JPS61227371A - 燃料電池発電システム - 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） 本発明は燃料電池発電システムに係り、特に燃焼器燃焼
用空気を優先的に供給するための空気供給システム制御
の改良を図った燃料電池発電システムに関するものであ
る。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近年、増々増加する傾向にある電力需用に対処するため
に、従来型の水力、火力、原子力の各発電所の建設に加
えて、高効率で環境保全性に優れた燃料電池発電所の構
想が進められてきている。

一般的な燃料電池発電システムは次のように構成されて
いる。すなわち、電解質層とこれを両側から挟む形で燃
料極と酸化剤極（以下、空気極と称する）を配置したも
のを１組とし、これを薄板積層状に形成してなる燃料電
池本体と、天然ガスあるいは石炭ガスなどをＨ２２成分
の電池用燃料ガスに改質する燃料改質器および変成器よ
りなる燃料改質システムと、燃料電池本体および燃焼に
それぞれ必要な空気を供給する空気処理装置としてのタ
ーボ・コンプレッサおよびこのターボ・コンプレッサを
駆動するための補助燃焼器よりなる空気供給システムと
、燃料電池本体での電極反応により得られた直流出力を
交流電力に変換して外部の電力系統へ供給するための電
力変換システムとを主要な構成要素とし、この他に水処
理システム、排熱回収システム等を付加的な構成要素と
して構成され、これらの各システムは制御システムによ
って統括的に運転されるようになっている。

さて従来、このような燃料電池発電システムにおける空
気供給システム制御は、燃料電池本体に電気負荷に応じ
て必要量の酸化剤（以下、空気で説明する）を供給する
空気流量制御と、燃料改質器の熱源となる燃焼器および
補助燃焼器（以下、補助バーナと称する）に必要な空気
を供給する空気流量制御と、コンプレッサ出口圧力とタ
ービン入口圧力の差圧（以下システム差圧と称す）を一
定値に保持するための差圧制御とが、それぞれ独立した
制御構成となっている。以下、これを第３図を用いて説
明する。

第２図は、この種の燃料電池発電システムの構成例を示
すものである。図において、燃料改質器１内に装置され
たパイロットバーナ４は、改質反応管１９の内部に充填
されている触媒を改質反応温度（例えば６００〜８００
℃程度）まで加熱するために用いられる。この改質反応
温度に達してから、天然ガス２とスチーム３が改質反応
管１９に供給され、改質反応熱を得て化学反応を起こし
水素リッチなガスとなる。また、改質反応管１９の排出
ガスは変成器６を通るが、ここで水素リッチガス内の一
酸化炭素（ＣＯ）がガス中水分との反応により炭酸ガス
ＣＯ２と水素Ｈ２に転換されて、これが燃料電池本体７
の燃料極７ａへ供給される。一方、電池出力として電力
変換装置８（以下、インバータと称する）に与えられる
負荷電流値を定めるための電流出力指令値Ｉ９に相当す
る反応水素Ｈ２分が燃料電池本体７の燃料極７ａ内で消
費され、この燃料排ガスは燃料改質器１内の主バーナ５
に送られて、その排ガス中に残留する未反応水素ガスが
主バーナ５の燃焼用燃料となる。

そしてこの主バーナ５の着火後は、主バーナ５により燃
料改質器１の改質反応管１９内の触媒の温度を例えば６
００’Ｃ〜８００℃に保持する。この主バーナ５および
びパイロットバーナ４の燃焼排ガスは、混合器１０に導
かれて補助バーナ１１の燃焼排ガスと混合され、ターボ
・コンプレッサ１２のタービン１２ａに導かれてタービ
ン１２ａの駆動用エネルギーとなる。このタービン１２
ａの駆動により回転されたコンプレッサ１２ｂは、外部
空気１３を吸入してこれを圧縮する。これにより得られ
た圧縮空気は、電池空気流量調節弁１４を通って適当な
流量に調節され、燃料電池本体７の空気極７ｂに供給さ
れる。そして、ここで電流出力指令値Ｉ９に相当する反
応酸素弁が消費され、この空気極７ｂより排出される余
剰空気弁としての排ガスは、混合器１０に導かれて再び
タービン１２ｂの駆動用エネルギーとして使われる。ま
た、コンプレッサ１２ｂから供給される圧縮空気は、燃
料改質器１のパイロットバーナ燃焼用空気流量調節弁５
．主バーナ燃焼用空気流量調節弁１６゜補助バーナ燃焼
用空気流量調節弁１７により、各バーナの燃料を完全に
燃焼させるのに十分な空気量に調節して各バーナに供給
される。一方、定格回転数、一定吐出圧力条件における
コンプレッサ１２ｂの圧縮空気の吐出流層は、ターボ・
コンプレッサ１２の特性によって決まる一定値をとるた
め、以上で使用された以外の圧縮空気はシステム差圧調
節弁１８を通ってタービン１２８入口にバイパスされる
。このとき、システム差圧調節弁１８によってコンプレ
ッサ１２ｂ出口とタービン１２ａ入口との差圧が適当な
一定値（例えば１０００　！Ｊ”　Ａ　Ｑ程度）に保持
される。そしてこのシステム差圧を一定に保つことによ
り、電池空気流１１１１節弁１４の入出日間の圧力差を
安定に保ち、燃料電池本体７の定格負荷に至るまでに必
要な電池空気流量の調節範囲を得ることが可能となる。

ところで、このような燃料電池発電システムにおける空
気供給システム制御で問題となるのは、何らかの原因で
ターボ・コンプレッサ１２の性能が低下あるいは補助バ
ーナ１１の燃焼熱量が低下してコンプレッサ１２ｂの吐
出圧力が低下した場合や、空気供給系ラインで漏れが生
じて空気供給系全体の圧力が低下したような場合である
。このような空気供給系の故障は、実際の燃料電池発電
システム運転中においてまれに発生することが有り得る
が、故障の程度が若干の圧力低下などの軽微な場合には
必ずしもただちにシステムの運転停止を行なわず、電力
負荷の保全の必要などの事情から一定負荷条件のもとで
発電運転を継続しなくてはならないことが多い。そして
、もし上述したような若干の空気供給系圧力低下が生じ
たならば、システム圧力番一定に保つためにシステム差
圧調節弁１８が増開することになる。しかし、システム
差圧調節弁１８が全開となってもシステム圧力を保つこ
とが不可能なほど圧力低下が大きいと、今度はシステム
差圧の低下が始まる。このため、電池空気流量調節弁１
４の人出日間の差圧が低下して電池空気流量が低下する
が、そのときの負荷で必要な電池空気流量Ｉ９の関数と
して与えられているので、この空気流量を保つために電
池空気流Ｉ調節弁１４は増開する。また、燃料改質器１
のパイロットバーナ４．主バーナ５および補助バーナ１
１などの燃焼用空気を供給する各燃焼用空気調節弁１５
．１６．１７の人出日差圧も上記と同様に低下して、バ
ーナ燃焼用空気流量が低下する。しかし、バーナ燃焼用
空気流量はバーナの良好な燃焼を継続させるために、バ
ーナ燃焼用燃料流量に対して適当な関数で与えられる。

そしてこの空気流量を保つために、これらの空気流１１
１節弁１５．１６．１７は増開する。

ところが、もしこれらの燃焼用空気流量調節弁１５．１
６．１７が全開となっても燃焼に必要な空気流量を保つ
ことができなくなると、これにより各バーナ４．５．１
１は不完全燃焼を起こしてバーナへのカーボンの付着が
始まり、燃焼特性を悪ｊヒさせるだけでなく燃焼火炎を
不安定にし場合によっては消火させてしまう恐れも生ず
る。また、補助バーナ１１の燃焼不足はタービンの駆動
用エネルギーの減少をもたらすため、コンプレッサ１２
ｂの吐出圧の低下を促進することになってしまい、結果
として燃料電池発電システムの安全性および安定性を確
保することが非常に困難となる。

〔発明の目的〕

本発明は上記のような問題を解決するために成されたも
ので、その目的とするところは空気供給系圧力の若干の
低下が生じた場合でも電池負荷を変えることなしにシス
テム差圧を確実に目標値に制御することができバーナの
燃焼特性悪化などをもたらすようなことの無い信頼性の
高い燃料電池１発電システムを提供することにある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するために本発明では、電解質層を挟ん
で燃料極および酸化剤極の一対の電極を配置して成る電
池セルを複数個積層して成り、かつ上記燃料極に燃料を
接触させると共に°酸化剤極に酸化剤を接触させてこの
とき起こる化学的反応を・利用して上記電極間から直流
出力を取り出す燃料電池本体と、この燃料電池本体から
の電池反応排ガスや高温燃焼排ガスの熱エネルギーによ
り駆動されて上記燃料電池本体の酸化剤極に導入される
圧縮空気を供給する空気処理装置と、上記燃料電池本体
の酸化剤極への空気導入ライン上に設けられた電池空気
流量調節弁と、電池負荷量に応じてあらかじめ定められ
た電池空気流量指令値に従って上記電池空気流量調節弁
の開度を制御する電池空気流量制御回路と、上記空気処
理装置の空気吐出ラインから電池反応後の排空気ライン
までの圧力差（システム差圧）を検出する差圧検出回路
と、この差圧検出回路からの差圧検出信号値と目標差圧
値との比較結果に応じて空気流量の偏差値を導出し、か
つこの空気流量の偏差値を上記電池空気流量指令値にそ
の補正量として与えて新たな電池空気流量指令値を得る
補正部とから構成され、上記新たな電池空気流量指令値
に基づいて上記電池空気流量調節弁の開度を制御するこ
とにより、システム差圧を目標値に制御するようにした
ことを特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、図面を参照して本発明の一実施例について説明す
る。第１図は、本発明による燃料電池発電システムの構
成例をブロック的に示したもので、第２図と同一部分に
は同一符号を付して示している。

図において、コンプレッサ１２導出口とタービン１２８
入口の差圧、換言すると空気処理装置であるターボ・コ
ンプレッサ１２の空気吐出ラインから電池反応後の排空
気ラインまでの圧力差であるシステム差圧を検出するた
めに、システム差圧検出器１００を設けている。また、
このシステム差圧検出器１００で検出された差圧信号と
、あらかじめ設定されたシステム差圧の目標値１０１（
例えば１０００　、、ｌ　Ａ　ｑ程度）との偏差値信号
を加算器１０２にて求め、調節部１０３にて比例・積分
・微分（ＰＩＤ）等の演算を行ない、偏差値信０号をシ
ステム差圧調節弁１８の開度信号に変換する。これによ
りシステム差圧調節弁１８を動作さ２せ、システム差圧
検出器１００からの検出信号をフィードバックすること
によってシステム差圧を目標値１０１に保持するシステ
ム差圧制御回路を構成している。

、　一方、負荷電流指令値信号■９を変換器１０４に入
力して、負荷電流指令値に相当する電池空気流量信号を
得る。また、この電池空気ＦＩＬ量信号と電池空気流量
検出器１０６からの実際の流量信号との偏差値信号を加
算器１０５にて求め、調節部１０７にて比例・積分・微
分（ＰＩＤ）等の演算を行ない、偏差値信号を電池空気
流量調節弁１４の開度信号に変換する。これにより電池
空気流量調節弁１４を動作させ、電池空気流量検出器。

１０６からの検出信号をフィードバックすることによっ
て負荷電流指令値に相当する電池空気流量値に調節する
電池空気流量制御回路を構成している。

また、補助バーナ１１の燃料流量を燃料流量検出器１０
８で検出して、その流量検出信号を比較設定器１０９に
入力する。この比較設定器１０９では、バーナの燃料流
量信号に対してあらかじめ完全燃焼ができるように、一
定の比率をもった設定関数により燃焼用空気流量信号が
出力されるようになっている。そして、この燃焼用空気
流量信号と補助バーナ燃焼用空気流量検出器１１２から
の実際の流量信号との偏差値信号を加算器１１０にて求
め、調節部１１１にて比例・積分・微分（ＰＩＤ）等の
演算を行ない、偏差値信号を補助バーナ燃焼用空気流量
調節弁１７の開度信号に変換する。これにより補助バー
ナ燃焼用空気流量調節弁１７を動作させ、補助バーナ燃
焼用空気流量検出器１１２からの検出信号をフィードバ
ックすることによって補助バーナ燃焼用空気流量を完全
燃焼するに充分な流量値に調節するバーナ用空気流層制
御回路を構成している。

一ノ゛さらに、上記システム差圧制御回路と電池空気流
量制御回路の間には、システム差圧偏差値を空気流量値
に変換する補正部としての調節部１０７を設けている。

すなわちこの調節部１０７は、上記システム差圧検出器
１００からの差圧検出信号値とシステム差圧目標値１０
１との比較結果に応じて空気流量の偏差値を導出する加
算器１０２の出力である空気流量の偏差値信号を、上記
変換器１０４の出力である電池空気流量指令値信号にそ
の補正量として与えて新たな電池空気流量指令値信号を
得るものである。

なお、その他第２図に示した燃料改質器パイロットバー
ナ４．燃料改質器主バーナ５の燃焼用空気流量制御は、
基本的には補助バーナ１１の燃焼用空気流量制御と同様
であるのでここではその記載を省略している。

次に、かかる如く構成した燃料電池発電システムの作用
について述べる。

まず、いま燃料電池発電システムがある一定負荷で運転
を行なっている場合には、安定した状態であればシステ
ム差圧は、システム差圧調節弁１８１Ｃ，Ｊ：リア８一
定の値（例えば１ｏＯＯ＃ＩＩＩＡｑ程度）に制御され
ており、電池空気流量もそのときの負荷電流指令値Ｉ９
に相当する流量に制御されている。また、各バーナの燃
焼用空気も、燃料流量に相当する空気流量に制御されて
いる。

つぎに、この負荷運転の途中で何らかの原因により、タ
ーボ・コンプレッサ１２の性能が低下あるいは補助バー
ナ１１の燃焼熱壷が低下してコンプレッサ１２ｂの吐出
圧力等が低下、または空気供給系ラインに空気漏れが生
じて空気供給系全体の圧力が低下した場合には、実際の
システム差圧を目標値に保持しようとしてシステム差圧
制御弁１８が増閉する。そして、このシステム差圧制御
弁１８が全閉してもシステム差圧が目標値に保持できな
くなると、第１図のシステム差圧検出器１００での検出
値はシステム差圧目標値を下まわるために、加算器１０
２の出力偏差信号は負の値となる。この負の偏差信号は
調節部１０７に入力されてＰＩＤ等の演算が行なわれ、
その゛結果負の空気流量信号に変換されて加算器１０５
に加算される。そして、この負の空気流量信号が加算さ
れたことにより加算器１０５の出力は負の偏差信号とし
て調節部１０７に入力されるため、負の開度偏差信号が
出力されてこの信号に見合った開度だけ電池空気流量調
節弁１４が増閉する。

以上のような作用によって電池空気流量が絞られること
になり、その結果電池空気流量調節弁１４の上流側の圧
力が上昇するので、システム差圧を再び目標値１０１な
いしはこれに近い値までに回復させることが可能となる
。

一方、上記で電池空気流量調節弁１４を増閉することに
よって空気流量が低下するが、このときに電池負荷利用
に基づく負荷電流指令値Ｉ９は一定のままとすることが
できる。その理由は次に述べる通りである。

すなわち、この電池負荷量に基づく負荷電流指令値■９
と電池空気流量との間の関数１０４は、電池の空気利用
率によって決定される。この空気利用率とは、電池に供
給される空気中の酸素量、に対して、そのときの負荷を
出力するために消費される理論酸素層の比率である。空
気の効率利用を図るためにはこの空気利用率は高い方が
望ましい　。

が、その反面空気利用率を高くすると電池電圧が低くな
るという電池特性が有ることから、空気利、厄率を高く
するのは好ましくなく普通はこれらを考慮して適当な空
気利用率で運転する（例えば、０．６程度）ようにして
いる。この点本実施例によると、システム差圧を目標値
に保持するために電池空気流量調節弁１４を絞って電池
空気流量を下げることになるが、負荷電流を低下させな
いまま空気利用を上昇させることによって空気消費バラ
ンスを維持することができるため、−次的に電池効率は
悪くなるとしても極めて安定した電力を供給することが
可能となる。

上述したように本実施例の燃料電池発電シテムにおいて
は、システム差圧制御回路と電池空気流量制御回路との
間に、システム差圧偏差値を空気流量値に変換する補正
部としての調節８１１１０７を備えることにより、何ら
かの原因によるシステム差圧低下が発生した場合に、た
とえシステム差圧制御弁１８が全閉して差圧制御が不可
能となったような場合でも、自動的に電池空気流量を減
少させることにより再びシステム差圧を目標値ないしは
それに近い値に調節することが可能となる。このことは
、各バーナの燃焼用空気滝壷調節弁でも安定した差圧を
維持できるため、バーナの燃焼に必要な空気流量を確保
できることになり、結果的にバーナの不完全燃焼を防止
して燃焼特性を安定させ、燃焼火炎を安定に保持するこ
とが可能となる。また、これにより同時にタービン１２
ａにも安定した熱エネルギーを供給することができる。

さらに、電池負荷量を特に低減する必要がないため、全
体としてシステムの安定性を確保することができるとい
う優れた効果が期待できるものである。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、電解質層を挟んで
燃料極および酸化剤極の一対の電極を配置して成る電池
セルを複数個積層して成り、力２つ上記燃料極に燃料を
接触させると共に酸化剤極に酸１ヒ剤を接触させてこの
とき起こる化学的反応を利用して上記電極間から直流出
力を取り出す燃料電池本体と、この燃料電池本体からの
電池反応排ガスや高温燃焼排ガスの熱エネルギーにより
駆動されて上記燃料電池本体の酸化剤極に導入される圧
縮空気を供給する空気処理装置と、上記燃料電池本体の
酸化剤極への空気導入ライン上に設けられた電池空気流
量調節弁と、電池負荷量に応じてあらかじめ定められた
電池空気流量指令値に従って上記電池空気流量調節弁の
開度を制御する電池空気流量制御回路と、上記空気処理
装置の空気吐出ラインから電池反応後の排空気ラインま
での圧力差（システム差圧）を検出する差圧検出回路と
、この差圧検出回路からの差圧検出信号値と目標差圧値
との比較結果に応じて空気流量の偏差値を導出し、かつ
この空気流量の偏差値を上記電池空気流量指令値にその
補正量として与えて新たな電池空気流量指令値を得る補
正部とから構成され１．上記新たな電池空気流量指令値
に基づいて上記電池空気流量調節弁の開度を制御するよ
うにしためで、空気供給系圧力の若干の低下が生じた場
合でも電池負荷を変えることなしにシステム差圧を確実
に目標値に制御することができバーナの燃焼特性悪化な
どをもたらすようなことの無い極めて信頼性の高い燃料
電池発電システムが提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成ブロック図、第２
図は燃料電池発電システムの一例を示す構成図である。 １・・・燃料改質器、２・・・燃料、３・・・スチーム
、４・・・燃料改質器パイロットバーナ、５・・・燃料
改質器主バーナ、６・・・変成器、７・・・燃料電池本
体、７ａ・・・燃料極、７ｂ・・・空気極、８・・・電
力変換装置、９・・・負荷電流指令値、１０・・・混合
器、１１・・・補助バーナ、　１２・・・ターボ・コン
プレッサ、１２ａ・・・タービン、１２ｂ・・・コンプ
レッサ、１３・・・空気、１４・・・電池空気流量調節
弁、１５〜１７・・・燃焼用空気流量調節弁、１００・
・・システム差圧検出器、１０１・・・システム差圧目
標値、１０２，１０５゜１１０・・・加算器、１０３，
１０７．’１１１・・・調節部、１０４・・・変換器、
１０６，１０８．１１２・・・電池空気流量検出器、１
０９・・・比率設定器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 電解質層を挟んで燃料極および酸化剤極の一対の電極を
   配置して成る電池セルを複数個積層して成り、かつ前記
   燃料極に燃料を接触させると共に酸化剤極に酸化剤を接
   触させてこのとき起こる化学的反応を利用して前記電極
   間から直流出力を取り出す燃料電池本体と、この燃料電
   池本体からの電池反応排ガスや高温燃焼排ガスの熱エネ
   ルギーにより駆動されて前記燃料電池本体の酸化剤極に
   導入される圧縮空気を供給する空気処理装置と、前記燃
   料電池本体の酸化剤極への空気導入ライン上に設けられ
   た電池空気流量調節弁と、電池負荷量に応じてあらかじ
   め定められた電池空気流量指令値に従つて前記電池空気
   流量調節弁の開度を制御する電池空気流量制御回路と、
   前記空気処理装置の空気吐出ラインから電池反応後の排
   空気ラインまでの圧力差（システム差圧）を検出する差
   圧検出回路と、この差圧検出回路からの差圧検出信号値
   と目標差圧値との比較結果に応じて空気流量の偏差値を
   導出し、かつこの空気流量の偏差値を前記電池空気流量
   指令値にその補正量として与えて新たな電池空気流量指
   令値を得る補正部とから構成され、前記新たな電池空気
   流量指令値に基づいて前記電池空気流量調節弁の開度を
   制御するようにしたことを特徴とする燃料電池発電シス
   テム。