JP2009081052A - 固体酸化物形燃料電池発電システム及び固体酸化物形燃料電池発電システムの運転制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は目標出力の変化時に燃料電池のセル温度と燃焼室温度の変動を抑制してセルの耐久性と発電システムの高効率発電特性の維持が可能な固体酸化物形燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】固体酸化物形燃料電池発電システムの制御装置は目標出力指令値を発生する目標出力設定器と、目標出力指令値に基づいて改質器に供給する燃料流量の燃料流量指令器及び給水流量の給水流量指令器と、燃料電池に供給する空気流量の空気流量指令器とを備えており、燃料電池はセル温度計測器と燃焼室温度計測器を備え、前記制御装置は計測したセル温度と燃焼室温度に基づいて燃料流量指令器から指令される燃料流量の指令信号及び給水流量指令器から指令される給水流量の指令信号を補正する燃料流量及び給水流量補正値を演算すると共に、燃料電池に供給される空気流量の指令信号を補正する空気流量補正値を演算する温度安定化制御器を備えた構成。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの運転制御方法に係り、特に燃料電池のセルの耐久性と発電システムの高効率発電特性を維持する固体酸化物形燃料電池発電システム及び固体酸化物形燃料電池発電システム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出力変動が激しく、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、アノードに直接水素を供給しても良いが、通常、都市ガス、ＬＮＧ、灯油など炭化水素系燃料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、特に出力変動時の温度変動を如何に低減するかは、システムの耐久性に影響する重要な課題である。

出力変動時はセル自身の発熱量が変動するのみでなく、アノードから排出される未反応燃料ガスの燃焼エネルギーも変動するため、システム全体としては複雑な温度変動を呈する。

また、温度変動により２次的な問題も発生する。即ち、燃料不足（以下、燃料枯れとよぶ）によるアノードの酸化である。

燃料枯れはアノードに供給される燃料流量に比べて負荷の割合（燃料利用率）が高くなると発生しやすく、燃料利用率が１００％に達すると燃料枯れとなる。

これにより、一旦、アノードに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も低下する。

このように、燃料枯れは燃料電池の耐久性を低下させる要因のひとつとなっており、特に燃料濃度が希薄となるアノード出口付近で発生し易く、出力変動時に起き易いため、運転制御上、注意を要する。

前記出力変動によりシステムにおける改質器などの燃料ガス供給系統及びセル内（アノード空間）の温度が変動すると、この空間に存在する燃料ガスの膨張収縮によりアノード空間を通過する燃料ガスの流速が変化する。

これにより、セルでの燃料利用率も変動することになる。実際に、この温度変動が燃料枯れを起こす要因となる場合が多い。

しかしながら、運転中にセル出口の燃料濃度をリアルタイムで計測するのは困難なため、燃料利用率を直接監視するのは困難である。

そのため、燃料枯れを防止するために、一般的には、文献１に記載されているように、燃料利用率は定常状態で７５％程度となる運転条件が採用されている。

また、固体酸化物形燃料電池においては、セル内部での改質能力も有するが、改質反応は吸熱を伴うため、セル温度をある程度高く保つために、予め前記の改質器により改質を進めておく方法が一般的に採用されている。

田川 著、固体酸化物燃料電池と地球環境、頁６２、（アグネス承風社、１９９８年６月）

従来の固体酸化物形燃料電池発電システムにおいては、通常、改質器での改質率は５０％前後で運転される。

しかしながら、燃料電池発電システムの温度変動により改質器温度が変動すると、この改質率も変動し、セル温度も変動させるという現象が発生する。

例えば、改質率が上昇すると、セルに供給された燃料の改質による吸熱量が減るため、セルが上昇し、またこの逆もありうる。

したがって、従来の固体酸化物形燃料電池発電システムでは過度の改質率変動はセルの過熱や温度低下により耐久性や発電性能が低下するという問題がある。

以上述べたように、従来の固体酸化物形燃料電池発電システムでは、燃料電池発電システムの温度変動は出力変動時に起き易く、種々の問題を引き起こす要因となっていた。

本発明の目的は、燃料電池発電システムの目標出力の変化時に燃料電池のセル温度及び燃焼室温度の変動を抑制してセルの耐久性と発電システムの高効率発電特性の維持を可能にする固体酸化物形燃料電池発電システム及び固体酸化物形燃料電池発電システムの運転制御方法を提供することにある。

本発明の固体酸化物形燃料電池発電システムは、燃料と給水を供給して改質反応させ燃料を改質ガスに改質する改質器と、この改質器から改質ガスが供給されてセルの集合体を内部に備えた燃料電池と、この改質器に供給される燃料と給水の流量、及び燃料電池に供給される空気の流量をそれぞれ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であって、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器と、この目標出力指令値に基づいて前記改質器に供給する燃料流量を設定して指令する燃料流量指令器及び給水流量を設定して指令する給水流量指令器と、前記燃料電池に供給する空気流量を設定して指令する空気流量指令器とをそれぞれ備えており、前記燃料電池は燃料電池内部のセル温度を計測するセル温度計測器と燃料電池出口の燃焼室温度を計測する燃焼室温度計測器を備え、前記制御装置は前記セル温度計測器で計測したセル温度と前記燃焼室温度計測器で計測した燃焼室温度に基づいて前記燃料流量指令器から指令される改質器に供給する燃料流量の指令信号及び給水流量指令器から指令される改質器に供給する給水流量の指令信号を補正する燃料流量及び給水流量補正値を演算すると共に、前記燃料電池に供給される空気流量の指令信号を補正する空気流量補正値を演算する温度安定化制御器を備えたことを特徴とする。

また、本発明の固体酸化物形燃料電池発電システムは、燃料と給水を供給して改質反応させ燃料を改質ガスに改質する改質器と、この改質器から改質ガスが供給されてセルの集合体を内部に備えた燃料電池と、この改質器に供給される燃料と給水の流量、及び燃料電池に供給される空気の流量をそれぞれ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であって、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器と、この目標出力指令値に基づいて前記改質器に供給する燃料流量を設定して指令する燃料流量指令器及び給水流量を設定して指令する給水流量指令器と、前記燃料電池に供給する空気流量を設定して指令する空気流量指令器とをそれぞれ備えており、前記燃料電池は燃料電池内部のセル温度を計測するセル温度計測器と燃料電池出口の燃焼室温度を計測する燃焼室温度計測器を備え、前記制御装置は前記セル温度計測器で計測したセル温度と前記燃焼室温度計測器で計測した燃焼室温度に基づいて前記燃料流量指令器から指令される改質器に供給する燃料流量の指令信号を補正する燃料流量補正値を演算すると共に、前記燃料電池に供給される空気流量の指令信号を補正する空気流量補正値を演算する温度安定化制御器を備えたことを特徴とする。

また、本発明の固体酸化物形燃料電池発電システムの運転制御方法は、燃料と給水を供給して改質反応させ燃料を改質ガスに改質する改質器と、この改質器から改質ガスが供給されてセルの集合体を内部に備えた燃料電池と、この改質器に供給される燃料と給水の流量及び燃料電池に供給される空気の流量をそれぞれ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であって、前記制御装置では該制御装置に備えた目標出力設定器によって燃料電池発電システムの目標出力指令値を発生させ、この目標出力指令値に基づいて該制御装置にそれぞれ備えた燃料流量指令器から前記改質器に供給する燃料流量を設定して指令させ、給水流量指令器から給水流量を設定して指令させ、空気流量指令器から前記燃料電池に供給する空気流量を設定して指令させるようにし、前記燃料電池にそれぞれ備えたセル温度計測器で燃料電池内部のセル温度を計測すると共に燃焼室温度計測器で燃料電池出口の燃焼室温度を計測し、そして前記制御装置に備えた温度安定化制御器によって計測した前記セル温度と前記燃焼室温度に基づいて前記燃料流量指令器から指令される改質器に供給する燃料流量の指令信号及び給水流量指令器から指令される改質器に供給する給水流量の指令信号を補正する燃料流量及び給水流量補正値を演算すると共に、前記燃料電池に供給される空気流量の指令信号を補正する空気流量補正値を演算することによって、改質器に供給される燃料と給水の流量、及び燃料電池に供給される空気の流量をそれぞれ調整することを特徴とする。

また、本発明の固体酸化物形燃料電池発電システムの運転制御方法は、燃料と給水を供給して改質反応させ燃料を改質ガスに改質する改質器と、この改質器から改質ガスが供給されてセルの集合体を内部に備えた燃料電池と、この改質器に供給される燃料と給水の流量及び燃料電池に供給される空気の流量をそれぞれ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であって、前記制御装置では該制御装置に備えた目標出力設定器によって燃料電池発電システムの目標出力指令値を発生させ、この目標出力指令値に基づいて該制御装置にそれぞれ備えた燃料流量指令器から前記改質器に供給する燃料流量を設定して指令させ、給水流量指令器から給水流量を設定して指令させ、空気流量指令器から前記燃料電池に供給する空気流量を設定して指令させるようにし、前記燃料電池にそれぞれ備えたセル温度計測器で燃料電池内部のセル温度を計測すると共に燃焼室温度計測器で燃料電池出口の燃焼室温度を計測し、そして前記制御装置に備えた温度安定化制御器によって前記セル温度と前記燃焼室温度に基づいて前記燃料流量指令器から指令される改質器に供給する燃料流量の指令信号及び給水流量指令器から指令される改質器に供給する給水流量の指令信号を補正する燃料流量補正値を演算すると共に、前記燃料電池に供給される空気流量の指令信号を補正する空気流量補正値を演算することによって、改質器に供給される燃料と給水の流量、及び燃料電池に供給される空気の流量をそれぞれ調整す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目標出力の変化時に燃料電池のセル温度及び

燃焼室温度の変動を抑制してセルの耐久性と発電システムの高効率発電特性の維持を可能にして運用コストを大幅に低減する固体酸化物形燃料電池発電システム及び固体酸化物形燃料電池発電システムの運転制御方法が実現できる。

次に、本発明の一実施例である燃料電池発電システム及び固体酸化物形燃料電池発電システムの運転制御方法について図面を参照して以下に説明する。

本発明の一実施例である固体酸化物形燃料電池発電システムは燃料電池機器本体１００と、この燃料電池機器本体１００を制御する制御装置２００とから構成される。

前記燃料電池機器本体１００には、燃料タンク２から供給される燃料１と、給水タンク４から供給される給水３との供給を受けてこれらを加熱して燃料と蒸気の混合ガスを生成する燃料予熱器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、前記燃料予熱器５で生成した燃料と蒸気の混合ガスを所望の改質条件下で改質反応させて燃料を水素リッチな改質ガス７に転換する改質器６とを備えている。

燃料電池機器本体１００には、更に、前記改質器６から供給される改質ガス７と前記空気予熱器１０から供給される空気９を反応させて直流電力を発生するセル１１の集合体である固体酸化物形燃料電池８を備えており、この燃料電池８で発生した直流電力Ｌ_Ｃを交流電力Ｌ_Ａに変換する電力変換器１５と、電力変換器１５から出力された交流電力Ｌ_Ｃで駆動される負荷１６を備えている。

この燃料電池８の内部には多数のセル１１の集合体が配設されており、これらのセル１１の上部には改質器６から供給された改質ガス７を燃焼する燃焼室１２が備えられている。

この燃焼室１２の上部には空気予熱器１０から予熱された空気９を導入する間にホールド１３が設置され、このマニホールド１３から前記各セル１１に空気９を導く空気導入管１４がそれぞれ配設されている。

更に前記燃料電池８に設置したセル１１の内部にはセル温度Ｔ_Ｃを検出する温度計２９が設けられており、セル１１の出口の燃焼室１２の内部には燃焼室温度Ｔ_Ｂを検出する温度計３７が設けられている。

また、燃料電池機器本体１００には、燃料タンク２から燃料予熱器５に燃料１を供給する燃料供給系に燃料流量を調節する燃料流量調整弁１７が設置されている。

同様に、燃料電池機器本体１００には、給水料タンク４から燃料予熱器５に給水３を供給する給水供給系に給水を送給する給水ポンプ１８が設置され、大気から取り込んだ空気９を空気予熱器１０に供給する空気供給系に空気を送給する空気ブロア１９が設置されている。

前記制御装置２００には、燃料電池発電シシテムの目標出力指令値Ｌ_ＲＯを設定して出力する目標出力設定器２１と、この目標出力設定器２１から出力した目標出力指令値Ｌ_ＲＯに基づいて燃料流量指令値Ｆ_ＦＲ、空気流量指令値Ｆ_ＡＲ、給水流量指令値Ｆ_ＷＲをそれぞれ演算して出力する燃料流量指令器５０と、給水流量指令器１５０と、空気流量指令器２５０を備えている。

前記燃料流量指令器５０及び給水流量指令器１５０には、乗算器３０及び乗算器４０がそれぞれ備えられており、後述する温度安定化制御器３００に設けた低値選択器（ＬＶＧ）４７によって選択された燃料流量及び給水流量補正値Ｒ_Ｆの信号を乗算器３０及び乗算器４０でそれぞれ乗算させて補正する。

そして、前記燃料流量指令器５０では、目標出力設定器２１から出力された目標出力指令値Ｌ_ＲＯに基づいて燃料流量指令器５０に設置した基準燃料流量指令器２２から出力した指令信号Ｆ_ＦＲＯに、乗算器３０で燃料流量及び給水流量補正値Ｒ_Ｆの信号を乗算して指令信号Ｆ_ＦＲを演算し、この指令信号Ｆ_ＦＲを弁開度指令器２７に入力して前記燃料流量調整弁１７を操作する指令信号Ａ_ＦＶを演算させている。

また、前記給水流量指令器１５０では、目標出力設定器２１から出力された目標出力指令値Ｌ_ＲＯに基づいて燃料流量指令器５０に設置した基準給水流量指令器２４から出力した指令信号Ｆ_ＷＲＯに、乗算器４０で燃料流量及び給水流量補正値Ｒ_Ｆの信号を乗算して指令信号Ｆ_ＷＲを演算し、この指令信号Ｆ_ＷＲをポンプ速度指令器２５に入力して前記給水ポンプ１８を操作する指令信号Ｎ_ＷＰを演算させている。

また、空気流量指令器２５０では、目標出力設定器２１から出力された目標出力指令値Ｌ_ＲＯに基づいて空気流量指令器２５０に設置した基準空気流量指令器２６から出力した指令信号Ｆ_ＡＲＯに、乗算器６０で後述する温度安定化制御器３００に設けた高値選択器（ＨＶＧ）４８によって選択された空気流量補正値Ｒ_Ａの信号を乗算して指令信号Ｆ_ＡＲを演算し、この指令信号Ｆ_ＡＲをブロア速度指令器２３に入力して前記空気ブロア１９を操作する指令信号Ｎ_ＡＢを演算させている。

更に前記制御装置２００には、燃料電池８のセル１１の温度を計測する温度計２９で測定された前記セル温度Ｔ_Ｃと、燃料電池８の燃焼室１２の温度を計測する温度計３７で測定された前記燃焼室温度Ｔ_Ｂに基づいて、空気流量を補正する空気流量補正値Ｒ_Ａと、燃料流量及び給水流量を補正する燃料流量及び給水流量補正値ＲFをそれぞれ演算して出力し、燃料電池発電システムのシステム温度を安定化する温度安定化制御器３００がを備えられている。

この温度安定化制御器３００には、燃料電池８の温度計２９で測定したセル温度Ｔ_Ｃに基づいて燃料流量及び給水流量補正値Ｒ_Ｆ１を演算して出力する第１の燃料流量及び給水流量補正器４３と、同じくセル温度Ｔ_Ｃに基づいて空気流量補正値Ｒ_Ａ１を演算して出力する第１の空気流量補正器４５とが備えられている。

更に前記温度安定化制御器３００には、燃料電池８の温度計３７で測定した燃焼室温度Ｔ_Ｂに基づいて燃料流量及び給水流量補正値Ｒ_Ｆ２を演算して出力する第２の燃料流量及び給水流量補正器４４と、同じく燃焼室温度Ｔ_Ｂに基づいて空気流量補正値Ｒ_Ａ２を演算して出力する第２の空気流量補正器４６とが備えられている。

更に前記温度安定化制御器３００には、第１の燃料流量及び給水流量補正器４３で演算されて出力した燃料流量及び給水流量補正値Ｒ_Ｆ１と、第２の燃料流量及び給水流量補正器４４で演算されて出力した燃料流量及び給水流量補正値Ｒ_Ｆ２とを比較して低値選択する低値選択器（ＬＶＧ）４７と、第１の空気流量補正器４５で演算されて出力した空気流量補正値Ｒ_Ａ１と、第２の空気流量補正器４６で演算されて出力した空気流量補正値Ｒ_Ａ２とを比較して高値選択する高値選択器（ＨＶＧ）４８とが備えられている。

そして、前記低値選択器（ＬＶＧ）４７によって選択された燃料流量及び給水流量補正値Ｒ_Ｆを前記温度安定化制御器３００から出力させて、制御装置２００を構成する燃料流量指令器５０の乗算器３０に入力して基準燃料流量指令器２２から出力した指令信号Ｆ_ＦＲＯを補正した指令信号Ｆ_ＦＲを演算させる。

また、前記低値選択器（ＬＶＧ）４７によって選択され前記温度安定化制御器３００から出力した燃料流量及び給水流量補正値Ｒ_Ｆは、制御装置２００を構成する給水流量指令器１５０の乗算器４０に入力して基準給水流量指令器２４から出力した指令信号Ｆ_ＷＲＯを補正した指令信号Ｆ_ＷＲを演算させる。

同様に、前記高値選択器（ＨＶＧ）４８によって選択された空気流量補正値Ｒ_Ａを前記温度安定化制御器３００から出力させて、制御装置２００を構成する空気流量指令器２５０の乗算器４６に入力して基準空気流量指令器２６から出力した指令信号Ｆ_ＡＲＯを補正した指令信号Ｆ_Ａを演算させる。

以上説明したように、燃料電池８のセル温度と燃焼室の温度に基づいて前記燃料電池８に供給される燃料流量、給水流量及び空気流量を適正に補正することが出来るので、燃料電池発電システムの目標出力の変化時に燃料電池のセル温度及び燃焼室温度の変動を抑制してセルの耐久性と発電システムの高効率発電特性の維持を可能にして運用コストを大幅に低減する固体酸化物形燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの運転制御方法が実現できる。

次に、図１〜図２に示した本発明の一実施例である固体酸化物形燃料電池発電システムの運転制御について説明する。

尚、燃料電池に用いられるセルの構造として主として円筒型と平板型のもの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るので、本実施例の固体酸化物形燃料電池発電システムに用いられる燃料電池８では、円筒型のセル構造を例にして以下に説明する。

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称する。

図１において、本実施例の燃料電池発電システムを構成している燃料電池機器本体１００の動作際について説明すると、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から供給され、給水３は給水タンク４から供給される。

この燃料１と給水３の両者は混合されて燃料予熱器５に送られ、燃料予熱器５で加熱されて給水３は蒸気となって燃料１と共に次の改質器６に供給される。

改質器６では所望の改質条件下でこの蒸気と燃料１とが改質反応することによって水素リッチで高温の改質ガス７に転換される。

改質器６で改質された改質ガス７は次に燃料電池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。

燃料電池８は複数の円筒型のセル１１で構成され、セル１１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セル１１の外側のアノードに沿って上昇し、セル１１の上部に形成された燃焼室１２に排出される。

また、空気予熱器１０から燃料電池８に供給される予熱された空気はセル１１の上部に配設されたマニホールド１３に送入され、このマニホールド１３で複数に分流して各セル１１の内部に配置された円筒状の空気導入管１４の内部を予熱しながら下降し、空気導入管１４の下端部を出たのちにセル１１の内側のカソードに沿って上昇し、セル１１の上部に位置する燃焼室１２に抜ける。

この燃焼室１２に抜けた空気９は、ここでセル１１の外側のアノードを通過した改質ガス（燃料ガス）７と合流する。

セル１１の上記アノードとカソードとの間には解質膜があり、カソード側を通過する空気中の酸素は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に含まれる水素または一酸化炭素と反応することで起電力を発生する。

セル１１で発生した起電力の直流電力Ｌ_Ｃは電力変換器１５に供給され、この電力変換器１５よって交流電力Ｌ_Ａに変換され、負荷１６に供給される。

尚、図１には明示していないが、通常、複数のセル１１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としては直流から交流への変換機能は不要であるが、端子電圧Ｖ_Ｃは出力により変化するため、電力変換器１５には電圧変換機能が必要となる。

また、負荷１６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ＬCよりも小さくなる。

燃料電池８に供給される燃料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。

改質器６によって改質された改質ガス７は燃料電池８のセル１１の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）７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、セル出口において上記メタン、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（燃料不足）の状態となる。

燃料電池発電システムではこの燃料枯れを防止するために、一般的には燃料利用率が定常状態で７５％以下での運転条件が望ましいとされている。

ところで、燃料電池８の内部の燃焼室１２に排出された空気にもあ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、この高温ガスは燃料電池８の内部のマニホールド１３に供給された空気を加熱する。

そして燃料電池８の燃焼室１２から排出された高温ガスは空気予熱器１０に送られることになる。

空気予熱器１０では燃料電池８の燃焼室１２から排出されたこの高温ガスのエネルギーによって大気から取り込んだ空気９が予熱されて前記燃料電池８の内部に配設したマニホールド１３に送入される。

さらに、空気予熱器１０で熱交換された燃料電池８の燃焼室１２から排出された高温ガスは燃料予熱器５及び改質器６に順次導かれて燃料予熱器５での燃料１の予熱と改質器６での改質に利用されたのち、排ガスブロア２０によってシステム外に排出される。

次に、本実施例の固体酸化物形燃料電池発電システムを制御する制御装置２００の働きについて説明する。

図１に示した固体酸化物形燃料電池発電システムの燃料電池機器本体１００を制御する制御装置２００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。

この制御装置２００において、燃料電池発電システムの出力電力Ｌ_Ａの目標出力を設定する目標出力設定器２１から燃料電池発電システムの目標出力指令値Ｌ_Ｒ０が発せられると、この目標出力指令値Ｌ_Ｒ０に対応して空気流量指令器２５０における基準空気流量指令器２６では基準空気流量指令値Ｆ_ＡＲ０が出力される。

同様にこの目標出力指令値Ｌ_Ｒ０に対応して燃料流量指令器５０における基準燃料流量指令器２２では基準燃料流量指令値Ｆ_ＦＲ０が出力される。

また、この目標出力指令値Ｌ_Ｒ０に対応して給水流量指令器１５０における基準給水流量指令器２４では基準給水流量指令値Ｆ_ＷＲ０が出力される。

ここで、前記空気流量指令器２５０、燃料流量指令器５０及び給水流量指令器１５０から出力される上記３つの各基準指令値Ｆ_ＦＲ０、Ｆ_ＷＲ０及びＦ_ＡＲ０は、静特性的に設計条件に合致するバランス条件であり、燃料電池発電システムが定常運転時に出力電力Ｌ_Ｒ０を得るのに必要な値である。

本実施例の制御装置２００に備えられた温度安定化制御器３００では、後述の空気流量補正値Ｒ_Ａと燃料流量及び給水流量補正値Ｒ_Ｆを演算して出力する。

そして前記制御装置２００に備えられた空気流量指令器２５０においては、基準空気流量指令器２６から出力された基準空気流量指令値Ｆ_ＡＲ０に対して温度安定化制御器３００から出力された空気流量補正値Ｒ_Ａを乗算器６０によって乗算して補正後の空気流量指令値Ｆ_ＡＲを演算して出力し、この空気流量指令値Ｆ_ＡＲがブロア速度指令器２３に与えられて空気ブロア１９の運転を指令するブロア速度指令値Ｎ_ＡＢが出力される。

また、前記制御装置２００に備えられた燃料流量指令器５０においては、基準燃料流量指令器２２から出力された基準燃料流量指令値Ｆ_ＦＲ０に対して温度安定化制御器３００から出力された燃料流量及び給水流量補正値Ｒ_Ｆを乗算器３０によって乗算して補正後の燃料流量指令値Ｆ_ＦＲを演算して出力し、この燃料流量指令値Ｆ_ＦＲが弁開度指令器２７に与えられて燃料流量調整弁１７の弁開度を指令する弁開度指令値Ａ_ＦＶが出力される。

さらに、前記制御装置２００に備えられた給水流量指令器１５０においては、基準給水流量指令器２４から出力された基準給水流量指令値Ｆ_ＷＲ０に対して温度安定化制御器３００から出力された燃料流量及び給水流量補正値Ｒ_Ｆを乗算器４０によって乗算して補正後の給水流量指令値Ｆ_ＷＲを演算して出力し、この給水流量指令値Ｆ_ＷＲがポンプ速度指令器２５に与えられて給水ポンプ１８の運転を指令する速度指令値Ｎ_ＷＰが出力される。

ここで、給水流量指令器１５０の基準給水流量指令値Ｆ_ＷＲ０に、燃料流量指令器５０の基準燃料流量指令値Ｆ_ＦＲ０に対して乗算したものと同じ値の燃料流量及び給水流量補正値Ｒ_Ｆを乗算する理由は、燃料流量と給水流量の比率を一定とすることで、改質器６における改質条件を一定にするためである。

一方、目標出力指令値Ｌ_Ｒ０は電力変換制御器２８にも与えられ、この電力変換器制御器２８では目標出力指令値Ｌ_Ｒ０を満たすような電流指令値Ｉ_ＣＲを演算し、前記燃料電池機器本体１００に設置された電力変換器１５に対して出力して指令する。

即ち、電力変換制御器２８では燃料電池８から燃料電池８の端子電圧Ｖ_Ｃを入力して、Ｉ_ＣＲ（＝Ｌ_Ｒ０／η_ＥＶ_Ｃ）なる電流指令値Ｉ_ＣＲを発生するように構成されている。

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、燃料電池８におけるセルの並列数をｎ_Ｐとすると、セル電流Ｉ_ＣはＩ_ＣＲ／ｎ_Ｐとなる。

次に、前記制御装置２００に設置された温度安定化制御器３００の具体的な構成と機能について図２を用いて説明する。

図２に示す温度安定化制御器３００は、前述のように、燃料電池８の温度計２９で計測したセル温度Ｔ_Ｃと燃焼室温度Ｔ_Ｂに基づいて空気流量補正値Ｒ_Ａと燃料流量及び給水流量補正値Ｒ_Ｆをそれぞれ演算して出力するが、そのための制御機器として、第１の空気流量補正器４５、第２の空気流量補正器４６、第１の燃料流量及び給水流量補正器４３、第２の燃料流量及び給水流量補正器４４、高値選択器４８、及び低値選択器４７を備えている。

第１の空気流量補正器４５には、セル温度Ｔ_Ｃに応じて第１の空気流量補正値Ｒ_Ａ１を出力するように、丁度、図２に示したように、冷却防止領域から安定領域を挟んで加熱防止領域となる右肩上がりの特性曲線を出力する関数発生器の機能をもたせている。

第２の空気流量補正器４６には、燃焼室温度Ｔ_Ｂに応じて第２の空気流量補正値Ｒ_Ａ２を出力するように、丁度、図２に示したように、冷却防止領域から安定領域を挟んで加熱防止領域となる右肩上がりの特性曲線を出力する関数発生器の機能をもたせている。

第１の燃料流量及び給水流量補正器４３には、セル温度Ｔ_Ｃに応じて第１の燃料流量及び給水流量補正値Ｒ_Ｆ１を出力するように、丁度、図２に示したように、冷却防止領域から安定領域を挟んで加熱防止領域となる右肩下がりの特性曲線を出力する関数発生器の機能をもたせている。

第２の燃料流量及び給水流量補正器４４には、燃焼室温度Ｔ_Ｂに応じて第２の燃料流量及び給水流量補正値Ｒ_Ｆ２を出力するように、丁度、図２に示したように、冷却防止領域から安定領域を挟んで加熱防止領域となる右肩下がりの特性曲線を出力する関数発生器の機能をもたせている。

さらに、高値選択器４８では、上記第１の空気流量補正値Ｒ_Ａ１と第２の空気流量補正値Ｒ_Ａ２とから燃料電池発電システムに対して安全方向に働く補正値となる高値の補正値を選択して、実際に適用する最終的な空気流量補正値Ｒ_Ａを生成して温度安定化制御器３００から出力させている。

同様に、低値選択器４７では、上記第１の燃料流量補正値Ｒ_Ｆ１と第２の燃料流量補正値Ｒ_Ｆ２とから燃料電池発電システムに対して安全方向に働く補正値となる低値の補正値を選択して、実際に適用する最終的な燃料流量及び給水流量補正値Ｒ_Ｆを生成して温度安定化制御器３００から出力させている。

上記した温度安定化制御器３００は、燃料電池発電システムの運転特性を考慮した次なる基本的考え方に基づくものである。

（１）燃料電池発電システムの安定運転で着目すべき温度状態量は、セル温度と燃料室温度である。

セル温度は材料強度の点で上限、発電性能の点で下限があり、燃料室温度は空気マニホールドの耐熱性から上限がある。

（２）燃料電池発電システムの温度を安定化するための効果的な操作量は空気流量と燃料流量であり、空気流量を増加（低減）するとセル温度も燃料室温度も下がる（上がる）。

（３）上記した４つの補正器４３、４４、４５及び４６に備えさせた関数発生器には、特性曲線における安定領域（Ｔ_Ｃ２＜Ｔ_Ｃ＜Ｔ_Ｃ３、Ｔ_Ｂ２＜Ｔ_Ｂ＜Ｔ_Ｂ３）では補正量を“１”とすることで補正が掛からないようにデッドバンド（不感帯）配置し、その両側には過熱防止領域と冷却防止領域を設けるようにしてそれぞれの関数発生器を構成した。

デッドバンドを配置した理由は、セル内部の燃料ガス流動ムラや燃焼室燃焼ムラなどにより、セル温度や燃焼室温度に僅かな温度変動があっても補正動作が働かないようにするためである。

（４）第１、第２の空気流量補正値Ｒ_Ａ１、Ｒ_Ａ２は、過熱防止を優先するために高値選択器４８を介して高値の補正値の方を選択して実際に適用する最終的な空気流量補正値Ｒ_Ａとした。

（５）第１、第２の燃料流量及び給水流量補正値Ｒ_Ｆ１、Ｒ_Ｆ２も過熱防止を優先するために低値選択器４７を介して低値の補正値の方を選択して実際に適用する最終的な燃料流量及び給水流量補正値Ｒ_Ｆとした。

次に図３及び図４を用いて本実施例の固体酸化物形燃料電池発電システムを制御する際の制御装置２００の動作の一例を説明する。

まず最初に、図３は時刻ｔ_Ａからｔ_Ｂの間で燃料電池発電システムの目標出力指令値Ｌ_Ｒ０を一定変化率で上昇させ、時刻ｔ_Ｃからｔ_Ｄの間では、逆に目標出力指令値Ｌ_Ｒ０を一定変化率で降下させた場合において、制御装置２００に備えた温度安定化制御器３００の機能をＯＮして働かせた状況を太実線で示し、温度安定化制御器３００の機能をＯＦＦして働かせなかった場合を太破線で示して、各制御機器から出力される出力値の状況を比較して表したものである。

また、図３において、温度安定化制御器３００の機能がＯＮとＯＦＦさせた場合に両者共通の状況を細実線で示し、目標出力指令値Ｌ_Ｒ０を出力変化させる前の状況を一点鎖線で示した。

まず最初に、制御装置２００に備えた温度安定化制御器３００の機能をＯＦＦして働かせない場合の太破線で示した動作について説明する。

時刻ｔ_Ａから目標出力指令値Ｌ_Ｒ０の出力が上昇開始した直後は、燃料電池８のセル１１のアノード中の燃料流速が出力上昇以上に高くなるため、燃料利用率Ｕ_Ｆが一時的に低下し、その結果、燃料電池８の燃焼室１２で燃焼する燃料割合が増えるため、燃焼室温度Ｔ_Ｂが上昇する。

その後、燃料ガス７の改質温度が低下（図示しない）するにつれ、燃料流速が低下するため、逆に燃料利用率Ｕ_Ｆが上昇し始める。

その結果、燃焼室１２で燃焼する燃料割合が減るため、燃焼室温度Ｔ_Ｂの上昇は止まり、出力が一定値に保持される時刻ｔ_Ａ以後は一旦低下傾向を示すが、セル温度Ｔ_Ｃが上昇するにつれて、再び上昇傾向となる。

この間、セル温度Ｔ_Ｃが上昇する理由は、出力（電流）上昇による自己発熱量が、外部への放熱量を上回るためである。

また、セル温度Ｔ_Ｃが安定化するにつれセル１１のアノード中燃料ガス流速も安定化するため、燃料利用率Ｕ_Ｆも定常値に整定する傾向を示す。

また、時刻ｔ_Ｃから目標出力指令値Ｌ_Ｒ０が降下し始めると、上記各部の応答は、概ね逆の現象を呈する。

このように、温度安定化制御器３００の機能をＯＦＦして働かせない場合には、目標出力指令値Ｌ_Ｒ０の変動に伴って燃料電池８のセル温度Ｔ_Ｃや燃焼室温度Ｔ_Ｂが大きく変動する。

そのため、燃料電池８のセルの耐久性劣化と発電効率の低下や、空気マニホールドなど構造物の耐久性劣化が早くなる。

次に、制御装置２００に備えた温度安定化制御器３００の機能をＯＮして働かせた場合の太実線で示した動作について説明する。

時刻ｔ_Ａから時刻ｔ_Ｂまで目標出力指令値Ｌ_Ｒ０を上昇させ、時刻ｔ_Ｃから時刻ｔ_Ｄまで目標出力指令値Ｌ_Ｒ０を低下させた場合に、燃料電池８の燃焼室温度Ｔ_Ｂが設定値Ｔ_Ｂ３以上となる時刻ｔ_１〜ｔ_２間、ｔ_４〜ｔ_５間、ｔ_７〜ｔ_８間では前記温度安定化制御器３００によって第１の燃料流量及び給水流量補正値Ｒ_Ｆ１と第２の空気流量補正値Ｒ_Ａ２が演算される。

また、燃料電池８のセル温度Ｔ_Ｃが設定値Ｔ_Ｃ３以上となる時刻ｔ_３〜ｔ_６間では前記温度安定化制御器３００によって第１の空気流量補正値Ｒ_Ａ１と第２の燃料流量及び給水流量補正値Ｒ_Ｆ２が演算されて出力される。

空気流量補正値Ｒ_Ａとしては、上記第１の空気流量補正値Ｒ_Ａ１と第２の空気流量補正値Ｒ_Ａ２のうち高値を選択して前記温度安定化制御器３００から出力し、基準空気流量指令値Ｆ_ＡＲ０を補正することで、実際の操作量としての空気流量指令値Ｆ_ＡＲが演算される。

燃料流量及び給水流量補正値Ｒ_Ｆとしては、上記第１の燃料流量及び給水流量補正値Ｒ_Ｆ１と第２の燃料流量及び給水流量補正値Ｒ_Ｆ２のうち低値を選択して前記温度安定化制御器３００から出力し、基準燃料流量指令値Ｆ_ＦＲ０を補正することで、実際の操作量としての燃料流量指令値Ｆ_ＦＲが演算される。

また、給水流量に対しても燃料流量及び給水流量補正値Ｒ_Ｆが適用されて基準給水流量指令値Ｆ_ＷＲ０が補正され、実際の操作量としての給水流量指令値Ｆ_ＷＲが演算される。

その結果、燃料電池８のセル温度Ｔ_Ｃと燃焼室温度Ｔ_Ｂの変動を安定化させることができる。

また、燃料ガス７の改質温度も安定化（図示しない）するため、燃料利用率Ｕ_Ｆの変動も抑制され、燃料枯れの恐れも軽減している。

以上説明したように、本実施例の燃料電池発電システムでは、制御装置２００の温度安定化制御器３００の機能をＯＮして作動させた場合は、燃料電池発電システムの目標出力指令値Ｌ_Ｒ０が変動した時においても燃料電池８のセル温度Ｔ_Ｃや燃焼室温度Ｔ_Ｂの大幅上昇を抑制できる。

そのため、燃料電池８のセルの耐久性を向上して高効率発電特性を維持することが可能となり、空気マニホールドなど構造物の耐久性も高めることができる。

以上の説明は図３に示したように目標出力指令値Ｌ_Ｒ０が一旦上昇したのちに元の出力まで低下する場合について、本実施例の制御装置２００に備えた温度安定化制御器３００の動作状況とその効果を説明したものである。

次に、図４は図３とは逆に、目標出力指令値Ｌ_Ｒ０の出力が一旦低下したのちに元の出力まで上昇する場合について、本実施例の制御装置２００に備えた温度安定化制御器３００の動作状況とその効果を説明するものである。

図４においても図３と同様に、制御装置２００に備えた温度安定化制御器３００の機能をＯＮして働かせた状況を太実線で示し、温度安定化制御器３００の機能をＯＦＦして働かせなかった場合を太破線で示して、各制御機器から出力される出力値の状況を比較して表したものである。

また、図４においても、温度安定化制御器３００の機能がＯＮとＯＦＦさせた場合に両者共通の状況を細実線で示し、目標出力指令値Ｌ_Ｒ０を出力変化させる前の状況を一点鎖線で示した。

詳細説明は省略するが、図４に示した場合においても、温度安定化制御器３００の機能を働かせた場合には太実線で示したように、燃料電池８のセル温度Ｔ_Ｃや燃焼室温度Ｔ_Ｂの変動を大幅に抑制できる。

図４に示した場合、特にセル温度Ｔ_Ｃの低下による発電効率の低下の防止効果は大きく、また、燃料利用率Ｕ_Ｆの変動も抑制されて燃料枯れの恐れも軽減している。

蒸気した説明から明らかなように、本実施例によれば、燃料電池発電システムの目標出力の変化時に燃料電池のセル温度及び燃焼室温度の変動を抑制してセルの耐久性と発電システムの高効率発電特性の維持を可能にして運用コストを大幅に低減する固体酸化物形燃料電池発電システム及び固体酸化物形燃料電池発電システムの運転制御方法が実現できる。

本発明の他の実施例である固体酸化物形燃料電池発電システム及び固体酸化物形燃料電池発電システムの運転制御方法について図５を用いて説明する。

本実施例では、図１〜図４に示した先の実施例である固体酸化物形燃料電池発電システム装置とは基本構成とその制御操作が共通しているので、共通の構成と制御操作についてはその説明を省略し、相違する部分についてのみ説明する。

図５に示した本実施例の固体酸化物形燃料電池発電システムでは、温度安定化のための補正手段として、基準空気流量指令値Ｆ_ＡＲ０、基準燃料流量指令値Ｆ_ＦＲ０及び基準給水流量指令値Ｆ_ＷＲ０を補正する場合、図１に示した先の実施例ではそれぞれ乗算器６０、３０及び４０を用いて補正したが、必ずしも乗算器を用いる必要はない。

即ち、図５に示す本実施例の温度安定化のための補正手段のように、乗算器に替えて空気流量指令器２５０に設けた加算器５４、燃料流量指令器５０に設けた加算器５５、及び給水流量指令器１５０に設けた加算器５６を用いてそれぞれ補正する構成とし、各補正値には工学単位に応じて、ゲインＫ_Ａ、Ｋ_Ｆ、Ｋ_Ｗを掛けてから加算すればよく、本発明の本質を何ら変えることなく適用可能であり、かつ等価の効果が期待できる。

また、図１及び図５に示した本発明の実施例である燃料電池発電システムでは、基準空気流量指令値Ｆ_ＡＲ０、基準燃料流量指令値Ｆ_ＦＲ０及び基準給水流量指令値Ｆ_ＷＲ０の３つを補正対象としたが、必ずしも３つ全てを対象とせずとも、燃料電池発電システム構成や設計条件に応じて、これらのなかの基準空気流量指令値Ｆ_ＡＲ０及び基準燃料流量指令値Ｆ_ＦＲ０の２つを選択して補正対象としても適用可能で、この場合でも先の実施例とほぼ同等の効果が期待できる。

これらの基準空気流量指令値Ｆ_ＡＲ０及び基準燃料流量指令値Ｆ_ＦＲ０の２つを選択して補正する場合、温度安定化制御器３００で演算する補正値は、前記燃料流量指令器５０に設けた基準燃料流量指令器２２から出力された基準燃料流量指令値Ｆ_ＦＲ０を乗算器３０で乗算する燃料流量補正値Ｒ_Ｆとなる。

そしてこの場合、図２に示した温度安定化制御器３００の構成は、第１の燃料流量及び給水流量補正器４３は燃料流量補正値Ｒ_Ｆ１を演算する第１の燃料流量補正器４３で構成し、第２の燃料流量及び給水流量補正器４４は燃料流量補正値Ｒ_Ｆ２を演算する第２の燃料流量補正器４４で構成し、更に低値選択器（ＬＶＧ）４７は前記燃料流量補正値Ｒ_Ｆ１と燃料流量補正値Ｒ_Ｆ２とを比較して低値選択する低値選択器（ＬＶＧ）４７で構成されることになる。

そして温度安定化制御器３００から出力されるもう１つの補正値である前記基準空気流量指令値Ｆ_ＡＲ０を補正する空気流量補正値Ｒ_Ａを演算するための空気流量補正値Ｒ_Ａ１を演算する第１の空気流量補正器４５と、空気流量補正値Ｒ_Ａ２を演算する第２の空気流量補正器４６と、この空気流量補正値Ｒ_Ａ１と空気流量補正値Ｒ_Ａ２とを比較して高値選択する高値選択器（ＨＶＧ）４８とで構成された温度安定化制御器３００の構成には変わりはない。

また、図１及び図５に示した本発明の実施例では、燃料電池８のセル温度Ｔ_Ｃとしてセル１１で最高温度となる部位での計測が望ましく、例えば最高温度になりやすいセル１１の中央部での計測が望ましい。

セル１１の最高温度の位置は出力変化に応じて移動するため、必ずしも位置を厳密に規定せずに、例えば複数個所での計測値の最高値若しくは平均値などの代表値を使用する方式としても良い。

また、図１及び図５に示した本発明の実施例では、セル温度Ｔ_Ｃとして、例えば絶縁耐火物を介してセル１１の表面に接した熱伝型温度計を使用した直接計測が望ましが、セル自体の発電性能の観点からはアノード空間燃料ガス温度やセル間電極温度など、燃料電池発電システムの設計条件や構造上の特徴を考慮したセル近傍の温度を計測することで代用しても良い。

さらに、図１及び図５に示した本発明の実施例では、燃料電池８に設置するセル１１の構造として円筒型のものを用いたが、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を用いるようにしても良い。

また、図１及び図５に示した本発明の実施例では、燃料電池８に設置するセル１１のセル１１の構造として、セル１１の円筒の内側がアノード、外側がアノードとするものを用いたが、この逆にした、例えばセル１１の内側がアノード、外側がカソードとするセル構造を有する燃料電池を用いるようにしても良い。

また、図１及び図５に示した本発明の実施例では、制御装置２００の温度安定化制御器３００に設置した４つの補正器４３、４４、４５及び４６に備えさせた関数発生器に、安定領域としてデッドバンド（不感帯）を設けたが、デッドバンドの代わりに感度を押さえるなどして補正量を小さく抑えるようにしても良い。

また、図１及び図５に示した本発明の実施例では、燃料電池８の燃焼室温度Ｔ_Ｂを用いたが、燃焼室温度Ｔ_Ｂに順ずるものであれば良く、例えば燃焼室温度Ｔ_Ｂに替えて燃焼室１２を出たあとの排ガス温度または空気マニホールド１３のメタル温度を用いるようにしても良い。

また、図１及び図５に示した本発明の実施例では、燃料電池８の燃焼室１２で生じた排ガスが燃料電池８から空気予熱器１０、燃料予熱器５、改質器６の順次に供給されるシステム構成としているが、必ずしもこの構成とする必要はなく、例えば、排ガスが改質器６を通過してから燃料予熱器５に供給し、給水３を蒸発させる給水蒸発器を別途配置されたシステム構成にしても適用可能である。

上記した説明から明らかなように、本実施例によれば、燃料電池発電システムの目標出力の変化時に燃料電池のセル温度及び燃焼室温度の変動を抑制してセルの耐久性と発電システムの高効率発電特性の維持を可能にして運用コストを大幅に低減する固体酸化物形燃料電池発電システム及び固体酸化物形燃料電池発電システムの運転制御方法が実現できる。

本発明は、固体酸化物形燃料電池発電システム及び固体酸化物形燃料電池発電システムの運転制御方法に適用可能である。

本発明の一実施例である固体酸化物形燃料電池発電システムの概略を示す全体構成図。 図１に示した本発明の実施例の固体酸化物形燃料電池発電システムの制御装置に設置された温度安定化制御器の構成を示す制御ブロック図。 図１に示した本発明の実施例の固体酸化物形燃料電池発電システムにおける目標出力を増加するように変化させた場合の制御装置の動作とその作用を説明する状態図。 図１に示した本発明の実施例の固体酸化物形燃料電池発電システムにおける目標出力を減少するように変化させた場合の制御装置の動作とその作用を説明する状態図。 本発明の他の実施例である固体酸化物形燃料電池発電システムの概略を示す全体構成図。

符号の説明

１００：燃料電池機器本体、２００：制御装置、３００：温度安定化制御器、５０：燃料流量指令器、１５０：給水流量指令器、２５０：空気流量指令器、２２：基準燃料流量指令器、２４：基準給水流量指令器、２６：基準空気流量指令器、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：燃焼室、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：目標出力設定器、２３：ブロア速度指令器、２５：ポンプ速度指令器、２７：弁開度指令器、２８：電力変換器制御器、２９：温度計、３０：乗算器、３７：温度計、３８：基準燃焼室温度設定器、４０：乗算器、４３：第１の燃料流量及び給水流量補正器、４４：第２の燃料流量及び給水流量補正器、４５：第１の空気流量補正器、４６：第２の空気流量補正器、４７：低値選択器、４８：高値選択器、５１：ゲイン乗算器、５２：ゲイン乗算器、５３：ゲイン乗算器、５４：加算器、５５：加算器、５６：加算器、６０：乗算器、

Claims (8)

1. 燃料と給水を供給して改質反応させ燃料を改質ガスに改質する改質器と、この改質器から改質ガスが供給されてセルの集合体を内部に備えた燃料電池と、この改質器に供給される燃料と給水の流量、及び燃料電池に供給される空気の流量をそれぞれ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であって、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器と、この目標出力指令値に基づいて前記改質器に供給する燃料流量を設定して指令する燃料流量指令器及び給水流量を設定して指令する給水流量指令器と、前記燃料電池に供給する空気流量を設定して指令する空気流量指令器とをそれぞれ備えており、前記燃料電池は燃料電池内部のセル温度を計測するセル温度計測器と燃料電池出口の燃焼室温度を計測する燃焼室温度計測器を備え、前記制御装置は前記セル温度計測器で計測したセル温度と前記燃焼室温度計測器で計測した燃焼室温度に基づいて前記燃料流量指令器から指令される改質器に供給する燃料流量の指令信号及び給水流量指令器から指令される改質器に供給する給水流量の指令信号を補正する燃料流量及び給水流量補正値を演算すると共に、前記燃料電池に供給される空気流量の指令信号を補正する空気流量補正値を演算する温度安定化制御器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. 請求項１に記載した固体酸化物形燃料電池発電システムにおいて、温度安定化制御器は、前記セル温度に基づいて前記燃料流量及び給水流量補正値を演算する第１の燃料流量及び給水流量補正器と空気流量補正値を演算する第１の空気流量補正器とを備えると共に、前記燃焼室温度に基づいて前記燃料流量及び給水流量補正値を演算する第２の燃料流量及び給水流量補正器と空気流量補正値を演算する第２の空気流量補正器とを備え、更に前記第１の燃料流量及び給水流量補正器及び第２の燃料流量及び給水流量補正器で演算した双方の燃料流量及び給水流量補正値のうち低値選択して最終的な燃料流量及び給水流量補正値を選択する低値選択器と、前記第１の空気流量補正器及び第２の空気流量補正器で演算した双方の空気流量補正値のうち高値選択して最終的な空気流量補正値を選択する高値選択器と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。
3. 燃料と給水を供給して改質反応させ燃料を改質ガスに改質する改質器と、この改質器から改質ガスが供給されてセルの集合体を内部に備えた燃料電池と、この改質器に供給される燃料と給水の流量、及び燃料電池に供給される空気の流量をそれぞれ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であって、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器と、この目標出力指令値に基づいて前記改質器に供給する燃料流量を設定して指令する燃料流量指令器及び給水流量を設定して指令する給水流量指令器と、前記燃料電池に供給する空気流量を設定して指令する空気流量指令器とをそれぞれ備えており、前記燃料電池は燃料電池内部のセル温度を計測するセル温度計測器と燃料電池出口の燃焼室温度を計測する燃焼室温度計測器を備え、前記制御装置は前記セル温度計測器で計測したセル温度と前記燃焼室温度計測器で計測した燃焼室温度に基づいて前記燃料流量指令器から指令される改質器に供給する燃料流量の指令信号を補正する燃料流量補正値を演算すると共に、前記燃料電池に供給される空気流量の指令信号を補正する空気流量補正値を演算する温度安定化制御器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。
4. 請求項３に記載した固体酸化物形燃料電池発電システムにおいて、温度安定化制御器は、前記セル温度に基づいて前記燃料流量補正値を演算する第１の燃料流量補正器と空気流量補正値を演算する第１の空気流量補正器とを備えると共に、前記燃焼室温度に基づいて前記燃料流量補正値を演算する第２の燃料流量補正器と空気流量補正値を演算する第２の空気流量補正器とを備え、更に前記第１の燃料流量補正器及び第２の燃料流量補正器で演算した双方の燃料流量補正値のうち低値選択して最終的な燃料流量及び給水流量補正値を選択する低値選択器と、前記第１の空気流量補正器及び第２の空気流量補正器で演算した双方の空気流量補正値のうち高値選択して最終的な空気流量補正値を選択する高値選択器と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. 燃料と給水を供給して改質反応させ燃料を改質ガスに改質する改質器と、この改質器から改質ガスが供給されてセルの集合体を内部に備えた燃料電池と、この改質器に供給される燃料と給水の流量及び燃料電池に供給される空気の流量をそれぞれ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であって、前記制御装置では該制御装置に備えた目標出力設定器によって燃料電池発電システムの目標出力指令値を発生させ、この目標出力指令値に基づいて該制御装置にそれぞれ備えた燃料流量指令器から前記改質器に供給する燃料流量を設定して指令させ、給水流量指令器から給水流量を設定して指令させ、空気流量指令器から前記燃料電池に供給する空気流量を設定して指令させるようにし、前記燃料電池にそれぞれ備えたセル温度計測器で燃料電池内部のセル温度を計測すると共に燃焼室温度計測器で燃料電池出口の燃焼室温度を計測し、そして前記制御装置に備えた温度安定化制御器によって前記セル温度と前記燃焼室温度に基づいて前記燃料流量指令器から指令される改質器に供給する燃料流量の指令信号及び給水流量指令器から指令される改質器に供給する給水流量の指令信号を補正する燃料流量及び給水流量補正値を演算すると共に、前記燃料電池に供給される空気流量の指令信号を補正する空気流量補正値を演算することによって、改質器に供給される燃料と給水の流量、及び燃料電池に供給される空気の流量をそれぞれ調整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. 請求項５に記載した固体酸化物形燃料電池発電システムの運転制御方法おいて、温度安定化制御器にそれぞれ備えた第１の燃料流量及び給水流量補正器によって前記セル温度に基づいて前記燃料流量及び給水流量補正値を演算すると共に、第１の空気流量補正器によって空気流量補正値を演算し、同様に前記温度安定化制御器にそれぞれ備えた第２の燃料流量及び給水流量補正器によって前記燃焼室温度に基づいて前記燃料流量及び給水流量補正値を演算すると共に、第２の空気流量補正器によって空気流量補正値を演算し、更に前記第１の燃料流量及び給水流量補正器及び第２の燃料流量及び給水流量補正器で演算した双方の燃料流量及び給水流量補正値のうち低値選択して最終的な燃料流量及び給水流量補正値を選択し、前記第１の空気流量補正器及び第２の空気流量補正器で演算した双方の空気流量補正値のうち高値選択して最終的な空気流量補正値を選択して、改質器に供給される燃料と給水の流量、及び燃料電池に供給される空気の流量をそれぞれ調整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。
7. 燃料と給水を供給して改質反応させ燃料を改質ガスに改質する改質器と、この改質器から改質ガスが供給されてセルの集合体を内部に備えた燃料電池と、この改質器に供給される燃料と給水の流量及び燃料電池に供給される空気の流量をそれぞれ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であって、前記制御装置では該制御装置に備えた目標出力設定器によって燃料電池発電システムの目標出力指令値を発生させ、この目標出力指令値に基づいて該制御装置にそれぞれ備えた燃料流量指令器から前記改質器に供給する燃料流量を設定して指令させ、給水流量指令器から給水流量を設定して指令させ、空気流量指令器から前記燃料電池に供給する空気流量を設定して指令させるようにし、前記燃料電池にそれぞれ備えたセル温度計測器で燃料電池内部のセル温度を計測すると共に燃焼室温度計測器で燃料電池出口の燃焼室温度を計測し、そして前記制御装置に備えた温度安定化制御器によって前記セル温度と前記燃焼室温度に基づいて前記燃料流量指令器から指令される改質器に供給する燃料流量の指令信号及び給水流量指令器から指令される改質器に供給する給水流量の指令信号を補正する燃料流量補正値を演算すると共に、前記燃料電池に供給される空気流量の指令信号を補正する空気流量補正値を演算することによって、改質器に供給される燃料と給水の流量、及び燃料電池に供給される空気の流量をそれぞれ調整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。
8. 請求項７に記載した固体酸化物形燃料電池発電システムの運転制御方法おいて、温度安定化制御器にそれぞれ備えた第１の燃料流量補正器によって前記セル温度に基づいて前記燃料流量補正値を演算すると共に、第１の空気流量補正器によって空気流量補正値を演算し、同様に前記温度安定化制御器にそれぞれ備えた第２の燃料流量補正器によって前記燃焼室温度に基づいて前記燃料流量補正値を演算すると共に、第２の空気流量補正器によって空気流量補正値を演算し、更に前記第１の燃料流量補正器及び第２の燃料流量補正器で演算した双方の燃料流量補正値のうち低値選択して最終的な燃料流量補正値を選択し、前記第１の空気流量補正器及び第２の空気流量補正器で演算した双方の空気流量補正値のうち高値選択して最終的な空気流量補正値を選択して、改質器に供給される燃料と給水の流量、及び燃料電池に供給される空気の流量をそれぞれ調整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。

Images