JPS6030061A - 燃料電池出力制御装置 - Google Patents

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】 ［発明の技術分野］ 本発明は燃料電池出力制御装置に関する。

［発明の技術的背景とその問題点］ 省エネルギー発電の一つとして化学エネルギーを直接電
気エネルギーに変換する燃料電池プラン１へがある。こ
のプラントでは通常未改質燃料を改質器で改質し、これ
を燃料電池へ供給することにより直流電力を発生させ、
これを直流交流変゛換器で交流に変換した上、電力系統
べ供給するようにしている。この燃料電池プラントにお
いて、負荷変動が一定値を越える場合、燃料電池へ供給
している改質燃料を増減する必要がある。この改質器　
”料を増減するには、改質器へ供給している未改質燃料
を増減すれば良いが、改質器には反応に適した動作圧が
あり、その圧力に見合った未改質燃料を改質器に供給す
ることが必要となる。

そこで、従来は負荷変動に応して燃料電池人口に設けら
れる改質燃料制御弁の開度を調節する一方、改質器出口
配管の圧力に応じて改質器への未改質燃料の給供量を制
御していた。

しかしながら、上記従来方式によると、ｉ荷変動が生じ
てから燃料電池入口の改質燃料制御弁を開閉して配管圧
力変化を検出するまでには、多くの時間を要し、必要と
する未改質燃料を即時に供給することができない。この
結果、応答特性の低下から流量制御が安定して行なわれ
ない問題点があった。

［発明の目的］ 本発明は上記問題点を解決して速溶性が良くしかも安定
性の高い燃料電池出力制御装置を提供することを目的と
する。

［発明の概要］ このため、本発明は燃料電池入口側に設けられる改質燃
料制御弁の前後差圧と電池出力とに応じて改質器入口に
設けられる未改質燃料制御弁の開度を制御するようにし
たことを特徴としている。

［発明の実施例］ 以下、本発明を図面に示す実施例を参照して説明する。

図は本発明の一実施例に係る燃料電池出力制御装置の構
成を示したもので、一点鎖線で囲んだ部分１は燃料電池
プラン１〜である。このプラントｌにおいて、未改質燃
料Ｇは弁２により流量を制御され、改質器３に入る。改
質器３に入った燃料は、ここで加熱されて水素含有率の
高い改質燃料Ｈに改質される。この改質燃料Ｈは弁４に
より流量を制御され燃料電池５の水素極５Ａに流入し、
電気エネルギーとして一部が消費され、残りは改質器３
の燃焼部で燃焼されて加熱用高温ガスとなる。この高温
ガスは燃料電池５の酸素極５Ｂからの排ガスと合流し、
燃焼器６を経てターボコンプレッサのタービン７に流入
してこれに連結したコンプレッサ８を駆動する。

コンプレッサ８の吐出空気は弁９により流量制御されて
、燃料電池５の酸素極５Ｂに入る。酸素極５Ｂに入った
酸素の一部は水素極５Ａの水素と反応して消費され、残
りの一部は酸素極５Ｂからｎｒ出され、前述した如く改
質器３の燃焼ガスと合流し、燃焼器６を経由してターボ
コンプレッサのタービン７を駆動するために利用される
。

燃料電池５は水素極５Ａの水素と酸素極５Ｂの酸素との
触媒反応によって、酸素極５Ｂが正極、水素極５Ａが負
極となるような電気エネルギーを発生し、その両極間に
接続された電気的負荷にその電気エネルギーを供給する
。この際、電気負荷により吸収嘔れた電気エネルギーに
略比例して、両極入口に各々供給された水素と酸素が反
応して水となり、未反応分が各掻出口より排出される。

この燃料電池５の直流出力は変換器ｌＯに供給されて交
流に変換され、電力系統に交流電力として送り出される
。

以上は燃料電池プラント１についての説明である。次に
そのプラントｌの制御装置について説明する。

その制御装置は、（イ）変換器ｌＯにて交流出力を制御
する交流出力制御系と、これに見合う出力を燃料電池５
が発生するように、（ロ）改質燃料の電池５への流入量
を制御する水素流量制御系、および、（ハ）電池５への
酸素流入量を制御する酸素流入制御系と、この電池５へ
の水素と酸素の流入量を補うように、（ニ）改質器３へ
の未改質燃料供給量を制御する未改質燃料制御系と、（
ホ）コンプレッサ８の吐出空気を制御子る吐出空気制御
系とから成る。以下、これらの各制御系について順次説
明していく。

（イ）　交流出力制御系 交流出力制御系は主として変換器１０．比較器１１゜実
有効電力検出器１２．有効電力制御演算部１３．変換器
出力制御器１４．比較器１５．実無効電力検出器１６゜
無効電力制御演算部１７から構成される。

変換器有効電力設定信号Ｐｓは比較器１１にて実有効電
力検出器１２からの信号Ｐａと比較さ」し、その偏差信
号が有効電力制御演算部１３に入力される。有効電力制
御演算部１３はその偏差信号に比例２積分。

微分等の制御演算を施し、変換器交流出力の位相指令Ｏ
を変換器出力制御器１４に出力する。一方、変換器無効
電力設定信号Ｑｓは比較器１５にて実無効主検出器１６
からの信号Ｏａと比較され、その偏差信号が無効電力制
御演算部１７に入力される。無効電力制御演算部１７は
その偏差信号を制御演算し、変換器交流出力の電圧指令
Ｖを変換器出力制御器１４に出力する。変換器出力制御
器１４はその出力信号により変換器１０の交流出力の位
４・目と電圧を制御する。変換器１０の出力と系統との
電圧位相差は主として変換器の有効電力に寄与し、変換
器１０の出力電圧は主として無効電力に寄与する。

このようにして、前記有効電力設定値Ｐｓおよび無効電
力設定値Ｏ８と実際値Ｐａ、Ｑａとの偏差信号の大小に
応じて有効電力と無効電力が加減され、変換器１０から
は所定の出力が電力系統へ出力されることとなる。

（ロ）　水素流量制御系 水素流量制御系は主として電流検出器１８．制御演算部
１９．加算器２０．改質温度制御演算部２１．出力制御
演算器２２．比較器２３．温度検出器２４．改質燃料制
御弁４から構成される。

変換器ｌＯの交流出力エネルギーは、燃料電池５より送
られたものであるから、燃料電池５の直流出力電流は変
換器１０の交流出力に略比例し、電流検出器１８はこ′
の直流出力電流に比例した電流信号■を出力する。燃料
電池５の出力信号■は制御演算部１９により演算され、
この直流電流負荷に見合うでけの改質燃料要求指令が加
算器２０に出力される。

加算器２０は後述する改質温度制御演算部２１の出力信
号と制御演算部１９の信号を出力制御演算部２２に送る
。出力制御演算部２２はこの出力の大小に応じて改質燃
料制御弁４の開度を制御し、燃料電池５への改質燃料流
入量を制御する。燃料電池５へ流入した改質燃料即ち水
素は燃料電池の直流出力に見合うだけ電池内で消費され
、残りは改質器３の燃焼部で燃焼されるが、この燃焼に
より改質器３は加熱され温度上昇する。一方、この改質
器３には改質に適した動作温度がある。比較器２３はこ
の動作温度設定信号ＴＲｓと温度検出器２４の実温度信
号ＴＲａと比較し、その偏差信号を改質温度制御演算部
２１に与える。改質温度制御演算部２１はその偏差信号
を制御演算して改質燃料要求指令を出力する。

加算器２０は、この信号と、前述の燃料電池出力電流工
に応じた制御演算部１９からの出力信号とを加算し、出
力制御演算部２２に加える。出力制御演算部２２はその
加算信号を制御演算してその出力により、改質燃料制御
弁４を開閉制御する。

このようにして、燃料電池５へ供給される水素流入量は
、先ず燃料電池５の直流出力によって先行制御され、続
いて燃料電池５内で消費される水素の過不足は改質器３
の温度変化として検出され、この改質器３の温度を目標
値ＴＲｓとする゛ため、更に水素流入量の修正制御が行
なわれる５ （ハ）酸素流量制御系 酸素流量制御系は電流検出器１８．空気量制御演算部２
５．空気制御弁９から構成されている。

空気量制御演算部２５は電池出力電流に見合った酸素量
に苅し定められた過剰分の酸素を供給するように空気制
御弁９を制御する。この過剰分の酸素を供給することに
より、燃料電池内での反応カニ進行し、残りの酸素は前
述の改質器３の燃焼ガスと合流し、燃焼器６の燃焼に使
用され、タービン７を駆動するために消費される。

（ニ）未改質燃料制御系 未改質燃料制御系は主として電流検出器１８．比較器２
７．圧力制御演算部２８．加算器２９．先行制御演算部
３０．弁位置制御演算部３１．燃料制御弁２から構成さ
れる。

燃料電池５の負荷変動や水素極５Ａの圧力変動により、
弁４の前後差圧は、改質器３の出口配管圧力が変化する
以前に素速く変化する。この差圧は差圧検出器２６によ
り検出され、実差圧信号△Ｐａとして比較器２７に加わ
る。ここには設定差圧ΔＰｓも加わっており、比較器２
７は両者を比較してその偏差を算出する。圧力制御演算
部２８は、その偏差をＰＩＤ制御演算して加算器２９に
加える。この加算器２９には電池出力信号Ｉを先行制御
演算部３０にて制御演算して得られる先行制御信号Ｆも
加わる。弁位置制御演算部３１はこれらの加算信号に応
じて弁２を開閉制御し、改質器３への未改質燃料Ｇの流
入量を制御する。

このようにして、改質器３へ供給される未改質燃料は、
先ず電池出力■によって先行制御されると共に、弁４の
前後差圧に応して制御される。この結果、弁４の手前即
ち改質器３の出［１配管の圧力のみに応じて弁２の開度
を制御する従来方式に比べて、電池出力■の変動に応じ
て速やかに未改質燃料流量を変化させることができ、安
定した流量制御が行なわれるようになる。

（ホ）吐出空気制御系 吐出空気制御系は主として差圧調節弁３２．差圧検出器
３３．比較器３４．差圧演算部３５から構成される装コ
ンプレッサ８はタービン７によって駆動され、圧縮空気
を供給するが、この空気は弁９．燃料電池５を経て燃焼
器６の直前で、前述したように改質器３を経由した燃料
電池排ガスと合流しており、この点で空気系ラインの圧
力と燃料系ラインの圧力とが等しくなる。これは燃流電
池５の水素極５Ａ側と酸素極５Ｂ側の圧力差を低く抑え
るためであり、両極の圧力はこの合流点の圧力に各ガス
系の僅かな流路圧力損失を加えたものになる。従って、
コンプレッサ８の吐出圧力も両系の合流点に一定差圧を
持たせた方が弁９による燃料電池５への空気流入制御の
容易さ、弁９が全開した時の両極の差圧の過大防止の面
で望ましい、弁３２はこの差圧を制御するために設けで
ある。差圧設定信号ＤＰ、ｓは差圧検出器３３の実差圧
信号ＤＰａと比較器３４にて比較され、その偏差信号は
差圧演算部３５に加えられる。

差圧演算部３５はこの偏差信号を制御演算し、その出力
で差圧調節弁３２の開度を制御する。これにより、弁３
２は吐出側圧力過大の時は開方向、吐出側圧力過小の時
は閉方向に制御され、弁前後の圧力以上に述べた各制御
系の働きにより、燃料電池５には負荷変動に見合う水素
およ、び酸素が供給されて所望の直流電力が発生し、変
換器１ｏを介して交流電力に変換されて電力系統へ出方
される。このとき、改質器に供給する未改質燃料を燃料
電池５の出力と弁４の前後差圧に基づき制御している。

この結果、従来方式に比へて出力応答を改善することが
できると共に、流量制御を安定化することができるよう
になる。

尚、上記実施例では弁２を開閉する先行制御信号Ｆを電
池出力電流■から得る例について示したが、本発明はこ
れに限らず、燃料電池５の出力電力あるいは変換器実出
力Ｐａ、有効電力設定値Ｐｓ等を使用し得ることは言う
迄もない。

し発明の効果］ 以上のように本発明によれば、燃料電池の入口に設けら
れる改質燃料制御弁の前後差圧信号と燃料電池出力に応
じた信号とにより改質器へ供給する未改質燃料の流入量
を制御するようにしたので、安定した流量制御が行なわ
れると共に、速溶性の高い出力制御が行なわれる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例に係る燃料電池出力制御装置の構
成図である。 ２・・・燃料制御弁、３・・改質器、４・・・改質燃料
制御弁、５・・・燃料電池、１Ｂ・・・電流検出器、２
６・・・差圧検出器、２７　・・比較器、２８　・・圧
力制御演算部、２９・・・加算器、３０・・・先行制御
演算部３１・・　弁位置制御演算部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 未改質燃料を未改質燃料制御弁を介して改質器に供給し
   、その改質器から出力される改質燃料を改質燃料制御弁
   を介して燃料電池へ供給することにより直流電力を発生
   させる燃料電池の出力制御装置において、燃料電池出力
   に応じた信号と前記改質燃料制御弁の前後差圧信号とに
   基づき前記未改質燃料制御弁の開度を制御する未改質燃
   料制御装置を備えていることを特徴とする燃料電池出力
   制御装置。