JPS6030062A - 燃料電池出力制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は燃料電池出力制御装置に関する。

［発明の技術摘背景とその問題点］ 省エネルギー、発電の一つとして化学エネルギーを直接
電気エネルギーに変換する燃料電池プラントがある。こ
のプラントでは通常未改質燃料を改質器で改質し、これ
を燃料電池へ供給することにより直流電力を発生させ、
これを直流−交流変換器で交流に変換した上、電力系統
に供給するようにしている。

しかし、この燃料電池プラントにおいては、変換器が直
流を交流に変換し、有効電力、無効電力を出力するとい
う電気側出力応答が比較的早いのに対して、燃料、空気
の流量、圧力等の燃料電池側プロセス応答が遅れる。こ
のため、運転員の操作又は電力系の事故等によって急激
な増加要求が発生し、変換器を通して電池から過大な出
力が引き出されるような場合、電池側はこれに追従しき
れない場合が生じる。この場合、燃料電池は過負荷ある
いは出力電圧の極端な低下となり、電池自体を損傷する
と共に、電池よりの供給電力不足で変、換器にも影響を
与える問題点があった。

［発明の目的］ 本発明は上記問題点を解消し、過負荷運転を防止し得る
燃料電池出力制御装置を提供することを目的とする。

［発明の概要］ このため、本発明は燃料電池の過負荷を電池出力電圧の
低下で検出し、検出された電圧と予め設定された保護設
定電圧とを比較し、電池出力を制限するようにしたこと
を特徴としている。

［発明の実施例］ 以下、本発明を図面に基づき説明する。

第１図は本発明の一実施例に係る燃料電池出方制御装置
の構成を示したもので、一点鎖線で囲んだ部分１は燃料
電池プラントである。このプラント１において、未改質
燃料Ｇは弁２により流量を制御され、改質器３に入る。

改質器３に入った燃料は、ここで加熱されて水素含有率
の高い改質燃料Ｈに改質される。この改質燃料Ｈは弁４
により流量を制御され燃料電池５の水素極５Ａに流入し
、電気エネルギーとして一部が消費され、残りは改質器
３のの燃焼部で燃焼されて加熱用高温ガスとなる。この
高温ガスは燃料電池５の酸素極５Ｂからの排ガスと合流
し、燃焼器６を経てターボコンプレッサのタービン７に
流入してこれに連結したコンプレッサ８を駆動する。

コンプレッサ８の吐出空気は弁９により流量制御されて
、燃料電池５の酸素極５Ｂに入る。酸素極５Ｂに入った
酸素の一部は水素極５Ａの水素と反応して消費され、残
りの一部は酸素極５Ｂから排出され、前述した如く改質
器３の燃焼ガスと合流し、燃焼器６を経由してターボコ
ンプレッサのタービン７を駆動するために利用される。

燃料電池５は水素極５Ａの水素と酸素極５Ｂの酸素との
触媒反応によって、酸素極５Ｂが正極、水素極５Ａが負
極となるような電気エネルギーを発生し、その両極間に
接続された電気的負荷にその電気エネルギーを供給する
。この際、電気負荷により吸収された電気エネルギーに
略比例して、両極入口に各々供給された水素と酸素が反
応して水となり、未反応分が各極出口より排出される。

この燃料電池５の直流出力は変換器１０に供給されて交
流に変換され、電力系統に交流電力として送り出される
。

以上、燃料電池プラント１についての説明である。次に
そのプラ、ントｌの制御装置について説明する。

その制御装置は、（イ）変換器１０にて交流出力を制御
する交流出力制御系と、こ九に見合う出力を燃料電池５
が発生するように、（ロ）改質燃料の電池５への流入量
を制御する水素流量制御系、および、（ハ）電池５への
酸素流入量を制御する酸素流入制御系と、この電池５へ
の水素と酸素の流入量を補うように、（ニ）改質器３へ
の未改質燃料供給量を制御する未改質燃料制御系と、（
ホ）コンプレッサ８の吐出空気を制御する吐出空気制御
系とから成る。以下、これらの各制御系について順次説
明していく。

（イ）　交流出力制御系 交流出力制御系は主として変換器１０．比較器１１゜実
有効電力検出器１２．有効電力制御演算部１３．変換器
出力制御器１４．比較器１５．実無効電力検出器１６゜
無効電力制御演算部１７．電圧検出器１８．比較器１９
゜電圧制御演算部２０．下限制限器２１から構成される
。

後述するように下限制限器２１からの出力信号Ｐ１がな
いとき、変換器有効電力設定信号Ｐｓは比較器１１にて
実有効電力検出器１２の出力信号Ｐａと比較される。有
効電力制御演算部１３はその偏差信号を入力として比例
、積分、微分等の制御演算を施し、変換器交流出力の位
相指令θを変換器出力制御器１４に出力する。一方、変
換器無効電力設定信号Ｑｓは比較器１５にて実無効電力
検出器１６の出力信号Ｑａと比較される。無効電力制御
演算部】７はその偏差信号を入力として制御演算し、変
換器交流出力の電圧指令Ｖを変換器出力制御器１４に出
力する。変換器出力制御器１４はその出力信号により変
換器１０の交流出力の位相と電圧を制御する。

変換器１０の交流出力エネルギーは燃料電池５より送ら
れたものであるから、燃料電池の直流出力電流は変換器
１０の交流出力に略比例し、電圧検出器１８はこの直流
出力電流により第２図に示したような、そのときの燃料
電池５の出力電圧Ｖと電流１特性に応じた電圧信号Ｖａ
を出力する。即ち、燃料電池５に一定の改質燃料と空気
が供給されているとき、その出力電圧Ｖと出力電流１と
の関係は実線ａに示す関係にあり、負荷電流ｉが零のと
き電池電圧は通常の１，５〜２倍程度となり、この増加
に従ってほぼ一定となり、更にｊが増加すると電圧は零
となる。また、供給する改質燃料と空気が増加するとこ
の特性は破線すの方向へ変化し、減少すると電点鎖線Ｃ
の方向へ変化する。

その燃料電池５の出力電圧信号Ｖａは比較器１９にて保
護設定電圧Ｖｓと比較される。電圧制御演算部２０はそ
の偏差信号を比例、積分、微分等の制御演算をする。下
限制限器２１はその演算出力の正極成分のみを比較器１
１に送る。これにより、電圧制御演算部２０からの信号
１’＋が正方向信号即ち電池出力電圧Ｖａが下降方向変
化の場合は比較器１１にて系統への出力を下げる方向の
偏差信号を有効電力制御演算部１３に与える。有効電力
制御演算部１３はこの偏差信号を制御演算し、変換器出
力制御器１４はその信号により変換器１０側の有効電力
設定を下げることにより、系統に与える出力を制限する
。一方、信号Ｐ１が負方向信号の場合は電圧制御演算部
２０の出力までは逆の動作となるが、この場合、負の出
力は制限器２１により零に制限され、信号Ｐ１は零とな
る。即ち、保護設定電圧Ｖｓより電池出力電圧Ｖａが大
の場合は制限動作はしないことになる。

（ロ）水素流量制御系 水素流量制御系は主として電流検出器２２．制御演算部
２３．加算器２４．改質温度制御演算部２５．出力制御
演算器２６、比較器２７．温度検出器２８．改質燃料制
御弁４から構成される。

変換器】０の交流出力エネルギーは、燃料電池５より送
られたものであるから、燃料電池５の直流出力電流は変
換器１０の交流出力に略比例し、電流検出器２２はこの
直流出力電流に比例した電流信号工を出力する。燃料電
池５の出力信号Ｊは制御演算部２３により演算され、こ
の直流電流負荷に見合うでけの改質燃料要求指令を加算
器２４に出力する。

加算器２４は後述する改質温度制御演算部２５の出力信
号と制御演算部２３の信号を出力制御演算部２６に送る
。出力制御演算部２６はこの出力の大小に応じて改質燃
料制御弁４の開度を制御し、燃料電池５１＼の改質燃料
流入量を制御する。燃料電池５へ流入した改質燃料即ち
水素は燃料電池の直流出力に見合うだけ電池内で消費さ
れ、残りは改質器３の燃焼部で燃焼されるが、この燃焼
により改質器３は加熱さノル温度上昇する。一方、この
改質器３には改質に適した動作温度がある。比較器２７
はこの動作温度設定信号ＴＲｓと温度検出器２８の実温
度信号ＴＲａと比較し、その偏差信号を改質温度制御演
算部２５に与える。改質温度制御演算部２５はその偏差
信号を制御演算して改質燃料要求指令を出力する。

加算器２４は、この信号と、前述の燃料電池出力電流工
に応じた制御演算部２３からの出力信号とを加算し、出
力制御演算部２６に加える。出力制御演算部２６はその
加算信号を制御演算してその出力により、改質燃料制御
弁４を開閉制御する。

このようにして、燃料電池５へ供給される水素流入量は
、先ず燃料電池５の直流出力によって先行制御され、続
いて燃料電池５内で消費される水素の過不足は改質器３
の温度変化として検出され、この改質器３の温度を目標
値ＴＲｓとするため、更に水素流入量の修正制御が行な
われる。

（ハ）酸素流量制御系 酸素流量制御系は電流検出器２２．空気量制御演算部２
９．空気制御弁９から構成される。

空気量制御演算部２９は電池出力電流に見合った酸素量
に対し定められた過剰分の酸素を供給するように空気制
御弁９を制御する。この過剰分の酸素を供給することに
より、燃料電池内での反応が進行し、残りの酸素は前述
の改質器３の燃焼ガスと合流し、燃焼器６の燃焼に使用
され、タービン７を駆動するために消費される。

（ニ）未改質燃料制御系 未改質燃料制御系ま主として圧力検出器３０．比較器３
１．圧力制御演算部３２．燃料制御弁２から構成される
。

改質器３への燃料の過不足は未改質燃料制御弁２と改質
燃料制御弁４との間の配管系の圧力変化としてとらえら
れる。即ち、未改質燃料供給過多では圧力上昇し、燃料
供給過少では圧力下降する。

また、この系では反応に適した動作圧力がある。

動作圧力設定信号ＰＦｓは圧力検出器３０の出力信号Ｐ
Ｆａと比較器３１にて比較される。圧力制御演算部３２
は偏差信号を制御演算し、その出力で未改質実科制御弁
２を開度制御し、未改質燃料の供給量を制御する。改質
器３への供給された熱量はここで加熱され水素含有率の
高い改質燃料となる。

（ホ）吐出空気制御系 吐出空気制御系は主として差圧調節弁３３．差圧検出器
３４．比較器３５．差圧演算部３６から構成されるコン
プレッサ８はタービン７によって駆動され、圧縮空気を
供給するが、この空気は弁９．＊料電池５を経て燃焼器
６の直前で、前述したように改質器３を経由した燃料電
池排ガスと合流しており、この点で空気系ラインの圧力
と燃料系ラインの圧力とが等しくなる。これは煙流電池
５の水素極５Ａ側と酸素極５Ｂ側の圧力差を低く抑える
ためであり、両極の圧力はこの合流点の圧力に各ガス系
の僅かな流路圧力損失を加えたものになる。従って、コ
ンプレッサ８の吐出圧力も両系の合流点に一定差圧を持
たせた方が弁９による燃料電池５への空気流入制御の容
易さ、弁９が全開した時の両極の差圧の過大防止の面で
望ましい、弁３３はこの差圧を制御するために設けであ
る。差圧設定信号ＤＰｓ＋：差圧検出器３４の実差圧信
号ＤＰａと比較器３５にて比較され、その偏差信号・は
差圧演算部３６に加えられる。

差圧演算部３６はこの偏差信号を制御演算し、その出力
で差圧調節弁３３の開度を制御する。これにより、弁３
３は吐出側圧力過大の時は開方向、吐出側圧力過小の時
は閉方向に制御され、弁前後の圧力差が調節される。

以上に述べた各制御系の働きにより、変換器有効電力設
定信号Ｐｓあるいは実有効電力信号Ｐａが急変する如き
負荷変更要求に対しても、燃料電池５は過負荷になるこ
となく、その要求に応じることができるようになる。

即ち、前述したように、事故等により変換器有効電力設
定信号Ｐｓと実有効電力信号Ｐａとの偏差が、急増した
場合、第２図に示したように燃料電池５の出力電圧Ｖａ
は出力電流ｌの増加に伴っである値から急激に減少する
。その電池出力電圧Ｖａが設定電圧Ｖｓ以下に下がると
、電圧制御演算部２０．下限制限器−２−１を介して信
号Ｐ１が出力し、比較器１１からの偏差を少なくシ、変
換器１０側の有効電力設定を下げ、系統に与える出力を
制限する。

一方、このときの電池出力電流ｉの増加に伴って、電流
検出器２２からの信号Ｉも増し、その結果、前述した水
素流量制御系と酸素流量制御系の働きにより、改質燃料
制御弁４と空気制御弁９を開き燃料電池５の出力を上げ
る。

また、改質燃料制御弁４を開くことにより燃料電池５へ
の改質燃料供給量増加に伴う改質器３出口配管圧力の低
下を圧力検出器３０が検出し、比較器３１、圧力制御演
算部３２を介して弁２を開き、未改質燃料の供給量も増
す。

この結果、第２図に示す燃料電池５のｖ−ｉ特性は実線
ａより鎖線す方向へと移り、これに伴って燃料電池５の
出力も、出力電圧Ｖａが設定電圧Ｖｓを大きく下まわる
ことなくつまり燃料電池５が過負荷になることなく出力
増加することができる。

尚、上記実施例では信号Ｐ１を比較器１１に加えるよう
にしたが、第３図に示すように有効電力制御演算部Ｉ３
の出力側で加えるようにしてもよい。

更に、低値優先回路を設け、信号（−Ｐｌ）と設定信号
Ｐｓとの低い方の信号を取り出し、これを比較器１１に
加えて実有効電力検出器１２の出力Ｐａと比較し、その
偏差を有効電力制御演算部１３に加えるようにしてもよ
い。あるいは、信号（〜Ｐ＋）と有効電力制御演算部１
３の出力の低い方の信号を選択し、これを変換器出力制
御器１４に加えるようにしても良く、そのようにした場
合には下限制限器２１が不要となる。

［発明の効果コ 以上のように本発明によれば、電池の負荷が過大に増加
して電池出力電圧が下がると、制御装置が直ちに有効電
力の増加を抑えるように働くので、電池の過負荷を防止
することができるばかりでなく、電池が過負荷に到るぎ
りぎりの最大出力まで、有効に電池の出力を引き出せる
ことになり、出力の応答速度改善にも多大の効果を発揮
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る燃料電池出力制御装置
のブロック構成図、第２図は燃料電池に供給する改質燃
料および空気をパラメータとする出力電圧−出力電流特
性図、第３図は本発明の他の実施例に係る燃料電池出力
制御装置のブロック構成図である。 ２・・・燃料制御弁、３・・・改質器、４・・・改質燃
料制御弁、５・・・燃料電池、１０・・・変換器、１１
．１５．１９・・・比較器、１２・・・実有効電力検出
器、１３・・・有効電力制御演算部、１４・・・変換器
出力制御器、１６・・・実無効電力検出器、１７・・・
無効電力制御演算部、１８・・・電圧検出器、２０・・
・電圧制御演咲器、２１・・・下限制限器。 第７図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 燃料電池の出力電流に応じて、その燃料電池に供給する
   改質燃料および空気の供給量を調整し。 発生する直流電力を直流−交流変換器を介して交流電力
   に変換し、電力系統へ出力する燃料電池出力制御装置に
   おいて、燃料電池の出力電圧を検出する手段と、前記出
   力電圧を設定電圧と比較する手段と、その比較結果によ
   り、前記出力電圧が前記設定電圧を下まわるとき前記直
   流−交流変換器側有効電力の出力増加を抑制する手段と
   を備えていることを特徴とする燃料電池出力制御装置。