JPS62278764A

JPS62278764A - 燃料電池発電プラント

Info

Publication number: JPS62278764A
Application number: JP61122553A
Authority: JP
Inventors: Haruo Matsumuro; 松室　春生
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-05-28
Filing date: 1986-05-28
Publication date: 1987-12-03

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】３、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プラントに係り、特に低負荷運転
時の燃ね電池出力電圧抑制制御を良好に行ない得るよう
にした燃料電池発電プラントに関するものである。

（発明の技術的背景とその問題点）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、交流電力のまま需要側へ供給
することが、電力の発生からｉｌ！ｆ費に至るまで最も
都合の良い方法として採用されており、現在の電力系統
は交流系統がその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ルギーと
して取り出し、これを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ことは効率面で不利である
ことから、近年では燃料の電気化学的変化を行なわせ、
この電気化学的変化の際に発生する電子の流れにより直
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
ってきている。

この燃料電池は、供給される燃料を酸化剤と電気化学的
に反応させて電力を発生するものであるが、その出力は
直流出力であり特定区域で消費する場合はこの直流のま
まで消費され、また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には、直流−交流変換器により交
流に変換して電力系統へ供給するようにしている。

第４図は、この種の代表的な燃料電池発電プラントの一
例を示したものであり、図中一点鎖線で囲った１の部分
が燃料電池発電プラントである。

第１図において、天然ガス等の原燃料は原燃料制御弁１
ｏによりその流量が制御されてミキサ１４に入る。また
、このミキサ１４には蒸気発生器゛−１５から、蒸気制
御弁１６によりその流量が制御された蒸気が入る。そし
て、ミキサ１４で混合し合った燃料は改質器４に入り、
触媒の下で加熱されて改質燃料となる（以下、かかる作
用を改質と称する）。次に、この改質された燃料は高温
変換器８．低温変成器９を経て一酸化炭素が除去され、
水素含有率の高い改質燃料となる。そして、この改質燃
料は改質燃料制御弁１１によりその流量が制御されて燃
料電池５の燃料極５Ａに流入し、ここで電気エネルギー
として一部が消費され、残りは前述の改質器４のメイン
バーナ１２で燃焼して改質器４の加熱用高温ガスとなり
、燃料電池５の酸化剤極（以下、空気極と称する）５Ｂ
からの排ガスと合流し、燃焼器７を経てターボコンプレ
ッサーのタービン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。また、ターボコンプレッサーのコ
ンプレッサ３からの吐出空気は空気制御弁１３によって
その流量が制御され、燃料電池５の空気極５Ｂに入った
酸素の一部は燃料極５Ａの水素と反応して消費され、残
りは空気極５Ｂから排出されて前述の改質器４のメイン
バーナ１２からの排ガスと合流し、燃焼器７を経由して
ターボコンプレッサのタービン２を駆動するために使用
される。

一方、燃料電池５の冷却は蒸気発生器１５から、電池冷
却水循環ポンプ１９により冷却板５Ｃそして再び蒸気発
生器１５へと循環して行なっている。

また電池冷加水の温度制御は、蒸気発生器１５で発生し
た蒸気の一部を熱交換器２０で冷やし、電池冷却水温度
制御弁１７により行なわれている。

ざらに、燃料電池５は燃料極５Ａに供給される水素と空
気極５Ｂに供給される空気中のｗ１累との触媒反応によ
って、空気極５Ｂが正極、燃料極５Ａが負極となるよう
にその電気エネルギーを発止し、この電気エネルギーで
ある直流出力を両極５Ａ、５８間に接続された変換器６
に供給し、ここで交流に変換し交流電力として電力系統
の電気的負荷へ供給する。そしてこの際、電気的負荷に
より吸収された電気エネルギーにほぼ比例して両極５Ａ
、５Ｂに供給された水素とＭ索が反応して水となり、そ
の未反応分が両ｔｔ５Ａ、５Ｂの出口側から排出される
ことになる。以上が、燃料電池発電プラントの基本構成
と動作のＩＲ略である。

次に、上述した燃料電池発電プラントにおける従来の制
御方法について第５図を用いて述べる。

すなわちここでは、燃料電池５の停止保管時のバンシベ
ーション制御すなわち燃料ｔｉ５Ａのラインの水素温度
制御、および空気極５Ｂのラインへの注入空気量制御す
なわち燃料電池５の電圧制σ０時に必要となる燃料、空
気の供給およびそれらの必要最低流速の確保、パッシベ
ーション用水素の拡散促進、低負荷領域での燃料、空気
利用率向上等で必要となる燃料側の再循環ライン（以下
、リサイクルラインと称する）、空気側のリサイクルラ
イン上に設置される燃料極リサイクルブロワ。

空気極りサイクルブロワのライン構成および制御方法に
ついて述べる。

第５図において、まず燃料極側のリサイクルラインは、
燃料電池５の燃料Ｆ￥Ａ５Ａの出口側にある燃料側アブ
ソーバ２１より燃料極りサイクルブロワ２２を用いて排
燃料の一部を燃料リサイクル流量制御弁２３を経由して
燃料ｆｆ１５Ａの入口側へもどすラインと、燃料極りサ
イクルブロワ２２の出口側より燃料リサイクルミニマム
流量制御弁２４を経由して燃料側アブソーバ２１へもど
るミニフローラインとから構成される。また同様に、空
気ル側のリサイクルラインは、燃料電池５の空気極５Ｂ
の出口側にある空気側アブソーバ２５より空気極リサイ
クルブロワ２６を用いて排空気の一部を空気リサイクル
流量制御弁２７を経由して空気ｉ５Ｂの入口側へもどす
ラインと、空気極りサイクルブロワ２６の出口側より空
気リサイクルミニマム流量制御弁２８を経由して空気側
アブソーバ２５へもどるミニフローラインとから構成さ
れる。

ここでミニフローラインは、リサイクル流量を低減した
時にブロワ全閉を防止するために設置されるものである
。

さて燃料電池は、低負荷領域では電池セル電圧が上限値
０．８Ｖを越えて、電池内部の触媒破損等を引き起こす
原因となる。この電池セル電圧の上下に影響を与える要
因としては、温度、圧力。

酸素濃度、水素濃度等がある。そして従来では、これら
の要因のうち酸素濃度を変化させて電圧を抑制すること
が行なわれている。第６図（ａ）（ｂ）に、プロセス量
の動き（リサイクル流量と電池電圧の関係）を示してい
る。すなわち、空気制御弁１３から導入された空気中の
酸素は燃料電池５の空気極５Ｂにて消費され、酸素濃度
の薄くなったものが空気側アブソーバ２５へ達する。次
に、空気極りサイクルブロワ２６がら空気リサイクル流
量制御弁２７を経て酸素濃度の薄くなった空気が、空気
極５Ｂの入口側に戻ってくる。このようにリサイクルを
行なうことによって空気極５Ｂの入口酸素濃度が薄くな
り、第６図（ｂ）に破線で示す部分が実線で示すように
なり、電圧をＯ，ＳＶ以下に抑えることができる。

すなわち、空気極りサイクルブロワ２６は起動待回転数
は起動と同時に定格回転数まで上昇し、空気リサイクル
ミニマム流量制御弁２８を全開としておき、全量をミニ
フローラインにて空気極アブソーバ２５へ戻す。次に、
第６図（ａ＞に示すような出力′電流に対するリサイク
ル流量の関数に基づいた流量指令により、空気リサイク
ル元旦制御弁２７を徐々に開く。これに伴って、空気極
アブソーバ２５と空気極リサイクルブロワ２６との間に
設置された差圧検出器５２からの差圧信号が小さくなる
。そして、この間の差圧を一定に保つために空気リサイ
クルミニマム流量制御弁２８が閉となる。このようにし
て目標の空気リサイクル撥に達したならば、空気リサイ
クル流量制御弁２７は流量検出器５１からの汲置信号に
よって一定流量制御が行なわれ、空気リサイクルミニマ
ム流量制御弁２８は差圧検出器５２からの差圧信号によ
り一定差圧制御が行なわれることになる。

しかしながら、上述したような従来の制御方法すなわち
リサイクル流量を出力電流の関数として決定し制御する
ようなものでは、電池の特性が変化する毎に関数の見直
し、再設定等の修正を行なうことが必要となり非常に面
倒である。また、出力電流に対するリサイクル流量の関
数に基づく流量指令では電池電圧の抑制制御をきめ細か
く良好に行なうことができないという問題がある。

〔発明の目的〕

本発明は上述のような問題点を解決するために成された
もので、その目的は低負荷運転時の電池電圧抑制制御を
、電池特性の変化による関数の見直し、再設定等の修正
を行なうことなく容易にしかもきめ細かく良好に１１な
うことが可能な燃料電池発電プラントを提供することに
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り、
上記燃料極に燃料を供給すると共に酸化剤極に酸化剤を
供給して、このとき起こる電気化学的反応により上記両
電極間から電気出力を取り出す燃料電池と、原燃料と蒸
気とを混合し改買器を介して得られる改質ガスを上記燃
料電池の燃料極へその燃料として供給する燃料供給手段
と、上記燃料電池の酸化剤極へ酸化剤を供給する酸化剤
供給手段と、上記原燃料に対して蒸気を供給する電池冷
却水供給手段と、上記燃料電池の酸化剤極の出口側から
排出される酸化剤の一部を上記酸化剤極の入口側へ再循
環させるように設けられた再循環ラインと、上記燃料電
池から取り出される出力電圧を検出する電圧検出手段と
、この電圧検出手段により検出された電圧値を設定値と
比較しかつこの比較結果に基づいて上記再循環ラインの
流量を制御する制御手段とを備えて構成することにより
、低負荷運転時の電池電圧抑制制御を電池出力電圧に基
づいて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、本発明を図面に示す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プラントの構成例
を示すものであり、第５図と同一部分には同一符号を付
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、第５図における流量検出
器５１を省略し、新たに燃料電池５から取り出される出
力電圧を検−出する電圧検出器５３と、この電圧検出器
５３により検出された電圧信号を設定値と比較してその
偏差をとり、かつこの比較結果である偏差信号をこれに
応じた弁開度信号に変換して前記空気リサイクル流量制
御弁２７へ与えることにより空気極リサイクル流量を制
御する制御部１００とを備えて構成するようにしたもの
である。

次に、かかるように構成した燃料電池発電プラントにお
いて、空気制御弁１３より導入された空気は燃料電池５
の空気極５Ｂにてその中の酸素が消費され、酸素濃度の
薄くなったものが空気側アブソーバ２５へ達する。次に
、空気リサイクルブロア２６から空気リサイクル流量制
御弁２７を経て酸素濃度の薄くなった空気が空気極５Ｂ
の入口側に戻ってくる。そしてここで、空気制御弁１３
より導入された空気中の酸素と、リサイクルされて濃度
の薄くなった酸素とが混じり合い、全体として酸素濃度
の薄い空気が燃料電池５の空気極５Ｂへ導入されること
になる。すなわち、酸素濃度が薄くなった場合には電池
電圧が低下し、逆に酸素濃度が濃い場合には電池電圧は
上昇する。また、電池電流を多く取れば電池電圧は低下
する。

一方、低負荷運転時すなわち電池電圧抑制制御が必要な
場合には、電圧検出器５３により検出された電圧信号が
制御部１００に入力され、この制御部１００の内部で設
定値と比較してその偏差をとり、かつこの比較結果であ
る偏差信号がそれに応じた弁開度信号に変換されて空気
リサイクル流量制御弁２７へ与えられることにより、空
気極りサイクル流量が制御されて電池電圧抑制制御が行
なわれることになる。すなわち、電池電圧が設定値より
も高い場合には空気極リサイクル流量を多くし、空気ｆ
ｆ１５Ｂの入口酸素濃度を低くして電圧を下げる。また
、電池電圧が設定値よりも低い場合には、燃料電池５内
部の流速を確保できる最低空気極リサイクル流量を一定
に帷持する。

一方、上述の低負荷運転から通常負荷運転へ移行した場
合には、空気極リサイクル流量が無くても電池電圧は設
定値を越えることがなくなるし、また燃料電池５内部の
流速多層に空気が流れるため、敢えてリサイクルで流速
を確保しなくても充分な流速が確保できることになるの
で、空気極リサイクル流量は順次減少させて零とする。

なお、燃料極リサイクル流量制御は前述した従来通り利
用率一定とする。

上述したように本実施例による燃料電池発電ブラン］・
では、燃料電池５の出力電圧を電圧検出器５３により検
出し、その電圧信号を設定値と比較してその偏差をとり
、かつこの陥差信号をそれに応じた弁開度信号に変換し
て空気リサイクル流量制御弁２７へ与えて空気極リサイ
クル流量を制御するようにしたので、低負荷運転時の電
池電圧抑制制御を、従来のように電池特性の変化（劣化
）による関数の見直し、再設定等の修正を行なうことな
く、容易にしかもきめ細かく良好に行なうことが可能と
なり、燃料電池発電プラントとしての信頼性を向上させ
ることができる。

次に、本発明の他の実施例について説明する。

第２図は、本発明による燃料電池発電プラントの他の構
成例を示すものであり、第１図と同一部分には同一符号
を付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２図は、第１図における燃料
リサイクル流量制御弁２３．空気リサイクル流量制御弁
２７．燃料リサイクルミニマム流量制御弁２４．空気リ
サイクルミニマム流量制御弁２８．燃料リサイクルミニ
マムフローライン、空気リサイクルミニマムフローライ
ン、制御部１００をそれぞれ省略し、新たに前記電圧検
出器５３により検出された電圧信号を設定値と比較して
その偏差をとり、かつこの比較結果である偏差信号を第
３図（ａ）（ｂ）に示すような空気極りサイクルブロワ
２６の回転数と空気極リサイクル流量の関数関係に基づ
いて回転数指令信号に変換する制御部１０１と、この制
御部１０１からの回転数指令信号により空気極りサイク
ルブロワ２６の回転数を制御することにより空気准リサ
イクル流量を制御するインバータ３２と、前記流量検出
器５０からの流量信号を第３図（ａ）（ｂ）に示すよう
な燃料極りサイクルブロワ２２の回転数と燃料極リサイ
クル流量の関数゛個係に基づいて回転数指令信号に変換
する制御部１０２と、この制御部１０２からの回転数指
令信号により燃料極りサイクルブロワ２２の回転数を制
御することにより燃料極リサイクル流量を制御するイン
バータ３１とを備えて構成するようにしたものである。

かかる構成の燃料電池発電プラントにおいても、前述し
た第１図の実施例の場合と同様に空気極リサイクル流量
が制御されるが、前述した実施例と異なる点は制御部１
０１からの回転数指令信号によりインバータ３２によっ
て空気極ちサイクルブロワ２６の回転数を制御すること
によって、空気極リサイクル流口が制御されることであ
る。なお燃料極リサイクル流量制御は、流ｍ検出器５０
からの流量信号に基づいた制御部１０２からの回転数指
令信号により、インバータ３１で燃料極りサイクルブロ
ワ２２の回転数を制御することによって燃料極リサイク
ル流量を制御するという、前述した従来通り利用率一定
とする。

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、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。

例えば、上述した実施例では燃料電池５の空気極５Ｂへ
供給する酸化剤として空気を使用したが、これに限らず
純粋な酸素等のその他のガスを酸化剤として使用できる
ことは言うまでもないことである。また、燃料電池５の
燃料極５Ａへ供給する燃料についても同様である。

（発明の９ｊＩ果）以上説明したように本発明によれば、燃料電池から取り
出される出力電圧を電圧検出手段により検出し、この検
出された電圧値を制御手段により設定値と比較しその比
較結果に基づいて酸化剤側再循環ラインの流量を制御す
るようにしたので、低負荷運転時の電池電圧抑制制御を
、電池特性の変化による関数の見直し、再設定等の修正
を行なうことなく容易にしかもきめ細かく良好に行なう
ことが可能な極めて信頼性の高い燃料電池発電プラント
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図、第２図は本発
明の他の実施例を示す構成図、第３図（ａ）（ｂ）は第
２図の実施例に適用するりサイクルブロワ回転数とリサ
イクル流量の関数関係を示す図、第４図は燃料電池発電
プラントの一例を示す構成図、第５図は第４図の燃料電
池発電プラントにおける従来の制御構成例を示ず図、第
６図（ａ）（ｂ）は第５図に適用する電池電圧ロワ回転
数とリサイクル流量の関係を示す図である。１・・・燃料電池発電プラント、２・・・タービン、３
・・・コンプレッサ、４・・・改質器、５・・・燃料電
池、５Ａ・・・燃料極、５Ｂ・・・空気極、５Ｃ・・・
冷却板、６・・・変換器、７・・・燃焼器、８・・・高
温変成器、９・・・低温変成器、１０・・・原燃料制御
弁、１１・・・改質燃料制御弁、１２・・・メインバー
ナ、１３・・・空気制御弁、１４・・・ミキサ、１５・
・・蒸気発生器、１６・・・蒸気制御弁、１７・・・電
池冷却水温度制御弁、１８・・・圧力制御弁、１つ・・
・電池冷却水循環ポンプ、２ｏ・・・熱交換器、２１・
・・燃料側アブソーバ、２２・・・燃料極リサイクルブ
ロワ、２３・・・燃料リサイクル流量制御弁、２４・・
・燃料リサイクルミニマムｖＬ量制御弁、２５・・・空
気側アブソーバ、２６・・・空気極リサイクルブロワ、
２７・・・空気リサイクル流量ａｉｌＪＩ弁、２８・・
・空気リサイクルミニマム流ｌｕ制御弁、３１゜３２・
・・インバータ、５０．５１・・・流量検出器、５２・
・・差圧検出器、５３・・・電圧検出器、１００〜１０
２・・・制仰部。出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦第３図（ａ）時間第３　図　（ｂ）第４図出力＠ｌ第６　図　（ａ）ム出力＠流第６図（ｂ）

Claims

【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
電極を配置して成り、前記燃料極に燃料を供給すると共
に酸化剤極に酸化剤を供給して、このとき起こる電気化
学的反応により前記両電極間から電気出力を取り出す燃
料電池と、原燃料と蒸気とを混合し改質器を介して得ら
れる改質ガスを前記燃料電池の燃料極へその燃料として
供給する燃料供給手段と、前記燃料電池の酸化剤極へ酸
化剤を供給する酸化剤供給手段と、前記原燃料に対して
蒸気を供給する電池冷却水供給手段と、前記燃料電池の
酸化剤極の出口側から排出される酸化剤の一部を前記酸
化剤極の入口側へ再循環させるように設けられた再循環
ラインと、前記燃料電池から取り出される出力電圧を検
出する電圧検出手段と、この電圧検出手段により検出さ
れた電圧値を設定値と比較しかつこの比較結果に基づい
て前記再循環ラインの流量を制御する制御手段とを備え
て構成するようにしたことを特徴とする燃料電池発電プ
ラント。
（２）制御手段としては、再循環ライン上に設けられる
流量制御弁の開度を制御することにより再循環ライン流
量を制御するようにした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プラント。
（３）制御手段としては、再循環ライン上に設けられる
再循環ブロワの回転数をインバータで制御することによ
り再循環ライン流量を制御するようにしたことを特徴と
する特許請求の範囲第（１）項記載の燃料電池発電プラ
ント。