JP2018006004A - 燃料電池の制御装置及び制御方法並びに発電システム - Google Patents
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Description
また、特許文献2には、SOFCからMGTの燃焼器に排燃料ガスを供給する排燃料ガス供給ラインと、排燃料ガス供給ラインから分岐してSOFCに排燃料ガスを流通させる再循環ラインと、排燃料ガス供給ラインの経路上に設けられる流量調整弁とを具備し、SOFCとMGTとの連携運転状態に応じて、流量調整弁の開度に対するゲインを調整することが開示されている。
また、特許文献3には、SOFCの起動時に、可燃性燃料ガスを添加した酸化剤を発電室の空気極に供給し、添加した可燃性燃料ガスによる触媒燃焼によって発生する熱を利用して発電室を昇温することが開示されている。
また、特許文献4には、SOFCの負荷上昇時において、定格電流値到達までの負荷上昇時の電流値毎に、燃料利用率及び発電セルの最低温度の閾値を設定し、各々の電流値に到達した際に、発電セルの温度が各々の電流値に対応する閾値に到達したか否かを判定し、温度が閾値に到達していない発電セルがあった場合に、負荷上昇を停止して一定時間保持し、これにより、発電セルの温度が全て閾値に到達した場合に負荷上昇を再開する燃料電池の運転方法が開示されている。
また、負荷上昇時におけるオーバーシュートを抑制するために、各操作量を緩やかに変化させたり、各操作を順次操作して各制御量が安定してから次の操作を実施させた場合には、制御量が目標値に到達するまでに相当な時間を要する。
また、供給停止温度は、出力電流指令を設定する際に使用される所定の電流変化率、目標負荷に対応する出力電流指令、及び出力電流指令の変化幅の少なくともいずれか一つに応じて設定されるので、負荷上昇の様子に応じて適切な温度に供給停止温度を設定することが可能となる。ここで、電流変化率とは時間当たりの電流変化量の勾配を示し、変化幅は出力電流指令での電流値の上昇幅を示す。
また、上記燃料電池の制御装置において、前記第2電流変化率はゼロに設定されていてもよい。
まず、本発明の一実施形態に係る発電システムの概略構成について説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る発電システム10の概略構成を示した概略構成図である。図1に示すように、発電システム10は、マイクロガスタービン(以下「MGT」という。)11、発電機12、及びSOFC13を備えている。この発電システム10は、MGT11による発電と、SOFC13による発電とを組み合わせることで、高い発電効率を得るように構成されている。
燃焼器22には、第1空気供給ライン26を介して圧縮機21からの圧縮空気(以下、単に「空気」という。)A1が供給されるとともに、第1燃料ガス供給ライン27を介して燃料ガスL1が供給される。第1空気供給ライン26には、燃焼器22へ供給する空気量を調整するための制御弁65が設けられ、第1燃料ガス供給ライン27には、燃焼器22へ供給する燃料ガス流量を調整するための制御弁70が設けられている。更に、燃焼器22には、後述するSOFC13の燃料ガス再循環ライン49を循環する排燃料ガスL3の一部が排燃料ガス供給ライン45を通じて供給される。排燃料ガス供給ライン45には、燃焼器22に供給する排燃料ガス量を調整するための制御弁47が設けられている。更に、燃焼器22には、後述する排空気供給ライン36を通じてSOFC13の空気極13Bで用いられた排空気A2の一部が供給される。
SOFC13は、空気極13Bに酸化剤ガスが供給され、燃料極13Aに燃料ガスが供給されることで発電する。酸化剤ガスは、例えば、酸素を略15%から30%含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である。本実施形態では、SOFC13に供給される酸化剤ガスとして、圧縮機21によって圧縮された空気Aの少なくとも一部を採用する場合を例示して説明する。
SOFC13に供給される空気A1の温度は、SOFC13を構成するSOFCカートリッジ203に空気A1を導入する空気供給部や空気供給枝管をはじめSOFCカートリッジ203の構成材料に損傷を与えないよう温度の上限が制限されている。
また、排空気排出ライン34には、外部へ排出する排空気量を調整するための制御弁(もしくは遮断弁)37が設けられている。
次に、図2から図4を参照してSOFC13の構成について説明する。
まず、本実施形態に係るSOFC複合発電システム(燃料電池複合発電システム)のSOFCに用いる円筒形セルスタックについて図2を参照して説明する。図2は、本実施形態に係るセルスタック101の一態様を示した図である。セルスタック101は、円筒形状の基体管103と、基体管103の外周面に複数形成された燃料電池セル105と、隣り合う燃料電池セル105の間に形成されたインターコネクタ107とを備える。燃料電池セル105は、燃料極13Aと固体電解質111と空気極13Bとが積層して形成されている。また、セルスタック101は、基体管103の外周面に形成された複数の燃料電池セル105の内、基体管103の長手軸方向において最も端の一端に形成された燃料電池セル105の空気極13Bに、インターコネクタ107を介して電気的に接続されたリード膜115を備え、最も端の他端に形成された燃料電池セル105の燃料極109に電気的に接続されたリード膜(不図示)を備える。
さらに、SOFC13には、燃料極13Aと空気極13Bとの差圧を計測する差圧センサ90(図1参照)等の各種センサが設けられている。SOFC13の各部位に設けられた各種センサ90、92の計測値は、制御装置60に送信される。
次に、上記構成を備える発電システム10において、制御装置60によって実行される制御について簡単に説明する。
制御装置60は、例えば、コンピュータやシーケンサーであり、CPUと、CPUが実行するプログラム等を記憶するためのROM(Read Only Memory)と、各プログラム実行時のワーク領域として機能するRAM(Random Access Memory)等を備えている。後述の各種機能を実現するための一連の処理の過程は、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをCPUがRAM等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、後述の各種機能が実現される。
第2昇温モードにおいて、SOFC制御装置60aは、発電室温度の温度変化率が上限値を超えないように、燃料ガスL2の流量を制御する。また、SOFC制御装置60aは、発電室温度に応じて、バイパスライン62の制御弁66によりSOFC13の空気極13Bへ供給する空気A1の入口空気温度を制御する。
SOFC制御装置60aは、発電室温度が第2温度閾値Tth2に到達すると、第2昇温モードから負荷上昇モードに切り替える。
負荷上昇モードにおいて、発電室温度が発電室目標温度Ttagに到達し、負荷が定格負荷などの目標負荷に到達すると、起動完了となる。発電室目標温度TtagはSOFC13が発電による発熱による自己発熱で温度が維持できる温度以上であり、例えば800〜950℃で設定される。
図6に示すように、SOFC制御装置60aは、負荷上昇制御部4と、温度上昇制御部5とを備えている。
具体的には、出力電流指令設定部52は、出力電流指令が電流閾値以下の電流範囲では、第1電流変化率(例えば、定格電流の5%/min)で出力電流指令を設定し、出力電流指令が電流閾値に到達した場合に、ゼロ以上、かつ、第1電流変化率よりも小さな値に設定されている第2電流変化率(例えば、定格電流の0%(0A)/min)を用いて出力電流指令を設定し、更に、出力電流指令が電流閾値に到達してから所定期間経過した後においては、第2電流変化率よりも大きい値に設定されている第3電流変化率(例えば、定格電流の0.5%/min)を用いて出力電流指令を設定する。
また、所定期間は、第1電流変化率で出力電流指令を設定した場合の発電室温度の応答遅れに応じて設定される。
入口空気温度設定部53bは、例えば、図11に示すように、出力電流指令とSOFC13の空気極13Bへの入口空気温度とが関連付けられた入口空気温度情報を有しており、入口空気温度情報から出力電流指令に対応する入口空気温度を取得し、取得した入口空気温度を入口空気温度指令として設定する。
MGT出力設定部53cは、例えば、図12に示すように、出力電流指令とMGT出力とが関連付けられたMGT出力情報を有しており、MGT出力情報から出力電流指令に対応するMGT出力を取得し、取得したMGT出力をMGT出力指令として設定する。ここで、MGT出力情報は、MGT11の圧縮機21に吸気する外気温度に応じてそれぞれ設定されていてもよい。外気温度は例えば外気温度センサ94により計測される。例えば、MGT出力情報は、吸気する外気温度の低下に伴って、同じ出力電流指令に対するMGT出力が高くなるように設定される。これは、外気温度が低いほど、圧縮機21で送風する空気Aの流量が増加し、燃焼器22からの燃焼ガスGの流量が増加させることが可能だからである。
再循環流量設定部53eは、例えば、図14に示すように、出力電流指令とブロワ回転数とが関連付けられた回転数情報を有しており、ブロワ回転数により燃料ガス再循環ライン49の排燃料ガスL3の一部を再循環させる流量を制御する。回転数情報から出力電流指令に対応するブロワ回転数を取得し、取得したブロワ回転数をブロワ回転数指令として設定する。ここで、回転数情報は、MGTの吸気する外気温度に応じて設定されていてもよい。例えば、図8のように外気温度によりSOFC目標負荷が変わる。外気温度が低くなるとSOFC目標負荷が上昇するので、SOFCへ供給する空気流量が増加し系内圧力が上昇する。それにより再循環ガス密度が上昇するので、外気温度が低い時は、外気温度が高い時と同じ再循環流量とするために必要なブロワ回転数は低くなるよう設定する。
第1燃料ガス流量制御部54aは、第1燃料ガス流量設定部53aからの第1燃料ガス流量指令に基づいて制御弁42の弁開度を制御することにより、燃料極13Aに供給する燃料ガス量を調整する。
入口空気温度制御部54bは、入口空気温度設定部53bからの入口空気温度指令に基づいて制御弁64、66の弁開度を調整することにより、空気極13Bに供給される空気A1の入口温度を制御する。
MGT出力制御部54cは、MGT出力設定部53cからのMGT出力指令に基づいて、主に制御弁65及び制御弁70の弁開度を調整することにより、MGT出力を制御する。
再循環流量制御部54eは、再循環流量設定部53eからのブロワ回転数指令に基づいて再循環ブロワ50の回転数を制御することにより、燃料極13Aに供給する排燃料ガス量を制御する。
純水流量制御部54fは、純水流量設定部53fからの純水流量指令に基づいてポンプ48の吐出流量を調整することにより、燃料極13Aに供給する純水量を制御する。
温度上昇制御部5は、図18に示すように、空気極13B側に供給する空気(酸化剤ガス)A1の流量を制御する空気制御部14と、空気極13B側に供給する燃料ガスL2(可燃性ガス)の流量を制御する燃料ガス制御部15とを備えている。
燃料ガス制御部15は、温度センサ92の計測温度から発電室温度を特定し、発電室温度が上述の第1温度閾値Tth1に到達した場合に、空気極13Bへの燃料ガスL2の供給を開始する。
発電室温度特定部16は、SOFCカートリッジ203内に備えられた温度センサ92によって計測された複数の温度計測値のうちの最高温度を発電室温度として特定する。なお、本実施形態においては、SOFC13には温度分布があることから、一部の温度が上限温度を越えないようにするために、温度センサ92によって計測された複数の計測温度のうちの最大値を発電室温度として特定するが、これに限定されず、例えば、複数の温度計測値の平均値、あるいは、その他の統計手法を用いて複数の温度計測値から発電室温度を特定することとしてもよい。
図20に示すように、目標負荷に対応する出力電流指令が第1閾値(例えば、第1閾値は、定格電流の25%以上40%以下の電流範囲の値に設定されている)以下の場合には(ステップSB1において「NO」)、SOFCの発電による発熱が小さく、発電室温度がオーバーシュートするおそれが小さいため、供給停止温度Tstopは第1温度(例えば、発電室目標温度Ttagの96%)に設定される(ステップSB2)。一方、目標負荷に対応する出力電流指令が第1閾値よりも大きい場合には(ステップSB1において「YES」)、続いて、電流上昇幅が第2閾値(例えば、第2閾値は、定格電流の50%以上65%以下の電流範囲の値に設定されている)よりも大きいか否かを判定する(ステップSB3)。ここで、電流上昇幅とは、現在の出力電流値と目標負荷に対応する出力電流指令との差分であり、例えば、現在の出力電流値が0Aの場合には、出力電流指令と電流上昇幅とは同じ値をとることとなる。
なお、上述した供給停止温度Tstopの設定については、例えば、SOFC13の起動開始時、換言すると、上述した第1昇温モードが開始される前に、図20に示した処理を1回実行し、供給停止温度Tstopを設定することとしてもよい。また、出力電流指令は所定の繰り返し時間間隔で設定されるため、再設定された出力電流指令、電流上昇幅、電流変化率によってTstopの再設定を行ってもよい。
また、供給停止温度Tstopは、出力電流指令を設定する際に使用される第1電流変化率、出力電流指令、およびその変化幅に応じて設定されるので、負荷上昇の様子に応じて適切な温度に供給停止温度Tstopを設定することが可能となる。
なお、本実施形態においては、負荷上昇制御部4による電流変化率の切り替えと、温度上昇制御部5による供給停止温度Tstopにおける燃料ガスL2の供給停止の両方を実施する場合について説明したが、いずれか一方の制御を実施することとしてもよい。例えば、負荷上昇制御部4による電流変化率の切り替えを行う場合には、温度上昇制御部5は、供給停止温度Tstopで燃料ガスL2の供給を停止することなく、発電室温度が発電室目標温度Ttagに到達するまで図19に示した第2燃料ガス情報に基づいて燃料ガスL2の供給を継続して行うこととしてもよい。
5 :温度上昇制御部
10 :発電システム
11 :MGT(マイクロガスタービン)
12 :発電機
13A :燃料極
13B :空気極
14 :空気制御部
15 :燃料ガス制御部
16 :発電室温度特定部
17 :第2燃料ガス流量設定部
18 :第2燃料ガス流量制御部
51 :目標負荷設定部
52 :出力電流指令設定部
53 :制御指令設定部
53a :第1燃料ガス流量設定部
53b :入口空気温度設定部
53c :MGT出力設定部
53d :差圧設定部
53e :再循環流量設定部
53f :純水流量設定部
54 :制御部
54a :第1燃料ガス流量制御部
54b :入口空気温度制御部
54c :MGT出力制御部
54d :差圧制御部
54e :再循環流量制御部
54f :純水流量制御部
60 :制御装置
60a :SOFC制御装置
60b :MGT制御装置
90 :差圧センサ
92 :温度センサ
94 :外気温度センサ
105 :燃料電池セル
111 :固体電解質
201 :SOFCモジュール
203 :SOFCカートリッジ
215 :発電室
Claims (14)
- 燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の燃料電池セルが配置された発電室を備える燃料電池の制御装置であって、
目標負荷を設定する目標負荷設定部と、
所定の電流変化率を用いて、前記目標負荷から前記燃料電池の出力電流指令を設定する出力電流指令設定部と、
前記出力電流指令を用いて、前記燃料電池の負荷を変化させるための複数の制御系への制御指令を設定する制御指令設定部と、
発電室温度が予め設定された第1温度閾値に到達した場合に、前記空気極への可燃性ガスの供給を開始し、前記発電室温度が前記第1温度閾値よりも大きく発電室目標温度以下に設定された供給停止温度に到達したときに前記空気極への前記可燃性ガスの供給を停止する可燃性ガス流量制御部と
を備え、
前記供給停止温度は、前記所定の電流変化率、前記目標負荷に対応する出力電流指令、及び前記出力電流指令の変化幅の少なくともいずれか一つに応じて設定される燃料電池の制御装置。 - 燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の燃料電池セルが配置された発電室を備える燃料電池の制御装置であって、
目標負荷を設定する目標負荷設定部と、
所定の第1電流変化率を用いて、前記目標負荷から前記燃料電池の出力電流指令を設定する出力電流指令設定部と、
前記出力電流指令設定部によって設定された出力電流指令を用いて、前記燃料電池の負荷を変化させるための複数の制御系への制御指令を設定する制御指令設定部と、
を備え、
前記出力電流指令設定部は、前記出力電流指令が前記目標負荷に対応する目標出力電流以下に設定された電流閾値に到達した場合、または、発電室温度が発電室目標温度以下に設定された所定の温度閾値に到達した場合に、前記第1電流変化率よりも小さな値に設定された第2電流変化率を用いて前記出力電流指令を設定し、
前記電流閾値または前記温度閾値は、前記第1電流変化率に応じて設定される燃料電池の制御装置。 - 前記出力電流指令設定部は、前記出力電流指令が前記電流閾値に達してから所定時間経過した場合、または、前記発電室温度が前記温度閾値に達してから所定時間経過した場合に、前記第2電流変化率よりも大きく設定された第3電流変化率を用いて前記出力電流指令を設定する請求項2に記載の燃料電池の制御装置。
- 前記第2電流変化率はゼロに設定されている請求項2または請求項3に記載の燃料電池の制御装置。
- 前記目標負荷設定部は、前記燃料電池の周囲の外気温度から前記燃料電池の目標負荷を設定する請求項2から請求項4のいずれかに記載の燃料電池の制御装置。
- 前記発電室温度が予め設定された第1温度閾値に到達した場合に、前記空気極への可燃性ガスの供給を開始し、前記発電室温度が前記第1温度閾値よりも大きく発電室目標温度以下に設定された供給停止温度に到達したときに前記空気極への前記可燃性ガスの供給を停止する可燃性ガス流量制御部を備え、
前記供給停止温度は、前記所定の電流変化率、前記目標負荷に対応する出力電流指令、及び前記出力電流指令の変化幅の少なくともいずれか一つに応じて設定される請求項2から請求項5のいずれかに記載の燃料電池の制御装置。 - 前記供給停止温度は、前記所定の変化率、前記出力電流指令の変化幅、または前記出力電流指令が大きいほど、低い値に設定される請求項1または請求項6に記載の燃料電池の制御装置。
- 前記目標負荷設定部は、前記燃料電池の周囲の外気温度から前記燃料電池の目標負荷を設定する請求項1に記載の燃料電池の制御装置。
- 前記複数の制御系は、燃料極への燃料ガス供給流量、燃料電池空気極入口温度、マイクロガスタービン出力、前記燃料極と前記空気極との差圧、再循環ブロワ回転数、及び純水流量のうち2つ以上を含む請求項1から請求項8のいずれかに記載の燃料電池の制御装置。
- 前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池である請求項1から請求項9のいずれかに記載の燃料電池の制御装置。
- 燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の燃料電池セルが配置された発電室を備える燃料電池と、
請求項1から請求項10のいずれかに記載の燃料電池の制御装置を備える発電システム。 - 前記発電室の中央領域に設けられた複数の温度計測部を備え、
前記温度計測部によって計測された複数の計測温度のうちの最高温度が前記発電室温度として用いられる請求項11に記載の発電システム。 - 燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の発電セルが配置された発電室を備える燃料電池の制御方法であって、
前記発電室内に設けられた所定の測定点の温度を計測する温度計測工程と、
目標負荷を設定する目標負荷設定工程と、
所定の変化率を用いて、前記目標負荷から前記燃料電池の出力電流指令を設定する電流指令設定工程と、
前記出力電流指令を用いて、前記燃料電池の負荷を変化させるための複数の制御系への制御指令を設定する制御指令設定工程と、
前記温度計測工程で計測された計測温度から特定される発電室温度が予め設定された第1温度閾値に到達した場合に、前記空気極に可燃性ガスを供給する供給開始工程と、
前記発電室温度が前記第1温度閾値よりも大きく発電室目標温度以下に設定された供給停止温度に到達したときに前記空気極への前記可燃性ガスの供給を停止する供給停止工程と
を備え、
前記供給停止温度は、前記所定の電流変化率、前記目標負荷に対応する出力電流指令、及び前記出力電流指令の変化幅の少なくともいずれか一つに応じて設定される燃料電池の制御方法。 - 燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の発電セルが配置された発電室を備える燃料電池の制御方法であって、
前記発電室内に設けられた所定の測定点の温度を計測する温度計測工程と、
目標負荷を設定する目標負荷設定工程と、
所定の第1電流変化率を用いて、前記目標負荷から前記燃料電池の出力電流指令を設定する出力電流指令設定工程と、
前記出力電流指令を用いて、前記燃料電池の負荷を変化させるための複数の制御系への制御指令を設定する制御指令設定工程と、
を備え、
前記出力電流指令設定工程は、前記出力電流指令が前記目標負荷に対応する目標出力電流以下に設定された電流閾値に到達した場合、または、発電室温度が発電室目標温度以下に設定された所定の温度閾値に到達した場合に、前記第1電流変化率よりも小さな値に設定された第2電流変化率を用いて前記出力電流指令を設定し、
前記電流閾値または前記温度閾値は、前記第1電流変化率に応じて設定される燃料電池の制御方法。
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