JP2002289226A - 燃料電池発電装置の改質器温度制御システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構成簡単で安価にして改質器の温度を調節す
る。 【解決手段】 改質器の温度を温度センサ１０で測定
し、測定温度が目標温度よりも高いときには、直流電流
値制御手段１６により直流電流値を増加させ、燃料電池
本体で消費する改質ガスの量を増加させ、燃料電池本体
から取り出されて改質器に供給されるオフガスの量を減
少し、改質器で燃焼するガス量を減少して改質器の温度
を低下させ、目標温度に近づける。一方、改質器の温度
が目標温度よりも低いときには、直流電流値制御手段１
６により直流電流値を減少させ、燃料電池本体で消費す
る改質ガスの量を減少させ、燃料電池本体から取り出さ
れて改質器に供給されるオフガスの量を増加し、改質器
で燃焼するガス量を増加して改質器の温度を上昇させ、
目標温度に近づける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池発電装置
の改質器温度制御システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の燃料電池発電装置の改質器温度制
御システムは、図６の従来例のシステム構成図に示すよ
うに、改質器０１と燃料電池本体０２とインバータ０３
とを備えて構成されている。

【０００３】改質器０１には、都市ガスなどの炭化水素
を含む原燃料を供給する原燃料供給管０４が接続されて
いる。また、改質器０１には改質バーナー０５が設けら
れ、その改質バーナー０５に、燃料電池本体０２からの
オフガスを供給するオフガス供給管０６と、ブロアー０
７を介装した燃焼空気供給管０８とが接続され、燃料電
池本体０２からのオフガスを改質バーナー０５で燃焼さ
せることにより反応熱を得て燃料電池本体０２に供給す
る水素を主成分とする改質ガスを生成するように構成さ
れている。

【０００４】インバータ０３では、燃料電池本体０２か
らの直流出力を交流出力に変換するようになっている。
図中０９は、改質器０１からの排ガスによって燃焼空気
を予熱する予熱用熱交換器を示している。

【０００５】燃焼空気供給管０８に、予熱用熱交換器０
９と並列にバイパス配管０１０が接続されるとともにバ
イパス配管０１０に第１の流量調整弁０１１が介装され
ている。また、原燃料供給管０４にその原燃料供給量を
制御する第２の流量調整弁０１２が介装されている。

【０００６】改質器０１に、その温度を測定する温度セ
ンサ０１３が設けられ、その温度センサ０１３がコント
ローラ（図示せず）に接続されるとともに、コントロー
ラと第１および第２の流量調整弁０１１，０１２が接続
され、図７の（ａ）の改質器温度と制御出力との相関の
グラフに示すように、温度センサ０１３で測定される温
度が目標値になるように、燃焼空気の温度および原燃料
の供給量を制御するように構成されている。一方、イン
バータ０３では、燃料電池本体０２からの発電出力が一
定になるように、交流に変換する前の直流電流を調節
し、原燃料の流量については、図７の（ｂ）の直流電流
と原燃料の供給量との相関のグラフに示すように調節し
ていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来で
は、改質器０１の温度を調節するのに、燃焼空気の温度
制御や原燃料の供給量制御や、更に、燃料電池本体０２
からの発電出力の制御などを互いに関連させて制御しな
ければならず、制御を安定させるために十分な調節が必
要で、制御系が複雑になって高価になる欠点があった。

【０００８】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであって、請求項１に係る発明は、構成簡単で安
価にして改質器の温度を調節できるようにすることを目
的とし、また、請求項２に係る発明は、改質器の温度を
発電出力の変化に対応してより精度良く調節できるよう
にすることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
上述のような目的を達成するために、水素と酸素とを反
応させて電気を発生させる燃料電池本体と、前記燃料電
池本体からのオフガスを燃焼させることにより反応熱を
得て前記燃料電池本体に供給する水素を主成分とする改
質ガスを生成する改質器と、前記燃料電池本体からの直
流出力を交流出力に変換するインバータとを備えた燃料
電池発電装置の改質器温度制御システムにおいて、前記
インバータへの直流電流値を制御する直流電流制御器
と、前記改質器の温度を測定する温度センサと、前記改
質器の目標温度を設定する目標温度設定手段と、前記温
度センサで測定される温度と前記目標温度設定手段で設
定される目標温度とを比較し、測定温度が目標温度より
も高いときには直流電流値を増加させ、測定温度が目標
温度よりも低いときには直流電流値を減少させるように
前記直流電流制御器を制御する直流電流値制御手段とを
備えて構成する。

【００１０】また、請求項２に係る発明は、前述のよう
な目的を達成するために、請求項１に記載の燃料電池発
電装置の改質器温度制御システムにおいて、改質器に供
給する原燃料の供給量を調整する流量調整手段と、イン
バータからの交流出力の目標値を変更設定可能に設定す
る交流出力目標値設定手段と、前記交流出力目標値設定
手段で設定する前記交流出力の目標値に対応して、前記
目標値が大きいほど改質器に供給する原燃料の供給量が
多くなるように原燃料の供給量を設定する原燃料供給量
設定手段と、前記原燃料供給量設定手段で設定された原
燃料の供給量になるように前記流量調整手段を制御する
原燃料供給量制御手段とを備えて構成する。

【００１１】

【作用】請求項１に係る発明の燃料電池発電装置の改質
器温度制御システムの構成によれば、改質器の温度が目
標温度よりも高いときには、直流電流値制御手段により
直流電流値を増加させ、燃料電池本体で消費する改質ガ
スの量を増加させ、燃料電池本体から取り出されて改質
器に供給されるオフガスの量を減少し、改質器で燃焼す
るガス量を減少して改質器の温度を低下させ、目標温度
に近づけることができる。一方、改質器の温度が目標温
度よりも低いときには、直流電流値制御手段により直流
電流値を減少させ、燃料電池本体で消費する改質ガスの
量を減少させ、燃料電池本体から取り出されて改質器に
供給されるオフガスの量を増加し、改質器で燃焼するガ
ス量を増加して改質器の温度を上昇させ、目標温度に近
づけることができる。

【００１２】また、請求項２に係る発明の燃料電池発電
装置の改質器温度制御システムの構成によれば、需要家
の電気使用状況などに応じてインバータからの交流出力
の目標値を設定するに伴い、その目標値に対応して、目
標値が大きいほど改質器に供給する原燃料の供給量が多
くなるようにフィードフォワード制御方式によって原燃
料の供給量を設定し、その設定状態で、直流電流値制御
手段による直流電流値の制御によって改質器の温度を目
標温度に近づけることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施例を図面に基
づいて詳細に説明する。図１は、本発明に係る燃料電池
発電装置の改質器温度制御システムの第１実施例の説明
に供するブロック図であり、改質器１と燃料電池本体２
とインバータ３とを備えて燃料電池発電装置が構成され
ている。

【００１４】改質器１には、都市ガスなどの炭化水素を
含む原燃料を供給する原燃料供給管４が接続されてい
る。また、改質器１には改質バーナー５が設けられ、そ
の改質バーナー５に、燃料電池本体２からのオフガスを
供給するオフガス供給管６と、ブロアー７を介装した燃
焼空気供給管８とが接続され、燃料電池本体２からのオ
フガスを改質バーナー５で燃焼させることにより反応熱
を得て燃料電池本体２に供給する水素を主成分とする改
質ガスを生成するように構成されている。

【００１５】インバータ３では、燃料電池本体２からの
直流出力を交流出力に変換するようになっている。図中
９は、改質器１からの排ガスによって燃焼空気を予熱す
る予熱用熱交換器を示している。

【００１６】改質器１に、その温度を測定する温度セン
サ１０が設けられ、図２のブロック図に示すように、温
度センサ１０がコントローラ１１に接続されるととも
に、コントローラ１１に、目標温度設定手段１２と交流
出力目標値設定手段１３とが接続され、更に、インバー
タ３の直流電流制御器１４と、原燃料供給管４に設けら
れた流量調整手段としての流量調整弁１５とが接続され
ている。コントローラ１１には、直流電流値制御手段１
６、原燃料供給量設定手段１７および原燃料供給量制御
手段１８が備えられている。

【００１７】目標温度設定手段１２では、予め、改質器
１の制御すべき目標温度を設定するようになっている。
また、交流出力目標値設定手段１３では、需要家の電気
使用状況などに応じて、１００Ｗや２００Ｗなどといっ
たように、インバータ３からの交流出力の目標値を設定
するようになっている。

【００１８】直流電流値制御手段１６では、温度センサ
１０で測定される改質器１の温度と目標温度設定手段１
２で設定された改質器１の目標温度とに基づいて、図３
の（ａ）の改質器の温度と直流電流との相関のグラフに
示すように、直流電流制御器１４に制御信号を出力し、
測定温度が目標温度よりも高いときには直流電流値を増
加させ、測定温度が目標温度よりも低いときには直流電
流値を減少させるように直流電流値を制御するように構
成されている。

【００１９】原燃料供給量設定手段１７では、予め、交
流出力の目標値に対応して、目標値が大きいほど改質器
１に供給する原燃料の供給量が多くなるように原燃料の
供給量を設定して記憶されている。

【００２０】原燃料供給量制御手段１８では、原燃料供
給量設定手段１７から入力される原燃料供給量を得るに
必要な流量調整弁１５の開度を算出し、その算出開度を
得るための開度制御信号を流量調整弁１５に出力し、図
３の（ｂ）の交流出力設定値と原燃料の供給量（都市ガ
スの流量）との相関のグラフに示すように、フィードフ
ォワード制御によって、交流出力目標値設定手段１３で
設定された交流出力の目標値が得られるように原燃料の
供給量を設定制御するようになっている。

【００２１】上記構成により、需要家の電気使用状況な
どに応じて予めわかっている交流出力の目標値に対して
は、フィードフォワード制御方式によって原燃料の供給
量を設定しておき、その設定後の微小な変化に対して、
改質器１の温度が目標温度よりも高いとき、および、目
標温度よりも低いときのいずれにおいても、それらの改
質器１の温度に基づいて、直流電流値制御手段１６によ
り直流電流値を増加または減少させて、改質器１の温度
を制御できる。

【００２２】上記制御態様について説明すれば、図３の
（ｃ）の交流出力設定値と原燃料の供給量（都市ガス流
量）と直流電流値との制御態様の経時的変化のグラフに
示すように、交流出力設定値が増加すると、都市ガスの
流量を増加させ、続いて直流電流制御器１４により直流
電流値を増加させる。変化の速さは、交流出力設定値、
都市ガス流量、直流電流値の順番である。逆に、交流出
力設定値が減少すると、直流電流値を減少させ、都市ガ
スの流量を減少させる。この場合の変化の速さは、交流
出力設定値と直流電流値とはほぼ同時であり、続いて都
市ガス流量となる。

【００２３】図４は、本発明に係る燃料電池発電装置の
改質器温度制御システムの第２実施例の説明に供するブ
ロック図であり、第１実施例と異なるところは次の通り
である。すなわち、原燃料供給管４に、互いに最大開度
を異ならせた第１、第２および第３の開閉弁２１，２
２，２３が設けられ、図５の（ａ）の負荷と交流出力設
定値（出力設定）との相関のグラフに示すように、第１
の開閉弁２１のみを開いた状態で定格負荷状態が得ら
れ、第２の開閉弁２２のみを開いた状態で中間出力状態
が得られ、そして、第３の開閉弁２３のみを開いた状態
でスタンバイ状態が得られるようになっている。

【００２４】これにより、図５の（ｂ）の交流出力設定
値と原燃料の供給量（都市ガス流量）との相関のグラフ
に示すように、交流出力設定値として３段階の設定を行
うとともに、それに対応して、３段階の原燃料の供給状
態が得られるようになっている。他の構成は第１実施例
と同じであり、同一図番を付すことにより、その説明は
省略する。

【００２５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項
１に係る発明の燃料電池発電装置の改質器温度制御シス
テムによれば、改質器の温度が目標温度よりも高いと
き、および、目標温度よりも低いときのいずれにおいて
も、それらの改質器の温度に基づいて、直流電流値制御
手段により直流電流値を増加または減少させるだけで、
改質器の温度を制御するから、制御系が簡単になるとと
もに付帯する測定系も簡単になり、構成簡単で安価にし
て改質器の温度を調節できる。

【００２６】また、請求項２に係る発明の燃料電池発電
装置の改質器温度制御システムによれば、需要家の電気
使用状況などに応じて予めわかっている交流出力の目標
値に対しては、フィードフォワード制御方式によって原
燃料の供給量を設定しておき、その設定後の微小な変化
に対して、直流電流値制御手段による直流電流値の制御
を増加または減少させるだけで、改質器の温度を制御す
るから、改質器の温度を発電出力の変化に対応してより
精度良く調節できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃料電池発電装置の改質器温度制
御システムの第１実施例の説明に供するブロック図であ
る。

【図２】制御系のブロック図である。

【図３】（ａ）は、改質器の温度と直流電流との相関を
示すグラフ、（ｂ）は、交流出力設定値と原燃料の供給
量（都市ガス流量）との相関を示すグラフ、（ｃ）は、
交流出力設定値と原燃料の供給量（都市ガス流量）と直
流電流値との制御態様の経時的変化を示すグラフであ
る。

【図４】本発明に係る燃料電池発電装置の改質器温度制
御システムの第２実施例の説明に供するブロック図であ
る。

【図５】（ａ）は、負荷と交流出力設定値（出力設定）
との相関を示すグラフ、（ｂ）は、交流出力設定値と原
燃料の供給量（都市ガス流量）との相関を示すグラフで
ある。

【図６】従来例のブロック図である。

【図７】（ａ）は、改質器温度と制御出力との相関を示
すグラフ、（ｂ）は、直流電流と原燃料の供給量との相
関を示すグラフである。

【符号の説明】

１…改質器 ２…燃料電池本体 ３…インバータ １０…温度センサ １２…目標温度設定手段 １３…交流出力目標値設定手段 １４…直流電流制御器 １５…流量調整手段としての流量調整弁 １６…直流電流値制御手段 １７…原燃料供給量設定手段 １８…原燃料供給量制御手段

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水素と酸素とを反応させて電気を発生させ
   る燃料電池本体と、 前記燃料電池本体からのオフガスを燃焼させることによ
   り反応熱を得て前記燃料電池本体に供給する水素を主成
   分とする改質ガスを生成する改質器と、 前記燃料電池本体からの直流出力を交流出力に変換する
   インバータとを備えた燃料電池発電装置の改質器温度制
   御システムにおいて、 前記インバータへの直流電流値を制御する直流電流制御
   器と、 前記改質器の温度を測定する温度センサと、 前記改質器の目標温度を設定する目標温度設定手段と、 前記温度センサで測定される温度と前記目標温度設定手
   段で設定される目標温度とを比較し、測定温度が目標温
   度よりも高いときには直流電流値を増加させ、測定温度
   が目標温度よりも低いときには直流電流値を減少させる
   ように前記直流電流制御器を制御する直流電流値制御手
   段とを備えたことを特徴とする燃料電池発電装置の改質
   器温度制御システム。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の燃料電池発電装置の改
   質器温度制御システムにおいて、 改質器に供給する原燃料の供給量を調整する流量調整手
   段と、 インバータからの交流出力の目標値を変更設定可能に設
   定する交流出力目標値設定手段と、 前記交流出力目標値設定手段で設定する前記交流出力の
   目標値に対応して、前記目標値が大きいほど改質器に供
   給する原燃料の供給量が多くなるように原燃料の供給量
   を設定する原燃料供給量設定手段と、 前記原燃料供給量設定手段で設定された原燃料の供給量
   になるように前記流量調整手段を制御する原燃料供給量
   制御手段とを備えている燃料電池発電装置の改質器温度
   制御システム。