JPH02183965A - 燃料電池発電システム - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は燃料電池光電池システムに関し、特に燃料電
池の負荷に応じた空気流量の制御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
用化を目脂して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、燃料極及び電界質層から
成る燃料電池と、天然ガス等の炭化水素系燃料を改質し
て燃料電池の燃料極に水素リンチガスを供給する改質器
とを備えている。また、燃料電池の空気極に対し酸化剤
として空気を、さらに改質器に対し燃焼用として空気を
供給するための空気供給源が設置される。

いわゆるオンサイト用として、数百ｋ１１１００比較的
小容量のシステムの場合、燃料電池が数百ｍｍＡｑ程度
の圧力で動作する常圧タイプが一般に採用され、この場
合空気供給源には空気ブロワが適用される。

この様な燃料電池発電システムにおいて、部分負荷の効
率を向上させることなどを目的として、燃料電池の負荷
に応じて燃料や空気の量を変化させることが一般に行わ
れる。この具体的な従来の方法として、例えば日本産業
機械工業会発行昭和５９年５月「オンサイト型燃料電池
の技術調査報告書」第５３〜５４ページの燃料電池シス
テム系統図に示す方法があり、その概要を第３図に示す
。

図において、＋１１は燃料極（１ａ）、空気極（ｌｂ）
を有する燃料電池、（２）は炭化水素系燃料（図の例で
は天然ガス）を改質して、燃料電池＋１１の燃料極（１
ａ）に水素を多く含む改質ガスを供給する改質器で、改
質反応部（２ａ）とバーナ部（２ｂ）とで構成される。

（３）は燃料電池＋１１の空気極（１ｂ）、及び改質器
（２）のバーナ部（２ｂ）へ空気を供給する空気ブロワ
、（４）は空気ブロワ（３）から燃料電池（１）の空気
極（Ｉ　ｂ）へ空気を供給するための燃料電池空気供給
配管、（５）は空気ブロワ（３）から改質器（２）のバ
ーナ部（２ｂ）へ空気を供給するための改質器空気供給
配管、（８）は燃料電池（１）の空気極（１ｂ）への供
給空気と同空気極（１ｂ）からの排出空気とを熱交換さ
せる熱交換器である。（６）は燃料電池空気供給配管（
４）の途中に設けた燃料電池空気ｔＦ１節弁、イア）は
改質器空気供給配管（５）の途中に設けた改質器空気調
節弁、（９）はこれらの調節弁（６）、（７）の開度を
調節するコントローラである。

次に、上記の様に構成された従来のシステムの動作につ
いて説明する。天然ガス等の炭化水素系燃料が改質器（
２）の反応部（２ａ）に投入され、その中で改質反応が
行われ、水素を主成分とする改質ガスに変換される。改
質ガスは燃料電池（１１の燃料極（１ａ）に供給され、
そこで反応に消費される。消費されたあとの残りの余剰
燃料は改質器（２）のバーナ部（２ｂ）に送られる。バ
ーナ部（２ｂ）では余剰燃料を燃焼させ、反応部（２ａ
）に対し改質反応に必要な熱を与える。空気ブロワ（３
）からの空気の一部は、燃料電池空気供給配管（４１を
経て、さらに熱交換器（８）で予熱されて燃料電池（１
１の空気極（ｌｂ）に供給される。空気ブロワ（３）か
らの残りの空気は、改質器空気供給配管（５）を経て改
質器（２）のバーナ部（２ｂ）へ供給され、そこで燃焼
用空気として消費される。

空気極（１ｂ）において反応に使われた残りの排出空気
は熱交換器（８）を経て、バーナ部（２ｂ）からの燃焼
排ガスとともに大気へ放出される。燃料電池空気供給配
管（４）上に設けられた燃料電池空気調節弁（６）、改
質器空気供給配管（５）上に設けられた改質器空気調節
弁（７）は燃料電池ｉｌｌの負荷に応じてそれぞれの空
気流量を適正に調節するためのもので、負荷に応じた弁
の開度指令がコントローラ（９）より各調節弁に対して
与えられる。部分負荷条件時は、効率の向上、システム
内での熱バランスなどの点から、燃料、空気の量を定格
条件時よりも減らす必要があり、このため、コントロー
ラ（９）より各々の調節弁（６）、（７）に対し、負荷
に応じた開度指令が与えられる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のシステムは、上記に示したように、調節弁のみで
空気流量を制御しようとするものであったが、この様な
方法では、空気ブロワの特性上、空気流量を広い範囲で
安定に制御することが困難であるという問題点があった
。即ち、一般の空気ブロワは、低い流量域でサージング
と呼ばれる不安定現象を起こすため、流量の制御範囲が
ある値以上に限られるという問題があった。また空気ブ
ロワの吐出側調節弁を絞って空気流量を制御する方式で
は、あまり空気ブロワ動力の低減にはならず、空気流量
を絞っても、部分負荷効率の向上には殆どつながらない
という問題点もあった。

この発明は上記の様な問題点を解決するためになされた
もので、空気ブロワから燃料電池及び改質器へ供給され
る空気の流量を燃料電池の負荷に応じて、広い範囲で安
定に制御することができる燃料電池発電システムを提供
するものである。

（課題を解決するための手段〕 この発明に係わる燃料電池発電システムは、空気ブロワ
から燃料電池に至る燃料電池空気供給配管上又は空気ブ
ロワから改質器に至る改質器空気供給配管上の少なくと
も一方に設置された調節弁と、空気ブロワの回転数を制
御する制御手段とを設けたものである。

〔作　用〕

この発明における燃料電池発電システムは、空気ブロワ
の回転数を制御することにより、空気ブロワから燃料電
池及び改質器へ供給される空気の流量を燃料電池の負荷
に応じ、広い流量範囲で安定に制御することができる。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の一実施例を第１図に基いて説明する。

第１図において、＋１１〜（２）、（４）〜（９）は上
述した従来システムの構成と同じものである。　Ｑｌは
回転数制御が可能な空気プロワ、ａυは、この空気ブロ
ワα場の回転数を制御する例えばインバータから制御手
段（以下、インバータと記す）である。

次に、この発明の詳細な説明する。天然ガス等の炭化水
素系燃料が改質器（２）の改質反応部（２ａ）で改質ガ
スに変換され、改質ガスが燃料電池（１１の燃料極（１
ａ）に導かれ、そこで反応に消費された残りの余剰燃料
が改質器（２）のバーナ部（２ｂ）へ送られ燃焼に消費
される。空気プロワＯ１から供給される空気の一部が、
燃料電池空気供給配管器（４）を経て、熱交換器（８）
で予熱されたあと燃料電池＋１１の空気極（１ｂ）に供
給され、空気プロワＯ１からの残りの空気は、改質器空
気供給配管（５）を経て改質器（２）のバーナ部（２ｂ
）に燃焼用として送られる。空気極（！ｂ）で反応に使
われた残りの排出空気は熱交換器（８）を経て、バーナ
部（２ｂ）からの燃焼排ガスとともに大気へ放出される
。以上の動作は上述した従来技術の動作と同じである。

この発明の実施例では、燃料電池（１）及び改質器（２
）への供給空気の流量の制御が、燃料電池空気供給配管
（４）、改質器空気供給配管（５）にそれぞれに設けた
調節弁（６１，＋７１の制御と、空気ブロワ顛の回転数
制御とを組合わせて行われる。

この制御方法の一例を第２図について説明する。

第２図の亜は、空気プロワの特性曲線を示すもので、０
罎、０嚇は、空気プロワＯＩの風圧（Ｐ）−風量（Ｑ）
特性曲線上にシステムの運転動作点をプロットしたもの
である。まず、システムの定格負荷条件においては、空
気プロワα１は定格条件での必要風量、風圧を維持する
だけの回転数Ｎ１で運転される。空気プロワ叫の回転数
は、コントローラ（９）からインバータａυに対し指令
値が与えられ、それによりインバータａｌｌに接続され
た空気プロワ０１の電導機の周波数が制御されて、所要
の値に維持される。この状態での空気プロワ（ＩＩの風
圧−風量特性曲線、及びシステムの空気系統の圧力損失
曲線が図の０３．αｅであり、それぞれの曲線Ｑ’Ｊ、
ＱＩ９が交叉するポイント（第２図のＡ点）が空気プロ
ワ０Ｉｌｌｌの定格動作点となる。破線で示した曲線０
９は、空気プロワαψのサージング限界線であり、この
曲線０９から左側のゾーン（低風量側）ではサージング
発生の恐れがあるため、曲線ａ９の右側のゾーン（高風
量側）に動作点をもって来なければならない。定格動作
点（Ａ）は、このサージング限界線０５１に対し、十分
な余裕があり問題ない。次に部分負荷運転を行う場合、
従来技術のとおり調節弁（６）。

（７）を絞ることのみで、風量をコントロールした場合
、空気プロワＱｌの動作点が、回転数Ｎ、での特性曲線
０１上を低風量側に移動するために、サージ、ング域に
入るか或は近づく可能性があった。従来技術による部分
負荷動作点の一例を８１に示す。

この発明による方法では、まず負荷低減とともに調節弁
＋６１．１７１の開度一定のまま空気プロワα〔の回転
数を下げる。燃料電池＋１１及び改質器（２）へ必要な
空気を供給できる最低の回転数Ｎ！までの範囲（図のＡ
−Ｘの範囲）は、空気プロワＯ１の回転数制御で対応す
る。それ以上の負荷低減に対しては、空気プロワＯ１の
回転数を固定し、調節弁（６１，１７１の開度を絞り空
気流量を減少させる。Ｕ４節弁＋６１．　＋７１を絞る
ことにより、システムの空気系統の圧力損失が増大する
ので、動作点は回転数Ｎ８一定の特性曲線−上を低風量
側へ移動し、例えばＢ点に至る。空気プロワαｌは回転
数によって、サージング限界が図の様に変化し、低い回
転数はどサージング限界が狭く、逆に安定域が広がる傾
向にある。

このため、同じ部分負荷空気流量（Ｑｇ）に於いても、
従来技術では、サージング限界αつの内側（Ｂ１点）に
あったものが、この発明による方法ではサージング限界
α−の外側（Ｂ点）で安定に動作させることができる０
本発明によれば、例えば図のＢ点をシステムの最低負荷
条件相当とした場合、空気プロワ６Ｉの動作点はＡ←−
Ｘ　−Ｂの各点の間を安定に移動する。また、図のＱｌ
　、α喝は、上述した回転数Ｎ、、Ｎ、にそれぞれ対応
する空気プロワα〔の動力（Ｌ）−風量（Ｑ）の特性曲
線である。先に述べた空気プロワＱｌの風圧（Ｐ）風量
（Ｑ）特性曲線上にプロットしたＡＸＸ、Ｂ。

８３点が、それぞれ曲Ａ１１（ＩＩＩ、　Ｑｌ上（７）
　ａ　、　ｘ　、　ｂ、ｂ、に対応する。これに示す樟
に、従来技術だと部分負荷条件時に於いても空気プロワ
動力は定格時に比べさほど低下しないのに圧し、この発
明による方法では、部分負荷時の空気プロワ動力を大幅
に低減させることが可能で、その分システムの部分負荷
効率を向上させることが可能である０部分負荷効率を空
気ブロワａ１の回転数制御のみで行い、調節弁を使用し
ない方法も考えられるが、低負？ｒＪｗｉ域では空気プ
ロワα・の吐出圧力が低下するので、燃料電池（１１用
と改質器（２）用にバランス良く空気を供給することが
困難であり、実用は難しい。

なお、上記実施例では、部分負荷における空気流量制御
を、空気ブロワＱｌの回転数制御による負荷領域と、調
節弁（６１，（７）の制御による負荷領域に分ける例を
示したが、必ずしもこの様に分ける必要がなく、負荷低
減とともに空気ブロワＱｌの回転数制御と調節弁（６１
，（７１の制御を併用しても良く、上記実施例と同じ効
果を奏する。この方法による動作点移動の一例を第２図
のＴ２−に示す、要は、空気ブロワａωの回転数制御と
調節弁１６１．１７）の量制御を組合せることが重要で
あり、それにより本発明の目的が達せられる。

また、上記実施例では、燃料電池空気供給配管（４）上
と改質器空気供給配管（５）上の両方に調節弁（６）（
７）を設ける例を示したが、必ずしも両方に調節弁を設
ける必要はなく、いずれか一方にのみ調節弁を設けても
良い０例えば、改質器（２）に要求される空気供給圧力
が、燃料電池＋１１に要求される。空気供給圧力よりも
高い場合、改質器空気供給配管（５）上の調節弁（７）
は必ずしも必要ではなく省略できる。

この場合、負荷の変化に際し、改質器（２）への空気流
量の制御は基本的に空気ブロワＯ１の回転数制御で行い
、燃料電池＋１１への空気流量制御は、調節弁（６）の
制御により行う、逆の場合も同様である。

〔発明の効果〕

以上の様に、この発明によれば、燃料電池の負荷に応じ
、空気ブロワの回転数を制御して空気流量を制御するよ
うに構成したので、燃料電池と改質器に対し広い流量範
囲で安定に空気を供給するできる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による燃料電池発電システ
ムを示す系統図、第２図はこの発明における空気ブロワ
の特性曲線の一例を示す特性図、第３図は従来の燃料電
池発電システムを示す系統図である。 図において、【１）は燃料電池本体、（１ａ）は燃料極
、（ｌｂ）は空気極、（２）は改質器、（４）は燃料電
池空気供給配管、（５■よ改質器空気供給配管、（６）
は燃料電池空気調節弁、（７）は改質器空気調節弁、Ｑ
ｌは空気ブロワ、ａυはインバータである。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。 １と）、 項三 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 燃料電池と、炭化水素系燃料を改質して前記燃料電池に
   水素ガスを供給する改質器と、前記燃料電池と前記改質
   器に空気を供給する空気ブロワとを備えた燃料電池発電
   システムにおいて、前記空気ブロワから前記燃料電池に
   至る燃料電池空気供給配管上又は、前記空気ブロワから
   前記改質器に至る改質器空気供給配管上の少くとも一方
   に設置された調節弁と、前記空気ブロワの回転数を制御
   する制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池発電
   システム。