JP2004063368A

JP2004063368A - Fuel cell power generation system

Info

Publication number: JP2004063368A
Application number: JP2002222550A
Authority: JP
Inventors: Nobuki Matsui; 松井　伸樹; Masanori Kawazoe; 川添　政宣; Kazuo Yonemoto; 米本　和生
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2004-02-26

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent problems in controlling, caused by the delay of the change of a flow rate, when the output power is adjusted corresponding to the variation of the use of electric power in a fuel cell power generation system. <P>SOLUTION: The control is performed to increase the output power after the supply of the fuel and air is increased, in increasing the use of electric power, and to reduce the supply after the output power is changed to a use value, in decreasing the use of electric power. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電システムに関し、特に、該発電システムにおける運転制御技術に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、燃料電池は、反応に使用する電解質の種類によって、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体高分子型、固体電解質型の４種類が主なものとして知られている。このうち、固体電解質型燃料電池は、ジルコニア系セラミックスを電解質とする燃料電池で、水素とともに一酸化炭素も燃料として利用できるため、別置きの改質器が不要なシステムの実用化に向けて開発が進められている。
【０００３】
上記燃料電池は、燃料極、空気極、及び電解質から構成されている。そして、上記発電システムにおいて、都市ガス等の燃料は、燃料極上で水蒸気と反応して水素と一酸化炭素に改質される一方、空気極に導入された空気中の酸素が、電解質との界面で解離して酸素イオンになる。この酸素イオンは、電解質中を拡散して燃料極へ移動し、改質反応によって生成された水素及び一酸化炭素と電気化学的に反応する。これにより水及び二酸化炭素が生成され、この反応の際に放出された電子のエネルギーによって発電が行われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記固体電解質型燃料電池を用いた発電システムは、例えば特開平１０−１４４３３０号公報に記載されている。このシステムでは、燃料電池への燃料供給管と空気供給管とにそれぞれ流量調整機構を設け、燃料ガス及び空気の流量調整を行えるようにしている。こうすることにより、出力電力を調整することが可能となる。
【０００５】
しかし、このように構成した場合、例えば需要電力の増加に合わせて発電量の目標値を変更する際に、燃料ガスと空気の流量を増やす制御をしてもこれら供給量がすぐには必要な発電量に追いつかず、その間は該供給量に対して過大な電力を生成することによって燃料極の触媒を酸化させて該電極の劣化を招くおそれがあった。また、逆に需要電力の低下に合わせて発電量の目標値を落とす際に、燃料ガスと空気の流量を減らす制御をしても実際の供給量がすぐには減少しないため、制御に対する電力生成量の追随が遅いという問題があった。このように、需要電力の増減があったときに単に流量を増減するだけでは、実際の流量変化に遅れがあることから制御上の不具合が生じていた。
【０００６】
本発明は、このような問題点に鑑みて創案されたものであり、その目的とするところは、燃料電池発電システムにおいて、需要電力の変動に合わせて出力電力を調節する際の、燃料等の流量変化の遅れによる制御上の不具合を防止することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、需要電力の増加時には、燃料と空気の供給量を増やしてから出力電力を増大させ、需要電力の減少時には、出力電力を需要電力に合わせて少なくした後に上記供給量を減らすようにしたものである。
【０００８】
具体的に、本発明は、燃料ガスと空気とから発電を行う燃料電池（１０）と、燃料電池（１０）に燃料ガスを供給する燃料供給管（２１）と、燃料電池（１０）に空気を供給する空気供給管（３１）と、燃料電池（１０）への燃料ガスの供給量を調節する燃料供給量調節手段（２２）と、燃料電池（１０）への空気の供給量を調節する空気供給量調節手段（３２）と、運転動作を制御する運転制御手段（５０）とを備えた燃料電池発電システムを前提としている。
【０００９】
そして、請求項１に記載の発明は、燃料電池（１０）の出力電力を調節する電力調節手段（１３）を備え、運転制御手段（５０）が、需要電力の増大したときに、燃料電池（１０）への燃料ガス及び空気の供給量を該需要電力に対応する所定値に変更するように上記両供給量調節手段（２２，３２）　を制御するとともに、該供給量の変更完了後に電力調節手段（１３）を介して出力電力を需要電力に対応して変更することを特徴としている。
【００１０】
この請求項１に記載の発明では、燃料電池（１０）による発電中に需要電力が増大すると、まず、運転制御手段（５０）により、燃料電池（１０）への燃料ガス及び空気の供給量が需要電力に対応する所定値になるように両供給量調節手段（２２，３２）　が制御される。そして、実際に燃料ガス及び空気の供給量がその所定値に達してから、電力調節手段（１３）を介して出力電力が需要電力に対応して変更される。つまり、需要電力が増大したときには、燃料ガス及び空気の供給量が実際に増えるのを待ってから出力電力を増やす操作が行われる。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明は、燃料電池（１０）の出力電力を調節する電力調節手段（１３）を備え、運転制御手段（５０）が、需要電力の減少したときに、電力調節手段（１３）を介して出力電力を需要電力に対応して変更した後に、燃料電池（１０）への燃料ガス及び空気の供給量を該需要電力に対応する所定値に変更するように上記両供給量調節手段（２２，３２）　を制御することを特徴としている。
【００１２】
この請求項２に記載の発明では、燃料電池（１０）による発電中に需要電力が減少すると、まず、運転制御手段（５０）により、出力電力を需要電力に合わせて低下させる操作が行われる。そして、このように出力電力を落とした後に、燃料電池（１０）への燃料ガス及び空気の供給量が需要電力に対応する所定値になるように両供給量調節手段（２２，３２）　が制御される。つまり、需要電力が低減したときには、出力電力を下げてから燃料ガス及び空気の供給量を少なくする操作が行われる。
【００１３】
さらに、請求項３に記載の発明は、請求項１，２の発明の特徴を兼ね備えたものである。つまり、この請求項３の発明は、燃料電池（１０）の出力電力を調節する電力調節手段（１３）を備え、運転制御手段（５０）が、需要電力の増大したときには、燃料電池（１０）への燃料ガス及び空気の供給量を該需要電力に対応する所定値に変更するように上記両供給量調節手段（２２，３２）　を制御するとともに、該供給量の変更完了後に電力調節手段（１３）を介して出力電力を需要電力に対応して変更する一方、需要電力が減少したときには、電力調節手段（１３）を介して出力電力を需要電力に対応して変更した後に、燃料電池（１０）への燃料ガス及び空気の供給量を該需要電力に対応する所定値に変更するように上記両供給量調節手段（２２，３２）　を制御することを特徴としている。
【００１４】
この請求項３に記載の発明では、燃料電池（１０）による発電中に需要電力が増大すると、まず、運転制御手段（５０）により、燃料電池（１０）への燃料ガス及び空気の供給量が需要電力に対応する所定値になるように両供給量調節手段（２２，３２）　が制御される。そして、実際に燃料ガス及び空気の供給量がその所定値に達してから、出力電力が需要電力に対応して変更される。つまり、需要電力が増大したときには、燃料ガス及び空気の供給量が実際に増えるのを待ってから出力電力を増やす操作が行われる。
【００１５】
一方、燃料電池（１０）による発電中に需要電力が減少すると、まず、運転制御手段（５０）により、出力電力を需要電力に合わせて低下させる操作が行われる。そして、このように出力電力を落とした後に、燃料電池（１０）への燃料ガス及び空気の供給量が需要電力に対応する所定値になるように両供給量調節手段（２２，３２）　が制御される。つまり、需要電力が低減したときには、出力電力を下げてから燃料ガス及び空気の供給量を少なくする操作が行われる。
【００１６】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか１に記載の燃料電池発電システムにおいて、燃料供給管（２１）に燃料側送風機（２２）が設けられるとともに、空気供給管（３１）に空気側送風機（３２）が設けられ、燃料側送風機（２２）及び空気側送風機（３２）は、回転数を制御することにより風量調整可能に構成され、さらに、運転制御手段（５０）が、需要電力の変動に応じて各送風機（２２，３２）　の回転数を制御するように構成され、燃料側送風機（２２）により燃料供給量調節手段（２２）が、空気側送風機（３２）により空気供給量調節手段（３２）が構成されていることを特徴としている。
【００１７】
この請求項４に記載の発明では、需要電力の変動に応じて燃料電池（１０）への燃料ガス及び空気の供給量を調節するのは、燃料側送風機（２２）及び空気側送風機（３２）の回転数を制御することにより行われる。なお、燃料電池発電システムに、電池排ガスを供給側に戻す排ガス再循環機構としての送風機や、燃料電池（１０）に水分を供給する水ポンプなどが設けられている場合は、これら送風機や水ポンプも合わせて制御するとよい。
【００１８】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の燃料電池発電システムにおいて、燃料供給管（２１）及び空気供給管（３１）には、燃料及び空気の流量を調節するための流量調節弁（Ｖ１，Ｖ２）　が設けられ、運転制御手段（５０）は、需要電力の変動に応じて、各送風機（２２，３２）　の回転数を制御するとともに各流量調節弁（Ｖ１，Ｖ２）　を制御して流量調節を行うように構成されていることを特徴としている。
【００１９】
この請求項５に記載の発明では、需要電力の変動に応じて燃料電池（１０）への燃料ガス及び空気の供給量を調節する際に、燃料側送風機（２２）及び空気側送風機（３２）の回転数を制御するのに加えて、燃料供給管（２１）及び空気供給管（３１）に設けられた流量調節弁（Ｖ１，Ｖ２）　が制御される。
【００２０】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれか１に記載の燃料電池発電システムにおいて、運転制御手段（５０）には、需要電力に対応する燃料ガス及び空気の供給量が予め入力されていることを特徴としている。
【００２１】
この請求項６に記載の発明では、需要電力が変動すると、予め設定された値に基づいて燃料ガス及び空気の供給量が制御され、発電容量が調整される。
【００２２】
【発明の実施の形態１】
以下、本発明の実施形態１を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２３】
図１は、この実施形態１に係る燃料電池発電システムの概略構成を示している。この発電システムは、固体電解質型燃料電池（１０）を用いた発電システムである。この燃料電池（１０）は、ジルコニア系セラミックスからなる電解質と、この電解質の両側に配置された電極（燃料極（１１）及び空気極（１２））とを有している。固体電解質型燃料電池（１０）では、空気中の酸素が空気極（１２）（陰極）でイオン化して電解質を通過し、燃料極（１１）側で燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応して水と二酸化炭素が生成される。そして、この反応時に放出される電子によって発電が行われ、燃料電池（１０）から直流電力が出力される。
【００２４】
また、燃料電池（１０）には、電力調節器（１３）が接続され、この電力調節器（１３）に電力負荷（１４）が接続されている。電力調節器（１３）は、例えば、燃料電池（１０）の出力電流を直流のまま昇圧／降圧可能なＤＣ／ＤＣコンバータと、直流を交流に変換するインバータとを用いて構成することができる。この電力調節器（１３）により、燃料電池（１０）からの直流電力を所定出力の交流電力に変換して電力負荷（１４）へ供給することができる。
【００２５】
この発電システムでは、上記燃料電池（１０）の燃料極（１１）に燃料供給管（２１）が接続され、空気極（１２）に空気供給管（３１）が接続されている。燃料供給管（２１）は、燃料電池（１０）に燃料ガスを供給する通路を構成するものであって、その始端（上流側の端部）が燃料である都市ガスの供給源に接続されるとともに終端（下流側の端部）が燃料電池（１０）の燃料極（１１）に接続されている。また、燃料供給管（２１）の経路中には、流れ方向の上流側から下流側に向かって順に燃料側送風機（燃料供給量調節手段）（２２）と脱硫器（２３）とが設けられている。上記燃料側送風機（２２）は、回転数が可変のモータにより駆動され、該回転数を制御することにより風量調整可能に構成されている。また、脱硫器（２３）は、原料ガスとして供給された都市ガスから、硫黄分を吸着除去するものである。
【００２６】
上記空気供給管（３１）は、燃料電池（１０）に空気を供給する通路を構成するものであって、その始端が屋外に開口するとともに終端が燃料電池（１０）の空気極（１２）に接続されている。空気供給管（３１）には、流れ方向の上流側から下流側に向かって順に、空気側送風機（空気供給量調節手段）（３２）と熱回収熱交換器（３３）とが設けられている。上記空気側送風機（３２）は、回転数が可変のモータにより駆動され、該回転数を制御することにより風量調整可能に構成されている。
【００２７】
上記燃料電池（１０）には、燃焼器（４０）が一体に設けられている。この燃焼器（４０）は、燃料電池（１０）の上端部に設けられ、燃料極排ガス中に残存する水素などの可燃成分を、空気極排ガスを利用して燃焼するように構成されている。
【００２８】
燃料極排ガスは、全部が燃焼器（４０）に投入されるのではなく、残存する水素等を燃料として再利用するために、一部は燃料再循環通路（４５）を介して燃料極（１１）への投入側に送り込まれる。この燃料再循環通路（４５）には、燃料再循環用送風機（４６）が設けられている。一方、燃焼器（４０）には燃焼排ガス通路（４１）が接続され、燃焼排ガス通路（４１）は熱回収熱交換器（３３）を介して室外に開口している。そして、燃焼器（４０）で電池排ガスを燃やした後の燃焼排ガスは、上記燃焼器（４０）から熱回収熱交換器（３３）を通過し、室外へ放出される。その際に、熱回収熱交換器（３３）において燃焼排ガスの排熱が空気供給管（３１）を流れる空気に与えられ、該空気が予熱される。
【００２９】
また、この実施形態１では、上記燃料供給管（２１）には燃料側送風機（２２）と脱硫器（２３）との間に燃料流量調節弁（Ｖ１）が設けられ、上記空気供給管（３１）には空気側送風機（３２）と熱回収熱交換器（３３）の間に空気流量調節弁（Ｖ２）が設けられている。さらに、燃料再循環通路（４５）には、燃料再循環用送風機（４６）の下流側に排ガス流量調節弁（Ｖ３）が設けられ、燃焼排ガス通路（４１）には燃焼排ガス流量調節弁（Ｖ４）が設けられている。
【００３０】
また、図示していないが、上記燃料供給管（２１）には燃料電池（１０）への燃料の供給量を検出する流量センサが設けられており、上記空気供給管（３１）には燃料電池（１０）への空気の供給量を検出する流量センサが設けられている。
【００３１】
この発電システムには、該システムの運転動作を制御する運転制御手段としてのコントローラ（５０）が設けられている。このコントローラ（５０）は、上記電力調節器（１３）、燃料側送風機（２２）、空気側送風機（３２）、燃料再循環用送風機（４６）、及び各流量調節弁（Ｖ１〜Ｖ４）に接続されている。
【００３２】
このコントローラ（５０）は、電力負荷（１４）が要求する電力需要信号が入力されるように構成されている。また、コントローラ（５０）は、需要電力に対応する燃料ガス及び空気の供給量が予め入力されたものであり、需要電力の程度に応じて、燃料電池（１０）への燃料ガス及び空気の供給量を調節すべく各送風機（２２，３２）　の回転数を制御するとともに、燃料流量調節弁（Ｖ１）、空気流量調節弁（Ｖ２）、及び排ガス流量調節弁（Ｖ３）の制御も行う。
【００３３】
コントローラ（５０）は、電力調節器（１３）の出力も制御する。具体的には、コントローラ（５０）は、需要電力が増大すると、燃料電池（１０）への燃料ガス及び空気の供給量が該需要電力に対応する所定値になるように上記燃料側送風機（２２）及び空気側送風機（３２）と各流量調節弁（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３）を制御するとともに、該供給量が実際に設定値に達した後に、電力調節器（１３）からの出力電力を需要電力に対応して変更する。つまり、需要電力が増大したときは燃料等の供給量を調節した後に出力電力が制御される。
【００３４】
一方、コントローラ（５０）は、需要電力が減少すると、電力調節器（１３）からの出力電力を需要電力に対応して変更した後に、燃料電池（１０）への燃料ガス及び空気の供給量が該需要電力に対応する所定値になるように上記燃料側送風機（２２）及び空気側送風機（３２）と各流量調節弁（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３）を制御する。つまり、需要電力が減少したときは、出力電力を落とした後に燃料等の供給量が調節される。
【００３５】
−運転動作−
次に、この燃料電池発電システムの運転動作について説明する。
【００３６】
このシステムの運転時は、燃料側送風機（２２）と空気側送風機（３２）が起動しており、燃料供給管（２１）に燃料ガスとして都市ガスが送り込まれ、空気供給管（３１）に空気が送り込まれる。燃料ガスは、まず脱硫器（２３）を通過し、その際に燃料ガス中の硫黄分がこの脱硫器（２３）に吸着除去される。脱硫器（２３）から流出した燃料ガスは、次いで燃料電池（１０）の燃料極（１１）に流入する。このとき、燃料ガスには燃料電池（１０）への流入前に電池排ガスが混入され、該電池排ガスの余剰の水素及び一酸化炭素と、電池反応により生成された水蒸気とが燃料ガスに混合される。
【００３７】
一方、空気側送風機（３２）により空気供給管（３１）に送り込まれた空気は、まず熱回収熱交換器（３３）を通過し、燃焼排ガスの排熱を回収して予熱される。予熱された空気は、燃料電池（１０）の燃料極（１１）に流入する。
【００３８】
燃料電池（１０）内では、燃料ガスが燃料極（１１）上で水蒸気と反応して水素と一酸化炭素に改質される一方、空気極（１２）に導入された空気中の酸素が電解質との界面で解離して酸素イオンになる。この酸素イオンは、電解質中を拡散して燃料極（１１）へ移動し、改質反応によって生成された水素及び一酸化炭素と電気化学的に反応する。これにより水及び二酸化炭素が生成され、この反応の際に放出された電子によって発電が行われる。このようにして生成された直流電力は電力調節器（１３）において所定電流の交流電力に変換され、さらに電力負荷（１４）に供給される。
【００３９】
燃料極排ガスと空気極排ガスは燃焼器（４０）に投入される一方、燃料極排ガスの一部は燃料再循環通路（４５）を介して燃料供給管（２１）に戻される。このことにより、上述したように燃料極排ガス中の余剰の水素及び一酸化炭素と、電池反応により発生した水蒸気とが燃料ガスに混合され、再度電池反応に利用される。
【００４０】
上記燃焼器（４０）では、燃料極排ガスが空気極排ガスを利用して燃やされる。そして、この高温の燃焼排ガスは、熱回収熱交換器（３３）を通過する際に、燃料電池（１０）へ供給される空気に排熱を与え、該空気を加熱する。熱回収熱交換器（３３）を通過した燃焼排ガスは、その後室外に排出される。
【００４１】
次に、運転動作中に需要電力が変動したときの対応について説明する。
【００４２】
まず、このシステムの運転中に需要電力が増大すると、コントローラ（５０）は、燃料電池（１０）への燃料ガス及び空気の供給量が、需要電力に対応する値として予め有している所定値になるように燃料側送風機（２２）及び空気側送風機（３２）を制御するとともに、燃料再循環用送風機（４６）と各流量調節弁（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３）を制御する。これにより、燃料ガス及び空気の流量が、いずれもそれまでより増加する状態となる。そして、コントローラ（５０）は、図示しない流量センサにより実際に燃料ガス及び空気の供給量がその所定値に達したことを確認してから、電力調節器（１３）の出力電力を需要電力に対応して変更する。以上のように、需要電力が増大したときには、燃料ガスへの燃料ガス及び空気の供給量が実際に増えるのを待ってから出力電力の調節を行うようにしている。
【００４３】
一方、このシステムの運転中に需要電力が減少すると、コントローラ（５０）は、需要電力の増大時とは逆に、まず電力調節器（１３）の出力電力を需要電力に合わせて低下させる操作を行う。そして、コントローラ（５０）は、このように出力電力を低下させた後に、燃料電池（１０）への燃料ガス及び空気の供給量が、需要電力に対応する値として予め有している所定値になるように、燃料側送風機（２２）及び空気側送風機（３２）を制御するとともに、燃料再循環用送風機（４６）と各流量調節弁を制御する。このように、需要電力が低減したときには、まず出力電力を下げてから燃料ガス及び空気の供給量を少なくする操作を行う。
【００４４】
−実施形態１の効果−
本実施形態１によれば、需要電力が増減したときの制御に対する燃料等の流量変化の遅れによる問題は発生しない。
【００４５】
つまり、需要電力が増大したときには、燃料ガス及び空気の供給量が実際に増えるのを待ってから出力電力の調節を行うようにしているので、従来とは違って、燃料ガスや空気の供給量が不足したまま電力を過大に生成することがない。したがって、燃料極（１１）の触媒が酸化により劣化するのを防止できるので、装置寿命を長期化できる。
【００４６】
また、需要電力が低減したときには、出力電力を下げてから燃料ガス及び空気の供給量を少なくする操作を行うようにしているので、単に燃料ガスと空気の供給量を減らしただけだと発電量がすぐには変更されないのに対して、電力生成量の追随が遅れるのを防止できる。
【００４７】
また、この実施形態１では、需要電力の変動に応じて燃料電池（１０）への燃料ガス及び空気の供給量を調節する際に、燃料側送風機（２２）及び空気側送風機（３２）の回転数を制御するのに加えて、燃料供給管（２１）及び空気供給管（３１）に設けられた流量調節弁（Ｖ１，Ｖ２）　を制御するようにしているので、送風機（２２，３２）　だけでは制御しきれない細かい流量制御が可能となる。このため、燃料電池発電システムの発電容量を需要電力に合わせてより正確に制御することが可能となる。
【００４８】
また、需要電力が変動したときの燃料ガス及び空気の流量制御の際に、需要電力の程度に応じて予め入力された値に基づいて燃料ガス及び空気の供給量を調整するようにしているので、燃料電池（１０）の発電容量を効率よく確実に調整することが可能となる。
【００４９】
【発明の実施の形態２】
本発明の実施形態２は、燃料電池発電システムにおいて、燃料電池（１０）に水蒸気を供給するように構成した例である。以下、主に実施形態１と異なる点について説明する。
【００５０】
図２に示すように、燃料供給管（２１）は、燃料側送風機（２２）、脱硫器（２３）、及び第２熱回収熱交換器（２５）を順に介して燃料電池（１０）の燃料極（１１）に接続されている。この燃料供給管（２１）には、脱硫器（２３）と第２熱回収熱交換器（２５）の間に水供給配管（６０）が接続されている。水供給配管（６０）には、水タンク（６１）と水ポンプ（６２）が設けられ、燃料供給管（２１）の燃料ガスに水を混入させるようにしている。
【００５１】
空気供給管（３１）は、実施形態１と同様に、空気側送風機（３２）と熱回収熱交換器（３３）を介して燃料電池（１０）の空気極（１２）に接続されている。
【００５２】
コントローラ（５０）は、燃料側送風機（２２）、空気側送風機（３２）、及び水ポンプ（６２）に接続され、燃料、空気、及び水の流量を需要電力に応じて調整するように構成されている。
【００５３】
なお、この実施形態２では、燃料再循環通路（４５）を設けていないが、実施形態１と同様に設けてもよい。また、燃料ガスや空気の流量を調節する流量調節弁についても図面には示していないが、実施形態１と同様に設けてもよい。
【００５４】
その他の構成は実施形態１と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００５５】
−運転動作−
この実施形態２においては、発電システムの運転時、燃料ガスは脱硫器（２３）で硫黄分が除去された後、水タンク（６１）から送られた水が混入されて第２熱回収熱交換器（２５）を通過する。このとき、燃焼排ガスの排熱により燃料ガスと水分が加熱され、水は水蒸気となる。そして、水蒸気を含む燃料ガスが燃料電池（１０）の燃料極（１１）に供給される。また、燃料電池（１０）の空気極（１２）には、実施形態１と同様に燃焼排ガスの排熱を回収した空気が供給される。
【００５６】
燃料電池（１０）内では、燃料ガス、水蒸気及び空気から、実施形態１と同様の電池反応が行われる。そして、発電により生じた直流電力が電力調節器（１３）で所定電流の交流電力に変換され、電力負荷（１４）に供給される一方、電池排ガスは燃焼器（４０）で燃やされた後、燃焼排ガスとして燃料ガスと空気に排熱を与えてから室外に放出される。
【００５７】
この実施形態２においても、需要電力の変動時の制御は実施形態１と同じように行われる。つまり、需要電力が増大したとき、コントローラ（５０）は、燃料電池（１０）への燃料ガス及び空気の供給量が、需要電力に対応する値として予め有している所定値になるように燃料側送風機（２２）及び空気側送風機（３２）を制御して、燃料ガス及び空気の流量を増加させる。そして、コントローラ（５０）は、実際に燃料ガス及び空気の供給量がその所定値に達したことを確認してから、電力調節器（１３）の出力電力を需要電力に合わせて変更する。
【００５８】
一方、需要電力が減少すると、コントローラ（５０）は、電力調節器（１３）の出力電力を需要電力に合わせて低下させる操作を行ってから、燃料電池（１０）への燃料ガス及び空気の供給量が、需要電力に対応する値として予め有している所定値になるように燃料側送風機（２２）及び空気側送風機（３２）を制御する。
【００５９】
以上のように、需要電力が増大したときには、燃料ガスへの燃料ガス及び空気の供給量が実際に増えるのを待ってから出力電力の調節を行い、需要電力が低減したときには、まず出力電力を下げてから燃料ガス及び空気の供給量を少なくする操作を行う。
【００６０】
−実施形態２の効果−
したがって、本実施形態２によれば、実施形態１と同様に、需要電力が増大したときには、燃料ガス及び空気の供給量が実際に増えるのを待ってから出力電力の調節を行うことにより、燃料極（１１）の触媒が酸化により劣化するのを防止できるので、装置寿命を長期化できる。また、需要電力が低減したときには、出力電力を下げてから燃料ガス及び空気の供給量を少なくする操作を行うことにより、需要電力の変動に対する応答性を高めることができる。
【００６１】
また、需要電力が変動したときの燃料ガス及び空気の流量制御の際に、需要電力の程度に応じて予め入力された値に基づいて燃料ガス及び空気の供給量を制御を調整するようにしているので、燃料電池（１０）の発電容量を効率よく確実に調整することも可能である。
【００６２】
【発明のその他の実施の形態】
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。
【００６３】
例えば、上記各実施形態では、需要電力の変動時に燃料側送風機（２２）と空気側送風機（３２）の両方の回転数を調節するようにしているが、場合によっては燃料側のみを調節するようにしてもよい。
【００６４】
また、実施形態１では、需要電力の変動時に燃料再循環用送風機（４６）も制御するようにしているが、この制御は必ずしも行わなくてもよい。
【００６５】
さらに、実施形態１では燃料側送風機（２２）及び空気側送風機（３２）とともに流量調節弁（Ｖ１，Ｖ２）　も用いて細かい流量制御を行うようにしているが、流量調節弁（Ｖ１，Ｖ２）　は必ずしも用いなくてもよい。このように流量調節弁を用いない場合は、通常のシステムにもともと設けられている燃料側送風機（２２）と空気側送風機（３２）だけを用いて流量制御を行うことになるので、システムのコストアップを抑えられる。
【００６６】
また、上記実施形態１，２では、運転制御に用いる燃料ガス及び空気の供給量として需要電力に応じた値を予めコントローラ（５０）に入力しておくようにしているが、上記供給量を需要電力に基づいて所定の関数から算出して求めるなど、その他の方法で供給量を制御してもよい。
【００６７】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、需要電力が増大したときには、燃料ガス及び空気の供給量が実際に増えるのを待ってから出力電力の調節を行うようにしているので、従来とは違って、燃料ガスや空気の供給量が不足したまま電力を過大に生成することがない。したがって、燃料極（１１）の触媒が酸化により劣化するのを防止できるので、装置寿命を長期化できる。
【００６８】
また、請求項２に記載の発明によれば、需要電力が低減したときには、出力電力を下げてから燃料ガス及び空気の供給量を少なくする操作を行うようにしているので、単に燃料ガスと空気の供給量を減らしただけだと発電量がすぐには変更されず、電力生成量の追随が遅くなってしまうのに対して、そのような問題を防止できる。
【００６９】
また、請求項３に記載の発明によれば、需要電力が増大したときに、燃料ガス及び空気の供給量が実際に増えるのを待ってから出力電力の調節を行うようにしているので、燃料極（１１）の触媒が酸化により劣化するのを防止して装置寿命を長期化できるとともに、需要電力が低減したときに、出力電力を下げてから燃料ガス及び空気の供給量を少なくする操作を行うようにしているので、需要電力の変動に対する電力生成量の追随の遅れを防止できる。
【００７０】
以上のように、請求項１から請求項３の発明によれば、需要電力の変動に合わせて出力電力を調節する際の、流量変化の遅れによる制御上の不具合を防止することが可能となる。
【００７１】
また、請求項４に記載の発明によれば、需要電力が変動したときに、燃料電池（１０）への燃料ガス及び空気の供給量を、通常のシステムにもともと設けられてる燃料側送風機（２２）及び空気側送風機（３２）の回転数を制御することにより調節するようにしているので、専用の供給量調整手段を設けることは不要であり、システムのコストアップを抑えられる。
【００７２】
また、請求項５に記載の発明によれば、需要電力の変動に応じて燃料電池（１０）への燃料ガス及び空気の供給量を調節する際に、燃料側送風機（２２）及び空気側送風機（３２）の回転数を制御するのに加えて、燃料供給管（２１）及び空気供給管（３１）に設けられた流量調節弁（Ｖ１，Ｖ２）　を制御するようにしているので、送風機だけでは制御しきれない細かい流量制御が可能となる。このため、発電容量を需要電力に合わせてより正確に制御することが可能となる。
【００７３】
また、請求項６に記載の発明によれば、需要電力が変動すると、予め設定された値に基づいて燃料ガス及び空気の供給量が制御され、発電容量が調整されるので、燃料電池（１０）の発電容量を効率よく確実に調整することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係る燃料電池発電システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態２に係る燃料電池発電システムの概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
（１）　　燃料電池発電システム
（１０）　燃料電池
（１１）　燃料極
（１２）　空気極
（１３）　電力調節器（電力調節器）
（１４）　電力負荷
（２１）　燃料供給管
（２２）　燃料側送風機（燃料供給量調節手段）
（２３）　脱硫器
（３１）　空気供給管
（３２）　空気側送風機（空気供給量調節手段）
（３３）　熱回収熱交換器
（４０）　燃焼器
（４１）　燃焼排ガス通路
（４５）　燃料再循環通路
（４６）　燃料再循環用送風機
（５０）　コントローラ（制御手段）
（Ｖ１）　燃料流量調節弁
（Ｖ２）　空気流量調節弁
（Ｖ３）　排ガス流量調節弁
（Ｖ４）　燃焼排ガス流量調節弁[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell power generation system, and particularly to an operation control technique in the power generation system.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, four types of fuel cells, a phosphoric acid type, a molten carbonate type, a solid polymer type, and a solid electrolyte type, are known depending on the type of electrolyte used for the reaction. Among these, solid oxide fuel cells are fuel cells that use zirconia-based ceramics as the electrolyte, and can use carbon monoxide as fuel along with hydrogen, and are being developed for the practical use of a system that does not require a separate reformer. Is being promoted.
[0003]
The fuel cell includes a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte. In the above power generation system, fuel such as city gas reacts with water vapor on the fuel electrode to be reformed into hydrogen and carbon monoxide, while oxygen in the air introduced into the air electrode changes at the interface with the electrolyte. Dissociates into oxygen ions. The oxygen ions diffuse in the electrolyte, move to the fuel electrode, and electrochemically react with hydrogen and carbon monoxide generated by the reforming reaction. As a result, water and carbon dioxide are generated, and power is generated by the energy of the electrons emitted during this reaction.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
A power generation system using the solid oxide fuel cell is described in, for example, JP-A-10-144330. In this system, a flow rate adjusting mechanism is provided in each of a fuel supply pipe and an air supply pipe to a fuel cell so that the flow rates of fuel gas and air can be adjusted. This makes it possible to adjust the output power.
[0005]
However, in such a configuration, for example, when the target value of the power generation amount is changed in accordance with the increase in the demand power, even if the control is performed to increase the flow rates of the fuel gas and the air, these supply amounts are required immediately. There is a possibility that the power generation amount cannot keep up with the power generation amount, and during that time, the power of the supply amount is excessively generated, thereby oxidizing the catalyst of the fuel electrode and deteriorating the electrode. Conversely, when the target value of the power generation amount is reduced in accordance with the decrease in demand power, even if control is performed to reduce the flow rates of fuel gas and air, the actual supply amount does not immediately decrease. There was a problem that the amount was slow to follow. As described above, simply increasing or decreasing the flow rate when the demand power increases or decreases causes a delay in the actual change in the flow rate, causing a control problem.
[0006]
The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a fuel cell power generation system that adjusts output power according to fluctuations in demand power, such as fuel. An object of the present invention is to prevent a control failure due to a delay in a flow rate change.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention increases the output power after increasing the supply amount of fuel and air when the demand power increases, and reduces the supply amount after decreasing the output power in accordance with the demand power when the demand power decreases. It was done.
[0008]
Specifically, the present invention provides a fuel cell (10) for generating power from fuel gas and air, a fuel supply pipe (21) for supplying fuel gas to the fuel cell (10), and an air supply for the fuel cell (10). An air supply pipe (31) for supplying fuel, a fuel supply amount adjusting means (22) for adjusting the supply amount of fuel gas to the fuel cell (10), and an air supply amount to the fuel cell (10). It is assumed that the fuel cell power generation system includes an air supply amount adjusting means (32) and an operation control means (50) for controlling an operation.
[0009]
The invention according to claim 1 further includes a power adjusting means (13) for adjusting the output power of the fuel cell (10), and the operation control means (50) controls the fuel cell (10) when the demand power increases. 10) controlling both the supply amount adjusting means (22, 32) so as to change the supply amounts of the fuel gas and air to a predetermined value corresponding to the demand power, and adjusting the power supply after the change of the supply amounts is completed. It is characterized in that the output power is changed according to the demand power via the means (13).
[0010]
According to the first aspect of the invention, when the demand power increases during the power generation by the fuel cell (10), first, the operation control means (50) reduces the supply amounts of the fuel gas and the air to the fuel cell (10). The two supply amount adjusting means (22, 32) are controlled so as to have a predetermined value corresponding to the demand power. Then, after the supply amounts of the fuel gas and the air actually reach the predetermined values, the output power is changed via the power adjusting means (13) in accordance with the demand power. That is, when the demand power increases, the operation of increasing the output power is performed after the supply amounts of the fuel gas and the air actually increase.
[0011]
Further, the invention according to claim 2 includes a power adjusting means (13) for adjusting the output power of the fuel cell (10), and the operation control means (50) controls the power adjusting means when the demand power decreases. After the output power is changed in accordance with the demand power via (13), the supply of the fuel gas and air to the fuel cell (10) is changed to a predetermined value corresponding to the demand power. The amount adjusting means (22, 32) is controlled.
[0012]
According to the second aspect of the invention, when the demand power decreases during the power generation by the fuel cell (10), first, the operation control means (50) performs an operation of reducing the output power in accordance with the demand power. After the output power is reduced in this way, the two supply amount adjusting means (22, 32) control the supply amounts of the fuel gas and air to the fuel cell (10) so as to have a predetermined value corresponding to the required power. Is done. That is, when the demand power is reduced, an operation of reducing the output power and then reducing the supply amounts of the fuel gas and the air is performed.
[0013]
The third aspect of the present invention has the features of the first and second aspects of the present invention. That is, the invention of claim 3 includes a power adjusting means (13) for adjusting the output power of the fuel cell (10), and when the operation control means (50) increases the demand power, the fuel cell (10) Control means (22, 32) for changing the supply amounts of fuel gas and air to the predetermined values corresponding to the demand power, and after the change of the supply amounts is completed, the power adjustment means ( 13), while the output power is changed in accordance with the demand power, when the demand power decreases, the output power is changed in accordance with the demand power through the power adjusting means (13), and then the fuel cell ( The two supply amount adjusting means (22, 32) are controlled so that the supply amounts of fuel gas and air to 10) are changed to predetermined values corresponding to the demand power.
[0014]
According to the third aspect of the invention, when the demand power increases during the power generation by the fuel cell (10), the operation control means (50) first reduces the supply amounts of the fuel gas and the air to the fuel cell (10). The two supply amount adjusting means (22, 32) are controlled so as to have a predetermined value corresponding to the demand power. Then, after the supply amounts of the fuel gas and the air actually reach the predetermined values, the output power is changed according to the demand power. That is, when the demand power increases, the operation of increasing the output power is performed after the supply amounts of the fuel gas and the air actually increase.
[0015]
On the other hand, when the demand power decreases during the power generation by the fuel cell (10), first, the operation control means (50) performs an operation of reducing the output power in accordance with the demand power. After the output power is reduced in this way, the two supply amount adjusting means (22, 32) control the supply amounts of the fuel gas and air to the fuel cell (10) so as to have a predetermined value corresponding to the required power. Is done. That is, when the demand power is reduced, an operation of reducing the output power and then reducing the supply amounts of the fuel gas and the air is performed.
[0016]
According to a fourth aspect of the present invention, in the fuel cell power generation system according to any one of the first to third aspects, the fuel supply pipe (21) is provided with a fuel-side blower (22), and the air supply pipe is provided. An air-side blower (32) is provided in (31), and the fuel-side blower (22) and the air-side blower (32) are configured to be able to adjust the air volume by controlling the number of revolutions. ) Is configured to control the number of revolutions of each of the blowers (22, 32) in accordance with fluctuations in demand power, and the fuel-side blower (22) causes the fuel supply amount adjusting means (22) to operate the air-side blower (32). ) Constitutes an air supply amount adjusting means (32).
[0017]
According to the fourth aspect of the present invention, the supply amounts of the fuel gas and the air to the fuel cell (10) are adjusted in accordance with the fluctuation of the demanded power by the fuel-side blower (22) and the air-side blower (32). This is performed by controlling the number of rotations. When the fuel cell power generation system is provided with a blower as an exhaust gas recirculation mechanism for returning battery exhaust gas to the supply side, a water pump for supplying moisture to the fuel cell (10), and the like, these blowers and water pumps are used. It is good to control also.
[0018]
According to a fifth aspect of the present invention, in the fuel cell power generation system according to the fourth aspect, the fuel supply pipe (21) and the air supply pipe (31) have a flow rate for adjusting a flow rate of fuel and air. The control valves (V1, V2) are provided, and the operation control means (50) controls the rotation speed of each of the blowers (22, 32) according to the fluctuation of the demanded electric power, and controls each of the flow rate control valves (V1, V2). Is controlled to adjust the flow rate.
[0019]
According to the fifth aspect of the present invention, when the supply amounts of the fuel gas and the air to the fuel cell (10) are adjusted according to the fluctuation of the power demand, the fuel-side blower (22) and the air-side blower (32) In addition to controlling the number of rotations, the flow control valves (V1, V2) provided in the fuel supply pipe (21) and the air supply pipe (31) are controlled.
[0020]
According to a sixth aspect of the present invention, in the fuel cell power generation system according to any one of the first to fifth aspects, the operation control means (50) supplies the supply amounts of the fuel gas and the air corresponding to the demand power. Is input in advance.
[0021]
According to the sixth aspect of the invention, when the demand power fluctuates, the supply amounts of the fuel gas and the air are controlled based on a preset value, and the power generation capacity is adjusted.
[0022]
Embodiment 1 of the present invention
Hereinafter, Embodiment 1 of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0023]
FIG. 1 shows a schematic configuration of the fuel cell power generation system according to the first embodiment. This power generation system is a power generation system using a solid oxide fuel cell (10). The fuel cell (10) has an electrolyte made of zirconia ceramics and electrodes (a fuel electrode (11) and an air electrode (12)) arranged on both sides of the electrolyte. In the solid oxide fuel cell (10), oxygen in the air is ionized at the air electrode (12) (cathode), passes through the electrolyte, and reacts with hydrogen and carbon monoxide in the fuel gas on the fuel electrode (11) side. Water and carbon dioxide are produced. Then, power is generated by the electrons emitted during this reaction, and DC power is output from the fuel cell (10).
[0024]
Further, a power controller (13) is connected to the fuel cell (10), and a power load (14) is connected to the power controller (13). The power regulator (13) can be configured using, for example, a DC / DC converter capable of increasing / decreasing the output current of the fuel cell (10) as DC and an inverter for converting DC to AC. The power controller (13) can convert DC power from the fuel cell (10) into AC power having a predetermined output and supply the AC power to the power load (14).
[0025]
In this power generation system, a fuel supply pipe (21) is connected to the fuel electrode (11) of the fuel cell (10), and an air supply pipe (31) is connected to the air electrode (12). The fuel supply pipe (21) constitutes a passage for supplying fuel gas to the fuel cell (10), and its starting end (upstream end) is connected to a supply source of city gas as fuel. The terminal (downstream end) is connected to the fuel electrode (11) of the fuel cell (10). Further, in the path of the fuel supply pipe (21), a fuel-side blower (fuel supply amount adjusting means) (22) and a desulfurizer (23) are provided in order from the upstream side to the downstream side in the flow direction. I have. The fuel-side blower (22) is driven by a motor whose rotation speed is variable, and is configured to be able to adjust the air flow by controlling the rotation speed. The desulfurizer (23) adsorbs and removes sulfur from city gas supplied as a raw material gas.
[0026]
The air supply pipe (31) constitutes a passage for supplying air to the fuel cell (10). The air supply pipe (31) has a start end open to the outside and an end end to the air electrode (12) of the fuel cell (10). It is connected. The air supply pipe (31) is provided with an air-side blower (air supply amount adjusting means) (32) and a heat recovery heat exchanger (33) in order from the upstream side to the downstream side in the flow direction. . The air-side blower (32) is driven by a motor whose rotation speed is variable, and is configured to be able to adjust the air flow by controlling the rotation speed.
[0027]
The fuel cell (10) is integrally provided with a combustor (40). The combustor (40) is provided at the upper end of the fuel cell (10), and is configured to combust flammable components such as hydrogen remaining in the fuel electrode exhaust gas using the air electrode exhaust gas.
[0028]
A part of the fuel electrode exhaust gas is not supplied to the combustor (40), but is partially supplied to the fuel electrode (11) through the fuel recirculation passage (45) in order to reuse remaining hydrogen and the like as fuel. ) To the input side. A fuel recirculation blower (46) is provided in the fuel recirculation passage (45). On the other hand, a combustion exhaust gas passage (41) is connected to the combustor (40), and the combustion exhaust gas passage (41) is opened to the outside of the room via a heat recovery heat exchanger (33). Then, the combustion exhaust gas after burning the battery exhaust gas in the combustor (40) passes through the heat recovery heat exchanger (33) from the combustor (40) and is discharged outside the room. At that time, the exhaust heat of the combustion exhaust gas is given to the air flowing through the air supply pipe (31) in the heat recovery heat exchanger (33), and the air is preheated.
[0029]
In the first embodiment, the fuel supply pipe (21) is provided with a fuel flow control valve (V1) between the fuel-side blower (22) and the desulfurizer (23). ), An air flow control valve (V2) is provided between the air blower (32) and the heat recovery heat exchanger (33). Further, the fuel recirculation passage (45) is provided with an exhaust gas flow control valve (V3) downstream of the fuel recirculation blower (46), and the combustion exhaust gas passage (41) is provided with a combustion exhaust gas flow control valve (V4). ) Is provided.
[0030]
Although not shown, the fuel supply pipe (21) is provided with a flow rate sensor for detecting the amount of fuel supplied to the fuel cell (10), and the air supply pipe (31) is provided with a fuel cell. A flow sensor for detecting the supply amount of air to (10) is provided.
[0031]
This power generation system is provided with a controller (50) as operation control means for controlling the operation of the system. The controller (50) is connected to the power controller (13), the fuel-side blower (22), the air-side blower (32), the fuel recirculation blower (46), and the respective flow control valves (V1 to V4). Have been.
[0032]
The controller (50) is configured to receive a power demand signal required by the power load (14). Further, the controller (50) receives the supply amounts of the fuel gas and the air corresponding to the demanded power in advance, and supplies the fuel gas and the air to the fuel cell (10) according to the degree of the demanded power. In addition to controlling the rotation speed of each blower (22, 32) in order to adjust the amount, it also controls the fuel flow control valve (V1), the air flow control valve (V2), and the exhaust gas flow control valve (V3).
[0033]
The controller (50) also controls the output of the power regulator (13). Specifically, when the demand power increases, the controller (50) controls the fuel-side blower (22) so that the supply amounts of the fuel gas and the air to the fuel cell (10) become a predetermined value corresponding to the demand power. ) And the air-side blower (32) and the respective flow control valves (V1, V2, V3), and after the supply amount actually reaches the set value, the output power from the power controller (13) is demanded. Change according to power. That is, when the demand power increases, the output power is controlled after adjusting the supply amount of the fuel or the like.
[0034]
On the other hand, when the demand power decreases, the controller (50) changes the output power from the power regulator (13) in accordance with the demand power, and then reduces the supply amounts of the fuel gas and the air to the fuel cell (10). The fuel-side blower (22) and the air-side blower (32) and the respective flow control valves (V1, V2, V3) are controlled so as to have predetermined values corresponding to the demand power. That is, when the demand power decreases, the supply amount of fuel or the like is adjusted after the output power is reduced.
[0035]
-Driving operation-
Next, the operation of the fuel cell power generation system will be described.
[0036]
During operation of this system, the fuel-side blower (22) and the air-side blower (32) are activated, city gas is fed into the fuel supply pipe (21) as fuel gas, and air is supplied to the air supply pipe (31). Is sent. The fuel gas first passes through the desulfurizer (23), and at this time, sulfur in the fuel gas is adsorbed and removed by the desulfurizer (23). The fuel gas flowing out of the desulfurizer (23) then flows into the fuel electrode (11) of the fuel cell (10). At this time, the exhaust gas of the battery is mixed with the fuel gas before flowing into the fuel cell (10), and excess hydrogen and carbon monoxide of the exhaust gas of the battery and water vapor generated by the battery reaction are mixed with the fuel gas. You.
[0037]
On the other hand, the air sent into the air supply pipe (31) by the air-side blower (32) first passes through a heat recovery heat exchanger (33), recovers exhaust heat of the combustion exhaust gas, and is preheated. The preheated air flows into the fuel electrode (11) of the fuel cell (10).
[0038]
In the fuel cell (10), the fuel gas reacts with water vapor on the fuel electrode (11) to be reformed into hydrogen and carbon monoxide, while oxygen in the air introduced into the air electrode (12) is converted into an electrolyte. Dissociates into oxygen ions at the interface with The oxygen ions diffuse in the electrolyte and move to the fuel electrode (11), and electrochemically react with hydrogen and carbon monoxide generated by the reforming reaction. As a result, water and carbon dioxide are generated, and power is generated by the electrons emitted during this reaction. The DC power generated in this manner is converted into AC power of a predetermined current in the power controller (13), and further supplied to the power load (14).
[0039]
The fuel electrode exhaust gas and the air electrode exhaust gas are introduced into the combustor (40), while a part of the fuel electrode exhaust gas is returned to the fuel supply pipe (21) via the fuel recirculation passage (45). Thus, as described above, the surplus hydrogen and carbon monoxide in the fuel electrode exhaust gas and the water vapor generated by the cell reaction are mixed with the fuel gas, and reused in the cell reaction.
[0040]
In the combustor (40), the anode exhaust gas is burned using the cathode exhaust gas. The high-temperature combustion exhaust gas gives exhaust heat to the air supplied to the fuel cell (10) when passing through the heat recovery heat exchanger (33), thereby heating the air. The flue gas that has passed through the heat recovery heat exchanger (33) is then discharged outside the room.
[0041]
Next, a description will be given of a case where the demand power fluctuates during the driving operation.
[0042]
First, when the demand power increases during the operation of the system, the controller (50) determines that the supply amounts of the fuel gas and the air to the fuel cell (10) have a predetermined value which has a value corresponding to the demand power in advance. In addition to controlling the fuel-side blower (22) and the air-side blower (32), the controller controls the fuel recirculation blower (46) and the respective flow control valves (V1, V2, V3). As a result, the flow rates of the fuel gas and the air both increase. Then, the controller (50) confirms that the supply amounts of the fuel gas and the air have actually reached the predetermined values by a flow rate sensor (not shown), and then adjusts the output power of the power controller (13) to the demand power. And change it. As described above, when the demand power increases, the output power is adjusted after the supply amounts of the fuel gas and the air to the fuel gas actually increase.
[0043]
On the other hand, when the demand power decreases during the operation of the system, the controller (50) first performs an operation of decreasing the output power of the power regulator (13) in accordance with the demand power, contrary to the increase in the demand power. Do. Then, after reducing the output power in this way, the controller (50) sets the supply amounts of the fuel gas and the air to the fuel cell (10) to a predetermined value which has a value corresponding to the demand power in advance. Thus, the fuel-side blower (22) and the air-side blower (32) are controlled, and the fuel recirculation blower (46) and the respective flow control valves are controlled. As described above, when the demand power decreases, the output power is first reduced, and then the operation of reducing the supply amounts of the fuel gas and the air is performed.
[0044]
-Effects of Embodiment 1-
According to the first embodiment, there is no problem caused by a delay in a change in the flow rate of fuel or the like with respect to the control when the demand power increases or decreases.
[0045]
In other words, when the demand power increases, the output power is adjusted after the supply amount of the fuel gas and the air actually increases, so that the supply amount of the fuel gas and the air is different from the conventional case. Power is not generated excessively while the power is insufficient. Therefore, the catalyst of the fuel electrode (11) can be prevented from being deteriorated due to oxidation, and the life of the device can be extended.
[0046]
In addition, when the demand power decreases, the operation to reduce the supply of fuel gas and air is performed after reducing the output power, so if the supply of fuel gas and air is merely reduced, the power generation Is not changed immediately, the delay in following the power generation amount can be prevented.
[0047]
Further, in the first embodiment, when adjusting the supply amounts of the fuel gas and the air to the fuel cell (10) in accordance with the fluctuation of the demand power, the rotation of the fuel-side blower (22) and the air-side blower (32) is performed. In addition to controlling the number, the flow control valves (V1, V2) provided in the fuel supply pipe (21) and the air supply pipe (31) are controlled, so that only the blowers (22, 32) are used. Thus, fine flow rate control that cannot be completely controlled can be performed. For this reason, the power generation capacity of the fuel cell power generation system can be more accurately controlled in accordance with the required power.
[0048]
Further, when controlling the flow rate of the fuel gas and the air when the demand power fluctuates, the supply amounts of the fuel gas and the air are adjusted based on the value input in advance according to the degree of the demand power. Thus, the power generation capacity of the fuel cell (10) can be efficiently and reliably adjusted.
[0049]
Embodiment 2 of the present invention
Embodiment 2 of the present invention is an example in which steam is supplied to a fuel cell (10) in a fuel cell power generation system. Hereinafter, points different from the first embodiment will be mainly described.
[0050]
As shown in FIG. 2, the fuel supply pipe (21) is connected to a fuel-side blower (22), a desulfurizer (23), and a second heat recovery heat exchanger (25). Connected to pole (11). A water supply pipe (60) is connected to the fuel supply pipe (21) between the desulfurizer (23) and the second heat recovery heat exchanger (25). The water supply pipe (60) is provided with a water tank (61) and a water pump (62) so that water is mixed into the fuel gas of the fuel supply pipe (21).
[0051]
The air supply pipe (31) is connected to the air electrode (12) of the fuel cell (10) via the air blower (32) and the heat recovery heat exchanger (33), as in the first embodiment.
[0052]
The controller (50) is connected to the fuel-side blower (22), the air-side blower (32), and the water pump (62), and is configured to adjust the flow rates of fuel, air, and water according to the demand power. ing.
[0053]
Although the fuel recirculation passage (45) is not provided in the second embodiment, it may be provided in the same manner as in the first embodiment. Although a flow control valve for controlling the flow rate of fuel gas or air is not shown in the drawings, it may be provided in the same manner as in the first embodiment.
[0054]
The other configuration is the same as that of the first embodiment, and the description is omitted here.
[0055]
-Driving operation-
In the second embodiment, during the operation of the power generation system, after the sulfur content of the fuel gas is removed by the desulfurizer (23), the water sent from the water tank (61) is mixed and the second heat recovery heat exchange is performed. Through the vessel (25). At this time, the fuel gas and moisture are heated by the exhaust heat of the combustion exhaust gas, and the water becomes steam. Then, a fuel gas containing water vapor is supplied to the fuel electrode (11) of the fuel cell (10). Further, the air electrode (12) of the fuel cell (10) is supplied with air in which the exhaust heat of the combustion exhaust gas is recovered as in the first embodiment.
[0056]
In the fuel cell (10), the same cell reaction as in the first embodiment is performed from the fuel gas, water vapor, and air. Then, the DC power generated by the power generation is converted to AC power of a predetermined current by the power controller (13) and supplied to the power load (14), while the battery exhaust gas is burned in the combustor (40). The waste heat is given to the fuel gas and air as combustion exhaust gas and then released outside the room.
[0057]
Also in the second embodiment, the control when the demand power fluctuates is performed in the same manner as in the first embodiment. That is, when the demand power increases, the controller (50) sets the fuel gas and air supply amounts to the fuel cell (10) such that the supply amounts of the fuel gas and the air become a predetermined value that has a value corresponding to the demand power in advance. The side blower (22) and the air side blower (32) are controlled to increase the flow rates of fuel gas and air. Then, after confirming that the supply amounts of the fuel gas and the air have actually reached the predetermined values, the controller (50) changes the output power of the power controller (13) according to the demand power.
[0058]
On the other hand, when the demand power decreases, the controller (50) performs an operation of reducing the output power of the power regulator (13) in accordance with the demand power, and then supplies the fuel gas and the air to the fuel cell (10). The fuel-side blower (22) and the air-side blower (32) are controlled so that the amount becomes a predetermined value which has a value corresponding to the demand power in advance.
[0059]
As described above, when the demand power increases, the output power is adjusted after the supply amount of the fuel gas and air to the fuel gas actually increases, and when the demand power decreases, the output power is first reduced. After lowering, perform the operation to reduce the supply amount of fuel gas and air.
[0060]
-Effect of Embodiment 2-
Therefore, according to the second embodiment, similarly to the first embodiment, when the demand power increases, the output power is adjusted after the supply amounts of the fuel gas and the air are actually increased, so that the fuel output is adjusted. Since the catalyst of the electrode (11) can be prevented from being deteriorated by oxidation, the life of the device can be prolonged. Further, when the demand power is reduced, the response to the fluctuation of the demand power can be improved by performing an operation of reducing the supply amounts of the fuel gas and the air after reducing the output power.
[0061]
Further, in controlling the flow rate of the fuel gas and the air when the demand power fluctuates, the control of the supply amounts of the fuel gas and the air is adjusted based on the value input in advance according to the degree of the demand power. Therefore, the power generation capacity of the fuel cell (10) can be efficiently and reliably adjusted.
[0062]
Other Embodiments of the Invention
The present invention may be configured as follows in the above embodiment.
[0063]
For example, in each of the above embodiments, when the demand power fluctuates, the rotational speeds of both the fuel-side blower (22) and the air-side blower (32) are adjusted. However, in some cases, only the fuel side is adjusted. It may be.
[0064]
In the first embodiment, the fuel recirculation blower (46) is also controlled when the demand power fluctuates, but this control is not necessarily performed.
[0065]
Further, in the first embodiment, the fine flow control is performed by using the flow rate control valves (V1, V2) together with the fuel side blower (22) and the air side blower (32), but the flow rate control valves (V1, V2) May not necessarily be used. When the flow control valve is not used in this manner, the flow rate is controlled using only the fuel-side blower (22) and the air-side blower (32) originally provided in the normal system. Up can be suppressed.
[0066]
Further, in the first and second embodiments, the value according to the demand power is input in advance to the controller (50) as the supply amount of the fuel gas and the air used for the operation control. The supply amount may be controlled by other methods, such as calculating from a predetermined function based on the power.
[0067]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, when the demand power increases, the output power is adjusted after the supply amounts of the fuel gas and the air actually increase, which is different from the conventional one. Therefore, electric power is not generated excessively while the supply amounts of fuel gas and air are insufficient. Therefore, the catalyst of the fuel electrode (11) can be prevented from being deteriorated due to oxidation, and the life of the device can be extended.
[0068]
According to the second aspect of the present invention, when the demand power is reduced, the operation for reducing the supply amounts of the fuel gas and the air is performed after the output power is reduced. If the power supply amount is simply reduced, the power generation amount is not immediately changed, and the following of the power generation amount is delayed. However, such a problem can be prevented.
[0069]
According to the third aspect of the present invention, when the demand power increases, the output power is adjusted after the supply amounts of the fuel gas and the air are actually increased. In addition to preventing the catalyst of the electrode (11) from being deteriorated by oxidation, the life of the device can be prolonged, and when the required power decreases, the operation of reducing the output power and then reducing the supply amounts of the fuel gas and air is performed. Since it is performed, it is possible to prevent a delay in following the power generation amount with respect to the fluctuation of the demand power.
[0070]
As described above, according to the first to third aspects of the present invention, it is possible to prevent a control problem due to a delay in a change in flow rate when adjusting output power in accordance with fluctuations in demand power. .
[0071]
According to the fourth aspect of the present invention, when the demand power fluctuates, the supply amounts of the fuel gas and the air to the fuel cell (10) are controlled by the fuel-side blower (22) originally provided in the normal system. ) And the number of rotations of the air-side blower (32) are adjusted by controlling the number of rotations, so that it is not necessary to provide a dedicated supply amount adjusting means, and an increase in the cost of the system can be suppressed.
[0072]
According to the fifth aspect of the present invention, when adjusting the supply amounts of the fuel gas and the air to the fuel cell (10) in accordance with the fluctuation of the power demand, the fuel-side blower (22) and the air-side blower In addition to controlling the rotation speed of (32), the flow rate control valves (V1, V2) provided on the fuel supply pipe (21) and the air supply pipe (31) are controlled. Thus, fine flow rate control that cannot be completely controlled can be performed. For this reason, it becomes possible to more accurately control the power generation capacity in accordance with the demand power.
[0073]
According to the sixth aspect of the invention, when the demand power fluctuates, the supply amounts of the fuel gas and the air are controlled based on the preset values, and the power generation capacity is adjusted. ) It is possible to adjust the power generation capacity efficiently and reliably.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a fuel cell power generation system according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a fuel cell power generation system according to Embodiment 2 of the present invention.
[Explanation of symbols]
(1) Fuel cell power generation system
(10) Fuel cell
(11) Fuel electrode
(12) Air electrode
(13) Power regulator (power regulator)
(14) Power load
(21) Fuel supply pipe
(22) Fuel side blower (fuel supply amount adjusting means)
(23) Desulfurizer
(31) Air supply pipe
(32) Air-side blower (air supply amount adjusting means)
(33) Heat recovery heat exchanger
(40) Combustor
(41) Combustion exhaust gas passage
(45) Fuel recirculation passage
(46) Blower for fuel recirculation
(50) Controller (control means)
(V1) Fuel flow control valve
(V2) Air flow control valve
(V3) Exhaust gas flow control valve
(V4) Combustion exhaust gas flow control valve

Claims

燃料ガスと空気とから発電を行う燃料電池（１０）と、燃料電池（１０）に燃料ガスを供給する燃料供給管（２１）と、燃料電池（１０）に空気を供給する空気供給管（３１）と、燃料電池（１０）への燃料ガスの供給量を調節する燃料供給量調節手段（２２）と、燃料電池（１０）への空気の供給量を調節する空気供給量調節手段（３２）と、運転動作を制御する運転制御手段（５０）とを備えた燃料電池発電システムであって、
燃料電池（１０）の出力電力を調節する電力調節手段（１３）を備え、
運転制御手段（５０）は、需要電力が増大すると、燃料電池（１０）への燃料ガス及び空気の供給量を該需要電力に対応する所定値に変更するように上記両供給量調節手段（２２，３２）　を制御するとともに、該供給量の変更完了後に電力調節手段（１３）を介して出力電力を需要電力に対応して変更することを特徴とする燃料電池発電システム。A fuel cell (10) for generating electricity from fuel gas and air, a fuel supply pipe (21) for supplying fuel gas to the fuel cell (10), and an air supply pipe (31) for supplying air to the fuel cell (10) ), Fuel supply amount adjusting means (22) for adjusting the supply amount of fuel gas to the fuel cell (10), and air supply amount adjusting means (32) for adjusting the supply amount of air to the fuel cell (10). And a driving control means (50) for controlling driving operation, comprising:
Power adjusting means (13) for adjusting the output power of the fuel cell (10);
The operation control means (50) adjusts the supply amount of the fuel gas and air to the fuel cell (10) to a predetermined value corresponding to the required power when the required power increases. , 32), and after the change of the supply amount is completed, the output power is changed in accordance with the demand power via the power adjusting means (13).

燃料ガスと空気とから発電を行う燃料電池（１０）と、燃料電池（１０）に燃料ガスを供給する燃料供給管（２１）と、燃料電池（１０）に空気を供給する空気供給管（３１）と、燃料電池（１０）への燃料ガスの供給量を調節する燃料供給量調節手段（２２）と、燃料電池（１０）への空気の供給量を調節する空気供給量調節手段（３２）と、運転動作を制御する運転制御手段（５０）とを備えた燃料電池発電システムであって、
燃料電池（１０）の出力電力を調節する電力調節手段（１３）を備え、
運転制御手段（５０）は、需要電力が減少すると、電力調節手段（１３）を介して出力電力を需要電力に対応して変更した後に、燃料電池（１０）への燃料ガス及び空気の供給量を該需要電力に対応する所定値に変更するように上記両供給量調節手段（２２，３２）　を制御することを特徴とする燃料電池発電システム。A fuel cell (10) for generating electricity from fuel gas and air, a fuel supply pipe (21) for supplying fuel gas to the fuel cell (10), and an air supply pipe (31) for supplying air to the fuel cell (10) ), Fuel supply amount adjusting means (22) for adjusting the supply amount of fuel gas to the fuel cell (10), and air supply amount adjusting means (32) for adjusting the supply amount of air to the fuel cell (10). And a driving control means (50) for controlling driving operation, comprising:
Power adjusting means (13) for adjusting the output power of the fuel cell (10);
When the demand power decreases, the operation control means (50) changes the output power according to the demand power via the power adjustment means (13), and then supplies the fuel gas and air to the fuel cell (10). A fuel cell power generation system, characterized in that both supply amount adjusting means (22, 32) are controlled so as to change the supply amount to a predetermined value corresponding to the demand power.

燃料ガスと空気とから発電を行う燃料電池（１０）と、燃料電池（１０）に燃料ガスを供給する燃料供給管（２１）と、燃料電池（１０）に空気を供給する空気供給管（３１）と、燃料電池（１０）への燃料ガスの供給量を調節する燃料供給量調節手段（２２）と、燃料電池（１０）への空気の供給量を調節する空気供給量調節手段（３２）と、運転動作を制御する運転制御手段（５０）とを備えた燃料電池発電システムであって、
燃料電池（１０）の出力電力を調節する電力調節手段（１３）を備え、
運転制御手段（５０）は、需要電力が増大すると、燃料電池（１０）への燃料ガス及び空気の供給量を該需要電力に対応する所定値に変更するように上記両供給量調節手段（２２，３２）　を制御するとともに、該供給量の変更完了後に電力調節手段（１３）を介して出力電力を需要電力に対応して変更する一方、需要電力が減少すると、電力調節手段（１３）を介して出力電力を需要電力に対応して変更した後に、燃料電池（１０）への燃料ガス及び空気の供給量を該需要電力に対応する所定値に変更するように上記両供給量調節手段（２２，３２）　を制御することを特徴とする燃料電池発電システム。A fuel cell (10) for generating electricity from fuel gas and air, a fuel supply pipe (21) for supplying fuel gas to the fuel cell (10), and an air supply pipe (31) for supplying air to the fuel cell (10) ), Fuel supply amount adjusting means (22) for adjusting the supply amount of fuel gas to the fuel cell (10), and air supply amount adjusting means (32) for adjusting the supply amount of air to the fuel cell (10). And a driving control means (50) for controlling driving operation, comprising:
Power adjusting means (13) for adjusting the output power of the fuel cell (10);
The operation control means (50) adjusts the supply amount of the fuel gas and air to the fuel cell (10) to a predetermined value corresponding to the required power when the required power increases. , 32), and after the change of the supply amount is completed, the output power is changed via the power adjusting means (13) in accordance with the demand power. On the other hand, when the demand power decreases, the power adjusting means (13) is changed. After the output power is changed in accordance with the demand power via the fuel cell and the supply amount adjusting means (2), the supply amounts of the fuel gas and air to the fuel cell (10) are changed to predetermined values corresponding to the demand power. 22) and (32).

燃料供給管（２１）に燃料側送風機（２２）が設けられるとともに、空気供給管（３１）に空気側送風機（３２）が設けられ、燃料側送風機（２２）及び空気側送風機（３２）は、回転数を制御することにより風量調整可能に構成され、
運転制御手段（５０）が、需要電力の変動に応じて各送風機（２２，３２）　の回転数を制御するように構成され、
燃料側送風機（２２）により燃料供給量調節手段（２２）が、空気側送風機（３２）により空気供給量調節手段（３２）が構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１記載の燃料電池発電システム。The fuel supply pipe (21) is provided with a fuel-side blower (22), and the air supply pipe (31) is provided with an air-side blower (32). The fuel-side blower (22) and the air-side blower (32) It is configured so that air volume can be adjusted by controlling the number of revolutions,
The operation control means (50) is configured to control the number of revolutions of each of the blowers (22, 32) according to the fluctuation of the demand power,
The fuel supply amount adjusting means (22) is constituted by the fuel side blower (22), and the air supply amount adjusting means (32) is constituted by the air side blower (32). 2. The fuel cell power generation system according to 1.

燃料供給管（２１）及び空気供給管（３１）には、燃料及び空気の流量を調節するための流量調節弁（Ｖ１，Ｖ２）　が設けられ、
運転制御手段（５０）は、需要電力の変動に応じて、各送風機（２２，３２）　の回転数を制御するとともに各流量調節弁（Ｖ１，Ｖ２）　を制御して流量調節を行うように構成されていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池発電システム。The fuel supply pipe (21) and the air supply pipe (31) are provided with flow control valves (V1, V2) for controlling the flow rates of fuel and air.
The operation control means (50) controls the number of rotations of each of the blowers (22, 32) and controls each of the flow control valves (V1, V2) in accordance with the fluctuation of the demanded power so as to control the flow. The fuel cell power generation system according to claim 4, wherein:

運転制御手段（５０）には、需要電力に対応する燃料ガス及び空気の供給量が予め入力されていることを特徴とする請求項１から５記載の燃料電池発電システム。6. The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein a supply amount of fuel gas and air corresponding to demand power is input to the operation control means (50) in advance.