JP2924673B2 - 燃料電池発電システムの運転制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は燃料電池発電システム
の交流出力変更に係わる運転制御方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】図１４は、例えば特開昭６３−２６４８
７６号公報に記載された燃料電池発電システムを示す概
略線図であり、図において、１は電池本体で、燃料電極
１ａと酸化剤電極１ｂを有する単電池が複数個積層され
て形成されている。２は燃料ガス給排気系で、燃料供給
ライン２ａとガス排出ライン２ｂを有する。３は酸化剤
給排気系で、酸化剤供給ライン３ａと酸化剤排出ライン
３ｂを有する。４ａ，４ｂはこれらの給排気系ガス流量
を制御する調節弁、５ａ，５ｂはガス流量を測定する流
量発信器、６は電池本体１の出力電流を測定する電流検
出器、７は流量発信器５ａ，５ｂと電流検出器６の信号
により出力電流に見合うガス量を演算し、調節弁４ａ，
４ｂによりガス量を制御する流量制御器、８は直流出力
を制御する電力制御器、１０は直流電圧検出器１０ａ，
１０ｂと比較演算器１０ｃを有する電池本体１の電圧検
出装置、１１は電池本体１の直流出力を制限する直流電
流低減装置である。

【０００３】次に動作について説明する。燃料電池の発
電原理については一般に説明されているので省略する。
燃料電池の最大直流出力は、供給される燃料ガス流量及
び酸化剤流量により決まっており、そして燃料電池を安
定に運転させるための流量は、ある程度過剰な流量を供
給するのが普通である。この過剰率を利用率と呼び、次
式で表される。 利用率＝（燃料電池出力に電気化学的に当量のガス流量
÷供給されたガス流量）×１００ （％）

【０００４】一般にこの利用率は、電池出力により適切
な運転上の値が定められており、交流出力を取り出す場
合には、直流交流変換装置（逆変換装置）の設定により
運転時の値が定められる。電池本体１に供給する燃料ガ
ス流量，酸化剤（空気）流量は、このように負荷により
定められた利用率と電池の直流出力により求まる量によ
り決定される流量に制御され、燃料電池が一定の利用率
以上の運転にならないように制御される。利用率が一定
値以上になった場合には電池の出力を強制的に取り出そ
うとするため、電流が増加し電圧が低下する。このため
交流出力（負荷）を変化させる場合、利用率が一定値以
上になった時に、電池本体１の電圧検出装置１０の値に
より直流電流低減装置１１を作動させ、電池の負荷を制
限して電池の劣化を防いでいる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように燃料電池の
負荷増大変化に対して電流を制限しているが、実際の運
転では、交流負荷は直流交流変換装置の設定により直流
負荷が決定され、電流のみを制限することは交流出力電
圧を低下させることになる。また、電圧の低下が検出さ
れてから負荷を制御する事は一時的にも電池に対して悪
影響を及ぼし、利用率が一定値（電圧が低下しない値）
を超える以前に処置を行う必要がある。さらに、この制
限方法は電池に対してのみ保護がなされており、実運転
では電池本体１で消費されない燃料ガスは、燃料改質装
置（ここでは説明せず）の燃焼燃料として利用されるた
め、負荷変化時の燃料利用率の変化、特に低下（燃料ガ
スの余剰率大）も改質装置に悪影響を及ぼし、このた
め、利用率は一定の範囲内に制御する必要がある。

【０００６】このように従来の制御方法では、システム
として安定運転を行うための制御が行われず、制御動作
として不完全であった。この発明は上記のような課題を
解決するためになされたものであり、負荷変化時の燃料
電池発電システムを設定上限の利用率以下又は設定下限
の利用率以上で運転でき、電池本体、改質装置を安定に
動かすことができる制御方法を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明の請求項１に係
わる燃料電池発電システムの運転制御方法は、交流出力
増加（又は減少）の際に燃料利用率が設定値より高く
（又は低く）なった場合に、交流出力指令値に基づく交
流出力の増加（又は減少）を一旦停止しその値を保持す
ることにより、燃料利用率が設定値以上（又は以下）に
ならないように制御するものである。

【０００８】この発明の請求項２に係わる燃料電池発電
システムの運転制御方法は、交流出力増加（又は減少）
の際に酸化剤利用率が設定値より高く（又は低く）なっ
た場合に、交流出力指令値に基づく交流出力の増加（又
は減少）を一旦停止しその値を保持することにより、酸
化剤利用率が設定値以上（又は以下）にならないように
制御するものである。

【０００９】この発明の請求項３に係わる燃料電池発電
システムの運転制御方法は、原燃料流量と水蒸気流量が
制御されて供給され、これらを改質して燃料ガスを得る
改質装置、燃料流量と酸化剤流量が制御されて供給さ
れ、これらの流量をもとに発電する電池本体と、この電
池本体の電気出力を、交流出力指令値に基づいて設定さ
れた交流出力に変換する逆変換装置と、上記交流出力指
令値に基づく流量指令値に、上記燃料流量と酸化剤流量
を制御すると共に、上記水蒸気流量と上記原燃料流量の
比（Ｓ／Ｃ）を測定算出する流量制御器とを備え、発電
された直流出力より所望の交流出力を得るものにおい
て、交流出力増加（又は減少）の際に、上記Ｓ／Ｃが設
定値より低くなった場合に、原燃料流量指令値の増加
（又は減少）を一旦停止しその値を保持することによ
り、上記Ｓ／Ｃが設定値以下にならないように制御する
ものである。

【００１０】

【作用】この発明の請求項１における燃料電池発電シス
テムの運転制御方法は、交流出力増加（又は減少）の際
に上記燃料利用率が設定値より高く（又は低く）なった
場合に、上記交流出力指令値に基づく交流出力の増加
（又は減少）を一旦停止しその値を保持する。そのた
め、本来であれば、燃料利用率が設定値上限以上（又は
設定値下限以下）になるところを、一旦停止し、回復を
待って、再び交流出力指令値の増加（又は減少）を開始
するので、燃料利用率が設定値以上（又は以下)になら
ない。

【００１１】この発明の請求項２における燃料電池発電
システムの運転制御方法は、交流出力増加（又は減少）
の際に酸化剤利用率が設定値より高く（又は低く）なっ
た場合に、交流出力指令値に基づく交流出力の増加（又
は減少）を一旦停止しその値を保持する。そのため、本
来であれば、酸化剤利用率が設定値上限以上（又は設定
値下限以下）になるところを、一旦停止し、回復を待っ
て、再び交流出力指令値の増加（又は減少）を開始する
ので、酸化剤利用率が設定値以上（又は以下）にならな
い。

【００１２】この発明の請求項３における燃料電池発電
システムの運転制御方法は、交流出力増加（又は減少）
の際に、Ｓ／Ｃが設定値より低くなった場合に、原燃料
流量指令値の増加（又は減少）を一旦停止しその値を保
持することにより、Ｓ／Ｃが設定値以下にならない。

【００１３】

【実施例】先行例１． 以下、この発明の先行例を図に基づいて説明する。図１
はこの発明の一先行例に用いる燃料電池発電システムを
示す概略線図である。図において、従来例と同一叉は同
様部分には同一符号を付している。１は電池本体で、燃
料電極１ａと酸化剤電極１ｂを有する単電池が複数個積
層されて形成されている。２は燃料ガス給排気系で、燃
料供給ライン２ａとガス排出ライン２ｂを有する。３は
酸化剤（空気）給排気系で、酸化剤供給ライン３ａと酸
化剤排出ライン３ｂを有する。４ｂは酸化剤流量を制御
する調節弁、５ｂは酸化剤流量を測定する流量発信器、
６は電池本体１の出力電流を測定する電流検出器、９は
改質装置で、原燃料と水蒸気から改質された燃料ガスを
製造し、これを電池本体１に供給する。この燃料ガスは
電池本体１で大部分が消費され排気されるが、残った燃
料分を含有するガス２１は、改質装置９の燃焼燃料とし
て利用している。４ｃは原燃料流量を制御する調節弁、
４ｄは水蒸気流量を制御する調節弁、５ｃは原燃料流量
を測定する流量発信器、５ｄは水蒸気流量を測定する流
量発信器、７は流量制御器で、流量発信器５ｂ，５ｃ，
５ｄと交流出力指令値の信号により、出力に見合うガス
量を演算し、調節弁４ｂ，４ｃ，４ｄによりガス量を制
御する。２０は直流交流変換装置である逆変換装置で、
流量制御器７からの交流出力指令値の信号により直流出
力を設定された交流出力に変換する。

【００１４】次に動作について説明する。設定された交
流出力に基づく交流出力指令値が与えられると、交流出
力指令値は流量制御器７と、流量制御器７経由で逆変換
装置２０に加えられる。すると流量制御器７に加えられ
た交流出力指令値により、これに見合う各流量が算出さ
れて、原燃料と水蒸気流量が制御され、設定された流量
が改質装置９に供給され、改質装置９より必要量の燃料
ガスが出力される。これに合わせて酸化剤流量も制御さ
れ、設定された流量が上記燃料ガスと共に電池本体１に
加えられ、電池本体１から直流電力が出力される。一方
上記交流出力指令値は、逆変換装置２０にも同時に加え
れており、直流電力を交流出力指令値による設定された
交流出力に変換する。

【００１５】このように、負荷変化指令により逆変換装
置２０に交流出力指令値が与えられると、出力が一定の
増加・減少率で変化する。と同時に上記交流出力指令値
により流量制御器７から燃料流量指令値，水蒸気流量指
令値，酸化剤流量指令値が与えられ、各流量が一定の増
加・減少率で変化する。図２に示すように、ガス流量
（酸化剤流量も含む）は、一般に流量指令値に対して遅
れを生じ、また、実際に電池本体１に流入する量は測定
された流量より遅れを生じる。このため、ガス流量指令
値を交流出力指令値に見合う（同じ）傾きで変化させた
場合には、図２に示すように燃料利用率が一時的に高く
なる。

【００１６】このため、図３に示すように燃料流量指令
値の増加率より交流出力指令値の増加率を少なくするこ
とにより、燃料利用率を一定値以下に押さえることがで
きる。換言すれば、交流出力指令値の増加率に対する燃
料流量指令値の増加率は、上記交流出力指令値の増加率
に見合う増加率より大きくする。水蒸気流量指令値，酸
化剤流量指令値の増加率についても上記交流出力指令値
の増加率に見合う増加率より同様に大きくする。そのた
め、酸化剤利用率も一定値以下に押さえることができ
る。

【００１７】なお、燃料利用率，酸化剤利用率は、次式
で表される。 燃料利用率 ＝（燃料電池出力に電気化学的に当量の燃
料流量÷供給された燃料流量）×１００ （％） 酸化剤利用率＝（燃料電池出力に電気化学的に当量の酸
化剤流量÷供給された酸化剤流量）×１００ （％） 上記においては、燃料流量の制御は、原燃料流量の制御
で説明したが、改質装置９の後に燃料ガスの貯蔵容器を
設け、それより供給される燃料ガスの流量を、燃料流量
として、燃料流量指令値で制御しても良い。

【００１８】先行例２． また、上記においては、交流出力指令値の増加率より流
量指令値の増加率の方を大きくしたが、交流出力指令値
の変更に起因する、上記逆変換装置２０に対する変更開
始時点より上記流量制御器７の上記流量指令値の変更開
始時点を早くして、電池本体１の燃料利用率を高くなら
ないように制御するようにしても良い。これは、例え
ば、流量指令値の増加率を交流出力指令値の増加率と同
じにしても、流量指令値の変更開始時点を逆変換装置２
０に対する変更開始時点より早めれば、結果的に交流出
力指令値の増加率より流量指令値の増加率の方を大きく
したことに相当する。交流出力指令値の変更に起因す
る、逆変換装置２０に対する変更開始時点を、流量指令
値の変更開始時点より遅らせるためには、交流出力指令
値の信号を逆変換装置２０に入力するに当って、所望時
間遅延させる遅延回路を介して入力すれば良い。

【００１９】図４に燃料流量指令値の増加率を交流出力
指令値の増加率と同じに、燃料流量指令値の変更開始時
点を、逆変換装置２０に対する交流出力指令値の変更開
始時点より早めた場合のタイミングチャートを示す。燃
料利用率のタイミングチャートも合わせて示す。

【００２０】実施例１． 図５に示すように、交流負荷を増加させる場合には、交
流出力指令値を増加させながら、ガス流量指令値を増加
させる。と同時に燃料流量発信器５ｃと電流検出器６の
信号入力により時々刻々の燃料利用率を演算していく。
このとき燃料利用率が規定値より高くなった場合には、
交流出力指令値の逆変換装置２０への信号を遅延させ
て、一旦その時の現状値に保持し、ガス流量指令値は継
続して増加させる。すると燃料利用率が回復するので、
再度、交流出力指令値を増加させる。この制御により、
燃料利用率が高くなることを防ぐことができる。

【００２１】図６にこの制御手順のフローチャートを示
す。燃料利用率が設定値Ｋ（例えばＫ＝８５％）を超え
ない場合には、現状の交流出力指令値にα（１回の演算
時間で増加させる値）を加算して、新たな交流出力指令
値出力とし、これを繰り返していき、燃料利用率が設定
値Ｋを超えた場合には、現状の交流出力指令値を新たな
交流出力指令値出力とし、増加を行う加算を行わないこ
とにより、現状値を保持する。この間、ガス流量指令値
は継続して増加させているので、燃料利用率が低下して
いき、やがて設定値Ｋ以下になったときに再び加算を開
始して、設定負荷まで交流出力指令値出力を上昇させ
る。

【００２２】実施例２． 図７は、交流負荷を減少させる場合である。交流出力指
令値を減少させながら、流量指令値を減少させる。と共
に時々刻々の燃料利用率を演算していく。このとき燃料
利用率が規定値より低くなった場合には、交流出力指令
値の逆変換装置２０への信号を遅延させて、一旦その時
の現状値に保持し、ガス流量指令値は継続して減少させ
る。すると燃料利用率が回復するので、再度、交流出力
指令値を減少させる。この制御により、燃料利用率が低
くなり過ぎるのを防ぐことができる。

【００２３】図８にこの制御手順のフローチャートを示
す。燃料利用率が設定値Ｋ（例えばＫ＝４０％）より下
回らない場合には、現状の交流出力指令値に−α（１回
の演算時間で減少させる値）を加算して、新たな交流出
力指令値出力とし、これを繰り返していき、燃料利用率
が設定値Ｋを下回った場合には、現状の交流出力指令値
を新たな交流出力指令値出力とし、減少を行う加算を行
わないことにより、現状値を保持する。この間、ガス流
量指令値は継続して減少させているので、燃料利用率が
増加していき、やがて設定値Ｋ以上になったときに再び
加算を開始して、設定負荷まで交流出力指令値出力を減
少させる。

【００２４】上記の各先行例，実施例では、電池本体１
の燃料利用率を設定値以上（又は以下）にならないよう
に制御することができる。燃料ガスは電池本体１で大部
分が消費され排気されるが、残った燃料分を含有する排
気ガス２１は、改質装置９の燃焼燃料として利用してい
る。そのため、ガス２１中の残った燃料分の含有率が所
定の範囲に入っていれば、改質装置９の燃焼が安定す
る。負荷変化時の燃料利用率の変化、特に低下（燃料ガ
スの余剰率大）が改質装置に悪影響を及ぼすが、上記の
各先行例，実施例により、これを避けることができる。

【００２５】実施例３． 図９に示すように、交流負荷を増加させる場合には、交
流出力指令値を増加させながら、ガス流量指令値を増加
させる。と同時に酸化剤流量発信器５ｂと電流検出器６
の信号入力により時々刻々の酸化剤利用率を演算してい
く。このとき酸化剤利用率が規定値より高くなった場合
には、交流出力指令値の逆変換装置２０への信号を遅延
させて、一旦その時の現状値に保持し、ガス流量指令値
は継続して増加させる。すると酸化剤利用率が回復する
ので、再度、交流出力指令値を増加させる。この制御に
より、酸化剤利用率が高くなることを防ぐことができ
る。図１０には、交流負荷を減少させる場合における、
交流出力指令値の減少と酸化剤流量指令値の減少との関
係を示す。同様にして、酸化剤利用率が低くなり過ぎる
のを防ぐことができる。そのため、システムの運転圧力
バランスを狂わせずに運転することができる。

【００２６】実施例４． 図１１に示すように、負荷変化の時に、酸化剤利用率が
設定値より一時的に高くなったときに、交流出力指令値
に基づく燃料流量指令値の変化を停止して現状値を保持
し、継続して酸化剤量が増加して酸化剤利用率が回復し
た後、再度、燃料流量指令値を変化させることにより利
用率が高くなることを防ぐことができる。そして、燃料
流量指令値の変化を一旦停止しているときは、交流出力
指令値に基づく逆変換装置２０の交流出力変化を停止さ
せることは必要である。逆に燃料利用率が設定値より一
時的に高くなったときに、交流出力指令値に基づく酸化
剤流量指令値の変化及び逆変換装置２０の交流出力変化
を、同様に一旦停止しても良い。

【００２７】図１２にこの制御手順のフローチャートを
示す。酸化剤利用率が高くなった場合に、燃料流量指令
値の増加を行う加算を停止して現状値を保持し、酸化剤
利用率が回復して設定値以下になった時、再度、燃料流
量指令値の増加を行う加算を開始して、燃料流量指令値
を設定流量まで変化させる。

【００２８】実施例５． 燃料改質には一般に水蒸気改質が行われ、この時に水蒸
気流量と炭化水素系原燃料流量の比は一定の値に制御す
ることが必要である。流量比が一定範囲を超えた場合に
は、水素に改質する触媒にカーボン析出をおこし、寿命
を低下させることになる。図１３に示すように、負荷変
化時に水蒸気流量と原燃料流量の比（Ｓ／Ｃ）を演算し
て、Ｓ／Ｃが一定範囲内にない場合は、燃料流量指令値
を現状維持（増加を一旦停止）し、水蒸気流量は増加を
継続し、Ｓ／Ｃが設定値内に回復した後、再度、燃料流
量指令値を変化させて設定流量にする。この制御によ
り、改質触媒に悪影響を及ぼさないで負荷変化を行うこ
とができる。

【００２９】

【発明の効果】以上のように、この発明の請求項１にお
ける燃料電池発電システムの運転制御方法によれば、交
流出力増加（又は減少）の際に燃料利用率が設定値より
高く（又は低く）なった場合に、交流出力指令値に基づ
く交流出力の増加（又は減少）を一旦停止しその値を保
持することにより、燃料利用率が設定値以上（又は以
下）にならないように制御することができる。

【００３０】この発明の請求項２における燃料電池発電
システムの運転制御方法によれば、交流出力増加（又は
減少）の際に酸化剤利用率が設定値より高く（又は低
く）なった場合に、交流出力指令値に基づく交流出力の
増加（又は減少）を一旦停止しその値を保持することに
より、酸化剤利用率が設定値以上（又は以下）にならな
いように制御することができる。そのため、システムの
運転圧力バランスを狂わせずに運転することができる。

【００３１】この発明の請求項３における燃料電池発電
システムの運転制御方法によれば、交流出力増加（又は
減少）の際に、Ｓ／Ｃが設定値より低くなった場合に、
原燃料流量指令値の増加（又は減少）を一旦停止しその
値を保持することにより、上記Ｓ／Ｃが設定値以下にな
らないように制御するので、改質触媒に悪影響を及ぼさ
ないで負荷変化を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の一先行例に用いる燃料電池発電シ
ステムを示す概略線図である。

【図２】 ガス流量と流量指令値の変化を示すタイミン
グチャート、並びに利用率の変化を示すタイミングチャ
ートである。

【図３】 この発明の先行例１における指令値と実燃料
流量の変化を示すタイミングチャート、並びに燃料利用
率の変化を示すタイミングチャートである。

【図４】 この発明の先行例２における燃料流量指令値
と交流出力指令値の変化を示すタイミングチャート、並
びに燃料利用率の変化を示すタイミングチャートであ
る。

【図５】 この発明の実施例１における燃料流量指令値
と交流出力指令値の変化を示すタイミングチャート、並
びに燃料利用率の変化を示すタイミングチャートであ
る。

【図６】 この発明の実施例１の制御手順を示すフロー
チャートである。

【図７】 この発明の実施例２における燃料流量指令値
と交流出力指令値の変化を示すタイミングチャート、並
びに燃料利用率の変化を示すタイミングチャートであ
る。

【図８】 この発明の実施例２の制御手順を示すフロー
チャートである。

【図９】 この発明の実施例３における酸化剤流量指令
値と交流出力指令値の変化を示すタイミングチャート、
並びに酸化剤利用率の変化を示すタイミングチャートで
ある。

【図１０】 この発明の実施例３における酸化剤流量指
令値と交流出力指令値の変化を示すタイミングチャー
ト、並びに酸化剤利用率の変化を示すタイミングチャー
トである。

【図１１】 この発明の実施例４における燃料流量指令
値と流量の変化を示すタイミングチャート、並びに酸化
剤利用率の変化を示すタイミングチャートである。

【図１２】 この発明の実施例４の制御手順を示すフロ
ーチャートである。

【図１３】 この発明の実施例５における燃料流量指令
値と流量の変化を示すタイミングチャート、並びにＳ／
Ｃの変化を示すタイミングチャートである。

【図１４】 従来の燃料電池発電システムを示す概略線
図である。

【符号の説明】

１：電池本体 ２：燃料ガス給排気系 ３：
酸化剤給排気系 ７：流量制御器 ９：改質装置 ２０：
逆変換装置

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料流量と酸化剤流量が制御されて供給
   され、これらの流量をもとに発電する電池本体と、この
   電池本体の電気出力を、交流出力指令値に基づいて設定
   された交流出力に変換する逆変換装置と、上記交流出力
   指令値に基づく流量指令値に、上記燃料流量と酸化剤流
   量を制御すると共に、これらの流量を測定し燃料利用率
   を算出する流量制御器とを備え、発電された直流出力よ
   り所望の交流出力を得るものにおいて、交流出力増加
   （又は減少）の際に上記燃料利用率が設定値より高く
   （又は低く）なった場合に、上記交流出力指令値に基づ
   く交流出力の増加（又は減少）を一旦停止しその値を保
   持することにより、燃料利用率が設定値以上（又は以
   下）にならないように制御することを特徴とする燃料電
   池発電システムの運転制御方法。
2. 【請求項２】 燃料流量と酸化剤流量が制御されて供給
   され、これらの流量をもとに発電する電池本体と、この
   電池本体の電気出力を、交流出力指令値に基づいて設定
   された交流出力に変換する逆変換装置と、上記交流出力
   指令値に基づく流量指令値に、上記燃料流量と酸化剤流
   量を制御すると共に、これらの流量を測定し酸化剤利用
   率を算出する流量制御器とを備え、発電された直流出力
   より所望の交流出力を得るものにおいて、交流出力増加
   （又は減少）の際に上記酸化剤利用率が設定値より高く
   （又は低く）なった場合に、上記交流出力指令値に基づ
   く交流出力の増加（又は減少）を一旦停止しその値を保
   持することにより、酸化剤利用率が設定値以上（又は以
   下）にならないように制御することを特徴とする燃料電
   池発電システムの運転制御方法。
3. 【請求項３】 原燃料流量と水蒸気流量が制御されて供
   給され、これらを改質して燃料ガスを得る改質装置、燃
   料流量と酸化剤流量が制御されて供給され、これらの流
   量をもとに発電する電池本体と、この電池本体の電気出
   力を、交流出力指令値に基づいて設定された交流出力に
   変換する逆変換装置と、上記交流出力指令値に基づく流
   量指令値に、上記燃料流量と酸化剤流量を制御すると共
   に、上記水蒸気流量と上記原燃料流量の比（Ｓ／Ｃ）を
   測定算出する流量制御器とを備え、発電された直流出力
   より所望の交流出力を得るものにおいて、交流出力増加
   （又は減少）の際に、上記Ｓ／Ｃが設定値より低くなっ
   た場合に、原燃料流量指令値の増加（又は減少）を一旦
   停止しその値を保持することにより、上記Ｓ／Ｃが設定
   値以下にならないように制御することを特徴とする燃料
   電池発電システムの運転制御方法。