JPH07130388A - 燃料電池発電プラント - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】蒸気発生装置１１は電池冷却水循環系統の電池
冷却水と熱利用設備で利用され回収された水と熱交換し
て蒸気を発生させる。電池冷却水導入系統は電池冷却水
循環系統に接続すると共に、電池冷却水を蒸気発生装置
１１へ導入し、電池冷却水循環系統の下流側に接続し、
バイパス系統は電池冷却水導入系統をバイパスする。制
御装置２８は、燃料電池本体１の温度変動を抑制するよ
うに三方弁２７を制御して電池冷却水導入系統とバイパ
ス系統とのそれぞれの流量を増減する。 【効果】燃料電池本体の急激な温度変動を抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池本体と電池冷
却水循環系統と熱利用系統とを備えて構成される燃料電
池発電プラントに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、実用化が進んでいる燃料電池発電
プラントは、水素等の燃料の有しているエネルギーを燃
料電池本体内で生じる電気化学反応により直接電気エネ
ルギーに変換するため、高い変換効率で電気エネルギー
を取り出すことができる利点を有している。

【０００３】さらに、燃料電池発電プラントは、上記電
気エネルギーだけでなく熱エネルギーも供給することが
可能である。この熱エネルギーは、通常プラント内に設
置した、例えば、蒸気発生器や熱交換器などの熱エネル
ギー回収装置によって蒸気や温水といった形で回収する
ことが多く、冷暖房などに利用される。

【０００４】図１２は、従来の燃料電池発電プラントの
電池冷却水循環系統と熱利用系統の一例を示すものであ
る。

【０００５】この燃料電池発電プラントは、化学反応に
より電流を発生させる燃料電池本体１と、この燃料電池
本体１を冷却する冷却管１ｃと燃料極１ａと酸化剤極１
ｂとを備え、燃料極１ａにはメタンガスやメチルアルコ
ール等から生成された水素等の燃料が燃料極入口配管２
を通じて供給され、酸化剤極１ｂには酸化剤極入口配管
３を通じて酸素や空気等の酸化剤が供給される。燃料と
酸化剤とは燃料電池本体１の中で反応した後、それぞれ
排燃料、排酸化剤となり燃料極出口配管４、酸化剤極出
口配管５を通じて排出される。

【０００６】また、冷却管１ｃには、循環ポンプ６によ
り冷却水入口配管７を通じて電池冷却水が供給され、燃
料電池からの排電池冷却水は冷却水出口配管８を通じて
気水分離器９に送られる。気水分離器９で分離された蒸
気は、燃料電池発電プラントの燃料改質系１０へ送られ
る。

【０００７】気水分離器９で分離された水ａは、循環ポ
ンプ６によって送出され、遮断弁１２ａと遮断弁１２ｂ
との動作に基づいて熱水ｂが蒸気発生器１１へ供給され
る。蒸気発生器１１では、電池冷却水の熱と水回収源１
５からの水と熱交換して蒸気を発生させ蒸気利用設備１
４へ供給し、水回収源１５から回収する。

【０００８】ところで、熱エネルギー回収装置である蒸
気発生器１１と、電池冷却水循環系統との結合、分離は
以下のように行われる。

【０００９】まず、制御装置１３は、プラント出力とし
て電気出力のみが要求されている状態（以下、非蒸気モ
ードと称する）のとき、遮断弁１２ａを閉とすると共
に、遮断弁１２ｂを開とし、蒸気発生器１１へ電池冷却
水を流入させないようにする（蒸気発生器１１との分
離）。

【００１０】また、制御装置１３は、電気出力と共に、
蒸気としての熱エネルギー出力が要求されると（以下、
蒸気モードと称する）、遮断弁１２ａを開とすると共
に、遮断弁１２ｂを閉とし、蒸気発生器１１へ熱水ｂを
導入し蒸気を発生させる（蒸気発生器１１との結合）。

【００１１】一方、熱エネルギー回収装置では蒸気利用
設備１４の利用条件に合った温度または圧力の蒸気の供
給が要求されている。

【００１２】図１３は、この種の要求に答える制御装置
を備える燃料電池発電プラントの構成図である。

【００１３】図中、制御装置１６は、例えば、図１４に
示すように、蒸気発生器１１の温度を温度検出器１７を
用いて検出し、これをプラントの負荷によらず制御弁１
８を用いて一定に制御している。

【００１４】すなわち、制御装置１６は、温度検出器１
７の検出信号を加算器１６ａへ入力して、設定器１６ｂ
からの設定信号との偏差信号を加算器１６ａで求め、こ
の偏差信号に応じて比例積分器１６ｃが演算処理をして
得られる制御信号を制御弁１８へ出力している。

【００１５】なお、１９は蒸気利用設備１４で利用され
た水を回収する回収ポンプを示し、制御装置１６は温度
制御をする代わりに蒸気発生器１１の圧力を検出して圧
力制御としてもよい。

【００１６】一方、電池冷却水の温度は、燃料電池本体
１からの要求によって決められるため蒸気発生器１１の
出口側の電池冷却水の温度とは一致せず、特に、燃料電
池の発熱の少ない低負荷ほど差は大きくなる。このた
め、制御装置２０は、気水分離器９に配置される温度検
出器２１の検出信号に応じて制御弁２３ａ，２３ｂを開
閉させる。この結果、蒸気発生器１１へ流入する電池冷
却水の流量調整がされる。さらに、制御装置２０は、温
度検出器２１の検出信号に応じて冷却水入口配管７上に
設けられプラント冷却系２２と熱交換する熱交換器２４
および制御弁２５ａ，２５ｂを開閉して流量調整とを行
っている。このようにして気水分離器９内を所定の温度
または圧力に維持するようにしている。

【００１７】また、蒸気利用設備１４等の都合によりプ
ラント運転中であっても蒸気を必要としない場合があ
る。このような場合、制御弁１８を閉じて蒸気流量を遮
断すると共に、制御弁２３ａを閉じて蒸気発生器１１へ
の電池冷却水の流入を遮断して対応し、気水分離器９内
の温度または圧力維持は、熱交換器２４および制御弁２
５ａ，２５ｂの開閉のみで行われる。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の燃料電池発電プラントでは、蒸気利用設備１４
の利用状態に応じて電池冷却水の温度が急激に変動して
燃料電池本体１の温度が急激に大きく変動する恐れがあ
るという問題がある。

【００１９】まず、図１２に示す燃料電池発電プラント
では、非発電（停止）状態で、燃料電池本体１の電解質
の凍結防止のために、例えば、電池冷却水が５０℃程度
の温度に保持している状態と、燃料電池本体１が発電状
態で電池冷却水によって、例えば、１５０℃〜２００℃
程度に冷却されている状態がある。

【００２０】これに対して、蒸気発生器１１は、電池冷
却水循環系統から分離しているときは、大気温度に近い
か、あるいは電池冷却水循環系統よりも低温にて推移し
ていることが多い。

【００２１】この状態で、電池冷却水循環系統と蒸気発
生器１１とを結合させると、電池冷却水循環系統と蒸気
発生器１１との温度偏差によって燃料電池本体１の温度
が急激に大きな変動を生じる。特に、燃料電池本体１が
停止状態にあるときに、電解質凍結防止温度よりも下回
る危険性がある。また、燃料電池本体１が発電状態にあ
るときに、温度偏差が大きいために急激な温度低下が生
じる危険性があり、燃料電池本体１の損傷や性能および
寿命劣化につながる恐れがあった。

【００２２】同様に、電池冷却水循環系統と蒸気発生器
１１とを分離すると、蒸気発生器１１を通った低温の冷
却水が燃料電池本体１へ流入しなくなるために燃料電池
本体１の温度が急激に上昇し、燃料電池本体１の損傷や
性能および寿命劣化につながる恐れがあった。特に、こ
の現象は、蒸気発生器１１が低温にて運転され、電池冷
却水循環系統の温度偏差が大きいときに顕著に現れる。

【００２３】また、図１３に示す燃料電池発電プラント
では、蒸気発生器１１からの蒸気利用設備１４へ蒸気の
供給の有無やプラントの負荷に応じて、蒸気発生器１１
へ流入する電池冷却水流量が変わるため、蒸気発生器１
１の制御弁２３ａ，２３ｂと熱交換器２４の制御弁２５
ａ，２５ｂとの間の遅れや制御干渉等により、このとき
電池冷却水の温度が急激な変動をするといった問題があ
った。

【００２４】このため、図１２に示す燃料電池発電プラ
ントと同様に燃料電池本体１の温度が急激に上昇または
降下して燃料電池本体１の損傷や性能および寿命劣化に
つながる恐れがあった。

【００２５】そこで、本発明は、蒸気利用設備の利用状
態やプラントの状態の如何にかかわらず電池冷却水の急
激な温度変動を低減させる燃料電池発電プラントを提供
することを目的とする。

【００２６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、燃料
電池本体と、この燃料電池本体内の冷却管に接続する冷
却水入口配管へ電池冷却水を供給して冷却水出口配管か
ら取り出した前記電池冷却水を蒸気と水とに分離する気
水分離器へ供給し、この気水分離器から分離した水を前
記冷却水入口配管へ戻す電池冷却水循環系統と、この電
池冷却水循環系統の余剰エネルギーを利用する熱利用設
備へ供給する熱利用系統とを備える燃料電池発電装置に
おいて、前記電池冷却水循環系統の電池冷却水と前記熱
利用設備で利用され回収された水と熱交換して蒸気を発
生させる構成の蒸気発生器と、前記気水分離器と前記冷
却管との間の前記電池冷却水循環系統の上流側から前記
電池冷却水を前記蒸気発生器へ導入し、前記電池冷却水
循環系統の下流側に流出させる電池冷却水導入系統と、
この電池冷却水導入系統をバイパスするバイパス系統
と、前記電池冷却水導入系統と前記バイパス系統とのそ
れぞれの流量を増減する制御弁とを設けるようにしたも
のである。

【００２７】請求項２の発明は、請求項１記載の発明に
電池冷却水の温度に基づいて制御弁を制御する手段を付
加するようにしたものである。

【００２８】請求項３の発明は、請求項１記載の発明に
プラントの運転状態と前記電池冷却水とに基づいて制御
弁を制御する手段を付加するようにしたものである。

【００２９】請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３
記載の制御弁において、第１制御弁を電池冷却水導入系
統に配置し、第２制御弁をバイパス系統に配置するよう
にしたものである。

【００３０】請求項５の発明は、燃料電池本体と、この
燃料電池本体内の冷却管に接続する冷却水入口配管へ電
池冷却水を供給して冷却水出口配管から取り出した電池
冷却水を蒸気と水とに分離する気水分離器へ供給し、こ
の気水分離器から分離した水を冷却水入口配管へ戻す電
池冷却水循環系統と、この電池冷却水循環系統の余剰エ
ネルギーを利用する熱利用設備へ供給する熱利用系統と
を備える燃料電池発電装置において、電池冷却水循環系
統の電池冷却水と熱利用設備で利用され回収された水と
熱交換して蒸気を発生させる構成の蒸気発生器と、この
蒸気発生器によって発生した蒸気を第１遮断弁を介して
熱利用設備へ供給し利用された水を回収して蒸気発生器
へ供給する循環系統と、この循環系統の第１遮断弁の上
流側をバイパスし、第２遮断弁と蒸気凝縮器とを配置し
たバイパス系統と、熱利用設備が非利用のとき、第１遮
断弁を閉とすると共に、第２遮断弁を開として循環系統
へ流入する蒸気をバイパス系統へ導いて蒸気凝縮器によ
って凝縮とさせる手段とを設けるようにしたものであ
る。

【００３１】請求項６の発明は、請求項５記載の発明に
蒸気発生器の蒸気の温度または圧力に応じて循環系統ま
たはバイパス系統の蒸気流量を制御する手段と、気水分
離器の温度または圧力に応じて燃料電池の入口側の電池
冷却水循環系統に配置される熱交換器の流量を制御する
手段とを付加するようにしたものである。

【００３２】請求項７の発明は、燃料電池本体と、この
燃料電池本体内の冷却管に接続する冷却水入口配管へ電
池冷却水を供給して冷却水出口配管から取り出した電池
冷却水を蒸気と水とに分離する気水分離器へ供給し、こ
の気水分離器から分離した水を冷却水入口配管へ戻す電
池冷却水循環系統と、この電池冷却水循環系統の余剰エ
ネルギーを利用する熱利用設備へ供給する熱利用系統と
を備える燃料電池発電装置において、電池冷却水循環系
統の電池冷却水と熱利用設備で利用され回収された水と
熱交換して蒸気を発生させる構成の蒸気発生器と、この
蒸気発生器によって発生した蒸気を熱利用設備へ供給し
利用された水を回収して蒸気発生器へ供給する循環系統
と、燃料電池の運転状態と蒸気発生器の蒸気の温度また
は圧力とに基づいて循環系統の蒸気流量を制御する手段
とを設けるようにしたものである。

【００３３】

【作用】請求項１の発明は、制御弁の開度が制御され、
電池冷却水導入系統とバイパス系統とのそれぞれの流量
が増減される。従って、燃料電池本体の急激な温度変動
が許容量以内に収まる電池冷却水の温度となるために燃
料電池本体の損傷および性能、寿命劣化を防止すること
ができる。

【００３４】請求項２の発明は、電池冷却水の温度に基
づいて制御する手段が制御弁の開度を制御して電池冷却
水導入系統とバイパス系統とのそれぞれの流量を増減す
る。従って、蒸気発生器の利用または非利用の際の電池
冷却水導入系統とバイパス系統とのそれぞれの流量の変
動に対しても燃料電池本体の急激な温度変動を抑制する
電池冷却水の温度となるために燃料電池本体の損傷およ
び性能、寿命劣化を防止することができる。

【００３５】請求項３の発明は、プラントの運転状態と
電池冷却水の温度とに基づいて制御する手段が制御弁を
制御するためにプラント運転状態に応じた燃料電池本体
と電池冷却水循環系統の温度とすることができる。従っ
て、プラント運転状態の急激な変動にも対応して安定し
た電池冷却水の温度とすることができ、燃料電池本体の
急激な温度変動を抑制して燃料電池本体の損傷および性
能、寿命劣化を防止することができる。

【００３６】請求項５の発明は、熱利用設備が非利用の
とき、第１遮断弁を閉とすると共に、第２遮断弁を開と
して循環系統へ流入する蒸気をバイパス系統へ導いて蒸
気凝縮器によって凝縮とさせることができる。従って、
蒸気利用系への蒸気供給が停止されても、蒸気発生器の
温度圧力が急激に変動せず、しかも、気水分離器の温度
圧力も制御装置によって所定値に維持されるため電池冷
却水の温度変動が抑制され、燃料電池本体の温度変動を
抑制して燃料電池本体の損傷および性能、寿命劣化を防
止することができる。

【００３７】請求項７の発明は、蒸気利用設備への蒸気
供給がない場合でも、蒸気発生器を通過する電池冷却水
の流量を変えることなく蒸気発生器内の温度圧力を蒸気
供給中と同様に維持することができ、蒸気発生器の温度
または圧力の設定信号を負荷または負荷指令または電流
に応じて変化させることにより、蒸気発生器を通過する
電池冷却水の流量を変えることなく燃料電池冷却水循環
系統の電池冷却水の温度をプラント負荷に応じた望まし
い温度に維持することができる。従って、蒸気供給の中
断や開始、負荷変化による電池冷却水の温度変動を従来
より著しく低減でき、安定することができる。

【００３８】

【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。

【００３９】図１は、本発明の第１実施例を示す燃料電
池発電プラントの構成図である。図１２に示す従来例と
同一符号は、同一部分および相当部分を示し、両図の異
なる主な点は、図１２の遮断弁１２ａと遮断弁１２ｂの
代わりに三方弁２７を設け、制御装置１３の構成を異に
して制御装置２８を設けたことである。

【００４０】制御装置２８は、図２に示すように、蒸気
モード信号または非蒸気モード信号を入力して開度指令
信号ｄを出力する設定器２８ａとこの設定器２８ａから
の開度指令信号ｄを予め設定された変化率で制限した後
の開度指令信号ｅを出力する変化率リミッタ２８ｂとか
ら構成される。

【００４１】以上の構成で、蒸気モードが要求される
と、制御装置２８へ蒸気モード信号が入力される。制御
装置２８の設定器２８ａでは、例えば、０％の開度指令
信号ｄが出力される。開度指令信号ｄは変化率リミッタ
２８ｂに入力され所定の変化率で制限された開度指令信
号ｅが三方弁２７へ出力される。この場合に、開度指令
信号ｅは、例えば、定常状態の１００％から０％へ向か
って徐々に減少する。

【００４２】三方弁２７は、図示ＣからＡ方向へ流れる
流量（以下Ｃ流量という）と図示ＢからＡ方向へ流れる
（以下Ｂ流量という）との合計が一定値、例えば、１０
０％となるように開度指令信号ｅに応じて開度が増減す
るようになっている。

【００４３】例えば、今、非蒸気モードで開度指令信号
ｅが１００％とすると、三方弁２７のＢ流量が０％で、
Ｃ流量が１００％となっている。この状態で蒸気モード
となって開度指令信号ｅが１００％から０％減少する
と、Ｂ流量が０％から１００％へ向かって徐々に増加す
るのに対してＣ流量が１００％から０％へ減少する。

【００４４】この場合、最終的に三方弁２７はＣーＡ方
向閉、ＢーＡ方向開となり、電池冷却水ａの全てが蒸気
発生器１１へ導入される（電池冷却水ａ＝蒸気発生器へ
の流入冷却水ｂ）ように開度指令信号ｄが与えられる。
このとき、燃料電池本体１の温度の変動が許容量以内に
収まるように予め設定した変化率リミッタ２８ｂにより
制限された後の開度指令信号ｅが三方弁２７に開指令を
与える。これによって、三方弁２７のＢーＡ方向が開度
を増加させ燃料電池本体１の温度の変動を抑制しながら
開度指令信号ｄに近づく。

【００４５】また、蒸気モードのとき、逆に非蒸気モー
ドが要求されると、制御装置２８は三方弁２７に対して
電池冷却水ａの全てが蒸気発生器１１をバイパスされる
（電池冷却水ａ＝蒸気発生器バイパス冷却水ｃ）ように
開度指令信号ｄが与えられ、前記同様に変化率リミッタ
２８ｂを介して三方弁２７に変化率リミッタ後の開度指
令信号ｅが与えられる。

【００４６】例えば、制御装置２８の設定器２８ａで
は、１００％の開度指令信号ｄが出力され開度指令信号
ｄは、変化率リミッタ２８ｂによって所定の変化率で制
限され開度指令信号ｅが三方弁２７へ出力される。従っ
て、開度指令信号ｅは、定常状態の０％から１００％へ
徐々に増加する。三方弁２７では、開度指令信号ｅに応
じてＢ流量が１００％から０％へ徐々に減少し、これに
対応してＣ流量が０％から１００％へ徐々に増加する。

【００４７】このように、本実施例では、蒸気発生器１
１の結合および分離時の蒸気発生器への流入冷却水ｂと
蒸気発生器バイパス冷却水ｃの流量を燃料電池本体温度
の変動が許容量以内に収まるような変化率リミッタを付
加することで三方弁２７の開度動作速度を抑えて調節す
るため、蒸気発生器１１の結合および分離に伴う燃料電
池本体１の損傷および性能、寿命劣化を防止することが
できる。

【００４８】なお、本実施例において三方弁２７の代わ
りに、蒸気発生器１１の蒸気発生器への流入冷却水ｂラ
インおよび蒸気発生器バイパス冷却水ｃラインに遮断弁
または調節弁とを設ける構成でも同様に実施でき、遮断
弁を閉じる場合にはそれぞれのラインに用いる遮断弁の
動作開始時点を異なるようにする。

【００４９】また、熱エネルギー回収装置である蒸気発
生器１１は、電池冷却水循環系統のどの場所にあっても
良い。

【００５０】図３は、本発明の第２実施例を示す燃料電
池発電プラントの構成図で、従来例を示す図１２と同一
符号は、同一部分および相当部分を示し、両図が異なる
主な点は、遮断弁１２ａ，１２ｂの代わりに三方弁２７
を設けると共に、冷却水入口配管７に温度検出器２９を
設け、制御装置１３の構成を異にして制御装置３０とし
たことである。

【００５１】ここで、制御装置３０は、図４に示すよう
に、温度検出器２９の燃料電池本体入口温度検出信号ｆ
を入力して燃料電池本体入口温度変化速度ｇを出力する
変化速度検出器３０ａと、燃料電池本体入口温度変化速
度ｇと燃料電池本体入口温度変化速度基準信号ｈとの変
化速度偏差信号ｉを出力する加減算器３０ｂと、変化速
度偏差信号ｉを所定の演算をして開度指令補正信号ｊを
出力する調節器３０ｃと、開度指令信号ｋを所定変化率
で制限して開度指令信号ｋ１を出力する変化率リミッタ
３０ｅと、開度指令信号ｋ１と開度指令補正信号ｊとを
加算して補正後の開度指令信号ｌを三方弁２７へ出力す
る加算器３０ｄから構成されている。

【００５２】まず、燃料電池本体および電池冷却水循環
系統の代表状態量として、例えば、燃料電池本体入口温
度が温度検出器２９により検出され、制御装置３０内の
変化速度検出器３０ａは燃料電池本体入口温度検出信号
ｆより燃料電池本体入口温度変化速度ｇを算出する。

【００５３】ここで、蒸気モードが要求されると、最終
的に三方弁２７には電池冷却水ａを全て蒸気発生器１１
へ導入する（冷却水ａ＝蒸気発生器への流入冷却水ｂ）
ように開度指令信号ｋが与えられる。制御装置３０の調
節器３０ｃでは、燃料電池本体入口温度変化速度ｇと予
め設定された燃料電池本体入口温度変化速度基準信号ｈ
とを比較し、その変化速度偏差信号ｉに基づき演算され
た開度指令補正信号ｊが出力される。

【００５４】制御装置３０の変化率リミッタ３０ｅで
は、開度指令信号ｋが入力され、所定の変化率で制限さ
れた開度指令信号ｋ１が出力される。そして、この開度
指令信号ｋ１と開度指令補正信号ｊとが加算器３０ｄに
よって加算されて補正後の開度指令信号ｌとして三方弁
２７へ出力される。

【００５５】例えば、非蒸気モードから蒸気モードへ移
行すると、開度指令信号ｋが１００％から０％へ変化し
て変化率リミッタ３０ｅへ入力され開度指令信号ｋ１が
１００％から０％へ徐々に減少する。そして、補正後の
開度指令信号ｌが三方弁２７へ出力されＢ流量が１００
％方向へ移行しＣ流量が０％方向へ徐々に移行する。

【００５６】この状態に移行するとき、燃料電池本体入
口温度変化速度ｇが燃料電池本体入口温度変化速度基準
信号ｈを上回った際には、三方弁２７の過度変化をホー
ルドさせるように開度指令補正信号ｊが与えられ、燃料
電池本体入口温度の変動（低下）を抑制させる。

【００５７】例えば、補正後の開度指令信号ｌが７０％
でＢ流量３０％、Ｃ流量７０％のとき燃料電池本体１の
入口温度が急に低下して燃料電池本体入口温度変化速度
ｇが増加する。この場合に、例えば、燃料電池本体入口
温度変化速度基準信号ｈは、＋側と−側に所定巾の基準
値が設定されており、燃料電池本体入口温度変化速度ｇ
が燃料電池本体入口温度変化速度基準信号ｈの−側の所
定巾の基準値を越えるために変化速度偏差信号ｉが＋符
号となり、開度指令補正信号ｊが開度指令信号ｌを増加
させる。この結果、補正後の開度指令信号ｌが８０％と
なると、Ｂ流量を３０％から２０％へ減少させると共
に、Ｃ流量７０％から８０％として蒸気発生器バイパス
冷却水ｃの供給量が若干増加して燃料電池本体１の入口
温度の急激な低下を防ぐ。

【００５８】また、逆に非蒸気モードが要求されると、
最終的に三方弁２７には電池冷却水ａの全てが蒸気発生
器１１をバイパスさせる（電池冷却水ａ＝蒸気発生器バ
イパス冷却水ｃ）ように開度指令信号ｋが与えられる。

【００５９】制御装置３０の調節器３０ｃでは、燃料電
池本体入口温度変化速度ｇと予め設定した燃料電池本体
入口温度変化速度基準信号ｈを比較し、その変化速度偏
差信号ｉに基づき演算して開度指令補正信号ｊを出力す
る。

【００６０】制御装置３０の変化率リミッタ３０ｅで
は、開度指令信号ｋが入力され所定の変化率で制限され
た開度指令信号ｋ１が出力され、この開度指令信号ｋと
開度指令補正信号ｊが、加算器３０ｄによって加算され
て補正後の開度指令信号ｌとして三方弁２７へ出力され
る。

【００６１】ここで、燃料電池本体入口温度変化速度ｇ
が燃料電池本体入口温度変化速度基準信号ｈを上回った
際には、三方弁２７の過度変化をホールドさせるように
開度指令補正信号ｊを発生し、燃料電池本体入口温度の
変動（上昇）を抑制させる。

【００６２】例えば、補正後の開度指令信号ｌが３０％
で、三方弁２７のＢ流量７０％、Ｃ流量３０％のとき、
燃料電池本体１の入口温度が急上昇すると、燃料電池本
体入口温度変化速度ｇが増加する。この場合に、例え
ば、燃料電池本体入口温度変化速度基準信号ｈは、＋側
と−側に所定巾の基準値が設定されており、燃料電池本
体入口温度変化速度ｇが燃料電池本体入口温度変化速度
基準信号ｈの＋側の所定巾の基準値を越えるために変化
速度偏差信号ｉが−符号となり、開度指令補正信号ｊが
開度指令信号ｌを減少させる。この結果、例えば、補正
後の開度指令信号ｌが２０％となると、Ｃ流量が２０
％、Ｂ流量が８０％となるように変化して蒸気発生器へ
の流入冷却水ｂが増加して燃料電池本体１の入口温度の
上昇を防ぐ。

【００６３】このように本実施例では、蒸気発生器１１
の結合および分離時の蒸気発生器への流入冷却水ｂと蒸
気発生器バイパス冷却水ｃの流量を燃料電池本体入口温
度の変化速度に基づき調節するため、蒸気発生器１１の
結合および分離に伴う電池冷却水の温度の急激な変動を
抑制して燃料電池本体１の損傷および性能、寿命劣化を
防止することができる。

【００６４】なお、本実施例において三方弁２７の代わ
りに、蒸気発生器１１の蒸気発生器への流入冷却水ｂラ
インおよび蒸気発生器バイパス冷却水ｃラインに遮断弁
または調節弁とを設ける構成でも同様に実施でき、遮断
弁を閉じる場合にはそれぞれのラインに用いる遮断弁の
動作開始時点を異なるようにする。

【００６５】また、熱エネルギー回収装置である蒸気発
生器１１は、電池冷却水循環系統のどの場所にあっても
良い。

【００６６】さらに、本実施例では燃料電池本体および
燃料電池本体冷却システムの代表状態量として燃料電池
本体入口温度を用いたが、この他に燃料電池本体１内部
温度、燃料電池本体出口温度、気水分離器内の温度、気
水分離器内の圧力などの状態量を用いることが可能であ
る。

【００６７】次に、本発明の第３実施例を図５を参照し
て説明する。

【００６８】図１および図３、図１２と同一符号は、同
一部分および相当部分を示し、図５が図３と異なる点
は、制御装置３０の構成を異にして制御装置３１とした
ことである。

【００６９】制御装置３１は、図６に示す如く、温度検
出器２９の燃料電池本体入口温度検出信号ｆを入力して
燃料電池本体入口温度変化速度ｇを出力する変化速度検
出器３１ａと、燃料電池本体入口温度変化速度ｇと燃料
電池本体入口温度変化速度基準信号ｈとの変化速度偏差
信号ｉを出力する加減算器３１ｂと、変化速度偏差信号
ｉを所定の演算をして開度指令補正信号ｊを出力する調
節器３１ｃと、燃料電池本体入口温度基準信号ｍと燃料
電池本体入口温度検出信号ｆとを加減算して温度偏差ｎ
を出力する加減算器３１ｄと、温度偏差ｎについて所定
の演算を施して開度指令補正信号ｏを出力する調節器３
１ｅと、開度指令信号ｋを入力して所定の変化率で制限
される開度指令信号ｋ１を出力する変化率リミッタ３１
ｇと開度指令信号ｋ１と開度指令補正信号ｏと開度指令
補正信号ｊとを加算して補正後の開度指令信号ｌを三方
弁２７へ出力する加算器３１ｆから構成されている。

【００７０】第３実施例の作用は、第２実施例の作用に
加え、蒸気発生器１１へ結合するときに、燃料電池本体
入口温度検出信号ｆが燃料電池本体入口温度基準信号ｍ
を下回る恐れのあるときに、三方弁２７への補正後の開
度指令信号ｌをホールドあるいは蒸気発生器バイパス冷
却水ｃを増加させるように作用する。

【００７１】例えば、蒸気モードへ移行するとき、補正
後の開度指令信号ｌが１００％から０％へ徐々に増加し
て行くが、このときに、燃料電池本体入口温度検出信号
ｆが燃料電池本体入口温度基準信号ｍより小さくなった
場合、開度指令補正信号ｏが＋符号となり、補正後の開
度指令信号ｌを増加させる方向となって流量Ｂを減少さ
せ、流量Ｃを若干増加させて、燃料電池本体１の入口温
度の低下を防止する。

【００７２】また、蒸気発生器１１の分離するときに、
燃料電池本体入口温度検出信号ｆが燃料電池本体入口温
度基準信号ｍを上回る恐れのあるときに、三方弁２７へ
の補正後の開度指令信号ｌをホールドあるいは蒸気発生
器への流入冷却水ｂを増加させるように作用する。

【００７３】例えば、非蒸気モードへ移行するとき、補
正後の開度指令信号ｌが０％から１００％へ徐々に増加
して行くが、この過程で、燃料電池本体入口温度検出信
号ｆが燃料電池本体入口温度基準信号ｍより大きくなっ
た場合、開度指令補正信号ｏが−符号となり、補正後の
開度指令信号ｌを減少させ、流量Ｂを増加させ、流量Ｃ
を減少させて、燃料電池本体１の入口温度の上昇を防止
する。

【００７４】このように第３実施例では、蒸気発生器１
１の結合および分離時の蒸気発生器への流入冷却水ｂと
蒸気発生器バイパス冷却水ｃの流量を燃料電池本体入口
温度の変化速度および燃料電池本体入口温度の絶対値に
基づき調節するため、蒸気発生器１１の結合および分離
に伴う燃料電池本体の損傷および性能、寿命劣化を防止
することができる。

【００７５】なお、本実施例において三方弁２７の代わ
りに、蒸気発生器１１の蒸気発生器への流入冷却水ｂラ
インおよび蒸気発生器バイパス冷却水ｃラインに遮断弁
または調節弁とを設ける構成でも同様に実施でき、遮断
弁を閉じる場合にはそれぞれのラインに用いる遮断弁の
動作開始時点を異なるようにする。

【００７６】また、熱エネルギー回収装置である蒸気発
生器１１は、電池冷却水循環系統のどの場所にあっても
良い。

【００７７】また、本実施例では燃料電池本体および燃
料電池本体冷却システムの代表状態量として燃料電池本
体入口温度を用いたが、この他に燃料電池本体内部温
度、燃料電池本体の出口温度、気水分離器内の温度、気
水分離器内の圧力などの状態量を用いることが可能であ
る。

【００７８】図７は、本発明の第４実施例を示す構成図
である。図１および図３、図５、図１２と同一符号は、
同一部分および相当部分を示し、図７が図５と異なる点
は、制御装置３１の構成を異にして制御装置３２とした
ことである。

【００７９】制御装置３２は、図８に示す如く、温度検
出器２９からの燃料電池本体入口温度検出信号ｆと燃料
電池本体入口温度設定信号ｐとを加減算して温度偏差ｎ
を出力する加減算器３２ａと温度偏差ｎについて所定の
演算をして開度指令ｒを出力する調節器３２ｂとから構
成される。

【００８０】まず、蒸気モードにて運転されていると
き、燃料電池発電プラントの負荷出力要求が変化する
と、燃料電池本体入口温度設定信号ｐが負荷出力要求に
応じた設定値に変化させる。このとき、制御装置３２で
は、燃料電池本体入口温度検出信号ｆと燃料電池本体入
口温度設定信号ｐとの温度偏差ｎを小さくするように調
節器が開度指令ｒを出力する。

【００８１】詳細には、燃料電池本体入口温度設定信号
ｐが上昇すれば、蒸気発生器バイパス冷却水ｃを増加す
る方向へ、燃料電池本体入口温度設定信号ｐが低下すれ
ば、蒸気発生器バイパス冷却水ｃが減少する方向に作用
する。

【００８２】例えば、蒸気モードで運転され、開度指令
が０％となっていると、三方弁２７のＢ流量が１００
％、Ｃ流量が０％となる。この状態でプラントの運転状
態が変化して対応して燃料電池本体入口温度設定信号ｐ
が上昇したとすると、＋符号の温度偏差ｎが調節器３２
ｂへ入力して開度指令ｒを増加させる。これに伴い、三
方弁２７のＢ流量が減少し、Ｃ流量が増加して蒸気発生
器バイパス冷却水ｃが増加するため燃料電池本体入口温
度検出信号ｆが燃料電池本体入口温度設定信号ｐに追従
する。

【００８３】このように本実施例では、蒸気モードで運
転中の燃料電池本体および電池冷却水循環系統の代表状
態量を熱エネルギー回収装置に流入あるいは熱エネルギ
ー回収装置をバイパスする冷却水量を調節して制御する
ため、プラントの負荷出力要求などに伴う燃料電池本体
および電池冷却水循環系統の運転状態変化に対して迅速
に対応することが可能となる。

【００８４】図９は、本発明の第５実施例を示す燃料電
池発電プラントの構成図である。図９と従来例を示す図
１３と同一符号は、同一部分および相当部分を示し、両
者が異なる点は、蒸気発生器１１の配管に設けられる制
御弁２３ａと制御弁２３ｂを削除すると共に、蒸気利用
系統の制御弁１８の下流側に非蒸気モードのとき閉じる
遮断弁３３を追設すると共に、制御弁１８と遮断弁３３
との間の配管３４からバイパスする配管３５に非蒸気モ
ードのとき開く遮断弁３６を介して蒸気凝縮器３７を追
設し、蒸気凝縮器３７から水回収源１５へ接続するよう
にしたことである。

【００８５】以上の構成で、燃料電池本体１の反応熱が
内部に電池冷却水を通す冷却管１ｃにより冷却され、冷
却管１ｃには循環ポンプ６により冷却水入口配管７を経
て電池冷却水が供給される。また、燃料電池を通った排
冷却水は冷却水出口配管８を経て気水分離器９へ送られ
る。気水分離器９で分離された蒸気は、燃料改質系１０
へ送られ、分離された水は、蒸気発生器１１を通り、循
環ポンプ６へ戻される。

【００８６】蒸気発生器１１では、電池冷却水との熱交
換により蒸気を発生し、蒸気モードのとき、図１４に示
す制御装置１６が温度検出器１７からの検出信号と設定
器１６ｂからの設定信号とを入力した加算器１６ａが偏
差信号を比例積分器１６ｃへ出力して比例積分器１６ｃ
によって制御弁１８を開閉制御している。これによって
蒸気発生器１１の温度・圧力をプラントの負荷によらず
一定に制御しつつ蒸気利用設備１４へ蒸気が供給され
る。

【００８７】一方、気水分離器９の温度は、制御装置２
０が温度検出器２１の検出信号に応じて熱交換器２４と
制御弁２５ａ，２５ｂとを制御して、所定値に維持して
いる。従って、電池冷却水の温度は、蒸気モードのとき
安定に維持される。

【００８８】一方、蒸気利用系での蒸気利用の停止命令
を受けると、すなわち、非蒸気モードになると、まず、
遮断弁３３が閉じられ、遮断弁３６が開かれる。これに
よって蒸気発生器１１により発生した蒸気は、全て蒸気
凝縮器３７に送られる。蒸気凝縮器３７では、蒸気が凝
縮水となり、水回収源１５へ戻り回収ポンプ１９によっ
て再び蒸気発生器１１へ送られ循環する。このときに
も、蒸気発生器１１の温度・圧力は図１４に示す制御装
置１６によって維持することができるため、これによ
り、蒸気発生器１１内の温度・圧力を変えることなく蒸
気利用系への蒸気供給を停止できる。

【００８９】従って、蒸気利用系への蒸気供給が停止さ
れても、蒸気発生器１１の温度・圧力が変動せず、しか
も、気水分離器９の温度・圧力も制御装置２０によって
所定値に維持されるため電池冷却水の温度変動が抑制さ
れ安定する。

【００９０】図１０は、本発明の第６実施例を示す燃料
電池発電プラントの構成図である。図１０と従来例を示
す図１３と同一符号は、同一部分および相当部分を示
し、両者が異なる主な点は、図１０と関連する熱交換器
２４等を削除する一方、制御装置１６の構成を異にし制
御装置３８としたことである。

【００９１】制御装置３８は、図１１に示す如く、燃料
電池発電プラントの負荷信号、負荷指令信号、電流信号
のいずれかの信号を入力して予め設定された温度設定信
号を出力する設定器３８ａと温度設定信号と温度検出器
１７の温度検出信号とを加減算して偏差信号を出力する
加減算器３８ｂと、偏差信号を演算処理して得られる制
御信号を制御弁１８へ出力する調節器３８ｃとから構成
されている。

【００９２】制御装置３８の設定器３８ａでは、蒸気発
生器１１の温度設定信号をプラントの負荷または負荷指
令または電流に応じた出力としており、例えば、プラン
ト負荷信号が増大したとき温度設定信号を小さくして蒸
気発生器１１の二次側の温度を温度設定信号となるよう
に制御する。このように、蒸気発生器１１へ流入する電
池冷却水の流量を調整することなく、また、燃料電池冷
却水循環系統の入口側に熱交換器を設けることもなくプ
ラント負荷に応じて電池冷却水を望ましい温度に維持す
ることができる。

【００９３】本実施例によれば、蒸気利用設備への蒸気
供給がない場合でも、蒸気発生器を通過する電池冷却水
の流量を変えることなく蒸気発生器内の温度・圧力を蒸
気供給中と同様に維持することができる。

【００９４】また、蒸気発生器の温度または圧力の設定
信号を負荷または負荷指令または電流に応じて変化させ
ることにより、蒸気発生器を通過する電池冷却水の流量
を変えることなくプラント負荷に応じた望ましい温度に
維持することができる。

【００９５】従って、蒸気発生器から蒸気利用設備への
蒸気供給の有無や燃料電池発電プラントの負荷如何にか
かわらず、蒸気発生器を通過する燃料電池冷却水の流量
調整することなく電池冷却水の温度を望ましい温度に維
持することができるため、蒸気供給の中断や開始、負荷
変化による電池冷却水の温度変動を従来より著しく低減
でき、安定することができる。

【００９６】

【発明の効果】請求項１の発明は、燃料電池本体の急激
な温度変動を抑制するように制御弁の開度を制御して電
池冷却水導入系統とバイパス系統とのそれぞれの流量を
増減して燃料電池本体の温度変動を抑制し、燃料電池本
体の損傷および性能、寿命劣化を防止することができ
る。

【００９７】請求項２の発明は、電池冷却水の温度に基
づいて制御する手段が制御弁の開度を制御して電池冷却
水導入系統とバイパス系統とのそれぞれの流量を増減す
る。従って、蒸気発生器の利用または非利用の際の電池
冷却水導入系統とバイパス系統とのそれぞれの流量の変
動に対しても燃料電池本体の急激な温度変動を抑制し、
燃料電池本体の損傷および性能、寿命劣化を防止するこ
とができる。

【００９８】請求項３の発明は、プラントの運転状態と
電池冷却水の温度とに基づいて制御する手段が制御弁を
制御するためにプラント運転状態に応じた燃料電池本体
と電池冷却水循環系統の温度とすることができ、プラン
ト運転状態の急激な変動にも対応して燃料電池本体の温
度変動を抑制して燃料電池本体の損傷および性能、寿命
劣化を防止することができる。

【００９９】請求項５の発明は、熱利用設備が非利用の
とき、第１遮断弁を閉とすると共に、第２遮断弁を開と
して循環系統へ流入する蒸気をバイパス系統へ導いて蒸
気凝縮器によって凝縮とさせ、蒸気利用系への蒸気供給
が停止されても、蒸気発生器の温度圧力が変動せず、し
かも、気水分離器の温度圧力も制御装置によって所定値
に維持されるため電池冷却水の温度変動が抑制され、燃
料電池本体の温度変動を抑制して燃料電池本体の損傷お
よび性能、寿命劣化を防止することができる。

【０１００】請求項７の発明は、蒸気発生器の温度また
は圧力の設定信号を負荷または負荷指令または電流に応
じて変化させることにより、蒸気発生器を通過する電池
冷却水の流量を変えることなく燃料電池冷却水循環系統
の電池冷却水の温度をプラント負荷に応じた望ましい温
度に維持することができる。従って、蒸気供給の中断や
開始、負荷変化による電池冷却水の温度変動を従来より
著しく低減でき、安定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す燃料電池発電プラン
トの系統図である。

【図２】図１の制御装置を示す構成図である。

【図３】本発明の第２実施例を示す燃料電池発電プラン
トの系統図である。

【図４】図３の制御装置を示す構成図である。

【図５】本発明の第３実施例を示す燃料電池発電プラン
トの系統図である。

【図６】図５の制御装置を示す構成図である。

【図７】本発明の第４実施例を示す燃料電池発電プラン
トの系統図である。

【図８】図７の制御装置を示す構成図である。

【図９】本発明の第５実施例を示す燃料電池発電プラン
トの系統図である。

【図１０】本発明の第６実施例を示す燃料電池発電プラ
ントの系統図である。

【図１１】図１０の制御装置を示す構成図である。

【図１２】従来例を示す燃料電池発電プラントの系統図
である。

【図１３】他の従来例を示す燃料電池発電プラントの系
統図である。

【図１４】図１３の制御装置を示す構成図である。

【符号の説明】

１ 燃料電池本体 ６ 循環ポンプ ７ 冷却水入口配管 ８ 冷却水出口配管 ９ 気水分離器 １１ 蒸気発生器 １４ 蒸気利用設備 １５ 水回収源 ２７ 三方弁 ２８，３０，３１，３２，３８ 制御装置 ２９ 温度検出器 ３３ 遮断弁 ３４，３５ 配管 ３７ 蒸気凝縮器

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池本体と、この燃料電池本体内の
   冷却管に接続する冷却水入口配管へ電池冷却水を供給し
   て冷却水出口配管から取り出した前記電池冷却水を蒸気
   と水とに分離する気水分離器へ供給し、この気水分離器
   から分離した水を前記冷却水入口配管へ戻す電池冷却水
   循環系統と、この電池冷却水循環系統の余剰エネルギー
   を利用する熱利用設備へ供給する熱利用系統とを備える
   燃料電池発電装置において、 前記電池冷却水循環系統の電池冷却水と前記熱利用設備
   で利用され回収された水と熱交換して蒸気を発生させる
   構成の蒸気発生器と、 前記気水分離器と前記冷却管との間の前記電池冷却水循
   環系統の上流側から前記電池冷却水を前記蒸気発生器へ
   導入し、前記電池冷却水循環系統の下流側に流出させる
   電池冷却水導入系統と、 この電池冷却水導入系統をバイパスするバイパス系統
   と、 前記電池冷却水導入系統と前記バイパス系統とのそれぞ
   れの流量を増減する制御弁とを設けることを特徴とする
   燃料電池発電プラント。
2. 【請求項２】 前記電池冷却水の温度に基づいて前記制
   御弁を制御する手段を付加することを特徴とする請求項
   １記載の燃料電池発電プラント。
3. 【請求項３】 プラントの運転状態と前記電池冷却水の
   温度とに基づいて前記制御弁を制御する手段を付加する
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電プラン
   ト。
4. 【請求項４】 前記制御弁は、第１制御弁を電池冷却水
   導入系統に配置し、第２制御弁をバイパス系統に配置し
   たことを特徴とする請求項１乃至請求項３記載の燃料電
   池発電プラント。
5. 【請求項５】 燃料電池本体と、この燃料電池本体内の
   冷却管に接続する冷却水入口配管へ電池冷却水を供給し
   て冷却水出口配管から取り出した前記電池冷却水を蒸気
   と水とに分離する気水分離器へ供給し、この気水分離器
   から分離した水を前記冷却水入口配管へ戻す電池冷却水
   循環系統と、この電池冷却水循環系統の余剰エネルギー
   を利用する熱利用設備へ供給する熱利用系統とを備える
   燃料電池発電装置において、 前記電池冷却水循環系統の電池冷却水と前記熱利用設備
   で利用され回収された水と熱交換して蒸気を発生させる
   構成の蒸気発生器と、 この蒸気発生器によって発生した蒸気を第１遮断弁を介
   して前記熱利用設備へ供給し利用済みの水を回収して前
   記蒸気発生器へ供給する循環系統と、 この循環系統の前記第１遮断弁の上流側をバイパスし、
   第２遮断弁と蒸気凝縮器とを介して前記蒸気発生器へ接
   続するバイパス系統と、 前記熱利用設備が非利用のとき、前記第１遮断弁を閉と
   すると共に、前記第２遮断弁を開として前記循環系統へ
   流入する蒸気を前記バイパス系統へ導いて前記蒸気凝縮
   器によって凝縮させる手段とを設けることを特徴とする
   燃料電池発電プラント。
6. 【請求項６】 前記蒸気発生器の蒸気の温度または圧力
   に応じて前記循環系統または前記バイパス系統の蒸気流
   量を制御する手段と、前記気水分離器の温度または圧力
   に応じて前記燃料電池本体の入口側の前記電池冷却水循
   環系統に配置される熱交換器の流量を制御する手段とを
   付加したことを特徴とする請求項５記載の燃料電池発電
   プラント。
7. 【請求項７】 燃料電池本体と、この燃料電池本体内の
   冷却管に接続する冷却水入口配管へ電池冷却水を供給し
   て冷却水出口配管から取り出した前記電池冷却水を蒸気
   と水とに分離する気水分離器へ供給し、この気水分離器
   から分離した水を前記冷却水入口配管へ戻す電池冷却水
   循環系統と、この電池冷却水循環系統の余剰エネルギー
   を利用する熱利用設備へ供給する熱利用系統とを備える
   燃料電池発電装置において、 前記電池冷却水循環系統の電池冷却水と前記熱利用設備
   で利用され回収された水と熱交換して蒸気を発生させる
   構成の蒸気発生器と、 この蒸気発生器によって発生した蒸気を前記熱利用設備
   へ供給し利用済の水を回収して前記蒸気発生器へ供給す
   る循環系統と、 燃料電池の運転状態と前記蒸気発生器の蒸気の温度また
   は圧力とに基づいて前記循環系統の蒸気流量を制御する
   手段とを設けることを特徴とする燃料電池発電プラン
   ト。