JP2838087B2 - 燃料電池発電システムの運転制御装置 - Google Patents

燃料電池発電システムの運転制御装置

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JP2838087B2
JP2838087B2 JP7174700A JP17470095A JP2838087B2 JP 2838087 B2 JP2838087 B2 JP 2838087B2 JP 7174700 A JP7174700 A JP 7174700A JP 17470095 A JP17470095 A JP 17470095A JP 2838087 B2 JP2838087 B2 JP 2838087B2
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淳 幹
浩明 鈴木
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は燃料電池発電システムに
係り、特に、燃料電池からの直流電力を交流電力に変換
して外部電気系統に出力する直交変換装置を備えた燃料
電池発電システムの運転制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】図5は、従来技術による燃料電池発電シ
ステムの運転制御装置を示したブロック図で、特開昭6
1−96674号公報に開示されたものである。図5に
示すように、燃料電池発電システムは、燃料電池3と、
炭化水素を改質して燃料ガスとして燃料電池3に供給す
る燃料改質装置1と、酸化ガスを燃料電池3に供給する
酸化ガス供給装置2と、燃料電池3の直流出力端に接続
された直交変換装置4とを備えている。
【0003】制御器5は、交流出力電力設定器6で設定
される直交変換装置4の交流出力電力設定値aと、交流
出力電力検出器7で検出された直交変換装置4の交流出
力電力値bとを入力し、両入力信号a,bの偏差を無く
すよう制御演算し、その制御演算信号cを直交変換装置
4に出力する。直交変換装置4は、制御演算信号cによ
り交流出力の位相・電圧が調整され、これによって直交
変換装置4からの交流出力電力が設定値通りに制御され
る。
【0004】制御器8は、直流出力電流検出器9で検出
された燃料電池3の直流出力電流値dを入力するととも
に、交流出力電力設定器6からの交流出力電力設定値a
と、交流出力電力検出器7からの交流出力電力値bと、
直流出力電力検出器10で検出された燃料電池3の直流
出力電力値eとを入力する。そして制御器8は、交流出
力電力設定値a、交流出力電力値bおよび直流出力電力
値eと各反応ガス利用率とから、燃料電池3に供給する
燃料ガス供給目標値と酸化ガス供給目標値を決定すると
ともに、燃料電池3から出力すべき直流出力電流目標値
を決定する。
【0005】常時、制御器8は、前記直流出力電流目標
値に見合う燃料ガスと酸化ガスの供給目標値を、信号
f,gとして燃料ガス調節器11および酸化ガス調節器
12にそれぞれ出力し、これを受けて、燃料ガス調節器
11は燃料改質装置1に操作信号hを出力し、酸化ガス
調節器12は酸化ガス供給装置2に操作信号iを出力す
る。
【0006】一方、交流出力電力設定値a、交流出力電
力値bまたは直流出力電力値eに急変があった場合は、
制御器8は、直ちに燃料ガス供給目標値と酸化ガス供給
目標値に見合う燃料ガスと酸化ガスの制御目標値を、信
号f,gとして燃料ガス調節器11および酸化ガス調節
器12に出力し、これを受けて燃料ガス調節器11は燃
料改質装置1に操作信号hを出力し、酸化ガス調節器1
2は酸化ガス供給装置2に操作信号iを出力する。そし
て、この状態で燃料電池3の直流出力電流値が直流出力
電流目標値と所定限度内で一致した後に、再び直流出力
電流目標値による制御が行われる。
【0007】図6は、従来技術による燃料電池発電シス
テムの運転制御装置の他の構成を示したブロック図であ
る。なお、図5と同一の符号は同一の装置あるいは機器
を示している。この従来例では、燃料電池3の直流出力
電力を設定するための直流出力電力設定器13が設けら
れている。
【0008】制御器5は、直流出力電力設定器13で設
定される燃料電池3の直流出力電力設定値jと、直流出
力電力検出器10で検出された燃料電池3の直流出力電
力値eを入力し、両入力信号e,jの偏差を無くすよう
制御演算し、その制御演算信号cを直交変換装置4に出
力する。直交変換装置4は、制御演算信号cにより交流
出力の位相・電圧が調整され、これによって直交変換装
置4の直流入力電力が設定値通りに制御される。
【0009】制御器8は、直流出力電流検出器9で検出
された燃料電池3の直流出力電流値dを入力するととも
に、直流出力電力設定器13からの直流出力電力設定値
jと、直流出力電力検出器10からの直流出力電力値e
とを入力する。そして制御器8は、直流出力電力設定値
jおよび直流出力電力値eと各反応ガス利用率とから、
燃料電池3に供給する燃料ガス供給目標値と酸化ガス供
給目標値を決定するとともに、燃料電池3から出力すべ
き直流出力電流目標値を決定する。
【0010】常時、制御器8は、前記直流出力電流目標
値に見合う燃料ガスと酸化ガスの制御目標値を、信号
f,gとして燃料ガス調節器11と酸化ガス調節器12
にそれぞれ出力し、これを受けて燃料ガス調節器11は
燃料改質装置1に操作信号hを出力し、酸化ガス調節器
12は酸化ガス供給装置2に操作信号iを出力する。
【0011】一方、直流出力電流設定値jまたは直流出
力電流値eに急変があった場合は、制御器8は、直ちに
燃料ガス供給目標値と酸化ガス供給目標値に見合う燃料
ガスと酸化ガスの制御目標値を、信号f,gとして燃料
ガス調節器11および酸化ガス調節器12にそれぞれ出
力し、これを受けて燃料ガス調節器11は燃料改質装置
1に操作信号hを出力し、酸化ガス調節器12は酸化ガ
ス供給装置2に操作信号iを出力する。そして、この状
態で燃料電池3の直流出力電流値が直流出力電流目標値
と所定限度内で一致した後に、再び直流出力電流目標値
による制御が行われる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の運転制御装置では、交流出力電力設定値aまたは直流
出力電力設定値jに従って直交変換装置の交流出力を制
御すると同時に、交流出力電力設定値a、直流出力電力
設定値j、交流出力電力値b、直流出力電力値eなどか
ら燃料電池に供給すべき燃料ガス供給目標値や酸化ガス
供給目標値を決定し、燃料ガスと酸化ガスの供給量を制
御するようにしている。
【0013】しかしながら、上記従来の方法では、電力
設定値または出力電力値から反応ガス(燃料ガス及び酸
化ガス)供給目標値を設定する基礎になる燃料電池性能
が特定の状態に固定されてしまうため次のような欠点が
ある。
【0014】すなわち、電力設定値一定状態で連続運転
しているとき、燃料電池性能劣化によって基礎の燃料電
池性能と偏差が生じた場合、反応ガス供給量を増加しな
ければならないが、電力設定値と反応ガス供給目標値の
相関関係が固定されているために反応ガス供給量は増加
しない。その結果、燃料電池性能の劣化により、本来必
要な反応ガス量が供給できず、燃料電池は所定値より高
い反応ガス利用率で運転継続することになり、燃料電池
の性能劣化を促進し寿命を短くするなどの問題が発生す
る。
【0015】本発明の目的は、燃料電池に性能変化が生
じた場合も反応ガスを過不足なく供給し、システムの長
寿命化を図ることができる燃料電池発電システムの運転
制御装置を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応によ
り発電する燃料電池と、該燃料電池に前記燃料ガスを供
給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池に前記酸化ガ
スを供給する酸化ガス供給手段と、前記燃料電池で発電
された直流出力を交流に変換し電力系統へ供給する直交
変換装置と、を備えた燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池の反応量を設定する反応量設定手段と、前
記燃料電池の反応量を検出する反応量検出手段と、前記
反応量設定手段で設定された設定値に基づいて、前記燃
料電池に供給される燃料ガスと酸化ガスの供給量目標値
を算出し、その供給量目標値を前記燃料ガス供給手段と
前記酸化ガス供給手段に出力することにより、前記燃料
ガスと酸化ガスの供給量を制御する反応ガス供給量制御
手段と、前記反応量設定手段で設定された設定値と前記
反応量検出手段で検出された検出値を入力するととも
に、前記設定値と検出値との偏差が無くなるよう制御演
算し、その演算結果を前記直交変換装置に出力すること
により、直交変換装置からの交流出力を制御する直交変
換装置制御手段と、を備えたことを特徴としている。
【0017】
【作用】燃料電池が所定のガス利用率で発電を行ってい
る場合、必要な反応ガスの量と燃料電池の直流出力電流
値は比例関係にある。このため、上記のように構成すれ
ば、燃料電池の直流出力電流に応じた反応ガス量を燃料
電池に供給することができ、更には、燃料電池へ供給さ
れる反応ガス量に応じた燃料電池の直流出力電流を得る
ことができる。そして、この関係は燃料電池の性能劣化
の影響を受けないので、燃料電池の電気化学反応に必要
な反応ガスを過不足無く供給でき、燃料電池の長寿命化
を図ることが可能となる。
【0018】
【実施例】以下に、本発明の実施例を説明する。 (第1実施例)図1は、本発明の第1実施例による燃料
電池発電システムの運転制御装置の概略構成を示してい
る。図1に示すように、燃料電池発電システムは、燃料
改質装置1、酸化ガス供給装置2、燃料電池3、直交変
換装置4とを備えている。
【0019】燃料電池発電システムに外部から供給され
る炭化水素は、燃料改質装置1において、水蒸気改質法
などで高水素濃度の燃料ガスとなり、燃料電池3の燃料
極3Aに供給される。また燃料電池発電システムに外部
から供給される酸化ガス(例えば空気)は、酸化ガス供
給装置2において、所定の圧力・温度に調整されてから
燃料電池3の空気極3Bに供給される。酸化ガス供給装
置2は酸化ガスを所定の圧力・温度に調整するために圧
縮機や予熱装置などを備えている。燃料電池3では、燃
料改質装置1からの燃料ガスと酸化ガス供給装置2から
の酸化ガスによって直流電力を発電する。この直流電力
は直交変換装置4に供給され、交流電力に変換して電力
系統に供給される。
【0020】本実施例の特徴は直流出力電流設定器20
が設けられていることである。直流出力電流設定器5か
ら出力される直流出力電流設定値kは、燃料ガスや酸化
ガスの供給制御系の追従速度を上廻る速度で変化しない
ように予め定めされている。制御器5は、燃料電池の反
応量設定器である直流出力電流設定器20からの直流出
力電流設定値kと、燃料電池の反応量検出器である直流
出力電流検出器9から直流出力電流値dを入力して制御
演算するとともに、その制御演算信号cにより直交変換
装置4が交流出力の位相・電圧を調整し、直流出力電流
設定値と直流出力電流値の偏差が無くなり、これによっ
て燃料電池3内部の電気化学反応量は設定値通りに制御
される。
【0021】制御器8は、直流出力電流設定器20から
直流出力電流設定値kを入力し、その直流出力電流設定
値kと所定の反応ガス利用率から、燃料電池3に供給す
る燃料ガス供給目標値と酸化ガス供給目標値を決定す
る。そして制御器8は、各供給目標値を、信号f,gと
して燃料ガス調節器11および酸化ガス調節器12にそ
れぞれ出力する。これを受けて、燃料ガス調節器11は
燃料改質装置1に対して操作信号hを出力し、酸化ガス
調節器12は酸化ガス供給装置2に対して操作信号iを
出力する。
【0022】なお、本実施例においては、燃料改質装置
1と燃料ガス調節器11は燃料ガス供給手段を、酸化ガ
ス供給装置2と酸化ガス調節器12は酸化ガス供給手段
を、直流出力電流設定器20は反応量設定手段を、直流
出力電流検出器9は反応量検出手段を、制御器8は反応
ガス供給量制御手段を、制御器5は直交変換装置制御手
段を各々構成している。
【0023】本実施例によれば、燃料電池の性能劣化の
影響に関係なく、燃料電池3の直流出力電流に応じた反
応ガス量を燃料電池3に過不足無く供給できるので、燃
料電池の長寿命化を図ることができる。
【0024】(第2実施例)図2は、本発明の第2実施
例による燃料電池発電システムの運転制御装置の概略構
成を示している。本実施例の特徴は、第1実施例の直流
出力電流設定器20に代えて、燃料電池の反応量設定器
として燃料電池の直流出力電流密度設定器21と変換器
22とが設けられていることである。直流出力電流密度
設定器21は直流出力電流密度設定値mを出力し、変換
器22はその電流密度設定値mを直流出力電流設定値n
に変換する。この場合、燃料電池3本体の電極面積は予
め決まっているので、変換器22は電流密度設定値mと
電極面積から燃料電池の直流出力電流設定値nを算出す
る。
【0025】また、本実施例では、第1実施例の直流出
力電流検出器9に代えて、燃料電池3の反応量検出器と
して、燃料電池の直流出力電力検出器10、直流出力電
圧検出器23および変換器24が設けられている。変換
器24は、直流出力電力検出器10からの直流出力電力
値eと直流出力電圧検出器23からの直流出力電圧値p
とから、燃料電池3の直流出力電流値を算出し信号qと
して制御器5に出力する。他の構成は図1の構成と同じ
である。
【0026】本実施例の場合も第1実施例と同様の効果
がある。また本実施例においては、直流出力電流密度設
定器21と変換器22は反応量設定手段を、直流出力電
力検出器10と直流出力電圧検出器23と変換器24は
反応量検出手段をそれぞれ構成している。なお、本実施
例でも、図1の直流出力電流検出器9を設け、直流出力
電流検出器9からの直流出力電流値dを制御器5に入力
させるようにしても良い。
【0027】(第3実施例)図3は、本発明の第3実施
例による燃料電池発電システムの運転制御装置の概略構
成を示している。本実施例の特徴は、第1実施例の直流
出力電流設定器20に代えて、燃料電池への反応ガスの
供給量を設定するための反応ガス供給量設定器25と変
換器26とが設けられていることである。反応ガス供給
量設定器25は反応ガス供給量設定値rを出力し、変換
器26はその反応ガス供給量設定値rを直流出力電流設
定値sに変換する。この場合、燃料電池3本体のガス利
用率は予め決まっているので、変換器26は反応ガス供
給量設定値rとガス利用率から燃料電池3の直流出力電
流設定値sを算出する。他の構成は第1実施例の構成と
同じである。
【0028】本実施例の場合も第1実施例と同様の効果
がある。また本実施例においては、反応ガス供給量設定
器25と変換器26は反応量設定手段を構成している。
なお、本実施例でも、図2のように直流出力電流検出器
9に代えて、直流出力電力検出器10、直流出力電圧検
出器23および変換器24を設け、直流出力電力値eと
直流出力電圧検出器23からの直流出力電圧値pを算出
し、変換器24から信号qを制御器5に出力するように
しても良い。
【0029】(第4実施例)図4は、本発明の第4実施
例による燃料電池発電システムの運転制御装置の概略構
成を示している。本実施例の特徴は、交流出力電力検出
器7と直流出力電圧検出器23と変換器27を設けたこ
とである。他の構成は第2実施例と同じである。第2実
施例では、直流出力電力検出器10からの直流出力電力
値eと直流出力電圧検出器23からの直流出力電圧値p
とから、燃料電池3の直流出力電流値を算出していた
が、本実施例では、直流出力電圧検出器23からの直流
出力電圧値pと交流出力電力検出器7からの交流出力電
力値bとから、燃料電池3の直流出力電流値を算出す
る。
【0030】すなわち、直交変換装置4に入力される直
流電力と直交変換装置4から出力される交流電力との間
には、 交流電力 = 直流電力 × 変換効率 の関係がある。
【0031】したがって、直交変換装置4の変換効率が
わかっていれば、交流出力電力検出器7で検出した交流
出力電力値bを上記式に代入することによって、直交変
換装置4に入力される直流電力すなわち燃料電池3から
の直流出力電力値が算出できる。そして変換器27で
は、その算出した直流出力電力値と、直流出力電圧検出
器23からの直流出力電圧値pとから、燃料電池3の直
流出力電流値を算出し、信号tとして制御器5に出力す
る。
【0032】本実施例の場合も第1実施例と同様の効果
がある。また本実施例においては、交流出力電力検出器
7と直流出力電圧検出器23と変換器27は反応量検出
手段を構成している。
【0033】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
燃料電池の電気化学反応量制御と電気化学反応に必要な
反応ガス供給量制御を同時に行うことによって、燃料電
池の性能変化に影響されず、適正な量の反応ガスを燃料
電池に対して供給することができるので、燃料電池の長
寿命化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本説明の第1実施例によるの燃料電池発電シス
テムの運転制御装置の概略構成図である。
【図2】本説明の第2実施例によるの燃料電池発電シス
テムの運転制御装置の概略構成図である。
【図3】本説明の第3実施例によるの燃料電池発電シス
テムの運転制御装置の概略構成図である。
【図4】本説明の第4実施例によるの燃料電池発電シス
テムの運転制御装置の概略構成図である。
【図5】従来技術によるの燃料電池発電システムの運転
制御装置の概略構成図である。
【図6】他の従来技術によるの燃料電池発電システムの
運転制御装置の概略構成図である。
【符号の説明】
1 燃料改質装置 2 酸化ガス供給装置 3 燃料電池 3A 燃料極 3B 空気極 4 直交変換装置 5,8 制御器 7 交流出力電力検出器 9 直流出力電流検出器 10 直流出力電力検出器 11 燃料ガス調節器 12 酸化ガス調節器 20 直流出力電流設定器 21 直流出力電流密度設定器 22,24,26,27 変換器 23 直流出力電圧検出器 25 反応ガス供給量設定器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加原 俊樹 茨城県日立市幸町三丁目1番1号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (56)参考文献 特開 昭61−284065(JP,A) 特開 昭61−51772(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01M 8/04 - 8/24

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応によ
    り発電する燃料電池と、該燃料電池に前記燃料ガスを供
    給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池に前記酸化ガ
    スを供給する酸化ガス供給手段と、前記燃料電池で発電
    された直流出力を交流に変換し外部電力系統へ供給する
    直交変換装置と、を備えた燃料電池発電システムにおい
    て、 前記燃料電池の反応量を設定する反応量設定手段と、 前記燃料電池の反応量を検出する反応量検出手段と、 前記反応量設定手段で設定された設定値に基づいて、前
    記燃料電池に供給される燃料ガスと酸化ガスの供給量目
    標値を算出し、その供給量目標値を前記燃料ガス供給手
    段と前記酸化ガス供給手段に出力することにより、前記
    燃料ガスと酸化ガスの供給量を制御する反応ガス(燃料
    ガスと酸化ガス)供給量制御手段と、 前記反応量設定手段で設定された設定値と前記反応量検
    出手段で検出された検出値を入力するとともに、前記設
    定値と検出値との偏差が無くなるよう制御演算し、その
    演算結果を前記直交変換装置に出力することにより、直
    交変換装置からの交流出力を制御する直交変換装置制御
    手段と、 を備えたことを特徴とする燃料電池発電システムの運転
    制御装置。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の燃料電池発電システムの
    運転制御装置において、 前記反応量設定手段は、前記燃料電池の直流出力電流を
    設定する直流出力電流設定器であることを特徴とする燃
    料電池発電システムの運転制御装置。
  3. 【請求項3】 請求項1記載の燃料電池発電システムの
    運転制御装置において、 前記反応量設定手段は、前記燃料電池の直流出力電流密
    度を設定する直流出力電流密度設定器と、その設定され
    た直流出力電流密度を直流出力電流に変換する変換器
    と、を含むことを特徴とする燃料電池発電システムの運
    転制御装置。
  4. 【請求項4】 請求項1記載の燃料電池発電システムの
    運転制御装置において、 前記反応量設定手段は、前記燃料電池へ供給される燃料
    ガスと酸化ガスの量を設定する反応ガス供給量設定器
    と、その設定された燃料ガスと酸化ガスの供給量並びに
    利用率から前記燃料電池の直流出力電流を算出する変換
    器と、を含むことを特徴とする燃料電池発電システムの
    運転制御装置。
  5. 【請求項5】 請求項1記載の燃料電池発電システムの
    運転制御装置において、 前記反応量検出手段は、前記燃料電池の直流出力電流を
    検出する直流出力電流検出器であることを特徴とする燃
    料電池発電システムの運転制御装置。
  6. 【請求項6】 請求項1記載の燃料電池発電システムの
    運転制御装置において、 前記反応量検出手段は、前記燃料電池の直流出力電力を
    検出する直流出力電力検出器と、前記燃料電池の直流出
    力電圧を検出する直流出力電圧検出器と、前記検出した
    直流出力電力と直流出力電圧とから前記燃料電池の直流
    出力電流を算出する変換器と、を含むことを特徴とする
    燃料電池発電システムの運転制御装置。
  7. 【請求項7】 請求項1記載の燃料電池発電システムの
    運転制御装置において、 前記反応量検出手段は、前記燃料電池の直流出力電圧を
    検出する直流出力電圧検出器と、前記直交変換装置の交
    流出力電力を検出する交流出力電力検出器と、前記交流
    出力電力検出器で検出した交流出力電力と前記直交変換
    装置の変換効率とから前記燃料電池の直流出力電力と求
    めるとともに、その求めた直流出力電力と前記直流出力
    電圧検出器で検出した直流出力電圧とから前記燃料電池
    の直流出力電流を算出する変換器と、を含むことを特徴
    とする燃料電池発電システムの運転制御装置。
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