JP5314364B2 - 燃料電池発電システムおよび燃料電池の出力制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池によって発電を行う燃料電池発電システムおよび燃料電池の出力制御方法に関するものである。

従来、固体酸化物型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」という。）を利用した発電システムが提案されている。例えば、特許文献１には、ＳＯＦＣによって発電するＳＯＦＣ発電機と、ガスタービンによって発電するガスタービン発電機とを組み合わせたハイブリッド発電システムにおいて、ＳＯＦＣ発電機等に対する温度制約を維持しながらＳＯＦＣ発電機への負荷要件を満たすようにＳＯＦＣを制御する制御方法が開示されている。より具体的には、ハイブリッド発電システムに要求される総合要求出力を、ＳＯＦＣの温度制約を満たすように、ＳＯＦＣ発電機およびガスタービン発電機にうまく割り当て、それぞれに割り当てられた要求出力を満足するように各発電機を制御することが開示されている。ＳＯＦＣ発電機の出力は、需要電流だけでなく、燃料利用度、温度、および圧力をキーパラメータとして決定される。
特開２００６−２９４６２１号公報

ところで、上述したＳＯＦＣの運転においては、温度に応じて電圧制限値、電流制限値が設定されている。このため、温度が徐々に上昇するＳＯＦＣの起動時においては、常に、温度を監視し、その温度に対応する電圧制限値および電流制限値を超えないように、両者をうまく制御しながら定格運転に至らしめなければならない。
従来、この作業は、熟練した作業員が温度、電圧、電流を監視しながら、それぞれの制限範囲を超えないように、電圧、電流を手動で制御していた。

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、燃料電池の起動時における電圧電流制御を自動で行うことの可能な燃料電池発電システムおよび燃料電池の出力制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、燃料電池と、前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段と、前記燃料電池の温度特性に基づいて設定され、前記燃料電池の出力電圧と電流変化率とを関連付けたテーブルまたは演算式と、前記電圧検出手段により検出された出力電圧に対応する電流変化率を前記テーブルまたは前記演算式から取得し、該電流変化率に基づいて電流指令値を設定して、前記燃料電池の出力制御処理を実施する制御手段とを備え、前記テーブルまたは前記演算式は、前記燃料電池の出力電圧が所定の閾値以下となった場合に、前記電流変化率が減少するように設定されている燃料電池発電システムを提供する。

このような構成によれば、燃料電池の出力電圧と電流変化率とを関連付けたテーブルまたは演算式に基づいて、出力電圧に適した電流変化率が取得され、この電流変化率に基づいて電流指令値が設定される。これにより、この電流指令値に基づいて燃料電池の出力を制御することで、最適な出力制御を行うことが可能となる。
また、上記関連情報は、燃料電池の出力電圧が所定の閾値以下となった場合に、前記電流変化率を減少させるように設定されている。これにより、燃料電池の出力電流の変化率が徐々に減少し、この電流変化率の減少を受けて出力電圧が徐々に上昇し、電圧閾値以上に回復する。このように電圧に応じて電流指令値の変化率を変化させることにより、出力電圧および出力電流を適切な電流電圧範囲内において自動で制御することができ、作業者等の負担を軽減することが可能となる。

上記燃料電池発電システムにおいて、前記テーブルまたは前記演算式は、前記燃料電池の出力電圧が所定の閾値以下である領域において、前記出力電圧が低いほど電流変化率が低下するように設定されていることとしてもよい。

本発明は、燃料電池の出力電圧を検出する過程と、前記燃料電池の出力電圧と電流変化率とが予め関連付けられたテーブルまたは演算式から、該燃料電池の出力電圧に対応する電流変化率を取得し、取得した該電流変化率に基づいて電流指令値を設定する過程と、該電流指令値に基づいて前記燃料電池の出力を制御する過程とを有し、前記テーブルまたは前記演算式は、前記燃料電池の温度特性に基づいて設定されるとともに、前記燃料電池の出力電圧が所定の閾値以下となった場合に、前記電流変化率を減少させるように設定されている燃料電池の出力制御方法を提供する。

本発明によれば、燃料電池の起動時における電圧電流制御を自動で行うことができ、作業者の負担を軽減することができるという効果を奏する。

以下に、本発明に係る燃料電池発電システムおよびその運転制御方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池発電システムの概略構成を示す図である。図１に示すように、燃料電池発電システムは、燃料電池１、改質器２、空気予熱器３、燃焼器４、再循環ブロワ５、および予熱ヒータ６を備えて構成されている。

上記燃料電池１は、例えば、ＳＯＦＣである。燃料電池１には、改質器２から出力された燃料ガスが流入する燃料流入部２１と、燃料電池１内を流通した燃料ガスが排出される燃料排出部２２、空気予熱器３からの空気が流入する空気流入部２３、および燃料電池１内を流通した空気が排出される空気排出部２４とが設けられている。

改質器２は、燃料電池１の空気排出部２４から排出された高温の空気が内部を流通するように構成されており、この高温の空気によって、外部から供給される燃料ガス（例えば、都市ガスや天然ガスなど）を加熱して燃料電池１に供給する。また、改質器２は、燃料ガスを改質する機能も有している。
空気予熱器３は、改質器２を流通した高温の空気が供給されるように構成されている。空気予熱器３は、改質器２から供給される高温の空気によって、外部から供給される空気（酸化剤ガス）を予熱し、燃料電池１に供給するとともに、予熱に用いた高温の空気を燃焼器４に供給する。
燃焼器４は、燃料排出部２２から排出された燃料排ガスが供給されるとともに、空気予熱器３から予熱利用済みの空気が供給されるようになっている。燃焼器４は、燃料電池１の燃料排出部２２から排出された燃料排ガス中に含まれる未燃の燃料ガスと空気予熱器３から供給された高温の空気とを混合し、燃焼させる。

再循環ブロワ５は、燃料電池１の燃料排出部２２から排出された燃料排ガスの一部を分岐して、改質器２に再度流通させ、燃料排ガス中に含まれる未燃の燃料ガスを再利用する。
予熱ヒータ６は、燃料電池１内に設置され、電力の供給を受けて熱を発生させるヒータであり、燃料電池１の起動時において、空気と昇温用燃料ガスとが燃料電池１内の燃焼触媒において反応を起こす所定の温度に達するまで、燃料電池１内の燃料電池セルを加熱するものである。
なお、本実施形態では、予熱ヒータ６を燃料電池１内に設置し、電力によって熱を発生する構成としたが、燃料電池１に供給される空気を燃料電池１の外部で種々の方法により加熱する構成としてもよく、また、燃料電池１内の燃料電池セルを加熱できるならば、どのような手段を用いてもよい。また、本実施形態では改質器２を燃料電池１の外部に設置する構成としたが、燃料電池１の内部に改質器２を設置してもよい。

次に、上記構成を備える燃料電池発電システムの基本的な動作について説明する。
まず、燃料電池１の起動時においては、燃料電池１内において、予熱ヒータ６により燃料電池１内の燃料電池セルを加熱する。そして、燃料電池セルが自己発電可能な温度（例えば６００℃）まで加熱されると、燃料ガスが改質器２を介して燃料電池１の燃料供給部２１へ供給され、燃料電池１内において燃料電池セルによる発電が開始される。燃料電池セルは、発電するとともに発熱（自己発電発熱）することによって、加熱される。また、自己発電発熱が開始されると、予熱ヒータ６は停止される。

燃料電池セルによる発電の開始後において、改質器２に外部から供給される燃料ガスは、燃料電池１の空気排出部２４から排出された高温空気の熱により、水素および一酸化炭素に改質された後、燃料電池１の燃料供給部２１を介して燃料電池１内部に流入する。
更に、改質器２において燃料ガスの予熱に利用された高温空気は、空気予熱器３に送られ、空気予熱器３において、この高温空気を用いた空気（酸化剤ガス）の加熱が行われる。加熱された空気（酸化剤ガス）は、空気予熱器３から燃料電池１の空気流入部２３を経由して燃料電池１内部に流入する。
燃料電池１内に流入した燃料ガスおよび加熱空気は、燃料電池セルに供給され、燃料電池セルにおける発電に用いられる。

発電に用いられた後の燃料排ガスは、燃料電池１の燃料排出部２２を経由して燃料電池１から排出される。排出された燃料排ガスの一部は再循環ブロワ５を介して、改質器２に再度導入されて未燃の燃料ガスが再利用され、また、残りは燃焼器４に導かれ、この燃焼器４において、空気予熱器３から供給される高温空気と混合されて未燃分が燃焼される。

一方、上述したように、燃料電池１の起動時において発電された電力は、図２に示すように、電力線を介して接続される系統３０に供給される。なお、ここでは、電力供給先として系統３０が示されているが、系統に代えて負荷が接続されていてもよい。燃料電池１と系統３０との間には、燃料電池１により発生した直流電力を３相交流電力に変換して出力する電力変換装置３６が設けられている。
系統３０に供給される電力、具体的には、燃料電池１から出力される電圧および電流は、それぞれ電圧検出器３１、電流検出器３２によって検出され、制御装置（制御手段）３５に入力される。

制御装置３５は、電圧検出器３１によって検出された出力電圧及び電流検出器３２によって検出された出力電流に基づいて電流指令を電力変換装置３６に出力することにより、燃料電池１の出力電圧及び出力電流を制御する。
以下、制御装置３５によって実現される燃料電池１の起動時における出力制御処理について図３を参照して説明する。

まず、燃料電池１の起動時において、ユーザによって目標負荷が入力されると、この目標負荷を保持する（ステップＳＡ１）。続いて、電圧検出器３１及び電流検出器３２から入力された各検出値から実負荷を算出し（ステップＳＡ２）、この実負荷が目標負荷に達したか否かを判定する（ステップＳＡ３）。この結果、実負荷が目標負荷に達していなかった場合には（ステップＳＡ３において「ＮＯ」）、１周期あたりにおける電流指令を設定する（ステップＳＡ４）。電流指令の設定は以下の方法により行われる。

制御装置３５は、図４に示すように、電圧と電流変化率とが対応付けられているテーブルを有している。このテーブルは、燃料電池１の温度特性を加味して作成されたものであり、電圧がある閾値Ｖｔｈ以下となった場合に、電流変化率を小さくするように設定されている。このように、電圧が小さくなった場合には、電流変化率を小さくすることにより、電流の増加を抑制し、これにより燃料電池１の温度を回復させることができる。
なお、電圧と電流変化率とを対応付ける情報は、上記テーブルに限定されることなく、例えば、電圧、電流変化率をパラメータとする演算式等として記憶されていてもよい。

制御装置３５は、電圧検出器３１から入力された電圧検出値に対応する電流変化率をテーブルから求め、この電流変化率に基づいて電流指令値を設定し、設定した電流指令値を電力変換装置３６に出力する（ステップＳＡ５）。
これにより、電力変換装置３６を電流指令値に基づいて駆動することで、燃料電池１の出力電流及び出力電圧が制御され、実負荷が目標負荷に向けて上昇することとなる。
制御装置３５は、上記ステップＳＡ２からＳＡ５の処理を繰り返し行い、ステップＳＡ３において、実負荷が目標負荷に達したと判断すると（ステップＳＡ３において「ＹＥＳ」）、上記起動時における出力制御処理を終了する。

上述のように、電圧が所定の閾値Ｖｔｈ以下となった場合には、電圧に応じて電流変化率を減少させる制御を行うことにより、燃料電池１の出力電流の増加を抑制させて、出力電圧を徐々に回復させることが可能となる。そして、電圧が閾値Ｖｔｈ以上まで回復すると、制御装置３５は、電流指令値の変化率を通常値とする。これにより、例えば、燃料電池１が約９００から１０００℃の状態（＝定格運転状態）となって起動が完了するまで、自動で出力電圧を一定値以上に保ちながら適切な変化率で電流を制御することが可能となる。

図５に上記制御を行った場合の電流密度と電圧との関係の一例を示す。このように、本実施形態における燃料電池の運転制御方法では、出力電圧が所定の閾値Ｖｔｈよりも大幅に低下することを回避することが可能となる。

以上、説明してきたように、本実施形態に係る燃料電池発電システムおよびその運転制御方法によれば、燃料電池１の出力電圧をモニタし、この出力電圧の値に応じて出力電流を制御するので、出力電圧および出力電流を適切な電流電圧範囲内において自動で制御することが可能となる。これにより、温度上昇や電圧低下等によって燃料電池内の素子が破壊されることを未然に防ぐことができるとともに、作業者等の負担を軽減することができる。また、負荷上昇時における燃料電池の電力制御を円滑に行うことが可能となり、起動に要する時間を短縮することが可能となる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池発電システムの概略構成の一例を示した図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池発電システムの電気系統の一例を示した図である。 燃料電池の起動時における出力制御の処理を示したフローチャートである。 出力電圧と電流変化率との対応関係を示したテーブルの一例を示した図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池の出力制御方法を実施した場合に得られる電圧−電流特性の一例を示した図である。

符号の説明

１ 燃料電池
２ 改質器
３ 空気予熱器
４ 燃焼器
５ 再循環ブロワ
６ 予熱ヒータ
２１ 燃料流入部
２２ 燃料排出部
２３ 空気流入部
２４ 空気排出部
３０ 電気負荷
３１ 電圧検出器
３２ 電流検出器
３５ 制御装置
３６ 電力変換装置

Claims (4)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記燃料電池の温度特性に基づいて設定され、前記燃料電池の出力電圧と電流変化率とを関連付けたテーブルまたは演算式と、
   前記電圧検出手段により検出された出力電圧に対応する電流変化率を前記テーブルまたは前記演算式から取得し、該電流変化率に基づいて電流指令値を設定して、前記燃料電池の出力制御処理を実施する制御手段と
   を備え、
   前記テーブルまたは前記演算式は、前記燃料電池の出力電圧が所定の閾値以下となった場合に、前記電流変化率が減少するように設定されている燃料電池発電システム。
2. 前記燃料電池が固体酸化物型燃料電池である請求項１に記載の燃料電池発電システム。
3. 前記テーブルまたは前記演算式は、前記燃料電池の出力電圧が所定の閾値以下である領域において、前記出力電圧が低いほど電流変化率が低下するように設定されている請求項１または請求項２に記載の燃料電池発電システム。
4. 燃料電池の出力電圧を検出する過程と、
   前記燃料電池の出力電圧と電流変化率とが予め関連付けられたテーブルまたは演算式から、該燃料電池の出力電圧に対応する電流変化率を取得し、取得した該電流変化率に基づいて電流指令値を設定する過程と、
   該電流指令値に基づいて前記燃料電池の出力を制御する過程と
   を有し、
   前記テーブルまたは前記演算式は、前記燃料電池の温度特性に基づいて設定されるとともに、前記燃料電池の出力電圧が所定の閾値以下となった場合に、前記電流変化率を減少させるように設定されている燃料電池の出力制御方法。

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