JPH0458463A - 燃料電池発電システムの出力制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、燃料電池に供給する反応ガスの量と、電力
変換器が出力する電力とを、外部信号である電力指令に
基づいて制御する燃料電池発電システムの出力制御装置
に関する。

〔従来の技術〕

周知のように燃料電池は、燃料と酸化剤との電気化学反
応で発電するものであシ、連続・した発電を行うには発
電量に応じた燃料と酸化剤とを供給しなければならない
。電解液に’）ン酸を用いたリン酸型燃料！を池の場合
、電気化学反応はメタンガスやメタノール等を改質して
得られた燃料ガス中の水素と、酸化剤として空気中の酸
素が使用される。

燃料電池は、燃料極と酸化剤極とこの両極に挾まれた電
解質マトリックス層とからなる単位セルの積層体で構成
されるが、電気化学反応で消費される水素と酸素の量は
、積層セル数と発電電流と化学反応式から求められる理
論消費量から計算できる。

燃料ｗｔ池に供給するガス量は、この理論的に計算でき
る消費量より過剰に供給するが、消費量と供給量の比を
利用率で表し、酸素は４０〜６０％、水素は７０〜８５
％相当になるように供給するのが通常である。

燃料電池の出力Ｆｉ直流なので、燃料電池の出力側に直
流・交流変換器（を力変換器）を設け、交流に変換して
負荷に供給するが、この時の出力電力の制御は交流出力
電力を基準とする電力指令によって電力変換器の出力を
定電圧制御するのが一般的である。

燃料電池および電力変換器の出力電流は電力指令に比較
的よ〈追従して変化するが、化学プラントである燃料改
質装置の応答が遅＜、Ｌｆｃがって燃料電池発電システ
ムの負荷追従性は燃料ガスの供給遅れによって矢筒る。

燃料電池は、その出力電圧Ｖｆが出力電流工ｆの増加と
ともに大幅に低下する電圧変動の大きい電源であや、電
力変換器はこの電圧変動が所定の範囲内であれば、出力
電圧を所定レベルに安定して保持できるよう構成される
。

従来の出力制御方法は上述の諸条件を考慮して次のよう
に構成したものが知られている。

第４図はシん酸型燃料電池の［流Ｉｆと電圧Ｖｆとの関
係（以下ニーＶ％性と略称する）を標準状態の運転温度
１反応ガス圧、水素濃度、水素消費率、酸素１１度１歳
素消費率等運転条件につ−て示す特性８図である０図に
おいて、ニーＶ％性曲線１００上の任意の点Ｐ１．　Ｐ
、　、　Ｐ、によって決まる電圧Ｖｆと電流工ｆの積を
求めると、燃料電池が出力し得る電力値が得られる。し
たがって、従来方法では、求めた電力値Ｐと電流値工ｆ
　とをデータ表としてＲＯＭＫ記憶させておき、このデ
ータ表と電力指令とを照合して電力指令に基づいて燃料
電池が出力する目標ｔＲ，値Ｉｆを推定する。

方、この電流を出力するに要する水素流量および酸素流
ｉ−は目標ｔＲ，値工ｆに比例するので、求めた流量を
燃料電池に供給するよう反応ガスの供給系を制御するこ
とにより、燃料電池は電力指令に対応した電力全発電す
る。

一方、電力変換器〈は燃料供給系のＦ）答遅れ分だけ立
ち上り、立ち下が夕を遅らせた電力指令を出して燃料電
池の出力電流を制御し、水素利用率および酸素利用率を
常に標準状態に保持するよう構成される。

〔発明が解決しようとする課題〕

燃料電池のニー■特性は、その運転条件である這転湛度
１反応ガス圧１反応ガス濃度やその利用率等の変動によ
って標準状態のそれに対して変化する。また、燃料ｗＬ
池の経年劣化の影響を受けることによっても徐々に変化
する。ところが、標本状態のニーＶ特性のみ全記憶する
従来の方法では、上述のニー■特性の変動を無視するこ
とになシ、電力指令との照合によシ決定した電流の推定
値と、この推定値に基づｂて供給される反応ガスによっ
て実際に燃料電池が出力する電流値との間に差が生じ、
これに伴なって燃料電池の出力電圧や反応ガスの消費率
が不安定になるという問題が発生する。ことに、推定し
た［流値が実際値よル小さいと、反応ガスの利用率が高
くなり、燃料電池の出力電圧が低下するが、指令電力を
出力するためには低下した電圧の割合だけさらに電流を
余分に取らなければならず、−層１を流の推定値と実際
値との間の差が広がる悪循環が発生する。

このような悪循環によって燃料電池の発電が停止するよ
うな事態を防ぐために１反応ガスの利用率を低めに設定
する対策が一般にとられているが、これが原因で発電シ
ステムの総合効率が低下する不都合が発生する。

この発明の目的は、適正な反応ガスの利用率を保持し、
負荷応答性を損うことなく燃料電池の発電を安定化する
ことにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、この発明忙よれば、燃料電
池と、この燃料電池に燃料ガス、酸化剤を供給する反応
ガス供給装置およびその補機制御部と、前記燃料電池の
出力側に配された電力変換器およびその制御部とを含む
燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池の運転条
件の変動に対応した複数の出力を流−電圧特性曲線デー
タを推定媒体として記憶し、前記燃料電池の出力電圧、
を流の実際値との照合によって一つの特性曲線を選択し
、選択した特性曲線から得られる電力値と電力指令とを
照合して指令電力に相応する目標電流値全推定して出力
する目標電流推定部と、この目標電流値に基づいて燃料
ガス、酸化剤の供給量を算出し前記補機制御部に向けて
出力する反応ガス量演算部と、前記電力指令を受け、そ
の変化速度を前記燃料ガスの供給遅れに対応して遅延さ
せ、前記制御部に向けて出力する応答補正回路とを備え
てなるものとする。

〔作用〕

この発明の構成において、運転条件の変動によって生ず
る燃料電池のニーＶ特性を複数の特性曲線ごとにデータ
表として電流推定部に記憶させ、燃料電池の出力電流、
電圧の実際値の検知信号との照合によって参照すべき特
性曲線を選択し、この特性曲線上の電力値（電圧と電流
の！Ｒ）と電力指令との照合によって目標電流値を推定
するよう構成したことにあシ、すでにニーＶ特性の変動
の影響を受けている電流、電圧値と記憶データから電力
指令に適合した目標電流値を推定でき、この目標電流値
に基づいて得られる反応ガス量を燃料と ！池に供給するこめができ、燃料電池の出力電流実際値
と推定した目標値との差を大幅に縮小し、反応ガスの利
用率をその設定値に保持して燃料電池の発ｔを安定に制
御することができる。

また、ガス供給量の遅れに対応して電力変換器の制御部
に送る電力指令の立ち上や、立ち下がシ金遅らせること
によし、燃料電池、を力変換器の出力が互いに比例して
変化するよう制御することが可能になり、反応ガスの利
用率の過渡的変動を少くすることができる。

ざらに、目標電流推定部のメモリーに書き替え可能なＥ
ＰＲＯＭを用すれば、経年劣化等によるニー■特性の変
化に基づいてデータ表を書き替えることが可能になる。

〔実施例〕

以下この発明を実施例に基づｂて説明する。

第１図はこの発明の実施例になる燃料電池の出力制御装
置を示すブロック図である。図において、燃料改質装置
２は、貯蔵タンク３に包蔵され１例えば原料ポンプ４で
輸送された改質原料を水蒸気改質し、生成した水素リッ
チな燃料ガスＧＦを燃料電池１の燃料室を介して燃料電
極１ＰＫ供給する。また、燃料電池１の空気電極ＩＡＫ
は空気プロワ５から空気室を介して反応空気ＧＡが供給
され、両電極間で電気化学反応に基づく発電が行われる
。燃料室のオフガスＧｏは改質器バーナ２ＡＫ送られ、
支燃空気プロワ２Ｂから送られる空気と混合して燃焼し
、水蒸気改質に必要な反応熱を供給する。燃料電池１の
出力側にはチ冒ツバ７Ａとインバータ７Ｂとからなる電
力変換器７が設けられ、燃料室ａｉの発ｔｔ力は電力変
換器７で交流電力に変換され、変圧器９などを介して外
部負荷に供給される。また、電力変換器の出力電力Ｐお
よび燃料電池の出力電流Ｉｆは制御部８の出力電力制御
信号８Ｐ、および電流制御信号８工によって制御され、
燃料電池１に供給される燃料ガスおよび空気（併せて反
応ガスと呼ぶ）の量はポンプ、プロワ、操作弁などの補
機４，５，２１！の駆動を補機制御部６によって制御す
ることによって行われる。

上述のように構成された燃料電池発電システムにおいて
、出力の制御は、燃料電池１の出力電流工ｆ、出力電圧
Ｖｆの検出器１４．１５の検出信号および電力指令２０
を受け、電力指令２ｏに相応した目標電流推定部工ｆｂ
　　を出力する目標電流推定部１１と、目標電流工ｆｂ
　の指令値を受けてこれに対応する反応ガス量を演算し
、指令信号１４Ｆ’、ｉ５Ａ等を補機制御部に向けて出
力する反応ガス量演算部１２とで燃料電池１への反応ガ
スの供給量を制御するとともに、応答補正回路１３で方
形波である電力指令２０の立ち上ｐ時間、立ち下り時間
を遅らせて制御部８に供給し、電力変換器７の応答速度
を燃料改質装置の応答速度まで遅らせることによって行
われる。なお、電力指令２０が指令する燃料電池１の出
力電力Ｐｆは、燃料電池の出力電圧Ｖｆ　　と出力電流
工ｆの積に、電力変換器７の変換効率ηの逆数を乗じた
変流側の出力電力値で指令される。

第２図は実施例になる装置の目標電流推定方法を示すＩ
−■特性°嫌図、第３図は実施例になる装置における制
御状ｌ！を示すタイムチャートであり、第２図、第３図
、および第１図を参照しつつ装置の動作を説明する。第
２図において、ニー４特性曲！［１０１，１０２，１０
３は、燃料電池１についてその運転条件の一つである運
転温度を変えて得られた特性曲線であル、実際如は運転
温度のステップ数を多ぐした力、あるいはガス圧やガス
組成などの変化を加えることにより、多数の特性曲線が
得られる。また、図中破線で示す曲線１１０゜１１１は
、電圧Ｖｆ　と電流工ｆの積で決まる電力値Ｐｆ＃各ニ
ーＶ曲線１０１　、１０２　、１０３上で互いに等しく
なる点を結んだ等電力値曲線である。図から明らかなよ
うに、等しい電力値を示すポイントは複数のニー７曲線
にまだがって存在する。しかし、特定の電圧値と電ｆｉ
値の組み合わせで決まる交点２例えばＶｆａとＶｆｂの
交点ａ。

Ｖｆｂと工ｆｂの交点すなどは、グラフ上にそれぞれ一
点しか存在せず、かつ特性曲線の数が多ければ交点はい
ずれか一つの特性曲線上またはそれに近接して位置する
ことＫなる。したがって、電圧検出器１５および電流検
出器１４で検出されｆｃ運転中の燃料電池１の電圧、電
流の寅際値１例えばＶｆａ　、Ｉｆａを第２図に示す特
性曲線と照合すれば、交点ａ（を力値Ｐａ　）を含む特
性曲線１０２を％定することができ、燃料電池１で実際
に起きている運転条件を特性面ａ１０２を選択すること
によって検知することができる。′また、電力指令２０
が指示する目標値がｐｂであった場合１選択した曲［１
０２から容易に求まる電力値（を圧と電流の積）と目標
値ｐｂとを照合することによｐ。

曲線上のポイントｂを％是でき、ポイン）ｂに対応する
目標電流値工ｆｂ　　を知ることができ、かつその時の
電圧Ｖｆｂ　が電力変換器の許容入力電圧の範囲に入る
か否かをも知ることができる。

実施例の場合、検出器１４．１５の検出電圧および検出
電流から該当する特性曲線１０１，１０２．１０３等の
番号を検索するデータ表と、選択した曲線番号と電力指
令値とから該当する目標電流値を検出するデータ表とを
電流推定部１１のＲＯＭＫあらかじめ記憶させておくこ
とによ勺、例えば燃料電池１０発電電力の実際値Ｐａか
ら目標値Ｐｂ　Ｋ増すための目＃７Ｊｌｌｆｌｆｔ値Ｉ
ｆｂ　　を推定し、出力することができる。

目標電流値ｌｆｂ　　を受けた反応ガス量演算部１２は
、目標電流値工ｆｂ　に比例して決まる燃料ガス量およ
び空気量を演算し、指令信号１４Ｆおよび１５Ａとして
補機側ｇＩＪ部６に向けて出力することＫよ勺、燃料電
池１に供給される反応ガス量を電力指令２０に対応して
制御することができる。

前述のように構成された装置において、第６図に示すよ
うにｔ１時点で電力をステップアップ−ｔｚ時点でステ
ップダウンする電力指令２０が電流推定部１１に入力さ
れると、反応ガス量制御部１２は電力指令２０に同期し
たステツブ状の指令信号１４Ｆ（燃料）、１５Ａ（空気
）を出力するが、反応ガス供給系、ことに燃料改質装置
２の応答遅れにより、燃料電池１に供給される燃料ガス
ＧＦ（および空気ＧＡ）はその増量、減少時にそれぞれ
τ１．７雪なる遅れを生ずる。実施例くなる装置では応
答補正回路１３が設けられ、電力指令２０を燃料ガスの
流量検出器１６で検出した燃料ガスの遅れτ！、τ８を
目標値として例えば誤差増幅し、第６図に示すように遅
延した電力指令２０ＰＫ変換して制御部８に供給し、電
力変換器の交流出力電力の立ち上り、立ち下りを抑制す
るよう構成されており、これによってチ目ツバ７Ａに流
入する燃料電池の出力電流工ｆの増減も、燃料ガスの供
給量の増、減速度に比例して制御されることになシ、反
応ガスの消費率を設定値近くに保持して安定な発電運転
を持続して行うことができる。

また、電流推定部１１のメモリに情報の書き替えが可能
なＥＰＲＯＭを用いれば、電池特性の経年変化等に対応
してデータ表の数値を書き替えることが可能になる。さ
らに、運転条件の変動を丁で電受けている電圧、電流の
実際値と指令電力とを同時に満たす一つのニー７曲ｍを
媒介して電力指令に対応する出力電流値と反応ガス量を
推定しているので、例えば出力電流の増加過程で逐次得
られる電圧、電流の実際に基づいて推定誤差を縮小する
フィードバック回路としての機能が得られることＫなシ
、推定誤差が拡大する悪循環を生じ易い従来の制御方法
に比べて遥かに信頼性の高い制御が可能になる。

なお、応答補正回路１３は燃料ガスの流量検出器１６を
設ける代りに１燃料ガスの応答速度を設定値として応答
補正回路１３にあらかじめ記憶させるよう構成しても、
前述の説明と同様な作用効果を得ることができる。

〔発明の効果〕

この発明は前述のように、目標電流の推定部が記憶する
複数のニーＶ特性曲線の一つを電流、！圧の実際値によ
って選択し、かつ選択した特性曲線上の電流、！圧の積
と電力指令値とを照合して目標電流値を求め、反応ガス
量演算部が目標電流値に基づいて燃料ガスおよび反応突
気の供給量を演算し、指令信号を補機制御部に向けて出
力するよう構成した。その結果、燃料電池の運転条件の
変動によって変化する複数のニーＶ特性曲線に対応する
データ表を媒体として、運転条件の変動を実際に受けて
いる電圧　を流の実際値から電力指令に相応する目標電
流値を推定することが可能にな夛、標準運転状態のニー
■特性データと電力指令を照合して目標電流値を推定す
る従来の方法で問題となった運転状態の変動による推定
誤差が排除され、かつ目標電流推定部が推定誤差を縮め
るフィードバック回路として機能するので、目標とする
水素および酸素の消費率を精度よく保持して安定した発
電運転を行える出力制御装置を備えた燃料電池発電シス
テムを提供することができる。

また書き替え可能なＥＰＲＯＭを用いてデータを記憶さ
せれば、燃料電池の経年変化等によるニー７％性の変化
に対応してデータを容易に変更できるので、長期間にわ
たって運転制御を安定して行える利点が得られる。

さらに、燃料改質装置の応答遅れに対応して燃料電池の
出力電力、出力を流を抑制するよう、電力変換器の制御
部への電力指令の変化速度を遅延させたことにより、指
令電力の増減に際して水素および酸素の消費率が過渡的
に高まり、これによって電圧の降下と電流の増加を招く
悪循環を回避して発電運転を安定化できる七ともに、悪
循［を回避するために反応ガスの利用率を下げる必要も
ないので、発電システムの総合効率を向上できる利点も
得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例になる燃料電池発電システム
の出力制御装置を示すブロック図、第２図は実施例にな
る装置の目標電流推定方法を示すＩ−■特性線図、第３
図は実施例になる装置における制御状態を示すタイムチ
ャート、第４図はシん酸型燃料ｉ！池のニーＶ％性線図
である。 １・・・燃料電池、２・・・燃料改質装置、４，５．２
Ｂ・・・補機、６・・・補機制御部、７・・・電力変換
器、８・・・制御部、１１・・・目標電流推定部、１２
・・・反応ガス量演算部、１３・・・応答補正回路、１
４・・・電流検出器、１５・・・電圧検出器、１６・・
・流量検出器、２０・・・電力指令、２０Ｐ・・・遅延
した電力指令、工ｆ・・・出力電流、Ｖｆ・・・出力電
圧、工ｆａ　、　Ｖｆａ−実際値、工ｆｂ・・・目標電
流値、　　１４Ｆ、１５Ａ・・・反応ガス流量の指令信
号。 里丸Ｉ＋　　（Ａ’） ｖＪｚ藺 第３図 を唇ζ ｆ （／１） 笑４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）燃料電池と、この燃料電池に燃料ガス、酸化剤を供
   給する反応ガス供給装置およびその補機制御部と、前記
   燃料電池の出力側に配された電力変換器およびその制御
   部とを含む燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電
   池の運転条件の変動に対応した複数の出力電流−電圧特
   性曲線データを推定媒体として記憶し、前記燃料電池の
   出力電圧、電流の実際値との照合によって一つの特性曲
   線を選択し、選択した特性曲線から得られる電力値と電
   力指令とを照合して指令電力に相応する目標電流値を推
   定して出力する目標電流推定部と、この目標電流値に基
   づいて燃料ガス、酸化剤の供給量を算出し前記補機制御
   部に向けて出力する反応ガス量演算部と、前記電力指令
   を受け、その変化速度を前記燃料ガスの供給遅れに対応
   して遅延させ前記制御部に向けて出力する応答補正回路
   とを備えてなることを特徴とする燃料電池発電システム
   の出力制御装置。