JP3808636B2 - 燃料電池発電システムおよび発電システム - Google Patents
燃料電池発電システムおよび発電システム Download PDFInfo
- Publication number
- JP3808636B2 JP3808636B2 JP24153798A JP24153798A JP3808636B2 JP 3808636 B2 JP3808636 B2 JP 3808636B2 JP 24153798 A JP24153798 A JP 24153798A JP 24153798 A JP24153798 A JP 24153798A JP 3808636 B2 JP3808636 B2 JP 3808636B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel
- power generation
- fuel cell
- generation system
- load
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料と酸化剤との電気化学反応により発電を行なう燃料電池本体を備えた燃料電池発電システムおよびそれを用いた発電システムに係り、特に供給量に変動や制約がある燃料を、過不足なく全量消費して発電に寄与できるようにした燃料電池発電システムおよび発電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、燃料の有している化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置として、燃料電池が知られている。この燃料電池は、燃料である水素と酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて、直接電気的出力を取り出すようにしたものであり、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができる装置である。
【０００３】
この種の燃料電池を用いた燃料電池発電システムは、通常、触媒の作用によって、水素ガスを主成分とする燃料ガスを発生させる反応器（改質器とも称する）と、この反応器で発生した燃料ガスを空気等の酸化剤ガスと電気化学的に反応させて、電気エネルギーに変換する燃料電池本体とを備えて構成されており、比較的小さな規模であっても、発電効率は４０％に達し、大型火力発電並の効率を誇っている。
【０００４】
また、近年大きな杜会問題になってきている公害要因であるＳＯｘ、ＮＯｘの等の排出がほとんどなく、高効率のためＣＯ2 の排出量も少ない。
さらに、外部からの冷却水を必要とせず、騒音／振動も小さいことから、極めて環境に優しいシステムであると言える。
【０００５】
また、負荷変動に対しての応答性がよく、発電と同時に熱も利用することができる等の特徴から、商用化による大量導入が期待されている。
さらに、燃料電池は多様な燃料が適用可能である。最近では、この特徴を活かして、下水処理場で発生する消化ガスや、生ゴミや食品工場から発生するバイオガスを燃料として用いた燃料電池発電システムの検証も行なわれてきており、資源の有効利用という観点からも、今後の普及が益々期待されている。
【０００６】
ところで、通常の燃料電池発電システムは、電力負荷優先の制御で運転されている。すなわち、電力系統への連系運転時には、通常、オペレータによる指令によって負荷が決定され、単独運転時には、その燃料電池発電システムに接続された電力負荷につりあうように、自動的に発電負荷が制御される。
【０００７】
図４は、この種の従来の燃料電池発電システムの概要構成例を示すブロック図である。
図４において、負荷設定器１により負荷指令信号２が、またインバータ３の電圧制御により負荷信号４が、プラントコントローラ５にそれぞれ入力される。
【０００８】
プラントコントローラ５では、負荷指令信号２と負荷信号４とに基づいて、負荷信号４が負荷指令信号２と等しくなるように、弁開度指令６が燃料調節弁７に出力される。
【０００９】
その結果、図示しない燃料供給設備に通じる燃料入口部８から、燃料が必要量だけ燃料配管９を通って改質器・燃料電池本体１０に供給され、ここで発電された直流電力１１は、インバータ３により交流に変換され、交流電力１２として図示しない負荷へ供給される。
【００１０】
なお、上記の各要素は、通常、燃料電池発電システム１３としてパッケージ化されている。
上記のような制御は、電力負荷優先の制御であり、発電に使用する燃料は、必要な時に必要なだけ燃料電池発電システムに供給可能であるという前提の下で実施されている。そして、通常、燃料電池発電システム１３は、天然ガスやＬＰＧ等を燃料として用いて発電を行なうことから、かかる条件を満足するものとなっている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したように、天然ガスやＬＰＧを燃料として用いて発電を行なう場合には、通常、燃料の供給には制約はないため、電力負荷優先制御の従来の燃料電池発電システム１３でも何ら問題はない。
【００１２】
しかしながら、前述した生ゴミや食品を処理して燃料を生成するような場合には、発生した燃料量の変化に応じて燃料電池発電システムが発電負荷を調節し、発生した燃料を過不足なく全て消費して欲しいというニーズが高い。
【００１３】
この点に関して、従来の燃料電池発電システム１３では、その実現が難しいため、このような要求のある場合には、負荷を燃料の発生量に比べて低目に設定して発電を行なわせ、余剰の燃料はボイラ等へ送って処理をするという方法が一般的となっている。
【００１４】
しかしながら、このような方法では、余剰燃料の燃料電池発電システム１３系外への放出が避けられず、低効率なシステムとなっている。
また、上記の実現が容易な方法として、供給される燃料を流量計を用いて認識し、その供給量に対応した制御を行なうことも提案されてきている。
【００１５】
しかしながら、このような瞬時値に基づく比例式の制御方法では、如何に厳密に計測しても必ず誤差が生じ、それが時間の経過と共に積分効果で拡大し、バランスが狂うことが避けられないシステムとなってしまう。
【００１６】
本発明の目的は、供給量に変動や制約がある燃料を、過不足なく全量消費して発電に寄与することが可能な燃料電池発電システムおよび発電システムを提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明では、電解質層を挟んで対向配置された燃料極および酸化剤極に燃料および酸化剤をそれぞれ供給し、これら燃料と酸化剤との電気化学反応により発電を行ない、当該発電された電力を負荷へ供給する燃料電池本体を備えて構成される燃料電池発電システムにおいて、燃料入口部から燃料極の間に設けられ、当該燃料極に供給される燃料の圧力を計測する圧力計測手段と、圧力計測手段により計測された燃料の圧力値に基づいて、燃料電池本体における最適発電負荷を算出し、かつ当該最適発電負荷となるように燃料極への燃料の供給量を調節することにより燃料電池本体の最適発電負荷を制御する制御手段とを備える。
【００１８】
従って、請求項１の発明の燃料電池発電システムにおいては、燃料入口部から燃料極の間に設けた圧力計測手段で、燃料極に供給される燃料の圧力が計測され、この燃料の圧力値に基づいて、制御手段で、燃料電池本体の最適発電負荷を算出して燃料極への燃料の供給量を調節することにより、燃料電池本体の最適発電負荷が制御される。
【００１９】
すなわち、燃料極への燃料の供給量に対して、燃料電池本体での燃料の消費量が過多の場合には、計測圧力が低下するため、制御によって発電負荷が下がることになる。この結果、燃料電池本体での燃料の消費量が低下し、計測圧力が復帰（上昇）する。
【００２０】
また、燃料極への燃料の供給量に対して、燃料電池本体での燃料の消費量が少ない場合には、計測圧力が上昇するため、制御によって発電負荷が上がることになる。この結果、燃料電池本体での燃料の消費量が上昇し、計測圧力が復帰（低下）する。
【００２１】
以上の制御により、燃料極へ供給される燃料が変動した場合でも、計測圧力が一定に保たれ、燃料極へ供給される燃料を全量消費して発電に寄与することができるため、消化ガスやバイオガス等の燃料に対して、より一層高効率でかつ無駄のない最適なシステムを構築することができる。
【００２２】
一方、電解質層を挟んで対向配置された燃料極および酸化剤極に燃料および酸化剤をそれぞれ供給し、これら燃料と酸化剤との電気化学反応により発電を行ない、当該発電された電力を負荷へ供給する燃料電池本体を備えた燃料電池発電システムと、燃料電池発電システムの燃料極へ燃料を供給する燃料供給設備とを備えて構成される発電システムにおいて、
請求項２の発明では、燃料電池発電システムの燃料入口部の上流側に設けられ、燃料電池発電システムの燃料極に供給される燃料の圧力を計測する圧力計測手段と、圧力計測手段により計測された燃料の圧力値に基づいて、燃料電池発電システムにおける最適発電負荷を算出し、かつ当該最適発電負荷となるように燃料極への燃料の供給量を調節することにより燃料電池発電システムの最適発電負荷を制御する制御手段とを備える。
【００２３】
従って、請求項２の発明の発電システムにおいては、燃料電池発電システムの燃料入口部の上流側、すなわち燃料電池発電システムの外部に設けた圧力計測手段で、燃料極に供給される燃料の圧力が計測され、この燃料の圧力値に基づいて、制御手段で、燃料電池発電システムの最適発電負荷を算出して燃料極への燃料の供給量を調節することにより、燃料電池本体の最適発電負荷が制御される。
【００２４】
すなわち、燃料極への燃料の供給量に対して、燃料電池発電システムでの燃料の消費量が過多の場合には、計測圧力が低下するため、制御によって発電負荷が下がることになる。この結果、燃料電池発電システムでの燃料の消費量が低下し、計測圧力が復帰（上昇）する。
【００２５】
また、燃料極への燃料の供給量に対して、燃料電池発電システムでの燃料の消費量が少ない場合には、計測圧力が上昇するため、制御によって発電負荷が上がることになる。この結果、燃料電池発電システムでの燃料の消費量が上昇し、計測圧力が復帰（低下）する。
【００２６】
以上の制御により、燃料極へ供給される燃料が変動した場合でも、計測圧力が一定に保たれ、燃料極へ供給される燃料を全量消費して発電に寄与することができるため、消化ガスやバイオガス等の燃料に対して、より一層高効率でかつ無駄のない最適なシステムを構築することができる。
【００２７】
また、請求項３の発明では、燃料電池発電システムの燃料電池本体入口部の上流側に設けられ、燃料を保持するための内容積可変式燃料ガス貯蔵設備容器と、内容積可変式燃料ガス貯蔵設備容器の容積を計測する容積計測手段と、容積計測手段により計測された容器の容積値に基づいて、燃料電池発電システムにおける最適発電負荷を算出し、かつ当該最適発電負荷となるように燃料極への燃料の供給量を調節することにより燃料電池発電システムの最適発電負荷を制御する制御手段とを備える。
【００２８】
従って、請求項３の発明の発電システムにおいては、燃料電池発電システムの燃料電池本体入口部の上流側に設けた内容積可変式燃料ガス貯蔵設備容器の容積が容積計測手段で計測され、この容積値に基づいて、制御手段で、燃料電池発電システムの最適発電負荷を算出して燃料極への燃料の供給量を調節することにより、燃料電池発電システムの最適発電負荷が制御される。
【００２９】
すなわち、燃料極への燃料の供給量に対して、燃料電池発電システムでの燃料の消費量が過多の場合には、内容積可変式燃料ガス貯蔵設備容器の計測容積が低下するため、制御によって発電負荷が下がることになる。この結果、燃料電池発電システムでの燃料の消費量が低下し、計測容積が復帰（上昇）する。
【００３０】
また、燃料極への燃料の供給量に対して、燃料電池発電システムでの燃料の消費量が少ない場合には、計測容積が上昇するため、制御によって発電負荷が上がることになる。この結果、燃料電池発電システムでの燃料の消費量が上昇し、計測容積が復帰（低下）する。
【００３１】
以上の制御により、燃料極へ供給される燃料が変動した場合でも、計測容積が一定に保たれ、燃料極へ供給される燃料を全量消費して発電に寄与することができるため、消化ガスやバイオガス等の燃料に対して、より一層高効率でかつ無駄のない最適なシステムを構築することができる。
【００３２】
さらに、請求項４の発明では、燃料供給設備から燃料電池発電システムの燃料極への燃料の供給量と燃料電池発電システムにおける燃料の消費量との偏差を、あらかじめ決められた一定時間内における積算値として認識する認識手段と、認識手段により認識された積算値に基づいて、燃料電池発電システムにおける最適発電負荷を算出し、かつ当該最適発電負荷となるように燃料極への燃料の供給量を調節することにより燃料電池発電システムの最適発電負荷を制御する制御手段とを備える。
【００３３】
従って、請求項４の発明の発電システムにおいては、認識手段で、燃料電池発電システムの燃料極への燃料の供給量と燃料電池発電システムにおける燃料の消費量との偏差が、あらかじめ決められた一定時間内における積算値として認識され、この積算値に基づいて、制御手段で、燃料電池発電システムの最適発電負荷を算出して燃料極への燃料の供給量を調節することにより、燃料電池発電システムの最適発電負荷が制御される。
【００３４】
以上の制御により、前記請求項２および請求項３の発明の場合と同様に、燃料極へ供給される燃料が変動した場合でも、燃料極へ供給される燃料を全量消費して発電に寄与することができるため、消化ガスやバイオガス等の燃料に対して、より一層高効率でかつ無駄のない最適なシステムを構築することができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
本発明は、燃料電池発電システムの燃料極の上流側に、燃料の供給量と燃料電池本体における燃料の消費量との偏差を、あらかじめ決められた一定時間内における積算値として積分式に認識する手段を設け、この認識された積算値に基づいて、燃料電池本体の発電負荷を制御するものである。
【００３６】
以下、上記のような考え方に基づく本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態による燃料電池発電システムの概要構成例を示すブロック図であり、図４と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００３７】
すなわち、図１に示すように、本実施の形態の燃料電池発電システム１３は、前記図４における負荷設定器１と、それによる負荷指令信号２、およびプラントコントローラ５を省略し、これに代えて新たに、燃料電池発電システム１３の内部における、燃料入口部８から改質器・燃料電池本体１０の燃料極までの間（本例では、燃料入口部８から燃料調節弁７までの間）の燃料配管９の途中に、体積固定式のバッファタンク１４と圧力伝送器１５と自力式減圧弁１７とからなる圧力計測手段を設け、さらにプラントコントローラ５´を設けた構成としている。
【００３８】
バッファタンク１４は、燃料を保持するためのものである。
圧力伝送器１５は、バッファタンク１４の圧力を計測することにより、改質器・燃料電池本体１０の燃料極に供給される燃料の圧力を計測し、圧力信号値１６をプラントコントローラ５´に出力伝送する。
【００３９】
自力式減圧弁１７は、自力で燃料配管９内の圧力を減圧するためのものである。
プラントコントローラ５´は、圧力伝送器１５により計測され伝送される圧力信号値１６に基づいて、改質器・燃料電池本体１０における最適発電負荷を算出し、かつこの最適発電負荷となるように燃料極への燃料の供給量を調節するための弁開度指令６を燃料調節弁７に出力することにより、改質器・燃料電池本体１０の最適発電負荷を制御する。
【００４０】
次に、以上のように構成した本実施の形態の燃料電池発電システムの作用について説明する。
図１において、燃料は、図示しない燃料供給設備に通じる燃料入口部８からバッファタンク１４に導入され、さらに自力式減圧弁１７、燃料調節弁７、燃料配管９を通って、改質器・燃料電池本体１０に供給され、ここで発電された直流電力１１は、インバータ３により交流に変換され、交流電力１２として図示しない負荷へ供給される。
【００４１】
ここで、燃料調節弁７を通って供給される燃料の流量に比べて、バッファタンク１４に流入する燃料の量が多い場合には、バッファタンク１４の圧力が上昇することになる。そして、このバッファタンク１４の圧力は、圧力伝送器１５によって計測され、圧力信号値１６としてプラントコントローラ５´に伝送される。
【００４２】
また、逆に、バッファタンク１４に流入する燃料の量が、燃料調節弁７を通って供給される燃料の流量に比べて少ない場合には、バッファタンク１４の圧力は低下することになる。
【００４３】
プラントコントローラ５´では、例えば図２に示すようなロジックにより、バッファタンク１４の負荷および改質器・燃料電池本体１０の発電負荷が制御される。
【００４４】
すなわち、バッファタンク１４の圧力信号値１６が、圧力設定上限値１８または圧力設定値下限値１９の範囲を外れた場合には、制御ブロック２０により、その外れた量に応じて、改質器・燃料電池本体１０の発電負荷が調節される。具体的には、圧力が高い場合には発電負荷が上げられ、圧力が低い場合には発電負荷が下げられる。
【００４５】
すなわち、燃料極への燃料の供給量に対して、改質器・燃料電池本体１０での燃料の消費量が少ない場合には、バッファタンク１４の圧力が上昇するため、プラントコントローラ５´の制御によって、その燃料増加量に見合った分だけ、改質器・燃料電池本体１０の発電負荷が自動的に上昇する。
【００４６】
また、燃料極への燃料の供給量に対して、改質器・燃料電池本体１０での燃料の消費量が過多の場合には、バッファタンク１４の圧力が下降するため、プラントコントローラ５´の制御によって、その燃料減少量に見合った分だけ、改質器・燃料電池本体１０の発電負荷が自動的に減少する。
【００４７】
なお、この場合、プラントコントローラ５´による改質器・燃料電池本体１０の発電負荷の制御は、具体的には、バッファタンク１４の圧力信号値１６と、圧力設定上限値１８または圧力設定値下限値１９との偏差を求め、さらにこれらの加算値に対して比例・微分・積分（ＰＩＤ）演算を行なって負荷指令２０を求め、インバータ３からの負荷信号４が負荷指令２０と等しくなるように、弁開度指令６を燃料調節弁７に出力することによって行なわれる。
【００４８】
以上の制御により、改質器・燃料電池本体１０の燃料極へ供給される燃料が変動しても、改質器・燃料電池本体１０の発電負荷が自動的に追従するため、システムが安定な運転状態を保ちながら、燃料を過不足なく全量消費することができる。
【００４９】
なお、バッファタンク１４の圧力が変動しても、自力式減圧弁１７の働きによって、燃料調節弁７の一次圧は常に一定に保たれ、安定した制御を行なうことができる。
【００５０】
上述したように、本実施の形態の燃料電池発電システムでは、燃料電池発電システム１３の内部における、燃料入口部８から改質器・燃料電池本体１０の燃料極の間に設けた圧力計測手段で、燃料極に供給される燃料の圧力を計測し、この燃料の圧力値１６に基づいて、プラントコントローラ５´で、改質器・燃料電池本体１０の最適発電負荷を算出して燃料極への燃料の供給量を調節することによって、改質器・燃料電池本体１０の最適発電負荷を制御するようにしているので、燃料極へ供給される燃料が変動した場合でも、計測圧力が一定に保たれ、燃料極へ供給される燃料を全量消費して発電に寄与することができるため、消化ガスやバイオガス等の燃料に対して、より一層高効率でかつ無駄のない最適なシステムを構築することが可能となる。
【００５１】
（第２の実施の形態）
図３は、本実施の形態による燃料電池発電システムの概要構成例を示すブロック図であり、図４と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００５２】
すなわち、図３に示すように、本実施の形態の発電システムは、前記図４における負荷設定器１を省略し、これに代えて新たに、燃料電池発電システム１３の外部における、燃料入口部８の上流側の燃料配管９の途中に、体積固定式のバッファタンク１４と圧力伝送器１５とからなる圧力計測手段を設け、さらに負荷調整用外部コントローラ２２を設けた構成としている。
【００５３】
バッファタンク１４は、燃料を保持するためのものである。
圧力伝送器１５は、バッファタンク１４の圧力を計測することにより、改質器・燃料電池本体１０の燃料極に供給される燃料の圧力を計測し、圧力信号値１６を負荷調整用外部コントローラ２２に出力伝送する。
【００５４】
負荷調整用外部コントローラ２２は、圧力伝送器１５により計測され伝送される圧力信号値１６に基づいて、改質器・燃料電池本体１０における最適発電負荷を算出し、かつこの最適発電負荷となるように燃料極への燃料の供給量を調節するための弁開度指令６を燃料調節弁７に出力することにより、改質器・燃料電池本体１０の最適発電負荷を制御する。
【００５５】
次に、以上のように構成した本実施の形態の燃料電池発電システムの作用について説明する。
図３において、燃料は、図示しない燃料供給設備からバッファタンク１４に導入され、燃料入口部８から燃料調節弁７、燃料配管９を通って、改質器・燃料電池本体１０に供給され、ここで発電された直流電力１１は、インバータ３により交流に変換され、交流電力１２として図示しない負荷へ供給される。
【００５６】
ここで、燃料調節弁７を通って供給される燃料の流量に比べて、バッファタンク１４に流入する燃料の量が多い場合には、バッファタンク１４の圧力が上昇することになる。そして、このバッファタンク１４の圧力は、圧力伝送器１５によって計測され、圧力信号値１６として負荷調整用外部コントローラ２２に伝送される。
【００５７】
また、逆に、バッファタンク１４に流入する燃料の量が、燃料調節弁７を通って供給される燃料の流量に比べて少ない場合には、バッファタンク１４の圧力は低下することになる。
【００５８】
負荷調整用外部コントローラ２２では、前記第１の実施の形態の場合と同様に、例えば図２に示すようなロジックにより、バッファタンク１４の負荷および改質器・燃料電池本体１０の発電負荷が制御される。
【００５９】
すなわち、バッファタンク１４の圧力信号値１６が、圧力設定上限値１８または圧力設定値下限値１９の範囲を外れた場合には、制御ブロック２０により、その外れた量に応じて、改質器・燃料電池本体１０の発電負荷が調節される。具体的には、圧力が高い場合には発電負荷が上げられ、圧力が低い場合には発電負荷が下げられる。
【００６０】
すなわち、燃料極への燃料の供給量に対して、改質器・燃料電池本体１０での燃料の消費量が少ない場合には、バッファタンク１４の圧力が上昇するため、負荷調整用外部コントローラ２２の制御によって、その燃料増加量に見合った分だけ、改質器・燃料電池本体１０の発電負荷が自動的に上昇する。
【００６１】
また、燃料極への燃料の供給量に対して、改質器・燃料電池本体１０での燃料の消費量が過多の場合には、バッファタンク１４の圧力が下降するため、負荷調整用外部コントローラ２２の制御によって、その燃料減少量に見合った分だけ、改質器・燃料電池本体１０の発電負荷が自動的に減少する。
【００６２】
なお、この場合、負荷調整用外部コントローラ２２による改質器・燃料電池本体１０の発電負荷の制御は、具体的には、バッファタンク１４の圧力信号値１６と、圧力設定上限値１８または圧力設定値下限値１９との偏差を求め、さらにこれらの加算値に対して比例・微分・積分（ＰＩＤ）演算を行なって負荷指令２０を求め、インバータ３からの負荷信号４が負荷指令２０と等しくなるように、弁開度指令６を燃料調節弁７に出力することによって行なわれる。
【００６３】
以上の制御により、改質器・燃料電池本体１０の燃料極へ供給される燃料が変動しても、改質器・燃料電池本体１０の発電負荷が自動的に追従するため、システムが安定な運転状態を保ちながら、燃料を過不足なく全量消費することができる。
【００６４】
上述したように、本実施の形態の燃料電池発電システムでは、燃料電池発電システム１３の外部における、燃料入口部８の上流側の燃料配管９の途中に設けた圧力計測手段で、燃料極に供給される燃料の圧力を計測し、この燃料の圧力値１６に基づいて、負荷調整用外部コントローラ２２で、改質器・燃料電池本体１０の最適発電負荷を算出して燃料極への燃料の供給量を調節することによって、改質器・燃料電池本体１０の最適発電負荷を制御するようにしているので、燃料極へ供給される燃料が変動した場合でも、計測圧力が一定に保たれ、燃料極へ供給される燃料を全量消費して発電に寄与することができるため、消化ガスやバイオガス等の燃料に対して、より一層高効率でかつ無駄のない最適なシステムを構築することが可能となる。
【００６５】
さらに、燃料電池発電システム１３の外部に、バッファタンク１４と、圧力伝送器１５と、負荷調整用外部コントローラ２２を設けたシステム構成としているため、前述した従来の燃料電池発電システム１３を改造することなく容易に実現することが可能である。
【００６６】
（第３の実施の形態）
前記第１および第２の実施の形態では、体積固定式のバッファタンク１４を用いて、燃料電池発電システム１３の改質器・燃料電池本体１０の燃料極へ供給される燃料の変動を圧力変化という形で認識する場合について説明したが、これに限らず、内容積可変式の燃料ガス貯蔵設備容器を用いて、燃料電池発電システム１３の改質器・燃料電池本体１０の燃料極へ供給される燃料の変動を容積変化という形で認識し、これに基づいて改質器・燃料電池本体１０の発電負荷を制御する構成としてもよい。
【００６７】
すなわち、この場合には、例えば図３に示す前記第２の実施の形態の発電システムにおける圧力計測手段に代えて、燃料電池発電システム１３の改質器・燃料電池本体１０入口部の上流側に、燃料を保持するための内容積可変式燃料ガス貯蔵設備容器と、この内容積可変式燃料ガス貯蔵設備容器の容積を計測する容積計測手段をそれぞれ設け、さらに前記負荷調整用外部コントローラ２２に代えて、容積計測手段により計測された容器の容積値に基づいて、燃料電池発電システム１３における最適発電負荷を算出し、かつこの最適発電負荷となるように改質器・燃料電池本体１０の燃料極への燃料の供給量を調節することにより燃料電池発電システム１３の最適発電負荷を制御するコントローラを設ける構成とすればよい。
【００６８】
以上のような構成の発電システムにおいても、前記第２の実施の形態の場合と同様の作用および効果を得ることが可能である。
（第４の実施の形態）
前記第１および第２の実施の形態、または第３の実施の形態では、体積固定式のバッファタンク１４を用いて、燃料電池発電システム１３の改質器・燃料電池本体１０の燃料極へ供給される燃料の変動を、圧力変化、または容積変化という形で認識する場合について説明したが、これらの方法以外に、何らかの手段で燃料電池発電システム１３の改質器・燃料電池本体１０の燃料極への燃料供給量と、燃料電池発電システム１３による燃料消費量との偏差を積分式に認識し、これに基づいて改質器・燃料電池本体１０の発電負荷を制御する構成としてもよい。
【００６９】
すなわち、この場合には、例えば図３に示す前記第２の実施の形態の発電システムにおける圧力計測手段に代えて、図示しない燃料供給設備から燃料電池発電システム１３の改質器・燃料電池本体１０の燃料極への燃料の供給量と、燃料電池発電システム１３の改質器・燃料電池本体１０における燃料の消費量との偏差を、あらかじめ決められた一定時間内における積算値として認識する認識手段を設け、さらに前記負荷調整用外部コントローラ２２に代えて、認識手段により認識された積算値に基づいて、燃料電池発電システム１３における最適発電負荷を算出し、かつこの最適発電負荷となるように改質器・燃料電池本体１０の燃料極への燃料の供給量を調節することにより燃料電池発電システム１３の最適発電負荷を制御するコントローラを設ける構成とすればよい。
以上のような構成の発電システムにおいても、前記第２および第３の実施の形態の場合と同様の作用および効果を得ることが可能である。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の燃料電池発電システムおよび発電システムによれば、燃料極へ供給される燃料が変動した場合でも、燃料極へ供給される燃料を全量消費して発電に寄与することができるため、消化ガスやバイオガス等の燃料に対して、より一層高効率でかつ無駄のない最適なシステムを構築することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池発電システムの第１の実施の形態を示すブロック図。
【図２】同第１の実施の形態の燃料電池発電システムにおけるプラントコントローラの制御ブロックの一例を示すロジック図。
【図３】本発明による発電システムの第２の実施の形態を示すブロック図。
【図４】従来の燃料電池発電システムの概要構成例を示すブロック図。
【符号の説明】
２…負荷指令信号、
３…インバータ、
４…負荷信号、
５´…プラントコントローラ、
６…弁開度指令、
７…燃料調節弁、
８…燃料入口部、
９…燃料配管、
１０…改質器／燃料電池本体、
１１…直流電力、
１２…交流電力、
１３…燃料電池発電システム、
１４…バッファタンク、
１５…圧力伝送器、
１６…圧力信号値、
１７…自力式減圧弁、
１８…圧力設定上限値、
１９…圧力設定下限値、
２０…制御ブロック、
２１…負荷指令、
２２…負荷調整用外部コントローラー。
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料と酸化剤との電気化学反応により発電を行なう燃料電池本体を備えた燃料電池発電システムおよびそれを用いた発電システムに係り、特に供給量に変動や制約がある燃料を、過不足なく全量消費して発電に寄与できるようにした燃料電池発電システムおよび発電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、燃料の有している化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置として、燃料電池が知られている。この燃料電池は、燃料である水素と酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて、直接電気的出力を取り出すようにしたものであり、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができる装置である。
【０００３】
この種の燃料電池を用いた燃料電池発電システムは、通常、触媒の作用によって、水素ガスを主成分とする燃料ガスを発生させる反応器（改質器とも称する）と、この反応器で発生した燃料ガスを空気等の酸化剤ガスと電気化学的に反応させて、電気エネルギーに変換する燃料電池本体とを備えて構成されており、比較的小さな規模であっても、発電効率は４０％に達し、大型火力発電並の効率を誇っている。
【０００４】
また、近年大きな杜会問題になってきている公害要因であるＳＯｘ、ＮＯｘの等の排出がほとんどなく、高効率のためＣＯ2 の排出量も少ない。
さらに、外部からの冷却水を必要とせず、騒音／振動も小さいことから、極めて環境に優しいシステムであると言える。
【０００５】
また、負荷変動に対しての応答性がよく、発電と同時に熱も利用することができる等の特徴から、商用化による大量導入が期待されている。
さらに、燃料電池は多様な燃料が適用可能である。最近では、この特徴を活かして、下水処理場で発生する消化ガスや、生ゴミや食品工場から発生するバイオガスを燃料として用いた燃料電池発電システムの検証も行なわれてきており、資源の有効利用という観点からも、今後の普及が益々期待されている。
【０００６】
ところで、通常の燃料電池発電システムは、電力負荷優先の制御で運転されている。すなわち、電力系統への連系運転時には、通常、オペレータによる指令によって負荷が決定され、単独運転時には、その燃料電池発電システムに接続された電力負荷につりあうように、自動的に発電負荷が制御される。
【０００７】
図４は、この種の従来の燃料電池発電システムの概要構成例を示すブロック図である。
図４において、負荷設定器１により負荷指令信号２が、またインバータ３の電圧制御により負荷信号４が、プラントコントローラ５にそれぞれ入力される。
【０００８】
プラントコントローラ５では、負荷指令信号２と負荷信号４とに基づいて、負荷信号４が負荷指令信号２と等しくなるように、弁開度指令６が燃料調節弁７に出力される。
【０００９】
その結果、図示しない燃料供給設備に通じる燃料入口部８から、燃料が必要量だけ燃料配管９を通って改質器・燃料電池本体１０に供給され、ここで発電された直流電力１１は、インバータ３により交流に変換され、交流電力１２として図示しない負荷へ供給される。
【００１０】
なお、上記の各要素は、通常、燃料電池発電システム１３としてパッケージ化されている。
上記のような制御は、電力負荷優先の制御であり、発電に使用する燃料は、必要な時に必要なだけ燃料電池発電システムに供給可能であるという前提の下で実施されている。そして、通常、燃料電池発電システム１３は、天然ガスやＬＰＧ等を燃料として用いて発電を行なうことから、かかる条件を満足するものとなっている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したように、天然ガスやＬＰＧを燃料として用いて発電を行なう場合には、通常、燃料の供給には制約はないため、電力負荷優先制御の従来の燃料電池発電システム１３でも何ら問題はない。
【００１２】
しかしながら、前述した生ゴミや食品を処理して燃料を生成するような場合には、発生した燃料量の変化に応じて燃料電池発電システムが発電負荷を調節し、発生した燃料を過不足なく全て消費して欲しいというニーズが高い。
【００１３】
この点に関して、従来の燃料電池発電システム１３では、その実現が難しいため、このような要求のある場合には、負荷を燃料の発生量に比べて低目に設定して発電を行なわせ、余剰の燃料はボイラ等へ送って処理をするという方法が一般的となっている。
【００１４】
しかしながら、このような方法では、余剰燃料の燃料電池発電システム１３系外への放出が避けられず、低効率なシステムとなっている。
また、上記の実現が容易な方法として、供給される燃料を流量計を用いて認識し、その供給量に対応した制御を行なうことも提案されてきている。
【００１５】
しかしながら、このような瞬時値に基づく比例式の制御方法では、如何に厳密に計測しても必ず誤差が生じ、それが時間の経過と共に積分効果で拡大し、バランスが狂うことが避けられないシステムとなってしまう。
【００１６】
本発明の目的は、供給量に変動や制約がある燃料を、過不足なく全量消費して発電に寄与することが可能な燃料電池発電システムおよび発電システムを提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明では、電解質層を挟んで対向配置された燃料極および酸化剤極に燃料および酸化剤をそれぞれ供給し、これら燃料と酸化剤との電気化学反応により発電を行ない、当該発電された電力を負荷へ供給する燃料電池本体を備えて構成される燃料電池発電システムにおいて、燃料入口部から燃料極の間に設けられ、当該燃料極に供給される燃料の圧力を計測する圧力計測手段と、圧力計測手段により計測された燃料の圧力値に基づいて、燃料電池本体における最適発電負荷を算出し、かつ当該最適発電負荷となるように燃料極への燃料の供給量を調節することにより燃料電池本体の最適発電負荷を制御する制御手段とを備える。
【００１８】
従って、請求項１の発明の燃料電池発電システムにおいては、燃料入口部から燃料極の間に設けた圧力計測手段で、燃料極に供給される燃料の圧力が計測され、この燃料の圧力値に基づいて、制御手段で、燃料電池本体の最適発電負荷を算出して燃料極への燃料の供給量を調節することにより、燃料電池本体の最適発電負荷が制御される。
【００１９】
すなわち、燃料極への燃料の供給量に対して、燃料電池本体での燃料の消費量が過多の場合には、計測圧力が低下するため、制御によって発電負荷が下がることになる。この結果、燃料電池本体での燃料の消費量が低下し、計測圧力が復帰（上昇）する。
【００２０】
また、燃料極への燃料の供給量に対して、燃料電池本体での燃料の消費量が少ない場合には、計測圧力が上昇するため、制御によって発電負荷が上がることになる。この結果、燃料電池本体での燃料の消費量が上昇し、計測圧力が復帰（低下）する。
【００２１】
以上の制御により、燃料極へ供給される燃料が変動した場合でも、計測圧力が一定に保たれ、燃料極へ供給される燃料を全量消費して発電に寄与することができるため、消化ガスやバイオガス等の燃料に対して、より一層高効率でかつ無駄のない最適なシステムを構築することができる。
【００２２】
一方、電解質層を挟んで対向配置された燃料極および酸化剤極に燃料および酸化剤をそれぞれ供給し、これら燃料と酸化剤との電気化学反応により発電を行ない、当該発電された電力を負荷へ供給する燃料電池本体を備えた燃料電池発電システムと、燃料電池発電システムの燃料極へ燃料を供給する燃料供給設備とを備えて構成される発電システムにおいて、
請求項２の発明では、燃料電池発電システムの燃料入口部の上流側に設けられ、燃料電池発電システムの燃料極に供給される燃料の圧力を計測する圧力計測手段と、圧力計測手段により計測された燃料の圧力値に基づいて、燃料電池発電システムにおける最適発電負荷を算出し、かつ当該最適発電負荷となるように燃料極への燃料の供給量を調節することにより燃料電池発電システムの最適発電負荷を制御する制御手段とを備える。
【００２３】
従って、請求項２の発明の発電システムにおいては、燃料電池発電システムの燃料入口部の上流側、すなわち燃料電池発電システムの外部に設けた圧力計測手段で、燃料極に供給される燃料の圧力が計測され、この燃料の圧力値に基づいて、制御手段で、燃料電池発電システムの最適発電負荷を算出して燃料極への燃料の供給量を調節することにより、燃料電池本体の最適発電負荷が制御される。
【００２４】
すなわち、燃料極への燃料の供給量に対して、燃料電池発電システムでの燃料の消費量が過多の場合には、計測圧力が低下するため、制御によって発電負荷が下がることになる。この結果、燃料電池発電システムでの燃料の消費量が低下し、計測圧力が復帰（上昇）する。
【００２５】
また、燃料極への燃料の供給量に対して、燃料電池発電システムでの燃料の消費量が少ない場合には、計測圧力が上昇するため、制御によって発電負荷が上がることになる。この結果、燃料電池発電システムでの燃料の消費量が上昇し、計測圧力が復帰（低下）する。
【００２６】
以上の制御により、燃料極へ供給される燃料が変動した場合でも、計測圧力が一定に保たれ、燃料極へ供給される燃料を全量消費して発電に寄与することができるため、消化ガスやバイオガス等の燃料に対して、より一層高効率でかつ無駄のない最適なシステムを構築することができる。
【００２７】
また、請求項３の発明では、燃料電池発電システムの燃料電池本体入口部の上流側に設けられ、燃料を保持するための内容積可変式燃料ガス貯蔵設備容器と、内容積可変式燃料ガス貯蔵設備容器の容積を計測する容積計測手段と、容積計測手段により計測された容器の容積値に基づいて、燃料電池発電システムにおける最適発電負荷を算出し、かつ当該最適発電負荷となるように燃料極への燃料の供給量を調節することにより燃料電池発電システムの最適発電負荷を制御する制御手段とを備える。
【００２８】
従って、請求項３の発明の発電システムにおいては、燃料電池発電システムの燃料電池本体入口部の上流側に設けた内容積可変式燃料ガス貯蔵設備容器の容積が容積計測手段で計測され、この容積値に基づいて、制御手段で、燃料電池発電システムの最適発電負荷を算出して燃料極への燃料の供給量を調節することにより、燃料電池発電システムの最適発電負荷が制御される。
【００２９】
すなわち、燃料極への燃料の供給量に対して、燃料電池発電システムでの燃料の消費量が過多の場合には、内容積可変式燃料ガス貯蔵設備容器の計測容積が低下するため、制御によって発電負荷が下がることになる。この結果、燃料電池発電システムでの燃料の消費量が低下し、計測容積が復帰（上昇）する。
【００３０】
また、燃料極への燃料の供給量に対して、燃料電池発電システムでの燃料の消費量が少ない場合には、計測容積が上昇するため、制御によって発電負荷が上がることになる。この結果、燃料電池発電システムでの燃料の消費量が上昇し、計測容積が復帰（低下）する。
【００３１】
以上の制御により、燃料極へ供給される燃料が変動した場合でも、計測容積が一定に保たれ、燃料極へ供給される燃料を全量消費して発電に寄与することができるため、消化ガスやバイオガス等の燃料に対して、より一層高効率でかつ無駄のない最適なシステムを構築することができる。
【００３２】
さらに、請求項４の発明では、燃料供給設備から燃料電池発電システムの燃料極への燃料の供給量と燃料電池発電システムにおける燃料の消費量との偏差を、あらかじめ決められた一定時間内における積算値として認識する認識手段と、認識手段により認識された積算値に基づいて、燃料電池発電システムにおける最適発電負荷を算出し、かつ当該最適発電負荷となるように燃料極への燃料の供給量を調節することにより燃料電池発電システムの最適発電負荷を制御する制御手段とを備える。
【００３３】
従って、請求項４の発明の発電システムにおいては、認識手段で、燃料電池発電システムの燃料極への燃料の供給量と燃料電池発電システムにおける燃料の消費量との偏差が、あらかじめ決められた一定時間内における積算値として認識され、この積算値に基づいて、制御手段で、燃料電池発電システムの最適発電負荷を算出して燃料極への燃料の供給量を調節することにより、燃料電池発電システムの最適発電負荷が制御される。
【００３４】
以上の制御により、前記請求項２および請求項３の発明の場合と同様に、燃料極へ供給される燃料が変動した場合でも、燃料極へ供給される燃料を全量消費して発電に寄与することができるため、消化ガスやバイオガス等の燃料に対して、より一層高効率でかつ無駄のない最適なシステムを構築することができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
本発明は、燃料電池発電システムの燃料極の上流側に、燃料の供給量と燃料電池本体における燃料の消費量との偏差を、あらかじめ決められた一定時間内における積算値として積分式に認識する手段を設け、この認識された積算値に基づいて、燃料電池本体の発電負荷を制御するものである。
【００３６】
以下、上記のような考え方に基づく本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態による燃料電池発電システムの概要構成例を示すブロック図であり、図４と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００３７】
すなわち、図１に示すように、本実施の形態の燃料電池発電システム１３は、前記図４における負荷設定器１と、それによる負荷指令信号２、およびプラントコントローラ５を省略し、これに代えて新たに、燃料電池発電システム１３の内部における、燃料入口部８から改質器・燃料電池本体１０の燃料極までの間（本例では、燃料入口部８から燃料調節弁７までの間）の燃料配管９の途中に、体積固定式のバッファタンク１４と圧力伝送器１５と自力式減圧弁１７とからなる圧力計測手段を設け、さらにプラントコントローラ５´を設けた構成としている。
【００３８】
バッファタンク１４は、燃料を保持するためのものである。
圧力伝送器１５は、バッファタンク１４の圧力を計測することにより、改質器・燃料電池本体１０の燃料極に供給される燃料の圧力を計測し、圧力信号値１６をプラントコントローラ５´に出力伝送する。
【００３９】
自力式減圧弁１７は、自力で燃料配管９内の圧力を減圧するためのものである。
プラントコントローラ５´は、圧力伝送器１５により計測され伝送される圧力信号値１６に基づいて、改質器・燃料電池本体１０における最適発電負荷を算出し、かつこの最適発電負荷となるように燃料極への燃料の供給量を調節するための弁開度指令６を燃料調節弁７に出力することにより、改質器・燃料電池本体１０の最適発電負荷を制御する。
【００４０】
次に、以上のように構成した本実施の形態の燃料電池発電システムの作用について説明する。
図１において、燃料は、図示しない燃料供給設備に通じる燃料入口部８からバッファタンク１４に導入され、さらに自力式減圧弁１７、燃料調節弁７、燃料配管９を通って、改質器・燃料電池本体１０に供給され、ここで発電された直流電力１１は、インバータ３により交流に変換され、交流電力１２として図示しない負荷へ供給される。
【００４１】
ここで、燃料調節弁７を通って供給される燃料の流量に比べて、バッファタンク１４に流入する燃料の量が多い場合には、バッファタンク１４の圧力が上昇することになる。そして、このバッファタンク１４の圧力は、圧力伝送器１５によって計測され、圧力信号値１６としてプラントコントローラ５´に伝送される。
【００４２】
また、逆に、バッファタンク１４に流入する燃料の量が、燃料調節弁７を通って供給される燃料の流量に比べて少ない場合には、バッファタンク１４の圧力は低下することになる。
【００４３】
プラントコントローラ５´では、例えば図２に示すようなロジックにより、バッファタンク１４の負荷および改質器・燃料電池本体１０の発電負荷が制御される。
【００４４】
すなわち、バッファタンク１４の圧力信号値１６が、圧力設定上限値１８または圧力設定値下限値１９の範囲を外れた場合には、制御ブロック２０により、その外れた量に応じて、改質器・燃料電池本体１０の発電負荷が調節される。具体的には、圧力が高い場合には発電負荷が上げられ、圧力が低い場合には発電負荷が下げられる。
【００４５】
すなわち、燃料極への燃料の供給量に対して、改質器・燃料電池本体１０での燃料の消費量が少ない場合には、バッファタンク１４の圧力が上昇するため、プラントコントローラ５´の制御によって、その燃料増加量に見合った分だけ、改質器・燃料電池本体１０の発電負荷が自動的に上昇する。
【００４６】
また、燃料極への燃料の供給量に対して、改質器・燃料電池本体１０での燃料の消費量が過多の場合には、バッファタンク１４の圧力が下降するため、プラントコントローラ５´の制御によって、その燃料減少量に見合った分だけ、改質器・燃料電池本体１０の発電負荷が自動的に減少する。
【００４７】
なお、この場合、プラントコントローラ５´による改質器・燃料電池本体１０の発電負荷の制御は、具体的には、バッファタンク１４の圧力信号値１６と、圧力設定上限値１８または圧力設定値下限値１９との偏差を求め、さらにこれらの加算値に対して比例・微分・積分（ＰＩＤ）演算を行なって負荷指令２０を求め、インバータ３からの負荷信号４が負荷指令２０と等しくなるように、弁開度指令６を燃料調節弁７に出力することによって行なわれる。
【００４８】
以上の制御により、改質器・燃料電池本体１０の燃料極へ供給される燃料が変動しても、改質器・燃料電池本体１０の発電負荷が自動的に追従するため、システムが安定な運転状態を保ちながら、燃料を過不足なく全量消費することができる。
【００４９】
なお、バッファタンク１４の圧力が変動しても、自力式減圧弁１７の働きによって、燃料調節弁７の一次圧は常に一定に保たれ、安定した制御を行なうことができる。
【００５０】
上述したように、本実施の形態の燃料電池発電システムでは、燃料電池発電システム１３の内部における、燃料入口部８から改質器・燃料電池本体１０の燃料極の間に設けた圧力計測手段で、燃料極に供給される燃料の圧力を計測し、この燃料の圧力値１６に基づいて、プラントコントローラ５´で、改質器・燃料電池本体１０の最適発電負荷を算出して燃料極への燃料の供給量を調節することによって、改質器・燃料電池本体１０の最適発電負荷を制御するようにしているので、燃料極へ供給される燃料が変動した場合でも、計測圧力が一定に保たれ、燃料極へ供給される燃料を全量消費して発電に寄与することができるため、消化ガスやバイオガス等の燃料に対して、より一層高効率でかつ無駄のない最適なシステムを構築することが可能となる。
【００５１】
（第２の実施の形態）
図３は、本実施の形態による燃料電池発電システムの概要構成例を示すブロック図であり、図４と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００５２】
すなわち、図３に示すように、本実施の形態の発電システムは、前記図４における負荷設定器１を省略し、これに代えて新たに、燃料電池発電システム１３の外部における、燃料入口部８の上流側の燃料配管９の途中に、体積固定式のバッファタンク１４と圧力伝送器１５とからなる圧力計測手段を設け、さらに負荷調整用外部コントローラ２２を設けた構成としている。
【００５３】
バッファタンク１４は、燃料を保持するためのものである。
圧力伝送器１５は、バッファタンク１４の圧力を計測することにより、改質器・燃料電池本体１０の燃料極に供給される燃料の圧力を計測し、圧力信号値１６を負荷調整用外部コントローラ２２に出力伝送する。
【００５４】
負荷調整用外部コントローラ２２は、圧力伝送器１５により計測され伝送される圧力信号値１６に基づいて、改質器・燃料電池本体１０における最適発電負荷を算出し、かつこの最適発電負荷となるように燃料極への燃料の供給量を調節するための弁開度指令６を燃料調節弁７に出力することにより、改質器・燃料電池本体１０の最適発電負荷を制御する。
【００５５】
次に、以上のように構成した本実施の形態の燃料電池発電システムの作用について説明する。
図３において、燃料は、図示しない燃料供給設備からバッファタンク１４に導入され、燃料入口部８から燃料調節弁７、燃料配管９を通って、改質器・燃料電池本体１０に供給され、ここで発電された直流電力１１は、インバータ３により交流に変換され、交流電力１２として図示しない負荷へ供給される。
【００５６】
ここで、燃料調節弁７を通って供給される燃料の流量に比べて、バッファタンク１４に流入する燃料の量が多い場合には、バッファタンク１４の圧力が上昇することになる。そして、このバッファタンク１４の圧力は、圧力伝送器１５によって計測され、圧力信号値１６として負荷調整用外部コントローラ２２に伝送される。
【００５７】
また、逆に、バッファタンク１４に流入する燃料の量が、燃料調節弁７を通って供給される燃料の流量に比べて少ない場合には、バッファタンク１４の圧力は低下することになる。
【００５８】
負荷調整用外部コントローラ２２では、前記第１の実施の形態の場合と同様に、例えば図２に示すようなロジックにより、バッファタンク１４の負荷および改質器・燃料電池本体１０の発電負荷が制御される。
【００５９】
すなわち、バッファタンク１４の圧力信号値１６が、圧力設定上限値１８または圧力設定値下限値１９の範囲を外れた場合には、制御ブロック２０により、その外れた量に応じて、改質器・燃料電池本体１０の発電負荷が調節される。具体的には、圧力が高い場合には発電負荷が上げられ、圧力が低い場合には発電負荷が下げられる。
【００６０】
すなわち、燃料極への燃料の供給量に対して、改質器・燃料電池本体１０での燃料の消費量が少ない場合には、バッファタンク１４の圧力が上昇するため、負荷調整用外部コントローラ２２の制御によって、その燃料増加量に見合った分だけ、改質器・燃料電池本体１０の発電負荷が自動的に上昇する。
【００６１】
また、燃料極への燃料の供給量に対して、改質器・燃料電池本体１０での燃料の消費量が過多の場合には、バッファタンク１４の圧力が下降するため、負荷調整用外部コントローラ２２の制御によって、その燃料減少量に見合った分だけ、改質器・燃料電池本体１０の発電負荷が自動的に減少する。
【００６２】
なお、この場合、負荷調整用外部コントローラ２２による改質器・燃料電池本体１０の発電負荷の制御は、具体的には、バッファタンク１４の圧力信号値１６と、圧力設定上限値１８または圧力設定値下限値１９との偏差を求め、さらにこれらの加算値に対して比例・微分・積分（ＰＩＤ）演算を行なって負荷指令２０を求め、インバータ３からの負荷信号４が負荷指令２０と等しくなるように、弁開度指令６を燃料調節弁７に出力することによって行なわれる。
【００６３】
以上の制御により、改質器・燃料電池本体１０の燃料極へ供給される燃料が変動しても、改質器・燃料電池本体１０の発電負荷が自動的に追従するため、システムが安定な運転状態を保ちながら、燃料を過不足なく全量消費することができる。
【００６４】
上述したように、本実施の形態の燃料電池発電システムでは、燃料電池発電システム１３の外部における、燃料入口部８の上流側の燃料配管９の途中に設けた圧力計測手段で、燃料極に供給される燃料の圧力を計測し、この燃料の圧力値１６に基づいて、負荷調整用外部コントローラ２２で、改質器・燃料電池本体１０の最適発電負荷を算出して燃料極への燃料の供給量を調節することによって、改質器・燃料電池本体１０の最適発電負荷を制御するようにしているので、燃料極へ供給される燃料が変動した場合でも、計測圧力が一定に保たれ、燃料極へ供給される燃料を全量消費して発電に寄与することができるため、消化ガスやバイオガス等の燃料に対して、より一層高効率でかつ無駄のない最適なシステムを構築することが可能となる。
【００６５】
さらに、燃料電池発電システム１３の外部に、バッファタンク１４と、圧力伝送器１５と、負荷調整用外部コントローラ２２を設けたシステム構成としているため、前述した従来の燃料電池発電システム１３を改造することなく容易に実現することが可能である。
【００６６】
（第３の実施の形態）
前記第１および第２の実施の形態では、体積固定式のバッファタンク１４を用いて、燃料電池発電システム１３の改質器・燃料電池本体１０の燃料極へ供給される燃料の変動を圧力変化という形で認識する場合について説明したが、これに限らず、内容積可変式の燃料ガス貯蔵設備容器を用いて、燃料電池発電システム１３の改質器・燃料電池本体１０の燃料極へ供給される燃料の変動を容積変化という形で認識し、これに基づいて改質器・燃料電池本体１０の発電負荷を制御する構成としてもよい。
【００６７】
すなわち、この場合には、例えば図３に示す前記第２の実施の形態の発電システムにおける圧力計測手段に代えて、燃料電池発電システム１３の改質器・燃料電池本体１０入口部の上流側に、燃料を保持するための内容積可変式燃料ガス貯蔵設備容器と、この内容積可変式燃料ガス貯蔵設備容器の容積を計測する容積計測手段をそれぞれ設け、さらに前記負荷調整用外部コントローラ２２に代えて、容積計測手段により計測された容器の容積値に基づいて、燃料電池発電システム１３における最適発電負荷を算出し、かつこの最適発電負荷となるように改質器・燃料電池本体１０の燃料極への燃料の供給量を調節することにより燃料電池発電システム１３の最適発電負荷を制御するコントローラを設ける構成とすればよい。
【００６８】
以上のような構成の発電システムにおいても、前記第２の実施の形態の場合と同様の作用および効果を得ることが可能である。
（第４の実施の形態）
前記第１および第２の実施の形態、または第３の実施の形態では、体積固定式のバッファタンク１４を用いて、燃料電池発電システム１３の改質器・燃料電池本体１０の燃料極へ供給される燃料の変動を、圧力変化、または容積変化という形で認識する場合について説明したが、これらの方法以外に、何らかの手段で燃料電池発電システム１３の改質器・燃料電池本体１０の燃料極への燃料供給量と、燃料電池発電システム１３による燃料消費量との偏差を積分式に認識し、これに基づいて改質器・燃料電池本体１０の発電負荷を制御する構成としてもよい。
【００６９】
すなわち、この場合には、例えば図３に示す前記第２の実施の形態の発電システムにおける圧力計測手段に代えて、図示しない燃料供給設備から燃料電池発電システム１３の改質器・燃料電池本体１０の燃料極への燃料の供給量と、燃料電池発電システム１３の改質器・燃料電池本体１０における燃料の消費量との偏差を、あらかじめ決められた一定時間内における積算値として認識する認識手段を設け、さらに前記負荷調整用外部コントローラ２２に代えて、認識手段により認識された積算値に基づいて、燃料電池発電システム１３における最適発電負荷を算出し、かつこの最適発電負荷となるように改質器・燃料電池本体１０の燃料極への燃料の供給量を調節することにより燃料電池発電システム１３の最適発電負荷を制御するコントローラを設ける構成とすればよい。
以上のような構成の発電システムにおいても、前記第２および第３の実施の形態の場合と同様の作用および効果を得ることが可能である。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の燃料電池発電システムおよび発電システムによれば、燃料極へ供給される燃料が変動した場合でも、燃料極へ供給される燃料を全量消費して発電に寄与することができるため、消化ガスやバイオガス等の燃料に対して、より一層高効率でかつ無駄のない最適なシステムを構築することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池発電システムの第１の実施の形態を示すブロック図。
【図２】同第１の実施の形態の燃料電池発電システムにおけるプラントコントローラの制御ブロックの一例を示すロジック図。
【図３】本発明による発電システムの第２の実施の形態を示すブロック図。
【図４】従来の燃料電池発電システムの概要構成例を示すブロック図。
【符号の説明】
２…負荷指令信号、
３…インバータ、
４…負荷信号、
５´…プラントコントローラ、
６…弁開度指令、
７…燃料調節弁、
８…燃料入口部、
９…燃料配管、
１０…改質器／燃料電池本体、
１１…直流電力、
１２…交流電力、
１３…燃料電池発電システム、
１４…バッファタンク、
１５…圧力伝送器、
１６…圧力信号値、
１７…自力式減圧弁、
１８…圧力設定上限値、
１９…圧力設定下限値、
２０…制御ブロック、
２１…負荷指令、
２２…負荷調整用外部コントローラー。
Claims (4)
- 電解質層を挟んで対向配置された燃料極および酸化剤極に燃料および酸化剤をそれぞれ供給し、これら燃料と酸化剤との電気化学反応により発電を行ない、当該発電された電力を負荷へ供給する燃料電池本体を備えて構成される燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料入口部から前記燃料極の間に設けられ、当該燃料極に供給される前記燃料の圧力を計測する圧力計測手段と、
前記圧力計測手段により計測された燃料の圧力値に基づいて、前記燃料電池本体における最適発電負荷を算出し、かつ当該最適発電負荷となるように前記燃料極への燃料の供給量を調節することにより前記燃料電池本体の最適発電負荷を制御する制御手段と、
を備えて成ることを特徴とする燃料電池発電システム。 - 電解質層を挟んで対向配置された燃料極および酸化剤極に燃料および酸化剤をそれぞれ供給し、これら燃料と酸化剤との電気化学反応により発電を行ない、当該発電された電力を負荷へ供給する燃料電池本体を備えた燃料電池発電システムと、前記燃料電池発電システムの燃料極へ燃料を供給する燃料供給設備とを備えて構成される発電システムにおいて、
前記燃料電池発電システムの燃料入口部の上流側に設けられ、前記燃料電池発電システムの燃料極に供給される前記燃料の圧力を計測する圧力計測手段と、
前記圧力計測手段により計測された燃料の圧力値に基づいて、前記燃料電池発電システムにおける最適発電負荷を算出し、かつ当該最適発電負荷となるように前記燃料極への燃料の供給量を調節することにより前記燃料電池発電システムの最適発電負荷を制御する制御手段と、
を備えて成ることを特徴とする発電システム。 - 電解質層を挟んで対向配置された燃料極および酸化剤極に燃料および酸化剤をそれぞれ供給し、これら燃料と酸化剤との電気化学反応により発電を行ない、当該発電された電力を負荷へ供給する燃料電池本体を備えた燃料電池発電システムと、前記燃料電池発電システムの燃料極へ燃料を供給する燃料供給設備とを備えて構成される発電システムにおいて、
前記燃料電池発電システムの燃料電池本体入口部の上流側に設けられ、前記燃料を保持するための内容積可変式燃料ガス貯蔵設備容器と、
前記内容積可変式燃料ガス貯蔵設備容器の容積を計測する容積計測手段と、
前記容積計測手段により計測された容器の容積値に基づいて、前記燃料電池発電システムにおける最適発電負荷を算出し、かつ当該最適発電負荷となるように前記燃料極への燃料の供給量を調節することにより前記燃料電池発電システムの最適発電負荷を制御する制御手段と、
を備えて成ることを特徴とする発電システム。 - 電解質層を挟んで対向配置された燃料極および酸化剤極に燃料および酸化剤をそれぞれ供給し、これら燃料と酸化剤との電気化学反応により発電を行ない、当該発電された電力を負荷へ供給する燃料電池本体を備えた燃料電池発電システムと、前記燃料電池発電システムの燃料極へ燃料を供給する燃料供給設備とを備えて構成される発電システムにおいて、
前記燃料供給設備から前記燃料電池発電システムの燃料極への燃料の供給量と前記燃料電池発電システムにおける燃料の消費量との偏差を、あらかじめ決められた一定時間内における積算値として認識する認識手段と、
前記認識手段により認識された積算値に基づいて、前記燃料電池発電システムにおける最適発電負荷を算出し、かつ当該最適発電負荷となるように前記燃料極への燃料の供給量を調節することにより前記燃料電池発電システムの最適発電負荷を制御する制御手段と、
を備えて成ることを特徴とする発電システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24153798A JP3808636B2 (ja) | 1998-08-27 | 1998-08-27 | 燃料電池発電システムおよび発電システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24153798A JP3808636B2 (ja) | 1998-08-27 | 1998-08-27 | 燃料電池発電システムおよび発電システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000067894A JP2000067894A (ja) | 2000-03-03 |
| JP3808636B2 true JP3808636B2 (ja) | 2006-08-16 |
Family
ID=17075837
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24153798A Expired - Fee Related JP3808636B2 (ja) | 1998-08-27 | 1998-08-27 | 燃料電池発電システムおよび発電システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3808636B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7842428B2 (en) | 2004-05-28 | 2010-11-30 | Idatech, Llc | Consumption-based fuel cell monitoring and control |
| US8277997B2 (en) | 2004-07-29 | 2012-10-02 | Idatech, Llc | Shared variable-based fuel cell system control |
| JP4977947B2 (ja) * | 2004-07-16 | 2012-07-18 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池システム |
| US7887958B2 (en) | 2006-05-15 | 2011-02-15 | Idatech, Llc | Hydrogen-producing fuel cell systems with load-responsive feedstock delivery systems |
| US9002164B2 (en) | 2013-02-28 | 2015-04-07 | Fujikura Ltd. | Optical fiber and method of manufacturing the same |
-
1998
- 1998-08-27 JP JP24153798A patent/JP3808636B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2000067894A (ja) | 2000-03-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6846919B2 (ja) | 燃料電池システム、その運転方法、および燃料電池発電プラント | |
| KR20170134235A (ko) | 연료 전지 시스템 및 그 동작 방법 | |
| JP2006032262A (ja) | 燃料電池システム及び制御方法 | |
| US20130288147A1 (en) | Method and regulation apparatus for regulating a fuel cell or a fuel cell stack | |
| JPH08153532A (ja) | 燃料電池発電システムの運転制御方法 | |
| CN103887543A (zh) | 一种固体氧化物燃料电池装置的热管理方法 | |
| KR100661920B1 (ko) | 부하대응 운전이 가능한 연료전지 및 그 운전 방법 | |
| JP4325270B2 (ja) | 燃料電池発電装置の運転制御方法 | |
| JP3808636B2 (ja) | 燃料電池発電システムおよび発電システム | |
| JP2005536850A (ja) | 低温燃料電池発電装置における燃料処理器での蒸気発生のための燃料制御 | |
| JP2008159517A (ja) | 固体酸化物形燃料電池発電システムとその運転制御方法 | |
| JP3930426B2 (ja) | 燃料電池複合発電システム | |
| JP4622244B2 (ja) | 燃料電池発電装置の運転制御方法 | |
| JPS6229868B2 (ja) | ||
| US20080131743A1 (en) | Fuel Cell System and Associated Control Method | |
| JP5606228B2 (ja) | 燃料電池発電システムおよびその制御方法 | |
| JP2004185961A (ja) | 燃料電池発電装置の運転方法 | |
| JP2001250572A (ja) | 燃料電池発電システム | |
| JP2814706B2 (ja) | 燃料電池発電装置 | |
| JPS6229867B2 (ja) | ||
| KR20200002389A (ko) | 엔진 발전량을 시스템 구동에 사용하는 연료전지-엔진 하이브리드 발전 시스템 | |
| KR100987175B1 (ko) | 연료전지 시스템 및 그 연료 공급 방법 | |
| JPS6345762A (ja) | 燃料電池発電プラント | |
| JPH0824054B2 (ja) | 燃料電池発電プラントとその制御方法 | |
| JP3882999B2 (ja) | 燃料電池発電装置とその運転制御方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20040406 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20060104 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20060516 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20060518 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090526 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100526 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110526 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110526 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120526 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120526 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130526 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130526 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140526 Year of fee payment: 8 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |