JPS62259357A

JPS62259357A - 燃料電池発電システム

Info

Publication number: JPS62259357A
Application number: JP61102451A
Authority: JP
Inventors: Yuji Nagata; 裕二永田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-05-02
Filing date: 1986-05-02
Publication date: 1987-11-11

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は燃料電池と改質装置とを備えて構成される燃料
電池発電システムに係り、特に改質装置の燃焼室での燃
焼状態を常に安定に保持し得るようにした燃料電池発電
システムに関する。

（従来の技術）従来、燃料の有している化学的エネルギーを直接電気的
エネルギーに変換するものとして燃料電池が知られてい
る。この燃料電池は通常、電解質層を挟んで燃料極およ
び酸化剤慟（以下、空気極と称する）の一対の電極を配
置すると共に、燃料極に水素ガス等の燃料ガスを供給し
また空気極に空気等の酸化剤ガスを供給し、このとき起
こる電気化学的反応を利用して上記両電極間から電気エ
ネルギーを取出すようにしたものであり、上記燃料ガス
と酸化剤ガスが供給されている限り高い変換効率で電気
エネルギーを取出すことができるものである。

さて、現在考えられている燃料電池としては、ヒドラジ
ンを燃料とする燃料電池、アルカリ水溶液電解質、リン
酸水溶液電解質を′Ｆ４解質とする燃料電池があるが、
このうちリン酸水溶液電解質を電解質とする燃料電池は
、改質ガスを使用できることから一般的な使用が可能で
あり、産業用または発電事業用として使用されつつある
。そしてこの種の燃料電池は、その燃料ガスである水素
ガスを多く含んだ改質ガスを得るための改質装置を備え
て燃料電池発電システムを構成していることが多い。

第４図は、この種の改質装置を備えて構成される従来の
燃料電池発電システムの一例を示したものである。第４
図において、１は内部に改質触媒層が設けられた改質管
の内側に水蒸気が混合されたメタンを原燃料として導入
すると共に、上記改質管の外側に燃焼用燃料および燃焼
用空気を図示しない燃焼室のバーナで燃焼して得られた
高温燃焼ガスを流通させることにより、上記原燃料を改
質して水素ガスを多く含む改質ガスを生成する改質装置
である。また、２は上記改質装Ｗ１１で得られた改質ガ
スを燃料ガスどして燃料極に、また圧８１６機３で得ら
れた圧縮空気を酸化剤ガスとして空気極に夫々導入し、
このとき起こる電気化学的反応により上記両電極間から
電気エネルギーを取出す燃料電池である。そして、上記
燃料電池２の空気極から排出される排ガスの少なくとも
一部を、上記改質装置１の燃焼室へその燃焼用空気とし
て導入するように構成されている。

一方、従来の燃料電池発電システムでは、まず空気極供
給ガス流量（ｈ）は、電池出力ａを入力として空気１動
供給ガス設定流量演算器７が出力する空気極供給ガス基
準設定流量信号すに、電池電圧検出器１１からの電池電
圧検出１直信号ｅ等に基づいて空気ル供給ガス設定流ω
補正＋ａ演譚器１０が出力する空気極供給ガス設定流（
至）補正値信号ｆを考慮した空気極供給ガス設定流量信
号ｑとなるように、調節器１５が空気極供給ガス流量調
節弁開度指令信号１を空気極供給ガス流量調節弁４に発
生することによって制御されるようになっている。ここ
で、空気極供給ガス設定流量補正値信号ｆは、電池電圧
検出値信号ｅが過渡に上昇または低下した場合に、空気
極供給ガス設定流量信号Ｑを補正するためのものである
。また、改買装置燃焼用補給空気流最（ｊ）は、電池出
力ａから改質装置燃焼用補給空気設定流量演算器８によ
って改質装置燃焼用補給空気設定流量信号Ｃを与え、こ
の改質装置燃焼用補給空気設定流量信号Ｃにｉ！従する
ように、；周節器１６が改質装置燃焼用補給空気流量調
節弁５に改質装置燃焼用補給空気流量調節弁開度指令信
号ｋを発生することによって制御されるようになってい
る。さらに、改質装置燃焼室バイパス空気流巾（１）は
、電池出力ａから改′Ｆ！装置燃焼室バイパス空気設定
流階演ｎ器９によって改質装置燃焼室バイパス空気設定
流量信号ｄを発生し、この改′Ｒ装置燃焼室バイパス空
気設定流量信号ｄに追従するように、調Ｂ器１７が改質
装置燃焼室バイパス空気流量調節弁６に改質装置燃焼室
バイパス空気流量調節弁開度指令信号ｍを発生すること
によって制御されるようになっている。

ところで、上述したような制御（Ｉ構成を有する従来の
燃料電池発電システムにおいては、改質装置１の燃焼室
での安定な燃焼状態を保持する点で次のような問題があ
った。すなわち、上述のように燃料電池２の空気極から
排出される排ガスの少なくとも一部を、改質装［１の燃
焼室での燃焼用空気として使用するものでは、例えば空
気極供給ガス設定ａｍ補正値信号ｆによって空気糧供給
ガス設定流母信号ｑが変化し、空気極供給ガス流睦検出
値信号ト）が空気極供給ガス基準設定流量信号すから変
化した場合には、かかる変化が燃料電池２の空気ルから
の排ガス流量の変化、さらには改質装置１への供給空気
潰すなわら供給Ｈ素諸の変化となって現われてくること
から、改Ｈ装置１の燃焼室への燃焼用空気の供給量を一
定に保持することが出来ず、結果的に改質装置１の燃焼
室での燃焼状態に変動を及ぼすことになる。

（発明が解決しようとする問題点）以上のように従来の燃料電池発電システムでは、何らか
の要因によって空気極へ供給される空気流量が基準設定
流量から変化した場合には、改質装置の燃焼室への燃焼
用空気の供給量を一定に保てず、燃焼室の燃焼を安定に
確保することが出来ないという問題があった。

そこで本発明は、種々の要因によって酸化剤極へ供給さ
れる酸化剤ガス流量が基準設定流量から変化した場合で
も、改質装置の燃焼室への燃焼用空気の供給量を一定に
維持して燃焼室の燃焼を常に安定に確保することが可能
な信頼性の高い燃料電池発電システムを提供することを
目的とするものである。

［発明の構成コ（問題点を解決するための手段）上記の目的を達成するために本発明では、改質管の内側
に原撚料を導入すると共に、上記改質管の外側に燃焼用
燃料および燃焼用空気を燃焼室で燃焼して得られた高温
煤煙ガスを流通させることにより改質ガスを生成する改
質装置と、この改質装置でｑられた改質ガスを燃料ガス
として燃料外にまた酸化剤ガスを酸化剤極に夫々導入し
、このとき起こる電気化学的反応により両型＃ｆＡＩＪ
ｉから電気エネルギーを取出す燃料電池とを備えて構成
され、かつ上記燃料電池の酸化剤極から排出される排ガ
スの少なくとも一部を、上記改質ａ置における燃焼用空
気として導入するようにした燃料電？ｔ！！発電システ
ムにおいて、上記酸化剤ルヘ供給される酸化剤ガス流り
の基準設定流量からの変化量に基づいて、上記改質装置
に対する燃焼用空気の供給量を修正する手段を備えるよ
うにしたことを特徴とする。

（ＰＩｍ用）上述の燃料電池発電システムにおいては、何らかの要因
により、酸化剤ルヘ供給される酸化剤ガス流量が基準設
定流量よりも小さくなった場合には、改質装置に対する
燃焼用空気の供給量を修正する手段によって、酸化剤性
から排出される排ガスへ空気を補給する補給ラインを流
れる補給空気量を増加させるように修正するか、または
酸化剤極のガス排出部と改質装置の燃焼室とを結ぶライ
ンをバイパスするバイパスラインを流れるガス流量を減
少させるように修正することにより、結果として改質装
置の燃焼室へ供給する燃焼用空気間の減少が防止できる
ことになる。また逆に、酸化剤極へ供給される酸化剤ガ
ス流量が基ｉ！！設定流ａよりも大きくなった場合には
、改質装置に対する燃焼用空気の供給量を修正する手段
によって、酸化剤極から排出される排ガスへ空気を補給
する補給ラインを流れる補給空気量を減少させるように
修正するか、または酸化剤極のガス排出部と改１に装置
の燃焼室とを結ぶラインをバイパスするバイパスライン
を流れるガス流量を増加させるように修正することによ
り、結果として改質装置の燃焼室へ供給する燃焼用空気
量の過渡上昇が防止できることになる。

（実施例）以下、本発明の一実施例について図面を参照して説明す
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
をブロック的に示すものであり、第４図と同一部分には
同一符号を付して示してその説明を省略し、ここでは異
なる部分についてのみ述べる。

すなわち第１図は、前述した第４図に改質装置燃焼用補
給空気補正流量演算器１８を付加するようにしたもので
ある。この改質装置燃焼用補給空気補正流量演算器１８
は、前述の空気極供給ガス設定流量補正値演算器１０か
らの空気―供給ガス設定流量補正直信＠ｆに基づいて、
改質装置燃焼用補給空気設定流量補正可信号ｎを発生し
、この改質装置燃焼用補給空気設定流量補正値信号ｎに
よって前述の改質装置燃焼用補給空気設定流量信号Ｃに
対して補正を加えるものである。この場合、改質装置燃
焼用補給空気補正流量演算器１８の入力である空気極供
給ガス設定流ｍ補正値信号ｆと。

その出力である改質装置燃焼用補給空気設定流量補正値
信号ｎとの関係は、例えば下記の（１）式あるいは（２
）式のように与えているものである。

ｎ＝Ｋａ２ｆ−・・・（２）ここで、Ｋａ　１．Ｋａ　２　、Ｔａ　ｓは正の定数、
Ｓはラプラス演算子である。

次に、かかる如く構成した燃料電池発電システムにおけ
る、改質装置の燃焼室の燃焼制御作用について述べる。

まず、いま例えば電池電圧検出値信＠ｅが過渡に上昇し
、空気撞供給ガス設定流量補正ＩＩ信号ｆが負の方向に
動作し、空気極供給ガス設定流量信号Ｑが空気極供給ガ
ス基準設定流量信号すよりも小さくなると、燃料電池２
の空気極からの排ガス流量は減少する。しかしこの場合
には、空気極供給ガス設定流量補正値演算器１０から出
力される改質装置燃焼用補給空気設定流量補正値信号ｎ
は、改質装置燃焼用補給空気流量検出値信号ｊを増加さ
せるように作用する。これにより、改質装Ｗ１１の燃焼
室へ供給する燃焼用空気量の減少が防止され、結果的に
改質装置１の燃焼室に対しては常に一定量の燃焼用空気
量が供給されて、燃焼室での燃焼が安定に保たれること
になる。

また逆に、上述の空気橿供給ガス設定流量補正圃信号ｆ
が正の方向に動作し、空気極供給ガス設定流量信号Ｑが
空気揄供給ガス基準設定流量信号すよりも大きくなると
、燃料電池２の空気極からの排ガス流量は増加する。し
かしこの場合には、空気極供給ガス設定流量補正値演算
器１０から出力される改質装置燃焼用補給空気設定流量
補正値信号ｎは、改′ｌＩ装置燃焼用補給空気流量検出
値信号ｊを減少させるように作用する。これにより、改
質装置１の燃焼室へ供給する燃焼用空気量の過渡上昇が
防止され、結果的に改質装ｆｉ１の燃焼室に対しては常
に一定量の燃焼用空気量が供給されて、燃焼室での燃焼
が安定に保たれることになる。

上Ｊしたように本実施例では、電池電圧を始めとする種
々の要因によって、空気極へ供給される酸化剤ガス流量
がＭ＊設定流量から変化した場合であっても、それによ
る燃料電池２の空気極からの徘ガス流量の変化、すなわ
ち改質装置１の燃焼室への供給燃焼用空気量の変化を、
改Ｘ装置燃焼用補給空気流最検出値信号」が打消すこと
になり、これによって改質装置１の燃焼室には常に一定
量の燃焼用空気が供給され、改質装Ｍ１の燃焼室での燃
焼を安定に確保することが可能となる。

次に、本発明の他の実施例について図面を参照して説明
する。

第２図は、本発明による燃料電池発電システムのその他
の構成例をブロック的に示すものであり、第４図と同一
部分には同一符号を付して示してその説明を省略し、こ
こでは異なる部分についてのみ）ホベる。

すなわち第２図は、前述した第４図に改質装置燃Ｖｅ全
バイパス空気補正流量演ｉ器１９を例加するようにした
ものである。この改質装置燃ｇＡ至バイパス空気補正流
は演障器１つは、前述の空気（骸供給ガス設定流量補正
１ａ演算器１０からの空気擾供袷ガス設定流量補正値信
号ｆに基づいて、改質装置燃焼室バイパス空気設定流量
補正値信号Ｏを発生し、この改質装置燃焼室バイパス空
気設定流団補正値信号０によって前述の改質装置燃焼室
バイパス空気設定流量信＠ｄに対して補正を加えるもの
である。この場合、改質装置燃焼室バイパス空気補正流
量演算器１つの入力である空気極供給カス設定流量補正
値信号ｆと、その出力である改質ｖＲ１燃焼室バイパス
空気空気流定流正値信号０との関係は、例えば下記の（
３）式あるいは（４）式のように与えているものである
。

ｏ−■くｂ２ｆ・・・・・・（４）ここで、Ｋｔ）１．Ｋｂ２．Ｔｂｌは正の定数、Ｓはラ
プラス演算子である。

まず、いま例えば電池電圧検出値信号ｅが過渡に上昇し
、空気極供給ガス設定流量補正値信号ｆが負の方向に動
作し、空気極供給ガス設定流量信号Ｑが空気極供給ガス
基準設定流量信号すよりも小さくなると、燃料電池２の
空気極からの排ガス流量は減少する。しかしこの場合に
は、改質装置燃焼室バイパス空気補正流量演算器１９か
ら出力される改′ＩｉＩ装置燃焼室バイパス空気設定流
量補正値信号０は、改質装置燃焼室バイパス空気流量検
出値信号１を減少させるように作用する。これにより、
改質装置１の燃焼室へ供給する燃焼用空気ｌの減少が防
止され、結果的に改質装置Ｉ１１の燃焼室に対しては常
に一定量の燃焼用空気量が供給されて、燃焼室での燃焼
が安定に保たれることになる。

また逆に、空気極供給ガス設定流量補正値信号ｆが正の
方向に動作し、空気極供給ガス設定吊車信号Ｑが空気極
供給ガス基準設定流ｍ信号すよりも大きくなると、燃料
電池２の空気極からの排ガス流量は増加する。しかしこ
の場合には、改質装置燃焼室バイパス空気補正流鰻演算
器１９から出力される改質装置燃焼室バイパス空気設定
流量補正値信号Ｏは、改質装置燃焼室バイパス空気流量
検出暗信号１を増加させるように作用する。これにより
、改質ａｉｉｉの燃焼室へ供給する燃焼用空気量の過渡
上昇が防止され、結果的に改質装置１の燃焼室に対して
は常に一定量の燃焼用空気量が供給されて、燃焼室での
燃焼が安定に保たれることになる。

上述したように本実施例においても、前述した第１図の
実施例の場合と同様に、電池電圧を始めとする種々の要
因によって、空気極へ供給される酸化剤ガス流量が基準
設定流量から変化した場合であっても、それによる燃料
電池２の空気極からの排ガス流量の変化、すなわち改質
装Ｍ１の燃焼室への供給燃焼用空気量の変化を、改″！
Ａ装置燃焼賀バイパス空気流量検出１直信号１が打消す
ことになり、これによって改質装置ｌ１１の燃焼室には
常に一定量の燃焼用空気が供給され、改ｖ！装置１の燃
焼室での燃焼を安定に確保することが可能となる。

尚、本発明は上述した各実施例に限定されるものではな
く、次のようにしても同愼に実施することができるもの
である。

（ａ）上記各実施例では、改質装置燃焼用補給空気補正
流畿演痺器１８または改質装置燃焼室バイパス空気極正
流１演算器１９の入力として、空気極供給ガス設定流量
補正値信号ｆを用いたが、これに限らず例えば第３図に
示すように、空気極供給ガス流量検出値信号りと空気極
供給ガス基準設定流量信号すとの偏差信号ｆ′を入力す
るようにしても、前述と全く同様の作用効果が得られる
もである。

（１））上記各実施例では、空気極供給ガス設定流量補
正値信号ｆは電池電圧検出値信号ｅｌ、：基づいて設定
したが、本発明では空気極供給ガス設定流量補正１直信
号ｆを出力する空気極供給ガス設定流量補正値演算器１
０は、いかなるシステム状態信号を入力とし、かついか
なる演算を行なうものであっても良いものである。

（Ｃ）上記各実ｉ例において、電池出力ａとしては、電
池電流や出力もしくは電流の指令値等であってもよいも
のである。

その他、本発明はその要旨を変更しない範囲で、種々に
変形して実施することができるものである。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、種々の要因によっ
て酸化剤（框へ供給される酸化剤ガス汲置が基準設定流
量から変化した場合でも、改質装置の燃焼室への燃焼用
空気の供給量を一定に維持して燃焼室の燃焼を常に安定
に確保することが可能な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
図は本発明の他の実施例を示す構成ブロック図、第３図
は本発明の他の実施例の一部を示す構成ブロック図、第
４図は従来の燃料電池発電システムを示す構成ブロック
図である。１・・・改質装置、２・・・燃料電池、３・・・圧縮機
、４・・・空気極供給ガス流量０１節弁、５・・・改質
装置燃焼用補給空気流量調面弁、６・・・改質′ｔＡ置
燃焼室バイパス空気流最調節弁、７・・・空気極供給ガ
ス設定流ｍ演鐸器、８・・・改質装置燃焼用補給空気設
定流量演算器、９・・・改質装置燃焼室バイパス空気設
定流量演算器、１０・・・空気極供給ガス設定流量補正
値演算器、１１・・・電池電圧検出器、１２・・・流量
検出器、１３・・・流量検出器、１４・・・流量検出器
、１５・・・調節器、１６・・・調節器、１７・・・調
節器、１８・・・改質装置燃焼用補給空気補正流量演算
器、１９・・・改質装置燃焼室バイパス空気補正流量演
搾器、ａ・・・電池出力、ｂ・・・空気極供給ガス基準
設定流量信号、Ｃ・・・改質装ｒａ２Ｉ焼用補給空気設
定流量信号、ｄ・・・改質装置怒焼至バイパス空気設定
流量信＠為ｅ・・・電ｉｔ！！電圧検出値信号、ｆ・・
・空気（（供給ガス設定流量補正値信号、９．・・空気
極供給ガス設定流量信号、ｈ・・・空気極供給ガス流量
検出値信号、１・・・空気極供給ガス流量調節弁開度指
令信号、ｊ・・・改質装置燃焼用補給空気流ｎ検出値信
号、ｋ・・・改質装置燃焼用補給空気流量調節弁開度指
令信号、１・・・改質装置燃焼室バイパス空気流量検出
値信号、ｍ・・・改質装置懲焼室バイパス空気流量調節
弁開度指令信号、ｎ・・・改Ｍ装置燃焼用補給空気設定
流量補正値信号、０・・・改質装置燃焼室バイパス空気
設定流門補正値信号。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 −ａ薯、−ａ □ ■ ■ 第３図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）改質管の内側に原燃料を導入すると共に、前記改
質管の外側に燃焼用燃料および燃焼用空気を燃焼室で燃
焼して得られた高温燃焼ガスを流通させることにより改
質ガスを生成する改質装置と、この改質装置で得られた
改質ガスを燃料ガスとして燃料極にまた酸化剤ガスを酸
化剤極に夫々導入し、このとき起こる電気化学的反応に
より両電極間から電気エネルギーを取出す燃料電池とを
備えて構成され、かつ前記燃料電池の酸化剤極から排出
される排ガスの少なくとも一部を、前記改質装置の燃焼
室における燃焼用空気として導入するようにした燃料電
池発電システムにおいて、前記酸化剤極へ供給される酸
化剤ガス流量の基準設定流量からの変化量に基づいて、
前記改質装置に対する燃焼用空気の供給量を修正する手
段を備えるようにしたことを特徴とする燃料電池発電シ
ステム。
（２）改質装置に対する燃焼用空気の供給量を修正する
手段としては、酸化剤極から排出される排ガスへ圧縮機
もしくはブロワーにより空気を補給するラインを設け、
この補給ラインを流れる補給空気量を、酸化剤極へ供給
される酸化剤ガス流量の基準設定流量からの変化量に基
づいて修正するようにしたものであることを特徴とする
特許請求の範囲第（１）項記載の燃料電池発電システム
。
（３）改質装置に対する燃焼用空気の供給量を修正する
手段としては、酸化剤極のガス排出部と改質装置の燃焼
室とを結ぶラインをバイパスするラインを設け、このバ
イパスラインを流れるガス流量を、酸化剤極へ供給され
る酸化剤ガス流量の基準設定流量からの変化量に基づい
て修正するようにしたものであることを特徴とする特許
請求の範囲第（１）項記載の燃料電池発電システム。
（４）酸化剤極へ供給される酸化剤ガス流量の基準設定
流量からの変化量としては、供給ガス基準設定流量に対
する設定流量補正値信号を用いるようにしたものである
ことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の燃料
電池発電システム。
（５）酸化剤極へ供給される酸化剤ガス流量の基準設定
流量からの変化量としては、基準設定流量と供給ガス流
量検出値信号を用いるようにしたものであることを特徴
とする特許請求の範囲第（１）項記載の燃料電池発電シ
ステム。