(57)【要約】      （修正有）【課題】改質器の水及び燃料の流量調整と、蒸気の送風速度の調整と、システムの温度レベルの調整とにかかる反応時間が、しばしば所望の時間よりも長くなって、燃料電池の陽極側における水素レベルが一時的な欠如によって、構成要素の損傷をまねくのを回避できる定置式発電設備における管理システムを提供する。【解決手段】システムバッテリーなどの電気的バッファに接続され、さらに蒸気改質器に接続された燃料電池を含む発電システムの運転方法において、燃料電池によって電気的バッファの充電を制御するために、改質器における蒸気と炭素の割合３２２を維持する一方、電気的バッファによって影響された電圧３０２に基づいて改質器の運転を調整する。【選択図】図３
2010287426.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的バッファに接続され、さらに蒸気改質器に接続された燃料電池を含む発電システムの運転方法であって、前記燃料電池による前記電気的バッファの充電を制御するために、改質器における蒸気と炭素の割合を維持する一方、電気的バッファによって影響された電圧に基づいて前記改質器の運転を調整する発電システムの運転方法。
【請求項２】
前記改質器の調整によって前記燃料電池の電流が増加するより前に、電気的バッファにから電流を供給することによって、増加した電力要求を補償する請求項１に記載の発電システムの運転方法。
【請求項３】
前記電気的バッファがＤＣバスを介して前記燃料電池に接続されており、前記電気的バッファがバッテリーを含むものであり、前記調整が前記ＤＣバスの電圧に応じて行われる請求項１に記載の発電システムの運転方法。
【請求項４】
蒸気と炭素の割合を維持するために、バッテリーの電圧の変化に応じて前記蒸気改質器へ流れる水の供給量を調整し、蒸気と炭素の割合に応じて前記蒸気改質器へ流れる燃料の供給量を調整する請求項３に記載の発電システムの運転方法。
【請求項５】
前記電圧の減少に応じて前記改質器へ流れる水流量が増加する請求項１に記載の発電システムの運転方法。
【請求項６】
前記燃料電池によって生成された投入電流に基づいて、前記発電システム内で接続されたＤＣ−ＤＣコンバータのモードを調整する請求項１に記載の発電システムの運転方法。
【請求項７】
蒸気と炭素の割合に応じて前記改質器へ流れる燃料の流量を調整する請求項１に記載の発電システムの運転方法。
【請求項８】
前記燃料電池によって生成された投入電流に応じて前記燃料電池の空気流量を調整をする請求項１に記載の発電システムの運転方法。
【請求項９】
電圧に応じて前記改質器へ流れる水の流量を調整し、その一方で蒸気と炭素の割合に応じて前記改質器へ流れる燃料の流量を調整し、その一方で前記燃料電池によって生成された投入電流に応じて前記燃料電池の空気の流量を調整をする請求項１に記載の発電システムの運転方法。
【請求項１０】
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに接続され、前記燃料電池スタックに水素富化燃料を供給する改質器と、
前記改質器へ原燃料を供給する原燃料供給部と、
前記改質器へ水を供給する水供給部と、
前記燃料電池スタックへ空気を供給する空気供給部と、
前記燃料電池スタックに電気的に接続された電圧バスと、
前記電圧バスに電気的に接続されたバッテリーシステムと、
前記電圧バスの電圧に応じて前記改質器へ供給される水を調整する制御システムとを具備するシステム。
【請求項１１】
前記制御システムが、蒸気と炭素の割合に応じて前記改質器へ供給される原燃料をも調整するものである請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記制御システムが、前記燃料電池によって生成された投入電流に応じて前記改質器へ供給される空気をも調整するものである請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記改質器へ供給される前記水及び前記原燃料が、前記投入電流から独立して調整される請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
電圧バスに電気的に接続されたＤＣ−ＤＣコンバータをさらに具備し、電圧バスがＤＣ電圧バスであり、燃料電池スタックが前記ＤＣ−ＤＣコンバータを通じて前記ＤＣ電圧バスに接続されるものである請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記制御システムが、投入電流に応じてＤＣ−ＤＣコンバータの運転をも調整するものである請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
定置式発電設備内に接続される請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
燃料電池スタックがＤＣ−ＤＣコンバータとＤＣ電圧バスを通じて電気的バッファに接続され、さらに改質器へと接続される、発電システムにおける燃料電池スタックの運転方法であって、
前記燃料電池による前記電気的バッファの充電制御のために、ＤＣバス電圧の目標電圧値と前記改質器における蒸気と炭素との割合の目標値とに基づいて前記改質器の運転を調整し、
その調整が、実際の蒸気と炭素との割合のフィードバック指示に基づいて前記改質器に供給される原燃料を調整すること、及びＤＣバス電圧の実際の電圧のフィードバック指示に基づいて前記改質器へ供給される水を調整することを含むものである燃料電池スタックの運転方法。
【請求項１８】
前記改質器の調整によって前記燃料電池の電流が増加するよりも前に、前記電気的バッファからの電流を供給することによって電力要求の増加分を補償する請求項１７に記載の燃料電池スタックの運転方法。
【請求項１９】
目標ＤＣ電圧が運転パラメータによって調整される請求項１８に記載の燃料電池スタックの運転方法。
【請求項２０】
所望の蒸気と炭素の目標割合が運転パラメータによって調整される請求項１８に記載の燃料電池スタックの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は定置式発電設備における改質器、燃料電池及びバッテリーの管理システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
定置式発電設備においては、複数の燃料電池を積層させた燃料電池スタック中で水素富化原燃料を酸化させることにより、電気を発生させることができる。改質器及び燃料電池スタックを通る流れとこれらからの出力とをモニターする制御システムによって、発電出力が変動しても発電設備の運転を容易に制御できる。例えば、バッテリー及び／またはスーパーキャパシタのようなバッファシステムがそのような過渡現象から前記発電設備の構成要素を保護するために用いられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
燃料電池回路を通る電子量の維持は、アノード触媒存在下で水素を陽子と電子とに解離する陽極側に持続的に水素を供給することによって達成できる。水素が欠如すると、燃料電池を保全できなくなる。従って発電設備を運転制御する一アプローチにおいて、陽極での多量の水素が、大きな燃料電池スタックを用いることによって確保される。しかしながらここで発明者たちは、そのためには大量の燃料と燃料を収容するための相応する大きな領域が必要となることを認識している。
【０００４】
燃料電池から導出される電力すなわち電流は、損失の発生量、ひいては燃料電池の効率に影響を与えるため、燃料電池スタックからの電力出力を維持することも望ましい。また、燃料電池の活性化損失は、出力電圧の減少につながり得る。従って、発電設備を運転制御する別のアプローチとして、燃料電池から導出される電流に応じて改質器の容量を調整するよう制御システムが組み込まれる。原燃料と蒸気の流入量を変化させて改質器の容量を調整することによって、前記燃料電池スタックへ入る水素富化燃料レベルを調整する。しかしながら、ここでさらに発明者たちは、このようなアプローチによる不利点に気付いた。具体的には、前記改質器の水及び燃料の流量調整と、蒸気の送風速度の調整と、システムの温度レベルの調整とにかかる反応時間が、しばしば所望の時間よりも長くなるということである。反応時間が遅いと、燃料が十分な量貯蔵されていたとしても、燃料電池の陽極側における水素レベルの一時的な欠如によって、構成要素の損傷をまねくことがある。その損傷は、過渡的な変動が生じた場合、より深刻なものとなる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の問題は、電気的バッファに接続されていて、さらに蒸気改質器へと接続されている燃料電池を具備する発電設備を作動させる方法で解決できる。この方法は、前記燃料電池によって電気的バッファの充電を制御するために、改質器における蒸気と炭素の割合を維持する一方、前記電気的バッファに影響される電圧に基づいて、前記改質器の運転を調整することを含む。例えば上記の方法は、前記改質器の調整によって前記燃料電池の電流が増加するよりも前に、電気的バッファから電流を供給することによって電力要求の増加を補償することを含む。
【０００６】
このように、前記改質器を電圧に応じて調整することによって、システムは電圧攪乱に対応できるようになる。従って、例えば陽極側での燃料不足の可能性を減少させるために、大きな燃料貯蔵バッファに頼るよりもむしろ、電気的バッファを、過渡的な状態下（例えばポンプやブロワなどの補助部品が反応するための過渡的な状態下）での要求補償に用いることができる。
【０００７】
以上の記述は、詳細な説明でさらに述べられる概念の一部を簡略化したかたちで紹介するものであるということは理解されるべきである。これは、クレームされた要旨のかぎや本質的な特徴を特定することを意図したものではなく、そのクレームされた要旨の射程は、詳細な説明につづく請求項によって独自に定義される。さらに前記クレームされた要旨は、本開示中に記載される問題点を解決する実施例には限定されない。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】定置式発電設備の一実施形態における概略図である。
【図２】本開示に係る定置式発電設備制御システムの一実施形態における概略図である。
【図３】図２で図示される定置式発電設備制御システムの前記実施形態における詳細説明図である。
【図４】本開示に係る定置式発電設備を制御する方法の一実施例を表したフローチャートである。
【図５】図３と図４に図示される前記実施例における制御システムのルーチンを簡略化して表したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は燃料電池技術を用いて水素富化原燃料から電気を発生させる、定置式発電設備１００（以下、『発電設備１００』という。）の一実施形態を示している。この定置式発電設備は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４を介してＤＣバス１０６に電力を伝達する燃料電池スタックアセンブリ１０２を具備する。このＤＣ−ＤＣコンバータ１０４は、本開示に記載される制御システムの一部を具備する。
【００１０】
発電設備１００はバッファシステム１０８を具備する。このバッファシステム１０８には、例えば電圧／電流バッファ、バッテリーまたはバッテリー群、スーパーキャパシタあるいはそれらの組み合わせが含まれるが、それだけには限られない。バランスオブプラント１１０は、前記発電設備を構成するその他の構成要素、構造及びシステムを含んでいる。前記発電設備を構成するその他の構成要素、構造及びシステムとは、発電設備の全ての部分における安全な稼動と技術的な協調のために必要とされる装置のようなものである。その例には、主及び補助変圧器、クレーン及びタービンが含まれるが、それだけには限られない。ＤＣバス１０６は、発電設備１００によって生成されたＤＣ電力を入力されて、その後の送電のためにＡＣ電力に変換して出力するインバーター１１２へとつながっている。発電設備１００の一実施形態において、燃料電池スタック層１０２で発生した電力が十分でない場合、バッファシステム１０８はインバーター１１２からのＡＣ電力を入力として充電されてもよい。
【００１１】
本開示に記載される前記発電設備の制御システムは、第一に所定のシステムバッテリーの電圧を維持するように構成されたものである。そのため前記制御システムは、バッテリーの電圧を目標値まで回復させるべく協調させた方法で、前記発電設備における一構成要素または様々な構成要素を適切に調整することによって、システムバッテリーの電圧変動に応答する。上述の実施形態において前記発電設備の一構成要素（または複数の構成要素）がコントローラによって決められた修正に対して反応しない場合、システムバッテリーを充電しそれを目標値まで戻すために、インバーターに例えばグリッドからＡＣ電力を入力することが可能となる。
【００１２】
図２は一実施形態における発電設備１００を含む発電設備制御システム２００の追加的な詳細を図示する。前記システムは、蒸気改質器２１０へと流れる原燃料供給部２０２を具備する燃料電池スタックアセンブリ１０２を含む。ここに記載される実施形態においては、適宜のさまざまな炭化水素原燃料が用いられてよい。適合する原燃料には、バイオディーゼル、植物油及び天然ガスなどが含まれるが、それだけには限られない。従って前記改質器２１０は、蒸気を用いて炭化水素原燃料から水素ガスを生成するよう構成されている。
【００１３】
さらに前記システムは、燃料流量制御装置２０４を含む。この燃料流量制御装置は、トランスミッタ２０６を介し蒸気改質器２１０へと流れる原燃料の流量を調整する。前記燃料流量制御装置は、適宜のさまざまな構成要素を含んでいる。例えば、燃料弁（図示されている）が含まれるが、それだけには限られない。燃料流量計２０８によってモニターされた燃料の流量は、電気的コントローラ２３０に伝達される。燃料流量の調整機構は、本開示中により詳細にわたって記されるように、複数の発電設備構成要素から受信する入力、例えば燃料流量の目標値、測定された燃料流量などに基づき、電気的コントローラ２３０によって制御される。
【００１４】
前記改質器２１０での水素濃縮に用いられる蒸気は、水供給部２１２から発生する。水流量制御装置２１４はトランスミッタ２１６を介して蒸気改質器２１０へと流れる蒸気または水の流量を調整する。前記水量制御装置は、適宜のさまざまな構成要素を含んでいる。この例には、送風機、給水ポンプ（図示されている）またはこれらの組み合わせが含まれるが、それだけには限られない。水流量計２１８によってモニターされた水の流量は、電気的コントローラ２３０に伝達される。水量の調整機構もまた、本開示中により詳細にわたって記されるように、さまざまな運転状態、例えば水流量の目標値及びモニターされた水流量などに基づき、電気的コントローラ２３０によって制御される。
【００１５】
蒸気改質器２１０によって生成された水素富化燃料は、その後燃料電池スタック２２０へと伝達される。燃料電池スタック２２０は、連結された複数の連成する燃料電池を含むものであり、水素富化燃料の酸化のために空気供給部２２２から供給される空気を用いる。空気流量制御装置２２４は、燃料電池スタックへと入る空気の流量を制御する。この空気量制御装置２２４は、適宜のさまざまな構成要素を含んでいる。例えば、送風機（図示されている）が含まれるが、それだけには限られない。空気流量の調整機構もまた、空気流量の目標値及び測定された空気流量を含むさまざまな運転状態に応じて、電気的コントローラ２３０によって制御される。前記燃料電池スタック２２０からの投入電流の生成によって、図に示されるように燃料排気と酸素を使い果たした空気が産みだされる。
【００１６】
前記投入電流は、電流測定器２２６によって測定された後、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４に伝達される。前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、最大電流制限値を有しており、最大電流を越えるとコンバータが電流制御モードに入る。さらに、前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、例えば５３Ｖなどの設定された電圧制限値を有しており、それを下回ると出力電圧が上昇する。
【００１７】
発電設備１００によって生成された電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータを介して、ＤＣバス１０６へと伝達され、そこから送電される。図１に図示するバッファシステム１０８（以下、バッテリーとも記載する）は、前記発電設備に含まれている。この例においては酸系のバッテリーが用いられるが、前記バッファシステムはその他のタイプのバッテリーをさまざまに組み合わせることによって構成されてもよい。バッテリー電圧測定器２２８は、バッファバッテリーの電圧を決定し、電子コントローラ２３０へその情報を中継する。
【００１８】
前記コントローラは、電流測定器２２６からの燃料電池スタックより導出される投入電圧に関する入力を受け、バス電流測定器２３４からのバス電流２３２に関する入力もまた受ける。前記コントローラは、受け取ったデータの全体に基づいて、空気と原燃料と水の流量に対する調節を、それぞれ単独でまたは組み合わせて行う。燃料電池スタックの運転の制御には、例えば図３から図５に記載されるように、さまざまな方法が単独でまたは組み合わされて用いられる。
【００１９】
具体的に、図３は本開示に係る発電設備１００の発電を調整する制御システム３００の一実施例を表している。前記実施形態の一態様において、前記制御システムは燃料電池技術を用いて発電する定置式発電設備における燃料電池スタックの運転及び出力を制御するために用いられる。前記制御システムへと送られる入力の構成要素と、それらに影響を受ける対応出力が図示される。
【００２０】
第一の制御ルーチンは第一コントローラ３１０を用いることによりバッテリーの電圧に応じて改質器の運転を制御する３５０として図示されている。具体的に、バッテリーの電圧３０２の指示値は、電圧測定器２２８から得られる。測定されたバッテリーの電圧３０４は、所定の設定電圧値３０６と比較される。例えば、前記ルーチンの一態様において、発明者たちはシステムバッテリーの電圧の目標値つまりバス電圧を５３Ｖと決定したとする（例えば設定電圧３０６として）。測定されたバッテリーの電圧と前記設定値３０６との偏差またはずれは、非線形ゲイン関数を有するルックアップテーブル３０８に送信される。一例として、前記非線形ゲインは、式（数１）で表される。
【数１】
2010287426.tif 000003
ここでｘは設定値３０６からの偏差であり、Ｅは、前記ルックアップテーブル３２８による推定に従って測定偏差ｘから算出された調整偏差である。その他の変数は所望の性能と実験的試験に基づいて調整される。この一例ではｓｉｎｈ関数を用いているが、双線形ゲインなどのその他のさまざまな非線形ゲインが用いられてよい。前記ルックアップテーブルからの出力は、コントローラ３１０（『Ｋ１』と図示される）に送信される。一例において、コントローラＫ１は、前記偏差に応じて適切に指令信号を発信するために電気的制御システム２３０に組み込まれた比例積分微分コントローラ（以下、『ＰＩＤコントローラＫ１』と記載する）３１０を含む。前記指令信号は例えばこの例においては水流量制御装置２１４を調整する。この例においてはＰＩＤコントローラが示されているが、非線形コントローラ、ゲインスケジューリングコントローラ、適応コントローラ、状態空間コントローラなどを含むその他のさまざまな制御機構が用いられてよい。この方法では、前記バッテリーの電圧のフィードバック制御が用いられており、前記設定電圧の攪乱または変化によって引き起こされる偏差を制御するための所望の応答を得るために、前記ＰＩＤコントローラのゲインを変えることによって、前記コントローラの応答が調整される。
【００２１】
さまざまなシステムの相互作用をより良く推定するとともに、例えば前述された５３Ｖなどのシステムバッテリーの目標電圧（またはバス電圧）をより正確に維持するために、ルーチン３５０において測定されたバス電流に基づく追加的なフィードフォワード制御が行われる。前記バス電流２３２は、バス電流測定器２３４によって測定され、ルックアップテーブル３１６と対照して分析される。目標設定電流値からのこの電流値のずれ３１４及びコントローラＫ１  ３１０からの入力３１２に基づいて水流量制御装置２１４を調整することによって、水の流量調節が適切に行われる。これによって、前記改質器へと流れ込む蒸気の量が調整され、結果として改質器の容量が変化する。従って、本開示中により詳しく説明されるように、バッテリーの電圧に応じたフィードバック制御ループの組み合わせと、バス電流に応じたフィードフォワード制御機構は、システムバッテリーの電圧を目標値へと近づかせるために、改質器２１０の運転を調整する。
【００２２】
第二の制御ルーチンは、前記第一制御ルーチン３５０と並列して運転する３６０として図示されている。水流量３２０は、具体的には水流量計２１８によって測定され改質器へと入る蒸気の流量であり、燃料の流量は、燃料流量計２０８によって測定され改質器へと入る燃料の流量であるが、これらはコントローラが水と炭素の割合３２２、つまり蒸気と原燃料（炭化水素）の割合を推定するためのデータを提供する。蒸気と炭素の割合の設定値３２６からの推定された蒸気と炭素の割合３２４のずれが確認されると、その偏差は、ルックアップテーブル３２８に送信される。このルックアップテーブルもまた、非線形ゲイン関数を有する。一例として、前記非線形ゲインは、式（数２）で表される。
【数２】
2010287426.tif 000004
ここでｘは設定値３２６からの偏差であり、Ｅは、前記ルックアップテーブル３２８による推定に従って測定偏差ｘから算出された調整偏差である。その他の変数は所望の性能と実験的試験に基づいて調整される。この一例ではｓｉｎｈ関数を用いているが、双線形ゲインなどのその他のさまざまな非線形ゲインが用いられてよい。前記ルックアップテーブルからの出力は、コントローラ３３０（『Ｋ２』と図示される）に送信される。一例においてコントローラＫ２は前記偏差に応じて適切に指令信号を発生するために電気的制御システム２３０に組み込まれたＰＩＤコントローラ（以下、『ＰＩＤコントローラＫ２』と記載する）３３０を含む。前記指令信号は例えばこの例においては燃料流量制御装置２０４を調整する。この例ではＰＩＤコントローラが用いられているが、非線形コントローラ、ゲインスケジューリングコントローラ、適応コントローラ、状態空間コントローラなどを含むその他のさまざまな制御機構が用いられてよい。この方法では、蒸気と炭素の割合のフィードバック制御が用いられており、蒸気と炭素の割合の設定値の攪乱または変化によって引き起こされる偏差を制御するための所望の応答を得るために、前記ＰＩＤコントローラのゲインを変えることによって、前記コントローラの応答が調整される。
【００２３】
さまざまなシステムの相互作用をより良く推定するとともに、例えば前述された５３Ｖなどのシステムバッテリーの目標電圧（またはバス電圧）をより正確に維持するために、ルーチン３６０において測定されたバス電流による追加的なフィードフォワード制御が行われる。バス電流測定器２３４によって測定された前記バス電流２３２は、ルックアップテーブル３１６へと送信される。目標設定電流値からの前記電流値のずれ３１４及びコントローラＫ２  ３３０からの入力３３２に基づいて、燃料の流量に対するさらなる調整が、前記燃料流量制御装置２０４を適切に調整することによって行われる。従って、蒸気と炭素の割合に応じて行われるフィードバック制御ループと、バス電流に応じて行われるフィードフォワード制御機構との組み合わせによって、蒸気と炭素の割合を目標値まで回復させるために、改質器２１０の運転が調節され、結果としてその後の燃料電池スタック２２０の運転が調節される。このようにして、制御ルーチン３５０と３６０は、燃料電池スタックの作動データからのフィードバックに応じて、バッテリー電圧と、蒸気と炭素の割合とを調和させてフィードバック制御をすることができる。さらに、これらはバス電流に応じてフィードフォワード制御をすることもできる。そうすることで前記制御システムは、前記燃料電池スタックの容量及び電気的バッファシステム１０８を有効に用いることによるシステムの需要に合わせて、前記改質器の容量を調整する。
【００２４】
図３はさらに、フィードフォワード構造と共に作動する第三の制御ルーチン３７０を図示する。前記フィードフォワード構造は、発電設備１００において導出された前記投入電流に応答するものである。具体的に、燃料電池スタック２２０から導出された投入電流３４０は、電流測定器２２６によって測定され、ルックアップテーブル３４２へと送信される。ルックアップテーブル３４２にはさらに燃料流量測定器２０８からの、燃料の流量に関するデータが入力される。受け取ったデータに基づいて、前記ルックアップテーブルは、前記燃料電池スタックから導出されうる電流の最大限度を分析して指定する。そしてこの指定値は、ＤＣ−ＤＣコンバータへと送信される。このＤＣ−ＤＣコンバータは、上述のとおり、電流がこの最大限度を超えないよう維持するために、電流制御モードで作動する
【００２５】
さらに、フィードフォワード制御は、投入電流に応じて空気流量制御装置２２４を調整するために用いられる。このようにして、例えば前記投入電流の値を、所望の運転状態に近づけるため及び指定された最大許容値を超えないよう維持するために、前記燃料電池スタックの容量が適宜調整される。
【００２６】
ルーチン３７０の別の態様において、導出される電流が最大許容値よりも大きい場合、ＤＣ−ＤＣコンバータは、電流を制限するために作動する。一方、前記制御システムは、燃料電池スタック２２０から導出される最大許容電流を調整するべく作動する。前記制御システムは、ルーチン３５０と３６０におけるＰＩＤコントローラＫ１  ３１０とＫ２  ３３０を介して、本開示中に記載される水流量制御装置２１４と燃料流量制御装置２０４との調整を起動することによって、その後の改質器と燃料電池スタックの容量に影響を与える。別の例において、前記バッテリー電圧が目標設定値よりも高いことが確認されると、前記コントローラは、前記システムから導出される投入電流を減少させ、システムバッテリー電圧を目標設定値へと回復させるまたは近づけることによって、改質器ひいては燃料電池スタックの容量を減少させる方向に前記水流量制御装置と燃料流量制御装置を調整する。
【００２７】
このようにして、本出願は発電設備１００に、電圧に応じた制御システムを組み込む。ここでは、改質器及び燃料電池スタックの容量を改善するために図３に図示される一連のルーチンが並列または直列になって起動される。さらに、前記ルーチンのカスケード構造は、前記制御システムの迅速で質の高い調和を可能にする。一つの例として、ルーチン３５０において改質器に入る蒸気量に変化を起こす事象は、改質器の蒸気と炭素の割合を変え、結果的にルーチン３６０の改質器へ入る燃料の流量に影響を与える。別の例として、ルーチン３６０において改質器の容量を変化させる事象は、前記燃料電池スタック２２０から導出される投入電流３４０に（燃料電池スタックの容量に影響を与えることによって）変化をもたらし、それによってルーチン３７０における燃料電池スタックの空気流量を変化させる。さらなる一例として、燃料電池スタック２２０から導出される前記投入電流の変化は、システムバッテリーの電圧を変える。このシステムバッテリーの変化が、前記制御システムを改質器及び燃料電池スタックの容量を改善するべく運転させる。カスケード制御ルーチンと電気的バッファを用いることによって、前記発電設備制御システムは、推測される状態に対する改質器の容量をより良く管理し、それによって十分な量の水素富化燃料を前記燃料電池スタックへと供給する。カスケード制御ルーチンはまた、改質器と燃料電池スタックの容量を機能的に同期させ、それによって既存の発電設備の作動状態のもと、前記設備の発電容量を改善する。
【００２８】
具体的には、図４により詳しく図示される前記カスケード制御ルーチンはさらに、前記システムが、バッテリーの電圧の過渡的な変化が生じた場合に発電設備構成要素によって引き起こされた損傷を減少させるようにはたらく。例えば、システムバッテリーの電圧３０２が目標設定値３０６を下回る場合、前記制御システムは前記改質器２１０の改質容量を調整し、次いで燃料電池の容量を調整する。ここでは、システムバッテリーの電圧が設定電圧値３０６の限界値内におさまるまで、燃料電池スタックから導出される投入電流３４０を増加させる。前記燃料電池スタックの容量を調整するよりも前に、システムバッテリーの電圧に応じて改質器の容量を調整することで、前記改質器の容量が前記燃料電池スタックの容量を増加させる。前記制御システムが燃料電池や発電設備１００のその他の構成要素に損傷を与えることなく、燃料電池／電気的バッファから導出される電流を増加させることによってバッテリーの電圧の過渡的な低下を調整するような状況下で、改質器の容量を電圧に応じて上昇させると、燃料電池スタックの陽極側における適正な量の水素が維持される。
【００２９】
上述の運転は、例えば電流応答制御システムと対比する。電流に基づくシステムにおいて過渡的な電圧の低下が第一に前記燃料電池スタックから導出される電流を増加させ、次いで改質器の容量が適宜調整される場合、前記改質器は、前記燃料電池から導出される電流に反応する。このアプローチでは、前記改質器の水及び燃料の流量の調整と、空気量の調整と、システムの温度レベルの調整とにかかる反応時間が、所望の時間よりも長くなる場合がある。前記燃料電池から導出される投入電流が急激に変動するときに燃料電池における水素レベルが十分でなければ、燃料電池に取り返しのつかない損傷が生じる可能性がある。
【００３０】
別の例として、バッテリーの電圧が目標設定電圧値よりも高くなる場合、本出願の制御システムは燃料電池スタック２２０より導出される投入電流を減少させるよう指令し、一方で前記改質器は、改質器容量の減少を遅らせる。この状況において、電圧に誘起される遅れは、バッテリー電圧の過渡的な減少に対して迅速に反応する。従って、改質器の容量すなわち燃料電池スタックの容量を電圧に応じて上下動させることによって、適宜発電設備の制御システムを、電流または／及び電圧の過渡状態に対してよりよく反応させることが可能となる。
【００３１】
図４は、本開示に係る発電設備１００を制御するための方法の一実施形態をフローチャートで表したものである。前記実施形態は、例えば図３に図示されるさまざまな制御ルーチンを用いる。方法４００ではまず、４０２においてシステムバッテリーの電圧３０２が推定される（例えばバッテリーの電圧測定器２２８を読み取る）。４０４において、測定されたバッテリーの電圧３０２と設定電圧３０６との電圧偏差（ｘ）が測定される。前記偏差は、前述されたように、入力された前記偏差ｘと非線形関数に基づいて調整偏差Ｅを算出するルックアップテーブル３０８へ送信される。
【００３２】
方法４００ではまた、図３のルーチン３５０に図示されるように、４０６において、設定値３０６からの測定されたバッテリーの電圧３０４の算出された調整偏差／ずれに基づいたコントローラＫ１  ３１０からの指令を受けて前記水流量制御装置２１４が調整される。さらに、ルックアップテーブル３１６から受け取るバス電流に依存したフィードフォワード制御の動作に基づく調整が組み込まれる。設定電圧値からの偏差を修正するための応答は、バッテリーの電圧の偏差に基づくフィードバックコントローラ及びバス電流に依存したフィードフォワード入力を介して燃料電池改質器への水の供給量を調整することによって、余分な燃料の貯蔵やその他の資源を必要とすることなく、適切に行われる。
【００３３】
次に方法４００は、４０８において、図３のルーチン３６０に図示されたように蒸気と炭素の割合を分析する。前記改質器２１０における蒸気と炭素の適切な割合は、改質器の容量を最適化する。４１０において設定値３２６からの偏差がある場合、調整偏差Ｅを算出してコントローラＫ２に送信するために、偏差値ｘはルックアップテーブル３２８でさらに評価される。図３に図示されるように、電流バスに依存した追加的なフィードフォワード調整がなされてもよい。前記入力に従い、４１２では、改質器における蒸気の流量に相応する燃料の流量を適切に調整する。これによって、蒸気と炭素の割合が目標設定値３２６に近づくように再調整される。ルーチン３６０に図示される前記フィードバック制御ループが燃料の供給を調整することで、所定の設定値３２６からの測定された蒸気と炭素の割合の偏差を修正するための適切な応答がなされる。
【００３４】
前記コントロールシステムによって改質器の容量が調整されると、この容量は、前記燃料電池スタックの電流生成容量と適宜調和される。この効果に関して、方法４００ではさらに４１６において、図３のルーチン３７０の上部分岐に図示される、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４に前記燃料電池スタック２２０から導出される最大許容電流値が設定される。前記設定値は、後に燃料電池スタック２２０で酸化される水素富化燃料の生成に影響を与える改質器２１０への燃料の流量に基づく。燃料電池スタックから導出される投入電流は電流測定器２２６によって測定される。
【００３５】
このようにして、燃料電池スタック２２０と、炭化水素原燃料として供給され、燃料電池スタックへ流れる水素富化燃料を供給する改質器２１０と、結果的に過渡的な電力変動に対する改善された保護及び迅速な対応を可能とするバッテリーの運転制御システムを具備する定置式発電設備１００内に電圧に応じた制御システムを組み込むことは可能である。前記制御システムは、所定のバッテリーの電圧設定値を有する。前記改質器と燃料電池スタックの設定値を協調させて調整することによって、前記制御システムはバッテリー電圧を所定の設定値３０６に近いところでモニター及び維持できるようになる。一態様において、電圧応答制御システムによってシステムバッテリーの電圧が目標設定値を下回ることが測定されると、バッテリー電圧を維持するために必要な追加電流を投入するために、制御システムは一連の制御を行う。例えば、燃料流量制御装置２０４と同時に水流量制御装置２１４を制限することによって、必要な蒸気と炭素の割合を乱すことなく、前記改質器の容量を調整することができる。
【００３６】
別の態様として、ＤＣ−ＤＣコントローラを備えさせることによって、前記燃料電池の容量を制御することができる。このＤＣ−ＤＣコントローラは、改質器への燃料の流量に基づいて前記燃料電池スタックから導出される最大許容電流を補償する。さらに、前記燃料電池スタックの容量は、燃料電池スタックに蒸気を供給する空気流量制御装置２２４を制御することによってモニターできる。前記空気流量制御装置２２４は、燃料電池から導出されルックアップテーブルシステム３４２を介して伝達される投入電流に応じて制御される。さらに前記制御システムに微分制御を組み込むことによって、改善された過渡応答及び攪乱防止が可能となる。改質器の容量すなわち燃料電池スタックの容量を適宜上下動させることによって、バッテリー電圧の予測不能の変化に対応できる。
【００３７】
具体的に、バッテリーの電圧が目標設定値に達したことが前記制御機構によって測定されると、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ１０４はまず燃料電池スタック２２０からの投入電流を低下させる。一方で前記改質器２１０は目標値を上回るが、これによって前記システムをバッテリー電圧の過渡状態により早く反応させることができる。つまり、前記改質器が設定値を上回ることは許可するが、下回ることは避けるという構造を組み込むことによって、前記制御機構はバッテリー電圧の過渡状態により早く応答できるようになる。最初にフィードバック制御機構とカスケード制御ルーチンにおいて順をおって起こる事象に支配されるコントローラは、図３に図示されるように、所定の設定値からの電流及び電圧値におけるモニターの変動に迅速に対応するよう補助する。
【００３８】
ここで例に示された制御及び推定ルーチンは、さまざまなシステムの構造と共に用いられるということには注意されたい。ここに記載される具体的なルーチンは、イベントドリブン、インターラプトドリブン、マルチタスク、マルチスレッド及びその他の一処理方略または複数の処理方略である。例えば、図示されるさまざまな作用、運転または機能は、図示される順に遂行されたり、並列に遂行されたり、または省略されて遂行されてよい。つまり、処理の順序は、ここに記載される実施例特徴や利点を達成するために必ずしも必要とされるものではなく、図解及び記述を容易にするために提供されている。一つもしくはいくつかの図示された作用、運転または機能は、用いられる方略によって繰り返し遂行されてもよい。さらに、記載される運転、機能または／及び作用は、前記制御システムにおいて、コードとして図式化され、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体にプログラムされてもよい。
【００３９】
図５は、図３と図４に図示される制御システムルーチンの運転を簡略化し、フローチャートで表したものである。方法５００では５０２において、図４の４０２に図示されたように、バッテリー電圧測定器２２８を用いてシステムバッテリー電圧が測定される。その後５０４において、方法５００ではバッテリー電圧が、目標設定値３０６を下回っているかどうか評価される。もし下回っていれば、その偏差は、５０６においてルックアップテーブル３０８を介し、その後ＰＩＤコントローラＫ１に送信される。前記ＰＩＤコントローラＫ１は、蒸気として改質器２１０へ流れる水の量を増加させるために前記改質器の水流量制御装置２１４を適宜調整する。このルーチン３５０は、図３においてすでに説明されている。
【００４０】
方法５００では５０８において、前記改質器へ入る水（蒸気）及び燃料の流量の測定に基づいて蒸気と炭素の割合が評価される。これが正しければ、５１２において前記燃料電池スタックから導出される電流が電流測定装置２２６を介して評価され、電流ルックアップテーブル３４２における値と比較されることによって、最大許容制限値内であると確認される。この電流値も許容範囲内におさまっている場合、前記投入電流は、前記投入電流は、前記制御システムによって、システムバッファ（バッテリー）を充電するために用いられる。その後、５１６において、測定されたシステムバッテリー電圧は再び所定の設定値３０６と照らしあわされる。しかしながらもし、この５１６において、システムバッテリー電圧が所定の設定値３０６を上回ると測定された場合、燃料電池スタック２２０より導出されうる電流の最大許容値は、ＤＣ−ＤＣコンバータに設定される。このようにして、前記制御システムは、発電設備の構成要素に取り返しのつかない損傷を引き起こす電流の急激な変動を減少させることができる。５１６において、システムバッテリー電圧が所定の設定値を超えていなければ、前記制御システムは、適切な投入電流を確保するため、制御ループにおける事象をステップ５０４から反復する。前記の適切な投入電流が確保されれば、システムバッテリーを目標値まで回復させることができる
【００４１】
一方、５０８で測定された蒸気と炭素の割合が正しくなければ、５１０において、前記改質器の燃料流量制御装置２０４はＰＩＤコントローラＫ１を介して調整される。フィードバック制御ルーチン３５０を起動させると、前記改質器を流れる燃料の量が増加し、結果的に蒸気と炭素の割合が補正される。これは、改質器の容量の利用改善を可能にする。あるいは、５１２において、前記燃料電池スタックから導出される電流が最大許容制限値を下回ると測定された場合、ルーチン３７０に図示されるように、前記燃料電池スタックの電流容量を増加させるべく、５１４において燃料電池空気流量制御装置が調整される。５０６、５１０及び５１４における事象は、改質器及び燃料電池の容量の両方をより良く管理することによって、前記燃料電池から導出される投入電流を増加させるという、前記制御システムの協調力を反映している。そして前記投入電流が増加することにより、システムバッファバッテリーを再充電することが期待される。
【００４２】
このようにして、電圧に応じた発電設備制御システムはさまざまな攪乱に対しより良く対処する。この発電設備制御システムは、電気的バッファを具備し、システムバッテリー電圧を制御するために前記システムの構成要素を調節する。電圧に応じた高ゲイン制御システムは、過剰に反応する場合があり、費用も高い。それに対してここで説明される電圧に応じた低ゲイン制御システムは、改善された方法で過渡状態に対応でき、費用も安い。また、電気的コントローラの反応時間を遅らせるためにシステムバッテリーを用いることは、発電設備の構成要素を保護する。例えば、電流に突如急激な変動が起こった場合に、前記改質器を守る。発電設備から生成される電力が十分でなければ、システムインバーターからのＡＣ電力が利用される。この態様において、組み込まれたシステムバッテリーは、一時的なサージ電流が生じた場合に起こる取り返しのつかない損失からシステムインバーターを保護する。比較的小さなバッテリーとしてバッファシステムを組み込むことによって、過剰に大きなバッファ中の燃料を必要とすることなく、陽極側における十分な量の水素を維持することができる。これによって、余分な燃料、追加的な燃料の貯蔵及び関係資源に対してかかる費用を節約できる。過渡状態に対処する際の発電設備制御システムのロバスト性によって、大きなバッテリーシステムやスーパーキャパシタなどの大きなバッファシステムの必要性もなくなる。前記制御システムは小さなバッファバッテリーで過渡状態に対する動的応答の釣り合いを取るが、このアプローチは、大きなバッファシステムと共に適用することもできる。
【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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【外国語明細書】
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