JP2006049056A - 燃料電池システム及び制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】性状(熱量及び組成)が変化する燃料が供給される高温作動型燃料電池1において、供給燃料の性状及び流量を計測する燃料性状計測手段Sf1、Sf2、Sfmと、燃料電池の状態を判定する燃料電池状態判定手段2と、燃料電池の出力を制御する出力制御手段3と、最適制御パラメータを演算して出力する燃料電池運転制御手段8とを有し、燃料電池運転制御手段8は、燃料電池の熱自立運転を維持するため、水蒸気供給量、燃料供給量、酸化剤供給量、燃料利用率、酸化剤利用率、電流密度、出力電圧、出力電力の何れかを制御する様に構成されている。
【選択図】図1
Description
未反応燃料はオフガス燃焼室等で燃焼し、その発生熱の一部は燃料電池システムの高温維持に利用される。また、燃料電池内においても、発電時に内部発熱が生じ、その熱によっても燃料電池システムは高温維持される。
なお、供給燃料の発熱量に対する燃料電池の発電反応に相当する熱量(燃料電池の発電電力に相当する熱量と、燃料電池における発熱に相当する熱量の和)の比は、「燃料利用率」と呼ばれる。
例えば燃料供給量を定格運転時と同一にして燃料利用率を下げることによって、燃料電池の出力を低下させることは可能であるが、その場合には電池内での内部発熱が減少し、電池温度が低下する。一方、オフガス燃焼する燃料量が増加するため、オフガス部の温度は高温化する。
しかし、オフガス燃焼部の熱が、必ずしも電池部分へ効率良く伝わるとは限らず、効率良く伝わらない場合には燃料電池温度が低下し、結果的に、燃料電池の熱自立運転が困難となってしまう場合もある。
例えば燃料電池システムの温度が最適に保たれ、燃料供給量、酸化剤利用率、酸化剤供給率が同じ状態で、燃料利用率だけが増加した場合には、燃料が全て燃料電池内で消費され尽くし、燃料電池内で燃料不足となった際に燃料極内に酸化剤が流入し、燃料極を破損する(燃料枯れ)恐れがある。一方、酸化剤供給量が減少して、オフガス燃焼した高温ガスや未反応の燃料ガスが酸化剤極と接触すると、酸化剤極が破損する(酸化剤枯れ)恐れがある。
ここで、予備改質を行わないで本改質を行ってしまうと、あるいは、予備改質の際に供給する水蒸気量が適量ではないと、本改質の触媒上に炭素が析出(コーキング)し、改質器が機能しなくなってしまうという問題が存在する。
ここで、有機性廃棄物からメタン発酵や水素発酵、熱分解技術などの技術によって取り出される低カロリーガスでは、その熱量や組成は、有機性廃棄物の組成や発酵菌の活性状態などによって大きく変化する。
即ち、供給燃料の組成や熱量が変動する場合には、制御するべき要素や、制御しないことによる不具合が内燃機関の場合と燃料電池の場合とでは大きく相違している。しかし、上述の技術(特許文献1)では、燃料電池に適用する場合について、必要な制御について言及されていないので、燃料電池における上述の問題点を解消することは出来ない。
そして、燃料電池運転制御手段(コントロールユニット8)は、燃料電池の運転に関する種々のパラメータ(例えば、計測手段Sf1、Sf2、Sfmの計測結果)から最適制御パラメータを演算して出力する様に構成されているのが好ましい。
また、水蒸気供給量を制御することにより、改質触媒における炭素の析出(コーキング)を防止することが出来る。
さらに、燃料の性状の変化に対応することが出来るため、高温作動型燃料電池に対して、例えば、LPGボンベから燃料ガスを供給すること、燃料電池の燃料ガスとして有機性廃棄物からの消化ガスやガス化ガス、工場プロセスから生じる副生ガスを利用することが可能となる。
一方、供給される燃料の単位体積当りの発熱量が増加した場合には、燃料利用率を一定としたままで燃料供給量を減少させる(S17、S27、S37)ことによって、熱自立運転状態を維持しつつ、酸化剤枯れを防止出来る。
一方、供給される燃料の単位体積当りの発熱量が増加した場合には、電流密度と燃料利用率の双方を一定に維持できるように燃料供給量を減少させ、且つ酸化剤供給量を減少する(S47)ので、燃料電池の熱自立運転が維持されて、燃料枯れが生じない。
図1において、全体を符号Aで示す燃料電池システムは、固体酸化物形燃料電池(SOFC)或いは溶融炭酸塩方燃料電池(MCFC)の様な高温作動型の燃料電池であって且つ炭化水素系燃料を用いる高温作動型燃料電池1と、燃料電池1の反応温度等(運転状態を示すパラメータ)を計測し、当該燃料電池1の熱自立状態を判定する燃料電池監視装置(燃料電池運転状態判定手段)2とを有している。
第1の燃料調整弁51の上流側には第1の燃料性状計測手段Sf1が介装され、第2の燃料調整弁52の上流側には第2の燃料性状計測手段Sf2が介装されている。
なお、混合燃料性状計測手段Sfmは混合燃料の性状、すなわち組成、発熱量及び流量を計測する
また蒸気供給管11には、水蒸気の供給量を調整するための蒸気流量調整弁14が介装されている。
また、コントロールユニット8は、酸化剤調整弁7、第1の燃料調整弁51、第2の燃料調整弁52、混合燃料調整弁5、蒸気流量調整弁14及びパワーコンディショナー3の各々に対して、制御信号ラインLo1〜Lo6によって接続されている。
但し、安全率を含めて考慮すると、炭素と水素との比率は、1:8〜1:10が好適である。
また、燃料を都市ガス(C1.2H4.4)とした場合、都市ガス(C1.2H4.4)1molに対して水蒸気(H2O)を2.5mol加えたならば、炭素と水素との比率は、1.2:9.4となる(概略1:7.8)。ここで、水素ガスの割合である「9.4」と言う数値は、都市ガス1molにおける水素「4.4」に、水蒸気2.5molにおける水素「2×2.5=5」を加えた数値(4.4+5=9.4)である。
そのため、ステップS3では、燃料における炭素と、燃料及び水蒸気における水素との比率が1:5〜1:15の範囲内にあるか否かを判定する。
これに対して、燃料における炭素と、燃料及び水蒸気における水素との比率が1:5〜1:15の範囲内になければ(ステップS3がNo)、蒸気供給管11、蒸発器12、改質用水供給管13、蒸気流量調整弁14を介して供給される水蒸気量を調節して、炭素と水素との比率を1:5〜1:15の範囲内にせしめる(ステップS5)。
ここで、前記「所定の範囲」は、ケース・バイ・ケースに定められる。
すなわち、ステップS13、S14では、(ケース・バイ・ケースに定められる)所定時間が経過するまで(ステップS14が「NO」のループ)は、その時点における運転状態(現在の運転状態)を維持し、所定時間が経過したならば(ステップS14がYES)ステップS11まで戻り(リターン)、再びステップS11以降を繰り返す。
そして、第1の燃料調整弁51及び第2の燃料調整弁52の弁開度を共に増加する場合には、混合燃料における第1の燃料と第2の燃料との比率(組成)を変化させない様に制御することも可能であるし、第1の燃料と第2の燃料との比率(組成)を変化させても良い。
さらに、第1の燃料調整弁51か第2の燃料調整弁52の何れか一方の弁開度を増加して、他方の弁開度を減少することも可能である。例えば、高カロリーガスである第2の燃料の比率を高める場合には、低カロリーガスである第1の燃料の供給量を減少しても良い。
そして、第1の燃料調整弁51及び第2の燃料調整弁52の弁開度を共に減少する場合には、混合燃料における第1の燃料と第2の燃料との比率(組成)を変化させない様に制御することも可能であるし、第1の燃料と第2の燃料との比率(組成)を変化させても良い。
さらに、第1の燃料調整弁51か第2の燃料調整弁52の何れか一方の弁開度を減少して、他方の弁開度を増加することも可能である。
一方、供給される混合燃料の単位体積当りの発熱量が増加した場合には、燃料利用率を一定としたままで燃料供給量を減少させているのが、酸化剤枯れが生じることが無い。
そして、供給される混合燃料の単位体積当りの発熱量が低下した場合と、発熱量が増加した場合の何れにおいても、燃料利用率を一定に保持した状態で混合燃料の供給量を調整しているので、燃料電池1の出力(燃料利用率と直結するパラメータ)と、燃料電池1の熱バランスを変化させてしまうことが防止できる。
混合燃料の熱量が所定範囲を下回っていれば(ステップS25で「下回っている」)、ステップS26に進み、電流密度を一定としたまま、混合燃料調整弁5を所定開度まで開いて燃料供給量を増加する。そして、ステップS21まで戻り(リターン)、再びステップS21以降を繰り返す。
そして、第1の燃料調整弁51及び第2の燃料調整弁52の弁開度を共に増加する場合には、混合燃料における第1の燃料と第2の燃料との比率(組成)を変化させない様に制御することも可能であるし、第1の燃料と第2の燃料との比率(組成)を変化させても良い。
さらに、第1の燃料調整弁51か第2の燃料調整弁52の何れか一方の弁開度を増加して、他方の弁開度を減少することも可能である。
そして、第1の燃料調整弁51及び第2の燃料調整弁52の弁開度を共に減少する場合には、混合燃料における第1の燃料と第2の燃料との比率(組成)を変化させない様に制御することも可能であるし、第1の燃料と第2の燃料との比率(組成)を変化させても良い。
さらに、第1の燃料調整弁51か第2の燃料調整弁52の何れか一方の弁開度を減少して、他方の弁開度を増加することも可能である。
一方、供給される燃料の単位体積当りの発熱量が増加した場合には、燃料電池1から得る電流密度を一定としたままで燃料供給量を減少させることによって、酸化剤枯れを防止出来る。
これに加えて、供給される混合燃料の単位体積当りの発熱量が低下した場合と、発熱量が増加した場合の何れにおいても、電流密度を一定に保持した状態で混合燃料の供給量を調整しているので、燃料電池1の出力(電流密度と直結するパラメータ)と、燃料電池1の熱バランスを変化させてしまうことが防止できる。
ここで、図4、図5の制御に関して述べたのと同様に、燃料供給量を増加するに際しては、混合燃料調整弁5の開度を増加するのみならず、第1の燃料調整弁51及び/又は第2の燃料調整弁52の弁開度も調整される。
燃料供給量を減少する際も、混合燃料調整弁5の開度を減少するのみならず、第1の燃料調整弁51及び/又は第2の燃料調整弁52の弁開度も調整される。
そして、燃料供給量の増加或いは減少に際しては、第1の燃料の性状、第2の燃料の性状、第3の燃料の性状に基いて、電流密度及び燃料利用率の双方を一定に保持するように、混合燃料調整弁5、第1の燃料調整弁51、第2の燃料調整弁52の弁開度は制御される。
また、燃料供給量の増加或いは減少に際して、第1の燃料の性状、第2の燃料の性状、第3の燃料の性状に基いて、電流密度及び燃料利用率の双方を一定に保持して且つ燃料枯れを起こさないように、混合燃料調整弁5、第1の燃料調整弁51、第2の燃料調整弁52の弁開度は制御される。
また、燃料及び酸化剤の供給量を制御しているので、燃料枯れや酸化剤枯れを回避することができる。
2・・・燃料電池運転状況判定手段/電池監視装置
3・・・電流密度制御手段/パワーコンディショナー
4・・・混合燃料供給系統
5・・・混合燃料供給量制御手段/混合燃料調整弁
6・・・酸化剤供給系統
7・・・酸化剤供給量制御手段/酸化剤調整弁
8・・・燃料電池制御手段/コントロールユニット
9・・・予備改質器
10・・・改質器
11・・・蒸気供給管
12・・・蒸発器
13・・・改質用水供給ライン
14・・・蒸気流量調整弁
15・・・双方向インバータ
16・・・電力需要
41・・・第1の燃料供給系統
42・・・第2の燃料供給系統
51・・・第1の燃料流量調整弁
52・・・第2の燃料流量調整弁
80・・・データベース
A・・・燃料電池システム
Li1〜Li5・・・入力信号ライン
Lo1〜Lo6・・・制御信号ライン
Le1、Le2・・・電力ライン
Sf1・・・第1の燃料性状計測手段
Sf2・・・第2の燃料性状計測手段
Sfm・・・混合燃料の燃料性状計測手段
Claims (10)
- 性状が変化する燃料が供給される高温作動型燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、供給燃料の性状及び流量を計測する燃料性状計測手段と、燃料電池の状態を判定する燃料電池状態判定手段と、燃料電池の出力を制御する出力制御手段と、夫々の計測結果からの最適制御パラメータを演算して出力する燃料電池運転制御手段とを有し、該燃料電池運転制御手段は、燃料電池の熱自立運転を維持するため、水蒸気供給量、燃料供給量、酸化剤供給量、燃料利用率、酸化剤利用率、電流密度、出力電圧、出力電力の何れかを制御する様に構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
- 性状が変動する複数種類の燃料を各々供給する複数の供給系統と、該供給系統の各々に介装されて流量を計測する燃料流量計測手段を設け、前記燃料電池運転制御手段は燃料流量計測手段の計測結果に応答して、前記複数の燃料の各々或いはそれらを混合した混合燃料の供給量を決定する様に構成されている請求項1の燃料電池システム。
- 前記燃料電池運転制御手段は、混合燃料を水蒸気改質する際に、炭素と水素との比率が1:5〜1:15となる量の水蒸気が供給される制御を行う様に構成されている請求項1、2の何れかの燃料電池システム。
- 前記燃料電池制御手段は、供給される燃料の単位体積当りの発熱量が低下した場合に燃料利用率及び/又は電流密度を一定としたままで燃料供給量を増加させ、供給される燃料の単位体積当りの発熱量が増加した場合に燃料利用率及び/又は電流密度を一定としたままで燃料供給量を減少させる制御を行うように構成されている請求項1、2の何れかの燃料電池システム。
- 前記燃料電池制御手段は、供給される燃料の単位体積当りの発熱量が低下した場合には、電流密度と燃料利用率の双方を一定に維持できるように燃料供給量を増加し且つ酸化剤供給量を増加し、供給される燃料の単位体積当りの発熱量が増加した場合には、電流密度と燃料利用率の双方を一定に維持できるように燃料供給量を減少し且つ酸化剤供給量を減少する制御を行うように構成されている請求項1、2の何れかの燃料電池システム。
- 請求項1の燃料電池システムを制御する方法において、供給される燃料の性状及び流量を計測する燃料性状及び流量計測工程と、燃料電池の作動パラメータを計測して熱自立状態か否かを判定する熱自立判定工程と、燃料性状及び流量計測工程における計測結果に基づいて水蒸気供給量、燃料供給量、酸化剤供給量、燃料利用率、酸化剤利用率、電流密度、電圧、電流の何れかを制御する工程とを有していることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
- 請求項2の燃料電池システムを制御する方法において、複数の燃料供給系統の各々を流れる燃料の性状と流量とを計測する燃料性状及び流量計測工程と、計測された燃料の性状及び流量に基づいて、各燃料系統から供給される燃料量を決定する工程、とを有していることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
- 請求項3の燃料電池システムを制御する方法において、混合燃料を水蒸気改質する際の炭素と水素との比率を求める工程と、当該比率が1:5〜1:15となる様に水蒸気量を制御する工程、とを有していることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
- 請求項4の燃料電池システムを制御する方法において、供給される燃料の単位体積当りの発熱量を計測する工程と、供給される燃料の単位体積当りの発熱量が低下した場合に燃料利用率及び/又は電流密度を一定としたままで燃料供給量を増加させ、供給される燃料の単位体積当りの発熱量が増加した場合に燃料利用率及び/又は電流密度を一定としたままで燃料供給量を減少させる工程、とを有していることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
- 請求項5の燃料電池システムを制御する方法において、供給される燃料の単位体積当りの発熱量を計測する工程と、供給される燃料の単位体積当りの発熱量が低下した場合に、電流密度と燃料利用率の双方を一定に維持できるように燃料供給量を増加し且つ酸化剤供給量を増加する工程と、供給される燃料の単位体積当りの発熱量が増加した場合に、電流密度と燃料利用率の双方を一定に維持できるように燃料供給量を減少し且つ酸化剤供給量を調量供給する工程、とを有していることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
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