JPS6260791B2 - - Google Patents
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- JPS6260791B2 JPS6260791B2 JP57049512A JP4951282A JPS6260791B2 JP S6260791 B2 JPS6260791 B2 JP S6260791B2 JP 57049512 A JP57049512 A JP 57049512A JP 4951282 A JP4951282 A JP 4951282A JP S6260791 B2 JPS6260791 B2 JP S6260791B2
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-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は燃料電池発電システムの制御方法に係
り、特に、排熱回収にターボ圧縮機を有する燃料
電池発電システムの圧力制御方法に関する。
り、特に、排熱回収にターボ圧縮機を有する燃料
電池発電システムの圧力制御方法に関する。
燃料電池を効率良く運転するためには、流量、
圧力、温度等を制御する必要があり、具体的な方
法に関しては、負荷電流に応じて燃料電池への空
気供給量及び再循環量を制御する方法（特公昭48
−41352号）、改質器への供給流量を電池電流と改
質器温度で制御する方法（特公昭50−15058号）、
および改質器の圧力を電池より高くする方法（特
開昭53−81923号）等が提案されている。これら
の制御方法は多くの利点を有しているが、排熱回
収にターボ圧縮機を有するシステムの制御方法と
しては不十分である。例えば、電池の負荷が減少
すると、必要とする空気量が減少し、吐出流量が
低下する。この場合、吐出圧力を一定に保持する
と、サージング現象が発生する可能性があるにも
かかわらず、前記した制御方法では考慮されてい
ない。
圧力、温度等を制御する必要があり、具体的な方
法に関しては、負荷電流に応じて燃料電池への空
気供給量及び再循環量を制御する方法（特公昭48
−41352号）、改質器への供給流量を電池電流と改
質器温度で制御する方法（特公昭50−15058号）、
および改質器の圧力を電池より高くする方法（特
開昭53−81923号）等が提案されている。これら
の制御方法は多くの利点を有しているが、排熱回
収にターボ圧縮機を有するシステムの制御方法と
しては不十分である。例えば、電池の負荷が減少
すると、必要とする空気量が減少し、吐出流量が
低下する。この場合、吐出圧力を一定に保持する
と、サージング現象が発生する可能性があるにも
かかわらず、前記した制御方法では考慮されてい
ない。
本発明の目的は、燃料電池のターボ圧縮機の運
転を安定化させるため、運転圧力の最適化を図る
制御方法を提供することにある。
転を安定化させるため、運転圧力の最適化を図る
制御方法を提供することにある。
本発明では、燃料電池の負荷に応じて、排熱回
収用ターボ圧縮機の回転数と吐出圧力を変化させ
るように運転する。例えば、負荷が減少すれば必
要空気量が減少し、ターボ圧縮機の必要回転数が
低下する。この場合、圧縮熱吐出圧力を高い状態
に保持すると、空気が圧縮されない現象（サージ
ング現象）が発生する可能性が強い。このため、
本発明では、吐出圧力を低下させるように運転す
ることで、サージング現象の発生を防止させる。
収用ターボ圧縮機の回転数と吐出圧力を変化させ
るように運転する。例えば、負荷が減少すれば必
要空気量が減少し、ターボ圧縮機の必要回転数が
低下する。この場合、圧縮熱吐出圧力を高い状態
に保持すると、空気が圧縮されない現象（サージ
ング現象）が発生する可能性が強い。このため、
本発明では、吐出圧力を低下させるように運転す
ることで、サージング現象の発生を防止させる。
以下、本発明の一実施例を第１図により説明す
る。第１図は、燃料電池１０、燃料改質器２０、
タービン３０、圧縮機３１より構成される燃料電
池発電システムに、本発明による制御装置１２０
を適用した例である。第１図で、５２は改質ガス
流量制御装置、６２は改質器燃焼用燃料流量制御
装置、７２は電池燃料圧力制御装置、８２は電池
空気流量制御装置、９２は電池空気圧力制御装
置、１０２は改質器燃焼用空気流量制御装置、１
１２は圧縮機吐出圧力制御装置である。５１，６
１，８１および１０１は流量計、７１，９１およ
び１１１は圧力計、５３，６３，７３，８３，９
３，１０３および１１３は調節弁である。これら
の制御装置には制御装置１２０によりB1、B2、
B3、B4、C1、C2、C3の設定値が与えられる。す
なわち、流量制御装置８２，１０２，５２および
６２の設定値はB1、B2、B3、B4、圧力制御装置
９２，７２および１１２の設定値はC1、C2、C3
で与えられる。制御装置１２０へは、負荷４０か
ら検出されて負荷に比例した信号Ａが入力され
る。
る。第１図は、燃料電池１０、燃料改質器２０、
タービン３０、圧縮機３１より構成される燃料電
池発電システムに、本発明による制御装置１２０
を適用した例である。第１図で、５２は改質ガス
流量制御装置、６２は改質器燃焼用燃料流量制御
装置、７２は電池燃料圧力制御装置、８２は電池
空気流量制御装置、９２は電池空気圧力制御装
置、１０２は改質器燃焼用空気流量制御装置、１
１２は圧縮機吐出圧力制御装置である。５１，６
１，８１および１０１は流量計、７１，９１およ
び１１１は圧力計、５３，６３，７３，８３，９
３，１０３および１１３は調節弁である。これら
の制御装置には制御装置１２０によりB1、B2、
B3、B4、C1、C2、C3の設定値が与えられる。す
なわち、流量制御装置８２，１０２，５２および
６２の設定値はB1、B2、B3、B4、圧力制御装置
９２，７２および１１２の設定値はC1、C2、C3
で与えられる。制御装置１２０へは、負荷４０か
ら検出されて負荷に比例した信号Ａが入力され
る。
燃料改質器２０の反応部２２に配管５０を通し
て供給された燃料は、燃焼室２１よりの熱で改質
され、水素リツチのガスとなり配管５４を通つて
燃料電池１０の燃料室１２に供給される。空気圧
縮機３１よりの空気は、配管１００，８０より燃
料電池１０の空気室１１に供給され、水素と酸素
が電気化学的に反応して電極１３および１４の間
に電圧を発生する。発生した電力は、回路４１に
よつて外部負荷４０に供給される。燃料電池１０
での未反応燃料は配管７０に、空気は配管９０に
排出される。未反応燃料は、配管６０より供給さ
れる燃焼用燃料とともに燃料改質器２０の燃焼室
２１で燃焼する。燃焼エネルギーの一部は、改質
用に消費される。残りのエネルギーは、燃焼ガス
として配管２３を通つてガスタービン３０に供給
される。
て供給された燃料は、燃焼室２１よりの熱で改質
され、水素リツチのガスとなり配管５４を通つて
燃料電池１０の燃料室１２に供給される。空気圧
縮機３１よりの空気は、配管１００，８０より燃
料電池１０の空気室１１に供給され、水素と酸素
が電気化学的に反応して電極１３および１４の間
に電圧を発生する。発生した電力は、回路４１に
よつて外部負荷４０に供給される。燃料電池１０
での未反応燃料は配管７０に、空気は配管９０に
排出される。未反応燃料は、配管６０より供給さ
れる燃焼用燃料とともに燃料改質器２０の燃焼室
２１で燃焼する。燃焼エネルギーの一部は、改質
用に消費される。残りのエネルギーは、燃焼ガス
として配管２３を通つてガスタービン３０に供給
される。
本発明の制御系１２０は、従来より知られてい
る負荷追従制御を含んでおり、負荷に応じた流量
設定値B1、B2、B3、B4を出力する。改質器燃焼
用空気流量制御装置１０２では、燃焼状態を最適
化させるために、配管７０および６０にて供給さ
れる未反応燃料および燃焼用燃料の流量に応じて
配管１００を通して導かれる空気流量を調整す
る。負荷が変動すると燃料電池１０での水素消費
量が変化し、未反応燃料の水素量が変動する。こ
の場合の空気流量は、燃料改質器２０に導かれる
燃料がメタンの場合の理論空気流量は次式のよう
になる（フアラデー定数を96500c／molとす
る）。
る負荷追従制御を含んでおり、負荷に応じた流量
設定値B1、B2、B3、B4を出力する。改質器燃焼
用空気流量制御装置１０２では、燃焼状態を最適
化させるために、配管７０および６０にて供給さ
れる未反応燃料および燃焼用燃料の流量に応じて
配管１００を通して導かれる空気流量を調整す
る。負荷が変動すると燃料電池１０での水素消費
量が変化し、未反応燃料の水素量が変動する。こ
の場合の空気流量は、燃料改質器２０に導かれる
燃料がメタンの場合の理論空気流量は次式のよう
になる（フアラデー定数を96500c／molとす
る）。
F100＝１／０．２１×｛（４×F50−１／２×９６５００×Ｍ×Ｉ）＋２×F60｝ ……(1)
ここで、F100は理論空気流量（mol／ｓ）
F50は改質器反応部入口メタンガス流量
（mol／ｓ） F60は改質器燃焼室入口メタンガス流量
（mol／ｓ） Ｍは燃料電池直列接続個数 Ｉは負荷電流(A) である。
（mol／ｓ） F60は改質器燃焼室入口メタンガス流量
（mol／ｓ） Ｍは燃料電池直列接続個数 Ｉは負荷電流(A) である。
制御装置１０２での空気流量は、例えば(1)式の
1.3倍になるように設定値を与える。
1.3倍になるように設定値を与える。
次に、圧力制御装置７２，９２，１１２の圧力
設定方法を第２図を用いて説明する。負荷変化が
設定変化幅εより大きい場合について考える。仮
に、負荷が減少すると、燃料電池１０での反応量
は減少するので、各流量制御系の流量は小さくな
るように設定される。このため、空気圧縮機３１
の吐出流量は減少するため、第２図の１２２で必
要空気流量を求める。空気圧縮機３１の吐出流量
Ｑと吐出圧力Ｈの関係は、一般的に第３図のよう
であり、吐出流量は空気圧縮機３１の回転数に、
吐出圧力は回転数の２乗に比例する。第２図のス
テツプ123では、吐出流量に比例した回転数ｎを
計算し、ステツプ124では、回転数のｍ乗（通常
は２乗）に比例した吐出圧力を計算する。すなわ
ち、負荷が減少した場合には、回転数は負荷に、
吐出圧力は負荷のｍ乗に比例させて減少させる。
この場合の圧縮機３１の運転状況を第３図で説明
する。定格運転時の回転数m1時、R1の点で運転
しているものとする。負荷が減少し、回転数がn2
に減少した場合、吐出圧力一定時にはR2の点で
運転される。吐出流量が減少すると空気が圧縮さ
れない現象、サージングが空気圧縮機３１に発生
する。この状態は、第３図でＳにて示してあり、
R2の点はサージング発生寸前の状態である。こ
の場合、吐出圧力が低くなるように、例えば、
R3で運転すれば、サージング発生の恐れがなく
なる。
設定方法を第２図を用いて説明する。負荷変化が
設定変化幅εより大きい場合について考える。仮
に、負荷が減少すると、燃料電池１０での反応量
は減少するので、各流量制御系の流量は小さくな
るように設定される。このため、空気圧縮機３１
の吐出流量は減少するため、第２図の１２２で必
要空気流量を求める。空気圧縮機３１の吐出流量
Ｑと吐出圧力Ｈの関係は、一般的に第３図のよう
であり、吐出流量は空気圧縮機３１の回転数に、
吐出圧力は回転数の２乗に比例する。第２図のス
テツプ123では、吐出流量に比例した回転数ｎを
計算し、ステツプ124では、回転数のｍ乗（通常
は２乗）に比例した吐出圧力を計算する。すなわ
ち、負荷が減少した場合には、回転数は負荷に、
吐出圧力は負荷のｍ乗に比例させて減少させる。
この場合の圧縮機３１の運転状況を第３図で説明
する。定格運転時の回転数m1時、R1の点で運転
しているものとする。負荷が減少し、回転数がn2
に減少した場合、吐出圧力一定時にはR2の点で
運転される。吐出流量が減少すると空気が圧縮さ
れない現象、サージングが空気圧縮機３１に発生
する。この状態は、第３図でＳにて示してあり、
R2の点はサージング発生寸前の状態である。こ
の場合、吐出圧力が低くなるように、例えば、
R3で運転すれば、サージング発生の恐れがなく
なる。
制御装置１２０よりの圧力設定信号はC1、
C2、C3に発せられるが、第１図の実施において
は、C3の値をC1及びC2より高くする必要があ
る。
C2、C3に発せられるが、第１図の実施において
は、C3の値をC1及びC2より高くする必要があ
る。
次に、負荷変化時における燃料電池１０の起電
力について、第４図、第５図を用いて説明する。
第４図は負荷電流と起電力の関係、第５図は電池
のガス圧力と起電力の関係を示したものである。
負荷電流が減少すると、燃料電池の起電力は上昇
する。本発明では、負荷減少時にはガス圧力を低
下させるように運転させるが、ガス圧力を低下さ
せると起電力は低下する特性を有しており、負荷
電流の減少に伴う起電力上昇と相殺する。すなわ
ち、負荷変化時の出力電圧変動が小さくなること
になる。
力について、第４図、第５図を用いて説明する。
第４図は負荷電流と起電力の関係、第５図は電池
のガス圧力と起電力の関係を示したものである。
負荷電流が減少すると、燃料電池の起電力は上昇
する。本発明では、負荷減少時にはガス圧力を低
下させるように運転させるが、ガス圧力を低下さ
せると起電力は低下する特性を有しており、負荷
電流の減少に伴う起電力上昇と相殺する。すなわ
ち、負荷変化時の出力電圧変動が小さくなること
になる。
以上に於ては、本発明をその特定の実施例につ
いて説明したが、本発明は説明した実施例に限定
されるものでなく、本発明の範囲内で種々の応用
が可能であることは当業者にとつて明らかであ
る。
いて説明したが、本発明は説明した実施例に限定
されるものでなく、本発明の範囲内で種々の応用
が可能であることは当業者にとつて明らかであ
る。
例えば、制御装置１２０への入力信号は、負荷
電流の代りに電力でも同一の効果を得ることがで
きる。また、圧縮機吐出圧力は、放風量１１０で
調整しているが、タービン入口ガスをバイパスさ
せる方式でも良く、電池出口空気９０を大気に放
出する方法も考えられる。
電流の代りに電力でも同一の効果を得ることがで
きる。また、圧縮機吐出圧力は、放風量１１０で
調整しているが、タービン入口ガスをバイパスさ
せる方式でも良く、電池出口空気９０を大気に放
出する方法も考えられる。
本発明によれば次の効果がある。
(1) 圧縮機の運転が安定化し、サージング発生を
防止できる。
防止できる。
(2) 負荷変動時の燃料電池電圧変動を小さくする
ことができる。
ことができる。
第１図は本発明を適用した燃料電池発電システ
ムの一例を示した系統図、第２図は本発明の動作
を説明するフロー線図、第３図は圧縮機の吐出流
量と吐出力の関係を示す特性図、第４図および第
５図は本発明の効果を説明するための燃料電池の
特性図である。 １０……燃料電池、２０……燃料改質器、３０
……タービン、３１……圧縮機、１２０……制御
装置。
ムの一例を示した系統図、第２図は本発明の動作
を説明するフロー線図、第３図は圧縮機の吐出流
量と吐出力の関係を示す特性図、第４図および第
５図は本発明の効果を説明するための燃料電池の
特性図である。 １０……燃料電池、２０……燃料改質器、３０
……タービン、３１……圧縮機、１２０……制御
装置。
Claims (1)
- １ 燃料電池と、前記燃料電池に燃料を供給する
手段と、前記燃料電池に酸化ガスを供給する圧縮
機とからなる燃料電池発電システムの圧力を制御
する方法において、前記燃料電池の負荷電流を検
出し、この負荷電流の減少に基づいて前記圧縮機
の回転数および前記圧縮機の酸化ガス吐出圧力を
低下させることを特徴とする燃料電池発電システ
ムの圧力制御方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57049512A JPS58166671A (ja) | 1982-03-27 | 1982-03-27 | 燃料電池発電システムの圧力制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57049512A JPS58166671A (ja) | 1982-03-27 | 1982-03-27 | 燃料電池発電システムの圧力制御方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS58166671A JPS58166671A (ja) | 1983-10-01 |
| JPS6260791B2 true JPS6260791B2 (ja) | 1987-12-17 |
Family
ID=12833179
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57049512A Granted JPS58166671A (ja) | 1982-03-27 | 1982-03-27 | 燃料電池発電システムの圧力制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS58166671A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6353389A (ja) * | 1986-08-19 | 1988-03-07 | ベンデイクス・リミテツド | 管連結用組立体 |
| JP2666740B2 (ja) * | 1993-09-30 | 1997-10-22 | ラスムッセン ジイエムビイエイチ | ２つの流体導管を接続するプラグイン方式継手 |
| CN103727074A (zh) * | 2013-12-07 | 2014-04-16 | 西南交通大学 | 燃料电池机车低功率运行空压机防喘振方法 |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5975571A (ja) * | 1982-10-23 | 1984-04-28 | Jgc Corp | 燃料電池発電システムにおける運転方法 |
| JPS60158562A (ja) * | 1984-01-27 | 1985-08-19 | Mitsubishi Electric Corp | 燃料電池発電システム |
| US4838020A (en) * | 1985-10-24 | 1989-06-13 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Turbocompressor system and method for controlling the same |
| JP2922209B2 (ja) * | 1989-01-06 | 1999-07-19 | 三菱電機株式会社 | 燃料電池発電システム |
| DE4318818C2 (de) * | 1993-06-07 | 1995-05-04 | Daimler Benz Ag | Verfahren und Vorrichtung zur Bereitstellung von konditionierter Prozessluft für luftatmende Brennstoffzellensysteme |
| JP6168028B2 (ja) * | 2014-11-05 | 2017-07-26 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池システム |
-
1982
- 1982-03-27 JP JP57049512A patent/JPS58166671A/ja active Granted
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6353389A (ja) * | 1986-08-19 | 1988-03-07 | ベンデイクス・リミテツド | 管連結用組立体 |
| JP2666740B2 (ja) * | 1993-09-30 | 1997-10-22 | ラスムッセン ジイエムビイエイチ | ２つの流体導管を接続するプラグイン方式継手 |
| CN103727074A (zh) * | 2013-12-07 | 2014-04-16 | 西南交通大学 | 燃料电池机车低功率运行空压机防喘振方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS58166671A (ja) | 1983-10-01 |
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