(57)【要約】【課題】出力変動時のセル温度を安定化することで、出力応答性とセル発電性能を向上させ、システムの信頼性と安全性を改善する。【解決手段】燃料改質器と、セル集合体である燃料電池と、燃料電池発電システムの操作量である燃料、空気及び給水の流量を調整する制御装置を備え、制御装置は目標出力に対応して操作量の基準値を決定する基準流量指令値手段と、前記目標出力に基づいて出力変化率を演算する出力変化率演算手段と、出力変化率に応じて空気若しくは給水の基準流量指令値を補正する第１補正手段と、セル出口空気温度に応じて空気若しくは給水の基準流量指令値を補正する第２補正手段を備える。【選択図】図１
2007194005.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料改質器と、固体酸化物形セルの集合体である燃料電池と、前記セルのアノードに供給される燃料とカソードに供給される空気および燃料改質に使用される給水の流量を調整する制御装置とを有し、
前記制御装置に、目標出力指令値を発生する目標出力設定手段と、前記目標出力指令値に基づいて燃料流量を決定する燃料流量指令手段と、前記目標出力指令値に基づいて空気流量を決定する空気流量指令手段と、前記目標出力指令値に基づいて給水流量を決定する給水流量指令手段と、前記目標出力指令値に応じて出力変化率を演算する出力変化率演算手段と、前記出力変化率演算手段で得られた出力変化率に応じて前記空気流量と給水流量の少なくとも一方を補正する補正手段を備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システム。
【請求項２】
燃料改質器と、前記燃料改質器にて改質された改質ガスと空気を受けて直流電力を発生する固体酸化物形セルの集合体である燃料電池と、前記セルのアノードに供給される燃料とカソードに供給される空気および燃料改質に使用される給水の流量を調整する制御装置とを有する固体酸化物形燃料電池発電システムの運転制御方法において、
前記制御装置で、目標出力指令値を発生する目標出力設定ステップと、前記目標出力指令値に基づいて燃料流量を決定する燃料流量指令ステップと、前記目標出力指令値に基づいて空気流量を決定する空気流量指令ステップと、前記目標出力指令値に基づいて給水流量を決定する給水流量指令ステップと、前記目標出力指令値に基づいて出力変化率を演算し、得られた出力変化率に応じて前記空気流量と給水流量の少なくとも一方を補正する補正ステップを実行することを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システムの運転制御方法。
【請求項３】
燃料改質器と、固体酸化物形セルの集合体である燃料電池と、前記セルのアノードに供給される燃料とカソードに供給される空気および燃料改質に使用される給水の流量を調整する制御装置とを有し、
前記制御装置に、目標出力指令値を発生する目標出力設定手段と、前記目標出力指令値に基づいて燃料流量を決定する燃料流量指令手段と、前記目標出力指令値に基づいて空気流量を決定する空気流量指令手段と、前記目標出力指令値に基づいて給水流量を決定する給水流量指令手段と、前記目標出力指令値に応じて出力変化率を演算する出力変化率演算手段と、前記出力変化率演算手段で得られた出力変化率に応じて前記空気流量と給水流量の少なくとも一方を補正する第１の補正手段と、セル出口空気温度に応じて前記空気流量と給水流量の少なくとも一方を補正する第２の補正手段を備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システム。
【請求項４】
燃料改質器と、前記燃料改質器にて改質された改質ガスと空気を受けて直流電力を発生する固体酸化物形セルの集合体である燃料電池と、前記セルのアノードに供給する燃料とカソードに供給する空気および燃料改質に使用される給水の流量を調整する制御装置とを有する固体酸化物形燃料電池発電システムの運転制御方法において、
前記制御装置で、目標出力指令値を発生する目標出力設定ステップと、前記目標出力指令値に基づいて燃料流量を決定する燃料流量指令ステップと、前記目標出力指令値に基づいて空気流量を決定する空気流量指令ステップと、前記目標出力指令値に基づいて給水流量を決定する給水流量指令ステップと、前記目標出力指令値に基づいて出力変化率を演算し、得られた出力変化率に応じて前記空気流量と給水流量の少なくとも一方を補正する第１の補正ステップと、セル出口空気温度に応じて前記空気流量と給水流量の少なくとも一方を補正する第２の補正ステップを実行することを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システムの運転制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池発電システム及びその運転制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、クリーンで高効率な分散電源の一つとして燃料電池発電システムが注目されている。なかでも、高温で動作可能な固体酸化物形燃料電池発電システムは業務用から産業用など適用範囲が広く、将来の電源、あるいは電熱併給システムとして多分野で期待されている。しかしながら、このような適用分野においては一般に負荷変動が激しく、システムには高頻度（数１０回〜数１００回／月）で且つ大幅な出力変更（定格出力の２０〜５０％幅）が要求される。そのため、システムは急速な出力変化要求時でも高い出力応答性を備え、高い発電効率と、高い耐久性を兼ね備えることが重要となっている。
【０００３】
固体酸化物形燃料電池発電システムは、燃料電池のセルにおけるカソード側に供給された空気中の酸素がイオン化され電解質を透過してアノードに達し、アノード側に供給された水素と反応することで起電力を発生する仕組みを利用したものである。この場合、アノードに直接、水素を供給しても良いが、都市ガスや灯油に蒸気を混合した原料を予め改質器に通すことで水素リッチな改質ガスに転換し、これを燃料として使用する方法が一般的である。
【０００４】
このような固体酸化物形燃料電池発電システムにおいて、特に重要となるのが出力変化に伴うセル温度の変動である。一般的な固体酸化物形燃料電池はセル温度が８００〜１０００℃と高温で運転されるため、セル温度とその変動は燃料電池の出力応答性を高める上で最も留意すべき運転制限要因の一つである。
【０００５】
燃料電池の運転制御においては、基本的には出力の増減に対応してセル電流を増減するが、セル電流の増減により電気抵抗によるジュール発熱量が増減する。このジュール発熱量の変動に対応してセル温度も変動する。温度が異常に高くなったり、その変化幅や変化速度が大きくなったりすると、セル寿命が急激に低下する恐れがある。そのため、出力調整時にはセル温度の変動を抑えることが極めて重要であり、これが出力応答性を左右することにもなる。また、出力低下時は電流を低下させることでジュール発熱量も低下し、セル温度が低下する。セル温度が低下すると電気抵抗が高くなるためジュール発熱量は出力低下ほどには低下せず、それだけ発電効率が低下することになる。さらに、セル温度の変動はセル自身の耐久性を低下させるばかりでなく、排ガス温度の変動を招くことにより、排ガスの熱ネルギー回収を目的とした熱交換器など他のシステム機器の耐久性をも損なう恐れがある。
【０００６】
以上述べたような特性を有する燃料電池システムにおいて、セルの過熱や温度変動を如何に防止するかは制御装置を設計する上で極めて重要な課題である。
【０００７】
固体酸化物形燃料電池発電システムの制御方法に係る従来技術としては、セル温度に基づいてカソードに供給する空気の流量を調整し、セル温度の過熱を防止する方法があり、例えば特許文献１に記載されている。また、セル温度に基づいてカソードに供給する空気温度を調整して、セル温度を安定化する方法があり、例えば特許文献２に記載されている。また、計測した電流値に基づいてカソードに供給する空気の温度を調整して、セル温度を安定化する方法があり、例えば特許文献３に記載されている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−２６０６９７号公報
【特許文献２】特開２００３−１１５３１５号公報
【特許文献３】特開２００４−３４９２１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前述の従来技術は、セル温度を直接計測するため、セルの発電性能に悪影響を及ぼすという問題、或いは空気温度を調整するのに時間を要するため、出力変化率が十分小さい場合はセル温度を安定化することは可能であるが、急速な出力変化要求に即応できないという問題がある。
【００１０】
本発明の目的は、セル温度を直接計測する方法を採らずに、出力応答性及びセルの発電性能を向上させることができる固体酸化物形燃料電池発電システムとその運転制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の固体酸化物形燃料電池発電システムは、燃料改質器と、セルの集合体である燃料電池と、セルのアノードに供給される燃料とカソードに供給される空気及び燃料改質に使用される給水の流量を調整する制御装置を具備する。制御装置は、目標出力指令値を発生する目標出力設定手段と、前記目標出力指令値に基づいて燃料流量を決定する燃料流量指令手段と、前記目標出力指令値に基づいて空気流量を決定する空気流量指令手段と、前記目標出力指令値に基づいて給水流量を決定する給水流量指令手段とを有する。更に、制御装置は、前記目標出力指令値に応じて出力変化率を演算するための出力変化率演算手段と、出力変化率演算手段で得られた出力変化率に応じて空気流量と給水流量の少なくとも一方を補正するための第１の補正手段を備える。好ましくは、更にセル出口空気温度に応じて空気流量と吸水流量の一方を補正するための第２の補正手段を備える。
【００１２】
本発明の運転制御方法は、前記固体酸化物形燃料電池発電システムの制御装置により、目標出力指令値を発生する目標出力設定ステップと、目標出力指令値に基づいて燃料流量を決定する燃料流量指令ステップと、目標出力指令値に基づいて空気流量を決定する空気流量指令ステップと、目標出力指令値に基づいて給水流量を決定する給水流量指令ステップを実行し、更に、前記目標出力指令値に基づいて出力変化率を演算し、得られた出力変化率に応じて空気流量と給水流量の少なくとも一方を補正する第１の補正ステップを実行することを特徴とする。好ましくは、更に、セル出口空気温度に応じて空気流量若しくは給水流量を補正する第２の補正ステップを実行することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、出力変動時のセル温度を安定化することができ、固体酸化物形燃料電池発電システムの出力応答性とセルの発電性能を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について説明する。但し、以下の実施形態に限定されるものではない。
【実施例１】
【００１５】
本実施形態において、燃料電池機器本体は、燃料と給水を受けて燃料と蒸気の混合ガスを生成するための燃料予熱器と、大気から取り込んだ空気を予熱するための空気予熱器と、前記混合ガスを水素リッチの改質ガスに転換する改質器と、改質ガスと空気を受けて直流電力を発生する固体酸化物形セルの集合体である燃料電池と、発生した直流電力を交流電力に変換するための電力変換器を有する。また、付属設備として、燃料の流量を調整するための燃料流量調整弁と、空気の流量を調整するための空気ブロアと、給水の流量を調整するための給水ポンプを有する。本実施形態では、更に、機器全体を制御するための制御装置が備えられる。制御装置には目標出力指令値を発生する手段と、目標出力指令値に基づいて燃料流量指令値、空気流量指令値、給水流量指令値を発生するための各指令手段が備えられる。
【００１６】
空気流量指令手段若しくは給水流量指令手段は、目標出力指令値に応じて基準空気流量指令値若しくは基準給水流量指令値を出力するとともに、出力変化率を求め、出力変化率に応じて空気流量若しくは給水流量の第１の補正値を求める。さらに、計測したセル出口空気温度に応じて空気流量若しくは給水流量の第２の補正値を求める。そして、これらの補正値を、基準空気流量指令値若しくは基準給水流量指令値に加算する。
【００１７】
この構成により、前記空気流量指令手段または給水流量指令手段では目標出力指令値に応じた定常バランス条件を満足する基準空気流量指令値または給水流量指令値と、出力を変更する場合の過渡特性を考慮した空気流量補正値若しくは給水流量補正値を決定できる。即ち、出力上昇時には空気流量若しくは給水流量を基準流量指令値よりも多くなるように補正することで、セル温度の上昇を抑制することができる。これにより、セルの異常高温化と温度変動を抑制できるため、セル及びシステム機器の耐久性を向上できる。
【００１８】
逆に、出力降下時は空気流量若しくは給水流量を基準流量指令値よりも少なくなるよう補正することで、セル温度の低下を抑制することができる。これにより、セルの温度変動を抑制できるため、セル及びシステム機器の耐久性を向上でき、また、セル温度低下による電気抵抗の増大も防止できるため、ジュール発熱の抑制により高い発電効率を維持することも可能となる。
【００１９】
最初に、図１を用いて、本発明の実施形態による固体酸化物形燃料電池発電システムの構成について説明する。なお、固体酸化物形燃料電池のセル構造としては、主として円筒型と平板型が提案されているが、両者とも基本的な動作原理は同じであり、以下の実施形態では、円筒型を例にして説明する。また、以下では固体酸化物形燃料電池発電システムを単純に燃料電池発電システムと呼ぶことにする。
【００２０】
図１は、本発明の実施形態による燃料電池発電システムの機能を説明するための構成図である。最初に、本実施形態の燃料電池発電システムのうち制御装置２００を除く破線で示す燃料電池機器本体１００の働きについて説明する。
【００２１】
まず、燃料１である都市ガス若しくは灯油（以下、単に燃料と呼ぶ）は燃料タンク２より、給水３は給水タンク４より供給される。両者は混合され燃料予熱器５に送られ、給水は蒸気となり、改質器６にて水素リッチで高温の改質ガス７に転換される。この改質ガス７は燃料電池８に供給される。一方、大気から取り込まれた空気９は空気予熱器１０にて予熱されたのち燃料電池８に供給される。
【００２２】
本実施例の燃料電池８は、複数の円筒型セル１１で構成され、セルの外側がアノード、内側がカソードになっている。改質ガス７は燃料電池８の下方から送入されアノードに沿って上昇し、上部のチャンバ１２に排出される。また、空気９は上部のマニホールド１３に送入され、ここで複数に分流し、各セルの内部に配置された円筒状の空気導入管１４の内部を予熱されながら下降し、空気導入管から出たのちセル内側のカソードに沿って上昇し、上部のチャンバ１２に抜ける。チャンバ１２に抜けた空気は、ここでアノードを通過した改質ガスと合流する。
【００２３】
アノードとカソードの間には電解質膜があり、カソード側を通過する空気中の酸素は電解質膜の働きでイオン化され電解質を透過してアノードに達し、アノードに供給される改質ガス７に含まれる水素と反応することで起電力を発生する。発生した直流電力ＬＣは電力変換器１５により交流電力ＬＡに変換され、負荷１６に供給される。尚、本図では明示していないが、通常、複数のセルは並列接続と直列接続の組合せで必要な電圧と電流を得ることができるように構成されている。したがって、端子電圧は直列接続セル数に依存し、端子電流は並列接続セル数に依存する。
【００２４】
負荷１６が直流電力を要求するものであれば、電力変換器１５は直流から交流への変換は不要であるが、端子電圧ＶＣは出力により変化するため、電圧変換機能が必要となる。また、負荷に供給する出力電力ＬＡは電力変換器１５における変換損失だけ端子電力ＬＣよりも小さくなる。
【００２５】
燃料１、給水３及び空気９の各流量は、それぞれ燃料流量調整弁１７の開度、給水ポンプ１８及び空気ブロア１９の速度により調整される。改質ガス７はアノードを通過しながら発電に寄与することで水素濃度が低下するが、或る程度の水素は残存する。また、同じくチャンバ１２に排出された空気も或る程度の酸素が残存するので、残存水素と空気は燃焼により再び高温ガスとなり、この高温ガスはマニホールド１３に供給された空気を加熱する。チャンバ１２から排出された高温ガスは空気予熱器１０に送られる。この高温排ガスのエネルギーにより空気が予熱されマニホールド１３に送入される。さらに、空気予熱器１０からの排出ガスも燃料予熱器５に導かれ、燃料予熱に利用されたのち、排ガスブロア２０によりシステム外に排出される。
【００２６】
このように、排熱を回収して再利用する理由は、燃料電池８において一定以上の効率を維持して安定な発電をするために、アノード側出口の水素とカソード側出口の酸素を一定以上の濃度に保つことが必要となるからである。そのため、供給された水素と酸素の全てを発電に使わず、或る程度の水素と酸素を残してチャンバ１２に排出することになる。
【００２７】
次に、図１の二点鎖線で囲んだ制御装置２００の働きについて説明する。ここでは制御装置の働きを理解し易くするために各制御要素をブロックで示したが、実際には燃料電池機器本体１００と同一パッケージ内、若しくはその近傍等に配置されたコントローラで実現されている。
【００２８】
まず、基本的な働きについて説明する。制御装置２００において目標出力設定手段２１から目標出力指令値ＬＲ０が発せられると、燃料流量指令手段２６から目標出力指令値ＬＲ０に対応した燃料流量指令値ＦＦＲが発せられる。この目標出力指令値ＬＲ０は通常、出力を目標値まで一定の変化率で変化させるための時間関数として与えられる。燃料流量指令値ＦＦＲは目標出力指令値ＬＲ０に静特性的に対応する定常バランス条件であり、定常運転時に出力ＬＲ０を得るのに必要な燃料流量ＦＦＲに対応する。これが瞬時燃料流量指令値ＦＦＲとして燃料流量調整弁１７に対する弁開度指令手段２７に与えられる。弁開度指令手段２７は燃料流量指令値ＦＦＲに対応して燃料流量調整弁１７に弁開度指令値ＡＦＶを出力する。
【００２９】
基準空気流量指令手段２２からは、目標出力指令値ＬＲ０に対応した基準空気流量指令値ＦＡＲ０が発せられる。基準空気流量指令値ＦＡＲ０は目標出力指令値ＬＲ０に静特性的に対応する定常バランス条件である。即ち、定常運転時に出力ＬＲ０を得るのに必要な空気流量と対応する。後述の空気流量補正手段が無い場合は、これが瞬時空気流量指令値ＦＡＲとなり、空気ブロア１９に対応するブロア速度指令手段２３に与えられる。ブロア速度指令手段２３は瞬時空気流量指令値ＦＡＲに対応して空気ブロア１９にブロア速度指令値ＮＡＢを出力する。
【００３０】
また、目標出力指令値ＬＲ０が発せられると、基準給水流量指令手段２４から目標出力指令値ＬＲ０に対応した基準給水流量指令値ＦＷＲ０が発せられる。この基準給水流量指令値ＦＷＲ０は目標出力指令値ＬＲ０に静特性的に対応する定常バランス条件である。即ち、定常運転時に出力ＬＲ０を得るのに必要な給水流量に対応する。後述の吸水流量補正手段が無い場合は、これが瞬時給水流量指令値ＦＷＲとなり、ポンプ速度指令手段２５に与えられる。ポンプ速度指令手段２５は瞬時給水流量指令値ＦＷＲに対応して給水ポンプ１８に速度指令値ＮＷＰを出力する。
【００３１】
一方、目標出力指令値ＬＲ０は電力変換器制御手段２８に与えられ、電力変換器制御手段２８では、これを満たすような瞬時電流指令値ＩＣＲを電力変換器１５に指令する。即ち、電力変換器制御手段２８では燃料電池８の端子電圧ＶＣを入力して、ＩＣＲなる瞬時電流指令値ＩＣＲ（＝  ＬＲ０／ηＥＶＣ）を発生する。この場合、ηＥは電力変換器１５の変換効率であり、前述のように変換損失分を勘案したものである。
【００３２】
次に、制御装置２００における本発明の特徴的な制御要素の働きについて説明する。出力変化率演算手段２９は目標出力指令値ＬＲ０の変化の速さ、即ち時間微分値としての出力変化率ｄＬＲ０／ｄｔを求める働きをする。本実施形態において、この出力変化率ｄ  ＬＲ０／ｄｔは空気流量指令手段５０と給水流量指令手段１５０にて使用される。
【００３３】
まず、空気流量指令手段５０について、その機能を説明する。空気流量指令手段５０は、基準空気流量指令手段２２と空気流量補正手段３０と加算手段３１から構成されており、次のような機能を有する。
【００３４】
空気流量補正手段３０は出力変化率ｄＬＲ０／ｄｔに応じて空気流量第１補正値ＦＡＲ１を求める働きをする。本実施形態において、空気流量第１補正値ＦＡＲ１は出力変化率ｄＬＲ０／ｄｔの関数で定義され、出力変化率ｄＬＲ０／ｄｔが正のときは正の値が、負の場合は負の値が出力される。この空気流量第１補正値ＦＡＲ１は加算手段３１により基準空気流量指令値ＦＡＲ０に加算され、更に後述のセル出口空気温度制御手段２５０から出力される空気流量第２補正値ＦＡＲ２が加算手段３５で加算されて瞬時空気流量指令値ＦＡＲとなる。
【００３５】
更に具体的に説明すると、空気流量指令手段５０において、目標出力指令値ＬＲ０が出力を上げる方向であるときは、定常バランス条件で決まる空気流量、即ち基準空気流量よりも若干多めの空気流量となるように補正される。逆に、目標出力指令値ＬＲ０が出力を下げる方向であるときは、基準空気流量より若干少ない空気流量となるように補正される。その結果、カソード側に送入される空気温度は出力上昇時には定常バランス条件で決まる値よりも低くなり、出力降下時には定常バランス条件で決まる値よりも高くなるように働く。これにより、出力上昇時にはセル温度の上昇を抑制し、出力降下時にはセル温度の降下を抑制するように作用する。その結果、セル温度が安定化する。
【００３６】
次に、給水流量指令手段１５０について、その機能を説明する。給水流量指令手段１５０は、基準給水流量指令手段２４と給水流量補正手段３２と加算手段３３から構成されており、次のような機能を有する。
【００３７】
給水流量補正手段３２は出力変化率ｄＬＲ０／ｄｔに応じて給水流量第１補正値ＦＷＲ１を求める働きをする。本実施形態において、給水流量第１補正値ＦＷＲ１は出力変化率ｄＬＲ０／ｄｔの関数で定義され、出力変化率ｄＬＲ０／ｄｔが正のときは正の値が、負の場合は負の値が出力される。この給水流量第１補正値ＦＷＲ１は加算手段３３により基準給水流量指令値ＦＷＲ０に加算され、更に後述のセル出口空気温度制御手段２５０から出力される給水流量第２補正値ＦＷＲ２が加算手段３６で加算されて瞬時給水流量指令値ＦＷＲとなる。
【００３８】
さらに具体的に説明すると、給水流量指令手段１５０において、目標出力指令値ＬＲ０が出力を上げる方向であるときは、定常バランス条件で決まる給水流量、即ち基準給水流量よりも若干多めの給水流量となるように補正され、目標出力指令値ＬＲ０が出力を下げる方向であるときは、給水流量の補正はその逆となる。その結果、アノード側に送入される改質ガスの温度は出力上昇時には定常バランス条件で決まる値よりも低くなり、出力降下時には定常バランス条件で決まる値よりも高くなるように働く。これにより、上記の空気流量補正の場合と同様、出力上昇時にはセル温度の上昇を抑制し、出力降下時にはセル温度の降下を抑制するように作用するため、セル温度が安定化する。
【００３９】
次に、セル出口空気温度制御手段２５０とその働きについて、図２を用いて説明する。セル出口空気温度制御手段２５０において、まず、温度検出器３４で計測したセル出口空気温度ＴＡとその目標値ＴＡＳを用いて、減算手段３７で求めた偏差に応じて空気流量と給水流量を補正するための補正係数Ｃ１を、比例積分微分演算手段３９ａにより決定する。さらに、計測したセル出口空気温度ＴＡに応じて空気流量と給水流量を補正するための補正係数Ｃ２を補正関数３８により決定する。次に、補正係数Ｃ１とＣ２を用いてゲイン４０ａ及び４１ａ、加算手段４２及び４３、ゲイン４４及び４５を介して空気流量第２補正値ＦＡＲ２及び給水流量第２補正値ＦＷＲ２を決定する。ここで、ゲイン４０ａ及び４１ａは１よりも小さな正数、ゲイン４４及びゲイン４５は定格空気流量ＦＡＲＲ及び定格給水流量ＦＷＲＲを用いる。これにより、前記第１補正の場合と同様、出力上昇時にはセル温度の上昇を抑制し、出力降下時にはセル温度の降下を抑制するように作用するため、セル温度が安定化する。
【００４０】
次に、セル温度安定化のためにセル出口空気温度の計測値を使用した理由について説明する。その第１の理由は、セル温度を直接計測する従来方式ではセルの発電性能に悪影響を及ぼすのに対し、本発明のセル出口空気温度を計測する方法はセルの発電性能に何ら影響しないということである。また、第２の理由は、出力変化時のセル出口空気温度ＴＡの挙動はセル温度ＴＣと極めて密接な関係があり、定性的にも定量的にも極めて近い動特性を示すことによる。
【００４１】
次に、制御特性の代表例について、図３を用いて説明する。図３は、出力一定状態にある燃料電池発電システムにおいて、目標出力指令値ＬＲ０を時刻ｔ１から時刻ｔ２まで一定変化率で上昇し、時刻ｔ２から時刻ｔ３は一定値で保持し、時刻ｔ３から時刻ｔ４まで一定変化率で降下したときの制御装置２００における制御信号の変化と制御結果を示す。
【００４２】
基準空気流量指令値ＦＡＲ０及び基準給水流量指令値ＦＷＲ０は、前述のように目標出力指令値ＬＲ０に基づき定常バランス条件を満足する値が出力されている。空気流量第１補正値ＦＡＲ１と給水流量第１補正値ＦＷＲ１は目標出力指令値ＬＲ０の変化率ｄＬＲ０／ｄｔに応じて変化率の符号と同極性の値が出力されている。即ち、出力変化方向と同方向の補正となる。また、空気流量第２補正値ＦＡＲ２と給水流量第２補正値ＦＷＲ２は、セル出口空気温度ＴＡと目標値ＴＡＳの偏差に応じて、これを安定化する方向に出力されている。その結果、瞬時空気流量指令値ＦＡＲ及び瞬時給水流量指令値ＦＷＲは、基準値に第１補正値と第２補正値が重畳された値となり、セル出口空気温度ＴＡとセル温度ＴＣが安定に制御されている。この結果は、格段に安定化できている。
【００４３】
以上のように、本実施形態によれば、燃料電池発電システムの出力変化時に空気流量と給水流量に対して過渡的な補正制御を施すことにより、セル温度を安定化できるため、出力応答性、発電効率、耐久性のいずれをも向上することができる。
【００４４】
また、本発明の実施形態では、システムの信頼性と安全性が向上するため、長期にわたり高い発電効率と高い稼働率を維持でき、運用コストの大幅低減も可能となる。
【実施例２】
【００４５】
実施例１では、制御装置２００におけるセル出口空気温度制御手段２５０において、比例積分微分演算手段３９ａと補正関数３８の両者を併用するものとしたが、図４に示すように比例積分微分演算手段３９ｂのみを有する構成や、図５に示すように補正関数３８のみを有する構成としても、本発明はその本質を何ら変えることなく適用可能である。また、さらに図６に示すようにセル出口空気温度制御手段２５０を省略し、出力変化率ｄＬＲ０／ｄｔに応じて空気流量第１補正値ＦＡＲ１と給水流量第１補正値ＦＷＲ１のみを使用する構成としても、本発明はその目的であるセル温度安定化の効果を大幅に劣化することなく適用可能である。これら３つの実施形態における制御信号と制御結果を、順に図７、図８、図９に示す。図７は、図４に示した実施形態、即ちセル出口空気温度制御手２５０において比例積分微分演算手段３９ｂのみを適用した場合を示すもので、図３に示した補正関数３８も使用した場合と比較して、安定性が若干劣るものの、安定性を維持している。図８は、図５に示した実施形態、即ちセル出口空気温度制御手段２５０において補正関数３８のみを適用した場合を示すもので、図３に示した比例積分微分演算手段３９ｂも使用した場合や、図７の場合と比較して、セル温度が安定するのに若干時間を要しているが、安定性を維持している。図９は、図６に示した実施形態、即ちセル出口空気温度制御手段２５０を適用しない場合を示すもので、図３に示した比例積分微分演算手段３９ｂも使用した場合や、図７や図８の場合と比較して、セル温度の変動が若干大きく、セル温度が安定する時間も長くなっているが、十分安定な特性となっている。
【００４６】
また、本発明の実施形態では、制御装置２００の制御要素として空気流量補正手段３０と給水流量補正手段３２の両手段を併用するものとしたが、片方のみを有する制御装置としても、本発明はその本質を何ら変えることなく適用可能であり、それぞれの特徴を活かすことができる。例えば、空気流量補正手段３０のみを用いる場合はカソード側から温度調整機能が作用し、給水流量補正手段３２のみを用いる場合はアノード側から温度調整機能が作用することにより、両者ともセル温度の安定化に寄与する。勿論、両者を併用した方がより安定かつ確実な制御が可能なことは言うまでもない。
【００４７】
また、本発明の実施形態では、制御対象として着目すべきセル温度ＴＣの位置については、燃料電池の種々の設計条件で異なるため敢えて定義しなかったが、基本的にはセル温度が最も高くなる位置、若しくはセルの温度変動が大きくなり易く、熱応力などによる材料強度が問題となる位置に着目するのが望ましい。いずれにしても、本発明の本質を何ら変更されることなく実施できる。
【００４８】
また、本発明の実施形態では、セル出口空気温度ＴＡを制御対象として空気流量及び給水流量の第２補正値を決定したが、必ずしもセル出口の空気温度を制御対象とする必要はなく、セル内のセル出口近傍であればよい。但し、この場合、出力変動時のセル温度と空気温度が類似した動特性を示す部位が計測位置として望ましいことは勿論である。
【００４９】
また、本発明の実施形態では、給水ポンプ１８の速度変更により給水流量を調整する方法としたが、このような方法でなくともよい。例えば、配管系統が若干追加されるが、給水ポンプ出口より配管を分岐して改質器６の入口若しくは出口に接続し、給水流量補正量に対応する流量分を直接給水できる構成としても、本発明の本質を何ら変更されることなく実施できる。
【００５０】
また、本発明の実施形態では、燃料電池のセル構造として円筒型のものを対象としたが、平板型セルやその他の構造を持つセルに対しても適用できる。また、燃料電池システムのセル構造として、円筒の内側がカソード、外側がアノードとするものを対象としたが、この逆、即ち内側がアノード、外側がカソードとするセル構造を有する燃料電池システムに対しても適用できる。
【００５１】
本発明によれば、システムの信頼性と安全性が向上するため、長期に亘り高効率と高稼働率を維持でき、燃料費や保守費を最小限にできるため、運用コストを大幅に低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施形態による燃料電池発電システムの構成と制御装置の機能を説明するための図である。
【図２】制御装置におけるセル出口空気温度制御手段を説明するための図である。
【図３】燃料電池発電システムの制御動作と効果を説明するための図である。
【図４】制御装置におけるセル出口空気温度制御手段において、比例積分微分演算のみを適用した場合を説明するための図である。
【図５】制御装置におけるセル出口空気温度制御手段において、補正関数のみを適用した場合を説明するための図である。
【図６】制御装置において、セル出口空気温度制御手段を適用しない場合を説明するための図である。
【図７】図４に示したセル出口空気温度制御手段による制御動作と効果を説明するための図である。
【図８】図５に示したセル出口空気温度制御手段による制御動作と効果を説明するための図である。
【図９】図６の場合の制御動作と効果を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５３】
１…燃料、２…燃料タンク、３…給水、４…給水タンク、５…燃料予熱器、６…改質器、７…改質ガス、８…燃料電池、９…空気、１０…空気予熱器、１１…円筒型セル、１２…チャンバ、１３…マニホールド、１４…空気導入管、１５…電力変換器、１６…負荷、１７…燃料流量調整弁、１８…給水ポンプ、１９…空気ブロア、２０…排ガスブロア、２１…目標出力設定手段、２２…基準空気流量指令手段、２３…ブロア速度指令手段、２４…基準給水流量指令手段、２５…ポンプ速度指令手段、２６…燃料流量指令手段、２７…弁開度指令手段、２８…電力変換器制御手段、２９…出力変化率演算手段、３０…空気流量補正手段、３１…加算手段、３２…給水流量補正手段、３３…加算手段、３４…温度検出器、３５…加算手段、３６…加算手段、３７…減算手段、３８…補正関数、３９ａ…比例積分微分演算手段、３９ｂ…比例積分微分演算手段、５０…空気流量指令手段、１００…燃料電池機器本体、２００…制御装置、１５０…給水流量指令手段、２５０…セル出口空気温度制御手段。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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