JPS628460A

JPS628460A - 燃料電池発電システム

Info

Publication number: JPS628460A
Application number: JP60146035A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Tokuno; 徳野　正敏
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-07-03
Filing date: 1985-07-03
Publication date: 1987-01-16

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］本発明は燃料電池発電システムに係り、特にシステム全
体の小形化、経済性ならびに効率の向上を図り得るよう
にした燃料電池発電システムに関する。

［発明の技術的背景とその問題点コ従来、燃料の有しているエネルギーを直接電気的エネル
ギーに変換するものとして燃料電池が知られている。こ
の燃料電池は通常、電解質層を挟んで燃料極および酸化
剤極の一対の多孔質電極を配置すると共に、燃料極の背
面に水素等の燃料を接触させ、また酸化剤極の背面に空
気等の酸化剤を接触させ、このとき起こる電気化学的反
応を利用して上記一対の電極間から直流出力を取り出す
ようにしたものであり、上記燃料と酸化剤が供給されて
いる限り高い変換効率で電気エネルギーを取出すことが
できるものである。

さてこの種の燃料電池には、リン酸水溶液、アルカリ水
溶液、溶融炭酸塩、固体電解質等を電解質として使用し
たものがあるが、現在一般的に商用化または商用化に近
い燃料電池はリン酸水溶液を使用したものである。この
燃料電池は、一般に商用電源と並列運転を行うことを前
提に設計・製作されている。また、熱併給可能なオンサ
イト型と称される小形（現在は４０ＫＷ〜数百ＫＷ）の
燃料電池は、独立Ｍ＃Ｉとして使用することも可能なよ
うに設計・製作されているが、その出力周波数は商用電
源と同一である。一方この種のリン酸水溶液燃料電池は
、酸化剤としての空気を燃料電池に供給するための空気
供給装置、同じく燃料電池で発電に使用する燃料として
の水素を得るための燃料処理装置、燃料電池で発生した
直流出力を交流電力に変換して負荷へ供給する直交変換
装置等を備えて、燃料電池発電システム全体を構成して
いることが多い。

第５図は、この種の代表的な燃料電池発電システムの基
本的構成例をブロック的に模式化して示したものである
。本燃料電池発電システムは、図示のように燃料処理装
置１と、空気処理装置２と、燃料電池３と、直交度換装
［４と、周波数回変装［５と、熱処理装置７とから構成
されている。なお、９は本燃料電池発電システムの負荷
としての電動線である。

まず燃料処理装置１は、図示しない原燃料供給装置から
供給される天然ガス、メタノール、ナフサ等の原燃料を
導入し、水蒸気添加改質反応を利用して水素ガスを主成
分とする改質ガス（燃料ガス）を生成するものである。

この燃料処理装置１は、一般には脱硫装置、原燃料の水
蒸気添加改質反応を行う改質装置、改質ガス中に含まれ
る一酸化炭素を変成して水素と二酸化炭素にする一酸化
炭素変成器、各種熱交換器ならびに圧力流量を制御する
制御弁より構成されている。なおこの燃料処理装置１は
、原燃料が水素ガス゛を主要な成分とし燃料電池３に対
して有害な物質（リン酸水溶液燃料電池では、−酸化炭
素、イオウを含むガス等）を含まない場合には不要であ
る。また、この燃料処理装Ｂ１からの改質ガスは燃料電
池３にその燃料として供給されるが、一部は図示しない
経路を経由して空気処理袋Ｍ２の動力用燃料源、または
熱処理装置７の加熱用燃料源として供給し使用される。

また空気処理装置２は、図示しない空気吸込口より空気
を吸込んで加圧し、湿度・温度調整を行なっぞ燃料電池
３に酸化剤として供給するものである。ここで空気処理
装置２としては、燃料電池３の動作点が大気圧である場
合には電動ブロアが使用されるが、高性能化を目的とし
て一般に燃料電池３の動作は加圧下（３，５〜７／１／
ｉＧ程度）で行なうことから、加圧装置としてターボ・
コンブレッサーを使用している。

空気処理装置２の一例について、第６図を用いて述べる
。図において、コンプレッサー吸入口２１より吸入され
た空気はコンプレッサー２２で加圧されてコンプレッサ
ー突出口２３より流出する。ジンブレッサー２２は、タ
ービン２６と軸２４を介して直結されており、タービン
２６は燃焼器２７よりタービン入口配管２５を介して高
温ガスによって駆動される。なお、２６１はタービン排
気配管である。また、燃焼器２７は他の装置（例えば改
質装置の排出高温ガス等）からの排出ガスの排気管２９
１、コンプレッサー突出口２３より分岐された燃焼用お
よび他の装置が必要とする空気量以外のコンプレッサー
突出空気量をバイパスする空気バイパス管２８、燃焼器
２７の燃料供給配管２９２ならびに他の装置に供給する
ための電池供給管２９０より構成されており、つぎにそ
の動作について説明する。

まず、燃料を燃料管２９２により燃焼器２７に供給し、
空気バイパス管２８の空気および排気管２９１のガスを
使用して燃焼させ高温ガスを得る。

この高温ガスをタービン２６内で断熱膨張させて回転エ
ネルギーに変換し、軸２４を介してコンプレッサー２２
を回転させる。そして、このコンプレッサー２２の回転
により空気を所定圧力まで加圧し、この加圧空気を他の
装置に電池供給管２９′Ｏを介して供給する。ここで、
ターボ・コンプレッサーはその回転数を制御するために
燃料を増減させるが、燃料を制御する制御弁の動作が遅
いこと（例えば、一般的には閉から全開まで数秒程度を
要する）、および制御精度が悪いこと等の問題がある。

特に、回転数精度の問題からコンプレッサー２２のサー
ジング領域に入り易く、その場合には破壊する恐れが強
い。− 一方燃料電池３は、燃料処理装置１からの改質ガス、空
気処理装置２からの空気をそれぞれ導入し、改質ガス中
の水素、空気中の酸素を電気化学的に反応させて直流出
力、熱および水を生成する。

ここで、生成した熱は図示しない燃料電池３内の冷却装
置により除熱し、熱処理装置７に熱を移送させる。また
、生成した水は燃料電池３の排出空気、排出ガス中に含
まれ、図示しない水凝縮、気水分離装置により回収して
水処理され、改質用水蒸気または冷部水等に再利用され
ている。

また熱処理装置７は、冷却装置として乾式冷却塔を有し
大気中に熱を放出するが、熱併給にあっては熱交換機を
介して高温水供給を行なったり、吸収式冷凍機の高熱源
に利用したりする。乾式冷却塔の場合にはファンが必要
であるが、ファンの台数制御を行なっている。また、吸
収式冷凍機の廃熱は湿式冷却塔により大気中に放熱する
が、ファンの台数制御を行なっている。いずれのファン
も、台数制御を行なっているので必要冷却量よりも大き
な容量を稼働させており、エネルギー損失があると共に
騒音も大きくなる。

さらに直交変換袋［４は、燃料電池３からの直流出力を
商用周波数の交流電力に変換するものであり、その−例
について第７図を用いて述べる。

つまり゛、第７図は直交変換装置４の主回路構成を示す
もので、出力変圧器等はその図示を省略しており、また
６バルス逆変換器を例として示している。図において、
昇圧チョッパ回路４１は直流端子Ｔ１．Ｔ２を介して導
入される燃料電池３からの直流出力の昇圧および電圧安
定下を行なうものであり、基本的には直流リアクトル４
１３、短絡用のＧＴＯ４１１、ダイオード４１２により
構成されている。また、逆変換回路４２は昇圧チョッパ
回路４１からの出力を交流電力に変換する自励電圧形の
逆変換回路であり、その交流電力は交流端子Ｔ３　、Ｔ
４　、Ｔｓを介し三相交流として出力される。ここで、
交流電力の周波数は他１！源と並列運転を行なう場合に
は系統周波数であり、独立運転を行なう場合には５０Ｈ
１または６０−の商用周波数である。

一方、回転数を可変する電動機が主要な負荷である場合
には、各負荷側で商用周波数電力を別の周波数電力に変
換して電動機を駆動する方式が最近普及してきている。

特に、回転数を可変とする運転を行なうことにより省エ
ネルギー化を図っている。また、回転数を商用周波数下
の運転で得られる最高回転数よりも高い回転数で運転す
ることにより、より一層負荷特性を高効率化することも
行なわれてきている。周波数可変装置５は、上記別置波
数に変換する手段をして使用されるものであり、その−
例について第８図を用いて述べる。

つまり、第８図は周波数可変装置５の主回路構成を示す
ものであり、図において商用周波数の電力は順変換回路
５１により整流して直流電力に変換゛される。この直流
電力は、６個のＧＴＯからなる逆変換回路５２により任
意の周波数、電圧の交流電力に逆変換される。ここで、
通常の同期電動機、誘導電動機を負荷として使用する場
合には、定格回転数以下の回転数においてはその磁気回
路の飽和を防止するため、周波数を低下させる場合に電
圧も低下させるＶ／Ｆ一定制御が一般的に使用される。

上述したように、燃料電池発電システムの主要な負荷が
回転数を制御する電動機である場合には、商用周波数の
装置が燃料電池３と周波数可変装置５の直流部との間に
介在していることから、燃料電池発電システムとしては
大形かつ高価でしかも効率の低いものとなっている。ま
た、ターボ・コンプレッサのＩｌｌ　Ｉｌｌ性について
も燃料量を制御する方式では制御粘度の点で問題がある
。

【発明の目的］本発明は上記のような問題を解決するために成されたも
ので、その目的は効率が高くしかも安価で小形な燃料電
池発電システムを提供することにある。

［発明の概要］上記目的を達成するために本発明では、電解質層を挟ん
で燃料極および酸化剤極の一対の電極を配置してなり、
上記燃料極に燃料を供給すると共に酸化剤極に酸化剤を
供給して、このとき起こる電気化学的反応により上記両
電極間から直流出力を発生する燃料電池と、この燃料電
池からの直流出力を可変周波数および可変電圧の交流電
力に変換し、かつこの交流電力を負荷電動機に供給する
少なくとも１台の周波数可変逆変換装置とを備えて構成
され、上記周波数可変量変換装置の出力周波数および出
力電圧を当該周波数可変逆変換装置　。

に接続された負荷電動機の負荷特性に応じて変化させる
ようにしたことを特徴とする。

［発明の実施例］以下、本発明を図面に示す一実施例について説明する。

第１図は、本発明による燃料電池発電システムの構成例
をブロック的に示したもので、本例では石油のタンカー
船積用輸送ポンプに適用した場合について示している。

なお、図において第５図乃至第８図と同一部分には同一
符号を付して示している。

図示のように本実施例による燃料電池発電システムは、
燃料である水素ガスと酸化剤である空気とを電気化学的
に反応させて直流出力を発生する前述した燃料電池３と
、この燃料電池３からの直流出力を可変周波数および可
変電圧の交流電力に変換し、かつこの交流電力を負荷と
しての電動機９に供給する周波数可変逆変換装置８とを
備えて構成している。ここで、周波数可変逆変換装置８
は出力周波数および出力電圧を可変とする可変電圧可変
周波数ｆｆｔｌｉ（ＶＶＶＦ）として構成されており、
逆変換回路８１および周波数制御回路８２から成ってい
る。この逆変換回路８１は、燃料電池３からの直流出力
を任意の周波数、電圧に逆変換するもので、図からも明
らかなように前述した第８図の周波数可変′ＪＡ置５に
おける順変換回路５１を削除した回路構成としている。

また周波数制御回路８２は、後述する石油流量検出値と
流量設定値とを比較しかつその比較結果である偏差値に
応じて逆変換回路８１の動作を制御し、また後述するポ
ンプの回転数検出値が電動機９の定格回転数よりも低い
時には、周波数と同時に電圧をＶ／Ｆ一定に制御するも
のである。なお上記で、電動機９としては通常の誘導電
動機を使用している。また、図示しない燃料処理装置に
供給する原燃料としては石油随伴ガスを使用し、図示し
ない空気処理装置としてはターボ・コンプレッサーを使
用している。

一方、９２は上記電動１１９により駆動される石油のタ
ンカー船積用の輸送ポンプであり、ポンプ入口配管９４
を通して導入される石油をポンプ出口配管９５を介して
図示しないタンカーに供給するようになっている。また
、９３は上記ポンプ出口配管９５を通過する石油の流量
を検出する流山検出器９３であり、その検出信号を上記
周波数制御回路８２へ与えるようにしている。さらに、
９１は上記ポンプ９２の回転数を検出する回転数検出器
であり、その検出信号を上記周波数制御回路８２へ与え
るようにしている。なお、図示しない流！設定器より１
ｆｆｉ設定値信号を、同様に上記周波数制御回路８２へ
与えるようにしている。

さてかかる構成において、ポンプ入口配管９４を通して
導入される石油を、ポンプ９２−によりポンプ出口配管
９５を介して図示しないタンカーに送油する場合には、
できる限り早く船積を完了させることが船積用パースの
有効利用の面から必要であるし、また停船ｆＲＩＩｌが
短Ｒ間であればある程その分だけタンカーの輸送コスト
の低減につながることになる。しかしながら、大量の送
油を行なうとその終了付近で石油タンクより石油が溢れ
る危険性があることから、送油２ｉｉＥＩＩを低減させ
ることが必要となる。そこで、ポンプ９２の回転数を可
変とすることにより、初期段階においては最大速度で送
油しまた終了段階では回転数を低下させて送油するよう
に、本実施例では図示しない流量設定器からの流ａ設定
値を基準としてＩＩＩ御が行なわれる。

すなわち、ポンプ９２によりポンプ出口配管９５を介し
てタンカーに供給される石油の流量は流溌検出器９３で
検出され、その検出信号が周波数制御回路８２へ与えら
れる。周波数制御回路８２では、この流量検出値を図示
しない流量設定器からの流量設定値と比較し、その比較
結果である偏差値に応じて当該偏差値が零となるように
逆変゛換回路８１の点弧、消弧のタイミングおよび順序
が制御される。また、上記ポンプ９２の回転数が回転数
検出！Ｓ９１で検出され、その検出信号が上記周波数制
御回路８２に与えられ、その大きさが電動機９の回転数
よりも低い時には周波数と同時に電圧がＶ／Ｆ一定に制
御されることになる。

従って、上述したように本実施例の燃料電池発電システ
ムとすることにより、前述した従来のシステムにおける
直交変換装置４および周波数可変ｆｉ［５の順変換回路
５１が不要となり、その損失分に相当する電力効率の向
上を図ることができると共に、当該設備に相当する費用
および設置スペースの低減を図り得、極めて小形で安価
な燃料電池発電システムとすることが可能となるもので
ある。

次に、第２図は本発明の他の実施例による燃料電池発電
システムの構成例をブロック的に示したもので、本例で
は前述した第６図の空気供給装置２に適用した場合につ
いて示している。なお、図において第１図と同一部分に
は同一符号を付して示している。

すなわち、第６図に示した従来のターボ・コンプレッサ
ーではコンプレッサー２２の精度に問題があることから
、本実施例ではコンプレッサー２２の駆動を燃料電池３
の出力側に接続された周波数可変逆変換装置８の出力の
周波数・電圧を入力とする電動Ｉｉ９により行なうよう
にしたものである。

かかる構成において、電動ｔ１９は商用周波数運転状態
で得られる最高回転数よりも高い回転数範囲で運転され
る。また、周波数可変逆変換装置８の周波数も商用周波
数以上の周波数で４００８ｒまで運転される。さらに、
コンプレッサー２２は回転数を高くする程小形となるこ
とから、高周波数で運転が行なわれる。すなわち、周波
数制御回路８２は、図示しない空気流量設定器からの空
気流ｆｆｉ設定値信号を基準とし、電動Ｉ１９の回転数
を検出する回転数検出器９１からの回転数検出値信号、
流山検出器９３からの空気流量検出値信号を夫々入力し
、その比較結果である流量偏差値に応じて当該偏差値が
零となるように逆変換回路８１の点弧、消弧タイミング
および順序を制御することにより、電動１１９に入力さ
れる周波数が制御されることになる。

従って、かかる構成とすることによって制御精度が向上
するため、コンプレッサー２２のサージング領域に入る
ことなく燃料電）１！！３必要空気量の急変に対しても
制御を行なうことが可能となる。

次に、第３図は本発明の他の実施例による燃料電池発電
システムの構成例をブロック的に示したもので、本例で
は熱併給を行なう燃料電池発電システムの大きな負荷で
あるター、ボ冷凍機に適用した場合について示している
。なお、図において第１図と同一部分には同一符号を付
して示している。

通常、ターボ冷凍機の負荷制御は電動１１９の回転数を
制御することによって行なうが、ターボの特性上高回転
で行なう必要があることから、周波数回、変速変換装置
８の出力周波数を商用周波数以上の周波数領域で運転す
るようにしたものである。

すなわち、図において９３はＦＬ量積検出器９７は入力
冷媒の温度を検出する入口温度検出器、９８は出力冷媒
の温度を検出する出口温度検出器、９６は上記流量検出
器９３、入口温度検出器９７、出口温度検・出塁９８か
らの各検出信号を入力してターボ冷凍機１０１の実際の
除熱量を演算する演算器９６であり、ターボ冷凍Ｉ！１
１０１の必要負荷が増減した場合には、周波数制御回路
８２にて図示しない冷水量設定器から設定されるターボ
冷凍機の除熱量が演算器９６からの出力と比較され、そ
の比較結果である偏差値に応じて当該偏差値が零となる
ように、周波数制御回路８２により逆変換回路８１・の
点弧、消弧タイミングおよび順序が制御される。その結
果、電動１１９の軸に直結されなターボ冷凍１１０１に
より入力冷媒が除熱されることになる。

従って、かかる構成とすることによりターボ冷凍機１０
１は商用周波数以上の周波数領域で回転するため、それ
自体極めて小形−なものとなる。また、燃料電池３の直
流出力を直接に使用する・ため極めて安価なものとなる
。− 次に、第４図は本発明の他の実施例による燃料電池発電
システムの構成例をブロック的に示したもので、本例で
は吸収式冷凍機の廃熱処理用冷却塔のファン電動機を負
荷として適用した場合について示している。なお、図に
おいて第１図と同一部分には同一符号を付して示して、
いる。

本実施例では、図示しない冷却塔の串日水の温度が一定
となるように、周波数可変逆変換装置８の出力周波数、
電圧を制御してファン９０１の風量を、制御するもので
ある。すなわち、図示しない冷却塔から吸収式冷凍、機
に戻る水の温度は図示しない温度検出器によって検出さ
れ工、その検出温度信号が周波数制御回路８２に入力さ
れ、一方基準値として図示しない設定温度信号が周波数
制御回路８２に入力される。そして、周波数制御回路８
２にて設定温度信号、が検出温度信号と比較され、その
比較結果である偏差値に応じて当該偏差値が零となるよ
うに、周波数制御１回路８２により逆変換回路８１の点
弧、消弧タイミングおよび順序が制御される。

従って、このようにすることにより吸収式、冷凍機の負
荷に合わせてファン９０１の回転数が制御され、安価で
しかも低騒音のシステムを得ることが可能となる。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、そ
の要旨を変更しない範囲で種々に変形して実施すること
ができるものである。

例えば、上記実施例においては周波数可変逆変換装置、
８が１台の場合を述べたが、負荷電動機の数に夫々対応
させて周波数可変逆変換装ｆ！２８を複数台備えた場合
についても、同様に本発明を適用することができるも・
のであや。

［発明の効果］以上説明したように本発明によれば、電解質層を挟んで
燃料極および酸化剤極の一対の電橋を配置してなり、上
記燃料極に燃料を供給すると共に酸化剤極に酸化剤を供
給して１、このとき起こる電気化、学的反応に、より上
記両電橿間から直流出力を発生する燃料電池と、この燃
料電池からの直流出力を可変周波数および可、変電圧の
交流！力に変換し、かつこの交流電力を負ｉｌｉ′ｉ電
動機に供給する少なくとも１台の周波数可変逆変換装置
とを備えて構成され、上記周波数可変逆変換装置の出力
周波数および出力電圧を当該周波数可変逆、変換装置に
接続された負荷電動機の負荷特性に応じて変・化させる
ようにしたので、効率が高くしかも安価で小形な極めて
信頼性の高い燃料電池発電システムが提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成ブロック図、第２
図乃至第４図は本発明の他の実施例を夫々示す・構成ブ
ロック図、第５図は従来の燃料電池発電システムを示す
構成ブロック図、第６図は第５図における空気処理装置
を示す構成図、第７図−は第５図における直交ｉ検装置
を示□す構成図、第８図は第５図におけ・る周波数可変
装置を示“す構成図である。１・・・燃料処理装置、２・・・空気処理装置、３・・
・燃料電池、４・・・直交変換装置、５・・・周波数可
変装置、７・・・熱処理装置、８・・・周波数可変逆変
換装置、９・・・電動機、２１・・・コンプレッサー吸
入口、２２・・・コンプレッサー、２３・・・コンプレ
ッサー突出口、２４・・・軸、２５・・・タービン入口
配管、２６・・・タービン、２７・・・燃焼器、２８・
・・空気バイパス管、４１・・・昇圧チョッパ回路、４
２．５２．８１・・・逆変換回路、５１・・・順変換回
路、８２・・・周波数制御回路、９１・・・回転数検出
器、９２・・・ポンプ、９３・・・流量検出器、９４・
・・ポンプ入口配管、９５・・・ポンプ出口配管、９６
・・・演算器、９７・・・入口温度検出器、９８・・・
出口温度検出器、１０１・・・ターボ冷凍器、２６１・
・・タービン排気配管、２９０・・・電池供給管、２９
１・・・他系よりの排気管、２９２・・・他系よりの燃
料管、４１１．４２１〜４２６・・・ＧＴＯ１４１２・
・・ダイオード、４１３・・・直流リアクトル、９０１
・・・ファシ、Ｔ１．Ｔ２・・・直流端子、Ｔｉ　、Ｔ
４　、Ｔｓ・・・交流端子。出、願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦−へト　　　　　　　　　←

Claims

【特許請求の範囲】

（１）電解質層を挟んで燃料極および酸化剤極の一対の
電極を配置してなり、前記燃料極に燃料を供給すると共
に酸化剤極に酸化剤を供給して、このとき起こる電気化
学的反応により前記両電極間から直流出力を発生する燃
料電池と、この燃料電池からの直流出力を可変周波数お
よび可変電圧の交流電力に変換し、かつこの交流電力を
負荷電動機に供給する少なくとも１台の周波数可変逆変
換装置とを備えて構成され、前記周波数可変逆変換装置
の出力周波数および出力電圧を当該周波数可変逆変換装
置に接続された負荷電動機の負荷特性に応じて変化させ
るようにしたことを特徴とする燃料電池発電システム。
（２）少なくとも１台の周波数可変逆変換装置の負荷が
、燃料電池の酸化剤供給源である空気を燃料電池へ供給
するためのブロアまたはコンプレッサーに直結された電
動機であり、燃料電池の必要空気量に対応して電動機の
回転数を設定する手段、ブロアまたはコンプレッサーの
通過空気量を検出する手段、および電動機の回転数を検
出する手段を備え、燃料電池の必要空気量をまかなうよ
うに周波数可変逆変換装置の出力周波数および出力電圧
を変化させるようにしたことを特徴とする特許請求の範
囲第（１）項記載の燃料電池発電システム。
（３）少なくとも１台の周波数可変逆変換装置の負荷が
ターボ冷凍機の電動機であり、ターボ冷凍機の時刻によ
る必要負荷量に追従して電動機の回転数を制御するよう
に周波数可変逆変換装置の出力周波数および出力電圧を
変化させるようにしたことを特徴とする特許請求の範囲
第（１）項記載の燃料電池発電システム。
（４）燃料電池の冷却に使用された冷却媒体の少なくと
も一部の媒体を直接または熱交換器を経由して吸収式冷
凍機の入熱源として使用して熱併給を行うように構成し
、かつ少なくとも１台の周波数可変逆変換装置の負荷と
して吸収式冷凍機の廃熱処理用冷却塔のファン電動機を
接続し、冷却塔出口から吸収式冷凍機に戻される媒体の
温度を検出してその温度が一定となるように吸収式冷凍
機の負荷変動に対応させてファン電動機の回転数を制御
するように周波数可変逆変換装置の出力周波数および出
力電圧を変化させるようにしたことを特徴とする特許請
求の範囲第（１）項記載の燃料電池発電システム。