JPH06105619B2 - 燃料電池発電システムの制御方法 - 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制御方法に関し，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，環境保全性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空気を供給するター
ボ圧縮機とを備えている。燃料電池本体の性能は反応ガ
スの圧力の増大によっ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/cm
²ｇ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，同軸上のコンプレッサで必要な圧
縮空気を供給することによっ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58−12
268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ッチ
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って駆動され，
燃料電池本体（１）の空気極（1a）と改質器（２）のバ
ーナ部（2a）に必要な圧縮空気を供給するタービン（3
a）とこのタービン（3a）と同軸上に配置されたコンプ
レッサ（3b）とから成るターボ圧縮機，（４）はこのタ
ーボ圧縮機（３）のコンプレッサ（3b）により圧縮され
た空気を燃料電池本体（１）の空気極（1a）に供給する
空気供給配管，（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）と排ガス配管（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ッチガスを燃
料電池本体（１）の燃料極（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
岐して設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）は空気供給配管（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）によりコンプレッサ
（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（16）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）はコンプレッサ（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（18）〜（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（1
0）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，（2
3）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）により燃料電池本体（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
燃焼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，コンプレッサ
（3b）からの供給空気流量の減少に伴いコンプレッサ
（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
圧の維持を保っている。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）の絞り調節によって
コンプレッサ（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，コンプレッサ（3b）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）によりコンプレッサ（3b）の吐出空気圧
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）
の調節によっ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ッサ（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ッフ
ァ容積が大きいため，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漏れ込んだり，逆に反応ガスが筐
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）の調節によって定
風圧制御を行っており，コンプレッ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ッサ必要動力に対
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58−5623
1号に開示されたものがある。又例えば特開昭59−18577
号に開示された燃焼排ガス系統にバイパスにして設置し
たバイパス弁を開閉動作させて燃焼排ガスの大気中への
放出量を調整し，タービンに供給される燃焼排ガス量を
調整することによりターボ圧縮機のコンプレッサの吐出
空気圧力を制御するようなものが考えられるが，この場
合においても大気開放弁（12）と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，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ッサの吐出空気
圧力が低下するという欠点があった。同様に、例えば特
開昭59−18577号に開示されているように、負荷変動時
における空気圧力の変化を抑制するために、改質器の燃
焼制御と併せて、負荷変動に伴う空気圧力変化に対応し
た助燃炉のフィードバック制御を行うことも考えられ
る。しかしながら、助燃炉の制御応答性はバイパス弁の
制御等に比べて遅いため、負荷変動時のフィードバック
制御によって空気圧力を制御することは実質的に不可能
である。

〔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バイパス弁を全閉又
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
のコンプレッサの吐出空気圧力一定のフィードバック制
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ィードフォワード制御で行う一
方バイパス弁によりターボ圧縮機のコンプレッサの吐出
空気圧力一定のフィードバック制御を行うことにより，
ターボ圧縮機のコンプレッ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），（13），
（15），（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ックで示
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）はシステム排ガス配管
（７）に分岐して設置され，ターボ圧縮機（３）のター
ビン（3a）をバイパスするバイパス配管，（30）はこの
バイパス配管（29）に設置され，助燃炉（28）を経た排
ガスの大気への放出量を調整し，タービン（3a）に供給
される排ガス量を調整するバイパス弁，（31）は助燃炉
（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，（32）はこの燃料配管（31）に設置さ
れた流量制御弁，（33）は燃料配管（31）内を流れる燃
料流量を検出し流量制御弁（32）を調節する流量コント
ローラ，（34）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，（35）はこの空気配管
（34）に設置された流量制御弁，（36）は空気配管（3
4）内を流れる空気流量を検出して流量制御弁（35）を
調節する流量コントローラ，（37）は圧力検出器（13）
によって検出されたコンプレッサ（3b）の吐出空気圧力
に応じて流量コントローラ（33）及び流量コントローラ
（36）に対する制御信号を与える圧力コントローラ，
（38）は圧力検出器（13）によって検出されたコンプレ
ッサ（3b）の吐出空気圧力に応じてバイパス弁（30）の
開度を調節する圧力コントローラ，（39）は圧力コント
ローラ（38）からバイパス弁（30）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
（39）の働きによってバイパス弁（30）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
（38）は実際上機能しない。バイパス弁（30）を全閉あ
るいは微少な一定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ッサ（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ッサ（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
ッサ（3b）の吐出空気圧力の制御は圧力コントローラ
（37）によって圧力検出器（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（33），（36）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
焼量はコンプレッサ（3b）の吐出空気圧力一定のフィー
ドバック制御を行う。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（39）内の制御回路を操作することによりバ
イパス弁（30）を圧力コントローラ（38）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
（33），（36）に対して与えてタービン動力を増加させ
る。この結果，コンプレッサ（3b）の吐出空気圧力が上
昇しようとするが，コンプレッサ（3b）の吐出空気圧力
は圧力コントローラ（38）の働きによってバイパス弁
（30）の調節，即ち，バイパス配管（29）を経由する放
出排ガス流量を調整し，タービン（3a）に供給される排
ガス量を調整すること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）
の燃焼量のフィードフォワード操作により増加させ，こ
のタービン動力の増量分の一部をコンプレッサ（3b）の
吐出空気圧力を一定に保つためにタービン（3a）手前の
バイパス配管（29）からバイパス弁（30）を介して大気
へ放出している状態でターボ圧縮機（３）のパワーアッ
プが計られてシステム要求空気量が満足される。バイパ
ス弁（30）からの放出量，即ち，バイパス弁（30）の開
度がほぼ一定になっ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）のコンプレッサ
（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（38）の制御動作によりバイパ
ス弁（30）の調整，即ち，大気への放出排ガス量の絞り
込みが行われ，コンプレッサ（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
しシステムが整定すれば，次にコンプレッサ（3b）の吐
出空気圧力の制御を圧力コントローラ（37）に移すとと
もに演算器（39）によってバイパス弁（30）の開度を現
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，バイパス弁（3
0）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って行われる。こ
の間，コンプレッサ（3b）の吐出空気圧力は流量コント
ローラ（33），（36）を通じた助燃炉（28）の燃焼量の
調整によって一定制御が行われる。バイパス弁（30）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ィ
ードフォワード制御操作によっ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
ってタービン動力が増大し，ターボ圧縮機（３）の回転
数が増加しようとする。このとき，システムへの空気流
量F2はまだ負荷指令前の値を維持継続させているためタ
ービン動力の増加によるコンプレッサ（3b）の出力増加
がコンプレッサ（3b）の吐出空気圧力の上昇の形で現わ
れようとする。これに対して，負荷指令と同時にコンプ
レッサ（3b）の吐出空気圧力P1の一定制御をバイパス弁
（30）の開度調整によって，即ち，排ガスの大気への放
出量調整によって行う制御系が作動するため，放出排ガ
ス流量F3が発生し，コンプレッサ（3b）の吐出空気圧力
P1が一定に保たれる。この放出排ガス流量F3が安定した
時点で，システムへの空気流量F2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，コンプレッサ（3
b）の吐出空気圧力P1の一定制御動作によりバイパス弁
（30）が絞り込まれ放出排ガス流量F3が減少する。シス
テムへの空気流量F2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
ンプレッサ（3b）の吐出空気圧力P1の制御がバイパス弁
（30）からの放出排ガス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
後，演算器（39）からの指令でバイパス弁（30）の漸閉
動作が行われ，バイパス弁（30）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。（第
３図の放出排ガス流量F3はバイパス弁（30）を全閉させ
た場合を示す）時刻T2から時刻T3に至る過程ではコンプ
レッサ（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の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
焼量によって操作し，この操作によるコンプレッサ（3
b）の吐出空気圧力の変動をバイパス弁（30）の制御に
よって抑えコンプレッサ（3b）の吐出空気圧力を一定制
御するようにしているので、負荷変動時の応答性が大幅
に向上し，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，定常時にはバイパス弁（30）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）のコンプレッ
サ動力を最少限にして維持でき，それによってシステム
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
バイパス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ッサの吐出空気圧力
一定のフィードバック制御で行い，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ィード
フォワード制御で行う一方バイパス弁によりターボ圧縮
機のコンプレッサの吐出空気圧力一定のフィードバック
制御を行うようにしたことにより，ターボ圧縮機のコン
プレッ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
ンプレッサ，（４）は空気供給配管，（７）はシステム
排ガス配管，（13）は圧力検出器，（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，（29）はバイパス配管，（30）はバイパス
弁，（32）は流量制御弁，（33）は流量コントローラ，
（35）は流量制御弁，（36）は流量コントローラ，（3
7）は圧力コントローラ，（38）は圧力コントローラ，
（39）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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田熊 良行 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町１丁目１番２ 号 三菱電機株式会社神戸製作所内 (72)発明者 日比野 学 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町１丁目１番２ 号 三菱電機株式会社制御製作所内 (56)参考文献 特開 昭59−18577（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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って駆動さ
   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ッ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，上記システム排ガス配管に分岐して設置され上記タ
   ーボ圧縮機のタービンをバイパスするバイパス配管と，
   このバイパス配管に設置されたバイパス弁を備えた燃料
   電池発電システムにおいて，システムの定常運転時は上
   記バイパス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ッサの吐出空
   気圧力一定のフィードバック制御で行い，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
   くフィードフォワード制御で行う一方上記バイパス弁に
   より上記ターボ圧縮機のコンプレッサの吐出空気圧力一
   定のフィードバッ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。