JP2674867B2 - 燃料電池発電装置 - Google Patents
燃料電池発電装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、燃料電池発電装置の運転制御方式に関す
る。
る。
周知のように燃料電池発電装置は、燃料電池と、天然
ガスなどを原燃料として水素リッチなガスに改質して燃
料電池に供給する燃料処理装置と、酸化剤の空気を燃料
電池に供給する空気供給装置と、燃料電池の直流電気出
力を交流に交換して外部負荷に給電する電力変換装置
と、およびこれらを統括制御する制御装置とから構成さ
れている。
ガスなどを原燃料として水素リッチなガスに改質して燃
料電池に供給する燃料処理装置と、酸化剤の空気を燃料
電池に供給する空気供給装置と、燃料電池の直流電気出
力を交流に交換して外部負荷に給電する電力変換装置
と、およびこれらを統括制御する制御装置とから構成さ
れている。
そして、通常の負荷運転時には負荷の増減に対応して
制御装置より発電装置の系内各部に負荷設定値を与え、
これを基に電力変換装置の出力、並びに原燃料の流量，
改質用蒸気量，改質器の補助燃料流量，燃料電池入口の
反応ガス流量などが適正な関係を保つように制御してい
る。
制御装置より発電装置の系内各部に負荷設定値を与え、
これを基に電力変換装置の出力、並びに原燃料の流量，
改質用蒸気量，改質器の補助燃料流量，燃料電池入口の
反応ガス流量などが適正な関係を保つように制御してい
る。
この場合に、負荷上昇指令に対しては、電力変換装置
はミリセカンド以下の早い速度で応答するのに対して、
化学反応プラントである燃料処理装置は応答速度が遅
い。そこで通常は負荷変動に対して一般にフィードフォ
ワード制御を行って制御性の向上を図るようにしてい
る。
はミリセカンド以下の早い速度で応答するのに対して、
化学反応プラントである燃料処理装置は応答速度が遅
い。そこで通常は負荷変動に対して一般にフィードフォ
ワード制御を行って制御性の向上を図るようにしてい
る。
ところで、かかる燃料電池発電装置に対し電力制御で
負荷を上昇する場合には次記のような問題が生じる。
負荷を上昇する場合には次記のような問題が生じる。
すなわち、外部からの負荷上昇指令により、電力変換
装置，燃料処理装置，空気供給装置に目標電力に指令値
を設定して燃料電池発電装置をフィードフォワード制御
すると、前述のように反応ガス供給系は電気的な応答に
比べて遅れがあるため燃料電池への反応ガス供給が負荷
変動に瞬時に対応できず、さらに反応ガス供給系の不良
箇所，制御系の調整不良などがあると、燃料電池はに反
応ガス供給不足の運転状態になることがある。しかも燃
料電池にガス不足が一旦発生すると燃料電池の電池電圧
は低下するようになるために、電力変換装置では燃料電
池の出力電流を増加させて出力を負荷上昇に合わせよう
とする。
装置，燃料処理装置，空気供給装置に目標電力に指令値
を設定して燃料電池発電装置をフィードフォワード制御
すると、前述のように反応ガス供給系は電気的な応答に
比べて遅れがあるため燃料電池への反応ガス供給が負荷
変動に瞬時に対応できず、さらに反応ガス供給系の不良
箇所，制御系の調整不良などがあると、燃料電池はに反
応ガス供給不足の運転状態になることがある。しかも燃
料電池にガス不足が一旦発生すると燃料電池の電池電圧
は低下するようになるために、電力変換装置では燃料電
池の出力電流を増加させて出力を負荷上昇に合わせよう
とする。
ところで、燃料電池発電装置では、一般に燃料電池で
の反応ガス利用率について定格条件での水素利用率を80
％，酸素利用率を60％程度に設定し、燃料電池から出る
オフガスを燃料改質器のバーナに戻して触媒反応熱源に
利用するようにして運転制御を行っている。一方、燃料
電池での反応ガス消費量は電池の出力電流により決り、
出力電流の増加に対応して反応ガスの消費量も増大す
る。
の反応ガス利用率について定格条件での水素利用率を80
％，酸素利用率を60％程度に設定し、燃料電池から出る
オフガスを燃料改質器のバーナに戻して触媒反応熱源に
利用するようにして運転制御を行っている。一方、燃料
電池での反応ガス消費量は電池の出力電流により決り、
出力電流の増加に対応して反応ガスの消費量も増大す
る。
このために、先記のように負荷上昇時に反応ガス供給
の応答遅れがなどが原因で出力電流の増加が生じると、
燃料電池での反応ガス消費量が前記定格条件での反応ガ
ス利用率（水素利用率80％，酸素利用率60％）を超えて
燃料電池での反応ガス不足状態がますます助長され、遂
にはセルスタック内の一部の単位セル、特に反応ガス通
路の断面形状のバラツキなどでガスの流れにくい単位セ
ルから順次ガス欠の状態を引き起こすようになる。しか
もこのように燃料電池がガス欠運転になると、ガス欠の
発生した単位セルには局所加熱が生じるほか、電極間合
の差圧増大によりマトリクス層を通じて反応ガスの吹き
抜けが生じるなどして、これが基で電極などのセル構成
部材が損傷して遂には燃料電池の運転継続不能の事態に
まで進展するおそれがある。
の応答遅れがなどが原因で出力電流の増加が生じると、
燃料電池での反応ガス消費量が前記定格条件での反応ガ
ス利用率（水素利用率80％，酸素利用率60％）を超えて
燃料電池での反応ガス不足状態がますます助長され、遂
にはセルスタック内の一部の単位セル、特に反応ガス通
路の断面形状のバラツキなどでガスの流れにくい単位セ
ルから順次ガス欠の状態を引き起こすようになる。しか
もこのように燃料電池がガス欠運転になると、ガス欠の
発生した単位セルには局所加熱が生じるほか、電極間合
の差圧増大によりマトリクス層を通じて反応ガスの吹き
抜けが生じるなどして、これが基で電極などのセル構成
部材が損傷して遂には燃料電池の運転継続不能の事態に
まで進展するおそれがある。
本発明は上記の点にかんがみなされたものであり、負
荷運転中に反応ガスの供給不足となる異常運転状態が生
じた場合には、ガス欠運転の状態に進展する以前に燃料
電池発電装置を保護停止してセル損傷の発生を回避し、
以て燃料電池発電装置を安全に運転できるようにした燃
料電池発電装置の運転制御方式を提供することを目的と
する。
荷運転中に反応ガスの供給不足となる異常運転状態が生
じた場合には、ガス欠運転の状態に進展する以前に燃料
電池発電装置を保護停止してセル損傷の発生を回避し、
以て燃料電池発電装置を安全に運転できるようにした燃
料電池発電装置の運転制御方式を提供することを目的と
する。
上記課題を解決するために、本願発明は、燃料電池の
直流出力電流の検出値Ipが、下記式より算出される直流
出力電流制限値Imaxを超えた時に運転を保護停止するこ
ととし、 Imax＝ｋ×Fp×Umax/100 （ここで、ｋは、発電に寄与した反応ガス量を相当す
る電流に換算する係数であり、Umaxは、反応ガスの定格
利用率以上100％以下の範囲で予め設定された反応ガス
利用率上限値である。） また、上式のFpとしては、 反応ガス供給系の最大供給能力（流量） 各設定出力電力Ｐに対応して制御部が与える反応ガス
供給量の設定値を用いるものとする。
直流出力電流の検出値Ipが、下記式より算出される直流
出力電流制限値Imaxを超えた時に運転を保護停止するこ
ととし、 Imax＝ｋ×Fp×Umax/100 （ここで、ｋは、発電に寄与した反応ガス量を相当す
る電流に換算する係数であり、Umaxは、反応ガスの定格
利用率以上100％以下の範囲で予め設定された反応ガス
利用率上限値である。） また、上式のFpとしては、 反応ガス供給系の最大供給能力（流量） 各設定出力電力Ｐに対応して制御部が与える反応ガス
供給量の設定値を用いるものとする。
上記のように燃料電池の直流出力電流制限値を設定
し、運転中に燃料電池の出力側で検出した直流出力電流
が制限値を超えた条件で発電装置を保護停止することに
より、ガス欠状態を経てセル損傷に至る危険な運転を回
避して燃料電池を安全に保護できる。
し、運転中に燃料電池の出力側で検出した直流出力電流
が制限値を超えた条件で発電装置を保護停止することに
より、ガス欠状態を経てセル損傷に至る危険な運転を回
避して燃料電池を安全に保護できる。
以下本発明の実施例を図に基づいて説明する。まず、
第１図は燃料電池発電装置のプロセスフロー図であり、
天然ガスなどの原燃料は脱硫器１を経て改質器２に入
り、ここで水素リッチなガスに改質された後、高温Co変
成器3,低温Co変成器４を経由して燃料電池５の燃料極5a
に供給される。また、酸化剤の空気は改質器２からの排
ガスを利用して駆動されるターボコンプレッサ６を通じ
て燃料電池５の空気極5bに供給される。さらに燃料電池
５から出たオフガスは改質器２のバーナ2aに供給して改
質反応の熱源に消費される。一方、燃料電池５の直流電
気出力は電力変換装置７で交流に変換されて外部負荷８
に給電される。なお、９は燃料電池５の直流出力回路に
接続した電流計、10は改質器2,燃料電池５への改質蒸
気，電池冷却水を供給する水蒸気分離器である。
第１図は燃料電池発電装置のプロセスフロー図であり、
天然ガスなどの原燃料は脱硫器１を経て改質器２に入
り、ここで水素リッチなガスに改質された後、高温Co変
成器3,低温Co変成器４を経由して燃料電池５の燃料極5a
に供給される。また、酸化剤の空気は改質器２からの排
ガスを利用して駆動されるターボコンプレッサ６を通じ
て燃料電池５の空気極5bに供給される。さらに燃料電池
５から出たオフガスは改質器２のバーナ2aに供給して改
質反応の熱源に消費される。一方、燃料電池５の直流電
気出力は電力変換装置７で交流に変換されて外部負荷８
に給電される。なお、９は燃料電池５の直流出力回路に
接続した電流計、10は改質器2,燃料電池５への改質蒸
気，電池冷却水を供給する水蒸気分離器である。
第２図は燃料電池発電装置の制御系統図であり、制御
装置11は負荷指令に基づいて系内各部の負荷設定値を演
算し、各系に一括して設定信号を与えて運転制御する。
ここで、制御装置11は前記の制御機能のほかに次記のよ
うな保護制御機能を備えている。すなわち、燃料電池５
の直流出力電流に対してあらかじめ制限値を設定してお
き、電流計９で検出した電流が所定の制限値を超えた際
に制御装置11より各系に停止指令を出力して燃料電池発
電装置を保護停止させる。
装置11は負荷指令に基づいて系内各部の負荷設定値を演
算し、各系に一括して設定信号を与えて運転制御する。
ここで、制御装置11は前記の制御機能のほかに次記のよ
うな保護制御機能を備えている。すなわち、燃料電池５
の直流出力電流に対してあらかじめ制限値を設定してお
き、電流計９で検出した電流が所定の制限値を超えた際
に制御装置11より各系に停止指令を出力して燃料電池発
電装置を保護停止させる。
この場合に、燃料電池の直流出力電流に対する制限値
を燃料電池の反応ガス利用率上限値に関連付け、次記の
ように電流制限値を反応ガス利用率が定格条件での利用
率を超えた値に対応して設定するものとする。すなわ
ち、設定出力電力がＰである場合における直流出力電流
制限値Imaxは、次のように決められる。
を燃料電池の反応ガス利用率上限値に関連付け、次記の
ように電流制限値を反応ガス利用率が定格条件での利用
率を超えた値に対応して設定するものとする。すなわ
ち、設定出力電力がＰである場合における直流出力電流
制限値Imaxは、次のように決められる。
Imax＝ｋ×Fp×Umax/100 ここで、ｋは、発電に寄与した反応ガス量を相当する
電流に換算する係数であり、ｋ＝96500n/（セル数×360
0×22.4）である。
電流に換算する係数であり、ｋ＝96500n/（セル数×360
0×22.4）である。
［96500はファラデー定数（C/mol）、ｎはモル電気当量
で上式でFpとして水素流量（I/h）を用いるときｎ＝
２、酸素流量（I/h）を用いるときｎ＝４である。また3
600はsecからhourの換算係数、22.4は1mol当たりのガス
標準体積（1/mol）である。］ また、Umaxは、反応ガスの定格利用率（水素利用率80
％、酸素利用率60％）以上かつ100％以下の範囲で予め
設定された反応ガス利用率上限値である。
で上式でFpとして水素流量（I/h）を用いるときｎ＝
２、酸素流量（I/h）を用いるときｎ＝４である。また3
600はsecからhourの換算係数、22.4は1mol当たりのガス
標準体積（1/mol）である。］ また、Umaxは、反応ガスの定格利用率（水素利用率80
％、酸素利用率60％）以上かつ100％以下の範囲で予め
設定された反応ガス利用率上限値である。
そして、上式のFpとしては、 反応ガス供給系の最大供給能力（流量）の値を固定的
に用いる。
に用いる。
あるいは、 各設定出力電力Ｐに対応して制御部が与える反応ガス
供給量の設定値を用いる。
供給量の設定値を用いる。
第３図は、上式においてFpの値として特にの各設定
出力電力Ｐに対応して制御部が与える反応ガス供給量の
設定値を用いた場合の直流出力電流制限値（一点鎖線
Ｃ）、Ｐ−１特性（実線Ａ）、Ｉ−Ｖ特性（点線Ｂ）を
示したものである。例えば出力電力75％に対応する設定
出力電流値はＡ線上のａ点を通る垂線とＢ線との交点ｂ
であり、この設定出力電力に対する直流出力電流制限値
は点ａを通る水平線とＣ線との交点ｃで与えられる。な
お、直流出力電流制限値は設定出力電流値に近い値であ
るほどすなわち、点ｃを通る垂線と点ａ及び点ｂとの距
離が近くなるほど、言い換えれば、Imaxを算出する前述
の式においてUmaxの値を小さくするほど、燃料電池の保
護の面で安全であるが、両者の値が接近していると反応
ガス供給量の僅かな変動でも発電装置に保護停止がかか
るために運転が不安定となることから、多少の裕度を持
たせて選ぶのがよい。
出力電力Ｐに対応して制御部が与える反応ガス供給量の
設定値を用いた場合の直流出力電流制限値（一点鎖線
Ｃ）、Ｐ−１特性（実線Ａ）、Ｉ−Ｖ特性（点線Ｂ）を
示したものである。例えば出力電力75％に対応する設定
出力電流値はＡ線上のａ点を通る垂線とＢ線との交点ｂ
であり、この設定出力電力に対する直流出力電流制限値
は点ａを通る水平線とＣ線との交点ｃで与えられる。な
お、直流出力電流制限値は設定出力電流値に近い値であ
るほどすなわち、点ｃを通る垂線と点ａ及び点ｂとの距
離が近くなるほど、言い換えれば、Imaxを算出する前述
の式においてUmaxの値を小さくするほど、燃料電池の保
護の面で安全であるが、両者の値が接近していると反応
ガス供給量の僅かな変動でも発電装置に保護停止がかか
るために運転が不安定となることから、多少の裕度を持
たせて選ぶのがよい。
そして、負荷運転時には電流計９で検出した燃料電池
５の直流出力電流を制御装置11に取り込んで監視し、こ
こで直流出力電流が前記した直流出力電流制限値を超え
た際には異常運転と判断し、制御装置11より系内各部に
停止指令を出力して発電装置を保護停止する。なお、保
護停止後の処置としては、反応ガス供給系，制御系のハ
ード，ソフト面を点検してガス不足の発生原因となる異
常部分がないかを点検し、さらに必要により制御系を再
調整した上で運転を再開する。
５の直流出力電流を制御装置11に取り込んで監視し、こ
こで直流出力電流が前記した直流出力電流制限値を超え
た際には異常運転と判断し、制御装置11より系内各部に
停止指令を出力して発電装置を保護停止する。なお、保
護停止後の処置としては、反応ガス供給系，制御系のハ
ード，ソフト面を点検してガス不足の発生原因となる異
常部分がないかを点検し、さらに必要により制御系を再
調整した上で運転を再開する。
以上述べたように、本発明の運転制御方式は、燃料電
池の直流出力電流の検出値Ipが、下記式より算出される
直流出力電流制限値Imaxを超えた時に運転を保護停止す
ることとし、 Imax＝ｋ×Fp×Umax/100 （ここで、ｋは、発電に寄与した反応ガス量を相当す
る電流に換算する係数であり、Umaxは、反応ガスの定格
利用率以上100％以下の範囲で予め設定された反応ガス
利用率上限値である。） また、上式のFpとしては、 反応ガス供給系の最大供給能力（流量）あるいは、 各設定出力電力Ｐに対応して制御部が与える反応ガス
供給量の設定値を用いることとした。
池の直流出力電流の検出値Ipが、下記式より算出される
直流出力電流制限値Imaxを超えた時に運転を保護停止す
ることとし、 Imax＝ｋ×Fp×Umax/100 （ここで、ｋは、発電に寄与した反応ガス量を相当す
る電流に換算する係数であり、Umaxは、反応ガスの定格
利用率以上100％以下の範囲で予め設定された反応ガス
利用率上限値である。） また、上式のFpとしては、 反応ガス供給系の最大供給能力（流量）あるいは、 各設定出力電力Ｐに対応して制御部が与える反応ガス
供給量の設定値を用いることとした。
これにより、負荷運転中に反応ガスの供給不足となる異
常運転状態になった場合でも、燃料電池がガス欠状態に
至る以前に発電装置を保護停止して燃料電池のセル損傷
発生を未然に回避することができ、これにより燃料電池
発電装置の安全保護が図れる。
常運転状態になった場合でも、燃料電池がガス欠状態に
至る以前に発電装置を保護停止して燃料電池のセル損傷
発生を未然に回避することができ、これにより燃料電池
発電装置の安全保護が図れる。
第１図は燃料電池発電装置のプロセスフロー図、第２図
は本発明実施例の制御系統図、第３図は第２図における
燃料電池の直流出力電流制限値を表した特性図である。
図において、 2:改質器、5:燃料電池、6:空気供給用ターボコンプレッ
サ、7:電力変換装置、8:外部負荷、9:電流計、11:制御
装置。
は本発明実施例の制御系統図、第３図は第２図における
燃料電池の直流出力電流制限値を表した特性図である。
図において、 2:改質器、5:燃料電池、6:空気供給用ターボコンプレッ
サ、7:電力変換装置、8:外部負荷、9:電流計、11:制御
装置。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 原嶋 孝一 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−51060（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−51772（ＪＰ，Ａ)
Claims (2)
- 【請求項１】燃料電池、燃料処理装置および空気供給装
置、電力変換装置および制御装置からなる燃料電池発電
装置において、燃料電池の直流出力電流の検出値Ipが、
反応ガス供給系の最大供給能力Fp′を用いて下記式よ
り算出される直流出力電流制限値Imaxを超えた時に運転
を保護停止することを特徴とする燃料電池発電装置。 Imax＝ｋ×Fp′×Umax/100 … （ここで、ｋは、発電に寄与した反応ガス量を相当する
電流に換算する係数であり、Umaxは、反応ガスの定格利
用率以上100％以下の範囲で予め設定された反応ガス利
用率上限値である。） - 【請求項２】燃料電池、燃料処理装置および空気供給装
置、電力変換装置および制御装置からなる燃料電池発電
装置において、燃料電池の直流出力電流の検出値Ipが、
各設定出力電力Ｐに対応して制御部が与える反応ガス供
給量の設定値Fp″を用いて下記式より算出される直流
出力電流制限値Imaxを超えた時に運転を保護停止するこ
とを特徴とする燃料電池発電装置。 Imax＝ｋ×Fp″×Umax/100 … （ここで、ｋは、発電に寄与した反応ガス量を相当する
電流に換算する係数であり、Umaxは、反応ガスの定格利
用率以上100％以下の範囲で予め設定された反応ガス利
用率上限値である。）
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2170777A JP2674867B2 (ja) | 1990-06-28 | 1990-06-28 | 燃料電池発電装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2170777A JP2674867B2 (ja) | 1990-06-28 | 1990-06-28 | 燃料電池発電装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0461755A JPH0461755A (ja) | 1992-02-27 |
| JP2674867B2 true JP2674867B2 (ja) | 1997-11-12 |
Family
ID=15911185
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2170777A Expired - Fee Related JP2674867B2 (ja) | 1990-06-28 | 1990-06-28 | 燃料電池発電装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2674867B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2603043B2 (ja) * | 1993-08-04 | 1997-04-23 | 溶融炭酸塩型燃料電池発電システム技術研究組合 | 燃料電池発電プラントとその運転制御方法 |
| JP4788018B2 (ja) | 2000-06-08 | 2011-10-05 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池用燃料補給システムおよび移動体 |
| JP5077810B2 (ja) * | 2007-07-31 | 2012-11-21 | 東芝ホームテクノ株式会社 | 燃料電池装置 |
| JP5193722B2 (ja) * | 2008-07-25 | 2013-05-08 | 株式会社東芝 | 燃料電池発電システムおよびその故障原因推定方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6151772A (ja) * | 1984-08-18 | 1986-03-14 | Mitsubishi Electric Corp | 燃料電池発電装置の流量制御装置 |
| JPS6351060A (ja) * | 1986-08-20 | 1988-03-04 | Hitachi Ltd | 燃料電池発電システム |
-
1990
- 1990-06-28 JP JP2170777A patent/JP2674867B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0461755A (ja) | 1992-02-27 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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