JPS6298571A - 燃料電池発電システムの制御方法 - 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】 〔座業上の利用分野〕 この発明は、燃料電池発電システムの制御方法に関する
ものであシ、と９わけ、ターボ圧縮機を備えた燃料電池
発電システムの制御方法に関するものである。

〔従来の技術〕

燃料電池発電システムは、石油１石炭などを燃料とする
汽力発電システムに比べて高い熱効率を得ることが可能
であるうえＫ、環境保全性がよく、立地上の融通性を有
している。そのため、近時、宇宙開発などの特殊用途の
電源だけでなく、商用電力用電源としての使途が種々検
討されており、その実用化を０指して開発が活発化して
いる。

燃料電池発電システムは、空気極と水素極との間に電解
質層を介設してなる燃料電池と、天然ガス等の炭化水素
系燃料を改質して水素極に燃料となる水素ガスを供給す
る改質器と、空気極および改質器に空気を供給する空気
供給手段とを備えている。そして、かかる燃料電池の性
能は、各反応ガスの圧力の増大に伴って向上する傾向を
示す。

このため各反応ガスの動作圧力は、たとえば、弘〜ｂｋ
ｇ／ｃｔｄ！程度の値に設定される。このとき、空気の
圧縮には多大の動力を必要とし、その値は１［池の発生
エネルギーの約２０％にも達する。一方、電池の燃料ガ
スを生成するだめの改質反応は約ｇｏｏ℃の高温で行わ
れ、改質器からは高い温度の排ガスが排出される。した
がって、空気を圧縮するだめの動力をシステムの排ガス
エネルギーに求めることができれば、システムの効率向
上に大きな効果がある。

以上のような事情から、近時の燃料電池発電システムで
は、空気供給手段としてターボ圧縮機を採用したものが
一般化している。すなわち、ターボ圧縮数は、燃料電池
の空気極出口の余剰空気および改質器の排ガスにより駆
動されるタービンと、このタービンに直結されタービン
に付勢されて燃料電池および改質器に必要な圧縮空気を
供給するコンプレッサとを具備してなるもので、排ガス
等が有しているエネルギーをタービンで回収して空気を
圧縮する仕φに利用し、システム効率の向上を図るもの
である。

ところで、このような燃料電池発電システムに２いては
、いわゆる発電システムとして幅の広い、かつ、迅速な
負荷応答゛制御が要求される。しかして、燃料１池およ
び改質器に供給される空気の量は、たとえば、２！−１
００％の範囲で変動制御を要求される。一方、燃料電池
へ供給する空気の圧力は燃料電池の特性維持の、壱から
、および溶料側の圧力との差圧を抑え両極間のガスのリ
ーク、すなわち、クロスオーバ現象を防ぐため、負荷変
動時においても一定値に保つ制御が要求される。

この具体的な方法とし７て、本出願人らがさきに提案し
た従来の燃料電池発電システムの制御方法を、第一図を
参照して説明する　第２図において、（１）は燃料電池
と炭化水素燃料を水素リッチガスに変換するだめの改質
器等を、すなわち、燃料電池発電システムにおいて圧縮
空気を消費する部分をまとめて示したもの（以下、負荷
部分と称す）でアル。ターボ圧縮機（，２）は、タービ
ン（、！ａ）とコンプレッサｌｂ）からなり、タービン
（λａ）のガスの入口には可変ノズル（２ｃ）が設けら
れている。

コンプレッサ（ｘｂ）の吐出空気圧力は、圧力を調節す
るための大気開放弁（３）、圧力検出器（銅、圧力コン
トローラ（５）、および圧力コントローラｆｉｌから大
気開放弁（３）に与えられる操作信号をターボ圧縮機（
２）の定常運転時、過渡運転時に応じて調整するだめの
演算器（６）等によシ制御される。負荷部分（ハへ供給
する空気の量は、空気供給配Ｉｔ　（９１に設けた流量
調節弁（７）、流量コントローラ（Ａ’ｌによりｆＡ整
される。負荷部分（ハから排出される排ガス（改質器の
燃焼排ガス、燃料電池の余剰空気等）は、システム排ガ
ス配管（１０）によりタービン（２ａ）に導入きれる。

（／／）は大気開放配管である。

ターボ圧縮機（２）のタービン動力の不足を桶うために
、システム排ガス配管（／θ）途上に助燃炉（／コ）が
設置されており、この助燃炉（／２）に対する燃料供給
配管（／３）には、流量調節弁（ハ・が設けられていて
、流量コントローラ（／　ｓ　）テ制御される。空気供
給配管（ワ）からは、助燃炉（／コ）に接続した空気配
管（／６）が分岐されている。空気配管（／ル）を流れ
る空気の童は、流量調節弁（／７）、流量コントローラ
（／ｌ）によ＃）調整される。圧力コントローラ（／ｑ
）は、流量コントローラ（／！；）、（１ｇ）に対する
流量設定値を操作することで、圧力検出器（Ｋ＋で検出
されるコンプレッサ吐出空気圧力を所定圧力にフィード
バック制御する。なお、助燃炉（ｌコ）は、空気配管（
／６）を流れる使気と燃料供給配管（／Ｊ）から供糺さ
れる燃料を燃焼反応させ、システム配ガス配管（１０）
を流通する排ガスに熱エネルギーを付与する。システム
排ガス配管（／６）からはバイパス配管（，２ｏ）が分
岐しておシ、ここにタービンバイパス調節弁（ユｌ）、
圧力検出器（ココ）、圧力コントローラ（コ３）が設け
られている。演算器（コｌ）は、圧力コントローブ（コ
３）からタービンバイパス調節弁（−／）に与えられる
操作信号を、ターボ圧縮機（２）の定常運転時、過渡運
転時に応じて調整する。また、ノズルコントローラ（，
２よ）は、負荷指上に応じてタービン（コａ）のノズル
開度を制御する。

次に、このシステムの如」側方法について説明する。シ
ステムの定常運転時、すなわち、ターボ圧縮機（ニ）の
定常運転時には、演算器（Ｘ＋、（２≠）の働きによっ
て大気開放弁（３）およびタービンバイパス調節弁（コ
／）は全閉あるいは一定の微小な開度に保持すれ、圧力
コントローラ（Ｓ）（コ３）は実際上機能しない。大気
開放弁（３）およびタービンバイパス調節弁（コ／）１
＆：全閉あるいは微小な一定開度にするのは定常運転時
のエネルギー損失を最小とするためである。このとき、
システムは、定常運転であるから、本来システム内の全
てのプロセス量が一定値に維持されるはずであるが、運
転中の外気温、湿度の変化によるコンプレッサ（ａｂ）
の吸込み条件の変化、システム放熱量の変化等により、
実際には、温度、圧力等のプロセス量が除々に変化する
。このような変化に対しても、前述したとおり、コンプ
レッサ吐出空気圧力を常に一定に保つ仁とが重要である
。このときコンプレッサ吐出空気圧力の制御は、圧力コ
ントローラ（／？）によって、圧力検出器（りから検出
される圧力が目標の一定値になるよう、助燃炉（／２）
の燃焼量を流量コントローラ（１ｓ）（７ｇ）を通じて
制御することにより行う。すなわち、システム定常運転
時には、助燃炉（／、２）の燃焼量調＠によシ、コンプ
レッサ吐出空気圧力が一定の範囲におさまるようにフィ
ードバック制御を行う。

次に、負荷変動時について述べる。まず、負荷指令の直
前に演算器（６）および（２ｑ）内の制御回路を操作し
、大気開放弁（，７１を圧力コントローラ（ｊ）の制御
支配下におくとともに、タービンバイパス調節弁（コ／
）を圧力コントローラ（２３）の制御支配下におく。次
に、負荷指令として、助燃炉（／コ）の燃料流量および
燃焼用空気流量の設定値を、直接流量コントローラ（／
Ｓ）（／ざ）に対して与えてタービン動力を増加させる
。この結果、コンプレッサ（コｂ）の吐出空気圧力が上
昇しようとするが、コンプレッサ（ａｂ）の吐出空気圧
力は圧力コントローラ（ｊｌの働きによって大気開放弁
（３）の調節により一定制御が行われる。このようにし
て負荷指令時には、タービン（−ａ）の動力を助燃炉（
／コ）の燃焼量のフィードフォワード操作によシ増加さ
せ、これによるコンプレッサ（２ｂ）の吐出空気流量の
増加分の一部を、コンプレッサ吐出圧カ一定に保つため
にコンプレッサ出口側で大気放出させるようになってお
シ、その状態でターボ圧縮機（，２）のパワーアップが
計られ、システム要求空気量が満足される。大気開放弁
【３）からの放出量（大気開放弁の開度）が一定の水準
に達した状態で負荷部分（ハの要求量に応じて空気流ｉ
ｔｖ！４節弁（７）が開かれ、ターボ圧縮機（２）から
の空気が負荷部分（ハに対して供給さｎる。そして、こ
の際に、予めプログラムされた負荷指令に基いて、ター
ビン（２ａ）の可変ノズル（ＵＣ）の開度をフィードフ
ォワード制御によシ変更して、排ガス流量の変化に対処
する。すなわち、空気流！調節弁（７）の開度を変化さ
せると、システム排ガスの流量が増減するため、この流
量変化を吸収する方向に可変ノズル（２ｃ）の開度を制
御するようにプログラムしである。なお、このシステム
では、可変ノズル（２ｃ）の開度制御は、比較的大まか
に行うようにし、微妙なタービン入口ガス圧力の一定制
御は、圧力コントローラ（２３）の働きによってタービ
ンバイパス調節弁（２／）の開度を調節することによシ
行う。負荷指令として、負荷部分（ハへの供給空気流量
の設定値を、直接流量コントローラ（Ｋｌに対して与え
て流量調節弁（ワ）の開度調整を行うとともに、ノズル
開度の設定値をノズルコントローラ（コＳ）に与えてノ
ズル開度の調節を行う。この際に、タービン入口ガス圧
力が変動しようとする場合があるが、タービン入口ガス
圧力は、圧力コントローラ（コＪ）の働きによるタービ
ンバイパス調節弁（コ／）の調節、換言すれば、タービ
ンバイパス配管（−〇）を経由する放出排ガス量の調節
により一定の櫃に維持される。

負荷指令に対する状態変化が終了し、システムが整定す
れば、次に、コンプレッサ吐出圧力の制御を圧力コント
ローラ（／９）に移すとともに、演算器（６１（２１に
よって大気開放弁（，７１およびタービンバイパス調節
弁（２１）の開度を現在の開度から除々に絞シ込み最終
的に全閉させるか、あるいは、微小な開度に保持させる
。この動作は、前に述べたとおりシステムのエネルギー
損失を最小にする目的であり、大気開度弁（３）および
タービンバイパス調節弁（２／）の絞り込みはターボ圧
縮機（２）の制御バランスを崩さないよう微ｖＩ４整に
よシ行う。この間、コンプレッサ吐出圧力は流量コント
ローラＣ／ｓ）Ｃ７ｇ）を通じた助燃炉燃焼童の調歪に
よって一矩制御が行われる。大気開放弁（３）およびタ
ービンバイパス調節弁（２／）を絞り込んだ後は負荷定
常時の状態に戻る。

以上の７１ｉｌＩ御方法によれば、足常運転時には、タ
ービンバイパス調節弁（２／）および大気開放弁（３）
は、全閉または微開の状態に維持され、助燃炉（／コ）
の燃焼制御によって、コンプレッサ吐出圧力が一冗にな
るように朋ｊ御され、タービン動力が不足しない範囲で
エネルギー損失が最小限に抑えられる。一方、システム
の負荷が変動する場合には、予め設定したプログラムに
基いて助燃炉（／コ）の燃焼制御とタービン（コａ）の
ノズル開度制御とがフィードフォワード制御により行わ
れる。ぞして、その場合には、同時に、タービンバイパ
ス調節弁（２／）によりシステム排ガス圧カ一定のフィ
ードバック制御が行われるとともに、大気開放弁（３）
によりコンプレッサ吐出圧−・定のフィードバック制御
が行われ、過渡期における一時的なシステム排ガス量お
よびコンプレッサ吐出空気量の増加分は、大気に放出さ
ｎる。かようにして、タービン入口ガス圧力およびコン
プレッサの吐出圧が常圧力と筐体重塁ガス圧力との差圧
を常に一定に保つことができる。

なお、タービンの動力は、入ロ圧カ一定の場合、（入口
絶対温ｍＴ）’　とノズル面積Ｓに比例するので、負荷
変動時に助燃炉（／２）の燃焼量制御だけでなく、可変
ノズル（コＣ）の面積をも制御する！’）ｌｃすれば、
タービン（コａ）の入口温度（排ガス温度）を比軟的抑
制した状態でタービンノ（ワーを所望の値にまでアップ
できる。そのため、前記のようにタービン入口ガス圧力
を常時一定に保持できることと相まって、負荷を変動さ
せるのに要する時間を無理なく確実に短縮することがで
きるというものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

以上のような従来の燃料電池発電システムの制御方法で
は、ノズル開度は予めプログラムに基づくフィードフォ
ワードだけで決定されるため、負荷前に応じて、ある程
度最適だと思われるノズル開度を予め求めておく必要が
あった。特に、負荷変動時には、谷プロセス量が急激に
変動しており、各補負荷変動時におけるプロセス量の変
化に対応して最適なノズル開に’（時々刻々と設定して
いくのは困難であり、また、ノズル開度がコンプレッサ
吐出空気圧力に与える影響が太さいにも拘わらず、ノズ
ル開度を求める演算手段が、コンプレッサ吐出空気圧力
を所定値に直接制御する機能とは別に必要であるなどの
問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、コンプレッサ吐出空気圧力を所定値に維持で
きると同時に、最適なノズル開度を決定できる燃料電池
発電システムの制御方法を得ることを目的とする。

〔問題点を解決するだめの手段〕

この発明に係る燃料電池発電システムの制御方法は、タ
ーボ圧縮機のタービンを可変ノズル式のものとしている
燃料電池発電システムのコンプレッサ吐出空気圧力のフ
ィートノ（ツク制御を、可変ノズルの開度を操作するこ
とで行うようにしたものである。

〔作　用〕

この発明においては、コンプレッサ吐出空気圧力が所定
値より低ければ、ノズル開度を増大してタービン動力を
増加し、コンプレッサから吐出される空気ｌ５ＩＩ、量
を増加することで、コンプレッサ吐出空気圧力を所定値
に近づけようとする。すなわち、コンプレッサ吐出空気
圧力を所定値に維持できるとともに、そのために必要な
ノズル開度が自然に決定される。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を、第１図を参照して説明す
る。なお、第二図に示すものと同一または相当する部分
には同一の符号を付して説明を省略する。第１図におい
て、（コロ）は、ターボ圧縮機（２）にとっての負荷部
分、換言すると、コンプレッサ（２ｂ）からの空気供給
先であシ、タービン（Ｊａ）の動力となる排ガスの供給
元である部分および第一図における大気開放配管（／ｌ
）、バイパス配管（２０）などの関連部分を総称した部
分である。（コア）は、可変ノズル（２ｃ）を操作する
ことで、圧力検出器（ダ）で検出されたコンプレッサ吐
出空気圧力を所定値に制御する圧力コントローラである
。

次に制御方法について説明する。コンプレッサ吐出空気
圧力は、空気供給配管（９）を通して負荷部分（２６）
へ供給される空気流量と、コンプレッサ（２ｂ）から吐
出される空気流量とのバランスによって決まる。コンプ
レッサ吐出空気流量はコンプレッサ吐出空気圧力が一定
ならばタービン動力に比例し、タービン動力はタービン
入口ガス圧力が一定ならば、タービン入口ガス温度（絶
対温度）の平方根と、可変ノズル（２ｃ）開度に比例す
る。

したがって、コンプレッサ吐出空気圧力が所定値より下
がれば、すなわち、負荷部分（２６）へ供給される空気
流量よりもコンプレッサ吐出空気流量が少ないというこ
とであり、可変ノズル（２ｃ）の開度を増加することで
、タービン動力が増大し、コンプレッサ吐出空気流量が
増加し、コンプレッサ吐出空気圧力が増加して所定値に
近づく。この動作に基づき、コントローラ（２７）は圧
力検出器（り）からのコンプレッサ吐出空気圧力の検出
値に基づいてノズル開度を操作することでコンプレッサ
吐出空気圧力を所定値にフィードバック制御することが
できる。

なお、上記実施例では、負荷部分（コロ）は燃料電池発
電システムの負荷部分をさしているが、必ずしも燃料電
池発電システムの負荷部分でなくてもこの発明を利用す
ることができる。

〔発明の効果〕

この発明は、以上の説明から明らかなように、可変ノズ
ル式のターボ圧に機を用いて、可変ノズルの開度をコン
プレッサ吐出空気圧力に基づいてフィードバック制御す
るようにしたので、コンプレッサ吐出空気圧力を所定値
に維持するのと同時に幅広い負荷範囲にわたシ、負荷部
分が必要とする空気量を供給するタービン動力を得るた
めのノズル開度を、自然に決定することができるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

弔／図はこの発明の一実施例′ｆｔ説明するための要部
回路図、第一図は従来の燃料電池発電システムの制倫方
法を説明するための回路図である。 （（２）・・ターボ圧縮機、（２ａ）・・タービン、（
ｘｂ）・・コンプレッサ、（ＸＣ）・・可変ノズル、（
λ６）・・燃料電池や改質器などを含み、それらを総称
した負荷部分、（２７）・・コングレツサ吐出空気圧力
コントローラ。 なお、各図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。 ２　：　ターＦ　ＦＥ−ａ筈憔二 ２ａ　：　ターに５ ２ｂ　二　フシアトプ ２ｃ　：　可変ノズル ２６　二　ｇ料電たで改頁器なと１香も１両部外２７：
　　コニアＬηブ吐巳空気厘カコシトローラ手続補正書
（自発） 月　　　　日 昭和。□、“５．３

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 改質器により炭化水素系燃料を改質して燃料電池に水素
   ガスを供給し、タービンとコンプレッサからなるターボ
   圧縮機を用い、前記改質器の排ガスおよび前記燃料電池
   の空気極出口の余剰空気の少なくともいずれかにより可
   変ノズル式の前記タービンを駆動し、前記タービンによ
   り前記コンプレッサを作動させて前記コンプレッサから
   前記燃料電池および前記改質器に圧縮空気を供給し、か
   つ、前記可変ノズルの開度操作により前記コンプレッサ
   の吐出空気圧力のフィードバック制御を行う燃料電池発
   電システムの制御方法。