JP2008103198A - 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 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料枯れの早期検知と対応操作により、電池性能劣化防止と耐久性向上が可能な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。
【解決手段】セル若しくはセル集合体である燃料電池と、燃料電池に供給する燃料、空気及び給水の流量を調整する制御装置を備え、前記制御装置には目標出力に対応して燃料、空気及び給水の流量を決定する流量指令値手段と燃料枯れ監視制御手段を備え、燃料枯れ監視制御手段において、電圧変化率又は抵抗変化率により燃料枯れを判定し、燃料枯れ発生時に燃料若しくは目標出力を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池発電システム及びその運転制御方法に係り、特に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、高温動作が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、高い耐久性も兼ね備えることが重要となっている。

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、アノードに水素を直接供給しても良いが、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。

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燃料不足によるアノードの酸化である。この燃料不足（以下、燃料枯れと呼ぶ）は特に負荷変動時に起き易く、燃料電池の寿命を短くする（耐久性を落とす）要因の一つとなっている。燃料枯れは特に燃料濃度が希薄となる出口付近で発生し易く、一旦、アノード酸化が起きると電池性能が低下し、起電力と出力が低下し、結果として発電効率が低下する。

燃料枯れ防止には、運転中の燃料濃度を計測するのが有効であるが、実際には運転中に燃料濃度をリアルタイムで計測するのは困難である。また、多数のセルの集合体（これをモジュールと呼ぶ）で構成された燃料電池では、モジュール内部において均一な燃料流量配分を維持することは困難である。

以上のようなことから、燃料枯れを防止するために、一般的には、燃料利用率が８５％以下となるような設計がなされている。負荷変動時にはモジュール内部状態が複雑に変動するため、燃料利用率には更なる余裕を持たせることも望まれるが、過度に余裕を持たせることは発電効率を大幅低下させることになり好ましくない。

特許文献１には、発電装置の負荷の急激な増加に際し、燃料供給系の応答遅れによって燃料電池に生ずる燃料の欠乏を、過電流保護回路を用いて防止することが記載されている。

特開平７−１３５０１３号公報

燃料枯れ防止には、燃料枯れを早期に検知するのが一番である。

本発明の目的は、燃料枯れを早期に検知し、対応操作により電池性能の劣化防止と耐久性向上が図れるようにした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。

本発明は、燃料改質器と、セルの集合体である燃料電池と、前記燃料電池へ供給する燃料と給水および空気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、前記燃料電池の電圧変化率または抵抗変化率に基づいて燃料枯れを判定する燃料枯れ判定手段と、前記燃料枯れ判定手段による判定結果に基づいて前記燃料流量を補正する燃料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にある。

本発明は、燃料改質器と、前記燃料改質器で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セルの集合体である燃料電池と、前記燃料電池へ供給する燃料と給水と空気の流量を調整する制御装置とを有する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、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、前記燃料電池の電圧変化率または抵抗変化率に基づいて燃料枯れを判定する燃料枯れ判定ステップと、得られた燃料枯れ判定結果により前記燃料流量を補正する燃料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にある。

本発明は、燃料改質器と、セルの集合体である燃料電池と、前記燃料電池へ供給する燃料と給水および空気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基づいて電流指令値を決定する電力変換制御手段と、前記燃料電池の電圧変化率または抵抗変化率に基づいて燃料枯れを判定する燃料枯れ判定手段と、前記燃料枯れ判定手段による判定結果に基づいて前記電力変換制御手段に対する前記目標出力指令値を補正する出力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にある。

本発明は、燃料改質器と、前記燃料改質器で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セルの集合体である燃料電池と、前記燃料電池へ供給する燃料と給水と空気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、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電流指令値を決定するための電力変換制御ステップと、前記燃料電池の電圧変化率又は抵抗変化率に基づいて燃料枯れを判定する燃料枯れ判定ステップと、得られた燃料枯れ判定結果により前記電力変換制御ステップに対する前記目標出力指令値を補正する出力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にある。

前記した本発明において、燃料補正手段では、燃料枯れ判定手段にて燃料枯れと判定されたならば、燃料を増加する処理が行われる。また、出力補正手段では、燃料枯れ判定手段で燃料枯れと判定されたならば、電流を下げる処理が行われる。

本発明の燃料電池発電システムには、燃料枯れ判定手段による判定結果を運転管理者に通報するための通報手段を追加することができる。また、本発明の運転制御方法には、燃料枯れ判定ステップによる判定結果を運転管理者に通報するための通報ステップを追加することができる。

本発明によれば、固体酸化物形燃料電池発電システムの燃料枯れの早期検知とその回避制御が可能となり、アノードの酸化による電池性能の劣化を抑制できる。これにより、電池の耐久性を向上でき、長期に亘り高効率と高稼働率を維持できる。また、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。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。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、以下に述べる実施形態では円筒型を例にして説明する。また、以下では簡単のため固体酸化物形燃料電池発電システムを単に燃料電池発電システムと呼ぶ。

図１は、本実施例による発電システムの全体構成を示したものである。本実施例の発電システムは、燃料電池機器本体１００と燃料電池機器全体を制御する制御装置２００とから構成されている。

燃料電池機器本体１００は、燃料１と給水３を受けて混合ガスを生成するための燃料予熱器５と、大気から取り込んだ空気９を予熱する空気予熱器１０と、前記混合ガスを水素リッチな改質ガスに転換する改質器６と、前記改質ガスと前記空気を受けて直流電力を発生するセル集合体である燃料電池８と、発生した直流電力を交流電力に変換する電力変換器１５と、前記燃料の流量を調整する燃料流量調整弁１７と、前記空気の流量を調整する空気ブロア１９と、前記給水の流量を調整する給水ポンプ１８を有する。

制御装置２００は、目標出力指令値を発生する目標出力設定手段２１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と、燃料電池の電圧変化率または抵抗変化率に基づいて燃料枯れを判定するための燃料枯れ判定手段３３と、前記燃料枯れ判定手段による判定結果に基づいて燃料流量を補正するための燃料補正手段３５と、前記燃料枯れ判定手段による判定結果を運転管理者に通報するための通報手段３４を備える。

本実施例では、燃料枯れ判定手段による判定結果に応じて燃料流量を補正するとともに、判定結果を運転管理者に通報するようにしている。

この構成により、燃料枯れ判定手段では速やかに燃料枯れを検知でき、燃料補正手段では燃料を増加する補正操作により燃料枯れを速やかに回避することができる。さらに、通報手段により燃料枯れの発生を運転管理者に速やかに通報可能となる。これにより、アノードの酸化による電池性能の劣化を抑制できる。そのため、電池の耐久性が増し、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になる。

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。

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に送入される。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。

本実施例の燃料電池８は、複数の円筒型のセル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、下の端部を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。

上記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Ｌ_Ｔは電力変換器１５により交流電力Ｌ_Ａ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。

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Ｖ_Ｃ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Ｌ_Ａは電力変換器１５における変換損失だけ端子電力Ｌ_Ｔよりも小さくなる。

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燃料濃度が低下するが、ある程度の燃料は残存する。ここで、改質ガス（セル入口ガス）のメタン、水素及び一酸化炭素のモル分率をそれぞれM_{CH4_in}、M_{H2_in}及びM_{CO_in}とし、また、セル出口のそれらをM_{CH4_out}、M_{H2_out}及びM_{CO_out}とすると、燃料利用率Ｕ_ｆは次式で定義される。

U_f =100×((4M_{CH4_in}+M_{H2_in}+M_{CO_in})-(4M_{CH4_out}+M_{H2_out}+M_{CO_out}))/(4M_{CH4_in}+M_{H2_in}+M_{CO_in})（％）
上式によれば、セル出口においてメタン、水素及び一酸化炭素の３成分が全て“零”となったとき燃料消費率Ｕ_ｆが１００％となり、燃料枯れの状態となるが、通常は８５％以下での運転が望ましい。

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、残存燃料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。

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は、アノード側出口の燃料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、供給された燃料と酸素の全てを発電に使わず、或る程度の燃料と酸素を残してチャンバ１２に排出することになる。

次に、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、若しくはその傍等に配置されたコントローラで実現されている。

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Ｌ_Ｒが発せられると、この目標出力指令値Ｌ_Ｒに対応して燃料流量指令手段２６では燃料流量指令値Ｆ_ＦＲ、空気流量指令手段２２では空気流量指令値Ｆ_ＡＲ、及び給水流量指令手段２４では給水流量指令値Ｆ_ＷＲが出力される。

燃料流量指令値Ｆ_ＦＲは、後述する燃料補正値Ｆ_ＦＭが加算手段３１で加算されて補正後の燃料流量指令値Ｆ_ＦＲＭとなり、これが弁開度指令手段２７に与えられ、燃料流量調整弁１７に対する弁開度指令値Ａ_ＦＶを出力する。また、空気流量指令値Ｆ_ＡＲは、ブロア速度指令手段２３に与えられ、これに対応して空気ブロア１９にブロア速度指令値Ｎ_ＡＢを出力する。さらに、給水流量指令値Ｆ_ＷＲは、ポンプ速度指令手段２５に与えられ、これに対応して給水ポンプ１８に速度指令値Ｎ_ＷＰを出力する。

一方、目標出力指令値Ｌ_Ｒは電力変換制御手段２８に与えられ、電力変換制御手段２８では、これを満たすような電流指令値Ｉ_ＴＲを前記電力変換器１５に指令する。即ち、電力変換制御手段２８では燃料電池８の端子電圧Ｖ_Ｔを入力して、Ｉ_ＴＲ （＝ Ｌ_Ｒ／η_ＥＶ_Ｔ）なる電流指令値Ｉ_ＴＲを発生する。ここで、η_Ｅ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。また、セルの並列数をｎ_Ｐとすると、セル電流Ｉ_ＣはＩ_ＴＲ／ｎ_Ｐとなる。

次に、本発明の極めて重要な部分である燃料枯れ監視制御手段２５０の働きについて説明するが、その前に、図２〜図４を用いて燃料枯れの現象について説明しておく。

図２は、燃料枯れを起こしていない場合（Ｕ_ｆ＜１００％）のセル電流Ｉ_Ｃとセル電圧Ｖ_Ｃ（正しくは閉回路電圧）の関係を示すもので、セル電流Ｉ_Ｃの増加につれてセル電圧Ｖ_Ｃは単調に低下する特性を示す。しかしながら、通常の燃料電池は複数のセルの集合体として構成されるため、何らかの理由、例えば内部温度の不均一性や燃料流路抵抗の不均等性により、セルによっては燃料利用率に差が生じる場合があり、燃料利用率が１００％に達し、燃料枯れ状態となる可能性がある。

そこで、燃料枯れを起こすとどんな特性を示すかを、図３〜図５を用いて説明する。

図３には、セルによる燃料利用率の違いを示す。Ｎｏ．１のセルはセル出口においても残存燃料が存在することを示し、燃料利用率Ｕ_ｆは１００％に達せず燃料枯れを起こしていないが、Ｎｏ．２のセルは出口において燃料利用率Ｕ_ｆが１００％になっており、燃料枯れ状態となっている。また、Ｎｏ．３のセルは出口に達する前に燃料利用率Ｕ_ｆが１００％になっており、出口まで燃料枯れ状態が続くため、この領域でアノードは酸化条件となっている。

図４（ａ）は、セル電流Ｉ_Ｃが増加した場合の燃料利用率Ｕ_ｆの違いを示す。Ｎｏ．１のセルは電流値Ｉ_１にて燃料利用率Ｕ_ｆが１００％に達しており、Ｎｏ．２、Ｎｏ．３のセルはそれよりも小さな電流値Ｉ_２、Ｉ_３にて燃料利用率Ｕ_ｆが１００％に達している。

図４（ｂ）は、上記の３つのセルについて電圧特性を示したものである。３つのセルとも燃料利用率が１００％に達した後にも電流を増加させた場合は、電圧変化率（電圧降下率）が大きくなることを示している。これは、燃料利用率が１００％に達した後はセル全面で電池反応をすることができないため、電流はそれより下部のセルに集中し、電気抵抗が大きくなるため電圧降下率が拡大することを示している。

図５は上記のように燃料枯れ発生により電圧降下率が拡大することを、さらに分かり易く示すものである。図５（ａ）のように電流Ｉ_Ｃが増加するとほぼ一定の割合で電圧Ｖ_Ｃが降下するが、電流値Ｉ_Ａにおいて燃料枯れが発生すると、それ以降は電圧Ｖ_Ｃが急激に降下する。このときの電圧変化率α（＝−ｄＶ_ｃ／ｄＩ_ｃ）に着目すると、図５（ｂ）のようになる。即ち、燃料枯れ発生と同期して電圧変化率αが急変する。本発明はこの点に着目したものである。

本実施例における燃料枯れ監視制御手段２５０は、燃料電池の電圧変化率に基づいて燃料枯れを判定するための燃料枯れ判定手段３３と、前記燃料枯れ判定手段３３による判定結果に基づいて前記燃料流量Ｆ_ＦＲを補正するための燃料補正手段３５と、前記燃料枯れ判定手段３３による判定結果を運転管理者に通報するための通報手段３４から構成されている。

燃料枯れ判定手段３３では、まず図１に示すように電圧計３２で計測されたセル電圧Ｖ_Ｃと電力変換制御手段２８により生成された電流指令値Ｉ_ＴＲを取り込んで、図６に示すようにセル電流演算手段３３ａでセル電流Ｉ_Ｃを求め、電圧変化率演算手段３３ｂで電圧変化率αを求める。次に、この電圧変化率αに基づいて判定信号発生手段３３ｃでは閾値関数により燃料枯れを判定し、その結果をＯＮ／ＯＦＦ信号として発生する。ここで、閾値関数はヒステリシス特性を持たせ、電圧変化率αがα_Ａより大きくなったときＯＮ信号を発生し、α_Ｂより小さくなったときＯＦＦ信号を発生する。ヒステリシス特性を持たせた理由は、後述するようなハンチングを防止するためである。また、上記のα_Ａとα_Ｂは通常α_Ａ＜α_２、α_１＜α_Ｂの関係を持たせる。ここで、α_１は燃料枯れが発生していない正常運転時の電圧変化率であり、α_２は燃料枯れ発生時の電圧変化率である。

図６には電圧変化率に基づいて燃料枯れを判定する場合を示したが、抵抗変化率β（＝−ｄＲ／ｄＩ_ｃ）に基づいて燃料枯れを判定することも可能である。図１０に抵抗変化率による燃料枯れ判定手段を示す。電圧変化率による場合と同様に、セル電流演算手段でセル電流Ｉ_Ｃを求め、抵抗演算手段で抵抗Ｒを求め、抵抗変化率演算手段で抵抗変化率βを求める。次に、この抵抗変化率βに基づいて判定信号発生手段では閾値関数により燃料枯れを判定し、その結果をＯＮ／ＯＦＦ信号として発生する。閾値関数はヒステリシス特性を持たせ、抵抗変化率βがβ_Ａより大きくなったときＯＮ信号を発生し、β_Ｂより小さくなったときＯＦＦ信号を発生する。ヒステリシス特性を持たせるのはハンチングを防止するためである。また、β_Ａとβ_Ｂは通常β_Ａ＜β_２、β_１＜β_Ｂの関係を持たせる。ここで、β_１は燃料枯れが発生していない正常運転時の抵抗変化率であり、β_２は燃料枯れ発生時の抵抗変化率である。

通報手段３４では、前記燃料枯れ判定手段３３から発生されたＯＮ／ＯＦＦ信号を受けて、運転管理者に燃料枯れ発生を通報する。この場合の通報方法としては、アラーム発生やモニタ表示等がある。

燃料補正手段３５では、図７（ａ）に示すように燃料枯れ判定手段３３から発生されたＯＮ／ＯＦＦ信号を受けて、燃料補正値Ｆ_ＦＭを出力する。ここでは、燃料枯れが発生した場合は燃料枯れ判定手段３３からＯＮ信号が発生されるため、これを受けてスイッチ３５ａはＯＮ側に操作され、逆に燃料枯れが発生しないときはＯＦＦ信号を受けてＯＦＦ側に操作される。本スイッチ３５ａの入力側には燃料補正速度設定手段３５ｂが設けられ、燃料補正速度としてはＯＮ側にＤ_ＦＭ、ＯＦＦ側には“零”が設定されている。スイッチ３５ａの後方には時間積分手段３５ｃを設けており、ここでは上記燃料補正速度を時間積分することで燃料補正値Ｆ_ＦＭを生成する。即ち、燃料枯れが発生したときのみ時間積分手段３５ｃにより燃料補正値Ｆ_ＦＭが変更される。本燃料補正値Ｆ_ＦＭは前述のように燃料流量指令値Ｆ_ＦＲに加算され実際の補正後燃料流量指令値Ｆ_ＦＲＭとなる。

図７（ｂ）には、以上述べた燃料枯れ監視制御手段２５０の動作の一例を時間経過に従って示す。本図において、時刻ｔ_１で燃料枯れが発生すると電圧変化率が大きく変化するため、燃料枯れ判定手段３３により、時刻ｔ_２では瞬時に燃料枯れが検知されＯＮ信号が発生し、燃料補正により燃料が増加する。これにより、時刻ｔ_３では速やかに燃料枯れが解消され、燃料補正動作が停止している。

このように、燃料補正動作が発生すると燃料枯れは解消される方向に向かうが、燃料枯れ判定手段３３における前記ヒステリシス特性により、燃料枯れが十分に解消するまで、この燃料補正動作が継続される。これにより、燃料補正の動作（ＯＮ）と停止（ＯＦＦ）が短周期で繰返される所謂ハンチング動作が防止される。

実施例１は、燃料枯れが発生したとき燃料を増加させることで、これを解消する方法であるが、電力変換制御手段２８に対する目標出力指令値Ｌ_Ｒを補正する構成としても燃料枯れを解消することができる。以下、この方法について説明する。

図８は、本実施例による発電システムの全体構成図である。実施例1とは燃料枯れ監視制御手段の構成が異なる。

本実施例の燃料枯れ監視制御手段２６０は、燃料枯れ判定手段３３と通報手段３４及び出力補正手段３６からなる。この燃料枯れ監視制御手段２６０においても、燃料枯れ判定手段３３としては前記の方法と同様に燃料電池の電圧変化率又は抵抗変化率に基づいて燃料枯れを判定し、ＯＮ／ＯＦＦ信号を発生する。また、判定結果を運転管理者に通報するための通報手段３４も前記の方法と同様である。本燃料枯れ監視制御手段２６０においては、燃料枯れの判定結果に基づいて目標出力指令値Ｌ_Ｒを補正するための出力補正手段３６を設けたことが異なる。その方法を図９（ａ）に示す。

出力補正手段３６では、図９（ａ）に示すように燃料枯れ判定手段３３から発生されたＯＮ／ＯＦＦ信号を受けて、出力補正値Ｌ_Ｍを出力する。燃料枯れが発生した場合は燃料枯れ判定手段３３からＯＮ信号が発生されるため、これを受けてスイッチ３６ａはＯＮ側に操作され、逆に燃料枯れが発生しないときはＯＦＦ信号を受けてＯＦＦ側に操作される。本スイッチ３６ａの入力側には出力補正速度設定手段３６ｂが設けられ、出力補正速度としてはＯＮ側にＤ_ＬＭ、ＯＦＦ側には“零”が設定されている。スイッチ３６ａの後方には時間積分手段３６ｃを設けており、ここでは上記出力補正速度を時間積分することで出力補正値Ｌ_Ｍを生成する。即ち、燃料枯れが発生したときのみ時間積分手段３６ｃにより出力補正値Ｌ_Ｍが変更される。前記目標出力指令値Ｌ_Ｒは、減算手段３７で出力補正値Ｌ_Ｍが減算されて実際の補正後出力指令値Ｌ_ＲＭとなる。ここで、燃料流量指令手段２６、空気流量指令手段２２及び給水流量指令手段２４に対しては目標出力指令値Ｌ_Ｒがそのまま設定される。これにより、出力のみ下方修正されることで、相対的に燃料流量が増加するため燃料枯れを解消することができる。

図９（ｂ）には、以上述べた燃料枯れ監視制御手段２６０の動作の一例を時間経過に従って示す。本図において、時刻ｔ_１で燃料枯れが発生すると電圧変化率が大きく変化するため、燃料枯れ判定手段３３により、時刻ｔ_２では瞬時に燃料枯れが検知されＯＮ信号が発生し、出力補正により出力が低下する。これにより、時刻ｔ_３では速やかに燃料枯れが解消され、出力補正動作が停止している。

以上のように、実施例1及び実施例２に示す実施形態によれば、燃料電池発電システムの運転中に燃料枯れを簡便かつ的確に検知することが可能であり、燃料若しくは出力の補正操作により燃料枯れを速やかに解消できる。このため、電池、特にアノードの酸化による性能劣化を防止できるため、長期に亘り高効率で安定した運転が可能となり、燃料費や保守費を軽減できるため運用コストを大幅に低減することができる。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものでなく、以下に述べる実施形態においても、その本質を何ら変えることなく適用可能である。

まず、本発明の実施形態では、燃料枯れ判定手段３３において、セル電圧の変化率を監視する方法を示したが、端子電圧Ｖ_Ｔの変化率を監視する方法としても、その本質を何ら変えることなく適用可能である。また、複数個のセルを単位としたセル群を対象とし、その電圧変化率を監視するなど、燃料電池の設計条件に応じて適宜選択して適用することも可能である。

また、本発明の実施形態では、燃料枯れ判定手段３３において、特定のセルを対象として燃料枯れを監視しているが、燃料枯れの可能性の高い複数のセルやセル群を同時監視する形態としても、本発明の本質を何ら変えることなく適用可能である。

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て説明したが、円筒型セルに限定する必要はなく、平板型セルやその他の構造を持つセルに対しても実施できる。

また、本発明の実施形態では、燃料電池システムのセル構造として、円筒の内側がアノード、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、外側がカソードのセル構造を有する燃料電池システムに対しても実施できる。

本発明の一実施例による燃料電池発電システムの構成図である。 燃料枯れを起こしていない場合のセル電流とセル電圧の関係を示した図である。 セルによる燃料利用率の違いを示した図である。 燃料利用率とセル電流、及びセル電圧とセル電流との関係を示した図である。 燃料枯れが発生すると電圧が急激に降下する様子を示した図である。 電圧変化率に基づく燃料枯れ判定を説明するための図である。 燃料補正手段とその効果を説明するための図である。 本発明の他の実施例による燃料電池発電システムの構成図である。 出力補正手段とその効果を説明するための図である。 抵抗変化率に基づく燃料枯れ判定を説明するための図である。

符号の説明

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…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…空気流量指令手段、２３…ブロア速度指令手段、２４…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…電力変換制御手段、３１…加算手段、３２…電圧計、３３…燃料枯れ判定手段、３３ａ…セル電流演算手段、３３ｂ…セル電圧変化率演算手段、３３ｃ…判定信号発生手段、３４…通報手段、３５…燃料補正手段、３５ａ…スイッチ、３５ｂ…燃料補正速度設定手段、３５ｃ…時間積分手段、３６…出力補正手段、３７…減算手段、３６ａ…スイッチ、３６ｂ…出力補正速度設定手段、３６ｃ…時間積分手段、１００…燃料電池機器本体、２００…制御装置、２５０…燃料枯れ監視制御手段、２６０…燃料枯れ監視制御手段。

Claims (8)

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、前記燃料電池へ供給する燃料と水及び空気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、前記燃料電池の電圧変化率又は抵抗変化率に基づいて燃料枯れを判定する燃料枯れ判定手段と、前記燃料枯れ判定手段による判定結果に基づいて前記燃料電池へ供給する燃料の流量を補正する燃料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。
2. 前記燃料補正手段が、前記燃料枯れ判定手段で燃料枯れと判定されたならば、燃料を増加するものであることを特徴とする請求項１記載の固体酸化物形燃料電池発電システム。
3. 燃料改質器と、前記燃料改質器で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、前記燃料電池へ供給する燃料と水及び空気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、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、前記燃料電池の電圧変化率又は抵抗変化率に基づいて燃料枯れを判定する燃料枯れ判定ステップと、得られた燃料枯れ判定結果により前記燃料流量を補正する燃料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。
4. 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、前記燃料電池に供給する燃料と水及び空気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、前記燃料電池の電圧変化率又は抵抗変化率に基づいて燃料枯れを判定する燃料枯れ判定手段と、前記燃料枯れ判定手段による判定結果に基づいて前記燃料流量を補正する燃料補正手段と、前記燃料枯れ判定手段による判定結果を運転管理者に通報する通報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。
5. 燃料改質器と、前記燃料改質器で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、前記燃料電池へ供給する燃料と水及び空気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、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、前記燃料電池の電圧変化率又は抵抗変化率に基づいて燃料枯れを判定する燃料枯れ判定ステップと、得られた燃料枯れ判定結果により前記燃料流量を補正する燃料補正ステップと、前記燃料枯れ判定ステップによる判定結果を運転管理者に通報する通報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。
6. 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、前記燃料電池へ供給する燃料と水及び空気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基づいて電流指令値を決定する電力変換制御手段と、前記燃料電池の電圧変化率又は抵抗変化率に基づいて燃料枯れを判定する燃料枯れ判定手段と、前記燃料枯れ判定手段による判定結果に基づいて前記電力変換制御手段に対する前記目標出力指令値を補正する出力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。
7. 前記出力補正手段が、前記燃料枯れ判定手段で燃料枯れと判定されたならば、電流を下げるものであることを特徴とする請求項６記載の固体酸化物形燃料電池発電システム。
8. 燃料改質器と、前記燃料改質器で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、前記燃料電池へ供給する燃料と水及び空気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、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電流指令値を決定する電力変換制御ステップと、前記燃料電池の電圧変化率または抵抗変化率に基づいて燃料枯れを判定する燃料枯れ判定ステップと、得られた燃料枯れ判定結果に基づいて前記電力変換制御ステップに対する前記目標出力指令値を補正する出力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。

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