JPH06325774A - 燃料電池発電システムおよびその運転方法 - Google Patents

燃料電池発電システムおよびその運転方法

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JPH06325774A
JPH06325774A JP5110219A JP11021993A JPH06325774A JP H06325774 A JPH06325774 A JP H06325774A JP 5110219 A JP5110219 A JP 5110219A JP 11021993 A JP11021993 A JP 11021993A JP H06325774 A JPH06325774 A JP H06325774A
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JP
Japan
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heat
power
fuel cell
main body
charging
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Application number
JP5110219A
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English (en)
Inventor
Hisato Tagawa
久人 田川
Hidetoshi Karasawa
英年 唐澤
Yutaka Suzuki
豊 鈴木
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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Abstract

(57)【要約】 【構成】電池本体1とインバータ3の間に充放電装置6
を接続する。制御装置33により、外部負荷変動量に対
する電力の不足あるいは過剰分を充放電装置6からイン
バータ3にあるいは電池本体の出力端から充放電装置6
へ供給する。さらに、制御装置43により、熱量の不足
あるいは過剰分を蓄熱器42から熱供給ライン41へあ
るいは熱供給ライン41から蓄熱器42へ供給する。 【効果】燃料電池発電システムの電池本体の長寿命化,
システムの負荷応答性の向上,エネルギ有効利用が図れ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は燃料電池を用いた発電シ
ステムおよびその運転方法に関する。
【0002】
【従来の技術】燃料電池発電システムの代表例として、
実用化が最も早いと考えられているリン酸型燃料電池シ
ステムの系統図を図2に示す。
【0003】原料ガス取り入れ口34より供給され弁1
2によって流量を調節された原料ガス(主に天然ガス)
および水蒸気は、それぞれ配管14および配管18を通
って改質器2へ送られる。改質器2では原料ガスと水蒸
気の改質反応により水素が生成され、配管15を通って
電池本体1のアノードへ送られる。一方、空気取り入れ
口35より取り入れられた空気がブロワ13によって電
池本体1のカソードへ供給され、電池本体1の電極間で
の電気化学反応により電流が発生する。発生した電流
(直流)はケーブル20を通り、インバータ3によって
交流に変換され、ケーブル21から出力される。一方、
電池本体で発生する熱は配管16を通ってきた水で冷却
され、このとき発生する水蒸気は配管17を通って水蒸
気分離器4に送られる。この水蒸気は配管18で改質器
に送られ、改質反応に使用される。外部出力の変化はイ
ンバータ3において監視され制御線32を介して制御器
33に信号が送られている。この結果をもとに制御線2
7,28を介して制御器33から信号が送られ、外部負
荷に応じた原料ガスと空気の流量になるように弁12,
ブロワ13によって調節される。
【0004】燃料電池システムは、待機運転あるいは部
分負荷運転時にも、外部負荷以上のある程度余裕を持っ
た発電量を確保していなければならない。これは、
(1)電池本体の健全性の確保、(2)外部負荷変化へ
の追随性向上のためである。発生した余剰電力はケーブ
ル20から取り出され、ケーブル22を通りロードヒー
タ5で消費される。出力の取り出しは、運転状況に応じ
て制御器33により制御線29を介してスイッチ11で
制御される。
【0005】燃料電池システムの運転方法について、従
来の部分負荷時の運転方法の一例を示す図3を用いてさ
らに詳しく説明する。これは100kW電気出力のリン
酸型燃料電池の運転例である。外部負荷がゼロの待機運
転時にも、内部補機で使用する電力分の10kWに加え
て3本のロードヒータで21kWの電力を消費してい
る。これはある程度の電力を常時発電していることが電
池本体の劣化防止に必要なためである。外部負荷が増大
すると各ロードヒータを順次切離し、最大出力まで運転
する。
【0006】次に外部負荷が変化した場合の電池特性に
ついて、負荷変化時の電池特性を示す図4を用いて説明
する。これは1秒間に最大出力の25%から100%ま
で負荷変化させたときの電池本体の極間差圧の変化を示
したものである。
【0007】負荷変化指令発生後、十分な量の水素が電
池本体に送られるまでには時間遅れがあり、アノード圧
力は負荷変化前の圧力から負荷変化後の平衡圧力までゆ
るやかに上昇する。一方、カソード圧力は、負荷変化指
令発生直後、水素不足によって消費されなかった酸素分
だけ平衡圧力より高くなり、その後、アノード側への水
素供給量に従って平衡圧力まで減少していく。この結
果、両極間の差圧は負荷変化指令発生後急激に立上り、
電極の劣化を進める要因となる。逆に外部負荷が減少し
た場合にもアノード側の応答が遅れ、極間差圧が発生す
る。
【0008】さらに急激な外部負荷増加時には、同一電
極上で水素供給不足の部分が発生して電気化学反応が不
均一に起こることにより、やはり電極の劣化が進行す
る。従って負荷変化が頻繁に発生するような運転状況は
電池本体の劣化を早めることになり、燃料電池発電シス
テムにとって望ましくない。
【0009】前述のように燃料電池は将来有望な発電シ
ステムであるが、実用化への問題点となっているのはシ
ステムの発電コストである。そこで電池本体の劣化を極
力抑えて使用期間をのばすことにより発電コストを下げ
ることが最大の課題である。さらに、ロードヒータを用
いた出力制御では電力を無駄に捨てることになり、また
過剰に発生した熱を無駄に捨てることはエネルギの有効
利用の観点からも望ましくない。また、ロードヒータに
よる負荷応答性の向上には限界があり、負荷変化量が大
きな場合には迅速な応答が難しい。従って、従来の技術
ではこれらの点についても問題が残る。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、燃料電池発
電システムの運転時における電極間差圧と電極反応の不
均一性の発生防止により電池本体の劣化を抑制し、その
長寿命化を図ることを第1の目的とする。また、燃料電
池発電システムの負荷応答性とエネルギの有効利用を図
ることを第2の目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】請求項1の発明は、上記
第1及び第2の目的を達成するために、燃料電池発電シ
ステムの電気出力系統を、電池本体と制御装置で制御さ
れるスイッチを介して外部電力の出力端に接続された充
放電手段とから構成し、熱出力系統を、従来の熱供給ラ
インと蓄熱手段とから構成したことを特徴とする。
【0012】請求項2の発明は、上記第1及び第2の目
的を達成するための請求項1の構成を持った燃料電池発
電システムの運転方法であり、電池本体の発電量は一定
に保って、外部電力および熱負荷変動時に電池本体と充
放電手段および蓄熱手段を連係運転させることを特徴と
する。
【0013】
【作用】請求項1の発明を実施すれば、電池本体と充放
電手段および蓄熱手段の連係運転が可能となり電池本体
だけで外部負荷変化に対応する必要がなくなるので、外
部負荷変化から独立して電池本体を運転することが出来
る。従って、本発明のシステムを用いて外部負荷変化が
発生した場合でも電池本体の出力を一定に保って運転す
れば、外部負荷変化時に発生する電池本体の電極間差圧
と電気化学反応の不均一性を抑えることができ、電池本
体の長寿命化を図ることが出来る。さらに、現在ロード
ヒータで消費している余剰電力を充放電手段に貯蔵し、
また余剰熱量を蓄熱手段に貯蔵して利用することができ
るのでエネルギの有効利用を図ることができる。また、
急激な外部負荷変化に対する瞬時応答が可能になり、燃
料電池発電システムの負荷応答特性を大幅に改善するこ
とができる。
【0014】請求項2の運転方法を請求項1のシステム
に適用すれば、電池本体の出力を一定に保つことが可能
となり、負荷変動時に発生する電池本体の電極間差圧と
電気化学反応の不均一性を抑えることができ、電池本体
の長寿命化を図ることが出来る。さらに、過剰に発生し
た電力および熱量を貯蔵して利用することができるので
エネルギの有効利用を図ることができる。また、急激な
外部負荷変化に対する瞬時応答が可能になり、燃料電池
発電システムの負荷応答特性を大幅に改善することがで
きる。
【0015】
【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。まず、従
来の燃料電池発電システムに充放電装置と蓄熱器を組み
合わせた一実施例を図1を用いて説明する。
【0016】図1は本発明の一実施例を示す系統図であ
り、おもな構成機器は改質器2,電池本体1,コンバー
タ3,充放電装置6である。原料ガス取り入れ口34よ
り供給され弁12によって流量を調節された原料ガス
(主に天然ガス)および水蒸気は、それぞれ配管14お
よび配管18を通って改質器2へ送られる。改質器2で
は原料ガスと水蒸気の改質反応により水素が生成され、
配管15を通って電池本体1のアノードへ送られる。一
方、空気取り入れ口35より取り入れられた空気がブロ
ワ13によって電池本体1のカソードへ供給され、電池
本体1の電極間での電気化学反応により電流が発生す
る。発生した電流(直流)はケーブル20を通り、イン
バータ3によって交流に変換され、ケーブル21から出
力される。
【0017】一方、電池本体で発生する熱は配管16を
通ってきた水で冷却され、このとき発生する水蒸気は配
管17を通って水蒸気分離器4に送られる。この水蒸気
は配管18で改質器に送られ、改質反応に使用される。
【0018】電力負荷変動量はインバータ3において監
視され制御線32を介して制御器33に信号が送られて
いる。この結果をもとにして電力の不足分は、制御線3
0を介して制御器33から送られた信号によりスイッチ
10を制御することによって充放電装置6からインバー
タ3に供給する。充放電装置だけで対応できない場合
は、電池本体で発生する極間差圧が一定値以下になるよ
うな電池本体の出力変化が実現されるように制御線2
7,28を介して弁12,ブロワ13に制御信号が送ら
れ、原料ガスと空気の流量が調節されて電池本体での発
電量が制御される。待機運転時あるいは外部負荷の減少
時に発生した余剰電力はケーブル20から取り出され、
ケーブル22を通り直流変換器7で電圧調整された後、
充放電装置6に蓄えられる。
【0019】熱負荷変動量は熱供給ライン41で監視さ
れ制御線48を介して制御器43へ信号が送られてい
る。この結果をもとにして熱量の不足あるいは過剰分
は、制御線47を介して制御器43から送られた信号に
より弁44を制御することによって、蓄熱器42から熱
供給ライン41へ、あるいは熱供給ライン41から蓄熱
器42へ供給される。
【0020】以上の方法で電池本体での発電量を一定に
保って電池本体の極間差圧の発生を抑え、かつ同一電極
上での水素の供給不足部分の発生を防止することにより
電池本体の長寿命化を図ることができる。また、本運転
方法を実施すれば急激な外部負荷変化に対しても瞬時に
対応することができ、燃料電池発電システムの負荷応答
特性を大幅に改善することもできる。
【0021】待機運転時の電池の健全性確保あるいは部
分負荷運転時の負荷応答特性の向上のために現在ロード
ヒータで消費している余剰電力を本手段における充放電
装置に蓄えておき負荷変動時、あるいは、燃料電池発電
システムの立ち上げ時等に使用すれば、発電効率の向上
を図ることができる。また余剰熱量を前記蓄熱手段に貯
蔵して利用することができるのでエネルギの有効利用を
図ることができる。
【0022】次に、他の実施例について説明する。図5
は本発明の一実施例を示す系統図で、図1のシステムの
充放電装置6に外部電源40が接続されている。充放電
装置6の充電量は制御線38を介して制御器33で監視
されており、充電量が不足している場合には制御線39
を介してスイッチ36を制御することにより、外部電源
40からケーブル37を通して充放電装置6を充電する
ことができる。この外部電源として夜間電力を利用すれ
ば、さらにエネルギの有効利用を図ることができる。
【0023】
【発明の効果】本発明によれば、燃料電池発電システム
の電池本体の長寿命化が可能であり、この結果発電コス
トの低下により燃料電池システムの優位性が向上し、実
用化を加速することができる。さらに負荷応答性の向上
とエネルギの有効活用を図ることができる。
【0024】請求項2の発明を実施すれば、燃料電池発
電システムの電池本体の長寿命化が可能であり、この結
果、発電コストの低下により燃料電池システムの優位性
が向上する。さらに負荷応答性の向上とエネルギの有効
活用を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す系統図。
【図2】従来例を示す系統図。
【図3】従来の外部負荷に対するインバータ出力特性
図。
【図4】負荷変化時の電池内ガス圧力特性図。
【図5】本発明の一実施例を示す系統図。
【符号の説明】
1…電池本体、2…改質器、3…インバータ、4…水蒸
気分離器、5…ロードヒータ、6…充放電装置、7,8
…直流変換器、9〜11,36…スイッチ、12,44
…弁、13…ブロワ、14〜19,45,46…配管、
20〜26,37…ケーブル、27〜32,38,3
9,47,48…制御線、33,43…制御装置、34
…原料ガス取入口、35…空気取入口、40…外部電
源、41…熱供給ライン、42…蓄熱器。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】燃料ガスと空気とを電池本体に送り、電極
    反応により直流電力と熱を発生し、発生した直流電力は
    インバータで交流電力に変換し、熱は熱交換器を介して
    外部へ供給する燃料電池発電システムにおいて、制御装
    置で制御されるスイッチを介して前記電池本体の出力端
    に充放電手段を設け、前記充放電手段は前記制御装置で
    制御されるスイッチを介して外部電力の出力端にも接続
    し、前記電池本体と前記充放電手段の両方の電気出力に
    より外部負荷へ電力を供給し、さらに外部への熱供給ラ
    インと並列に制御装置で制御される流量調節器を介して
    蓄熱手段を設け、前記熱供給ラインと前記蓄熱手段の両
    方の熱出力により外部へ熱を供給することを特徴とする
    燃料電池発電システム。
  2. 【請求項2】請求項1において、前記燃料電池本体の発
    電量は一定に保ち、外部電力の出力端で電力負荷変動量
    をモニタしながら、電力負荷変動には不足電力あるいは
    余剰電力を前記燃料電池本体の出力端を介して前記充放
    電装置から放電あるいは前記充放電装置へ充電すること
    により電力負荷変動に対応し、熱負荷変動には不足熱量
    あるいは余剰熱量を前記蓄熱手段から放熱あるいは前記
    蓄熱手段へ吸熱することにより熱負荷変動に対応する燃
    料電池発電システムの運転方法。
JP5110219A 1993-05-12 1993-05-12 燃料電池発電システムおよびその運転方法 Pending JPH06325774A (ja)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20020056167A (ko) * 2000-12-29 2002-07-10 구자홍 축열식 자가발전시스템
US6800963B2 (en) 2001-11-09 2004-10-05 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Power controller, power generation system, and control method of power controller
JP2005135666A (ja) * 2003-10-29 2005-05-26 Ebara Ballard Corp 燃料電池システム
US6904337B2 (en) 2000-10-03 2005-06-07 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Power generation control system, power generation control method, program, and medium
JP2014029869A (ja) * 2013-10-01 2014-02-13 Sony Corp 電源システム

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