燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの制御方法
【課題】燃料組成が変化しても安定して発電を行なうことができる燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】本実施形態は、温度計によって測定された改質器温度が改質器の設定温度以上であれば燃料流量を燃料流量ベースよりも減らし、設定温度未満であれば燃料流量を燃料流量ベースよりも増やすように燃料供給系を制御する。また、燃料電池本体への必要水素流量から得られる必要蒸気流量を、改質器の設定温度と温度計により測定された改質器の温度との差分に基づいて得られる温度補正値により補正し、この補正された必要蒸気流量から補正後改質水供給流量を求め、この補正後改質水供給流量となるように前記改質水供給系を制御する具備する燃料電池発電システム、である。
【解決手段】本実施形態は、温度計によって測定された改質器温度が改質器の設定温度以上であれば燃料流量を燃料流量ベースよりも減らし、設定温度未満であれば燃料流量を燃料流量ベースよりも増やすように燃料供給系を制御する。また、燃料電池本体への必要水素流量から得られる必要蒸気流量を、改質器の設定温度と温度計により測定された改質器の温度との差分に基づいて得られる温度補正値により補正し、この補正された必要蒸気流量から補正後改質水供給流量を求め、この補正後改質水供給流量となるように前記改質水供給系を制御する具備する燃料電池発電システム、である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料が有している化学エネルギーを直接電気に変換するシステムとして燃料電池が知られている。この燃料電池は、燃料である水素と、酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて直接電気を取り出すものであり、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができると同時に、静かで有害な排ガスを出さないという、環境性に優れた特徴を有するシステムである。
【０００３】
近年まで、比較的大型のPAFC（りん酸形）が主に開発されてきたが、最近では小型のPEFC（固体高分子形燃料電池）の開発が活発化し、'09年度から、家庭用燃料電池発電システムの商品化も実現している。
【０００４】
ところで、家庭用燃料電池発電システムは燃料としてLNGベースの都市ガスやLPガスを用いることが一般的である。これらのガスは組成が安定しており、家庭用燃料電池でも使いやすい成分となっている。
【０００５】
ところが、地方や海外の場合は、組成が安定していないケースがあり、水素への転換制御が難しい。従来では、このようなガスでの家庭用燃料電池の発電は一時的には可能であっても、安定的に信頼性高く運用することは困難であった。
【０００６】
従来の燃料電池システムでは、目的の発電量に対し、燃料電池で発電する量および直流電流値が決定し、その直流電流に適合する水素発生量が計算され、その水素発生量に見合った燃料および改質水が供給される。この基本制御に、さらに様々なロジックを付加してより利便性のある構成とするケースもある。例えば、この燃料に対し、改質器の特定の部位を制御する要素を入れる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第4325270号公報
【特許文献２】特許第2793365号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の燃料電池システムでは、一定範囲のカロリー変動に適合できるものの、本質的なプロセス制御への補正を行うものではないため、燃料組成自体が変わった場合は、対応ができないという問題があった。
【０００９】
発明が解決しようとする課題は、燃料組成自体が変わった場合でも、当該燃料に応じて適切な制御を行なうことができる燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本実施形態の燃料電池発電システムは、燃料電池本体と、前記燃料電池本体から出力される直流電流を計測する直流電流計と、前記燃料電池本体への燃料を改質する改質器及び水蒸気発生器を含む改質系と、前記改質系の水蒸気発生器に改質水を供給する改質水供給手段と、前記改質系の改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、前記温度計によって測定された改質器温度と前記改質器の設定温度との差分に基づいて燃料流量を補正するように前記燃料供給手段を制御し、前記燃料電池本体への必要水素流量から得られる必要蒸気流量を、前記改質器の設定温度と前記温度計により測定された改質器の温度との差分に基づいて補正し、この補正された必要蒸気流量から補正後改質水供給流量を求め、この補正後改質水供給流量となるように前記改質水供給手段を制御する制御手段とを具備する。
【００１１】
本実施形態の燃料電池発電システムは、燃料電池本体と、前記燃料電池本体から出力される直流電流を計測する直流電流計と、前記燃料電池本体への燃料を改質する改質器及び一酸化炭素除去器を含む改質系と、前記一酸化炭素除去器に空気を供給する空気供給手段と、前記改質系の改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、前記改質系の改質器の温度を測定する温度計と、前記温度計によって測定された改質器温度と前記改質器の設定温度との差分に基づいて燃料流量を補正するように前記燃料供給手段を制御し、前記燃料電池本体への必要水素流量から得られる必要燃料流量を、前記改質器の設定温度と前記温度計により測定された改質器の温度との差分に基づいて補正し、この補正された必要燃料流量から一酸化炭素除去器への補正後空気供給流量を求め、この補正後空気供給流量となるように前記空気供給手段を制御する制御手段とを具備する。
【００１２】
本実施形態の燃料電池発電システムは、燃料電池本体と、前記燃料電池本体から出力される直流電流を計測する直流電流計と、前記燃料電池本体への燃料を改質するためのバーナを有する改質器を含む改質系と、前記改質系の改質器のバーナに空気を供給する空気供給系と、前記改質系の改質器に燃料を供給する燃料供給系と、前記改質系の改質器の温度を測定する温度計と、前記温度計によって測定された改質器温度と前記改質器の設定温度との差分に基づいて燃料流量を補正するように前記燃料供給手段を制御し、前記燃料電池本体への必要水素流量から得られる必要燃料流量を、前記改質器の設定温度と前記温度計により測定された改質器の温度との差分に基づいて補正し、この補正された必要燃料流量から前記バーナへの補正後空気供給流量を求め、この補正後空気供給流量となるように前記空気供給手段を制御する制御手段とを具備する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、燃料組成自体が変わった場合でも、当該燃料に応じて適切な制御を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す図である。
【図２】本実施の形態に係る燃料電池発電システムの主要プロセス制御を示すブロック図である。
【図３】本実施の形態に係る燃料電池発電システムの燃料供給系の動作を説明するためのフローチャートである。
【図４】本実施の形態に係る燃料電池発電システムの改質水供給系の動作を説明するためのフローチャートである。
【図５】本実施の形態に係る燃料電池発電システムの一酸化炭素除去器への空気供給系の動作を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、本実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す図である。
【００１７】
同図に示すように、燃料電池発電システムパッケージ２０内には、燃料・プロセス系として、ガス配管１を流れるガス燃料を遮断する燃料遮断弁２、ガス配管１を流れるガス燃料の流量を測定する燃料流量計２Ｂ、燃料ブロア３、供給される改質水から水蒸気を発生する水蒸気発生器４、ガス燃料の改質を行なう改質器５、改質器５で発生した一酸化炭素を低減するための一酸化炭素変成器６、一酸化炭素変成器６で除去されなかった一酸化炭素を除去するための一酸化炭素除去器７、燃料電池８が納められている。改質器５には、改質器５の温度を測定する温度計１７が設けられている。
【００１８】
また、燃料改質のための改質水を水蒸気発生器４に供給するための改質水ポンプ９、バーナー燃焼用空気を改質器５に供給するためのバーナー空気ブロア１０、一酸化炭素除去器７へ空気を供給するための一酸化炭素除去器空気ブロア１１、およびセンサ類の情報を取り込むと共に補機（ブロア、遮断弁等の電動品）を制御するための制御装置１４も同じく燃料電池発電システムパッケージ２０内に納められている。さらに、燃料電池８には、インバータ１５が電気的に接続されており、その電気線には直流電流計１６が設けられている。
【００１９】
図２は、本実施の形態に係る燃料電池発電システムの主要プロセス制御を示すブロック図である。なお、このプロセス制御は、制御装置１４において行なわれる。
【００２０】
本実施形態に係る燃料電池発電システムでは、従来の燃料電池発電システムと比して、温度補正値ａ（PIDコントローラ２８からの出力値）の信号に基づいて、改質水流量及び一酸化炭素除去器空気流量の設定値を補正している点で異なる。
【００２１】
必要水素流量算出部２１は、直流電流計１６によって計測された燃料電池８から出力される直流電流から燃料電池への必要水素流量を求める。必要水素流量は、直流電流の実値または設定値から熱・化学的に予測する。
【００２２】
必要蒸気流量算出部２２は、必要水素流量算出部２１によって算出された必要水素流量から必要蒸気流量を算出する。なお、必要水素流量算出部２１及び必要蒸気流量算出部２２による算出処理は、公知の手法であるので、ここでは詳述しない。
【００２３】
上下限付ＰＩＤコントローラ２８は、改質器５の設定温度と、温度計１７にて測定された改質器５の測定温度との差分に基づいて、所定のＰＩＤ演算を行ない、当該差分をゼロにするための温度補正値ａを算出する。
【００２４】
補正器３１は、上下限付ＰＩＤコントローラ２８から出力された温度補正値ａを温度補正値ｂに補正する。温度補正値ａが１．０以下である場合には、当該温度補正値を大きくし、温度補正値ａが１．０より大きい場合には、温度補正値の増幅を行なわない。
【００２５】
一次遅れ要素３２は、補正器３１から出力された温度補正値ｂに対して所定の時定数（本実施の形態においては、１０分）を有する温度補正値ｃを出力する。
【００２６】
除算器２３は、必要蒸気流量算出部２２にて算出された必要蒸気流量を、一次遅れ要素３２から出力される温度補正値ｃで除算することにより補正する。
【００２７】
変換器２４は、除算器２３によって補正された必要蒸気流量を改質水流量に変換する。なお、変換器２４による変換処理は、公知の手法であるので、ここでは詳述しない。制御装置１４は、この変換された改質水流量となるように、改質水系供給系を制御する。例えば、制御装置１４は、改質水ポンプ９を制御して、水蒸気発生器４に供給される改質水流量を制御する。
【００２８】
必要燃料流量算出部２５は、必要水素流量算出部２１によって算出された必要水素流量から必要燃料流量を算出する。なお、必要燃料流量算出部２５による算出処理は、公知の手法であるので、ここでは詳述しない。
【００２９】
一次遅れ要素３３は、上下限付ＰＩＤコントローラ２８から出力された温度補正値ａに対して所定の時定数（本実施の形態においては、１５分）を有する温度補正値ｄを出力する。
【００３０】
除算器２６は、必要燃料流量算出部２５にて算出された必要燃料流量を、一次遅れ要素３３から出力される温度補正値ｄで除算することにより補正する。
【００３１】
変換器２７は、除算器２６によって補正された必要燃料流量を一酸化炭素除去器７への空気供給流量に変換する。なお、変換器２７による変換処理は、公知の手法であるので、ここでは詳述しない。
【００３２】
制御装置１４は、この変換された一酸化炭素除去器７への空気供給流量となるように空気供給系を制御する。例えば、制御装置１４は、一酸化炭素除去器空気ブロア１１を制御して、一酸化炭素除去器７に供給される空気供給流量を制御する。
【００３３】
乗算器２９は、上下限付ＰＩＤコントローラ２８から出力される温度補正値ａと必要燃料流量算出部２５にて算出される必要燃料流量を乗算し、この乗算結果を燃料流量設定として上下限付ＰＩＤコントローラ３０に出力する。
【００３４】
上下限付ＰＩＤコントローラ３０は、燃料流量計２Ｂによって計測された燃料流量と、乗算器２９から出力される燃料流量設定との差分に基づいて、所定のＰＩＤ演算を行ない、当該差分をゼロにするための燃料ブロア出力（０−１００％）求める。
【００３５】
制御装置１４は、この求められた燃料ブロア出力となるように、燃料供給系を制御する。例えば、制御装置１４は、求められた燃料ブロア出力となるように燃料ブロア３を制御する。
【００３６】
なお、上述の補正器３１及び一次遅れ要素３２、３３は必ずしも必要ではなく、上下限付ＰＩＤコントローラ２８から出力された温度補正値ａが直接除算器２３、２６にそれぞれ出力されても良い。また、補正器３１及び一次遅れ要素３２、３３のいずれか一方のみが設けられていても良い。
【００３７】
また、本実施の形態においては、改質水流量及び一酸化炭素除去器への空気供給流量を制御する場合について説明するが、これに限られるものではなく、少なくとも一方の制御であっても良い。
【００３８】
次に、本実施の形態に係る燃料電池発電システムの作用について説明する。
【００３９】
例えば、現燃料の5％のカロリー上昇に対し、同じ燃料流量では改質器温度が上昇する。これを温度計17によって測定された改質器５の温度で検知し、燃料流量を最終的には約5％下げることで、設定通りの改質器温度でバランスする。
【００４０】
この時、従来制御では、改質水流量や一酸化炭素除去器空気流量への補正が働かないため、これらの設定値は5％少ない燃料流量に対応した量となる。これは燃料のカロリーが上がって、単位あたりのカーボン数が上昇していることを考えると、これらのプロセス値が約5％不足した状態となる。この状態が長時間続くと、プロセスガス中のCO濃度が上昇するリスクが高く、故障停止が発生しやすくなる。
【００４１】
本実施の形態では、前述のとおり、温度補正値で、改質水流量設定値や一酸化炭素除去器空気流量設定値を補正する。この燃料カロリー5％アップのケースでは、温度補正値が約0.95となるため、改質水流量設定値および一酸化炭素除去器空気流量設定値が1/0.95倍≒1.05となり約5％アップし、本来の設計値が維持される。
【００４２】
また、燃料カロリーがアップすることは、プロパン、ブタン等の重く改質し難い成分が増えることとなるため、同じ炭素あたりの改質水（S/C：スチームバイカーボン）の割合を上げるとより信頼性が高く運用できる。この機能を、図２の補正器３１で実現している。すなわち、温度補正値が低下すると、より低い値が出力され、より多くの改質水が導入されるロジックとなっている。
【００４３】
さらに、この温度補正値は、燃料カロリーに変化がなくても、通常の出力変動や一時的なシステムの外乱に対し、この温度補正値が変化し、実際に燃料を自動的に増減することで、改質器温度を補償する基本制御となっている。この燃料カロリーが変化していない一時的なシステム変動時は、改質水流量設定値や一酸化炭素除去器空気流量設定には補正をかける必要がないばかりか、不適切補正により運転不安定化や効率低下のリスクが生じる。
【００４４】
これを避けるために、図２では一次遅れ要素３２，３３が設けられている。通常プラントの一時変動は出力変化の変動は5-10分程度で収束するため、時定数10分以上の一次遅れ要素を導入することで、この一時的な変動に対する反応（補正）を弱めることができる。
【００４５】
図３は、本実施の形態に係る燃料電池発電システムの燃料供給系の動作を説明するためのフローチャートである。
【００４６】
上下限付ＰＩＤコントローラ２８は、改質器５の設定温度と、温度計１７にて測定された改質器５の測定温度との差分に基づいて、所定のＰＩＤ演算を行ない、当該差分をゼロにするための温度補正値ａを算出する（Ｓ１）。
【００４７】
次に、乗算器２９により、上下限付ＰＩＤコントローラ２８から出力される温度補正値ａと必要燃料流量算出部２５にて算出される必要燃料流量を乗算し、この乗算結果を燃料流量設定として上下限付ＰＩＤコントローラ３０に出力する（Ｓ２）。
【００４８】
上下限付ＰＩＤコントローラ３０は、燃料流量計２Ｂによって計測された燃料流量と、乗算器２９から出力される燃料流量設定との差分に基づいて、所定のＰＩＤ演算を行ない、当該差分をゼロにするための燃料ブロア出力（０−１００％）求める（Ｓ３）。
【００４９】
制御装置１４は、この求められた燃料ブロア出力となるように、燃料供給系，例えば、燃料ブロア３を制御する（Ｓ４）。
【００５０】
図４は、本実施の形態に係る燃料電池発電システムの改質水供給系の動作を説明するためのフローチャートである。
【００５１】
上下限付ＰＩＤコントローラ２８は、改質器５の設定温度と、温度計１７にて測定された改質器５の測定温度との差分に基づいて、所定のＰＩＤ演算を行ない、当該差分をゼロにするための温度補正値ａを算出する（Ｓ１１）。
【００５２】
そして、補正器３１により、上下限付ＰＩＤコントローラ２８から出力された温度補正値ａが１．０以下である場合には、当該温度補正値が大きくされ（Ｓ１２、Ｓ１３）、温度補正値ａが１．０より大きい場合には、温度補正値の増幅は行なわれない。
【００５３】
その後、補正器３１により補正された温度補正値ｂは一次遅れ要素３２（時定数１０分）を介して除算器２３に入力される（Ｓ１４）。そして、除算器２３は、必要蒸気流量算出部２２にて算出された必要蒸気流量を、一次遅れ要素３２から出力される温度補正値ｃで除算することにより補正する（Ｓ１５）。
【００５４】
次に、変換器２４により、除算器２３によって補正された必要蒸気流量を改質水流量に変換し（Ｓ１６）、制御装置１４により、この変換された改質水流量となるように、改質水系供給系（例えば、改質水ポンプ９）を制御する。
【００５５】
図５は、本実施の形態に係る燃料電池発電システムの一酸化炭素除去器への空気供給系の動作を説明するためのフローチャートである。
【００５６】
上下限付ＰＩＤコントローラ２８は、改質器５の設定温度と、温度計１７にて測定された改質器５の測定温度との差分に基づいて、所定のＰＩＤ演算を行ない、当該差分をゼロにするための温度補正値ａを算出する（Ｓ２１）。
【００５７】
その後、補正器３１により補正された温度補正値ｂは一次遅れ要素３２（時定数１５分）を介して除算器２３に入力される（Ｓ２２）。そして、除算器２６は、必要燃料流量算出部２５にて算出された必要燃料流量を、一次遅れ要素３３から出力される温度補正値ｄで除算することにより補正する（Ｓ２３）。
【００５８】
次に、変換器２７により、除算器２６によって補正された必要燃料流量を一酸化炭素除去器７への空気供給流量に変換し（Ｓ２４）、制御装置１４により、この変換された一酸化炭素除去器７への空気供給流量となるように空気供給系（例えば、空気ブロア１１）を制御する（Ｓ２５）。
【００５９】
なお、上述の実施の形態では、一次遅れ要素を使用する制御で一時的な変動の影響を抑えているが、これを10分以上の移動平均計算値としても良く、この場合にも同様の効果が期待できる。
【００６０】
また、上述の実施の形態では、燃料電池の発電中における制御について説明したが、燃料電池発電システムの起動時には、改質器５の昇温のために投入する燃料を、
標準設定 × 前回発電時の最終温度補正値
とする。これにより、燃料組成が最終発電状態と同じであれば、設計値通りの燃焼量での起動・昇温を行なうことができる。
【００６１】
このように、本実施形態によれば、燃料中のカロリーや組成が変動しても、安定して発電を継続することができるため、低コストかつ高信頼性の燃料電池発電システムの提供が可能となる。
【００６２】
また、本実施の形態に係る燃料電池発電システムによれば、プロセス制御に一定の工夫を行うことで、燃料組成が変化しても、プロセス系全体に自動的に補正がかかり、安定して発電ができる。さらに、一時的な外乱や負荷変化等のトランジェント動作時でも、安定した運転が可能となる。
【００６３】
（他の実施の形態１）
上述の実施の形態ではバーナ制御については触れていないが、バーナー制御でも一酸化炭素除去器７への空気流量設定と同じ考え方が適用可能である。
【００６４】
すなわち、バーナー空気流量設定では、燃料流量および直流電流から、改質器バーナーに戻るオフガスの量を計算し、必要なバーナー空気流量を導入するが、この燃料流量の評価に、上述の実施の形態と同じく温度補正を考慮して評価する。
【００６５】
すなわち、 上下限付ＰＩＤコントローラ２８は、改質器５の設定温度と、温度計１７にて測定された改質器５の測定温度との差分に基づいて、所定のＰＩＤ演算を行ない、当該差分をゼロにするための温度補正値ａを算出する。
【００６６】
次に、除算器（図示せず）により燃料流量算出部２５にて算出された必要燃料流量を温度補正値で除算することにより補正し、変換器(図示せず）により、除算器によって補正された必要燃料流量をバーナへの空気供給流量に変換する。そして、制御装置１４により、この変換されたバーナへの空気供給流量となるように空気供給系（例えば、バーナ空気ブロア１０）を制御する。なお、他の実施の形態１においても、図５において説明したように、温度補正値を一次遅れ要素を介して除算器に入力しても良い。
【００６７】
本実施形態においても、上述の実施の形態と同様に、燃料中のカロリーや組成が変動しても、安定して発電を継続することができるため、低コストかつ高信頼性の燃料電池発電システムの提供が可能となる。
【００６８】
いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６９】
1…ガス配管、2…燃料遮断弁、2B…燃料流量計、3…燃料ブロア、4…水蒸気発生器、5…改質器、6…一酸化炭素変成器、7…一酸化炭素除去器、8…燃料電池、9…改質水ポンプ、10…バーナー空気ブロア、11…一酸化炭素除去器空気ブロア、14…制御装置、15…インバータ、16…直流電流計、17…温度計、20…燃料電池発電システムパッケージ、ａ〜d…温度補正値、23,26…除算器、28,30…PIDコントローラ、31…補正器、32,33…一次遅れ要素。
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料が有している化学エネルギーを直接電気に変換するシステムとして燃料電池が知られている。この燃料電池は、燃料である水素と、酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて直接電気を取り出すものであり、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができると同時に、静かで有害な排ガスを出さないという、環境性に優れた特徴を有するシステムである。
【０００３】
近年まで、比較的大型のPAFC（りん酸形）が主に開発されてきたが、最近では小型のPEFC（固体高分子形燃料電池）の開発が活発化し、'09年度から、家庭用燃料電池発電システムの商品化も実現している。
【０００４】
ところで、家庭用燃料電池発電システムは燃料としてLNGベースの都市ガスやLPガスを用いることが一般的である。これらのガスは組成が安定しており、家庭用燃料電池でも使いやすい成分となっている。
【０００５】
ところが、地方や海外の場合は、組成が安定していないケースがあり、水素への転換制御が難しい。従来では、このようなガスでの家庭用燃料電池の発電は一時的には可能であっても、安定的に信頼性高く運用することは困難であった。
【０００６】
従来の燃料電池システムでは、目的の発電量に対し、燃料電池で発電する量および直流電流値が決定し、その直流電流に適合する水素発生量が計算され、その水素発生量に見合った燃料および改質水が供給される。この基本制御に、さらに様々なロジックを付加してより利便性のある構成とするケースもある。例えば、この燃料に対し、改質器の特定の部位を制御する要素を入れる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第4325270号公報
【特許文献２】特許第2793365号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の燃料電池システムでは、一定範囲のカロリー変動に適合できるものの、本質的なプロセス制御への補正を行うものではないため、燃料組成自体が変わった場合は、対応ができないという問題があった。
【０００９】
発明が解決しようとする課題は、燃料組成自体が変わった場合でも、当該燃料に応じて適切な制御を行なうことができる燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本実施形態の燃料電池発電システムは、燃料電池本体と、前記燃料電池本体から出力される直流電流を計測する直流電流計と、前記燃料電池本体への燃料を改質する改質器及び水蒸気発生器を含む改質系と、前記改質系の水蒸気発生器に改質水を供給する改質水供給手段と、前記改質系の改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、前記温度計によって測定された改質器温度と前記改質器の設定温度との差分に基づいて燃料流量を補正するように前記燃料供給手段を制御し、前記燃料電池本体への必要水素流量から得られる必要蒸気流量を、前記改質器の設定温度と前記温度計により測定された改質器の温度との差分に基づいて補正し、この補正された必要蒸気流量から補正後改質水供給流量を求め、この補正後改質水供給流量となるように前記改質水供給手段を制御する制御手段とを具備する。
【００１１】
本実施形態の燃料電池発電システムは、燃料電池本体と、前記燃料電池本体から出力される直流電流を計測する直流電流計と、前記燃料電池本体への燃料を改質する改質器及び一酸化炭素除去器を含む改質系と、前記一酸化炭素除去器に空気を供給する空気供給手段と、前記改質系の改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、前記改質系の改質器の温度を測定する温度計と、前記温度計によって測定された改質器温度と前記改質器の設定温度との差分に基づいて燃料流量を補正するように前記燃料供給手段を制御し、前記燃料電池本体への必要水素流量から得られる必要燃料流量を、前記改質器の設定温度と前記温度計により測定された改質器の温度との差分に基づいて補正し、この補正された必要燃料流量から一酸化炭素除去器への補正後空気供給流量を求め、この補正後空気供給流量となるように前記空気供給手段を制御する制御手段とを具備する。
【００１２】
本実施形態の燃料電池発電システムは、燃料電池本体と、前記燃料電池本体から出力される直流電流を計測する直流電流計と、前記燃料電池本体への燃料を改質するためのバーナを有する改質器を含む改質系と、前記改質系の改質器のバーナに空気を供給する空気供給系と、前記改質系の改質器に燃料を供給する燃料供給系と、前記改質系の改質器の温度を測定する温度計と、前記温度計によって測定された改質器温度と前記改質器の設定温度との差分に基づいて燃料流量を補正するように前記燃料供給手段を制御し、前記燃料電池本体への必要水素流量から得られる必要燃料流量を、前記改質器の設定温度と前記温度計により測定された改質器の温度との差分に基づいて補正し、この補正された必要燃料流量から前記バーナへの補正後空気供給流量を求め、この補正後空気供給流量となるように前記空気供給手段を制御する制御手段とを具備する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、燃料組成自体が変わった場合でも、当該燃料に応じて適切な制御を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す図である。
【図２】本実施の形態に係る燃料電池発電システムの主要プロセス制御を示すブロック図である。
【図３】本実施の形態に係る燃料電池発電システムの燃料供給系の動作を説明するためのフローチャートである。
【図４】本実施の形態に係る燃料電池発電システムの改質水供給系の動作を説明するためのフローチャートである。
【図５】本実施の形態に係る燃料電池発電システムの一酸化炭素除去器への空気供給系の動作を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、本実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す図である。
【００１７】
同図に示すように、燃料電池発電システムパッケージ２０内には、燃料・プロセス系として、ガス配管１を流れるガス燃料を遮断する燃料遮断弁２、ガス配管１を流れるガス燃料の流量を測定する燃料流量計２Ｂ、燃料ブロア３、供給される改質水から水蒸気を発生する水蒸気発生器４、ガス燃料の改質を行なう改質器５、改質器５で発生した一酸化炭素を低減するための一酸化炭素変成器６、一酸化炭素変成器６で除去されなかった一酸化炭素を除去するための一酸化炭素除去器７、燃料電池８が納められている。改質器５には、改質器５の温度を測定する温度計１７が設けられている。
【００１８】
また、燃料改質のための改質水を水蒸気発生器４に供給するための改質水ポンプ９、バーナー燃焼用空気を改質器５に供給するためのバーナー空気ブロア１０、一酸化炭素除去器７へ空気を供給するための一酸化炭素除去器空気ブロア１１、およびセンサ類の情報を取り込むと共に補機（ブロア、遮断弁等の電動品）を制御するための制御装置１４も同じく燃料電池発電システムパッケージ２０内に納められている。さらに、燃料電池８には、インバータ１５が電気的に接続されており、その電気線には直流電流計１６が設けられている。
【００１９】
図２は、本実施の形態に係る燃料電池発電システムの主要プロセス制御を示すブロック図である。なお、このプロセス制御は、制御装置１４において行なわれる。
【００２０】
本実施形態に係る燃料電池発電システムでは、従来の燃料電池発電システムと比して、温度補正値ａ（PIDコントローラ２８からの出力値）の信号に基づいて、改質水流量及び一酸化炭素除去器空気流量の設定値を補正している点で異なる。
【００２１】
必要水素流量算出部２１は、直流電流計１６によって計測された燃料電池８から出力される直流電流から燃料電池への必要水素流量を求める。必要水素流量は、直流電流の実値または設定値から熱・化学的に予測する。
【００２２】
必要蒸気流量算出部２２は、必要水素流量算出部２１によって算出された必要水素流量から必要蒸気流量を算出する。なお、必要水素流量算出部２１及び必要蒸気流量算出部２２による算出処理は、公知の手法であるので、ここでは詳述しない。
【００２３】
上下限付ＰＩＤコントローラ２８は、改質器５の設定温度と、温度計１７にて測定された改質器５の測定温度との差分に基づいて、所定のＰＩＤ演算を行ない、当該差分をゼロにするための温度補正値ａを算出する。
【００２４】
補正器３１は、上下限付ＰＩＤコントローラ２８から出力された温度補正値ａを温度補正値ｂに補正する。温度補正値ａが１．０以下である場合には、当該温度補正値を大きくし、温度補正値ａが１．０より大きい場合には、温度補正値の増幅を行なわない。
【００２５】
一次遅れ要素３２は、補正器３１から出力された温度補正値ｂに対して所定の時定数（本実施の形態においては、１０分）を有する温度補正値ｃを出力する。
【００２６】
除算器２３は、必要蒸気流量算出部２２にて算出された必要蒸気流量を、一次遅れ要素３２から出力される温度補正値ｃで除算することにより補正する。
【００２７】
変換器２４は、除算器２３によって補正された必要蒸気流量を改質水流量に変換する。なお、変換器２４による変換処理は、公知の手法であるので、ここでは詳述しない。制御装置１４は、この変換された改質水流量となるように、改質水系供給系を制御する。例えば、制御装置１４は、改質水ポンプ９を制御して、水蒸気発生器４に供給される改質水流量を制御する。
【００２８】
必要燃料流量算出部２５は、必要水素流量算出部２１によって算出された必要水素流量から必要燃料流量を算出する。なお、必要燃料流量算出部２５による算出処理は、公知の手法であるので、ここでは詳述しない。
【００２９】
一次遅れ要素３３は、上下限付ＰＩＤコントローラ２８から出力された温度補正値ａに対して所定の時定数（本実施の形態においては、１５分）を有する温度補正値ｄを出力する。
【００３０】
除算器２６は、必要燃料流量算出部２５にて算出された必要燃料流量を、一次遅れ要素３３から出力される温度補正値ｄで除算することにより補正する。
【００３１】
変換器２７は、除算器２６によって補正された必要燃料流量を一酸化炭素除去器７への空気供給流量に変換する。なお、変換器２７による変換処理は、公知の手法であるので、ここでは詳述しない。
【００３２】
制御装置１４は、この変換された一酸化炭素除去器７への空気供給流量となるように空気供給系を制御する。例えば、制御装置１４は、一酸化炭素除去器空気ブロア１１を制御して、一酸化炭素除去器７に供給される空気供給流量を制御する。
【００３３】
乗算器２９は、上下限付ＰＩＤコントローラ２８から出力される温度補正値ａと必要燃料流量算出部２５にて算出される必要燃料流量を乗算し、この乗算結果を燃料流量設定として上下限付ＰＩＤコントローラ３０に出力する。
【００３４】
上下限付ＰＩＤコントローラ３０は、燃料流量計２Ｂによって計測された燃料流量と、乗算器２９から出力される燃料流量設定との差分に基づいて、所定のＰＩＤ演算を行ない、当該差分をゼロにするための燃料ブロア出力（０−１００％）求める。
【００３５】
制御装置１４は、この求められた燃料ブロア出力となるように、燃料供給系を制御する。例えば、制御装置１４は、求められた燃料ブロア出力となるように燃料ブロア３を制御する。
【００３６】
なお、上述の補正器３１及び一次遅れ要素３２、３３は必ずしも必要ではなく、上下限付ＰＩＤコントローラ２８から出力された温度補正値ａが直接除算器２３、２６にそれぞれ出力されても良い。また、補正器３１及び一次遅れ要素３２、３３のいずれか一方のみが設けられていても良い。
【００３７】
また、本実施の形態においては、改質水流量及び一酸化炭素除去器への空気供給流量を制御する場合について説明するが、これに限られるものではなく、少なくとも一方の制御であっても良い。
【００３８】
次に、本実施の形態に係る燃料電池発電システムの作用について説明する。
【００３９】
例えば、現燃料の5％のカロリー上昇に対し、同じ燃料流量では改質器温度が上昇する。これを温度計17によって測定された改質器５の温度で検知し、燃料流量を最終的には約5％下げることで、設定通りの改質器温度でバランスする。
【００４０】
この時、従来制御では、改質水流量や一酸化炭素除去器空気流量への補正が働かないため、これらの設定値は5％少ない燃料流量に対応した量となる。これは燃料のカロリーが上がって、単位あたりのカーボン数が上昇していることを考えると、これらのプロセス値が約5％不足した状態となる。この状態が長時間続くと、プロセスガス中のCO濃度が上昇するリスクが高く、故障停止が発生しやすくなる。
【００４１】
本実施の形態では、前述のとおり、温度補正値で、改質水流量設定値や一酸化炭素除去器空気流量設定値を補正する。この燃料カロリー5％アップのケースでは、温度補正値が約0.95となるため、改質水流量設定値および一酸化炭素除去器空気流量設定値が1/0.95倍≒1.05となり約5％アップし、本来の設計値が維持される。
【００４２】
また、燃料カロリーがアップすることは、プロパン、ブタン等の重く改質し難い成分が増えることとなるため、同じ炭素あたりの改質水（S/C：スチームバイカーボン）の割合を上げるとより信頼性が高く運用できる。この機能を、図２の補正器３１で実現している。すなわち、温度補正値が低下すると、より低い値が出力され、より多くの改質水が導入されるロジックとなっている。
【００４３】
さらに、この温度補正値は、燃料カロリーに変化がなくても、通常の出力変動や一時的なシステムの外乱に対し、この温度補正値が変化し、実際に燃料を自動的に増減することで、改質器温度を補償する基本制御となっている。この燃料カロリーが変化していない一時的なシステム変動時は、改質水流量設定値や一酸化炭素除去器空気流量設定には補正をかける必要がないばかりか、不適切補正により運転不安定化や効率低下のリスクが生じる。
【００４４】
これを避けるために、図２では一次遅れ要素３２，３３が設けられている。通常プラントの一時変動は出力変化の変動は5-10分程度で収束するため、時定数10分以上の一次遅れ要素を導入することで、この一時的な変動に対する反応（補正）を弱めることができる。
【００４５】
図３は、本実施の形態に係る燃料電池発電システムの燃料供給系の動作を説明するためのフローチャートである。
【００４６】
上下限付ＰＩＤコントローラ２８は、改質器５の設定温度と、温度計１７にて測定された改質器５の測定温度との差分に基づいて、所定のＰＩＤ演算を行ない、当該差分をゼロにするための温度補正値ａを算出する（Ｓ１）。
【００４７】
次に、乗算器２９により、上下限付ＰＩＤコントローラ２８から出力される温度補正値ａと必要燃料流量算出部２５にて算出される必要燃料流量を乗算し、この乗算結果を燃料流量設定として上下限付ＰＩＤコントローラ３０に出力する（Ｓ２）。
【００４８】
上下限付ＰＩＤコントローラ３０は、燃料流量計２Ｂによって計測された燃料流量と、乗算器２９から出力される燃料流量設定との差分に基づいて、所定のＰＩＤ演算を行ない、当該差分をゼロにするための燃料ブロア出力（０−１００％）求める（Ｓ３）。
【００４９】
制御装置１４は、この求められた燃料ブロア出力となるように、燃料供給系，例えば、燃料ブロア３を制御する（Ｓ４）。
【００５０】
図４は、本実施の形態に係る燃料電池発電システムの改質水供給系の動作を説明するためのフローチャートである。
【００５１】
上下限付ＰＩＤコントローラ２８は、改質器５の設定温度と、温度計１７にて測定された改質器５の測定温度との差分に基づいて、所定のＰＩＤ演算を行ない、当該差分をゼロにするための温度補正値ａを算出する（Ｓ１１）。
【００５２】
そして、補正器３１により、上下限付ＰＩＤコントローラ２８から出力された温度補正値ａが１．０以下である場合には、当該温度補正値が大きくされ（Ｓ１２、Ｓ１３）、温度補正値ａが１．０より大きい場合には、温度補正値の増幅は行なわれない。
【００５３】
その後、補正器３１により補正された温度補正値ｂは一次遅れ要素３２（時定数１０分）を介して除算器２３に入力される（Ｓ１４）。そして、除算器２３は、必要蒸気流量算出部２２にて算出された必要蒸気流量を、一次遅れ要素３２から出力される温度補正値ｃで除算することにより補正する（Ｓ１５）。
【００５４】
次に、変換器２４により、除算器２３によって補正された必要蒸気流量を改質水流量に変換し（Ｓ１６）、制御装置１４により、この変換された改質水流量となるように、改質水系供給系（例えば、改質水ポンプ９）を制御する。
【００５５】
図５は、本実施の形態に係る燃料電池発電システムの一酸化炭素除去器への空気供給系の動作を説明するためのフローチャートである。
【００５６】
上下限付ＰＩＤコントローラ２８は、改質器５の設定温度と、温度計１７にて測定された改質器５の測定温度との差分に基づいて、所定のＰＩＤ演算を行ない、当該差分をゼロにするための温度補正値ａを算出する（Ｓ２１）。
【００５７】
その後、補正器３１により補正された温度補正値ｂは一次遅れ要素３２（時定数１５分）を介して除算器２３に入力される（Ｓ２２）。そして、除算器２６は、必要燃料流量算出部２５にて算出された必要燃料流量を、一次遅れ要素３３から出力される温度補正値ｄで除算することにより補正する（Ｓ２３）。
【００５８】
次に、変換器２７により、除算器２６によって補正された必要燃料流量を一酸化炭素除去器７への空気供給流量に変換し（Ｓ２４）、制御装置１４により、この変換された一酸化炭素除去器７への空気供給流量となるように空気供給系（例えば、空気ブロア１１）を制御する（Ｓ２５）。
【００５９】
なお、上述の実施の形態では、一次遅れ要素を使用する制御で一時的な変動の影響を抑えているが、これを10分以上の移動平均計算値としても良く、この場合にも同様の効果が期待できる。
【００６０】
また、上述の実施の形態では、燃料電池の発電中における制御について説明したが、燃料電池発電システムの起動時には、改質器５の昇温のために投入する燃料を、
標準設定 × 前回発電時の最終温度補正値
とする。これにより、燃料組成が最終発電状態と同じであれば、設計値通りの燃焼量での起動・昇温を行なうことができる。
【００６１】
このように、本実施形態によれば、燃料中のカロリーや組成が変動しても、安定して発電を継続することができるため、低コストかつ高信頼性の燃料電池発電システムの提供が可能となる。
【００６２】
また、本実施の形態に係る燃料電池発電システムによれば、プロセス制御に一定の工夫を行うことで、燃料組成が変化しても、プロセス系全体に自動的に補正がかかり、安定して発電ができる。さらに、一時的な外乱や負荷変化等のトランジェント動作時でも、安定した運転が可能となる。
【００６３】
（他の実施の形態１）
上述の実施の形態ではバーナ制御については触れていないが、バーナー制御でも一酸化炭素除去器７への空気流量設定と同じ考え方が適用可能である。
【００６４】
すなわち、バーナー空気流量設定では、燃料流量および直流電流から、改質器バーナーに戻るオフガスの量を計算し、必要なバーナー空気流量を導入するが、この燃料流量の評価に、上述の実施の形態と同じく温度補正を考慮して評価する。
【００６５】
すなわち、 上下限付ＰＩＤコントローラ２８は、改質器５の設定温度と、温度計１７にて測定された改質器５の測定温度との差分に基づいて、所定のＰＩＤ演算を行ない、当該差分をゼロにするための温度補正値ａを算出する。
【００６６】
次に、除算器（図示せず）により燃料流量算出部２５にて算出された必要燃料流量を温度補正値で除算することにより補正し、変換器(図示せず）により、除算器によって補正された必要燃料流量をバーナへの空気供給流量に変換する。そして、制御装置１４により、この変換されたバーナへの空気供給流量となるように空気供給系（例えば、バーナ空気ブロア１０）を制御する。なお、他の実施の形態１においても、図５において説明したように、温度補正値を一次遅れ要素を介して除算器に入力しても良い。
【００６７】
本実施形態においても、上述の実施の形態と同様に、燃料中のカロリーや組成が変動しても、安定して発電を継続することができるため、低コストかつ高信頼性の燃料電池発電システムの提供が可能となる。
【００６８】
いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６９】
1…ガス配管、2…燃料遮断弁、2B…燃料流量計、3…燃料ブロア、4…水蒸気発生器、5…改質器、6…一酸化炭素変成器、7…一酸化炭素除去器、8…燃料電池、9…改質水ポンプ、10…バーナー空気ブロア、11…一酸化炭素除去器空気ブロア、14…制御装置、15…インバータ、16…直流電流計、17…温度計、20…燃料電池発電システムパッケージ、ａ〜d…温度補正値、23,26…除算器、28,30…PIDコントローラ、31…補正器、32,33…一次遅れ要素。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池本体と、
前記燃料電池本体から出力される直流電流を計測する直流電流計と、
前記燃料電池本体への燃料を改質する改質器及び水蒸気発生器を含む改質系と、
前記改質系の水蒸気発生器に改質水を供給する改質水供給手段と、
前記改質系の改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、
前記改質系の改質器の温度を測定する温度計と、
前記温度計によって測定された改質器温度と前記改質器の設定温度との差分に基づいて燃料流量を補正するように前記燃料供給手段を制御し、前記燃料電池本体への必要水素流量から得られる必要蒸気流量を、前記改質器の設定温度と前記温度計により測定された改質器の温度との差分に基づいて補正し、この補正された必要蒸気流量から補正後改質水供給流量を求め、この補正後改質水供給流量となるように前記改質水供給手段を制御する制御手段と
を具備することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
燃料電池本体と、
前記燃料電池本体から出力される直流電流を計測する直流電流計と、
前記燃料電池本体への燃料を改質する改質器及び一酸化炭素除去器を含む改質系と、
前記一酸化炭素除去器に空気を供給する空気供給手段と、
前記改質系の改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、
前記改質系の改質器の温度を測定する温度計と、
前記温度計によって測定された改質器温度と前記改質器の設定温度との差分に基づいて燃料流量を補正するように前記燃料供給手段を制御し、前記燃料電池本体への必要水素流量から得られる必要燃料流量を、前記改質器の設定温度と前記温度計により測定された改質器の温度との差分に基づいて補正し、この補正された必要燃料流量から一酸化炭素除去器への補正後空気供給流量を求め、この補正後空気供給流量となるように前記空気供給手段を制御する制御手段と
を具備することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項３】
燃料電池本体と、
前記燃料電池本体から出力される直流電流を計測する直流電流計と、
前記燃料電池本体への燃料を改質するためのバーナを有する改質器を含む改質系と、
前記改質系の改質器のバーナに空気を供給する空気供給手段と、
前記改質系の改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、
前記改質系の改質器の温度を測定する温度計と、
前記温度計によって測定された改質器温度と前記改質器の設定温度との差分に基づいて燃料流量を補正するように前記燃料供給手段を制御し、前記燃料電池本体への必要水素流量から得られる必要燃料流量を、前記改質器の設定温度と前記温度計により測定された改質器の温度との差分に基づいて補正し、この補正された必要燃料流量から前記バーナへの補正後空気供給流量を求め、この補正後空気供給流量となるように前記空気供給手段を制御する制御手段と
を具備することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記燃料供給手段が、直流電流の実値または設定値から熱・化学的に予測される燃料流量を燃料流量ベースとして供給し、前記温度計によって測定された改質器温度が前記改質器の設定温度以上であれば燃料流量を前記燃料流量ベースよりも減らし、設定温度未満であれば燃料流量を前記燃料流量ベースよりも増やすように前記燃料供給手段を制御することを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記温度補正値による補正は、所定の時定数を有する一次遅れ要素を介して行なわれることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記温度補正値による補正は、前記温度補正値の所定時間の移動平均値により行なわれることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記温度補正値が1.0以下の場合に、前記温度補正値の値を大きくする補正器をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記燃料電池発電システムの起動時に、前記改質器の昇温のために投入する燃料を、
標準設定 × 前回発電時の最終温度補正値
とすることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
燃料電池本体と、
前記燃料電池本体から出力される直流電流を計測する直流電流計と、
前記燃料電池本体への燃料を改質する改質器及び水蒸気発生器を含む改質系と、
前記改質系の水蒸気発生器に改質水を供給する改質水供給手段と、
前記改質系の改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、
前記改質系の改質器の温度を測定する温度計とを具備する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記温度計によって測定された改質器温度と前記改質器の設定温度との差分に基づいて燃料流量を補正するように前記燃料供給手段を制御し、
前記燃料電池本体への必要水素流量から得られる必要蒸気流量を、前記改質器の設定温度と前記温度計により測定された改質器の温度との差分に基づいて補正し、この補正された必要蒸気流量から補正後改質水供給流量を求め、この補正後改質水供給流量となるように前記改質水供給手段を制御する燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項１０】
燃料電池本体と、
前記燃料電池本体から出力される直流電流を計測する直流電流計と、
前記燃料電池本体への燃料を改質する改質器及び一酸化炭素除去器を含む改質系と、
前記一酸化炭素除去器に空気を供給する空気供給手段と、
前記改質系の改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、
前記改質系の改質器の温度を測定する温度計とを具備する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記温度計によって測定された改質器温度と前記改質器の設定温度との差分に基づいて燃料流量を補正するように前記燃料供給手段を制御し、
前記燃料電池本体への必要水素流量から得られる必要燃料流量を、前記改質器の設定温度と前記温度計により測定された改質器の温度との差分に基づいて補正し、この補正された必要燃料流量から一酸化炭素除去器への補正後空気供給流量を求め、この補正後空気供給流量となるように前記空気供給手段を制御する燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項１１】
燃料電池本体と、
前記燃料電池本体から出力される直流電流を計測する直流電流計と、
前記燃料電池本体への燃料を改質するためのバーナを有する改質器を含む改質系と、
前記改質系の改質器のバーナに空気を供給する空気供給手段と、
前記改質系の改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、
前記改質系の改質器の温度を測定する温度計とを具備する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記温度計によって測定された改質器温度と前記改質器の設定温度との差分に基づいて燃料流量を補正するように前記燃料供給手段を制御し、
前記燃料電池本体への必要水素流量から得られる必要燃料流量を前記改質器の設定温度と前記温度計により測定された改質器の温度との差分に基づいて補正し、この補正された必要燃料流量から前記バーナへの補正後空気供給流量を求め、この補正後空気供給流量となるように前記空気供給手段を制御する燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項１２】
前記燃料供給手段が、直流電流の実値または設定値から熱・化学的に予測される燃料流量を燃料流量ベースとして供給し、
前記温度計によって測定された改質器温度が前記改質器の設定温度以上であるか否かを判断し、
前記温度計によって測定された改質器温度が前記改質器の設定温度以上であれば燃料流量を前記燃料流量ベースよりも減らし、設定温度未満であれば燃料流量を前記燃料流量ベースよりも増やすように前記燃料供給手段を制御することを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項１】
燃料電池本体と、
前記燃料電池本体から出力される直流電流を計測する直流電流計と、
前記燃料電池本体への燃料を改質する改質器及び水蒸気発生器を含む改質系と、
前記改質系の水蒸気発生器に改質水を供給する改質水供給手段と、
前記改質系の改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、
前記改質系の改質器の温度を測定する温度計と、
前記温度計によって測定された改質器温度と前記改質器の設定温度との差分に基づいて燃料流量を補正するように前記燃料供給手段を制御し、前記燃料電池本体への必要水素流量から得られる必要蒸気流量を、前記改質器の設定温度と前記温度計により測定された改質器の温度との差分に基づいて補正し、この補正された必要蒸気流量から補正後改質水供給流量を求め、この補正後改質水供給流量となるように前記改質水供給手段を制御する制御手段と
を具備することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
燃料電池本体と、
前記燃料電池本体から出力される直流電流を計測する直流電流計と、
前記燃料電池本体への燃料を改質する改質器及び一酸化炭素除去器を含む改質系と、
前記一酸化炭素除去器に空気を供給する空気供給手段と、
前記改質系の改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、
前記改質系の改質器の温度を測定する温度計と、
前記温度計によって測定された改質器温度と前記改質器の設定温度との差分に基づいて燃料流量を補正するように前記燃料供給手段を制御し、前記燃料電池本体への必要水素流量から得られる必要燃料流量を、前記改質器の設定温度と前記温度計により測定された改質器の温度との差分に基づいて補正し、この補正された必要燃料流量から一酸化炭素除去器への補正後空気供給流量を求め、この補正後空気供給流量となるように前記空気供給手段を制御する制御手段と
を具備することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項３】
燃料電池本体と、
前記燃料電池本体から出力される直流電流を計測する直流電流計と、
前記燃料電池本体への燃料を改質するためのバーナを有する改質器を含む改質系と、
前記改質系の改質器のバーナに空気を供給する空気供給手段と、
前記改質系の改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、
前記改質系の改質器の温度を測定する温度計と、
前記温度計によって測定された改質器温度と前記改質器の設定温度との差分に基づいて燃料流量を補正するように前記燃料供給手段を制御し、前記燃料電池本体への必要水素流量から得られる必要燃料流量を、前記改質器の設定温度と前記温度計により測定された改質器の温度との差分に基づいて補正し、この補正された必要燃料流量から前記バーナへの補正後空気供給流量を求め、この補正後空気供給流量となるように前記空気供給手段を制御する制御手段と
を具備することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記燃料供給手段が、直流電流の実値または設定値から熱・化学的に予測される燃料流量を燃料流量ベースとして供給し、前記温度計によって測定された改質器温度が前記改質器の設定温度以上であれば燃料流量を前記燃料流量ベースよりも減らし、設定温度未満であれば燃料流量を前記燃料流量ベースよりも増やすように前記燃料供給手段を制御することを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記温度補正値による補正は、所定の時定数を有する一次遅れ要素を介して行なわれることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記温度補正値による補正は、前記温度補正値の所定時間の移動平均値により行なわれることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記温度補正値が1.0以下の場合に、前記温度補正値の値を大きくする補正器をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記燃料電池発電システムの起動時に、前記改質器の昇温のために投入する燃料を、
標準設定 × 前回発電時の最終温度補正値
とすることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
燃料電池本体と、
前記燃料電池本体から出力される直流電流を計測する直流電流計と、
前記燃料電池本体への燃料を改質する改質器及び水蒸気発生器を含む改質系と、
前記改質系の水蒸気発生器に改質水を供給する改質水供給手段と、
前記改質系の改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、
前記改質系の改質器の温度を測定する温度計とを具備する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記温度計によって測定された改質器温度と前記改質器の設定温度との差分に基づいて燃料流量を補正するように前記燃料供給手段を制御し、
前記燃料電池本体への必要水素流量から得られる必要蒸気流量を、前記改質器の設定温度と前記温度計により測定された改質器の温度との差分に基づいて補正し、この補正された必要蒸気流量から補正後改質水供給流量を求め、この補正後改質水供給流量となるように前記改質水供給手段を制御する燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項１０】
燃料電池本体と、
前記燃料電池本体から出力される直流電流を計測する直流電流計と、
前記燃料電池本体への燃料を改質する改質器及び一酸化炭素除去器を含む改質系と、
前記一酸化炭素除去器に空気を供給する空気供給手段と、
前記改質系の改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、
前記改質系の改質器の温度を測定する温度計とを具備する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記温度計によって測定された改質器温度と前記改質器の設定温度との差分に基づいて燃料流量を補正するように前記燃料供給手段を制御し、
前記燃料電池本体への必要水素流量から得られる必要燃料流量を、前記改質器の設定温度と前記温度計により測定された改質器の温度との差分に基づいて補正し、この補正された必要燃料流量から一酸化炭素除去器への補正後空気供給流量を求め、この補正後空気供給流量となるように前記空気供給手段を制御する燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項１１】
燃料電池本体と、
前記燃料電池本体から出力される直流電流を計測する直流電流計と、
前記燃料電池本体への燃料を改質するためのバーナを有する改質器を含む改質系と、
前記改質系の改質器のバーナに空気を供給する空気供給手段と、
前記改質系の改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、
前記改質系の改質器の温度を測定する温度計とを具備する燃料電池発電システムの制御方法において、
前記温度計によって測定された改質器温度と前記改質器の設定温度との差分に基づいて燃料流量を補正するように前記燃料供給手段を制御し、
前記燃料電池本体への必要水素流量から得られる必要燃料流量を前記改質器の設定温度と前記温度計により測定された改質器の温度との差分に基づいて補正し、この補正された必要燃料流量から前記バーナへの補正後空気供給流量を求め、この補正後空気供給流量となるように前記空気供給手段を制御する燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項１２】
前記燃料供給手段が、直流電流の実値または設定値から熱・化学的に予測される燃料流量を燃料流量ベースとして供給し、
前記温度計によって測定された改質器温度が前記改質器の設定温度以上であるか否かを判断し、
前記温度計によって測定された改質器温度が前記改質器の設定温度以上であれば燃料流量を前記燃料流量ベースよりも減らし、設定温度未満であれば燃料流量を前記燃料流量ベースよりも増やすように前記燃料供給手段を制御することを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の燃料電池発電システムの制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−３０３５６（Ｐ２０１３−３０３５６Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６５６０９（Ｐ２０１１−１６５６０９）
【出願日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【出願人】（３０１０６０２９９）東芝燃料電池システム株式会社 (358)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【出願人】（３０１０６０２９９）東芝燃料電池システム株式会社 (358)
【Ｆターム（参考）】
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