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JPH08315841A - 燃料電池発電装置の出力制御装置 - Google Patents

燃料電池発電装置の出力制御装置

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JPH08315841A
JPH08315841A JP7122069A JP12206995A JPH08315841A JP H08315841 A JPH08315841 A JP H08315841A JP 7122069 A JP7122069 A JP 7122069A JP 12206995 A JP12206995 A JP 12206995A JP H08315841 A JPH08315841 A JP H08315841A
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鉄也 長井
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正 小松
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滋 若槻
Hiroshi Mogi
浩 茂木
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Fuji Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】燃料ガス不足に起因する燃料電池の特性劣化を
防止できる出力制御装置を備えた燃料電池発電装置を提
供する。 【構成】燃料改質装置１，燃料電池２，および逆変換装
置３を有する燃料電池発電装置に設けられ、逆変換装置
の出力電力をその出力設定値ｐs に近づけるよう一定制
御する出力制御調節器５，電流指令演算部６，および逆
変換器の制御部７を有する出力制御装置において、燃料
電池への燃料ガス流量の検出値から燃料電池の最大可能
出力値ｐmax を求める可能出力演算部１１と、得られた
最大可能出力値と出力設定値の内いずれか低い方を選択
して出力するローレベルセレクタ１２と、このローレベ
ルセレクタの出力値に燃料電池の出力電流検出値ｉfcを
近づけるよう出力設定値を補正する信号ｐscを出力制御
調節器５に向けて出力する出力補正調節部１３とからな
る出力補正手段１０を備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、燃料電池の直流出力
を逆変換器により交流出力に変換して電力系統に供給す
る燃料電池発電装置の出力制御装置、ことに燃料電池の
過負荷防止機能を備えた出力制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、新エネルギー分散型電源設備とし
て燃料電池発電装置が本格的に導入されるにあたり、燃
料電池発電装置の安定した電力供給性能と、プラントと
しての高い運転効率が望まれる。そこで、電力系統と連
系運転される燃料電池発電装置は燃料電池の直流出力を
逆変換器（例えばインバータ）の出力一定制御により交
流電力に変換して電力系統に供給する制御方式が用いら
れる。
【０００３】図４は燃料電池発電装置の従来の出力制御
装置を簡略化して示す装置の構成図である。図におい
て、天然ガスなどの原燃料を水蒸気改質する燃料改質装
置１で生成した燃料ガス１Ｆと反応空気とを受けて発電
する燃料電池２の直流出力ＩFCは、逆変換器３により交
流電流ＩOUT ，交流電力Ｐout に変換され、図示しない
電力系統に供給される。また、出力制御装置は逆変換器
３の出力電力ＰOUT を電力計８で検出し、その検出値ｐ
out を出力設定器４の出力設定値ｐs に近づけるよう制
御する出力制御調節器５と、この出力制御調節器５の出
力信号に基づいて電流指令値ｉs を更新する電流指令演
算部６と、逆変換器３の出力交流電流値Ｉ OUT を電流指
令値ｉs に近づけるよう制御する逆変換器の制御部７、
例えば遅れ補償用のＡＣＲマイナーループ，およびＰＷ
Ｍ制御回路を有する制御部７とを備え、出力設定値ｐs
を基準とする逆変換器３の出力一定制御が行われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】図５は燃料電池の一般
的な出力電圧−電流特性線図である。図において、燃料
電池の出力電圧−電流特性は、十分な量の燃料ガスおよ
び反応空気が供給されている状態においても、曲線１０
１に示すように出力電流の増加とともに出力電圧が低下
する垂下特性を示すことが知られている。また、図４に
おいて出力設定値ｐs の急増が有った場合、これに対応
して逆変換器３は即座に出力電力ＰOUT の増加を燃料電
池２に要求するが、化学反応および物質移動を伴う燃料
改質装置１からの燃料ガス１Ｆの増加が遅いために、燃
料電池２は過渡的に燃料ガスが不足した状態で発電を行
うことになり、出力電圧−電流特性が曲線１０２に示す
ように顕著な垂下特性を示すことが知られている。さら
に、燃料改質装置１に不具合が発生して燃料ガス１Ｆの
供給量が一時的に減少した場合にも上記と同様に垂下特
性が顕著になる。
【０００５】燃料電池発電装置の出力電力ＰOUT は一般
に、逆変換器の効率を無視すれば、出力電力＝電池電圧
×電池電流で表される。例えば、曲線１０１のＡ点（Ｐ
OUT＝ＶA ×ＩA ）で燃料電池が正常運転している状態
で燃料ガスの不足状態が発生すると、図４のように逆変
換器３が出力一定制御されている従来の燃料電池発電装
置では、出力電力ＰOUT を一定に保つために電圧ＶA が
ＶB に下がった分、電流をＩB に増加させ、曲線１０２
のＢ点で出力電力ＰOUT を一定に保とうとする。即ち、
両曲線のＡ点とＢ点を結ぶ曲線１０３がガス不足を考慮
した出力電力一定の動作曲線となる。したがって、ガス
不足の程度が著しい程，燃料電池の発電電流密度が大き
くなるため、この状態で燃料電池を運転した場合には、
電極触媒粒子が粗大化するなどの劣化現象が発生し、燃
料電池の寿命特性の低下を招くという問題が発生する。
【０００６】このような問題点を回避するために、出力
設定値の増加を検知して直ちに燃料ガスの増加を燃料改
質装置に指令すると同時に、電流指令演算部が逆変換装
置の制御部に向けて出力する電流増加指令を一定時間遅
らせ、ガス不足の発生を抑制した燃料電池発電装置の負
荷制御装置が、本願と同一出願人等によって提案されて
いる（特願平６−９９３９７号）。
【０００７】しかしながら、上述の方式では電流増加指
令の遅延時間が一定であるため、これを越える時間のガ
ス不足、ことに燃料改質装置に不具合が生じた場合の燃
料ガス不足には対応できないという問題がある。この発
明の目的は、燃料ガス不足に起因する燃料電池の特性劣
化を防止できる出力制御装置を備えた燃料電池発電装置
を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】前述の目的を達成するた
めに、請求項１記載の発明は、燃料改質装置から燃料ガ
スの供給を受けて発電する燃料電池の直流出力を逆変換
器により交流出力に変換して電力系統に供給する燃料電
池発電装置に設けられ、前記逆変換器の出力電力をその
出力設定値に近づけるよう制御する出力制御調節器と、
この出力制御調節器の出力信号に基づいて電流指令値を
更新する電流指令演算部と、前記逆変換器の出力電流を
前記電流指令値に近づけるよう一定制御する前記逆変換
器の制御部とを有する出力制御装置において、前記燃料
電池への燃料ガスの供給状態または消費状態に基づき、
前記燃料電池の出力電流をその最大可能出力値に保持す
るよう前記出力設定値を補正する出力補正手段を備え
る。
【０００９】ここで、請求項２記載の発明は、出力補正
手段が、燃料電池への燃料ガス流量の検出値から燃料電
池の最大可能出力値を求める可能出力演算部と、得られ
た最大可能出力値と出力設定値の内いずれか低い方を選
択して出力するローレベルセレクタと、このローレベル
セレクタの出力値に前記燃料電池の出力電流検出値を近
づけるよう前記出力設定値を補正する信号を出力制御調
節器に向けて出力する出力補正調節部とを備えるよう構
成すると良い。
【００１０】また、請求項３記載の発明は、出力補正手
段が、燃料電池の燃料排ガス流量の検出値に基づいて燃
料電池の最大可能出力値を求める可能出力演算部をロー
レベルセレクタの前段に備えるよう構成すると良い。さ
らに、請求項４記載の発明は、出力補正手段が、燃料ガ
ス流量および燃料排ガス流量を燃料電池の前後で検出し
て燃料利用率を求める燃料利用率演算部と、得られた燃
料利用率から燃料電池の最大可能出力値を求める可能出
力演算部とをローレベルセレクタの前段に備えるよう構
成すると良い。
【００１１】
【作用】請求項１記載の発明では、逆変換器の出力電力
をその出力設定値に近づけるよう制御する出力制御調節
器の前段に出力補正手段を設け、出力設定値を燃料電池
への燃料ガスの供給状態または消費状態に基づいて補正
し、燃料電池の出力電流を燃料ガスの供給流量または消
費量に相応した最大可能出力値の範囲内に抑制するよう
にした。したがって、燃料電池発電装置が出力設定値に
基づいて運転中、何らかの原因で燃料ガス不足が発生す
ると、出力補正手段がこれを検知して燃料電池出力を最
大可能出力値の範囲内に抑制する補正した出力設定値を
出力するので、これを受けた出力制御調節器が逆変換器
の交流出力を補正した出力設定値に抑制する制御を行う
ことになり、かつこの制御状態が燃料ガス不足が解消さ
れるまで持続するので、燃料電池は燃料ガス不足に陥る
ことなく最大可能出力値の範囲内で安定した発電運転が
可能になる。
【００１２】ここで、請求項２に記載の発明では、出力
補正手段を、可能出力演算部が燃料電池への燃料ガス流
量の検出値から燃料電池の最大可能出力値を求め、得ら
れた最大可能出力値と出力設定値の内いずれか低い方を
ローレベルセレクタ選択して出力し、この出力値に燃料
電池の出力電流検出値を近づけるよう出力補正調節部が
出力設定値を補正する信号を出力制御調節器に向けて出
力するので、燃料電池への供給燃料ガス流量に相応した
燃料電池発電装置の出力一定制御が可能になる。したが
って、燃料改質装置からの燃料ガス供給量が正常な状態
に回復するまで、燃料電池は燃料ガス不足に陥ることな
く最大可能出力値の範囲内で安定した発電運転が可能に
なる。
【００１３】また、請求項３に記載の発明では、出力補
正手段が、燃料電池の燃料排ガス流量の検出値に基づい
て燃料電池の最大可能出力値を求める可能出力演算部を
ローレベルセレクタの前段に備えるよう構成したので、
燃料排ガス流量に基づいて出力補正手段が燃料電池発電
装置の出力一定制御を行うことになり、燃料改質装置か
らの燃料ガス供給量が正常な状態に回復するまで、燃料
電池は燃料ガス不足に陥ることなく最大可能出力値の範
囲内で安定した発電運転が可能になる。
【００１４】さらに、請求項４に記載の発明では、出力
補正手段が、燃料ガス流量および燃料排ガス流量を燃料
電池の前後で検出して燃料利用率を求める燃料利用率演
算部と、得られた燃料利用率から燃料電池の最大可能出
力値を求める可能出力演算部とをローレベルセレクタの
前段に備えるよう構成したので、出力補正手段が燃料電
池の燃料利用率に基づいて燃料電池発電装置の出力一定
制御を行うことになり、燃料改質装置からの燃料ガス供
給量が正常な状態に回復するまで、燃料電池は燃料ガス
不足に陥ることなく最大可能出力値の範囲内で安定した
発電運転が可能になる。
【００１５】
【実施例】以下この発明を実施例に基づいて説明する。
なお、従来例と同じ参照符号を付けた部材は従来例のそ
れと同じ機能をもつので、その説明を省略する。図１は
この発明の燃料電池発電装置の出力制御装置の一実施例
を示す装置の構成図である。図において、出力補正手段
１０は、燃料電池２への燃料ガス流量を流量検出器１４
で検出し、可能出力演算部１１が検出値１f から燃料電
池２が燃料ガス不足を生ずることなく出力できる最大可
能出力値ｐmax を求め、得られた最大可能出力値ｐmax
と出力設定器４に設定された出力設定値ｐs の内いずれ
か低い方をローレベルセレクタ１２が選択し、出力補正
調節部１３が選択された信号１２S と電流検出器１５で
検出した燃料電池電流の検出値Ｉfcとを照合し、両者の
差を縮小する補正された出力設定値ｐscを出力制御調節
器５に向けて出力するよう構成される。
【００１６】出力制御調節器５，電流指令演算器６，お
よび逆変換器制御部７の構成は従来の出力制御装置の構
成と同じであり、逆変換器３の出力電力ＰOUT を電力計
８で検出し、その検出値ｐout を補正された出力設定値
ｐscに近づけるよう出力制御調節器５が制御する、この
出力制御調節器５の出力信号に基づいて電流指令演算部
６が電流指令値ｉs を更新する。逆変換器３の制御部７
は逆変換器３の出力交流電流値ＩOUT を電流検出器９で
検出し、その検出値Ｉfcを更新された電流指令値ｉscに
近づけるよう逆変換器３を制御する。
【００１７】この実施例において、出力制御装置が出力
設定値ｐs に基づいて逆変換器３を制御中、燃料改質装
置１からの燃料ガス１Ｆの流量が何らかの原因で減少し
たと仮定する。このとき、燃料流量の減少は流量検出器
１４で直ちに検知され、その検出値１f に対応した最大
可能出力値ｐmax が可能出力演算部１１から出力され、
ローレベルセレクタ１２は出力設定値ｐs より低い最大
可能出力値ｐmax を選択する。この最大可能出力値ｐ
max を受けた出力補正調節部１３は燃料電池２の出力電
流ＩFCを燃料ガス不足を生ずることなく出力できる電流
値に抑制するよう、補正された出力設定値ｐscを出力制
御調節器５に向けて出力する。その結果、逆変換器３の
出力は、出力制御調節器５，電流指令演算器６，および
逆変換器制御部７からなる制御部により補正された出力
設定値ｐscに基づいて一定制御されることになり、燃料
改質装置１からの燃料ガス供給量が正常な状態に回復す
るまで、燃料電池２は燃料ガス不足に陥ることなく最大
可能出力値ｐmax の範囲内で安定した発電運転が行わ
れ、燃料ガス不足に起因して燃料電池に発生する特性劣
化の防止が可能になる。なお、出力設定値ｐs が出力の
急増を指令した場合についても同様である。
【００１８】図２はこの発明の燃料電池発電装置の出力
制御装置の異なる実施例を示す装置の構成図である。こ
の実施例が図１に示す実施例と異なるところは、燃料電
池２で使い残された燃料排ガス流量２Ｆを流量検出器２
４で検出し、その検出値２ｆに基づいて可能出力演算部
２１が燃料電池の最大可能出力値ｐmax を求めるよう構
成された点にある。この場合、出力補正手段１０が燃料
排ガス流量２Ｆの減少を検知し、補正した出力設定信号
１２S を出力して逆変換装置の出力一定制御を行うこと
になり、燃料改質装置からの燃料ガス供給量が正常な状
態に回復するまで、燃料電池は燃料ガス不足に陥ること
なく最大可能出力値の範囲内で安定した発電運転を持続
することが可能になり、燃料ガス不足に起因する特性劣
化が回避される。
【００１９】図３はこの発明の燃料電池発電装置の出力
制御装置のさらに異なる実施例を示す装置の構成図であ
る。この実施例が図１に示す実施例と異なるところは、
出力補正手段が、燃料電池２に供給する燃料ガスの流量
および燃料排ガスの流量を流量検出器１４および２４で
それぞれ検出し、得られた検出値１ｆおよび２ｆから燃
料利用率演算部３２が燃料電池燃料利用率を求め、得ら
れた燃料利用率から可能出力演算部３１が燃料電池の最
大可能出力値を求め、求めた最大可能出力値ｐ max をロ
ーレベルセレクタ１２に供給するよう構成した点にあ
る。このように、出力補正手段が燃料電池の燃料利用率
に基づいて出力設定値を補正し、補正された出力設定値
ｐscに基づいて逆変換器の出力一定制御が行われること
により、燃料改質装置からの燃料ガス供給量および燃料
利用率が正常な状態に回復するまで、燃料電池はその出
力を最大可能出力値の範囲内に抑制し、燃料ガス不足に
陥ることなく，かつ特性劣化を招くことなく安定した発
電運転を持続することが可能になる。
【００２０】
【発明の効果】この発明の燃料電池発電装置の出力制御
装置は前述のように、逆変換器の出力電力をその出力設
定値に近づけるよう一定制御する出力制御装置の、出力
制御調節器の前段に出力補正手段を設け、出力設定値を
燃料電池への燃料ガスの供給量，燃料排ガス流量，ある
いは燃料利用率に基づいて補正するよう構成した。その
結果、燃料電池の出力電流を燃料ガスの供給流量やその
消費状態に相応した最大可能出力値の範囲内に抑制する
ことが可能となり、燃料電池発電装置が出力設定値に基
づいて運転中何らかの原因で燃料ガス不足が発生して
も、燃料電池は燃料ガス不足を生ずることなく最大可能
出力値の範囲内に抑制した電流を安定して出力するの
で、従来技術で問題になった燃料ガス不足状態に起因す
る燃料電池の特性劣化が回避され、したがって、燃料電
池の寿命特性の低下を回避できる出力制御装置を備えた
燃料電池発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の燃料電池発電装置の出力制御装置の
一実施例を示す装置の構成図
【図２】この発明の燃料電池発電装置の出力制御装置の
異なる実施例を示す装置の構成図
【図３】この発明の燃料電池発電装置の出力制御装置の
さらに異なる実施例を示す装置の構成図
【図４】燃料電池発電装置の従来の出力制御装置を簡略
化して示す回路構成図
【図５】燃料電池の一般的な出力電圧−電流特性線図
【符号の説明】
１ 燃料改質装置 １Ｆ 燃料ガス ２ 燃料電池 ２Ｆ 燃料排ガス ３ 逆変換器 ４ 出力設定器 ５ 出力制御調節器 ６ 電流指令演算器 ７ 逆変換器制御部 ８ 出力電力検出器 ９ 出力電流検出器 １０ 出力補正手段 １１ 可能出力演算部 １２ ローレベルセレクタ １３ 出力補正調節部 １４ 燃料ガス流量検出器 １５ 燃料電池電流検出器 ２１ 可能出力演算部 ２４ 燃料排ガス検出器 ３１ 可能出力演算部 ３２ 燃料利用率演算部 ｐmax 最大可能出力 ｐs 出力設定値 ｐsc 補正された出力設定値
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 若槻 滋 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 茂木 浩 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】燃料改質装置から燃料ガスの供給を受けて
    発電する燃料電池の直流出力を逆変換器により交流出力
    に変換して電力系統に供給する燃料電池発電装置に設け
    られ、前記逆変換器の出力電力をその出力設定値に近づ
    けるよう制御する出力制御調節器と、この出力制御調節
    器の出力信号に基づいて電流指令値を更新する電流指令
    演算部と、前記逆変換器の出力電流を前記電流指令値に
    近づけるよう制御する前記逆変換器の制御部とを有する
    出力制御装置において、前記燃料電池への燃料ガスの供
    給状態または消費状態に基づき、前記燃料電池の出力電
    流をその最大可能出力値に保持するよう前記出力設定値
    を補正する出力補正手段を備えたことを特徴とする燃料
    電池発電装置の出力制御装置。
  2. 【請求項２】請求項１記載の燃料電池発電装置の出力制
    御装置において、出力補正手段が、燃料電池への燃料ガ
    ス流量の検出値から燃料電池の最大可能出力値を求める
    可能出力演算部と、得られた最大可能出力値と出力設定
    値の内いずれか低い方を選択して出力するローレベルセ
    レクタと、このローレベルセレクタの出力値に前記燃料
    電池の出力電流検出値を近づけるよう前記出力設定値を
    補正する信号を出力制御調節器に向けて出力する出力補
    正調節部とを備えたことを特徴とする燃料電池発電装置
    の出力制御装置。
  3. 【請求項３】請求項１または請求項２記載の燃料電池発
    電装置の出力制御装置において、出力補正手段が、燃料
    電池の燃料排ガス流量の検出値に基づいて燃料電池の最
    大可能出力値を求める可能出力演算部をローレベルセレ
    クタの前段に備えたことを特徴とする燃料電池発電装置
    の出力制御装置。
  4. 【請求項４】請求項１または請求項２記載の燃料電池発
    電装置の出力制御装置において、出力補正手段が、燃料
    ガス流量および燃料排ガス流量を燃料電池の前後で検出
    して燃料利用率を求める燃料利用率演算部と、得られた
    燃料利用率から燃料電池の最大可能出力値を求める可能
    出力演算部とをローレベルセレクタの前段に備えたこと
    を特徴とする燃料電池発電装置の出力制御装置。
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