JPS5918577A - 燃料電池発電プラント - Google Patents
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、燃料電池発電プラントの制御方式に係り、特
に燃料電池に空気を供給する空気供給装置の制御方式に
関するものである。
に燃料電池に空気を供給する空気供給装置の制御方式に
関するものである。
燃料電池発電プラントは、空気供給装置から供給される
空気中の酸素と、改質装置によって原燃料を改質させる
ことにより発生される水素リッチガス（以下単に水素ガ
スと称する）とを、燃料電池内にて電気化学的に反応さ
せて発電させるものであり、通常、プラント全体の熱効
率を向上させて発電効率を高めるため、排熱等を有効に
回収して熱収支を改善させることのできるシステム構成
が種々提案されている。例えば、負荷電力に応じて燃料
電池への空気供給量及び再循環量を制御する方法（特公
昭４８−４１３５２参照）、改質装置の原燃料供給量を
負荷電力と改質装置温度とによって制御する方法（特公
昭５Ｏ−１５０５８）あるいは、改質装置の圧力を電池
より高くする方法（特開昭５３−８１９２３）等に示さ
れたシステム構成が考案されている。
空気中の酸素と、改質装置によって原燃料を改質させる
ことにより発生される水素リッチガス（以下単に水素ガ
スと称する）とを、燃料電池内にて電気化学的に反応さ
せて発電させるものであり、通常、プラント全体の熱効
率を向上させて発電効率を高めるため、排熱等を有効に
回収して熱収支を改善させることのできるシステム構成
が種々提案されている。例えば、負荷電力に応じて燃料
電池への空気供給量及び再循環量を制御する方法（特公
昭４８−４１３５２参照）、改質装置の原燃料供給量を
負荷電力と改質装置温度とによって制御する方法（特公
昭５Ｏ−１５０５８）あるいは、改質装置の圧力を電池
より高くする方法（特開昭５３−８１９２３）等に示さ
れたシステム構成が考案されている。
上記した例を含め従来の燃料電池発電プラントにおいて
は、一般に、燃料電池から排出される未反応水素を含ん
だ廃水素ガスを、プラント内の他の装置、例えば改質装
置、を加熱させる燃料の一部として用いている。また、
この改質装置から排出される燃焼排ガスは高温であるこ
とから、これによシ排熱タービンを駆動させ、このター
ビン動力によって空気圧縮機を運転させ、プラントに必
要な空気を供給しようとするものが考案されている。と
ころが、プラントの所要空気量を供給するには前記燃焼
排ガスのエネルギだけでは不足すること、及び空気供給
装置の制御性を確保すること等の理由から補助バーナ装
置が設けられている。
は、一般に、燃料電池から排出される未反応水素を含ん
だ廃水素ガスを、プラント内の他の装置、例えば改質装
置、を加熱させる燃料の一部として用いている。また、
この改質装置から排出される燃焼排ガスは高温であるこ
とから、これによシ排熱タービンを駆動させ、このター
ビン動力によって空気圧縮機を運転させ、プラントに必
要な空気を供給しようとするものが考案されている。と
ころが、プラントの所要空気量を供給するには前記燃焼
排ガスのエネルギだけでは不足すること、及び空気供給
装置の制御性を確保すること等の理由から補助バーナ装
置が設けられている。
また、燃料電池から排出される廃空気のエネルギを前記
タービンの駆動エネルギとして回収することも行われて
いる。
タービンの駆動エネルギとして回収することも行われて
いる。
一方、電力負荷の変動に対応させて燃料電池に供給する
水素ガ、ス量及び空気量を制御させなければならず、し
かも、燃料電池内の反応効率を維持させるためなどから
電池内の水素ガス圧及び空気圧を所定の値に保持させな
ければならない。従って、上述した燃焼排ガス等によっ
て駆動される空気供給装置にあっては、電力負荷変動に
伴って駆動エネルギの一部が変動しても、所要の空気量
を供給し且つ吐出圧を一定に制御できるものでなければ
ならない。そこで、駆動エネルギの過不足を補助バーナ
装置の燃料流量を制御することにより追従制御させるこ
とが考案されている。しかし、このような制御方式の動
特性は、補助バーナ装置に制御遅れ要素が含まれている
ので、負荷変動に追従させて空気吐出圧を制御するには
、補助バーナ装置の燃料流量制御だけでは応答性の点で
劣っている。従って、空気供給装置の吐出系統あるいは
空気供給装置のタービン流入ガス系統にバイパス制御弁
を設け、吐出空気あるいはタービン流入ガスを系外へ放
出させることによシ応答性を高めている。
水素ガ、ス量及び空気量を制御させなければならず、し
かも、燃料電池内の反応効率を維持させるためなどから
電池内の水素ガス圧及び空気圧を所定の値に保持させな
ければならない。従って、上述した燃焼排ガス等によっ
て駆動される空気供給装置にあっては、電力負荷変動に
伴って駆動エネルギの一部が変動しても、所要の空気量
を供給し且つ吐出圧を一定に制御できるものでなければ
ならない。そこで、駆動エネルギの過不足を補助バーナ
装置の燃料流量を制御することにより追従制御させるこ
とが考案されている。しかし、このような制御方式の動
特性は、補助バーナ装置に制御遅れ要素が含まれている
ので、負荷変動に追従させて空気吐出圧を制御するには
、補助バーナ装置の燃料流量制御だけでは応答性の点で
劣っている。従って、空気供給装置の吐出系統あるいは
空気供給装置のタービン流入ガス系統にバイパス制御弁
を設け、吐出空気あるいはタービン流入ガスを系外へ放
出させることによシ応答性を高めている。
しかしながら、電力負荷変動によって空気供給装置に供
給される駆動エネルギと、要求される空気量の変動形態
が複雑な因果関係を有したものであることから、上記し
た補助バーナの燃料制御とバイパス流量制御の三方式か
らなる空気供給装置の制御方式にあっては、それらの制
御の協調を図ることが困難なものであった。このことか
ら従来は、バイパス流量制御を主体としていたので、有
効なエネルギを系外（例えば大気中）へ放出する量が多
くなり、熱効率を低下させてしまうという欠点を有して
いた。
給される駆動エネルギと、要求される空気量の変動形態
が複雑な因果関係を有したものであることから、上記し
た補助バーナの燃料制御とバイパス流量制御の三方式か
らなる空気供給装置の制御方式にあっては、それらの制
御の協調を図ることが困難なものであった。このことか
ら従来は、バイパス流量制御を主体としていたので、有
効なエネルギを系外（例えば大気中）へ放出する量が多
くなり、熱効率を低下させてしまうという欠点を有して
いた。
また、燃料電池発電プラントのシステム構成装置の異常
などによって、空気供給装置の駆動エネルギである改質
装置の排ガス塩度や流量が低下したり、あるいは空気所
要量が異常増加したりすることがあれば、補助バーナの
燃料流量を定格流量まで増大させても、空気吐出圧が所
定の圧力まで回復されないことがある。この場合には、
燃料電池内の空気圧が低下されるので反応が鈍化し、発
電効率が低下されてしまうという虞れを有していた。
などによって、空気供給装置の駆動エネルギである改質
装置の排ガス塩度や流量が低下したり、あるいは空気所
要量が異常増加したりすることがあれば、補助バーナの
燃料流量を定格流量まで増大させても、空気吐出圧が所
定の圧力まで回復されないことがある。この場合には、
燃料電池内の空気圧が低下されるので反応が鈍化し、発
電効率が低下されてしまうという虞れを有していた。
本発明の目的は、空気供給装置の制御の動特性を向上し
且つバイパス流量を低減させ、さらに、空気圧の異常低
下をも抑制させることにより、熱効率及び発電効率を向
上させることができる燃料電池発電プラントの制御方式
を提供することにある。
且つバイパス流量を低減させ、さらに、空気圧の異常低
下をも抑制させることにより、熱効率及び発電効率を向
上させることができる燃料電池発電プラントの制御方式
を提供することにある。
本発明は、燃料電池に水素ガスを供給する改質装置と、
補助バーナ装置と、該補助バーナ装置の燃焼排ガスと前
記改質装置の燃焼排ガスとを駆動ガスとするタービンと
該タービンにより駆動される空気圧縮機とから形成され
前記燃料電池に空気を供給する空気供給装置と、該空気
供給装置の吐出空気圧の圧力検出器と、該検出圧力が所
定の設定圧以上のとき吐出空気およびタービン駆動ガス
の少なくとも一方を系外ヘバイパスさせるバイパス制御
弁と、全備えて構成される燃料電池発電プラントにおい
て、前記検出圧と前記設定圧との偏差に応じた圧力偏差
信号を出力する第１の信号変換器と、前記バイパス流量
のバイパス流量検出器と、該検出バイパス流量を一人力
とし所定の最小バイパス流量の基準値を十入力とする第
１の加算器と、該加算器の出力信号を入力とするＰＩ調
節器と、該ＰＩ調節器の出力信号と前記圧力偏差信号と
を入力とする第２の加算器と、該加算器の出力信号が所
定の設定値までは該出力信号に比例して増大されその後
は一定値となる前記補助バーナ装置の燃料制御信号を出
力する第２の信号変換器と、前記第２の加算器の出力信
号が前記所定の設定値以上のとき該出力信号に比例して
増大される信号を出力する第３の信号変換器と、該信号
変換器の出力信号に応じて前記改質装置の燃料流量補正
信号を出力する第４の信号変換器と、を設けることによ
り、バイパス流量を低減させ且つ空気吐出圧を所定圧に
保持させて熱効率及び発電効率を向上させようとするも
のである。
補助バーナ装置と、該補助バーナ装置の燃焼排ガスと前
記改質装置の燃焼排ガスとを駆動ガスとするタービンと
該タービンにより駆動される空気圧縮機とから形成され
前記燃料電池に空気を供給する空気供給装置と、該空気
供給装置の吐出空気圧の圧力検出器と、該検出圧力が所
定の設定圧以上のとき吐出空気およびタービン駆動ガス
の少なくとも一方を系外ヘバイパスさせるバイパス制御
弁と、全備えて構成される燃料電池発電プラントにおい
て、前記検出圧と前記設定圧との偏差に応じた圧力偏差
信号を出力する第１の信号変換器と、前記バイパス流量
のバイパス流量検出器と、該検出バイパス流量を一人力
とし所定の最小バイパス流量の基準値を十入力とする第
１の加算器と、該加算器の出力信号を入力とするＰＩ調
節器と、該ＰＩ調節器の出力信号と前記圧力偏差信号と
を入力とする第２の加算器と、該加算器の出力信号が所
定の設定値までは該出力信号に比例して増大されその後
は一定値となる前記補助バーナ装置の燃料制御信号を出
力する第２の信号変換器と、前記第２の加算器の出力信
号が前記所定の設定値以上のとき該出力信号に比例して
増大される信号を出力する第３の信号変換器と、該信号
変換器の出力信号に応じて前記改質装置の燃料流量補正
信号を出力する第４の信号変換器と、を設けることによ
り、バイパス流量を低減させ且つ空気吐出圧を所定圧に
保持させて熱効率及び発電効率を向上させようとするも
のである。
以下、本発明を図示実施例に基づいて説明する。
第１図には、本発明の適用された一実施例の燃料電池発
電プラントのシステム全体構成図が示されている。
電プラントのシステム全体構成図が示されている。
第１図に示された如く、改質装置１の反応部ＩＡ及び燃
焼室ＩＢ、補助バーナ装置４には各々流量制御弁ＦＣＶ
Ｉ及びＦ’ＣＶ２．ＰＯＹ３を介して原燃料１００が供
給されている。この反応部ＩＡで発生された水素ガス１
０４は燃料電池２の燃料室２人に供給され、この燃料室
２Ａからは未反応の水素ガスを含む廃水素ガス１０５が
排出され、この廃水素ガス１０５は圧力制御弁ＰＣＶ’
１を介して改質装置１の燃焼室ＩＢに供給されてい（９
） る。空気供給装置３Ｆｉ、空気圧縮機３Ａとタービン３
Ｂとから形成され、流量制御弁ＦＣＶ４゜ＰＯＹ５．Ｐ
ＯＹ６を介して各々、燃料電池２の空気室２Ｂ、改質装
置１の燃焼室ＩＢ、補助バーナ装置４に空気を供給して
いる。また、空気供給装置３の空気吐出系はバイパス制
御弁ＰＣＶ２を介して大気中へ開放されている。前記タ
ービン３Ｂには、改質装置ｉの燃焼室ＩＢの燃焼排ガス
１０６、補助バーナ装置４の燃焼排ガス１０７、及び燃
料電池２の空気室２Ｂから圧力制御弁ＰＣＶ３を介して
廃空気１０８が流入されている。
焼室ＩＢ、補助バーナ装置４には各々流量制御弁ＦＣＶ
Ｉ及びＦ’ＣＶ２．ＰＯＹ３を介して原燃料１００が供
給されている。この反応部ＩＡで発生された水素ガス１
０４は燃料電池２の燃料室２人に供給され、この燃料室
２Ａからは未反応の水素ガスを含む廃水素ガス１０５が
排出され、この廃水素ガス１０５は圧力制御弁ＰＣＶ’
１を介して改質装置１の燃焼室ＩＢに供給されてい（９
） る。空気供給装置３Ｆｉ、空気圧縮機３Ａとタービン３
Ｂとから形成され、流量制御弁ＦＣＶ４゜ＰＯＹ５．Ｐ
ＯＹ６を介して各々、燃料電池２の空気室２Ｂ、改質装
置１の燃焼室ＩＢ、補助バーナ装置４に空気を供給して
いる。また、空気供給装置３の空気吐出系はバイパス制
御弁ＰＣＶ２を介して大気中へ開放されている。前記タ
ービン３Ｂには、改質装置ｉの燃焼室ＩＢの燃焼排ガス
１０６、補助バーナ装置４の燃焼排ガス１０７、及び燃
料電池２の空気室２Ｂから圧力制御弁ＰＣＶ３を介して
廃空気１０８が流入されている。
前記燃料電池２の電極２Ｃ，２Ｄには負荷５が接続され
ている。
ている。
前記流量制御弁ＦＣＶｌ、ＦＣＶ２．ＰＯＹ３．ＰＯＹ
４゜ＰＯＹ５．ＰＯＹ６は、夫々流量検出器Ｆ’ＴＩ、
ＦＴ２゜ＦＴ３．ＦＴ４．ＦＴ５．ＦＴ６に、線２０１
゜２０２．２０３，２０４，２０５，２０６によって接
続されている。また、前記圧力制御弁ｐｃｖｉ。
４゜ＰＯＹ５．ＰＯＹ６は、夫々流量検出器Ｆ’ＴＩ、
ＦＴ２゜ＦＴ３．ＦＴ４．ＦＴ５．ＦＴ６に、線２０１
゜２０２．２０３，２０４，２０５，２０６によって接
続されている。また、前記圧力制御弁ｐｃｖｉ。
ＰＯＹ３． ＰＯＹ３ Ｕ、夫々線２０７，２０８，２
０９によって、圧力検出器ＰＴＩ、ＰＴ２．ＰＴ３に（
１０） 接続されている。負荷追従制御器６には負荷５から負荷
電力の検出信号ＬＤが線２１０を介して入力されている
。この負荷追従制御器６は線２１１゜２１２によって前
記ＰＣＩ、ＦＣ４に夫々接続されており、また、線２１
３によって空気比制御器７と、線２１４によって熱収支
制御器８とに接続されている。空気比制御器７は、前記
流量検出器ＦＴＩ、Ｆ’ｌ’２．ＦＴ３に、夫々線２０
１ 、２０礼２０３によって接続されている。さらに、
この空気比制御器７は前記流量制御器ＦＣ５，ＦＣ６に
線２１５．２１６によって夫々接続されている。前記熱
収支制御器８０入力端は改質装置１の出口に設けられた
水素ガス温度の温度検出器ＴＴＩに線２１７によって、
バイパス制御弁ＰＣＶ２の下流に設けられた流量検出器
ＦＴ７に線２１８によって、また、前記圧力検出器ＰＴ
２に線２０８によって、夫々接続されている。この熱収
支制御器８の出力端は、線２１９，２２０によシ夫々前
記流量制御器Ｆ’Ｃ２，ＦＣ３に接続されている。
０９によって、圧力検出器ＰＴＩ、ＰＴ２．ＰＴ３に（
１０） 接続されている。負荷追従制御器６には負荷５から負荷
電力の検出信号ＬＤが線２１０を介して入力されている
。この負荷追従制御器６は線２１１゜２１２によって前
記ＰＣＩ、ＦＣ４に夫々接続されており、また、線２１
３によって空気比制御器７と、線２１４によって熱収支
制御器８とに接続されている。空気比制御器７は、前記
流量検出器ＦＴＩ、Ｆ’ｌ’２．ＦＴ３に、夫々線２０
１ 、２０礼２０３によって接続されている。さらに、
この空気比制御器７は前記流量制御器ＦＣ５，ＦＣ６に
線２１５．２１６によって夫々接続されている。前記熱
収支制御器８０入力端は改質装置１の出口に設けられた
水素ガス温度の温度検出器ＴＴＩに線２１７によって、
バイパス制御弁ＰＣＶ２の下流に設けられた流量検出器
ＦＴ７に線２１８によって、また、前記圧力検出器ＰＴ
２に線２０８によって、夫々接続されている。この熱収
支制御器８の出力端は、線２１９，２２０によシ夫々前
記流量制御器Ｆ’Ｃ２，ＦＣ３に接続されている。
第２図に熱収支制御器８の詳細構成図が示され（１１）
ている。
第２図において、第１の信号変換器９には前記線２０８
を介して圧力検出器ＰＴ２より吐出空気圧の検出圧Ｐと
、この吐出空気圧の設定圧Ｐ０とが入力されている。第
１の加算器１０の一入力端には線２１８を介して流量検
出器ＦＴ７よりバイパス流量の検出流量Ｆが入力され、
十入力端には最小バイパス基準流量の基準値Ｆ。が入力
され、この加算器１０の出力はＰＩ調節器１１を介して
、第２の加算器１２に入力されている。この加算器１２
には前記第１の信号変換器９の出力信号Ｓムが入力され
ており、この加算器１２の出力信号Ｓｌは第２の信号変
換器１３及び第３の信号変換器１４に夫々入力されてい
る。前記第２の信号変換器１３には設定値５１１０が入
力され、出力信号Ｓｃは線２２０によって、前記流量制
御器ＦＣ３に入力されている。前記第３の信号変換器１
４には設定値Ｓｉ６が入力され、出力信号ＳＤは係数器
１５を介して信号８ｍに変換されて第４の信号変換器１
６に入力されている。また、この第４の（１２） 信号変換器１６には、温度検出器ＴＴ１より線２１７を
介して水素ガス温度の検出温度Ｔ、及び設定値Ｔ、が入
力されている。第３の加算器１７の一入力端には前記検
出温度Ｔ、十大入力端は前記第４の信号変換器の出力信
号８ｙと、設定値Ｔ。
を介して圧力検出器ＰＴ２より吐出空気圧の検出圧Ｐと
、この吐出空気圧の設定圧Ｐ０とが入力されている。第
１の加算器１０の一入力端には線２１８を介して流量検
出器ＦＴ７よりバイパス流量の検出流量Ｆが入力され、
十入力端には最小バイパス基準流量の基準値Ｆ。が入力
され、この加算器１０の出力はＰＩ調節器１１を介して
、第２の加算器１２に入力されている。この加算器１２
には前記第１の信号変換器９の出力信号Ｓムが入力され
ており、この加算器１２の出力信号Ｓｌは第２の信号変
換器１３及び第３の信号変換器１４に夫々入力されてい
る。前記第２の信号変換器１３には設定値５１１０が入
力され、出力信号Ｓｃは線２２０によって、前記流量制
御器ＦＣ３に入力されている。前記第３の信号変換器１
４には設定値Ｓｉ６が入力され、出力信号ＳＤは係数器
１５を介して信号８ｍに変換されて第４の信号変換器１
６に入力されている。また、この第４の（１２） 信号変換器１６には、温度検出器ＴＴ１より線２１７を
介して水素ガス温度の検出温度Ｔ、及び設定値Ｔ、が入
力されている。第３の加算器１７の一入力端には前記検
出温度Ｔ、十大入力端は前記第４の信号変換器の出力信
号８ｙと、設定値Ｔ。
が入力されている。この加算器１７の出力はＰＩ調節器
１８を介して第４の加算器１９に入力されている。゛ま
た、この加算器１９の他の入力端は線２１４によって負
荷追従制御器６に接続されており、出力端は線２１９に
よって流量制御器ＦＣ２に接続されている。
１８を介して第４の加算器１９に入力されている。゛ま
た、この加算器１９の他の入力端は線２１４によって負
荷追従制御器６に接続されており、出力端は線２１９に
よって流量制御器ＦＣ２に接続されている。
このように構成される実施例の動作について、以下に説
明する。
明する。
改質装置１では、反応室ＩＡに流入される原燃料１０１
を燃焼室ＩＢによシ与えられる熱によって水素ガス１０
４に改質させ、燃料電池２の燃料室２人に供給している
。燃料電池２では、空気供給装置３がら空気室２Ｂに供
給される空気１１３と前記水素ガス１０４との電気化学
反応により、電極２Ｃ，２Ｄに電圧が発生される。この
燃料室（１３） 池２で発電された電力は負荷５に出力されている。
を燃焼室ＩＢによシ与えられる熱によって水素ガス１０
４に改質させ、燃料電池２の燃料室２人に供給している
。燃料電池２では、空気供給装置３がら空気室２Ｂに供
給される空気１１３と前記水素ガス１０４との電気化学
反応により、電極２Ｃ，２Ｄに電圧が発生される。この
燃料室（１３） 池２で発電された電力は負荷５に出力されている。
燃料電池２の反応によシ消費されなかった廃水素ガス１
０５は燃焼室ＩＢに、また、廃空気１０８はタービン３
Ｂに排出されている。
０５は燃焼室ＩＢに、また、廃空気１０８はタービン３
Ｂに排出されている。
改質装置の燃焼室ＩＢでは、前記廃水素ガス１０５と原
燃料１０２とを燃焼させることによシ、反応室ＩＡに熱
を供給している。この燃焼排ガス１０６はタービン３Ｂ
に排出されている。タービン３Ｂは前記の廃空気１０８
、燃焼排ガス１０６及び補助バーナ装置４の燃焼排ガス
１０７との混合された駆動ガス１０９によって駆動され
ている。
燃料１０２とを燃焼させることによシ、反応室ＩＡに熱
を供給している。この燃焼排ガス１０６はタービン３Ｂ
に排出されている。タービン３Ｂは前記の廃空気１０８
、燃焼排ガス１０６及び補助バーナ装置４の燃焼排ガス
１０７との混合された駆動ガス１０９によって駆動され
ている。
次に、制御方式について説明する。
流量制御弁１１’ＣＶ１〜６及び圧力制御弁ＰＣＶＩ〜
３は、夫々対応する流量制御器ＦＣ１〜６及び圧力制御
器ＰＣ１〜３によって開度が制御されている。
３は、夫々対応する流量制御器ＦＣ１〜６及び圧力制御
器ＰＣ１〜３によって開度が制御されている。
燃料電池２の反応は圧力が低いと発電効率が低下される
ことから、燃料室２人内の水素ガス圧力はＰＣＶＩによ
シ、また、空気室２Ｂ内の空気圧はＰＯＹ３によって夫
々一定値に制御されている。
ことから、燃料室２人内の水素ガス圧力はＰＣＶＩによ
シ、また、空気室２Ｂ内の空気圧はＰＯＹ３によって夫
々一定値に制御されている。
（１４）
燃料電池２により消費される水素ガス１０４及び空気１
１３は、負荷電力によって変動されることから、負荷追
従制御器６から出力される負荷電力の検出値Ｔ、Ｄに相
関させて定められた信号ＬＤ１゜ＬＤ、により、原燃料
１０１の流量をＦＣＶＩ、及び空気１１３の流量をＦ’
ＣＶ４によって制御することにより対応させている。
１３は、負荷電力によって変動されることから、負荷追
従制御器６から出力される負荷電力の検出値Ｔ、Ｄに相
関させて定められた信号ＬＤ１゜ＬＤ、により、原燃料
１０１の流量をＦＣＶＩ、及び空気１１３の流量をＦ’
ＣＶ４によって制御することにより対応させている。
例えば、負荷電力が増大すると上記したようにＦＣＶＩ
が開かれて原燃料１０１の流量が増大される。これによ
り、水素ガス１０４の温度が低下されることがないよう
に、燃焼室ＩＢに流入させる原燃料１０２の流量は、ま
ず、熱収支制御器８の第３の加算器１９に入力される負
荷追従制御器６からの信号Ｌ Ｉ） 、ｉによシフイー
ドフォワード制御され、さらに、温度検出器ＴＴＩから
出力された検出温度Ｔと設定温度Ｔ。との偏差に応じて
補正される。このとき、空気比制御器７においては、廃
水素ガス１０５及び原燃料１０２の燃焼空気量を制御す
るため、流量検出器ＦＴ１及びＦＴ２から出力された夫
々の流量から理論空気量Ａ丁を算（１５） 出している。例えば、原燃料がメタンガスの場合、原燃
料１０１の流量をＦＧＩ （Ｎｍ”／ｓ）、原燃料１
０２の流量をｐＧｔ （Ｎｍ’ ／ｓ ）、燃料電池
の直夕０接続個数をＭ１負荷電流をＩ （Ａ）としたと
き、理論空気量Ａ？ （Ｎｍ” ／ Ｓ）は次式４式
％ （１） この空気比制御器７により算出された理論空気量に過剰
空気率（例えば１．３）を乗じた制御信号により、流量
制御弁ＦＣＶ５を制御することによシ負荷電力増大に応
じた燃焼室ＩＢの制御が行われている。
が開かれて原燃料１０１の流量が増大される。これによ
り、水素ガス１０４の温度が低下されることがないよう
に、燃焼室ＩＢに流入させる原燃料１０２の流量は、ま
ず、熱収支制御器８の第３の加算器１９に入力される負
荷追従制御器６からの信号Ｌ Ｉ） 、ｉによシフイー
ドフォワード制御され、さらに、温度検出器ＴＴＩから
出力された検出温度Ｔと設定温度Ｔ。との偏差に応じて
補正される。このとき、空気比制御器７においては、廃
水素ガス１０５及び原燃料１０２の燃焼空気量を制御す
るため、流量検出器ＦＴ１及びＦＴ２から出力された夫
々の流量から理論空気量Ａ丁を算（１５） 出している。例えば、原燃料がメタンガスの場合、原燃
料１０１の流量をＦＧＩ （Ｎｍ”／ｓ）、原燃料１
０２の流量をｐＧｔ （Ｎｍ’ ／ｓ ）、燃料電池
の直夕０接続個数をＭ１負荷電流をＩ （Ａ）としたと
き、理論空気量Ａ？ （Ｎｍ” ／ Ｓ）は次式４式
％ （１） この空気比制御器７により算出された理論空気量に過剰
空気率（例えば１．３）を乗じた制御信号により、流量
制御弁ＦＣＶ５を制御することによシ負荷電力増大に応
じた燃焼室ＩＢの制御が行われている。
また、空気消費量が増大されると空気圧縮機３Ａの吐出
空気圧が低下される。この空気圧の低下は前述したよう
に燃料電池の反応効率を低下させることから、熱収支制
御器８において、圧力検出器ＰＴ、によｐ検出された吐
出空気の検出圧Ｐを設定圧Ｐ。に一致させるように補助
バーナ装置（１６） ４の原燃料１０３の流量を制御している。
空気圧が低下される。この空気圧の低下は前述したよう
に燃料電池の反応効率を低下させることから、熱収支制
御器８において、圧力検出器ＰＴ、によｐ検出された吐
出空気の検出圧Ｐを設定圧Ｐ。に一致させるように補助
バーナ装置（１６） ４の原燃料１０３の流量を制御している。
このことを第２図及び第３図を用いて詳細に説明する。
第１の信号変換器９は第３図（Ａ）に示されるように、
横軸の入力信号の検出圧Ｐの増大に対応して減少される
縦軸の出力信号Ｓムを出力するものであり、検出圧Ｐが
吐出空気圧の設定圧Ｐ。以上になれば出力信号ＳムはＯ
となる。第２の信号変換器１３は第３図［Ｆ］）に示さ
れるように、横軸の入力信号Ｓｍが設定値Ｓ＋＋６以下
のときは８＋＋に比例して増大され、ＳＢ。以上のとき
は一定値となる縦軸の流量制御信号Ｓｃを出力するもの
である。
横軸の入力信号の検出圧Ｐの増大に対応して減少される
縦軸の出力信号Ｓムを出力するものであり、検出圧Ｐが
吐出空気圧の設定圧Ｐ。以上になれば出力信号ＳムはＯ
となる。第２の信号変換器１３は第３図［Ｆ］）に示さ
れるように、横軸の入力信号Ｓｍが設定値Ｓ＋＋６以下
のときは８＋＋に比例して増大され、ＳＢ。以上のとき
は一定値となる縦軸の流量制御信号Ｓｃを出力するもの
である。
第３図の信号変換器１４は第３図０に示されるように、
横軸の入力信号Ｓ１１が設定値８１０ 以下のときは
Ｏで、８１０以上のときはＳ＋＋に比例して増大される
縦軸の出力信号ＳＤを出力するものである。第４図の信
号変換器１６は第３図（ハ）に示されるように、横軸に
は温度検出器ＴＴＩから検出温度Ｔが入力されてお９、
Ｔが上限基準温度Ｔ、以下のときは係数器１５から入力
された信号Ｓｍが（１７） 縦軸の出力信号Ｓｙとして出力され、Ｔが７８以上のと
きは前記Ｓｇを漸次減少させた出力信号ＳＦを出力する
ものである。
横軸の入力信号Ｓ１１が設定値８１０ 以下のときは
Ｏで、８１０以上のときはＳ＋＋に比例して増大される
縦軸の出力信号ＳＤを出力するものである。第４図の信
号変換器１６は第３図（ハ）に示されるように、横軸に
は温度検出器ＴＴＩから検出温度Ｔが入力されてお９、
Ｔが上限基準温度Ｔ、以下のときは係数器１５から入力
された信号Ｓｍが（１７） 縦軸の出力信号Ｓｙとして出力され、Ｔが７８以上のと
きは前記Ｓｇを漸次減少させた出力信号ＳＦを出力する
ものである。
従って、電力負荷が増大すると前述したように吐出空気
の検出圧Ｐが低下し、第１の信号変換器９からは設定圧
Ｐ０との偏差に応じた信号Ｓムが第２の加算器１２に入
力される。一方、吐出空気圧が低いのでバイパス流量の
検出流量Ｆは０であることから、第２の加算器１２には
最小バイパス基準流量の基準値Ｆ０がＰＩ調節器によシ
比例積分されて入力されている。この加算器１２によシ
、それらの入力信号が加算され信号Ｓ１１が出力される
。第２の信号変換器１３は信号Ｓ＋＋に応じて補助バー
ナ装置４の原燃料１０３の燃料制御信号Ｓｃを流量制御
器ＦＣ３に送出して、流量制御弁ＦＣＶ３の開度を増大
させる。このようにして、補助バーナ装置４から排出さ
れる燃焼排ガス１０７を増やして、タービン３Ｂの駆動
ガス１０９を増大させることにより吐出空気圧を上昇さ
せている。
の検出圧Ｐが低下し、第１の信号変換器９からは設定圧
Ｐ０との偏差に応じた信号Ｓムが第２の加算器１２に入
力される。一方、吐出空気圧が低いのでバイパス流量の
検出流量Ｆは０であることから、第２の加算器１２には
最小バイパス基準流量の基準値Ｆ０がＰＩ調節器によシ
比例積分されて入力されている。この加算器１２によシ
、それらの入力信号が加算され信号Ｓ１１が出力される
。第２の信号変換器１３は信号Ｓ＋＋に応じて補助バー
ナ装置４の原燃料１０３の燃料制御信号Ｓｃを流量制御
器ＦＣ３に送出して、流量制御弁ＦＣＶ３の開度を増大
させる。このようにして、補助バーナ装置４から排出さ
れる燃焼排ガス１０７を増やして、タービン３Ｂの駆動
ガス１０９を増大させることにより吐出空気圧を上昇さ
せている。
吐出空気圧の低下が大きい場合には、流量制御弁（１８
） ＦＣＶ３が全開されても吐出空気圧が設定圧Ｐ。
） ＦＣＶ３が全開されても吐出空気圧が設定圧Ｐ。
に達しないことがある。前述の設定値ＳＢｏは補助バー
ナ装置４の上限出力に応じて定められたものであり、上
述のよう彦場合には、第３の信号変換器１４から信号Ｓ
Ｄが係数器１５に出力される。
ナ装置４の上限出力に応じて定められたものであり、上
述のよう彦場合には、第３の信号変換器１４から信号Ｓ
Ｄが係数器１５に出力される。
係数器１５は流量制御弁ＦＣＶ２とＦＣＶ３との制御特
性の協調をとるためのものであり、それらの流量制御弁
の最大流量の比を係数として信号処理するものである。
性の協調をとるためのものであり、それらの流量制御弁
の最大流量の比を係数として信号処理するものである。
係数器１５の出力信号Ｓｖは第４の信号変換器１６によ
って変換され、改質装置の燃焼室ＩＢへ流入される原燃
料１０°１の流量を増大させる信号８ｙとして第３の加
算器１７に入力される。なお、この信号変換器１６は、
水素ガス温度が上限基準温度Ｔ、に達するまでは信号Ｓ
Ｉを出力するが、水素ガス温度が上昇し前記Ｔ、を越え
る場合には、改質装置を保護するため出力信号Ｓｙを減
少させている。なお、吐出空気圧が補助バーナ装置の制
御範囲で十分制御されている場合の水素ガス温度は、第
３の加算器１７に入力されている。通常の設定温度Ｔ。
って変換され、改質装置の燃焼室ＩＢへ流入される原燃
料１０°１の流量を増大させる信号８ｙとして第３の加
算器１７に入力される。なお、この信号変換器１６は、
水素ガス温度が上限基準温度Ｔ、に達するまでは信号Ｓ
Ｉを出力するが、水素ガス温度が上昇し前記Ｔ、を越え
る場合には、改質装置を保護するため出力信号Ｓｙを減
少させている。なお、吐出空気圧が補助バーナ装置の制
御範囲で十分制御されている場合の水素ガス温度は、第
３の加算器１７に入力されている。通常の設定温度Ｔ。
と検出温度（１９）
Ｔとの偏差１６′号により、ＰＩθｌ’！ｌ Ｍｊ指１
８が作動されて第４の加算器１９を介して燃焼″４１Ｂ
の原燃料１０２の燃料制御＠号を補正することによｐ制
御されている。
８が作動されて第４の加算器１９を介して燃焼″４１Ｂ
の原燃料１０２の燃料制御＠号を補正することによｐ制
御されている。
また、空気消費量が減少して吐出空気圧が上昇したとき
は、バイパス制御弁ＰＣＶ２が動作してバイパスＬＭ’
１１６を積やすことにより速やかに吐出空気圧の上昇
が抑制されている。つづいて、流歓検出器ＦＴ７にてこ
のバイパス流計が検出され、その検出流ｔＦが第２図図
示の第１の加算器１０の一入力端に入力され基準値Ｆ。
は、バイパス制御弁ＰＣＶ２が動作してバイパスＬＭ’
１１６を積やすことにより速やかに吐出空気圧の上昇
が抑制されている。つづいて、流歓検出器ＦＴ７にてこ
のバイパス流計が検出され、その検出流ｔＦが第２図図
示の第１の加算器１０の一入力端に入力され基準値Ｆ。
との偏差が出力される。基準ｆｉ１１． Ｆ ｏは制御
可能な範囲において可及的に０に近い値に短められてい
るので、ＰＩ調節器の出力信号はＰＩ動作によって減少
される。これによって加算器１２の出力（ｉｆ号Ｓｍも
減少され、まず、第３の信号変換器１４の出力信号Ｓｏ
を減少させて改質装置の燃焼室ＩＢへ流入される原燃料
流値を低減させ、つづいて、第２の１８号変換器１３に
より補助バーナ装置の原燃料制御信号Ｓｃを低減させて
、バイパス流量をＯ箇た（２０） は制御可能な範囲で最小にしている。
可能な範囲において可及的に０に近い値に短められてい
るので、ＰＩ調節器の出力信号はＰＩ動作によって減少
される。これによって加算器１２の出力（ｉｆ号Ｓｍも
減少され、まず、第３の信号変換器１４の出力信号Ｓｏ
を減少させて改質装置の燃焼室ＩＢへ流入される原燃料
流値を低減させ、つづいて、第２の１８号変換器１３に
より補助バーナ装置の原燃料制御信号Ｓｃを低減させて
、バイパス流量をＯ箇た（２０） は制御可能な範囲で最小にしている。
なお、吐出空気圧上昇は空気圧縮機のサージングなどを
引き起こしたり、圧力配管などを破損させる虞れがある
ことから、上述のように応答性のよいバイパス方式によ
り速やかに吐出空気圧の上昇を抑制し、次に、熱効率を
向上させるためにそのバイパス流量を低減させるように
制御することが望ましいこと、及び制御の相互干渉を防
止させることなどから、前記Ｐ↓、調節器１１の応答時
間は圧力制御器ＰＣ２などの２倍以上の緩慢なものとす
るのが望ましい。
引き起こしたり、圧力配管などを破損させる虞れがある
ことから、上述のように応答性のよいバイパス方式によ
り速やかに吐出空気圧の上昇を抑制し、次に、熱効率を
向上させるためにそのバイパス流量を低減させるように
制御することが望ましいこと、及び制御の相互干渉を防
止させることなどから、前記Ｐ↓、調節器１１の応答時
間は圧力制御器ＰＣ２などの２倍以上の緩慢なものとす
るのが望ましい。
従って、本実施例によれば、空気供給装置の吐出空気圧
を一定に制御するにあたって、空気圧上昇に対しては応
答性に優れたバイパス制御を動作させ、ひきつづいて、
バイパス流量を最小にさせるようにタービンの駆動エネ
ルギを減少制御させることにより吐出空気圧の上昇を抑
制していることから、制御の動特性が向上され且つバイ
パスに伴うエネルギ損失が低減されて熱効率が向上され
るという効果がめる。
を一定に制御するにあたって、空気圧上昇に対しては応
答性に優れたバイパス制御を動作させ、ひきつづいて、
バイパス流量を最小にさせるようにタービンの駆動エネ
ルギを減少制御させることにより吐出空気圧の上昇を抑
制していることから、制御の動特性が向上され且つバイ
パスに伴うエネルギ損失が低減されて熱効率が向上され
るという効果がめる。
（２１）
また、本実施例によれば、吐出空気圧の低下に対して、
補助バーナ装置の燃焼排ガスを増大させることによｐ空
気圧を一定に保持させ、且つ、空気圧の異常低下に対し
ては、一定の限度内にて改質装置の燃焼排ガスを増大さ
せてバックアップさせることにより空気圧の低下を抑制
していることから、燃料電池の発電効率を向上させるこ
とができるという効果がある。
補助バーナ装置の燃焼排ガスを増大させることによｐ空
気圧を一定に保持させ、且つ、空気圧の異常低下に対し
ては、一定の限度内にて改質装置の燃焼排ガスを増大さ
せてバックアップさせることにより空気圧の低下を抑制
していることから、燃料電池の発電効率を向上させるこ
とができるという効果がある。
なお、本発明の制御方式は上記実施例に限定されるもの
ではなく、本発明の範囲内で種々の応用が可能である。
ではなく、本発明の範囲内で種々の応用が可能である。
例えば、吐出空気圧を一定とするためのバイパスは、空
気を放出させる代りにタービンの駆動ガスを放出させて
も良く、または、それらの組み合せでも良い。また、タ
ービン入口に圧力制御弁を設け、これによりタービンの
出力を制御することもできる。さらに、バイパス流量の
検出はバイパス制御の圧力制御弁開度から検出すること
も可能でおる。
気を放出させる代りにタービンの駆動ガスを放出させて
も良く、または、それらの組み合せでも良い。また、タ
ービン入口に圧力制御弁を設け、これによりタービンの
出力を制御することもできる。さらに、バイパス流量の
検出はバイパス制御の圧力制御弁開度から検出すること
も可能でおる。
以上説明したように、本発明によれば、空気供（２２）
給装置４の制御の動特性が向上され且つバイパスに伴う
エネルギ損失が低減されて熱効率が向上され、さらに、
空気圧の異常低下をも抑制することができることから発
電効率を向上させることができるという効果がある。
エネルギ損失が低減されて熱効率が向上され、さらに、
空気圧の異常低下をも抑制することができることから発
電効率を向上させることができるという効果がある。
第１図は本発明の適用された一実施例の燃料電池発電ブ
ラントのシステム全体構成図、第２図は第１図図示実施
例の主賛制御回路の詳細構成図、第３図（Ａ）〜（Ｉ）
）は動作説明のための線図である。 １・・・改質装置、２・・・燃料電池、３・・・空気供
給装置、３Ａ・・・空気圧縮機、３Ｂ・・・タービン、
４・・・補助バーナ装置、９・・・第１の信号変換器、
１０・・・第１の加舞器、１１・・・ＰＩ調節器、１２
・・・第２の加算器、１３・・・第２の信号変換器、１
４・・・第３の信号変換器、１６・・・第４の信号変換
器、ＰＴ２・・・圧力検出器、ＦＴ７・・・バイパス流
量検出器、ＰＯＹ３・・・バ（乙） 葛ｔ（ｆｊＪ ｔ’。 − ８８’ ｓ、 − ＪＢｏ ｓ、− Ｔｔ １峠
ラントのシステム全体構成図、第２図は第１図図示実施
例の主賛制御回路の詳細構成図、第３図（Ａ）〜（Ｉ）
）は動作説明のための線図である。 １・・・改質装置、２・・・燃料電池、３・・・空気供
給装置、３Ａ・・・空気圧縮機、３Ｂ・・・タービン、
４・・・補助バーナ装置、９・・・第１の信号変換器、
１０・・・第１の加舞器、１１・・・ＰＩ調節器、１２
・・・第２の加算器、１３・・・第２の信号変換器、１
４・・・第３の信号変換器、１６・・・第４の信号変換
器、ＰＴ２・・・圧力検出器、ＦＴ７・・・バイパス流
量検出器、ＰＯＹ３・・・バ（乙） 葛ｔ（ｆｊＪ ｔ’。 − ８８’ ｓ、 − ＪＢｏ ｓ、− Ｔｔ １峠
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、燃料電池に水素ガスを供給する改質装置と、該改質
装置と補助バーナ装置とから排出される燃焼排ガスを駆
動ガスとするタービンと該タービンにより駆動される空
気圧縮機とから形成され前記燃料電池に空気を供給する
空気供給装置と、該空気供給装置の吐出空気圧を検出す
る圧力検出器と、該検出圧が所定の設定圧以上のとき前
記吐出空気およびタービン駆動ガスの少なくとも一方を
バイパスして系外へ流出させるバイパス制御弁と、を備
えて構成される燃料電池発電プラントにおいて、前記検
出圧と前記設定圧との偏差に応じた圧力偏差信号を出力
する第１の信号変換器と、前記バイパス流量を検出する
バイパス流量検出器と、該検出流量を一人力とし所定の
最小バイパス流量の基準値を十人力とする第１の加算器
と、該加算器の出力信号を入力とするＰＩ調節器と、該
ＰＩ調節器の出力信号と前記圧力偏差信号を十人力とす
る第２の加算器と、該′ＪＪＤ算器の出力信号が所定の
設定値以下のときは該出力信号に比例して増大され以上
のときは一定値とされる前記補助バーナ装置の燃料制御
信号を出力する第２の信号変換器と、を設けたことを特
徴とする燃料電池発電プラントの制御方式。 ２、燃料電池に水素ガスを供給する改質装置と、該改質
装置と補助バーナ装置とから排出される燃焼排ガスを駆
動ガスとするタービンと該タービンによシ駆動される空
気圧縮機とから形成され前記燃料電池に空気を供給する
空気供給装置と、該空気供給装置の吐出空気圧を検出す
る圧力検出器と、該検出圧が所定の設定圧以上のとき前
記吐出空気およびタービン駆動ガスの少なくとも一方を
バイパスして系外へ流出させるバイパス制御弁と、を備
えて構成される燃料電池発電プラントにおいて、前記検
出圧と前記設定圧との偏差に応じた圧力偏差信号と出力
する第１の信号変換器と、前記バイパス流量を検出する
バイパス流量検出器と、該検出流量を一人力とし所定の
最小バイパス流量の基準値を十入力とする第１の加算器
と、該加算器の出力信号を入力とするＰＩ調節器と、該
ＰＩ調節器の出力信号と前記圧力偏差信号とを十入力と
する第２の加算器と、該加算器の出力信号が所定の設定
値以下のときは該出力信号に比例して増大され以」二の
ときは一定値とされる前記補助バーナ装置の燃料制御信
号を出力する第２の信号変換器と、前記第２の加算器の
出力信号が前記第２の信号変換器の前記設定値以上のと
き該出力信号に比例して増大される信号を出力する第３
の信号変換器と、該信号変換器の出力信号に応じて前記
改質装置の燃料流量の補正信号を出力する第４の信号変
換器と、を設けたことを特徴とする燃料電池発電プラン
トの制御方式。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57127676A JPS5918577A (ja) | 1982-07-23 | 1982-07-23 | 燃料電池発電プラント |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57127676A JPS5918577A (ja) | 1982-07-23 | 1982-07-23 | 燃料電池発電プラント |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5918577A true JPS5918577A (ja) | 1984-01-30 |
| JPS6356672B2 JPS6356672B2 (ja) | 1988-11-09 |
Family
ID=14965954
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57127676A Granted JPS5918577A (ja) | 1982-07-23 | 1982-07-23 | 燃料電池発電プラント |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5918577A (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JPS6180764A (ja) * | 1984-09-26 | 1986-04-24 | Shimadzu Corp | 燃料電池発電システムの制御方法 |
| US4585709A (en) * | 1983-01-21 | 1986-04-29 | Energy Development Associates, Inc. | Method and apparatus for regulating the hydrate formation temperature in a metal-halogen battery |
| JPS61227375A (ja) * | 1985-03-30 | 1986-10-09 | Toshiba Corp | 燃料電池発電システム |
| JPS61263063A (ja) * | 1985-05-16 | 1986-11-21 | Toshiba Corp | 燃料電池発電システム |
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1982
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