JP2000323157A - 燃料電池発電システムおよびその制御方法 - Google Patents
燃料電池発電システムおよびその制御方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】急激な負荷変動に対し、燃料の過不足が無く応
答し、コンパクトな緩衝タンクを備えた燃料電池システ
ムの提供。 【解決手段】炭素および水素を含む化合物の燃料を改質
反応器内で水素を含む燃料ガスに変換する燃料ガス製造
手段と、一対の電極と該電極間に配置したイオン導電性
の電解質を含むセルを積層した燃料電池と、前記燃料ガ
ス製造手段と前記燃料電池の間に燃料ガスを貯える緩衝
タンクを設け、燃料電池の燃料として燃料ガス製造手段
で製造した燃料ガスを用いて発電し、インバータを介し
て負荷と接続される燃料電池発電システムにおいて、前
記燃料ガス製造手段の出口の燃料ガス圧力が前記燃料電
池の動作圧力より高いことを特徴とする燃料電池発電シ
ステム。
答し、コンパクトな緩衝タンクを備えた燃料電池システ
ムの提供。 【解決手段】炭素および水素を含む化合物の燃料を改質
反応器内で水素を含む燃料ガスに変換する燃料ガス製造
手段と、一対の電極と該電極間に配置したイオン導電性
の電解質を含むセルを積層した燃料電池と、前記燃料ガ
ス製造手段と前記燃料電池の間に燃料ガスを貯える緩衝
タンクを設け、燃料電池の燃料として燃料ガス製造手段
で製造した燃料ガスを用いて発電し、インバータを介し
て負荷と接続される燃料電池発電システムにおいて、前
記燃料ガス製造手段の出口の燃料ガス圧力が前記燃料電
池の動作圧力より高いことを特徴とする燃料電池発電シ
ステム。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、水素製造装置を具
備した燃料電池発電システムに係わり、負荷変動に応答
するための緩衝タンクを備えた燃料電池発電システムに
関する。
備した燃料電池発電システムに係わり、負荷変動に応答
するための緩衝タンクを備えた燃料電池発電システムに
関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池発電システムは、イオン導電性
の電解質膜の両側に一対の電極を配置した電極−電解質
接合体を、反応ガス流路を備えた電気伝導性のセパレー
タを介して積層した構造の燃料電池と、燃料電池に燃料
ガスを供給する燃料系、酸化剤ガスを供給する空気系よ
り構成される。
の電解質膜の両側に一対の電極を配置した電極−電解質
接合体を、反応ガス流路を備えた電気伝導性のセパレー
タを介して積層した構造の燃料電池と、燃料電池に燃料
ガスを供給する燃料系、酸化剤ガスを供給する空気系よ
り構成される。
【０００３】移動体電源等の負荷と電源が１対１となる
ような用途には、比較的低温で作動すること、エネルギ
ー密度が高いことなどから、電解質膜としてプロトン導
電性の固体電解質を用いる固体高分子型燃料電池が一般
に用いられる。
ような用途には、比較的低温で作動すること、エネルギ
ー密度が高いことなどから、電解質膜としてプロトン導
電性の固体電解質を用いる固体高分子型燃料電池が一般
に用いられる。
【０００４】燃料系としては、炭素および水素を含む化
合物、例えばメタン等の炭化水素、メタノール等のアル
コールを燃料とし、水蒸気改質、あるいは、部分酸化お
よび水蒸気改質と部分酸化を複合した反応による水素製
造装置が用いられ、水蒸気改質した改質ガス中の一酸化
炭素を取り除く手段を備え、精製した改質ガスを燃料電
池に供給する。
合物、例えばメタン等の炭化水素、メタノール等のアル
コールを燃料とし、水蒸気改質、あるいは、部分酸化お
よび水蒸気改質と部分酸化を複合した反応による水素製
造装置が用いられ、水蒸気改質した改質ガス中の一酸化
炭素を取り除く手段を備え、精製した改質ガスを燃料電
池に供給する。
【０００５】水蒸気改質反応は吸熱反応であるので、熱
源として水蒸気改質装置には燃焼器を備えている。
源として水蒸気改質装置には燃焼器を備えている。
【０００６】燃焼器には燃料を直接供給したり、燃料電
池の燃料排ガス中の残留水素を供給して燃焼させて熱源
とする。燃焼器としては燃料、燃料電池の燃料排ガス共
に燃焼させることができる触媒燃焼器を用いる方法や、
燃料の直接燃焼用、および、燃料電池燃料排ガス燃焼用
の２つのバーナーヘッドを備える燃焼器を用いる方法が
あり、燃料電池燃料排ガスの熱量で不足する熱量を、燃
料の直接燃焼で賄う。
池の燃料排ガス中の残留水素を供給して燃焼させて熱源
とする。燃焼器としては燃料、燃料電池の燃料排ガス共
に燃焼させることができる触媒燃焼器を用いる方法や、
燃料の直接燃焼用、および、燃料電池燃料排ガス燃焼用
の２つのバーナーヘッドを備える燃焼器を用いる方法が
あり、燃料電池燃料排ガスの熱量で不足する熱量を、燃
料の直接燃焼で賄う。
【０００７】電力系統に連携された発電システムにおい
ては、多数の負荷が存在し、各々が独立に変動している
ため、全体としては発電側が１ｓ以下の時間で定格電力
を供給しなければならないと云うような急激な負荷変動
に対する応答は要求されない。
ては、多数の負荷が存在し、各々が独立に変動している
ため、全体としては発電側が１ｓ以下の時間で定格電力
を供給しなければならないと云うような急激な負荷変動
に対する応答は要求されない。
【０００８】一方、移動体電源、例えば、電気自動車の
ような用途においては負荷と発電側が１対１となるた
め、１００ｍｓ程度の急激な負荷変動に対する応答が必
要となる。このような、燃料電池システムの負荷応答速
度は、燃料電池に供給される水素の応答速度に支配され
る。水蒸気改質器が負荷応答する所用時間は約数十秒程
度である。
ような用途においては負荷と発電側が１対１となるた
め、１００ｍｓ程度の急激な負荷変動に対する応答が必
要となる。このような、燃料電池システムの負荷応答速
度は、燃料電池に供給される水素の応答速度に支配され
る。水蒸気改質器が負荷応答する所用時間は約数十秒程
度である。
【０００９】燃料電池発電システムが外部負荷の急激な
変動に対して応答するための手段として、特開平５−１
５１９８３号公報に記載されているように、２次電池シ
ステム等の蓄電手段とのハイブリッド方式とし、急激な
負荷増加に対して蓄電手段が電力を直接供給する方法
や、特開平９−２６６００６号公報、特開平９−３０６
５３１号公報に記載されるように、緩衝タンクを設置
し、急激な負荷変動に対して燃料電池へ水素を供給する
方法などが提案されている。
変動に対して応答するための手段として、特開平５−１
５１９８３号公報に記載されているように、２次電池シ
ステム等の蓄電手段とのハイブリッド方式とし、急激な
負荷増加に対して蓄電手段が電力を直接供給する方法
や、特開平９−２６６００６号公報、特開平９−３０６
５３１号公報に記載されるように、緩衝タンクを設置
し、急激な負荷変動に対して燃料電池へ水素を供給する
方法などが提案されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような蓄電手段は著しい重量増加を招き、効率や可搬性
を著しく低下させる。
ような蓄電手段は著しい重量増加を招き、効率や可搬性
を著しく低下させる。
【００１１】一方、緩衝タンクを備える燃料電池発電シ
ステムの場合、３０ｋＷ級の燃料電池を駆動するために
は、約４００リットル／分の改質ガスまたは約２００リ
ットル／分の水素ガスが必要となる。即ち、５リットル
のタンクを用いると燃料電池を１分間駆動するために保
持しなければならない改質ガスは８０気圧、改質ガスか
ら水素のみを取り出した場合でも４０気圧が必要とな
る。
ステムの場合、３０ｋＷ級の燃料電池を駆動するために
は、約４００リットル／分の改質ガスまたは約２００リ
ットル／分の水素ガスが必要となる。即ち、５リットル
のタンクを用いると燃料電池を１分間駆動するために保
持しなければならない改質ガスは８０気圧、改質ガスか
ら水素のみを取り出した場合でも４０気圧が必要とな
る。
【００１２】負荷が増加する場合には、緩衝タンク内の
燃料を放出するが、負荷が減少する場合には緩衝タンク
内に燃料を貯蔵する必要があり、ますます緩衝タンク容
量並びに昇圧のための補機動力を大きくする要因とな
る。
燃料を放出するが、負荷が減少する場合には緩衝タンク
内に燃料を貯蔵する必要があり、ますます緩衝タンク容
量並びに昇圧のための補機動力を大きくする要因とな
る。
【００１３】緩衝タンク容量を小さくし、かつ、負荷の
増減に係わらず緩衝タンクを有効に活用するためには、
速やかに緩衝タンク内の燃料ガス貯蔵量を所定量とする
制御手段が必要となる。
増減に係わらず緩衝タンクを有効に活用するためには、
速やかに緩衝タンク内の燃料ガス貯蔵量を所定量とする
制御手段が必要となる。
【００１４】上記に鑑み、本発明の目的は負荷変動時に
対応するための緩衝タンクを小型化する燃料電池発電シ
ステムを提供するにある。
対応するための緩衝タンクを小型化する燃料電池発電シ
ステムを提供するにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明の要旨は次のとおりである。
明の要旨は次のとおりである。
【００１６】〔１〕 炭素および水素を含む化合物の燃
料を改質反応器内で水素を含む燃料ガスに変換する燃料
ガス製造手段と、一対の電極と該電極間に配置したイオ
ン導電性の電解質を含むセルを積層した燃料電池と、前
記燃料ガス製造手段と前記燃料電池の間に燃料ガスを貯
える緩衝タンクを設け、燃料電池の燃料として燃料ガス
製造手段で製造した燃料ガスを用いて発電し、インバー
タを介して負荷と接続される燃料電池発電システムにお
いて、前記燃料ガス製造手段の出口の燃料ガス圧力が前
記燃料電池の動作圧力より高いことを特徴とする燃料電
池発電システム。
料を改質反応器内で水素を含む燃料ガスに変換する燃料
ガス製造手段と、一対の電極と該電極間に配置したイオ
ン導電性の電解質を含むセルを積層した燃料電池と、前
記燃料ガス製造手段と前記燃料電池の間に燃料ガスを貯
える緩衝タンクを設け、燃料電池の燃料として燃料ガス
製造手段で製造した燃料ガスを用いて発電し、インバー
タを介して負荷と接続される燃料電池発電システムにお
いて、前記燃料ガス製造手段の出口の燃料ガス圧力が前
記燃料電池の動作圧力より高いことを特徴とする燃料電
池発電システム。
【００１７】〔２〕 前記燃料ガス製造手段の出口の燃
料ガス圧力が前記燃料電池の動作圧力より１ｋｇ／ｃｍ
2以上高い〔１〕記載の燃料電池発電システム。
料ガス圧力が前記燃料電池の動作圧力より１ｋｇ／ｃｍ
2以上高い〔１〕記載の燃料電池発電システム。
【００１８】〔３〕 前記燃料ガス製造手段の出口圧力
と前記燃料電池の動作圧力の圧力差を用いて、前記緩衝
タンクに貯える燃料ガス量を調節する〔２〕に記載の燃
料電池発電システム。
と前記燃料電池の動作圧力の圧力差を用いて、前記緩衝
タンクに貯える燃料ガス量を調節する〔２〕に記載の燃
料電池発電システム。
【００１９】〔４〕 炭素および水素を含む化合物の燃
料を改質反応器内で水素を含む燃料ガスに変換する燃料
ガス製造手段と、一対の電極と該電極間に配置したプロ
トン導電性の電解質を含むセルを積層した燃料電池と、
前記燃料ガス製造手段と前記燃料電池の間に燃料ガスを
貯える緩衝タンクを設け、燃料電池の燃料として燃料ガ
ス製造手段で製造した燃料ガスを用いて発電し、インバ
ータを介して負荷と接続された燃料電池発電システムに
おいて、負荷要求検出手段、前記緩衝タンクの圧力検出
手段、前記燃料ガス製造手段の出口水素流量検出手段、
および、燃料電池の出口水素流量検出手段を有し、前記
各検出手段の検出結果よる負荷変動に対して前記緩衝タ
ンク、前記インバータ、および前記各制御手段に、前記
緩衝タンクに貯えられる燃料ガス量を予測して該緩衝タ
ンクに貯える燃料ガス量の基準値に近づくよう前記燃料
ガス製造手段の応答速度に合わせた制御信号を送るコン
トローラを設けたことを特徴とする燃料電池発電システ
ム。
料を改質反応器内で水素を含む燃料ガスに変換する燃料
ガス製造手段と、一対の電極と該電極間に配置したプロ
トン導電性の電解質を含むセルを積層した燃料電池と、
前記燃料ガス製造手段と前記燃料電池の間に燃料ガスを
貯える緩衝タンクを設け、燃料電池の燃料として燃料ガ
ス製造手段で製造した燃料ガスを用いて発電し、インバ
ータを介して負荷と接続された燃料電池発電システムに
おいて、負荷要求検出手段、前記緩衝タンクの圧力検出
手段、前記燃料ガス製造手段の出口水素流量検出手段、
および、燃料電池の出口水素流量検出手段を有し、前記
各検出手段の検出結果よる負荷変動に対して前記緩衝タ
ンク、前記インバータ、および前記各制御手段に、前記
緩衝タンクに貯えられる燃料ガス量を予測して該緩衝タ
ンクに貯える燃料ガス量の基準値に近づくよう前記燃料
ガス製造手段の応答速度に合わせた制御信号を送るコン
トローラを設けたことを特徴とする燃料電池発電システ
ム。
【００２０】〔５〕 負荷要求量に応じて前記緩衝タン
クに貯える燃料ガス量の基準値を定める〔４〕記載の燃
料電池発電システム。
クに貯える燃料ガス量の基準値を定める〔４〕記載の燃
料電池発電システム。
【００２１】〔６〕 前記緩衝タンクに貯える燃料ガス
量の基準値が、前記緩衝タンクに貯えられる最大燃料ガ
ス量の４０〜８５容量％である〔４〕記載の燃料電池発
電システム。
量の基準値が、前記緩衝タンクに貯えられる最大燃料ガ
ス量の４０〜８５容量％である〔４〕記載の燃料電池発
電システム。
【００２２】〔７〕 蓄電量を検出する手段を有する蓄
電手段が第２のインバータを介して燃料電池と並列に接
続され、前記コントローラが負荷変動に対する前記第２
のインバータの制御と、前記蓄電手段に貯える蓄電量の
基準値に近づくように前記燃料ガス製造手段の応答速度
に合わせた制御を行うことを特徴とする〔４〕記載の燃
料電池発電システム。
電手段が第２のインバータを介して燃料電池と並列に接
続され、前記コントローラが負荷変動に対する前記第２
のインバータの制御と、前記蓄電手段に貯える蓄電量の
基準値に近づくように前記燃料ガス製造手段の応答速度
に合わせた制御を行うことを特徴とする〔４〕記載の燃
料電池発電システム。
【００２３】〔８〕 前記緩衝タンクの体積の２０〜８
５％の水素吸蔵合金を充填した〔１〕または〔４〕に記
載の燃料電池発電システム。
５％の水素吸蔵合金を充填した〔１〕または〔４〕に記
載の燃料電池発電システム。
【００２４】
〔９〕 前記燃料電池内および緩衝タンク
内に冷媒が流通する熱交換部を備え、前記燃料電池内の
熱交換部、前記緩衝タンク内の熱交換部、ラジエータお
よび冷媒用ポンプで冷却機構を構成し、該冷却器構内を
冷媒が前記燃料電池内の熱交換部、前記緩衝タンク内の
熱交換部、ラジエータの順で循環するよう構成した
〔８〕に記載の燃料電池発電システム。
内に冷媒が流通する熱交換部を備え、前記燃料電池内の
熱交換部、前記緩衝タンク内の熱交換部、ラジエータお
よび冷媒用ポンプで冷却機構を構成し、該冷却器構内を
冷媒が前記燃料電池内の熱交換部、前記緩衝タンク内の
熱交換部、ラジエータの順で循環するよう構成した
〔８〕に記載の燃料電池発電システム。
【００２５】〔１０〕 前記水素吸蔵合金がモル分率で
ランタン３％以上、ニッケル５０％以上を含む〔８〕に
記載の燃料電池発電システム。
ランタン３％以上、ニッケル５０％以上を含む〔８〕に
記載の燃料電池発電システム。
【００２６】〔１１〕 前記緩衝タンクの入口と出口を
接続するバイパス配管を有する〔４〕に記載の燃料電池
発電システム。
接続するバイパス配管を有する〔４〕に記載の燃料電池
発電システム。
【００２７】〔１２〕 前記燃料ガス製造手段の出口の
燃料ガス圧力と、前記燃料電池の動作圧力との差を動力
として回収し、該動力により前記燃料電池の空気極に空
気を送る〔１１〕に記載の燃料電池発電システム。
燃料ガス圧力と、前記燃料電池の動作圧力との差を動力
として回収し、該動力により前記燃料電池の空気極に空
気を送る〔１１〕に記載の燃料電池発電システム。
【００２８】〔１３〕 前記緩衝タンクから前記燃料ガ
ス製造手段内の燃焼器に接続する配管への第２のバイパ
ス配管を設けた〔１１〕または〔１２〕に記載の燃料電
池発電システム。
ス製造手段内の燃焼器に接続する配管への第２のバイパ
ス配管を設けた〔１１〕または〔１２〕に記載の燃料電
池発電システム。
【００２９】
【発明の実施の形態】炭素および水素を含む化合物から
なる燃料を改質反応器内で水素を含む燃料ガスに変換す
る燃料ガス製造手段と、一対の電極および両電極間に位
置するプロトン導電性の電解質を有するセルを積層して
なる燃料電池と、前記燃料製造手段と前記燃料電池の間
に燃料ガスを貯える緩衝タンクからなり、燃料電池の燃
料として燃料ガス製造手段で製造した燃料ガスを用いて
発電し、インバータを介して負荷と接続される。負荷に
対して並列にインバータを介して接続される蓄電手段を
備えてもよい。
なる燃料を改質反応器内で水素を含む燃料ガスに変換す
る燃料ガス製造手段と、一対の電極および両電極間に位
置するプロトン導電性の電解質を有するセルを積層して
なる燃料電池と、前記燃料製造手段と前記燃料電池の間
に燃料ガスを貯える緩衝タンクからなり、燃料電池の燃
料として燃料ガス製造手段で製造した燃料ガスを用いて
発電し、インバータを介して負荷と接続される。負荷に
対して並列にインバータを介して接続される蓄電手段を
備えてもよい。
【００３０】次に負荷変動に対する応答手順について説
明する。基本的な手順の構成は計測ステップ、短時間に
負荷変動に応じるステップ、燃料製造手段の応答速度に
応じて緩衝タンク内の水素貯蔵量等が基準値となるよう
に燃料製造量を調節するステップの３ステップで構成さ
れる。
明する。基本的な手順の構成は計測ステップ、短時間に
負荷変動に応じるステップ、燃料製造手段の応答速度に
応じて緩衝タンク内の水素貯蔵量等が基準値となるよう
に燃料製造量を調節するステップの３ステップで構成さ
れる。
【００３１】計測ステップでは、燃料電池システム内の
状態を検出するための検出手段として、電気自動車の場
合のアクセル開度に相当する負荷要求検出手段、緩衝タ
ンクの圧力検出手段、燃料製造手段出口の水素流量検出
手段、および、燃料電池の燃料排ガス中の水素流量検出
手段を有す。蓄電手段を備える場合には蓄電手段の充放
電容量を検出する手段も備える。
状態を検出するための検出手段として、電気自動車の場
合のアクセル開度に相当する負荷要求検出手段、緩衝タ
ンクの圧力検出手段、燃料製造手段出口の水素流量検出
手段、および、燃料電池の燃料排ガス中の水素流量検出
手段を有す。蓄電手段を備える場合には蓄電手段の充放
電容量を検出する手段も備える。
【００３２】上記各検出手段による計測は所定間隔毎に
行われ、少なくとも前回、好ましくは２回以上前の測定
結果をコントローラ上のランダムアクセスメモリ上に保
持しておく。
行われ、少なくとも前回、好ましくは２回以上前の測定
結果をコントローラ上のランダムアクセスメモリ上に保
持しておく。
【００３３】負荷変動に対する応答手順は次のとおりで
ある。燃料電池内での水素利用率は、燃料電池の燃料排
ガスの燃焼により燃料ガス製造手段が必要な熱を賄うこ
とができる熱バランス水素利用率と、燃料電池内で水素
が不足する部分が発生しない最大の利用率である最大水
素利用率との間の適当な利用率で運転される。
ある。燃料電池内での水素利用率は、燃料電池の燃料排
ガスの燃焼により燃料ガス製造手段が必要な熱を賄うこ
とができる熱バランス水素利用率と、燃料電池内で水素
が不足する部分が発生しない最大の利用率である最大水
素利用率との間の適当な利用率で運転される。
【００３４】まず、要求される負荷に対して熱バランス
水素利用率、最大水素利用率、熱バランス水素利用率と
最大水素利用率との間の適当な水素利用率である基準水
素利用率のそれぞれの場合に必要な水素流量、および、
製造される水素流量を算出する。
水素利用率、最大水素利用率、熱バランス水素利用率と
最大水素利用率との間の適当な水素利用率である基準水
素利用率のそれぞれの場合に必要な水素流量、および、
製造される水素流量を算出する。
【００３５】次に、負荷に対する応答が、熱バランス水
素利用率と最大水素利用率との間の利用率変化で可能か
否かの判定を行う。
素利用率と最大水素利用率との間の利用率変化で可能か
否かの判定を行う。
【００３６】上記の負荷応答が上記の利用率の変化で可
能な場合には、水素利用率を変化させて負荷応答するよ
う、燃料電池に接続されたインバータおよび燃料電池に
供給される空気量の制御を行い、燃料電池の燃料排ガス
中の水素流量も変化するので、燃料製造手段の燃焼器で
必要な熱量を確保するために燃焼器への燃料供給量を増
加させ、空気量を調節する制御を行う。
能な場合には、水素利用率を変化させて負荷応答するよ
う、燃料電池に接続されたインバータおよび燃料電池に
供給される空気量の制御を行い、燃料電池の燃料排ガス
中の水素流量も変化するので、燃料製造手段の燃焼器で
必要な熱量を確保するために燃焼器への燃料供給量を増
加させ、空気量を調節する制御を行う。
【００３７】上記の利用率の変化で負荷応答が不可能な
場合には、緩衝タンク内の燃料の貯蔵、放出、あるい
は、蓄電手段を備える場合にはその充放電を行って負荷
応答する。
場合には、緩衝タンク内の燃料の貯蔵、放出、あるい
は、蓄電手段を備える場合にはその充放電を行って負荷
応答する。
【００３８】製造水素量が不足する場合、燃料電池を最
大水素利用率で運転し、緩衝タンク内の燃料の放出や蓄
電手段の放電により負荷追従する方法、燃料電池熱バラ
ンス水素利用率で運転し、緩衝タンク内の燃料の放出や
蓄電手段の放電により負荷追従する方法、あるいは、燃
料電池を最大水素利用率と熱バランス水素利用率との間
の適当な基準水素利用率で運転し、緩衝タンク内の燃料
の放出や蓄電手段の放電により負荷追従する方法等があ
り、緩衝タンクの燃料貯蔵量、蓄電手段の蓄電量に応じ
て制御する。
大水素利用率で運転し、緩衝タンク内の燃料の放出や蓄
電手段の放電により負荷追従する方法、燃料電池熱バラ
ンス水素利用率で運転し、緩衝タンク内の燃料の放出や
蓄電手段の放電により負荷追従する方法、あるいは、燃
料電池を最大水素利用率と熱バランス水素利用率との間
の適当な基準水素利用率で運転し、緩衝タンク内の燃料
の放出や蓄電手段の放電により負荷追従する方法等があ
り、緩衝タンクの燃料貯蔵量、蓄電手段の蓄電量に応じ
て制御する。
【００３９】以上の負荷に対する応答動作の後、燃料製
造手段の応答速度に応じて、燃料電池の水素利用率およ
び緩衝タンク内の水素貯蔵量等が基準値となるよう、燃
料製造量を調節する動作を行う。このステップでは燃料
電池の利用率、緩衝タンクの水素貯蔵量、および、蓄電
手段の予測蓄電量を求め、燃料製造手段の負荷応答制限
範囲内で、それぞれの予測値が基準値に近づくように燃
料製造手段の燃焼器への燃料供給量、空気量、反応器へ
の燃料供給量、水供給量を制御する。
造手段の応答速度に応じて、燃料電池の水素利用率およ
び緩衝タンク内の水素貯蔵量等が基準値となるよう、燃
料製造量を調節する動作を行う。このステップでは燃料
電池の利用率、緩衝タンクの水素貯蔵量、および、蓄電
手段の予測蓄電量を求め、燃料製造手段の負荷応答制限
範囲内で、それぞれの予測値が基準値に近づくように燃
料製造手段の燃焼器への燃料供給量、空気量、反応器へ
の燃料供給量、水供給量を制御する。
【００４０】燃料製造手段の負荷応答速度を速めるため
に燃料製造手段の反応器へ空気を供給し、反応を水蒸気
改質反応と部分酸化反応の２つを行わせる方法もある。
に燃料製造手段の反応器へ空気を供給し、反応を水蒸気
改質反応と部分酸化反応の２つを行わせる方法もある。
【００４１】緩衝タンク内の水素ガス貯蔵量の基準値
は、負荷増加時には燃料放出、負荷減少時には燃料を貯
蔵するため、緩衝タンクの最大圧力で決定される最大燃
料ガス量に対して４０〜８５％とすることが望ましい。
また、水素ガス貯蔵量の基準値は、燃料電池の発電量に
応じて適当な値とすることが望ましい。即ち、燃料電池
の発電量が最大に近いときは必要な水素量が増加する可
能性は低く、負荷要求が低下するときに余剰燃料が生ず
る可能性が高いため、緩衝タンク内の貯蔵量は少ない方
が望ましく、燃料電池の発電量が小さいときは逆に貯蔵
量が多い方が望ましい。
は、負荷増加時には燃料放出、負荷減少時には燃料を貯
蔵するため、緩衝タンクの最大圧力で決定される最大燃
料ガス量に対して４０〜８５％とすることが望ましい。
また、水素ガス貯蔵量の基準値は、燃料電池の発電量に
応じて適当な値とすることが望ましい。即ち、燃料電池
の発電量が最大に近いときは必要な水素量が増加する可
能性は低く、負荷要求が低下するときに余剰燃料が生ず
る可能性が高いため、緩衝タンク内の貯蔵量は少ない方
が望ましく、燃料電池の発電量が小さいときは逆に貯蔵
量が多い方が望ましい。
【００４２】緩衝タンクを備える燃料電池システムは、
蓄電手段を備えること無く急激な負荷変動に応答するこ
とができるが、例えば、電気自動車等の用途の場合に
は、減速時にモータで発電を行うことで減速時のエネル
ギーを回収でき、エネルギー効率を高めることができ
る。蓄電手段を備える場合は、上記のように蓄電手段以
外の燃料電池システムと連携した制御を行うことが望ま
しい。
蓄電手段を備えること無く急激な負荷変動に応答するこ
とができるが、例えば、電気自動車等の用途の場合に
は、減速時にモータで発電を行うことで減速時のエネル
ギーを回収でき、エネルギー効率を高めることができ
る。蓄電手段を備える場合は、上記のように蓄電手段以
外の燃料電池システムと連携した制御を行うことが望ま
しい。
【００４３】燃料電池システムをコンパクトにするため
には、燃料ガス製造手段の動作圧力を高めることによ
り、燃料ガス製造手段内の反応器、即ち改質反応器、シ
フト反応器、ＣＯ除去器の体積を小さくすることができ
る。
には、燃料ガス製造手段の動作圧力を高めることによ
り、燃料ガス製造手段内の反応器、即ち改質反応器、シ
フト反応器、ＣＯ除去器の体積を小さくすることができ
る。
【００４４】反応器の圧力を高めるためには、改質反応
器に供給する燃料および水を液体の状態で加圧すればよ
いので、加圧のための補機動力増加は少ない。
器に供給する燃料および水を液体の状態で加圧すればよ
いので、加圧のための補機動力増加は少ない。
【００４５】一方、燃料電池の動作圧力を高めることで
燃料電池の性能を高めることができるが、圧力を高める
ことにより性能が高くなるのは空気極側であり、空気極
側のブロワを駆動する補機動力も増大するため、メリッ
トが少ない。従って、燃料ガス製造手段の圧力を燃料電
池の動作圧力よりも高くする。
燃料電池の性能を高めることができるが、圧力を高める
ことにより性能が高くなるのは空気極側であり、空気極
側のブロワを駆動する補機動力も増大するため、メリッ
トが少ない。従って、燃料ガス製造手段の圧力を燃料電
池の動作圧力よりも高くする。
【００４６】燃料ガス製造手段のコンパクト化には、燃
料電池との動作圧力の差は少なくとも１ｋｇ／ｃｍ2以
上であることが望ましい。
料電池との動作圧力の差は少なくとも１ｋｇ／ｃｍ2以
上であることが望ましい。
【００４７】燃料ガス製造手段と燃料電池との間に動作
圧力の差があるため、緩衝タンクの出入り口に備える調
節弁を用いて緩衝タンクの圧力を調節することで、緩衝
タンク内に貯える燃料ガス量を調節することができる。
従って、コンプレッサー等の昇圧手段が不要となり、補
機動力によるエネルギー損失を抑制できる。
圧力の差があるため、緩衝タンクの出入り口に備える調
節弁を用いて緩衝タンクの圧力を調節することで、緩衝
タンク内に貯える燃料ガス量を調節することができる。
従って、コンプレッサー等の昇圧手段が不要となり、補
機動力によるエネルギー損失を抑制できる。
【００４８】さらに、緩衝タンクを水素吸蔵合金を充填
した水素吸蔵タンクとすることで、緩衝タンク内に燃料
電池の燃料極で反応する水素のみを貯蔵することがで
き、タンクの体積をよりコンパクトにすることができ
る。この水素吸蔵合金は室温、大気圧で４００リットル
の水素を約１リットル（１０キログラム）程度にするこ
とができる。
した水素吸蔵タンクとすることで、緩衝タンク内に燃料
電池の燃料極で反応する水素のみを貯蔵することがで
き、タンクの体積をよりコンパクトにすることができ
る。この水素吸蔵合金は室温、大気圧で４００リットル
の水素を約１リットル（１０キログラム）程度にするこ
とができる。
【００４９】この場合、燃料ガス製造手段と燃料電池の
動作圧力の差を用いて緩衝タンク内で水素を吸蔵／放出
することができ、緩衝タンクを作動させるための補機動
力を必要としない。なお、緩衝タンクの水素吸蔵／放出
の速度が負荷要求の変動速度を満足する必要があり、水
素吸蔵合金と燃料ガスの接触面積を大きくし、緩衝タン
ク内で燃料ガスが流通するときの圧力損失を小さくしな
ければならない。このため、緩衝タンク内の水素吸蔵合
金量は緩衝タンクの容積の２０〜８５％が望ましい。
動作圧力の差を用いて緩衝タンク内で水素を吸蔵／放出
することができ、緩衝タンクを作動させるための補機動
力を必要としない。なお、緩衝タンクの水素吸蔵／放出
の速度が負荷要求の変動速度を満足する必要があり、水
素吸蔵合金と燃料ガスの接触面積を大きくし、緩衝タン
ク内で燃料ガスが流通するときの圧力損失を小さくしな
ければならない。このため、緩衝タンク内の水素吸蔵合
金量は緩衝タンクの容積の２０〜８５％が望ましい。
【００５０】水素吸蔵合金は、水素を放出するときに約
２０〜３０ｋＪ／ｍｏｌＨ2の吸熱し、水素を吸蔵する
ときには逆に発熱する。水素の吸蔵，放出時の反応熱に
より水素吸蔵合金の温度が変化すると、水素吸蔵合金の
解離圧が変化して吸蔵や放出ができなくなる。従って、
水素吸蔵合金の温度変化を抑制する手段が必要である。
２０〜３０ｋＪ／ｍｏｌＨ2の吸熱し、水素を吸蔵する
ときには逆に発熱する。水素の吸蔵，放出時の反応熱に
より水素吸蔵合金の温度が変化すると、水素吸蔵合金の
解離圧が変化して吸蔵や放出ができなくなる。従って、
水素吸蔵合金の温度変化を抑制する手段が必要である。
【００５１】このため、燃料電池温度を一定にする冷媒
循環系を緩衝タンク内に設けた熱交換器に接続する方法
がある。冷媒循環系の循環経路を燃料電池内の熱交換
部、緩衝タンク内の熱交換部、ラジエータの順とするこ
とで、緩衝タンク内の温度を外気温の影響を受けずに、
燃料電池温度に近い温度とすることができる。
循環系を緩衝タンク内に設けた熱交換器に接続する方法
がある。冷媒循環系の循環経路を燃料電池内の熱交換
部、緩衝タンク内の熱交換部、ラジエータの順とするこ
とで、緩衝タンク内の温度を外気温の影響を受けずに、
燃料電池温度に近い温度とすることができる。
【００５２】緩衝タンクに用いる水素吸蔵合金は、解離
圧が１〜１０ｋｇ／ｃｍ2の範囲で、燃料ガス中に含ま
れる二酸化炭素や微量の一酸化炭素により被毒されにく
い合金組成であることが望ましい。こうした合金組成と
しては、モル分率でランタンが３％以上、かつ、ニッケ
ルが５０％以上のランタン−ニッケル系合金、ミッシュ
メタル−ニッケル系合金がある。
圧が１〜１０ｋｇ／ｃｍ2の範囲で、燃料ガス中に含ま
れる二酸化炭素や微量の一酸化炭素により被毒されにく
い合金組成であることが望ましい。こうした合金組成と
しては、モル分率でランタンが３％以上、かつ、ニッケ
ルが５０％以上のランタン−ニッケル系合金、ミッシュ
メタル−ニッケル系合金がある。
【００５３】上記合金には一般的に解離圧の調節などの
目的でアルミニウム、クロム、マンガン、コバルト、シ
リカなどの第３元素が添加されるが、本発明は、こうし
た第３元素の添加を妨げるものではない。
目的でアルミニウム、クロム、マンガン、コバルト、シ
リカなどの第３元素が添加されるが、本発明は、こうし
た第３元素の添加を妨げるものではない。
【００５４】緩衝タンクは、燃料ガス製造手段と燃料電
池との間に配置するが、燃料ガス製造手段と燃料電池を
直接接続するバイパス配管を設置し、緩衝タンクの出入
り口およびバイパス配管の調節弁を制御して、緩衝タン
クの貯蔵量を調節する構造とすると、バイパス配管の無
い構成よりも制御が容易になる。即ち、バイパス配管の
調節弁を閉じ、緩衝タンク入口の調節弁を開き、緩衝タ
ンク出口の調節弁の前後で、燃料ガス製造手段と燃料電
池の圧力差がつくように調節すると、緩衝タンクへの貯
蔵速度が最大となる。
池との間に配置するが、燃料ガス製造手段と燃料電池を
直接接続するバイパス配管を設置し、緩衝タンクの出入
り口およびバイパス配管の調節弁を制御して、緩衝タン
クの貯蔵量を調節する構造とすると、バイパス配管の無
い構成よりも制御が容易になる。即ち、バイパス配管の
調節弁を閉じ、緩衝タンク入口の調節弁を開き、緩衝タ
ンク出口の調節弁の前後で、燃料ガス製造手段と燃料電
池の圧力差がつくように調節すると、緩衝タンクへの貯
蔵速度が最大となる。
【００５５】緩衝タンク入口の調節弁を閉じ、バイパス
配管の調節弁の前後で燃料ガス製造手段と燃料電池の圧
力差、および、緩衝タンク出口の調節弁の前後で緩衝タ
ンクと燃料電池の圧力差がつくように調節すると緩衝タ
ンクからの放出速度が最大となり、燃料ガス製造手段か
らも直接燃料が供給されるので、燃料電池への燃料供給
速度が最大となる。
配管の調節弁の前後で燃料ガス製造手段と燃料電池の圧
力差、および、緩衝タンク出口の調節弁の前後で緩衝タ
ンクと燃料電池の圧力差がつくように調節すると緩衝タ
ンクからの放出速度が最大となり、燃料ガス製造手段か
らも直接燃料が供給されるので、燃料電池への燃料供給
速度が最大となる。
【００５６】燃料ガス製造手段Ｂ１と燃料電池９の動作
圧力の差は、燃料電池９の空気極へのブロワ動力として
回収することができる。この場合、燃料ガス製造手段Ｂ
１から燃料電池９に供給する燃料ガス量と動力が比例
し、空気極が必要な空気量も燃料ガス量と比例するの
で、制御が容易になる。
圧力の差は、燃料電池９の空気極へのブロワ動力として
回収することができる。この場合、燃料ガス製造手段Ｂ
１から燃料電池９に供給する燃料ガス量と動力が比例
し、空気極が必要な空気量も燃料ガス量と比例するの
で、制御が容易になる。
【００５７】緩衝タンク８に水素吸蔵合金を用いた場
合、合金の水素吸蔵中には緩衝タンクの出口ガスの水素
濃度が低く、相対的に炭酸ガスおよび一酸化炭素ガスの
濃度が高くなる。
合、合金の水素吸蔵中には緩衝タンクの出口ガスの水素
濃度が低く、相対的に炭酸ガスおよび一酸化炭素ガスの
濃度が高くなる。
【００５８】緩衝タンク８の出口から燃料ガス製造手段
Ｂ１内の燃焼器１７に接続する第２のバイパス配管を設
置し、水素の吸蔵中には緩衝タンクの出口ガスを直接燃
焼器１７に導き、燃料電池９は燃料ガス製造手段Ｂ１か
ら直接供給される燃料を用いて、水素利用率を高めるこ
とにより、緩衝タンク８より排出される低水素濃度の燃
料を使用する必要がなくなる。
Ｂ１内の燃焼器１７に接続する第２のバイパス配管を設
置し、水素の吸蔵中には緩衝タンクの出口ガスを直接燃
焼器１７に導き、燃料電池９は燃料ガス製造手段Ｂ１か
ら直接供給される燃料を用いて、水素利用率を高めるこ
とにより、緩衝タンク８より排出される低水素濃度の燃
料を使用する必要がなくなる。
【００５９】以上の燃料電池発電システムは、負荷変動
の大きい使用方法、例えば、移動体電源、電気自動車等
への適用が好ましく、燃料電池としては出力密度が高い
高分子固体電解質型の燃料電池が好適である。
の大きい使用方法、例えば、移動体電源、電気自動車等
への適用が好ましく、燃料電池としては出力密度が高い
高分子固体電解質型の燃料電池が好適である。
【００６０】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１は、緩衝タンク８を備えた燃料電池発電シス
テムの一例である。炭素および水素を含む化合物の燃料
を、改質反応器４内で水素を含む燃料ガスに変換する燃
料ガス製造手段Ｂ１、燃料ガスの供給を受けて直流発電
を行う燃料電池系Ｂ２、直交変換を行い負荷に接続され
る電気系Ｂ３、および、燃料ガス製造手段Ｂ１と燃料電
池系Ｂ２との間に設置される緩衝タンク系Ｂ４で構成さ
れる。
する。図１は、緩衝タンク８を備えた燃料電池発電シス
テムの一例である。炭素および水素を含む化合物の燃料
を、改質反応器４内で水素を含む燃料ガスに変換する燃
料ガス製造手段Ｂ１、燃料ガスの供給を受けて直流発電
を行う燃料電池系Ｂ２、直交変換を行い負荷に接続され
る電気系Ｂ３、および、燃料ガス製造手段Ｂ１と燃料電
池系Ｂ２との間に設置される緩衝タンク系Ｂ４で構成さ
れる。
【００６１】燃料ガス製造手段Ｂ１では、水蒸気改質器
燃料用ポンプ１で燃料タンク（図示省略）から供給され
る燃料を、水蒸気改質器用水ポンプ２で水を燃料気化器
３に送って気化させ、改質反応器４に導入する。
燃料用ポンプ１で燃料タンク（図示省略）から供給され
る燃料を、水蒸気改質器用水ポンプ２で水を燃料気化器
３に送って気化させ、改質反応器４に導入する。
【００６２】改質反応器４では、水蒸気改質反応により
水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水、および微量の未反
応燃料ガス等の混合ガスである合成ガスが製造される。
この合成ガスはシフトコンバータ５で、一酸化炭素と水
蒸気を反応させて水素と二酸化炭素とし、一酸化炭素濃
度約１％程度にした後、ＣＯ選択酸化器６で一酸化炭素
を選択的に燃焼して二酸化炭素にする。
水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水、および微量の未反
応燃料ガス等の混合ガスである合成ガスが製造される。
この合成ガスはシフトコンバータ５で、一酸化炭素と水
蒸気を反応させて水素と二酸化炭素とし、一酸化炭素濃
度約１％程度にした後、ＣＯ選択酸化器６で一酸化炭素
を選択的に燃焼して二酸化炭素にする。
【００６３】ＣＯ選択酸化器６には、酸化剤としてＣＯ
選択酸化器用ブロワ７により適宜空気が供給され、一酸
化炭素濃度を１００ｐｐｍ以下の燃料ガスを製造する。
選択酸化器用ブロワ７により適宜空気が供給され、一酸
化炭素濃度を１００ｐｐｍ以下の燃料ガスを製造する。
【００６４】緩衝タンク系Ｂ４は、燃料ガス製造手段Ｂ
１と燃料電池系Ｂ２を結ぶ配管と並列に設置され、緩衝
タンク８および緩衝タンク８へ燃料ガスを充填するため
の緩衝タンク充填用ブロワ２６、緩衝タンク８の出入り
口の流量を調節する緩衝タンク入口弁１８、緩衝タンク
出口弁１９で構成される。
１と燃料電池系Ｂ２を結ぶ配管と並列に設置され、緩衝
タンク８および緩衝タンク８へ燃料ガスを充填するため
の緩衝タンク充填用ブロワ２６、緩衝タンク８の出入り
口の流量を調節する緩衝タンク入口弁１８、緩衝タンク
出口弁１９で構成される。
【００６５】燃料電池系Ｂ２は、一対の電極および両電
極間に位置するプロトン導電性の電解質を有するセルを
積層してなる燃料電池９、燃料電池９に導入する燃料ガ
スを加湿するための燃料極加湿用水ポンプ１４および燃
料極用加湿器１５、燃料電池９に導入する空気用の燃料
電池空気極用ブロワ１０、該ブロワ１０から供給される
空気を加湿する空気極加湿用水ポンプ１２および空気極
用加湿器１３で構成される。
極間に位置するプロトン導電性の電解質を有するセルを
積層してなる燃料電池９、燃料電池９に導入する燃料ガ
スを加湿するための燃料極加湿用水ポンプ１４および燃
料極用加湿器１５、燃料電池９に導入する空気用の燃料
電池空気極用ブロワ１０、該ブロワ１０から供給される
空気を加湿する空気極加湿用水ポンプ１２および空気極
用加湿器１３で構成される。
【００６６】電気系Ｂ３は、燃料電池９の直流出力を交
流に変換する燃料電池系用インバータ５１、該インバー
タの交流出力に接続される電気負荷５２より構成され
る。
流に変換する燃料電池系用インバータ５１、該インバー
タの交流出力に接続される電気負荷５２より構成され
る。
【００６７】なお、電気系Ｂ３には、図１に示すように
燃料電池系用インバータ５１と並列に蓄電手段用インバ
ータ５４を設置し、二次電池等からなる蓄電手段５３を
接続してもよい。また、燃料電池９と蓄電手段５３をＤ
Ｃ／ＤＣコンバータで接続し、電気負荷５２と蓄電手段
５３を蓄電手段用インバータ５４で接続する方法等もあ
る。
燃料電池系用インバータ５１と並列に蓄電手段用インバ
ータ５４を設置し、二次電池等からなる蓄電手段５３を
接続してもよい。また、燃料電池９と蓄電手段５３をＤ
Ｃ／ＤＣコンバータで接続し、電気負荷５２と蓄電手段
５３を蓄電手段用インバータ５４で接続する方法等もあ
る。
【００６８】燃料電池９から排出される酸化剤排ガスは
復水器１１で気液分離を行い、凝縮水を水蒸気改質器用
水ポンプ２、空気極加湿用水ポンプ１２、および、燃料
極加湿用水ポンプ１４への水の供給源とする。復水器１
１を排出されるガスは系外に放出される。
復水器１１で気液分離を行い、凝縮水を水蒸気改質器用
水ポンプ２、空気極加湿用水ポンプ１２、および、燃料
極加湿用水ポンプ１４への水の供給源とする。復水器１
１を排出されるガスは系外に放出される。
【００６９】燃料電池９から排出される燃料排ガスは、
燃焼器用ブロワ１６から供給される空気と混合されて、
燃焼器１７に導かれる。燃焼器１７での燃焼熱は、改質
反応器４で必要な反応熱となる。改質反応器４が、必要
な熱量を燃料電池９の燃料排ガスで賄うことができない
場合には、燃料タンクから供給される燃料を燃焼器用燃
料ポンプ２０で燃焼器燃料用気化器２１を経由して燃焼
器１７に導く。
燃焼器用ブロワ１６から供給される空気と混合されて、
燃焼器１７に導かれる。燃焼器１７での燃焼熱は、改質
反応器４で必要な反応熱となる。改質反応器４が、必要
な熱量を燃料電池９の燃料排ガスで賄うことができない
場合には、燃料タンクから供給される燃料を燃焼器用燃
料ポンプ２０で燃焼器燃料用気化器２１を経由して燃焼
器１７に導く。
【００７０】以上の構成は各機器が別々となる必要はな
い。例えば、燃料製造手段Ｂ１の燃料気化器３、改質反
応器４、シフトコンバータ５、ＣＯ選択酸化器６、燃焼
器燃料用気化器２１が一体となった燃料プロセッサ、燃
料電池系Ｂ２の燃料電池９、空気極用加湿器１３、燃料
極用加湿器１５が一体となった内部加湿燃料電池として
もよい。
い。例えば、燃料製造手段Ｂ１の燃料気化器３、改質反
応器４、シフトコンバータ５、ＣＯ選択酸化器６、燃焼
器燃料用気化器２１が一体となった燃料プロセッサ、燃
料電池系Ｂ２の燃料電池９、空気極用加湿器１３、燃料
極用加湿器１５が一体となった内部加湿燃料電池として
もよい。
【００７１】以上のような構成の燃料電池発電システム
を、負荷応答制御するためのコントローラＣ１の構成を
図２に示す。
を、負荷応答制御するためのコントローラＣ１の構成を
図２に示す。
【００７２】コントローラＣ１は、データ保存用メモリ
Ｃ２、プログラム保存用メモリＣ３、演算装置Ｃ４で構
成され、燃料電池システム内に配置した検出手段より負
荷要求Ｄ１、燃料ガス製造手段Ｂ１出口水素流量Ｄ２、
緩衝タンク８温度，圧力Ｄ３、蓄電手段５３蓄電量Ｄ
４、燃料電池系Ｂ２出口水素流量Ｄ５等のデータを入力
し、燃焼器用燃料ポンプ２０燃料供給量Ｄ６、燃焼器用
ブロワ１６空気供給量Ｄ７緩衝タンク系Ｂ４制御値Ｄ
８、水蒸気改質器燃料用ポンプ１燃料供給量Ｄ９、水蒸
気改質器用水ポンプ２水供給量Ｄ１０、燃料電池系Ｂ２
制御値Ｄ１３、燃料電池系用インバータ５１出力Ｄ１
１、および、蓄電手段用インバータ５４出力Ｄ１２等を
出力する。
Ｃ２、プログラム保存用メモリＣ３、演算装置Ｃ４で構
成され、燃料電池システム内に配置した検出手段より負
荷要求Ｄ１、燃料ガス製造手段Ｂ１出口水素流量Ｄ２、
緩衝タンク８温度，圧力Ｄ３、蓄電手段５３蓄電量Ｄ
４、燃料電池系Ｂ２出口水素流量Ｄ５等のデータを入力
し、燃焼器用燃料ポンプ２０燃料供給量Ｄ６、燃焼器用
ブロワ１６空気供給量Ｄ７緩衝タンク系Ｂ４制御値Ｄ
８、水蒸気改質器燃料用ポンプ１燃料供給量Ｄ９、水蒸
気改質器用水ポンプ２水供給量Ｄ１０、燃料電池系Ｂ２
制御値Ｄ１３、燃料電池系用インバータ５１出力Ｄ１
１、および、蓄電手段用インバータ５４出力Ｄ１２等を
出力する。
【００７３】コントローラＣ１は、例えば、ＣＯ選択酸
化器用ブロワ７の制御に関してシフトコンバータ５の出
口一酸化炭素流量を入力し、ＣＯ選択酸化器用ブロワ７
の空気供給量を出力する等の上記項目以外の制御に関す
る入出力を兼ねることも可能である。また、上記項目以
外の制御に関するコントローラを別途設けることもでき
る。
化器用ブロワ７の制御に関してシフトコンバータ５の出
口一酸化炭素流量を入力し、ＣＯ選択酸化器用ブロワ７
の空気供給量を出力する等の上記項目以外の制御に関す
る入出力を兼ねることも可能である。また、上記項目以
外の制御に関するコントローラを別途設けることもでき
る。
【００７４】上記のコントローラＣ１の動作の一例をフ
ローチャートとして、図３および図４に示す。この動作
手順はプログラム保存用メモリＣ３に保持され、演算装
置Ｃ４の動作手順となる。
ローチャートとして、図３および図４に示す。この動作
手順はプログラム保存用メモリＣ３に保持され、演算装
置Ｃ４の動作手順となる。
【００７５】基本的な手順の構成は図３の計測ステップ
（ＳＢ１０）、短時間に負荷変動に応じるステップ（Ｓ
Ｂ２０）、図４の燃料ガス製造手段の応答速度に応じて
緩衝タンク内の水素貯蔵量等が基準値となるように、燃
料製造量を調節するステップ（ＳＢ３０）の３ステップ
で構成される。
（ＳＢ１０）、短時間に負荷変動に応じるステップ（Ｓ
Ｂ２０）、図４の燃料ガス製造手段の応答速度に応じて
緩衝タンク内の水素貯蔵量等が基準値となるように、燃
料製造量を調節するステップ（ＳＢ３０）の３ステップ
で構成される。
【００７６】上記の計測ステップ（ＳＢ１０）では、燃
料電池システム内の状態を検出するための検出手段とし
て、電気自動車の場合のアクセル開度に相当する負荷要
求５２検出手段、燃料ガス製造手段Ｂ１出口の水素流量
検出手段、緩衝タンク８の温度，圧力検出手段、およ
び、燃料電池系Ｂ２の燃料排ガス中の水素流量検出手段
を有す。
料電池システム内の状態を検出するための検出手段とし
て、電気自動車の場合のアクセル開度に相当する負荷要
求５２検出手段、燃料ガス製造手段Ｂ１出口の水素流量
検出手段、緩衝タンク８の温度，圧力検出手段、およ
び、燃料電池系Ｂ２の燃料排ガス中の水素流量検出手段
を有す。
【００７７】本実施例では蓄電手段５３を備えているの
で、蓄電手段５３の充放電容量を検出する手段も備えて
いる。検出手段の測定結果はコントローラＣ１のデータ
保存用メモリＣ３に入力（Ｓ１０）され、データ保存用
メモリＣ３には少なくとも前回、好ましくは２回以上前
の測定結果を保持する。
で、蓄電手段５３の充放電容量を検出する手段も備えて
いる。検出手段の測定結果はコントローラＣ１のデータ
保存用メモリＣ３に入力（Ｓ１０）され、データ保存用
メモリＣ３には少なくとも前回、好ましくは２回以上前
の測定結果を保持する。
【００７８】図３において、負荷変動に応じるステップ
（ＳＢ２０）は次の通りである。図５に示すように、燃
料電池内での水素利用率は、燃料電池の燃料排ガスの燃
焼により燃料ガス製造手段が必要な熱を賄うことができ
る熱バランス水素利用率Ｕ１と、燃料電池内で水素が不
足する部分が発生しない最大の利用率である最大水素利
用率Ｕ２との間の適当な利用率で運転される。
（ＳＢ２０）は次の通りである。図５に示すように、燃
料電池内での水素利用率は、燃料電池の燃料排ガスの燃
焼により燃料ガス製造手段が必要な熱を賄うことができ
る熱バランス水素利用率Ｕ１と、燃料電池内で水素が不
足する部分が発生しない最大の利用率である最大水素利
用率Ｕ２との間の適当な利用率で運転される。
【００７９】まず、要求される負荷に対して熱バランス
水素利用率Ｕ１、最大水素利用率Ｕ２、熱バランス水素
利用率と最大水素利用率の間の適当な水素利用率である
基準水素利用率Ｕ３のそれぞれの場合に必要な水素流
量、および、製造される水素流量を算出する。
水素利用率Ｕ１、最大水素利用率Ｕ２、熱バランス水素
利用率と最大水素利用率の間の適当な水素利用率である
基準水素利用率Ｕ３のそれぞれの場合に必要な水素流
量、および、製造される水素流量を算出する。
【００８０】上記の必要な水素量は次式〔１〕のように
して求められる。燃料電池９の出力をＷ、積層数をｍ、
第ｎセルの電圧をＶnとすると、
して求められる。燃料電池９の出力をＷ、積層数をｍ、
第ｎセルの電圧をＶnとすると、
【００８１】
【数１】
【００８２】ここで、セルの電圧Ｖnは負荷電流Ｉ、水
素利用率ｕH2、酸素利用率ｕO2、電池温度Ｔの関数とし
ているが、その他に燃料および空気の加湿量、積算の運
転時間などのパラメータを加えることもできる。このと
き、必要な水素量は次式〔２〕となる。
素利用率ｕH2、酸素利用率ｕO2、電池温度Ｔの関数とし
ているが、その他に燃料および空気の加湿量、積算の運
転時間などのパラメータを加えることもできる。このと
き、必要な水素量は次式〔２〕となる。
【００８３】
【数２】
【００８４】ここで、必要な水素のモル流量をｆH2、フ
ァラデー定数をＦとする。本実施例では酸素利用率ｕO2
を４０％と固定し、熱バランス水素利用率Ｕ１を７０
％、最大水素利用率Ｕ２を９０％として制御を行ったの
で、〔１〕式および〔２〕式より、各々の場合の必要な
水素量ｆH2が求められる。
ァラデー定数をＦとする。本実施例では酸素利用率ｕO2
を４０％と固定し、熱バランス水素利用率Ｕ１を７０
％、最大水素利用率Ｕ２を９０％として制御を行ったの
で、〔１〕式および〔２〕式より、各々の場合の必要な
水素量ｆH2が求められる。
【００８５】製造されている水素量は、データ保存用メ
モリＣ２に保持された燃料ガス製造手段Ｂ１出口水素流
量Ｄ２より、燃料ガス製造手段Ｂ２出口と燃料電池９間
の配管容積分の到達時間を計算して求める（Ｓ２０）。
モリＣ２に保持された燃料ガス製造手段Ｂ１出口水素流
量Ｄ２より、燃料ガス製造手段Ｂ２出口と燃料電池９間
の配管容積分の到達時間を計算して求める（Ｓ２０）。
【００８６】図３のＳ３０では、製造されている水素流
量と必要水素量の大小比較を行う。製造水素量が熱バラ
ンス水素利用率での水素必要量と最大水素利用率での水
素必要量の範囲内であるときにはＳ２２０に、範囲外で
あるときにはＳ４０に分岐する。
量と必要水素量の大小比較を行う。製造水素量が熱バラ
ンス水素利用率での水素必要量と最大水素利用率での水
素必要量の範囲内であるときにはＳ２２０に、範囲外で
あるときにはＳ４０に分岐する。
【００８７】Ｓ２１０では、緩衝タンク８の燃料貯蔵量
および蓄電手段５３を備えているシステムでは蓄電量が
基準値を満たすか否かの判断を行う。基準値を満たさな
い場合にはＳ４０に、満たす場合にはＳ２１０に分岐す
る。
および蓄電手段５３を備えているシステムでは蓄電量が
基準値を満たすか否かの判断を行う。基準値を満たさな
い場合にはＳ４０に、満たす場合にはＳ２１０に分岐す
る。
【００８８】本実施例では、緩衝タンク８の燃料貯蔵量
基準値として、燃料電池９の出力が最大値のときには最
大貯蔵量の１０％、出力が０のときには最大貯蔵量の９
０％とし、燃料電池９の出力と燃料貯蔵量の基準値の関
係を１次の関係として、基準範囲を基準値±１０％の範
囲でＳ２１０の判断条件とした。
基準値として、燃料電池９の出力が最大値のときには最
大貯蔵量の１０％、出力が０のときには最大貯蔵量の９
０％とし、燃料電池９の出力と燃料貯蔵量の基準値の関
係を１次の関係として、基準範囲を基準値±１０％の範
囲でＳ２１０の判断条件とした。
【００８９】蓄電手段５３の蓄電量の基準範囲として
は、燃料電池９の出力が最大値のときには最大蓄電量の
２０％、出力が０のときには最大蓄電量の８０％とし、
燃料電池９の出力と燃料貯蔵量の基準値を１次の関係と
して、基準範囲を基準値±２０％の範囲でＳ２１０の判
断条件とした。
は、燃料電池９の出力が最大値のときには最大蓄電量の
２０％、出力が０のときには最大蓄電量の８０％とし、
燃料電池９の出力と燃料貯蔵量の基準値を１次の関係と
して、基準範囲を基準値±２０％の範囲でＳ２１０の判
断条件とした。
【００９０】Ｓ４０では、製造水素量＜最大水素利用率
必要量のときは水素利用率を最大とし、製造水素量＞バ
ランス水素利用率必要量のときは水素利用率をバランス
水素利用率とし、負荷要求値を満たすように緩衝タンク
８および蓄電手段５３を動作させるように、緩衝タンク
系Ｂ４制御値（Ｄ８）、インバータ５１出力（Ｄ１
１）、インバータ５４出力（Ｄ１２）、および燃料電池
系Ｂ２制御値（Ｄ１３）を算出する。
必要量のときは水素利用率を最大とし、製造水素量＞バ
ランス水素利用率必要量のときは水素利用率をバランス
水素利用率とし、負荷要求値を満たすように緩衝タンク
８および蓄電手段５３を動作させるように、緩衝タンク
系Ｂ４制御値（Ｄ８）、インバータ５１出力（Ｄ１
１）、インバータ５４出力（Ｄ１２）、および燃料電池
系Ｂ２制御値（Ｄ１３）を算出する。
【００９１】Ｓ２５０では、緩衝タンク８の貯蔵量およ
び蓄電手段５３の蓄電量と貯蔵量および蓄電量の基準値
との差に応じて、緩衝タンク８への燃料の入出量、蓄電
手段５３の充放電量、燃料電池９の発電量を定めてイン
バータ５１出力（Ｄ１１）、インバータ５４出力（Ｄ１
２）、緩衝タンク系Ｂ４制御値（Ｄ８）、および、燃料
電池系Ｂ２制御値（Ｄ１３）を算出する。このとき、燃
料電池９の発電量は最大水素利用率と熱バランス水素利
用率との間で運転できる制御値とする。Ｓ５０ではＳ４
０あるいはＳ２５０で算出した制御値を各機器に出力す
る。
び蓄電手段５３の蓄電量と貯蔵量および蓄電量の基準値
との差に応じて、緩衝タンク８への燃料の入出量、蓄電
手段５３の充放電量、燃料電池９の発電量を定めてイン
バータ５１出力（Ｄ１１）、インバータ５４出力（Ｄ１
２）、緩衝タンク系Ｂ４制御値（Ｄ８）、および、燃料
電池系Ｂ２制御値（Ｄ１３）を算出する。このとき、燃
料電池９の発電量は最大水素利用率と熱バランス水素利
用率との間で運転できる制御値とする。Ｓ５０ではＳ４
０あるいはＳ２５０で算出した制御値を各機器に出力す
る。
【００９２】Ｓ２３０では、Ｓ２２０で算出した制御値
を各機器に出力し、Ｓ２４０ではインバータ５４出力
（Ｄ１２）および緩衝タンク系Ｂ４制御値（Ｄ８）とし
て、蓄電手段５３の充放電および緩衝タンク８への燃料
の入出量が０となる制御信号を出力する。
を各機器に出力し、Ｓ２４０ではインバータ５４出力
（Ｄ１２）および緩衝タンク系Ｂ４制御値（Ｄ８）とし
て、蓄電手段５３の充放電および緩衝タンク８への燃料
の入出量が０となる制御信号を出力する。
【００９３】Ｓ６０では、Ｓ５０あるいはＳ２３０の指
示により、燃料電池９より排出される燃料排ガスの燃焼
熱変化を補うために、燃焼器１７に供給する燃料および
空気量を調節するための制御値を算出する。即ち、燃焼
器用燃料ポンプ２０の制御値（Ｄ６）および燃焼器用ブ
ロワ１６の制御値（Ｄ７）を算出する。Ｓ７０では、Ｓ
６０で算出したＤ６およびＤ７の制御値を出力する。
示により、燃料電池９より排出される燃料排ガスの燃焼
熱変化を補うために、燃焼器１７に供給する燃料および
空気量を調節するための制御値を算出する。即ち、燃焼
器用燃料ポンプ２０の制御値（Ｄ６）および燃焼器用ブ
ロワ１６の制御値（Ｄ７）を算出する。Ｓ７０では、Ｓ
６０で算出したＤ６およびＤ７の制御値を出力する。
【００９４】燃料製造量を調節するステップ（ＳＢ３
０）は次のとおりである。Ｓ３１０では、ＳＢ１０で入
力したシステム稼動状況Ｄ１〜Ｄ５、および、ＳＢ２０
で出力した制御値Ｄ６〜Ｄ１３を元に、緩衝タンク８の
水素貯蔵量および蓄電手段５３の蓄電量の変化を予測す
る。
０）は次のとおりである。Ｓ３１０では、ＳＢ１０で入
力したシステム稼動状況Ｄ１〜Ｄ５、および、ＳＢ２０
で出力した制御値Ｄ６〜Ｄ１３を元に、緩衝タンク８の
水素貯蔵量および蓄電手段５３の蓄電量の変化を予測す
る。
【００９５】Ｓ３２０では、改質反応器４と燃焼器１７
との間の熱伝導度や熱容量で決定される改質器の応答速
度に応じて、緩衝タンク８の水素貯蔵量および蓄電手段
５３の蓄電量が基準値に近づくための燃焼器用燃料ポン
プ２０、燃焼器用ブロワ１６、水蒸気改質器燃料用ポン
プ１、および、水蒸気改質器用水ポンプ２の動作手順を
算出する。
との間の熱伝導度や熱容量で決定される改質器の応答速
度に応じて、緩衝タンク８の水素貯蔵量および蓄電手段
５３の蓄電量が基準値に近づくための燃焼器用燃料ポン
プ２０、燃焼器用ブロワ１６、水蒸気改質器燃料用ポン
プ１、および、水蒸気改質器用水ポンプ２の動作手順を
算出する。
【００９６】Ｓ３３０では、Ｓ３２０で算出した動作手
順を制御値Ｄ６、Ｄ７、Ｄ９およびＤ１０として出力
し、負荷応答の手順を終了する。
順を制御値Ｄ６、Ｄ７、Ｄ９およびＤ１０として出力
し、負荷応答の手順を終了する。
【００９７】以上の動作を行うコントローラを、図１の
３ｋＷ燃料電池システムに適用して負荷応答性の試験を
行った。
３ｋＷ燃料電池システムに適用して負荷応答性の試験を
行った。
【００９８】１００ｍｓでの負荷応答を得るために、図
３および図４の負荷応答手順を１００ｍｓ毎に動作させ
た結果、緩衝タンク８の水素貯蔵量および蓄電手段５３
の蓄電量が過不足なく、負荷応答が可能であった。
３および図４の負荷応答手順を１００ｍｓ毎に動作させ
た結果、緩衝タンク８の水素貯蔵量および蓄電手段５３
の蓄電量が過不足なく、負荷応答が可能であった。
【００９９】改質器の動作を１００ｍｓ間隔で制御する
必要がないことから、図６に示す手順により、Ｎｍａｘ
を１０とし、ＳＢ１０およびＳＢ２０の制御を１００ｍ
ｓ間隔、ＳＢ３０を１ｓ間隔で制御する負荷応答性試験
を行った場合にも、緩衝タンク８の水素貯蔵量および蓄
電手段５３の蓄電量が過不足なく、負荷応答が可能であ
った。
必要がないことから、図６に示す手順により、Ｎｍａｘ
を１０とし、ＳＢ１０およびＳＢ２０の制御を１００ｍ
ｓ間隔、ＳＢ３０を１ｓ間隔で制御する負荷応答性試験
を行った場合にも、緩衝タンク８の水素貯蔵量および蓄
電手段５３の蓄電量が過不足なく、負荷応答が可能であ
った。
【０１００】図７は、図１の構成の緩衝タンク充填用ブ
ロワ２６を省略した構成を示す。燃料ガス製造手段Ｂ１
の動作圧力を燃料電池系Ｂ２より高め、燃料ガス製造手
段Ｂ１と燃料電池系Ｂ２の圧力差により緩衝タンク系Ｂ
４を動作させる。即ち、緩衝タンク８への燃料充填時に
は緩衝タンク入口弁１８を開にし、緩衝タンク出口弁１
９を絞ることで、緩衝タンク８の圧力を燃料ガス製造手
段Ｂ１の圧力に近づける。緩衝タンク８からの燃料放出
時には逆に緩衝タンク入口弁１８を絞り、緩衝タンク出
口弁１９を開にする。
ロワ２６を省略した構成を示す。燃料ガス製造手段Ｂ１
の動作圧力を燃料電池系Ｂ２より高め、燃料ガス製造手
段Ｂ１と燃料電池系Ｂ２の圧力差により緩衝タンク系Ｂ
４を動作させる。即ち、緩衝タンク８への燃料充填時に
は緩衝タンク入口弁１８を開にし、緩衝タンク出口弁１
９を絞ることで、緩衝タンク８の圧力を燃料ガス製造手
段Ｂ１の圧力に近づける。緩衝タンク８からの燃料放出
時には逆に緩衝タンク入口弁１８を絞り、緩衝タンク出
口弁１９を開にする。
【０１０１】本実施例では、燃料電池系Ｂ２の動作圧力
を０ｋｇ／ｃｍ2Ｇ（大気圧）、燃料ガス製造手段Ｂ１
の動作圧力を５ｋｇ／ｃｍ2Ｇとし、ＬａＮｉ4.7Ａｌ
0.3合金を８０％の体積率で充填した水素吸蔵合金タン
クを用いた。
を０ｋｇ／ｃｍ2Ｇ（大気圧）、燃料ガス製造手段Ｂ１
の動作圧力を５ｋｇ／ｃｍ2Ｇとし、ＬａＮｉ4.7Ａｌ
0.3合金を８０％の体積率で充填した水素吸蔵合金タン
クを用いた。
【０１０２】３ｋＷの燃料電池に対して、緩衝タンク８
として０.１リットルの水素吸蔵合金タンクを適用した
ところ、負荷応答性制御時に緩衝タンク８の容量範囲内
で制御可能であった。
として０.１リットルの水素吸蔵合金タンクを適用した
ところ、負荷応答性制御時に緩衝タンク８の容量範囲内
で制御可能であった。
【０１０３】このとき、水素吸蔵合金タンクを用いた緩
衝タンク８の温度制御のため、図８に示す冷却水ポンプ
４１、燃料電池内の熱交換部４２、および、ラジエータ
４４で構成される冷却系内に、緩衝タンク内の熱交換部
４３を備えた構成とし、緩衝タンク８の温度を燃料電池
９の運転温度とほぼ等しい約７５℃とした。
衝タンク８の温度制御のため、図８に示す冷却水ポンプ
４１、燃料電池内の熱交換部４２、および、ラジエータ
４４で構成される冷却系内に、緩衝タンク内の熱交換部
４３を備えた構成とし、緩衝タンク８の温度を燃料電池
９の運転温度とほぼ等しい約７５℃とした。
【０１０４】緩衝タンク８の燃料充填および放出の制御
を容易にするため、図７に示した構成の緩衝タンク８の
出入口を連結する緩衝タンクバイパス配管２２を備えた
構成を図９に示す。
を容易にするため、図７に示した構成の緩衝タンク８の
出入口を連結する緩衝タンクバイパス配管２２を備えた
構成を図９に示す。
【０１０５】緩衝タンクバイパス配管２２は、緩衝タン
クバイパス弁２３を備えている。緩衝タンク８に燃料を
充填する場合には、緩衝タンク入口弁１８を開にし、緩
衝タンクバイパス弁２３および緩衝タンク出口弁１９の
開度を調節する。緩衝タンク８から燃料を放出する場合
には、緩衝タンク入口弁１８を閉にし、緩衝タンクバイ
パス弁２３および緩衝タンク出口弁１９の開度を調節す
る。緩衝タンク８の燃料の出入りを遮断する場合には、
緩衝タンク入口弁１８および緩衝タンク出口弁１９を閉
にし、緩衝タンクバイパス弁１９の開度を調節する。
クバイパス弁２３を備えている。緩衝タンク８に燃料を
充填する場合には、緩衝タンク入口弁１８を開にし、緩
衝タンクバイパス弁２３および緩衝タンク出口弁１９の
開度を調節する。緩衝タンク８から燃料を放出する場合
には、緩衝タンク入口弁１８を閉にし、緩衝タンクバイ
パス弁２３および緩衝タンク出口弁１９の開度を調節す
る。緩衝タンク８の燃料の出入りを遮断する場合には、
緩衝タンク入口弁１８および緩衝タンク出口弁１９を閉
にし、緩衝タンクバイパス弁１９の開度を調節する。
【０１０６】図１０は、燃料ガス製造手段Ｂ１と燃料電
池系Ｂ２の圧力差を動力として回収する構成を示すもの
である。緩衝タンクバイパス配管２２に膨張タービン２
３’および緩衝タンクバイパス弁２３を備え、膨張ター
ビン２３’の動力で動力回収ブロワ１０’を駆動する構
成である。
池系Ｂ２の圧力差を動力として回収する構成を示すもの
である。緩衝タンクバイパス配管２２に膨張タービン２
３’および緩衝タンクバイパス弁２３を備え、膨張ター
ビン２３’の動力で動力回収ブロワ１０’を駆動する構
成である。
【０１０７】図１１は、図１０の構成に加えて、緩衝タ
ンク８出口から燃料ガス製造手段Ｂ１内の燃焼器１７に
接続する燃料電池系バイパス配管２４、および、燃料電
池系バイパス配管２４上に燃料電池系バイパス弁２５を
設置した。
ンク８出口から燃料ガス製造手段Ｂ１内の燃焼器１７に
接続する燃料電池系バイパス配管２４、および、燃料電
池系バイパス配管２４上に燃料電池系バイパス弁２５を
設置した。
【０１０８】水素吸蔵合金を用いた緩衝タンク８に水素
を吸蔵する場合には、緩衝タンク出口弁１９を閉にし、
燃料電池系バイパス弁２５を調節して、緩衝タンク８出
口ガスを直接燃焼器１７に導く。緩衝タンク８に燃料を
充填する場合には、燃料電池バイパス弁２５および緩衝
タンク入口弁１８を閉にし、緩衝タンクバイパス弁２３
および緩衝タンク出口弁１９の開度を調節して、燃料電
池８に燃料を供給する。
を吸蔵する場合には、緩衝タンク出口弁１９を閉にし、
燃料電池系バイパス弁２５を調節して、緩衝タンク８出
口ガスを直接燃焼器１７に導く。緩衝タンク８に燃料を
充填する場合には、燃料電池バイパス弁２５および緩衝
タンク入口弁１８を閉にし、緩衝タンクバイパス弁２３
および緩衝タンク出口弁１９の開度を調節して、燃料電
池８に燃料を供給する。
【０１０９】緩衝タンク出口ガスを直接燃焼器１７に導
き、燃料電池９は燃料ガス製造手段Ｂ１から直接供給さ
れる燃料を用いて水素利用率を高めることにより、緩衝
タンク８より排出される低水素濃度の燃料を使用する必
要がなくなる。
き、燃料電池９は燃料ガス製造手段Ｂ１から直接供給さ
れる燃料を用いて水素利用率を高めることにより、緩衝
タンク８より排出される低水素濃度の燃料を使用する必
要がなくなる。
【０１１０】
【発明の効果】本発明の負荷応答制御と燃料製造量制御
を分け、負荷量に応じて緩衝タンク８に充填する燃料の
量の基準値を設ける制御によれば、最小限の緩衝タンク
８の容量で燃料の過不足なしに負荷応答が可能である。
を分け、負荷量に応じて緩衝タンク８に充填する燃料の
量の基準値を設ける制御によれば、最小限の緩衝タンク
８の容量で燃料の過不足なしに負荷応答が可能である。
【０１１１】また、燃料ガス製造手段Ｂ１の動作圧力
を、燃料電池系Ｂ２の動作圧力より高め、圧力差により
緩衝タンク系Ｂ４を制御することにより、緩衝タンク充
填用ブロワ２６が不要となると共に、燃料ガス製造手段
Ｂ１の動作圧力が高くなり、コンパクトになるため、高
出力密度の燃料電池発電システムが構成できる。
を、燃料電池系Ｂ２の動作圧力より高め、圧力差により
緩衝タンク系Ｂ４を制御することにより、緩衝タンク充
填用ブロワ２６が不要となると共に、燃料ガス製造手段
Ｂ１の動作圧力が高くなり、コンパクトになるため、高
出力密度の燃料電池発電システムが構成できる。
【０１１２】即ち、小容量の緩衝タンクで負荷応答が可
能になると共に、燃料ガス製造手段の動作圧力を高める
ことで燃料ガス製造手段のコンパクト化、燃料ガス製造
手段の動作圧力と燃料電池に圧力差を設けることで、緩
衝タンクに燃料を充填するためのブロワを省略でき、急
激な負荷変動に応答可能な燃料電池発電システムを提供
できる。
能になると共に、燃料ガス製造手段の動作圧力を高める
ことで燃料ガス製造手段のコンパクト化、燃料ガス製造
手段の動作圧力と燃料電池に圧力差を設けることで、緩
衝タンクに燃料を充填するためのブロワを省略でき、急
激な負荷変動に応答可能な燃料電池発電システムを提供
できる。
【図１】緩衝タンクを備えている燃料電池システムの従
来構成図である。
来構成図である。
【図２】燃料電池システムのコントローラの入出力を示
すブロック図である。
すブロック図である。
【図３】負荷応答制御の計測ステップおよび短時間に負
荷変動に応じるステップを示すフローチャートである。
荷変動に応じるステップを示すフローチャートである。
【図４】負荷応答制御の燃料製造量を調節するステップ
を示すフローチャートである。
を示すフローチャートである。
【図５】燃料電池の単電池電圧の水素利用率依存性を示
す図である。
す図である。
【図６】負荷応答制御の第２の手順を示すフローチャー
トである。
トである。
【図７】本発明の燃料電池システムを示す第１の構成図
である。
である。
【図８】本発明の水素吸蔵合金タンクの温度制御法を示
す構成図である。
す構成図である。
【図９】本発明の燃料電池システムを示す第２の構成図
である。
である。
【図１０】本発明の燃料電池システムを示す第３の構成
図である。
図である。
【図１１】本発明の燃料電池システムを示す第４の構成
図である。
図である。
１…水蒸気改質器燃料用ポンプ、２…水蒸気改質器用水
ポンプ、３…燃料気化器、４…改質反応器、５…シフト
コンバータ、６…ＣＯ選択酸化器、７…ＣＯ選択酸化器
用ブロワ、８…緩衝タンク、９…燃料電池、１０…燃料
電池空気極用ブロワ、１０’…動力回収ブロワ、１１…
復水器、１２…空気極加湿用水ポンプ、１３…空気極用
加湿器、１４…燃料極加湿用水ポンプ、１５…燃料極用
加湿器、１６…燃焼器用ブロワ、１７…燃焼器、１８…
緩衝タンク入口弁、１９…緩衝タンク出口弁、２０…燃
焼器用燃料ポンプ、２１…燃焼器燃料用気化器、２２…
緩衝タンクバイパス配管、２３…緩衝タンクバイパス
弁、２３’…膨張タービン、２４…燃料電池系バイパス
配管、２５…燃料電池系バイパス弁、２６…緩衝タンク
充填用ブロワ、４１…冷却水ポンプ、４２…燃料電池内
の熱交換部、４３…緩衝タンク内の熱交換部、４４…ラ
ジエータ、５１…燃料電池系用インバータ、５２…電気
負荷、５３…蓄電手段、５４…蓄電手段用インバータ、
Ｂ１…燃料ガス製造手段、Ｂ２…燃料電池系、Ｂ３…電
気系、Ｂ４…緩衝タンク系、Ｃ１…コントローラ、Ｃ２
…データ保存用メモリ、Ｃ３…プログラム保存用メモ
リ、Ｃ４…演算装置。
ポンプ、３…燃料気化器、４…改質反応器、５…シフト
コンバータ、６…ＣＯ選択酸化器、７…ＣＯ選択酸化器
用ブロワ、８…緩衝タンク、９…燃料電池、１０…燃料
電池空気極用ブロワ、１０’…動力回収ブロワ、１１…
復水器、１２…空気極加湿用水ポンプ、１３…空気極用
加湿器、１４…燃料極加湿用水ポンプ、１５…燃料極用
加湿器、１６…燃焼器用ブロワ、１７…燃焼器、１８…
緩衝タンク入口弁、１９…緩衝タンク出口弁、２０…燃
焼器用燃料ポンプ、２１…燃焼器燃料用気化器、２２…
緩衝タンクバイパス配管、２３…緩衝タンクバイパス
弁、２３’…膨張タービン、２４…燃料電池系バイパス
配管、２５…燃料電池系バイパス弁、２６…緩衝タンク
充填用ブロワ、４１…冷却水ポンプ、４２…燃料電池内
の熱交換部、４３…緩衝タンク内の熱交換部、４４…ラ
ジエータ、５１…燃料電池系用インバータ、５２…電気
負荷、５３…蓄電手段、５４…蓄電手段用インバータ、
Ｂ１…燃料ガス製造手段、Ｂ２…燃料電池系、Ｂ３…電
気系、Ｂ４…緩衝タンク系、Ｃ１…コントローラ、Ｃ２
…データ保存用メモリ、Ｃ３…プログラム保存用メモ
リ、Ｃ４…演算装置。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１２年３月１６日（２０００．３．１
６）
６）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の名称
【補正方法】変更
【補正内容】
【発明の名称】 燃料電池発電システムおよびその制御
方法
方法
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【請求項３】 炭素および水素を含む化合物の燃料を改
質反応器内で水素を含む燃料ガスに変換する燃料ガス製
造手段と、一対の電極と該電極間に配置したプロトン導
電性の電解質を含むセルを積層した燃料電池と、前記燃
料ガス製造手段と前記燃料電池の間に燃料ガスを貯える
緩衝タンクを設け、燃料電池の燃料として燃料ガス製造
手段で製造した燃料ガスを用いて発電し、インバータを
介して負荷と接続され、システム内の状況を検出する検
出手段、検出した結果を用いてシステム動作を決定する
コントローラ、および、該コントローラの指示に基づき
システム内の動作を調節する調節器を備えた燃料電池発
電システムの制御方法において、前記検出手段として、 負荷要求検出手段、前記緩衝タン
クの圧力検出手段、前記燃料ガス製造手段の出口水素流
量検出手段、および、燃料電池の出口水素流量検出手段
を有し、前記調節器として前記燃料ガス製造手段への燃料，水お
よび空気の供給量を制御する供給量制御バルブ、前記緩
衝タンクの出入口に緩衝タンク制御バルブおよび前記イ
ンバータを有し、 前記負荷要求検出手段からの負荷要求に応じて、前記燃
料電池が燃料不足とならない範囲内で負荷追従するよう
に、前記インバータを制御し、前記供給量制御バルブお
よび前記緩衝タンク制御バルブの制御値を変化させない
場合の前記燃料電池の動作並びに緩衝タンク制御バルブ
の制御値を、前記インバータの制御値に合わせて前記緩
衝タンク内の燃料ガス量を調節した場合の所定時間後の
前記緩衝タンクに貯えられる燃料ガス量を予測し、 該緩衝タンクに貯える燃料ガス量の基準値に近づくよう
に前記燃料ガス製造手段への前記供給量制御バルブヘ制
御信号を送る前記コントローラを設けたことを特徴とす
る燃料電池発電システムの制御方法。
質反応器内で水素を含む燃料ガスに変換する燃料ガス製
造手段と、一対の電極と該電極間に配置したプロトン導
電性の電解質を含むセルを積層した燃料電池と、前記燃
料ガス製造手段と前記燃料電池の間に燃料ガスを貯える
緩衝タンクを設け、燃料電池の燃料として燃料ガス製造
手段で製造した燃料ガスを用いて発電し、インバータを
介して負荷と接続され、システム内の状況を検出する検
出手段、検出した結果を用いてシステム動作を決定する
コントローラ、および、該コントローラの指示に基づき
システム内の動作を調節する調節器を備えた燃料電池発
電システムの制御方法において、前記検出手段として、 負荷要求検出手段、前記緩衝タン
クの圧力検出手段、前記燃料ガス製造手段の出口水素流
量検出手段、および、燃料電池の出口水素流量検出手段
を有し、前記調節器として前記燃料ガス製造手段への燃料，水お
よび空気の供給量を制御する供給量制御バルブ、前記緩
衝タンクの出入口に緩衝タンク制御バルブおよび前記イ
ンバータを有し、 前記負荷要求検出手段からの負荷要求に応じて、前記燃
料電池が燃料不足とならない範囲内で負荷追従するよう
に、前記インバータを制御し、前記供給量制御バルブお
よび前記緩衝タンク制御バルブの制御値を変化させない
場合の前記燃料電池の動作並びに緩衝タンク制御バルブ
の制御値を、前記インバータの制御値に合わせて前記緩
衝タンク内の燃料ガス量を調節した場合の所定時間後の
前記緩衝タンクに貯えられる燃料ガス量を予測し、 該緩衝タンクに貯える燃料ガス量の基準値に近づくよう
に前記燃料ガス製造手段への前記供給量制御バルブヘ制
御信号を送る前記コントローラを設けたことを特徴とす
る燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項４】 負荷要求量に応じて前記緩衝タンクに貯
える燃料ガス量の基準値を定める請求項３に記載の燃料
電池発電システムの制御方法。
える燃料ガス量の基準値を定める請求項３に記載の燃料
電池発電システムの制御方法。
【請求項５】 前記緩衝タンクに貯える燃料ガス量の基
準値が、前記緩衝タンクに貯えられる最大燃料ガス量の
４０〜８５容量％である請求項３に記載の燃料電池発電
システムの制御方法。
準値が、前記緩衝タンクに貯えられる最大燃料ガス量の
４０〜８５容量％である請求項３に記載の燃料電池発電
システムの制御方法。
【請求項６】 蓄電量を検出する手段を有する蓄電手段
が第２のインバータを備え、前記蓄電量を前記コントロ
ーラへの入力に際し、前記第２のインバータへの制御信
号を該コントローラの出力に加えるよう構成し、 負荷応答の第１ステップとして、前記負荷要求検出手段
の負荷変動要求に対して前記第２のインバータを制御し
て応答し、所定時間後の蓄電量を予測し、 第２ステップとして、前記緩衝タンク制御バルブを動作
させて燃料ガス量を制御し前記燃料電池の発電量を調節
すると共に、 前記第２のインバータへの制御値を前記燃
料電池の発電量との和が前記負荷変動要求値となるよう
調節し、 第３ステップとして、 前記蓄電手段に貯える蓄電量およ
び前記緩衝タンクに蓄える燃料量がそれぞれ基準値に近
づくように、前記燃料ガス製造手段の供給量制御バルブ
へ制御信号を送るコントローラを設けた請求項３に記載
の燃料電池発電システムの制御方法。
が第２のインバータを備え、前記蓄電量を前記コントロ
ーラへの入力に際し、前記第２のインバータへの制御信
号を該コントローラの出力に加えるよう構成し、 負荷応答の第１ステップとして、前記負荷要求検出手段
の負荷変動要求に対して前記第２のインバータを制御し
て応答し、所定時間後の蓄電量を予測し、 第２ステップとして、前記緩衝タンク制御バルブを動作
させて燃料ガス量を制御し前記燃料電池の発電量を調節
すると共に、 前記第２のインバータへの制御値を前記燃
料電池の発電量との和が前記負荷変動要求値となるよう
調節し、 第３ステップとして、 前記蓄電手段に貯える蓄電量およ
び前記緩衝タンクに蓄える燃料量がそれぞれ基準値に近
づくように、前記燃料ガス製造手段の供給量制御バルブ
へ制御信号を送るコントローラを設けた請求項３に記載
の燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項７】 前記緩衝タンクの入口と出口を接続する
バイパス配管を設け、前記燃料ガス製造手段の出口の燃
料ガス圧力と、前記燃料電池の動作圧力との差を動力と
して回収し、該動力により前記燃料電池の空気極に空気
を送る請求項４に記載の燃料電池発電システムの制御方
法。
バイパス配管を設け、前記燃料ガス製造手段の出口の燃
料ガス圧力と、前記燃料電池の動作圧力との差を動力と
して回収し、該動力により前記燃料電池の空気極に空気
を送る請求項４に記載の燃料電池発電システムの制御方
法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６８
【補正方法】変更
【補正内容】
【００６８】燃料電池９から排出される酸化剤排ガスは
復水器１１で気液分離を行い、凝縮水を水蒸気改質器用
水ポンプ２、空気極加湿用水ポンプ１２、および、燃料
極加湿用水ポンプ１４への水の供給源とする。復水器１
１より排出されるガスは系外に放出される。
復水器１１で気液分離を行い、凝縮水を水蒸気改質器用
水ポンプ２、空気極加湿用水ポンプ１２、および、燃料
極加湿用水ポンプ１４への水の供給源とする。復水器１
１より排出されるガスは系外に放出される。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７７
【補正方法】変更
【補正内容】
【００７７】本実施例では蓄電手段５３を備えているの
で、蓄電手段５３の充放電容量を検出する手段も備えて
いる。検出手段の測定結果はコントローラＣ１のデータ
保存用メモリＣ２に入力（Ｓ１０）され、データ保存用
メモリＣ２には少なくとも前回、好ましくは２回以上前
の測定結果を保持する。
で、蓄電手段５３の充放電容量を検出する手段も備えて
いる。検出手段の測定結果はコントローラＣ１のデータ
保存用メモリＣ２に入力（Ｓ１０）され、データ保存用
メモリＣ２には少なくとも前回、好ましくは２回以上前
の測定結果を保持する。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 今橋 甚一 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 加茂 友一 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 Ｆターム(参考） 5H027 AA06 BA01 BA09 BA13 BA14 BA16 BA17 DD03 KK01 KK21 KK26 KK51 KK52 MM01 MM12 MM27
Claims (13)
- 【請求項１】 炭素および水素を含む化合物の燃料を改
質反応器内で水素を含む燃料ガスに変換する燃料ガス製
造手段と、一対の電極と該電極間に配置したイオン導電
性の電解質を含むセルを積層した燃料電池と、前記燃料
ガス製造手段と前記燃料電池の間に燃料ガスを貯える緩
衝タンクを設け、燃料電池の燃料として燃料ガス製造手
段で製造した燃料ガスを用いて発電し、インバータを介
して負荷と接続される燃料電池発電システムにおいて、 前記燃料ガス製造手段の出口の燃料ガス圧力が前記燃料
電池の動作圧力より高いことを特徴とする燃料電池発電
システム。 - 【請求項２】 前記燃料ガス製造手段の出口の燃料ガス
圧力が前記燃料電池の動作圧力より１ｋｇ／ｃｍ2以上
高い請求項１に記載の燃料電池発電システム。 - 【請求項３】 前記燃料ガス製造手段の出口圧力と前記
燃料電池の動作圧力の圧力差を用いて、前記緩衝タンク
に貯える燃料ガス量を調節する請求項２に記載の燃料電
池発電システム。 - 【請求項４】 炭素および水素を含む化合物の燃料を改
質反応器内で水素を含む燃料ガスに変換する燃料ガス製
造手段と、一対の電極と該電極間に配置したプロトン導
電性の電解質を含むセルを積層した燃料電池と、前記燃
料ガス製造手段と前記燃料電池の間に燃料ガスを貯える
緩衝タンクを設け、燃料電池の燃料として燃料ガス製造
手段で製造した燃料ガスを用いて発電し、インバータを
介して負荷と接続された燃料電池発電システムにおい
て、 負荷要求検出手段、前記緩衝タンクの圧力検出手段、前
記燃料ガス製造手段の出口水素流量検出手段、および、
燃料電池の出口水素流量検出手段を有し、前記各検出手
段の検出結果よる負荷変動に対して前記緩衝タンク、前
記インバータ、および前記各制御手段に、前記緩衝タン
クに貯えられる燃料ガス量を予測して該緩衝タンクに貯
える燃料ガス量の基準値に近づくよう前記燃料ガス製造
手段の応答速度に合わせた制御信号を送るコントローラ
を設けたことを特徴とする燃料電池発電システム。 - 【請求項５】 負荷要求量に応じて前記緩衝タンクに貯
える燃料ガス量の基準値を定める請求項４に記載の燃料
電池発電システム。 - 【請求項６】 前記緩衝タンクに貯える燃料ガス量の基
準値が、前記緩衝タンクに貯えられる最大燃料ガス量の
４０〜８５容量％である請求項４に記載の燃料電池発電
システム。 - 【請求項７】 蓄電量を検出する手段を有する蓄電手段
が第２のインバータを介して燃料電池と並列に接続さ
れ、前記コントローラが負荷変動に対する前記第２のイ
ンバータの制御と、前記蓄電手段に貯える蓄電量の基準
値に近づくように前記燃料ガス製造手段の応答速度に合
わせた制御を行うことを特徴とする請求項４に記載の燃
料電池発電システム。 - 【請求項８】 前記緩衝タンクの体積の２０〜８５％の
水素吸蔵合金を充填した請求項１または４に記載の燃料
電池発電システム。 - 【請求項９】 前記燃料電池内および緩衝タンク内に冷
媒が流通する熱交換部を備え、前記燃料電池内の熱交換
部、前記緩衝タンク内の熱交換部、ラジエータおよび冷
媒用ポンプで冷却機構を構成し、該冷却器構内を冷媒が
前記燃料電池内の熱交換部、前記緩衝タンク内の熱交換
部、ラジエータの順で循環するよう構成した請求項８に
記載の燃料電池発電システム。 - 【請求項１０】 前記水素吸蔵合金がモル分率でランタ
ン３％以上、ニッケル５０％以上を含む請求項８に記載
の燃料電池発電システム。 - 【請求項１１】 前記緩衝タンクの入口と出口を接続す
るバイパス配管を有する請求項４に記載の燃料電池発電
システム。 - 【請求項１２】 前記燃料ガス製造手段の出口の燃料ガ
ス圧力と、前記燃料電池の動作圧力との差を動力として
回収し、該動力により前記燃料電池の空気極に空気を送
る請求項１１に記載の燃料電池発電システム。 - 【請求項１３】 前記緩衝タンクから前記燃料ガス製造
手段内の燃焼器に接続する配管への第２のバイパス配管
を設けた請求項１１または１２に記載の燃料電池発電シ
ステム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13375599A JP3220438B2 (ja) | 1999-05-14 | 1999-05-14 | 燃料電池発電システム |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13375599A JP3220438B2 (ja) | 1999-05-14 | 1999-05-14 | 燃料電池発電システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000323157A true JP2000323157A (ja) | 2000-11-24 |
| JP3220438B2 JP3220438B2 (ja) | 2001-10-22 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13375599A Expired - Fee Related JP3220438B2 (ja) | 1999-05-14 | 1999-05-14 | 燃料電池発電システム |
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|---|---|
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Cited By (10)
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| JP2003036872A (ja) * | 2001-07-19 | 2003-02-07 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 複合発電システム |
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-
1999
- 1999-05-14 JP JP13375599A patent/JP3220438B2/ja not_active Expired - Fee Related
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