JPS58128673A - 燃料電池発電プラント制御システム - Google Patents

燃料電池発電プラント制御システム

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JPS58128673A
JPS58128673A JP57010114A JP1011482A JPS58128673A JP S58128673 A JPS58128673 A JP S58128673A JP 57010114 A JP57010114 A JP 57010114A JP 1011482 A JP1011482 A JP 1011482A JP S58128673 A JPS58128673 A JP S58128673A
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hydrogen gas
pressure
reformer
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佐藤 美雄
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    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
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    • H01M8/0612Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • 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
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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】 本発明は、燃料電池発電グランドの制御方式に係り、特
に急激な負荷変動に対しても急速追従制御を要求される
燃料電池発電プラントに好適な制御方式に関するもので
ある。
燃料電池発電プラントの一例として、従来より第1図に
示されたものが知られている。
第1図に示されたように、燃料電池発電プラントは改質
装置1、シフトコンバータ2、燃料電池3、および空気
供給装置14などの主要装置から構成されている。流量
制御弁5を介して改質装置1iIVctlL人された原
燃料11Vi、at制御井6を介して流入される水蒸気
12と反応してCOガスを含む水素リッチガス13とな
る。この水素リッチガス13中のCOガスはソフトコン
バータ2において、水蒸気と反応して炭酸ガスとなって
分離される。このシフトコンバータ2から送出される水
素リッチガス(以下単に水素ガスという)14は、流量
制御弁7を介して燃料電池3に流入量れる。
一方、空気供給装置番から送出される空気21は流量制
御弁8を介して前記燃料電池3に流入されている。燃料
電池3において、前記水素ガスと空気中の酸素とが反応
し、これKより発電される電力25は図示されてない負
荷に供給されている。
燃料電池3内で消費されなかった廃水素ガス16と廃空
気24は各々排出され、廃水素ガス16は改質装置lの
バーナ9にて燃焼され、この・燃焼排ガス17は空気供
給装置4において流入空気19を圧縮するための動力源
として消費され廃ガス18として排出される。なお、実
際[に、上記構成以外に例えば排熱回収の熱交換器など
が備えられるが、本発明と直接的には関係がないので省
略する、 上述のような燃料電池発電プラントにおいて問題となる
のは、急激な負前変動に対する各装置υつ追従性である
。即ち、燃料電池3の負荷電力−が急変すると、それに
応じて電r1M内での水素ガスと酸素の消費量が急変し
、°電池内の圧力が大きく変ることになる。しかるに、
[池内の圧力によって反応速度が影響されることから、
負荷変動に応じて酸池内の圧力を最適値に制御しなけれ
ばならない。
しかしながら、従来の制御方式は、前述の各構成装置ご
と個別のフィードバック1ulJ@により、嵯池内の圧
力制御もしくは改質装置および空気供給装置の送出tを
制御していただけであったことから、プラント全体の制
御性としては糸の遅れ?補償することができず、負荷急
変に対して応答性または追従性よく制御することができ
ないという欠点を有していた。
本発明の目的は、急激な負荷変動に対し速やかに各装置
を最適な状態に制御できる追従性および安定性に憂れた
燃料電池発電プラントの制御方式を提供しようとするこ
とにある2゜ 本発明は、原燃料を改質して水素ガスを発生する改質装
置と空気供給装置と前記水素ガスと1記空気とを反応さ
せて発電する燃料電池とを備えて構成される燃料電池発
電プラントにあって、前記燃料電池の負荷電力を検出し
、該負荷電力に相関させて各々定められる前記燃料電池
出口の廃水素ガス圧力と廃空気圧力と1!tI記改質装
置出ロ水素ガス圧力とJmii己空気供給装置出口空気
圧力の設定値と各々の検出値との偏差信号により、前記
負荷電力に相関させて各々定められる紡記餡料電池の流
入水素ガス鉦と流入空気量と前記改質装置の原燃料流入
緻と前記空気供給装置の送出空気蓋のフィードフォワー
ド設定ffiを補正し、該補正された設定値により鹸紀
各々の対応するl5ttを制御し、さらに前記改質装置
の出口水素ガス圧力の鹸記偏差信号により前記燃料電池
の流入水素ガス蓋の補正された設定値を前記空気供給装
置出口空気圧力の前記偏差信号により鹸記燃料電池の流
入空気量の補正された設定値を各々補正する@1の補正
市す御および前記廃水素ガス圧力の前記偏差信号により
紡紀原燃料流入址の補正された設定値?前記廃空気圧力
の偏差信号により前記空気供給装置の送出空気量の補正
され九設定@を各々補正する第2の補正制御を行わせる
ことにより、急激な負荷変動に対し速やかに各装置を最
適な状態に制御し、追従性および安定性に優れた制御方
式としようとするものである。
以下、本発明を図示実施例に基づいて説明する。
第2e@3に本発明の適用され九−実施例の全体構成図
が示されており、第3図〜第5図に第2図図示実施例の
詳細な劃−ブロック図が示されている。
なお、第2図において1I41図図示従来例と同一符号
を付して示され友ものは、同一機能・同一構成のもので
ある。
第2図に示された如く、空気供給装置4Fi駆動タービ
ン4Aおよびコンプレッサ4Bから構成され、燃焼排ガ
ス17はタービン4AK流入され、廃ガス18となって
大気中へ放出される。コンプレツナ4Bの吐出にはバイ
パス流量制御弁10が設けられている。電池制御回路(
A)100は廃水素ガス圧力検出526、流量制御弁7
.改質装置制御回路300に各々接続され、電池制御回
路(B)200ti廃空気圧力検出器27、流量制御弁
8、空気制御回路400に各々接続されている。
鹸記改質装置制御回路300は水素圧力検出器28、流
量制御弁5および6に接続され、前記空気制御回路は空
気圧力検出器29、バイパス流量制御弁lOに接続され
ている。また、上述した各制御回路には各々負荷電力の
検出値りが人力されている。
電池制御回路(A)、(n)100,200゜詳細につ
いて第3図を用いて説明する。
電池制御回路(A)100Fi燃料電池の水素ガス条件
を制御するものであり、負荷電力の検出値りは、燃料電
池の廃水素圧力の関数発生器101およびフィードフォ
ワード制御器(以下F’ F f)IJ御器と称する)
104とに入力されている。前記関数発生器101ti
入力されるD’に相関させて定められる廃水素圧力の設
定値Pmo 107 k出力するものである。減算51
02riこのPgo107と前記圧力検出器26から入
力される廃水素圧力の噴出値Pg+ 108との偏差を
求め、さらにPI制御器103によって比例・積分処理
されて、偏差信号ΔPm1IOとして圧力される。また
、ドF制御1i1104Fi入力されるDに相関させて
定められる流入水素ガス量のフィードフォワードの設定
値FH111を出力するものである。また、補正制御器
106には、後述する改質装置出口の水素ガス圧力の検
出@ P srとその圧力の設定jlPxとの偏差信号
ΔPiが入力されており、このΔP、が所定の値以上に
達したときもしくは比例動作により補正信号C+yl1
2t−出力する。加算WI105において、流入水素ガ
ス量の設定値F[1111が前記偏差信号ΔPm1lO
および補正信号CH112によって補正され、この補正
され良信号113により流量制御弁7が制御されている
このように構成されることから、例えば、負荷電力が急
激に増大し九場合の制御動作は次のようになる。
負荷電力が増大すると電池内で消費される水素ガス量が
増大して、電池内の水素ガス圧力ひいては廃水素ガス圧
力が低下する。このとき、まず、FF制(I141f6
104からの信号Fm1Cよって流量制御弁7の開度が
増加され、負荷電力に見合った水素ガス量を流入させる
ように制御される。また、前述の廃水素圧ガス圧力が低
下したことにより、その設定値PIIl]と検出[Pi
tの偏差が生じ、減算器102からPI制御器103を
介して偏差信号ΔPssllOが出力されろ、この偏差
信号ΔPi+110に上り前記1ILt制御弁7の開寂
はさら(増大されるように制御され、負荷電力の変動に
速応すべく流入水素ガス量は制御されている。しかし、
流入水素ガス量の変動瀘が大きい場合には改質装置1か
ら送出される水素ガス量が不足して、改質装置の出口水
素ガス圧力Pilが直下することがある。この2組が低
下すると電池内の水嵩ガス圧力がさらに低下してしまい
、実質的に制御不能になるという問題がある。そこで、
本実施例では、前述の水素ガス圧力P!11の低下の程
kに応じて、即ち設定値と検出値の偏差に応じた偏差信
号ΔPg309によって、舵記流量制御井7の開Wk減
少させる方向に補正している。つまり、負荷電力の急激
な変動に対して燃料電池内の水素ガス圧力を所定の圧力
に制御するにあたって、上流側の水素ガス供給源である
改質装置の動特性に応じて補正制御を行わせているもの
である。
電池制御回路(B)200H燃料電池の空気条件を制御
するものであり、回路構成は前述の電池制御回路(A)
100と同一である。
第3図に示されるように、関数発生6201とPF制御
器204に負荷電力の検出値りが入力されている。関数
発生器201から出力される廃空気圧力の設定値P、2
07ti減算器202に入力され、この減算器202に
は圧力検出器27から廃空気圧力Pム1208が入力さ
れている。減算器202から出力される前記PAOとF
AIとの偏差はPI制御器203によって比例・積分処
理され、偏差信号ΔPム210として加算器205に入
力されている。この加算器205には喧記FF制御器2
04から燃料電池流入空気量のフィードフォワードの設
定値Fム211が、tた、後述する空気供給装置出口圧
力の設定値Peaとその検出値Pclとの偏差信号ΔP
cを補正制御器206により処理した補正信号CA21
2が各々入力されている。これにより、加算器205が
らは前記偏差信号ΔPム210と補正信号CA212に
ょυ補正され九流入空気量の設定値Fム211の信号2
13が出力され、この信号213により流量制御弁8が
制御されている。
電池制御回路(B)200ijこのように構成されてお
り、前述と同様に負荷電力が急激に増大した場合の制御
動作について説明する。
負荷電力が増大すると電池内で消費される酸素量即ち空
気量が増えて、電池内の空気圧力ひいては廃空気圧力が
低下される。このと麹、FF’?!!IJ@i41器2
04から出力される設定@Fムにょって、負荷電力に相
関させて定められた流入空気蓋に制御すべく、流量制御
弁8の開度が増加される。また、同時に廃空振圧力低下
が圧力検出器27により検出され、その設定値Pム0と
検出値FAIに偏差が生じ、減算器202からPI制御
器203を介して偏差信号ΔPム210が出力される。
このΔPム210により前記の流量制御弁8の開1[さ
らに増大され、負荷電力の変動に速応すべく流入空気量
が制御されている。しかし、流入空気量の変動量が大き
いと、空気供給装置4の送出空気量制御などの遅れによ
り送出空気量が不足して、空気供給装置14の出口圧力
Pclが低下することがある。
このようにPclが低下すると電池内の空気圧がさらに
低下してしまい、ついには実質的に制御不能になってし
まうという問題がある。そこで本実施画では、前記水素
ガスの流量制御と同様に、前記空気供給装置出口空気圧
力の設定値pooと検出値Pcoとの偏差に応じた偏差
信号ΔPcによって、前記流量制御弁8の開度を減少さ
せる方向に補正している。つまり、急激な負荷変動に対
し燃料電池内の空気圧力を所定の圧力に制御するにあた
って、上流側の空気供給装置の供給能力の動特性に応じ
て補正制御を行わせているものである。
次に、改質装置制御回路300について第4図【用いて
詳11AKa明する。
図示されたように、関数発生器301とFF制御163
04に負荷電力の検出値りが入力されている。この検出
(i D K相関させて関数発生器301から出力され
る改質装置の出口水素ガス圧力の設足値Pmo#′i減
算器302に入力され、この減算器302には圧力検出
器28から前記出口水素ガス圧力の検出値2組が入力さ
れている。この減算器302から出力される前記PI@
とpHとの偏差信号ΔPm309riPI制御器303
によって比例・積分処理され、信号310として加算器
305に入力されている。この加算器305には前記F
F制御41器304から改質装置の原燃料流入量のフィ
ードフォワードの設定値Fl 311が、また、両組電
池制御回路(A)100から出力された偏差信号jPm
l102>i協調制御1is306VC!!In算処理
された補正信号Cm312が各々入力されている。これ
により、加算器305からri前記信号310と補正信
号Cm312により補正された原燃料流入量の設定1直
Fi311の信号313が出力される。この信号313
に:より原燃料のR蓋制御弁5が制御され、さらにこの
信号313#i比率設定器314によって原燃料流入量
に対応する水蒸気流入量の設定1傷号315に変換され
て、水蒸気の15tliflJ伽弁6に人力されている
このように構成される改質装置制御回路300について
、前述と同様に、負荷電力が急激に増大した場合の制御
動作について説明する。
負荷電力が増大すると、前述したように水素ガスの消費
量が増加する。改質装置lFiその量に晃合う水素ガス
を発生させるため、負荷電力の検出@Dに相関されて定
められた原燃料流入量および水蒸気流入量のフィードフ
ォワードの設定値F1311が、FF制御器304から
出力され、流量制御弁5.6の開度が増加される。また
、同時に水素ガス消費置場によって改質装置1の出口水
素ガス圧力が低下する。そこで、関数発生器301から
出力される負荷電力に相関させて定められた出力水素ガ
ス圧力の設定l′IPRI307と、圧力検出i!62
gから出力されるその検出値P+u 308との偏差を
減算!$302により求め、PI制御器303により比
例積分処理され偏差信号ΔPa309に応じた信号31
0が加算器305に入力されている。この信号310に
より前記流量制御弁5および6の開度がさらに増大され
、負荷電力の変動に速応すべく水素ガスの発生量が制御
されている。また、負荷電力の変動が大幅な場合には改
質装置1の水素ガス発生器の追従が遅れることから、前
述したように前記偏差信号ΔPm309に志じて燃料電
池の流入水素ガス量増大を制限させている。しかし、こ
のような制限は制御の安定性において優れるが、制御の
追従性という点から好ましいものではないので、燃料電
池の廃水素ガス圧力の偏差信号ΔPa1lOK:応じた
補正信号C+c312によって、流量制御弁5および6
0開#を増加補正させて水素ガス発生量を増大させるこ
とにより、負荷変動に対する動特性の向上が図られてい
る。
上述し九改質装置1の制御と、同様な制御回路が空気供
給装置4にも設けられており、@5図にその空気制御回
路400の詳細な制御ブロック図が示されている。
第4図に示されたように、負荷電力の検出+iDが関数
発生器401とF’FltIIJ御器404とに大器4
04いる。関数発生器401は入力される検出11Dに
相関させて定められる空気供給装置4の出口圧力の設定
値Pcoを出力するものでろ心。また、FF制御器40
4は人力される検出値りに相関させて定められる空気供
給装置4の送出空気量に対工δすしたバイパス空気量(
放出空気It)のフィードフォワードの設定値Fc41
1を出力するものである。減算器402には空気供給装
置4の出ロ圧力慣出器29からその検出値Pclが入力
されており、このPclと前記Pcoとの偏差が求めら
れ、偏差信号ΔPc409としてPI制御器403に出
力されている。この偏差信号ΔPc409tiPI制御
器403によって、比p′す・積分処理され信号410
として加算器405に出方されている。
ii&v4111111mm)406 ニd前ffi電
M制M路(B )20Gから偏差信号ΔPム210が入
力されており、この協調制御器406により演算処理さ
れ抽圧信号Cc412が出力される。加算器405にお
いて、前□己送出空気量の設定値Fc411はfiN−
己信号410と補正18号Cc412により加算補正さ
れ、この補正された信号413がバイパス流量制御弁1
0に入力されている。
このように構成される空気制御回路400について、前
述と同様に、負荷電力が急激に増大した場合の制御動作
について説明する。
負荷電力が増大すると、前述したように空気消費量が増
える。空気供給装置4は増大された空気量に見合う空気
を送出させるため、筐ず、FF制御器404から出力さ
れる設定値Fc411に応じてバイパス流量制御弁10
の開度が絞られる。
これにより送出空気量が増大される。を之、このと@空
気供給装置4の出口空気圧力が低下することがあるので
、空気供給装置4の出口空気圧力の前記設定値Pco 
407とその検出値Pet 408との偏差に応じた偏
差信号ΔPc409により、バイパス流蓋制−弁10の
開度を減少させ出口空気圧力を所定の値に保持させるよ
うに送出空気量が増やされる。また、負荷電力の変動幅
が大きいと空気供給装置4の送出空気量増大の追従制御
が遅れることがあるので、前述したように前記偏差1g
号ΔPc410GC応じて燃料電流大空気量の増加制御
を制限させている。しかし、このような制限は制御の安
定性においては優れるが、制御の追従性という点から好
ましいものではないことから、燃料電池の廃空気圧力の
偏差信号ΔPム210に応じた補正信号Cc412によ
って、バイパス流量制御弁10の開度【絞る方向に補正
制御して送出空気量を増大させることにより、負荷の大
幅な変wJK対する制御の動特性の向上が図られている
従って、本実施例によれば、負荷電力の検出値に相関さ
せて定められる圧力設定値に応じて燃料電池、改質装置
および空気供給装置の出口圧力が制御され、且つ負荷電
力の検出値に相関させて定められるフィードフォワード
設定値によって1記各装置の送出量あるいは流入量を制
御していることから、負荷電力の変動に応じて速やかに
各装置を運転を追従させることができる。
また、本実施例によれば、燃料電池内の水素ガス圧力と
空気圧力が低下または上昇し九ことを検出し、この圧力
変動に応じて水素ガスおよび空気の送出量を増大または
減少させるように改質に置と空気供給装置とが制御され
ることから、急激な負荷電力の変動に合わせて速やかに
各装置の運転条件を制御でき、制御の動特性を着るしく
向上させることができる。
さらに、改質装置と空気供給装置の動特性tそれらの出
口圧力の変動から検知し、その圧力変動に応じて燃料電
池の流入水素ガス菫と流入空気量を制限するように制御
されていることから、各装置の運転バランスが図られ、
且つ制御の安定性を向上させることかで睡る。
以上説明したように、本発明によれば、燃料電池発電プ
ラントの動的な制御が、達成され、急激な負荷変動九対
し速やかに各装置を最適な状態に制御することができ、
制御の追従性および安定性ケ向上させることができると
いう効果がある。
【図面の簡単な説明】
A1図は従来例の燃料電池発電/ラントの構成図、第2
図は本発明の適用された一実施例の燃料電池発電プラン
トの構成図、第3図〜第5図#i第2図図示実施例の部
分詳細図であり第3図は電池制御回路の制御ブロック図
、第4図は改質装置制御回路の制御ブロック図、第5図
Vま空気制御回路の制御ブロック図である。 1・・・改質装置、3・・・燃料電池、4・・・空気供
給装置、5〜8・・・流量制御弁、10・・・バイパス
流量制御弁、26〜29・・・圧力検出器、100,2
00・・・′電池制御回路、300・・・改質装置制御
回路、400・・・第3図 章5図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、  ffi燃料を改質して水嵩ガスを発生する改質
    装置と圧縮空気を送出する空気供給装置と前記改質装置
    から流入される水素ガスと前記空気供給装置から流入さ
    れる空気とを反応させて発電する・燃料電池とを備えて
    構成される燃料電池発電プラントにあって、前記燃料電
    池の負荷電力を検出し、該負荷電力に相関させて各々定
    めらnる前記燃料電池出口の廃水素ガス圧力と廃空気圧
    力と前記改實出ロ水素ガス圧力と前記空気供給装置出口
    空気圧力の各設定値と各々の検出値との偏差信号に応じ
    て各々対応する前記燃料電池の流入水素ガス量と流入空
    気量と前記改質装置の原燃料流入量と前記空気供給装置
    の送出空気量とを制御することを特徴とする燃料電池発
    電プラントの制御方式。 2 原燃料を改質して水素ガスを発生する改質装置と圧
    AH!!を送出する空気供給装置と前記改質装置から流
    入される水素ガスと前記空気供給装置から流入される空
    気とを反応させて発電する燃料電池とを備えて構成され
    る燃料電池発電プラントにあって、前記燃料電池の負荷
    電力【検出し、該負荷電力に相関させて各々定められる
    前記燃料電池出口の廃水素ガス圧力と廃空気圧力と前記
    改質装置出口水素ガス圧力と前記空気供給装置出口空気
    圧力の各設定値と各々の検出値との偏差信号により、前
    記負荷電力に相関させて各々定められる前記燃料電池の
    流入水素ガス蓋と流入空気量と前記改質装置の原燃料流
    入量と前記空気供給装置の送出空気量のフィードフォワ
    ード設定値を補正し、該補正された設定値により前記各
    々の対応する流量を制御することを特徴とする燃料発電
    プラントの制御方式。 1 原燃料を改質して水素ガスを発生する改質装置と圧
    縮空気を送出する空気供給装置と幻記改質装置から流入
    される水素ガスと前記空気供給装置から流入される空気
    とを反応させて発電する燃料電池とを備え、前記燃料電
    池の負荷電力を検出し、該負荷電力に相関させて各々定
    められる前記燃料電池出口の廃水素ガス圧力と廃空気圧
    力と前記改質装置出口水素ガス圧力と前6己架気供給装
    置出ロ空気圧力の各設定値と各々の検出値との偏差信号
    に応じて各々前記燃料電池の流入水素ガス量と流入空気
    量と前記改質装置の原燃料流入量と前記空気供給装置の
    送出空気量とを制御することから構成される燃料電池発
    電プラントの制御方式にあって、前記改質装置の出口水
    素ガス圧力の繭重偏差信号により前記廃水素ガス圧力の
    前記偏差信号を前記空気供給装置出口空気圧力の前記偏
    差信号により前記廃空気圧力の前記偏差信号ケ各々補正
    する第1の補正制御方式および前記廃水素ガス圧力の前
    記偏差信号により前記改質装置の出口水素ガス圧力の前
    記偏差信号を舵紀廃空気圧力の前記偏差信号により前記
    空気供給装置出口空気圧力の前記偏差信号を各々補正す
    る第2の補正制御方式の少なくとも1つの補正制御方式
    を其えたこと全特徴とする燃料電池発電プラントの制一
    方式。 t 原燃料を改質して水素ガスを発生する改質装置と圧
    縮空気を送出する空気供給装置と前記改質装置から流入
    される水素ガスと前記空気供給装置から流入される空気
    とを反応させて発電する燃料電池とを備え、前記燃料電
    池の負荷電力を検出し、該負荷電力に相関させて各々定
    められる舵紀燃料電池出口の廃水素ガス圧力と前記改質
    装置出口水素ガス圧力と前記空気供給装置出口空気圧力
    の各設定1直と各々の検出値との偏差信号により、前記
    負荷電力に相関させて各々定められる前記燃料電池の流
    入水素ガス量と流入空気量と前記改質装置の原燃料流入
    量と前記空気供給装置の送出空気量の各フィードフォワ
    ード設定値?補正し、該補正された設定1直により紡記
    各々の対厄する流量を制御する燃料電池発電プラントの
    制御方式にあって、舵記改貞装置の出口水素ガス圧力の
    前記偏差信号により1紀燃料電池の流入水素ガス量の前
    記補正された設定@を前記空気供給装置出口空気圧力の
    前記偏差信号により前記燃料電池の流入空気量の前記補
    正された設定値を各々補正する@1の補正制御方式およ
    び前記廃水素ガス圧力の前記偏差信号により前記原燃料
    流入量の前記補正された設定値を前記廃空気圧力の前記
    偏差1d号に工り前記空気供給装置の送出空気量の前記
    補正された設定値を各々補正する第2の補正制御方式の
    少なくとも1つの補正制御方式を具えたことを特徴とす
    る燃料電池3内プラントの制御方式。
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