JPH0317354B2 - - Google Patents

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方法の制御
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、環境保全成が良い等の
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
電池本体に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供給するターボ圧
縮機とを備えている。燃料本体の性能は反応ガス
の圧力の増大によつ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／cm²ｇ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
縮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、同軸上のコンプレツサで必要
な圧縮空気を供給することによつてシステム内部
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、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〜
100％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
は基本的には定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、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１ａ、燃料極１ｂ、電解質層１ｃ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
改質してリツ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１ａ出口の余剰空気の両方に
よつて駆動され、燃料電池本体１の空気極１ａと
改質器２のバーナ部２ａに必要に圧縮空気を供給
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ツサ３ｂとから成るターボ圧
縮機、４はこのターボ圧縮機３のコンプレツサ３
ｂにより圧縮された空気を燃料電池本体１の空気
１ａに供給する景気供給配管、５は燃料電池本体
１の空気極１ａ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は改質器
２からの燃焼排ガスをタービン３ａへ導く排ガス
配管、７は余剰空気配管５の排ガス配管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ツチガスを
燃料電池本体１の燃料極で１ｂ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
分岐して配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
気極１ａ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の開閉制御を行う圧
力コントローラであり、これら１２〜１４により
コンプレツサ３ｂの吐出空気圧力の制御が行われ
る。１５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、１６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１
６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の空気極１ａ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
ツサ３ｂの吐出空気圧力と反応空気圧力との差圧
を検出するとの差圧検出器、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１
８〜２０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
ラであり、これら２１〜２３により変量電池本体
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に設置された流量調節弁、２５は
燃料供給配管８内の流量を検出する流量検出器、
２６はこの流量検出器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トロー
ラであり、これら２４〜２６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、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へ燃料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１の負荷を減少させる過程にお
いて、コンプレツサ３ｂからの供給空気流量の減
少に伴いコンプレツサ３ｂの吐出空気圧力も減少
するが、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つ
ている。先ず、定格負荷より或る負荷領域までの
範囲は、大気開放弁１２の絞り調節によつてコン
プレツサ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、コンプレツサ３
ｂ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によりコンプレツサ
３ｂの叶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の調節によつて定風圧を維持するが、大気開
放弁１２の調節代がなくなればコンプレツサ３ｂ
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、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ツフア容積が
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洩れ込ん
だり、逆に反応ガス筐体中に漏れ込んで燃料電池
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の調節によつて定風圧制御を行つて
おり、コンプレツ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ツサ必要動力に
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、例えば特公昭58−56231号に開示され
たものがある。又例えば特開昭59−18577号に開
示されたターボ圧縮機のコンプレツサの吐出空気
をバイパス弁（大気開放弁１２に相当する）によ
りバイパスして系外の大気中に放出することによ
りターボ圧縮機のコンプレツサの吐出空気圧力を
制御するものがあるが、この場合においても同様
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、この場合、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ツサの吐
出空気圧力が低下するという欠点があつた。

〔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大気
開放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ツサの吐出空気
圧力一定のフイードバツク制御で行い、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
に基づくフイードフオワード制御で行う一方大気
開放弁によりターボ圧縮機のコンプレツサの吐出
空気圧力一定のフイードバツク制御を行うことに
よりターボ圧縮機のコンプレツサの吐出空気圧力
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、３，４，７，１１〜１
５，１７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ツクで
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配管
７の途上に設置された助燃炉、２９はこの助燃炉
２８に例えば燃料供給配管８から燃料を導いて供
給する燃料配管、３０はこの燃料配管２９に設置
された流量制御弁、３１は燃料配管２９内を流れ
る燃料流量を検出し流量制御弁３０を調節する流
量コントローラ、３２は空気供給配管４から分岐
して助燃炉２８に接続された空気配管、３３はこ
の空気配管３２に設置された流量制御弁、３４は
空気配管３２内を流れる空気流量を検出して流量
制御弁を調節する流量コントローラ、３５は圧力
検出機１３によつて検出されたコンプレツサ３ｂ
の吐出空気圧力に応じて流量コントローラ３１及
び流量コントローラ３４に対する制御信号を与え
る圧力コントローラ、３６は圧力コントローラ１
４から大気開放弁１２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
調整する演算器である。

次いで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３６の働きによつて大気開放弁１２は
全閉あるいは或る一定の微少な開度に保持され、
圧力コントローラ１４は実際上機能しない。大気
開放弁１２を全閉あるいは微少な一定の開度に保
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
一定値に維持される筈であるが、運転中の外気
温、湿度の変化等によるコンプレツサ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ツ
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、コンプレツサ３ｂの吐出空
気圧力の制御は圧力コントローラ３５によつて圧
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３１，３４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
焼量はコンプレツサ３ｂの吐出空気圧力一定のフ
イードバツク制御を行う。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３６内の制御回路を
操作することにより大気開放弁１２を圧力コント
ローラ１４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３１，３４に対
して与えてタービン動力を増加させる。この結
果、コンプレツサ３ｂの吐出空気圧力が上昇しよ
うとするが、コンプレツサ３ｂの吐出空気圧力は
圧力コントローラ１４の働きによつて大気開放弁
１２の調節、即ち、大気開放配管１１を経由する
放出空気流量の調整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の燃焼量のフイードフオワード操作によ
り増加させ、これによりコンプレツサ３ｂの吐出
空気流量の増量分の一部をコンプレツサ３ｂの吐
出空気圧力を一定に保つためにコンプレツサ３ｂ
出口の大気開放配管１１から大気開放弁１２を介
して大気へ放出している状態でターボ圧縮機３の
パワーアツ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１２からの放出量，即ち大
気開放弁１２の開度がほぼ一定になつた状態でシ
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のコンプレツサ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１４の制御動作により大気開放弁１２の調
整、即ち、大気への開放風量の絞り込みが行わ
れ、コンプレツサ３ｂ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
してシステムが整定すれば、次に、コンプレツサ
３ｂの吐出空気圧力の制御を圧力コントローラ３
５に移すとともに演算器３６によつて大気開放弁
１２の開度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、大気開放弁１２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つて行われる。この間、コ
ンプレツサ３ｂの吐出空気圧力は流量コントロー
ラ３１，３４を通じた助燃炉２８の燃焼量の調整
によつて一定制御が行われる。大気開放弁１２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、時刻Ｔ１に負荷
指令が与えられると、助燃炉２８の燃料流量Ｆ１
が負荷指令に応じたフイードフオワード制御操作
によつ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つてタービン
動力が増大し、ターボ圧縮機３の回転数が増加す
る。このとき、システムへの空気流量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
レツサ３ｂの吐出空気圧力Ｐ１が上昇しようとす
る。これに対して圧力コントローラ１４による圧
力一定制御が働き、過剰空気量を大気開放空気流
量Ｆ３として大気へ放出させることによつてコン
プレツサ３ｂの吐出空気圧力Ｐ１が一定に維持さ
れる。助燃炉２８に対するフイードフオワード操
作が安定した時点でシステムへの空気流量Ｆ４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、コンプレツサ３ｂの吐出空気圧力Ｐ１の
一定制御動作により大気開放弁１２が絞り込まれ
大気開放空気流量Ｆ３が減少する。システムへの
空気流量Ｆ４が目標値に達した時点（時刻Ｔ２）
が負荷変動に対する第１次整定時点であり、この
時点でコンプレツサ３ｂの吐出空気圧力Ｐ１の制
御が大気開放弁１２からの放出風量調節による制
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。このあと、演算器３６からの指令で
大気開放弁１２に漸閉動作が行われ、大気開放弁
１２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。時刻Ｔ２から時刻
Ｔ３に至る過程ではコンプレツサ３ｂの吐出空気
圧力Ｐ１の一定制御動作を介して助燃炉２８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
量によつて操作し、この操作によるコンプレツサ
３ｂの吐出空気圧力の変動を大気開放弁１２の制
御によつて抑えコンプレツサ３ｂの吐出空気圧力
を一定制御するようにしているので、負荷速応性
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
には大気開放弁１２を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のコンプレツサ動
力を最少限にして維持でき、それによつてシステ
ム効率の向上を図ることができる。

〔発明の効果〕

この発明は以上説明した通り、システムの定常
運転時は大気開放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
レツサの吐出空気圧力一定のフイードバツク制御
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イードフオワード制
御で行う一方大気開放弁によりターボ圧縮機のコ
ンプレツサの吐出空気圧力定のフイードバツク制
御を行うようにしたことにより、ターボ圧縮機の
コンプレツ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、３ｂはコン
プレツサ、４は空気供給配管、７はシステム排ガ
ス配管、１１は大気開放配管、１２は大気開放
弁、１４は圧力コントローラ、１５は流量調節
弁、１７は流量コントローラ、２７は負荷、２８
は助燃炉、３０は流量制御弁、３１は流量コント
ローラ、３３は流量制御弁、３４は流量コントロ
ーラ、３５は圧力コントローラ、３６は演算器で
ある。尚、図中同一符号は同一又は相当部分を示
す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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
   によつて駆動され、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
   ツ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
   ターボ圧縮機のコンプレツサにより圧縮された空
   気を上記燃料電池本体に供給する空気供給配管に
   分岐して設置された大気開放配管と、この大気開
   放配管に設置された大気開放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
   上記大気開放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
   レツサの吐出空気圧力一定のフイードバツク制御
   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イードフオワー
   ド制御で行う一方上記大気開放弁により上記ター
   ボ圧縮機のコンプレツサの吐出空気圧力一定のフ
   イードバツ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。