JP7383515B2 - 発電システム並びにその制御装置、制御方法、及び制御プログラム - Google Patents
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Description
以下に、本開示の第1実施形態に係る発電システム並びにその制御装置、制御方法、及び制御プログラムについて、図面を参照して説明する。
空気極113は2層構成とすることもできる。この場合、固体電解質膜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。
酸化性ガスとは,酸素を略15%~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。
図4は、本実施形態に係る発電システム310の概略構成を示した概略構成図である。図4に示すように、発電システム310は、SOFC313、熱交換器330、排熱回収装置338、起動用燃焼器351等を備えている。
SOFC313は、空気極113に空気Aが供給され、燃料極109に燃料ガスL1が供給されることで発電して、図示しないパワーコンディショナ等の電力変換装置(インバータなど)により所定の交流電力へと変換される。
本実施形態では、SOFC313に供給される酸化性ガスとして、空気Aを採用する場合を例示して説明する。
排空気A3は、熱交換器330において、空気Aとの熱交換で冷却された後に、排熱回収装置338を通じて外部に放出される。
酸化性ガス分岐ライン350には、制御弁352が設けられている。また、酸化性ガス供給ライン331において、酸化性ガス分岐ライン350との合流点よりも空気流れ上流側には、制御弁353が設けられている。これらの制御弁352,353の開閉は後述する制御装置380によって制御される。
燃料ガス供給ライン341には、燃料極109に供給する燃料ガスL1の流量を調整するための制御弁(図示略)が設けられている。
排燃料ガスライン343には、系統外へ排出する排燃料ガス量を調整するための制御弁346が設けられている。
情報取得部20は、例えば、発電システム310に設けられた圧力計、温度計測部、流量計、電圧計、電流計などの計器類からそれらによって計測された計測値等を取得する。
なお、本実施形態では、電流値と再循環量とを関連付けているが、再循環量に代えて、S/Cや循環比と電流値とを関連付けた情報を用いることとしてもよい。
なお、本実施形態では、SOFC313全体として空気Aの流量を調整する場合について説明するが、この例に限定されず、例えば、SOFCカートリッジ203毎に空気Aの供給量を制御可能な構成としてもよい。このように構成することで、SOFCカートリッジ203の個々の特性に合わせて細やかな制御が可能となり、SOFC313の出力を更に増加させることが可能となる。この場合には、SOFCカートリッジ毎に温度計測部11によって計測された温度計測値T1の最大値Tmaxを取得し、この最大値Tmaxが許容最大値以下となるように各SOFCカートリッジ203に供給する空気量を調整する。
一方、目標負荷に到達している場合には(SA6:YES)、起動完了となり、当該処理を終了する。
次に、本開示の第2実施形態に係る発電システム並びにその制御装置、制御方法、及び制御プログラムについて、図面を用いて説明する。本実施形態に係る発電システム並びにその制御装置、制御方法、及び制御プログラムは、発電システムの負荷上昇モードにおける制御方法が上述した第1実施形態と異なる。以下、上述した第1実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
図9は、本実施形態に係る負荷上昇モードにおける制御方法の手順の一例を示した図である。
一方、目標負荷に到達している場合には(SB5:YES)、起動完了となり、当該処理を終了する。
次に、本開示の第3実施形態に係る発電システム並びにその制御装置、制御方法、及び制御プログラムについて、図面を用いて説明する。本実施形態に係る発電システム並びにその制御装置、制御方法、及び制御プログラムは、発電システムの負荷上昇モードにおける制御方法が上述した各実施形態と異なる。以下、上述した第1実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
図10は、本実施形態に係る負荷上昇モードにおける制御方法の手順の一例を示した図である。
そして、SOFCカートリッジ203の面内温度分布が最小となる再循環量を得ると、その再循環量を維持する。このように、上述した第2実施形態では、負荷上昇モードの制御中に再循環量を動的に変化させることにより、最大出力が得られる再循環量を制御の中で得ることとしていたが、本実施形態では、面内温度分布を最小とする再循環量を得る。面内温度分布は、SOFC313の出力に相関を有しているため、SOFC313の出力に代えて、SOFCカートリッジ203の面内温度分布に基づいて再循環量を制御する。
一方、目標負荷に到達している場合には(SC5:YES)、起動完了となり、当該処理を終了する。
また、上記実施形態で説明した手順の流れも一例であり、本開示の主旨を逸脱しない範囲内において不要なステップを削除したり、新たなステップを追加したり、処理順序を入れ替えたりしてもよい。
例えば、特許文献1に開示されているような加圧式発電システムでは、燃料電池に供給する酸化性ガスの流量は負荷に応じて決められる。すなわち、加圧式発電システムでは、燃料電池の負荷に依存せずに酸化性ガスの流量を自由に制御することは難しい。しかしながら、上述したような常圧式発電システムでは、燃料電池の発電状態に依らずに酸化性ガスの流量を調整することができる。これにより、燃料電池の運転状態とは独立して、セルスタックの温度を最適な値に保持させることが可能となる。
このように、上記制御装置によれば、セルスタックの温度制御については、酸化性ガスの供給量を調整することで制御することができるので、加圧式発電システムのように、電流値を低減させることで、セルスタックの温度上昇を抑制させる必要がない。これにより、セルスタックの温度に起因して計画出力を下げる必要がなく、常に最大能力を発揮させることが可能となる。更に、セルスタックの最大値が所定の設定値に一致するように制御することで、セル性能の高い状態でSOFCを運転させることが可能となる。
12 :温度計測部
20 :情報取得部
30 :再循環量制御部
40 :酸化性ガス量制御部
101 :セルスタック
105 :燃料電池セル
109 :燃料極
113 :空気極
201 :SOFCモジュール
203 :SOFCカートリッジ
215 :発電室
310 :発電システム
313 :SOFC(燃料電池)
330 :熱交換器
331 :酸化性ガス供給ライン
332 :バイパスライン
333 :排酸化性ガス排出ライン
334 :排酸化性ガス供給ライン
335 :空気供給ブロワ
336 :制御弁
337 :制御弁
338 :排熱回収装置
341 :燃料ガス供給ライン
343 :排燃料ガスライン
346 :制御弁
347 :制御弁
348 :再循環ブロワ
349 :再循環ライン
350 :酸化性ガス分岐ライン
351 :起動用燃焼器
352 :制御弁
353 :制御弁
371 :空気極燃料供給ライン
380 :制御装置
A :空気
A3 :排空気
L1 :燃料ガス
L3 :排燃料ガス
Claims (13)
- 燃料ガスと酸化性ガスとが供給されて発電を行う複数のセルスタックを備える燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、前記燃料電池から排出される排燃料ガスを前記燃料ガス供給ラインに再循環させる再循環ラインと、前記燃料電池に前記酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給ラインとを備える発電システムの制御装置であって、
前記燃料電池の電流値を取得する情報取得部と、
前記燃料電池の複数の電流値の各々について、前記燃料電池が最大出力を得たときの再循環量に関するパラメータが予め記録された情報から、前記情報取得部によって得られた燃料電池の電流値に応じた再循環量に関するパラメータを取得し、取得した再循環量に関するパラメータに基づいて前記排燃料ガスの再循環量を制御する再循環量制御部と、
前記燃料電池の温度情報に基づいて、前記酸化性ガスの供給量を制御する酸化性ガス量制御部と
を具備する発電システムの制御装置。 - 燃料ガスと酸化性ガスとが供給されて発電を行う複数のセルスタックを備える燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、前記燃料電池から排出される排燃料ガスを前記燃料ガス供給ラインに再循環させる再循環ラインと、前記燃料電池に前記酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給ラインとを備える発電システムの制御装置であって、
前記燃料電池の電圧値を取得する情報取得部と、
再循環量を予め設定されている所定範囲で動的に変化させ、前記燃料電池の電圧値が最大値を取る再循環量を特定し、特定した再循環量を維持する再循環量制御部と、
前記燃料電池の温度情報に基づいて、前記酸化性ガスの供給量を制御する酸化性ガス量制御部と
を具備する発電システムの制御装置。 - 燃料ガスと酸化性ガスとが供給されて発電を行う複数のセルスタックを備える燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、前記燃料電池から排出される排燃料ガスを前記燃料ガス供給ラインに再循環させる再循環ラインと、前記燃料電池に前記酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給ラインとを備える発電システムの制御装置であって、
複数の前記セルスタックを備える燃料電池カートリッジにおいて、複数の前記セルスタックの長軸方向における所定位置の温度を取得する情報取得部と、
再循環量を予め設定されている所定範囲で動的に変化させ、前記情報取得部によって取得された温度のばらつきが所定範囲内となるような再循環量を特定し、特定した再循環量を維持する再循環量制御部と、
前記燃料電池の温度情報に基づいて、前記酸化性ガスの供給量を制御する酸化性ガス量制御部と
を具備する発電システムの制御装置。 - 燃料ガスと酸化性ガスとが供給されて発電を行う複数のセルスタックを備える燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、前記燃料電池から排出される排燃料ガスを前記燃料ガス供給ラインに再循環させる再循環ラインと、前記燃料電池に前記酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給ラインとを備える発電システムの制御装置であって、
前記燃料電池の電圧値及び電流値を取得する情報取得部と、
最大出力を得るための電流値と再循環量に関するパラメータとの関係を示した情報から、前記情報取得部によって得られた燃料電池の電流値に応じた再循環量に関するパラメータを取得し、取得した前記再循環量に関するパラメータに応じて前記情報取得部によって取得された電圧値が最大となるように前記排燃料ガスの再循環量を制御する再循環量制御部と、
前記燃料電池の温度情報に基づいて、前記酸化性ガスの供給量を制御する酸化性ガス量制御部と
を具備する発電システムの制御装置。 - 前記発電システムは、前記燃料電池の運転状態に依存せずに酸化性ガスの供給量を調整可能な発電システムである請求項1に記載の発電システムの制御装置。
- 前記情報取得部は、複数の前記セルスタックの中央領域における温度を更に取得し、
前記酸化性ガス量制御部は、前記情報取得部によって取得された温度の最大値が所定の設定値と一致するように、または、前記温度の最大値が前記設定値以下となるように前記酸化性ガスの供給量を制御する請求項1から5のいずれかに記載の発電システムの制御装置。 - 燃料ガスと酸化性ガスとが供給されて発電を行う複数のセルスタックを備える燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、
前記燃料電池から排出される排燃料ガスを前記燃料ガス供給ラインに再循環させる再循環ラインと、
前記燃料電池に前記酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給ラインと、
請求項1から6のいずれかに記載の制御装置と
を備える発電システム。 - 前記酸化性ガスを圧縮せずに前記燃料電池に供給することにより、前記燃料電池の運転状態に依存せずに酸化性ガスの供給量を調整可能とした請求項7に記載の発電システム。
- 燃料ガスと酸化性ガスとが供給されて発電を行う複数のセルスタックを備える燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、前記燃料電池から排出される排燃料ガスを前記燃料ガス供給ラインに再循環させる再循環ラインと、前記燃料電池に前記酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給ラインとを備える発電システムの制御方法であって、
前記燃料電池の電流値を取得する情報取得工程と、
前記燃料電池の複数の電流値の各々について、前記燃料電池が最大出力を得たときの再循環量に関するパラメータが予め記録された情報から、前記情報取得工程によって得られた燃料電池の電流値に応じた再循環量に関するパラメータを取得し、取得した再循環量に関するパラメータに基づいて前記排燃料ガスの再循環量を制御する再循環量制御工程と、
前記燃料電池の温度情報に基づいて、前記酸化性ガスの供給量を制御する酸化性ガス量制御工程と
を有する発電システムの制御方法。 - 燃料ガスと酸化性ガスとが供給されて発電を行う複数のセルスタックを備える燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、前記燃料電池から排出される排燃料ガスを前記燃料ガス供給ラインに再循環させる再循環ラインと、前記燃料電池に前記酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給ラインとを備える発電システムの制御方法であって、
前記燃料電池の電圧値を取得する情報取得工程と、
再循環量を予め設定されている所定範囲で動的に変化させ、前記燃料電池の電圧値が最大値を取る再循環量を特定し、特定した再循環量を維持する再循環量制御工程と、
前記燃料電池の温度情報に基づいて、前記酸化性ガスの供給量を制御する酸化性ガス量制御工程と
を有する発電システムの制御方法。 - 燃料ガスと酸化性ガスとが供給されて発電を行う複数のセルスタックを備える燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、前記燃料電池から排出される排燃料ガスを前記燃料ガス供給ラインに再循環させる再循環ラインと、前記燃料電池に前記酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給ラインとを備える発電システムの制御方法であって、
複数の前記セルスタックを備える燃料電池カートリッジにおいて、複数の前記セルスタックの長軸方向における所定位置の温度を取得する情報取得工程と、
再循環量を予め設定されている所定範囲で動的に変化させ、前記情報取得工程によって取得された温度のばらつきが所定範囲内となるような再循環量を特定し、特定した再循環量を維持する再循環量制御工程と、
前記燃料電池の温度情報に基づいて、前記酸化性ガスの供給量を制御する酸化性ガス量制御工程と
を有する発電システムの制御方法。 - 燃料ガスと酸化性ガスとが供給されて発電を行う複数のセルスタックを備える燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、前記燃料電池から排出される排燃料ガスを前記燃料ガス供給ラインに再循環させる再循環ラインと、前記燃料電池に前記酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給ラインとを備える発電システムの制御方法であって、
前記燃料電池の電圧値及び電流値を取得する情報取得工程と、
最大出力を得るための電流値と再循環量に関するパラメータとの関係を示した情報から、前記情報取得工程によって得られた燃料電池の電流値に応じた再循環量に関するパラメータを取得し、取得した前記再循環量に関するパラメータに応じて前記情報取得工程によって取得された電圧値が最大となるように前記排燃料ガスの再循環量を制御する再循環量制御工程と、
前記燃料電池の温度情報に基づいて、前記酸化性ガスの供給量を制御する酸化性ガス量制御工程と
を有する発電システムの制御方法。 - コンピュータを請求項1から6のいずれかに記載の制御装置として機能させるための発電システムの制御プログラム。
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