(57)【要約】【課題】過渡的及び静的な電池の特性変化、及び供給燃料量や電池の劣化がある場合でも、燃料の過・不足や電池の劣化をはやめることなく、常に適正範囲で燃料電池を運転することができる燃料電池発電設備の逆変換制御方法を提供する。【解決手段】インバータ２４を制御するインバータ制御回路２６と、燃料電池制御系２２とインバータ制御回路２６に出力電流を指令する出力設定器２８とを備え、出力設定器２８により、要求出力から燃料電池の出力電流Ｉを演算してこれを燃料電池制御系とインバータ制御回路に指令し、燃料電池制御系２２により、指令された出力電流Ｉに対応して燃料電池発電設備の燃料流量と空気流量を適正範囲に設定し、インバータ制御回路２６により、指令された出力電流Ｉに一致するようにインバータの入力電流を制御する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と空気を用いて発電する燃料電池発電設備（２０）を制御する燃料電池制御系（２２）と、発電された直流電力を交流電力に変換するインバータ（２４）とを備えた燃料電池発電設備の逆変換制御方法であって、
インバータを制御するインバータ制御回路（２６）と、燃料電池制御系とインバータ制御回路に出力電流を指令する出力設定器（２８）とを備え、
出力設定器（２８）により、要求出力から燃料電池の出力電流Ｉを演算してこれを燃料電池制御系とインバータ制御回路に指令し、
燃料電池制御系（２２）により、指令された出力電流Ｉに対応して燃料電池発電設備の燃料流量と空気流量を適正範囲に設定し、
インバータ制御回路（２６）により、指令された出力電流Ｉに一致するようにインバータの入力電流を制御する、ことを特徴とする燃料電池発電設備の逆変換制御方法。
【請求項２】
出力設定器（２８）による出力電流Ｉの指令を、燃料電池制御系へ先行し、次いで、同一の出力電流Ｉをインバータ制御回路に指令する、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電設備の逆変換制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電設備の逆変換制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶融炭酸塩型燃料電池は、高効率かつ環境への影響が少ないなど、従来の発電装置にはない特徴を有しており、水力・火力・原子力に続く発電システムとして注目を集め、現在世界各国で鋭意研究開発が行われている。
【０００３】
特に天然ガスを燃料とする溶融炭酸塩型燃料電池を用いた発電設備（燃料電池発電プラント）では、図３に示すように改質器１０、燃料電池１１、ガスタービン１２、排熱回収熱ボイラ１５等を備え、天然ガス１を脱流器１３で脱流し水蒸気を混入して改質器１０の改質管１０ａに供給し、ここで天然ガス１を水素を含むアノードガス２に改質する。
【０００４】
燃料電池１１では、アノードガス２と酸素を含むカソードガス３とから電気化学的に発電する。燃料電池１１を出たアノード排ガス４とカソード排ガス７の一部７ａは、改質器１０の燃焼室に供給されて燃焼排ガス５を発生する。この燃焼排ガス５は、改質器１０の改質管１０ａを加熱し、改質反応に必要な熱を供給する。
【０００５】
改質器１０を出た燃焼排ガス５は、カソード入口側に供給され、ガスタービン１２から供給される加圧空気６と合流し、カソードガス３となって燃料電池１１のカソード側に供給される。反応後のカソード排ガス７の一部７ｂは、カソード循環ブロア１６によりカソードの上流側にリサイクルされ、残り７ｃは補助燃焼器１４に供給される。補助燃焼器１４は、起動時や部分負荷時に用いられ、天然ガスをカソード排ガスで燃焼し燃焼排ガスでガスタービン１２を駆動する。
【０００６】
ガスタービン１２は、カソード排ガス７ｃ及び燃焼器１４で発生した燃焼排ガスでタービンＴを駆動して圧縮機Ｃで空気を圧縮し、発電機Ｇで発電する。圧縮した加圧空気６は前述の燃料電池１１のカソード側上流に供給される。タービンＴを出た排ガスは、排熱回収ボイラ１５に供給され、ここで水蒸気を発生させたのち系外に放出される。発生した水蒸気８は燃料１に混合され改質器１０における改質反応に用いられる。
【０００７】
上述した燃料電池発電設備において、燃料電池１１（溶融炭酸塩型燃料電池）はアノード側とカソード側とからなり、次のような電極反応が行われる。
【０００８】
アノード反応（負極反応）Ｈ２＋ＣＯ３２−→Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２＋２ｅ．．（１）
カソード反応（正極反応）ＣＯ２＋１／２Ｏ２＋２ｅ→ＣＯ３２−．．（２）
すなわちアノード側では、（１）式により水素ガスとＣＯ３２−とから水と炭酸ガスと電荷が生成され、カソード側では、（２）式により炭酸ガスと酸素と電荷とからＣＯ３２−が生成される。（１）式右辺はアノードから排出されるアノード排ガス４の成分を表しており、炭酸ガスが含まれている。また（２）式左辺はカソードに供給されるカソードガスの成分を表しており、同じく炭酸ガスが含まれている。このため上述したＣＯ２リサイクルブロア１６により、改質器で発生したＣＯ２ガスを燃料電池のカソード側に供給してカソード反応に利用するようになっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した燃料電池発電設備において、燃料電池の出力は直流であり、これを逆変換装置（インバータ）で交流出力に変換し、外部に送電する。従来、かかるインバータの制御は、要求出力に応じて、電圧又は出力を制御していた。
【００１０】
図４（Ａ）は、燃料電池の正常時における出力特性図である。この図に示すように、燃料電池が劣化していない正常時においても、電池電圧は電流が増加するに従い、ほぼ直線的に低下する。また、この特性は、供給燃料量や電池の劣化程度によっても変化する。従って、電池電圧による発電出力の制御は従来から困難であった。
【００１１】
そのため、従来は、要求出力に応じて、インバータ出力を制御していた。
【００１２】
しかし、図４（Ａ）に示すように、発電出力は電流が増加するに従い増加するが、ある極大値を持ち、それ以上電流が増加すると発電出力はかえって低下する。また、この特性も供給燃料量や電池の劣化程度によっても変化する。そのため、従来の発電出力制御によるインバータ制御では、過渡的及び静的な電池の特性変化があると、インバーターの出力制御がさらに電池の特性変化を悪化させる方向に働き、燃料の過剰又は不足を引き起こし、発電システム全体の不安定要因となるおそれがあった。
【００１３】
すなわち、図４（Ａ）において、ある要求出力に応じて、インバータ出力Ｗ’を制御する場合、燃料電池出力Ｗは、この図の出力曲線上を上下する。この場合、燃料電池出力Ｗはインバータ出力Ｗ’よりも損失分高い値である。
【００１４】
燃料電池の最大出力時の電流を最大電流Ｉｍａｘとすると、この最大電流Ｉｍａｘより低い適正範囲で燃料電池出力Ｗが変化する限りでは、電池への影響は少ないが、適正範囲を超え、特に最大電流Ｉｍａｘを超えると、過大電流により電池の劣化をはやめるおそれがある。
【００１５】
また、燃料電池の最大電流Ｉｍａｘ及び適正電流範囲は、供給燃料量や電池の劣化程度によっても変化する。例えば、図４（Ｂ）は劣化時の出力特性図であり、正常時（破線で示す）に比べて、電圧変化が大きくなり、最大出力時の最大電流Ｉｍａｘ’は、正常時よりも小さくなる。そのためこの状態で、要求出力に応じてインバータ出力を制御すると、劣化時の最大電流Ｉｍａｘ’を超えて電流を取り出すおそれがある。
【００１６】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、過渡的及び静的な電池の特性変化、及び供給燃料量や電池の劣化がある場合でも、燃料の過・不足や電池の劣化をはやめることなく、常に適正範囲で燃料電池を運転することができる燃料電池発電設備の逆変換制御方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、燃料と空気を用いて発電する燃料電池発電設備（２０）を制御する燃料電池制御系（２２）と、発電された直流電力を交流電力に変換するインバータ（２４）とを備えた燃料電池発電設備の逆変換制御方法であって、インバータを制御するインバータ制御回路（２６）と、燃料電池制御系とインバータ制御回路に出力電流を指令する出力設定器（２８）とを備え、出力設定器（２８）により、要求出力から燃料電池の出力電流Ｉを演算してこれを燃料電池制御系とインバータ制御回路に指令し、燃料電池制御系（２２）により、指令された出力電流Ｉに対応して燃料電池発電設備の燃料流量と空気流量を適正範囲に設定し、インバータ制御回路（２６）により、指令された出力電流Ｉに一致するようにインバータの入力電流を制御する、ことを特徴とする燃料電池発電設備の逆変換制御方法が提供される。
【００１８】
上記本発明の方法によれば、出力設定器（２８）により、要求出力から燃料電池の出力電流Ｉを演算するので、過渡的及び静的な電池の特性変化、及び供給燃料量や電池の劣化がある場合でも、これらの特性を加味した適正範囲で出力電流Ｉを設定することができる。
【００１９】
また、この出力電流Ｉを燃料電池制御系に指令し、燃料電池制御系（２２）により、指令された出力電流Ｉに対応して、上述したアノード反応（１）とカソード反応（２）から、指令された出力電流Ｉに必要な流量とその適正な利用率から燃料流量と空気流量を適正範囲に設定するので、燃料電池を常に適正範囲で運転することができる。
【００２０】
さらに、インバータ制御回路（２６）により、指令された出力電流Ｉに一致するようにインバータの入力電流を制御するので、出力設定器（２８）で設定した出力電流Ｉにインバータの入力電流が制御され、インバータの発電出力を要求出力に一致させることができる。
【００２１】
従って、過渡的及び静的な電池の特性変化、及び供給燃料量や電池の劣化がある場合でも、燃料の過・不足や電池の劣化をはやめることなく、常に適正範囲で燃料電池を運転することができる
本発明の好ましい実施形態によれば、出力設定器（２８）による出力電流Ｉの指令を、燃料電池制御系へ先行し、次いで、同一の出力電流Ｉをインバータ制御回路に指令する。
【００２２】
インバーター自体の電気制御回路の動作は、燃料供給系等のプロセス制御に対してはるかに早い実行速度をもつことから、燃料電池制御系の制御を先行させることにより、燃料供給異常時等のプロセス異常に対して即座に反応量を変化させた後に、インバータ制御回路の制御を実施することにより、インバータ制御時には、燃料電池制御系を先に安定化させることができ、システムの安定性を高めることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
【００２４】
図１は、本発明の燃料電池発電設備の逆変換制御方法の模式図である。この図に示すように、本発明の燃料電池発電設備の逆変換制御方法では、燃料と空気を用いて発電する燃料電池発電設備２０を制御する燃料電池制御系２２と、発電された直流電力を交流電力に変換するインバータ２４とを備える。
【００２５】
燃料電池発電設備２０は、例えば図３に例示したように、改質器１０、燃料電池１１、ガスタービン１２、排熱回収熱ボイラ１５等を備え、燃料（天然ガス１）を改質し、燃料電池１１で発電するようになっている。
【００２６】
この燃料電池発電設備２０は燃料電池制御系２２により制御される。すなわち、燃料電池発電設備２０は、これを構成する各機器および流路を制御するための制御機器、センサ、流量調節弁等を備えており、こららはすべて燃料電池制御系２２によりプロセス制御され、燃料電池発電設備２０を常に適正範囲で運転する。
【００２７】
インバータ２４は、直流電源から交流電源を得るＤＣ−ＡＣインバータであり、好ましくは入力電流制御が可能なインバータを用いる。なお、インバータの種類により回路上、入力電流制御を行うことが困難な場合には、入力電流の値を交流出力制御回路にフィードバックすることにより、実質的に入力電流制御を実現させてもよい。
【００２８】
本発明の燃料電池発電設備の逆変換制御方法では、インバータ２４を制御するインバータ制御回路２６と、燃料電池制御系２２とインバータ制御回路２６に出力電流を指令する出力設定器２８とを備える。
【００２９】
出力設定器２８は、要求出力から燃料電池の出力電流Ｉを演算してこれを燃料電池制御系とインバータ制御回路に指令する。この出力設定器２８は、過去の運転実績から、過渡的及び静的な電池の特性変化、及び供給燃料量や電池の劣化等を記憶、或いは入力できるようになっており、これらの特性変化を加味して常に適正範囲で燃料電池の出力電流Ｉを演算・設定するようになっている。
【００３０】
また、燃料電池制御系２２では、指令された出力電流Ｉに対応して燃料電池発電設備２０の燃料流量と空気流量を適正範囲に設定し、インバータ制御回路２６により、指令された出力電流Ｉに一致するようにインバータの入力電流を制御する。
【００３１】
すなわち、本発明の方法では、インバータ２４の入力電流の目標値は別の制御回路（出力設定器２８とインバータ制御回路２６）により設定され、同時に燃料供給系２２の制御回路の流量、温度制御の指令値のガイダンスとなる。
【００３２】
図２は、本発明の方法を適用した燃料電池の特性図である。この図において、ある要求出力に応じて、燃料電池の出力電流Ｉが出力設定器２８により演算／設定される。この出力電流Ｉは、燃料電池の正常時には正常時の最大電流Ｉｍａｘ以下、劣化時には劣化時の最大電流Ｉｍａｘ’以下の適正範囲に設定される。従ってこの状態で、燃料電池を運転しても、出力電流Ｉは最大電流Ｉｍａｘ、Ｉｍａｘ’以下の適正範囲にあるので、劣化時の最大電流Ｉｍａｘ’を超えて電流を取り出すおそれが全くないことがわかる。
【００３３】
上述した本発明の方法によれば、出力設定器２８により、要求出力から燃料電池の出力電流Ｉを演算するので、過渡的及び静的な電池の特性変化、及び供給燃料量や電池の劣化がある場合でも、これらの特性を加味した適正範囲で出力電流Ｉを設定することができる。
【００３４】
また、この出力電流Ｉを燃料電池制御系に指令し、燃料電池制御系２２により、指令された出力電流Ｉに対応して、上述したアノード反応（１）とカソード反応（２）から、指令された出力電流Ｉに必要な流量とその適正な利用率から燃料流量と空気流量を適正範囲に設定するので、燃料電池を常に適正範囲で運転することができる。
【００３５】
さらに、インバータ制御回路２６により、指令された出力電流Ｉに一致するようにインバータの入力電流を制御するので、出力設定器２８で設定した出力電流Ｉにインバータの入力電流が制御され、インバータの発電出力を要求出力に一致させることができる。
【００３６】
従って、過渡的及び静的な電池の特性変化、及び供給燃料量や電池の劣化がある場合でも、燃料の過・不足や電池の劣化をはやめることなく、常に適正範囲で燃料電池を運転することができる
また、出力設定器２８による出力電流Ｉの指令を、燃料電池制御系へ先行し、次いで、同一の出力電流Ｉをインバータ制御回路に指令することにより、インバーター自体の電気制御回路の動作が、燃料供給系等のプロセス制御に対してはるかに早い実行速度をもつ場合でも、燃料電池制御系の制御を先行させ、燃料供給異常時等のプロセス異常に対して即座に反応量を変化させた後に、インバータ制御回路の制御を実施することにより、インバータ制御時には、燃料電池制御系を先に安定化させることができ、システムの安定性を高めることができる。
【００３７】
なお本発明は、上述した実施形態に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で種々の変更が可能である。また本発明は溶融炭酸塩型燃料電池以外の燃料電池についても適用可能である。
【００３８】
【発明の効果】
上述したように本発明の燃料電池発電設備の逆変換制御方法は、過渡的及び静的な電池の特性変化、及び供給燃料量や電池の劣化がある場合でも、燃料の過・不足や電池の劣化をはやめることなく、常に適正範囲で燃料電池を運転することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池発電設備の逆変換制御方法の模式図である。
【図２】本発明の方法を適用した燃料電池の特性図である。
【図３】従来の燃料電池発電設備の全体構成図である。
【図４】燃料電池の特性図である。
【符号の説明】
１　燃料、２　アノードガス、３　カソードガス、
４　アノード排ガス、５　燃焼排ガス、６　空気、
７，７ａ，７ｂ，７ｃ　カソード排ガス、８　水蒸気、
１０　改質器、１１　燃料電池、１２　ガスタービン、
１３　脱流器、１４　補助燃焼器、１５　排熱回収熱ボイラ、
１６　カソード循環ブロア、２０　燃料電池発電設備、
２２　燃料電池制御系、２４　インバータ、
２６　インバータ制御回路、２８　出力設定器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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