JP2004007977A

JP2004007977A - 電力生成制御システム

Info

Publication number: JP2004007977A
Application number: JP2003131297A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Ueda; 上田　哲也; Osamu Ogawa; 小川　修; Jiro Suzuki; 鈴木　次郎
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-10-03
Filing date: 2003-05-09
Publication date: 2004-01-08

Abstract

【課題】安定して運転するとともに常に高い効率を維持し耐久寿命を長くする燃料電池発電装置を提供する。
【解決手段】燃料電池本体１と、燃料電池本体１から発生する直流電力を制御する出力制御装置４と、燃料電池本体１から発生した直流電力を交流電力に変換する電力変換装置５と、出力指令装置１０とを備え、出力指令装置１０は、負荷検知手段８によって検知された負荷電力の時間Ｔ１間の平均値を演算しこれを出力指令値とし、時間Ｔ２毎に出力指令値に相当する直流電力値を出力制御装置４に指令するように制御されている。前記生成される電力の前記要求される電力に対する過不足の調整は、系統電源および蓄電池を利用して行われ、蓄電池は、系統電源よりも優先的に前記利用されるとともに前記制御は、前記蓄電量とあらかじめ定められた目標蓄電量との差に応じて前記指令値を補正して行われる。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を電力生成手段とする電力生成制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、特開平７−５７７５３号公報に示された、従来例の燃料電池発電装置の構成図である。図５において、３１は燃料電池本体で、水素供給手段３２から供給される水素と空気供給手段３３から供給される空気中の酸素とを反応させ直流電力を発生させ、電力変換器３４によって交流電力に変換され出力される。外部負荷指令に基づき電力制御部３５は流量制御部３６と電力変換器３４を制御し、流量制御部３６は水素供給手段３２の供給水素流量と空気供給手段３３の供給空気流量が適正値になるように制御を行い、電力変換器３４は燃料電池本体３１から出る電力値の制御を行い、その結果電力出力を制御することができるものである。なお、燃料電池本体３１と電力変換器３４の間には電力検知器３７と演算部３８とからなる過電力防止手段３９が設けられ、急激な電力値の増加があった場合は電力値を抑制するように制御されている。
【０００３】
この燃料電池発電装置では、外部負荷指令が短時間に激しく変化した場合、電力制御部３５が短時間に電力出力を上昇または下降させる制御を行うこととなり、制御的遅れが原因で電力出力がハンチングしてしまう場合があり、燃料電池発電装置の運転が安定せず効率を悪化させたり耐久寿命の低下を招くといった問題点があった。
【０００４】
また、図６は、特開平６−３２５７７４号公報に示された、他の従来例の燃料電池発電装置の構成図である。図６において、４１は燃料電池本体で、水素供給手段４２から供給される水素と空気供給手段４３から供給される空気中の酸素とを反応させ直流電力を発生させ、電力変換器４４によって交流電力に変換され出力される。制御装置４５は充放電装置４６と電力変換器４４を制御し、燃料電池本体４１から出る電力値が一定であっても充放電装置４６からの放電または充放電装置４６への充電によって外部負荷に応じた電力出力を制御することができるものである。
【０００５】
この燃料電池発電装置では、大きく変化する外部負荷に応じて電力出力を制御する場合、燃料電池本体４１から出る電力値が一定のため、充放電装置４６の放電量または充電量がかなり大きなものとなり、そのために容量の大きな充放電装置４６が必要となりコストが高くなり装置の設置スペースが大きくなるといった問題点があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の有する問題点を解決することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の電力生成制御システムは、負荷から要求された電力の検知を行うための電力検知手段と、前記負荷に供給すべき電力の全部または一部の生成を行うための所定の電力生成手段を、前記検知された電力の第１の所定期間における平均値に基づいて第２の所定期間ごとに作成される指令値を利用して制御するための電力生成制御手段とを備え、前記第２の所定期間ごとに作成される指令値は、前記第２の所定期間の開始時刻を終了時刻とする第１の所定期間における平均値に基づき、
前記所定の電力生成手段は、燃料電池であり、前記生成される電力の前記要求される電力に対する過不足の調整は、系統電源および蓄電池を利用して行われ、前記蓄電池は、前記系統電源よりも優先的に前記利用されるとともに前記制御は、前記蓄電量とあらかじめ定められた目標蓄電量との差に応じて前記指令値を補正して行われる電力生成制御システムである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
【０００９】
（実施の形態１）
はじめに、本発明の実施の形態１の燃料電池発電装置のシステム構成図である図１を参照しながら、本実施の形態の燃料電池発電装置の構成について説明する。
【００１０】
１は燃料電池本体で、改質器・水素貯蔵合金・水素ボンベなどに代表される水素供給手段２と、送風ファン・送風ポンプなどに代表される空気供給手段３とが接続されている。４は出力制御装置で、一方を燃料電池本体１に、もう一方を電力変換装置５に電気的に接続されている。６は電力変換装置５に電気的に接続された出力線で、途中で分岐され、一方は系統電源接続線１２を介して系統電源７に、もう一方は負荷検知手段８と電力負荷９に電気的に接続されている。１０は出力制御装置４に出力指令を行う出力指令装置、１１は水素供給手段２と空気供給手段３を制御する流量制御装置である。
【００１１】
なお、出力制御手段４、出力指令装置１０、および流量制御装置１１を含む手段は本発明の電力生成制御手段に対応し、負荷検知手段８は、本発明の電力検知手段に対応する。また、本実施の形態の燃料電池発電装置は、本発明の電力生成制御システムを含む手段に対応する。
【００１２】
次に、本実施の形態の燃料電池発電装置の動作について説明する。なお、本実施の形態の燃料電池発電システムの動作について説明しながら、本発明の電力生成制御方法の一実施の形態につても説明する（以下同様である）。
【００１３】
水素供給手段２から供給される水素と空気供給手段３から供給される空気中の酸素は、燃料電池本体１の中で反応し直流電力を発生させる。発生した直流電力は出力制御装置４で電力値を制御された後に電力変換装置５に送られ、系統電源７と同じ電圧の交流電力に変換され、出力線６を通って電力負荷９に供給される。この時、電力変換装置５への入力電力がどのくらい電力変換装置５からの出力電力となるかを示した物が電力変換効率である。ここで電力負荷９の負荷電力に対し燃料電池本体１の出力電力に不足がある場合は系統電源７からも電力を供給し、逆に負荷電力に対し出力電力が過剰の場合は系統電源７へ電力を戻し、いわゆる系統連系運転を行うものである。
【００１４】
燃料電池発電装置で発電を行う目的の一つに発電効率の高さによる経済性が挙げられるが、負荷電力に対し出力電力に不足がある場合は系統電源７から電力を購入し、負荷電力に対し出力電力が過剰な場合は系統電源７へ購入電力より低価格で電力を戻すため、一般的に経済性が悪化する。そのため負荷電力に対する出力電力に過不足がないように、負荷電力の変化に忠実に出力電力を追従させることが望まれる。
【００１５】
この追従を行うための手段として、まず負荷検知手段８によって電力負荷９の負荷電力を検知し、これに基づいて出力指令装置１０が出力指令値を電力制御装置４に指令し、出力制御装置４は燃料電池本体１から発生する直流電力を要求値に制御するとともに、直流電力値に応じて流量制御装置１１が水素供給手段２から供給される水素流量と空気供給手段３から供給される空気流量とを適正値に制御するものである。ここで出力電力の制御は出力制御装置４の直流電力制御のみでも行うことができるが、例えば燃料電池本体１から発生する直流電力を少なくした時でも燃料電池本体１へ供給される水素流量が一定であった場合は、燃料電池本体１内で反応される水素の比率（水素利用率）が低下し多くの水素を捨ててしまうこととなり、効率が著しく悪化する。そこで流量制御装置１１が水素流量と空気流量を適正値に制御することによって、効率を常に最適に維持するものである。
【００１６】
この一連の追従制御において、負荷電力は短時間に激しく変化する場合があり、負荷電力をそのまま出力指令とした場合は短時間に直流電力を上昇または下降させる制御を行うこととなり、制御的遅れからハンチングをおこし燃料電池発電装置の運転が安定しなくなる場合があるという問題点があった。また、例えば水素供給手段２として炭化水素燃料から触媒反応により水素を生成させる改質器を用いた場合は、出力指令値の瞬時変化に触媒反応が対応できず、そのために効率を悪化させたり耐久寿命の低下を招くといった問題点があった。
【００１７】
そこで、本実施の形態では、本発明の実施の形態１の燃料電池発電装置の制御動作の説明図である図３に示されるように、出力指令装置１０が負荷電力の時間Ｔ１間（第１の所定期間）の平均値を、電力変換効率などを加味して演算して出力指令値とし、この出力指令値を電力制御装置４で時間Ｔ２（第２の所定期間）毎に設定する直流電力値とするもので、負荷電力の時間Ｔ１間の平均値を出力指令値に用いることにより瞬時変化を無視した適正な出力指令を行うことができ、また時間Ｔ２毎に出力指令を行うことによって装置の応答性能に適合した運転を行うことができるものである（時間Ｔ２（第２の所定期間）ごとに作成される指令値は、その第２の所定期間の開始時刻を終了時刻とする時間Ｔ１間（第１の所定期間）における平均値に基づいているわけである）。
【００１８】
一例として、出力１．５ｋＷ級の固体高分子型燃料電池発電装置をある家庭で運転した時の制御最適値を求めたところ、Ｔ１：Ｔ２＝略３：１であるＴ１＝３分、Ｔ２＝１分という結果が出た。すなわちこの例においては、３分間の平均負荷電力に基づいた出力指令値を１分毎に装置に指令する運転制御が最適である、という結果が得られた。
【００１９】
このように本実施の形態においては、負荷電力の時間Ｔ１間の平均値を出力指令値に用いることにより瞬時変化を無視した適正な出力指令を行うことができ、また時間Ｔ２毎に出力指令を行うことによって装置の応答性能に適合した運転を行うことができるもので、燃料電池発電装置を安定して運転するとともに常に高い効率を維持し耐久寿命を長くするという効果を奏するものである。
【００２０】
（実施の形態２）
図２は、本発明の異なる実施の形態である燃料電池発電装置のシステム構成図である。なお、前述の実施の形態１と同様の物には、同一符号を付与し、その説明を省略する。２１は、出力制御装置４と電力変換装置５とを結ぶ接続線２２から分岐し蓄電量制御装置２３を介して接続されている蓄電手段である。２４は蓄電手段２１に接続された蓄電量検知手段である。蓄電手段２１を設けた目的は、（実施の形態１）の系統連系運転において、負荷電力に対する出力電力の過不足による系統電源７との間の電力の授受により生ずる経済性の低下に対して、蓄電手段２１の充放電を利用し系統電源７からの電力供給量および系統電源７への電力戻り量を極力少なくし、さらに経済性を良化させるものである（蓄電手段２１（蓄電池）は、系統電源７よりも優先的に利用されるわけである）。
【００２１】
次に、本実施の形態の燃料電池発電装置の動作について説明する。
【００２２】
本発明の実施の形態２の燃料電池発電装置の制御動作の説明図である図４に示されているように、出力指令装置１０は、負荷検知手段８によって検知された負荷電力の時間Ｔ１間の平均電力Ｗ１を演算し、これに蓄電量検知手段２４によって検知された現在の蓄電量Ｑ１と目標蓄電量Ｑ２との差である蓄電不足量Ｑ３（＝Ｑ２−Ｑ１）を時間Ｔ２で割った電力Ｗ２（＝Ｑ３／Ｔ２）を加算しＷ３（＝Ｗ１＋Ｗ２）とし、このＷ３に電力変換効率を加味し出力指令値とし、前記時間Ｔ２毎に出力指令値に相当する燃料電池本体１の直流電力値電力制御装置４に指令し、この出力指令値を出力制御装置４で時間Ｔ２毎に設定する直流電力値とするものであり、さらに蓄電不足量Ｑ３を蓄電量制御装置２３によって蓄電手段２１に蓄電するよう制御するものである（蓄電量とあらかじめ定められた目標蓄電量との差に応じて、指令値を補正するわけである）。
【００２３】
これら一連の運転制御は、（実施の形態１）における追従制御に蓄電量制御を加えたものであり、平均電力Ｗ１をそのまま出力指令値とした場合は蓄電量の制御がなされておらず、目標蓄電量Ｑ２と現在の蓄電量Ｑ１との差が徐々に累積される可能性がある。例えば充電量に比べ放電量が多く徐々に蓄電量が減少する場合は、蓄電量がゼロにならないようにするために、予め容量の大きな蓄電手段２１が必要となりコストが高くなり装置の設置スペースが大きくなるといった問題点があった。そこで本実施の形態では、出力指令値を指令する間隔時間であるＴ２間に蓄電不足量Ｑ３（＝Ｑ２−Ｑ１）を補う電力Ｗ２（＝Ｑ３／Ｔ２）を加算したＷ３（＝Ｗ１＋Ｗ２）に電力変換効率を加味して出力指令値とすることにより、常に蓄電量を目標蓄電量Ｑ２に収束するように制御し、蓄電手段２１の必要容量を最小限にすることができるものである。
【００２４】
なお、上述した本実施の形態１〜２において、平均電力を演算するために利用される所定期間Ｔ１と、出力制御手段に指令値を与えるために利用される所定期間Ｔ２とは、Ｔ１≧Ｔ２なる関係を満たしてもよい（Ｔ１は、１秒以上１時間以下程度の期間であってもよい）。
【００２５】
なお、本発明は、上述した本発明の電力生成制御システムの全部または一部の手段（または、装置、素子、回路、部など）の機能をコンピュータにより実行させるためのプログラムであって、コンピュータと協働して動作するプログラムである。もちろん、上述のコンピュータは、ＣＰＵなどの純然たるハードウェアに限らず、フォームウェアやＯＳ、さらに周辺機器を含むものであっても良い。
【００２６】
また、本発明は、上述した本発明の電力生成制御方法の全部または一部のステップ（または、工程、動作、作用など）の動作をコンピュータにより実行させるためのプログラムであって、コンピュータと協働して動作するプログラムである。
【００２７】
なお、本発明の一部の手段（または、装置、素子、回路、部など）、本発明の一部のステップ（または、工程、動作、作用など）は、それらの複数の手段またはステップの内の幾つかの手段またはステップを意味する、あるいは一つの手段またはステップの内の一部の機能または一部の動作を意味するものである。
【００２８】
また、本発明のプログラムを記録した、コンピュータに読みとり可能な記録媒体も本発明に含まれる。また、本発明のプログラムの一利用形態は、コンピュータと協働して動作する態様であっても良い。また、本発明のプログラムの一利用形態は、伝送媒体中を伝送し、コンピュータにより読みとられ、コンピュータと協働して動作する態様であっても良い。また、記録媒体としては、ＲＯＭ等が含まれ、伝送媒体としては、インターネット等の伝送媒体、光・電波・音波等が含まれる。
【００２９】
なお、本発明の構成は、ソフトウェア的に実現してもよいし、ハードウェア的に実現してもよい。
【００３０】
【発明の効果】
本発明は、燃料電池発電装置を安定して運転するとともに常に高い効率を維持し耐久寿命を長くするという効果を奏するものである。
【００３１】
また、常に蓄電量を目標蓄電量Ｑ２に収束するように制御することによって蓄電手段の必要容量を最小限にすることができ、コストを安くするとともに装置をコンパクトにするという効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態である燃料電池発電装置のシステム構成図
【図２】本発明の異なる実施の形態である燃料電池発電装置のシステム構成図
【図３】本発明の実施の形態１の燃料電池発電装置の制御動作の説明図
【図４】本発明の実施の形態２の燃料電池発電装置の制御動作の説明図
【図５】従来例の燃料電池発電装置のシステム構成図
【図６】他の従来例の燃料電池発電装置のシステム構成図
【符号の説明】
１　燃料電池本体
２　水素供給手段
３　空気供給手段
４　出力制御手段
５　電力変換装置
６　出力線
７　系統電源
８　負荷検知手段
９　電力負荷
１０　出力指令装置
１１　流量制御装置
１２　系統電源接続線
２１　蓄電手段
２２　接続線
２３　蓄電量制御装置
２４　蓄電量検知手段

Claims

負荷から要求された電力の検知を行うための電力検知手段と、前記負荷に供給すべき電力の全部または一部の生成を行うための所定の電力生成手段を、前記検知された電力の第１の所定期間における平均値に基づいて第２の所定期間ごとに作成される指令値を利用して制御するための電力生成制御手段とを備え、前記第２の所定期間ごとに作成される指令値は、前記第２の所定期間の開始時刻を終了時刻とする第１の所定期間における平均値に基づき、
前記所定の電力生成手段は、燃料電池であり、前記生成される電力の前記要求される電力に対する過不足の調整は、系統電源および蓄電池を利用して行われ、前記蓄電池は、前記系統電源よりも優先的に前記利用されるとともに前記制御は、前記蓄電量とあらかじめ定められた目標蓄電量との差に応じて前記指令値を補正して行われる電力生成制御システム。