JPS6180765A - 燃料電池発電システムの制御方法 - 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】 〔発明の技術分計〕 この発明は燃料電池発電システムの制御方法に関し、特
にターボ圧縮機を含む燃料電池発電システムの制御方法
に関するものである。

〔従来の技術〕

燃料電池発電システムは、従来の汽力発電に比べ高効率
が期待できること、環境保全性が良い等の利点があり、
実用化を目指し近年盛んに開発が進められている。燃料
電池発電システムは、空気極、燃料極及び電解質層から
成る燃料電池本体と。

天然ガス等の炭化水素系燃料を改質して燃料電池本体に
燃料となる水素ガスを供給する改質器と。

燃料電池本体及び改質器に空気を供給するターボ圧縮機
とを備えている。燃料電池本体の性能は反応ガスの圧力
の増大によって向上する傾向を示し。

このため燃料、空気、各反応ガスの動作圧力は例えば４
〜６ｋｇ／ｃゴｇ程度に加圧維持される。このとき、空
気の圧縮には多大の動力を必要とするが。

この動力は改質器からの燃焼排ガス及び燃料電池本体の
空気極からの余剰空気を導入するターボ圧縮機のタービ
ンによりまかなわれる。即ち、このターボ圧縮機は、シ
ステムの排ガスエネルギーをタービンで回収し、同軸上
のコンプレッサで必要な圧縮空気を供給することによっ
てシステム内部で動力を回収をし、システム効率の向上
を図るものである。

さて、このような燃料電池発電シスチームにおいて（、
？、いわゆる発電システムとして幅の広い且つ迅速な負
荷応答制御が要求される。燃料電池本体及び改質器に供
給される空気の量は例えば２５〜１００％の範囲の変動
制御を要求される。一方、燃料電池本体へ供給する空気
の圧力は、燃料電池本体の特性維持の点から、及び燃料
側の圧力との差圧を抑え両極間のガスのリーク、即ち、
クロスオーバ現象を防ぐため、負荷変動時においても一
定値に保つ制御が要求される。即ち、ターボ圧縮機は基
本的には定態圧可変風量制御が要求される。

この具体的な従来の方法として２例えば、特開昭５８−
１２２６８号に開示されているものがあり、そのシステ
ムを第１図に示す。図において、（１）は空気極（１ｍ
）、燃料極（ｌｂ）、電解質層（ＩＣ）から成る燃料電
池本体、（２）は天然ガス等の炭化水素系燃料を改質し
てリッチな水素ガスを燃料電池本体（１）に供給する改
質器であり、バーナ部（２ａ）と反応部（２ｂ）により
成る。（３）は例えば改質器（２）の排ガスと燃料電池
本体（１）の空気極（１ａ）出口の余剰空気の両方によ
って駆動され、燃料電池本体（１）の空気極（１ａ）と
改質器（２）のバーナ部（２ａ）に必要な圧縮空気を供
給するタービン（３ａ）とこのタービン（３ａ）と同軸
上に配置され　　　、：たコンプレッサ（３ｂ）とから
成るターボ圧縮機。

（４）はこのターボ圧縮ｉ　（３）のコンプレッサ（３
ｂ）により圧縮された空気を燃料電池本体（１）の空気
ｉ　［１ａ）に供給する空気供給配管、（５）は燃料電
池本体（１）の空気極（１ａ）からの余剰空気をターボ
圧縮ｍ（３）のタービン（３ａ）へ導く余剰空気配管。

（６）は改質器（２）からの燃焼排ガスをタービン（３
ａ）へ導く排ガス配管、（７）は余剰空気配管（５）と
排ガス配管（６）を合流してタービン（３ａ）へそれら
余剰空気及び燃焼排ガスを導くシステム排ガス配管、（
８）は天然ガス等の炭化水素系燃料を改質器（２）に供
給する燃料供給配管、（９）は改質器（２）で改質され
た水素リッチガスを燃料電池本体（１）の燃料極（１ｂ
）に供給する改質燃料供給配管。

（１０）は燃料電池本体（１）の燃料極（１ｂ）からの
余剰燃料を改質器（２）のバーナ部（２ａ）に供給する
余剰燃料供給配管、　（１１）は空気供給配管（４）に
分岐して設置された大気開放配管、　（１２）はこの大
気開放配管（１１）に設置され、燃料電池本体（１）の
空気１１（ｌａ）に供給される空気の圧力を調整する大
気開放弁、　（１３）は空気供給配管（４）内の圧力を
検出する圧力検出器、　（１４）はこの圧力検出器（１
３）からの信号に応答して大気開放弁（１２）の開閉制
御を行う圧力コントローラであり、Ｌれら（１２）〜（
１４）によりコンプレッサ（３ｂ）の吐出空気圧力の制
御が行われる。（１５）は空気供給配管（４）に設置さ
れ。

燃料電池本体（１）の空気極（１ａ　）に供給される空
気の量を調整する流量調節弁、　（１６）は空気供給配
管（４）内の流量を検出する流量検出器、　（１７）は
この流量検出器（１６）からの信号に応答して流量調節
弁（１５）の開閉制御を行う流量コントローラであり。

これら（１５）〜（１７）により燃料電池本体（１）の
空気極（１ａ）に供給される空気の流量制御が行われろ
。

（１８）は余剰空気配管（５）に設置された圧力調節弁
。

（１９）はコンプレッサ（３ｂ）の吐出空気圧力と反応
空気圧力との差圧を検出する差圧検出器、　（２０）は
この差圧検出器（１９）からの信号に応答して圧力調節
弁（１８）の開閉制御を行う圧力コントローラであり、
これら（１８）〜（２０）により燃料電池本体（１）の
反応空気圧力の制御が行われる。（２１）は余剰燃料供
給配管（１０）に設置された圧力調節弁、　（２２）は
反応空気圧力と反応燃料ガス圧力との差圧を検出する差
圧検出器、　（２３）はこの差圧検出器（２２）からの
信号に応答して圧力調節弁（２１）の開閉制御を行う圧
力コントローラであり、これら（２１）〜（２３）によ
り燃料電池本体（１）の反応燃料ガス圧力の制御が行わ
れろ。（２４）は燃料供給配管（８）に設置された流量
調節弁、　（２５）は燃料供給配管（８）内の流量を検
出する流量検出器、　（２６）はこの流量検出器（２５
）からの信号に応答して流量調節弁（２４）の開閉制御
を行う流量コントローラであり、これら（２４）〜（２
６）により改質器（２）に供給される燃料の流量制御が
行われる。尚２図示しないが、空気供給配管（４）より
分岐して改質器（２）のバーナ部（２ａ）へ燃焼用空気
として供給されろバーナ空気供給配管が設けられている
。

次いて、上記のように構成された従来のシステムにおい
て、負荷変動時の動作について説明する。

燃料電池本体（１）の負荷を減少させる過程において、
コンプレッサ（３ｂ）からの供給空気流量の減少に伴い
コンプレッサ（３ｂ）の吐出空気圧力も減少するが２次
の方法により反応空気圧力又は反応空気圧力と反応燃料
ガス圧力との差圧の維持を保っている。先ず、定格負荷
より成る負荷領域までの範囲は、大気開放弁（１２）の
絞り調節によってコンプレッサ（３ｂ）の吐出空気圧力
を一定に保ち反応空気圧力を維持する。大気開放弁（１
２）の調節代がなくなる負荷領域以下の範囲では、コン
プレッサ（３ｂ）の吐出空気圧力の低下に反応空気圧力
を連動させて、即ち、圧力調節弁（１８）によりコンプ
レッサ（３ｂ）の吐出空気圧力に対する反応空気圧力の
差圧を維持させて、又圧力調節弁（２１）により反応燃
料ガス圧力を反応空気圧力との差圧が一定になるように
制御ｉｌ！整する。これにより燃料電池本体（１）の空
気極（１ａ）に安定して空気を供給することができ、さ
らに反応空気圧力と反応燃料ガス圧力との差圧を維持し
クロスオーバを防止することができろ。即ち、このシス
テムは基本的には大気開放弁（１２）の調節によって定
態圧を維持するが、大気開放弁（１２）の調節代がな（
なればコンプレッサ（３ｂｌ　　　　！の吐出空気圧力
が降下するのに連動して燃料電池本体（１）の反応ガス
の圧力を下げようとするものである。

しかるに、このような従来のシステムのものは次の理由
により必ずしも燃料電池の特性が維持されないという欠
点を有する。即ち、燃料電池本体（１）は２通常燃料電
池本体（１）に取り付けられる各反応ガスのマニホール
ドのシール耐圧の問題から窒素ガスで加圧された筐体の
中に設置され、窒素ガス圧力が反応ガス圧力にほぼ等し
くなるように維持されるが、筐体内の窒素ガスのバッフ
ァ容積が大きいため２反応ガス圧力の変化速度に追従さ
せて筐体内の窒素ガス圧力を変化させるのは困難である
。つまり、負荷変動時に、燃料電池本体（１）の反応ガ
ス圧力を変化させれば筐体内の窒素ガス圧力との間に大
きな圧力差を生じ、マニホールドのシールが破れて反応
ガス中に窒素ガスが漏れ込んｔ：　リ、逆に反応ガスが
筐体中に漏れ込んで燃料電池の特性を劣化させる。さら
に、定格負荷付近で大気開放弁（１２）の調節によって
走風圧制御を行っており、コンプレッサ必要動力に対し
タービン動力が余る場合を想定しているが、実際のシス
テムにおいてはタービン動力はコンプレッサ必要動力に
対し同等かむしろ不足するので、大気開放弁（１２）の
調節代を利用した制御は困難である。

タービン動力の不足は特に部分負荷において顕著であり
、このようなタービン動力の不足を補うためにシステム
排ガス配管の途中に助燃炉を設置することが考えられ１
例えば特公昭５８−５６２３１号に開示されたものがあ
る。又例えば特開昭５９−１８５７７号に開示されたタ
ーボ圧縮機のコンプレッサの吐出空気をバイパス弁（大
気開放弁（１２）に相当する）によりバイパスして系外
の大気中に放出するすることによりターボ圧縮機のコン
プレッサの吐出空気圧力を制御するものがあるが、この
場合においても同様にバイパス弁の調節代を利用した刷
部は困難である。即ち２この場合、一般に助燃炉の燃焼
応答性が遅いため、負荷変動時において、システムへの
必要空気の供給が追い付かずバイパス弁が全閉となり、
一時的にターボ圧縮機のコンプレッサの吐出空気圧力が
低下するという欠点があった。

〔発明の概要〕

この発明は上記のようなものの欠点に鑑みてなされたも
のであり、システムの定常運転時は大気開放弁を全閉又
は微開にした状態で助燃炉の燃焼量制御をターボ圧縮機
のコンプレッサの吐出空気圧力一定のフィードバック制
御で行い、システムの負荷変動時は助燃炉の燃焼量制御
をプログラムに基づくフィードフォワード制御で行う一
方大気開放弁によりターボ圧ｗｉ機のコンプレッサの吐
出空気圧力一定のフィードバック制御を行うことによφ
、ターボ圧縮機のコンプレッサの吐出空気圧力を常に一
定に保つことができる燃料電池発電システムの制御方法
を提供することを目的としている。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の一実施例を第２図に基づいて説明する
。図において、　　（３）　、　（４）　、　＋７）　
、　（１ｔ）〜（１５Ｌ　（１７）は上述した従来のシ
ステムの構成と同様てある。（２７）は第１図に示す燃
料電池本体（１）。

改質器（２）及びその他関連機器をまとめてブロンつて
示したものである。（２８）はターボ圧縮機（３）のタ
ービン動力の不足を補うためにシステム排ガス配管（７
）の途上に設置された助燃炉、　（２９）はこの助燃炉
（２８）に例えば燃料供給配管（８）から燃料を導いて
供給する燃料配管、　　（３０１は乙の燃料配管（２９
）に設置された流量制御弁、　　（３１）は燃料配管（
２９）内を流れろ燃料流量を検出し流量制御弁（３０）
を調節する流量コントローラ、　（３２）は空気供給配
管（４）から分岐して助燃炉（２８）に接続された空気
配管、　（３３）はこの空気配管（３２）に設置された
流量制御弁、　（３４）は空気配管（３２）内を流れる
空気流量を検出して流量制御弁（３３）を調節する流量
コントローラ、　（３５）は圧力検出器（１３）によっ
て検出されたコンプレッサ（３ｂ）の吐出空気圧力に応
じて流量コントローラ（３１）及び流量コントローラ（
３４）ニ対する制御信号を与える圧力コントローラ、　
　（３６）は圧力コントローラ（１４）から大気開放弁
（１２）に与丸られる操作信号をターボ圧縮機（３）の
定常運転時、過渡運転時に応じて調整する演算器である
。　　　１次いで動作について説明する。システムの定
常運転時、即ち、ターボ圧１′１機（３）の定常運転時
には、演算器（３６）の働きによって大気開放弁（１２
）は全閉あるいは成る一定の微少な開度に保持され。

圧力コントローラ（１４）は実際上機能しない。大気開
放弁（１２）を全開あるいは微少な一定開度に保持する
のは定常運転時のエネルギー損失を最少とするためであ
る。このとき、システムは定常運転であるから本来シス
テム内の全てのプロセス量が一定値に維持されろ筈であ
るが、運転中の外気温。

湿度の変化等によるコンプレッサ（３ｂ）の吸い込み条
件の変化、システム放熱量の変化等により。

実際には温度、圧力等のプロセス量が徐々に変化する。

このような変化に対してもコンプレッサ（３ｂ）の吐出
空気圧力を常に一定に保つことが重要である。このとき
、コンプレッサ（３ｂ）の吐出空気圧力の制御は圧力コ
ントローラ（３５）によって圧力検出器（１３）により
検出される圧力が目標の一定値になるよう助燃炉（２８
）の燃焼量を流量コントローラ（３１’）、　　（３４
）を通して制御することにより行う。即ち、システム定
常皿転時、助燃炉（２８）の燃焼量はコンプレッサ（３
ｂ）の吐出空気圧力一定のフィードバック制御を行う。

一方、システムの負荷変動時においては次のような動作
が行われろ。

先ず、負荷指令の直前に演算器（３６）内の制御回路を
操作することにより大気開放弁（１２）を圧力コントロ
ーラ（１４）の制御支配下にしておく。次に、負荷指令
として助燃炉（２８）への燃料流量及び空気流量の設定
値を直接流量コントローラ（３１）　、　　（３４）に
対して与えてタービン動力を増加させる。乙の結果、コ
ンプレッサ（３ｂ）の吐出空気圧力が上昇しようとする
が、コンプレッサ（３ｂ）の吐出空気圧力は圧力コント
ローラ（１４）の働きによって大気開放弁（１２）の調
節、即ち、大気開放配管（１１）を経由する放出空気流
量の調整により一定制御が行われる。このようにして負
荷指令時にはタービン動力を助燃炉（２８）の燃焼量の
フィードフォワード操作により増加させ、これによりコ
ンプレッサ（３ｂ）の吐出空気流量の増量分の一部をコ
ンプレッサ（３ｂ）の吐出空気圧力を一定に保つｔこめ
にコンブレジす（３ｂ）出口の大気開放配管（１１）か
ら大気開放弁（１２）を介して大気へ放出している状態
でターボ圧縮機（３）のパワーアップが計られてシステ
ム要求空気量が満足される。大気開放弁（１２）からの
放出量。

即ち、大気開放弁（１２）の開度がほぼ一定になった状
態でシステムの要求量に応してシステムへの空気供給配
管（４）に設置した流量調節弁（１５）が開かれてター
ボ圧縮機（３）のコンプレッサ（３ｂ）からの空気がシ
ステムに対して供給される。このとき。

圧力コントローラ（１４）の制御動作により大気開放弁
（１２）の調整２即ち、大気への開放風量の絞り込みが
行われ、コンプレッサ（３ｂ）の吐出空気圧力が常に一
定に維持される。負荷指令に対する状態変化が終了して
システムが整定すれば２次に、コンプレッサ（３ｂ）の
吐出空気圧力の制御を圧力コントローラ（３５）に移す
とともに演算器（３６）によって大気開放弁（１２）の
開度を現在の開度がら徐々に絞り込み最終的に全閉させ
ろがあるいは微少な開度に保持させる。この動作はシス
テムのエネルギー損失を最少にする目的であり、大気開
放弁（１２）の絞り込みはターボ圧縮機（３）及びシス
テムの制御バランスを崩さないよう微調整によって行わ
れろ。

この間、コンプレッサ（３ｂ）の吐出空気圧力は流量コ
ントローラ（３１’ｌ、　　（３４）を通じｔこ助燃炉
（２８）の燃焼量の調整によって一定制御が行われる。

大気開放弁（］２）を絞り込んだ後は負荷定常時の状態
に戻る。

第３図はシステムの負荷変動時におけるプロセス量の変
化を表したものであり２時刻Ｔ１に負荷指令が与えられ
ると、助燃炉（２８）の燃料流量Ｆ１が負荷指令に応じ
たフィードフォワード制御操作によって増加することに
より、システム排ガスに助燃炉（２８）からの燃焼排ガ
スが加わってタービン動力が増大し、ターボ圧縮機（３
）の回転数が増加する。このとき、システムへの空気流
量Ｆ４はまだ負荷指令前の値を維持継続させているため
コンプレッサ（３ｂ）の吐出空気圧力Ｐ１が上昇しよう
とする。これに対して圧力コントローラ（１４）による
圧力一定制御が働き、過剰空気量を大気開放空気流量Ｆ
３として大気へ放出させることによって　　　１コンプ
レツサ（３ｂ）の吐出空気圧力Ｐ１が一定に維持される
。助燃炉（２８）に対するフィードフォワード操作が安
定した時点でシステムへの空気流量Ｆ４を負荷指令に基
づく目標値まで増加させると。

この過程で、コンプレッサ（３ｂ）の吐出空気圧力Ｐ１
の一定制御動作により大気開放弁（１２）が絞り込まれ
大気開放空気流量Ｆ３が減少する。システムへの空気流
量Ｆ４が目標値に達した時点（時刻Ｔ２）が負荷変動に
対する第１次整定時点であり、この時点てコンプレッサ
（３ｂ）の吐出空気圧力Ｐｌの制御が大気開放弁（１２
）からの放出風量調節による制御から助燃炉（２８）の
燃焼量調節による制御に切り替丸られる。このあと２演
算器（３６）からの指令で大気開放弁（１２）の漸開動
作が行われ、大気開放弁（１２）が完全に絞り込まれた
時点（時刻Ｔ３１が第２次（最終）整定時点となる。時
刻Ｔ２から時刻Ｔ３に至る過程ではコンプレッサ（３ｂ
）の吐出空気圧力Ｐ１の一定制御動作を介して助燃炉（
２８）への燃料？ｌｉＥ　旦Ｆ　１の絞り込む方向での
制御が行われる。このようにシステムの負荷変動時に積
極的にターボ圧縮機（３）のタービン動力を助燃炉（２
８）の燃焼量によって操作し、この操作によるコンプレ
ッサ（３ｂ）の吐出空気圧力の変動を大気開放弁（１２
）の制御によって抑えコンプレッサ（３ｂ）の吐出空気
圧力を一定制御するようにしているので、負荷速応性が
よく且つ圧力の変動のない安定した空気供給をシステム
に対して行うことができる。又、定常時には大気開放弁
（１２）を全閉あるいは微開とするようにしたので、タ
ーボ圧縮機（３）のコンプレッサ動力を最少限にして維
持でき、それによってシステム効率の向上を図ることが
できる。

〔発明の効果〕

この発明は以上説明した通り、システムの定常運転時は
大気開放弁を全閉あるいは微開にした状態で助燃炉の燃
焼量制御をターボ圧縮機のコンブレジすの吐出空気圧力
一定のフィードバック制御で行い、システムの負荷変動
時は助燃炉の燃焼量制御をプログラムに基づくフィード
フォワード制御で行う一方大気開放弁によりターボ圧縮
機のコンブレジすの吐出空気圧力一定のフィードバック
制御を行うようにしたことにより、ターボ圧縮機のコン
プレッサの吐出空気圧力を簡易に常に一定に保つことが
できる燃料電池発電システムの制御方法を得ることがで
きる。　゛

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の燃料電池発電システムの制御方法を示す
系統図、第２図はこの発明の一実施例による燃料電池発
電システムの制御方法を示す系統図、第３図はこの発明
に係る負荷変動時におけるプロセス量の変化を表す特性
図である。 図において、（１）は燃料電池本体、（２）は改質器。 （３）はターボ圧縮機、　　（３ｍｌはタービン、　　
（３ｂ）はコンプレッサ、（４）は空気供給配管、（７
）はシステム排ガス配管、　（１１）は大気開放配管、
　（１２）は大気開放弁、　　（１４）は圧力コントロ
ーラ、　（１５）は流量調節弁。 （１７）は流量コントローラ、　（２７）は負荷、　　
（２８）は助燃炉、　　（３０）は流量制御弁、　（３
１）は流量コントローラ、（３３）は流量制御弁、　（
３４）は流量コントローラ。 （３５）は圧力コントローラ、　（３６）は演算器であ
る。 尚２図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 燃料電池本体と、この燃料電池本体に改質した燃料を供
   給する改質器と、この改質器からの燃焼排ガス、又は上
   記燃料電池本体の空気極からの余剰空気及び上記改質器
   からの燃焼排ガスの両方によって駆動され、上記燃料電
   池本体及び改質器に必要な圧縮空気を供給するタービン
   とコンプレッサから成るターボ圧縮機と、このターボ圧
   縮機のタービンへ至るシステム排ガス配管に設置された
   上記タービンの不足動力を補う助燃炉と、上記ターボ圧
   縮機のコンプレッサにより圧縮された空気を上記燃料電
   池本体に供給する空気供給配管に分岐して設置された大
   気開放配管と、この大気開放配管に設置された大気開放
   弁を備えた燃料電池発電システムにおいて、システムの
   定常運転時は上記大気開放弁を全閉又は微開にした状態
   で上記助燃炉の燃焼量制御を上記ターボ圧縮機のコンプ
   レッサの吐出空気圧力一定のフィードバック制御で行い
   、システムの負荷変動時は上記助燃炉の燃焼量制御をプ
   ログラムに基づくフィードフォワード制御で行う一方上
   記大気開放弁により上記ターボ圧縮機のコンプレッサの
   吐出空気圧力一定のフィードバック制御を行うことを特
   徴とする燃料電池発電システムの制御方法。