JPH0668891A - 燃料電池発電装置とその制御方法 - Google Patents

燃料電池発電装置とその制御方法

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JPH0668891A
JPH0668891A JP4220530A JP22053092A JPH0668891A JP H0668891 A JPH0668891 A JP H0668891A JP 4220530 A JP4220530 A JP 4220530A JP 22053092 A JP22053092 A JP 22053092A JP H0668891 A JPH0668891 A JP H0668891A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】低出力運転時に一部のスタックが不具合となっ
たときに不具合となったスタックの運転を停止して正常
なスタックはそのまま稼働できる燃料電池発電装置とそ
の制御方法を提供する。 【構成】燃料改質器からの改質燃料の一部を燃料電池の
燃料ガス排出回路にバイパスするとともに燃料排ガス希
釈回路の窒素ガスにより希釈して燃料改質器に供給する
とともに空気ブロアからの空気も酸化剤ガス排出回路に
一部をバイパスして燃料改質器に送る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は燃料電池発電装置および
その制御方法に係り、特に低出力運転時に一部の燃料電
池直列ユニットが異常を起こした際に駆動される燃料電
池の制御装置および制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池は燃料の持つ化学的エネルギー
を直接電気エネルギーに変換するものであり、電解液層
を挟んで配置された一対の各電極に、酸化剤ガスと燃料
改質器からの燃料ガスとを供給し、各電極の電極触媒層
内で燃料ガスおよび酸化剤ガスを電気化学的に反応さ
せ、その結果として系外に電気エネルギーを取り出す発
電装置の一種である。
【０００３】燃料電池発電装置は単セルを複数個直列に
接続してスタックと称される燃料電池直列ユニットを形
成し、このスタックを直列および並列に接続して大容量
プラントが構成される。このような大容量の燃料電池発
電装置は大容量になるほどスタック数が増加し、それに
伴いトラブルの発生する頻度が増大する。従来はスタッ
クの一つが故障した場合においても発電装置全体の運転
を中止し、故障したスタックの回復を待って発電装置の
運転を再開していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら発電装置
の全面停止は商業発電上好ましいものではなく、プラン
ト運転の全面停止を避けるために不具合の生じたスタッ
クのガス系統と電気系統をプラントから切り離し、正常
なスタックを使用して発電装置の運転を続けようとする
と、燃料改質器や酸化剤ガス供給装置である空気ブロア
等には運転可能な最低負荷があるために、発電装置が低
出力で運転されていた場合においては燃料改質器や空気
ブロアの必要とする最低負荷を割り込むこととなり、発
電装置の運転が困難となる。
【０００５】上述のような困難を避けるために小容量の
燃料改質器や空気ブロアを複数台設置して、台数制御に
より発電装置の全面停止を避けることもできるが本方法
による場合は設備の増加、設置面積の増加、機器効率の
低下、制御の複雑化を招来し、実用的でない。この発明
は上述の点に鑑みてなされ、その目的は低出力運転時に
一部の燃料電池直列ユニットに不具合が生じてそれらが
切り離され燃料改質器や空気ブロアの必要とする最低負
荷を割り込む場合においても発電装置の運転が可能であ
るようにして信頼性に優れる燃料電池発電装置とその制
御方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記の目的は第一の発明
によれば、燃料電池群と、遮断弁と、燃料改質器と、第
一のバイパス回路と、酸化剤ガス供給装置と、第二のバ
イパス回路と、燃料排ガス希釈回路と、直流遮断器と、
インバータとを有し、燃料電池群は複数の燃料電池直列
ユニットが並列に接続されたものを含み、遮断弁は燃料
電池直列ユニットに接続された燃料ガスおよび酸化剤ガ
スの供給回路と排出回路にそれぞれ設けられるもので、
一部の燃料電池直列ユニットが異常信号を発したときに
異常な燃料電池直列ユニットに対して燃料ガスと酸化剤
ガスのガス系統を遮断するものであり、燃料改質器は燃
料電池群からの燃料排出ガスを燃焼してその燃焼熱によ
り原燃料ガスを水素ガスに改質するものであり、第一の
バイパス回路は燃料電池群の低出力運転時に一部の燃料
電池直列ユニットが異常信号を発したときに燃料改質器
からの燃料の一部を流量制御弁を介して前記燃料ガスの
排出回路にバイパスするものであり、酸化剤ガス供給装
置は前記燃料電池群に酸化剤ガスを供給するものであ
り、第二のバイパス回路は燃料電池群の低出力運転時に
一部の燃料電池直列ユニットが異常信号を発したときに
前記酸化剤ガス供給装置からの酸化剤ガスの一部を流量
制御弁を介して前記酸化剤ガスの排出回路にバイパスす
るものであり、燃料排ガス希釈回路は前記バイパス回路
の燃料ガスが合流した燃料排ガス中の燃料ガスを不活性
ガスで希釈して燃料改質器に供給するものであり、直流
遮断器はインバータおよび前記燃料電池直列ユニットと
電気的に直列に接続されるもので、一部の燃料電池直列
ユニットが異常信号を発したときに異常な燃料電池直列
ユニットに対してその電気系統を遮断するものであり、
インバータは燃料電池の直流出力を交流出力に変換する
ものであるとすること、また第二の発明によれば第一の
工程と、第二の工程と、第三の工程とを有し、第一の工
程は複数の燃料電池直列ユニットが並列に接続された燃
料電池群の一部の燃料電池直列ユニットが異常信号を発
したときに、直流遮断器を操作して異常な燃料電池直列
ユニットの電気系統を遮断し且つ異常な燃料電池直列ユ
ニットに対する燃料ガスと酸化剤ガスのガス系統を遮断
する工程であり、第二の工程は一部の燃料電池直列ユニ
ットが異常信号を発したときに燃料電池群の出力の大小
を判断して燃料電池群が低出力で運転しているときには
燃料改質器からの燃料の一部を流量制御弁を介して燃料
電池群の燃料ガス排出回路にバイパスする工程であり、
第三の工程は一部の燃料電池直列ユニットが異常信号を
発したときに燃料電池群の出力の大小を判断して燃料電
池群が低出力で運転しているときには酸化剤ガス供給装
置からの酸化剤ガスの一部を流量制御弁を介して燃料電
池群の酸化剤ガス排出回路にバイパスするものであると
することにより達成される。
【０００７】
【作用】第一のバイパス回路は燃料改質器の負荷を低減
させることなく過剰となった燃料を燃料ガスの排出回路
にバイパスする。燃料排ガス希釈回路は過剰となった燃
料を希釈し改質装置において燃焼温度の上昇による燃料
改質量の増大をなくす。
【０００８】第二のバイパス回路は過剰となった空気を
酸化剤ガスの排出回路にバイパスする。
【０００９】
【実施例】次にこの発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１はこの発明の実施例に係る燃料電池発電装置
を示す系統図である。燃料電池の単セル１が複数個直列
に接続され燃料電池直列ユニット７が形成される。燃料
電池直列ユニット７はさらに複数個並列に接続され燃料
電池群を構成する。各燃料電池直列ユニットは直流遮断
器６、インバータ８と電気的に直列に接続される。
【００１０】各燃料電池直列ユニット７には燃料ガスと
酸化剤ガスそれぞれの供給回路１０，９と排出回路１
１，１３が接続される。燃料ガスと酸化剤ガスの供給回
路１０，９にはそれぞれ遮断弁５と流量制御弁４の両者
が配される。燃料ガスと酸化剤ガスの排出回路にはそれ
ぞれ遮断弁５が配される。原燃料ガス１８は流量制御弁
１７を介して燃料改質器２に送られる。燃料改質器２を
出た燃料ガスは燃料供給回路１０により各燃料電池直列
ユニット７に供給される。燃料改質器を出た燃料の一部
は流量制御弁９を介して燃料ガス排出回路１１にバイパ
スすることができる。バイパスされた燃料ガスは一部は
放出回路１５により放出され残りは燃料電池の燃料排出
ガスと混合され燃料排ガス希釈回路１６の窒素ガスによ
り所定濃度に希釈され燃料改質器２の燃料ガスとなる。
【００１１】酸化剤ガス供給装置である空気ブロア３を
出た空気は酸化剤ガス供給回路９により各燃料電池直列
ユニット７に供給される。酸化剤ガスの一部は流量制御
弁１２を介して酸化剤ガス排出回路１３にバイパスする
ことができる。バイパスされた酸化剤ガスの一部は放出
回路１４を介して放出され残りが燃料改質器２に送られ
て燃料ガス改質用の酸化剤ガスとなる。
【００１２】一部の燃料電池直列ユニットが故障したと
きはそのユニットのガス系統と電気の系統は遮断され
る。ガス系統の遮断は燃料ガスと酸化剤ガスのそれぞれ
につき供給回路と排出回路にある遮断弁５を閉じること
により行われる。電気系統の遮断は直流遮断器６をオフ
することにより行われる。燃料電池群が高出力で運転さ
れていたときは過剰になった燃料ガスと酸化剤ガスは燃
料改質器の負荷を低減することと空気ブロアの送風量を
下げることにより適量に制御される。
【００１３】燃料電池群が低出力で運転されていたとき
は燃料改質器の負荷は変更することなく流量制御弁９を
操作して一部の燃料改質ガスを燃料ガス排出回路にバイ
パスする。空気ブロアからの過剰空気は流量制御弁１２
により酸化剤ガス排出回路にバイパスされる。改質燃料
ガスと酸化剤ガスそれぞれのバイパスされたガスはその
一部が表示されない流量制御弁により屋外に放出され所
要のガス量が燃料改質器に送られる。
【００１４】バイパスされた改質燃料ガスのうち屋外に
放出されないガスは燃料排ガス希釈回路１６の窒素ガス
により希釈して単位流量当たりの発熱量を計画値に一致
させたのち燃料改質器２に送り所定の燃料改質器温度を
維持する。このようにして低出力運転時における一部の
燃料電池直列ユニットの故障に際して故障した燃料電池
直列ユニットのみを停止して正常な燃料電池直列ユニッ
トの運転を続行することができる。
【００１５】
【発明の効果】第一の発明によれば燃料電池群と、遮断
弁と、燃料改質器と、第一のバイパス回路と、酸化剤ガ
ス供給装置と、第二のバイパス回路と、燃料排ガス希釈
回路と、直流遮断器と、インバータとを有し、燃料電池
群は複数の燃料電池直列ユニットが並列に接続されたも
のを含み、遮断弁は燃料電池直列ユニットに接続された
燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給回路と排出回路にそれ
ぞれ設けられるもので、一部の燃料電池直列ユニットが
異常信号を発したときに異常な燃料電池直列ユニットに
対して燃料ガスと酸化剤ガスのガス系統を遮断するもの
であり、燃料改質器は燃料電池群からの燃料排出ガスを
燃焼してその燃焼熱により原燃料ガスを水素ガスに改質
するものであり、第一のバイパス回路は燃料電池群の低
出力運転時に一部の燃料電池直列ユニットが異常信号を
発したときに燃料改質器からの燃料の一部を流量制御弁
を介して前記燃料ガスの排出回路にバイパスするもので
あり、酸化剤ガス供給装置は前記燃料電池群に酸化剤ガ
スを供給するものであり、第二のバイパス回路は燃料電
池群の低出力運転時に一部の燃料電池直列ユニットが異
常信号を発したときに前記酸化剤ガス供給装置からの酸
化剤ガスの一部を流量制御弁を介して前記酸化剤ガスの
排出回路にバイパスするものであり、燃料排ガス希釈回
路は前記バイパス回路の燃料ガスが合流した燃料排ガス
中の燃料ガスを不活性ガスで希釈して燃料改質器に供給
するものであり、直流遮断器はインバータおよび前記燃
料電池直列ユニットと電気的に直列に接続されるもの
で、一部の燃料電池直列ユニットが異常信号を発したと
きに異常な燃料電池直列ユニットに対してその電気系統
を遮断するものであり、インバータは燃料電池の直流出
力を交流出力に変換するものであるとすること、また第
二の発明によれば第一の工程と、第二の工程と、第三の
工程とを有し、第一の工程は複数の燃料電池直列ユニッ
トが並列に接続された燃料電池群の一部の燃料電池直列
ユニットが異常信号を発したときに、直流遮断器を操作
して異常な燃料電池直列ユニットの電気系統を遮断し且
つ異常な燃料電池直列ユニットに対する燃料ガスと酸化
剤ガスのガス系統を遮断する工程であり、第二の工程は
一部の燃料電池直列ユニットが異常信号を発したときに
燃料電池群の出力の大小を判断して燃料電池群が低出力
で運転しているときには燃料改質器からの燃料の一部を
流量制御弁を介して燃料電池群の燃料ガス排出回路にバ
イパスする工程であり、第三の工程は一部の燃料電池直
列ユニットが異常信号を発したときに燃料電池群の出力
の大小を判断して燃料電池群が低出力で運転していると
きには酸化剤ガス供給装置からの酸化剤ガスの一部を流
量制御弁を介して燃料電池群の酸化剤ガス排出回路にバ
イパスするものであるので、第一のバイパス回路は燃料
改質器の負荷を低減させることなく過剰となった燃料を
燃料ガスの排出回路にバイパスし、燃料排ガス希釈回路
は過剰となった燃料を希釈し改質装置において燃焼温度
の上昇による燃料改質量の増大をなくし、第二のバイパ
ス回路は過剰となった空気を酸化剤ガスの排出回路にバ
イパスすることとなる。その結果低出力運転時における
一部の燃料電池直列ユニットの故障に際しても故障した
燃料電池直列ユニットのみを停止しても燃料改質装置や
空気ブロア等の最低必要負荷量を下回ることなくこれら
の運転を維持して正常な燃料電池直列ユニットによる燃
料発電装置の運転を続行することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例に係る燃料電池発電装置を示
す系統図
【符号の説明】
１ 単セル ２ 燃料改質器 ３ 空気ブロア ４ 流量制御弁 ５ 遮断弁 ６ 直流遮断器 ７ 燃料電池直列ユニット ８ インバータ ９ 酸化剤ガス供給回路 １０ 燃料ガス供給回路 １１ 燃料ガス排出回路 １２ 流量制御弁 １３ 酸化剤ガス排出回路 １４ 酸化剤ガス放出回路 １５ 燃料ガス放出回路 １６ 燃料排ガス希釈回路 １７ 流量制御弁 １８ 原燃料ガス

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】燃料電池群と、遮断弁と、燃料改質器と、
    第一のバイパス回路と、酸化剤ガス供給装置と、第二の
    バイパス回路と、燃料排ガス希釈回路と、直流遮断器
    と、インバータとを有し、 燃料電池群は複数の燃料電池直列ユニットが並列に接続
    されたものを含み、 遮断弁は燃料電池直列ユニットに接続された燃料ガスお
    よび酸化剤ガスの供給回路と排出回路にそれぞれ設けら
    れるもので、一部の燃料電池直列ユニットが異常信号を
    発したときに異常な燃料電池直列ユニットに対して燃料
    ガスと酸化剤ガスのガス系統を遮断するものであり、 燃料改質器は燃料電池群からの燃料排出ガスを燃焼して
    その燃焼熱により原燃料ガスを水素ガスに改質するもの
    であり、 第一のバイパス回路は燃料電池群の低出力運転時に一部
    の燃料電池直列ユニットが異常信号を発したときに燃料
    改質器からの燃料の一部を流量制御弁を介して前記燃料
    ガスの排出回路にバイパスするものであり、 酸化剤ガス供給装置は前記燃料電池群に酸化剤ガスを供
    給するものであり、 第二のバイパス回路は燃料電池群の低出力運転時に一部
    の燃料電池直列ユニットが異常信号を発したときに前記
    酸化剤ガス供給装置からの酸化剤ガスの一部を流量制御
    弁を介して前記酸化剤ガスの排出回路にバイパスするも
    のであり、 燃料排ガス希釈回路は前記バイパス回路の燃料ガスが合
    流した燃料排ガス中の燃料ガスを不活性ガスで希釈して
    燃料改質器に供給するものであり、 直流遮断器はインバータおよび前記燃料電池直列ユニッ
    トと電気的に直列に接続されるもので、一部の燃料電池
    直列ユニットが異常信号を発したときに異常な燃料電池
    直列ユニットに対してその電気系統を遮断するものであ
    り、 インバータは燃料電池の直流出力を交流出力に変換する
    ものであることを特徴とする燃料電池発電装置。
  2. 【請求項２】請求項１記載の燃料電池発電装置におい
    て、酸化剤ガス供給装置は空気ブロアであることを特徴
    とする燃料電池発電装置。
  3. 【請求項３】請求項１記載の燃料電池発電装置におい
    て、酸化剤ガス供給装置はコンプレッサであることを特
    徴とする燃料電池発電装置。
  4. 【請求項４】請求項１記載の燃料電池発電装置におい
    て、不活性ガスは窒素ガスであることを特徴とする燃料
    電池発電装置。
  5. 【請求項５】第一の工程と、第二の工程と、第三の工程
    とを有し、 第一の工程は複数の燃料電池直列ユニットが並列に接続
    された燃料電池群の一部の燃料電池直列ユニットが異常
    信号を発したときに、直流遮断器を操作して異常な燃料
    電池直列ユニットの電気系統を遮断し且つ異常な燃料電
    池直列ユニットに対する燃料ガスと酸化剤ガスのガス系
    統を遮断する工程であり、 第二の工程は一部の燃料電池直列ユニットが異常信号を
    発したときに燃料電池群の出力の大小を判断して燃料電
    池群が低出力で運転しているときには燃料改質器からの
    燃料の一部を流量制御弁を介して燃料電池群の燃料ガス
    排出回路にバイパスする工程であり、 第三の工程は一部の燃料電池直列ユニットが異常信号を
    発したときに燃料電池群の出力の大小を判断して燃料電
    池群が低出力で運転しているときには酸化剤ガス供給装
    置からの酸化剤ガスの一部を流量制御弁を介して燃料電
    池群の酸化剤ガス排出回路にバイパスするものであるこ
    とを特徴とする燃料電池発電装置の制御方法。
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