JPS6180764A - 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】 〔発明の技術分野〕 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（
ご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／ｃｉに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ｍ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テムにおいてはｐ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２５〜１ｏ。

％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走風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１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（ｌａ
）、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（１λ）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ｗｉ機２．（（４）はこのターボ圧縮機（３）のコン
プレッサ（３ｂ）により圧縮された空気を燃料電池本体
（１）の空気極（ｌａ）に供給する空気供給配管、（５
）は燃料電池本体（１）の空気１１（ｌａ）からの余剰
空気をターボ圧縮機（３）のタービン（３ａ）へ導く余
剰空気配管。

（６）は改質！１（２）からの燃焼排ガスをタービン（
３ａｌ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１！１
ｉ（ｌｂ）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１ｆｊ（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（
１３）からの信号に応答して大気開放弁（１２）のＩＪ
ｉＪ閉制御を行う圧力コントローラてあり、これら（１
２）・（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。（］５）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、　　（１Ｂ）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１ｍＣ１ａ）に供給される空気の流量制御が行われ
る。

（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ゆ、これら（２１）〜（２３）　ｉ
こより燃料電池本体（１）の反応燃料ガス圧力の制御が
行われる。（２４）は燃料供給配管（８）に設置されｔ
コ流量調節弁、　（２５）は燃料供給配管（８）内の流
量を検出する流量検出器、　（２６）は乙の流量検出器
（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）・ローラであり、これら（２４
）〜（２Ｂ）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るバーナ空気供給配管が設けら
れている。

次いで、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。

燃料電池本体口）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（１２
）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！１調整する。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る。即ち、このシステ
ムは基本的には大気開放弁（１２）の調節によって走風
圧を維持するが、大気開放弁（１２）の調節代がなくな
ればコンプレ・す（１３ｂ）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１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だり、逆に反応ガスが筐体
中に漏れ込んて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２
例えば特公昭５８−５８２３１号に開示されｔコものが
ある。又例えば特開昭５９−１８５７７号に開示された
燃焼排ガス系統にバイパスにして設置したバイパス弁を
開閉動作させて燃焼排ガスの大気中への放出量を調整し
、タービンに供給される燃焼排ガス量を調整することに
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
するようなものが考えられるが、この場合においても大
気開放弁（１２）と同様にバイパス弁の調節代を利用し
た制御は困難である。即ち、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バイパス弁を全閉又
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
方バイパス弁により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により、
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）、　
（１３）。

（１５１，（１７）は上述した従来のシステムの構成と
同様である。（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ックで
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量ｖ（７
）の途上に設置された助燃炉、　（２９）はシステム排
ガス配管（７）に分岐して設置され、ターボ圧縮機（３
）のタービン（３ａ）をバイパスするバイパス配管、　
（３０）はこのバイパス配管（２９）に設置され、助燃
炉（２８）を経た排ガスの大気への放出量を調整し、タ
ービン（３ａ）に供給される排ガス量を調整するバイパ
ス弁、　（３１）は助燃炉（２８）に例丸ば燃料供給配
管（８）から燃料を導いて供給する燃料配管、　（３２
）はこの燃料配管（３１）に設置された流量制御弁、　
（３３）は燃料配管（３１）内を流れる燃料流量を検出
し流量制御弁（３２）を調節する流量コントローラ、　
（３４）は空気供給配管（４）から分岐して助燃炉（２
８）に接続された空気配管、　（３５）はこの空気配管
（３４）に設置された流量制御弁、　（３６）は空気配
管（３４）内を流れる空気流量を検出して流量制御弁（
３５）を調節する流量コントローラ、　（３７）は圧力
検出器（１３）ｔｔｍよ・て検出された・・プ・・す（
３ｂ）　　　“の吐出空気圧力に応じて流量コントロー
ラ（３３）及び流量コントローラ（３６）に対する制御
信号を与えろ圧力コントローラ、　　（３８）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バイパス弁（３０）の開度合調
節する圧力コントローラ、　　（３９）はこの圧力コン
トローラ（３８）からバイパス弁（３０）に与えられる
操作信号をターボ圧縮機（３）の定常運転時、過渡運転
時に応じてｍ整する演算器である。

次いて動作について説明する。システムの定常運転時、
即ち、ターボ圧縮機（３）の定常運転時には、演算器（
３９）の働きによってバイパス弁（３ｏ）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（３８）は実際上機能しない。バイパ
ス弁（３０）を全閉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
（３７）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（３３）、　（３６）を通じて制御
することにより行う。即ち、システム定常運転時、助燃
炉（２８）の燃焼量はコンプレッサ（３ｂ）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る。先
ず。

負荷指令の直前に演算器（３９）内の制御回路を操作す
ることによ秒バイパス弁（３０）を圧力コントローラ（
３８）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（３３）、　（３６）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（３
８）の働きによってバイパス弁（３０）の調節、即ち、
バイパス配管（２９）を経由する放出排ガス流量１ｅ調
整し、タービン（３ａ）に供給される排ガス量を調整す
ること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、このタービン動力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こめにタービン（
３ａ）手前のバイパス配管（２９）かラバイパス弁（３
０）を介して大気へ放出している状態でターボ圧ｆａｆ
ｆｆｌ（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。バイパス弁（３０）からの放出量、
即ち、バイパス弁（３０）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じ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（３８）の制御ｉ［Ｉ］ｖ
ＪＪ作によりバイパス弁（３０）の調整、即ち、大気へ
の放出排ガス量の絞り込みが行われ、コンプレッサ（３
ｂ）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システムが整定すれば。

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（３７）に移すとともに演算器（３９）に
。

よってバイパス弁（３０）の開度を現在の開度から徐々
に絞り込み最終的に全閉させるか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、バイパス弁（３０）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る。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（３３）
　、　　（３６）を通した助燃炉（２８）の燃焼量の調
整によって一定制御が行われる。

バイパス弁（３０）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に負荷指令が与丸られ
ると、助燃炉（２８）の燃料流量Ｆ１マ が負荷指令に応じたフィードフォワード制！ｉＤＩ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）の回転数が増加しようとする
。このとき、システムへの空気流量Ｆ２はまだ負荷指令
前の値を維持継続させているためクーピン動力の増加に
よるコンプレッサ（３ｂ）の出力増加がコンプレッサ（
３ｂ）の吐出空気圧力の上昇の形で現われようとする。

これに対して、負荷指令と同時にコンプレッサ（３ｂ）
の吐出空気圧力ＰＩの一定制御をバイパス弁（３０）の
開度調整によって、即ち、排ガスの大気への放出量調整
によって行う制御系が作動するため、放出排ガス流量Ｆ
３が発生し、コンプレッサ（３ｂ）の吐出空気圧力Ｐ１
が一定に保たれろ。この放出排ガス流量Ｆ３が安定した
時点で、システムへの空気流量Ｆ２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バイパ
ス弁（３０）が絞り込まれ放出排ガス流量Ｆ３が減少す
る。システムへの空気流量Ｆ２が目標値に達しｔコ時点
（時刻Ｔ２）が負荷変動に対する第１次整定時点てあり
、この時点てコンプレッサ（３ｂ）の吐出空気圧力Ｐ１
の制御がバイパス弁（３０）からの放出排ガス量調節に
よる制御から助燃炉（２８）の燃焼量調節による制御に
切り替えられる。この後、演算器（３９）からの指令で
バイパス弁（３０）の開閉動作が行われ、バイパス弁（
３０）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。（第３図の放出排ガス流量Ｆ
３はバイパス弁（３０）を全閉させた場合を示す）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Ｐｉの一定制御動作を介して助燃炉（２
８）への燃料流量Ｆ１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（２８）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バイパス弁（３０）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、負荷連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、定常時にはバイパス弁（３０）　１
１！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〕

この発明はり上説明した通り、システムの定常運転時は
バイパス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プレッサの吐出空気圧力
一定のフィードバック制御て行い、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バイパス弁によりターボ圧縮
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、　　（３ａ）はタービンｐ　　
（”）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、　（１３）は圧力検出器、　　
（１５）は流量調節弁、　（１７１は流量コントローラ
、　（２７）は負荷。 （２８）は助燃炉、　（２９）はバイパス配管、　（３
０）はバイパス弁、　　（３２）は流量制御弁、　　（
３３）は流量コントローラ、　　（３５）は流量制御弁
、　　（３６）は流量コントローラ、　　（３７）は圧
力コントローラ、　　（３８）は圧力コントローラ、　
（３９）は演算器である。 尚２図中同一行号は同−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、上記システム
   排ガス配管に分岐して設置され上記ターボ圧縮機のター
   ビンをバイパスするバイパス配管と、このバイパス配管
   に設置されたバイパス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バイパス弁を全
   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バイパス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。