JPS6356672B2 - - Google Patents
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- JPS6356672B2 JPS6356672B2 JP57127676A JP12767682A JPS6356672B2 JP S6356672 B2 JPS6356672 B2 JP S6356672B2 JP 57127676 A JP57127676 A JP 57127676A JP 12767682 A JP12767682 A JP 12767682A JP S6356672 B2 JPS6356672 B2 JP S6356672B2
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- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
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- H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、燃料電池発電プラントに係り、特に
燃料電池に空気を供給する空気供給装置の制御方
式に関するものである。
燃料電池に空気を供給する空気供給装置の制御方
式に関するものである。
燃料電池発電プラントは、空気供給装置から供
給される空気中の酸素と、改質装置によつて原燃
料を改質させることにより発生される水素リツチ
ガス（以下単に水素ガスと称する）とを、燃料電
池内にて電気化学的に反応させて発電させるもの
であり、通常、プラント全体の熱効率を向上させ
て発電効率を高めるために、排熱等を有効に回収
して熱収支を改善させることのできるシステム構
成が種々提案されている。例えば、負荷電力に応
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48−41352参照）、改質装置の原
燃料供給量を負荷電力と改質装置温度とによつて
制御する方法（特公昭50−15058）あるいは、改
質装置の圧力を電池より高くする方法（特開昭53
−81923）等に示されたシステム構成が考案され
ている。
給される空気中の酸素と、改質装置によつて原燃
料を改質させることにより発生される水素リツチ
ガス（以下単に水素ガスと称する）とを、燃料電
池内にて電気化学的に反応させて発電させるもの
であり、通常、プラント全体の熱効率を向上させ
て発電効率を高めるために、排熱等を有効に回収
して熱収支を改善させることのできるシステム構
成が種々提案されている。例えば、負荷電力に応
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48−41352参照）、改質装置の原
燃料供給量を負荷電力と改質装置温度とによつて
制御する方法（特公昭50−15058）あるいは、改
質装置の圧力を電池より高くする方法（特開昭53
−81923）等に示されたシステム構成が考案され
ている。
上記した例を含め従来の燃料電池発電プラント
においては、一般に、燃料電池から排出される未
反応水素を含んだ廃水素ガスを、プラント内の他
の装置、例えば改質装置、を加熱させる燃料の一
部として用いている。また、この改質装置から排
出される燃焼排ガスは高温であることから、これ
により排熱タービンを駆動させ、このタービン動
力によつて空気圧縮機を運転させ、プラントに必
要な空気を供給しようとするものが考案されてい
る。ところが、プラントの所要空気量を供給する
には前記燃焼排ガスのエネルギだけでは不足する
こと、及び空気供給装置の制御性を確保すること
等の理由から補助バーナ装置が設けられている。
また、燃料電池から排出される廃空気のエネルギ
を前記タービンの駆動エネルギとして回収するこ
とも行われている。
においては、一般に、燃料電池から排出される未
反応水素を含んだ廃水素ガスを、プラント内の他
の装置、例えば改質装置、を加熱させる燃料の一
部として用いている。また、この改質装置から排
出される燃焼排ガスは高温であることから、これ
により排熱タービンを駆動させ、このタービン動
力によつて空気圧縮機を運転させ、プラントに必
要な空気を供給しようとするものが考案されてい
る。ところが、プラントの所要空気量を供給する
には前記燃焼排ガスのエネルギだけでは不足する
こと、及び空気供給装置の制御性を確保すること
等の理由から補助バーナ装置が設けられている。
また、燃料電池から排出される廃空気のエネルギ
を前記タービンの駆動エネルギとして回収するこ
とも行われている。
一方、電力負荷の変動に対応させて燃料電池に
供給する水素ガス量及び空気量を制御させなけれ
ばならず、しかも、燃料電池内の反応効率を維持
させるためなどから電池内の水素ガス圧及び空気
圧を所定の値に保持させなければならない。従つ
て、上述した燃焼排ガス等によつて駆動される空
気供給装置にあつては、電力負荷変動に伴つて駆
動エネルギの一部が変動しても、所要の空気量を
供給し且つ吐出圧を一定に制御できるものでなけ
ればならない。そこで、駆動エネルギの過不足を
補助バーナ装置の燃料流量を制御することにより
追従制御させることが考案されている。しかし、
このような制御方式によるとは、補助バーナ装置
に制御遅れ要素が含まれているので、負荷変動に
追従させて空気吐出圧を制御するには、補助バー
ナ装置の燃料流量制御だけでは応答性の点で劣つ
ている。従つて、空気供給装置の吐出系統あるい
は空気供給装置のタービン流入ガス系統にバイパ
ス制御弁を設け、吐出空気あるいはタービン流入
ガスを系外へ放出させることにより応答性を高め
ている。
供給する水素ガス量及び空気量を制御させなけれ
ばならず、しかも、燃料電池内の反応効率を維持
させるためなどから電池内の水素ガス圧及び空気
圧を所定の値に保持させなければならない。従つ
て、上述した燃焼排ガス等によつて駆動される空
気供給装置にあつては、電力負荷変動に伴つて駆
動エネルギの一部が変動しても、所要の空気量を
供給し且つ吐出圧を一定に制御できるものでなけ
ればならない。そこで、駆動エネルギの過不足を
補助バーナ装置の燃料流量を制御することにより
追従制御させることが考案されている。しかし、
このような制御方式によるとは、補助バーナ装置
に制御遅れ要素が含まれているので、負荷変動に
追従させて空気吐出圧を制御するには、補助バー
ナ装置の燃料流量制御だけでは応答性の点で劣つ
ている。従つて、空気供給装置の吐出系統あるい
は空気供給装置のタービン流入ガス系統にバイパ
ス制御弁を設け、吐出空気あるいはタービン流入
ガスを系外へ放出させることにより応答性を高め
ている。
しかしながら、電力負荷変動によつて空気供給
装置に供給される駆動エネルギと、要求される空
気量の変動形態が複雑な因果関係を有したもので
あることから、上記した補助バーナの燃料制御と
バイパス流量制御の二方式からなる空気供給装置
の制御方式にあつては、それらの制御の協調を図
ることが困難なものであつた。このことから従来
は、バイパス流量制御を主体としていたので、有
効なエネルギを系外（例えば大気中）へ放出する
量が多くなり、熱効率を低下させてしまうという
欠点を有していた。
装置に供給される駆動エネルギと、要求される空
気量の変動形態が複雑な因果関係を有したもので
あることから、上記した補助バーナの燃料制御と
バイパス流量制御の二方式からなる空気供給装置
の制御方式にあつては、それらの制御の協調を図
ることが困難なものであつた。このことから従来
は、バイパス流量制御を主体としていたので、有
効なエネルギを系外（例えば大気中）へ放出する
量が多くなり、熱効率を低下させてしまうという
欠点を有していた。
また、燃料電池発電プラントのシステム構成装
置の異常などによつて、空気供給装置の駆動エネ
ルギである改質装置の排ガス温度や流量が低下し
たり、あるいは空気所要量が異常増加したりする
ことがあれば、補助バーナの燃料流量を定格流量
まで増大させても、空気吐出圧が所定の圧力まで
回復されないことがある。この場合には、燃料電
池内の空気圧が低下されるので反応が鈍化し、発
電効率が低下されてしまうという虞れを有してい
た。
置の異常などによつて、空気供給装置の駆動エネ
ルギである改質装置の排ガス温度や流量が低下し
たり、あるいは空気所要量が異常増加したりする
ことがあれば、補助バーナの燃料流量を定格流量
まで増大させても、空気吐出圧が所定の圧力まで
回復されないことがある。この場合には、燃料電
池内の空気圧が低下されるので反応が鈍化し、発
電効率が低下されてしまうという虞れを有してい
た。
本発明の目的は、空気供給装置の制御の応答性
を向上し且つバイパス流量を低減させ、さらに、
空気圧の異常低下をも抑制されることにより、熱
効率及び発電効率を向上させることができる燃料
電池発電プラントを提供することにある。
を向上し且つバイパス流量を低減させ、さらに、
空気圧の異常低下をも抑制されることにより、熱
効率及び発電効率を向上させることができる燃料
電池発電プラントを提供することにある。
本発明は、燃料電池に水素ガスを供給する改質
装置と、補助バーナ装置と、該補助バーナ装置の
燃焼排ガスと前記改質装置の燃焼排ガスとを駆動
ガスとするタービンと該タービンにより駆動され
る空気圧縮機とから形成され前記燃料電池に空気
を供給する空気供給装置と、該空気供給装置の吐
出空気圧の圧力検出器と、該検出圧力が所定の設
定圧以上のとき吐出空気およびタービン駆動ガス
の少なくとも一方を系外へバイパスさせるバイパ
ス制御弁と、を備えて構成される燃料電池発電プ
ラントにおいて、前記検出圧と前記設定圧との偏
差に応じた圧力偏差信号を出力する第１の信号変
換器と、前記バイパス流量のバイパス流量検出器
と、該検出バイパス流量を一入力とし所定の最小
バイパス流量の基準値を＋入力とする第１の加算
器と、該加算器の出力信号を入力とするPI調整
器と、該PI調整器の出力信号と前記圧力偏差信
号とを入力する第２の加算器と、該加算器の出力
信号が所定の設定値までは該出力信号に比例して
増大されその後は一定値となる前記補助バーナ装
置の燃料制御信号を出力する第２の信号変換器
と、前記第２の加算器の出力信号が前記所定の設
定値以上のとき該出力信号に比例して増大される
信号を出力する第３の信号変換器と、該信号変換
器の出力信号に応じて前記改質装置の燃料流量補
正信号を出力する第４の信号変換器と、を設ける
ことにより、バイパス流量を低減させ且つ空気吐
出圧を所定圧に保持させて熱効率及び発電効率を
向上させようとするものである。
装置と、補助バーナ装置と、該補助バーナ装置の
燃焼排ガスと前記改質装置の燃焼排ガスとを駆動
ガスとするタービンと該タービンにより駆動され
る空気圧縮機とから形成され前記燃料電池に空気
を供給する空気供給装置と、該空気供給装置の吐
出空気圧の圧力検出器と、該検出圧力が所定の設
定圧以上のとき吐出空気およびタービン駆動ガス
の少なくとも一方を系外へバイパスさせるバイパ
ス制御弁と、を備えて構成される燃料電池発電プ
ラントにおいて、前記検出圧と前記設定圧との偏
差に応じた圧力偏差信号を出力する第１の信号変
換器と、前記バイパス流量のバイパス流量検出器
と、該検出バイパス流量を一入力とし所定の最小
バイパス流量の基準値を＋入力とする第１の加算
器と、該加算器の出力信号を入力とするPI調整
器と、該PI調整器の出力信号と前記圧力偏差信
号とを入力する第２の加算器と、該加算器の出力
信号が所定の設定値までは該出力信号に比例して
増大されその後は一定値となる前記補助バーナ装
置の燃料制御信号を出力する第２の信号変換器
と、前記第２の加算器の出力信号が前記所定の設
定値以上のとき該出力信号に比例して増大される
信号を出力する第３の信号変換器と、該信号変換
器の出力信号に応じて前記改質装置の燃料流量補
正信号を出力する第４の信号変換器と、を設ける
ことにより、バイパス流量を低減させ且つ空気吐
出圧を所定圧に保持させて熱効率及び発電効率を
向上させようとするものである。
以下、本発明を図示実施例に基づいて説明す
る。
る。
第１図には、本発明の適用された一実施例の燃
料電池発電プラントのシステム全体構成図が示さ
れている。
料電池発電プラントのシステム全体構成図が示さ
れている。
第１図に示された如く、改質装置１の反応部１
Ａ及び燃焼室１Ｂ、補助バーナ装置４には各々流
量制御弁FCV１及びFCV２，FCV３を介して原
燃料１００が供給されている。この反応部１Ａで
発生された水素ガス１０４は燃料電池２の燃料室
２Ａに供給され、この燃料室２Ａからは未反応の
水素ガスを含む廃水素ガス１０５が排出され、こ
の廃水素ガス１０５は圧力制御弁PCV１を介し
て改質装置１の燃焼室１Ｂに供給されている。空
気供給装置３は空気圧縮機３Ａとタービン３Ｂと
から形成され、流量制御弁FCV４，FCV５，
FCV６を介して各々、燃料電池２の空気室２Ｂ、
改質装置１の燃焼室１Ｂ、補助バーナ装置４に空
気を供給している。また、空気供給装置３の空気
吐出系はバイパス制御弁PCV２を介して大気中
へ開放されている。前記タービン３Ｂには、改質
装置１の燃焼室１Ｂの燃焼排ガス１０６、補助バ
ーナ装置４の燃焼排ガス１０７、及び燃料電池２
の空気室２Ｂから圧力制御弁PCV３を介して廃
空気１０８が流入されている。前記燃料電池２の
電極２Ｃ，２Ｄには負荷５が接続されている。
Ａ及び燃焼室１Ｂ、補助バーナ装置４には各々流
量制御弁FCV１及びFCV２，FCV３を介して原
燃料１００が供給されている。この反応部１Ａで
発生された水素ガス１０４は燃料電池２の燃料室
２Ａに供給され、この燃料室２Ａからは未反応の
水素ガスを含む廃水素ガス１０５が排出され、こ
の廃水素ガス１０５は圧力制御弁PCV１を介し
て改質装置１の燃焼室１Ｂに供給されている。空
気供給装置３は空気圧縮機３Ａとタービン３Ｂと
から形成され、流量制御弁FCV４，FCV５，
FCV６を介して各々、燃料電池２の空気室２Ｂ、
改質装置１の燃焼室１Ｂ、補助バーナ装置４に空
気を供給している。また、空気供給装置３の空気
吐出系はバイパス制御弁PCV２を介して大気中
へ開放されている。前記タービン３Ｂには、改質
装置１の燃焼室１Ｂの燃焼排ガス１０６、補助バ
ーナ装置４の燃焼排ガス１０７、及び燃料電池２
の空気室２Ｂから圧力制御弁PCV３を介して廃
空気１０８が流入されている。前記燃料電池２の
電極２Ｃ，２Ｄには負荷５が接続されている。
前記流量制御弁FCV１，FCV２，FCV３，
FCV４，FCV５，FCV６は、夫々流量検出器
FT１，FT２，FT３，FT４，FT５，FT６に、
線２０１，２０２，２０３，２０４，２０５，２
０６によつて接続されている。また、前記圧力制
御弁PCV１，PCV２，PCV３は、夫々線２０
７，２０８，２０９によつて、圧力検出器PT１，
PT２，PT３に接続されている。負荷追従制御器
６には負荷５から負荷電力の検出信号LDが線２
１０を介して入力されている。この負荷追従制御
器６は線２１１，２１２によつて前記FC１，FC
４に夫々接続されており、また、線２１３によつ
て空気比制御器７と、線２１４によつて熱収支制
御器８とに接続されている。空気比制御器７は、
前記流量検出器FT１，FT２，FT３に、夫々線
２０１，２０２，２０３によつて接続されてい
る。さらに、この空気比制御器７は前記流量制御
器FC５，FC６に線２１５，２１６によつて夫々
接続されている。前記熱収支制御器８の入力端は
改質装置１の出口に設けられた水素ガス温度の温
度検出器TT１に線２１７によつて、パイパス制
御弁PCV２の下流に設けられた流量検出器FT７
に線２１８によつて、また、前記圧力検出器PT
２に線２０８によつて、夫々接続されている。こ
の熱収支制御器８の出力端は、線２１９，２２０
により夫々前記流量制御器FC２，FC３に接続さ
れている。
FCV４，FCV５，FCV６は、夫々流量検出器
FT１，FT２，FT３，FT４，FT５，FT６に、
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０６によつて接続されている。また、前記圧力制
御弁PCV１，PCV２，PCV３は、夫々線２０
７，２０８，２０９によつて、圧力検出器PT１，
PT２，PT３に接続されている。負荷追従制御器
６には負荷５から負荷電力の検出信号LDが線２
１０を介して入力されている。この負荷追従制御
器６は線２１１，２１２によつて前記FC１，FC
４に夫々接続されており、また、線２１３によつ
て空気比制御器７と、線２１４によつて熱収支制
御器８とに接続されている。空気比制御器７は、
前記流量検出器FT１，FT２，FT３に、夫々線
２０１，２０２，２０３によつて接続されてい
る。さらに、この空気比制御器７は前記流量制御
器FC５，FC６に線２１５，２１６によつて夫々
接続されている。前記熱収支制御器８の入力端は
改質装置１の出口に設けられた水素ガス温度の温
度検出器TT１に線２１７によつて、パイパス制
御弁PCV２の下流に設けられた流量検出器FT７
に線２１８によつて、また、前記圧力検出器PT
２に線２０８によつて、夫々接続されている。こ
の熱収支制御器８の出力端は、線２１９，２２０
により夫々前記流量制御器FC２，FC３に接続さ
れている。
第２図に熱収支制御器８の詳細構成図が示され
ている。
ている。
第２図において、第１の信号変換器９には前記
線２０８を介して圧力検出器PT２より吐出空気
圧の検出圧Ｐと、この吐出空気圧の設定圧P0と
が入力されている。第１の加算器１０の−入力端
には線２１８を介して流量検出器FT７よりバイ
パス流量の検出流量Ｆが入力され、＋入力端には
最小バイパス基準流量の基準値F0が入力され、
この加算器１０の出力はPI調節器１１を介して、
第２の加算器１２に入力されている。この加算器
１２には前記第１の信号変換器９の出力信号SA
が入力されており、この加算器１２の出力信号SB
は第２の信号変換器１３及び第３の信号変換器１
４に夫々入力されている。前記第２の信号変換器
１３には設定値SB0が入力され、出力信号SCは線
２２０によつて、前記流量制御器FC３に入力さ
れている。前記第３の信号変換器１４には設定値
SB0が入力され、出力信号SDは係数器１５を介し
て信号SEに変換されて第４の信号変換器１６に入
力されている。また、この第４の信号変換器１６
には、温度検出器TT１より線２１７を介して水
素ガス温度の検出温度Ｔ、及び設定値T1が入力
されている。第３の加算器１７の−入力端には前
記検出温度Ｔ、＋入力端には前記第４の信号変換
器の出力信号SFと、設定値T0が入力されている。
この加算器１７の出力はPI調節器１８を介して
第４の加算器１９へ入力されている。また、この
加算器１９の他の入力端は線２１４によつて負荷
追従制御器６に接続されており、出力端は線２１
９によつて流量制御器FC２に接続されている。
線２０８を介して圧力検出器PT２より吐出空気
圧の検出圧Ｐと、この吐出空気圧の設定圧P0と
が入力されている。第１の加算器１０の−入力端
には線２１８を介して流量検出器FT７よりバイ
パス流量の検出流量Ｆが入力され、＋入力端には
最小バイパス基準流量の基準値F0が入力され、
この加算器１０の出力はPI調節器１１を介して、
第２の加算器１２に入力されている。この加算器
１２には前記第１の信号変換器９の出力信号SA
が入力されており、この加算器１２の出力信号SB
は第２の信号変換器１３及び第３の信号変換器１
４に夫々入力されている。前記第２の信号変換器
１３には設定値SB0が入力され、出力信号SCは線
２２０によつて、前記流量制御器FC３に入力さ
れている。前記第３の信号変換器１４には設定値
SB0が入力され、出力信号SDは係数器１５を介し
て信号SEに変換されて第４の信号変換器１６に入
力されている。また、この第４の信号変換器１６
には、温度検出器TT１より線２１７を介して水
素ガス温度の検出温度Ｔ、及び設定値T1が入力
されている。第３の加算器１７の−入力端には前
記検出温度Ｔ、＋入力端には前記第４の信号変換
器の出力信号SFと、設定値T0が入力されている。
この加算器１７の出力はPI調節器１８を介して
第４の加算器１９へ入力されている。また、この
加算器１９の他の入力端は線２１４によつて負荷
追従制御器６に接続されており、出力端は線２１
９によつて流量制御器FC２に接続されている。
このように構成される実施例の動作について、
以下に説明する。
以下に説明する。
改質装置１では、反応室１Ａに流入される原燃
料１０１を燃焼室１Ｂにより与えられる熱によつ
て水素ガス１０４に改質させ、燃料電池２の燃料
室２Ａに供給している。燃料電池２では、空気供
給装置３から空気室２Ｂに供給される空気１１３
と前記水素ガス１０４との電気化学反応により、
電極２Ｃ，２Ｄに電圧が発生される。この燃料電
池２で発電された電力は負荷５に出力されてい
る。燃料電池２の反応により消費されなかつた廃
水素ガス１０５は燃焼室１Ｂに、また、廃空気１
０８はタービン３Ｂに排出されている。
料１０１を燃焼室１Ｂにより与えられる熱によつ
て水素ガス１０４に改質させ、燃料電池２の燃料
室２Ａに供給している。燃料電池２では、空気供
給装置３から空気室２Ｂに供給される空気１１３
と前記水素ガス１０４との電気化学反応により、
電極２Ｃ，２Ｄに電圧が発生される。この燃料電
池２で発電された電力は負荷５に出力されてい
る。燃料電池２の反応により消費されなかつた廃
水素ガス１０５は燃焼室１Ｂに、また、廃空気１
０８はタービン３Ｂに排出されている。
改質装置の燃焼室１Ｂでは、前記廃水素ガス１
０５と原燃料１０２とを燃焼させることにより、
反応室１Ａに熱を供給している。この燃焼排ガス
１０６はタービン３Ｂに排出されている。タービ
ン３Ｂは前記の廃空気１０８、燃焼排ガス１０６
及び補助バーナ装置４の燃焼排ガス１０７との混
合された駆動ガス１０９によつて駆動されてい
る。
０５と原燃料１０２とを燃焼させることにより、
反応室１Ａに熱を供給している。この燃焼排ガス
１０６はタービン３Ｂに排出されている。タービ
ン３Ｂは前記の廃空気１０８、燃焼排ガス１０６
及び補助バーナ装置４の燃焼排ガス１０７との混
合された駆動ガス１０９によつて駆動されてい
る。
次に、制御方式について説明する。
流量制御弁FCV１〜６及び圧力制御弁PCV１
〜３は、夫々対応する流量制御器FC１〜６及び
圧力制御器PC１〜３によつて開度が制御されて
いる。
〜３は、夫々対応する流量制御器FC１〜６及び
圧力制御器PC１〜３によつて開度が制御されて
いる。
燃料電池２の反応は圧力が低いと発電効率が低
下されることから、燃料室２Ａ内の水素ガス圧力
はPCV１により、また、空気室２Ｂ内の空気圧
はPCV３によつて夫々一定値に制御されている。
燃料電池２により消費される水素ガス１０４及び
空気１１３は、負荷電力によつて変動されること
から、負荷追従制御器６から出力される負荷電力
の検出値LDに相関させて定められた信号LD1，
LD2により、原燃料１０１の流量をFCV１、及び
空気１１３の流量をFCV４によつて制御するこ
とにより対応させている。
下されることから、燃料室２Ａ内の水素ガス圧力
はPCV１により、また、空気室２Ｂ内の空気圧
はPCV３によつて夫々一定値に制御されている。
燃料電池２により消費される水素ガス１０４及び
空気１１３は、負荷電力によつて変動されること
から、負荷追従制御器６から出力される負荷電力
の検出値LDに相関させて定められた信号LD1，
LD2により、原燃料１０１の流量をFCV１、及び
空気１１３の流量をFCV４によつて制御するこ
とにより対応させている。
例えば、負荷電力が増大すると上記したように
FCV１が開かれて原燃料１０１の流量が増大さ
れる。これにより、水素ガス１０４の温度が低下
されることがないように、燃焼室１Ｂに流入させ
る原燃料１０２の流量は、まず、熱収支制御器８
の第３の加算器１９に入力される負荷追従制御器
６からの信号LD3によりフイードフオワード制御
され、さらに、温度検出器TT１から出力された
検出温度Ｔと設定温度T0との偏差に応じて補正
される。このとき、空気比制御器７においては、
廃水素ガス１０５及び原燃料１０２の燃焼空気量
を制御するため、流量検出器FT１及びFT２から
出力された夫々の流量から理論空気量ATを算出
している。例えば、原燃料がメタンガスの場合、
原燃料１０１の流量をFG1（Ｎm3／ｓ）、原燃料１
０２の流量をFG2（Ｎm3／ｓ）、燃料電池の直列接
続個数をＭ、負荷電流をＩ（Ａ）としたとき、理
論空気量AT（Ｎm3／ｓ）は次式(1)で与えられるも
のである。
FCV１が開かれて原燃料１０１の流量が増大さ
れる。これにより、水素ガス１０４の温度が低下
されることがないように、燃焼室１Ｂに流入させ
る原燃料１０２の流量は、まず、熱収支制御器８
の第３の加算器１９に入力される負荷追従制御器
６からの信号LD3によりフイードフオワード制御
され、さらに、温度検出器TT１から出力された
検出温度Ｔと設定温度T0との偏差に応じて補正
される。このとき、空気比制御器７においては、
廃水素ガス１０５及び原燃料１０２の燃焼空気量
を制御するため、流量検出器FT１及びFT２から
出力された夫々の流量から理論空気量ATを算出
している。例えば、原燃料がメタンガスの場合、
原燃料１０１の流量をFG1（Ｎm3／ｓ）、原燃料１
０２の流量をFG2（Ｎm3／ｓ）、燃料電池の直列接
続個数をＭ、負荷電流をＩ（Ａ）としたとき、理
論空気量AT（Ｎm3／ｓ）は次式(1)で与えられるも
のである。
AT＝１／0.21｛（４×FG1−1.165×10-7×Ｍ×Ｉ
）＋２×FG2｝……(1) この空気比制御器７により算出された理論空気
量に過剰空気率（例えば1.3）を乗じた制御信号
により、流量制御弁FCV５を制御することによ
り負荷電力増大に応じた燃焼室１Ｂの制御が行わ
れている。
）＋２×FG2｝……(1) この空気比制御器７により算出された理論空気
量に過剰空気率（例えば1.3）を乗じた制御信号
により、流量制御弁FCV５を制御することによ
り負荷電力増大に応じた燃焼室１Ｂの制御が行わ
れている。
また、空気消費量が増大されると空気圧縮機３
Ａの吐出空気圧が低下される。この空気圧の低下
は前述したように燃料電池の反応効率を低下させ
ることから、熱収支制御器８において、圧力検出
器PT2により検出された吐出空気の検出圧Ｐを設
定圧P0に一致させるように補助バーナ装置４の
原燃料１０３の流量を制御している。
Ａの吐出空気圧が低下される。この空気圧の低下
は前述したように燃料電池の反応効率を低下させ
ることから、熱収支制御器８において、圧力検出
器PT2により検出された吐出空気の検出圧Ｐを設
定圧P0に一致させるように補助バーナ装置４の
原燃料１０３の流量を制御している。
このことを第２図及び第３図を用いて詳細に説
明する。
明する。
第１の信号変換器９は第３図Ａに示されるよう
に、横軸の入力信号の検出圧Ｐの増大に対応して
減少される縦軸の出力信号SAを出力するもので
あり、検出圧Ｐが吐出空気圧の設定圧P0以上に
なれば出力信号SAは０となる。第２の信号変換
器１３は第３図Ｂに示されるように、横軸の入力
信号SBが設定値SB0以下のときはSBに比例して増
大され、SB0以上のときは一定値となる縦軸の流
量制御信号SCを出力するものである。第３図の信
号変換器１４は第３図Ｃに示されるように、横軸
の入力信号SBが設定値SB0以下のときは０で、SB0
以上のときはSBに比例して増大される縦軸の出力
信号SDを出力するものである。第４図の信号変換
器１６は第３図Ｄに示されるように、横軸には温
度検出器TT１から検出温度Ｔが入力されてお
り、Ｔが上限基準温度T1以下のときは係数器１
５から入力された信号SEが縦軸の出力信号SFとし
て出力され、ＴがT1以上のときは前記SEを漸次
減少させた出力信号SFを出力するものである。
に、横軸の入力信号の検出圧Ｐの増大に対応して
減少される縦軸の出力信号SAを出力するもので
あり、検出圧Ｐが吐出空気圧の設定圧P0以上に
なれば出力信号SAは０となる。第２の信号変換
器１３は第３図Ｂに示されるように、横軸の入力
信号SBが設定値SB0以下のときはSBに比例して増
大され、SB0以上のときは一定値となる縦軸の流
量制御信号SCを出力するものである。第３図の信
号変換器１４は第３図Ｃに示されるように、横軸
の入力信号SBが設定値SB0以下のときは０で、SB0
以上のときはSBに比例して増大される縦軸の出力
信号SDを出力するものである。第４図の信号変換
器１６は第３図Ｄに示されるように、横軸には温
度検出器TT１から検出温度Ｔが入力されてお
り、Ｔが上限基準温度T1以下のときは係数器１
５から入力された信号SEが縦軸の出力信号SFとし
て出力され、ＴがT1以上のときは前記SEを漸次
減少させた出力信号SFを出力するものである。
従つて、電力負荷が増大すると前述したように
吐出空気の検出圧Ｐが低下し、第１の信号変換器
９からは設定圧P0との偏差に応じた信号SAが第
２の加算器１２に入力される。一方、吐出空気圧
が低いのでパイパス流量の検出流量Ｆは０である
ことから、第２の加算器１２には最小バイパス基
準流量の基準値F0がDI調節器により比例積分さ
れて入力されている。この加算器１２により、そ
れらの入力信号が加算され信号SEが出力される。
第２の信号変換器１３は信号SBに応じて補助バー
ナ装置４の原燃料１０３の燃料制御信号SCを流量
制御器FC３に送出して、流量制御弁FCV３の開
度を増大させる。このようにして、補助バーナ装
置４から排出される燃焼排ガス１０７を増やし
て、タービン３Ｂの駆動ガス１０９を増大させる
ことにより吐出空気圧を上昇させている。吐出空
気圧の低下が大きい場合には、流量制御弁FCV
３が全開されても吐出空気圧が設定圧P0に達し
ないことがある。前述の設定値SB0は補助バーナ
装置４の上限出力に応じて定められたものであ
り、上述のような場合には、第３の信号変換器１
４から信号SDが係数器１５に出力される。係数器
１５は流量制御弁FCV２とFCV３との制御特性
の協調をとるためのものであり、それらの流量制
御弁の最大流量の比を係数として信号処理するも
のである。係数器１５の出力信号SEは第４の信号
変換器１６によつて変換され、改質装置の燃焼室
１Ｂへ流入される原燃料１０１の流量を増大させ
る信号SFとして第３の加算器１７に入力される。
なお、この信号変換器１６は、水素ガス温度が上
限基準温度T1に達するまでは信号SEを出力する
が、水素ガス温度が上昇し前記T1を越える場合
には、改質装置を保護するため出力信号SFを減少
させている。なお、吐出空気圧が補助バーナ装置
の制御範囲で十分制御されている場合の水素ガス
温度は、第３の加算器１７に入力されている。通
常の設定温度T0と検出温度Ｔとの偏差信号によ
り、PI調節器１８が作動されて第４の加算器１
９を介して燃焼室１Ｂの原燃料１０２の燃料制御
信号を補正することにより制御されている。
吐出空気の検出圧Ｐが低下し、第１の信号変換器
９からは設定圧P0との偏差に応じた信号SAが第
２の加算器１２に入力される。一方、吐出空気圧
が低いのでパイパス流量の検出流量Ｆは０である
ことから、第２の加算器１２には最小バイパス基
準流量の基準値F0がDI調節器により比例積分さ
れて入力されている。この加算器１２により、そ
れらの入力信号が加算され信号SEが出力される。
第２の信号変換器１３は信号SBに応じて補助バー
ナ装置４の原燃料１０３の燃料制御信号SCを流量
制御器FC３に送出して、流量制御弁FCV３の開
度を増大させる。このようにして、補助バーナ装
置４から排出される燃焼排ガス１０７を増やし
て、タービン３Ｂの駆動ガス１０９を増大させる
ことにより吐出空気圧を上昇させている。吐出空
気圧の低下が大きい場合には、流量制御弁FCV
３が全開されても吐出空気圧が設定圧P0に達し
ないことがある。前述の設定値SB0は補助バーナ
装置４の上限出力に応じて定められたものであ
り、上述のような場合には、第３の信号変換器１
４から信号SDが係数器１５に出力される。係数器
１５は流量制御弁FCV２とFCV３との制御特性
の協調をとるためのものであり、それらの流量制
御弁の最大流量の比を係数として信号処理するも
のである。係数器１５の出力信号SEは第４の信号
変換器１６によつて変換され、改質装置の燃焼室
１Ｂへ流入される原燃料１０１の流量を増大させ
る信号SFとして第３の加算器１７に入力される。
なお、この信号変換器１６は、水素ガス温度が上
限基準温度T1に達するまでは信号SEを出力する
が、水素ガス温度が上昇し前記T1を越える場合
には、改質装置を保護するため出力信号SFを減少
させている。なお、吐出空気圧が補助バーナ装置
の制御範囲で十分制御されている場合の水素ガス
温度は、第３の加算器１７に入力されている。通
常の設定温度T0と検出温度Ｔとの偏差信号によ
り、PI調節器１８が作動されて第４の加算器１
９を介して燃焼室１Ｂの原燃料１０２の燃料制御
信号を補正することにより制御されている。
また、一般に空気圧縮機の吐出空気流量Ｑと、
吐出空気圧力Ｈの関係（Ｑ−Ｈ特性）は通常Ｑを
多くするとＨは低くなり、Ｑを少なくするとＨは
高くなる。特に、Ｑを極端に少なくすると、Ｈが
上昇し、空気圧縮機は正常運転が出来ない状態
（サージング現象）になる恐れがある。
吐出空気圧力Ｈの関係（Ｑ−Ｈ特性）は通常Ｑを
多くするとＨは低くなり、Ｑを少なくするとＨは
高くなる。特に、Ｑを極端に少なくすると、Ｈが
上昇し、空気圧縮機は正常運転が出来ない状態
（サージング現象）になる恐れがある。
このため、空気消費量が減少して吐出空気圧力
が上昇したときは、バイパス制御弁PCV２を動
作させてバイパス流量１１６を増やすことにより
速やかに吐出空気圧力の上昇を抑制させる。この
ための制御系がPC２であり、圧力設定値は空気
圧縮機３Ａの正常運転を保証する最大吐出空気圧
力である。つづいて、流量検出器FT７にてこの
バイパス流量が検出され、その検出流量Ｆが第２
図図示の第１の加算器１０の−入力端に入力され
基準値F0との偏差が出力される。基準値F0は制
御可能な範囲において可及的に０に近い値に定め
られているので、PI調節器の出力信号はPI動作
によつて減少される。これによつて加算器１２の
出力信号SBも減少され、まず、第３の信号変換器
１４の出力信号SDを減少させて改質装置の燃焼室
１Ｂへ流入される原燃料流量を低減させ、つづい
て、第２の信号変換器１３により補助バーナ装置
の原燃料制御信号SCを低減させて、バイパス流量
を０または制御可能な範囲で最小にしている。
が上昇したときは、バイパス制御弁PCV２を動
作させてバイパス流量１１６を増やすことにより
速やかに吐出空気圧力の上昇を抑制させる。この
ための制御系がPC２であり、圧力設定値は空気
圧縮機３Ａの正常運転を保証する最大吐出空気圧
力である。つづいて、流量検出器FT７にてこの
バイパス流量が検出され、その検出流量Ｆが第２
図図示の第１の加算器１０の−入力端に入力され
基準値F0との偏差が出力される。基準値F0は制
御可能な範囲において可及的に０に近い値に定め
られているので、PI調節器の出力信号はPI動作
によつて減少される。これによつて加算器１２の
出力信号SBも減少され、まず、第３の信号変換器
１４の出力信号SDを減少させて改質装置の燃焼室
１Ｂへ流入される原燃料流量を低減させ、つづい
て、第２の信号変換器１３により補助バーナ装置
の原燃料制御信号SCを低減させて、バイパス流量
を０または制御可能な範囲で最小にしている。
なお、吐出空気圧上昇は空気圧縮機のサージン
グなどを引き起こしたり、圧力配管などを破損さ
せる虞れがあることから、上述のように応答性の
よいバイパス方式により速やかに吐出空気圧の上
昇を抑制し、次に、熱効率を向上させるためにそ
のバイパス流量を低減させるように制御すること
が望ましいこと、及び制御の相互干渉を防止させ
ることなどから、前記PI調節器１１の応答時間
は圧力制御器PC２などの２倍以上の緩慢なもの
とするのが望ましい。
グなどを引き起こしたり、圧力配管などを破損さ
せる虞れがあることから、上述のように応答性の
よいバイパス方式により速やかに吐出空気圧の上
昇を抑制し、次に、熱効率を向上させるためにそ
のバイパス流量を低減させるように制御すること
が望ましいこと、及び制御の相互干渉を防止させ
ることなどから、前記PI調節器１１の応答時間
は圧力制御器PC２などの２倍以上の緩慢なもの
とするのが望ましい。
従つて、本実施例によれば、空気供給装置の吐
出空気圧を一定に制御するにあたつて、空気圧上
昇に対しては応答性に優れたバイパス制御を動作
させ、ひきつづいて、バイパス流量を最小にさせ
るようにタービンの駆動エネルギを減少制御させ
ることにより吐出空気圧の上昇を抑制しているこ
とから、制御の応答性が向上され且つバイパスに
伴うエネルギ損失が低減されて熱効率が向上され
るという効果がある。
出空気圧を一定に制御するにあたつて、空気圧上
昇に対しては応答性に優れたバイパス制御を動作
させ、ひきつづいて、バイパス流量を最小にさせ
るようにタービンの駆動エネルギを減少制御させ
ることにより吐出空気圧の上昇を抑制しているこ
とから、制御の応答性が向上され且つバイパスに
伴うエネルギ損失が低減されて熱効率が向上され
るという効果がある。
また、本実施例によれば、吐出空気圧の低下に
対して、補助バーナ装置の燃焼排ガスを増大させ
ることにより空気圧を一定に保持させ、且つ、空
気圧の異常低下に対しては、一定の限度内にて改
質装置の燃焼排ガスを増大させてバツクアツプさ
せることにより空気圧の低下を制御していること
から、燃料電池の発電効率を向上させることがで
きるという効果がある。
対して、補助バーナ装置の燃焼排ガスを増大させ
ることにより空気圧を一定に保持させ、且つ、空
気圧の異常低下に対しては、一定の限度内にて改
質装置の燃焼排ガスを増大させてバツクアツプさ
せることにより空気圧の低下を制御していること
から、燃料電池の発電効率を向上させることがで
きるという効果がある。
なお、本発明の制御方式は上記実施例に限定さ
れるものではなく、本発明の範囲内で種々の応用
が可能である。
れるものではなく、本発明の範囲内で種々の応用
が可能である。
例えば、吐出空気圧を一定とするためのバイパ
スは、空気を放出させる代りにタービンの駆動ガ
スを放出させても良く、または、それらの組み合
せでも良い。また、タービン入口に圧力制御弁を
設け、これによりタービンの出力を制御すること
もできる。さらに、バイパス流量の検出はバイパ
ス制御の圧力制御弁開度から検出することも可能
である。
スは、空気を放出させる代りにタービンの駆動ガ
スを放出させても良く、または、それらの組み合
せでも良い。また、タービン入口に圧力制御弁を
設け、これによりタービンの出力を制御すること
もできる。さらに、バイパス流量の検出はバイパ
ス制御の圧力制御弁開度から検出することも可能
である。
以上説明したように、本発明によれば、空気供
給装置の制御の応答性が向上され且つバイパスに
伴うエネルギ損失が低減されて熱効率が向上さ
れ、さらに、空気圧の異常低下をも抑制すること
ができることから発電効率を向上させることがで
きるという効果がある。
給装置の制御の応答性が向上され且つバイパスに
伴うエネルギ損失が低減されて熱効率が向上さ
れ、さらに、空気圧の異常低下をも抑制すること
ができることから発電効率を向上させることがで
きるという効果がある。
第１図は本発明の適用された一実施例の燃料電
池発電プラントのシステム全体構成図、第２図は
第１図図示実施例の主要制御回路の詳細構成図、
第３図Ａ〜Ｄは動作説明のための線図である。 １……改質装置、２……燃料電池、３……空気
供給装置、３Ａ……空気圧縮機、３Ｂ……タービ
ン、４……補助バーナ装置、９……第１の信号変
換器、１０……第１の加算器、１１……PI調節
器、１２……第２の加算器、１３……第２の信号
変換器、１４……第３の信号変換器、１６……第
４の信号変換器、PT２……圧力検出器、FT７…
…バイパス流量検出器、PCV２……バイパス制
御弁。
池発電プラントのシステム全体構成図、第２図は
第１図図示実施例の主要制御回路の詳細構成図、
第３図Ａ〜Ｄは動作説明のための線図である。 １……改質装置、２……燃料電池、３……空気
供給装置、３Ａ……空気圧縮機、３Ｂ……タービ
ン、４……補助バーナ装置、９……第１の信号変
換器、１０……第１の加算器、１１……PI調節
器、１２……第２の加算器、１３……第２の信号
変換器、１４……第３の信号変換器、１６……第
４の信号変換器、PT２……圧力検出器、FT７…
…バイパス流量検出器、PCV２……バイパス制
御弁。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 燃料電池に水素ガスを供給する改質装置と、
該改質装置と補助バーナ装置とから排出される燃
焼排ガスを駆動ガスとするタービンと該タービン
により駆動される空気圧縮機とから形成され前記
燃料電池に空気を供給する空気供給装置と、該空
気供給装置の吐出空気圧を検出する圧力検出器
と、該検出圧が所定の設定圧以上のとき前記吐出
空気およびタービン駆動ガスの少なくとも一方を
バイパスして系外へ流出させるバイパス制御弁
と、を備えて構成される燃料電池発電プラントに
おいて、前記検出圧と前記設定圧との偏差に応じ
た圧力偏差信号を出力する第１の信号変換器と、
前記バイパス流量を検出するバイパス流量検出器
と、該検出流量を−入力とし所定の最小バイパス
流量の基準値を＋入力とする第１の加算器と、該
加算器の出力信号を入力とするPI調節器と、該
PI調節器の出力信号と前記圧力偏差信号を＋入
力とする第２の加算器と、該加算器の出力信号が
所定の設定値以下のときは該出力信号に比例して
増大され以上のときは一定値とされる前記補助バ
ーナ装置の燃料制御信号を出力する第２の信号変
換器と、 を設けたことを特徴とする燃料電池発電プラン
ト。 ２ 燃料電池に水素ガスを供給する改質装置と、
該改質装置と補助バーナ装置とから排出される燃
焼排ガスを駆動ガスとするタービンと該タービン
により駆動される空気圧縮機とから形成され前記
燃料電池に空気を供給する空気供給装置と、該空
気供給装置の吐出空気圧を検出する圧力検出器
と、該検出圧が所定の設定圧以上のとき前記吐出
空気およびタービン駆動ガスの少なくとも一方を
バイパスして系外へ流出させるバイパス制御弁
と、を備えて構成される燃料電池発電プラントに
おいて、前記検出圧と前記設定圧との偏差に応じ
た圧力偏差信号と出力する第１の信号変換器と、
前記バイパス流量を検出するバイパス流量検出器
と、該検出流量を−入力とし所定の最小バイパス
流量の基準値を＋入力とする第１の加算器と、該
加算器の出力信号を入力とするPI調節器と、該
PI調節器の出力信号と前記圧力偏差信号とを＋
入力とする第２の加算器と、該加算器の出力信号
が所定の設定値以下のときは該出力信号に比例し
て増大され以上のときは一定値とされる前記補助
バーナ装置の燃料制御信号を出力する第２の信号
変換器と、前記第２の加算器の出力信号が前記第
２の信号変換器の前記設定値以上のとき該出力信
号に比例して増大される信号を出力する第３の信
号変換器と、該信号変換器の出力信号に応じて前
記改質装置の燃料流量の補正信号を出力する第４
の信号変換器と、を設けたことを特徴とする燃料
電池発電プラント。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57127676A JPS5918577A (ja) | 1982-07-23 | 1982-07-23 | 燃料電池発電プラント |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57127676A JPS5918577A (ja) | 1982-07-23 | 1982-07-23 | 燃料電池発電プラント |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5918577A JPS5918577A (ja) | 1984-01-30 |
| JPS6356672B2 true JPS6356672B2 (ja) | 1988-11-09 |
Family
ID=14965954
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57127676A Granted JPS5918577A (ja) | 1982-07-23 | 1982-07-23 | 燃料電池発電プラント |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5918577A (ja) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4585709A (en) * | 1983-01-21 | 1986-04-29 | Energy Development Associates, Inc. | Method and apparatus for regulating the hydrate formation temperature in a metal-halogen battery |
| JPS601766A (ja) * | 1983-06-18 | 1985-01-07 | Shimadzu Corp | 燃料電池発電用タ−ボコンプレツサシステム |
| JPH06105619B2 (ja) * | 1984-09-26 | 1994-12-21 | 株式会社島津製作所 | 燃料電池発電システムの制御方法 |
| JPS61227375A (ja) * | 1985-03-30 | 1986-10-09 | Toshiba Corp | 燃料電池発電システム |
| JPH07101613B2 (ja) * | 1985-05-16 | 1995-11-01 | 株式会社東芝 | 燃料電池発電システム |
| JPS6345764A (ja) * | 1986-08-12 | 1988-02-26 | Fuji Electric Co Ltd | 燃料電池発電プラントの運転制御装置 |
| KR100198582B1 (ko) * | 1995-11-07 | 1999-06-15 | 구자홍 | 드라이 마크 표시 의류 세탁 코스가 내장된 전자동 세탁기의 세탁 장치 |
| DE19541512C1 (de) * | 1995-11-08 | 1997-05-22 | Walterscheid Gmbh Gkn | Schutzvorrichtung für eine Gelenkwelle mit radialer Unterstützung des Schutztrichters |
| EP1643574A1 (en) * | 2003-04-17 | 2006-04-05 | Nissan Motor Company, Limited | Fuel cell system and method of controlling the same |
-
1982
- 1982-07-23 JP JP57127676A patent/JPS5918577A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5918577A (ja) | 1984-01-30 |
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