JPH0715822B2 - 燃料電池発電プラント - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は燃料電池発電プラントに関し、より詳細には電
力遷移の増大中に電池への空気流を増大する燃料電池発
電プラントに関する。

［従来の技術］ キーテイング、ジユニア、等の米国特許第3,576,677号
に開示されているような空気を酸素源として利用する燃
料電池発電システムは代表的に、電池の最適酸素利用を
維持する調節出口制御弁を有する定空気供給ブロアによ
り空気を供給し、水回収及び良好な電池性能を提供す
る。調節弁は一般的に比較的遅い電動弁である。大部分
の運転状態に対して、このような酸素供給システムは完
全に適切である。しかしながら、電池に課される電力負
荷需要が増大する時は例外である。燃料電池発電プラン
トの一つの明確な局面は電流出力や負荷の増大需要に実
質的に瞬時に応答することである。燃料電池発電プラン
トの負荷が増大する場合、同時且つ迅速に反応物質の供
給が増大して燃料電池発電プラントの適切な運転を保証
しなければならない。これは電力出力の大規模な増大に
対して、特にそうである。従来技術の電動調節空気供給
弁では酸素供給のこの比較的瞬時の増大は生せず、それ
はこの種の弁はこのような迅速な容量変化が不可能なた
めであり、特に大型バタフライ弁の場合にそうである。
従来の電動調節弁では、発電プラントに課される負荷の
増大により供給速度を新しい高い速度に調整するのに数
秒を要する。この期間中に酸素欠乏が生じて不安定な運
転状態を生じることがある。その結果、電池電圧が低下
し、電流が増大し、燃料欠乏及びアノード腐蝕が生じ
る。発電プラントは需要電力を発生することができず限
界外状態により停止してしまうことがある。

本発明は、調節弁をバイパスするブロアから電池スタツ
クの入口側までの並列ラインに複数個の補助空気供給弁
を設けることにより、電力出力増大期間中の電池性能を
改善するものである。補助弁は、代表的に励起されてか
らおよそ100ms後に作動する高速作動ソレノイド弁であ
る。通常、これらの弁は発電プラントの運転中は閉成さ
れ、指令によつてのみ過渡的に開放される。好ましく
は、発電プラントの運転はマイクロプロセツサにより制
御される。マイクロプロセツサ制御器に接続された電流
センサが電流部の電力出力を監視するように作動する。
マイクロプロセツサ制御器は調節弁及びソレノイド弁を
制御する。電力出力の増大が検出されてマイクロプロセ
ツサに伝えられると、後者は１組のソレノイド補助弁を
開き調節弁に信号を与えて電力部にもつと空気を供給す
るように調節する。マイクロプロセツサは感知される電
力出力の増大値により要求される程度に調節弁が開いた
時に補助弁を閉成するようにプログラムされている。好
ましくは、負荷の増大が過剰である場合に空気流を著し
く増大させるために１組以上の補助弁が設けられる。

従つて、電池に電力出力の増大が課される時に生じる酸
素欠乏に対する安全装置を有する改良型燃料電池発電プ
ラントを提供することが本発明の目的である。

定出力加圧空気ブロアと共に作動して主可変流量弁を介
して燃料電池へ空気を供給する前記性質の発電プラント
を提供することも本発明の目的である。

プラントの電力出力の増大に続いて電池に補助空気が供
給される前記性質の電力プラントを提供することも本発
明の目的である。

主可変流量弁の調整が完了した後に補助空気の供給が終
止される、前記性質の発電プラントを提供することも本
発明の目的である。

燃料電池の負荷を監視する電流センサからの入力に反応
するマイクロプロセツサにより主及び補助空気弁が制御
される、前記性質の発電プラントを提供することも本発
明の目的である。

［実施例］ 第１図を参照として、本発明に従つて作動する燃料電池
発電プラントの空気供給部及び電力部を略示する。一般
的に符号２に示す電力部はカソード側４、アノード側６
及び中間電解質マトリクス部８を含んでいる。電力部２
は略図において１個の燃料電池として示されているが、
実際には代表的に一つもしくはいくつかの燃料電池スタ
ツクからなることは容易にお判りいただけると思う。周
囲空気を空気管12を介してカソード側に吹きつける定速
ブロア10により、電力部２のカーソド側４に酸素が供給
される。主空気流制御弁14がカソード入口空気管12内に
載置されており、弁14は定速電動機16により作動される
調節弁であり、電動機は発電プラントマイクロプロセツ
サ制御器18により制御される。このようにして、制御器
18は電動機16を選択的に作動させることにより弁14を通
る空気流の流量と調整することができる。流量計20が管
12内の主制御弁14と電力部２のカソード側４の間に載置
されていてカソードに入る酸素の流量を監視する。好ま
しくは、流量計20は固体重量流量計であり、発電プラン
トマイクロプロセツサ制御器18に作動可能に接続されて
いる。

主空気流制御弁14の上流で、弁14とブロア10との間に、
バイパス管24,26,28及び30につながる第一の分岐空気管
22が配置されている。各バイパス管24,26,28および30に
は、それぞれソレノイド弁A,B,C及びＤが載置されてい
る。ソレノイド弁A,B,C及びＤは完全閉成もしくは完全
開放される高速開放弁であり、発電プラントの運転中は
通常閉成方向にバイアスされている。ソレノイド弁A,B,
C及びＤは発電プラントマイクロプロセツサ制御器18に
作動可能に接続されており、後記するようにそれにより
選択的に作動される。主空気流制御弁14の下流で酸素入
口管12に再入する第２の分岐管32にバイパス管24,26,28
及び30が接続されている。電流もしくは負荷モニタ34が
発電プラント発生回路に接続されていて、電力部２によ
り発生される電流を監視する。電流モニタ34は発電プラ
ントマイクロプロセツサ制御器18にも動作可能に接続さ
れている。

第２図を参照として、過渡的増大期間中及び電動主制御
弁14の開放中の、電力部に対する出力電流需要、すなわ
ち負荷のグラフ表示を示す。第２図において、縦軸は負
荷すなわち電流Ｉをアンペアで示し、横軸は時間Ｔを示
す。実線は電力需要の過渡増大期間中の変化を示し、二
点鎖線は電動弁の開放によりカソードへの酸素流が増大
する結果生じる理論的電流発生変化すなわち電力を示
す。電動制御弁が開いている限り、酸素流の変化が定率
で定常的に増大する時に負荷変化は実質的に瞬時に生じ
るため、負荷電流需要と電動制御弁から得られる酸素に
より発生される理論的電流との間には差が生じ、この差
を第２図にＩΔで示す。電動弁を通る酸素流量が負荷電
流需要をまかなうのに充分となるまで、ＩΔは電動弁が
開くと定常的に減少する。酸素欠乏及び性能不足の危険
が存在するのは、ＩΔが存在する期間である。負荷の過
渡的増大が生じる時にＩΔが大きいほど、電動弁を通る
酸素流量が追いつくのに長時間を要し、電池破損の危険
が高まる。

マイクロプロセツサ制御器18には常時流量計20から情報
が供給され、従つて、マイクロプロセツサ18は常に電動
制御弁14の現在の誤定値を知ることができる。同様に、
制御器18は制御弁14が開閉する一定速度が判るようにプ
ログラムされている。電流出力モニタ34は電力部２に課
される現在の負荷に関する情報を常時制御器18に供給す
る。課される負荷が増大する時は常に、制御器18は制御
弁14がその中を流れる酸素により増大する負荷を満足さ
せるような設定値に達するまで制御弁14を開放するのに
必要な時間を計算することができる。制御器18は一つも
しくはいくつかの予選定値を越えるＩΔ値を検出した時
に補助ソレノイド弁A,B,CおよびＤのいくつかもしくは
全てを選択的に開くように予めプログラムされており、
且つ一つもしくはいくつかの低い予選定値以下に降下す
る時にソレノイド弁A,B,CおよびＤを選択的に閉成する
ように予めプログラムされている。補助ソレノイド弁開
放のための予選定値はそれよりも小さい初期ＩΔ値が与
えられる時に、電力部２が電動弁14のみに依存すること
により破損する危険が生じないような値とされている。
補助ソレノイド弁閉成のための予選定値はソレノイド弁
が常に開放及び閉成して、システムの運転中に単にＩΔ
が弁開放のための予選定値付近で変動することにより摩
損することがないよう保証するのに充分な低い値であ
る。予めプログラムされた弁開放のための低い予選定値
を越えないＩΔ値が出力モニタ34から制御器18に供給さ
れると、制御器18は新しいＩΔに合致するように電動弁
14を開放するのに必要な時間を計算し、その計算された
時間だけ電動弁を開く。

次に第３図を参照として、ソレノイド弁A,B,C及びＤだ
けでなく、マイクロプロセツサ制御器18及び弁14の動作
を説明するソフトウエアフロー図を示す。第３図に示す
システムにおいて、ソレノイド弁は対として作動し、弁
Ａ及びＢは共に開閉し、弁Ｃ及びＤも共に開閉する。こ
の動作モードは本発明を使用できる多くのモードの中の
一つにすぎず、主として市販されているソレノイド弁の
サイズにより選定された。また、第３図のシステムにお
いて、弁対Ａ及びＢが最初に開閉し、弁対Ｃ及びＤは後
に開閉する。これは電動弁を増強させるのに２個のソレ
ノイド弁しか必要でないようなＩΔが測定された場合、
Ａ及びＢが開いてＣ及びＤは閉じたままであることを意
味するにすぎない。第３図に示す手順において、マイク
ロプロセツサは初期ソレノイド弁Ａ及びＢの状態を1/2
秒間隔でチエツクして電動弁を調整することをお判り願
いたい。これらの1/2秒掃引中に、ソレノイド弁Ａ及び
Ｂが閉成しておれば、制御器は酸素流量スケジユールＷ
を実際の流量と比較して電動弁を調整する。1/10秒間隔
で、制御器は弁セツトA,BおよびC,Dをチエツクし、ＩΔ
と関連する電流／傾斜関数Ｆをチエツクし、A,B及びC,D
を開閉すべきかどうかを決定する。弁Ａ及びＢが最初に
チエツクされて適正に調整され、その後Ｃ及びＤがチエ
ツクされて適正にチエツクされることをお判り願いた
い。また、1/2秒掃引に続いてソレノイド弁の1/10秒チ
エツクが行われることもお判り願いたい。

本発明のシステムは設置が簡単であり、マイクロプロセ
ツサ発電プラント制御システムを適正にプログラムする
ことにより自動作動可能なことが容易にお判り願えると
思う。過渡的な負荷の増大中に酸素の欠乏は防止される
が、電池には過剰な量の酸素が長時間供給されて発電プ
ラントの排気を薄めることはなく、従つて生成される水
の回収に逆影響を及ぼすことがない。本発明のシステム
を構成するのに使用されるハードウエアは市販されてお
り、システムは比較的経済的に建設できる。さらに、既
存のシステムを本発明に従つて作動するように容易に変
更することができる。

開示した実施例に発明概念から逸脱することなくさまざ
まな変更や修正を加えることができるため、本発明はそ
れに制約されるものではなく添付特許請求の範囲のみに
制約されるものとする。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従つて形成された燃料電池発電プラン
トの実施例の一部の略図、第２図は発電プラントに実際
に負荷変化が生じる様子及び電動空気流量弁の変調に応
答して酸素流が変化する様子を表わすグラフ、第３図は
電力プラントのマイクロプロセツサ制御器がソレノイド
弁及び主空気制御弁を制御する方法を略示するソフトウ
エアフロー図である。 参照符号の説明 ２…電力部 ４…カソード ６…アノード ８…中間電解質マトリクス部 10…定速ブロア 12…カソード入口空気管 14…主空気流制御弁 16…定速電動機 18…マイクロプロセツサ制御器 20…流量計 22,32…分岐空気管 24,26,28,30…バイパス管 34…負荷モニタ A,B,C,D…ソレノイド弁

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料電池発電プラントにおける、プラント
   内の電池の酸化側に空気を供給するシステムにおいて、
   該システムは、 ａ）前記プラントの前記酸化側に空気を供給する管路手
   段と、 ｂ）前記管路手段に接続され、前記管路手段に定速度で
   空気流を吹き付ける定速ブロアと、 ｃ）前記管路手段内の前記ブロアと前記酸化側間に配置
   され、前記酸化側へ流れる空気の量を変えるように調整
   できる電動制御弁と、 ｄ）前記管路手段内へ開放され、前記ブロアから前記制
   御弁をバイパスする前記酸化側へ空気流を供給する分岐
   管路手段と、 ｅ）前記分岐管路手段内に配置され、閉成状態から開放
   状態へ比較的瞬時に変化し且つ戻ることができ、常時は
   前記閉成状態にある高速作動弁手段と、 ｆ）前記管路手段に配置され、前記制御弁及び前記高速
   作動弁手段から前記酸化側へ流れる酸素の量を測定する
   流量計手段と、 ｇ）発電プラントからの負荷ラインに接続され、発電プ
   ラント内の電池に課される負荷の変化を監視する電流監
   視手段と、 ｈ）前記システムの動作を制御し、動作上、前記電流監
   視手段、前記流量計手段、前記高速作動弁手段及び前記
   制御弁に接続され、且つ、 ｉ）前記監視及びセンサ手段からそれぞれ負荷及び酸素
   流データを受信し、 ii）前記制御弁が現在の負荷需要を満足させるのに充分
   な酸素を供給できるかどうかを断続的に決定し、 iii）前記制御弁が増大する負荷需要に応答してタイム
   リーに増大する量の酸素を独立に供給できる時に、前記
   制御弁を増分開放し、 iv）前記制御弁が増大する負荷需要に応答してタイムリ
   ーに増大する量の酸素を独立に供給できない時は、前記
   高速作動弁手段を開き同時に前記制御弁を連続的に開
   き、負荷需要が過渡的に増大する間発電プラントが酸素
   欠乏しないように作動するマイクロプロセツサ手段、 を具備する燃料電池発電プラント。
2. 【請求項２】請求項１記載の燃料電池発電プラントにお
   いて、前記マイクロプロセツサ手段は、さらに前記高速
   作動弁手段及び前記制御弁からの現在の酸素流量が同時
   に存在する負荷需要を維持できるような予め計算された
   量である予め入力された値に達する時に前記高速作動弁
   手段を閉成するように作動する、燃料電池発電プラン
   ト。
3. 【請求項３】請求項１記載の燃料電池発電プラントにお
   いて、前記高速作動弁手段は複数個のソレノイド弁を具
   備し、前記マイクロプロセツサ手段は前記制御弁の酸素
   供給不足が進行中の負荷需要を維持するのに必要な量よ
   りも少ない予め計算された第１の小さい量である時に前
   記ソレノイド弁の全部は開かないように作動し、前記制
   御弁の酸素供給不足が進行中の負荷需要を維持するのに
   必要な量よりも少ない第２の大きな量である時に前記ソ
   レノイド弁の全てを開くように作動する、燃料電池発電
   プラント。
4. 【請求項４】長期動作期間中燃料電池システムへ酸素を
   供給する方法において、 ａ）前記燃料電池システムに課される負荷需要を連続的
   に監視し、 ｂ）前記燃料電池システムへの酸素流量を連続的に監視
   し、 ｃ）測定された負荷及び測定された酸素流量を予め計算
   された定常状態流量スケジユールと周期的に比較し、且
   つ前記定常状態流量スケジユールからの測定された酸素
   流量の偏差を比較し、 ｄ）前記測定された酸素流量の偏差が第１の所定値より
   も小さい場合に、燃料電池システムへの酸素流量を徐々
   に増大し、 ｅ）前記酸素流量の偏差が前記第１の所定値を越える場
   合は、同時に酸素流と実質的に瞬時に増大して燃料電池
   システムへの酸素流量を増大する、 ステツプからなる燃料電池システムへの酸素供給方法。
5. 【請求項５】請求項４記載の方法において、さらに前記
   酸素流量の偏差が前記第１の所定値よりも小さい第２の
   所定値よりも低い場合は、酸素流の増大を実質的に瞬時
   に終止させるステツプを有する燃料電池システムへの酸
   素供給方法。
6. 【請求項６】請求項５記載の方法において、さらに測定
   された酸素流量が予め計算された定常状態流スケジユー
   ルと一致するような時間まで、酸素流の増大を終止させ
   た後も酸素流量を徐々に増大し続け、その後酸素の定常
   流は電動弁を閉成することにより負の偏差にも応答する
   ステツプを有する燃料電池システムへの酸素供給方法。