JPS6282659A - 燃料電池発電プラントガス圧力流量制御装置 - Google Patents

燃料電池発電プラントガス圧力流量制御装置

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JPS6282659A
JPS6282659A JP60220444A JP22044485A JPS6282659A JP S6282659 A JPS6282659 A JP S6282659A JP 60220444 A JP60220444 A JP 60220444A JP 22044485 A JP22044485 A JP 22044485A JP S6282659 A JPS6282659 A JP S6282659A
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control device
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JP60220444A
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Yasuo Takagi
康夫 高木
Takashi Shigemasa
隆 重政
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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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、リン酸電解質燃料電池(FC)スタックに供
給する空気と燃料ガスの圧力と流量を制御する燃料電池
発電プラントガス圧力流量制御装置に関する。
〔発明の技術的背景とその問題点〕
リン酸電解質FCスタックは、リン酸電解質を保持する
厚さ1朋以下の薄いマトリックスをはきんで、陽極(ア
ノード)と陰僅(カソード)が対面する形状を持つ素電
池と、素電池と素電池を電気的に結合するとともに、ア
ノードへ水素を含む燃料ガスをカソードへ酸素を含む酸
化ガス、例えば空気を供給するための溝を持つセパレー
タを交互に数十から数百積み重ねた構造を持つのが一般
的である。
上記の如き構成を持つFCスタックにおいては、カソー
ドの空気とアノードの燃料ガスの間の圧力差が薄いマト
リックスの許容限界を越えると、圧力の高い極から低い
極へ向かい、空気または燃料ガスがマトリックス中を透
過し、いわゆるクロスオーバと呼ばれる現象を起こす。
このクロスオーバが起きると、発電に寄与することなく
、直接空気と燃料ガスが反応するため燃料の発電利用効
率が低下する。また、電解質を保持しているマトリック
ス中を急にガスが流れるので、その部分のリン酸電解質
がガスと共に飛ばされ失われたり、局所的に燃料ガスと
空気が多量に反応するので、その部分の温度が異常に高
くなり、触媒を劣化させたり、微妙な平衡を保っている
反応点(三相境界)を破壊し回往不可能な損儲をもたら
す。
そこで、従来のFC発電プラントでは、このカソード空
気とアノード燃料ガスの圧力と流量を制御するために、
第3図に示す圧力流量制御系を設置していた。この圧力
流量制御系において、空気系、燃料系それぞれFCに供
給する流量は、流量目標値と、流量検出器1a、lbに
より測定された実流量の差にもとづき調節計2a、2b
Kより制御信号を演算し、この演算信号・にもとづき流
量調節弁3a、3bを駆動して制御する。また、FCア
ノードおよびカソードの圧力とその目標値との差にもと
づき調節計2a、2tl’ICより圧力調節弁3e 、
3dを用いて制御する。また、従来このような調節計と
して一般にはPI動作を行う調節計が用いられてきた。
しかし、このようなFCプラント圧力流1制御系では、
流量制御弁3a、3bの開度の変化により流量が変わる
のみでなく、圧力も大きく変化する。また、圧力制御弁
3c、3dの開度変化は、圧力の他流量にも大きな影響
を与える。
したがって、負荷に応じて流量を変えるため、流量目標
値を変化させると、流量の他、圧力も変化する。圧力の
目標値を変えた場合も同様である。
この様に2つの制御系が干渉しているために圧力のゆら
ぎ幅を抑え上記グロスオーバを防止するには、流量変化
を極めて緩やかなものにせざるを得なかった。FCの電
流負荷は流量に応じた量以上取ることができないので、
この干渉の結果FCプラントの負荷変化は大きな制約を
受けて来た。
〔発明の目的〕
本発明は上記従来圧力流量制御系の欠点を改良したもの
で、速い負荷変動時においても、圧力を目標値に保持し
つつ流量を迅速に負荷に追従させることのできるFC発
電プラントの圧力流量制御装置を提供することを目的と
する。
〔発明の概要〕
この目的を達成するために本発明は、空気系及び燃料系
に流量目標値と圧力目標値及び流量信号と圧力信号を入
力して、流量目標値に対して流量を、圧力目標値に対し
て圧力を、それぞれ互いに外乱を与えないように、FC
の上流側に設けられた流量制御弁と下流側に設けられた
圧力制御弁を用いて制御する非干渉制御装置を設け、か
つ負荷変化に対しあらかじめ流量、圧力変化を予測して
これを補い、流量、圧力の変動を抑えるように流1制御
弁と圧力制御弁の補正開度を出力するフィードフォワー
ド制御装置と、上記非干渉制御装置とフィードフォワー
ド制御装置の制御演算定数を、FCの負荷と流IK応じ
て演算し出力するゲインスケシー−リング装置から構成
される圧力、流量制御装置を設け、空気系、燃料系それ
ぞれに設置された圧力制御弁と流量制御弁を用いて圧力
と流量の制御を行なう。
〔発明の効果〕
上記圧力流量制御装置を有するFC発電ブ2ントでは、
アノード(燃料ガス)とカソード(空気)間の圧力差は
、大きな負荷変化時にも常時小さく保つことができる。
この結果、クロスオーバの危険が少なく、FCの寿命を
長く保ち、かつ性能の劣化を防ぐことができる。
また、アノード−カソード間の圧力差が常時小さく保た
れるので、負荷変化の速度を従来のFC発電プラントよ
り著しく速くすることができる。この結果、負荷要求に
迅速に追従することができ、常時需要に見合った燃料ガ
ス流量を流すことができるので、燃料の発電利用効率を
向上させることができる。
〔発明の実施例〕
以下、本発明に従って構成されるFC発電プラントガス
圧力流量制御装置の一実施例を図面にしたがい詳細に説
明する。第1図は本実施例の概略構成図である0窒気系
、燃料系ともにFCの上流側と下流側にある制御弁3m
、3cもしくは3b 、3dを用い1圧力と流量と負荷
の信号を入力して前記制御弁の開度χ制御装置6aまた
は6bにより演算し、それぞれの系の圧力と流量を制御
する。
次に、空気系制御装置6aの構成を第2図に示す。燃料
系の制御装置6bと空気系の制御装置6aの構成は同じ
なので、第2図は燃料系の制御装置6bの構成でもある
。本制御装置は大きく分けると、非干渉制御装置7とフ
ィードフォワード制御装置8とゲインスケジューリング
装置9.弁の非線形補償器10a、10bおよびア/プ
リファイヤー11a、llbから構成てれる。非干渉制
御装置7はPI演算器12a。
12bおよび非干渉化フィルター13a、13b。
13c、13dから構成される。これらのパラメータは
行列分解の手法と、叱責の部分的モデルマツチングの手
法を組み合わすことKより、容易に最適値を求めること
ができる。ゲインスケジューリング装置9は上記制御パ
ラメータを流量信号に応じて出力するもので、あらかじ
め入力しである代表流量での制御パラメータを補間演算
して出力する0フイードフオワード制御装置8は、負荷
変化の量および負荷レベルに応じ圧力と流量の変化を補
償する装置であり、燃料系においては、負荷変化に対し
、流址制御升は正のゲインを、圧力制御弁は負のゲイン
を持ち、空気系では流量制御弁は負のゲインを、圧力制
御弁は正のゲインを持つ。
また、弁の非線形補償器10a、10bは弁の持つ弁開
度−流路抵抗曲線(通常CV−開度特性として与えられ
る)の逆関数をセクトしである。
本実施例において非干渉制御装置として採用した非干渉
化フィルターを持つ非干渉制御装置は行列分解により極
めて容易に非干渉化フィルターのパラメータを求めるこ
とができるとともに、調節計が2つですみ構成が容易で
ある○また、非線形補償をゲインスケジューリング装置
9と弁の非線形補償器10a、10bに分担することに
より制御対象のもつ弁の非線形性と圧力流量関係の非線
形性を分離することができ著しくゲインヌケシー−リン
グ装置の負担金軽くすることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明にかかるFC発電プラントガス圧力流1
制御装置の一実施例の概要図、第2図は本発明にかかる
圧力流量III御装置のブロック図、第3図は従来のF
C発電プラントのガス圧力流量制御装置の構成図である
。 1・・・流量検出器、2・・・調節計、3・・・弁、4
・・・FCスタック、5・・・圧力信号、6・・・ガス
圧力流量制御装置、7・・・非干渉制御装置、8・・・
フィードフォワード制御装置、9・・・ゲインスケジュ
ーリング装置、IO・・・升の非線形補償器、11・・
・電力増幅器、12・・・I’I演算器、13・・非干
渉1ヒフイルター。 代理人 弁理士  則 近 憑 何 間      竹  花  喜久力 第1図 第2図 第3図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 電解質層をはさんでアノードとカソードがあり、アノー
    ドに還元剤として水素を含む燃料ガスをカソードに酸化
    剤として空気を供給する燃料電池を発電要素とし、空気
    と燃料ガスの燃料電池への導入ラインと、燃料電池から
    の前記ガスの廃気ラインにそれぞれ制御弁を設け、前記
    ガスの流量検知手段と、燃料電池のアノードとカソード
    またはその近傍のガスの圧力、または基準圧との圧力差
    を検知する手段を有する燃料電池発電プラントにおいて
    、空気ラインおよび燃料ガスラインそれぞれに、前記流
    量検知手段から得られる流量信号と流量目標値および前
    記圧力検出手段より得られる圧力信号または圧力差信号
    とその目標値を入力し、前記ガス導入ラインと廃気ライ
    ンに設置された前記制御弁の開度指示信号を出力するガ
    ス圧力流量非干渉制御装置と、負荷信号を入力して前記
    制御弁の開度補正指示信号を出力するフィードフォワー
    ド制御装置と、前記非干渉制御装置の演算パラメータを
    、負荷信号または流量信号を入力して非干渉制御装置に
    出力するゲインスケジューリング装置を具備したことを
    特徴とする燃料電池発電プラントガス圧力流量制御装置
JP60220444A 1985-10-04 1985-10-04 燃料電池発電プラントガス圧力流量制御装置 Pending JPS6282659A (ja)

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