JPS60160573A - 燃料電池発電用タ−ボコンプレツサシステム - Google Patents

燃料電池発電用タ−ボコンプレツサシステム

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JPS60160573A
JPS60160573A JP59017435A JP1743584A JPS60160573A JP S60160573 A JPS60160573 A JP S60160573A JP 59017435 A JP59017435 A JP 59017435A JP 1743584 A JP1743584 A JP 1743584A JP S60160573 A JPS60160573 A JP S60160573A
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fuel cell
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pressure
nozzle
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Hisashi Mitani
壽 三谷
Toshiichi Suefuji
末藤 敏一
Yoshiyuki Taguma
良行 田熊
Enjiyu Nishiyama
西山 槐
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Shimadzu Corp
Mitsubishi Electric Corp
Shimazu Seisakusho KK
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Shimadzu Corp
Mitsubishi Electric Corp
Shimazu Seisakusho KK
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • 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】 (イ)産業上の利用分野 本発明は、燃料電池発電システムに組込んで使用される
ターボコンプレッサシステムに関するものである。
(ロ)従来技術 燃料電池発電システムは、石油、石炭などを燃料とする
汽力発電システムに比べて高い熱効率を得ることが可能
であるうえに、環境保全性が良く、立地上の融通性を有
している。そのため、近時、宇宙開発などの特殊用途の
電源だけでなく、ビル等に設置するための商用電力用電
源としての使途が種々検討されており、その実用化を目
指して開発が活発化している。
燃料電池発電システムは、空気極と水素極との間に電解
質層を介設してなる燃料電池と、天然ガス等の炭化水素
系燃料を改質して前記水素極に燃料となる水素ガスを供
給する改質器と、前記空気極および前記改質器に空気を
供給する空気供給手段とを備えている。そして、前記燃
料電池の性能は、各反応ガスの圧力の増大に伴って向上
する傾向を示す。このため前記各反応ガスの動作圧力は
、例えば3〜8 Kg/ cra” g程度の値に設定
される。このとき、空気の圧縮には多大の動力を必要と
し、その値は電池の発生エネルギーの約20%にも達す
る。一方、電池の燃料ガスを生成するための改質反応は
約800℃の高温で行なわれ、前記改質器からは高い温
度の排ガスが排出される。
したがって、空気を圧縮するための動力をシステムの排
ガスエネルギーにめることができれば、システムの効率
向上に大きな効果がある。
このような事情から近時の燃料電池発電システムでは、
前記空気供給手段としてターボコンプレフサを採用する
例が一般化している。すなわち、ターボコンプレー2す
は、前記燃料電池の空気極および改質器の入口に接続し
た給気系路にコンプレッサを介設するとともに、前記空
気極および改質器の出口に接続した排気系路にタービン
を介設し、このタービンで前記コンプレッサを駆動する
ようにしたもので、前記排ガス等が有しているエネルギ
ーをタービンで回収して空気を圧縮する仕事に利用しシ
ステム効率の向上を図るものである。
ところで、前述した燃料電池の負荷と、ターボコンプレ
ッサから供給される必要空気量とは略比例関係にある。
そのため、ビル等に個別に設置される比較的小形の燃料
電池発電システム、すなわち、昼休み等の特定の時間帯
にその電力需要が大きく変化するようなシステムにおい
ては、種々の電力需要に応じた流量の空気を燃料電池に
供給できるようにコンプレッサの吐出量を変化させる必
要がある。しかしながら、・一方では、前記燃料電池に
供給する空気の圧力は、前述した電池の性能面ならびに
4燃料電池システムの制御面からの要請で、ある一定の
値に維持したい要望がある。したがって、かかる条件を
共に満たすためにターボコンプレッサを可変ノズル化す
ることが検討されている。すなわち、従来検討されてい
るものは、一定の条件の下で燃料電池の負荷と可変ノズ
ルの開度との関係を計算等によってめておき、前記燃料
電池の負荷変動に伴なわせて前記可変ノズルの開度を制
御するようにしたものである。しかしながら、気温や気
圧等の大気条件あるいは運転モードの変化の仕方等が変
ると、前述した負荷と可変ノズルの開度との関係に変動
が生じることがある。そのため、単にこれだけのもので
は、燃料電池発電装置に供給する空気の圧力が変化して
該発電装置の性能低下や破損を招く場合がある。
(ハ)目的 本発明は、このような事情に着目してなされたもので、
燃料電池の負荷変動に無理なく対応することができ、し
かも、その際にコンプレッサから燃料電池発電装置に供
給される空気の圧力が変動して該発電装置が性能低下し
たり破損するというような不都合を招くことのない燃料
電池発電用ターボコンプレッサシステムを提供すること
を目的とする。
(ニ)構成 本発明は、かかる目的を達成するために、前述した燃料
電池発電システムにおいて、燃料電池発電装置に供給す
る空気の圧力を検出する圧力センサと1 この圧力セン
サにより検出される圧力が一定値に収束するようにター
ビンの可変ノズルの開度を微調整するノズル開度補正手
段とを設けたことを特徴とする。
(ホ)実施例 以下1本発明の一実施例を図面を参照して説明する。
第1図は本燃料電池発電用ターボコンプレッサシステム
を概略的に示すもので、lは燃料電池2と改質器3とを
備えてなる燃料電池発電装置、4はターボコンプレッサ
である。燃料電池2は、図面に模式的に示すように、多
孔性電極5の一面側に水素室6を構成してなる水素極7
と、多孔性電極8の一面側に空気室9を形成してなる空
気極10との間に電解質11を介設してなるもので、前
記水素室6に燃料たる水素ガスを逐次供給するとともに
前記空気室9に圧縮空気を供給することによって発電を
行ない得るようになっている。また、改質器3は、天然
ガス等の炭化水素系燃料を改質して水素ガスを発生させ
、この水素ガスを前記燃料電池2の水素極7に逐次供給
し得るように構成したもので、導入口3aがら燃料と圧
縮空気が導入され排出口3bから高温の排ガスが放出さ
れるようになっている。また、ターボコンプレッサ4は
、コンプレッサ12を可変ノズル13を有したタービン
14により駆動するようにしたものである。そして、始
端を大気に開口させ終端を前記燃料電池発電装置lの空
気導入部1aに接続した給気系路15の途中に前記コン
プレッサ12を介設するとともに、始端を前記発電装置
1の排ガス導出部1bに接続し終端を大気に開放した排
気系路16の途中に前記タービン14を介設している。
そして、前記空気導入部1aは前記燃料電池2の空気室
9の入口9aと前記改質器3の導入口3aとに流量調節
弁17.18を介して連通し、前記排ガス導出部1bは
前記空気室9の出口9bと前記改質器3の排出口3bと
に連通している。
なお、前記タービン4の可変ノズル13は、例えば、第
2図〜第4図に示すように、タービン翼車19の外周囲
に配設した静翼21間に形成されたものである。すなわ
ち、このものは、タービンハウジング22に複数枚の円
板23を前記翼車19を囲繞するようにして配列させて
植設するとともに、これら各円板23に静9に21をそ
れぞれ突設し、前記円板23を一斉に回動させて前記静
翼21の角度を変化させることによって、これら静翼2
1間に形成されるノズル13の開路面積を変え得るよう
になっている。
このようなシステムにおいて、前記燃料電池2の空気室
9に圧力センサ24を設けるとともに、この圧力センサ
24からの信号aに基づいて前記可変ノズル13の開度
な微調整するノズル開度補正手段25を設けている。圧
力センサ24は、前記燃料電池発電装置1に供給される
空気の圧力、すなわち、この実施例では前記空気室9内
の圧力を検出し、その値を電気的な信号aとして逐次出
力し得るように構成されている。また、ノズル開度補正
手段25は、前記圧力センサ24により検出される空気
の圧力値と予め設定した設定値とを比較してその差を零
にすべき旨の指令信号すを出力するCPUZ6と、この
CPU2Bからの指令信号すに基づいて前記可変ノズル
13の開度を変化させるアクチュエータ27とを具備し
てなる。
アクチュエータ27は、例えば、第3図に示すように、
前記円板23を回動させる流体圧シリンダ28と、前記
指令信号すによりこの流体圧シリンダ28を作動させる
サーボバルブ29とから構成されている。
このような構成のものであれば、燃料電池1の空気極出
口の余剰空気および改質器2の排ガスによってタービン
14が作動し、コンプレッサ12が駆動される。それに
よって、給気系路15を流通する空気が所要圧力にまで
圧縮され、逐次燃料電池lの空気室8および改質器2に
供給されて発電が行なわれる。そして、このシステムで
は、電力需要が変化して燃料電池の負荷が変った場合に
は、前記可変ノズル13の開度がその負荷に対応した値
にまで変更される。これは、例えば、前記負荷を検出し
てその値を前記CPU26に入力し、その検出値に対応
するノズル開度値を図示しないメモリから引き出させ、
その引き出した開度値に基づいて前記アクチュエータ2
7を作動させることによって行なわれる。なお、このメ
モリには予め計算等により得た各負荷に対応するノズル
開度値を入力し記憶させておく。このようにして、おお
まかな開度調節を行なった状態で運転が続行されるが、
前述したように、大気条件や運転パターンが変ったよう
な場合には、前記空気室9の空気圧が予想に反し設定値
とは異なった値に移行しようとする傾向を示す場合があ
る。この際には、圧力センサ24による検出値と設定値
との差が増大傾向を示すので、前記CPU26からこの
差を減少させる方向の指令信号すが出力され、アクチュ
エータ27が前記可変ノズル13を、前記検出値が前記
設定値に収束するように作動させることになる。
したがって、このようなものであれば、可変ノズル13
を大きく開度tA節して幅広い電力需要の変化に対応す
ることができるだけでなく、燃料電池発電装置1に供給
する空気の圧力をあらゆる条件の下で常に一定の値に維
持することができる。
そのため、燃料電池2の空気室9内の圧力が変動して発
電能力が低下したり、動作ガス間の圧力バランスが崩れ
て装置が破損してしまうというような不都合を有効に防
止することができる。
なお、燃料発電装置の構成は図示実施例のものに限られ
ないのは勿論であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で
種々変形が可能である。
また、タービンの可変ノズルの構成も前記のものに限定
されるものではなく、例えば、ノズル孔の内周に圧電セ
ラミックを嵌着しておき、この圧電セラミックの厚みを
変化させてノズル開度を変更し得るようにする等、種々
変形が可能である。
さらに、圧力センサの設置位置も前記のものに限らず、
例えば、圧縮空気を送給する系路上に設けてもよい。
また、ノズル開度補正手段の構成も前記のものに限られ
ないのは勿論であり、対応する可変ノズルに好適なもの
を適宜選択すればよい。
(へ)効果 本発明は、以上のような構成であるから、燃料電池の負
荷変動に無理なく対応することができ。
しかも、その際にコンプレッサから燃料電池発電装置に
供給される空気の圧力が変動して該発電装置が破損する
というような不都合を招くことのない燃料電池発電用タ
ーボコンプレッサシステムを提供できるものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示すシステム説明図、f3
2図は同実施例における可変ノズル部分を示す概略正面
図、第3図は第2図における■−■線断面図、第4図は
第3図における17矢視図である。 1・−−燃料電池発電装置 1a・φ・空気導入部 1bI111・排ガス導出部 2弗・会燃料電池 3争・・改質器 4・−・ターボコンプレッサ 9φ・・空気室 12・・・コンプレッサ 13争・争可変ノズル 14・φ・タービン 15・番拳給気系路 16・・φ排気系路 24・・・圧力センサ 25@・・ノズル開度補正手段 代理人 弁理士 赤澤−博 第1図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 燃料電池発電装置の空気導入部に接続した給気系路にコ
    ンプレッサを介設するとともに、前記発電装置の排ガス
    導出部に接続した排気系路に可変ノズルを有したタービ
    ンを介設し、このタービンで前記コンプレッサを駆動し
    て前記空気導入部に逐次圧縮空気を供給するように構成
    するとともに、この可変ノズルの開度を、圧力を変えず
    に供給空気量を燃料電池の負荷に対応したものさせるべ
    く適宜調節するようにした燃料電池発電用ターボコンプ
    レッサシステムにおいて、前記燃料電池発電装置に供給
    する空気の圧力を検出する圧力センサと、この圧力セン
    サにより検出される圧力が一定値に収束するように前記
    可変ノズルの開度を微調整するノズル開度補正手段とを
    設けたことを特徴とする燃料電池発電用ターボコンプレ
    ッサシステム。
JP59017435A 1984-01-30 1984-01-30 燃料電池発電用タ−ボコンプレツサシステム Granted JPS60160573A (ja)

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Cited By (5)

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