JPH0317352B2 - - Google Patents
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- JPH0317352B2 JPH0317352B2 JP59202686A JP20268684A JPH0317352B2 JP H0317352 B2 JPH0317352 B2 JP H0317352B2 JP 59202686 A JP59202686 A JP 59202686A JP 20268684 A JP20268684 A JP 20268684A JP H0317352 B2 JPH0317352 B2 JP H0317352B2
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- air
- pressure
- compressor
- fuel cell
- turbine
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
[産業上の利用分野]
本発明は、ターボ圧縮機を備えた燃料電池発電
システムの負荷制御方式に関するものである。
システムの負荷制御方式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、石油、石炭などを燃
料とする汽力発電システムに比べて高い熱効率を
得ることが可能であるうえに、環境保全性が良
く、立地上の融通性を有している。そのため、近
時、宇宙開発などの特殊用途の電源だけでなく、
商用電力用電源としての使途が種々検討されてお
り、その実用化を目指して開発が活性化してい
る。
料とする汽力発電システムに比べて高い熱効率を
得ることが可能であるうえに、環境保全性が良
く、立地上の融通性を有している。そのため、近
時、宇宙開発などの特殊用途の電源だけでなく、
商用電力用電源としての使途が種々検討されてお
り、その実用化を目指して開発が活性化してい
る。
燃料電池発電システムは、空気極と水素極との
間に電解質層を介設してなる燃料電池と、天然ガ
ス等の炭化水素系燃料を改質して前記水素極に燃
料となる水素ガスを供給する改質器と、前記空気
極および前記改質器に空気を供給する空気供給手
段とを備えている。そして、前記燃料電池の性能
は、各反応ガスの圧力の増大に伴つて向上する傾
向を示す。このため前記各反応ガスの動作圧力
は、例えば4〜6Kg/cm2g程度の値に設定され
る。このとき、空気の圧縮には多大の動力を必要
とし、その値は電池の発生エネルギーの約20%に
も達する。一方、電池の燃料ガスを生成するため
の改質反応は約800℃の高温で行なわれ、前記改
質器からは高い温度の排ガスが排出される。した
がつて、空気を圧縮するための動力をシステムの
排ガスエネルギーに求めることができれば、シス
テムの効率向上に大きな効果がある。
間に電解質層を介設してなる燃料電池と、天然ガ
ス等の炭化水素系燃料を改質して前記水素極に燃
料となる水素ガスを供給する改質器と、前記空気
極および前記改質器に空気を供給する空気供給手
段とを備えている。そして、前記燃料電池の性能
は、各反応ガスの圧力の増大に伴つて向上する傾
向を示す。このため前記各反応ガスの動作圧力
は、例えば4〜6Kg/cm2g程度の値に設定され
る。このとき、空気の圧縮には多大の動力を必要
とし、その値は電池の発生エネルギーの約20%に
も達する。一方、電池の燃料ガスを生成するため
の改質反応は約800℃の高温で行なわれ、前記改
質器からは高い温度の排ガスが排出される。した
がつて、空気を圧縮するための動力をシステムの
排ガスエネルギーに求めることができれば、シス
テムの効率向上に大きな効果がある。
このような事情から近時の燃料電池発電システ
ムでは、前記空気供給手段としてターボ圧縮機を
使用する例が一般化している。すなわち、ターボ
圧縮機は、燃料電池の空気極出口の余剰空気およ
び改質器の排ガスにより駆動されるタービンと、
このタービンに直結され該タービンに付勢されて
前記燃料電池および前記改質器に必要な圧縮空気
を供給するコンプレツサとを具備してなるもの
で、前記排ガス等が有しているエネルギーをター
ビンで回収して空気を圧縮する仕事に利用しシス
テム効率の向上を図るものである。
ムでは、前記空気供給手段としてターボ圧縮機を
使用する例が一般化している。すなわち、ターボ
圧縮機は、燃料電池の空気極出口の余剰空気およ
び改質器の排ガスにより駆動されるタービンと、
このタービンに直結され該タービンに付勢されて
前記燃料電池および前記改質器に必要な圧縮空気
を供給するコンプレツサとを具備してなるもの
で、前記排ガス等が有しているエネルギーをター
ビンで回収して空気を圧縮する仕事に利用しシス
テム効率の向上を図るものである。
ところで、このような燃料電池発電システムに
おいては、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。しかし
て、燃料電池および改質器に供給される空気の量
は例えば25〜100%の範囲で変動制御を要求され
る。一方、燃料電池へ供給する空気の圧力は燃料
電池の特性維持の点から、および燃料側の圧力と
の差圧を抑え両極間のガスのリークすなわちクロ
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。
おいては、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。しかし
て、燃料電池および改質器に供給される空気の量
は例えば25〜100%の範囲で変動制御を要求され
る。一方、燃料電池へ供給する空気の圧力は燃料
電池の特性維持の点から、および燃料側の圧力と
の差圧を抑え両極間のガスのリークすなわちクロ
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。
この具体的な方法として、特開昭58−12268号
公報に提案されている従来の例を、第1図に示
す。図において、1は燃料電池であり、1a,1
b,1cはそれぞれ燃焼電池1の空気極、燃料極
および電解質部分を示す。2は炭化水素燃料を水
素リツチガスに変換するための改質器であり、2
a,2bは前記改質器2のバーナ部と反応部を示
す。3はターボ圧縮機であり、3a,3bはこの
ターボ圧縮機3のタービン部分およびコンプレツ
サ部分を示す。4,5,6はコンプレツサ吐出圧
を制御する機構であり、4は圧力を調節するため
の大気開放弁、5は圧力発信器、6は圧力コント
ローラを示す。7,8,9は燃料電池へ供給する
空気の量を調節する流量調節機構であり、7は流
量調節弁、8は流量発信器、9は流量コントロー
ラである。10はコンヴレツサ3bからの空気を
燃料電池1へ導く空気供給配管(コンプレツサ吐
出配管)、11は燃料電池景気極1aからの排空
気をタービン3aに導く余剰空気配管、12は改
質器バーナ部2aからの燃料排ガス配管、13は
前記余剰景気配管11と前記燃料排ガス配管12
が合流した後タービン3aに導入されるまでの間
のシステム排ガス配管、14は大気開放配管であ
る。また、15,16,17は燃料電池1の反応
空気圧力を制御する機構であり、15は圧力調整
弁、16はコンプレツサ吐出圧と反応空気圧力と
の差圧を検出する差圧発信器、17は圧力コント
ローラを示す。18,19,20は燃料電池1の
反応燃料ガス圧力を制御する機構であり、18は
圧力調節弁、19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発信器、20は圧力
コントローラである。21は改質反応部2bへの
燃料給配管、22は燃料電池燃料極1bへの改質
ガス供給配管、23は燃料電池1からの余剰燃料
を改質器バーナ部2aへ供給する余剰燃料供給配
管である。24,25,26は改質器反応部2b
への燃料の量を調節する機構であり、24は流量
調節弁、25は流量発信器、26は流量コントロ
ーラを示す。なお、この特開昭58−12268号の従
来例では省略されているが、空気供給配管10よ
り分岐して改質器バーナ部2aへ燃料用として供
給されるバーナ空気供給配管が第1図に追加され
る。
公報に提案されている従来の例を、第1図に示
す。図において、1は燃料電池であり、1a,1
b,1cはそれぞれ燃焼電池1の空気極、燃料極
および電解質部分を示す。2は炭化水素燃料を水
素リツチガスに変換するための改質器であり、2
a,2bは前記改質器2のバーナ部と反応部を示
す。3はターボ圧縮機であり、3a,3bはこの
ターボ圧縮機3のタービン部分およびコンプレツ
サ部分を示す。4,5,6はコンプレツサ吐出圧
を制御する機構であり、4は圧力を調節するため
の大気開放弁、5は圧力発信器、6は圧力コント
ローラを示す。7,8,9は燃料電池へ供給する
空気の量を調節する流量調節機構であり、7は流
量調節弁、8は流量発信器、9は流量コントロー
ラである。10はコンヴレツサ3bからの空気を
燃料電池1へ導く空気供給配管(コンプレツサ吐
出配管)、11は燃料電池景気極1aからの排空
気をタービン3aに導く余剰空気配管、12は改
質器バーナ部2aからの燃料排ガス配管、13は
前記余剰景気配管11と前記燃料排ガス配管12
が合流した後タービン3aに導入されるまでの間
のシステム排ガス配管、14は大気開放配管であ
る。また、15,16,17は燃料電池1の反応
空気圧力を制御する機構であり、15は圧力調整
弁、16はコンプレツサ吐出圧と反応空気圧力と
の差圧を検出する差圧発信器、17は圧力コント
ローラを示す。18,19,20は燃料電池1の
反応燃料ガス圧力を制御する機構であり、18は
圧力調節弁、19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発信器、20は圧力
コントローラである。21は改質反応部2bへの
燃料給配管、22は燃料電池燃料極1bへの改質
ガス供給配管、23は燃料電池1からの余剰燃料
を改質器バーナ部2aへ供給する余剰燃料供給配
管である。24,25,26は改質器反応部2b
への燃料の量を調節する機構であり、24は流量
調節弁、25は流量発信器、26は流量コントロ
ーラを示す。なお、この特開昭58−12268号の従
来例では省略されているが、空気供給配管10よ
り分岐して改質器バーナ部2aへ燃料用として供
給されるバーナ空気供給配管が第1図に追加され
る。
このような従来例で述べられている負荷変動時
の動作について説明する。燃料電池1の負荷を減
少させる過程においてコンプレツサ3bの供給空
気量の減少に伴ないコンプレツサ吐出圧も減少す
るが、次の方法により反応空気圧力または反応空
気圧力と反応燃料ガス圧力との差圧の維持を図つ
ている。まず、定格負荷よりある負荷領域までの
範囲は、大気開放弁4の絞り調節によつてコンプ
レツサ吐出圧力を一定に保ち反応空気圧力を維持
する。大気開放弁4の調節代がなくなる負荷領域
以下の範囲では、コンプレツサ吐出圧の低下に反
応空気圧力を連動させるように、すなわち圧力調
節弁15によりコンプレツサ吐出圧に対する反応
空気圧力の差圧を維持するように、また、圧力調
節弁18により反応燃料ガス圧力と反応空気圧力
との差圧を一定に保つように制御調節する。これ
により、燃料電池に安定して空気を供給でき、さ
らに反応空気と反応燃料ガスとの差圧を維持しク
ロスオーバ現象が生じるのを防止することができ
る。すなわち、このシステムは、基本的には大気
開放弁4の調節によつて定風圧を維持するが大気
開放弁4の調節代がなくなればコンプレツサ吐出
圧力が降下するのに連動して燃料電池の反応ガス
の圧力を下げようとするものである。
の動作について説明する。燃料電池1の負荷を減
少させる過程においてコンプレツサ3bの供給空
気量の減少に伴ないコンプレツサ吐出圧も減少す
るが、次の方法により反応空気圧力または反応空
気圧力と反応燃料ガス圧力との差圧の維持を図つ
ている。まず、定格負荷よりある負荷領域までの
範囲は、大気開放弁4の絞り調節によつてコンプ
レツサ吐出圧力を一定に保ち反応空気圧力を維持
する。大気開放弁4の調節代がなくなる負荷領域
以下の範囲では、コンプレツサ吐出圧の低下に反
応空気圧力を連動させるように、すなわち圧力調
節弁15によりコンプレツサ吐出圧に対する反応
空気圧力の差圧を維持するように、また、圧力調
節弁18により反応燃料ガス圧力と反応空気圧力
との差圧を一定に保つように制御調節する。これ
により、燃料電池に安定して空気を供給でき、さ
らに反応空気と反応燃料ガスとの差圧を維持しク
ロスオーバ現象が生じるのを防止することができ
る。すなわち、このシステムは、基本的には大気
開放弁4の調節によつて定風圧を維持するが大気
開放弁4の調節代がなくなればコンプレツサ吐出
圧力が降下するのに連動して燃料電池の反応ガス
の圧力を下げようとするものである。
[発明が解決しようとする問題点]
ところが、このような従来構成のものは、次の
理由で必ずしも電池の特性が維持されないという
欠点を有する。すなわち、燃料電池は、通常、そ
の電池本体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ツフア容積が大きいため、
反応ガス圧力の変化速度に追従させて筐体窒素ガ
ス圧力を変化させるのは困難である。つまり、負
荷変動時に電池の反応ガス圧力を変化させれば、
筐体窒素ガス圧力との間に大きな圧力差を生じ、
マニホールドシールが破れて反応ガス中に窒素ガ
スが漏れ込んだり、逆に反応ガスが筐体中に漏洩
して燃料電池の特性を劣化させるという問題があ
る。
理由で必ずしも電池の特性が維持されないという
欠点を有する。すなわち、燃料電池は、通常、そ
の電池本体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ツフア容積が大きいため、
反応ガス圧力の変化速度に追従させて筐体窒素ガ
ス圧力を変化させるのは困難である。つまり、負
荷変動時に電池の反応ガス圧力を変化させれば、
筐体窒素ガス圧力との間に大きな圧力差を生じ、
マニホールドシールが破れて反応ガス中に窒素ガ
スが漏れ込んだり、逆に反応ガスが筐体中に漏洩
して燃料電池の特性を劣化させるという問題があ
る。
また、第1図に示す従来技術のものは、一定範
囲の負荷領域においては、大気開放弁から高圧空
気を常時棄てることによつてコンプレツサ吐出圧
を一定値に維持せざるを得ないため、エネルギが
無駄に消費される傾向があり、負荷の変動幅が大
きい場合には効率の高い運転が難しという問題も
ある。
囲の負荷領域においては、大気開放弁から高圧空
気を常時棄てることによつてコンプレツサ吐出圧
を一定値に維持せざるを得ないため、エネルギが
無駄に消費される傾向があり、負荷の変動幅が大
きい場合には効率の高い運転が難しという問題も
ある。
また、このものは、定格負荷付近で大気開放調
整により定風圧制御を行つており、コンプレツサ
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
力はコンプレツサ必要動力に対し同等かむしろ不
足する場合があるので、大気開放弁の調整代のみ
を利用した制御は困難になることが予想される。
タービン動力不足は特に部分負荷において顕著で
ある。
整により定風圧制御を行つており、コンプレツサ
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
力はコンプレツサ必要動力に対し同等かむしろ不
足する場合があるので、大気開放弁の調整代のみ
を利用した制御は困難になることが予想される。
タービン動力不足は特に部分負荷において顕著で
ある。
本発明は、このような問題を一挙に解消するこ
とを目的としてなされたものであり、あらゆる運
転域においてタービンの動力不足を招くことがな
い上に、エネルギの無駄使いを最小限に抑えるこ
とができ、しかも、前述した電池の特性劣化の心
配がなく幅広い負荷変動に対して迅速かつ的確に
対応することができる燃料電池発電システムの負
荷制御方式を提供しようとするものである。
とを目的としてなされたものであり、あらゆる運
転域においてタービンの動力不足を招くことがな
い上に、エネルギの無駄使いを最小限に抑えるこ
とができ、しかも、前述した電池の特性劣化の心
配がなく幅広い負荷変動に対して迅速かつ的確に
対応することができる燃料電池発電システムの負
荷制御方式を提供しようとするものである。
[問題を解決するための手段]
本発明は、以上のような目的を達成するため
に、前述したような大気開放弁を備えた燃料電池
発電システムにおいて、ターボ圧縮機のタービン
へ至る排ガス配管途上にタービンの不足動力を補
う助燃炉を配置する(助燃炉を導入するという考
え方のみについては、例えば、特公昭58−56231
号公報に示されているとおり公知である)ととも
に、前記ダーボ圧縮機のタービンを可変ノズル式
のものにし、さらに、システムの定常運転時は前
記大気開放弁を全閉または微開にした状態で助燃
炉の燃焼量制御をコンプレツサ吐出圧力一定のフ
イードバツク制御で行い、また、システム負荷変
動時には助燃炉の燃焼制御とタービンのノズル開
度制御とをプログラムに基くフイードフオワード
制御で行なうとともに前記大気開放弁によりコン
プレツサ吐出圧一定のフイードバツク制御を行わ
せるようにしたことを特徴とする。
に、前述したような大気開放弁を備えた燃料電池
発電システムにおいて、ターボ圧縮機のタービン
へ至る排ガス配管途上にタービンの不足動力を補
う助燃炉を配置する(助燃炉を導入するという考
え方のみについては、例えば、特公昭58−56231
号公報に示されているとおり公知である)ととも
に、前記ダーボ圧縮機のタービンを可変ノズル式
のものにし、さらに、システムの定常運転時は前
記大気開放弁を全閉または微開にした状態で助燃
炉の燃焼量制御をコンプレツサ吐出圧力一定のフ
イードバツク制御で行い、また、システム負荷変
動時には助燃炉の燃焼制御とタービンのノズル開
度制御とをプログラムに基くフイードフオワード
制御で行なうとともに前記大気開放弁によりコン
プレツサ吐出圧一定のフイードバツク制御を行わ
せるようにしたことを特徴とする。
[作用]
このような構成によれば、定常運転時には、大
気開放弁は、全閉または微開の状態に維持され、
助燃炉の燃焼制御によつて、コンプレツサ吐出圧
力が一定になるように制御され、タービン動力が
不足しない範囲でエネルギ損失が最小限に抑えら
れる。一方、システムの負荷が変動する場合に
は、予め設定したプログラムに基いて助燃炉の燃
焼制御とタービンのノズル開度制御とがフイード
フオワード制御により行われる。そして、その場
合には、並行して、大気開放弁によりコンプレツ
サ吐出圧一定のフイードバツク制御が行われ、過
渡期における一時的なコンプレツサ吐出空気量の
増加分は、大気に放出される。しかして、このよ
うな制御の結果、コンプレツサの吐出圧が常時一
定の値に維持されることになり、反応ガス圧力及
び反応ガス圧力と筐体窒素ガス圧力との差圧を常
に一定に保つことができる。
気開放弁は、全閉または微開の状態に維持され、
助燃炉の燃焼制御によつて、コンプレツサ吐出圧
力が一定になるように制御され、タービン動力が
不足しない範囲でエネルギ損失が最小限に抑えら
れる。一方、システムの負荷が変動する場合に
は、予め設定したプログラムに基いて助燃炉の燃
焼制御とタービンのノズル開度制御とがフイード
フオワード制御により行われる。そして、その場
合には、並行して、大気開放弁によりコンプレツ
サ吐出圧一定のフイードバツク制御が行われ、過
渡期における一時的なコンプレツサ吐出空気量の
増加分は、大気に放出される。しかして、このよ
うな制御の結果、コンプレツサの吐出圧が常時一
定の値に維持されることになり、反応ガス圧力及
び反応ガス圧力と筐体窒素ガス圧力との差圧を常
に一定に保つことができる。
なお、タービンの動力は、入口圧力一定の場
合、(入口絶対温度T)1/2とノズル面積Sに比例す
るので、負荷変動時に助熱炉の燃焼量制御だけで
なく、ノズル面積をも制御するようにすれば、タ
ービンの入口温度(排ガス温度)を比較的抑制し
た状態でタービンパワーを所望の値にまでアツプ
できる。そのため、後に詳述するように、負荷変
動時の燃料消費量をも節約できるだけでなく、負
荷を変動させるのに要する時間を短縮することが
できる。
合、(入口絶対温度T)1/2とノズル面積Sに比例す
るので、負荷変動時に助熱炉の燃焼量制御だけで
なく、ノズル面積をも制御するようにすれば、タ
ービンの入口温度(排ガス温度)を比較的抑制し
た状態でタービンパワーを所望の値にまでアツプ
できる。そのため、後に詳述するように、負荷変
動時の燃料消費量をも節約できるだけでなく、負
荷を変動させるのに要する時間を短縮することが
できる。
[実施例]
以下、本発明の一実施例を第2図および第3図
を参照して説明する。
を参照して説明する。
なお、第1図に示すものと同一または相当する
部分には同一の記号を付して説明を省略する。ま
た、第2図に示す負荷39は、第1図に示す燃料
電池1、改質器2および関連機器をまとめて示し
たものである。
部分には同一の記号を付して説明を省略する。ま
た、第2図に示す負荷39は、第1図に示す燃料
電池1、改質器2および関連機器をまとめて示し
たものである。
第2図において、27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
13途上に設置した助燃炉、28はこの助燃炉2
7に対する燃料供給配管、29はこの燃料供給配
管28に設置された燃料流量制御弁、30は燃料
供給配管28を流れる燃料流量を検出して前記燃
料流量制御弁29を調節するための助燃炉燃料流
量コントローラである。ターボ圧縮機3は、第1
図に示すものとは異なり、タービン3aに可変ノ
ズル3cを備えたいわゆる可変ノズル式のもので
ある。可変ノズル3cは、例えば、特願昭58−
103160号に示されるように、電気信号により作動
するステツピングモータ等のアクチユエータによ
り弁体等を駆動し、その弁体等の動きによりノズ
ルの開口面積を変化させ得るように構成したもの
である。助燃炉27は、前記燃料供給配管28か
ら逐次供給される燃料を燃焼させて前記システム
排ガス配管13を流通する排ガスに熱エネルギを
付与するようにしたものである。また、31はタ
ーボ圧縮機3のコンプレツサ3bから吐出される
空気を案内するコンプレツサ吐出配管10から分
岐させて助燃炉27に接続した空気配管、32は
この空気配管31に設置された助燃炉燃焼要空気
流量制御弁、33は空気配管31を流れる空気流
量を検出して空気流量制御弁32を調節するため
の助燃炉用空気流量コントローラ、34はターボ
圧縮機3のコンプレツサ3bの出口に設置された
圧力検出器5によつて検出されたコンプレツサ吐
出圧力に応じて助燃炉燃料量コントローラ30お
よび助燃炉燃焼用空気流量コントローラ33に対
する制御信号を与えるための圧力コントローラ、
35は圧力コントローラ6から大気開放弁4に与
えられる操作信号をターボ圧縮機3の定常運転
時、過度運転時に応じて調整するための演算器で
ある。また、36は前記システム排ガス配管13
内の排ガス圧力を検出する圧力発信器、37は圧
力コントローラ、38は異常時にのみ前記可変ノ
ズル3cを前記圧力コントローラ37の制御支配
下におく演算器である。すなわち、この演算器3
8は、前記圧力発信器36により検出される排ガ
スの圧力が正常な範囲の値を示している場合に
は、後述するようなプログラムに基く負荷指令信
号を前記可変ノズル3cに伝え、この負荷指令信
号によりノズル開度制御を行わせる。一方前記排
ガスの圧力が正常な範囲から外れて例えば低下し
たような場合には、前記負荷指令信号を一旦遮断
し、前記圧力コントローラ37の働きによりその
排ガス圧力が正常な範囲に戻るようにノズル開度
制御を行わせるようになつている。
ビン動力の不足を補うためにシステム排ガス配管
13途上に設置した助燃炉、28はこの助燃炉2
7に対する燃料供給配管、29はこの燃料供給配
管28に設置された燃料流量制御弁、30は燃料
供給配管28を流れる燃料流量を検出して前記燃
料流量制御弁29を調節するための助燃炉燃料流
量コントローラである。ターボ圧縮機3は、第1
図に示すものとは異なり、タービン3aに可変ノ
ズル3cを備えたいわゆる可変ノズル式のもので
ある。可変ノズル3cは、例えば、特願昭58−
103160号に示されるように、電気信号により作動
するステツピングモータ等のアクチユエータによ
り弁体等を駆動し、その弁体等の動きによりノズ
ルの開口面積を変化させ得るように構成したもの
である。助燃炉27は、前記燃料供給配管28か
ら逐次供給される燃料を燃焼させて前記システム
排ガス配管13を流通する排ガスに熱エネルギを
付与するようにしたものである。また、31はタ
ーボ圧縮機3のコンプレツサ3bから吐出される
空気を案内するコンプレツサ吐出配管10から分
岐させて助燃炉27に接続した空気配管、32は
この空気配管31に設置された助燃炉燃焼要空気
流量制御弁、33は空気配管31を流れる空気流
量を検出して空気流量制御弁32を調節するため
の助燃炉用空気流量コントローラ、34はターボ
圧縮機3のコンプレツサ3bの出口に設置された
圧力検出器5によつて検出されたコンプレツサ吐
出圧力に応じて助燃炉燃料量コントローラ30お
よび助燃炉燃焼用空気流量コントローラ33に対
する制御信号を与えるための圧力コントローラ、
35は圧力コントローラ6から大気開放弁4に与
えられる操作信号をターボ圧縮機3の定常運転
時、過度運転時に応じて調整するための演算器で
ある。また、36は前記システム排ガス配管13
内の排ガス圧力を検出する圧力発信器、37は圧
力コントローラ、38は異常時にのみ前記可変ノ
ズル3cを前記圧力コントローラ37の制御支配
下におく演算器である。すなわち、この演算器3
8は、前記圧力発信器36により検出される排ガ
スの圧力が正常な範囲の値を示している場合に
は、後述するようなプログラムに基く負荷指令信
号を前記可変ノズル3cに伝え、この負荷指令信
号によりノズル開度制御を行わせる。一方前記排
ガスの圧力が正常な範囲から外れて例えば低下し
たような場合には、前記負荷指令信号を一旦遮断
し、前記圧力コントローラ37の働きによりその
排ガス圧力が正常な範囲に戻るようにノズル開度
制御を行わせるようになつている。
次いで、このシステムの動作について説明す
る。
る。
システムの定常運転時、すなわち、ターボ圧縮
機3の定常運転時には、演算器35の働きによつ
て大気開放弁4は全閉あるいは一定の微小な開度
に保持され、圧力コントローラ6は実際上機能し
ない。大気開放弁4を全閉あるいは微小な一定開
度にするのは定常運転時のエネルギ損失を最小と
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るはずであるが、運転中の
外気温、湿度と変化によるコンプレツサ吸込み条
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前に記述したとおり、
コンプレツサ3bの吐出圧力を常に一定に保つこ
とが重要である。このときコンプレツサ3bの吐
出圧力の制御は、圧力コントローラ34によつて
圧力検出器5から検出される圧力が目標の一定値
になるように助燃炉27の燃焼量を流量コントロ
ーラ30,33を通じて制御することにより行
う。すなわち、システム定常運転時には、助燃炉
燃焼量の調整により、コンプレツサ吐出圧力一定
のフイードバツク制御を行う。
機3の定常運転時には、演算器35の働きによつ
て大気開放弁4は全閉あるいは一定の微小な開度
に保持され、圧力コントローラ6は実際上機能し
ない。大気開放弁4を全閉あるいは微小な一定開
度にするのは定常運転時のエネルギ損失を最小と
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るはずであるが、運転中の
外気温、湿度と変化によるコンプレツサ吸込み条
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前に記述したとおり、
コンプレツサ3bの吐出圧力を常に一定に保つこ
とが重要である。このときコンプレツサ3bの吐
出圧力の制御は、圧力コントローラ34によつて
圧力検出器5から検出される圧力が目標の一定値
になるように助燃炉27の燃焼量を流量コントロ
ーラ30,33を通じて制御することにより行
う。すなわち、システム定常運転時には、助燃炉
燃焼量の調整により、コンプレツサ吐出圧力一定
のフイードバツク制御を行う。
次に、負荷変動時の動作を述べる。まず、負荷
指令の直前に演算器35内の制御回路を操作する
ことにより、大気開放弁4を圧力コントローラ6
の制御支配下におく。次に、負荷指令として、助
燃炉燃料流量および燃焼用空気流量の設定値を直
接流量コントローラ30,33に対して与えてタ
ービング動力を増加させる。この結果、コンプレ
ツサ3bの吐出圧力が上昇しようとするが、コン
プレツサ3bの吐出圧力は圧力コントローラ6の
働きによつて大気開放弁4の調節、すなわち、大
気開放配管14を経由する放出空気量の調節によ
り一定制御が行われる。このようにして負荷指令
時には、ダービン動力を助燃炉燃焼量のフイード
フオワード操作により増加させ、これによるコン
プレツサ3bの吐出空気流量の増加分の一部をコ
ンプレツサ吐出圧力を一定に保つためにコンプレ
ツサ出口側で大気放出させるようになつており、
その状態でターボコプレツサ3のパワーアツプが
計られてシステム要求空気量が満足される。大気
開放弁4からの放出量(大気開放弁の開度)が所
要の値に達した状態でシステム要求量に応じてシ
ステム空気流量調節弁7が開かれてターボ圧縮機
からの空気がシステムに対して供給される。そし
て、この際に、予めプログラムされた負荷指令に
基いて、タービン3aのノズル3cの開度をフイ
ードフオワード制御により変更して、排ガス流量
の変化に対処する。すなわち、タービン3aを通
過する排ガス流量Wは、ノズル開口面積をS、ノ
ズル入口圧力をP、ノズル入口絶対温度をTとす
ると、S・P/√に比例する。しかして、前記
ノズル3cの制御パターンは、システム排ガス流
量の変化に伴なつて前記ノズル入口圧力Pが変動
したり、ノズル入口絶対温度Tを変更する必要が
生じたり、あるいは、タービン3cの上流側の排
ガスの一部を大気に直接放出する必要が生じたり
することがないようにプログラムしておく。この
とき、圧力コントローラ6の制御動作により大気
開放弁4の調整すなわち大気へ開放風量の制御が
行われ、コンプレツサ吐出圧が常に一定に維持さ
れる。
指令の直前に演算器35内の制御回路を操作する
ことにより、大気開放弁4を圧力コントローラ6
の制御支配下におく。次に、負荷指令として、助
燃炉燃料流量および燃焼用空気流量の設定値を直
接流量コントローラ30,33に対して与えてタ
ービング動力を増加させる。この結果、コンプレ
ツサ3bの吐出圧力が上昇しようとするが、コン
プレツサ3bの吐出圧力は圧力コントローラ6の
働きによつて大気開放弁4の調節、すなわち、大
気開放配管14を経由する放出空気量の調節によ
り一定制御が行われる。このようにして負荷指令
時には、ダービン動力を助燃炉燃焼量のフイード
フオワード操作により増加させ、これによるコン
プレツサ3bの吐出空気流量の増加分の一部をコ
ンプレツサ吐出圧力を一定に保つためにコンプレ
ツサ出口側で大気放出させるようになつており、
その状態でターボコプレツサ3のパワーアツプが
計られてシステム要求空気量が満足される。大気
開放弁4からの放出量(大気開放弁の開度)が所
要の値に達した状態でシステム要求量に応じてシ
ステム空気流量調節弁7が開かれてターボ圧縮機
からの空気がシステムに対して供給される。そし
て、この際に、予めプログラムされた負荷指令に
基いて、タービン3aのノズル3cの開度をフイ
ードフオワード制御により変更して、排ガス流量
の変化に対処する。すなわち、タービン3aを通
過する排ガス流量Wは、ノズル開口面積をS、ノ
ズル入口圧力をP、ノズル入口絶対温度をTとす
ると、S・P/√に比例する。しかして、前記
ノズル3cの制御パターンは、システム排ガス流
量の変化に伴なつて前記ノズル入口圧力Pが変動
したり、ノズル入口絶対温度Tを変更する必要が
生じたり、あるいは、タービン3cの上流側の排
ガスの一部を大気に直接放出する必要が生じたり
することがないようにプログラムしておく。この
とき、圧力コントローラ6の制御動作により大気
開放弁4の調整すなわち大気へ開放風量の制御が
行われ、コンプレツサ吐出圧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、システム
が整定すれば、次に、吐出圧力の制御を圧力コン
トローラ34に移すとともに、演算器35によつ
て大気開放弁4の開度を現在の開度から除々に絞
り込み最終的に全閉させるか、あるいは、微小な
開度に保持される。この動作は、前に述べたとお
りシステムのエネルギ損失を最小にするためのも
のであり、大気開放弁4の絞り込みはターボ圧縮
機3の制御バランスを崩さないよう微調整により
行う。この間、コンプレツサ吐出圧力は流量コン
トローラ30,33を通じた助燃炉燃焼量の調整
によつて一定制御が行なわれる。大気開放弁4を
絞り込んだ後は負荷定常時の状態に戻る。
が整定すれば、次に、吐出圧力の制御を圧力コン
トローラ34に移すとともに、演算器35によつ
て大気開放弁4の開度を現在の開度から除々に絞
り込み最終的に全閉させるか、あるいは、微小な
開度に保持される。この動作は、前に述べたとお
りシステムのエネルギ損失を最小にするためのも
のであり、大気開放弁4の絞り込みはターボ圧縮
機3の制御バランスを崩さないよう微調整により
行う。この間、コンプレツサ吐出圧力は流量コン
トローラ30,33を通じた助燃炉燃焼量の調整
によつて一定制御が行なわれる。大気開放弁4を
絞り込んだ後は負荷定常時の状態に戻る。
第3図は、本実施例による負荷変動時のターボ
圧縮機のプロセス量の変化を表わしたものであ
り、時刻t1に負荷指令が与えられると助燃炉燃料
流量F1が負荷指令に応じたフイーダフオワード
制御操作によつて増加することによりシステム排
ガスに助燃炉27からの燃焼排ガスが加わつてタ
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。この時システム空気流量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
レツサ吐出圧力P1が上昇しようとする。これに
対して圧力コントローラ6による圧力一定制御が
働き過剰空気量をコンプレツサ吐出大気開放空気
量F3として大気に放出させることによつてコン
プレツサ吐出圧力P1が一定に維持される。助燃
炉27に対するフイードフオワード操作が安定し
た時点で、流量調節弁7を開成させてシステム空
気流量F4を負荷指令に基く目標値まで増加させ
るとともに、ターボ圧縮機3のタービン3aのノ
ズル開度Sをフイードフオワード操作により増加
させると、この過程でP1の一定制御動作により
コンプレツサ出口大気開放弁4の開度が調整され
F3が変化する。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次整定点であり、こ
の時点でコンプレツサ吐出圧力P1の制御がコン
プレツサ出口大気開放弁4からの放風量調整によ
る制御から助燃炉27の燃焼量調節による制御に
切り替えられる。この後、演算器35からの指令
で大気開放弁4の漸閉動作が行われ、大気開放弁
4が完全に絞り込まれた時点(時刻t3)が第2次
(最終)整定時点となる。t2からt3に至る過程で
はP1の一定制御動作を介して助燃炉燃料流量F1
を絞り込む方向での制御が行われる。
圧縮機のプロセス量の変化を表わしたものであ
り、時刻t1に負荷指令が与えられると助燃炉燃料
流量F1が負荷指令に応じたフイーダフオワード
制御操作によつて増加することによりシステム排
ガスに助燃炉27からの燃焼排ガスが加わつてタ
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。この時システム空気流量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
レツサ吐出圧力P1が上昇しようとする。これに
対して圧力コントローラ6による圧力一定制御が
働き過剰空気量をコンプレツサ吐出大気開放空気
量F3として大気に放出させることによつてコン
プレツサ吐出圧力P1が一定に維持される。助燃
炉27に対するフイードフオワード操作が安定し
た時点で、流量調節弁7を開成させてシステム空
気流量F4を負荷指令に基く目標値まで増加させ
るとともに、ターボ圧縮機3のタービン3aのノ
ズル開度Sをフイードフオワード操作により増加
させると、この過程でP1の一定制御動作により
コンプレツサ出口大気開放弁4の開度が調整され
F3が変化する。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次整定点であり、こ
の時点でコンプレツサ吐出圧力P1の制御がコン
プレツサ出口大気開放弁4からの放風量調整によ
る制御から助燃炉27の燃焼量調節による制御に
切り替えられる。この後、演算器35からの指令
で大気開放弁4の漸閉動作が行われ、大気開放弁
4が完全に絞り込まれた時点(時刻t3)が第2次
(最終)整定時点となる。t2からt3に至る過程で
はP1の一定制御動作を介して助燃炉燃料流量F1
を絞り込む方向での制御が行われる。
なお、前記実施例では、タービンの入口側に圧
力発信器圧力コントローラを設けておき、排ガス
圧力が不当な値にまで変化したときにだけ例外的
にタービン3aのノズル開度を負荷指令から切離
して制御するようにした場合について説明した
が、このような安全装置を省略したものも本発明
に含まれる。また、ノズル開度のフイードフオワ
ード操作をシステム空気流量F4の増加開始時点
(t)に於て開始した例を述べたが、負荷指令時
(時刻t1)に同創始を開始しても良い。このとき
助燃炉燃焼増加による一時的なシステム背圧の増
加を抑える様にノズル制御を行う。
力発信器圧力コントローラを設けておき、排ガス
圧力が不当な値にまで変化したときにだけ例外的
にタービン3aのノズル開度を負荷指令から切離
して制御するようにした場合について説明した
が、このような安全装置を省略したものも本発明
に含まれる。また、ノズル開度のフイードフオワ
ード操作をシステム空気流量F4の増加開始時点
(t)に於て開始した例を述べたが、負荷指令時
(時刻t1)に同創始を開始しても良い。このとき
助燃炉燃焼増加による一時的なシステム背圧の増
加を抑える様にノズル制御を行う。
[発明の効果]
本発明は、以上のような構成であるから、次の
ような効果が得られる。
ような効果が得られる。
(a) まず、排ガス配管途上に助燃炉を設けている
ので、あらゆる負荷運転転域においてタービン
の電力不足を招くことがない。
ので、あらゆる負荷運転転域においてタービン
の電力不足を招くことがない。
(b) そして、コンプレツサ吐出圧力を常時一定の
値に保つことができるので、燃料電池のマニホ
ールド内の反応ガスの圧力と筐体内の窒素ガス
の圧力との差圧を一定に維持しておくことが可
能となり、前述したようなガス漏洩による電池
の特性劣化等を招くことがない。
値に保つことができるので、燃料電池のマニホ
ールド内の反応ガスの圧力と筐体内の窒素ガス
の圧力との差圧を一定に維持しておくことが可
能となり、前述したようなガス漏洩による電池
の特性劣化等を招くことがない。
(c) また、負荷が一定している際には、大気開放
弁を全閉または微開状態に維持することができ
るので、エネルギの無駄使いを最小限に抑える
ことが可能であり、効率の高い運転が出来る。
弁を全閉または微開状態に維持することができ
るので、エネルギの無駄使いを最小限に抑える
ことが可能であり、効率の高い運転が出来る。
(d) しかも、この方式では、タービンを可変ノズ
ル式のものにし、負荷変動時に助燃炉の燃焼制
御のみならず、ノズル開度をフイードフオワー
ド制御により変化させてタービン動力を積極的
に負荷変動に合せて変更するようにしている。
そのため、優れた対応整が期待でき、燃料電池
の負荷、換言すれば、システム流量を迅速に変
化させることが可能となる。
ル式のものにし、負荷変動時に助燃炉の燃焼制
御のみならず、ノズル開度をフイードフオワー
ド制御により変化させてタービン動力を積極的
に負荷変動に合せて変更するようにしている。
そのため、優れた対応整が期待でき、燃料電池
の負荷、換言すれば、システム流量を迅速に変
化させることが可能となる。
これを前記実施例に基いて具体的に説明すれば
次のようになる。、まず、タービン動力は、入口
圧力P2が一定とすると、(入口絶対温度T)1/2と
ノズル面積Sに比例する。そのため、ノズル面積
を変更しないでタービ入口温度のみを変更して負
荷変動に対処しようとする場合には、第3図に想
像線で示すように、助燃炉27の燃焼量をかなり
大きくすることによつて大気開放弁4の放出風量
F3を十分に多くしておき、しかる後に、システ
ム空気流量F4を目標値にまで変更しないと、放
出風量の余裕Aを残して負荷を変化させることが
できない。それに対して、この発明によれば、シ
ステム空気流量F4を目量値まで変化させる際に、
それとほぼ同時にノズル面積Sをフイードフオワ
ード制御により変化させてタービン3aのパワー
アツプを計ることができるので、大気開放弁4の
放出風量F3が比較的少ない状態からシステム空
気流量F4を変化させ始めても第1次整定時t2には
放出流量の余裕Aを無理なく確保することができ
る。そのため、可変ノズル機能を有さないシステ
ムに比べて、負荷変動時における助燃炉の燃焼量
を少なくすることが可能となり、燃料の節約だけ
でなく、システム排ガスを昇温させるのに要する
時間(t1〜t)、および、システム空気流量を変
化させるのに要する時間(t〜t2)を共に短くす
ることが可能となつて、迅速で的確な負荷制御を
行うことができる。
次のようになる。、まず、タービン動力は、入口
圧力P2が一定とすると、(入口絶対温度T)1/2と
ノズル面積Sに比例する。そのため、ノズル面積
を変更しないでタービ入口温度のみを変更して負
荷変動に対処しようとする場合には、第3図に想
像線で示すように、助燃炉27の燃焼量をかなり
大きくすることによつて大気開放弁4の放出風量
F3を十分に多くしておき、しかる後に、システ
ム空気流量F4を目標値にまで変更しないと、放
出風量の余裕Aを残して負荷を変化させることが
できない。それに対して、この発明によれば、シ
ステム空気流量F4を目量値まで変化させる際に、
それとほぼ同時にノズル面積Sをフイードフオワ
ード制御により変化させてタービン3aのパワー
アツプを計ることができるので、大気開放弁4の
放出風量F3が比較的少ない状態からシステム空
気流量F4を変化させ始めても第1次整定時t2には
放出流量の余裕Aを無理なく確保することができ
る。そのため、可変ノズル機能を有さないシステ
ムに比べて、負荷変動時における助燃炉の燃焼量
を少なくすることが可能となり、燃料の節約だけ
でなく、システム排ガスを昇温させるのに要する
時間(t1〜t)、および、システム空気流量を変
化させるのに要する時間(t〜t2)を共に短くす
ることが可能となつて、迅速で的確な負荷制御を
行うことができる。
第1図は従来例を示すシステム説明図、第2図
は本発明の一実施例を示すシステム説明図、第3
図は同実施例におけるプロセスの挙動を示した図
である。 1……燃料電池、1a……空気極、1b……燃
料極、2……改質器、3……ターボ圧縮機、3a
……タービン、3b……コンプレツサ、3c……
ノズル、4……大気開放弁、10……コンプレツ
サ吐出配管、14……大気開放配管。
は本発明の一実施例を示すシステム説明図、第3
図は同実施例におけるプロセスの挙動を示した図
である。 1……燃料電池、1a……空気極、1b……燃
料極、2……改質器、3……ターボ圧縮機、3a
……タービン、3b……コンプレツサ、3c……
ノズル、4……大気開放弁、10……コンプレツ
サ吐出配管、14……大気開放配管。
Claims (1)
- 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ための改質器と、
この改質器の排ガス、または、前記燃料電池の空
気極出口の余剰空気および改質器の排ガスの両方
により駆動される可変ノズル式のタービンを用い
てコンプレツサを作動させ該コンプレツサから前
記燃料電池および改質器に必要な圧縮空気を供給
するターボ圧縮機と、このターボ圧縮機のタービ
ンへ至る排ガス配管途上に配置されタービンの不
足動力を補う助燃炉と、前記ターボ圧縮機のコン
プレツサ吐出配管から分岐させた大気開放配管上
に設けられ該配管を通して大気に放出される風量
を調節する大気開放弁とを具備してなる燃料電池
発電システムにおいて、システムの定常運転時は
前記大気開放弁を全閉または微開にした状態で助
燃炉の燃焼量制御をコンプレツサ吐出圧力一定の
フイードバツク制御で行い、また、システム負荷
変動時には助燃炉の燃焼制御とタービンのノズル
開度制御とをプログラムに基くフイードフオワー
ド制御で行なうとともに前記大気開放弁によりコ
ンプレツサ吐出圧一定のフイードバツク制御を行
わせることを特徴とする燃料電池発電システムの
負荷制御方式。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59202686A JPS6180762A (ja) | 1984-09-26 | 1984-09-26 | 燃料電池発電システムの負荷制御方式 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59202686A JPS6180762A (ja) | 1984-09-26 | 1984-09-26 | 燃料電池発電システムの負荷制御方式 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6180762A JPS6180762A (ja) | 1986-04-24 |
| JPH0317352B2 true JPH0317352B2 (ja) | 1991-03-07 |
Family
ID=16461473
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59202686A Granted JPS6180762A (ja) | 1984-09-26 | 1984-09-26 | 燃料電池発電システムの負荷制御方式 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6180762A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3832802B2 (ja) | 2000-07-25 | 2006-10-11 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池システムおよびその制御方法 |
-
1984
- 1984-09-26 JP JP59202686A patent/JPS6180762A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6180762A (ja) | 1986-04-24 |
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