JPH0750172A - 燃料電池発電プラントとその運転制御方法及び装置 - Google Patents
燃料電池発電プラントとその運転制御方法及び装置Info
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- JPH0750172A JPH0750172A JP5193573A JP19357393A JPH0750172A JP H0750172 A JPH0750172 A JP H0750172A JP 5193573 A JP5193573 A JP 5193573A JP 19357393 A JP19357393 A JP 19357393A JP H0750172 A JPH0750172 A JP H0750172A
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- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/249—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells comprising two or more groupings of fuel cells, e.g. modular assemblies
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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- Engineering & Computer Science (AREA)
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- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
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- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 複数の燃料電池スタックを直列に接続した直
列スタック（群）のプラント運用を合理的に行う。 【構成】 直列構成の各燃料電池スタック１に夫々電圧
計６を設け、プラント運用にマッチする寿命管理方法に
応じて、個々のスタック１に対する電圧分担比を設定
し、燃料系調節弁４を制御する。この時、電池スタック
１の固有の特性を静特性により推定する。直列に接続し
たスタック群の各スタック１の電圧を、プラント運用に
適合するように制御する。試行運転による測定で更に精
度のよい制御を行う。また、電流にリミットを設け、各
電池スタック１の保護を行う。
列スタック（群）のプラント運用を合理的に行う。 【構成】 直列構成の各燃料電池スタック１に夫々電圧
計６を設け、プラント運用にマッチする寿命管理方法に
応じて、個々のスタック１に対する電圧分担比を設定
し、燃料系調節弁４を制御する。この時、電池スタック
１の固有の特性を静特性により推定する。直列に接続し
たスタック群の各スタック１の電圧を、プラント運用に
適合するように制御する。試行運転による測定で更に精
度のよい制御を行う。また、電流にリミットを設け、各
電池スタック１の保護を行う。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、複数の燃料電池スタッ
クを直列接続若しくはその複数列を並列に接続した燃料
電池プラントに係り、特に、直列接続された各燃料電池
スタックの寿命管理を行い効率の高い運転を行うと共に
プラントの保守管理を容易にするに好適な燃料電池発電
プラントとその運転制御方法および装置に関する。
クを直列接続若しくはその複数列を並列に接続した燃料
電池プラントに係り、特に、直列接続された各燃料電池
スタックの寿命管理を行い効率の高い運転を行うと共に
プラントの保守管理を容易にするに好適な燃料電池発電
プラントとその運転制御方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池発電プラントでは、大容量化を
図るために、複数の燃料電池スタックを並列に接続して
運用するのが普通である。このような燃料電池発電プラ
ントにおいては、プラント全体の運転効率の向上や、各
燃料電池スタックの劣化を均等化させるなどの観点か
ら、各燃料電池スタックの負荷分担率を均等化して運転
したり、劣化の度合などに応じた適当な負荷分担率での
運転を行うのが望ましい。
図るために、複数の燃料電池スタックを並列に接続して
運用するのが普通である。このような燃料電池発電プラ
ントにおいては、プラント全体の運転効率の向上や、各
燃料電池スタックの劣化を均等化させるなどの観点か
ら、各燃料電池スタックの負荷分担率を均等化して運転
したり、劣化の度合などに応じた適当な負荷分担率での
運転を行うのが望ましい。
【０００３】このような運転を可能にする従来技術とし
て、各燃料電池ごとに制御可能なチョッパ装置を用いる
方法（特開昭５７−２０４９２７号公報）や、並列に接
続した各燃料電池スタックの個々の電流を各燃料電池ス
タックに供給する燃料流量を増減して制御する方法（特
開昭６０−３７６７３号公報，特開平４−１７２６９号
公報）等が知られている。
て、各燃料電池ごとに制御可能なチョッパ装置を用いる
方法（特開昭５７−２０４９２７号公報）や、並列に接
続した各燃料電池スタックの個々の電流を各燃料電池ス
タックに供給する燃料流量を増減して制御する方法（特
開昭６０−３７６７３号公報，特開平４−１７２６９号
公報）等が知られている。
【０００４】また、燃料電池を過電流で運転すると、燃
料電池本体に悪影響を与え、最悪の場合は破壊に至る虞
があるため、各燃料電池スタックの発生電力にリミット
を設ける方法（特開昭６０−２４１６６９号公報）も知
られている。
料電池本体に悪影響を与え、最悪の場合は破壊に至る虞
があるため、各燃料電池スタックの発生電力にリミット
を設ける方法（特開昭６０−２４１６６９号公報）も知
られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記のように各燃料電
池スタックの個々電流を制御することで負荷分担を調整
する方法は、複数の燃料電池を並列に接続した構成にお
いて各燃料電池スタックを制御するものである（特開平
４−１７２６９号公報には、２つの直列接続した燃料電
池スタック群を複数並列に接続した燃料電池発電プラン
トの制御についての説明もある。しかし、この従来技術
は、基本的には直列接続された燃料電池スタック群単位
での各並列部分の制御に関するものであり、直列接続さ
れた燃料電池スタック群内の個々の燃料電池をどのよう
に制御するかについての説明はない。）。近年の燃料電
池発電プラントでも、燃料電池スタックを並列に接続し
ているが、並列回路の各枝を構成する単位として燃料電
池スタック１個ではなく、複数個を直列接続した燃料電
池スタック群を用いるのが一般的となっている。
池スタックの個々電流を制御することで負荷分担を調整
する方法は、複数の燃料電池を並列に接続した構成にお
いて各燃料電池スタックを制御するものである（特開平
４−１７２６９号公報には、２つの直列接続した燃料電
池スタック群を複数並列に接続した燃料電池発電プラン
トの制御についての説明もある。しかし、この従来技術
は、基本的には直列接続された燃料電池スタック群単位
での各並列部分の制御に関するものであり、直列接続さ
れた燃料電池スタック群内の個々の燃料電池をどのよう
に制御するかについての説明はない。）。近年の燃料電
池発電プラントでも、燃料電池スタックを並列に接続し
ているが、並列回路の各枝を構成する単位として燃料電
池スタック１個ではなく、複数個を直列接続した燃料電
池スタック群を用いるのが一般的となっている。
【０００６】燃料電池スタックを並列に接続して各並列
枝の制御をどのようにすればよいかは従来から種々検討
されているが、各並列枝中の個々の燃料電池スタックを
どのように制御したらよいかという検討は少ない。この
種の従来技術として、例えば特開昭６３−２６９６１号
公報記載のものがある。この従来技術では、燃料電池の
運転中に燃料電池を一時的に酸化剤供給不足にすると、
燃料電池の性能が向上することに鑑み、直列回路全体の
負荷電流を監視しながら１つづつ燃料電池を酸化剤供給
不足にし、燃料電池発電プラント全体の性能を向上させ
ている。しかし、この従来技術は、単に電池性能の向上
を図るのみで、プラント運用の適正化を図ることができ
ない。つまり、燃料電池発電プラント全体の高効率発電
を維持し、且つ、燃料電池スタックの個体差としての特
性に応じて、個々の寿命管理を合理的に実施し、燃料電
池スタックの交換時期等を全体のメンテナンス計画の中
できめ細かく制御することができない。
枝の制御をどのようにすればよいかは従来から種々検討
されているが、各並列枝中の個々の燃料電池スタックを
どのように制御したらよいかという検討は少ない。この
種の従来技術として、例えば特開昭６３−２６９６１号
公報記載のものがある。この従来技術では、燃料電池の
運転中に燃料電池を一時的に酸化剤供給不足にすると、
燃料電池の性能が向上することに鑑み、直列回路全体の
負荷電流を監視しながら１つづつ燃料電池を酸化剤供給
不足にし、燃料電池発電プラント全体の性能を向上させ
ている。しかし、この従来技術は、単に電池性能の向上
を図るのみで、プラント運用の適正化を図ることができ
ない。つまり、燃料電池発電プラント全体の高効率発電
を維持し、且つ、燃料電池スタックの個体差としての特
性に応じて、個々の寿命管理を合理的に実施し、燃料電
池スタックの交換時期等を全体のメンテナンス計画の中
できめ細かく制御することができない。
【０００７】また、燃料電池の電池特性は、製作精度他
の種々の不確定な要因によって各燃料電池スタックの間
に多少のばらつきを生じる。そこで、各燃料電池スタッ
クの電圧・電流を制御しようとすると、各燃料電池スタ
ックの電池特性を何らかの方法で把握しておかなければ
ならない。経年劣化による電池特性の変化も同様であ
る。特に、燃料電池発電プラントにおいては、インバー
タ入力としてのＤＣ電流が大きい為、その抵抵値を低減
するには、電池直列化を図ることが全体効率の向上に貢
献する。しかし、その場合、並列回路を構成する他の燃
料電池スタック群との相関関係もあり、直列接続された
個々の燃料電池スタックの電流値を操作することは困難
である。
の種々の不確定な要因によって各燃料電池スタックの間
に多少のばらつきを生じる。そこで、各燃料電池スタッ
クの電圧・電流を制御しようとすると、各燃料電池スタ
ックの電池特性を何らかの方法で把握しておかなければ
ならない。経年劣化による電池特性の変化も同様であ
る。特に、燃料電池発電プラントにおいては、インバー
タ入力としてのＤＣ電流が大きい為、その抵抵値を低減
するには、電池直列化を図ることが全体効率の向上に貢
献する。しかし、その場合、並列回路を構成する他の燃
料電池スタック群との相関関係もあり、直列接続された
個々の燃料電池スタックの電流値を操作することは困難
である。
【０００８】本発明の目的は、直列接続された複数の燃
料電池スタック個々の寿命管理を容易にして、且つ、高
効率に運転することのできる燃料電池発電プラントとそ
の運転制御方法および装置を提供することにある。
料電池スタック個々の寿命管理を容易にして、且つ、高
効率に運転することのできる燃料電池発電プラントとそ
の運転制御方法および装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的は、各燃料電池
スタックの電圧分担比を適正に配分して運用するため
に、各燃料電池スタック毎に、若しくは特性の近似する
複数の燃料電池スタック群毎に、燃料系調節弁を設け、
この燃料系調節弁により、各燃料電池スタック（群）の
電圧を制御することで、達成される。
スタックの電圧分担比を適正に配分して運用するため
に、各燃料電池スタック毎に、若しくは特性の近似する
複数の燃料電池スタック群毎に、燃料系調節弁を設け、
この燃料系調節弁により、各燃料電池スタック（群）の
電圧を制御することで、達成される。
【００１０】更にまた、各燃料電池スタックが定電圧源
的振舞いをする事から、電流リミットを設け、また、各
燃料電池スタックの電圧を制御する際にその指標として
まず試行運転を実施して得られたデータを用いること
で、達成される。
的振舞いをする事から、電流リミットを設け、また、各
燃料電池スタックの電圧を制御する際にその指標として
まず試行運転を実施して得られたデータを用いること
で、達成される。
【００１１】好適には、試行運転によって得られたデー
タは、燃料電池の経年劣化によって実際の特性に合わな
いものとなってしまうため、試行運転を定期的にあるい
は劣化に応じて適宜に行う。更に、試行運転によるデー
タと実際の特性との間の差が大きくなってきた時に、そ
の事を運転員に情報提示する。
タは、燃料電池の経年劣化によって実際の特性に合わな
いものとなってしまうため、試行運転を定期的にあるい
は劣化に応じて適宜に行う。更に、試行運転によるデー
タと実際の特性との間の差が大きくなってきた時に、そ
の事を運転員に情報提示する。
【００１２】
【作用】本発明では、燃料流量の変化によって燃料電池
の電池特性（電圧−電流特性）が変化することを利用
し、各燃料電池スタックに設けられた燃料系調節弁によ
り各燃料電池スタックの電圧を制御する。即ち、投入燃
料流量の変化による化学反応場における組成分圧の変化
を利用し、得られる発電電力特性を操作することで、直
列回路中の電圧分担比を変更することが可能となる。
の電池特性（電圧−電流特性）が変化することを利用
し、各燃料電池スタックに設けられた燃料系調節弁によ
り各燃料電池スタックの電圧を制御する。即ち、投入燃
料流量の変化による化学反応場における組成分圧の変化
を利用し、得られる発電電力特性を操作することで、直
列回路中の電圧分担比を変更することが可能となる。
【００１３】また、燃料電池スタックに過電流が流れた
場合、燃料電池本体が熱的機械的損傷を受ける虞があ
る。しかし、これは各直列スタック群に実際流れている
電流を測定し、許容値を逸脱せぬようこれに制御上のリ
ミットを設けることで防ぐことができる。
場合、燃料電池本体が熱的機械的損傷を受ける虞があ
る。しかし、これは各直列スタック群に実際流れている
電流を測定し、許容値を逸脱せぬようこれに制御上のリ
ミットを設けることで防ぐことができる。
【００１４】上記のような機能の実現は、燃料電池の一
般的な特性からの推定によって実施することもできる
が、実際の電池の特性は、経年劣化やその他の要因によ
るばらつきを持っており、試行運転によって得られたデ
ータを基に特性把握することによって、より高い精度の
制御が可能となる。
般的な特性からの推定によって実施することもできる
が、実際の電池の特性は、経年劣化やその他の要因によ
るばらつきを持っており、試行運転によって得られたデ
ータを基に特性把握することによって、より高い精度の
制御が可能となる。
【００１５】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。図１は、本発明の一実施例に係る燃料電池発電
プラントの回路図である。本実施例では、複数の直列接
続した燃料電池スタック群を複数列並列に接続してあ
り、各燃料電池スタック群の各燃料電池個々の制御を行
う。図１において、各燃料電池スタック１毎に、夫々、
燃料配管２と空気配管３を取り付け、燃料配管２には燃
料流量調節弁４を取り付け、空気配管３には空気流量調
節弁５を取り付ける。各燃料電池スタック１内に各調節
弁４，５を通して供給された燃料と空気は、燃料電池ス
タック１で化学反応し、発電が行なわれる。そして、各
燃料電池スタック１の電極に接続された電気回路に、発
生した直流出力が現れる。未反応分の燃料ガス及び反応
生成物は、各燃料電池スタック１に設けられた図示しな
い燃料出口配管・空気出口配管より放出される。一方、
各燃料電池スタック１から出力される発電直流出力は、
インバータ８により交流電力に変換され、図示しない外
部の電気負荷へ供給される。
明する。図１は、本発明の一実施例に係る燃料電池発電
プラントの回路図である。本実施例では、複数の直列接
続した燃料電池スタック群を複数列並列に接続してあ
り、各燃料電池スタック群の各燃料電池個々の制御を行
う。図１において、各燃料電池スタック１毎に、夫々、
燃料配管２と空気配管３を取り付け、燃料配管２には燃
料流量調節弁４を取り付け、空気配管３には空気流量調
節弁５を取り付ける。各燃料電池スタック１内に各調節
弁４，５を通して供給された燃料と空気は、燃料電池ス
タック１で化学反応し、発電が行なわれる。そして、各
燃料電池スタック１の電極に接続された電気回路に、発
生した直流出力が現れる。未反応分の燃料ガス及び反応
生成物は、各燃料電池スタック１に設けられた図示しな
い燃料出口配管・空気出口配管より放出される。一方、
各燃料電池スタック１から出力される発電直流出力は、
インバータ８により交流電力に変換され、図示しない外
部の電気負荷へ供給される。
【００１６】各燃料電池スタックには、夫々電圧計６が
接続され、直列の燃料電池スタック群毎に、電流計７が
接続される。図示しない制御装置には、各電圧計６の出
力信号Ｖij（ｉ：直列燃料電池スタック群番号、ｊ：直
接燃料電池スタック群内の燃料電池スタック番号）と、
各電流計７からの出力信号Ｉiが入力される。制御装置
は、予め決められた各燃料電池スタック毎の電圧分担比
による電圧目標値ｖｉｊを保持信号として持つ演算器に
より関数ＦＦｉｊ，ＦAijを発生させ、この関数で決ま
る弁開度制御信号ＳFij＝ＦFij（Ｖij，ｖij，Ｉi），
ＳAij＝ＦAij（Ｖij，ｖij，Ｉi）により、各燃料電池
スタック１の夫々の燃料流量調節弁４及び空気流量調節
弁５を制御する。ここで、添字Ｆ，Ａはそれぞれ燃料，
空気を表す。関数ＦFij，ＦAijは、ｖijとＶijの偏差を
小さくする弁開度制御信号を与えるように、何らかの方
法で予め与えておく。
接続され、直列の燃料電池スタック群毎に、電流計７が
接続される。図示しない制御装置には、各電圧計６の出
力信号Ｖij（ｉ：直列燃料電池スタック群番号、ｊ：直
接燃料電池スタック群内の燃料電池スタック番号）と、
各電流計７からの出力信号Ｉiが入力される。制御装置
は、予め決められた各燃料電池スタック毎の電圧分担比
による電圧目標値ｖｉｊを保持信号として持つ演算器に
より関数ＦＦｉｊ，ＦAijを発生させ、この関数で決ま
る弁開度制御信号ＳFij＝ＦFij（Ｖij，ｖij，Ｉi），
ＳAij＝ＦAij（Ｖij，ｖij，Ｉi）により、各燃料電池
スタック１の夫々の燃料流量調節弁４及び空気流量調節
弁５を制御する。ここで、添字Ｆ，Ａはそれぞれ燃料，
空気を表す。関数ＦFij，ＦAijは、ｖijとＶijの偏差を
小さくする弁開度制御信号を与えるように、何らかの方
法で予め与えておく。
【００１７】図１に示す燃料電池発電プラントの運転開
始初期には、各燃料電池スタック毎に設けた弁動作特性
の違い等により、各燃料電池スタックの流量が不安定と
なり、電圧・電流値も不安定になる事が予想される。こ
のため、上記の制御は、全電流が一定となってから適用
することが望ましい。
始初期には、各燃料電池スタック毎に設けた弁動作特性
の違い等により、各燃料電池スタックの流量が不安定と
なり、電圧・電流値も不安定になる事が予想される。こ
のため、上記の制御は、全電流が一定となってから適用
することが望ましい。
【００１８】燃料系流量調節弁４による制御は、全直・
並列スタック群の各直列スタック群毎に行われるもので
あるが、全体で同時に制御を行った場合、制御が不安定
になる可能性がある。その場合には、他の直列スタック
群の制御回路上の指令信号を保持しておいて、ある一つ
の直列スタック群に上記の制御を適用し、前記の検出電
圧値Ｖijと目標電圧値ｖijの偏差がある程度小さくなっ
てきたところで別の直列スタック群の制御に移るという
過程を順に行うようにする。この場合、順序づけとして
は、検出値電圧Ｖijと目標電圧値ｖijの偏差が大きいも
のから優先的に行う方法が考えられる。即ち、安定性の
低そうなものを先に適正運転範囲に持ってくることを考
える。直列群毎の順序づけた制御系適用が一巡した後に
おいては、全直列群は各々の負荷制御のマイナーループ
制御系の適用を受けるようにするのが好ましい。
並列スタック群の各直列スタック群毎に行われるもので
あるが、全体で同時に制御を行った場合、制御が不安定
になる可能性がある。その場合には、他の直列スタック
群の制御回路上の指令信号を保持しておいて、ある一つ
の直列スタック群に上記の制御を適用し、前記の検出電
圧値Ｖijと目標電圧値ｖijの偏差がある程度小さくなっ
てきたところで別の直列スタック群の制御に移るという
過程を順に行うようにする。この場合、順序づけとして
は、検出値電圧Ｖijと目標電圧値ｖijの偏差が大きいも
のから優先的に行う方法が考えられる。即ち、安定性の
低そうなものを先に適正運転範囲に持ってくることを考
える。直列群毎の順序づけた制御系適用が一巡した後に
おいては、全直列群は各々の負荷制御のマイナーループ
制御系の適用を受けるようにするのが好ましい。
【００１９】電圧分担比の決め方としては次の３つが考
えられる。 （i）各スタックの電圧を均等にする。
えられる。 （i）各スタックの電圧を均等にする。
【００２０】直列群スタック（Ｎコ）の全電圧値Ｅ（イ
ンバータ入力電圧に相当）を直列構成数Ｎで割った値
（Ｅ／Ｎ）を各スタックの分担電圧とする方法。
ンバータ入力電圧に相当）を直列構成数Ｎで割った値
（Ｅ／Ｎ）を各スタックの分担電圧とする方法。
【００２１】（ii）電池の劣化の度合に応じて、劣化の
ひどいもの程低く、あまり劣化していないもの程高い電
圧分担比を設定し、寿命を全うするタイミングを合わせ
る。計測または推定した燃料電池スタックのＩ−Ｖ特性
より、そのスタック自身の運転可能範囲を割り出し、運
転電圧値と、そのスタックの残寿命（余命）の関係を図
４の相関図として把握する。今、直列群構成スタック台
数が３台であるとすれば、図５において、運転点５１，
５２，５３の３点にて運転されているとして、スタック
の劣化速度を調整して、残寿命を揃えるために運転点５
１のものを５０の近傍に近づける操作を行う。また、運
転点５２のものについても同様である。図５では、説明
の簡略化の為に同一曲線上に３台のスタックが運転され
ているとしているが、各々専用の曲線上を動くのが実際
の動作である。操作の結果として決められた電圧分担比
に基づいて、目標運転点の近傍に状態推移し、効果とし
ての残寿命を合わせることが可能となる。直列構成群全
体を一括更新するプラント運用を選んだ時に有効であ
る。
ひどいもの程低く、あまり劣化していないもの程高い電
圧分担比を設定し、寿命を全うするタイミングを合わせ
る。計測または推定した燃料電池スタックのＩ−Ｖ特性
より、そのスタック自身の運転可能範囲を割り出し、運
転電圧値と、そのスタックの残寿命（余命）の関係を図
４の相関図として把握する。今、直列群構成スタック台
数が３台であるとすれば、図５において、運転点５１，
５２，５３の３点にて運転されているとして、スタック
の劣化速度を調整して、残寿命を揃えるために運転点５
１のものを５０の近傍に近づける操作を行う。また、運
転点５２のものについても同様である。図５では、説明
の簡略化の為に同一曲線上に３台のスタックが運転され
ているとしているが、各々専用の曲線上を動くのが実際
の動作である。操作の結果として決められた電圧分担比
に基づいて、目標運転点の近傍に状態推移し、効果とし
ての残寿命を合わせることが可能となる。直列構成群全
体を一括更新するプラント運用を選んだ時に有効であ
る。
【００２２】（iii）保守スケジュールに従って、早く
保守するもの程高く、遅く保守するもの程低い電圧分担
比を設定する。上記（ii）の説明とほぼ同様であるが、
プラント運用として、直列群の全スタックを一度に更新
するのは時間的に無理があり、保守ツールの容量制限や
作業量の山を平準化したいといった要請がある場合に、
部分スタックのみを更新することが必要となる。即ち、
全３台のスタツクで構成された一直列群を例えば将来２
カ月ピッチで更新したいと考えた時に、寿命全てのタイ
ミングを２ケ月ピッチでずらすことが合理的であると考
える。なぜならば、運転中機器の各々の状態を知らずし
て、単に２ケ月ピッチの保守（更新）計画を立案するの
であれば、苛酷に使用されてきたものについては、事故
による計画外停止の憂き目を見ることが予想されるから
である。
保守するもの程高く、遅く保守するもの程低い電圧分担
比を設定する。上記（ii）の説明とほぼ同様であるが、
プラント運用として、直列群の全スタックを一度に更新
するのは時間的に無理があり、保守ツールの容量制限や
作業量の山を平準化したいといった要請がある場合に、
部分スタックのみを更新することが必要となる。即ち、
全３台のスタツクで構成された一直列群を例えば将来２
カ月ピッチで更新したいと考えた時に、寿命全てのタイ
ミングを２ケ月ピッチでずらすことが合理的であると考
える。なぜならば、運転中機器の各々の状態を知らずし
て、単に２ケ月ピッチの保守（更新）計画を立案するの
であれば、苛酷に使用されてきたものについては、事故
による計画外停止の憂き目を見ることが予想されるから
である。
【００２３】従って、図６に示すように、運転点６１−
１，６２−１，６３の如く、お互いに近い運転点で使用
されていたとして、敢えて、残寿命をずらす為に、運転
点６１−２，６２−２へのシフトを計画することが必要
となる。この時の制御上の目安は、直接的には各スタッ
クの電圧値であり、直列群全体から見れば、電圧分担比
となる。前述したが、本図においても各スタック毎の運
転電圧−寿命の関係は、専用に作成されるべきものであ
る。
１，６２−１，６３の如く、お互いに近い運転点で使用
されていたとして、敢えて、残寿命をずらす為に、運転
点６１−２，６２−２へのシフトを計画することが必要
となる。この時の制御上の目安は、直接的には各スタッ
クの電圧値であり、直列群全体から見れば、電圧分担比
となる。前述したが、本図においても各スタック毎の運
転電圧−寿命の関係は、専用に作成されるべきものであ
る。
【００２４】（iv）直列群中における構成スタックの中
に、甚だしく、運転特性の異なるものが部分的に存在す
る場合の電圧分担比設定。この場合には、設計上の特性
を大きく下回る特性のスタックがある場合と考えられ
る。即ち、通常の特性バラツキとは云えない場合の対応
策が必要である。性能が全く出ないのであれば即座に交
換すべきであるとしても、継続運転が一応可能であれ
ば、具体的対応が必要である。この場合には、直列群の
全電圧値よりそのスタック電圧を差し引き、残数スタッ
クについて、（ｉ）の方式を適用すれば良い。
に、甚だしく、運転特性の異なるものが部分的に存在す
る場合の電圧分担比設定。この場合には、設計上の特性
を大きく下回る特性のスタックがある場合と考えられ
る。即ち、通常の特性バラツキとは云えない場合の対応
策が必要である。性能が全く出ないのであれば即座に交
換すべきであるとしても、継続運転が一応可能であれ
ば、具体的対応が必要である。この場合には、直列群の
全電圧値よりそのスタック電圧を差し引き、残数スタッ
クについて、（ｉ）の方式を適用すれば良い。
【００２５】いずれの場合も設定値は予め前記の関数Ｆ
Fij，ＦAijを発生する演算器に入力し、これを保持信号
とする。この電圧分担比の設定には、燃料電池の特性
（一般的特性でもよいし、後記の試行運転によって得ら
れるものでもよい。）から、得られる制御可能範囲に入
る為の制限条件を付す事が望ましい。
Fij，ＦAijを発生する演算器に入力し、これを保持信号
とする。この電圧分担比の設定には、燃料電池の特性
（一般的特性でもよいし、後記の試行運転によって得ら
れるものでもよい。）から、得られる制御可能範囲に入
る為の制限条件を付す事が望ましい。
【００２６】関数ＦFij，ＦAijは燃料電池の一般的特性
から決めてもよいが、後記の試行運転によって得られる
データを用いて決めるのが望ましい。
から決めてもよいが、後記の試行運転によって得られる
データを用いて決めるのが望ましい。
【００２７】図２には、各燃料電池スタック毎の電池特
性（電圧−電流）を示してある。各スタックの運転点
は、図に破線で示したように、直列スタック群で共通の
電流値をとったとき各スタックの電池特性上の電圧値の
点となる。図２に示すように、各スタックの電池特性は
ほぼ同じになることが予想されるが、経年劣化やその他
種々の不測の要因により、図３に示す様に、ばらつきを
生じる。このような個々の電池スタックの特性は、１点
あるいは数点の運転点での試行運転によってある程度の
精度で把握する事ができ、このような試行運転によって
得られるデータを用いる事によって、より高い精度での
制御が可能となる。しかし、燃料電池スタックの電池特
性は経年劣化によって徐々に変化していくので、このよ
うな試行運転は定期的にあるいは実際の初期特性と測定
によって得られたデータとの差が大きくなってくるのに
合わせて適宜に行う事が望ましい。また、実際の特性と
試行運転によるデータとの間の差が大きくなってくる
と、特定スタックの寿命消費負担が相対的に大きくなる
ので、差が大きくなってきた時には運転員にその事を知
らせるような機構をつくる事が望ましい。
性（電圧−電流）を示してある。各スタックの運転点
は、図に破線で示したように、直列スタック群で共通の
電流値をとったとき各スタックの電池特性上の電圧値の
点となる。図２に示すように、各スタックの電池特性は
ほぼ同じになることが予想されるが、経年劣化やその他
種々の不測の要因により、図３に示す様に、ばらつきを
生じる。このような個々の電池スタックの特性は、１点
あるいは数点の運転点での試行運転によってある程度の
精度で把握する事ができ、このような試行運転によって
得られるデータを用いる事によって、より高い精度での
制御が可能となる。しかし、燃料電池スタックの電池特
性は経年劣化によって徐々に変化していくので、このよ
うな試行運転は定期的にあるいは実際の初期特性と測定
によって得られたデータとの差が大きくなってくるのに
合わせて適宜に行う事が望ましい。また、実際の特性と
試行運転によるデータとの間の差が大きくなってくる
と、特定スタックの寿命消費負担が相対的に大きくなる
ので、差が大きくなってきた時には運転員にその事を知
らせるような機構をつくる事が望ましい。
【００２８】また、燃料電池に過電流がかかると負荷分
担上のアンバランスが生じるので、プラント運用上の不
具合を回避するため、大電流側に上限のリミター機能を
有する制御系を設けることが必要である。個々のスタッ
クの運転特性カーブは各々相異するので、電圧×電流の
電力（出力）ベースにリミターを追加するよりも、電流
値そのものにリミター機能を付加する。
担上のアンバランスが生じるので、プラント運用上の不
具合を回避するため、大電流側に上限のリミター機能を
有する制御系を設けることが必要である。個々のスタッ
クの運転特性カーブは各々相異するので、電圧×電流の
電力（出力）ベースにリミターを追加するよりも、電流
値そのものにリミター機能を付加する。
【００２９】尚、上述した実施例では、直列スタック群
中の各々の燃料電池スタックの電圧を各燃料電池スタッ
ク毎に設けた燃料系調節弁にて制御したが、特性の近似
する複数のスタック群毎に燃料系調節弁を設け、この調
節弁にて複数のスタックをまとめて制御してもよいこと
はいうまでもない。
中の各々の燃料電池スタックの電圧を各燃料電池スタッ
ク毎に設けた燃料系調節弁にて制御したが、特性の近似
する複数のスタック群毎に燃料系調節弁を設け、この調
節弁にて複数のスタックをまとめて制御してもよいこと
はいうまでもない。
【００３０】
【発明の効果】本発明によれば、直列に接続された複数
台の燃料電池スタックの各々の電圧を、各燃料電池スタ
ックに設けた燃料系調節弁により、予め決められた電圧
分担比に従って制御するので、プラント運用の適正化を
図ることができる。即ち、電池プラントの構成全体とし
ての高効率を維持するために、スタックの直列構成を採
用する場合に、電池スタックの個体差としての特性に応
じて、寿命管理値の設定を合理的に実施できる。
台の燃料電池スタックの各々の電圧を、各燃料電池スタ
ックに設けた燃料系調節弁により、予め決められた電圧
分担比に従って制御するので、プラント運用の適正化を
図ることができる。即ち、電池プラントの構成全体とし
ての高効率を維持するために、スタックの直列構成を採
用する場合に、電池スタックの個体差としての特性に応
じて、寿命管理値の設定を合理的に実施できる。
【００３１】また、各直列スタック群毎の電流にリミッ
トを設ける事により電池の保護を行う事ができる。更
に、電圧の制御には、試行運転によって得られたデータ
を用いる事により、より精度の高い制御系を構築するこ
とができる。
トを設ける事により電池の保護を行う事ができる。更
に、電圧の制御には、試行運転によって得られたデータ
を用いる事により、より精度の高い制御系を構築するこ
とができる。
【図１】本発明の一実施例に係る燃料電池発電プラント
の接続構成図である。
の接続構成図である。
【図２】図１に示す燃料電池プラントで特性が揃った各
スタックの電池特性図である。
スタックの電池特性図である。
【図３】特性にばらつきが生じたときの各スタックの電
池特性の説明図である。
池特性の説明図である。
【図４】運転電圧値とスタックの残寿命の関係を示すグ
ラフである。
ラフである。
【図５】スタックの劣化速度を調整し残寿命を揃えると
きの操作説明図である。
きの操作説明図である。
【図６】燃料電池運転電圧と残り寿命の相関図である。
１…燃料電池スタック、２…燃料供給配管、３…空気供
給配管、４…燃料流量調節弁、５…空気流量調節弁、６
…電圧計、７…電流計、８…インバータ。
給配管、４…燃料流量調節弁、５…空気流量調節弁、６
…電圧計、７…電流計、８…インバータ。
フロントページの続き (72)発明者 二川原 誠逸 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 高橋 正治 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 吉田 正 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内
Claims (17)
- 【請求項１】 複数の燃料電池スタックを直列に接続
し、その発生直流電流をインバータで交流出力に変換す
る燃料電池発電プラントにおいて、直列接続されたスタ
ック群中の各燃料電池スタックの各々の電圧を、直列群
全電圧の制御目標値を変えずに、各スタック毎に設けら
れた燃料系調節弁、或いは特性の近似する複数のスタッ
ク群毎に設けらた燃料系調節弁により制御することを特
徴とする燃料電池発電プラントの運転制御方法。 - 【請求項２】 請求項１において、直列スタック群中の
各スタックの電圧分担比を予め決められた値に制御する
ことを特徴とする燃料電池発電プラントの運転制御方
法。 - 【請求項３】 請求項１または請求項２において、直列
に接続した各燃料電池スタック群の電流値に対し、大電
流側にリミットを設け、燃料電池スタックの保護を行う
ことを特徴とする燃料電池発電プラントの運転制御方
法。 - 【請求項４】 請求項１乃至請求項３のいずれかにおい
て、各燃料電池スタックの電池特性（電圧−電流特性）
を実送電運転前の試行運転によって測定し、この測定さ
れた特性を実送電運転時の制御に適用することを特徴と
する燃料電池発電プラントの運転制御方法。 - 【請求項５】 請求項４において、電池特性の試行運転
による測定を、定期的にあるいは燃料電池の劣化に応じ
て適宜に行うことを特徴とする燃料電池発電プラントの
運転制御方法。 - 【請求項６】 請求項４または請求項５に記載の燃料電
池発電プラントの運転制御方法を実施する装置におい
て、試行運転によって測定した電池特性と実際の電池特
性の差異が経年劣化等によって大きくなり或る閾値を越
えた時に、運転員に報知する手段を備えることを特徴と
する燃料電池発電プラントの運転制御装置。 - 【請求項７】 請求項６において、前記閾値は、単スタ
ックにおける運転点の出力電圧値についての偏差に対し
て設定するものであること特徴とする燃料電池発電プラ
ントの運転制御装置。 - 【請求項８】 請求項６において、前記閾値は、各スタ
ック内の各モジュール単位での運転点の出力電圧値につ
いての偏差に対して設定するものであることを特徴とす
る燃料電池発電プラントの運転制御装置。 - 【請求項９】 請求項６において、運転員に報知する手
段は、ＣＲＴ等への画面画像表示手段またはスピーカに
よる音声告知手段であることを特徴とする燃料電池発電
プラントの運転制御装置。 - 【請求項１０】 請求項２において、予め決めるべき電
圧分担比の設定方法の制限条件として、各電池スタック
静特性上での制御可能範囲を制限条件とすることを特徴
とする燃料電池発電プラントの運転制御方法。 - 【請求項１１】 複数の燃料電池スタックを直列に接続
し、その発生直流電流をインバータで交流出力に変換す
る燃料電池発電プラントにおいて、プラント運転開始初
期の全電流一定の制限目標固定の条件下で、請求項１ま
たは請求項２に示した制御を開始することを特徴とする
燃料電池発電プラントの運転制御方法。 - 【請求項１２】 複数の燃料電池スタックを直列に接続
して構成した直列群を複数列並列に接続し、発生直流電
流をインバータで交流出力に変換する燃料電池発電プラ
ントにおいて、請求項１または請求項２に示した制御を
直列群に適用する際に、他の直列群の運転状態は保持し
たままで、ある１つの直列群に適用する制御を、直列群
順に行うことを特徴とする燃料電池発電プラントの運転
制御方法。 - 【請求項１３】 請求項１２において、直列群毎の順序
づけた制御系適用が一巡した後、全直列群は各々の負荷
制御のマイナーループ制御系の適用を受けることを特徴
とする燃料電池発電プラントの運転制御方法。 - 【請求項１４】 複数の燃料電池スタックを直列に接続
して構成した直列群を複数列並列に接続し、発生直流電
流をインバータで交流出力に変換する燃料電池発電プラ
ントにおいて、請求項１１及び請求項１２の運転制御方
法を両方同時に適用することを特徴とする燃料電池発電
プラントの運転制御方法。 - 【請求項１５】 請求項１２において、直列群への制御
適用の順序として、実際の電圧が、請求項７における制
御可能範囲で裕度の小さいものを優先することを特徴と
する燃料電池発電プラントの運転制御方法。 - 【請求項１６】 請求項２において、分担比の決め方と
して以下の４つのうちのいずれかを用いることを特徴と
する燃料電池発電プラントの運転制御方法。 （ｉ）各スタックの電圧分担を均等に決定する。 （ii）燃料電池スタックの劣化速度を請求項４または請
求項５による計測データ、若しくは予め設定した値によ
り評価し、各スタックの運転電圧値と寿命の相関図を作
成し、その相関図を利用することによって直列群中の全
スタックの寿命全部の時期を合わせるように各スタック
の電圧分担比を決定する。 （iii）燃料電池スタックの劣化速度を請求項４または
請求項５による計測データ、若しくは予め設定した値に
より評価し、各スタックの運転電圧値と寿命の相関よ
り、直列群中の各スタックの寿命夫々の時期を、各スタ
ックの保守時期に合わせて順次限定して、差をつけた寿
命消費とするように電圧分担比を決定する。 （iv）一直列群中における各スタック特性において、一
部スタックのバラつきの程度が大きいものについては、
全電圧値よりその値を差し引き、残数スタックについて
（ｉ）を適用して電圧分担比を決定する。 - 【請求項１７】 直列に接続された複数の燃料電池スタ
ックと、各燃料電池スタック各々に燃料と空気を供給す
る燃料配管及び空気配管と、各燃料配管に設けられた調
節弁と、直列燃料電池スタック群から出力される直流出
力を交流に変換するインバータを備える燃料電池発電プ
ラントにおいて、各燃料電池スタック各々の発生電圧を
検出する電圧計と、直列接続した燃料電池スタック群に
流れる電流を検出する電流計と、前記電圧計の検出値及
び前記電流計の検出値と予め定められた各燃料電池スタ
ック毎の電圧目標値とに基づき前記各調節弁を制御して
直列燃料電池スタック群全体の電圧を制御目標値に保っ
たまま各燃料電池スタックの電圧分担比を制御する制御
手段とを備えることを特徴とする燃料電池発電プラン
ト。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5193573A JP2603043B2 (ja) | 1993-08-04 | 1993-08-04 | 燃料電池発電プラントとその運転制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5193573A JP2603043B2 (ja) | 1993-08-04 | 1993-08-04 | 燃料電池発電プラントとその運転制御方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0750172A true JPH0750172A (ja) | 1995-02-21 |
| JP2603043B2 JP2603043B2 (ja) | 1997-04-23 |
Family
ID=16310259
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5193573A Expired - Lifetime JP2603043B2 (ja) | 1993-08-04 | 1993-08-04 | 燃料電池発電プラントとその運転制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2603043B2 (ja) |
Cited By (9)
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-
1993
- 1993-08-04 JP JP5193573A patent/JP2603043B2/ja not_active Expired - Lifetime
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2603043B2 (ja) | 1997-04-23 |
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