JP6707406B2 - 燃料電池の制御装置及び制御方法並びに発電システム - Google Patents
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Description
また、例えば、特許文献3には、ガスタービン圧縮機から燃料電池へ供給する空気の温度を調整可能とした複合発電システムが開示されている。
まず、本発明の一実施形態に係る発電システムの概略構成について説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る発電システム10の概略構成を示した概略構成図である。図1に示すように、発電システム10は、マイクロガスタービン(以下「MGT」という。)11、発電機12、及びSOFC13を備えている。この発電システム10は、MGT11による発電と、SOFC13による発電とを組み合わせることで、高い発電効率を得るように構成されている。
燃焼器22には、第1空気供給ライン26を介して圧縮機21からの圧縮空気(以下、単に「空気」という。)A1が供給されるとともに、第1燃料ガス供給ライン27を介して燃料ガスL1が供給される。第1空気供給ライン26には、燃焼器22へ供給する空気量を調整するための制御弁65が設けられ、第1燃料ガス供給ライン27には、燃焼器22へ供給する燃料ガス流量を調整するための制御弁70が設けられている。更に、燃焼器22には、後述するSOFC13の燃料ガス再循環ライン49を循環する排燃料ガスL3の一部が排燃料ガス供給ライン45を通じて供給される。排燃料ガス供給ライン45には、燃焼器22に供給する排燃料ガス量を調整するための制御弁47が設けられている。更に、燃焼器22には、後述する排空気供給ライン36を通じてSOFC13の空気極13Bで用いられた排空気A2の一部が供給される。
SOFC13は、空気極13Bに酸化剤ガスが供給され、燃料極13Aに燃料ガスが供給されることで発電する。酸化剤ガスは、例えば、酸素を略15%から30%含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である。本実施形態では、SOFC13に供給される酸化剤ガスとして、圧縮機21によって圧縮された空気Aの少なくとも一部を採用する場合を例示して説明する。
また、排空気排出ライン34には、外部へ排出する排空気量を調整するための制御弁(もしくは遮断弁)37とが設けられている。
次に、図2から図4を参照してSOFC13の構成について説明する。
まず、本実施形態に係るSOFC複合発電システム(燃料電池複合発電システム)のSOFCに用いる円筒形セルスタックについて図2を参照して説明する。図2は、本実施形態に係るセルスタック101の一態様を示した図である。セルスタック101は、円筒形状の基体管103と、基体管103の外周面に複数形成された燃料電池セル105と、隣り合う燃料電池セル105の間に形成されたインターコネクタ107とを備える。燃料電池セル105は、燃料極13Aと固体電解質111と空気極13Bとが積層して形成されている。また、セルスタック101は、基体管103の外周面に形成された複数の燃料電池セル105の内、基体管103の長手軸方向において最も端の一端に形成された燃料電池セル105の空気極13Bに、インターコネクタ107を介して電気的に接続されたリード膜115を備え、最も端の他端に形成された燃料電池セル105の燃料極109に電気的に接続されたリード膜(不図示)を備える。
本実施形態での燃料ガスL2は例えば都市ガスを使用し、メタンを主成分とする燃料ガスを用いている。
さらに、SOFC13には、燃料極13Aと空気極13Bとの差圧を計測する差圧センサ90(図1参照)等の各種センサが設けられている。SOFC13の各部位に設けられた各種センサ90、92a、92bの計測値は、制御装置60に送信される。
次に、上記構成を備える発電システム10において、制御装置60によって実行される制御について簡単に説明する。
また、SOFC13の空気極13Bに供給される空気A1は、熱交換器58により温度が300〜500℃に昇温されおり、空気A1に添加される燃料ガスL2の燃焼反応が生じるように空気極13Bが触媒として機能する温度まで発電室215を昇温させることが出来る。SOFC13が所定圧力まで加圧されると、遮断弁38を開としSOFC13とMGT11とを連結させ、SOFC13を経由してMGT11の燃焼器22に空気を供給するコンバインド状態に移行する。
制御装置60は、例えば、コンピュータやシーケンサであり、CPUと、CPUが実行するプログラム等を記憶するためのROM(Read Only Memory)と、各プログラム実行時のワーク領域として機能するRAM(Random Access Memory)等を備えている。後述の各種機能を実現するための一連の処理の過程は、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをCPUがRAM等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、後述の各種機能が実現される。
第2昇温モードにおいて、SOFC制御装置60aは、発電室温度の温度変化率が上限値を超えないように、燃料ガスL2の流量を制御する。また、SOFC制御装置60aは、発電室温度に応じて、バイパスライン62の制御弁66によりSOFC13の空気極13Bへ供給する空気A1の入口空気温度を制御する。
SOFC制御装置60aは、発電室温度が第2温度閾値Tth2に到達すると、第2昇温モードから負荷上昇モードに切り替える。
負荷上昇モードにおいて、発電室温度が発電室目標温度Ttagに到達し、負荷が定格負荷など目標負荷に到達すると、起動完了となる。発電室目標温度TtagはSOFC13が発熱による自己発熱で温度が維持できる温度以上であり、例えば800〜950℃で設定される。
図6に示すように、SOFC制御装置60aは、負荷上昇制御部4と、温度上昇制御部(可燃性ガス流量制御部)5とを備えている。
目標負荷設定部51は、外気温度とSOFC13の目標負荷(=目標出力電流)とが関連付けられた目標負荷情報を有している。目標負荷設定部51は、外気温度センサ94によって計測された外気温度に対応する目標負荷の値を目標負荷情報から取得し、目標負荷として設定する。
図8は目標負荷情報の一例を示した図である。図8において、横軸は外気温度、縦軸は目標負荷(=目標出力電流)を示している。目標負荷情報は、例えば、事前にシミュレーションまたは実機試験等の結果に基づいて作成されたものであり、制御弁65の弁開度を全閉にしたとき、換言すると、空気極13Bに供給される空気A1の流量を最大に設定したときに、SOFC13が出力し得る最大負荷(最大電流)の値が外気温度に対応付けられて設定されている。制御弁65等の弁開度が同じ場合、換言すると、流量が同じでも、外気温度が異なる場合には、空気密度が変わるためにSOFC13の発電室215に供給される空気量が変化する。例えば、外気温度が低いと空気密度が高くなり、MGT11の圧縮機21の吐出空気流量が多くなる。発電室215に供給される空気A1は冷却剤として機能するため、空気量が多いほどSOFC13が出力し得る最大負荷を大きくすることが可能となる。このような理由から、目標負荷情報は、図8に示すように、外気温度が低いほど、目標負荷が大きくなる特性とされている。
制御指令設定部53は、出力電流指令設定部52によって設定される出力電流指令を用いてSOFC13の負荷を変化させるための複数の制御系の制御指令を設定する。ここで制御指令は、個々の制御指令を出して制御量である出力電流の変化が安定してから次の制御指令を出すのではなく、ほぼ同時に制御指令を出すようにする。例えば、制御指令設定部53は、燃料極13Aに供給する燃料ガスL2の流量指令を設定する第1燃料ガス流量設定部53a、空気極13Bに供給する空気A1の入口温度指令を設定する入口空気温度設定部53b、MGT出力指令を設定するMGT出力設定部53c、燃料極13Aと空気極13Bとの差圧指令を設定する差圧設定部53d、再循環ブロワの回転数指令を設定する再循環流量設定部53e、及び燃料極13Aに供給する純水の流量指令を設定する純水流量設定部53fを備えている。
第1燃料ガス流量制御部54aは、第1燃料ガス流量設定部53aからの燃料ガス流量指令に基づいて制御弁42の弁開度を制御することにより、燃料極13Aに供給する燃料ガス量を調整する。
入口空気温度制御部54bは、入口空気温度設定部53bからの入口空気温度指令に基づいて制御弁64、66の弁開度を調整することにより、空気極13Bに供給される空気A1の入口温度を制御する。
MGT出力制御部54cは、MGT出力設定部53cからのMGT出力指令に基づいて、主に制御弁65及び制御弁70の弁開度を調整することにより、MGT出力を制御する。
再循環流量制御部54eは、再循環流量設定部53eからのブロワ回転数指令に基づいて再循環ブロワ50の回転数を制御することにより、燃料極13Aに供給する排燃料ガス量を制御する。
純水流量制御部54fは、純水流量設定部53fからの純水流量指令に基づいてポンプ48の吐出流量を調整することにより、燃料極13Aに供給する純水量を制御する。
まず、目標負荷設定部51によって外気温度に基づいて図8に示した目標負荷情報から目標負荷(=目標出力電流)が設定される(ステップSA1)。続いて、出力電流指令設定部52によって、所定の電流変化率(例えば、定格電流の5%/min)を用いて、目標負荷に対応する目標出力電流から出力電流指令が設定される(ステップSA2)。ここで、所定の電流変化率は、事前に指令設定をシミュレーションまたは実機試験などの結果に基づいてSOFC13の各制御量が適切に追従可能な値として作成されている。また、電流変化率は、出力電流指令に応じて変化してもよい。
温度上昇制御部5は、図10に示すように、空気極13B側に供給する空気(酸化剤ガス)A1の流量を制御する空気制御部14と、空気極13B側に供給する燃料ガスL2(可燃性ガス)の流量を制御する燃料ガス制御部15とを備えている。
発電室215内の中央領域での、燃料電池セル105の表面温度を計測する温度センサ92aと、中央領域での空気温度を計測する温度センサ92bの少なくとも一方が設けられている。また、必要に応じて発電室215内で温度が高くなる可能性がある部分に温度センサが設けられていてもよい。燃料ガス制御部15は、少なくとも温度センサ92a、92bのいずれかを含む発電室215内に設置された複数の温度センサの計測温度から発電室温度を特定し、発電室温度が上述の第1温度閾値Tth1に到達した場合に、空気極13Bへの燃料ガスL2の供給を開始する。
発電室温度特定部16は、少なくとも温度センサ92a、92bのいずれかを含む発電室215内に設置された複数の温度センサによって計測された複数の温度計測値のうちの最高温度を発電室温度として特定する。
本実施形態のSOFC13の通常の運転時には、SOFCモジュール201の中央付近に設置されるSOFCカートリッジ203の中央領域に設けた温度センサ92a、92bの温度が最も高くなり易い。一方、起動時の負荷上昇モードなどではSOFC13の運転状態が変わることで、最高温度を示す場所が変化する場合がある。このため、計測された複数の温度計測値のうちの最高温度を発電室温度として特定することが有効な手段となる。
第2燃料ガス流量制御部18は、第2燃料ガス流量設定部17によって設定された第2燃料ガス流量指令に基づいて制御弁82の弁開度を制御する。
そして、発電室温度が発電室目標温度に到達したか否かを判定し(ステップSB5)、到達していなければステップSB1に戻り、到達していれば本処理を終了する。
また、発電室内の一部の温度が目標温度を超えてオーバーシュートすることを抑制するので、起動時間を短縮することが可能となる。
また、ホットスタートは、発電室温度特定部16によって特定された発電室温度とSOFC13の燃料極入口燃料温度が各々に設定した所定値よりも高い状態に適用する。ここで、燃料極入口燃料温度は、例えば、図1に示す温度センサ93によって計測される温度であり、燃料ガス再循環ライン49において、燃料ガスL2と純水とが混合された後の温度である。
また、ウォームスタートは、コールドスタートでもなく、ホットスタートでもない中間の場合に採用される。
上記コールド判定温度、ホットスタート判定第1温度、ホットスタート判定第2温度は、供給可能なガス種によって上記温度範囲内で設定することが可能である。
一方、ウォームスタートは、燃料極13Aに純水を供給することでドレンが発生することが懸念される温度領域の場合である。ここで、ウォームスタートでは、ホットスタートよりも多めの燃料ガスL2を空気極13Bに供給される空気A1に添加して、触媒燃焼による発熱量の増加により発電室の温度上昇を早めるようにする。なお、ウォームスタートの場合には、燃料極13Aに燃料ガスL2及び純水を供給するとドレンが発生するため、ウォームスタートの初期においては、改質用の純水が不要となるよう、水素及び窒素が燃料ガスL2として燃料極13Aに供給されてもよい。
5 :温度上昇制御部
10 :発電システム
11 :MGT(マイクロガスタービン)
12 :発電機
13A :燃料極
13B :空気極
14 :空気制御部
15 :燃料ガス制御部
16 :発電室温度特定部
17 :第2燃料ガス流量設定部
18 :第2燃料ガス流量制御部
51 :目標負荷設定部
52 :出力電流指令設定部
53 :制御指令設定部
53a :第1燃料ガス流量設定部
53b :入口空気温度設定部
53c :MGT出力設定部
53d :差圧設定部
53e :再循環流量設定部
53f :純水流量設定部
54 :制御部
54a :第1燃料ガス流量制御部
54b :入口空気温度制御部
54c :MGT出力制御部
54d :差圧制御部
54e :再循環流量制御部
54f :純水流量制御部
60 :制御装置
60a :SOFC制御装置
60b :MGT制御装置
92a、92b :温度センサ
94 :外気温度センサ
105 :燃料電池セル
111 :固体電解質
201 :SOFCモジュール
203 :SOFCカートリッジ
215 :発電室
Claims (10)
- 燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の燃料電池セルが配置された発電室を備える燃料電池の制御装置であって、
前記空気極に供給する酸化剤ガスの流量を制御する酸化剤ガス制御部と、
前記空気極に供給する可燃性ガスの流量を制御する可燃性ガス制御部と
を備え、
前記可燃性ガス制御部は、
前記発電室内に設定された複数の温度計測点における計測温度を所定の繰り返し時間間隔で取得し、取得した複数の計測温度の中から最高温度を発電室温度として特定する発電室温度特定部と、
前記発電室温度特定部によって特定された前記発電室温度を用いて可燃性ガス流量指令を設定する可燃性ガス流量設定部と、
前記可燃性ガス流量指令に基づいて前記可燃性ガスの流量を制御する可燃性ガス流量制御部と
を備える燃料電池の制御装置。 - 複数の前記計測温度は、少なくとも前記発電室の中央領域の前記燃料電池セルの表面温度または酸化剤ガス温度を含む請求項1に記載の燃料電池の制御装置。
- 前記可燃性ガス流量設定部は、発電室温度と可燃性ガス流量指令とが関連付けられた可燃性ガス流量情報を有しており、前記可燃性ガス流量情報から前記発電室温度特定部によって特定された前記発電室温度に対応する可燃性ガス流量を取得して前記可燃性ガス流量指令として設定する請求項1または請求項2に記載の燃料電池の制御装置。
- 前記可燃性ガス流量設定部は、起動時における前記燃料電池の状態に応じて設けられた複数のスタート種別のそれぞれに対応する前記可燃性ガス流量情報を備え、前記燃料電池の状態に対応するいずれか一つの前記可燃性ガス流量情報を用いて可燃性ガス流量指令を設定する請求項3に記載の燃料電池の制御装置。
- 前記スタート種別は、コールドスタート、ウォームスタート、及びホットスタートであり、起動時における発電室温度および燃料極入口燃料温度に基づいてスタート種別を特定する請求項4に記載の燃料電池の制御装置。
- 前記空気極に供給する前記可燃性ガスの流量変化率は、前記コールドスタートよりも前記ウォームスタート及び前記ホットスタートの方が小さい値に設定されている請求項5に記載の燃料電池の制御装置。
- 前記空気極に供給する前記酸化剤ガスの流量変化率は、前記コールドスタートよりも前記ウォームスタート及び前記ホットスタートの方が大きい値に設定されている請求項5または請求項6に記載の燃料電池の制御装置。
- 前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池である請求項1から請求項7のいずれかに記載の燃料電池の制御装置。
- 燃料極と、固体電解質と、酸化触媒性能を備える空気極とを備える複数の発電セルが配置された発電室を備える燃料電池と、
請求項1から請求項8のいずれかに記載の前記燃料電池の制御装置と
を備える発電システム。 - 燃料極と、固体電解質と、酸化触媒性能を備える空気極とを備える複数の発電セルが配置された発電室を備える燃料電池の制御方法であって、
前記燃料電池の起動時に、可燃性ガスを添加した酸化剤ガスを前記空気極に供給して前記発電室の温度を上昇させる温度上昇工程を備え、
前記温度上昇工程は、
前記発電室内に設定された複数の温度計測点における計測温度を所定の繰り返し時間間隔で取得し、取得した複数の計測温度の中から最高温度を発電室温度として特定する発電室温度特定工程と、
前記発電室温度を用いて、所定の繰り返し時間間隔で可燃性ガス流量指令を設定する可燃性ガス流量設定工程と、
前記可燃性ガス流量指令に基づいて前記可燃性ガスの流量を制御する可燃性ガス流量制御工程と
を有する燃料電池の制御方法。
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