(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と酸化剤極からなる燃料電池本体が直列にｎ（ｎ≧１）個接続されて直列接続電池群が形成され、この直列接続電池群が電気的に並列に複数接続されてなる燃料電池本体群と、この燃料電池本体群の各燃料電池本体の燃料極に燃料を供給する燃料供給手段と、前記燃料電池本体群の各燃料電池本体の酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、前記燃料電池本体群の各燃料電池本体の温度調節水を供給する温度調節水供給手段とを有する燃料電池発電プラントにおいて、
前記各直列接続電池群に流れる電流を個別に検出する複数の電流検出手段と、
前記各電流検出手段によって得られた個別の電流検出値に基づき、前記各直列接続電池群のｐ（ｎ≧ｐ≧１）個の燃料電池本体に対する酸化剤供給量を各直列接続電池群毎に個別に調節する複数の酸化剤供給量調節手段とを備え、
前記電流検出手段によって得られた個別の直列接続電池群間の電流偏差が所定の許容範囲を越えた場合に、電流の大きい直列接続電池群の前記酸化剤供給量調節手段が、酸化剤供給量を増加方向に調節するように構成されたことを特徴とする燃料電池発電プラント。
【請求項２】
燃料極と酸化剤極からなる燃料電池本体が直列にｎ（ｎ≧１）個接続されて直列接続電池群が形成され、この直列接続電池群が電気的に並列に複数接続されてなる燃料電池本体群と、この燃料電池本体群の各燃料電池本体の燃料極に燃料を供給する燃料供給手段と、前記燃料電池本体群の各燃料電池本体の酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、前記燃料電池本体群の各燃料電池本体の温度調節水を供給する温度調節水供給手段とを有する燃料電池発電プラントにおいて、
前記各直列接続電池群に流れる電流を個別に検出する複数の電流検出手段と、
前記各電流検出手段によって得られた個別の電流検出値に基づき、前記各直列接続電池群のｐ（ｎ≧ｐ≧１）個の燃料電池本体に対する酸化剤供給量を各直列接続電池群毎に個別に調節する複数の酸化剤供給量調節手段とを備え、
前記電流検出手段によって得られた個別の直列接続電池群間の電流偏差が所定の許容範囲を越えた場合に、電流の小さい直列接続電池群の前記酸化剤供給量調節手段が、酸化剤供給量を減少方向に調節するように構成されたことを特徴とする燃料電池発電プラント。
【請求項３】
燃料極と酸化剤極からなる燃料電池本体が直列にｎ（ｎ≧１）個接続されて直列接続電池群が形成され、この直列接続電池群が電気的に並列に複数接続されてなる燃料電池本体群と、この燃料電池本体群の各燃料電池本体の燃料極に燃料を供給する燃料供給手段と、前記燃料電池本体群の各燃料電池本体の酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、前記燃料電池本体群の各燃料電池本体の温度調節水を供給する温度調節水供給手段とを有する燃料電池発電プラントにおいて、
前記各直列接続電池群に流れる電流を個別に検出する複数の電流検出手段と、前記各電流検出手段によって得られた個別の電流検出値に基づき、前記各直列接続電池群のｐ（ｎ≧ｐ≧１）個の燃料電池本体に対する燃料供給量を各直列接続電池群毎に個別に調節する燃料供給量調節手段とを備え、
前記電流検出手段によって得られた個別の直列接続電池群間の電流偏差が所定の許容範囲を越えた場合に、電流の大きい直列接続電池群の前記燃料供給量調節手段が、燃料供給量を増加方向に調節するように構成されたことを特徴とする燃料電池発電プラント。
【請求項４】
燃料極と酸化剤極からなる燃料電池本体が直列にｎ（ｎ≧１）個接続されて直列接続電池群が形成され、この直列接続電池群が電気的に並列に複数接続されてなる燃料電池本体群と、この燃料電池本体群の各燃料電池本体の燃料極に燃料を供給する燃料供給手段と、前記燃料電池本体群の各燃料電池本体の酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、前記燃料電池本体群の各燃料電池本体の温度調節水を供給する温度調節水供給手段とを有する燃料電池発電プラントにおいて、
前記各直列接続電池群に流れる電流を個別に検出する複数の電流検出手段と、前記各電流検出手段によって得られた個別の電流検出値に基づき、前記各直列接続電池群のｐ（ｎ≧ｐ≧１）個の燃料電池本体に対する燃料供給量を各直列接続電池群毎に個別に調節する燃料供給量調節手段とを備え、
前記電流検出手段によって得られた個別の直列接続電池群間の電流偏差が所定の許容範囲を越えた場合に、電流の小さい直列接続電池群の前記燃料供給量調節手段が、燃料供給量を減少方向に調節するように構成されたことを特徴とする燃料電池発電プラント。
【請求項５】
燃料極と酸化剤極からなる燃料電池本体が直列にｎ（ｎ≧１）個接続されて直列接続電池群が形成され、この直列接続電池群が電気的に並列に複数接続されてなる燃料電池本体群と、この燃料電池本体群の各燃料電池本体の燃料極に燃料を供給する燃料供給手段と、前記燃料電池本体群の各燃料電池本体の酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、前記燃料電池本体群の各燃料電池本体の温度調節水を供給する温度調節水供給手段とを有する燃料電池発電プラントにおいて、
前記各直列接続電池群に流れる電流を個別に検出する複数の電流検出手段と、前記各電流検出手段によって得られた個別の電流検出値に基づき、前記各直列接続電池群のｐ（ｎ≧ｐ≧１）個の燃料電池本体に対する温度調節水供給量を各直列接続電池群毎に個別に調節する温度調節水供給量調節手段とを備えたことを特徴とする燃料電池発電プラント。
【請求項６】
前記電流検出手段によって得られた個別の直列接続電池群間の電流偏差が所定の許容範囲を越えた場合に、電流の大きい直列接続電池群の前記温度調節水供給量調節手段が、温度調節水供給量を減少方向に調節するように構成されたことを特徴とする請求項５記載の燃料電池発電プラント。
【請求項７】
前記電流検出手段によって得られた個別の直列接続電池群間の電流偏差が所定の許容範囲を越えた場合に、電流の小さい直列接続電池群の前記温度調節水供給量調節手段が、温度調節水供給量を増加方向に調節するように構成されたことを特徴とする請求項５記載の燃料電池発電プラント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、電気的に直列または並列接続された複数の燃料電池本体を備えた燃料電池発電プラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料電池発電プラントでは、一台の燃料電池本体の出力に制限がある。そのため、発電出力を増大させる場合には、複数の燃料電池本体を組み込むことが必要である。ただし、直列接続だけでは電池運転電圧が高くなり、直交変換装置などの定格電圧が高くなるため、直列接続と並列接続を組み合わせることが一般的である。
【０００３】
このような燃料電池発電プラントでは、各燃料電池本体の燃料極・酸化剤極に対して燃料・酸化剤を供給するシステムを備えるとともに、各燃料電池本体に対して温度調節水を供給するシステムを備えている。これらのシステムにおいては、プラント全体としての出力に応じて、各燃料電池本体に対する燃料・酸化剤・温度調節水の供給量が調節されるが、供給される燃料・酸化剤・温度調節用水が各燃料電池本体に対して均等に分配されるように設計されている。
【０００４】
図３は、従来の燃料電池発電プラントの一例を示す構成図である。この図３に示すように、ｎ個の燃料電池本体１が電気的に直列接続されて、１つのストリング（直列接続電池群）２を構成している。このように構成されたｍ列のストリング２が、電気的に並列接続され、直交変換装置などからなる電気システム３と電気的に並列接続されており、この電気システム３から負荷電流を取り出すようになっている。そして、電気システム３には、この電気システム３からの負荷電流を計測する全電流検出器４が電気的に直列接続されている。なお、各ストリング２の各燃料電池本体１には、燃料電池本体１の電圧を検出する電圧検出器５が個別に接続されている。
【０００５】
また、図中の１０と２０は、水素などの燃料と空気などの酸化剤を各燃料電池本体１のアノード（燃料極）とカソード（酸化剤極）に供給するための燃料供給システムと酸化剤供給システムである。そしてまた、図中の３０は、燃料電池本体１の温度を調節するための温度調節水を各燃料電池本体１に供給するための温度調節水供給システムである。以下には、これらのシステム１０，２０，３０の詳細について説明する。
【０００６】
まず、燃料供給システム１０は、水素などの燃料を処理し、各燃料電池本体１のアノードに供給するための燃料処理部１１を備えている。この燃料処理部１１には、燃料供給共通配管１２が接続されている。そして、この燃料供給共通配管１２には、燃料処理部１１からの燃料の供給流量を調節する手段として、燃料流量制御弁１３と燃料流量計１４が設けられている。
【０００７】
一方、各ストリング２の一端には、燃料供給ヘッダ１５が個別に設けられており、各燃料供給ヘッダ１５は燃料供給共通配管１２にそれぞれ接続されている。また、各ストリング２の他端には燃料排出ヘッダ１６が個別に設けられており、各燃料排出ヘッダ１６は燃料排出共通配管１７にそれぞれ接続されている。
【０００８】
このようにして、燃料処理部１１からの燃料が燃料供給共通配管１２および燃料供給ヘッダ１５を介して各ストリング２の燃料電池本体１のアノードに供給された後、使用済みの燃料が燃料排出ヘッダ１６および燃料排出共通配管１７を介して外部に排出される、という流れを有する一連の燃料供給システム１０が構成されている。
【０００９】
次に、酸化剤供給システム２０は、空気などの酸化剤を処理し、処理した酸化剤を各燃料電池本体１のカソードに供給するための酸化剤処理部２１を備えている。この酸化剤処理部２１には、酸化剤供給共通配管２２が接続されている。そして、この酸化剤供給共通配管２２には、酸化剤処理部２１からの酸化剤の供給流量を調節する手段として、酸化剤流量制御弁２３と酸化剤流量計２４が設けられている。
【００１０】
一方、各ストリング２の一端には酸化剤供給ヘッダ２５が個別に設けられており、各酸化剤供給ヘッダ２５は酸化剤供給共通配管２２にそれぞれ接続されている。また、各ストリング２の他端には、酸化剤排出ヘッダ２６が個別に設けられており、各酸化剤排出ヘッダ２６は酸化剤排出共通配管２７にそれぞれ接続されている。
【００１１】
このようにして、酸化剤処理部２１からの酸化剤が酸化剤供給共通配管２２および酸化剤供給ヘッダ２５を介して各ストリング２の燃料電池本体１のカソードに供給された後、使用済みの酸化剤が酸化剤排出ヘッダ２６および酸化剤排出共通配管２７を介して外部に排出される、という流れを有する一連の酸化剤供給システム２０が構成されている。
【００１２】
さらに、温度調節水供給システム３０は、各燃料電池本体１の温度を調節するための温度調節水を処理（熱交換処理や高純度化処理）し、処理した温度調節水を各燃料電池本体１に設けられた温度調節水流路（図示せず）に対して供給するための温度調節水処理部３１を備えている。この温度調節水処理部３１には、温度調節水供給共通配管３２が接続されている。
【００１３】
一方、各ストリング２の温度調節水流路の一端には温度調節水供給ヘッダ３３が個別に設けられており、各温度調節水供給ヘッダ３３は温度調節水供給共通配管３２にそれぞれ接続されている。また、各ストリング２の温度調節水流路の他端には、温度調節水排出ヘッダ３４が個別に設けられており、各温度調節水排出ヘッダ３４は温度調節水回収共通配管３５にそれぞれ接続されている。さらに、温度調節水回収共通配管３５は、温度調節水供給部３１に接続され、流入した温度調節水を温度調節水処理部３１に戻すように構成されている。
【００１４】
このようにして、温度調節水処理部３１からの温度調節水が温度調節水供給共通配管３２および温度調節水供給ヘッダ３３を介して各ストリング２の燃料電池本体１の温度調節水流路に供給された後、使用済みの温度調節水が温度調節水排出ヘッダ３４および温度調節水回収配管３５を介して温度調節水処理部３１に戻される、という流れを有する一連の温度調節水供給システム３０が構成されている。
【００１５】
図４は、各ストリング２の各燃料電池本体１における燃料・酸化剤・温度調節水の供給・排出部の詳細を示した構成図である。この図４に示すように、各燃料電池本体１の一端には、燃料供給個別ヘッダ１８、酸化剤供給個別ヘッダ２８、および温度調節水供給個別ヘッダ３６が設けられており、燃料供給ヘッダ１５、酸化剤供給ヘッダ２５、および温度調節水供給ヘッダ３３にそれぞれ接続されている。また、各燃料電池本体１の他端には、燃料排出個別ヘッダ１９、酸化剤排出個別ヘッダ２９、および温度調節水排出個別ヘッダ３７が設けられており、燃料排出ヘッダ１６、酸化剤排出ヘッダ２６、および温度調節水排出ヘッダ３４にそれぞれ接続されている。なお、この図４においては、図面の簡略化の観点から、電圧検出器５は図示していない。
【００１６】
そして、以上のように、各燃料電池本体１における燃料・酸化剤・温度調節水の供給・排出用として設けられた供給個別ヘッダ１８，２８，３６および排出個別ヘッダ１９，２９，３７により、燃料・酸化剤・温度調節水は、各燃料電池本体１に対して、次のように供給・排出されるようになっている。
【００１７】
まず、燃料は、燃料供給ヘッダ１５から各燃料供給個別ヘッダ１８を介して各燃料電池本体１のアノードに対して個別に供給される。この場合、燃料は、各燃料電池本体１のアノードに対して均等に分配される。そして、各燃料電池本体１のアノードで消費されなかった残りの燃料は、各燃料排出個別ヘッダ１９から排出され、燃料排出ヘッダ１６において合流する。
【００１８】
また、酸化剤は、酸化剤供給ヘッダ２５から各酸化剤供給個別ヘッダ２８を介して各燃料電池本体１のカソードに対して個別に供給される。この場合、酸化剤は、各燃料電池本体１のカソードに対して均等に分配される。そして、各燃料電池本体１のカソードで消費されなかった残りの酸化剤は、各酸化剤排出個別ヘッダ２９から排出され、酸化剤排出ヘッダ２６において合流する。
【００１９】
さらに、温度調節水は、温度調節水供給ヘッダ３３から各温度調節水供給個別ヘッダ３６を介して各燃料電池本体１の温度調節水流路に対して個別に供給される。この場合、温度調節水は、各燃料電池本体１の温度調節水流路に対して均等に分配される。そして、各燃料電池本体１の温度調節水流路で使用された温度調節水は、各温度調節水排出個別ヘッダ３７から排出され、温度調節水排出ヘッダ３４において合流する。
【００２０】
ところで、以上のような構成を有する図３、４の燃料電池発電プラントにおいて、運転時には、燃料供給システム１０および酸化剤供給システム２０によって、各ストリング２の燃料電池本体１に燃料と酸化剤がそれぞれ供給されるが、この場合、燃料と酸化剤の供給量は、次のようにして制御されている。
【００２１】
まず、運転時には、燃料処理部１１と酸化剤処理部２１から燃料供給共通配管１２と酸化剤供給共通配管２２に対して燃料と酸化剤がそれぞれ供給される。この場合、これらの共通配管１２，２２に供給される燃料と酸化剤の供給流量は、燃料流量制御弁１３と燃料流量計１４、および酸化剤流量制御弁２３と酸化剤流量計２４によってそれぞれ調節される。さらに、このような燃料と酸化剤の供給流量調節は、全電流検出器４の信号に基づいて行われる。
【００２２】
次に、このように、燃料流量制御弁１３と燃料流量計１４によって調節された燃料と、酸化剤流量制御弁２３と酸化剤流量計２４によって調節された酸化剤は、燃料供給共通配管１２と酸化剤供給共通配管２２を介して各ストリング２の燃料供給ヘッダ１５と酸化剤供給ヘッダ２５に対して均等に分配される。さらに、各ストリング２に供給された燃料と酸化剤は、各ストリング２内で各燃料電池本体１に均等に分配される。そして、以上のような一連の動作により、各燃料電池本体１に対して必要な量の燃料・酸化剤がそれぞれ供給され、燃料・酸化剤利用率とも適切な範囲に維持される。
【００２３】
なお、各燃料電池本体１において発電に寄与した後の燃料と酸化剤は、各ストリング２の燃料排出ヘッダ１６と酸化剤排出ヘッダ２６を介してそれぞれ集められ、燃料排出共通配管１７と酸化剤排出共通配管２７によって外部にそれぞれ排出される。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、以上のような従来の燃料電池発電プラントにおいては、前述したような、全電流検出器４の信号に基づく燃料流量制御弁１３と燃料流量計１４、および酸化剤流量制御弁２３と酸化剤流量計２４の最低限の操作により、各燃料電池本体１の燃料・酸化剤利用率を適正な範囲に維持することが可能である。
【００２５】
しかしながら、このように、燃料・酸化剤利用率を適正な範囲に維持するためには、各燃料電池本体１の特性に大きな差異がなく、個別ストリング電流、個別電池電圧が等しいことが前提条件であり、実際には、燃料電池本体１の特性変化は一様ではない。すなわち、実際には、長期間の発電の後には無視できない特性変化が生じる場合がある。この特性変化は図３の燃料電池発電プラントにおいては、ストリング間電流偏差という形となって現れる。これに対して、各燃料電池本体１には常に均一の燃料・酸化剤を供給しているため、ストリング間電流偏差が過度に生じた場合には、ストリング電流が大きいストリング２に含まれる燃料電池本体１では、燃料・酸化剤の欠乏現象が起こり、燃料電池本体１の損傷が生じてしまう可能性がある。また、ストリング電流が小さいストリング２に含まれる燃料電池本体１では、逆に、燃料・酸化剤の利用率が低下してしまい、プラント全体としての運転効率が低下してしまうことになる。
【００２６】
一方、ある長期間運転の後に、燃料電池本体の入れ替え工事を行う場合がある。この場合には、以上のような電流偏差が過度に生じないように、各燃料電池本体の特性を詳細に分析し、バランスを厳密に合わせるための最適配置を考え、配置変更工事を行う必要があり、そのために、長い工事期間と多大な費用を要するという問題がある。
【００２７】
本発明は、以上のような従来の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、適正なバランス状態が崩れた場合においても、過度の電流偏差が生じることを防止可能であり、さらに、バランスを厳密に合わせるための燃料電池本体の配置変更などの必要性を極力低減して、燃料電池本体の入れ替え工事の工事期間と費用を極力低減可能な、信頼性および運転効率の高い燃料電池発電プラントを提供することである。
【００２８】
より具体的に、請求項１および２記載の発明の目的は、特定の燃料電池本体の特性に急激な変化が生じた場合に、各ストリングに対する酸化剤供給量を適切に調節することにより、過度なストリング間電流偏差の発生を防止することである。請求項３および４記載の発明の目的は、特定の燃料電池本体の特性に急激な変化が生じた場合に、各ストリングに対する燃料供給量を適切に調節することにより、過度なストリング間電流偏差の発生を防止することである。請求項５〜７記載の発明の目的は、特定の燃料電池本体の特性に急激な変化が生じた場合に、各ストリングに対する温度調節水供給量を適切に調節することにより、過度なストリング間電流偏差の発生を防止することである。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
本発明による燃料電池発電プラントは、まず、燃料極と酸化剤極からなる燃料電池本体が直列にｎ（ｎ≧１）個接続されて直列接続電池群（ストリング）が形成され、この直列接続電池群（ストリング）が電気的に並列に複数接続されてなる燃料電池本体群を有する。そして、この燃料電池本体群の各燃料電池本体の燃料極に燃料を供給する燃料供給手段と、燃料電池本体群の各燃料電池本体の酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、燃料電池本体群の各燃料電池本体の温度調節水を供給する温度調節水供給手段とを有する。すなわち、本発明の燃料電池発電プラントは、以上のような基本的な構成を有する燃料電池発電プラントにおいて、酸化剤、燃料、または温度調節水の供給量を調節するために、次のような電流検出手段と供給量調節手段とを備えたことを特徴としている。
【００３０】
請求項１記載の燃料電池発電プラントは、前記各直列接続電池群に流れる電流を個別に検出する複数の電流検出手段と、前記各電流検出手段によって得られた個別の電流検出値に基づき、前記各直列接続電池群のｐ（ｎ≧ｐ≧１）個の燃料電池本体に対する酸化剤供給量を各直列接続電池群毎に個別に調節する複数の酸化剤供給量調節手段とを備え、前記電流検出手段によって得られた個別の直列接続電池群間の電流偏差が所定の許容範囲を越えた場合に、電流の大きい直列接続電池群の前記酸化剤供給量調節手段が、酸化剤供給量を増加方向に調節するように構成されたことを特徴とする。
【００３１】
このうち、電流検出手段は、各直列接続電池群に流れる電流を個別に検出する手段である。また、酸化剤供給量調節手段は、各電流検出手段によって得られた個別の電流検出値に基づき、各直列接続電池群のｐ（ｎ≧ｐ≧１）個の燃料電池本体に対する酸化剤供給量を各直列接続電池群毎に調節する手段である。
【００３２】
請求項２記載の燃料電池発電プラントは、前記各直列接続電池群に流れる電流を個別に検出する複数の電流検出手段と、前記各電流検出手段によって得られた個別の電流検出値に基づき、前記各直列接続電池群のｐ（ｎ≧ｐ≧１）個の燃料電池本体に対する酸化剤供給量を各直列接続電池群毎に個別に調節する複数の酸化剤供給量調節手段とを備え、前記電流検出手段によって得られた個別の直列接続電池群間の電流偏差が所定の許容範囲を越えた場合に、電流の小さい直列接続電池群の前記酸化剤供給量調節手段が、酸化剤供給量を減少方向に調節するように構成されたことを特徴とする。
【００３３】
請求項３記載の燃料電池発電プラントは、前記各直列接続電池群に流れる電流を個別に検出する複数の電流検出手段と、前記各電流検出手段によって得られた個別の電流検出値に基づき、前記各直列接続電池群のｐ（ｎ≧ｐ≧１）個の燃料電池本体に対する燃料供給量を各直列接続電池群毎に個別に調節する燃料供給量調節手段とを備え、前記電流検出手段によって得られた個別の直列接続電池群間の電流偏差が所定の許容範囲を越えた場合に、電流の大きい直列接続電池群の前記燃料供給量調節手段が、燃料供給量を増加方向に調節するように構成されたことを特徴とする。
【００３４】
このうち、電流検出手段は、各直列接続電池群に流れる電流を個別に検出する手段である。また、燃料供給量調節手段は、各電流検出手段によって得られた個別の電流検出値に基づき、各直列接続電池群のｐ（ｎ≧ｐ≧１）個の燃料電池本体に対する燃料供給量を各直列接続電池群毎に調節する手段である。
【００３５】
請求項４記載の燃料電池発電プラントは、前記各直列接続電池群に流れる電流を個別に検出する複数の電流検出手段と、前記各電流検出手段によって得られた個別の電流検出値に基づき、前記各直列接続電池群のｐ（ｎ≧ｐ≧１）個の燃料電池本体に対する燃料供給量を各直列接続電池群毎に個別に調節する燃料供給量調節手段とを備え、前記電流検出手段によって得られた個別の直列接続電池群間の電流偏差が所定の許容範囲を越えた場合に、電流の小さい直列接続電池群の前記燃料供給量調節手段が、燃料供給量を減少方向に調節するように構成されたことを特徴とする。
【００３６】
請求項５記載の燃料電池発電プラントは、燃料極と酸化剤極からなる燃料電池本体が直列にｎ（ｎ≧１）個接続されて直列接続電池群が形成され、この直列接続電池群が電気的に並列に複数接続されてなる燃料電池本体群と、この燃料電池本体群の各燃料電池本体の燃料極に燃料を供給する燃料供給手段と、前記燃料電池本体群の各燃料電池本体の酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、前記燃料電池本体群の各燃料電池本体の温度調節水を供給する温度調節水供給手段とを有する燃料電池発電プラントにおいて、前記各直列接続電池群に流れる電流を個別に検出する複数の電流検出手段と、前記各電流検出手段によって得られた個別の電流検出値に基づき、前記各直列接続電池群のｐ（ｎ≧ｐ≧１）個の燃料電池本体に対する温度調節水供給量を各直列接続電池群毎に個別に調節する温度調節水供給量調節手段とを備えたことを特徴とする。
【００３７】
このうち、電流検出手段は、各直列接続電池群に流れる電流を個別に検出する手段である。また、温度調節水供給量調節手段は、各電流検出手段によって得られた個別の電流検出値に基づき、各直列接続電池群のｐ（ｎ≧ｐ≧１）個の燃料電池本体に対する温度調節水供給量を各直列接続電池群毎に調節する手段である。
【００３８】
請求項６記載の燃料電池発電プラントは、請求項５記載の発明において、前記電流検出手段によって得られた個別の直列接続電池群間の電流偏差が所定の許容範囲を越えた場合に、電流の大きい直列接続電池群の前記温度調節水供給量調節手段が、温度調節水供給量を減少方向に調節するように構成されたことを特徴とする。
【００３９】
請求項７記載の燃料電池発電プラントは、請求項５記載の燃料電池発電プラントにおいて、前記電流検出手段によって得られた個別の直列接続電池群間の電流偏差が所定の許容範囲を越えた場合に、電流の小さい直列接続電池群の前記温度調節水供給量調節手段が、温度調節水供給量を増加方向に調節するように構成されたことを特徴とする。。
【００４０】
【作用】
以上のような構成を有する本発明の燃料電池発電プラントの作用は次の通りである。すなわち、燃料電池発電プラントのバランスが適正状態から逸脱し、ストリング間電流偏差が生じた場合には、電流の大きいストリングに含まれる燃料電池本体の燃料・酸化剤利用率が制御の意図する値以上に上昇する。燃料・酸化剤利用率が過度に上昇すると、燃料・酸化剤の欠乏現象を引き起こし、燃料電池本体を損傷してしまうことになる。このしきい値は特性の悪い燃料電池本体ほど低くなる。また、ストリング電流が小さいストリングに含まれる燃料電池本体では、逆に、燃料・酸化剤の利用率が低下してしまい、プラント全体としての運転効率が低下してしまうことになる。
【００４１】
これに対して、まず、請求項１または２記載の発明においては、以上のようなアンバランス状態を防止するために、酸化剤供給量調節手段によって燃料電池本体に対する酸化剤供給量を調節することにより、ストリングの電圧を調節してその電流を適切に調節することができる。特に、請求項１記載の発明においては、電流の大きなストリング、すなわち、特性の急低下した燃料電池本体を含むストリングの酸化剤供給量調節手段の一部または全部を増加方向に調節することにより、ストリングの電圧を上昇させてその電流を減少させることができる。また、請求項２記載の発明においては、電流の小さなストリング、すなわち、特性の急低下した燃料電池本体を含まない他のストリングに存在する酸化剤供給量調節手段の一部または全部を減少方向に調節することにより、ストリングの電圧を低下させてその電流を増加させることができる。なお、請求項１または２記載の発明における以上のような調節は全て、酸化剤利用率の許容範囲内で行う。
【００４２】
したがって、請求項１または２記載の発明によれば、特定の燃料電池本体の特性に急激な変化が生じた場合においても、酸化剤供給量調節手段によって酸化剤供給量を調節することにより、過度なストリング間電流偏差の発生を防止することができ、燃料電池発電プラントの信頼性を向上することができる。
【００４３】
次に、請求項３または４記載の発明においては、前述のようなアンバランス状態を防止するために、燃料供給量調節手段によって燃料電池本体に対する燃料供給量を調節することにより、ストリングの電圧を調節してその電流を適切に調節することができる。特に、請求項３記載の発明においては、電流の大きなストリング、すなわち、特性の急低下した燃料電池本体を含むストリングの燃料供給量調節手段の一部または全部を増加方向に調節することにより、ストリングの電圧を上昇させてその電流を減少させることができる。また、請求項４記載の発明においては、電流の小さなストリング、すなわち、特性の急低下した燃料電池本体を含まない他のストリングに存在する燃料供給量調節手段の一部または全部を減少方向に調節することにより、ストリングの電圧を低下させてその電流を増加させることができる。なお、請求項３または４記載の発明における以上のような調節は全て、燃料利用率の許容範囲内で行う。
【００４４】
したがって、請求項３または４記載の発明によれば、特定の燃料電池本体の特性に急激な変化が生じた場合においても、燃料供給量調節手段によって燃料供給量を調節することにより、過度なストリング間電流偏差の発生を防止することができ、燃料電池発電プラントの信頼性を向上することができる。
【００４５】
さらに、請求項５〜７記載の発明においては、前述のようなアンバランス状態を防止するために、温度調節水供給量調節手段によって燃料電池本体に対する温度調節水供給量を調節することにより、ストリングの電圧を調節してその電流を適切に調節することができる。特に、請求項６記載の発明においては、電流の大きなストリング、すなわち、特性の急低下した燃料電池本体を含むストリングの温度調節水供給量調節手段の一部または全部を減少方向に調節することにより、ストリングの電圧を上昇させてその電流を減少させることができる。また、請求項７記載の発明においては、電流の小さなストリング、すなわち、特性の急低下した燃料電池本体を含まない他のストリングに存在する温度調節水供給量調節手段の一部または全部を増加方向に調節することにより、ストリングの電圧を低下させてその電流を増加させることができる。なお、請求項５〜７記載の発明における以上のような調節は全て、温度調節水の流量の許容範囲内で行う。
【００４６】
したがって、請求項５〜７記載の発明によれば、特定の燃料電池本体の特性に急激な変化が生じた場合においても、温度調節水供給量調節手段によって温度調節水供給量を調節することにより、過度なストリング間電流偏差の発生を防止することができ、燃料電池発電プラントの信頼性を向上することができる。
【００４７】
【実施例】
［１］実施例の構成
以下には、本発明による燃料電池発電プラントの一実施例について、図１および図２を参照して説明する。この実施例は、特に、請求項１〜７記載の全ての発明を適用した燃料電池発電プラントの典型的な一例を示している。
【００４８】
［１−１］プラント全体の構成…図１
図１は、本発明による燃料電池発電プラントの一実施例を示す構成図である。この図１において、図３に示す従来例との共通部分については同一符号を付し、その部分の説明は省略する。本実施例は、基本的に図３の従来例と同様の構成を備えている。
【００４９】
すなわち、図１に示すように、ｎ個の燃料電池本体１が電気的に直列接続されて、１つのストリング（直列接続電池群）２を構成している。このように構成されたｍ列のストリング２が、電気的に並列接続され、直交変換装置などからなる電気システム３と電気的に並列接続されており、この電気システム３から負荷電流を取り出すようになっている。そして、電気システム３には、この電気システム３からの負荷電流を計測する全電流検出器４が電気的に直列接続されている。なお、各ストリング２の各燃料電池本体１には、燃料電池本体１の電圧を検出する電圧検出器５が個別に接続されている。
【００５０】
また、水素などの燃料と空気などの酸化剤を各燃料電池本体１のアノード（燃料極）とカソード（酸化剤極）にそれぞれ供給するための燃料供給システム（燃料供給手段）１０と酸化剤供給システム（酸化剤供給手段）２０、および、燃料電池本体１の温度を調節するための温度調節水を各燃料電池本体１に供給するための温度調節水供給システム（温度調節水供給手段）３０は、基本的に図３の従来例の対応するシステムと同様の構成を備えている。
【００５１】
まず、燃料供給システム１０は、燃料処理部１１、燃料供給共通配管１２、燃料流量制御弁１３、燃料流量計１４、燃料供給ヘッダ１５、燃料排出ヘッダ１６、および燃料排出共通配管１７を備えている。そして、燃料が、燃料処理部１１から燃料供給共通配管１２および燃料供給ヘッダ１５を介して各ストリング２の燃料電池本体１のアノードに供給された後、使用済みの燃料が燃料排出ヘッダ１６および燃料排出共通配管１７を介して外部に排出されるように構成されている。
【００５２】
また、酸化剤供給システム２０は、酸化剤処理部２１、酸化剤供給共通配管２２、酸化剤流量制御弁２３、酸化剤流量計２４、酸化剤供給ヘッダ２５、酸化剤排出ヘッダ２６、および酸化剤排出共通配管２７を備えている。そして、酸化剤が、酸化剤処理部２１から酸化剤供給共通配管２２および酸化剤供給ヘッダ２５を介して各ストリング２の燃料電池本体１のカソードに供給された後、使用済みの酸化剤が酸化剤排出ヘッダ２６および酸化剤排出共通配管２７を介して外部に排出されるように構成されている。
【００５３】
さらに、温度調節水供給システム３０は、温度調節水処理部３１、温度調節水供給共通配管３２、温度調節水供給ヘッダ３３、温度調節水排出ヘッダ３４、および温度調節水回収共通配管３５を備えている。そして、温度調節水が、温度調節水処理部３１から温度調節水供給共通配管３２および温度調節水供給ヘッダ３３を介して各ストリング２の燃料電池本体１の温度調節水流路に供給された後、使用済みの温度調節水が温度調節水排出ヘッダ３４および温度調節水回収共通配管３５を介して温度調節水処理部３１に戻されるように構成されている。
【００５４】
［１−２］各ストリングの詳細な構成
そして、以上のような構成に加えて、本実施例においては、各ストリング２に、ストリング電流を検出するストリング電流検出器４１が個別に接続されている。さらに、図２に示すように、各燃料電池本体１における燃料・酸化剤・温度調節水の供給部の構成にも特徴を有する。すなわち、図２に示すように、各燃料電池本体１の一端には、燃料供給個別ヘッダ１８、酸化剤供給個別ヘッダ２８、および温度調節水供給個別ヘッダ３６が設けられており、この構成は、図４に示す従来例と同様である。さらに、本実施例においては、ストリング２の最も上流に位置する１台の燃料電池本体１の燃料供給個別ヘッダ１８、酸化剤供給個別ヘッダ２８、および温度調節水供給個別ヘッダ３６に、燃料供給個別ダンパ４２、酸化剤供給個別ダンパ４３、および温度調節水供給個別ダンパ４４がそれぞれ設けられている。また、各燃料電池本体１の他端には、従来例と同様に、燃料排出個別ヘッダ１９、酸化剤排出個別ヘッダ２９、および温度調節水排出個別ヘッダ３７が設けられている。
【００５５】
この場合、ストリング電流検出器４１は、各ストリング２に流れるストリング電流を個別に検出する手段である。また、酸化剤供給個別ダンパ４３は、各ストリング電流検出器４１によって得られた個別のストリング電流検出値に基づいてその開度を調節することにより、燃料電池本体１に対する酸化剤供給量を調節する手段である。
【００５６】
そしてまた、燃料供給個別ダンパ４２は、各ストリング電流検出器４１によって得られた個別のストリング電流検出値に基づいてその開度を調節することにより、燃料電池本体１に対する燃料供給量を調節する手段である。さらに、温度調節水供給個別ダンパ４４は、各ストリング電流検出器４１によって得られた個別のストリング電流検出値に基づいてその開度を調節することにより、燃料電池本体１に対する温度調節水供給量を調節する手段である。なお、この図２においては、図面の簡略化の観点から、電圧検出器５は図示していない。
【００５７】
［１−３］ダンパの制御・設計条件
各ダンパ４２〜４４は、基本的に、次に示す条件(1) 〜(5) に基づいて制御されるように設定されるとともに、条件(4) 、(5) を満足するように設計されている。
【００５８】
［１−３−１］基本的な制御・設計条件
(1) 燃料電池発電プラントの運転状態において、ストリング間電流偏差が各ストリング電流値の１０％（基準値：所定の許容範囲の上限値）以内であれば、ダンパ４２〜４４は動作しない。
【００５９】
(2) 特定の電池が劣化するなどして、電流偏差が条件(1) の基準値を越えた場合には、ストリング電流の大きさに比例した量だけ、燃料供給個別ダンパ４２と酸化剤供給個別ダンパ４３が閉方向に動作し、温度調節水供給個別ダンパ４４が開方向に動作するように制御する。
【００６０】
(3) ダンパ４２〜４４の制御によって再び電流偏差が基準値以内となった場合には、ダンパ４２〜４４をその状態で固定する。
【００６１】
(4) ダンパ４２〜４４には開度範囲があり、開度限界を越えて動作することはない。
【００６２】
(5) プラント建設直後の初期運転状態において、ダンパ４２〜４４は中間開度となるように設計される。
【００６３】
［１−３−２］燃料供給個別ダンパの具体的な制御条件
ｍ列の各ストリング電流検出値をＩ1、Ｉ2、Ｉ3、…、Ｉmとし、各ストリングの燃料供給個別ダンパ４２の開度をＲ1、Ｒ2、Ｒ3、…、Ｒnとした場合に、燃料供給個別ダンパ４２の開度を、次の式（１）で計算される開度Ｒnとなるように制御する。
【数１】
Ｒn＝５０＋Ｋｒ×（Ｉ−Ｉn）
ただし、ＲMIN＜Ｒn＜ＲMAX        …式（１）
ここで、Ｉ＝ΣＩm、Ｋｒは正の制御定数、ＲMIN、ＲMAXは、それぞれ、燃料利用率７２％、６０％となる開度である。
【００６４】
［１−３−３］酸化剤供給個別ダンパの具体的な制御条件
ｍ列の各ストリング電流検出値をＩ1、Ｉ2、Ｉ3、…、Ｉmとし、各ストリングの酸化剤供給個別ダンパ４３の開度をＰ1、Ｐ2、Ｐ3、…、Ｐnとした場合に、酸化剤供給個別ダンパ４３の開度を、次の式（２）で計算される開度Ｐnとなるように制御する。
【数２】
Ｐn＝５０＋Ｋｐ×（Ｉ−Ｉn）
ただし、ＰMIN＜Ｐn＜ＰMAX        …式（２）
ここで、Ｉ＝ΣＩm、Ｋｐは正の制御定数、ＰMIN、ＰMAXは、それぞれ、酸化剤利用率７５％、６０％となる開度である。
【００６５】
［１−３−４］温度調節水供給個別ダンパの具体的な制御条件
ｍ列の各ストリング電流検出値をＩ1、Ｉ2、Ｉ3、…、Ｉmとし、各ストリングの温度調節水供給個別ダンパ４４の開度をＱ1、Ｑ2、Ｑ3、…、Ｑnとした場合に、温度調節水供給個別ダンパ４４の開度を、次の式（３）で計算される開度Ｑnとなるように制御する。
【数３】
Ｑn＝５０−Ｋｑ×（Ｉ−Ｉn）
ただし、５０％＜Ｑn＜ＱMAX        …式（３）
ここで、Ｉ＝ΣＩm、Ｋｑは正の制御定数、ＱMAXは、温度調節水供給量が５０％時の１．５倍となる開度である。
【００６６】
［２］実施例の作用と効果
以上のような構成を有する本実施例の燃料電池発電プラントにおいては、次のような作用が得られる。まず、プラント建設直後などの、個々の燃料電池本体１の特性に差異がない場合には、同じ負荷電流に対して全ての燃料電池本体１はほぼ同じ電圧を示すので、各ストリング２を流れるストリング電流値もほぼ同じである。そのため、全ての燃料電池本体１に対して燃料・酸化剤・温度調節水を均等に供給すれば良い。なお、このような初期の運転状態では、各ダンパ４２〜４４が中間開度となっている。
【００６７】
しかしながら、ある程度の運転期間の後には、必ず燃料電池本体１の特性にばらつきが生じ、同じ負荷電流に対して燃料電池本体１の示す電圧に差が生じることになる。この場合、各ストリング２は並列接続されているため、各ストリング２の電圧は全て等しくなり、以上のような燃料電池本体１の特性の差はストリング電流の差として現れてくる。
【００６８】
これに対して、本実施例においては、各ストリング２のストリング電流の差が増大すると、これらのストリング電流の差は、まず、各ストリング電流検出器４１からの個別のストリング電流検出値の差として得られることになる。この差が前述したダンパの制御条件(1) の基準値以上に増大した場合には、この検出された個別ストリング間電流の平均値と各個別ストリング電流の偏差に比例した量だけ、各ダンパ４２〜４４を動作させることにより、過度のストリング間電流偏差が生じることを防止することができる。
【００６９】
すなわち、前述したダンパの制御条件(2) に基づき、特性が急低下した燃料電池本体１を含む、ストリング電流が大きいストリング２については、燃料供給個別ダンパ４２と酸化剤供給個別ダンパ４３が閉方向に動作し、温度調節水供給個別ダンパ４４が開方向に動作するように制御する。このような操作を行うことにより、このストリング２の燃料電池本体１に対する燃料供給量および酸化剤供給量が増加するとともに、温度調節水供給量が減少する。その結果、このストリング２の電圧が上昇するためストリング電流が減少する。
【００７０】
逆に、その他のストリング電流が小さいストリング２については、燃料供給個別ダンパ４２と酸化剤供給個別ダンパ４３が開方向に動作し、温度調節水供給個別ダンパ４４が閉方向に動作するように制御する。このような操作を行うことにより、このストリング２の燃料電池本体１に対する燃料供給量および酸化剤供給量が減少するとともに、温度調節水供給量が増加する。その結果、このストリング２の電圧が低下するためストリング電流が増加する。
【００７１】
また、前述したように、ある長期間運転の後に、燃料電池本体１の入れ替え工事を行う場合に、従来では、過度の電流偏差の発生を防止するためにバランスを厳密に合わせて配置変更工事を行う必要があり、そのために、長い工事期間と多大な費用を要するという問題があった。これに対して、本実施例においては、以上のようなダンパ４２〜４４の制御により、過度の電流偏差の発生を防止することができるため、特殊な場合を除いては、バランスを厳密に合わせるための配置変更工事を行う必要がなくなることになる。
【００７２】
したがって、本実施例によれば、ストリング間において適正なバランス状態が崩れた場合において、過度の電流偏差が生じることを防止して、燃料電池発電プラントの信頼性および運転効率を向上することができる。また、燃料電池本体の入れ替え工事を行う場合には、燃料電池本体の配置変更が不要となるため、従来に比べて、工事期間と費用を大幅に低減することができる。特に、本実施例においては、燃料・酸化剤・温度調節水の全ての供給量を調節するように構成しているため、これらの調節の相乗効果により、ストリング電流を効率よく増加・減少させることができ、過度のストリング間電流偏差が生じることをより確実に防止することができる。
【００７３】
［３］他の実施例
本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、他にも多種多様な変形例を実施することが可能である。例えば、各ストリングを構成する燃料電池本体の数や、燃料電池本体群を構成するストリングの数は適宜選択可能である。また、各ストリングにおいて、ダンパ４２〜４４を設ける燃料電池本体の数は適宜選択可能である。さらに、燃料供給量調節手段、酸化剤供給量調節手段、および温度調節水供給量調節手段の具体的な構成は適宜選択可能である。
【００７４】
一方、前記実施例においては、これらの３種類の調節手段によって、特性の急低下した燃料電池本体を含むストリングとその他のストリングの両方について、互いに逆の調節を行う構成を示したが、これ以外の構成も可能である。すなわち、特性の急低下した燃料電池本体を含む電流の大きいストリングのみについて調節を行う構成、あるいはそれ以外の電流の小さいストリングのみについて調整を行う構成も可能であり、その場合にも十分な作用と効果が得られるものである。そしてまた、前記実施例においては、これらの３種類の調節手段の全てを設けた構成を示したが、いずれか１つまたは２つの調節手段のみを設けた場合にも、十分な作用と効果が得られることは明らかである。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、適正なバランス状態が崩れた場合においても、過度の電流偏差が生じることを防止可能であり、さらに、バランスを厳密に合わせるための燃料電池本体の配置変更などの必要性を極力低減して、燃料電池本体の入れ替え工事の工事期間と費用を極力低減可能な、信頼性および運転効率の高い燃料電池発電プラントを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による燃料電池発電プラントの一実施例を示す構成図。
【図２】  図１の燃料電池発電プラントの各ストリングの詳細を示す構成図。
【図３】  従来の燃料電池発電プラントの一例を示す構成図。
【図４】  図３の燃料電池発電プラントの各ストリングの詳細を示す構成図。
【符号の説明】
１…燃料電池本体
２…ストリング
３…電気システム
４…全電流検出器
５…電圧検出器
１０…燃料供給システム
１１…燃料処理部
１２…燃料供給共通配管
１３…燃料流量制御弁
１４…燃料流量系
１５…燃料供給ヘッダ
１６…燃料排出ヘッダ
１７…燃料排出共通配管
１８…燃料供給個別ヘッダ
１９…燃料排出個別ヘッダ
２０…酸化剤供給システム
２１…酸化剤処理部
２２…酸化剤供給共通配管
２３…酸化剤流量制御弁
２４…酸化剤流量系
２５…酸化剤供給ヘッダ
２６…酸化剤排出ヘッダ
２７…酸化剤排出共通配管
２８…酸化剤供給個別ヘッダ
２９…酸化剤排出個別ヘッダ
３０…温度調節水供給システム
３１…温度調節水処理部
３２…温度調節水供給共通配管
３３…温度調節水供給ヘッダ
３４…温度調節水排出ヘッダ
３５…温度調節水回収共通配管
３６…温度調節水供給個別ヘッダ
３７…温度調節水排出個別ヘッダ
４１…ストリング電流検出器
４２…燃料供給個別ダンパ
４３…酸化剤供給個別ダンパ
４４…温度調節水供給個別ダンパ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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