JPS63318077A - 燃料電池発電プラント - 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］ 本発明は燃料電池発電プラントに関し、より詳細には電
力遷移の増大中に電池への空気流を増大する燃料電池発
電プラントに関する。

［従来の技術１ キーティング、ジュニア、等の米国特許第３゜５７６．
６７７号に開示されているような空気を酸素源として利
用する燃料電池発電システムは代表的に、電池の最適酸
素利用を維持する調節出口制御弁を有する定空気供給ブ
ロアにより空気を供給し、水回収及び良好な電池性能を
提供する。調節弁は一般的に比較的遅い電動弁である。

大部分の運転状態に対して、このような酸素供給システ
ムは完全に適切である。しかしながら、電池に課される
電力負荷需要が増大する時は例外である。

燃料電池弁□電プラントの一つの明確な局面は電流出力
や負荷の増大需要に実質的に瞬時に応答することである
。燃料電池発電プラントの負荷が増大する場合、同時且
つ迅速に反応物質の供給が増大して燃料電池発電プラン
トの適切な運転を保証しなければならない。これは電力
出力の大規模な増大に対して、特にそうである。従来技
術の電動調節空気供給弁では酸素供給のこの比較的瞬時
の増大は生ぜず、それはこの種の弁はこのような迅速な
容量変化が不可能なためであり、特に大型バタフライ弁
の場合にそうである。従来の電動調節弁でば、発電プラ
ントに課される負荷の増大により供給速度を新しい高い
速度に調整するのに数秒を要する。この期間中に酸素欠
乏が生じて不安定な運転状態を生じることがある。その
結果、電池電圧が低下し、電流が増大し、燃料欠乏及び
アノード腐蝕が生じる。発電プラントは需要電力を発生
することができず限界外状態により停止してしまうこと
がある。

本発明は、調節弁をバイパスするブロアから電池スタッ
クの入口側までの並列ラインに檜数個の補助空気供給弁
を設けることにより、電力用ツノ増大期間中の電池性能
を改善するものである。補助弁は、代表的に励起されて
からおよそ１００ｍ５後に作動する高速作動ソレノイド
弁である。通常、これらの弁は発電プラントの運転中は
開成され、指令によってのみ過渡的に開放される。好ま
しくは、発電プラントの運転はマイク［１プロレツザに
より制御される。マイクロブロセツ４プ制御器に接続さ
れた電流センサーが電流部の電力出力を監視するにうに
作動づ−る。マイク１］ゾロゼツリ制御器は調節弁及び
ソレノイド弁を制御する。電力出力の増大が検出されて
マイクロプロセッサに伝えられると、後者は１組のソレ
ノイド補助弁を開き調節弁に信号を与えて電力部にもつ
と空気を供給するように調節する。マイクロプロセッサ
は感知される電力出力の増人伯により要求される程度に
調節弁が聞いた時に補助弁を開成するようにプログラム
されている。好ましくは、負荷の増大が過剰である場合
に空気流を著しく増大ざぜるために１組以上の補助弁が
説けられる。

従って、電池に電力出力の増大が課される時に生じる酸
素欠乏に対する安仝Ｓ！！ｉ胃を有する改良型燃料電池
発電ブラントを］；？供することが本発明の目的である
。

定出力加圧空気ブロアと共に作動して主可変流量弁を介
して燃料電池へ空気を供給する前記性質の発電プラント
を提供することも本発明の目的である。

プラントの電力出力の増大に続いて電池に補助空気が供
給される前記性質の電力プラントを提供することも本発
明の目的である。

主可変流星弁の調整が完了した１しに補助空気の供給が
終止される、前記性質の発電プラン１へを提供すること
も本発明の目的である。

燃料電池の負荷を監視する電流センサーからの入力に反
応するマイクロブ［１セツリーにより主及び補助空気弁
が制御される、前記性質の発電プラントを提供カーるこ
とも本発明の目的である。

［実施例］ 第１図を参照として、本発明に従っ４作動する燃料電池
発電プラントの空気供給部及び電力部を略本づ−る。一
般的に符丹２に示す電力部はカソード側４、アノード側
６及び中間電解質−／ｌ〜リクス部８を含んでいる。電
力部２は略図において１個の燃料電池として示されてい
るが、実際に（よ代表的に一つもしくはいくつかの燃料
電池スタックからなることは容易に１３判りいただ（〕
ると思う。周囲空気を空気管１２を介してカソード側に
吹さっりる定速ブロア１０により、電力部２０カーソド
側４に酸素が供給される。主空気流制御弁１４が−〇　
− カソード入口空気管１２内に載置されており、弁１４は
定速電動機１６により作動される調節弁であり、電動機
は発電プラントマイクロプロセツザ制御器１８により制
御される。このようにして、制御器１８は電動機１６を
選択的に作動させることにより弁１４を通る空気流の流
量と調整することができる。流量器２ｏが管１２内の主
制御弁１４と電力部２のカソード側４の間に載置されて
いてカソードに入る酸素の流量を監視する。好ましくは
、流指計２０は固体壬吊流吊１；４であり、発電ブラン
トマイク［１プロレツザ制御器１８に作動可能に接続さ
れている。

主空気流制御弁１４の電流で、後者とブト１ア１０との
間に、バイパス管２４，２６．２８及び３０につながる
第一の分岐空気管２２が配「ｌされてイル。各バイパス
管２４．　、２６　、２８　ａ３　、Ｊ：び３０には、
それぞれソレノイド弁△、Ｂ、Ｃ及び［）が載置されて
いる。ソレノイド弁Ａ、Ｂ、Ｃ及び１）は完全開成もし
くは完全開放される高速開放す？（゛あり、発電プラン
ｈの運転中は通７ｊ”？　（ｄ勢閉成され＝　１０− る。ソレノイド弁Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤは発電プラントマイ
クロプロセッサ制御器１８に作動可能に接続されており
、後記するようにそれにより選択的に作動される。主空
気流制御弁１４の下流で酸素入口管１２に再入する第２
の分岐管３２にバイパス管２４．２６．２８及び３０が
接続されている。

電流もしくは負荷モニタ３４が発電プラント発生回路に
接続されていて、電力部２により発生される電流を監視
する。電流モニタ３４は発電プラントマイクロプロセッ
サ制御器１８にも動作可能に接続されている。

第２図を参照として、過渡的増大期間中及び電動主制御
弁１４の開放中の、電ノ〕部に対する出力電流需要、す
なわち負荷のグラフ表示を示す。第２図において、Ｙ軸
は負荷すなわち電流Ｉをアンペアで示し、Ｘ軸はｈ間丁
を示づ−。実線は電力需要の過渡増大期間中の変化を示
し、二点鎖線は電動弁の開放によりカソードへの酸素流
が増大する結果生じる理論的電流発生変化すなわち電力
を示す。電動制御弁がｒ４ｉ１いている限り、酸素流の
変化が定率で定常的に増大する時に負荷変化は実質的に
瞬時に生じるため、負荷電流需要と電動制御弁から得ら
れる酸素により発生される理論的電流との間には差が生
じ、この差を第２図に■Δで示す。

電動弁を通る酸素流量が負荷電流需要をまかなうのに充
分となるまで、Ｉ△は電動弁が開くと定常的に減少する
。酸素欠乏及び性能不足の危険が存在するのは、■Δが
存在する期量である。負荷の過渡的増大が生じる詩に■
Δが大きいほど、電動弁を通る酸素流量が追いつくのに
長時間を要し、電池破損の危険が高まる。

マイクロブロセツ勺制御器１８には′常時流量計２０か
ら情報が供給され、従って、マイクロプロセッサ１８は
常に電動制御弁１４の現在の誤定値を知ることができる
。同様に、制御器１８は制御弁１４が開閉する一定速度
が判るようにプログラムされている。電流出力モニタ３
４は電力部２に課される現在の負荷に関する情報を常時
制御器１８に供給Ｊる。課される負荷が増大する助は常
に、制御器１８は制御弁１４がその中を流れる酸素によ
り増大する負荷を）４足させるような設定値に達するま
で制御弁１４を開放するのに必要な時間を計算すること
ができる。制御器１８は一つもしくはいくつかの予選定
値を越えるＩΔ値を検出した時に補助ソレノイド弁Δ、
Ｂ、ＣおよびＤのいくつかもしくは全てを選択的に開く
ように予めプログラムされており、且つ一つもしくはい
くつかの低い予選定値以下に降下する時にソレノイド弁
Ａ。

Ｂ、ＣおよびＤを選択的に閉成するように予めプログラ
ムされている。予め選定される開放■△値はそれよりも
小さい初期ＩΔ値が与えられる時に、電力部２が電動弁
１４のみに依存することにより破損する危険が生じない
ような値とされている。

予め選定される閉成ＩΔ値はソレノイド弁が常に開放及
び閉成して、システムの運転中に単に■Δが予選定ｒΔ
開放値付近で変動することにより摩損することがないよ
う保証するのに充分な低い値である。予めプログラムさ
れた低い開放ＩΔ値を越えないＩ△値が出力モニタ３４
から制御器１８に供給されると、制御器１８は新しいＩ
Δに合致するように電動弁１４を開放するのに必要な時
間を計算し、その４算された時間だけ電動弁を開く。

次に第３図を参照として、ソレノイド弁Ａ、Ｂ。

Ｃ及びＤだけでなく、マイクロプロセッサ制御器１８及
び弁１４の動作を説明するソフトウェアフロー図を示す
。第３図に示すシステムにおいて、ソレノイド弁は対と
して作動し、弁Ａ及びＢは共に開閉し、弁Ｃ及びＤも共
に開閉する。この動作モードは本発明を使用できる多く
のモードの中の一つにすぎず、主として市販されている
ソレノイド弁のサイズにより選定された。また、第３図
のシステムにおいて、弁封Ａ及びＢが最初に開閉し、弁
封Ｃ及びＤは後に開閉する。これは電動弁を増強させる
のに２個のソレノイド弁しか必要でないような■Δが測
定された場合、△及びＢが開いてＣ及びＤは閉じたまま
であることを意味するにすぎない。第３図に示す手順に
おいて、マイクロプロセッサは初期ソレノイド弁Δ及び
Ｂの状態を１／２秒間隔でチェックして電動弁を調整す
ることをお判り願いたい。これらの１／２秒掃引中に、
ソレノイド弁Ａ及びＢが閉成しておれば、制御器は酸素
流量スケジュールＷを実際の流Ｗど比較して電動弁を調
整する。１／１０秒間隔で、制御器は弁セラ］〜Ａ、Ｂ
Ｊ５よびＣ，Ｄをチェックし、ＩΔど関連する電流／傾
斜関数Ｆをチェックし、Ａ。

Ｂ及びＣ，Ｄを開閉すべきかどうかを決定する。

弁Δ及びＢが最初にチェックされて適正に調整され、そ
の後Ｃ及びＤがチェックされて適正にチェックされるこ
とをお判り願いたい。また、１／２秒撮引に続いてソレ
ノイド弁の１／１０秒ヂエツクが行われることもお判り
願いたい。

本発明のシステムは設置が簡単であり、マイクロブロレ
ツリー発電プラント制御システムを適正にプログラムす
ることにより自動作動可能なことが容易に４３判り願え
ると思う。過渡的な１１荷の増大中に酸素の欠乏は防止
されるが、電池には過剰な川の酸素が長時間供給されて
発電ブラントの刊気を簿めることはなく、従って生成さ
れる水の回収に逆影響を及ぼすことがない。本発明のシ
ステムを構成Ｊ−るのに使用されるハードウェアは市販
されており、システムは比較的経済的に１１　ｉＪでき
る。

さらに、既存のシステムを本発明に従って作動するよう
に容易に変更することができる。

開示した実施例に発明概念から逸脱することなくさまざ
まな変更や修正を加えることができるため、本発明はそ
れに制約されるものではなく添イ」特許請求の範囲のみ
に制約されるものとする。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従って形成された燃料電池発電プラン
トの実施例の一部の略図、第２図は発電プラントに実際
に負荷変化が生じる様子及び電動空気流５ｆ弁の変調に
応答して酸素流が変化覆る様子を表わすグラフ、第３図
は電力プラントのマイクロプロセツリー制御器がソレノ
イド弁及び主空気制御弁を制御する方法を略本するソフ
トウェアフロー図である。 参照符号の説明 ２・・・電力部 ４・・・カソード ６・・・アノード ８・・・中間電解質７１〜リクス部 １０・・・定速ブロア １２・・・カソード入口空気管 １４・・・主空気流制御弁 １６・・・定速電動機 １８・・・マイクロブ【］セツザ制御器２０・・・流量
計 ２２．３２・・・分岐空気管 ２４．２６，２８．３０・・・バイパス管３４・・・負
荷モニタ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃料電池発電プラントにおける、プラント内の電
   池の酸化側に空気を供給するシステムにおいて、該シス
   テムは、 ａ）前記プラントの前記酸化側に空気を供給する管路手
   段と、 ｂ）前記管路手段に接続され、前記管路手段に定速度で
   空気流を吹き付ける定速ブロアと、 ｃ）前記管路手段内の前記ブロアと前記酸化側間に配置
   され、前記酸化側へ流れる空気の量を変えるように調整
   できる電動制御弁と、 ｄ）前記管路手段内へ開放され、前記ブロアから前記制
   御弁をバイパスする前記酸化側へ空気流を供給する分岐
   管路手段と、 ｅ）前記分岐管路手段内に配置され、閉成状態から開放
   状態へ比較的瞬時に変化し且つ戻ることができ、常時は
   前記閉成状態にある高速作動弁手段と、 ｆ）前記管路手段に配置され、前記制御弁及び前記高速
   作動弁手段から前記酸化側へ流れる酸素の量を測定する
   流量計手段と、 ｇ）発電プラントからの負荷ラインに接続され、発電プ
   ラント内の電池に課される負荷の変化を監視する電流監
   視手段と、 ｈ）前記システムの動作を制御し、動作上、前記電流監
   視手段、前記流量計手段、前記高速作動弁手段及び前記
   制御弁に接続され、且つ、 ｉ）前記監視及びセンサ手段からそれぞれ負荷及び酸素
   流データを受信し、 ｉｉ）前記制御弁が現在の負荷需要を満足させるのに充
   分な酸素を供給できるかどうかを断続的に決定し、 ｉｉｉ）前記制御弁が増大する負荷需要に応答してタイ
   ムリーに増大する量の酸素を独立に供給できる時に、前
   記制御弁を増分開放し、 ｉｖ）前記制御弁が増大する負荷需要に応答してタイム
   リーに増大する量の酸素を独立に供給できない時は、前
   記高速作動弁手段を開き同時に前記制御弁を連続的に開
   き、負荷需要が過渡的に増大する間発電プラントが酸素
   欠乏しないように作動するマイクロプロセッサ手段、 を具備する燃料電池発電プラント。
2. （２）請求項１記載の燃料電池発電プラントにおいて、
   前記マイクロプロセッサ手段は、さらに前記高速作動弁
   手段及び前記制御弁からの現在の酸素流量が同時に存在
   する負荷需要を維持できるような予め計算された量であ
   る予め入力された値に達する時に前記高速作動弁手段を
   閉成するように作動する、燃料電池発電プラント。
3. （３）請求項１記載の燃料電池発電プラントにおいて、
   前記高速作動弁手段は複数個のソレノイド弁を具備し、
   前記マイクロプロセッサ手段は前記制御弁の酸素供給不
   足が進行中の負荷需要を維持するのに必要な量よりも少
   ない予め計算された第１の小さい量である時に前記ソレ
   ノイド弁の全部は開かないように作動し、前記制御弁の
   酸素供給不足が進行中の負荷需要を維持するのに必要な
   量よりも少ない第２の大きな量である時に前記ソレノイ
   ド弁の全てを開くように作動する、燃料電池発電プラン
   ト。
4. （４）長期動作期間中燃料電池システムへ酸素を供給す
   る方法において、 ａ）前記燃料電池システムに課される負荷需要を連続的
   に監視し、 ｂ）前記燃料電池システムへの酸素流量を連続的に監視
   し、 ｃ）測定された負荷及び測定された酸素流量を予め計算
   された定常状態流量スケジュールと周期的に比較し、且
   つ前記定常状態流量スケジュールからの測定された酸素
   流量の偏差を比較し、 ｄ）前記測定された酸素流量の偏差が第１の所定値より
   も小さい場合に、燃料電池システムへの酸素流量を徐々
   に増大し、 ｅ）前記酸素流量の偏差が前記第１の所定値を越える場
   合は、同時に酸素流と実質的に瞬時に増大して燃料電池
   システムへの酸素流量を増大する、ステップからなる燃
   料電池システムへの酸素供給方法。
5. （５）請求項４記載の方法において、さらに前記酸素流
   量の偏差が前記第１の所定値よりも小さい第２の所定値
   よりも低い場合は、酸素流の増大を実質的に瞬時に終止
   させるステップを有する燃料電池システムへの酸素供給
   方法。
6. （６）請求項５記載の方法において、さらに測定された
   酸素流量が予め計算された定常状態流スケジュールと一
   致するような時間まで、酸素流の増大を終止させた後も
   酸素流量を徐々に増大し続け、その後酸素の定常流は電
   動弁を閉成することにより負の偏差にも応答するステッ
   プを有する燃料電池システムへの酸素供給方法。