、且つ、時刻Ｔ２以前である場合、（ｃ）時刻Ｔｂが時刻Ｔ２より後、且つ、時刻Ｔ３以前である場合を示す。
【図５】実施例及び比較例の結果を示す線図である。
【符号の説明】
【００４５】
１…燃料電池システム、２０…燃料電池、４０…制御装置、４３…目標値設定部（目標値設定手段）、４４…発生電力制御部（発生電力制御手段）。
【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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