JPS6396872A - 燃料電池発電システム - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は燃料電池と改質装置とタービン圧縮機とを備え
て構成される燃料電池発電システムに係り、特にシステ
ムの急激な負荷変化におけるタービン圧縮癩の圧力変動
を良好に抑制して、システムの制御性を向上させ得るよ
うにした燃料電池発電システムに関するものである。

（従来の技術） 従来、燃料の有している化学的エネルギーを直接電気的
エネルギーに変換するものとして燃料電池が知られてい
る。この燃料電池は通常、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すると共に、燃料極に燃
料ガスを供給しまた酸化剤極に酸化剤ガスを供給し、こ
のとき起こる電気化学的反応を利用して上記両電極間か
ら電気エネルギーを取出すようにしたものであり、上記
燃料ガスと酸化剤ガスが供給されている限り高い変換効
率で電気エネルギーを取出すことができるものである。

さて、現在考えられている燃料電池としては、ヒドラジ
ンを燃料とする燃料電池、アルカリ水溶液電解質、リン
酸水溶液電解質を電解質とする燃料電池があるが、この
うちリン酸水溶液電解質を電解質とするリン酸形の燃料
電池は、改質ガスを使用できることから一般的な使用が
可能であり、産業用または発電事業用として使用されつ
つある。

そしてこの種の燃料電池は、原燃料ガスから水素を多く
含んだ改質ガスを得て、この得られた改質ガスを燃料ガ
スとして燃料電池の燃料極に導入するための改質装置を
備えると共に、改質装置および燃料電池から排出される
排ガスのエネルギーを駆動エネルギーの一部として用い
、上記改質装置および燃料電池等へ加圧空気を供給する
ためタービン圧縮機とを備えて、燃料電池発電システム
全体を構成ｊノでいることが多い。

第３図は、かかる燃料電池発電システムの構成例を示し
たものである。第３図において、１は圧縮機であり、こ
の圧縮機１で得られた圧縮空気はプロセス供給うイン４
を介して、図示しない燃料電池や改質装置等のプロセス
へ供給される。また、２は上記圧縮機１を駆動するため
のタービンである。さらに、３は補助バーナ混合器であ
り、図示しない燃料電池や改質装置等のプロセスから排
出される排ガスをプロセス排ガスライン５を介して回収
すると同時に、不足エネルギー分を補助バーナで補うこ
とにより、上記タービン２へ適切なエネルギーを供給す
るものである。ここで、補助バーナ混合器３の補助バー
ナへの燃料および空気は、補助バーナ燃料供給ライン６
および補助バーナ空気供給うイン７を介して夫々供給さ
れる。

一方、燃料電池発電システムでは通常、圧縮機１吐出部
とタービン２人口部との間の圧力差（以下、システム差
圧と称する）を制御することにより、タービン圧縮機の
動作状態を適切に保持する構成を有している。従来では
、タービン２人口部の圧力制御は、上記補助バーナへの
燃料および空気の供給量を調節することにより行なわれ
ている。

そしてシステム差圧は、上記圧縮機１吐出部とタービン
２人口部との間のシステム差圧を検出する差圧検出器９
によるシステム差圧検出値ａと、システム差圧検出値設
定値すとの比較結果であるシステム差圧偏差信号Ｃに基
づいて、差圧調節弁開度演痺器８が上記タービン圧１１
灘の圧縮機１吐出部とタービン２人口部とを結ぶバイパ
スライン上に設けられた差圧調節弁１０に対して開度指
令ｄを与えることにより制御されるようになっている。

すなわち、差圧調節弁１０は圧縮１１にて供給する空気
のうち、プロセスで必要とされる空気口以外の余剰空気
量を補助バーナ混合器３へ供給することによって、シス
テム差圧を適切に保とうとするものである。

しかしながら、このような従来の燃料電池発電システム
においては以下のような問題がある。すなわち、タービ
ン圧縮機圧力の制御性が必ずしも良好ではなく、急激な
負荷変化等の外乱が生じたような場合には、タービン圧
縮機の圧力変動が大きく生じるという問題がある。すな
わち、上述した従来例のようなフィードバック制御によ
るシステム差圧制御構成では、応答の速いタービン圧縮
機の圧力系に対して、必ずしも十分な制御性を有してい
ない。一方、タービン圧縮機の圧力系の変動はシステム
全体の圧力の動揺を招くため、燃料電池発電システムの
負荷追従性の点から、上述したシステム差圧制御の制御
性を向上させることが必要視されてきている。

（発明が解決しようとする問題点） 以上のように、従来の燃料電池発電システムにおいては
、システムの急激な負荷変化等の外乱が生じた場合に、
タービン圧縮機の圧力変動、とりわけ圧ｍｉ吐出部の圧
力変動が大きく生じ、システムの負荷追従性が低下する
という問題があった。

本発明は上述のような問題を解決するために成されたも
ので、その目的はシステムの急激な負荷変化におけるタ
ービン圧縮機の圧力変動を良好に抑制して、システムの
制御性を向上させることが可能な信頼性の高い燃料電池
発電システムを提供することにある。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 上記の目的を達成するために本発明では、原燃料ガスを
改質して改質ガスを生成する改質装置と、この改質装置
で得られた改質ガスを燃料ガスとして燃料極にまた酸化
剤ガスを酸化剤極に夫々導入し、このとき起こる電気化
学的反応により両電極間から電気エネルギーを取出す燃
料電池と、上記改質装置および燃料電池から排出される
排ガスのエネルギーを駆動エネルギーの一部として用い
、上記改質装置および燃料電池へ圧縮空気を供給するタ
ービン圧縮機とを備えて構成される燃料電池発電システ
ムにおいて、上記タービン圧縮償の圧縮機吐出部とター
ビン入口部とを結ぶバイパスライン上に設けられ、当該
バイパスラインを流通する空気流ｍを調整して圧縮機吐
出部とタービン入口部との間の圧力差を調節する差圧ｍ
面押と、上記圧縮機吐出部とタービン入口部との間の圧
力差検出値と圧力差設定値との比較結果に基づいて。

上記差圧調節弁に対する開度指令を算出する差圧調節弁
開度演算器と、上記タービン圧縮□の圧縮機吐出部の流
量検出値または予め設定した流量基準値と、上記改質装
置および燃料電池へ供給する空気流量設定値の総和値と
の比較結果に基づいて。

上記差圧調節弁に対する補償開度指令を算出する差圧調
節弁補償開度演算器とを備え、上記差圧調節弁開度演算
器で算出された差圧調り弁開度指令と、上記差圧調節弁
補償開度演算器で算出された差圧調節弁補償開度指令と
の合成量を、上記差圧調節弁に対する最終的な開度指令
として与えるようにしたことを特徴とする。

（作用） 上述の燃料電池発電システムにおいては、タービン圧縮
機の圧縮機吐出部の流量検出値または予め設定した流量
基準値と、改質装置および燃料電池へ供給する空気流量
設定値の総和値との比較結果に基づいて、差圧調節弁補
償開度演算器により差圧調節弁に対する補償開度指令を
算出し、この差圧調節弁補償開度演算器で算出された差
圧調節弁補償開度指令と９本来の差圧ｉｉ［節弁開度指
令との合成量を、差圧調節弁に対する最終的な開度指令
として与えるようにしている。従って、システムの負荷
が急増した場合には、改質装置および燃料電池へ供給す
る空気流量設定値の総和値もこれに追従して急増するこ
とにより、差圧調節弁補償開度指令の大きさが小さくな
って差圧調節弁が先行的に速やかに閉制御され、一方シ
ステムの負荷が急減した場合には、改質装置および燃料
電池へ供給する空気流量設定値の総和値もこれに追従し
て急減することにより、差圧ｍ節弁補償開度指令の大き
さが大きくなって差圧調節弁が先行的に速やかに開制御
されることになる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例について図面を参照して説明す
る。

第１図は、本発明による燃料電池発電システムの構成例
をブロック的に示すもので、第３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、前記タービン圧
縮機の圧縮機１吐出部の流量を検出する流山検出器１１
と、この流量検出器１１からの圧縮機流量検出値ｅと、
前記改質装置および燃料電池へ供給するプロセス供給空
気流量設定値の総和値ｆとの比較結果である流量偏差信
号Ｑに基づいて、前記差圧調節弁１０に対する先行的な
補償開度指令りを算出する差圧調節弁補償開度演算器１
２とを第３図に付加し、前記差圧調節弁開度演算器８で
算出された差圧調節弁開度指令ｄと、上記差圧調節弁補
償開度演算器１２で算出された差圧調節弁補償開度指令
りとの合成ｍを、上記差圧調節弁１０に対する最終的な
開度指令ｉとして与えるように構成したものである。

ここで差圧調節弁補償開度演算器１２は、例えば差圧調
節弁１０としてリニア特性の弁を使用した場合、システ
ム差圧を一定に制御する燃料電池発電システムに対して
は下記（１）式に示すように、またシステム差圧を変化
させる場合には下記（２）式に示すように夫々与えるも
のである。

ｈ−ＣｒＪ　−Ｑ　　　　　　　・・・・・・（１）ｈ
＝ｃｘ　／ｒτ”Ｔ５”Ｔ　　・ｑ　・・・・・・（２
）なお、Ｃｏ　、Ｃ１は定数、ΔＰｓは差圧設定値、１
２ｇは第１図におけるり、Ｑに対応するものである。

次に、かかる如く構成した燃料電池発電システムにおけ
る作用について説明する。

第１図において、差圧検出器９で検出されたシステム差
圧検出値ａと、システム差圧設定値すとの比較結果であ
るシステム差圧陥差信号Ｃに基づいて、差圧調節弁開度
演算器８により差圧調節弁１０に対する開度指令ｄが算
出される。一方、流量検出器１１で検出されたタービン
圧縮機の圧縮機１吐出部の圧縮機流量検出ｌａｅと９図
示しない改質装置および燃料電池へ供給するプロセス供
給空気流量設定値の総和＠ｆとの比較結果である流量偏
差信号Ｑに基づいて、差圧調節弁補償開度演算器１２に
より差圧調節弁１０に対する補償開度指令りが算出され
る。そして、上記差圧ＷＡ１１５弁開度演算器８で算出
された差圧調節弁開度指令ｄと。

上記差圧調節弁補償開度演算器１２で算出された差圧調
節弁補償開度指令りとは合成されて、その合成罐が上記
差圧調節弁１０に対する最終的な開度指令ｉとして与え
られる。

従って、いま例えば燃料電池発電システムの負荷が急増
した場合、改質装置や燃料電池等のプロセスへ供給する
空気量は増加するが、本実施例では実際の空気量の増加
に先行して、プロセス供給空気流量設定値の総和値ｆと
圧縮機流ｍ検出値ｅとの流量偏差信号ｑに基づいて、差
圧調節弁補償開度指令りがシステムバイパス空気量を減
するように、すなわち差圧調節弁１０が先行的に速やか
に開方向に制御される。一方、燃料電池発電システムの
負荷が急減した場合、改質装置や燃料電池等のプロセス
へ供給する空気量は減少するが、本実施例では実際の空
気量の減少に先行して、プロセス供給空気流量設定値の
総和値ｆと圧縮機流量検出値ｅとの流ｍｉｉ差信号Ｑに
基づいて、差圧調節弁補償開度指令りがシステムバイパ
ス空気量を増やすように、すなわち差圧調節弁１０が先
行的に速やかに開方向に制御されることになる。

本実施例に伴う上述の作用は、負荷急変等のシステム変
化が生じて、プロセスへの空気の供給量が変化した場合
であっても、プロセス供給空気流量設定値の総和値ｆの
変化を基に、タービン圧縮機のシステム差圧制御が流量
の収支を考慮した先行的動作に基づいて速やかに制御が
行なわれることから、タービン圧縮機とりわけ圧縮機１
吐出部の圧力変動が抑えられることになる。例えば第２
図に示すように、時間１．にて負荷の急激な減少が生じ
た場合であっても、前述した従来のシステム差圧応答１
１に比較して、＋２のように圧力変動を十分に抑制する
ことが可能となる。

上述したように本実施例では、改質装置と、燃料電池と
、タービン圧縮機とを備えて構成される燃料電池発電シ
ステムにおいて、上記タービン圧縮機の圧縮機１吐出部
とタービン２人口部とを結ぶバイパスライン上に設けら
れ、当該バイパスラインを流通する空気流量を調整して
圧縮機１吐出部とタービン２人口部との間のシステム差
圧を調節する差圧調節弁１０と、上記圧縮機１吐出部と
タービン２人口部との間のシステム差圧検出値ａとシス
テム差圧設定値すとの比較結果であるシステム差圧偏差
信号Ｃに基づいて、上記差圧調節弁１０に対する開度指
令ｄを算出する差圧調節弁開度演算器８と、上記タービ
ン圧縮機の圧縮機１吐出部の圧縮機流ｍ検出値ｅと、上
記改質装置や燃料電池等のプロセスへ供給するプロセス
供給空気流量設定置の総和値ｆとの比較結果である流量
偏差信号Ｑに基づいて、上記差圧ｗＪ節弁１０に対する
補償開度指令りを算出する差圧調節弁補償開度演算器１
２とを備え、上記差圧調節弁開度演算器８で算出された
差圧調節弁開度指令ｄと、上記差圧調節弁補償開度演算
器１２で算出された差圧調節弁補償開度指令りとの合成
量を、上記差圧１１１ｆｌｆｊ弁１０に対する最終的な
開度指令ｉとして与えるようにしたものである。

従って、燃料電池発電システムの急激な負荷変化により
、改質装置や燃料電池等のプロセスへの供給空気流量が
変化した場合であっても、それに基づく圧力の変動を吸
収するシステム差圧制御が。

プロセス供給空気流ｍ設定値の総和ｉｆに基づいて先行
的に行なわれることから、タービン圧縮典とりわけ圧縮
機１吐出部の圧力変動を良好に抑制し、タービン圧縮機
の動作状態を安定に保って。

システムの制御性を向上させることが可能となる。

また、燃料電池は圧力の変動によって容易に破損する恐
れがあるが、本実施例ではその一要因であるタービン圧
縮機の圧力変動を抑制できることから、燃料電池発電シ
ステム全体としてみた場合にも、その安定性、安全性、
負荷追従性の向上が図られることになる。

尚、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく
、次のようにしても実施することができるものである。

上述した実施例では、ターごン圧縮機の圧縮様１吐出部
の圧縮機流量検出値ｅと、プロセス供給空気流量設定値
の総和値ｆとの流量偏差信号Ｑに基づいて、差圧調節弁
１０に対する補償開度指令りを算出する場合を述べたが
、これに限らず例えばタービン圧縮機が通常運転中は常
時一定の状態で運転されるような燃料電池発電システム
においては、上述の圧縮機１吐出部の圧縮機流ｍ検出値
ｅの代りに、予め設定した一定の流量基準値を算出に用
いるようにしてもよいものである。また一定値でなくと
も、負荷や燃料電池出力電流等の代表的状態量で推定可
能な場合には、それらの関数として与えるようにしても
よいのである。

その他、本発明は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。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、改質装置と、燃料
電池と、タービン圧縮機とを備えて構成される燃料電池
発電システムにおいて、上記タービン圧縮機の圧縮機吐
出部とタービン入口部とを結ぶバイパスライン上に設け
られ、当該バイパスラインを流通する空気流量を調整し
て圧縮機吐出部とタービン入口部との間の圧力差を調節
する差圧調節弁と、上記圧縮機１吐出部とタービン入口
部との間の圧力差検出値と圧力差設定値との比較結果に
基づいて、上記差圧調節弁に対する開度指令を算出する
差圧調節弁開度演算器と、上記タービン圧縮機の圧縮機
吐出部の流量検出値または予め設定した流！１基準値と
、上記改質装置および燃料電池へ供給する空気流量設定
値の総和値との比較結果に基づいて、上記差圧調節弁に
対する補償開度指令を算出する差圧調節弁補償開度演算
器とを備え、上記差圧調節弁開度演算器で算出された差
圧調節弁開度指令と、上記差圧調節弁補償開度演算器で
算出された差圧調節弁補償開度指令との合成量を、上記
差圧調節弁に対する最終的な開度指令として与えるよう
にしたので、システムの急激な負荷変化におけるタービ
ン圧縮機の圧力変動を良好に抑制して、システムのｌＩ
Ｉ　ｔｌｌ性を向上させることが可能な極めて信頼性の
高い燃料電池発電システムが提供できる。

【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ブロック図、第２
図は同実施例による差圧応答と従来による差圧応答とを
比較して示した図、第３図は従来の燃料電池発電システ
ムの要部を示す構成ブロック図である。 １・・・圧縮機、２・・・タービン、３・・・補助バー
ナ混合器、４・・・プロセス供給ライン、５・・・プロ
セス排ガスライン、６・・・補助バーナ燃料供給ライン
、７・・・補助バーナ空気供給ライン、８・・・差圧調
節弁開度演算器、９・・・差圧検出器、１０・・・差圧
調節弁、１１・・・流量検出器、１２・・・差圧調節弁
補償開度演算器、ａ・・・システム差圧検出値、ｂ・・
・システム差圧設定値、Ｃ・・・システム差圧偏差信号
、ｄ・・・差圧調節弁開度指令、ｅ・・・圧縮機流量検
出値、ｆ・・・プロセス供給空気流ｍ設定値の総和値、
ｑ・・・流量偏差信号、ｈ・・・差圧調節弁補償開度指
令、１・・・最終的な開度指令。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦第１図 第２図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 原燃料ガスを改質して改質ガスを生成する改質装置と、
   この改質装置で得られた改質ガスを燃料ガスとして燃料
   極にまた、酸化剤ガスを酸化剤極に夫々導入し、このと
   き起こる電気化学的反応により両電極間から電気エネル
   ギーを取出す燃料電池と、前記改質装置および燃料電池
   から排出される排ガスのエネルギーを駆動エネルギーの
   一部として用い、前記改質装置および燃料電池へ圧縮空
   気を供給するタービン圧縮機とを備えて構成される燃料
   電池発電システムにおいて、前記タービン圧縮機の圧縮
   機吐出部とタービン入口部とを結ぶバイパスライン上に
   設けられ、当該バイパスラインを流通する空気流量を調
   整して圧縮機吐出部とタービン入口部との間の圧力差を
   調節する差圧調節弁と、前記圧縮機吐出部とタービン入
   口部との間の圧力差検出値と圧力差設定値との比較結果
   に基づいて、前記差圧調節弁に対する開度指令を算出す
   る差圧調節弁開度演算器と、前記タービン圧縮機の圧縮
   機吐出部の流量検出値または予め設定した流量基準値と
   、前記改質装置および燃料電池へ供給する空気流量設定
   値の総和値との比較結果に基づいて、前記差圧調節弁に
   対する補償開度指令を算出する差圧調節弁補償開度演算
   器とを備え、前記差圧調節弁開度演算器で算出された差
   圧調節弁開度指令と、前記差圧調節弁補償開度演算器で
   算出された差圧調節弁補償開度指令との合成量を、前記
   差圧調節弁に対する最終的な開度指令として与えるよう
   にしたことを特徴とする燃料電池発電システム。