JPH04206159A - 燃料電池発電システム - 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】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は、プラントからの排熱を回収し、利用する排熱
回収型燃料電池発電システムに関する。

（従来の技術） 一般に、燃料電池発電システムにおいては、燃料電池本
体、燃料ガス、空気ガスの水除去部分を排熱供給源とし
て水に代表される流体で熱回収し、さらに、熱交換器に
よる回収熱を排熱利用系へ供給するシステム構成がとら
れている。

このような構成においては、同時に上記排熱供給源ある
いは近傍の運転温度を適度に保つように排熱供給源から
熱エネルギーを除去する必要がある。

第４図は、この種の従来例を示す燃料電池発電システム
のブロック構成図である。

排熱供給機器１は電池本体などで構成され排熱供給源と
なる機器である。この排熱供給機器１からの排熱用−次
流体は循環系配管２を経由して循環ポンプ３によって排
熱回収用熱交換器４および温度制御用熱交換器５を循環
するようにしている。

排熱回収用熱交換器４は排熱利用系配管６によって排熱
利用系へ熱供給を行う。

温度制御用熱交換器５はプラントの代表温度を制御する
ため二次冷却系配管７を介して熱の放出をする。

ここで、プラント側の代表温度制御として、まず、排熱
供給機器１の入口流体温度を温度検出器８が検出し、そ
の温度検出値ａと温度設定値すとを図示符号で加算部９
に入力する。そして、加算部９からの偏差値Ｃに基づい
て調節器１０がバイパス系配管１１に備えた流量調節弁
１２に開度指令ｄを出力し、上記プラント側の代表温度
を所定の値に保持するようにしている。

また、排熱利用系への熱供給制御としては、排熱回収用
熱交換器４の２次側の出口温度を温度検出器１３にて検
出し、その温度検出値ｅと温度設定値ｆとを図示符号で
加算部１４に入力する。この加算部１４の偏差値ｇに基
づいて調節器１５が排熱回収用熱交換器４のバイパス系
配管１６に備えた流量調節弁１７に対し開度指令りを出
力し、温度検出値ｅを所定の値に保持するようにしてい
る。

なお、上記した温度設定値すおよび温度設定値ｆは図示
省略した各温度設定器から出力され、また、ｉは後に説
明するプラント側温度制御不能時のための指令信号、図
示破線は上記温度制御のための信号線を各々示す。

上記全体構成で、調節器１０は、第５図に示す如く構成
され、上記した温度検出値ａと温度設定値すとの偏差値
ＣをＰＩ演算部１８で比例および積分演算する。その出
力値ｉは下限リミット部１９　　（ＬＶＧ＝Ｏ，Ｏで流
量調節弁全閉）および上限リミット部２０　（ＨＶＧ＝
１．Ｏで流量調節弁全開）により制限され、開度指令ｄ
として流量調節弁１２に出力される。

この場合、制御系は逆動作をする。つまり、プラント側
の温度検出値ａが増加すると、調節器１０からの開度指
令ｄは減少し、流量調節弁１２を閉方向とする。これに
より、プラント側の代表温度を所定の値にする。

一方、調節器１５は、第５図に示す如く構成され、上記
した温度検出値ｅと温度設定値ｆとの偏差値ｇをＰＩ演
算部２１で比例および積分演算する。この演算出力値ｊ
は下限リミット部１９　（ＬＶＧ＝Ｏ，Ｏで流量弁全閉
）で制限され、その出力値には加算部２２に入力される
。

ここで、この加算部２２には、調節器１０に設けられた
ＰＩ演算部１８の出力値ｉが関数発生器２３を経て、そ
の補正開度指令ｍとして入力される。上記関数発生器２
３では、指令信号ｉ≦１゜０、つまり、流量調節弁１２
への出力値ｉが全開以下のとき、その補正開度指令ｍ＝
ｏ、Ｏが加算部２２に入力される。また、指令信号ｉ）
１．０゜つまり、流量調節弁１２が全開以上の出力値１
のときは、指令信号１に応じて除徐に増加する補正開度
指令ｍを加算部２２へ入力する。

次に、この加算部２２の出力値ｎは、下限リミット部１
９　　（ＬＶＧ＝○、Ｏで流量弁全閉）および上限リミ
ット部２０　（ＨＶＧ＝１．０で流量弁全開）で制限さ
れ、開度指令りとして出力される。

この場合、制御系は正動作をする。即ち、排熱利用系の
温度検出値ｅが増加すると調節器１５がらの開度指令り
は増大し、流量調節弁１７を開方向とする。この結果、
調節器１５が流量調節弁１７の開度の増加により排熱回
収用熱交換器４の一次側の流量を制御して排熱利用系の
温度を所定の値に制御する。さらに、プラント側の代表
温度が過度に低下して、調節器１０の指令信号１が１゜
０以上となった場合、調節器１５の関数発生器２３が補
正開度指令ｍを増加させて、流量調節弁１７を全開方向
に動作させる。

以上のような二つの温度制御系において、発電出力が低
下、したときは、調節器１ｏの開度指令ｄにより流量調
節弁１２を開動作させ温度制御用熱交換器５からの熱放
出を防ぐ。さらに、上記温度制御用熱交換器５の熱放出
の減少だけで、プラント側の代表温度を制御できない場
合調節器１０の指令信号１により流量調節弁１７を開方
向とさせて排熱回収用熱交換器４の熱放出を減少させて
、プラント側の代表温度を所定値とする。

従って、排熱利用系の温度制御により排熱回収用熱交換
器４の熱放出を減少させてプラント側の代表温度の過度
の低下を防ぐことができる。つまり、排熱利用系の温度
制御がプラント側代表温度の温度制御を補助するように
なる。

上記構成の従来の燃料電池発電システムによれば、プラ
ントの運転温度を適度に維持しながら適当量の排熱を利
用者に供給する一方、排熱回収が過度になりプラント側
の温度が下がり過ぎた場合でも補正動作が働くことがで
きる。即ち、プラントの温度制御を重視しつつも、プラ
ント側の温度制御と排熱利用とを上手に両立させる利点
が得られた。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記した燃料電池発電プラントでは、排
熱利用系への供給流体の温度設定値を、発電出力に対応
して大きく変化させなければならなかった。即ち、プラ
ント側の代表温度は上記したように、排熱回収用熱交換
器４および温度制御用熱交換器５からの熱放出量を増減
させ所定の値とすることができる。この場合、排熱回収
用熱交換器４からの熱放出量の増減に従って排熱利用系
の流体温度が上下することになる。

一方、排熱利用系の排熱利用系配管６の流量は一定であ
るため、この流体温度を一定に保つことは困難であった
。

このため、図示しない温度設定器内に第６図に示す如く
の特性の関数発生器２４を設けて、発電出力ｐに応じて
排熱利用系の温度設定値ｆを増加させて所定の値に維持
する必要があった。

従って、排熱利用者にとっては、燃料電池発電システム
から与えられる熱エネルギーの質、つまり、温度が発電
出力で大きく変化することとなり、直接利用する場合に
おいても、また、蓄熱槽に蓄熱する場合においても大き
な不都合があった。また、排熱回収とプラント温度制御
のために２つの熱交換器を必要とするため、システムの
複雑化、スペース効率の低下などを招くという問題があ
った。

以上のように、従来の燃料電池発電システムにおいては
排熱回収系のシステムが複雑で、がっ、発電出力によっ
て排熱利用者に供給される流体の熱エネルギーの質が大
きく変化するという問題があった。

そこで、本発明は、排熱利用系へ供給する熱エネルギー
の質を発電出力にかかわらず一定に保つことができる燃
料電池発電システムを提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、プラントからの液体循環系にバイパス流量制
御可能な熱交換器を直結し、プラント側の温度制御手段
がバイパス流量を制御して所定の温度とするようにした
。また、排熱利用系の温度制御手段が排熱利用系の液体
温度に基づいて排熱利用系の流量を制御して所定の温度
とするようにした。

（作用） 本発明によれば、プラント側の温度制御と排熱利用系の
温度制御との協調を保ちつつ、がっ、一つの熱交換器を
もって実現できる。その上、発電出力が低下し発電シス
テムからの排熱供給量が減少した場合は、排熱回収熱交
換器を通過する排熱利用系の流体流量が絞り込まれるよ
うに作用する。　逆に、発電出力が上昇した場合は流量
が増加するように作用する。これにより、利用者へ供給
される流体温度を常に一定に保持することができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図は、本発明の一実施例を示す燃料電池発電システ
ムのブロック構成図である。

第４図と同一部分または相当部分については同一符号を
付しである。

第４図と異なる点は、温度制御用熱交換器５、二次冷却
系配管７、流量調節弁１２およびバイパス系配管１１を
削除する一方、排熱利用系配管６人口側に流量調節弁２
５を備えた点である。

また、本実施例でプラント側の温度制御は、温度検出器
８の温度検出値ａとその温度設定値すとの偏差値Ｃを入
力した調節器１ｏの開度指令ｄに基づいてバイパス系配
管１６に設けた流量調節弁１７を制御することによって
行われる。

これに対して、排熱利用系の温度制御は、排熱回収用熱
交換器４の出口側の温度検出器１３の温度検出値ｅと温
度設定値ｆとの偏差値ｇを入力した調節器１５の開度指
令りに基づいて排熱利用系配管６の入口側に設けた流量
調節弁２５を制御することによって行われる。

−なお、調節器１０および調節器１５は第５図にて説明
したと同様の構成としているが、調節器１５の加算部２
２は、後に述べるように第２図に示す如くの構成として
いる。

上記構成で、排熱供給機器１の流体は循環系配管２を介
して循環ポンプ３により図示矢印方向へ循環する。この
とき、上記流体は、排熱回収用熱交換器４の一次側を経
由する一方、同時にバイパス系配管１６を介してバイパ
スする。

排熱回収用熱交換器４では上記流体の熱エネルギーを１
次側から２次側に熱交換し、排熱利用系配管６により排
熱利用系へ熱供給をする。

ここで、プラント側を代表する温度を温度検出器８が検
出して、この温度検出値ａと温度設定値すとを加算ｓ９
にて加算して、この偏差値Ｃを調節器１０に入力する。

調節器１０では第５図に示す如く、ＰＩ演算部１８が偏
差値Ｃに応じて比例および積分の演算をして、この出力
が下限リミット部１９　（ＬＶＧ＝Ｏ，Ｏで流量弁全閉
）および上限リミット部２０　（ＨＶＧ＝１．０で流量
弁全開）で制限され、開度指令ｄとして出力される。

この開度指令ｄにより、流量調節弁１７の開度を増減さ
せバイパス系配管１６の流量が制御される。この結果、
排熱回収用熱交換器４の１次側の流量が増減し、これに
伴って、排熱回収用熱交換器４の熱エネルギーの放出量
が変化して、調節器１０がプラント側を代表する温度を
一定に保つ。

また、排熱利用系配管６の出口側の温度を温度検出器１
３が検出して、この温度検出値ｅと温度設定値ｆとを加
算部１４にて加算して、この偏差値ｇを調節器１５に入
力する。調節器１５では第５図に示すＰＩ演算部２１が
上記偏差値ｇを比例および積分演算して、その出力値ｊ
を下限リミット部１９　（ＬＶＧ＝Ｏ，Ｏで流量弁全閉
）で制限され、その出力値ｋが加算部２２に入力される
。

さらに、加算部２２では、調節器１０がらの出力値ｉが
関数発生器２３で補正され、その補正開度指令ｍとして
上記加算部２２に入力される。

ここで、上記関数発生器２３は第５図で説明したと同様
に指令信号１≧１．０のとき補正開度指令ｍを出力する
が、加算部２２に第２図に示す如く、−符号で入力する
。従って、調節器１５の出力値ｋから上記補正開度指令
ｍが減算される。

この加算部２２の出力は下限リミット部１９（ＬＶＧ＝
Ｏ，Ｏで流量弁全閉）および上限リミット部２０　（Ｈ
ＶＧ＝１．０で流量弁全開）で制限され、開度指令りと
して出力される。この開度指令りが流量弁２５の開度を
増減させて、排熱利用系配管６の流量、つまり、排熱回
収用熱交換器４の２次側の流量が制御される。

これにより、排熱回収用熱交換器４の１次側から２次側
への熱放出量が制御され、排熱利用系の温度を一定に保
つ。

このような２つの制御系で発電出力が増減し排熱供給機
器１からの供給熱が増減した場合は、次の動作をする。

まず、発電出力が減少した場合、プラント側の制御系で
は逆動作をするから温度検出器８の温度検出値ａは低下
し、これに伴って偏差値Ｃは増加して、調節器１０から
の開度指令ｄは増大する。

このため、流量調節弁１７を開動作としてバイパス系配
管の流量は増加一方向として排熱回収用熱交換器４の１
次側の流量を減少させるがら熱放出を防ぐ。さらに、発
電出力が低下して排熱供給機器１からの供給熱が減少す
ると、流量調節弁１７は開度指令ｄ＝１．０で全開し、
排熱回収用熱交換器４の１次側の流量が減少するため排
熱回収用熱交換器４からの熱放出が著しく少なくなる。

一方、排熱利用系の場合は、上記排熱回収用熱交換器４
の一次側の流量の減少によって排熱利用系の温度検出値
ｅは低下することになる。これにより、正動作をする排
熱利用系の制御系では調節器１５のＰＩ演算器２１の出
力値ｊは減少する。

さらに、調節器１０の指令信号１≧１．０の場合、上記
調節器１５からの開度指令りはＯ≦ｈ≦１の範囲内で出
力値ｋから補正開度指令ｍを減算したものとなる。従っ
て、上記補正開度指令ｍによりこの開度指令りはさらに
減少して流量弁２５を閉方向として流量を絞る。このた
め、発電出力が低下して排熱回収用熱交換器４からの２
次側への熱放出が減少して排熱利用系の流体温度が低下
しても流量弁２５の流量を減少させることができるから
排熱利用系の流体温度を一定に保つ。

一方、発電出力が上昇し、排熱供給機器１からの供給熱
が増加した場合、プラント側では温度検出値ａの増加に
より調節器１０は流量調節弁１７を閉方向に動作する。

このため、排熱回収用熱交換器４の２次側の流量を増加
させ、熱放出を増加させることにより温度検出値ａを一
定に保つ。

この場合、排熱利゛用系では、温度検出値ｅが上昇して
、調節器１５は流量弁２５を開方向に動作するが、排熱
回収用熱交換器４の２次側の流量を増加させるように流
量制御して温度を一定に保つ。

このように、発電出力が低下した場合は、プラント側の
代表温度の低下を防ぐため排熱回収用熱交換器４からの
熱放出を減少させて所定の温度となるように制御する。

同時に、排熱利用系の温度の低下を防ぐため排熱利用系
配管６の流量を減少させて所定の温度となるように制御
をすることができる。また、発電出力が増加した場合、
プラント側の代表温度の上昇を防ぐため排熱回収用熱交
換器４から熱放出を増加させて所定の温度となるように
制御する。このとき、排熱利用系の温度の上昇を防ぐた
め排熱利用系配管６の流量を増加させて所定の温度とな
るようにする。

従って、第３図の如く、発電出力ｐの増減にかかわらず
、排熱利用系の温度設定値ｅを一定として流体温度を一
定に保つことができる。

このように、本実施例によれば、プラント側の温度制御
と排熱供給制御との協調を採りつつ同時に燃料電池プラ
ントの発電出力にかかわらず排熱回収用熱交換器４から
の排熱供給熱エネルギーの質を一定に保つことができる
。さらに、このような効果を１つの熱交換器により得る
ことができる。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明によれば、燃料電池発電シ
ステムの運転温度を適度に保ちつつ、同時に発電出力に
かかわらず常に一定の質の熱エネルギーを排熱利用系へ
供給できる。また、熱交換器の数を削減し、より安価で
シンプルなシステムが実現できる効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す燃料電池発電システム
のブロック構成図、第２図は同装置の排熱利用系の調節
器の部分説明図、第３図は同装置の発電出力に対する排
熱供給温度の設定値を示す説明図、第４図は従来例を示
す燃料電池発電システムのブロック構成図、第５図は同
装置の調節器のブロック構成図、第６図は同装置の発電
出力に対する排熱供給温度の設定値を示す説明図である
。 １・・・排熱供給機器、２・・・循環系配管、３・・・
循環ポンプ、４・・・排熱回収用熱交換器、６・・・排
熱利用系配管、８・・・温度検出器、１０・・・調節器
、１３・・・温度検出器、１５・・・調節器、１６・・
・バイパス系配管、１７・・・流量調節弁、２５・・・
流量弁。 代理人　弁理士　　則　近　　憲　佑 第１図 ｉ−′−ｉ 第２図 第３図 第４図 ６　　　　　　　； ）−−一′１ 第５図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）プラントからの排熱エネルギーを流体循環系によ
   り回収し利用する回収型の燃料電池発電システムにおい
   て、前記流体循環系に一次側を直結し、かつ、バイパス
   ラインを備えた熱交換器と、前記バイパスラインの流量
   を制御するバイパス流量制御手段と、前記流体循環系の
   液体温度に基づいて前記バイパス流量制御手段を制御し
   て所定の温度とするプラント側の温度制御手段と、前記
   熱交換器の二次側に備えた前記排熱エネルギーを利用す
   る前記排熱利用系と、この排熱利用系の流量を制御する
   流量制御手段と、前記排熱利用系の流体温度に基づいて
   前記流量制御手段を制御して所定の温度とする排熱利用
   系温度制御手段とを設けたことを特徴とする燃料電池発
   電システム。
2. （２）プラント側の温度制御手段によるバイパスライン
   の流量制御が制御領域を超えた場合に、プラント側の温
   度を所定の温度とするために排熱利用系温度制御手段に
   補正制御手段を設けたことを特徴とする特許請求範囲第
   １項記載の燃料電池発電システム。