JPH0568071B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【発明の属する技術分野】

本発明は、反応ガス系と、該系から反応ガスの
供給を受けて発電作用を営む燃料電池と、該電池
が発生する直流電力を受けて該電力を電力系統へ
の給電に適する交流電力の形に変換する電力変換
装置を備えてなる燃料電池発電設備に対する制御
方式に関する。

【従来技術とその問題点】

近年、りん酸電解液を用い反応ガスとして炭酸
ガスを含む改質水素ガスと空気とを用いる燃料電
池が大形化されかつその運転信頼性がとみに向上
するにつれて、この種の燃料電池と電力変換装置
とを組み合わせた発電設備が電力系統の一環とし
て計画される段階に達して来た。従来の燃料電池
発電設備、とくに電力変換器を介して電力系統に
接続されない設備は、その制御方式としては電池
の反応ガス、とくに燃料ガスの利用効率を上げる
ためにいわゆる電流制御方式が採用されて来た。
これは、燃料電池が発電のために消費する反応ガ
ス、すなわち前述の改質水素ガス中の水素や空気
中の酸素がほぼ正確に燃料電池の出力電流に比例
するので、電池の出力電流値を検出して反応ガス
系から燃料電池に供給される反応ガス量をこの検
出値に見合うように制御することにより、発電に
不必要な反応ガスが過剰に電池に供給されるよう
なことを極力防止する制御方式である。もつと
も、燃料ガスとして改質水素ガスを用いる場合に
は、この改質水素ガスを作るためのリフオーマに
電池内で消費されなかつた改質ガス中の水素が改
質反応に必要なリフオーマ内の温度を得るため燃
料ガスとして供給されるので、この制御方式では
電池への反応ガス供給必要量が電池の出力電流に
正確に比例するわけではないが、反応ガスが電池
の出力電流値に見合う、すなわち該電流値により
一義的に決まる量だけ電池に供給されることに変
わりはない。 ところで、燃料電池をその負荷が急変するよう
な条件、とくに前述のように電力系統に接続して
該系統内で分担するないしは分担すべき発電能力
が急変するような条件で燃料電池発電設備を運転
して見ると、上述のような比較的単純な電流制御
方式のみでは不充分なことがわかつた。 第４図はかかる電流制御方式の燃料電池発電設
備の構成を概括的に示すもので、図の中央の燃料
電池１は負極すなわち燃料ガス電極１ｂと、正極
すなわち酸化ガス電極１ａと、両者に挟まれたり
ん酸電解液を保持するマトリツクス層１ｃと、燃
料ガス室１ｄと、酸化ガス室１ｅとにより模式的
に示されており、該燃料ガス室１ｄには反応ガス
系２のリフオーマ２ａによつて改質された原燃料
ガスＦの改質ガスRFが供給され、電池１からの
その排出燃料ガスEFはリフオーマ２ａ内で燃焼
される。酸化ガス室１ｅには、このリフオーマ２
ａからの燃焼ずみ高温ガスによつて駆動されるタ
ービン２ｂによつて運転される圧縮機２ｃによつ
て圧縮された大気Ａからの圧縮空気CAが供給さ
れ、その排出空気EAはリフオーマ２ａにおいて
助燃ガスとして利用される。燃料電池の電極１
ａ，１ｂからの発生電力は電力変換器３を介して
電力系統８に電圧Ｖの交流電力Ｐとして給電され
る。 第４図で鎖線により示された電流制御方式の制
御系は、電池１から電力変換器３への直流給電線
中の電流検出器６と、調節器５と、反応ガス系２
から電池１への反応ガス供給路に挿入された制御
弁７ａ，７ｂとにより略示されており、検出電流
値Ｉに見合う燃料、酸化両ガスが電池１に供給さ
れるように両制御弁７ａ，７ｂの開度を調節す
る。 第５図はかかる電流制御方式によつて制御され
た発電設備の出力電力Ｐが同図ａに示すように数
秒程度のあいだに軽負荷状態から定格出力Pnま
でに急増されあるいは逆に定格出力Pnが急速遮
断されたときの時間経過を示すものである。同図
ｂに示すように、検出電流値Ｉは出力急増開始点
ｔ０から定格出力到達点ｔ１までのほぼ中間点に
おいて比較的大な電流ピークIpが記録されてお
り、これに対応して同図ｃに示すように電池電圧
Ｅにもほぼその開路電圧Eoから定格電圧Enに下
降する途中で、該定格電圧Enよりも低い負のピ
ーク値Epないしはそのリツプル変動△Ｅが観測
される。一方、出力電力の急減開始点ｔ２から遮
断完了点ｔ３までの電力減少時の経過は電力の変
化率が電力増加時よりもふつうは大であるに拘ら
ず、電池の電流、電圧Ｉ，Ｅとも正常である。 上述の時点ｔ０〜ｔ１までの電池の電流、電圧
Ｉ，Ｅの経過をさらに詳しく追跡して見た結果、
かかる経過は燃料電池の電流−電圧特性から予想
される経過とは必ずしも一致しないことがわかつ
た。すなわち、とくに前述の第５図ｂに示す電流
ピーク値Ip付近において、同図ｃの負の電圧ピー
クEpは電池の電流−電圧特性から予測される値
よりもやや低く、電池がもつ電圧降下特性が正規
の場合よりも悪化していることがわかる。からる
現象は、従来の電力系統に接続されなかつた発電
装置では見られなかつたことであり、その理由
は、後述するような反応ガス供給量の過渡的な不
足に起因すると考えられる。このガス供給量の不
足は、反応ガス供給系統の配管抵抗によつてガス
増量に時間遅れが生ずることによつて生ずるもの
と考えられる。このようなガス供給不足が起こる
と、電池の電流−電圧特性が低下し、電圧が低下
する。一方、電力変換器３は、系統８からの図示
しない電力指令に応じて、電力Ｐ（＝電圧Ｖ×電
流Ｉ）が一定となるように電流の引き出そうとす
るので、電圧Ｖが低下した分だけ電流Ｉが大きく
なり、電流のピークが生ずる。もちろん、かかる
むしろ異常な電圧降下状態は電池にとつて望まし
い状態ではなく。かかる状態が長く継続しあるい
は繰り返されれば電池特性が次第に劣化して行く
おそれもなしとしない。また、電力の増加速度を
この例よりもさらに上げることが要求される場合
には、電力変換器と電池の双方の能力を合わせて
も要求に応じ得なくなる限界が予測される。 さらに電池の電流、電圧の時間経過におけるピ
ーク出現の原因は、第５図ｄに示す電池への供給
ガス量Ｑの時間経過を見ると、反応ガスの供給量
の過渡的な不足にあることが明瞭である。電力急
増点ｔ０以降の反応ガス供給量Ｑの立ち上がりに
は２〜３秒程度ではあるがおくれ時間が明らかに
認められ、その後急速に増加して一旦ピーク値に
達した後下降して定格時の供給量Qnに落ち付い
ている。図示のように反応ガス供給量Ｑの経過か
ら見て、鎖線で示された供給必要量の経過に比べ
て不足期間Tdと過剰期間TSが存在し、これから
判断すると電流制御系のゲインは決して不足では
ないが、第４図の制御弁７ａ，７ｂに開度増指令
を出しても実際の反応ガス供給量Ｑが立ち上がる
までに時間を要することがおくれの主因であるこ
とが推測される。また、出力急減開始時点ｔ２以
降の経過を見ると、供給量Ｑの立ち下がりのおく
れのためにかなりの供給量の過剰期間TSが存在
し、同図ｂ，ｃから見られるように電流−電圧
Ｉ，Ｅから見る限り前述のようにとくに問題はな
いが、該過剰期間TS中に反応ガスが利用されず
に電池から排出されてしまつていることがわか
る。

【発明の目的】

本発明の目的は、前述のような従来技術のもつ
欠点を克服して、電流制御方式が本来もつ反応ガ
スの利用効率が高い利点を維持しながら、出力急
増の過渡時においても電池に対する反応ガスの供
給おくれが少なく、従つて電力急増の要求に応じ
うる燃料電池発電設備の制御方式を得ることにあ
る。また、本発明の他の目的は、電力急減時にお
ける反応ガスの利用上のむだを極力排除すること
にある。さらに本発明の副次的な目的は、前述の
目的達成によつて出力の増減が頻繁な燃料電池発
電設備に本質的に適する制御方式を得ることにあ
る。

【発明の要点】

本発明によれば、前述の目的は冒頭記載の制御
方式を、燃料電池から出力される電流値と発電設
備から送出されるないしは送出すべき電力値とを
検出するとともに、該検出電力値から該検出値に
対応して反応ガス系から燃料電池に供給すべき反
応ガスの供給目標値と燃料電池から出力すべき電
流目標値とをそれぞれ決定し、常時は該電流目標
値に見合う反応ガス量を反応ガス系から燃料電池
に供給させ、前記検出電力値に急変があつた際に
は直ちに前記供給目標値に見合う反応ガス量の反
応ガス系から燃料電池への供給を開始せしめ、こ
の供給状態を所定時間継続させ、前記燃料電池か
ら出力される電流値が前記電流目標値と所定限度
内で一致するに至つた後に再び該電流目標値に見
合う反応ガス量を反応ガス系から燃料電池に供給
させるように構成することにより、設備費をほと
んど上昇させることなく達成される。 上述の構成からもわかるように、本発明の制御
方式では電流制御方式が基調とされており、それ
が本来もつ利点が最大限に生かされるので、本質
的に反応ガスの利用率が高く、従つてエネルギ変
換効率を高く維持できる。電池出力の急変、とく
に急増時には、給電目標値に見合う反応ガスの供
給値を直ちに定めて反応ガス系に指令値、望まし
くは制御弁の開度指令値として与えるので、電池
への反応ガスの供給おくれは最小限に抑えられ
る。すなわち、従来の電流制御方式では第５図ｂ
に示すように電力の急増開始点ｔ０以降の少時は
電池電流Ｉの増加率が電力の増加率とほぼ同程度
であり、従つて反応ガス系に対する供給量指令値
もこれに応じて漸増されていたのに対し、本発明
方式の場合にはこの検出電力値が急変した際、供
給量指令値ないしは供給量目標値を、電池の出力
電流値に比例した必要供給量よりも所定量多くな
るように電流目標値との関数として設定するの
で、これだけ反応ガスの供給量の立ち上がりが第
６図に例示するように早められる。換言すれば、
本発明方式では電力の急速な立ち上がり時におい
て、第６図に示すように反応ガスの供給促進期間
Tf、いわば一時的な反応ガスの供給過剰時期を
意識的に作つて、これを供給目標値として反応ガ
スを供給し、反応ガスの供給不足期間が極力生じ
ないようにする。第６図は、本発明における反応
ガス供給量の時間的経過を模式的に示したもので
あつて、実際には後述するように、ガス供給促進
期間は例えばタイマーによりあらかじめ時間設定
することにより定められる。従つて、タイマーで
設定した時間t_dは、第６図のT_fとかならずしも一
致するわけではなく、経過時間t_dの近傍で第６図
の破線と実線が一致したところをもつてT_fとし
ている。即ち、出力電流値の増加に伴つて増大す
る供給目標値（第６図の破線）よりも、反応ガス
が過剰な供給状態になる領域を模式的に示すと、
第６図におけるT_f期間のハツチングで示した領
域となる。 過剰な反応ガスが供給されることにより、燃料
電池の特性上、燃料電池の出力電圧が高くなるの
で、出力一定の場合その分電流が低下する。その
ため、第５図ｂにおける電流のピーク発生の問題
は解消される。また、反応ガスが一時的に過剰に
供給されても、燃料電池の特質として電力系統が
必要とする以上の電力ないしは電流を発生するこ
とはないから、電流値の経過が異常上昇を示すよ
うな事態は生ぜず、従つて電池電圧も電池のもつ
正規の電流−電圧に従つて所定値、例えば定格電
圧値に円滑に移行、静定する。もつとも、上述の
供給過剰の反応ガスの利用率の一時的な低下を起
こす可能性はあるが、幸い電池の反応ガスの必要
量が大、ないしは増加しつつあるので、以後の電
流制御期間Ti内でそのかなりの部分が有効利用
される。反面、電力の急減時には第６図に示すよ
うに供給促進期間Tf内における反応ガスの過剰
量は電流制御方式の場合と比べて無視できる程度
に少なくなり、反応ガスの利用率を上げることが
できる。

【発明の実施例】

以下本発明による燃料電池発電設備の制御方式
の実施例を図を参照しながら詳細に説明する。 第１図は本発明方式を採用した燃料電池発電設
備の系統図であつて、図の上方中央に燃料電池１
０が一部断面斜視図で簡略に示されている。周知
のように、燃料電池１０は単電池１０を多数個縦
方向に積み重ねた方形柱状の直列接続積層体であ
り、その４個の側面には反応ガス給排用のマニホ
ールド１４〜１７が取り付けられ、上下の端面に
は電極板１２，１３が正負の電極端子として配設
され、これらから電池の発生電力が図の右方に開
閉器１８を介して引き出される。 電池１０の左方に示された反応ガス系２０は、
燃料ガス系と酸化ガス系とからなる。燃料ガス系
においては改質水素ガス源としてのリフオーマ２
１の改質触媒管２１ａに、図の左方から天然ガス
等の原料ガスＦが制御弁７２と脱硫器２２を介し
て水蒸気Ｗとともに導入され、リフオーマ２１内
の高温下で水素と一酸化炭素等の混合ガスに改質
される。該混合ガスはリフオーマ２１からコンバ
ータ２３に入り、該コンバータ２３内で一酸化炭
素が炭酸ガスに変換されて改質水素ガスRFとな
り、制御弁７１を介して電池１０の燃料ガス供給
マニホールド１４に水素と炭酸ガスとの混合ガス
の形で供給される。改質水素ガスRFは電池１０
内を図の左方から右方に通過するにつれて、その
中の水素ガスが消費されるが、電池内で消費され
なかつた水素ガスは炭酸ガスとともに燃料ガス排
出マニホールド１５から排出燃料ガスEFとして
排出され、リフオーマ２１のバーナ２１ｂに供給
されてリフオーマ21内で燃焼されてその改質触媒
管２１ａを反応温度に加熱維持する。 酸化ガス系においては、前述のリフオーマ２１
からの燃焼ずみ高温ガスHGにより駆動されるタ
ービン２４に圧縮機２５が供給されており、該圧
縮機２５により大気Ａが制御弁７４を介して吸入
され、圧縮ガスCAとなつて制御弁７３を介して
酸化ガス導入マニホールド１６に供給される。電
池１０からの排出空気EAは酸化ガス排出マニホ
ールド１７から電池外に出て、リフオーマ２１の
助燃ガス導入口２１ｃに供給される。 以上の反応ガス系２０には、上述のほかに反応
ガスの加熱、冷却用の熱交換器ないしは凝縮器類
が挿入されるが、本発明に関係が少ないので図か
らは一切省かれている。ただし、これらの熱交換
器類は、ガス配管とともに反応ガス系２０から電
池１０への反応ガスの供給上は時間おくれ要素と
して作用する。 電力変換装置３０は、この例ではインバータ３
１、その制御器３２および変圧器３３からなつて
おり、電池１０からの直流発電出力を高圧の三相
交流電力に変換して図の右方に図示されていない
電力系統に給電する。燃料電池発電設備に対する
電力指令PSは該電力系統の制御部から例えば図
示のようにインバータ３１の制御器３２に与えら
れ、設備から出力すべき電力値等がこれによつて
指定され、インバータ制御器３２はこれを受けて
これに必要なインバータの点弧角制御等を行う。 本発明方式を実施するための制御系は、計算機
部４０と調節器部５０と検出部６０と制御操作部
７０とからなり、計算機部４０は検出部６０から
の検出値を受けて、これから制御目標値を定めて
調節器部５０に与え、調節器部５０はこれを受け
て制御操作部７０に制御指令を発する。調節器部
５０の動作のためには、通常のように燃料電池１
０と反応ガス系２０内の要所の反応ガスの流量や
圧力等の検出して実際値を得る必要があるが、繁
雑になるので第１図からは一切省かれている。 検出部６０は交流側と直流側に分けて図示され
ており、交流側の電流検出器６１と電圧検出器６
２とは、図示のように変圧器３３の出力側に置い
てもよく、インバータ３１と変圧器３３との間に
置いてもよい。乗算器６３は電流、電圧検出器６
１，６２からの検出値をベクトル的に乗算して交
流電力値WAを算出するもので、切換スイツチ６
４は電力指令PSに含まれる指定電力値WSとこの
交流電力値WAとのいずれかを選んで計算機部４
０に与えるためのものである。検出部６０の直流
側は電池の出力電流値を検出する電流検出器６５
と、この電流検出器６５からの検出電流値と電池
の出力電圧値を入力して直流電力WDを算出する
乗算器６６とからなる。 出力電力WA，WDの急増時に反応ガス供給の
立ち上がりを促進する上では、電力増加の傾向を
いち早く捕える必要があり、この意味では電力指
令PSの指定電力値WSが最も早い出力増加情報で
あり、ついで交流電力値WAが早く、直流電力値
WDが最もおそい情報になる。この内交流電力値
WAと直流電力値WDとはかかる遅速の点で大差
がないように一見思えるが、反応ガスの供給の立
ち上がりは一秒を争うので実用面では大差があ
る。インバータ３１は電池電流Ｉ以外の電流を生
じるものではないが、公知のようにインバータ３
１の回路内には鎖線で示されたキヤパシタンス３
１ａがあり、また交流電力値WAを変圧器３３の
出力側で検出する場合には変圧器３３内のインダ
クタンス３３ａがあるので、交流電力値WAは直
流電力値WDよりも制御上の意味合いではかなり
早く立ち上がる。従つて、本発明方式の効果を発
揮する上では、いわば二次情報である直流電力値
WDよりは、原情報としての交流電力値WAを検
出部６０からの検出値として用いるのが望ましい
態様である。切換スイツチ６７はかかる選択をす
るためのもので、スイツチ６７から指定電力値
WS、交流電力値WA、直流電力値WDのいずれ
かがAD変換器４５ａを介して計算機部４０に与
えられる。一方、前述の電流制御のために必要な
電流検出器６５からの電池電流値Ｉは、AD変換
器６５ｂを介して計算機部４０に与えられる。 計算機部４０は公知のようにCPU４１と、該
CPUにアドレス、データ両バス４２を介して結
ばれたROM４３、RAM４４を含み、検出部６
０とは入力ポート４５を介して、調節器部５０と
は出力ポート４６を介して結合されている。 調節器部５０は計算機部４０からDA変換器４
６ａ，４６ｂ等を介して制御目標値や制御指令を
受け取る。制御操作部７０が燃料、酸化両ガス系
について反応ガス系２０のそれぞれ入口、出口側
に制御弁７１〜７４を有するので、調節器部５０
はこれに応じて４個の調節器５１〜５４を含み、
この内の１個の調節器５１の内部回路が第２図に
例示されている。第２図に示すように、調節器５
１はDA変換器４６ａから流量目標値Ｑを受け、
一方図示されていない改質燃料ガスRFの流量検
出器から流量実際値Qiを受け、両値間の制御偏
差が演算器５１ａで作られ、電流制御方式用の
PI演算器５１ｃに与えられる。また、流量目標
値Ｑは比例演算器５１ｄにも直接与えられてい
る。切換スイツチ５１ｅは計算機部４０からの切
換指令SWSにより操作されるスイツチであつて、
図の上方に切り換えられたときには電流制御時の
操作指令が、下方に切り換えられたときには反応
ガスの供給促進時の操作指令が制御弁７１に与え
られる。また、比例演算器５１ｄへの入力として
は、場合により図の鎖線で示したように演算器５
１ｂにより目標値Ｑからの実際値Qiの制御偏差
を与えてもよいことはもちろんである。なお、残
余の調節器５２〜５４についても、第２図とほぼ
同様に構成してよいが、反応ガス系２０の入口側
と出口側とで目標値がおのずから違つてくること
はもちろんである。また調節器５１〜５４から制
御弁７１〜７４に与えられる操作指令、とくに反
応ガスの供給促進時のタイミングは、燃料電池１
０に近い方の制御弁７１，７３に対する操作指令
を優先し、制御弁７２〜７４に対する操作指令は
これと同時にないしはこれより若干遅れて与えら
れる。 以上により本発明方式による制御系の構成の説
明を一通り終えたので、つぎに第３図を参照しな
がらその動作を説明する。同図は計算機部４０が
行う制御上の主要動作のフロー図であつて、同図
の左側の列のフローが電流制御動作時のフロー
を、中央と右側の列のフローが反応ガス供給促進
動作時のフローを示している。またこの場合、検
出部６０の切換スイツチ６４，６７は図示の選択
位置にあるものとする。 電流制御動作中のステツプS1では電力目標値
Ｐの関数Ｆ(p)として電流目標値Iaが決定される。
この電流目標値Ｐは例えば前述の指定電力値WS
であり、あるいは検出電力値WAまたはWDであ
つてもよい。また関数Ｆの形は燃料電池１０のも
つ電流−電圧特性から計算され、この特性は電圧
垂下特性として知られている一般には非線形であ
るから、かかる非線形特性をRAM４４内にあら
かじめ記憶させておくのが望ましい。電流目標値
Iaは従来のようにインバータ３１の制御器３２に
与えて、制御器３２によつて電池電流Ｉが目標値
Iaに等しくなるように制御させることができる。
次のステツプS2では電流目標値Iaに見合つた反
応ガスの流量目標値Ｑが関数fi（Ia）によつて決
定される。この目標値Ｑは前述のようにほぼ電流
目標値Iaに比例するが、厳密には反応ガス系２０
の特性を考慮して決められる。つづくステツプ
S3では電力目標値Ｐが定数Ｐ０として記憶され
る。電力目標値Ｐは随時更新されうるので、ステ
ツプS4では該目標値Ｐを読み込み、ステツプS5
ではこの読み込み値と記憶された定数Ｐ０との差
の大きさ△Ｐが計算される。 つづくステツプS6は電力の急変か否かを判定
ステツプであり、あらかじめ設定されたしきい値
Pthよりも電力目標値Ｐの変化幅△Ｐが大である
か否かが判定される。否、すなわち△Ｐが小であ
ればフローはステツプS7に移り、ここで変化幅
△Ｐが前よりも小さなしきい値pthよりも大か否
かが判定される。すなわち、このステツプS7で
は電流制御の電力目標値Ｐを更新すべきか否かが
判定され、変化幅△Ｐが小さな方のしきい値pth
を越えない程度であれば電力目標値Ｐ従つて前述
の定数Ｐ０を更新する要がないものとしてフロー
をステツプS4に返えし、ステツプS4〜S7のフロ
ーを繰り返えす。変化幅△Ｐがしきい値pthより
大であれば、電力目標値を更新する要があるもの
と判断して動作フローを最初のステツプS1に返
えし、該ステツプS1は電流目標値Iaを、ステツ
プS2で反応ガスの供給目標値Ｑを更新し、ステ
ツプS3で定数Ｐ０に新しい電力目標値Ｐをセツ
トする。すなわち、電流制御状態のステツプS1
〜S7では電力目標値Ｐの急変があるか否かをス
テツプS6で監視しながら、かつ電力目標値Ｐ、
電流目標値Iaおよび反応ガス供給量目標値を必要
に応じて逐次更新しながら電流制御動作を継続
し、発電設備を高い効率で運転する。 ステツプS6において電力目標値Ｐに急変あり
と判定されと、動作フローは直ちにその右方の列
に示す反応ガス供給促進動作フローに移る。その
最初のステツプS8では、急変後の新しい電力目
標値Ｐの関数fpとして反応ガス供給量目標値Ｑが
設定され、前述のようにこの目標値Ｑが調節器５
１〜５４に与えられる。もちろん、この目標値Ｑ
は調節器５１〜５４に対して同一の値が与えられ
るのでは決してなく、改質水素ガスRF、原燃料
ガスＦ、圧縮空気CAおよび大気からの取り入れ
空気Ａに対してそれぞれ別個の設定値が与えられ
る。また、関数fpの形も一般には非線形であるこ
とはもちろんであり、その実際の算出プロセスと
しては前のステツプS1、S2におけると同様に目
標電力量Ｐから目標電流値Iaをまず算出し、つい
でこの目標電流値Iaから反応ガス供給量Ｑを算出
することでよいのももちろんである。ステツプ
S8に引き続いてあるいは同時にステツプS9が実
行され、調節器５１等の制御切換スイツチ５１ｅ
等に切換指令SWSが例えば理論値「１」の形で
発しられる。これによつて調節器５１〜５４は供
給量促進動作に切り換わつて、それに応じた操作
指令がそれぞれ制御弁７１〜７４に与えられ、反
応ガスの供給促進が直ちに開始される。 つづくステツプS10では、反応ガスの供給促進
開始後の経過時間ｔをカウントするために時間変
数ｔに０値がセツトされ、ステツプS11で単位時
間△ｔが増分され、この動作が次のステツプS12
において時間ｔがあらかじめ設定された時間tdを
越えるまで繰り返される。この設定時間tdとして
は、ふつうは反応ガス系２０内の反応ガスの供給
おくれ時間と同程度に選ぶのが望ましいが、前に
第５図でｂ，ｃで例示したような電池電流と電池
電圧とに不整波形が生せずほぼ直線状に推移する
ように、該おくれ時間から適宜前後させて選定す
るのが実際面では最も望ましい。この設定時間td
の経過後動作フローはさらにその右方に示す列の
電流値整定確認動作フローに移る。 この最初のステツプS13では急変後の電力目標
値Ｐに見合う電流目標値Iaが前のステツプS1と
同様にして決められ、次のステツプS14で電流検
出器６５で検出された電池電流の検出電流実際値
Ｉとの差の大きさがステツプS15で算出される。
判定ステツプS16において、電流実際値Ｉがあら
かじめ設定された電流しきい値Ithの範囲内でま
だ電流目標値Iaと一致しないことがわかればフロ
ーはステツプS14に帰るが、実際値Ｉが目標値Ia
にほぼ一致するよう整定したことがわかれば、フ
ローはステツプS17に移り切換指令SWSに論理値
「０」が与えられて、これに基づいて調節器５１
〜５４が電流制御状態に戻される。ついで動作フ
ローは電流制御動作フロー中のステツプS2に移
行されて発電設備は電流制御状態に戻される。な
お、以上の説明においては、ステツプS6におい
て電力目標23Pに急増が検出され、第３図中央列
の動作フローが反応ガス供給促進動作をする場合
について述べたが、前にステツプS6において電
力目標値Ｐに急減が検出された場合には、該中央
列の動作フローはそのまま反応ガス供給抑制動作
をすることは明らかである。また、電力目標値Ｐ
についても、第１図の切換スイツチ６４ないしは
６７が図示とは反対側の位置におかれた場合に
は、以上説明の指定電力値WSのかわりに検出電
力値WAないしはWDを電力目標値にすることが
できることも明らかである。 以上説明した実施例のほかに、本発明方式はそ
の構成面と動作面についてその要旨内において
種々の態様で実施をすることができる。例えば計
算機部４０は電力目標値Ｐに対して非線形の関係
で電流目標値Iaや反応ガス供給量目標値Ｑを決め
るに便利な手段ではあるが、これに限らず関数発
生回路や論理ゲート類を組み合わせて、同様のあ
るいは単純化された機能をもつ回路群で置き換え
ることができる。また調節器部５０のもつ機能に
ついても、何も前述のPI動作や比例動作に限る
ことなく、電池１０と反応ガス系２０のもつ特性
に合わせて適宜にその制御上の動作特性を選択す
べきものである。さらに制御操作部７０について
も、その操作点は反応ガス系２０の入口、出口側
に限らず、燃料、酸化両ガス系の少なくとも各１
点に設ければよく、その制御手段も制御弁に限ら
ず適宜な選択が可能である。その制御対象量とし
ても反応ガス流量Ｑを制御できる量であれば、反
応ガス系内の圧力等の量で置き換えてもよいのは
もちろんである。

【発明の効果】

以上説明のように本発明においては、反応ガス
系と、該系から反応ガスの供給を受けて発電作用
を営む燃料電池と、該電池が発生する直流電力を
受けて該電力を電力系統への給電に適する交流電
力の形に変換する電力変換装置を備えてなる燃料
電池発電設備に対する制御方式として、燃料電池
から出力される電流値と発電設備から送出される
ないしは送出すべき電力値とを検出するととも
に、該検出電力値から該検出値に対応して反応ガ
ス系から燃料電池に供給すべき反応ガスの供給目
標値と燃料電池から出力すべき電流目標値とをそ
れぞれ決定し、常時は該電流目標値に見合う反応
ガス量を反応ガス系から燃料電池に供給させ、前
記検出電力値に急変があつた際には直ちに前記供
給目標値に見合う反応ガス量の反応ガス系から燃
料電池への供給を開始せしめ、この供給状態を所
定時間継続させ、前記燃料電池から出力される電
流値が前記電流目標値と所定限度内で一致するに
至つた後に再び該電流目標値に見合う反応ガス量
を反応ガス系から燃料電池に供給させるように構
成したので、本質的に反応ガスの利用率、従つて
エネルギ変換効率が高い電流制御方式がもつ利点
を最大限に生かしながら、電力供給量の急変、と
くに急増時に電池への反応ガスの供給のおくれを
最低限に抑えて、その制御動作を電力供給面から
の要請に応じながら電池に無用な過渡的負荷が掛
からないように最適化することができる。従つ
て、本発明による制御方式は出力増減の回数が比
較的多い場合にも燃料電池発電設備の制御に本質
的に適し、本発明の上記構成のもつ効果により発
電設備から給電の立ち上がり時間を従来より短縮
する要求にも応じることを可能にする。また、本
発明方式は給電量が低減される場合にも、設備に
無用に供給される反応ガス量を実用上無視できる
程度に減少させうる効果を有する。 このように、本発明方式は燃料電池発電設備を
高い高率で運転しかつ給電量の急変の事態ないし
は要請に容易に応じうる制御方式を提供するもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による燃料電池発電設備の制御
方式の最良実施例を示す設備の全体系統図、第２
図は該第１図中の調節器５０の構成を調節器５１
について例示する回路図、第３図は第１図中の計
算機部５０の動作を中心に設備全体の制御動作を
説明する動作フロー図、第４図は従来技術例とし
ての電流制御方式の燃料電池発電設備の概括系統
図、第５図は該第４図の構成の発電設備における
主要な制御量および被制御量の時間的経過を例示
する波形図、第６図は本発明方式を採用した発電
設備内の被制御量の例として反応ガス供給量の時
間的経過を示す波形図である。 図において、１０：燃料電池、２０：反応ガス
系、３０：電力変換装置、４０：制御系の構成要
素例としての計算機部、５０：制御系の構成例と
しての調節器部、５１〜５４：調節器、５１ｅ：
制御切換スイツチ、６０：検出部、６１，６５：
電力値検出手段中の電流検出器、６２：電力値検
出手段中の電圧検出器、６３，６６：電力値検出
手段としての乗算器、６４，６７：電力目標値Ｐ
の選択手段としての切換スイツチ、７０：反応ガ
ス系２０に対する制御操作部、７１〜７４：制御
操作手段例としての制御弁、CA：酸化側反応ガ
スとしての圧縮空気、Ｉ：電池電流、Ia：電流目
標値、Ｐ：電力目標値、Ｑ：反応ガスの供給目標
値例としての反応ガス流量、RF：燃料側反応ガ
スとしての改質水素ガス、WA：電力目標値例と
しての検出交流電力値、WD：電力目標値例とし
ての検出直流電力値、WS：電力目標値例として
の指定給電電力値、である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 反応ガス系と、該系から反応ガスの供給を受
   けて発電作用を営む燃料電池と、該電池が発生す
   る直流電力を受けて該電力を電力系統への給電に
   適する交流電力の形に変換する電力変換装置を備
   えてなる燃料電池発電設備に対する制御方式であ
   つて、燃料電池から出力される電流値と発電設備
   から送出されるないしは送出すべき電力値とを検
   出するとともに、該検出電力値から該検出値に対
   応して反応ガス系から燃料電池に供給すべき反応
   ガスの供給目標値と燃料電池から出力すべき電流
   目標値とをそれぞれ決定し、常時は該電流目標値
   に見合う反応ガス量を反応ガス系から燃料電池に
   供給させ、前記検出電力値に急変があつた際には
   直ちに前記供給目標値に見合う反応ガス量の反応
   ガス系から燃料電池への供給を開始せしめ、この
   供給状態を所定時間継続させ、前記燃料電池から
   出力される電流値が前記電流目標値と所定限度内
   で一致するに至つた後に再び該電流目標値に見合
   う反応ガス量を反応ガス系から燃料電池に供給さ
   せるようにしたことを特徴とする燃料電池発電設
   備の制御方式。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の方式において、
   電力値が電力変換装置の交流側で検出されること
   を特徴とする燃料電池発電設備の制御方式。 ３ 特許請求の範囲第２項記載の方式において、
   電力値が交流電流値により代表されることを特徴
   とする燃料電池発電設備の制御方式。 ４ 特許請求の範囲第１項記載の方式において、
   電力値が電力系統から燃料電池発電設備に与えら
   れる給電電力指令値であることを特徴とする燃料
   電池発電設備の制御方式。 ５ 特許請求の範囲第１項記載の方式において、
   反応ガスの供給目標値が該目標値に見合う弁開度
   の形で反応ガス系の制御弁に与えられることを特
   徴とする燃料電池発電設備の制御方式。 ６ 特許請求の範囲第１項記載の方式において、
   電流目標値に見合う反応ガス量が該目標値からの
   検出電流値の制御偏差に基づいてPI制御される
   ことを特徴とする燃料電池発電設備の制御方式。 ７ 特許請求の範囲第１項記載の方式において、
   所定時間が反応ガス系から燃料電池への反応ガス
   の供給のおくれ時間と同程度に選ばれることを特
   徴とする燃料電池発電設備の制御方式。