JPS6037673A - 燃料電池プラント - 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〕 本発明は燃料電池の複数台を均一な負荷分担で運転する
為の制御装置に関する。

ｒ発明の枯術的費具〉ｋの凹ξ百占） 電力の発生は通常、発電機を蒸気タービン等の原動機で
回転させ、この与えられた駆動エネルギーを発電機にて
交流電力として発生させ、交流のまま需要側へ送る事が
、電力の発生より消費に到る迄、最も都合の良い方法と
して採用されて居り、現在の電力系統は交流系統がほと
んどを占めている。

一方、蒸気タービン等を駆動する蒸気はボイラ等にて石
油、ガス等の燃料を燃焼させた熱エネルギーにより発生
させているが、この燃料エネルギーを熱エネールギーと
して取り出し、蒸気エネルギーに変換し、さらに電気エ
ネルギーとして取り出す事は効率面で不利な事がら、近
年撚ネー１の化学的変化をさせ、この化学的変化の際に
発生する″電子の流れより直接電気エネルギーを取り出
そうとする燃料電池発電方式が省エネルギー発電の一つ
として採用されるようになって来た、 この燃料電池は供給された燃料を化学変化させて、電力
を発生するのであるがその出力は直流出力であり、この
まま特定区域で消費する場合は直流で消費され、又省エ
ネルギー政策の一環として大量の電力をまかなう場合（
ユは、直流−交流変換器により交流に変換し電力系統と
接続している。

第１図は従来の代表的な撚＄ｉ’電池プラントとその制
御方法についての説明図である。、以下第１図により従
来の燃料電池プラントの運転制御について説明する。

図中で１の一点鎖線で示される部分が燃料電池プラント
である。燃料は弁８により流量を制御され、改質器４に
入る。改質器４（二人った燃料は、ここで加熱されて改
質され、水素含有率の高い改質燃料どなる。改質燃料は
弁９（二より流′量を制御され制御され燃Ｙ）電池５の
水素極５人；二流入し電気エネルギーとして一部が消費
され残りは、前述の改質器４の燃焼部にて燃焼し、改ａ
器４の加熱用高温ガスとなり、燃料′電池５の酸素極５
Ｂからの排ガスと合流し、燃焼器７を経てターボコンブ
レンチのタービン２に流入してこれに連結したコンプレ
ッサ３を駆動する。

コンプレッサ３・の吐出望気は弁１０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５人の水素と反応し消費され、
残りの一部は酸素極５Ｂから排出され、前述の改質器４
の燃焼部からの燃焼ガスと合流し、燃焼器７を経由して
、ターボコンプレッサのタービン２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（＝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された電気エネルギーに略
比例して、両極人口に夫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、各極出口より排出される小（
＝なる。

燃料電池プラントでは、この燃ね電池５の直流出力は変
換器６に供給されて交流（二変換され、電力系統（二交
流電力として送り出される。

以上が燃料電池プラントの基本構成と概略の動作である
が、次にこのプラントの従来の制御方法について説明す
る。制御は、基本的に先ず変換器６にて交流出力を制御
し、これに見合う出力を燃料電池５が発生するように、
水素と酸素の電池への流入量を制御し、この電池への水
素と酸素の流入量を補うよう（二、改ａ器４への燃料供
給９とコンプレッサ３の吐出空気を制御する。

変換器有効電力設定信号Ｐｓは実有効電力検出器２１の
出力信号Ｐａと比較器２６により偏差演算され、有効電
力制御演算部３３は、この偏差信号を入力として制御演
算し、変換器交流出力の位相指゛令を変換器ａ力制御器
３５（二出力する。

変換器無効電力設定信号Ｑｓは実！＋（動電力検出器２
０の出力信号Ｑａと比較器２７により偏差演算され、無
効電力制御波鼻部３４は、この偏差信号を入力として制
御演算し、変換器交流出力の電力指令を変換器出力制御
器３５に出力する。変換器出力制御器３５はその出力信
号１二より変換器６の交流出力の位相と電圧を制御する
。変換器６の出力と系統との電圧位相差は主として変換
器の有効電電力に寄与する。従って有効電力設定値Ｐｓ
及び無効電力設定値Ｑｓと実際値Ｐａ、Ｑａとの偏差信
号の大小（二応じて有効電力と無効電力が加減され、交
換器６は所定の出力を電力系統へ出す事になる。

次に燃料電池５への改質燃料の制御について述べる。交
換器６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、燃料電池の直流出力電流、は変′Ｊ
＃器６の交流出力に、略比例し、電流検出器１９はこの
直流出力電流τ二比例した電流信号■を出力する。

燃料電池のｗカ信号■は制御演算部３０により演算され
、この直流電流負荷（二見合うだけの改質燃料要求指令
を加算器２４に出力する。加算器２４は後述する。改質
温度制御演算部２９の出カイ４号と制御演算部３０の信
号を出力制御演算部３６に送り、出力制御演算部３６は
この出力の大小に応じて改質燃料制御弁９の開度制御を
し、燃料電池５・＼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は燃料電池の直流出力（二見
合うだけ、電池内で／ｌ！Ｉ費され、残りは改質器４の
燃焼部で燃焼するが、この燃焼により改質器４は加熱さ
れ、温ＩＷ上昇する。

改質器４は改質に適した動作温度がある。この動作温度
設定信号Ｔ　Ｒｓは、温度検出器１７の実温度信号ＴＲ
ａと比較器２３により偏差演算され、この偏差演算信号
は改質温度制御演算部２９に与えられ、演算されて改質
燃料要求指令を加Ｗ器２４に送る。加算器２４はこの信
号と前建の燃料′准池出力電流に応じた制御演算部３０
の出力信号を加算し、出力制御演算部３６を通して、改
質燃料の燃′＃４電池５への流入を制御する事になる。

以上の動作を要約すると、燃料電池５の直流出力により
まず改ｐ１燃料の燃＄−ｆ＠池５への流入［、（３を先
行制御し、燃料′礪池５内で消費される改質偏利との過
不足は、改質器４の温度変化とし′Ｃ検出され、この改
質器４の温度を目標値になるように、さら（二改質燃料
の流入量を修正制御する事になる。

次に改質器４への燃ネ・ｌ制御Ｃ二ついて説明する。

改質器４への燃料の過不足は燃料制御弁８と改質燃料制
御弁９との間の配管系の圧力変化としてとらえられろ。

即ち儲零１供給過多では圧力上肩シ２、撚％：：１供給
過少では圧力下降する。又この系では反応に節した動作
圧力がある。動作圧力設定信号ＰＦｓは圧力検出器１８
の出力信号ＰＦ’；＋と比較器２２により、偏差演算さ
れ、この偏差イ８号は圧力制御演算部２８にｈえられ、
圧力制御演算部２６はこの演算出力により、燃料制御弁
８を開度制御し、燃伺供給団を制御する。改負器４へ供
給された熱ｊｍはここで加熱され水素含有率の高い改質
器Ｆｌとなる。

次にりで４４　’電池５への空気供給制御について説明
する。電池出力′１…流信号工は、空気量制御演算部３
１に与えられる。空気量制御演算部３１は昂Ｉｒ’１．
１２出力電流に見合一つだ酸素ｐに対し定められた過１
１１分の酸素な供給するように空気制御弁１ｏを制御す
る。この過剰分の酸ｘ４を供給するＴにより、儲別電池
内での反応が進行し、残りの酸素は、前述の改質器４の
燃焼ガスと合流し燃焼器７の燃焼に使用され、タービン
２を駆動するために消費される。

次にコンプレッサ３の吐出１１：す御について述べる。

コンプレッサ３はタービン２によって駆動され、圧縮空
気を供給するが、この空気は弁１０、燃ｔ′ｌ電池５を
経て燃焼器７の直前で、前述したように改質器４を経由
した燃料′Ｌに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は等しくなって
いる。これは燃料電池５の水素極５入側と酸素極５Ｂ側
の圧力差を低く１１１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わずかな流路圧力損失を加
えたものとなる。従ってコンプレッサ３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１０による燃
料電池５への空気流入制御の容易さ、弁１０が全開した
時の両極の貯「の過大１νｊ止の面で望まし、い。弁１
１はこの差圧を制御するために設けである。

差圧設定信号ＤＰｓは差圧検出器１６の実差圧信号ＤＰ
ａと比較器２５により偏差演算され、この偏差＋＝号は
差圧演鉾部３２により演算され、差圧調節弁１１の開度
を制御する事により、弁前後の圧力差を調節１−る。即
ち吐出側圧力過大の差圧の時は開方向、吐出側圧力過小
の時は閉方向（二制机される。

向弁１３は燃オニ］加湿用蒸気の制御弁であり、通常は
弁８と連動して制御している１、Ｊｐ１４は菟気加湿用
蒸気の制御弁であり、通常は弁１０と連動して制御して
いる。弁１２は前述の空気系ど儲）ｌ系の合流点の圧力
を制御するだめのタービン２艮１ス動用の已月を補給す
るためであり、図示→ｔぬＨＨ１ｇ御久［音により合流
点の圧力を制御するように、タービン２とこれに連結し
たコンプレッサ３を駆動制御し、コンプレッサ・の吐出
買気を料地している。

又弁１５は安全用の吐出弁であり、系の月；力か＃ｒ゛
。

７１マに」二昇した時、１メ１示せぬ制御波（丙により
開ζ；１す御され余剰空気を外部へ吐出−する。

以上の操作により燃料屯１１０ブラントは、イ／；斜の
改質、圧縮望気の発生、燃料電池への改９４（餘ＳＪ、
ｌど酸素の供給、交換器による？ト１．気エネルギーの
電力系統への供給がバランスをとらえ制御されている。

かかる燃料電池単体は未だ従来の火力発Ｔ）！、ブラン
ト等に比較し、１台当りの発生電力量は小さい。

従って大容量発電プラントの実現のためには複数台の燃
料電池を設置し、並列運転する事によって実現するとと
もに１部の燃料電池が故障しても発電所としては電力の
供給を維持可能なプラントとしようとする燃料電池プラ
ントが考えられている。

しかし複数台の燃料電池を同時運転した時、６各の燃料
電池の特性のばらつきの為、燃料、空気流量を同一状態
で運転しても、各々の発生電力（電流及び電圧）は必ず
しも同一とはならないという問題があり、各電池の負荷
分担が相異する事により寿命も異なり保守周期が相異す
るため繁雑な保守計画を運用しなければならなかった。

又容量の相異する電池同志の並列運転、もしくは余寿命
の相異する電池同志、劣化具合の相異する電池同志の運
転では所要全負荷電流に対して、夫々能力に応じた負荷
分担が出来なかった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は複数台の燃料電池が並列運転されている
時、全ての燃料電池を、均−又は所要の負荷分担で運転
させることを可能ならしめる制御装置を提供することに
ある。

〔発明の概要〕

本発明は複数台の燃料電池の総発生直流電流の１台当り
の平均値又は所要負荷分担量と個々の燃料電池の発生直
流電流との偏差により、該燃料電池に供給される改質燃
料及び空気量の双方又は一方を制御し、複数台の燃＊！
ｌ電池の発生直流電流を、全て均−又は所要分担率で運
転するものである。

改質燃料制御いは空気量のどちらか一方を制御する場合
も可能である。

〔発明の実施例〕

次に第２図を用いて本発明の実施例の詳細な説明を行う
。第２図は複数台の並列運転に関するものであるが、そ
の中のに番目の電池に注目したものであり各符号は第１
図にあるものは同一符号でに番目の電池に対応するもの
はさらに末尾にｋを符した、第２図に於て、各々の燃料
電池の発生直流電流（工、、・・・Ｉｎ）よりｎ台のＴ
ＯＴＡＬ発生直流電流を算出する為の加算器１０１、該
ＴＯＴＡＬ発生直流電流から１台当りの平均電流を算出
する割算器１０２、該割算器１０２からの出力である１
台当りの平均電流と、個々の燃料電池の発生直流電流と
の偏差量を算出する比較器１０３　ｋ、比較器１０３か
らの出力信号である該偏差量を入力し制御演算を行なう
制御演算部１０４ｋ、該制御演算部１０４からの出力信
号を入力し、改質燃料制御の補正信号を作成する燃′＃
１補正演算部１０５１ｃ、同様に該制御演算部１０４か
らの出力信号を入力し、空気量制御の補正信号を作成す
る空気補正演算部１０６にさらに空気量制御演算部３１
にの出力信号に該空気補正演算部１０６にの出力信号を
加算する為の加算器１０７ｋが付加されたものである。

またｎ台の燃＊４電池に対し、燃）（電池からの発生曲
流電流を交流電流に変換する変換器６が１台となってい
る。従ってｎ台の燃料電池からの発生直流″「ａ力は変
換器６への入力側で共通母線に接続されて変換器６へ入
力されている。

加算器１０１にてｎ台の燃料電池からの発生直流電流が
加算され一割算器１０２にて算出された１−４＋の撚料
電池当りの平均発生直流電流は比較器１０３ｋに入力さ
れると同時に、制御演算部３０ｋ、空気量制御演算部３
１ｋに入力される。第１図に於ては、電流検出器１９か
らの実際の発生直流電流信号を該演算部３０ｋ及び３１
にの入力信号としていたが、第２図に於てはｎ台の燃料
電池からの平均発生直流電流を改質燃料及び空気量の先
行制御信号としている点が異なる。即ち、本発明（二於
てはｎ台の燃料電池の平均発生直流電流を規準として改
質燃料及び空気量を制御し、ｎ台の燃料電池の発生直流
電流を均一化しようとするものである。

さらに該平均発生直流電流は、比較器１０３ｋにより各
々の燃料電池の発生直流電流との偏差信号が作成される
が、該偏差信号により改質燃オ；１及び空気量の制御系
へ補正信号として加えられ、一層の発生直流電流の均一
化を図ることができる点に特徴がある。即ち比較器１０
３ｋによって作成された該偏差信号は制御演算部１０４
ｋに入力され、該演算部にて制御演算された制御信号は
、燃料補正演算部１０５ｋ及び空気補正演算部１０６ｋ
にて、燃料電池の発生直流電流が、ｎ台の平均発生直流
゛電流になるよう補正演算され、それぞれ補正信号とし
て改質燃料及び空気量を制御する。

以上述べた実施例では比較器１０３にの出力信号である
偏差量からの補正信号を、第２図の加算器２４に、１０
７ｋにてそれぞれ改質燃料、空気量の制御系へ加えてい
るが、燃料電池の特性として改質燃料或いは空気量のど
ちらか一方のみを変化させても、該電池の発生直流電流
は変化する。従って該補正信号の一方のみを使用するこ
とによっても、本発明の目的であるｎ台の燃料電池の発
生直流電流を均一化することは可能である。

また以上の説明に於ては、改質燃料の制御系への補正信
号を加算器２４にで加えることで行なってきたが、該補
正信号を加算器２３ｋにて加えてもよい。

第２図に於て改質燃料制卸演算部３０および空気量制御
演算器３１にの入力信号として、ｎ台の平均発生直流電
流を使用しているが、その両者又は一方に該入力信号と
して出力設定値に係数を乗じた信号を使うことによって
もよい。

第２図に於て、制御弁１２ｋを制御して、燃焼器７にの
入口側合流点圧力を制御することによっても可能である
。即ち、該制御弁１２ｋを制御することにより、燃焼器
の７にの入口側合流点圧力が制御され、この合流点圧力
により燃ネ４電池の系統動作圧が決まり、ひいては燃料
電池の発生直流電流も決まる。同様主旨で比較器２５の
一方の入力信号である差圧設定信号ＤＰｓにバイアスを
加える形でもよい。

尚上記説明では各電池に均一負荷分担をさせる事で説明
して来たが７１、各燃料電池の容量の相異、劣化の相異
等で分担率を変えたい場合は第２図の１０２を平均電流
演算用割算器の代りに夫々の分担率に応じた複数の係数
器１０２−１〜１０２ｎを設け、夫々の出力信号を該当
する電池に対応する比較器１０３−１〜１０３ｎに与え
れば良い。

〔発明の効果〕

以上述べてきたように、本発明によれはｎ台の燃料電池
を並列運転する時ｎ台の燃料電池の発生直流電流及び発
生電圧をきわめて良好に均一化することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のシステム構成を示すブロック図、第２図
は本発明の一実施例を示すブロック図である。 １・・・燃料電池プラント　２・・・タービン３・・・
フンブレツサ　４・・・改質器５・・・燃料電池　５Ａ
・・・水素極 ５Ｂ・・・酸素極　６・・・変換器 ７・・・燃焼器　８・・・燃料制御弁 ９・・・改質燃料制御弁　１０・・・望気制御弁１１・
・・差圧調節弁　１２，１３，１４．１５・・・弁１６
・・・差圧検出器　１７・・・温度検出器１８・・・圧
力検出器　１９・・・電流検出器２０・・・無効電力検
出器　２１・・・有効電力検出器２２．２３・・・比較
器　２４・・・加算器２５　、２６　、２７・・・比較
器　２８・・・圧力制御演算部２９・・・改質温度制御
演算部 ３２・・・差圧演算部 ３３・・・有効電力制呻演算部 ３４・・・無効電力制御演算部 ３５・・・変換器出力制御部３６・・・出力側６１ＩＩ
演９部１０１・・・加算器　１０２・・・割算器１０３
・・・比較器　１０４・・・制？Ｉ！ｌ］＠算部１０５
・・・燃料補正演算部　１０６・・・空気量補正演が（
部ニア３１７）代理人　弁理士　則　近　憲　佑（ほか
１名）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 複数台の燃料電池を並列接続し発生直流電力を１台の電
   力交換器（二より交流電力に変換する燃料電池プラント
   に於て、各々の燃料電池からの発生直流電流と、複数台
   の全発生直流電流の平均との偏差量もしくは予め定めら
   れた全発生直流電流に対する夫々の分担比に応じた量と
   の偏差量（二より、各々の燃料電池の燃料流量と空気流
   量の両者又はいずれか一方を制御し、複数台の燃料電池
   の発生直流電力を均−又は指定した負荷分担で運転可能
   ならしめることを特徴とする燃料電池プラント制御装置
   。