JP3939978B2 - Fuel cell power generation system and operation method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電システムおよびその運転方法に関し、詳しくは、他系統電源から負荷へ電力を供給する電力供給ラインに燃料電池に由来する出力電力を供給可能な燃料電池発電システムおよびその運転方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、コージェネレーションシステムとして、環境問題を考慮して燃料電池を組み入れた発電システムが提案されている。また、燃料電池としては、電解質膜とこの電解質膜を狭持するアノード電極およびカソード電極とこのアノード電極およびカソード電極に燃料ガスと空気とを供給すると共にセル間の隔壁をなすセパレータとからなる単セルを複数積層してなる固体高分子電解質型の燃料電池が知られている。このような固体高分子電解質型の燃料電池の運転制御として、特開平7−272736号公報には、燃料電池からの出力電力を負荷に供給する際に燃料電池の出力電圧をモニタし、その出力電圧が異常に低いときには負荷に与える電流を遮断する制御が開示されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の公報に記載された燃料電池の運転制御では、燃料電池の出力電圧が異常に低いときには負荷に与える電流を遮断してしまうため、コージェネレーションシステムとしての作動状況に支障が生じることがある。
【0004】
本発明は、上述の課題に鑑みなされたものであり、燃料電池の出力電圧が降下したときに作動状況に大きな影響を与えることなく対処することのできる燃料電池発電システムおよびその運転方法を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述した目的を達成するために、本発明の第1は、他系統電源から負荷へ電力を供給する電力供給ラインに燃料電池に由来する出力電力を供給可能な燃料電池発電システムであって、
前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
前記燃料電池に由来する出力電力を所定の目標電力値となるように制御する電力制御手段と、
前記燃料電池に由来する出力電力が前記目標電力値に制御されているときに前記燃料電池の出力電圧が降下したか否かを判定する電圧降下判定手段と
を備え、
前記電力制御手段は、前記電圧降下判定手段によって前記燃料電池の出力電圧が降下したと判定されたときには、前記燃料電池に由来する出力電力を前記目標電力値よりも低い暫定電力値となるように制御し、前記燃料電池に由来する出力電力が前記暫定電力値で安定したあと、前記燃料電池に由来する出力電力が元の前記目標電力値に略一致するよう制御する手段であり、
前記暫定電力値は、前記燃料電池の出力電圧の降下幅が大きいほど低くなるように段階的に定められるものである。
【0006】
この燃料電池発電システムでは、燃料電池に由来する出力電力を所定の目標電力値となるように制御しているときに燃料電池の出力電圧が降下したか否かを判定し、燃料電池の出力電圧が降下したと判定されたときには燃料電池の出力電圧が安定するまで燃料電池に由来する出力電力を目標電力値よりも低い暫定電力値となるように制御する。即ち、燃料電池の出力電圧の降下は一時的に見られることが多いため、燃料電池の出力電力を一時的に低く下げて燃料電池の出力電圧が安定化するのを待つ。したがって、この燃料電池発電システムによれば、燃料電池の出力電圧が降下したときに作動状況に大きな影響を与えることなく対処することができる。また、暫定電力値は、燃料電池の出力電圧の降下幅に応じて段階的に定められているため、出力電圧の降下幅に応じた適切な暫定電力値を定めることができる。この暫定電力値は、燃料電池の出力電圧の降下幅が大きいほど低くなるように定められている。降下幅が大きいと燃料電池の出力電圧が安定しにくい傾向にあるため、暫定電力値を低くしてできるだけ早く燃料電池の出力電圧を安定化させる一方、降下幅が小さいと燃料電池の出力電圧が安定しやすい傾向にあるため、暫定電力値を目標電力値に近い値にしてできるだけ早く元の目標電力値に戻す。なお、燃料電池の出力電圧の降下幅は、例えば燃料電池の出力電圧が降下したか否かを基準電圧値と出力電圧との差である電圧降下度によって判定する場合にはその電圧降下度の大きさであり、出力電圧の時間微分値によって判定する場合にはその時間微分値の大きさである。
【0007】
なお、「燃料電池の出力電圧」は、複数の単セルがスタックされた燃料電池の場合にはスタック電圧(複数の単セルを挟み込んだ集電板間の電圧)であってもよいし、各セルごとのセル電圧であってもよい。
【0008】
この燃料電池発電システムにおいて、前記電力制御手段は、前記燃料電池に由来する出力電力を前記目標電力値よりも低い暫定電力値となるように制御することにより前記燃料電池の出力電圧が安定したあと、前記燃料電池に由来する出力電力を予め定められた微少量ずつ段階的に上げることにより元の前記目標電力値に略一致させるようにしてもよい。こうすれば、燃料電池の燃料ガスの供給量を増加するのに応答遅れが生じるような場合であっても、燃料電池に由来する出力電力を元の目標電力値までスムーズに戻すことができる。特に、燃料電池が炭化水素系燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質部から燃料ガスの供給を受ける場合、燃料ガスの供給量を増加するには改質部への炭化水素系燃料の供給量を増やす必要があり応答遅れが生じやすいため、燃料電池に由来する出力電力を徐々に上げて元の目標電力値に戻す意義が大きい。
【0009】
この燃料電池発電システムにおいて、前記電圧降下判定手段は、前記電力制御手段によって前記燃料電池に由来する出力電力が前記目標電力値に制御されているときに前記燃料電池の出力電圧が所定の基準電圧値よりも小さくなったか否かにより前記燃料電池の出力電圧が降下したか否かを判定するようにしてもよい。こうすれば、燃料電池の出力電圧と所定の基準電圧値とを比較することにより容易に出力電圧が降下したか否かを判定できる。このとき、燃料電池は温度などの運転条件に応じて出力特性が変わることが多いことから、燃料電池の運転条件ごとに基準電圧値を設定しておくことが好ましいが、そのように基準電圧値を設定する作業は煩雑である。そこで、基準電圧値は、電力制御手段によって燃料電池に由来する出力電力が目標電力値に制御されているときに安定していた燃料電池の出力電圧とすることが好ましい。こうすれば、そのときの運転条件における最適な基準電圧値を容易に設定することができるため、燃料電池の出力電圧が降下したか否かの判定を適切に行うことができる。
【0010】
この燃料電池発電システムにおいて、前記電圧降下判定手段は、前記電力制御手段によって前記燃料電池に由来する出力電力が前記目標電力値に制御されているときに前記燃料電池の出力電圧の時間微分値が所定のしきい値よりも小さくなったか否かにより前記燃料電池の出力電圧が降下したか否かを判定するようにしてもよい。こうすれば、燃料電池の出力電圧の時間変化に応じて燃料電池の出力電圧が降下したか否かの判定を行うため、燃料電池の出力電圧が降下したことを比較的迅速に捉えることができる。
【0012】
この燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池からの直流電力を前記電力供給ラインに供給する所望の電力に変換する電力変換手段を備え、前記燃料電池に由来する出力電力は、前記電力変換手段によって変換された後の電力としてもよい。こうすれば、電力変換手段によって変化された後の電力(例えば交流電力)を目標電力値となるように制御することができる。
【0013】
本発明の第2は、他系統電源から負荷へ電力を供給する電力供給ラインに燃料電池に由来する出力電力を供給可能な燃料電池発電システムの運転方法であって、
前記燃料電池に由来する出力電力を所定の目標電力値となるように制御しているときに前記燃料電池の出力電圧が降下したか否かを判定し、前記燃料電池の出力電圧が降下したと判定されたときには、前記燃料電池に由来する出力電力を前記目標電力値よりも低い暫定電力値となるように制御し、前記燃料電池に由来する出力電力が前記暫定電力値で安定したあと、前記燃料電池に由来する出力電力が元の前記目標電力値に略一致するよう制御するものであり、前記暫定電力値は、前記燃料電池の出力電圧の降下幅が大きいほど低くなるように段階的に定められるものである。この燃料電池発電システムの運転方法によれば、燃料電池の出力電圧が降下したときに作動状況に大きな影響を与えることなく対処することができる。
【0014】
この燃料電池発電システムの運転方法において、前記燃料電池に由来する出力電力を前記目標電力値よりも低い暫定電力値となるように制御することにより前記燃料電池の出力電圧が安定したあと、前記燃料電池に由来する出力電力を予め定められた微少量ずつ段階的に上げることにより元の前記目標電力値に略一致させるようにしてもよい。こうすれば、例えば燃料電池の燃料ガスの供給量を増加するのに応答遅れが生じるような場合であっても、燃料電池に由来する出力電力をもとの目標電力値までスムーズに戻すことができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の好適な一実施形態を図面に基づいて説明する。図1は、燃料電池発電システム20の構成の概略を示す構成図である。この燃料電池発電システム20は、図示するように、ガス配管22から都市ガス(13A)の供給を受けて都市ガスを水素リッチな改質ガスに改質する改質器30と、改質ガス中の一酸化炭素を低減して燃料ガスとするCO選択酸化部34と、燃料ガスと空気との供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池40と、燃料電池40の冷却水と貯湯槽44の低温水との熱交換を行う熱交換器42と、燃料電池40からの直流電力の電圧および電流を調整して所望の直流電力に変換するDC/DCコンバータ52と、変換された直流電力を商用電源10と同位相の交流電力に変換して商用電源10から遮断器14を介して負荷16へ電力を供給する電力ライン12に遮断器55を介して供給するインバータ54と、電圧または電流が調整された直流電力の一部を降圧して補機電源として機能するDC/DCコンバータ56と、負荷16で消費する負荷電力を検出する負荷電力計58と、システム全体をコントロールする電子制御ユニット60とを備える。
【0016】
改質器30は、ガス配管22から調節弁24と昇圧ポンプ26と硫黄分を除く脱硫器27とを介して供給される都市ガスと図示しない配管により供給される水蒸気とによる次式(1)および次式(2)の水蒸気改質反応およびシフト反応により水素リッチな改質ガスを生成する。改質器30には、こうした反応に必要な熱を供給する燃焼部32が設けられており、燃焼部32にはガス配管22から調節弁24と昇圧ポンプ28とを介して都市ガスが供給されるようになっている。また、燃焼部32には、燃料電池40のアノード側の排出ガス(アノードオフガス)が供給され、アノードオフガス中の未反応の水素を燃料として用いることができるようになっている。
【0017】
【数1】
CH4+H2O→CO+3H2 (1)
CO+H2O→CO2+H2 (2)
【0018】
CO選択酸化部34は、図示しない配管による空気の供給を受けて水素の存在下で一酸化炭素を選択して酸化する一酸化炭素選択酸化触媒(例えば白金とルテニウムの合金による触媒)により、改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化して一酸化炭素濃度が極めて低い(本実施形態では数ppm程度)水素リッチな燃料ガスとする。
【0019】
燃料電池40は、電解質膜とこの電解質膜を狭持するアノード電極およびカソード電極とこのアノード電極およびカソード電極に燃料ガスと空気とを供給すると共にセル間の隔壁をなすセパレータとからなる単セルを複数積層してなる固体高分子型の燃料電池として構成されており、CO選択酸化部34からの燃料ガス中の水素とブロア41からの空気中の酸素とによる電気化学反応によって発電する。また、燃料電池40は複数積層した単セルを挟み込む一対の集電板を備えており、両集電板間の直流電圧を検出する電圧計51を備えている。燃料電池40には循環する冷却水の流路が形成されており、冷却水を循環させることによって適温(本実施形態では、80〜90℃程度)に保持される。この冷却水の循環流路には、熱交換器42が設けられており、燃料電池40の冷却水との熱交換により貯湯槽44からポンプ46により供給される低温水が加温されて貯湯槽44に貯湯されるようになっている。
【0020】
燃料電池40の図示しない出力端子は、DC/DCコンバータ52,インバータ54,遮断器55を介して商用電源10から負荷16への電力ライン12に接続されており、燃料電池40からの直流電力が商用電源10と同位相の交流電力に変換されて商用電源10からの交流電力に付加されて負荷16に供給できるようになっている。DC/DCコンバータ52やインバータ54は、一般的なDC/DC/コンバータ回路やインバータ回路として構成されているから、その詳細な説明は省略する。なお、負荷16は、遮断器18を介して電力ライン12に接続されている。
【0021】
DC/DCコンバータ52の出力側から分岐した電力ラインには、調節弁24のアクチュエータや昇圧ポンプ26,28,ブロア41,ポンプ46などの補機に直流電力を供給する直流電源として機能するDC/DCコンバータ56が接続されている。
【0022】
電子制御ユニット60は、CPU62を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、CPU62の他に処理プログラムを記憶するROM64と、データを一時的に記憶するRAM66と、時間の計測を行うタイマ68と、図示しない入出力ポートおよび通信ポートとを備える。電子制御ユニット60には、電圧計51からの燃料電池40の出力電圧Vfc、図示しないインバータ54内の電流センサや電圧センサからの出力電流や電圧,負荷電力計58からの負荷電力Po,改質器30やCO選択酸化部34,燃料電池40に取り付けられた図示しない温度センサからの各温度などが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット60からは、調節弁24のアクチュエータや昇圧ポンプ26,28,ブロア41,循環ポンプ43,ポンプ46などへの駆動信号や燃焼部32への点火信号,DC/DCコンバータ52やDC/DCコンバータ56への制御信号,インバータ54へのスイッチング制御信号,遮断器55への駆動信号などが出力ポートを介して出力されている。
【0023】
次に、こうして構成された燃料電池発電システム20の動作について説明する。図2は定電力制御プログラムの一例を示すフローチャートであり、図3は所定タイミング(例えば8msec毎)で割込処理される電圧降下対処プログラムの一例を示すフローチャートである。
【0024】
定電力制御プログラムは、電子制御ユニット60のROM64に記録されている。電子制御ユニット60は、暖機が終わって通常運転に移ると、この定電力制御プログラムをROM64から読み出してメイン処理として実行する。この定電力制御プログラムの処理が開始されると、電子制御ユニット60のCPU62は、まず、運転モードを読み出す(ステップS100)。運転モードとしては、Highモード,Midモード,Lowモードの3段階のモードが用意され、各モードに対応してインバータ54から電力ライン12に出力される電力f(M)(=Pih or Pim or Pil)が設定されている。運転モードは、負荷電力Poがどの運転モードMpに属するかの判定結果に基づいて決定される。負荷電力Poが属する運転モードMpの判定は、負荷電力Poと各モードに対応して設定されている電力f(M)の比較により行われ、具体的には、負荷電力PoがHighモードに対応する電力Pih以上のときにはHighモードと判定し、負荷電力PoがMidモードに対応する電力Pim以上で電力Pih未満のとにきはMidモードと判定し、負荷電力Poが電力Pim未満のときにはLowモードと判定し、この判定結果に基づいて運転モードMが決定されてRAM66の所定領域に保存される。したがって、ステップS100では、運転モードMが保存されているRAM66の所定領域から現在の運転モードMを読み出す。
【0025】
続いて、電子制御ユニット60のCPU62は、運転モードMに応じて定められた電力f(M)を目標出力電力P*として、燃料電池40からの直流電力がインバータ54で変換されて電力ライン12に供給される交流電力が目標出力電力P*となるように、都市ガスの調節弁24や昇圧ポンプ26を制御することにより燃料電池40への燃料ガスの供給量を制御したり、ブロア41を制御することにより酸化ガスの供給量を制御したり、DC/DCコンバータ52やインバータ54を制御したりする(ステップS110)。本実施形態では、燃料ガスや酸化ガスの供給量を増加する場合には応答遅れを考慮して段階的に徐々に目標とする供給量まで増加するように制御し、DC/DCコンバータ52についてはインバータ54へ出力する直流電圧が定電圧となるように制御し、インバータ54については出力する交流電力が定電力となるように制御する。
【0026】
その後、インバータ54から出力される交流電力が目標出力電力P*と一致したか否か、即ち交流電力が目標出力電力P*の所定の許容範囲内に収まったか否かを判定し(ステップS120)、一致していないときにはステップS110に戻り、一致したときには燃料電池40の出力電圧Vfcを電圧計51から読み込み、その出力電圧Vfcが安定しているか否かを判定する(ステップS130)。本実施形態では、所定時間継続して燃料電池40の出力電圧Vfcが所定範囲内に収まった時点で出力電圧Vfcが安定したと判定している。そして、ステップS130で出力電圧Vfcが安定していないときには再びステップS110に戻り、出力電圧Vfcが安定したときにはそのときの出力電圧Vfcを基準電圧値VsとしてRAM66の所定領域に保存し(ステップS140)、その後再びS100に戻る。
【0027】
次に、図3に例示する電圧降下対処プログラムについて説明する。この電圧降下対処プログラムが割込処理として実行されると、電子制御ユニット60のCPU62は、まず、燃料電池40の出力電圧Vfcを電圧計51から読み込み(ステップS200)、続いて基準電圧値Vsから出力電圧Vfcを減じた値を電圧降下度△Vとし(ステップS210)、その電圧降下度△Vの降下幅に応じて目標出力電力の下げ幅を段階的に決定する。ここでは、電圧降下度△Vの降下幅を判定する判定値としてV0,V1,V2,V3(V0>V1>V2>V3)が予めROM64に記憶され、降下幅に応じた目標出力電力の下げ幅W1,W2,W3(W1>W2>W3)も予めROM64に記憶されている。
【0028】
電子制御ユニット60のCPU62は、電圧降下度△Vが判定値V0を越えるか否かを判定し(ステップS220)、越えるとき即ち降下幅が極めて大きいときには、暫定出力電力値をゼロとし、これを目標出力電力P*に設定する(ステップS230)。一方、ステップS220で電圧降下度△Vが判定値V0以下のときには、その電圧降下度△Vが判定値V1を越えるか否かを判定し(ステップS240)、越えるとき即ち降下幅が大きいときには、暫定出力電力値を現在のモードMに対応して設定されている電力f(M)から下げ幅W1だけ減じた値とし、これを目標出力電力P*に設定する(ステップS250)。一方、ステップS240で電圧降下度△Vが判定値V1以下のときには、その電圧降下度△Vが判定値V2を越えるか否かを判定し(ステップS260)、越えるとき即ち降下幅が中程度のときには、暫定出力電力値を電力f(M)から下げ幅W2だけ減じた値とし、これを目標出力電力P*に設定する(ステップS270)。一方、ステップS260で電圧降下度△Vが判定値V2以下のときには、その電圧降下度△Vが判定値V3を越えるか否かを判定し(ステップS280)、越えるとき即ち降下幅が小さいときには、暫定出力電力値を電力f(M)から下げ幅W3だけ減じた値とし、これを目標出力電力P*に設定する(ステップS290)。一方、電圧降下度△Vが判定値V3以下のとき即ち降下幅が許容範囲内にあるときには、そのままこのプログラムを終了する。このように、電圧降下度△Vの降下幅に応じて目標出力電力P*が設定され、降下幅が大きいほど目標出力電力P*の下げ幅が大きく設定される。
【0029】
そして、電子制御ユニット60のCPU62は、ステップS230,S250,270,S290の後、インバータ54からの交流出力が目標出力電力P*となるように、都市ガスの調節弁24や昇圧ポンプ26を制御することにより燃料電池40への燃料ガスの供給量を制御したり、ブロア41を制御することにより酸化ガスの供給量を制御したり、DC/DCコンバータ52やインバータ54を制御したりする(ステップS300)。続いて、燃料電池40の出力電圧Vfcが安定したか否かを判定し(ステップS310)、出力電圧Vfcが安定していないときには再びステップS300に戻り、出力電圧Vfcが安定したときには目標出力電力P*を微少量△Pだけ増加させ(ステップS320)、増加後の目標出力電力P*が電力f(M)に達したか否かを判定し(ステップS330)、達していないときには再びステップS300に戻り、達したときにはこの割込処理を終了する。その後、メイン処理として図2の定電力制御プログラムが実行され、電力f(M)を目標出力電力P*として定電力制御が行われる。
【0030】
ここで、本実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係を明らかにする。本実施形態の電圧計51が本発明の電圧検出手段に相当し、電子制御ユニット60が電圧制御手段および電圧降下判定手段に相当し、DC/DCコンバータ52およびインバータ54が電力変換手段に相当する。
【0031】
以上説明した本実施形態の燃料電池発電システム20によれば、燃料電池40の出力電圧Vfcの降下は一時的に見られることが多いため、燃料電池40からの直流電力がインバータ54で変換されて電力ライン12に供給される交流電力を一時的に目標出力電力P*を電力f(M)よりも低く下げて燃料電池40の出力電圧Vfcが安定化するのを待つ。したがって、燃料電池40の出力電圧Vfcが降下したときにシステム全体の作動状況に大きな影響を与えずに対処することができる。
【0032】
また、インバータ54からの交流電力を暫定出力電力値となるように制御することにより燃料電池40の出力電圧Vfcが安定したあと、インバータ54からの交流電力を徐々に上げることにより元の目標電力値である電力f(M)に略一致させるため、燃料電池40の燃料ガスの供給量を増加するのに応答遅れが生じるような場合であっても、インバータ54からの交流電力を電力f(M)までスムーズに戻すことができる。特に燃料電池40は、都市ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する改質器30から燃料ガスが供給されることから、燃料ガスの供給量を増加するには改質器30への都市ガスの供給量を増やす必要があり応答遅れが生じやすいため、インバータ54からの交流電力を徐々に上げて元の電力f(M)に戻す意義が大きい。
【0033】
更に、燃料電池40の出力電圧Vfcが基準電圧値Vsよりも小さくなったか否かにより出力電圧Vfcが降下したか否かを判定するため容易に出力電圧が降下したか否かを判定できるし、インバータ54からの交流電力が電力f(M)に制御されているときに安定していた出力電圧Vfcを基準電圧値Vsとしているため、そのときの運転条件における最適な基準電圧値Vsを容易に設定することができ、出力電圧Vfcが降下したか否かの判定を適切に行うことができる。
【0034】
更にまた、暫定出力電力値は、出力電圧Vfcの降下幅に応じて段階的に定められ、具体的には降下幅が大きいほど低くなるように定められている。即ち、降下幅が大きいときには燃料電池40の出力電圧Vfcが安定しにくい傾向にあるため、暫定出力電力値を低くすることにより、できるだけ早く燃料電池の出力電圧を安定化させることができる。また、降下幅が小さいときには燃料電池の出力電圧Vfcが安定しやすい傾向にあるため、暫定出力電力値をモードMに対応する電力f(M)に近い値にすることにより、できるだけ早く元の電力f(M)に戻すことができる。
【0035】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【0036】
例えば、上述した実施形態では、燃料電池の出力電圧Vfcとしてスタック電圧を採用したが各セルごとのセル電圧を採用してもよいし、また、インバータ54からの交流電力を目標出力電力P*となるように制御したが、燃料電池からの直流電力が定電力となるように制御してもよい。
【0037】
また、上述した実施形態では、燃料電池40の出力電圧Vfcと基準電圧値Vsとを比較して出力電圧Vfcが降下したか否かを判定したが、燃料電池40の出力電圧Vfcの時間微分値が所定のしきい値よりも小さくなったか否かにより出力電圧Vfcが降下したか否かを判定するようにしてもよく、こうすれば出力電圧Vfcが降下したことを比較的迅速に捉えることができる。このとき、暫定出力電力値は、時間微分値の大きさに応じて段階的に定められている。具体的には時間微分値(負の値)の絶対値が大きいほど低くなるように定められている。
【0038】
更に、上述した実施形態のステップS310において、燃料電池40の出力電圧Vfcが安定したか否かの判定は、例えばステップS130と同様に、所定時間継続して燃料電池40の出力電圧Vfcが所定範囲内に収まったとき、つまり時間変化に対する出力電圧変化が小さいときに安定したと判定してもよいが、時間変化に対する出力電圧変化が小さいという条件と、燃料電池40の各単セルの電圧をモニタして各単セルの電圧のバラツキが小さいという条件の両方を満たしたときに出力電圧Vfcが安定したと判定することが好ましい。このとき、各単セルの電圧のバラツキが小さいか否かは、例えば各単セルの電圧のうち最大値と最小値の差を求め、その差が所定範囲内であればバラツキが小さいと判定してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態である燃料電池発電システム20の構成の概略を示す構成図である。
【図2】電子制御ユニット60により実行される定電力制御プログラムンの一例を示すフローチャートである。
【図3】電子制御ユニット60により実行される割込処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
10 商用電源、12 電力ライン、14 遮断器、16 負荷、18 遮断器、20 燃料電池発電システム、22 ガス配管、24 調節弁、26,28昇圧ポンプ、27 脱硫器、30 改質器、32 燃焼部、34 CO選択酸化部、40 燃料電池、41 ブロア、42 熱交換器、43 循環ポンプ、44 貯湯槽、46 ポンプ、51 電圧計、52 DC/DCコンバータ、54インバータ、55 遮断器、56 DC/DCコンバータ、58 負荷電力計、60 電子制御ユニット、62 CPU、64 ROM、66 RAM、68タイマ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell power generation system and an operation method thereof, and more specifically, a fuel cell power generation system capable of supplying output power derived from a fuel cell to a power supply line that supplies power from another system power source to a load, and an operation method thereof. About.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a power generation system incorporating a fuel cell has been proposed as a cogeneration system in consideration of environmental problems. In addition, a fuel cell includes a single electrode comprising an electrolyte membrane, an anode electrode and a cathode electrode that sandwich the electrolyte membrane, and a separator that supplies fuel gas and air to the anode electrode and the cathode electrode and forms a partition between cells. 2. Description of the Related Art A solid polymer electrolyte type fuel cell in which a plurality of cells are stacked is known. As an operation control of such a solid polymer electrolyte type fuel cell, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-272736 discloses an output voltage of a fuel cell which is monitored when output power from the fuel cell is supplied to a load. A control is disclosed that cuts off the current applied to the load when the voltage is abnormally low.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the operation control of the fuel cell described in the above-mentioned publication, the current applied to the load is cut off when the output voltage of the fuel cell is abnormally low, which may hinder the operation status of the cogeneration system. is there.
[0004]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and provides a fuel cell power generation system and a method for operating the fuel cell power generation system that can cope with the operation state without greatly affecting the operation state when the output voltage of the fuel cell drops. For the purpose.
[0005]
[Means for solving the problems and their functions and effects]
In order to achieve the above-described object, a first aspect of the present invention is a fuel cell power generation system capable of supplying output power derived from a fuel cell to a power supply line that supplies power from another system power supply to a load,
Voltage detection means for detecting the output voltage of the fuel cell;
Power control means for controlling the output power derived from the fuel cell to be a predetermined target power value;
Voltage drop determination means for determining whether or not the output voltage of the fuel cell has dropped when the output power derived from the fuel cell is controlled to the target power value;
With
When the power control means determines that the output voltage of the fuel cell has dropped by the voltage drop determination means,The output power derived from the fuel cell is controlled to be a provisional power value lower than the target power value, and the output power derived from the fuel cell is stabilized at the provisional power value and then derived from the fuel cell. A means for controlling the output power to substantially match the original target power value;
The provisional power value is determined in a stepwise manner such that the provisional power value becomes lower as the drop width of the output voltage of the fuel cell is larger.Is.
[0006]
In this fuel cell power generation system, it is determined whether or not the output voltage of the fuel cell has dropped when the output power derived from the fuel cell is controlled to be a predetermined target power value, and the output voltage of the fuel cell is determined. When it is determined that the output voltage of the fuel cell has decreased, the output power derived from the fuel cell is controlled to be a provisional power value lower than the target power value until the output voltage of the fuel cell becomes stable. That is, since a drop in the output voltage of the fuel cell is often seen temporarily, the output power of the fuel cell is temporarily lowered to wait for the output voltage of the fuel cell to stabilize. Therefore, according to this fuel cell power generation system, when the output voltage of the fuel cell drops, it is possible to cope with it without greatly affecting the operation state.Further, since the provisional power value is determined in a stepwise manner according to the drop width of the output voltage of the fuel cell, an appropriate provisional power value can be determined according to the drop width of the output voltage. The provisional power value is determined so as to decrease as the output voltage drop of the fuel cell increases. Since the output voltage of the fuel cell tends to be difficult to stabilize when the drop width is large, the provisional power value is lowered to stabilize the output voltage of the fuel cell as soon as possible. Since the tendency tends to be stable, the provisional power value is set to a value close to the target power value and returned to the original target power value as soon as possible. Note that the drop width of the output voltage of the fuel cell is, for example, when determining whether or not the output voltage of the fuel cell has dropped by the voltage drop degree that is the difference between the reference voltage value and the output voltage. In the case of determining by the time differential value of the output voltage, it is the size of the time differential value.
[0007]
The “output voltage of the fuel cell” may be a stack voltage (voltage between current collector plates sandwiching a plurality of single cells) in the case of a fuel cell in which a plurality of single cells are stacked, It may be a cell voltage for each cell.
[0008]
In this fuel cell power generation system, the power control means controls the output power derived from the fuel cell to be a provisional power value lower than the target power value, thereby stabilizing the output voltage of the fuel cell. , Output power derived from the fuel cellStep by step in small incrementsBy increasing the value, it may be made to substantially match the original target power value. In this way, even if there is a response delay in increasing the fuel gas supply amount of the fuel cell, the output power derived from the fuel cell can be smoothly returned to the original target power value. In particular, when the fuel cell receives a supply of fuel gas from a reforming unit that reforms a hydrocarbon-based fuel into a hydrogen-rich fuel gas, the hydrocarbon-based fuel to the reforming unit is increased in order to increase the supply amount of the fuel gas. Therefore, it is important to gradually increase the output power derived from the fuel cell and return it to the original target power value.
[0009]
In this fuel cell power generation system, the voltage drop determination means is configured such that the output voltage of the fuel cell is a predetermined reference voltage when the output power derived from the fuel cell is controlled to the target power value by the power control means. It may be determined whether or not the output voltage of the fuel cell has dropped depending on whether or not it has become smaller than the value. In this way, it is possible to easily determine whether or not the output voltage has dropped by comparing the output voltage of the fuel cell with a predetermined reference voltage value. At this time, since the output characteristics of fuel cells often change depending on operating conditions such as temperature, it is preferable to set a reference voltage value for each operating condition of the fuel cell. The work of setting is complicated. Therefore, the reference voltage value is preferably the output voltage of the fuel cell that is stable when the output power derived from the fuel cell is controlled to the target power value by the power control means. By so doing, it is possible to easily set an optimal reference voltage value under the operating conditions at that time, and therefore it is possible to appropriately determine whether or not the output voltage of the fuel cell has dropped.
[0010]
In this fuel cell power generation system, the voltage drop determination means has a time differential value of the output voltage of the fuel cell when the output power derived from the fuel cell is controlled to the target power value by the power control means. It may be determined whether or not the output voltage of the fuel cell has dropped depending on whether or not it has become smaller than a predetermined threshold value. In this way, since it is determined whether or not the output voltage of the fuel cell has dropped according to the time variation of the output voltage of the fuel cell, it can be grasped relatively quickly that the output voltage of the fuel cell has dropped. .
[0012]
The fuel cell power generation system includes power conversion means for converting DC power from the fuel cell into desired power to be supplied to the power supply line, and output power derived from the fuel cell is converted by the power conversion means. It is good also as electric power after being done. If it carries out like this, electric power (for example, alternating current power) after being changed by the power conversion means can be controlled so that it may become a target electric power value.
[0013]
A second aspect of the present invention is a method of operating a fuel cell power generation system capable of supplying output power derived from a fuel cell to a power supply line that supplies power from another system power supply to a load,
When the output power derived from the fuel cell is controlled to be a predetermined target power value, it is determined whether the output voltage of the fuel cell has dropped, and the output voltage of the fuel cell has dropped When judgedThe output power derived from the fuel cell is controlled to be a provisional power value lower than the target power value, and the output power derived from the fuel cell is stabilized at the provisional power value and then derived from the fuel cell. The output power is controlled so as to substantially match the original target power value, and the provisional power value is determined in stages so as to decrease as the output voltage drop of the fuel cell increases.Is. According to the operation method of the fuel cell power generation system, when the output voltage of the fuel cell drops, it is possible to cope with it without greatly affecting the operation state.
[0014]
In the operation method of the fuel cell power generation system, after the output voltage of the fuel cell is stabilized by controlling the output power derived from the fuel cell to be a provisional power value lower than the target power value, the fuel cell Output power derived from the batteryStep by step in small incrementsBy increasing the value, it may be made to substantially match the original target power value. In this way, for example, even when there is a response delay in increasing the fuel gas supply amount of the fuel cell, the output power derived from the fuel cell can be smoothly returned to the original target power value. it can.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of the configuration of the fuel cell
[0016]
The
[0017]
[Expression 1]
CHFour+ H2O → CO + 3H2 (1)
CO + H2O → CO2+ H2 (2)
[0018]
The CO
[0019]
The
[0020]
An output terminal (not shown) of the
[0021]
The power line branched from the output side of the DC /
[0022]
The
[0023]
Next, the operation of the fuel cell
[0024]
The constant power control program is recorded in the ROM 64 of the
[0025]
Subsequently, the
[0026]
Thereafter, it is determined whether or not the AC power output from the inverter 54 matches the target output power P *, that is, whether or not the AC power is within a predetermined allowable range of the target output power P * (step S120). If they do not match, the process returns to step S110. If they match, the output voltage Vfc of the
[0027]
Next, the voltage drop countermeasure program illustrated in FIG. 3 will be described. When this voltage drop countermeasure program is executed as an interrupt process, the
[0028]
The
[0029]
Then, the
[0030]
Here, the correspondence between the components of the present embodiment and the components of the present invention will be clarified. The voltmeter 51 of this embodiment corresponds to the voltage detection means of the present invention, the
[0031]
According to the fuel cell
[0032]
Further, after the output voltage Vfc of the
[0033]
Furthermore, since it can be determined whether or not the output voltage Vfc has dropped due to whether or not the output voltage Vfc of the
[0034]
Furthermore, the provisional output power value is determined in a stepwise manner in accordance with the drop width of the output voltage Vfc. Specifically, the provisional output power value is set to be lower as the drop width is larger. That is, when the drop width is large, the output voltage Vfc of the
[0035]
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can of course be implemented in various forms within the scope belonging to the technical scope of the present invention.
[0036]
For example, in the above-described embodiment, the stack voltage is adopted as the output voltage Vfc of the fuel cell. However, the cell voltage for each cell may be adopted, and the AC power from the inverter 54 is set as the target output power P *. However, the direct current power from the fuel cell may be controlled to be constant power.
[0037]
In the above-described embodiment, the output voltage Vfc of the
[0038]
Furthermore, in step S310 of the above-described embodiment, whether or not the output voltage Vfc of the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of a configuration of a fuel cell
FIG. 2 is a flowchart showing an example of a constant power control program executed by the
FIG. 3 is a flowchart showing interrupt processing executed by the
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
前記燃料電池に由来する出力電力を所定の目標電力値となるように制御する電力制御手段と、
前記燃料電池に由来する出力電力が前記目標電力値に制御されているときに前記燃料電池の出力電圧が降下したか否かを判定する電圧降下判定手段と
を備え、
前記電力制御手段は、前記電圧降下判定手段によって前記燃料電池の出力電圧が降下したと判定されたときには、前記燃料電池に由来する出力電力を前記目標電力値よりも低い暫定電力値となるように制御し、前記燃料電池に由来する出力電力が前記暫定電力値で安定したあと、前記燃料電池に由来する出力電力が元の前記目標電力値に略一致するよう制御する手段であり、
前記暫定電力値は、前記燃料電池の出力電圧の降下幅が大きいほど低くなるように段階的に定められる、
燃料電池発電システム。A fuel cell power generation system capable of supplying output power derived from a fuel cell to a power supply line that supplies power from another system power supply to a load,
Voltage detection means for detecting the output voltage of the fuel cell;
Power control means for controlling the output power derived from the fuel cell to be a predetermined target power value;
Voltage drop determining means for determining whether or not the output voltage of the fuel cell has dropped when the output power derived from the fuel cell is controlled to the target power value;
The power control means, when the voltage drop determination means determines that the output voltage of the fuel cell has dropped, causes the output power derived from the fuel cell to be a provisional power value lower than the target power value. And a means for controlling the output power derived from the fuel cell to substantially match the original target power value after the output power derived from the fuel cell is stabilized at the provisional power value.
The provisional power value is determined in a stepwise manner such that the provisional power value decreases as the drop width of the output voltage of the fuel cell increases.
Fuel cell power generation system.
請求項1記載の燃料電池発電システム。The power control means is derived from the fuel cell after the output voltage of the fuel cell is stabilized by controlling the output power derived from the fuel cell to be a provisional power value lower than the target power value. 2. The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein the output power is made to substantially coincide with the original target power value by increasing the output power step by step by a predetermined minute amount .
請求項1又は2記載の燃料電池発電システム。The voltage drop determining means determines whether or not the output voltage of the fuel cell becomes smaller than a predetermined reference voltage value when the output power derived from the fuel cell is controlled to the target power value by the power control means. The fuel cell power generation system according to claim 1 or 2, wherein it is determined whether or not the output voltage of the fuel cell has dropped.
請求項3記載の燃料電池発電システム。4. The fuel cell according to claim 3, wherein the reference voltage value is an output voltage of the fuel cell that is stable when output power derived from the fuel cell is controlled to the target power value by the power control unit. 5. Power generation system.
請求項1又は2記載の燃料電池発電システム。The voltage drop determining means is configured such that the time differential value of the output voltage of the fuel cell is lower than a predetermined threshold value when the output voltage derived from the fuel cell is controlled to the target power value by the power control means. The fuel cell power generation system according to claim 1 or 2, wherein it is determined whether or not the output voltage of the fuel cell has dropped depending on whether or not it has become smaller.
請求項1〜5のいずれかに記載の燃料電池発電システム。The fuel cell, the fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 5, the fuel gas hydrocarbon fuel from the reforming unit for reforming the hydrogen-rich fuel gas is supplied.
前記燃料電池からの直流電力を前記電力供給ラインに供給する所望の電力に変換する電力変換手段
を備え、
前記燃料電池に由来する出力電力は、前記電力変換手段によって変換された後の電力である
燃料電池発電システム。The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 6 ,
Power conversion means for converting DC power from the fuel cell into desired power to be supplied to the power supply line,
Output power derived from the fuel cell is power after being converted by the power conversion means.
前記燃料電池に由来する出力電力を所定の目標電力値となるように制御しているときに前記燃料電池の出力電圧が降下したか否かを判定し、前記燃料電池の出力電圧が降下したと判定されたときには、前記燃料電池に由来する出力電力を前記目標電力値よりも低い暫定電力値となるように制御し、前記燃料電池に由来する出力電力が前記暫定電力値で安定したあと、前記燃料電池に由来する出力電力が元の前記目標電力値に略一致するよう制御するものであり、前記暫定電力値は、前記燃料電池の出力電圧の降下幅が大きいほど低くなるように段階的に定められる、
燃料電池発電システムの運転方法。A method for operating a fuel cell power generation system capable of supplying output power derived from a fuel cell to a power supply line that supplies power from another system power supply to a load,
When the output power derived from the fuel cell is controlled to be a predetermined target power value, it is determined whether the output voltage of the fuel cell has dropped, and the output voltage of the fuel cell has dropped When determined, the output power derived from the fuel cell is controlled to be a provisional power value lower than the target power value, and the output power derived from the fuel cell is stabilized at the provisional power value, The output power derived from the fuel cell is controlled so as to substantially match the original target power value, and the provisional power value is stepwise so as to decrease as the output voltage drop of the fuel cell increases. Determined,
Operation method of fuel cell power generation system.
請求項8記載の燃料電池発電システムの運転方法。After the output voltage of the fuel cell is stabilized by controlling the output power derived from the fuel cell to be a provisional power value lower than the target power value, the output power derived from the fuel cell is predetermined. The operation method of the fuel cell power generation system according to claim 8 , wherein the fuel cell power generation system is made to substantially coincide with the original target power value by stepping up in small increments .
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