JPS6180761A - 燃料電池発電システムの制御方式 - 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］ 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。

（ロ）従来技術 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１指して開発が活発化して
いる。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　１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っ
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４〜６　Ｋｇ／　ｃｔａ２ｇ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。

したがって、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採用する例が一
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ッ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喜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。

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、ｌは燃料電池であり、１ａ、ｌｂ、１ｃはそれぞ
れ燃料電池１の空気極、燃料極および電解質部分を示す
。２は炭化水素燃村を水素リッチガスに変換するための
改質器であり、２ａ、２ｂは前記改質器２の八−す部と
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＠３のタービン部分およびコンプレッサ
部分を示す、４．５．６はコンプレ、す吐出圧を制御す
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ｉｙＡｍ弁、８は流量発信器、９は
流量コントローラである。１０はコンプレッサ３ｂから
の空気を燃料電池ｌへ導く空気供給配管（コンプレッサ
吐出配管）、１１は燃料電池空気極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からの燃焼排ガス配管、１３は前記余剰空気配管
１１と前記燃焼排ガス配管１２が合流した後タービン３
ａ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
ｍ整弁、１６はコンプレッ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ｌ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への燃料供給配管、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
へ燃焼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
おいてコンプレッサ３ｂの供給空気量の減少に伴ないコ
ンプレッ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
の維持を図っている。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ｙ４ｍによってコン
プレッ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、コンプレッ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
ッ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の調節によっ
て定風圧を維持するが、大気開放弁４の調節代がなくな
ればコンプレッ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１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／ヘツファ容積が大きいため
、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図に示す従来技術では、システム排ガス圧力
を積極的に制御していないため、負荷変動に迅速に対処
するのが難しいという問題があり、負荷を急速に変化さ
せると、改質器の炉内圧が一時的に変動して燃焼の安定
性が損なわれたり、燃料電池の反応ガス圧力が変動して
前述したクロスオーバ現象が生じるおそれがある。

また、このものは、定格負荷付近で大気開放調整により
定態圧制御を行っており、コンブレフすの必要動力に対
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場合があるので、大気開放
弁の調整代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、改質器の燃焼
が不安定になったり前述した電池の特性劣化やクロスオ
ーバ現象を招く心配がなく、幅広い負荷変動に対してき
わめ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
５Ｂ−５６２３１号公報に示されているとおり公知であ
る）とともに、この助燃炉から前記タービンへ至る排ガ
ス配管から分岐させたバイパス配管上に該配管を通して
大気に放出される排ガスの量を：ｌ！！節するタービン
バイパス弁を設け、さらに、前記ターボ圧縮機のタービ
ンを可変ノズル式のものにしている。その上で、システ
ムの定常運転時は前記タービンバイパス弁および前記大
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
制御をコンプレッサ吐出圧力が一定範囲におさまるよう
にフィードバック制御で行い（または、それに加えて、
システム背圧が一定範囲におさまるようにタービンバイ
パス弁の制御を行ない）、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
ログラムに基くフィードフォワード制御で行なうととも
に前記タービンバイパス弁によるシステム背圧一定のフ
ィードバック制御および前記大気開放弁によるコンプレ
ッサ吐出圧一定のフィードバック制御を行わせることを
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、タービンバ
イパス弁および大気開放弁は、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って、コンプレッサ吐
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
ル開度制御とがフィードフォワード制御により行われる
。そして、その場合には、同時に、タービンバイパス弁
によりシステム排ガス圧カ一定のフィードバック制御が
行われるとともに、大気開放弁によりコンプレッサ吐出
圧一定のフィードバック制御が行われ、過渡期における
一時的なシステム排ガス量およびコンプレッサ吐出空気
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、システム背圧およびコンプレッサの吐出
圧が常時積極的に一定の値に維持されることになり、燃
料電池内の各反応ガス同士の圧力および反応ガス圧力と
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、入ロ圧カ一定の場合、（入口
絶対温度Ｔ）ｙとノズル面積Ｓに比例するので、負荷変
動時に助燃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
にまでアップできる。そのため、前記のようにシステム
背圧を常時一定に保持できることと相まって、負荷を変
動させるのに要する時間を無理なく確実に短縮すること
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。

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４２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１ｉｉ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２７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ッピン
グモータ等の７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リノズルの開口面積を変化させ得る
ように構成したちのである。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ｌ１１３のコンプレッサ３ｂから吐出される空気を案
内する空気供給配管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
助燃炉燃焼用空気流量制御弁、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
ための助燃炉焼焼用空気流量コントローラ、３４はター
ボ圧縮機３のコンプレッサ３ｂの出口に設置され　　　
　　また圧力検出器５によって検出されたコンプレッサ
吐出圧力に応じて助燃炉燃料流量コントローラ３０およ
び助燃炉焼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＃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から分岐させたバイパス配管、３７はこのバ
イパス配管３６の途中に介設したタービンバイパス弁、
３８は前記システム排ガス配管１３内の排ガス圧力、つ
まり、システム背圧を検出する圧力発信器、３９はこの
圧力発信器３８により検出されるシステム背圧に基いて
前記タービンバイパス弁３７を開閉制御する圧力コント
ローラ、４０は圧力コントローラ３９からタービンバイ
パス弁３７に与えられる操作信号をターボ圧ｌｉｔ機３
の定常運転時、過＃運転時に応じて調整するための演算
器である。また４１は負荷指令に応じて前記タービン３
ａのノズル開度を制御するためのノズルコントローラで
ある。

次いで、このシステムの動作について説ｆｌｌ’ｆ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３５．４０の働きによって大気開
放弁４およびタービンバイパス弁３７は全開あるいは一
定の微小な開度に保持され、圧力コントローラ６．３９
は実際上機能しない。大気開放弁４およびタービンバイ
パス弁３７を全開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、湿度の変化によるコンプレッサ吸
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除々に変化する。このよ
うな変化に対しても前に記述したとおり、コンプレッサ
吐出圧力を常に一定に保つことが重要である。このとき
コンプレッサ吐出圧力の制御は、圧力コントローラ３４
によって圧力検出器５から検出される圧力が目標の一定
値になるよう助燃炉２７の燃焼量を流量コントローラ３
０．３３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、
コンプレッサ吐出圧力が一定の範囲におさまるようにフ
ィードバック制御を行う。

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および４ｏ内の制御回路を操作し、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とと
もに、タービンバイパス弁３７を圧力コントローラ３９
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動力を増加さ
せる。この結果、コンプレッサ３ｂの吐出圧力が上昇し
ようとするが、コンプレッサ３ｂの吐出圧力は圧力コン
トローラ６の１動きによって大気開放弁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、タービン動力を助燃炉燃焼量のフィードフォワード
操作により増加させ、これによるコンプレッサ３ｂの吐
出空気流量の増加分の一部をコンプレッサ吐出圧カ一定
に保つためにコンプレッサ出口側で大気放出させるよう
になっており、その状態でターボコプレッサ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４からの放出量（大気開放弁の開度）が一定の
水準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の開度をフィードフォ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、システム空気流量調節弁７の開度を変化させ
ると、システム排ガスの流量が増減するため、この流量
変化を吸収する方向にノズル３ｃの開度を制御するよう
にプログラムしである。なお、このシステムでは、前記
ノズル３Ｃの開度制　　　へ御は、比較的大まかに行う
ようにし、微妙なシステム背圧の一定制御は、圧力コン
トローラ３９の働きによってタービンバイパス弁３７の
開度を調節することにより行う、負荷指令として、シス
テム空気流量の設定値を直接流量コントローラ９に対し
て与えて流量調節弁７の開度ｙ４整を行なうとトモに、
ノズル開度の設定値をノズルコントローラ４１に与えて
ノズル開度の調節を行なう、この際に、システム背圧が
変動しようとする場合があるが、システム背圧は、圧力
コントローラ３９の働きによるタービンバイパス弁３７
の調節、換言すれば、タービンバイパス配管３６を経由
する放出排ガス量の調節により一定の値に維持される。

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、コンプレッサ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３５．４０によって
大気開放弁４およびタービンバイパス弁３７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せる。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目的で
あり、大気開放弁４およびタービンバイパス弁３７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、コンプレッサ吐出圧力は流
量コントローラ３０．３３を通じた助燃炉燃焼量の調整
によって一定制御が行なわれる。大気開放弁４およびタ
ービンバイパス弁３７を絞り込んだ後は負荷定常時の状
態に戻る。

第３図は１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２７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、コンプレッサ
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による圧カ一定制御が働き過剰空気量をフ
ンプレッサ吐出大気開放空Ｓ　Ｆｉｔ　Ｆ　１　として
大気に放出させることによってコンプレッサ吐出圧力Ｐ
１が一定に維持される。また、ノズル開度Ｓも、まだ負
荷指令前の値を維持継続させているため、システム排ガ
ス圧力ｐｉも上昇しようとする。これに対して、圧力コ
ントローラ３９によるシステム背圧一定制御が働さ過剰
排カスをタービンバイパス風量Ｆｓとして大気に放出す
ることによってシステム背圧Ｐ１が一定に維持される。

助燃炉２７に対するフィードフォ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Ｆ
４を負荷指令に甚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のノズル開度をフィードフ
ォワード操作により増加させると、この過程でＰｌの一
定制御動作によりコンプレッサ出口大気開放弁４の開度
が調整されＦｌが変化するとともに、Ｐｌの一定制御動
作によりタービンバイパス弁３７の開度が調整されＦ５
が変化する。Ｆ４が目標値に達した時点（時刻１ｚ）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
プレッサ吐出圧力Ｐ１の制御がコンプレッサ出口大気開
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
３５．４０からの指令で大気開放弁４およびタービンバ
イパス弁３７の漸開動作が行われ、大気開放弁４および
タービンバイパス弁３７が完全に絞り込まれた時点（時
刻１１）が第２次（最終）整定時点となる。１１からｔ
ｌに至る過程ではＰｌ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、上記実施例では、システム定常運転時にコンプレ
９す吐出圧力が一定となる様に助燃炉燃焼量のフィード
バック制御を行なっているが、このときプロセス量の変
化に伴ってシステム背圧が変化しない様に、常時コント
ローラ３９によるシステム背圧一定制御を働かせること
も考えられる。このとき、タービンバイパス弁３７は定
常運転時のシステム背圧一定制御を行うために必要な　
　　　１最小の開度を維持する必要がある。

またこの場合に於て、コントローラ３９によるシステム
背圧一定のフィードバック判断の代りに、＠算器４０に
リミ、タ機能を持たせ、ある一定の圧力を超えれば演算
８４０がタービンバイパス弁３７に対し開動作指令を出
す様にして定常運転時にシステム背圧が一定の範囲に納
まる様に判断することも考えられる。

さらに上記実施例では、ノズル開度のフィードフォワー
ド操作を、システム空気流ＩＦ４の増加開始時点（時刻
し）に於て開始した例を述べたが、負荷指令時（時刻ｔ
１）に同操作を開始しても良い。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１次のような効
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
、あらゆる負荷運転域においてタービンの動力不足を招
くことがない。

（ｂ）そして、コンプレッサ吐出圧力およびシステム背
圧を常時一定の範囲の＜？ｎ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常に一定に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、負荷変動時においてもシステム背圧を一定
に維持することができるので、改質器の燃焼が安定化す
るという利点もある。

（ｄ）さらに、負荷が一定している際には、大気開放弁
およびタービンバイパス弁を全開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。

（ｅ）　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、ノズル開度をフィードフォ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、優れた応答性が期待でき、
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０、まず、タービン動力は、入口圧力Ｐ１が一定
とすると、（入口絶対温度Ｔ）ｙ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って大気開放弁４の放出風
量Ｆ１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
標値にまで変化させる際に、それとほぼ同時にノズル面
積Ｓをフィードフォワード制御により変化させてタービ
ン３ａのパワーアンプを計ることができるので、大気開
放弁４の放出風ｌｘ　Ｆ　ｘ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Ｌ
１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（１＋〜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（１−
１７）を共に短くすることが可能となる。

（ｆ）その上、システム空気流量を変化させるとともに
タービンのノズル開度を調整する際に、タービンバイパ
ス弁の放出風量をフィードバック制御により調整してシ
ステム背圧を一定に制御するようにしているので、シス
テム背圧を変動させないようにノズル開度をバランス良
く精密に変化させなけれがならないという制約がない。

そのだめ、特に、システム空気流量を変化させるのに要
する時間（ｔ　”　ｔ　ｚ　）を非常に短く設定するこ
と　　　　、、が可能となる。

したがって、前記ｅ項で述べた事情と相まって、きわめ
て迅速で的確な負荷制御を行うことができる燃料電池発
電システムの制御方式を提供できるものである。

【図面の簡単な説明】

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や・・空気極 ｌｂ・・−燃料極　２・・・改質器 ３・・・ターボ圧縮機 ３ａＩＩＩＩ−タービン ３ｂ＋１１フンプレー２す ３ｃ・１ノズル ４・・・大気開放弁 １０・・φコンプレッサ吐出配管 １４・・・大気開放配管 ３６拳・φ／ヘイパス配管

Claims (2)

【特許請求の範囲】
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ッサを作動させ該コ
   ンプレッ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、この助燃炉から前記タービンへ至
   る排ガス配管から分岐させたバイパス配管上に設けられ
   該配管を通して大気に放出される排ガスの量を調節する
   タービンバイパス弁と、前記ターボ圧縮機のコンプレッ
   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であって、シ
   ステムの定常運転時ほ前記タービンバイパス弁および前
   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ッサ吐出圧力が一定範囲におさまる
   ようにフィードバック制御で行い、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ィードフォワード制御で行な
   うとともに前記タービンバイパス弁によるシステム背圧
   一定のフィードバック制御および前記大気開放弁による
   コンプレッサ吐出圧一定のフィードバック制御を行わせ
   ることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方式。
2. （２）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ッサを作動させ該コ
   ンプレッ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、この助燃炉から前記タービンへ至
   る排ガス配管から分岐させたバイパス配管上に設けられ
   該配管を通して大気に放出される排ガスの量を調節する
   タービンバイパス弁と、前記ターボ圧縮機のコンプレッ
   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であって、シ
   ステムの定常運転時は前記タービンバイパス弁および前
   記大気開放弁を全閉または微開にした状態でコンプレッ
   サ吐出圧力が一定範囲におさまるように助燃炉燃焼量の
   フィードバック制御を行わせることに加え、システム背
   圧が一定範囲におさまるようにタービンバイパス弁の制
   御を行なわせ、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
   基くフィードフォワード制御で行なうとともに前記ター
   ビンバイパス弁によるシステム背圧一定のフィードバッ
   ク制御および前記大気開放弁によるコンプレッサ吐出圧
   一定のフィードバッ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制御方式。