JP2922209B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は燃料電池発電池システムに関し、特に燃料
電池の負荷に応じた空気流量の制御に関するものであ
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、
実用化を目指して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
ら成る燃料電池と、天然ガス等の炭化水素系燃料を改質
して燃料電池の燃料極に水素リッチガスを供給する改質
器とを備えている。また、燃料電池の空気極に対し酸化
剤として空気を、さらに改質器に対し燃焼用として空気
を供給するための空気供給源が設置される。いわゆるオ
ンサイト用として、数百kW程度の比較的小容量のシステ
ムの場合、燃料電池が数百mmAq程度の圧力で動作する常
圧タイプが一般に採用され、この場合空気供給源には空
気ブロワが適用される。

この様な燃料電池発電システムにおいて、部分負荷の
効率を向上させることなどを目的として、燃料電池の負
荷に応じて燃料や空気の量を変化させることが一般に行
われる。この具体的な従来の方法として、例えば日本産
業機械工業会発行昭和59年５月「オンサイト型燃料電池
の技術調査報告書」第53〜54ページの燃料電池システム
系統図に示す方法があり、その概要を第３図に示す。図
において、（１）は燃料極（1a）、空気極（1b）を有す
る燃料電池、（２）は炭化水素系燃料（図の例では天然
ガス）を改質して、燃料電池（１）の燃料極（1a）に水
素を多く含む改質ガスを供給する改質器で、改質反応部
（2a）とバーナ部（2b）とで構成される。（３）は燃料
電池（１）の空気極（1b）、及び改質器（２）のバーナ
部（2b）へ空気を供給する空気ブロワ、（４）は空気ブ
ロワ（３）から燃料電池（１）の空気極（1b）へ空気を
供給するための燃料電池空気供給配管、（５）は空気ブ
ロワ（３）からの改質器（２）のバーナ部（2b）へ空気
を供給するための改質器空気供給配管、（８）は燃料電
池（１）の空気極（1b）への供給空気と同空気極（1b）
からの排出空気とを熱交換させる熱交換器である。
（６）は燃料電池空気供給配管（４）の途中に設けた燃
料電池空気調節弁、（７）は改質器空気供給配管（５）
の途中に設けた改質空気調節弁、（９）はこれらの調節
弁（６）、（７）の開度を調節するコントローラであ
る。

次に、上記の様に構成された従来のシステムの動作に
ついて説明する。天然ガス等の炭化水素系燃料が改質器
（２）の反応部（2a）に投入され、その中で改質反応が
行われ、水素を主成分とする改質ガスに変換される。改
質ガスは燃料電池（１）の燃料極（1a）に供給され、そ
こで反応に消費される。消費されたあとの残りの余剰燃
料は改質器（２）のバーナ部（2b）に送られる。バーナ
部（2b）では余剰燃料を燃焼させ、反応部（2a）に対し
改質反応に必要な熱を与える。空気ブロワ（３）からの
空気の一部は、燃料電池空気供給配管（４）を経て、さ
らに熱交換器（８）で予熱されて燃料電池（１）の空気
極（1b）に供給される。空気ブロワ（３）からの残りの
空気は、改質器空気供給配管（５）を経て改質器（２）
のバーナ部（2b）へ供給され、そこで燃焼用空気として
消費される。空気極（1b）において反応に使われた残り
の排出空気は熱交換器（８）を経て、バーナ部（2b）か
らの燃焼排ガスとともに大気へ放出される。燃料電池空
気供給配管（４）上に設けられた燃料電池空気調節弁
（６）、改質器空気供給配管（５）上に設けられた改質
器空気調節弁（７）は燃料電池（１）の負荷に応じてそ
れぞれの空気流量を適正に調節するためのもので、負荷
に応じた弁の開度指令がコントローラ（９）より各調節
弁に対して与えられる。部分負荷条件時は、効率の向
上、システム内での熱バランスなどの点から、燃料、空
気の量を定格条件時よりも減らす必要があり、このた
め、コントローラ（９）より各々の調節弁（６）、
（７）に対し、負荷に応じた開度指令が与えられる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のシステムは、上記に示したように、調節弁のみ
で空気流量を制御しようとするものであったが、この様
な方法では、空気ブロワの特性上、空気流量を広い範囲
で安定に制御することが困難であるという問題点があっ
た。即ち、一般の空気ブロワは、低い流量域でサージン
グと呼ばれる不安定現象を起こすため、流量の制御範囲
がある値以上に限られるという問題があった。また空気
ブロワの吐出側調節弁を絞って空気流量を制御する方式
では、あまり空気ブロワ動力の低減にはならず、空気流
量を絞っても、部分負荷効率の向上には殆どつながらな
いという問題点もあった。

この発明は上記の様な問題点を解決するためになされ
たもので、空気ブロワから燃料電池及び改質器へ供給さ
れる空気の流量を燃料電池の負荷に応じて、広い範囲で
安定に制御することができる燃料電池発電システムを提
供するものである。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係わる燃料電池発電システムは、空気ブロ
ワから燃料電池に至る燃料電池空気供給配管上又は空気
ブロワから改質器に至る改質器空気供給配管上の少なく
とも一方に設置され、電池負荷に応じて流量を調節する
調節弁と、サージングを回避するよう電池負荷に応じて
空気ブロワの回転数を制御する制御手段とを設けたもの
である。

〔作 用〕

この発明における燃料電池発電システムは、サージン
グを回避するように電池負荷に応じて空気ブロワの回転
数を制御することにより、サージングを回避するように
空気ブロワから燃料電池及び改質器へ供給される空気の
流量を燃料電池の負荷に応じ、広い流量範囲で安定に制
御することができる。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の一実施例を第１図に基いて説明す
る。第１図において、（１）〜（２）、（４）〜（９）
は上述した従来システムの構成と同じものである。（1
0）は回転数制御が可能な空気ブロワ、（11）は、この
空気ブロワ（10）の回転数を制御する例えばインバータ
から制御手段（以下、インバータと記す）である。

次に、この発明の動作を説明する。天然ガス等の炭化
水素系燃料が改質器（２）の改質反応部（2a）で改質ガ
スに変換され、改質ガスが燃料電池（１）の燃料極（1
a）に導かれ、そこで反応に消費された残りの余剰燃料
が改質器（２）のバーナ部（2b）へ送られ燃焼に消費さ
れる。空気ブロワ（10）から供給される空気の一部が、
燃料電池空気供給配管器（４）を経て、熱交換器（８）
で予熱されたあと燃料電池（１）の空気極（1b）に供給
され、空気ブロワ（10）からの残りの空気は、改質器空
気供給配管（５）を経て改質器（２）のバーナ部（2b）
に燃焼用として送られる。空気極（1b）で反応に使われ
た残りの排出空気は熱交換器（８）を経て、バーナ部
（2b）からの燃焼排ガスとともに大気へ放出される。以
上の動作は上述した従来技術の動作と同じである。この
発明の実施例では、燃料電池（１）及び改質器（２）へ
の供給空気の流量の制御が、燃料電池空気供給配管
（４）、改質器空気供給配管（５）にそれぞれに設けた
調節弁（６），（７）の制御と、空気ブロワ（10）の回
転数制御とを組合わせて行われる。この制御方法の一例
を第２図について説明する。

第２図の（12）は、空気ブロワの特性曲線を示すもの
で、（13）、（14）は、空気ブロワ（10）の風圧（Ｐ）
−風量（Ｑ）特性曲線上にシステムの運転動作点をプロ
ットしたものである。まず、システムの定格負荷条件に
おいては、空気ブロワ（10）は定格条件での必要風量、
風圧を維持するだけの回転数N₁で運転される。空気ブロ
ワ（10）の回転数は、コントローラ（９）からインバー
タ（11）に対し指令値が与えられ、それによりインバー
タ（11）に接続された空気ブロワ（10）の電導機の周波
数が制御されて、所要の値に維持される。この状態での
空気ブロワ（10）の風圧−風量特性曲線、及びシステム
の空気系統の圧力損失曲線が図の（13），（16）であ
り、それぞれの曲線（13），（16）が交叉するポイント
（第２図のＡ点）が空気ブロワ（10）の定格動作点とな
る。破線で示した曲線（15）は、空気ブロワ（10）のサ
ージング限界線であり、この曲線（15）から左側のゾー
ン（低風量側）ではサージング発生の恐れがあるため、
曲線（15）の右側のゾーン（高風量側）に動作点をもっ
て来なければならない。定格動作点（Ａ）は、このサー
ジング限界線（15）に対し、十分な余裕があり問題な
い。次に部分負荷運転を行う場合、従来技術のとおり調
節弁（６），（７）を絞ることのみで、風量をコントロ
ールした場合、空気ブロワ（10）の動作点が、回転数N₁
での特性曲線（13）上を低風量側に移動するために、サ
ージング域に入るか或は近づく可能性があった。従来技
術による部分負荷動作点の一例をB₁に示す。この発明に
よる方法では、まず負荷低減とともに調節弁（６），
（７）の開度一定のまま空気ブロワ（10）の回転数を下
げる。燃料電池（１）及び改質器（２）へ必要な空気を
供給できる最低の回転数N₂までの範囲（図のＡ〜Ｘの範
囲）は、空気ブロワ（10）の回転数制御で対応する。そ
れ以上の負荷低減に対しては、空気ブロワ（10）の回転
数を固定し、調節弁（６），（７）の開度を絞り空気流
量を減少させる。調節弁（６），（７）を絞ることによ
り、システムの空気系統の圧力損失が増大するので、動
作点は回転数N₂一定の特性曲線（14）上を低風量側へ移
動し、例えばＢ点に至る。空気ブロワ（10）は回転数に
よって、サージング限界が図の様に変化し、低い回転数
ほどサージング限界が狭く、逆に安定域が広がる傾向に
ある。このため、同じ部分負荷空気流量（Q₂）に於いて
も、従来技術では、サージング限界（15）の内側（B
₁点）にあったものが、この発明による方法ではサージ
ング限界（15）の外側（Ｂ点）で安定に動作させること
ができる。本発明によれば、例えば図のＢ点をシステム
の最低負荷条件相当とした場合、空気ブロワ（10）の動
作点はＡＸＢの各点の間を安定に移動する。また、
図の（18），（19）は、上述した回転数N₁,N₂にそれぞ
れ対応する空気ブロワ（10）の動力（Ｌ）−風量（Ｑ）
の特性曲線である。先に述べた空気ブロワ（10）の風圧
（Ｐ）−風量（Ｑ）特性曲線上にプロットしたＡ、Ｘ、
Ｂ、B₁点が、それぞれ曲線（18），（19）上のａ、ｘ、
ｂ、b₁に対応する。これに示す様に、従来技術だと部分
負荷条件時に於いても空気ブロワ動力は定格時に比べさ
ほど低下しないのに比し、この発明による方法では、部
分負荷時の空気ブロワ動力を大幅に低減させることが可
能で、その分システムの部分負荷効率を向上させること
が可能である。部分負荷運転を空気ブロワ（10）の回転
数制御のみで行い、調節弁を使用しない方法も考えられ
るが、低負荷領域では空気ブロワ（10）の吐出圧力が低
下するので、燃料電池（１）用と改質器（２）用にバラ
ンス良く空気を供給することが困難であり、実用は難し
い。

なお、上記実施例では、部分負荷における空気流量制
御を、空気ブロワ（10）の回転数ん制御による負荷領域
と、調節弁（６），（７）の制御による負荷領域に分け
る例を示したが、必ずしもこの様に分ける必要がなく、
負荷低減とともに空気ブロワ（10）の回転数制御と調節
弁（６），（７）の制御を併用しても良く、上記実施例
と同じ効果を奏する。この方法による動作点移動の一例
を第２図の（20）に示す。要は、空気ブロワ（10）の回
転数制御と調節弁（６），（７）の制御を組合せること
が重要であり、それにより本発明の目的が達せられる。

また、上記実施例では、燃料電池空気供給配管（４）
上と改質器空気供給配管（５）上の両方に調節弁
（６），（７）を設ける例を示したが、必ずしも両方に
調節弁を設ける必要はなく、いずれか一方にのみ調節弁
を設けても良い。例えば、改質器（２）に要求される空
気供給圧力が、燃料電池（１）に要求される。空気供給
圧力よりも高い場合、改質器空気供給配管（５）上の調
節弁（７）は必ずしも必要ではなく省略できる。この場
合、負荷の変化に際し、改質器（２）への空気流量の制
御は基本的に空気ブロワ（10）の回転数制御で行い、燃
料電池（１）への空気流量制御は、調節弁（６）の制御
により行う。逆の場合も同様である。

〔発明の効果〕

以上の様に、この発明によれば、燃料電池の負荷に応
じ、サージングを回避するように空気ブロワの回転数を
制御して空気流量を制御するように構成したので、燃料
電池と改質器に対し広い流量範囲で安定に空気を供給す
るできる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による燃料電池発電システ
ムを示す系統図、第２図はこの発明における空気ブロワ
の特性曲線の一例を示す特性図、第３図は従来の燃料電
池発電システムを示す系統図である。 図において、（１）は燃料電池本体、（1a）は燃料極、
（1b）は空気極、（２）は改質器、（４）は燃料電池空
気供給配管、（５）は改質器空気供給配管、（６）は燃
料電池空気調節弁、（７）は改質器空気調節弁、（10）
は空気ブロワ、（11）はインバータである。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項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改質器と、前記燃料電
   池と前記改質器に空気を供給する１つの空気ブロワとを
   備えた燃料電池発電システムにおいて、前記空気ブロワ
   から前記燃料電池に至る燃料電池空気供給配管上又は、
   前記空気ブロワから前記改質器に至る改質器空気供給配
   管上の少くとも一方に設置され、電池負荷に応じて流量
   を調節する調節弁と、サージングを回避するように電池
   負荷に応じて前記空気ブロワの回転数を制御する制御手
   段とを備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。