JP6771962B2 - Fuel cell control device and control method and power generation system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池の制御装置及び制御方法並びに発電システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell control device, a control method, and a power generation system.
燃料電池は、電気化学反応による発電方式を利用した発電装置であり、燃料側の電極である燃料極と、空気(酸化剤ガス)側の電極である空気極と、これらの間にありイオンのみを通す電解質とにより構成されており、電解質の種類によって様々な形式が開発されている。 A fuel cell is a power generation device that uses a power generation method based on an electrochemical reaction. It has a fuel electrode, which is an electrode on the fuel side, an air electrode, which is an electrode on the air (oxidizing agent gas) side, and only ions between them. It is composed of an electrolyte through which it passes, and various types have been developed depending on the type of electrolyte.
このうち、例えば、固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:以下「SOFC」と呼ぶ)は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、水素、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどの炭素質原料をガス化設備により製造したガスを燃料として運転される燃料電池である。このSOFCは、イオン伝導率を高めるために作動温度が約700〜1000℃程度と高く、高効率な高温型燃料電池として知られている。 Of these, for example, solid oxide fuel cells (Solid Oxide Fuel Cell: hereinafter referred to as "SOFC") use ceramics such as zirconia ceramics as an electrolyte, and hydrogen, city gas, natural gas, oil, methanol, and coal. It is a fuel cell that is operated by using gas produced from a carbonaceous raw material such as gasified gas by a gasification facility. This SOFC has a high operating temperature of about 700 to 1000 ° C. in order to increase ionic conductivity, and is known as a highly efficient high-temperature fuel cell.
このようなSOFCを例えば、マイクロガスタービン(以下「MGT」という。)等の内燃機関と組み合わせた複合発電システムが開発されている。このMGTでは、圧縮機から吐出される圧縮空気をSOFCの空気極に供給するとともに、SOFCから排出される高温の排燃料ガスをMGTの燃焼器に供給して燃焼させ、燃焼器で発生した燃焼ガスを断熱膨張することでMGTのタービンを回転駆動させて発電機を回転駆動させることで、発電効率の高い発電が可能とされている。 A combined cycle system has been developed in which such an SOFC is combined with an internal combustion engine such as a micro gas turbine (hereinafter referred to as "MGT"). In this MGT, the compressed air discharged from the compressor is supplied to the air electrode of the SOFC, and the high-temperature exhaust fuel gas discharged from the SOFC is supplied to the combustor of the MGT for combustion, and the combustion generated in the combustor is performed. By adiabatic expansion of the gas, the turbine of the MGT is rotationally driven and the generator is rotationally driven, so that power generation with high power generation efficiency is possible.
このようなSOFCの起動時の制御として、例えば、特許文献1には、以下の方法が提案されている。まず、発電室の空気極側に酸化剤ガスを供給して発電室温度を上昇させ、空気極が触媒燃焼可能な温度(例えば、400℃)に至ると、続いて、燃料ガスが添加された酸化剤ガスを発電室の空気極側に供給することにより、発電室の温度上昇を促進させる。そして、発電室温度が所定温度(例えば、750℃以上)に至ると、燃料極側へ燃料ガスを供給し、発電セルの発電を開始させるとともに、空気極側に供給していた燃料ガスの添加量をゼロまで徐々に減少させる。
As such control at the time of starting SOFC, for example,
また、SOFCの制御手法として、例えば、特許文献2には、SOFCの運転温度が予め設定された温度変化レートで変化するように、燃料ガス及び酸化剤ガスをフィードフォワード制御することが開示されている。
また、例えば、特許文献3には、SOFC起動時に、SOFCとMGTとの連携運転状態に応じて、再循環流量及びガス密度に対応付けられたゲインによって流量調整弁を先行的にフィードフォワード制御することが開示されている。
Further, as a SOFC control method, for example, Patent Document 2 discloses that the fuel gas and the oxidant gas are feedforward-controlled so that the operating temperature of the SOFC changes at a preset temperature change rate. There is.
Further, for example, in Patent Document 3, when the SOFC is started, the flow rate adjusting valve is preliminarily feed-forward controlled by the gain associated with the recirculation flow rate and the gas density according to the cooperative operation state of the SOFC and the MGT. Is disclosed.
ところで、SOFCの発電室は熱容量が大きく、発電室の温度制御に関する操作量を制御する際に応答遅れが発生する。つまり、発電室の温度制御に関する指令を出してから実際に発電室温度が変化して安定するまでには、しばらく時間経過を要する。このため、例えば、負荷上昇時において、各制御量が規定値を超えるオーバーシュートが発生する可能性があり、SOFCの一部を損傷させるおそれやオーバーシュートした分を再度低下させるために追加制御する時間を要する場合があった。また、その一方で、負荷上昇時におけるオーバーシュートを回避するために、各制御に関する制御指令を順次に出して各制御量が変化し安定してから次の操作の指令を出すという、各操作量を緩やかに変化させることも考えられるが、そのような制御を行う場合には、制御量が目標値に到達して操作が終了するまでに相当長い時間を要することとなる。 By the way, the power generation chamber of the SOFC has a large heat capacity, and a response delay occurs when controlling the operation amount related to the temperature control of the power generation chamber. That is, it takes some time from issuing the command regarding the temperature control of the power generation chamber until the temperature of the power generation chamber actually changes and stabilizes. Therefore, for example, when the load increases, an overshoot in which each control amount exceeds a specified value may occur, and additional control is performed in order to damage a part of the SOFC or reduce the overshoot amount again. It may take some time. On the other hand, in order to avoid overshoot when the load rises, each control amount is issued in sequence, and after each control amount changes and stabilizes, a command for the next operation is issued. However, when such control is performed, it takes a considerably long time for the control amount to reach the target value and the operation to be completed.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、燃料電池の負荷上昇時において、制御量のオーバーシュートを回避しながら目標到達までの時間を短縮することのできる燃料電池の制御装置及び制御方法並びに発電システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and controls a fuel cell capable of shortening the time to reach a target while avoiding overshoot of a controlled amount when the load of the fuel cell increases. It is an object of the present invention to provide an apparatus, a control method, and a power generation system.
本発明は、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、前記燃料電池の目標負荷を設定する目標負荷設定部と、前記目標負荷設定部によって設定された前記燃料電池の目標負荷から前記燃料電池の出力電流指令を所定の繰り返し時間間隔で設定する出力電流指令設定部と、前記燃料電池の出力電流指令を用いて、複数の制御系の制御指令を設定する制御指令設定部と、前記制御指令設定部によって設定された少なくとも一つの制御指令を増加または減少させる制御指令補正部と、前記制御指令補正部による補正後の前記制御指令に基づいて、前記制御系の少なくとも1つの操作量を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記燃料電池の負荷変化時において、前記燃料電池の運転状態に応じて前記制御系の少なくとも1つのゲインを変化させるゲイン調整部を備える燃料電池の制御装置を提供する。 The present invention is a fuel cell control device including a power generation chamber in which a plurality of fuel cell cells including a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are arranged, and a target load for setting a target load of the fuel cell. The setting unit, the output current command setting unit that sets the output current command of the fuel cell from the target load of the fuel cell set by the target load setting unit at predetermined repetition time intervals, and the output current command of the fuel cell. A control command setting unit that sets control commands for a plurality of control systems, a control command correction unit that increases or decreases at least one control command set by the control command setting unit, and the control command correction unit. The control unit includes a control unit that controls at least one operation amount of the control system based on the control command corrected by the above, and the control unit is brought into the operating state of the fuel cell when the load of the fuel cell is changed. Provided is a fuel cell control device including a gain adjusting unit that changes at least one gain of the control system accordingly.
また、上記燃料電池の制御装置において、前記ゲイン調整部は、前記燃料電池の運転状態により変化する排燃料ガスのガス種に応じて、前記制御系の少なくとも1つのゲインを変化させてもよい。 Further, in the fuel cell control device, the gain adjusting unit may change at least one gain of the control system according to the gas type of the exhaust fuel gas that changes depending on the operating state of the fuel cell.
本発明によれば、目標負荷から出力電流指令が所定の時間間隔で繰り返すように設定され、出力電流指令を用いて複数の制御系の制御指令が設定される。複数の制御系のうちの少なくとも一つの制御指令は、制御指令補正部によって増加方向にまたは減少方向に補正され、補正後の制御指令に基づいて所定の操作量が制御部によって制御される。これにより、例えば、燃料極に供給される燃料ガス流量や、空気極に供給される酸化剤ガス流量等が制御される。ここで、例えば、燃料極で反応した排燃料ガスを燃料極に再度循環させる再循環ラインを流通する排燃料ガスは、起動時から各昇温モードに対応して燃料電池の運転状態が変わり、発電室の温度上昇や負荷の増加に伴って排燃料ガスの組成が変化する。この燃料電池の状態の変化に伴うガス組成の変化により、排燃料ガスラインに設けられている燃料極と空気極間との差圧を制御する制御弁等の感度(ゲイン)が変化する。したがって、例えば、燃料電池の運転状態、一例としては、排燃料ガスの組成の変化に応じて制御弁等の感度を調整することで、弁制御を安定させることが可能となる。 According to the present invention, the output current command is set to repeat from the target load at predetermined time intervals, and the control commands of a plurality of control systems are set using the output current command. At least one control command in the plurality of control systems is corrected in the increasing direction or the decreasing direction by the control command correction unit, and a predetermined operation amount is controlled by the control unit based on the corrected control command. Thereby, for example, the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel electrode, the flow rate of the oxidant gas supplied to the air electrode, and the like are controlled. Here, for example, the exhaust fuel gas circulating in the recirculation line that recirculates the exhaust fuel gas reacted at the fuel electrode to the fuel electrode changes the operating state of the fuel cell corresponding to each temperature rise mode from the start. The composition of the exhaust fuel gas changes as the temperature of the power generation room rises and the load increases. The sensitivity (gain) of the control valve or the like that controls the differential pressure between the fuel electrode and the air electrode provided in the exhaust fuel gas line changes due to the change in the gas composition accompanying the change in the state of the fuel cell. Therefore, for example, the valve control can be stabilized by adjusting the sensitivity of the control valve or the like according to the operating state of the fuel cell, for example, the change in the composition of the exhaust fuel gas.
上記燃料電池の制御装置において、前記制御部は、比例制御、積分制御、微分制御の少なくともいずれか一つの制御を用いて、少なくとも一つの前記制御指令を設定することとしてもよく、ゲイン調整部によって調整されるゲインは、例えば、比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲインの少なくとも一つであってもよい。 In the fuel cell control device, the control unit may set at least one of the control commands by using at least one of proportional control, integral control, and differential control, and the gain adjusting unit may set the control unit. The gain to be adjusted may be, for example, at least one of a proportional gain, an integral gain, and a differential gain.
上記燃料電池の制御装置において、前記ゲイン調整部は、前記空気極と前記燃料極との差圧を調整するための差圧制御弁に関するゲインを増加させることとしてもよい。 In the fuel cell control device, the gain adjusting unit may increase the gain related to the differential pressure control valve for adjusting the differential pressure between the air electrode and the fuel electrode.
このように差圧制御弁に関するゲインを増加させることにより、差圧調整速度を早くすることが可能となり、差圧の制御弁の追従遅れを抑制することができる。 By increasing the gain related to the differential pressure control valve in this way, the differential pressure adjustment speed can be increased, and the follow-up delay of the differential pressure control valve can be suppressed.
上記燃料電池の制御装置において、前記ゲイン調整部は、前記燃料電池の出力電流指令の増加に応じて前記ゲインの増加幅を低下させることとしてもよい。 In the fuel cell control device, the gain adjusting unit may reduce the gain increase range in response to an increase in the output current command of the fuel cell.
このように、出力電流指令の増加に応じてゲインの増加幅を低下させることで、差圧制御弁のハンチングを防ぎ、安定した負荷上昇を実現することが可能となる。 In this way, by reducing the gain increase range in response to the increase in the output current command, it is possible to prevent hunting of the differential pressure control valve and realize a stable load increase.
上記燃料電池の制御装置において、前記制御指令補正部は、前記燃料電池の負荷上昇時において、前記空気極と前記燃料極との差圧を制御するための燃料空気差圧指令を所定量減少させる差圧指令補正部を備えることとしてもよい。 In the fuel cell control device, the control command correction unit reduces a fuel air differential pressure command for controlling the differential pressure between the air electrode and the fuel electrode by a predetermined amount when the load of the fuel cell increases. A differential pressure command correction unit may be provided.
このように燃料空気差圧指令を所定量減少させることにより、負荷変化による各制御変動により差圧が一時的に高くならないように安全サイドで運転を行わせることが可能となる。これにより、機器の損傷等を回避することが可能となる。 By reducing the fuel air differential pressure command by a predetermined amount in this way, it is possible to operate on the safe side so that the differential pressure does not temporarily increase due to each control fluctuation due to the load change. This makes it possible to avoid damage to the equipment.
上記燃料電池の制御装置において、前記制御指令補正部は、前記燃料電池の負荷上昇時において、前記燃料極に供給する可燃性ガスの流量を制御するための可燃性ガス流量指令を所定量増加させる可燃性ガス流量指令補正部を備えることとしてもよい。 In the fuel cell control device, the control command correction unit increases a flammable gas flow rate command for controlling the flow rate of the flammable gas supplied to the fuel electrode by a predetermined amount when the load of the fuel cell increases. A flammable gas flow rate command correction unit may be provided.
このように、可燃性ガス流量指令を所定量増加させることにより、負荷上昇時に可燃性ガスが不足する事態を回避することが可能となる。これにより、可燃性ガスの欠乏による機器の損傷等を回避することが可能となる。 By increasing the flammable gas flow rate command by a predetermined amount in this way, it is possible to avoid a situation in which the flammable gas is insufficient when the load is increased. This makes it possible to avoid damage to the equipment due to a lack of flammable gas.
上記燃料電池の制御装置において、前記燃料電池周囲の外気温度から前記燃料電池の目標負荷を設定することとしてもよい。 In the fuel cell control device, the target load of the fuel cell may be set from the outside air temperature around the fuel cell.
これにより、外気温度に起因する発電室温度の変化を抑制することができ、安定した温度制御を行うことが可能となる。 As a result, changes in the temperature of the power generation chamber due to the outside air temperature can be suppressed, and stable temperature control can be performed.
上記燃料電池の制御装置において、前記燃料電池は、例えば、固体酸化物形燃料電池である。 In the fuel cell control device, the fuel cell is, for example, a solid oxide fuel cell.
上記燃料電池の制御装置において、前記出力電流指令設定部は、所定の電流変化率を用いて、前記燃料電池の目標負荷から前記燃料電池の出力電流指令を所定の繰り返し時間間隔で設定することとしてもよい。
上記燃料電池の制御装置において、複数の前記制御系は、燃料極への燃料ガス供給流量、燃料電池空気極入口温度、マイクロガスタービン出力、燃料極と空気極との差圧、再循環ブロワ回転数、及び純水流量のうち2つ以上を含むこととしてもよい。
In the fuel cell control device, the output current command setting unit sets the output current command of the fuel cell from the target load of the fuel cell at a predetermined repeating time interval by using a predetermined current change rate. May be good.
In the fuel cell control device, the plurality of control systems include fuel gas supply flow rate to the fuel electrode, fuel cell air electrode inlet temperature, micro gas turbine output, differential pressure between the fuel electrode and the air electrode, and recirculation blower rotation. It may include two or more of the number and the pure water flow rate.
本発明は、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、上記いずれかに記載の燃料電池の制御装置とを備える発電システムを提供する。 The present invention comprises a fuel cell including a power generation chamber in which a plurality of power generation cells including a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode having oxidation catalyst performance are arranged, and a fuel cell control device according to any one of the above. To provide a power generation system equipped with.
本発明は、燃料極と、固体電解質と、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、前記燃料電池の目標負荷を設定する目標負荷設定工程と、前記燃料電池の目標負荷から前記燃料電池の出力電流指令を所定の繰り返し時間間隔で設定する出力電流指令設定工程と、前記燃料電池の出力電流指令を用いて、複数の制御系の制御指令を設定する制御指令設定工程と、前記制御指令設定工程において設定された少なくとも一つの制御指令を増加または減少させる制御指令補正工程と、前記制御指令補正工程による補正後の前記制御指令に基づいて、前記制御系の少なくとも1つの操作量を制御する制御工程とを有し、前記制御工程では、前記燃料電池の負荷変化時において、前記燃料電池の運転状態に応じて前記制御系の少なくとも1つのゲインを変化させる燃料電池の制御方法を提供する。 The present invention is a method for controlling a fuel cell including a power generation chamber in which a plurality of power generation cells including a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are arranged, and a target load setting for setting a target load of the fuel cell. Control of a plurality of control systems by using a process, an output current command setting step of setting an output current command of the fuel cell from a target load of the fuel cell at a predetermined repeating time interval, and an output current command of the fuel cell. Based on the control command setting step of setting the command, the control command correction step of increasing or decreasing at least one control command set in the control command setting step, and the control command corrected by the control command correction step. It has a control step of controlling at least one operation amount of the control system, and in the control step, at least one of the control systems according to the operating state of the fuel cell when the load of the fuel cell changes. A method of controlling a fuel cell that changes the gain is provided.
本発明によれば、燃料電池の負荷上昇時において、制御量のオーバーシュートを回避しながら目標到達までの時間を短縮することができるという効果を奏する。 According to the present invention, when the load of the fuel cell is increased, it is possible to shorten the time to reach the target while avoiding the overshoot of the controlled amount.
以下に、本発明に係る燃料電池の制御装置及び制御方法並びに発電システムの一実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of a fuel cell control device and a control method and a power generation system according to the present invention will be described with reference to the drawings.
〔発電システムの構成〕
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。
[Power generation system configuration]
First, a schematic configuration of a power generation system according to an embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a schematic configuration of a
MGT11は、圧縮機21、燃焼器22、タービン23を有しており、圧縮機21とタービン23とは回転軸24により一体回転可能に連結されている。後述するタービン23が回転することで圧縮機21が回転駆動する。圧縮機21は、空気取り込みライン25から取り込んだ空気Aを圧縮する。
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。
The
Compressed air (hereinafter, simply referred to as “air”) A1 from the
燃焼器22は、燃料ガスL1、空気Aの一部、排燃料ガスL3、及び排空気A2を混合して燃焼させ、燃焼ガスGを生成する。燃焼ガスGは燃焼ガス供給ライン28を通じてタービン23に供給される。タービン23は、燃焼ガスGが断熱膨張することにより回転し、排ガスが燃焼排ガスライン55から排出される。発電機12は、タービン23と同軸上に設けられており、タービン23が回転駆動することで発電する。
The
燃焼器22に供給する燃料ガスL1及び後述する燃料ガスL2は可燃性ガスであり、例えば、液化天然ガス(LNG)、都市ガス、水素(H2)及び一酸化炭素(CO)、メタン(CH4)等の炭化水素ガス、及び炭素質原料(石油や石炭等)のガス化設備により製造されたガス等が用いられる。
Fuel gas L2 to the fuel gas L1 and later supplied to the
SOFC13は、還元剤としての加熱した燃料ガスL2と、酸化剤ガスとしての加熱した空気(酸化剤ガス)とが供給されることで、所定の作動温度にて反応して発電を行う。このSOFC13は、圧力容器内に燃料極13Aと空気極13Bと固体電解質とが収容されて構成される。なお、SOFC13の詳細な構成については後述する。
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。
The
The
SOFC13には、第1空気供給ライン26から分岐した第2空気供給ライン31を通じて酸化剤ガスとして空気A1が空気極13Bの導入部である空気供給部に供給される。この第2空気供給ライン31には、供給する空気A1の流量を調整するための制御弁64が設けられている。また、第1空気供給ライン26において、第2空気供給ライン31の分岐点よりも空気A1の上流側(換言すると、圧縮機21側)には、熱交換器58が設けられている。熱交換器58において、空気Aは、燃焼排ガスライン55から排出される排ガスとの間で熱交換されて昇温される。更に、第2空気供給ライン31には、熱交換器58をバイパスするバイパスライン62が設けられている。バイパスライン62には、制御弁66が設けられ、空気Aのバイパス流量が調整可能とされている。
Air A1 is supplied to the
制御弁64、66の開度が後述する制御装置60によって制御されることで、熱交換器58を通過する空気Aと熱交換器58をバイパスする空気Aとの流量割合が調整され、空気Aの一部である第2空気供給ライン31を通じてSOFC13に供給される空気A1の温度が調整される。SOFC13に供給される空気A1の温度は、SOFC13を構成するSOFCカートリッジ203に空気A1を導入する空気供給部や空気供給枝管をはじめSOFCカートリッジ203の構成材料に損傷を与えないよう温度の上限が制限されている。
By controlling the opening degree of the
更に、第2空気供給ライン31には、可燃性ガスとして燃料ガスL2を供給する空気極燃料供給ライン80が接続されている。空気極燃料供給ライン80には、第2空気供給ライン31へ供給する燃料ガス量を調整するための制御弁82が設けられている。制御弁82の弁開度が後述する制御装置60によって制御されることにより、空気A1に添加される燃料ガスL2の供給量が調整される。空気A1に添加される燃料ガスL2の量は、可燃限界濃度以下で供給され、より好ましくは3体積%以下で供給される。
Further, an air electrode
SOFC13には、空気極13Bで用いられた排空気A2を排出する排空気排出ライン34が接続されている。この排空気排出ライン34には、燃焼器22に排空気A2を供給するための排空気供給ライン36が接続されている。排空気供給ライン36には、SOFC13とMGT11との間の系統を切り離すための遮断弁38が設けられている。
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が設けられている。
An exhaust
Further, the exhaust
SOFC13には、更に、燃料ガスL2を燃料極13Aの導入部である燃料ガス供給部207(図3参照)に供給する第2燃料ガス供給ライン41と、燃料極13Aで反応に用いられた後の排燃料ガスL3を排出する排燃料ガスライン43とが接続されている。第2燃料ガス供給ライン41には、燃料極13Aに供給する燃料ガスL2の流量を調整するための制御弁42が設けられ、排燃料ガスライン43には外部に排出する排燃料ガス量を調整するための制御弁(もしくは遮断弁)46が設けられている。排燃料ガスライン43の制御弁(もしくは遮断弁)46と、排空気排出ライン34の制御弁(もしくは遮断弁)37により過剰になった圧力を素早く調整することができる。また、SOFC13の燃料極13Aと空気極13Bの燃料空気差圧は、燃料極13A側が所定の圧力範囲で高くなるように、制御弁47により制御する。また、排燃料ガスライン43には、排燃料ガスL3をSOFC13の燃料極13Aの入口へと再循環させるための燃料ガス再循環ライン49が接続されている。燃料ガス再循環ライン49には、排燃料ガスL3を再循環させるための再循環ブロワ50が設けられている。
The
更に、燃料ガス再循環ライン49には、燃料極13Aに燃料ガスL2を改質するための純水を供給する純水供給ライン44が設けられている。純水供給ライン44にはポンプ48が設けられている。ポンプ48の吐出流量が制御装置60によって制御されることにより、燃料極13Aに供給される純水量が調整される。
Further, the fuel
〔SOFCの構成〕
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13Aに電気的に接続されたリード膜(不図示)を備える。
[SOFC configuration]
Next, the configuration of the
First, a cylindrical cell stack used for SOFC of the SOFC combined cycle power generation system (fuel cell combined cycle power generation system) according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram showing one aspect of the
基体管103は、多孔質材料からなり、例えば、CaO安定化ZrO2(CSZ)、CSZと酸化ニッケル(NiO)との混合物(CSZ+NiO)、又はY2O3安定化ZrO2(YSZ)、又はMgAl2O4などを主成分とされる。この基体管103は、燃料電池セル105とインターコネクタ107とリード膜115とを支持すると共に、基体管103の内周面に供給される燃料ガスを基体管103の細孔を介して基体管103の外周面に形成される燃料極13Aに拡散させる。
燃料極13Aは、Niとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ni/YSZが用いられる。燃料極13Aの厚さは50〜250μmである。この場合、燃料極13Aは、燃料極13Aの成分であるNiが燃料ガスに対して触媒作用を備える。この触媒作用は、基体管103を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン(CH4)と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素(H2)と一酸化炭素(CO)に改質する。また、燃料極13Aは、改質により得られる水素(H2)及び一酸化炭素(CO)と、固体電解質111を介して供給される酸素イオン(O2−)とを固体電解質111との界面付近において電気化学的に反応させて水(H2O)及び二酸化炭素(CO2)を生成する。なお、燃料電池セル105は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。SOFC13の燃料極13Aに供給し利用できる燃料ガスL2は、水素(H2)および一酸化炭素(CO)、メタン(CH4)などの炭化水素系ガス、都市ガス、天然ガスのほか、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどの炭素質原料をガス化設備により製造したガスなどである。本実施形態での燃料ガスL2は、都市ガスなどのメタンを主成分とする燃料ガスと水素を用いたものである。
The
固体電解質111は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを備えるYSZとが主に用いられて構成されている。固体電解質111は、空気極13Bで生成される酸素イオン(O2−)を燃料極13Aに移動させる。燃料極13Aの表面上に位置する固体電解質111の膜厚は10〜100μmである。
The
空気極13Bは、例えば、LaSrMnO3系酸化物、又はLaCoO3系酸化物で構成される。この空気極13Bは、固体電解質111との界面付近において、供給される空気等の酸化剤ガス中の酸素を解離させて酸素イオン(O2−)を生成する。空気極13Bは2層構成とすることもできる。この場合、固体電解質111側の空気極層(空気極中間層)は高いイオン導電性を示し、触媒活性に優れる材料で構成される。空気極中間層上の空気極層(空気極導電層)は、Sr及びCaドープLaMnO3で表されるペロブスカイト型酸化物で構成されても良い。こうすることにより、発電性能をより向上させることができる。
The
インターコネクタ107は、SrTiO3系などのM1−xLxTiO3(Mはアルカリ土類金属元素、Lはランタノイド元素)で表される導電性ペロブスカイト型酸化物などから構成される。インターコネクタ107は、燃料ガスと空気とが混合しないように緻密な膜となっており、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した耐久性と電気導電性を備える。このインターコネクタ107は、隣り合う燃料電池セル105において、一方の燃料電池セル105の空気極13Bと他方の燃料電池セル105の燃料極13Aとを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル105同士を直列に接続する。リード膜115は、電子伝導性を備えること、及びセルスタック101を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ni/YSZ等のNiとジルコニア系電解質材料との複合材で構成されている。このリード膜115は、インターコネクタ107により直列に接続される複数の燃料電池セル105で発電された直流電力をセルスタック101の端部付近まで導出する。
The
次に、図3及び図4を参照して本実施形態に係るSOFCモジュール及びSOFCカートリッジについて説明する。図3は、本実施形態に係るSOFCモジュールの一態様を示した図、図4は、本実施形態に係るSOFCカートリッジの一態様の断面図である。 Next, the SOFC module and the SOFC cartridge according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 3 and 4. FIG. 3 is a view showing one aspect of the SOFC module according to the present embodiment, and FIG. 4 is a cross-sectional view of one aspect of the SOFC cartridge according to the present embodiment.
SOFCモジュール201は、図3に示すように、例えば、複数のSOFCカートリッジ203と、複数のSOFCカートリッジ203を収納する圧力容器205とを備える。なお、図3には円筒形のSOFCのセルスタックを例示しているが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。圧力容器205は、内部の圧力が0.1MPa〜約1MPa、内部の温度が大気温度〜約550℃で運用されるので、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤ガスに対する耐食性を保有する材質が利用される。例えばSUS304などのステンレス系材が好適である。
As shown in FIG. 3, the
SOFCモジュール201は、燃料ガス供給部207と複数の燃料ガス供給枝管207a及び燃料ガス排出部209と複数の燃料ガス排出枝管209aとを備える。更に、SOFCモジュール201は、空気供給部(不図示)と空気供給枝管(不図示)及び空気排出部(不図示)と複数の空気排出枝管(不図示)とを備える。
The
第2燃料ガス供給ライン41(図1参照)からの燃料ガスL2は、燃料ガス供給部207、複数の燃料ガス供給枝管207aを通じて複数のSOFCカートリッジ203に供給される。燃料ガス供給枝管207aは、燃料ガス供給部207を通じて供給される燃料ガスL2を複数のSOFCカートリッジ203に略均等の流量で導き、複数のSOFCカートリッジ203の発電性能を略均一化させる。
The fuel gas L2 from the second fuel gas supply line 41 (see FIG. 1) is supplied to the plurality of
SOFCカートリッジ203から排出される排燃料ガスL3は、燃料ガス排出枝管209a及び燃料ガス排出部209を通じることにより、略均等の流量で排燃料ガスライン43(図1参照)に導かれる。
The exhaust fuel gas L3 discharged from the
本実施形態においては、複数のSOFCカートリッジ203が集合化されて圧力容器205に収納される態様について説明しているが、これに限られず、例えば、SOFCカートリッジ203が集合化されずに圧力容器205内に収納される態様としてもよい。
In the present embodiment, a mode in which a plurality of
SOFCカートリッジ203は、図4に示すように、複数のセルスタック101と、発電室215と、燃料ガス供給室217と、燃料ガス排出室219と、空気供給室221と、空気排出室223とを備えている。更に、SOFCカートリッジ203は、上部管板225aと、下部管板225bと、上部断熱体227aと、下部断熱体227bとを備えている。なお、本実施形態においては、SOFCカートリッジ203は、燃料ガス供給室217と燃料ガス排出室219と空気供給室221と空気排出室223とが図4のように配置されることで、燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気とがセルスタック101の内側と外側とを対向して流れる構造とされているが、その態様は必ずしもこの例に限られず、例えば、セルスタックの内側と外側とを平行して流れる、または空気がセルスタックの長手軸方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。
As shown in FIG. 4, the
発電室215は、上部断熱体227aと下部断熱体227bとの間に形成された領域である。発電室215は、セルスタック101の燃料電池セル105が配置された領域であり、燃料ガスと空気とを電気化学的に反応させて発電を行う領域である。例えば、発電室215のセルスタック101の長手方向の中央部付近の温度は、後述する温度センサ92などで監視され、SOFCモジュール201の定常運転時に、約700℃から1000℃の高温雰囲気となる。
The
燃料ガス供給室217は、SOFCカートリッジ203の上部ケーシング229aと上部管板225aとに囲まれた領域であり、上部ケーシング229aの上部に設けられた燃料ガス供給孔231aによって、燃料ガス供給枝管207aと連通されている。複数のセルスタック101は、上部管板225aとシール部材237aにより接合されており、燃料ガス供給室217は、燃料ガス供給枝管207aから燃料ガス供給孔231aを介して供給される燃料ガスを、複数のセルスタック101の基体管103の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック101の発電性能を略均一化させる。
The fuel
燃料ガス排出室219は、SOFCカートリッジ203の下部ケーシング229bと下部管板225bとに囲まれた領域であり、下部ケーシング229bの下部に備えられた燃料ガス排出孔231bによって、燃料ガス排出枝管209aと連通されている。複数のセルスタック101は、下部管板225bとシール部材237bにより接合されており、燃料ガス排出室219は、複数のセルスタック101の基体管103の内部を通過して燃料ガス排出室219に供給される排燃料ガスL3を集約して、燃料ガス排出孔231bを介して燃料ガス排出枝管209aに導くことができる。
The fuel
空気供給室221は、SOFCカートリッジ203の下部ケーシング229bと、下部管板225bと、下部断熱体227bとに囲まれた領域であり、下部ケーシング229bの側面に設けられた空気供給孔233aによって、図示しない空気供給枝管と連通されている。この空気供給室221は、図示しない空気供給枝管から空気供給孔233aを介して供給される所定流量の空気を、空気供給隙間235aを介して発電室215に略均一流量で導くことができる。
The
空気排出室223は、SOFCカートリッジ203の上部ケーシング229aと、上部管板225aと、上部断熱体227aとに囲まれた領域であり、上部ケーシング229aの側面に設けられた空気排出孔233bによって、図示しない空気排出枝管と連通されている。この空気排出室223は、発電室215から、空気排出隙間235bを介して空気排出室223に供給される排空気を、空気排出孔233bを介して図示しない空気排出枝管に導くことができる。
The
発電室215で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル105に設けられたNi/YSZ等からなるリード膜115(図2参照)によりセルスタック101の端部付近まで導出した後に、SOFCカートリッジ203の集電棒(不図示)に集電板(不図示)を介して集電して、各SOFCカートリッジ203の外部へと取り出される。集電棒によってSOFCカートリッジ203の外部に導出された電力は、SOFCモジュール201の外部へと導出されて、図示しないインバータなどにより所定の交流電力へと変換されて、電力負荷へと供給される。
The DC power generated in the
上述したように、本実施形態に係るSOFC13では、燃料ガスL2と空気A1とがセルスタック101の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。これにより、排空気A2は、基体管103の内部を通って発電室215に供給される燃料ガスL2との間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部管板225a等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて空気排出室223に供給される。また、燃料ガスL2は、発電室215から排出される排空気A2との熱交換により昇温され、発電室215に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温された燃料ガスL2を発電室215に供給することができる。更に、基体管103の内部を通って発電室215を通過した排燃料ガスL3は、発電室215に供給される空気A1との間で熱交換がなされ、金属材料から成る下部管板225b等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて燃料ガス排出室219に供給される。また、空気A1は排燃料ガスL3との熱交換により昇温され、発電室215に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に必要な温度に昇温された空気を発電室215に供給することができる。
As described above, in the
また、図4に示すように、各SOFCカートリッジ203には少なくとも1つの温度センサ92が配置されている。例えば、SOFC13が4つのSOFCカートリッジ203を備えて構成されている場合、少なくとも合計4つの温度センサが設けられていることとなる。温度センサ92は、少なくとも発電室215の内のセルスタック101の長手方向の中央領域に配置されている。本実施形態での中央領域とは、セルスタック101の長手方向における温度分布をとった場合に最も高温になる位置を含む領域とされ、セルスタック101の下部を0%、上部を100%とした場合、約30%から65%の範囲とされている。より好ましくは、中央領域は、約45%から55%の範囲とされている。
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、92の計測値は、制御装置60に送信される。
Further, as shown in FIG. 4, at least one
Further, the
また、発電システム10には、SOFC13の周囲の外気温度を計測する外気温度センサ94(図1参照)が設けられている。本実施形態において、外気温度センサ94は、MGT11の圧縮機21の吸入口付近に設けられ、圧縮機21に吸引される空気Aの温度を計測する。外気温度センサ94の計測値は、制御装置60に送信される。
Further, the
さらに、発電システム10には、第2空気供給ライン31を通じてSOFC13に供給される空気温度(入口空気温度)を計測する温度センサ(不図示)、燃料ガス再循環ライン49を循環する排燃料ガスL3の温度を計測する温度センサ(不図示)等が設けられている。各温度センサの計測値は、制御装置60に送信される。
Further, the
制御装置60は、各種センサからの計測値や各遮断弁の開度情報等を取得し、取得した情報に基づいて演算を行い、発電システム10の各部の動作を制御する。
The
〔発電システムの運転方法〕
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。
[How to operate the power generation system]
Next, in the
発電システム10の起動時において、制御装置60は、まずMGT11を起動させ、MGT11の出力がある一定の負荷で安定してから、圧縮機21から供給される空気の一部をSOFC13に供給することで、SOFC13の空気極13Bを加圧していくことができる。また燃料極13Aは燃料ガスの改質反応が可能な所定温度に上昇するまでは、N2などの不活性ガスにH2などの還元性ガスを加えた混合気体などを用いて、加圧してゆくことができる。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。
At the time of starting the
When the
コンバインド状態への移行後に、SOFC13を昇温するためにSOFC13に供給される空気流量を増加させ、SOFC13をバイパスして燃焼器22に供給される空気流量を減少させる。そして、ある一定時間後にSOFC13が発電を開始するまでは空気Aの全量がSOFC13を経由して燃焼器22に供給されるように制御して、SOFC13を可能な限り均一な温度で早く昇温できるようにしてもよい。
After the transition to the combined state, the air flow rate supplied to the
次に、本発明の一実施形態に係る制御装置60について、図を参照して説明する。
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。
Next, the
The
図5は、本実施形態に係る制御装置60が備える機能を展開して示した機能ブロック図である。図5に示すように、制御装置60は、SOFC13を制御するSOFC制御装置60aと、MGT11を制御するMGT制御装置60bとを備えている。SOFC制御装置60aとMGT制御装置60bとは情報の相互授受が可能とされている。
FIG. 5 is a functional block diagram showing an expanded function of the
SOFC制御装置60aは、SOFC13の起動時に、第1昇温モード、第2昇温モード、及び負荷上昇モードを順に実行し、発電室温度を定格温度まで上昇させるとともに、目標負荷まで負荷を上昇させる。
When the
まず、第1昇温モードでは、熱交換器58による熱交換によって加熱された空気A1を空気極13Bに供給することにより、発電室215を昇温させる。第1昇温モードにより、発電室温度が第1温度閾値Tth1に到達すると、第1昇温モードから第2昇温モードに切り替える。ここで、第1温度閾値は、空気極13Bが可燃性ガスとしての燃料ガスL2との燃焼反応に対して触媒として機能する温度であり、例えば、約400℃から450℃の範囲で設定されている。
First, in the first temperature raising mode, the temperature of the
第2昇温モードでは、第1昇温モードと同様に空気極13Bに空気A1を供給するとともに、制御弁82を開くことにより、空気極燃料供給ライン80により燃料ガスL2を空気A1に添加する。空気A1と燃料ガスL2とが流入した空気極13Bでは、空気極13Bの触媒作用によって燃料ガスL2が空気極13B上で触媒燃焼し、燃焼熱が発生する。このように、第2昇温モードでは、触媒燃焼による発熱を用いて発電室温度を上昇させる。
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。
In the second temperature rising mode, the air A1 is supplied to the
In the second temperature rising mode, the
When the power generation chamber temperature reaches the second temperature threshold value Tth2, the
負荷上昇モードでは、負荷上昇中の発電による自己発熱のみで発電室温度を上昇させることも可能であるが、昇温に長い時間を要してしまうため、第1昇温モードと同様に空気極13Bに空気A1を供給するとともに、燃料極13Aに第2燃料ガス供給ライン41から燃料ガスL2と純水供給ライン44から純水を供給し、発電を開始する。負荷上昇モードでは、空気極13Bに燃料ガスL2を供給することによる触媒燃焼による発熱と、発電の両方による発熱とによって発電室温度を上昇させる。負荷上昇モードでは、SOFC13の発電室温度が発電による自己発熱で温度維持が出来るまで温度上昇をした後は、空気極13Bへ供給される燃料ガスL2の供給量を徐々に減少させ、例えば、目標負荷到達と同時に空気極13Bへの燃料ガスL2の供給がゼロになるように制御される。また、負荷上昇モードでは、空気極の触媒燃焼およびSOFC13に負荷をかけて発電することによる発熱で発電室温度が上昇するが、負荷上昇に対して発電室温度は遅れて上昇する。
In the load increase mode, it is possible to raise the temperature of the power generation room only by self-heating due to the power generation during the load increase, but since it takes a long time to raise the temperature, the air electrode is the same as in the first temperature rise mode. Air A1 is supplied to 13B, and fuel gas L2 and pure
上記第2温度閾値Tth2は、例えば、750℃以上に設定されている。これは、燃料電池セル105が十分な温度に達していないときに燃料極13A側に燃料ガスL2を投入してしまうと、固体電解質111(図2参照)が高抵抗状態のときに燃料電池セル105を発電させることとなり、電極構成材料が組織変化して劣化し、燃料電池セル105の性能低下の要因になるからである。発電室温度が750℃以上であれば上記のような燃料電池セル105の性能低下が起きにくいため、第2温度閾値Tth2は750℃付近に設定されることが好ましい。
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が発電による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。
The second temperature threshold value Tth2 is set to, for example, 750 ° C. or higher. This is because if the fuel gas L2 is charged to the
In the load increase mode, when the power generation room temperature reaches the power generation room target temperature Ttag and the load reaches the target load such as the rated load, the start-up is completed. The target temperature Ttag of the power generation room is equal to or higher than the temperature at which the
次に、SOFC制御装置60aによって実行される起動時の制御について、図面を参照して具体的に説明する。ここでは、特に本発明の特徴部分である負荷上昇モードについて説明する。
Next, the control at startup executed by the
図6は、本発明の一実施形態に係るSOFC制御装置60aの負荷上昇モード時における機能を展開して示した機能ブロック図である。
図6に示すように、SOFC制御装置60aは、目標負荷設定部51、出力電流指令設定部52、制御指令設定部53、制御指令補正部5及び制御部54を備えている。
FIG. 6 is a functional block diagram showing the functions of the
As shown in FIG. 6, the
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7は目標負荷情報の一例を示した図である。図7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64等の弁開度を全開にしたとき、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64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7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。
The target
FIG. 7 is a diagram showing an example of target load information. In FIG. 7, the horizontal axis represents the outside air temperature, and the vertical axis represents the target load (= target output current). The target load information is, for example, created in advance based on the results of a simulation or an actual machine test, and is supplied to the
また、目標負荷情報は、図7に点線で示すように、外気温度から決定される目標負荷に対して所定の裕度を持たせることとしてもよい。SOFC13の負荷変化等で発電室温度が変化する際に、発電室温度は温度分布を保有する場合がある。このように所定の裕度を持たせることにより、発電室内の一部の温度がSOFC13の一部の部材等の耐熱温度から決定される温度上限値を超えることを極力回避することが可能となる。ここでの裕度は、本実施形態では例えば、目標負荷(=目標出力電流)に対して約0.5%以下の範囲で設定される。裕度が0.5%を超え、更には1%を超えると目標負荷(=目標出力電流)に対して到達する電流値が少なくなり、出来るだけSOFC13の出力を多くしたい目的から外れるので好ましくない。また0.1%を下回ると、流量制御装置(マスフローコントローラなど)などの制御誤差範囲内になり実質的な裕度にならないので好ましくない。
Further, as shown by the dotted line in FIG. 7, the target load information may have a predetermined margin with respect to the target load determined from the outside air temperature. When the temperature of the power generation chamber changes due to a change in the load of the
出力電流指令設定部52は、目標負荷から決まる目標出力電流に基づいて所定の電流変化率で出力電流指令を所定の繰り返し時間間隔で設定する。電流変化率を設けないと、瞬時に電流が変化することになり各制御量の応答追従ができず、一時的に燃料ガスが過多または欠乏となる。これにより、発電システム10の運転が不安定となったり、SOFCカートリッジ203が損傷する可能性がある。ここで電流変化率とは、電流変化量(電流の増加量)の時間当たりの勾配を示す。また、所定の繰り返し時間間隔とは、一連の制御処理ステップを順次実施して出力電流指令が目標電流に達したかどうかを判断するステップを実施するまでに必要な時間である。例えば、目標出力電流が定格電流の90%、電流変化率が定格電流の5%/minに設定されていた場合、10分後の出力電流指令は定格電流の50%となり、約18分かけて目標出力電流まで負荷上げされることとなる。
なお、所定の電流変化率は、出力電流値と目標出力電流との差分に応じて変化させてもよい。例えば、差分が大きい場合には比較的大きな電流変化率で出力電流指令を設定し、差分が小さくなるにつれて電流変化率を小さく設定することとしてもよい。このように電流変化率を変化させることで、目標出力電流に到達するまでの時間を短縮するとともに、発電室温度のオーバーシュートを抑制することが可能となる。
The output current
The predetermined current change rate may be changed according to the difference between the output current value and the target output current. For example, when the difference is large, the output current command may be set with a relatively large current change rate, and the current change rate may be set to decrease as the difference becomes smaller. By changing the current change rate in this way, it is possible to shorten the time required to reach the target output current and suppress overshoot of the temperature of the power generation chamber.
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や発電室温度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50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。
The control
燃料ガス流量設定部53aは、例えば、図8に示すように、出力電流指令と燃料ガスL2の流量とが関連付けられた燃料ガス流量情報を有しており、燃料ガス流量情報から出力電流指令に対応する燃料ガスL2の流量を取得し、取得した燃料ガスL2の流量を燃料ガス流量指令として設定する。
入口空気温度設定部53bは、例えば、図9に示すように、出力電流指令とSOFC13の空気極13Bへの入口空気温度とが関連付けられた入口空気温度情報を有しており、入口空気温度情報から出力電流指令に対応する入口空気温度を取得し、取得した入口空気温度情報を入口空気温度指令として設定する。
As shown in FIG. 8, for example, the fuel gas flow
As shown in FIG. 9, the inlet air
MGT出力設定部53cは、例えば、図10に示すように、出力電流指令とMGT出力とが関連付けられたMGT出力情報を有しており、MGT出力情報から出力電流指令に対応するMGT出力を取得し、取得したMGT出力をMGT出力指令として設定する。ここで、MGT出力情報は、MGT11の圧縮機21が吸気する外気温度に応じてそれぞれ設定されていてもよい。外気温度は例えば外気温度センサ94により計測される。例えば、MGT出力情報は、吸気する外気温度の低下に伴って、同じ出力電流指令に対するMGT出力が高くなるように設定される。これは、外気温度が低いほど、圧縮機21で送風する空気Aの流量が増加し、燃焼器22からの燃焼ガスGの流量が増加させることが可能だからである。
As shown in FIG. 10, the MGT output setting unit 53c has MGT output information in which the output current command and the MGT output are associated with each other, and acquires the MGT output corresponding to the output current command from the MGT output information. Then, the acquired MGT output is set as the MGT output command. Here, the MGT output information may be set according to the outside air temperature taken in by the
差圧設定部53dは、例えば、図11に示すように、出力電流指令と、燃料極13Aと空気極13Bとの間の差圧である燃料空気差圧とが関連付けられた差圧情報を有しており、差圧情報から出力電流指令に対応する燃料空気差圧を取得し、取得した燃料空気差圧を燃料空気差圧指令として設定する。
再循環流量設定部53eは、例えば、図12に示すように、出力電流指令とブロワ回転数とが関連付けられた回転数情報を有しており、ブロワ回転数により燃料ガス再循環ライン49の排燃料ガスL3の一部を再循環させる流量を制御する。回転数情報から出力電流指令に対応する回転数を取得し、取得したブロワ回転数をブロワ回転数指令として設定する。ここで、回転数情報は、MGTの吸気する外気温度に応じて設定されていてもよい。例えば、図7のように外気温度によりSOFC目標負荷が変わる。外気温度が低くなるとSOFC目標負荷が上昇するので、SOFCへ供給する空気流量が増加し系内圧力が上昇する。それにより再循環ガス密度が上昇するので、外気温度が低い時は、外気温度が高い時と同じ再循環流量とするために必要なブロワ回転数は低くなるよう設定する。
For example, as shown in FIG. 11, the differential
As shown in FIG. 12, for example, the recirculation flow
純水流量設定部53fは、例えば、図13に示すように、出力電流指令と純水流量とが関連付けられた純水流量情報を有しており、純水流量情報から出力電流指令に対応する純水流量値を取得し、取得した純水流量を純水流量指令として設定する。出力電流が増加するためにはSOFC負荷が増加するので、燃料ガス再循環ライン49から供給される改質に必要な水蒸気の供給量が増加して、外部から供給が必要な純水流量は減少する。また所定のSOFC負荷となる出力電流以上では、燃料ガス再循環ライン49から改質に必要な全ての蒸気が供給されるので、純水の供給は不要となる。
As shown in FIG. 13, the pure water flow
制御指令設定部53によって設定された各種制御指令は、制御指令補正部5に入力される。制御指令補正部5は、燃料ガス流量設定部53aによって設定された燃料ガス流量指令を増加方向に補正する燃料ガス流量指令補正部5aと、差圧設定部53dによって設定された燃料空気差圧指令を減少する方向に補正する差圧指令補正部5dとを備えている。
Various control commands set by the control
燃料ガス流量指令補正部5aは、例えば、図14に点線で示すように、燃料ガス流量設定部53aによって設定された燃料ガス流量指令に所定の補正値αを加算する補正を行い、補正後の燃料ガス流量指令を制御部54に出力する。ここで、補正値αは、制御弁42の制御系の応答遅れに応じた値に設定されている。また、燃料ガス流量指令補正部5aは、出力電流指令が目標出力電流に達してから、補正値αをゼロに向けて徐々に低下させる。このことで、燃料ガスの欠乏により燃料極13Aの還元雰囲気が低下して燃料極13Aの劣化を生じないようにする。
For example, as shown by the dotted line in FIG. 14, the fuel gas flow rate
差圧指令補正部5dは、例えば、図15に点線で示すように、差圧設定部53dによって設定された燃料空気差圧指令に所定の補正値βを減算する補正を行い、補正後の燃料空気差圧指令を制御部54に出力する。ここで、補正値βは、差圧を調整する制御弁47の制御系の応答遅れに応じた値に設定されている。また、差圧指令補正部5dは、出力電流指令が目標出力電流に達したときに、補正値βがゼロになるように、目標出力電流に達するよりも所定時間前から補正値βをゼロに向けて徐々に低下させる。このことで、燃料空気差圧が補正値β分を小さめに厳しくする期間を最小限にして、燃料空気差圧の制御系の安定に必要な時間が長くなる期間を少なくする。
For example, as shown by the dotted line in FIG. 15, the differential pressure
制御部54は、図16に示すように、燃料ガス流量制御部54a、入口空気温度制御部54b、MGT出力制御部54c、差圧制御部54d、再循環流量制御部54e、純水流量制御部54fを備えている。
燃料ガス流量制御部54aは、燃料ガス流量指令補正部5aによる補正後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。
As shown in FIG. 16, the
The fuel gas flow
The inlet air
The MGT
差圧制御部54dは、差圧指令補正部5dによる補正後の燃料空気差圧指令に基づいて、制御弁47の開度を調整することにより、燃料極13A側が空気極13B側より所定の範囲(例えば、0.1〜1kPa)で高くなるように発電室215の燃料空気差圧を制御する。
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。
The differential
The recirculation flow
The pure water flow
上記燃料ガス流量制御部54a、入口空気温度制御部54b、MGT出力制御部54c、差圧制御部54d、再循環流量制御部54e、純水流量制御部54fのうち少なくとも2つの制御系に対しては、ほぼ同時に制御指令が出され、例えば、入力された各指令に基づいてフィードバック制御やフィードフォワード制御を行うことにより、各種制御量を制御指令に一致させる制御を行う。例えば、各種制御系の制御指令における各種操作量は、事前に図8から図13に示すような特性を用いた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作成してもよい。このようにすることで、ほぼ同時に複数の制御系に対して制御指令を出しても、各制御量が適切な制御の下に安定して指令値へと近づいてゆき、SOFC13の発電室温度や負荷(出力電流)を目標値へと安定して近づけることが可能となる。この各種制御の制御指令における各種制御量は、事前に図8から図13に示すような指令設定をシミュレーションまたは実機施試験などの結果に基づいて作成されている。このためほぼ同時に制御指令を出しても、全ての制御量が適切な制御の下に安定して指令値へと近づいてゆき、SOFC13の発電室温度や負荷(出力電流)を目標値へと安定して近づけることが可能である。
For at least two control systems of the fuel gas flow
図17に、差圧制御部54dの概略構成を示す。差圧制御部54dは、例えば、フィードバック制御部55a、フィードフォワード制御部55b、及び加算部55cを主な構成として備えている。フィードバック制御部55aは、燃料空気差圧指令と差圧センサ90によって計測された計測差圧との差分を演算する差分演算部551、差分演算部551の出力に対してPID制御を行い、フィードバック制御値を出力するPID制御部552、及びPID制御部552のゲインを調整するゲイン調整部553を備えている。フィードフォワード制御部55bは、燃料空気差圧指令と予め設定されている関数等からフィードフォワード制御値を演算し、出力する。
FIG. 17 shows a schematic configuration of the differential
フィードバック制御部55aから出力されたフィードバック制御値と、フィードフォワード制御部55bから出力されたフィードフォワード制御値とは加算部55cによって加算され、差圧制御値が生成される。この差圧制御値に基づいて差圧を調整する制御弁47の弁開度が制御されることで、SOFC13の燃料極13A側と空気極13B側との差圧である燃料空気差圧が調整される。
The feedback control value output from the
差圧を調整する制御弁47を安定して制御するために、制御弁47の弁開度が大きく変化しないようにする必要がある。このため、通常の運転時にはフィードバック制御部55aのPID制御部552のパラメータは小さめに設定される。
ゲイン調整部553は、SOFC13の負荷変化時において、PID制御部552のゲインを増加させる。ゲイン調整部553は、例えば、比例ゲイン、積分ゲイン、及び微分ゲインの少なくともいずれか一つを増加させる。このとき、ゲイン調整部553は、出力電流指令設定部52(図6参照)によって設定される出力電流指令に応じて、ゲインの補正値γを変化させてもよい。例えば、負荷上昇時においては、起動時より発電室温度を上昇させる際に、SOFC13の運転状態が変わってゆく。例えば、第1昇温モード、第2昇温モード、負荷上昇モードの順にモードが変更されるのに伴い、燃料極13A側に供給されるガス種類も、窒素(または窒素+水素)、窒素+純水(または窒素+水素+純水)、燃料ガスL2+純水(+水素)、そして燃料ガスL2へ変わる。
In order to stably control the
The
このように、燃料極13Aに供給されるガス種類が変化することにより、SOFC13の内部での燃料消費量が変化し、燃料ガス再循環ライン49を流通する排燃料ガスL3の組成が変化してゆく。そして、この排燃料ガスL3の組成の変化が制御弁47の感度に影響を及ぼすため、制御弁47の感度(ゲイン)をSOFC13の運転状態に応じて、換言すると、排燃料ガスL3の組成に応じて調整する必要がある。
例えば、ゲイン調整部553は、SOFC13の運転状態によって予め設定してある排燃料ガスL3のガス組成、もしくは諸流量の計測値から算出した排燃料ガスL3のガス組成に基づいて、制御弁47の追従性も考慮して、ゲインの補正値γを設定する。
In this way, by changing the type of gas supplied to the
For example, the
具体的には、SOFC13の負荷上昇に応じてSOFC13での燃料消費量が変化し、これにより、排燃料ガスL3の組成が変わっていくので、負荷上昇に合わせて制御弁47のゲインの補正値γを低下させる。また、負荷上昇に伴い発電室温度も上昇するので、発電室温度に応じてゲインを設定しても良い。また、排燃料ガスL3のガス組成の変化により、制御弁47のCV値も変化する。それに対応できるよう、出力電流指令に応じて徐々にゲインの補正値γを低下させてもよい。これにより、差圧制御弁のハンチングを防ぎ、安定した負荷上昇を実現することが可能となる。
また、さらにはゲインの補正値γは電流変化率も考慮して設定してもよい。電流変化率が大きくなることで、燃料空気差圧の変化速度も大きくなるため、この変化への制御弁47の応答遅れを抑制することができる。
Specifically, the fuel consumption in the
Further, the gain correction value γ may be set in consideration of the current change rate. As the current change rate increases, the rate of change of the fuel air differential pressure also increases, so that the response delay of the
次に、SOFC制御装置60aによって実行される負荷上昇モード時の制御について、図18を参照して説明する。図18は、負荷上昇モードにおける制御手順を示したフローチャートである。負荷上昇モードは、上述した第2昇温モードにおいて、発電室温度が第2温度閾値Tth2に到達したときに開始される制御モードである。
まず、目標負荷設定部51によって外気温度に基づいて図7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、出力電流指令に応じて変化してもよい。
Next, the control in the load increase mode executed by the
First, the target
続いて、制御指令設定部53により、出力電流指令に基づいて各制御系の制御指令が設定され(ステップSA3)、制御指令補正部5により燃料ガス流量指令および燃料空気差圧指令が補正される(ステップSA4)。そして、補正後の燃料ガス流量指令及び燃料空気差圧指令、並びに、制御指令設定部53によって設定されたその他の制御指令に基づいて、各制御系の制御がほぼ同時期に行われる(ステップSA5)。これにより、各種制御系の制御量が目標負荷に向けてほぼ同時期に変化することとなる。続いて、出力電流指令が目標負荷に対応する目標出力電流以上であるか否かを判定する(ステップSA6)。この結果、出力電流指令が目標出力電流未満であれば(ステップSA6において「NO」)、所定時間経過後にステップSA2に戻り、目標負荷に基づく出力電流指令が再度設定され、新たに設定された出力電流指令に基づいて以降のステップが順次行われる。
ステップSA6の判断は、所定の繰り返し時間間隔で行われ、目標負荷に対応する目標出力電流から出力電流指令の設定も、所定の繰り返し時間間隔で行われる。これにより、各種制御系の制御指令が所定の繰り返し時間間隔で適切に行われ、これに基づいて、各制御系の制御をほぼ同時期に行うことができ、各制御量が安定するまでの時間を短縮することが可能となる。ここで、所定の繰り返し時間間隔とは、ステップSA2からステップSA6までの各処理の制御を実行するに必要な時間である。
Subsequently, the control
The determination in step SA6 is performed at predetermined repetition time intervals, and the setting of the output current command from the target output current corresponding to the target load is also performed at predetermined repetition time intervals. As a result, control commands of various control systems are appropriately executed at predetermined repetition time intervals, and based on this, control of each control system can be performed at approximately the same time, and the time until each control amount stabilizes. Can be shortened. Here, the predetermined repetition time interval is the time required to execute the control of each process from step SA2 to step SA6.
このようにして、ステップSA2〜SA6を繰り返し行うことにより、徐々に出力電流指令が目標出力電流に向けて変化し、出力電流指令が目標出力電流に到達すると、ステップSA6において「YES」と判定され、本処理を終了する。出力電流指令が目標出力電流に到達した後は、例えば、SOFC13の出力電流を目標出力電流で維持するような制御が行われる。
By repeating steps SA2 to SA6 in this way, the output current command gradually changes toward the target output current, and when the output current command reaches the target output current, it is determined as "YES" in step SA6. , End this process. After the output current command reaches the target output current, for example, control is performed to maintain the output current of the
以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池の制御装置及び制御方法並びに発電システムによれば、負荷上昇モードにおいて、燃料ガス流量指令を増加方向に補正する燃料ガス流量指令補正部5aを備えるので、負荷上昇時における各制御量の変化によって燃料ガスが欠乏する事態を回避することが可能となる。これにより、燃料ガス不足による機器の損傷を回避することが可能となる。
また、負荷上昇モードにおいて、燃料空気差圧を減少方向に補正する差圧指令補正部5dを備えるので、負荷変化による各制御変動により差圧が一時的に高くならないように安全サイドで運転を行わせることが可能となる。これにより、機器の損傷等を回避することが可能となる。
As described above, according to the fuel cell control device and control method and the power generation system according to the present embodiment, the fuel gas flow rate
Further, in the load increase mode, the differential pressure
さらに、燃料空気差圧を制御する差圧の制御弁47は通常の運転時にはフィードバック制御部55aのPID制御部552のパラメータを小さめに設定して安定な作動を行い、負荷変化時には制御ゲインを増加させるゲイン調整部553を備えるので、差圧調整速度を早くすることが可能となり、差圧制御弁の追従遅れを低減することができる。さらに、出力電流指令の増加に応じてゲインの増加幅を低下させることで、差圧制御弁のハンチングを防ぎ、安定した負荷上昇を実現することが可能となる。
Further, the differential
本発明は、上述の実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において、例えば、上述した各実施形態を部分的または全体的に組み合わせる等して、種々変形実施が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the invention, for example, by partially or wholly combining the above-described embodiments. Is.
5 :制御指令補正部
5a :燃料ガス流量指令補正部
5d :差圧指令補正部
10 :発電システム
13A :燃料極
13B :空気極
49 :燃料ガス再循環ライン
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 :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 :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
55a :フィードバック制御部
55b :フィードフォワード制御部
55c :加算部
60 :制御装置
60a :SOFC制御装置
90 :差圧センサ
92 :温度センサ
94 :外気温度センサ
101 :セルスタック
103 :基体管
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
551 :差分演算部
552 :PID制御部
553 :ゲイン調整部
5: Control
Claims (12)
前記燃料電池の目標負荷を設定する目標負荷設定部と、
前記目標負荷設定部によって設定された前記燃料電池の目標負荷から前記燃料電池の出力電流指令を所定の繰り返し時間間隔で設定する出力電流指令設定部と、
前記燃料電池の出力電流指令を用いて、複数の制御系の制御指令を設定する制御指令設定部と、
前記制御指令設定部によって設定された少なくとも一つの制御指令を増加または減少させる制御指令補正部と、
前記制御指令補正部による補正後の前記制御指令に基づいて、前記制御系の少なくとも1つの操作量を制御する制御部と
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の負荷変化時において、前記燃料電池の運転状態に応じて前記制御系の少なくとも1つのゲインを変化させるゲイン調整部を備え、
前記制御指令補正部は、前記燃料電池の負荷上昇時において、前記空気極と前記燃料極との差圧を制御するための燃料空気差圧指令を所定量減少させる差圧指令補正部を備える燃料電池の制御装置。 A fuel cell control device including a power generation chamber in which a plurality of fuel cell cells including a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are arranged.
A target load setting unit that sets the target load of the fuel cell,
An output current command setting unit that sets an output current command of the fuel cell from the target load of the fuel cell set by the target load setting unit at predetermined repetition time intervals, and an output current command setting unit.
A control command setting unit that sets control commands for a plurality of control systems using the output current command of the fuel cell, and a control command setting unit.
A control command correction unit that increases or decreases at least one control command set by the control command setting unit,
A control unit that controls at least one operation amount of the control system based on the control command corrected by the control command correction unit is provided.
The control unit includes a gain adjusting unit that changes at least one gain of the control system according to the operating state of the fuel cell when the load of the fuel cell changes .
Wherein the control command correcting unit, at the time of load increase of the fuel cell, Ru with the differential pressure command correction unit that reduces a predetermined amount of fuel differential air pressure command for controlling the pressure difference between the air electrode and the fuel electrode Fuel cell control device.
前記燃料電池の目標負荷を設定する目標負荷設定部と、
前記目標負荷設定部によって設定された前記燃料電池の目標負荷から前記燃料電池の出力電流指令を所定の繰り返し時間間隔で設定する出力電流指令設定部と、
前記燃料電池の出力電流指令を用いて、複数の制御系の制御指令を設定する制御指令設定部と、
前記制御指令設定部によって設定された少なくとも一つの制御指令を増加または減少させる制御指令補正部と、
前記制御指令補正部による補正後の前記制御指令に基づいて、前記制御系の少なくとも1つの操作量を制御する制御部と
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の負荷変化時において、前記燃料電池の運転状態に応じて前記制御系の少なくとも1つのゲインを変化させるゲイン調整部を備え、
前記目標負荷設定部は、前記燃料電池の周囲の外気温度から前記燃料電池の目標負荷を設定する燃料電池の制御装置。 A fuel cell control device including a power generation chamber in which a plurality of fuel cell cells including a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are arranged.
A target load setting unit that sets the target load of the fuel cell,
An output current command setting unit that sets an output current command of the fuel cell from the target load of the fuel cell set by the target load setting unit at predetermined repetition time intervals, and an output current command setting unit.
A control command setting unit that sets control commands for a plurality of control systems using the output current command of the fuel cell, and a control command setting unit.
A control command correction unit that increases or decreases at least one control command set by the control command setting unit,
A control unit that controls at least one operation amount of the control system based on the control command corrected by the control command correction unit.
With
The control unit includes a gain adjusting unit that changes at least one gain of the control system according to the operating state of the fuel cell when the load of the fuel cell changes.
The target load setting unit, the control device of the fuel cell from the outside air temperature around to set the target load of the fuel cell of the fuel cell.
請求項1から請求項9のいずれかに記載の燃料電池の制御装置と
を備える発電システム。 A fuel cell having a power generation chamber in which a plurality of power generation cells having a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode having oxidation catalytic performance are arranged, and a fuel cell.
A power generation system including the fuel cell control device according to any one of claims 1 to 9 .
前記燃料電池の目標負荷を設定する目標負荷設定工程と、
前記燃料電池の目標負荷から前記燃料電池の出力電流指令を所定の繰り返し時間間隔で設定する出力電流指令設定工程と、
前記燃料電池の出力電流指令を用いて、複数の制御系の制御指令を設定する制御指令設定工程と、
前記制御指令設定工程において設定された少なくとも一つの制御指令を増加または減少させる制御指令補正工程と、
前記制御指令補正工程による補正後の前記制御指令に基づいて、前記制御系の少なくとも1つの操作量を制御する制御工程と
を有し、
前記制御工程では、前記燃料電池の負荷変化時において、前記燃料電池の運転状態に応じて前記制御系の少なくとも1つのゲインを変化させ、
前記制御指令補正工程は、前記燃料電池の負荷上昇時において、前記空気極と前記燃料極との差圧を制御するための燃料空気差圧指令を所定量減少させる工程を含む燃料電池の制御方法。 A method for controlling a fuel cell having a power generation chamber in which a plurality of power generation cells including a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are arranged.
The target load setting process for setting the target load of the fuel cell and
An output current command setting step of setting the output current command of the fuel cell from the target load of the fuel cell at predetermined repeating time intervals, and
A control command setting process for setting control commands for a plurality of control systems using the output current command of the fuel cell, and
A control command correction step of increasing or decreasing at least one control command set in the control command setting step, and a control command correction step.
It has a control step of controlling at least one operation amount of the control system based on the control command corrected by the control command correction step.
In the control step, when the load of the fuel cell changes, at least one gain of the control system is changed according to the operating state of the fuel cell .
The control command correction step is a fuel cell control method including a step of reducing a fuel air differential pressure command for controlling the differential pressure between the air electrode and the fuel electrode by a predetermined amount when the load of the fuel cell is increased. ..
前記燃料電池の目標負荷を設定する目標負荷設定工程と、The target load setting process for setting the target load of the fuel cell and
前記燃料電池の目標負荷から前記燃料電池の出力電流指令を所定の繰り返し時間間隔で設定する出力電流指令設定工程と、An output current command setting process for setting the output current command of the fuel cell from the target load of the fuel cell at predetermined repeating time intervals, and an output current command setting process.
前記燃料電池の出力電流指令を用いて、複数の制御系の制御指令を設定する制御指令設定工程と、A control command setting process for setting control commands for a plurality of control systems using the output current command of the fuel cell, and
前記制御指令設定工程において設定された少なくとも一つの制御指令を増加または減少させる制御指令補正工程と、A control command correction step of increasing or decreasing at least one control command set in the control command setting step, and a control command correction step.
前記制御指令補正工程による補正後の前記制御指令に基づいて、前記制御系の少なくとも1つの操作量を制御する制御工程とA control step that controls at least one operation amount of the control system based on the control command corrected by the control command correction step.
を有し、Have,
前記制御工程では、前記燃料電池の負荷変化時において、前記燃料電池の運転状態に応じて前記制御系の少なくとも1つのゲインを変化させ、In the control step, when the load of the fuel cell changes, at least one gain of the control system is changed according to the operating state of the fuel cell.
前記目標負荷設定工程は、前記燃料電池の周囲の外気温度から前記燃料電池の目標負荷を設定する燃料電池の制御方法。The target load setting step is a fuel cell control method for setting a target load of the fuel cell from the outside air temperature around the fuel cell.
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