JP3584531B2 - 燃料電池発電設備 - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、溶融炭酸塩型燃料電池を用いた燃料電池発電設備に関する。
【0002】
【従来の技術】
溶融炭酸塩型燃料電池は、高効率、かつ環境への影響が少ないなど、従来の発電装置にはない特徴を有しており、水力・火力・原子力に続く発電システムとして注目を集め、現在世界各国で鋭意研究開発が行われている。特に天然ガスを燃料とする溶融炭酸塩型燃料電池を用いた発電設備では、図3に示すように天然ガス等の燃料ガス1を水素を含むアノードガス2に改質する改質器10と、アノードガス2と酸素を含むカソードガス3とから発電する燃料電池11とを備えており、改質器で作られたアノードガス2は燃料電池に供給され、燃料電池内でその大部分(例えば80%)を消費した後、アノード排ガス4として改質器の燃焼室Coに供給される。改質器10ではアノード排ガス中の可燃成分(水素、一酸化炭素、メタン等)がカソード排ガスにより燃焼し、高温の燃焼ガスにより改質室Reを加熱し改質室の燃料を改質する。改質室を出た燃焼排ガス5は空気予熱器13b、凝縮器16a、気水分離器15を通って水分を除去され、低温ブロア17cで加圧され、タービン圧縮機12から供給される加圧空気6と合流してカソードガス3となり、燃料電池のカソード側に必要な二酸化炭素を供給する。燃料電池内でその一部が反応したカソードガス(カソード排ガス7)は、高温ブロア17bにより燃料電池の上流側に一部が循環され、残りの一部7aは改質器に燃焼用空気として供給され、残り7bはタービン圧縮機12で圧力を回収されて系外に排出される。なお、図3において、13aは燃料予熱器、14は脱硫器、16bは加熱器、17dは空気ブロアである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
かかる従来の燃料電池発電設備では、改質器10から出る燃焼排ガス5の酸素濃度を、十分低い濃度(例えば約3%)に制御する必要がある。このため、従来は、図4に示すように、低温ブロア17cを一定回転数で回転し、その下流側に設けた流量調節弁19aにより燃焼排ガス5の循環流量を調節して、燃焼排ガス5の酸素濃度Oを制御し、同時に余分な燃焼排ガス5を流量調節弁19bにより低温ブロア17cの上流側に戻して低温ブロア17cの吐出圧Pを一定に制御していた。
【0004】
すなわち、図3の設備において、流量調節弁19aを開いて燃焼排ガス5の循環流量を増加させると、改質器10を介して吸引されるカソード排ガス7aの流量が増加し、全体として循環流量が増大するため燃焼排ガス5の酸素濃度も増大し、逆に流量調節弁19aを閉じると、カソード排ガス7aの流量が減少し酸素濃度も低下するので、流量調節弁19aと流量調節弁19bにより燃焼排ガス5の酸素濃度を制御することができる。
【0005】
しかし、かかる従来の手段では、燃焼排ガス5の酸素濃度を制御するために、2つの弁19a,19bと酸素濃度計及び圧力計を用い、かつ濃度による流量制御と圧力制御を行う必要があるため、制御が複雑である問題点があった。また3つの機器(2つの流量調節弁と低温ブロア)を運転するためプラントの運転性向上の弊害となり、かつ発電設備全体のコスト低減、コンパクト化、シンプル化に反する要因となっていた。
【0006】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、単一機器の運転により、改質器に供給するカソード排ガスの酸素濃度を制御することができ、これにより発電設備全体のコスト低減、コンパクト化、シンプル化が可能となる燃料電池発電設備を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、水分を除去した燃焼排ガスを加圧して燃料電池のカソード側に供給する低温ブロアと、燃焼排ガス中の酸素濃度を計測する酸素濃度計と、低温ブロアの回転速度を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、燃料電池の出力指令xに基づき基準となる回転速度を算出し、出力指令xに対応する酸素濃度と計測された酸素濃度O2とから燃焼排ガス中の酸素濃度が所定の範囲になるように修正回転速度を算出し、前記基準となる回転速度を修正回転速度により補正して低温ブロアの回転速度を制御する、ことを特徴とする燃料電池発電設備が提供される。
【0008】
また、本発明によれば水分を除去した燃焼排ガスを加圧して燃料電池のカソード側に供給する低温ブロアと、燃焼排ガス中の酸素濃度を計測する酸素濃度計と、燃焼排ガス中の酸素濃度が所定の範囲になるように低温ブロアの回転速度を制御する制御装置とを備え、前記制御装置による制御は、先行制御と補正制御とからなり、先行制御は、出力指令xからこれに対応する回転速度RPMを関数F1 (x)により算出するステップS1と、直前の修正回転速度ΔRPMを加算するステップS2とからなり、補正制御は、S3からS6までの4ステップからなり、S3において出力指令xからこれに対応する酸素濃度O2 を関数F2 (x)により算出し、S4において前記酸素濃度O2 から酸素濃度計による実測濃度O2 を減算し、S5において減算した酸素濃度O2 から修正回転速度ΔRPMを関数F3 (O2 )により算出し、S6において修正回転速度ΔRPMを微分積分制御し、減算結果をステップS2の修正回転速度ΔRPMとして書き換える。
【0009】
【作用】
上記本発明の構成によれば、従来の3つの機器(2つの流量調節弁と低温ブロア)と濃度計及び圧力計の代わりに低温ブロアと濃度計のみを備え、燃料電池の出力指令xに基づき基準となる回転速度を算出し、出力指令xに対応する酸素濃度と計測された酸素濃度O2とから燃焼排ガス中の酸素濃度が所定の範囲になるように修正回転速度を算出し、前記基準となる回転速度を修正回転速度により補正して低温ブロアの回転速度を制御するので、2つの流量調節弁と圧力計を省略することができ、これにより発電設備全体のコスト低減、コンパクト化、シンプル化が可能となる。
【0010】
また制御装置による回転数制御を、先行制御と補正制御とから構成し、先行制御を、出力指令xからこれに対応する回転速度RPMを関数F1 (x)により算出するステップS1と、直前の修正回転速度ΔRPMを加算するステップS2とから構成すれば、出力指令に基づく先行制御により遅れが少ない迅速な制御を行うことができ、更に実測した酸素濃度に基づく補正制御によりきめ細かい制御を行うことができる。
【0011】
【実施例】
以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付して使用する。
図1は、本発明による燃料電池発電設備の図4と同様の部分構成図である。この図において、本発明の燃料電池発電設備は、凝縮器16aと気水分離器15により水分を除去した燃焼排ガス5を加圧して燃料電池のカソード側に供給する低温ブロア17cと、燃焼排ガス5中の酸素濃度を計測する酸素濃度計21と、低温ブロア17cの回転速度を制御する制御装置20とを備えている。この制御装置20は、燃料電池の出力指令xと酸素濃度計21により計測された酸素濃度Oから燃焼排ガス中の酸素濃度が所定の範囲になるように低温ブロア17cの回転速度を制御するようになっている。その他の構成機器は、前述した従来の図3及び図4と同様である。
【0012】
上述した構成により、図1の燃料電池発電設備では、図3及び図4における従来の3つの機器(2つの流量調節弁19a,19bと低温ブロア17c)と濃度計及び圧力計の代わりに低温ブロア17cと濃度計21のみを備え、燃料電池の出力指令xと計測された酸素濃度Oから燃焼排ガス中の酸素濃度が所定の範囲になるように低温ブロア17cの回転速度を制御するので、2つの流量調節弁19a,19bと圧力計を省略することができ、これにより発電設備全体のコスト低減、コンパクト化、シンプル化が可能となる。なお、この制御における酸素濃度が所定の範囲は、例えば3%±0.5%程度とするのがよい。
【0013】
図2は、本発明による制御装置のブロック線図である。この図において、本発明による制御装置20による制御は、先行制御と補正制御とからなり、先行制御は、出力指令xからこれに対応する回転速度RPMを関数F(x)により算出するステップS1と、直前の修正回転速度ΔRPMを加算するステップS2とからなる。この先行制御により、出力指令xが急に変化した場合でも、遅れが少ない迅速な制御を行うことができる。
【0014】
また、補正制御は、S3からS6までの4ステップからなり、S3において出力指令xからこれに対応する酸素濃度Oを関数F(x)により算出し、S4において前記酸素濃度Oから酸素濃度計による実測濃度Oを減算し、S5において減算した酸素濃度Oから修正回転速度ΔRPMを関数F(O)により算出し、S6において修正回転速度ΔRPMを微分積分制御し、減算結果をステップS2の修正回転速度ΔRPMとして書き換えるようになっている。関数F(x)、F(x)、及びF(O)は、図2に模式的に示す傾向を示すがこれらの関数は、予め計算又は試験により設定し、かつ適宜実測値を基に書き換えるのがよい。この構成により、実測した酸素濃度に基づく補正制御によりきめ細かい制御を行うことができる。
【0015】
なお、本発明は上述した実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【0016】
【発明の効果】
上述したように、本発明の燃料電池発電設備は、単一機器の運転により、改質器に供給するカソード排ガスの酸素濃度を制御することができ、これにより発電設備全体のコスト低減、コンパクト化、シンプル化が可能となり、かつ出力指令に基づく先行制御により遅れが少ない迅速な制御を行うことができ、更に実測した酸素濃度に基づく補正制御によりきめ細かい制御を行うことができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による燃料電池発電設備の部分構成図である。
【図2】本発明による制御装置のブロック線図である。
【図3】従来の燃料電池発電設備の全体構成図である。
【図4】図3の部分構成図である。
【符号の説明】
1 燃料ガス
2 アノードガス
3 カソードガス
4 アノード排ガス
5 燃焼排ガス
6 空気
7 カソード排ガス
8 蒸気
10 改質器
11 燃料電池
12 タービン圧縮機
13a 燃料予熱器
13b 空気予熱器
14 脱硫器
15 気水分離器
16a 凝縮器
16b 加熱器
17a 燃料ブロア
17b 高温ブロア
17c 低温ブロア
17d 空気ブロア
19a、19b 流量制御弁
20 制御装置
21 酸素濃度計

Claims (2)

  1. 水分を除去した燃焼排ガスを加圧して燃料電池のカソード側に供給する低温ブロアと、燃焼排ガス中の酸素濃度を計測する酸素濃度計と、低温ブロアの回転速度を制御する制御装置とを備え、
    前記制御装置は、燃料電池の出力指令xに基づき基準となる回転速度を算出し、出力指令xに対応する酸素濃度と計測された酸素濃度O2とから燃焼排ガス中の酸素濃度が所定の範囲になるように修正回転速度を算出し、前記基準となる回転速度を修正回転速度により補正して低温ブロアの回転速度を制御する、ことを特徴とする燃料電池発電設備。
  2. 水分を除去した燃焼排ガスを加圧して燃料電池のカソード側に供給する低温ブロアと、燃焼排ガス中の酸素濃度を計測する酸素濃度計と、燃焼排ガス中の酸素濃度が所定の範囲になるように低温ブロアの回転速度を制御する制御装置とを備え、
    前記制御装置による制御は、先行制御と補正制御とからなり、先行制御は、出力指令xからこれに対応する回転速度RPMを関数F1 (x)により算出するステップS1と、直前の修正回転速度ΔRPMを加算するステップS2とからなり、補正制御は、S3からS6までの4ステップからなり、S3において出力指令xからこれに対応する酸素濃度O2 を関数F2 (x)により算出し、S4において前記酸素濃度O2 から酸素濃度計による実測濃度O2 を減算し、S5において減算した酸素濃度O2 から修正回転速度ΔRPMを関数F3 (O2 )により算出し、S6において修正回転速度ΔRPMを微分積分制御し、減算結果をステップS2の修正回転速度ΔRPMとして書き換える、ことを特徴とする燃料電池発電設備。
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