JP2004039420A

JP2004039420A - 燃料電池発電システム

Info

Publication number: JP2004039420A
Application number: JP2002194292A
Authority: JP
Inventors: Naohiko Ishibashi; 石橋　直彦; Setsuo Omoto; 大本　節男
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-07-03
Filing date: 2002-07-03
Publication date: 2004-02-05

Abstract

【課題】燃料電池のアノード排ガスを改質器のバーナで安定に燃焼させる。
【解決手段】Ｏ２センサ３でバーナ排ガス中の酸素濃度を計測する。乗算器４と偏差演算器５とＰＩＤ制御器６と変換器７と加算器８と乗算器９で、目標酸素濃度値ＳＶに対する酸素濃度計測値ＰＶの偏差がゼロになるように、空気流量設定値をフィードバック制御により変更する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、改質器のバーナ燃焼を安定化させるための燃焼空気流量制御装置を備えた燃料電池発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池発電システムは主として、改質器と燃料電池で構成される。改質器は、炭化水素を主成分とする原料を、蒸発器で蒸発させた水蒸気と反応させて、水素を主成分とする改質ガスに改質する。燃料電池では、アノード（燃料極または水素極）に改質器から改質ガスが供給され、改質ガス中の水素と、カソード（空気極）に供給される空気等の酸素含有ガス中の酸素との化学反応により、発電を行う。
【０００３】
改質器は、改質処理に必要な熱源として、燃料電池のアノードから排出されるガス（以下、アノード排ガス）を燃焼させるバーナを有している。これは、アノード排ガス中に残留する水素（燃料電池で利用あるいは消費されなかった水素）をバーナ燃料として有効利用（再利用）するためである。但し、アノード排ガスの燃焼熱が熱源として不足する場合や起動時には、バーナに追い焚き用燃料が供給される。燃料としては原料と同じものが使われることが多い。
【０００４】
このようにアノード排ガスを改質器のバーナで燃焼させる場合、アノード排ガス中に含まれる水素を始めとする可燃性ガスの成分量の変動は燃料による発熱量の変動を招き、その結果バーナ燃焼温度が変動し、改質器における安定な改質反応への外乱となり、系（燃料電池発電システム）全体の不安定化につながる。
【０００５】
アノード排ガス中の可燃性ガスの成分量変動は、燃料電池での水素利用効率の変動、蒸発器での蒸発変動、改質器での改質反応の変動等により生じるものと考えられる。
【０００６】
従来のバーナ燃焼を安定化する技術では、バーナに供給する燃料の流量目標値の上限と下限をバーナに供給した空気流量の実測値に基づいて制限し、また、この空気流量目標値の上限と下限を改質器に供給した燃料流量の実測値に基づいて制限するという、いわゆるクロスリミット制御により、燃料電池の負荷が変動しても空燃比に大きな変動が生じないようにしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の改質器には以下の問題がある。
（１）　アノード排ガス中の可燃性ガスの成分量が変動してから、改質器の温度が変動するまでの間に改質器の熱容量等による時間遅れが生じるので、可燃性ガスの成分量変動に対して空燃比を即座に追従させることができない。
（２）　燃料電池の劣化等により、原料流量に対する燃料電池の出力電力の関係が変化し、適正な燃料の流量と、原料流量設定値と燃料電池の出力電流とから推定した燃料の流量との間に定常的なオフセットが生じることとなり、適正な空燃比が設定されなくなってバーナ燃焼が不安定となる。
【０００８】
アノードから排出されるアノード排ガス中の可燃性ガスの主成分は水素であることから、この排ガスの流量とそれの水素濃度とを連続的に計測して空気流量を制御することができれば、適正な空燃比となってバーナ燃焼が安定化するはずである。
【０００９】
しかし、水素濃度を連続的に計測するには、非常に高価で大掛かりな水素濃度計が必要であり、実用的でない。
【００１０】
そこで、本発明の課題は、水素濃度計の代わりに簡便な計器（具体的には、酸素濃度計）を用いてバーナ燃焼を安定化することができる燃焼空気流量制御装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成する第１発明は、炭化水素を主成分とする原料を水蒸気と反応させて水素を主成分とする改質ガスに改質する改質器と、前記改質器からの改質ガスがアノードに供給される燃料電池とを備え、前記改質器は改質処理に必要な熱源として前記燃料電池のアノードから排出されるガスを燃焼させるバーナを有している燃料電池発電システムにおいて、バーナ排ガス中の酸素濃度を計測する酸素濃度センサと、前記バーナに供給する空気の流量設定値を前記酸素濃度センサで計測した酸素濃度計測値に基づいてフィードバック制御するフィードバック制御手段と、フィードバック制御された空気流量設定値に基づいて前記バーナに供給する空気の流量を制御する空気流量制御手段とを具備する燃焼空気流量制御装置を有することを特徴とする燃料電池発電システムである。
【００１２】
第２発明は、第１発明において、前記酸素濃度センサが１００°Ｃ以下に冷却された後のバーナ排ガスが通る流路に設置されることを特徴とする燃料電池発電システムである。
【００１３】
第３発明は、第１発明において、前記フィードバック制御手段は、前記空気流量設定値として前記改質器に供給する原料の流量設定値と燃料電池の出力電流とに応じて算出した空気流量設定値を、目標酸素濃度値に対する前記酸素濃度計測値の偏差がゼロになるように変更することを特徴とする燃料電池発電システムである。
【００１４】
第４発明は、第３発明において、前記目標酸素濃度値が２パーセントから４パーセントの間の値であることを特徴とする燃料電池発電システムである。
【００１５】
第５発明は、第３発明において、前記フィードバック制御手段として、前記原料流量設定値と前記燃料電池出力電流とによって燃料流量推定値を算出する燃料流量推定手段と、前記燃料流量推定値に理論空燃比を乗算して空気流量設定値を算出する理論空燃比乗算手段と、前記偏差に応じた空気比を算出する空気比算出手段と、この空気比を前記空気流量設定値に乗算する空気比乗算手段を具備することを特徴とする燃料電池発電システムである。但し、熱量が不足してバーナに追い焚き燃料を供給する場合は、燃料流量推定値に追い焚き燃料流量を加算する。
【００１６】
第６発明は、第５発明において、前記空気比算出手段として、前記偏差を算出する偏差算出手段と、前記偏差を入力してＰＩＤ処理を行い、偏差ゼロが５０パーセントに対応するようにパーセントで規格化した値を出力するＰＩＤ制御手段と、前記ＰＩＤ制御手段の出力値をＭＶとするとき、（ＭＶ−５０）／５０なる変換式を演算する変換手段と、前記変換手段の演算結果に１よりも大きいオフセット値を加算して前記空気比とする加算手段とを具備することを特徴とする燃料電池発電システムである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は本発明の実施例に係る燃焼空気流量制御装置の構成を示し、図２は図１の燃焼空気流量制御装置を適用した燃料電池発電システムの構成例を示す。
【００１８】
図１において、１は電流センサ、２は燃料流量推定器、３はＯ２センサ（酸素濃度センサ）、４は乗算器、５は偏差演算器、６はＰＩＤ制御器、７は変換器、８は加算器、９は乗算器、１０は空気流量制御器である。
【００１９】
また、図２において、１１は温度センサ、１２は原料流量制御器、１３は原料供給路、１４は原料用流量センサ、１５は原料用流量調節弁、１６は空気供給路、１７は空気用流量センサ、１８は空気用流量調節弁、２０は改質部、２１はバーナ、２２はＣＯ変成部、２３はＣＯ低減部、２４は改質ガス流路、２５は燃料電池、２６は燃料電池のアノード（水素極）、２７は燃料電池のカソード（空気極）、２８はアノード排ガス流路、２９は電気負荷、３０はバーナ排ガス流路、３１は蒸発器、３２は熱交換器である。この例では、改質部２０とバーナ２１とＣＯ変成部２２とＣＯ低減部２３とをまとめて、改質器１９と呼ぶ。燃料電池発電システムは主として改質器１９と燃料電池２５で構成される。なお、図１と同様、１は電流センサ、３はＯ２センサ（酸素濃度センサ）、１０は空気流量制御器である。
【００２０】
電流センサ１は燃料電池２５とその電気負荷２９との間に設置されており、燃料電池２５の出力電流を計測する。Ｏ２センサ３はバーナ排ガス流路３０内に設置されており、バーナ排ガス中の酸素濃度を計測する。温度センサ１１は改質器１９内に設置されており、改質部２０の温度を計測する。
【００２１】
Ｏ２センサ３の設置場所は、それが耐え得る温度以下であればバーナ排ガス流路３０内のどこでも良いが、一般的なＯ２センサ３の耐温度が１００°Ｃ程度と低いことを考慮して、１００°Ｃ以下に冷却された後のバーナ排ガスが通る場所に設置している。本例では蒸発器３１及び熱交換器３２の後流側に設置している。その理由は、改質器１９出口でのバーナ排ガスの温度は例えば８００°Ｃ程度と高温であるが、蒸発器３１及び熱交換器３２で熱回収した後のバーナ排ガス３２ａの温度は１００°Ｃ以下、例えば８０°Ｃ程度まで下がっているからである。なお、蒸発器３１は水をバーナ排ガスの熱で蒸発、過熱させることで、改質処理に必要な水蒸気を発生する。熱交換器３２は、蒸発器３１で熱回収された後のバーナ排ガスの熱を更に回収するために用いられており、例えば、蒸発器３１に供給される水を冷却流体とすることで、同水の予熱に用いられる。
【００２２】
まず、改質器１９に対する燃料の流量推定を説明し、バーナ２１に対する空気の供給量制御は後から説明する。
【００２３】
燃料流量推定器２は、改質器１９に供給されるアノード排ガスの熱量を燃料に換算した燃料流量を推定するものである。一例として、燃料流量推定器２は、原料が改質されたときの改質ガス燃焼熱量を換算した燃料流量を原料流量設定値から推定し、更に、電流センサ１で計測した燃料電池２５の出力電流ＰＩに基づいて燃料電池２５で消費される改質ガスを換算した燃料流量を差し引いて、アノード排ガス２６ａ中の改質ガスの換算燃料流量を推定する。温度センサ１１で計測した改質器１９の計測温度値ＰＴが目標温度値ＳＴより低い場合は、追い焚き燃料が必要と判断し、計測温度値ＰＴと目標温度値ＳＴとの偏差からフィードバック制御により追い焚き燃料流量を決めても良い。また、原料流量設定値からフィードフォワード制御により追い焚き燃料流量を求めても良いし、このようなフィードバック制御とフィードフォワード制御を併用して追い焚き燃料流量を決めても良い。このようにして求められた追い焚き燃料設定値も、燃料流量設定器２にて燃料流量推定値に加算する。つまり、熱量が不足してバーナに追い焚き燃料を供給する場合は、燃料流量推定値に追い焚き燃料流量が加算される。
【００２４】
原料流量制御器１２は負荷電力に基づいて、改質器１９に供給する原料の流量を制御する。例えば、原料流量制御器１２は、原料供給路１３に設置した流量センサ１４による原料流量の計測値が原料流量設定値となるように、原料供給路１３に設置した流量調節弁１５の開度を制御する。
【００２５】
ここで、改質と発電を簡単に説明する。
【００２６】
改質器１９には原料（都市ガスなど、炭化水素を主成分とする燃料）と水蒸気とが混合されて通気され、改質部２０の改質触媒の下で原料と水蒸気が反応して、水素を主成分とする改質ガスが生成される。ＣＯ変成部２２では、ＣＯ変成触媒の下で、改質ガス中のＣＯ（一酸化炭素ガス）を水素ガスに転化して、より水素リッチな改質ガスを作る。ＣＯ低減部２３では、選択酸化触媒の下で、改質ガス中のＣＯを選択的に酸化してＣＯ２（炭酸ガス）とし、ＣＯ濃度が極めて低い改質ガス２３ａを作る。
【００２７】
燃料電池２５では、そのアノード（水素極）２６に改質ガス２３ａが供給され、また、カソード（空気極）２７に酸素含有ガスとして空気が供給され、改質ガス２３ａ中の水素と空気中の酸素との化学反応により発電が行われる。
【００２８】
バーナ２１は、改質処理に必要な熱源として、改質器１９に備えられている。このバーナ２１の燃料入口はアノード排ガス流路２８で燃料電池２５のアノード出口と接続されており、アノード２６から排出されるアノード排ガス２６ａを空気で燃焼させるようにしている。これにより、燃料電池２５で利用または消費されずにアノード排ガス２６ａ中に残留した水素がバーナ燃料として有効利用される。
【００２９】
バーナ２１には空気供給路１６を通して空気が供給される。空気流量制御器１２は、後述のようにフィードバック制御された空気流量設定値に基づいて、バーナ２１に供給する空気の流量を制御する。例えば、空気流量制御器１２は、空気供給路１６に設置した流量センサ１７による空気流量の計測値が空気流量設定値となるように、空気供給路１６に設置した流量調節弁１８の開度を制御する。
【００３０】
次に、空気流量設定値のフィードバック制御を説明する。
【００３１】
乗算器４と偏差演算器５とＰＩＤ制御器６と変換器７と加算器８と乗算器９でフィードバック制御手段が構成され、基本的には、Ｏ２センサ３で計測した酸素濃度計測値ＰＶに基づいてバーナ２１に供給する空気の流量設定値をフィードバック制御する。より詳しくは、フィードバック制御手段は、空気流量設定値を改質器１９に供給する原料の流量設定値と燃料電池２５の出力電流とに応じて算出し、算出した空気流量設定値を目標酸素濃度値ＳＶに対する酸素濃度計測値ＰＶの偏差がゼロになるように変更する。
【００３２】
目標酸素濃度値ＳＶは好ましくは、２パーセントから４パーセントの間の値に設定される。これは、目標酸素濃度値ＳＶが２パーセントより低いと空気流量が適正値より少なくなってバーナ火炎に煤が生じる可能性があり、４パーセントより高いと空気流量が適正値より多くなって非効率的な燃焼を行う可能性があるためである。
【００３３】
乗算器４は理論空燃比乗算手段に相当し、燃料流量推定器２で推定した燃料流量推定値に理論空燃比Ｋ２を乗算して理論空気流量設定値（＝燃料流量設定値×Ｋ２）を算出する。
【００３４】
偏差演算器５とＰＩＤ制御器６と変換器７と加算器８は空気比算出手段に相当し、目標酸素濃度値ＳＶに対する酸素濃度計測値ＰＶの偏差に応じた空気比Ｋ１を算出する。
【００３５】
空気比Ｋ１の算出について詳述すれば、本例では、偏差演算器５は、目標酸素濃度値ＳＶに対する酸素濃度計測値ＰＶの偏差（ＳＶ−ＰＶ）を算出する。ＰＩＤ制御器６は、この偏差（ＳＶ−ＰＶ）を入力してＰＩＤ処理を行い、偏差ゼロが５０パーセントに対応するようにパーセントで規格化した値ＭＶを出力する。つまり、ＰＩＤ制御器６の出力値ＭＶ（パーセント）は偏差（ＳＶ−ＰＶ）に応じて０から１００までの値をとる。変換器７は、ＰＩＤ制御器６の出力値ＭＶ（パーセント）から（ＭＶ−５０）／５０なる変換式を演算する。ＭＶ＝０〜１００であるから、（ＭＶ−５０）／５０の演算結果は−１から＋１までの値をとる。加算器８は、変換器７の演算結果（−１〜＋１）に１よりも大きいオフセット値を加算して空気比Ｋ１とする。オフセット値は例えば１．０２とされる。オフセット値が１．０２の場合、空気比Ｋ１は１．０２から２．０２までの値となる。
【００３６】
乗算器９は空気比乗算手段に相当し、空気比Ｋ１を理論空気流量（元の空気流量設定値）に乗算する。この乗算結果（理論空気流量×Ｋ１＝燃料流量推定値×Ｋ２×Ｋ１）が最終的な空気流量設定値となる。
【００３７】
【発明の効果】
以上、発明の実施の形態とともに具体的に説明したように、第１発明によれば、バーナ排ガス中の酸素濃度を計測する酸素濃度センサと、前記バーナに供給する空気の流量設定値を前記酸素濃度センサで計測した酸素濃度計測値に基づいてフィードバック制御するフィードバック制御手段と、フィードバック制御された空気流量設定値に基づいて前記バーナに供給する空気の流量を制御する空気流量制御手段とを具備する燃焼空気流量制御装置を燃料電池システムが有するので、高価で大掛かりな水素濃度計を用いることなく、バーナ排ガスの流量や成分の変動、燃料電池の水素利用効率の変動等の外乱に対して、改質器のバーナ燃焼を安定化し、改質器の安定な温度制御が可能である。
【００３８】
第２発明によれば、前記酸素濃度センサが１００°Ｃ以下に冷却された後のバーナ排ガスが通る流路に設置されるので、酸素濃度センサが劣化することがない。
【００３９】
第３発明によれば、前記フィードバック制御手段は、前記空気流量設定値として前記改質器に供給する原料の流量設定値と燃料電池出力電流とに応じて算出した空気流量設定値を、目標酸素濃度値に対する前記酸素濃度計測値の偏差がゼロになるように変更するので、高価で大掛かりな水素濃度計を用いることなく、バーナ排ガスの流量や成分の変動、燃料電池の水素利用効率の変動等の外乱に対して、改質器のバーナ燃焼を安定化し、改質器の安定な温度制御が可能である。
【００４０】
第４発明によれば、前記目標酸素濃度値が２パーセントから４パーセントの間の値であるので、火炎が消えるなどの非効率的な燃焼をしたり、火炎に煤が発生したりすることなく、改質器の安定な温度制御が可能である。
【００４１】
第５発明によれば、前記フィードバック制御手段として、前記原料流量設定値と燃料電池出力電流とによって燃料流量推定値を算出する燃料流量推定手段と、前記燃料流量推定値に理論空燃比を乗算して空気流量設定値を算出する理論空燃比乗算手段と、前記偏差に応じた空気比を算出する空気比算出手段と、この空気比を前記空気流量設定値に乗算する空気比乗算手段を具備するので、適正な空気流量を設定することができ、改質器の安定な温度制御が可能である。
【００４２】
第６発明によれば、前記空気比算出手段として、前記偏差を算出する偏差算出手段と、前記偏差を入力してＰＩＤ処理を行い、偏差ゼロが５０パーセントに対応するようにパーセントで規格化した値を出力するＰＩＤ制御手段と、前記ＰＩＤ制御手段の出力値をＭＶとするとき、（ＭＶ−５０）／５０なる変換式を演算する変換手段と、前記変換手段の演算結果に１よりも大きいオフセット値を加算して前記空気比とする加算手段を具備するので、パーセントで規格化した値を出力するＰＩＤ制御手段を用いた場合に適正な空気流量を設定することができ、改質器の安定な温度制御が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る燃焼空気流量制御装置の構成を示す図。
【図２】図１の燃焼空気流量制御装置を適用した燃料電池発電システムの構成例を示す図。
【符号の説明】
１　電流センサ
２　燃料流量推定器
３　Ｏ２センサ（酸素濃度センサ）
４　乗算器
５　偏差演算器
６　ＰＩＤ制御器
７　変換器
８　加算器
９　乗算器
１０　空気流量制御器
１１　温度センサ
１２　原料流量制御器
１３　原料供給路
１４　原料用流量センサ
１５　原料用流量調節弁
１６　空気供給路
１７　空気用流量センサ
１８　空気用流量調節弁
１９　改質器
２０　改質部
２１　バーナ
２２　ＣＯ変成部
２３　ＣＯ低減部
２３ａ　改質ガス
２４　改質ガス流路
２５　燃料電池
２６　燃料電池のアノード（水素極）
２６ａ　アノード排ガス
２７　燃料電池のカソード（空気極）
２８　アノード排ガス流路
２９　電気負荷
３０　バーナ排ガス流路
３１　蒸発器
３２　熱交換器
３２ａ　バーナ排ガス

Claims

炭化水素を主成分とする原料を水蒸気と反応させて水素を主成分とする改質ガスに改質する改質器と、前記改質器からの改質ガスがアノードに供給される燃料電池とを備え、前記改質器は改質処理に必要な熱源として前記燃料電池のアノードから排出されるガスを燃焼させるバーナを有している燃料電池発電システムにおいて、
前記バーナの排ガス（以下、バーナ排ガス）中の酸素濃度を計測する酸素濃度センサと、前記バーナに供給する空気の流量設定値を前記酸素濃度センサで計測した酸素濃度計測値に基づいてフィードバック制御するフィードバック制御手段と、フィードバック制御された空気流量設定値に基づいて前記バーナに供給する空気の流量を制御する空気流量制御手段とを具備する燃焼空気流量制御装置
を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
請求項１において、
前記酸素濃度センサが１００°Ｃ以下に冷却された後のバーナ排ガスが通る流路に設置されることを特徴とする燃料電池発電システム。
請求項１において、
前記フィードバック制御手段は、前記空気流量設定値として前記改質器に供給する原料の流量設定値と燃料電池の出力電流とに応じて算出した空気流量設定値を、目標酸素濃度値に対する前記酸素濃度計測値の偏差がゼロになるように変更することを特徴とする燃料電池発電システム。
請求項３において、
前記目標酸素濃度値が２パーセントから４パーセントの間の値であることを特徴とする燃料電池発電システム。
請求項３において、
前記フィードバック制御手段として、前記原料流量設定値と前記燃料電池出力電流とによって燃料流量推定値を算出する燃料流量推定手段と、前記燃料流量推定値に理論空燃比を乗算して空気流量設定値を算出する理論空燃比乗算手段と、前記偏差に応じた空気比を算出する空気比算出手段と、この空気比を前記空気流量設定値に乗算する空気比乗算手段を具備することを特徴とする燃料電池発電システム。
請求項５において、
前記空気比算出手段として、前記偏差を算出する偏差算出手段と、前記偏差を入力してＰＩＤ処理を行い、偏差ゼロが５０パーセントに対応するようにパーセントで規格化した値を出力するＰＩＤ制御手段と、前記ＰＩＤ制御手段の出力値をＭＶとするとき、（ＭＶ−５０）／５０なる変換式を演算する変換手段と、前記変換手段の演算結果に１よりも大きいオフセット値を加算して前記空気比とする加算手段とを具備することを特徴とする燃料電池発電システム。