JP2006331761A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】出力安定性と耐久性の両者を大幅に向上できる燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】燃料電池機器本体１００を制御するための制御装置２００は、目標出力指令値に基づいて基本燃料指令値ＦR0を発生し、燃料補正値ΔＦRと加算して瞬時原料指令値ＦMを発生して原料供給機１に指令する。水素濃度推定手段２８はアノードガスの水素濃度を推定し、この水素濃度推定値ＳHに応じて燃料補正手段２３で燃料補正値ΔＦRを発生する。さらに水素濃度推定値ＳHと燃料電池端子電圧VCに応じて目標出力指令値ＬR0を補正するようにした第１、第２の出力補正手段２９，３０を備えている。これにより、出力安定性と耐久性の両者を向上できるので、システムの信頼性と安全性を向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池発電システムに係り、特に高い出力安定性と耐久性を特徴とする高分子電解質型燃料電池発電システムに関する。

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、小型で低温動作可能な高分子電解質型燃料電池発電システムは家庭用、業務用、自動車用など適用範囲が広く、将来の電源、エネルギー機器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大幅かつ急速な出力調整能力（出力安定性が高いこと）が要求されるとともに、このような過酷な使用環境においても十分なシステム耐久性を兼ね備えることが必須条件となっている。

高分子電解質型燃料電池発電システムは、燃料電池のアノードに供給された水素がイオン化され電解質を透過してカソードに達し、カソードに供給され酸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、改質器を用いて燃料としての都市ガスや灯油に蒸気及び空気を混合した原料を高温処理することで水素リッチなガスに転換して使用する方法が一般的である。

このように改質器を用いる場合、特に重要となるのが出力要求とアノードに供給される水素量の整合性である。即ち、両者は静的にも動的にも適切な関係を維持することが必要である。水素量が過剰になると燃料電池の端子電圧が過大となり、逆に水素量が不足すると過電流が流れ、いずれの場合も電池寿命を低下させる原因となる。

燃料電池システムの一般的な特性として、出力電流を変更すると出力はそれに即応するが、改質器に投入する原料を同時に変更してもアノードに供給される改質ガスが出力に見合った量に達するのに数１００秒の時間遅れを伴うことが知られている。この時間遅れが寿命低下の大きな要因のひとつとなっている。

燃料電池発電システムの従来例として、特許文献１に記載のように、出力変化要求が発生したときは燃料電池に対して一時的に出力変化を停止させ、アノードに供給される水素量が変化するのを待機する方法を採用している。

また、燃料電池発電システムの他の従来例として、特許文献２に記載のように、出力値と必要アノード水素濃度との関係を予め求めておき、出力要求に応じて必要な原料供給量を決定する方法を採用している。

特開平7−14598号公報 特開平5−3041号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、出力変化を停止させている間の燃料電池端子電圧の変動は抑えられるが、本来の目的である出力変化要求に即応できないという問題がある。

また、特許文献２に記載の方法では、燃料電池の経時性能の劣化、即ち静特性変化に対しては有効であるが、前記の出力安定性の問題は解決できない。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、出力安定性と耐久性を両立できる燃料電池発電システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、目標出力指令値に基いて基本燃料指令値を発生し、該基本燃料指令値により原料供給機を介して改質器への原料供給を制御すると共に、前記目標出力指令値に基づく瞬時電流指令値を燃料電池出力の変換をする電力変換器に設定する制御装置を備える燃料電池発電システムであって、前記制御装置は、前記基本燃料指令値を燃料補正値により補正して前記原料供給機に瞬時原料指令値を設定する原料指令手段と、燃料電池に供給される改質ガスの水素濃度を取得する水素濃度取得手段と、取得した水素濃度を用いて前記燃料補正値を演算する燃料補正手段を有することを特徴とする。

また、前記制御装置に、前記水素濃度の取得値より前記目標出力指令値を補正するための第一の出力補正手段を設けることを特徴とする。

また、前記制御装置に、前記燃料電池の端子電圧に応じて前記目標出力指令値を補正するための第二の出力補正手段を設けることを特徴とする。

本発明の別の態様は、目標出力指令値に基いて基本燃料指令値を発生し、該基本燃料指令値により原料供給機を介して改質器への原料供給を制御すると共に、前記目標出力指令値に基づく瞬時電流指令値を燃料電池出力の変換をする電力変換器に設定する制御装置を備える燃料電池発電システムであって、前記制御装置に、前記目標出力指令値に基づく瞬時電流指令値を前記電力変換器に設定するための電力変換器制御手段と、前記基本燃料指令値に基づいて瞬時原料指令値を前記原料供給機に設定する原料指令手段と、燃料電池の端子電圧に応じて前記目標出力指令値を補正するための第二の出力補正手段を設けることを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池発電システムの負荷追従性と耐久性を両立することができる。また、これによりシステムの信頼性と安全性が向上するため、長期にわたり高効率と高稼働率を維持でき、運用コストの大幅低減も可能となる。

以下、本発明の実施形態について、燃料電池発電システムに高分子電解質型燃料電池発電システムを用いて説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態による燃料電池発電システムの構成を示す機能ブロック図である。最初に、本実施形態のうち制御装置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。

原燃料６である都市ガス若しくは灯油（以下、単に燃料と呼ぶ）と水と空気からなる原料は、原料供給機１から改質器２に供給される。改質器２では供給された空気により燃料の一部を燃焼するとともに、供給された水が燃焼による発熱で蒸気となり、燃料中の水素分子が分離され所謂、水素リッチな可燃ガスである改質ガス７となる。改質ガス７は燃料電池３のアノードに導かれ電解質膜の働きでイオン化され電解質を透過してカソードに達し、別途カソードに供給される空気８に含まれる酸素と反応することで起電力を発生する。

ここで発生する直流電力ＬCは電力変換器４により交流電力ＬAに変換され、負荷５に供給される。ここで、負荷５が直流電力を要求するものであれば、電力変換器４による直流から交流への変換は不要であるが、燃料電池３の端子電圧ＶCは出力により変化するため、電圧変換機能は必要となる。また、交流電力ＬAは電力変換器４における変換損失分だけ直流電力ＬCよりも小さい。

燃料電池３にて一定以上の効率を維持して発電するためには、アノード中の水素濃度は一定以上に保つ必要がある。そのため、アノードに供給された水素の全てが発電に寄与するわけでなく、残留水素を含む可燃性のアノード排ガスは戻りガス１０として改質器２に戻され、改質に必要なエネルギーの一部として利用されたのち系外に排ガス１１として排出される。

ここで重要となるのが、前述のように燃料電池出力とアノードに供給される水素量の整合性である。両者は静的にも動的にも適切な関係を維持することが必要で、水素量が過剰になるとアノード中の水素濃度が高くなり、燃料電池３の端子電圧ＶCが過大となる。逆に、水素濃度が低下すると同一出力を維持するためには大きな電流が必要となり、いずれの場合も電池寿命を低下させる原因となる。

燃料電池システムの一般的な特性として、出力電流を変更すると出力はそれに即応するが、改質器２に投入する原料６を同時に変更してもアノードに供給される改質ガス７が出力に見合った量に達するのに数１００秒の時間遅れを伴うのが一般的な特性である。この時間遅れが上記の現象をもたらし、寿命低下の大きな要因のひとつとなっている。この時間遅れは、改質器２から燃料電池３に至る構成要素の幾何学的容積による物質移動遅れと熱容量による温度変化遅れと、戻りガスによるエネルギー供給遅れの相乗効果として現れる。

次に、図１の２点鎖線で囲んだ制御装置２００の構成と働きについて説明する。図中の制御装置２００において細線で示す制御要素は従来システムと共通するもので、太線で示す制御要素が本発明の実施形態に係るものである。但し、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、若しくはその近傍に配置されたコントローラで実現されている。

まず、従来要素の働きについて説明する。制御装置２００の目標出力設定手段２１から目標出力指令値ＬROが発せられると、基準燃料設定手段２２では目標出力指令値ＬROに対応した基本燃料指令値ＦROが発せられる。目標出力指令値ＬRO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。

従来システムにおいては、基本燃料指令値ＦROは目標出力指令値ＬROに静特性的に対応するものである。即ち、定常運転時に出力ＬROを得るのに必要な燃料供給量と対応する。この場合、基本燃料指令値ＦROが瞬時燃料指令値ＦRとなり、原料指令手段２７に与えられる。原料指令手段２７は瞬時燃料指令値ＦRに対応して原料６である燃料、水、空気の量を決定して、これらを瞬時原料指令値ＦMとして原料供給機１に指令する。

一方、目標出力指令値ＬROは瞬時出力指令値ＬRとなり、電力変換器制御手段３３に与えられ、電力変換器制御手段３３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４に指令する。即ち、電力変換器制御手段３３では燃料電池３の端子電圧ＶCを入力して、ＩCR＝ＬR／(ηVC)なる瞬時電流指令値ＩCRを発生する。この場合、ηは電力変換器４の変換効率であり、前述のように変換損失分を加味するためのものである。

次に、制御装置２００における本実施形態で追加された制御要素の構成と働きについて説明する。水素濃度推定手段２８は瞬時原料指令値ＦMと瞬時出力指令値ＬRを取り込んでアノード中水素濃度を推定するためのものである。たとえば、水素濃度推定手段２８は過去の実績に基く瞬時原料指令値ＦMと瞬時出力指令値ＬRに対する水素濃度値のデータベースを用意している。このようにして、水素濃度推定手段２８で得られた水素濃度推定値ＳHは燃料補正手段２３と第一の出力補正手段２９に与えられる。

燃料補正手段２３は出力変化時のアノード中水素濃度を安定化することを目的とするもので、アノード中水素濃度の推定値ＳHと所定値との偏差を比例積分演算することで燃料補正値ΔFRを生成し、燃料供給量を調整する働きをする。

第一の出力補正手段２９は出力変化時のアノード中水素濃度変化による端子電圧ＶCの変動を抑制し安定化することを目的とするものである。アノード中水素濃度の推定値ＳHと所定値との偏差を比例積分演算することで第一の出力補正値ΔLR1を生成し、燃料電池３の出力を調整する働きをする。

第二の出力補正手段３０は出力変化時の電流変化による端子電圧VCの変動を抑制し、安定化することを目的とするものである。端子電圧VCとその所定値との偏差を比例積分演算することで第二の出力補正値ΔLR2を生成し、燃料電池３の出力を調整する働きをする。但し、第二の出力補正手段３０は、定常運転時には上記比例積分演算を停止させて、実際の出力が指令値ＬRに一致するように作用する。

次に、本実施形態による燃料電池発電システムの運転制御特性の代表例について説明する。図２は第１の実施形態による各プロセス値の挙動を示す説明図である。図中、太い実線は本実施形態によるもの、点線は従来方式によるもの、細い実線は両者共通のもの、一点鎖線は出力変化前の状態を示すものである。

本図に示す例は、時刻t0から時刻t1まで目標出力指令が一定変化率で上昇したときの燃料電池発電システムにおける各部プロセス状態を従来方式と比較したものである。従来方式においては、出力上昇に伴いアノード水素濃度ＳHが大幅に低下し、燃料電池の端子電圧ＶCも大幅に低下する。そのため、その後の運転でも発電出力ＬAは目標出力に到達することなく低いレベルで整定してしまっている。

これに対し、本実施形態においては、出力上昇に伴いアノード水素濃度ＳHと燃料電池の端子電圧ＶCが一旦低下傾向を示すが、燃料補正手段２３と第一、第二の出力補正手段２９、３０が機能するため、アノード水素濃度ＳHが速やかに回復している。これにより、発電出力ＬAは極めて早い時点で目標出力に到達している。また、この間、燃料電池３の端子電圧ＶCも大幅低下することがなく、速やかに安定状態に回復している。

以上説明したように、本発明の第１の実施形態によれば、燃料電池発電システムの出力変動の最初段階で先行的に必要な燃料を投入するとともに、大幅な電圧変動を抑制することができるため、出力安定性と耐久性の両者を向上することができる。

また、本実施形態では、システムの信頼性と安全性が向上するため、長期にわたり高効率と高稼働率を維持でき、運用コストの大幅低減も可能となる。

なお、本発明は第１の実施形態に限定されるものでなく、以下に述べる変更例においても、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。

すなわち、第１の実施形態では、燃料電池３からの排出されるガスを改質器２への戻りガス１０として利用する燃料電池発電システムを対象とした。しかし、必ずしもこの様な機器構成でなくとも、燃料電池３から排出されるガスを他の機器にて利用する形態の燃料電池発電システムにも適用可能である。例えば、燃料電池３から排出されるガスを温水器や蒸気発生器などに導いて排熱回収するシステムとしても良い。

また、第１の実施形態では、アノード水素濃度を推定しているが、若干のコストアップを許容するならば、アノード水素濃度を実測する方式としても実施できる。

また、第１の実施形態では、高分子電解質型燃料電池発電システムを対象として説明したが、本発明は実施にあたり必ずしもこれに限定されるものではない。その外の燃料電池発電システム、例えば、リン酸水溶液型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型などに対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。

また、第１の実施形態は、制御装置２００において燃料補正手段２３、第一の出力補正手段２９及び第二の出力補正手段３０では演算方式として比例積分手段を使用しているが、必ずしも比例積分手段に限定する必要はない。微分動作を追加した比例積分微分手段を用いる方法や比例手段のみを用いる方法など、装置の動特性に応じて適宜選定すれば良い。

次に本発明の第２の実施形態を説明する。図３は第２の実施形態による燃料電池発電システムの機能ブロック図を示す。第１の実施形態では、制御装置２００において第一の出力補正手段２９と第二の出力補正手段３０を有する構成としているが、本実施形態ではこれら２つの出力補正手段２９、３０を持たない（ブロックを点線で表示）制御装置２１０としている。

図４は第２の実施形態による各プロセス値の挙動を示す説明図で、各線は図２の場合と同様である。図示のように、第２の実施形態では燃料電池端子電圧VCの安定性が図２に比べて若干犠牲になる。しかし、実運用上は問題のない運転制御特性が得られ、本発明の目的は十分達成できる。

次に本発明の第３の実施形態を説明する。図５は第３の実施形態による燃料電池発電システムの機能ブロック図を示す。第１の実施形態では、制御装置２００において燃料補正手段２３と第一の出力補正手段２９を有する構成としているが、本実施形態では燃料補正手段２３と第一の出力補正手段２９を持たない制御装置２２０としている。すなわち、第二の出力補正手段３０のみによって出力変化時の電流変化による端子電圧VCの変動を抑制するために、端子電圧VCとその所定値との偏差を比例積分演算して第二の出力補正値ΔLR2を生成し、燃料電池３の出力を調整している。

図６は第３の実施形態による各プロセス値の挙動を示す説明図で、各線は図２の場合と同様である。この場合、図２に比べて発電出力ＬAの応答性が若干犠牲になるが、実運用上は問題のない運転制御特性が得られ、本発明の目的は十分達成できる。なお、本実施形態では、アノード水素濃度推定手段２８が不要であり制御装置が簡素化できる利点がある。

次に本発明の第４の実施形態を説明する。図７は第４の実施形態による燃料電池発電システムの機能ブロック図を示す。本発明の第１の実施形態では、制御装置２００において第二の出力補正手段３０を有する構成としているが、本実施形態では、第二の出力補正手段３０を持たない制御装置２３０としている。すなわち、第一の出力補正手段２９により、出力変化時のアノード中水素濃度変化による端子電圧VCの変動を抑制するもので、第二の出力補正手段３０による出力変化時の電流変化による端子電圧VCの変動の抑制は行われていない。

図８は第４の実施形態による各プロセス値の挙動を示す説明図で、各線は図２の場合と同様である。図８に示すように、発電出力ＬAの応答性が若干犠牲になるが、実運用上は問題のない運転制御特性が得られ、本発明の目的は十分達成できる。

次に本発明の第５の実施形態を説明する。図９は第５の実施形態による燃料電池発電システムの機能ブロック図を示す。本発明の第１の実施形態では、制御装置２００において燃料補正手段２３と第二の出力補正手段３０を有する構成としているが、本実施形態では、燃料補正手段２３と第二の出力補正手段３０を持たない制御装置２４０としている。すなわち、第一の出力補正手段２９により、出力変化時のアノード中水素濃度変化による端子電圧ＶCの変動を抑制する。

図１０は第５の実施形態による各プロセス値の挙動を示す説明図で、各線は図２の場合と同様である。図１０に示すように、発電出力ＬAの応答性と燃料電池端子電圧端の安定性が図２に比べて若干犠牲になるが、実運用上は問題のない運転制御特性が得られ、本発明の目的は十分達成できる。

以上のように、本発明の実施形態１−５は、制御装置２００、２１０，２２０，２３０及び２４０において、燃料補正手段２３と第一、第二の出力補正手段２９、３０の３つの補正手段をそれぞれ単独若しくは２つ以上を組み合わせた構成としている。これらの補正手段は単独で用いても、それなりの効果が期待できるため個々の燃料電池発電システムの特性や用途に応じて、適宜選択して使用することは勿論可能である。

このように、本発明の燃料電池発電システムは、従来方式と比較して出力安定性と耐久性の両者を大幅に向上できる。また、これにより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、運用コストの大幅低減が可能となる。

本発明の第１の実施形態による燃料電池発電システムの機能ブロック図。 第１の実施形態による燃料電池発電システムの動作を示す説明図。 本発明の第２の実施形態による燃料電池発電システムの機能ブロック図。 第２の実施形態による燃料電池発電システムの動作を示す説明図。 本発明の第３の実施形態による燃料電池発電システムの機能ブロック図。 第３の実施形態による燃料電池発電システムの動作を示す説明図。 本発明の第４の実施形態による燃料電池発電システムの機能ブロック図。 第４の実施形態による燃料電池発電システムの動作を示す説明図。 本発明の第５の実施形態による燃料電池発電システムの機能ブロック図。 第５の実施形態による燃料電池発電システムの動作を示す説明図。

符号の説明

１００…燃料電池機器本体、２００…制御装置、２１０…制御装置、２２０…制御装置、２３０…制御装置、２４０…制御装置、１…原料供給機、２…改質器、３…燃料電池、４…電力変換器、５…負荷、６…原料、７…改質ガス、８…空気、９…排気、１０…戻りガス、２１…目標出力設定手段、２２…基準燃料設定手段、２３…燃料補正手段、２６…加算手段、２７…原料指令、２８…水素濃度推定手段、２９…第一の出力補正手段、３０…第二の出力補正手段、３１…加算手段、３２…加算手段、３３…電力変換器制御手段。

Claims (6)

1. 目標出力指令値に基いて基本燃料指令値を発生し、該基本燃料指令値により原料供給機を介して改質器への原料供給を制御すると共に、前記目標出力指令値に基づく瞬時電流指令値を燃料電池出力の変換をする電力変換器に設定する制御装置を備える燃料電池発電システムであって、
   前記制御装置は、前記基本燃料指令値を燃料補正値により補正して前記原料供給機に瞬時原料指令値を設定する原料指令手段と、燃料電池に供給される改質ガスの水素濃度を取得する水素濃度取得手段と、取得した水素濃度を用いて前記燃料補正値を演算する燃料補正手段を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 請求項１において、前記水素濃度取得手段は前記瞬時原料指令値と前記瞬時電流指令値から改質ガスの水素濃度を推定することを特徴とする燃料電池発電システム。
3. 請求項１において、前記水素濃度の取得値より前記目標出力指令値を補正するための第一の出力補正手段を設けることを特徴とする燃料電池発電システム。
4. 請求項１乃至３の何れかにおいて、前記燃料電池の端子電圧に応じて前記目標出力指令値を補正するための第二の出力補正手段を設けることを特徴とする燃料電池発電システム。
5. 目標出力指令値に基いて基本燃料指令値を発生し、該基本燃料指令値により原料供給機を介して改質器への原料供給を制御すると共に、前記目標出力指令値に基づく瞬時電流指令値を燃料電池出力の変換をする電力変換器に設定する制御装置を備える燃料電池発電システムであって、
   前記制御装置に、前記目標出力指令値に基づく瞬時電流指令値を前記電力変換器に設定するための電力変換器制御手段と、前記基本燃料指令値に基づいて瞬時原料指令値を前記原料供給機に設定する原料指令手段と、燃料電池の端子電圧に応じて前記目標出力指令値を補正するための第二の出力補正手段を設けることを特徴とする燃料電池発電システム。
6. 原燃料を水素リッチな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と、前記原燃料と水と空気からなる原料を前記改質器に供給する原料供給機と、機器全体を制御するための制御装置と備える燃料電池発電システムにおいて、
   前記制御装置は、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瞬時電流指令値を前記電力変換器に設定するための電力変換器制御手段と、前記目標出力指令値に基づいて基本燃料指令値を発生する基本燃料設定手段と、前記基本燃料指令値に基づいて瞬時原料指令値を前記原料供給機に設定する原料指令手段と、前記瞬時原料指令値と前記瞬時電流指令値から前記燃料電池に供給される改質ガスの水素濃度を推定するための水素濃度推定手段と、この水素濃度推定値を用いて前記基本燃料指令値を補正するための燃料補正手段と、前記水素濃度推定値より前記目標出力指令値を補正するための第一の出力補正手段と、前記燃料電池の端子電圧に応じて前記目標出力指令値を補正するための第二の出力補正手段を設けることを特徴とする燃料電池発電システム。

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