JP3718391B2 - 燃料電池用改質器の空燃比制御装置 - Google Patents
燃料電池用改質器の空燃比制御装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用改質器の空燃比制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、都市ガスとして供給されている天然ガスを原燃料に用い、天然ガスの主成分であるメタンガスを水蒸気と反応させることによって水素ガスを発生させ、発生した水素ガスを燃料電池の燃料ガスに用いて発電するようにした発電設備が提供されている。この種の発電設備は、燃料電池を電源としてインバータにより交流電力を得るものであり、分散電源として建物に付設したり都市部の変電所などに設置する用途が期待されている。
【０００３】
この種の発電装置において、原燃料を供給して燃料電池による発電を行う構成を概略的に示すと図４のようになる。すなわち、原燃料は原燃料供給路２を通して改質器１に供給され、改質器１においては原燃料に水蒸気を反応させることによって、原燃料から水素ガスに主に二酸化炭素が混合された改質ガスを生成させる。この改質ガスは燃料ガスとして燃料電池３に供給され、燃料電池３において空気中の酸素と反応することにより電気エネルギ（直流出力）を生成する。
【０００４】
改質器１では原燃料と水蒸気とを反応させるために改質器バーナ４を用いて原燃料と水蒸気との混合気を加熱しており、改質器バーナ４の燃料には燃料電池３に供給した燃料ガスのうちの未反応分（オフガスという）を用いている。つまり、原燃料は、燃料電池３での発電に必要な量と、改質器バーナ４での燃焼に必要な量とを見込んで供給される。また、改質器１においては、原燃料と水蒸気との反応が安定して進行するように、原燃料と水蒸気とを反応させる改質管もしくは反応を促進させるための改質触媒の温度が一定になるように制御される。この制御のために、現状では原燃料の供給量に対して空燃比が一定になるように空気の供給量が調節されている。
【０００５】
以下に、原燃料と空気との比率を制御する構成について説明する。図５に示すように、原燃料の供給量は原燃料供給路２に設けた原燃料流量センサ１１により検出され、原燃料の改質器１への供給量は原燃料供給路２に設けた原燃料流量調節弁１２により調節される。また、改質器バーナ４に空気を供給する空気供給路５には改質器バーナ４への空気の供給路を検出する空気流量センサ１３と、改質器バーナ４への空気の供給量を調節する空気流量調節弁１４とが設けられる。改質器１における改質管または改質触媒の温度は温度センサ１５により検出され、燃料電池３の出力電流は電流センサ１６により検出される。
【０００６】
改質器バーナ４における空燃比の制御には、原燃料流量センサ１１と空気流量センサ１３と温度センサ１５と電流センサ１６との出力を入力情報に用い、原燃料流量調節弁１２および空気流量調節弁１４の開量を調節する。原燃料調節弁１２の開量は原燃料流量センサ１１により検出される原燃料の流量を原燃料流量調節器ＦＣ１に与えられる目標値に近付けるようにフィードバック制御され、また空気流量調節弁１４の開量は空気流量センサ１３により検出される空気の流量を空気流量調節器ＦＣ２に与えられる目標値に近付けるようにフィードバック制御される。
【０００７】
温度センサ１５で検出された温度は、温度比較器ＴＣ１において改質器１の温度の目標値として与えられる改質器温度設定値ＳＶ１と比較され、温度比較器ＴＣ１からは両者を一致させるのに必要な原燃料の供給量が出力される。また、電流センサ１６により検出される燃料電池３の出力電流は電流比較器ＩＤＣ１において電流設定値ＳＶ２と比較され、電流比較器ＩＤＣ１では電流センサ１６で検出される電流を電流設定値ＳＶ２に一致させるように電力調整装置６を制御する。電力調整装置６は燃料電池３から負荷Ｚへの供給電力を調整する装置であり、燃料電池３から出力される直流電力を交流電力に電力変換するインバータ回路を含んでいる。したがって電力調整装置６から負荷Ｚに供給される電力を負荷電力検出部１７において検出し、この検出値に基づいて電流値設定部１８が電流設定値ＳＶ２を設定する。つまり、電流設定値ＳＶ２は負荷Ｚの大きさに対応することになる。
【０００８】
燃料電池３によって効率よく発電するには、燃料電池３の出力電流を負荷Ｚの増減に応じて増減させる必要があり、したがって負荷Ｚの増減を原燃料の供給量に反映させなければならない。そこで、負荷Ｚの増減を反映している電流設定値ＳＶ２を電流−流量換算部１９において原燃料の流量に換算し、温度比較器ＴＣ１で求めた原燃料の流量と電流−流量換算部１９において求めた原燃料の流量とを加算器２０において加算することによって、原燃料の流量の目標値を決定する。このようにして決定された目標値が原燃料流量調節器ＦＣ１に与えられる。
【０００９】
また、原燃料の流量が決定されると、改質器バーナ４に供給すべき空気の流量も空燃比に応じて決めることができる。つまり、原燃料の流量の目標値が加算器２０から出力されると、原燃料−空気換算部２３では原燃料の流量の目標値を用いて改質器１に供給される空気の流量を決定する。原燃料−空気換算部２３では、加算器２０の出力値から燃料電池３で消費された燃料ガスの流量に相当する原燃料の流量を減算することによって、改質器バーナ４で利用可能なオフガスの流量を求め、さらにこの減算値に空燃比の設定値を乗算することによって、改質器バーナ４が必要とする空気の流量を求める。ここで、燃料電池３で利用された燃料ガスの流量に相当する原燃料の流量は電流センサ１６からの出力電流に基づいて求めることができる。こうして求めた空気の流量を目標値として空気流量調節器ＦＣ２に与えるのである。
【００１０】
すなわち、上述した動作をまとめると図６のようになる。まず負荷変動が生じると（Ｓ１）、負荷Ｚの大きさに応じて電流設定値ＳＶ２が変化し（Ｓ２）、電流比較器ＩＤＣ１では電力調整装置６の出力を負荷Ｚの大きさに見合うように調整しようとする。電流比較器ＩＤＣ１では電流センサ１６の出力と電流設定値ＳＶ２とを比較しており（Ｓ３）、両者が一致すれば次に負荷Ｚに変動が生じるまで電力調整装置６の出力を維持する。また、原燃料の流量の目標値は電流設定器ＳＶ２（および温度センサ１５により検出される改質器１の温度）に基づいて演算により設定される（Ｓ４）。原燃料流量調節器ＦＣ１では与えられた目標値に原燃料流量センサ１１により検出される原燃料の流量を近付けるように原燃料流量調節弁１２の開量を調節する（Ｓ５，Ｓ６）。
【００１１】
改質器バーナ４に供給される空気の流量に対する目標値は原燃料の流量の目標値に基づいて改質器バーナ４で所要の空燃比を得るのに必要な空気の流量として算出される（Ｓ７）。空気流量調節器ＦＣ２ではこの目標値に空気流量センサ１３により検出される空気の流量を近付けるように空気料流量調節弁１４の開量を調節する（Ｓ８，Ｓ９）。このようにして、原燃料の流量および空気の流量は燃料電池３の出力電流が負荷Ｚの大きさに対応するようになるまで調節される。つまり、電流センサ１６により検出される燃料電池３の出力電流が電流設定値ＳＶ２に一致するまで原燃料および空気の流量が調節されるのである。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、原燃料および空気の供給量を負荷Ｚの変動に追随させているから、負荷Ｚが変動したときには燃料電池３の出力電流を負荷変動に対応させることができる。しかしながら、負荷変動が生じてから原燃料および空気の供給量が応答するまでには比較的長い時間遅れがあるから、負荷Ｚが急に増減したときには改質器バーナ４へのオフガスや空気の供給量に過不足が生じることになる。とくに、空気の流量の目標値は原燃料の目標値に基づいて設定されるから、空気の流量の変化は原燃料の流量の変化に対しても遅れており、負荷Ｚが短時間で増加すれば、原燃料の流量の増加に対して空気の流量の変化が追いつかず、改質器バーナ４において空気の供給量が不足することになって、未燃ガスが発生したり、失火（立ち消え）や爆燃が生じやすくなったりする。そこで、原燃料−空気換算部２３において設定される空燃比は１．２〜１．５の範囲としてあり、原燃料の目標値が急増しても改質器バーナ４への空気の供給量が不足する可能性を低減してある。
【００１３】
ところが、空燃比が１．２〜１．５の範囲に設定していると負荷Ｚの変動が少ないときには、燃焼に利用されない空気が多いということであるから、燃料ガスの燃焼に使われなかった空気が熱エネルギを持ち出すことになる。つまり、改質器バーナ４からの排気による熱の持ち出し分が多くなって熱損失が大きくなり、発電装置の全体としての発電効率が低下することになる。このような熱損失を低減するには空燃比を１．０に近付けるのが望ましいが、上述したような制御系の時間遅れを考慮すると、負荷Ｚの急変に対応するためには、空燃比を１．２〜１．５の範囲に設定せざるを得ないのが現状である。
【００１４】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、燃料電池の負荷が変動しても原燃料と空気との比率が規定範囲を超えないように制限することによって原燃料に対する空気量の過不足を生じにくくし、結果的に空燃比を従来構成よりも１．０に近付けることを可能とし、発電効率を高めることを可能とした燃料電池用改質器の空燃比制御装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、炭化水素を主成分とする原燃料を改質器に通し、改質器で生成した水素ガスが主成分である改質ガスを燃料電池の燃料ガスに用いるとともに燃料電池で消費されなかった燃料ガスを改質器内に設けた改質器バーナにより燃焼させるようにした発電装置に用いられ、改質器に供給される原燃料と改質器バーナに供給される空気との流量を制御する燃料電池用改質器の空燃比制御装置であって、原燃料を改質器に供給する原燃料供給路に設けられ改質器への原燃料の供給量を検出する原燃料流量センサと、前記原燃料供給路に設けられ改質器への原燃料の供給量を調節する原燃料流量調節弁と、改質器バーナに空気を供給する空気供給路に設けられ改質器バーナへの空気の供給量を検出する空気流量センサと、前記空気供給路に設けられ改質器バーナへの空気の供給量を調節する空気流量調節弁と、原燃料流量センサにより検出される原燃料の流量を第１の目標値に近付けるようにフィードバック制御する原燃料流量調節器と、空気流量センサにより検出される空気の流量を第２の目標値に近付けるようにフィードバック制御する空気流量調節器と、燃料電池の負荷の大きさに応じて原燃料の流量に関する目標値を算出する原燃料流量設定手段と、空気流量センサでの空気の流量の実測値に対して規定範囲の空燃比が得られる原燃料の流量の範囲を上下限とし原燃料流量設定手段で算出した目標値の上下限を制限して第１の目標値として出力する第１の範囲制限手段と、第１の目標値に対して規定範囲の空燃比が得られる空気の流量の範囲を上下限とし原燃料流量設定手段で算出した目標値に対して規定の空燃比を得るのに必要な空気の流量の上下限を制限して第２の目標値として出力する第２の範囲制限手段とを備えるものである。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記原燃料流量設定手段が、改質器の所要部の温度を検出する温度センサと、温度センサにより検出される温度があらかじめ設定された温度設定値を保つのに必要な原燃料の流量および負荷の大きさに応じた電流設定値を得るのに必要な原燃料の流量との加算値を目標値として出力するものである。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、燃料電池の出力電流を検出する電流センサを備え、前記第１の範囲制限手段が、空気流量センサによる実測値に対して規定の空燃比が得られる原燃料の流量と電流センサにより検出された出力電流に基づいて算出される燃料電池で消費された燃料ガスの流量に相当する原燃料の流量との加算値を求めて基準値とする空気−原燃料換算部と、空気−原燃料換算部で求めた基準値を中心として設定した上下限により原燃料流量設定手段から出力された目標値を制限する第１のリミッタを備え、前記第２の範囲制限手段が、第１の目標値を中心として設定した上下限により原燃料流量設定手段から出力された目標値を制限する第２のリミッタと、第２のリミッタの出力値から燃料電池で消費された燃料ガスの流量に相当する原燃料の流量を減算して求められる原燃料の流量に対して前記規定の空燃比が得られる空気の流量を算出する原燃料−空気換算部とを備えるものである。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項３の発明において、空燃比の上限値が１．２０、空燃比の下限値が１．０２に設定されるものである。
【００１９】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記規定の空燃比が１．０６、空燃比の上限値が１．１０、空燃比の下限値が１．０２に設定されるものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
本実施形態は、図１に示すように、図３に示す構成に対して原燃料の供給量の変化を改質器バーナへの空気の供給量にただちに反映させる制御系と、改質器バーナへの空気の供給量の変化を原燃料の供給量にただちに反映させる制御系とを設けている点に特徴を有している。
【００２１】
すなわち、従来構成と同様に、原燃料を改質器１に供給する原燃料供給路２には原燃料の供給量を検出する原燃料流量センサ１１が設けられ、改質器１と原燃料流量センサ１１との間には原燃料の改質器１への供給量を調節する原燃料流量調節弁１２が配置される。また、改質器１で生成された改質ガス（水素ガスと二酸化炭素との混合ガス）は燃料電池３に燃料ガスとして供給され、燃料電池３での未反応ガス（オフガス）が改質器バーナ４において燃焼される。改質器バーナ４に空気を供給する空気供給路５には、改質器バーナ４への空気の供給量を検出する空気流量センサ１３が設けられ、改質器バーナ４と空気流量センサ１３との間には改質器バーナ４への空気の供給量を調節する空気流量調節弁１４が配置される。従来構成でも説明したように、改質器１における反応を安定して進行させるために、原燃料と水蒸気とを反応させる改質管あるいは原燃料と水蒸気との反応を促進する改質触媒の温度を一定に保つようにしてあり、そのため改質器１には温度センサ１５が設けられる。また、燃料電池３の出力電流を検出するために、燃料電池３には電流センサ１６が設けられている。
【００２２】
改質器バーナ４における空燃比を制御するには、原燃料流量センサ１１と空気流量センサ１３と温度センサ１５と電流センサ１６との出力を入力情報に用い、原燃料流量調節弁１２および空気流量調節弁１４の開量を調節する。原燃料調節弁１２の開量は原燃料流量センサ１１により検出される原燃料の流量を原燃料流量調節器ＦＣ１に与えられる目標値に近付けるようにフィードバック制御され、また空気流量調節弁１４の開量は空気流量センサ１３により検出される空気の流量を空気流量調節器ＦＣ２に与えられる目標値に近付けるようにフィードバック制御される。本発明の特徴は原燃料流量調節器ＦＣ１と空気流量調節器ＦＣ２とに与える目標値を設定する構成にあり、以下に述べる構成を採用して目標値を設定することによって、改質器バーナ４での空燃比を従来構成よりも理想値に近付けることを可能としている。
【００２３】
まず、目標値を設定する構成について従来構成と共通する構成について説明する。実施形態においても温度センサ１５により検出される改質器１の温度はほぼ一定に保つことが要求されるから、温度センサ１５により検出される温度は温度比較器ＴＣ１に入力され、改質器１の温度の目標値として与えられる改質器温度設定値ＳＶ１と比較される。温度比較器ＴＣ１では改質器温度設定値ＳＶ１と温度センサ１５による検出温度との誤差を求め、この誤差を零にするのに必要な原燃料の流量を出力する。
【００２４】
また、電流センサ１６により検出される燃料電池３の出力電流は電流比較器ＩＤＣ１において電流設定値ＳＶ２と比較される。電流設定値ＳＶ２は燃料電池３の出力電力が供給される負荷Ｚの大きさに応じて設定され、負荷Ｚの大きさは負荷への供給電力を検出する負荷電力検出器１７により検出される。つまり、負荷Ｚの大きさが変動すれば負荷電力検出器１７の出力値が変化し、この出力値に基づいて電流値設定部１８が電流設定値ＳＶ２を設定する。燃料電池３と負荷Ｚとの間には、燃料電池３から出力される直流電力を交流電力に電力変換するインバータ回路を含んだ電力調整装置６が設けられ、電流比較器ＩＤＣ１は電力調整装置６の動作を制御して負荷Ｚの大きさに見合う出力を発生させるように電力調整装置６の出力を調整する。つまり、負荷Ｚが大きくなれば電力調整装置６の出力が不足し、負荷電力検出器１７は電力の不足が生じると電流設定値ＳＶ２を大きく設定する。その結果、電流センサ１６により検出された燃料電池３の出力電流よりも電流設定値ＳＶ２が大きくなり、電流比較器ＩＤＣ１は電力調整装置６を出力が増加する方向に制御する。また、負荷Ｚが小さくなった場合には逆の動作になる。
【００２５】
上述のように、負荷Ｚが変動すれば電流比較器ＩＤＣ１は電力調整装置６の出力を調節しようとするから、燃料電池３の出力電流も負荷Ｚの変動に見合うように制御しなければならない。そこで、電流設定値ＳＶ２は電流比較器ＩＤＣ１だけではなく原燃料流量調節器ＦＣ１の目標値の設定にも用いられる。すなわち、電流設定値ＳＶ２は、電流−流量換算部１９において電流値から原燃料の流量に換算され、温度比較器ＴＣ１で求めた原燃料の流量と電流−流量換算部１９において求めた原燃料の流量とが加算器２０において加算される。ここに、電流−流量換算部１９に入力される電流設定値ＳＶ２に対する流量をｇとし、１Ａに対応する原燃料の流量をｍ、燃料ガスの利用率（一般に８０％）をｎとすれば、電流−流量換算部１９での演算は次式のようになる。
ｇ＝ＳＶ２×ｍ×（１／ｎ）
このように、改質器１に設けた温度センサ１５での検出温度を温度設定値ＳＶ１に一致させるのに必要な原燃料の流量と、燃料電池３において負荷Ｚの大きさに見合う出力電流を得るのに必要な原燃料の流量とを加算することによって、燃料電池３から所要の出力を得るとともに改質器１の温度を所要温度に保つことが可能になる。つまり、温度センサ１５、温度比較器ＴＣ１、電流−流量換算部１９、加算器２０により原燃料流量設定手段が構成される。
【００２６】
従来構成では上述のようにして求めた加算器２０の出力値を原燃料流量調節器ＦＣ１に目標値として与えていたが、本実施形態では加算器２０の出力値をそのまま原燃料流量調節器ＦＣ１に目標値として与えるのではなく、原燃料調節器ＦＣ１の目標値が所定範囲に制限されるようにしてある。つまり、加算器２０と原燃料流量調節器ＦＣ１との間にリミッタ２１を設け、原燃料流量調節器ＦＣ１に与える目標値が上限値設定器２２ａおよび下限値設定器２２ｂにより設定した上限値と下限値との間に収まるように制限しているのである。リミッタ２１は図２のように動作する。つまり、加算器２０の出力値が一点鎖線で示すように上限値Ｖｓを超える場合には上限値Ｖｓを出力値とし、加算器２０の出力値が一点鎖線で示すように下限値Ｖｉより低い場合には下限値Ｖｉを出力値とする。このようなリミッタ２１を設けることにより、原燃料流量調節器ＦＣ１の目標値は制限されることになる。上限値Ｖｓおよび下限値Ｖｉの決定方法については後述する。
【００２７】
ところで、原燃料の供給量に対する改質器１への空気の供給量は空燃比に基づいて決定することができるから、空気流量調節器ＦＣ２の目標値は原燃料の流量に基づいて原燃料−空気換算部２３において決定される。つまり、加算器２０の出力値から燃料電池３で消費された燃料ガスに相当する原燃料の流量を減算すれば、改質器バーナ４で燃焼させるオフガスに相当する原燃料の流量を求めることができるから、この減算値に空燃比の設定値を乗算すれば、改質器バーナ４が要求する空気の流量を求めることができる。原燃料−空気換算部２３では、原燃料供給路２を通して供給される原燃料の目標値に対して単位流量の原燃料に相当する燃料ガスを燃焼させるのに必要な空気の量を乗算し、このようにして求めた空気量のうち燃料電池３において消費された燃料ガスを燃焼させるのに必要な空気量を減算することによって、改質器バーナ４で用いるオフガスに対する空気の必要量が求められる。こうして求めた空気の必要量に空燃比を乗算すれば、改質器バーナ４で実際に用いる空気の必要量を求めることができる。ただし、原燃料の目標値は加算器２０の出力値をそのまま用いるのではなく、加算器２０と原燃料−空気換算部２３との間に設けたリミッタ２４で上限値と下限値とを制限した値を用いる。つまり、リミッタ２４はリミッタ２１と同様に機能し、出力値を上限値設定部２５ａおよび下限値設定部２５ｂにより設定した上限値と下限値との間の範囲に制限する。上限値および下限値の決定方法については後述する。
【００２８】
ここに、原燃料−空気換算部２３にリミッタ２４から入力される原燃料の流量の目標値をＳＶ１’、単位流量の原燃料に相当する燃料ガスを燃焼させるのに必要な空気の量をｐ、電流センサ１６により検出される燃料電池３の出力電流をＩＤＣ、燃料電池３が１Ａの電流を出力するのに消費する燃料ガスを燃焼させるのに必要な空気の量をｑとすれば、改質器バーナ４において用いる空気の理想量ｆは、次式のようになる。
ｆ＝ｐ×ＳＶ１’−ｑ×ＩＤＣ
したがって、設定すべき空燃比をμとすれば原燃料−空気換算部２３の出力値は、ｆ×μとして求めることができる。この値を空気流量調節器ＦＣ２に目標値として与えることにより、原燃料の供給量に対応する量の空気を供給することが可能になる。
【００２９】
ところで、上述した上限値設定部２２ａ，２５ａおよび下限値設定部２２ｂ，２５ｂでは以下のようにして上限値および下限値を設定する。すなわち、リミッタ２１に対応する上限値設定部２２ａおよび下限値設定部２２ｂは、空気流量センサ１３により実測された空気の流量に対して原燃料の流量の上限値および下限値を設定するのであり、上述した原燃料−空気換算部２３とは逆に改質器バーナ４に供給される空気の流量に対応する原燃料の供給量を求める。つまり、空気−原燃料換算部２６に空気流量センサ１３から入力される空気の流量の実測値をＰＶ３、単位流量の原燃料に相当する燃料ガスを燃焼させるのに必要な空気の量をｐ、電流センサ１６により検出される燃料電池３の出力電流をＩＤＣ、燃料電池３が１Ａの電流を出力するのに消費する燃料ガスを燃焼させるのに必要な空気の量をｑとすれば、原燃料の供給量の理想値ｈは、次式のようになる。
ｈ＝（ＰＶ３＋ｑ×ＩＤＣ）／ｐ
このようにして求めた原燃料の供給量の理想値ｈを空燃比μで除算した値が空気−原燃料換算部２６の出力値になる。空気−原燃料換算部２６の出力値に対して上限値および下限値を設定すれば、改質器バーナ４への空気の供給量に対応する原燃料の供給量の上下限を制限することができる。
【００３０】
一方、リミッタ２４に対応する上限値設定部２５ａおよび下限値設定部２５ｂは、原燃料流量調節器ＦＣ１の目標値に対して空気の流量の上限値および下限値を設定する。このことは、原燃料の供給量に対応する空気の供給量の上下限を制限することになる。
【００３１】
ここにおいて、空燃比は１．０２から１．２０の範囲に制御されるように上限値および下限値が設定される。本実施形態では、空燃比の好ましい範囲として１．０６±０．４に制御されるように上限値および下限値を設定してある。すなわち、上述した原燃料−空気換算部２３および空気−原燃料換算部２６において規定される空燃比μの基準値を１．０６とし、上限値設定部２２ａ，２５ａで設定する上限値は空燃比が１．１０となる値、下限値設定部２２ｂ，２５ｂで設定する下限値は空燃比が１．０２となるように設定される。このような設定とすれば、負荷Ｚが変動したときに空燃比が１．０２〜１．１０の範囲の制限を受けながら原燃料と空気との流量が調節されるのである。上限値設定部２２ａおよび下限値設定部２２ｂでは空気−原燃料換算部２６の出力値を基準値とし、この基準値に対する１．１０／１．０６倍を上限値、１．０２／１．０６倍を下限値とする。また、上限値設定部２５ａおよび下限値設定部２５ｂではリミッタ２１の出力値を基準値とし、この基準値に対する１．１０倍を上限値、１．０２倍を下限値とする。なお、上述した電流−流量換算部１９、加算器２０、リミッタ２１、上限値設定部２２ａ、下限値設定部２２ｂ、原燃料−空気換算部２３、リミッタ２４、上限値設定部２５ａ、下限値設定部２５ｂ、空気−原燃料換算部２６についてはマイコンを用いて実現することができる。
【００３２】
上述した動作を図３にまとめる。すなわち、負荷変動が生じると（Ｓ１）、負荷Ｚの大きさに応じて電流設定値ＳＶ２が変化し（Ｓ２）、電流比較器ＩＤＣ１では電力調整装置６の出力を負荷Ｚの大きさに見合うように調整しようとする。電流比較器ＩＤＣ１では電流センサ１６の出力と電流設定値ＳＶ２とを比較しており（Ｓ３）、両者が一致すれば次に負荷Ｚに変動が生じるまで電力調整装置６の出力を維持する。また、原燃料の流量の目標値は電流設定器ＳＶ２（および温度センサ１５により検出される改質器１の温度）に基づいて演算により設定される（Ｓ４）。ただし、原燃料の流量の目標値はリミッタ２１により上下限が制限され（Ｓ５）、原燃料流量調節器ＦＣ１ではリミッタ２１で制限された範囲内の目標値に原燃料流量センサ１１により検出される原燃料の流量を近付けるように原燃料流量調節弁１２の開量を調節する（Ｓ７，Ｓ８）。また、ステップＳ５において制限された原燃料の流量の目標値に対して改質器バーナ４の空燃比を規定範囲とするように改質器バーナ４に供給する空気の流量の上限値および下限値が設定される（Ｓ６）。
【００３３】
改質器バーナ４に供給される空気の流量に対する目標値は原燃料の流量に関する制限前の目標値をステップＳ６において原燃料の流量の目標値に基づいて求めた上限値と下限値との範囲で制限し（Ｓ９）、範囲が制限された原燃料の流量の目標値に基づいて改質器バーナ４で所要の空燃比を得るのに必要な空気の流量に関する目標値を算出する（Ｓ１０）。空気流量調節器ＦＣ２ではリミッタ２４で制限された範囲内の目標値に空気流量センサ１３により検出される空気の流量を近付けるように空気料流量調節弁１４の開量を調節する（Ｓ１１，Ｓ１２）。また、空気流量センサ１３により検出される空気の流量の実測値に対して改質器バーナ４の空燃比が規定範囲になるように原燃料の流量の上限値および下限値が設定される（Ｓ１３）。
【００３４】
原燃料の流量および空気の流量は燃料電池３の出力電流が負荷Ｚの大きさに対応するようになるまで調節される。つまり、電流センサ１６により検出される燃料電池３の出力電流が電流設定値ＳＶ２に一致するまで原燃料および空気の流量が調節される。
【００３５】
上述したように、原燃料の供給量の上下限は改質器バーナ４への空気の供給量の実測値に基づいて制限され、改質器バーナ４への空気の供給量の上下限は原燃料の供給量の目標値に基づいて制限されるから、原燃料の供給量と空気の供給量とが相互に制限を受けながら負荷の変動に対応することになる。その結果、原燃料の目標値が短時間で大きく変動するような場合でも空燃比が制限範囲を超えることがなく、未燃ガスが生じたり、失火や爆燃が生じたりするのを防止することができる。たとえば、負荷Ｚが急増したときには原燃料の流量の目標値が急増しようとするが、リミッタ２１による制限を超えて原燃料の流量が増加することはない。また、改質器バーナ４への空気の流量についの目標値も急増しようとするが、リミッタ２４による制限を越えて空気の流量が増加することはない。つまり、負荷Ｚが急増しても空燃比は上限値を超えることがなく、熱の損失は比較的少ないものとなる。しかも原燃料の流量は空気の流量の実測値に基づいて制限されるから、空気不足が生じることがなく、未燃ガス、失火、爆燃を防止することができる。
【００３６】
【発明の効果】
請求項１の発明は、炭化水素を主成分とする原燃料を改質器に通し、改質器で生成した水素ガスが主成分である改質ガスを燃料電池の燃料ガスに用いるとともに燃料電池で消費されなかった燃料ガスを改質器内に設けた改質器バーナにより燃焼させるようにした発電装置に用いられ、改質器に供給される原燃料と改質器バーナに供給される空気との流量を制御する燃料電池用改質器の空燃比制御装置であって、原燃料を改質器に供給する原燃料供給路に設けられ改質器への原燃料の供給量を検出する原燃料流量センサと、前記原燃料供給路に設けられ改質器への原燃料の供給量を調節する原燃料流量調節弁と、改質器バーナに空気を供給する空気供給路に設けられ改質器バーナへの空気の供給量を検出する空気流量センサと、前記空気供給路に設けられ改質器バーナへの空気の供給量を調節する空気流量調節弁と、原燃料流量センサにより検出される原燃料の流量を第１の目標値に近付けるようにフィードバック制御する原燃料流量調節器と、空気流量センサにより検出される空気の流量を第２の目標値に近付けるようにフィードバック制御する空気流量調節器と、燃料電池の負荷の大きさに応じて原燃料の流量に関する目標値を算出する原燃料流量設定手段と、空気流量センサでの空気の流量の実測値に対して規定範囲の空燃比が得られる原燃料の流量の範囲を上下限とし原燃料流量設定手段で算出した目標値の上下限を制限して第１の目標値として出力する第１の範囲制限手段と、第１の目標値に対して規定範囲の空燃比が得られる空気の流量の範囲を上下限とし原燃料流量設定手段で算出した目標値に対して規定の空燃比を得るのに必要な空気の流量の上下限を制限して第２の目標値として出力する第２の範囲制限手段とを備えるものであり、負荷の大きさに基づいて設定される原燃料の流量の目標値の上下限を、空気の流量の実測値に基づいて制限する第１の範囲制限手段で制限し、かつ空気の流量の目標値の上下限を、原燃料の目標値に基づいて第２の範囲制限手段で制限するから、原燃料と空気との流量が相互に制限されることになり、負荷の変動に伴って原燃料および空気の流量に関する目標値が変動する場合でも第１および第２の範囲制限手段によって制限された範囲内での変動になり、空燃比の大きな変動が抑制される。つまり、負荷が短時間で大きく変動する場合でも、空燃比は規定範囲に制限された状態で変化するから、空燃比が大きく変動する場合のような未燃ガス、失火、爆燃の発生を防止することができる。また、負荷が変動しても空燃比が規定範囲を保つから、空燃比を比較的小さい値に設定することが可能になり、従来構成に比較すると燃損失の少ない空燃比を設定することができる。
【００３７】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記原燃料流量設定手段が、改質器の所要部の温度を検出する温度センサと、温度センサにより検出される温度があらかじめ設定された温度設定値を保つのに必要な原燃料の流量および負荷の大きさに応じた電流設定値を得るのに必要な原燃料の流量との加算値を目標値として出力するものであり、改質器の温度を温度設定値に保ちながらも負荷変動に応じた量の燃料ガスを燃料電池に供給できるように原燃料の流量を制御することが可能になる。
【００３８】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、燃料電池の出力電流を検出する電流センサを備え、前記第１の範囲制限手段が、空気流量センサによる実測値に対して規定の空燃比が得られる原燃料の流量と電流センサにより検出された出力電流に基づいて算出される燃料電池で消費された燃料ガスの流量に相当する原燃料の流量との加算値を求めて基準値とする空気−原燃料換算部と、空気−原燃料換算部で求めた基準値を中心として設定した上下限により原燃料流量設定手段から出力された目標値を制限する第１のリミッタを備え、前記第２の範囲制限手段が、第１の目標値を中心として設定した上下限により原燃料流量設定手段から出力された目標値を制限する第２のリミッタと、第２のリミッタの出力値から燃料電池で消費された燃料ガスの流量に相当する原燃料の流量を減算して求められる原燃料の流量に対して前記規定の空燃比が得られる空気の流量を算出する原燃料−空気換算部とを備えるものであり、原燃料の流量の目標値に対して上下限を制限した後に、原燃料に対応した空気の供給量を換算するから、空気の流量に対する上下限を設定する際に原燃料の流量を空気の量に換算する必要がなく、原燃料の流量から空気の流量の上限値および下限値を各別に求める場合に比較すると演算量が少なくなる。
請求項４の発明は、請求項３の発明において、空燃比の上限値が１．２０、空燃比の下限値が１．０２に設定されるものであり、これらの値を選択すれば従来よりも空燃比を低減することが可能であり、かつ外乱によって原燃料の供給量が変動しても失火や爆燃が生じるのを抑制できる。
【００３９】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、規定の空燃比が１．０６、空燃比の上限値が１．１０、空燃比の下限値が１．０２に設定されるものであり、請求項４の発明における範囲内での好ましい値である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示すブロック図である。
【図２】同上に用いるリミッタの動作説明図である。
【図３】同上の制御の流れを示す動作説明図である。
【図４】都市ガスを原燃料とする発電装置の概略構成図である。
【図５】従来例を示すブロック図である。
【図６】同上における制御の流れを示す動作説明図である。
【符号の説明】
１ 改質器
２ 原燃料供給路
３ 燃料電池
４ 改質器バーナ
５ 空気供給路
１１ 原燃料流量センサ
１２ 原燃料流量調節弁
１３ 空気流量センサ
１４ 空気流量調節弁
１５ 温度センサ
１６ 電流センサ
１９ 電流−流量換算部
２０ 加算器
２１ リミッタ
２２ａ 上限値設定部
２２ｂ 下限値設定部
２３ 原燃料−空気換算部
２４ リミッタ
２５ａ 上限値設定部
２５ｂ 下限値設定部
２６ 空気−原燃料換算部
ＦＣ１ 原燃料流量調節器
ＦＣ２ 空気流量調節器
Ｚ 負荷
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用改質器の空燃比制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、都市ガスとして供給されている天然ガスを原燃料に用い、天然ガスの主成分であるメタンガスを水蒸気と反応させることによって水素ガスを発生させ、発生した水素ガスを燃料電池の燃料ガスに用いて発電するようにした発電設備が提供されている。この種の発電設備は、燃料電池を電源としてインバータにより交流電力を得るものであり、分散電源として建物に付設したり都市部の変電所などに設置する用途が期待されている。
【０００３】
この種の発電装置において、原燃料を供給して燃料電池による発電を行う構成を概略的に示すと図４のようになる。すなわち、原燃料は原燃料供給路２を通して改質器１に供給され、改質器１においては原燃料に水蒸気を反応させることによって、原燃料から水素ガスに主に二酸化炭素が混合された改質ガスを生成させる。この改質ガスは燃料ガスとして燃料電池３に供給され、燃料電池３において空気中の酸素と反応することにより電気エネルギ（直流出力）を生成する。
【０００４】
改質器１では原燃料と水蒸気とを反応させるために改質器バーナ４を用いて原燃料と水蒸気との混合気を加熱しており、改質器バーナ４の燃料には燃料電池３に供給した燃料ガスのうちの未反応分（オフガスという）を用いている。つまり、原燃料は、燃料電池３での発電に必要な量と、改質器バーナ４での燃焼に必要な量とを見込んで供給される。また、改質器１においては、原燃料と水蒸気との反応が安定して進行するように、原燃料と水蒸気とを反応させる改質管もしくは反応を促進させるための改質触媒の温度が一定になるように制御される。この制御のために、現状では原燃料の供給量に対して空燃比が一定になるように空気の供給量が調節されている。
【０００５】
以下に、原燃料と空気との比率を制御する構成について説明する。図５に示すように、原燃料の供給量は原燃料供給路２に設けた原燃料流量センサ１１により検出され、原燃料の改質器１への供給量は原燃料供給路２に設けた原燃料流量調節弁１２により調節される。また、改質器バーナ４に空気を供給する空気供給路５には改質器バーナ４への空気の供給路を検出する空気流量センサ１３と、改質器バーナ４への空気の供給量を調節する空気流量調節弁１４とが設けられる。改質器１における改質管または改質触媒の温度は温度センサ１５により検出され、燃料電池３の出力電流は電流センサ１６により検出される。
【０００６】
改質器バーナ４における空燃比の制御には、原燃料流量センサ１１と空気流量センサ１３と温度センサ１５と電流センサ１６との出力を入力情報に用い、原燃料流量調節弁１２および空気流量調節弁１４の開量を調節する。原燃料調節弁１２の開量は原燃料流量センサ１１により検出される原燃料の流量を原燃料流量調節器ＦＣ１に与えられる目標値に近付けるようにフィードバック制御され、また空気流量調節弁１４の開量は空気流量センサ１３により検出される空気の流量を空気流量調節器ＦＣ２に与えられる目標値に近付けるようにフィードバック制御される。
【０００７】
温度センサ１５で検出された温度は、温度比較器ＴＣ１において改質器１の温度の目標値として与えられる改質器温度設定値ＳＶ１と比較され、温度比較器ＴＣ１からは両者を一致させるのに必要な原燃料の供給量が出力される。また、電流センサ１６により検出される燃料電池３の出力電流は電流比較器ＩＤＣ１において電流設定値ＳＶ２と比較され、電流比較器ＩＤＣ１では電流センサ１６で検出される電流を電流設定値ＳＶ２に一致させるように電力調整装置６を制御する。電力調整装置６は燃料電池３から負荷Ｚへの供給電力を調整する装置であり、燃料電池３から出力される直流電力を交流電力に電力変換するインバータ回路を含んでいる。したがって電力調整装置６から負荷Ｚに供給される電力を負荷電力検出部１７において検出し、この検出値に基づいて電流値設定部１８が電流設定値ＳＶ２を設定する。つまり、電流設定値ＳＶ２は負荷Ｚの大きさに対応することになる。
【０００８】
燃料電池３によって効率よく発電するには、燃料電池３の出力電流を負荷Ｚの増減に応じて増減させる必要があり、したがって負荷Ｚの増減を原燃料の供給量に反映させなければならない。そこで、負荷Ｚの増減を反映している電流設定値ＳＶ２を電流−流量換算部１９において原燃料の流量に換算し、温度比較器ＴＣ１で求めた原燃料の流量と電流−流量換算部１９において求めた原燃料の流量とを加算器２０において加算することによって、原燃料の流量の目標値を決定する。このようにして決定された目標値が原燃料流量調節器ＦＣ１に与えられる。
【０００９】
また、原燃料の流量が決定されると、改質器バーナ４に供給すべき空気の流量も空燃比に応じて決めることができる。つまり、原燃料の流量の目標値が加算器２０から出力されると、原燃料−空気換算部２３では原燃料の流量の目標値を用いて改質器１に供給される空気の流量を決定する。原燃料−空気換算部２３では、加算器２０の出力値から燃料電池３で消費された燃料ガスの流量に相当する原燃料の流量を減算することによって、改質器バーナ４で利用可能なオフガスの流量を求め、さらにこの減算値に空燃比の設定値を乗算することによって、改質器バーナ４が必要とする空気の流量を求める。ここで、燃料電池３で利用された燃料ガスの流量に相当する原燃料の流量は電流センサ１６からの出力電流に基づいて求めることができる。こうして求めた空気の流量を目標値として空気流量調節器ＦＣ２に与えるのである。
【００１０】
すなわち、上述した動作をまとめると図６のようになる。まず負荷変動が生じると（Ｓ１）、負荷Ｚの大きさに応じて電流設定値ＳＶ２が変化し（Ｓ２）、電流比較器ＩＤＣ１では電力調整装置６の出力を負荷Ｚの大きさに見合うように調整しようとする。電流比較器ＩＤＣ１では電流センサ１６の出力と電流設定値ＳＶ２とを比較しており（Ｓ３）、両者が一致すれば次に負荷Ｚに変動が生じるまで電力調整装置６の出力を維持する。また、原燃料の流量の目標値は電流設定器ＳＶ２（および温度センサ１５により検出される改質器１の温度）に基づいて演算により設定される（Ｓ４）。原燃料流量調節器ＦＣ１では与えられた目標値に原燃料流量センサ１１により検出される原燃料の流量を近付けるように原燃料流量調節弁１２の開量を調節する（Ｓ５，Ｓ６）。
【００１１】
改質器バーナ４に供給される空気の流量に対する目標値は原燃料の流量の目標値に基づいて改質器バーナ４で所要の空燃比を得るのに必要な空気の流量として算出される（Ｓ７）。空気流量調節器ＦＣ２ではこの目標値に空気流量センサ１３により検出される空気の流量を近付けるように空気料流量調節弁１４の開量を調節する（Ｓ８，Ｓ９）。このようにして、原燃料の流量および空気の流量は燃料電池３の出力電流が負荷Ｚの大きさに対応するようになるまで調節される。つまり、電流センサ１６により検出される燃料電池３の出力電流が電流設定値ＳＶ２に一致するまで原燃料および空気の流量が調節されるのである。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、原燃料および空気の供給量を負荷Ｚの変動に追随させているから、負荷Ｚが変動したときには燃料電池３の出力電流を負荷変動に対応させることができる。しかしながら、負荷変動が生じてから原燃料および空気の供給量が応答するまでには比較的長い時間遅れがあるから、負荷Ｚが急に増減したときには改質器バーナ４へのオフガスや空気の供給量に過不足が生じることになる。とくに、空気の流量の目標値は原燃料の目標値に基づいて設定されるから、空気の流量の変化は原燃料の流量の変化に対しても遅れており、負荷Ｚが短時間で増加すれば、原燃料の流量の増加に対して空気の流量の変化が追いつかず、改質器バーナ４において空気の供給量が不足することになって、未燃ガスが発生したり、失火（立ち消え）や爆燃が生じやすくなったりする。そこで、原燃料−空気換算部２３において設定される空燃比は１．２〜１．５の範囲としてあり、原燃料の目標値が急増しても改質器バーナ４への空気の供給量が不足する可能性を低減してある。
【００１３】
ところが、空燃比が１．２〜１．５の範囲に設定していると負荷Ｚの変動が少ないときには、燃焼に利用されない空気が多いということであるから、燃料ガスの燃焼に使われなかった空気が熱エネルギを持ち出すことになる。つまり、改質器バーナ４からの排気による熱の持ち出し分が多くなって熱損失が大きくなり、発電装置の全体としての発電効率が低下することになる。このような熱損失を低減するには空燃比を１．０に近付けるのが望ましいが、上述したような制御系の時間遅れを考慮すると、負荷Ｚの急変に対応するためには、空燃比を１．２〜１．５の範囲に設定せざるを得ないのが現状である。
【００１４】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、燃料電池の負荷が変動しても原燃料と空気との比率が規定範囲を超えないように制限することによって原燃料に対する空気量の過不足を生じにくくし、結果的に空燃比を従来構成よりも１．０に近付けることを可能とし、発電効率を高めることを可能とした燃料電池用改質器の空燃比制御装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、炭化水素を主成分とする原燃料を改質器に通し、改質器で生成した水素ガスが主成分である改質ガスを燃料電池の燃料ガスに用いるとともに燃料電池で消費されなかった燃料ガスを改質器内に設けた改質器バーナにより燃焼させるようにした発電装置に用いられ、改質器に供給される原燃料と改質器バーナに供給される空気との流量を制御する燃料電池用改質器の空燃比制御装置であって、原燃料を改質器に供給する原燃料供給路に設けられ改質器への原燃料の供給量を検出する原燃料流量センサと、前記原燃料供給路に設けられ改質器への原燃料の供給量を調節する原燃料流量調節弁と、改質器バーナに空気を供給する空気供給路に設けられ改質器バーナへの空気の供給量を検出する空気流量センサと、前記空気供給路に設けられ改質器バーナへの空気の供給量を調節する空気流量調節弁と、原燃料流量センサにより検出される原燃料の流量を第１の目標値に近付けるようにフィードバック制御する原燃料流量調節器と、空気流量センサにより検出される空気の流量を第２の目標値に近付けるようにフィードバック制御する空気流量調節器と、燃料電池の負荷の大きさに応じて原燃料の流量に関する目標値を算出する原燃料流量設定手段と、空気流量センサでの空気の流量の実測値に対して規定範囲の空燃比が得られる原燃料の流量の範囲を上下限とし原燃料流量設定手段で算出した目標値の上下限を制限して第１の目標値として出力する第１の範囲制限手段と、第１の目標値に対して規定範囲の空燃比が得られる空気の流量の範囲を上下限とし原燃料流量設定手段で算出した目標値に対して規定の空燃比を得るのに必要な空気の流量の上下限を制限して第２の目標値として出力する第２の範囲制限手段とを備えるものである。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記原燃料流量設定手段が、改質器の所要部の温度を検出する温度センサと、温度センサにより検出される温度があらかじめ設定された温度設定値を保つのに必要な原燃料の流量および負荷の大きさに応じた電流設定値を得るのに必要な原燃料の流量との加算値を目標値として出力するものである。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、燃料電池の出力電流を検出する電流センサを備え、前記第１の範囲制限手段が、空気流量センサによる実測値に対して規定の空燃比が得られる原燃料の流量と電流センサにより検出された出力電流に基づいて算出される燃料電池で消費された燃料ガスの流量に相当する原燃料の流量との加算値を求めて基準値とする空気−原燃料換算部と、空気−原燃料換算部で求めた基準値を中心として設定した上下限により原燃料流量設定手段から出力された目標値を制限する第１のリミッタを備え、前記第２の範囲制限手段が、第１の目標値を中心として設定した上下限により原燃料流量設定手段から出力された目標値を制限する第２のリミッタと、第２のリミッタの出力値から燃料電池で消費された燃料ガスの流量に相当する原燃料の流量を減算して求められる原燃料の流量に対して前記規定の空燃比が得られる空気の流量を算出する原燃料−空気換算部とを備えるものである。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項３の発明において、空燃比の上限値が１．２０、空燃比の下限値が１．０２に設定されるものである。
【００１９】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記規定の空燃比が１．０６、空燃比の上限値が１．１０、空燃比の下限値が１．０２に設定されるものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
本実施形態は、図１に示すように、図３に示す構成に対して原燃料の供給量の変化を改質器バーナへの空気の供給量にただちに反映させる制御系と、改質器バーナへの空気の供給量の変化を原燃料の供給量にただちに反映させる制御系とを設けている点に特徴を有している。
【００２１】
すなわち、従来構成と同様に、原燃料を改質器１に供給する原燃料供給路２には原燃料の供給量を検出する原燃料流量センサ１１が設けられ、改質器１と原燃料流量センサ１１との間には原燃料の改質器１への供給量を調節する原燃料流量調節弁１２が配置される。また、改質器１で生成された改質ガス（水素ガスと二酸化炭素との混合ガス）は燃料電池３に燃料ガスとして供給され、燃料電池３での未反応ガス（オフガス）が改質器バーナ４において燃焼される。改質器バーナ４に空気を供給する空気供給路５には、改質器バーナ４への空気の供給量を検出する空気流量センサ１３が設けられ、改質器バーナ４と空気流量センサ１３との間には改質器バーナ４への空気の供給量を調節する空気流量調節弁１４が配置される。従来構成でも説明したように、改質器１における反応を安定して進行させるために、原燃料と水蒸気とを反応させる改質管あるいは原燃料と水蒸気との反応を促進する改質触媒の温度を一定に保つようにしてあり、そのため改質器１には温度センサ１５が設けられる。また、燃料電池３の出力電流を検出するために、燃料電池３には電流センサ１６が設けられている。
【００２２】
改質器バーナ４における空燃比を制御するには、原燃料流量センサ１１と空気流量センサ１３と温度センサ１５と電流センサ１６との出力を入力情報に用い、原燃料流量調節弁１２および空気流量調節弁１４の開量を調節する。原燃料調節弁１２の開量は原燃料流量センサ１１により検出される原燃料の流量を原燃料流量調節器ＦＣ１に与えられる目標値に近付けるようにフィードバック制御され、また空気流量調節弁１４の開量は空気流量センサ１３により検出される空気の流量を空気流量調節器ＦＣ２に与えられる目標値に近付けるようにフィードバック制御される。本発明の特徴は原燃料流量調節器ＦＣ１と空気流量調節器ＦＣ２とに与える目標値を設定する構成にあり、以下に述べる構成を採用して目標値を設定することによって、改質器バーナ４での空燃比を従来構成よりも理想値に近付けることを可能としている。
【００２３】
まず、目標値を設定する構成について従来構成と共通する構成について説明する。実施形態においても温度センサ１５により検出される改質器１の温度はほぼ一定に保つことが要求されるから、温度センサ１５により検出される温度は温度比較器ＴＣ１に入力され、改質器１の温度の目標値として与えられる改質器温度設定値ＳＶ１と比較される。温度比較器ＴＣ１では改質器温度設定値ＳＶ１と温度センサ１５による検出温度との誤差を求め、この誤差を零にするのに必要な原燃料の流量を出力する。
【００２４】
また、電流センサ１６により検出される燃料電池３の出力電流は電流比較器ＩＤＣ１において電流設定値ＳＶ２と比較される。電流設定値ＳＶ２は燃料電池３の出力電力が供給される負荷Ｚの大きさに応じて設定され、負荷Ｚの大きさは負荷への供給電力を検出する負荷電力検出器１７により検出される。つまり、負荷Ｚの大きさが変動すれば負荷電力検出器１７の出力値が変化し、この出力値に基づいて電流値設定部１８が電流設定値ＳＶ２を設定する。燃料電池３と負荷Ｚとの間には、燃料電池３から出力される直流電力を交流電力に電力変換するインバータ回路を含んだ電力調整装置６が設けられ、電流比較器ＩＤＣ１は電力調整装置６の動作を制御して負荷Ｚの大きさに見合う出力を発生させるように電力調整装置６の出力を調整する。つまり、負荷Ｚが大きくなれば電力調整装置６の出力が不足し、負荷電力検出器１７は電力の不足が生じると電流設定値ＳＶ２を大きく設定する。その結果、電流センサ１６により検出された燃料電池３の出力電流よりも電流設定値ＳＶ２が大きくなり、電流比較器ＩＤＣ１は電力調整装置６を出力が増加する方向に制御する。また、負荷Ｚが小さくなった場合には逆の動作になる。
【００２５】
上述のように、負荷Ｚが変動すれば電流比較器ＩＤＣ１は電力調整装置６の出力を調節しようとするから、燃料電池３の出力電流も負荷Ｚの変動に見合うように制御しなければならない。そこで、電流設定値ＳＶ２は電流比較器ＩＤＣ１だけではなく原燃料流量調節器ＦＣ１の目標値の設定にも用いられる。すなわち、電流設定値ＳＶ２は、電流−流量換算部１９において電流値から原燃料の流量に換算され、温度比較器ＴＣ１で求めた原燃料の流量と電流−流量換算部１９において求めた原燃料の流量とが加算器２０において加算される。ここに、電流−流量換算部１９に入力される電流設定値ＳＶ２に対する流量をｇとし、１Ａに対応する原燃料の流量をｍ、燃料ガスの利用率（一般に８０％）をｎとすれば、電流−流量換算部１９での演算は次式のようになる。
ｇ＝ＳＶ２×ｍ×（１／ｎ）
このように、改質器１に設けた温度センサ１５での検出温度を温度設定値ＳＶ１に一致させるのに必要な原燃料の流量と、燃料電池３において負荷Ｚの大きさに見合う出力電流を得るのに必要な原燃料の流量とを加算することによって、燃料電池３から所要の出力を得るとともに改質器１の温度を所要温度に保つことが可能になる。つまり、温度センサ１５、温度比較器ＴＣ１、電流−流量換算部１９、加算器２０により原燃料流量設定手段が構成される。
【００２６】
従来構成では上述のようにして求めた加算器２０の出力値を原燃料流量調節器ＦＣ１に目標値として与えていたが、本実施形態では加算器２０の出力値をそのまま原燃料流量調節器ＦＣ１に目標値として与えるのではなく、原燃料調節器ＦＣ１の目標値が所定範囲に制限されるようにしてある。つまり、加算器２０と原燃料流量調節器ＦＣ１との間にリミッタ２１を設け、原燃料流量調節器ＦＣ１に与える目標値が上限値設定器２２ａおよび下限値設定器２２ｂにより設定した上限値と下限値との間に収まるように制限しているのである。リミッタ２１は図２のように動作する。つまり、加算器２０の出力値が一点鎖線で示すように上限値Ｖｓを超える場合には上限値Ｖｓを出力値とし、加算器２０の出力値が一点鎖線で示すように下限値Ｖｉより低い場合には下限値Ｖｉを出力値とする。このようなリミッタ２１を設けることにより、原燃料流量調節器ＦＣ１の目標値は制限されることになる。上限値Ｖｓおよび下限値Ｖｉの決定方法については後述する。
【００２７】
ところで、原燃料の供給量に対する改質器１への空気の供給量は空燃比に基づいて決定することができるから、空気流量調節器ＦＣ２の目標値は原燃料の流量に基づいて原燃料−空気換算部２３において決定される。つまり、加算器２０の出力値から燃料電池３で消費された燃料ガスに相当する原燃料の流量を減算すれば、改質器バーナ４で燃焼させるオフガスに相当する原燃料の流量を求めることができるから、この減算値に空燃比の設定値を乗算すれば、改質器バーナ４が要求する空気の流量を求めることができる。原燃料−空気換算部２３では、原燃料供給路２を通して供給される原燃料の目標値に対して単位流量の原燃料に相当する燃料ガスを燃焼させるのに必要な空気の量を乗算し、このようにして求めた空気量のうち燃料電池３において消費された燃料ガスを燃焼させるのに必要な空気量を減算することによって、改質器バーナ４で用いるオフガスに対する空気の必要量が求められる。こうして求めた空気の必要量に空燃比を乗算すれば、改質器バーナ４で実際に用いる空気の必要量を求めることができる。ただし、原燃料の目標値は加算器２０の出力値をそのまま用いるのではなく、加算器２０と原燃料−空気換算部２３との間に設けたリミッタ２４で上限値と下限値とを制限した値を用いる。つまり、リミッタ２４はリミッタ２１と同様に機能し、出力値を上限値設定部２５ａおよび下限値設定部２５ｂにより設定した上限値と下限値との間の範囲に制限する。上限値および下限値の決定方法については後述する。
【００２８】
ここに、原燃料−空気換算部２３にリミッタ２４から入力される原燃料の流量の目標値をＳＶ１’、単位流量の原燃料に相当する燃料ガスを燃焼させるのに必要な空気の量をｐ、電流センサ１６により検出される燃料電池３の出力電流をＩＤＣ、燃料電池３が１Ａの電流を出力するのに消費する燃料ガスを燃焼させるのに必要な空気の量をｑとすれば、改質器バーナ４において用いる空気の理想量ｆは、次式のようになる。
ｆ＝ｐ×ＳＶ１’−ｑ×ＩＤＣ
したがって、設定すべき空燃比をμとすれば原燃料−空気換算部２３の出力値は、ｆ×μとして求めることができる。この値を空気流量調節器ＦＣ２に目標値として与えることにより、原燃料の供給量に対応する量の空気を供給することが可能になる。
【００２９】
ところで、上述した上限値設定部２２ａ，２５ａおよび下限値設定部２２ｂ，２５ｂでは以下のようにして上限値および下限値を設定する。すなわち、リミッタ２１に対応する上限値設定部２２ａおよび下限値設定部２２ｂは、空気流量センサ１３により実測された空気の流量に対して原燃料の流量の上限値および下限値を設定するのであり、上述した原燃料−空気換算部２３とは逆に改質器バーナ４に供給される空気の流量に対応する原燃料の供給量を求める。つまり、空気−原燃料換算部２６に空気流量センサ１３から入力される空気の流量の実測値をＰＶ３、単位流量の原燃料に相当する燃料ガスを燃焼させるのに必要な空気の量をｐ、電流センサ１６により検出される燃料電池３の出力電流をＩＤＣ、燃料電池３が１Ａの電流を出力するのに消費する燃料ガスを燃焼させるのに必要な空気の量をｑとすれば、原燃料の供給量の理想値ｈは、次式のようになる。
ｈ＝（ＰＶ３＋ｑ×ＩＤＣ）／ｐ
このようにして求めた原燃料の供給量の理想値ｈを空燃比μで除算した値が空気−原燃料換算部２６の出力値になる。空気−原燃料換算部２６の出力値に対して上限値および下限値を設定すれば、改質器バーナ４への空気の供給量に対応する原燃料の供給量の上下限を制限することができる。
【００３０】
一方、リミッタ２４に対応する上限値設定部２５ａおよび下限値設定部２５ｂは、原燃料流量調節器ＦＣ１の目標値に対して空気の流量の上限値および下限値を設定する。このことは、原燃料の供給量に対応する空気の供給量の上下限を制限することになる。
【００３１】
ここにおいて、空燃比は１．０２から１．２０の範囲に制御されるように上限値および下限値が設定される。本実施形態では、空燃比の好ましい範囲として１．０６±０．４に制御されるように上限値および下限値を設定してある。すなわち、上述した原燃料−空気換算部２３および空気−原燃料換算部２６において規定される空燃比μの基準値を１．０６とし、上限値設定部２２ａ，２５ａで設定する上限値は空燃比が１．１０となる値、下限値設定部２２ｂ，２５ｂで設定する下限値は空燃比が１．０２となるように設定される。このような設定とすれば、負荷Ｚが変動したときに空燃比が１．０２〜１．１０の範囲の制限を受けながら原燃料と空気との流量が調節されるのである。上限値設定部２２ａおよび下限値設定部２２ｂでは空気−原燃料換算部２６の出力値を基準値とし、この基準値に対する１．１０／１．０６倍を上限値、１．０２／１．０６倍を下限値とする。また、上限値設定部２５ａおよび下限値設定部２５ｂではリミッタ２１の出力値を基準値とし、この基準値に対する１．１０倍を上限値、１．０２倍を下限値とする。なお、上述した電流−流量換算部１９、加算器２０、リミッタ２１、上限値設定部２２ａ、下限値設定部２２ｂ、原燃料−空気換算部２３、リミッタ２４、上限値設定部２５ａ、下限値設定部２５ｂ、空気−原燃料換算部２６についてはマイコンを用いて実現することができる。
【００３２】
上述した動作を図３にまとめる。すなわち、負荷変動が生じると（Ｓ１）、負荷Ｚの大きさに応じて電流設定値ＳＶ２が変化し（Ｓ２）、電流比較器ＩＤＣ１では電力調整装置６の出力を負荷Ｚの大きさに見合うように調整しようとする。電流比較器ＩＤＣ１では電流センサ１６の出力と電流設定値ＳＶ２とを比較しており（Ｓ３）、両者が一致すれば次に負荷Ｚに変動が生じるまで電力調整装置６の出力を維持する。また、原燃料の流量の目標値は電流設定器ＳＶ２（および温度センサ１５により検出される改質器１の温度）に基づいて演算により設定される（Ｓ４）。ただし、原燃料の流量の目標値はリミッタ２１により上下限が制限され（Ｓ５）、原燃料流量調節器ＦＣ１ではリミッタ２１で制限された範囲内の目標値に原燃料流量センサ１１により検出される原燃料の流量を近付けるように原燃料流量調節弁１２の開量を調節する（Ｓ７，Ｓ８）。また、ステップＳ５において制限された原燃料の流量の目標値に対して改質器バーナ４の空燃比を規定範囲とするように改質器バーナ４に供給する空気の流量の上限値および下限値が設定される（Ｓ６）。
【００３３】
改質器バーナ４に供給される空気の流量に対する目標値は原燃料の流量に関する制限前の目標値をステップＳ６において原燃料の流量の目標値に基づいて求めた上限値と下限値との範囲で制限し（Ｓ９）、範囲が制限された原燃料の流量の目標値に基づいて改質器バーナ４で所要の空燃比を得るのに必要な空気の流量に関する目標値を算出する（Ｓ１０）。空気流量調節器ＦＣ２ではリミッタ２４で制限された範囲内の目標値に空気流量センサ１３により検出される空気の流量を近付けるように空気料流量調節弁１４の開量を調節する（Ｓ１１，Ｓ１２）。また、空気流量センサ１３により検出される空気の流量の実測値に対して改質器バーナ４の空燃比が規定範囲になるように原燃料の流量の上限値および下限値が設定される（Ｓ１３）。
【００３４】
原燃料の流量および空気の流量は燃料電池３の出力電流が負荷Ｚの大きさに対応するようになるまで調節される。つまり、電流センサ１６により検出される燃料電池３の出力電流が電流設定値ＳＶ２に一致するまで原燃料および空気の流量が調節される。
【００３５】
上述したように、原燃料の供給量の上下限は改質器バーナ４への空気の供給量の実測値に基づいて制限され、改質器バーナ４への空気の供給量の上下限は原燃料の供給量の目標値に基づいて制限されるから、原燃料の供給量と空気の供給量とが相互に制限を受けながら負荷の変動に対応することになる。その結果、原燃料の目標値が短時間で大きく変動するような場合でも空燃比が制限範囲を超えることがなく、未燃ガスが生じたり、失火や爆燃が生じたりするのを防止することができる。たとえば、負荷Ｚが急増したときには原燃料の流量の目標値が急増しようとするが、リミッタ２１による制限を超えて原燃料の流量が増加することはない。また、改質器バーナ４への空気の流量についの目標値も急増しようとするが、リミッタ２４による制限を越えて空気の流量が増加することはない。つまり、負荷Ｚが急増しても空燃比は上限値を超えることがなく、熱の損失は比較的少ないものとなる。しかも原燃料の流量は空気の流量の実測値に基づいて制限されるから、空気不足が生じることがなく、未燃ガス、失火、爆燃を防止することができる。
【００３６】
【発明の効果】
請求項１の発明は、炭化水素を主成分とする原燃料を改質器に通し、改質器で生成した水素ガスが主成分である改質ガスを燃料電池の燃料ガスに用いるとともに燃料電池で消費されなかった燃料ガスを改質器内に設けた改質器バーナにより燃焼させるようにした発電装置に用いられ、改質器に供給される原燃料と改質器バーナに供給される空気との流量を制御する燃料電池用改質器の空燃比制御装置であって、原燃料を改質器に供給する原燃料供給路に設けられ改質器への原燃料の供給量を検出する原燃料流量センサと、前記原燃料供給路に設けられ改質器への原燃料の供給量を調節する原燃料流量調節弁と、改質器バーナに空気を供給する空気供給路に設けられ改質器バーナへの空気の供給量を検出する空気流量センサと、前記空気供給路に設けられ改質器バーナへの空気の供給量を調節する空気流量調節弁と、原燃料流量センサにより検出される原燃料の流量を第１の目標値に近付けるようにフィードバック制御する原燃料流量調節器と、空気流量センサにより検出される空気の流量を第２の目標値に近付けるようにフィードバック制御する空気流量調節器と、燃料電池の負荷の大きさに応じて原燃料の流量に関する目標値を算出する原燃料流量設定手段と、空気流量センサでの空気の流量の実測値に対して規定範囲の空燃比が得られる原燃料の流量の範囲を上下限とし原燃料流量設定手段で算出した目標値の上下限を制限して第１の目標値として出力する第１の範囲制限手段と、第１の目標値に対して規定範囲の空燃比が得られる空気の流量の範囲を上下限とし原燃料流量設定手段で算出した目標値に対して規定の空燃比を得るのに必要な空気の流量の上下限を制限して第２の目標値として出力する第２の範囲制限手段とを備えるものであり、負荷の大きさに基づいて設定される原燃料の流量の目標値の上下限を、空気の流量の実測値に基づいて制限する第１の範囲制限手段で制限し、かつ空気の流量の目標値の上下限を、原燃料の目標値に基づいて第２の範囲制限手段で制限するから、原燃料と空気との流量が相互に制限されることになり、負荷の変動に伴って原燃料および空気の流量に関する目標値が変動する場合でも第１および第２の範囲制限手段によって制限された範囲内での変動になり、空燃比の大きな変動が抑制される。つまり、負荷が短時間で大きく変動する場合でも、空燃比は規定範囲に制限された状態で変化するから、空燃比が大きく変動する場合のような未燃ガス、失火、爆燃の発生を防止することができる。また、負荷が変動しても空燃比が規定範囲を保つから、空燃比を比較的小さい値に設定することが可能になり、従来構成に比較すると燃損失の少ない空燃比を設定することができる。
【００３７】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記原燃料流量設定手段が、改質器の所要部の温度を検出する温度センサと、温度センサにより検出される温度があらかじめ設定された温度設定値を保つのに必要な原燃料の流量および負荷の大きさに応じた電流設定値を得るのに必要な原燃料の流量との加算値を目標値として出力するものであり、改質器の温度を温度設定値に保ちながらも負荷変動に応じた量の燃料ガスを燃料電池に供給できるように原燃料の流量を制御することが可能になる。
【００３８】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、燃料電池の出力電流を検出する電流センサを備え、前記第１の範囲制限手段が、空気流量センサによる実測値に対して規定の空燃比が得られる原燃料の流量と電流センサにより検出された出力電流に基づいて算出される燃料電池で消費された燃料ガスの流量に相当する原燃料の流量との加算値を求めて基準値とする空気−原燃料換算部と、空気−原燃料換算部で求めた基準値を中心として設定した上下限により原燃料流量設定手段から出力された目標値を制限する第１のリミッタを備え、前記第２の範囲制限手段が、第１の目標値を中心として設定した上下限により原燃料流量設定手段から出力された目標値を制限する第２のリミッタと、第２のリミッタの出力値から燃料電池で消費された燃料ガスの流量に相当する原燃料の流量を減算して求められる原燃料の流量に対して前記規定の空燃比が得られる空気の流量を算出する原燃料−空気換算部とを備えるものであり、原燃料の流量の目標値に対して上下限を制限した後に、原燃料に対応した空気の供給量を換算するから、空気の流量に対する上下限を設定する際に原燃料の流量を空気の量に換算する必要がなく、原燃料の流量から空気の流量の上限値および下限値を各別に求める場合に比較すると演算量が少なくなる。
請求項４の発明は、請求項３の発明において、空燃比の上限値が１．２０、空燃比の下限値が１．０２に設定されるものであり、これらの値を選択すれば従来よりも空燃比を低減することが可能であり、かつ外乱によって原燃料の供給量が変動しても失火や爆燃が生じるのを抑制できる。
【００３９】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、規定の空燃比が１．０６、空燃比の上限値が１．１０、空燃比の下限値が１．０２に設定されるものであり、請求項４の発明における範囲内での好ましい値である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示すブロック図である。
【図２】同上に用いるリミッタの動作説明図である。
【図３】同上の制御の流れを示す動作説明図である。
【図４】都市ガスを原燃料とする発電装置の概略構成図である。
【図５】従来例を示すブロック図である。
【図６】同上における制御の流れを示す動作説明図である。
【符号の説明】
１ 改質器
２ 原燃料供給路
３ 燃料電池
４ 改質器バーナ
５ 空気供給路
１１ 原燃料流量センサ
１２ 原燃料流量調節弁
１３ 空気流量センサ
１４ 空気流量調節弁
１５ 温度センサ
１６ 電流センサ
１９ 電流−流量換算部
２０ 加算器
２１ リミッタ
２２ａ 上限値設定部
２２ｂ 下限値設定部
２３ 原燃料−空気換算部
２４ リミッタ
２５ａ 上限値設定部
２５ｂ 下限値設定部
２６ 空気−原燃料換算部
ＦＣ１ 原燃料流量調節器
ＦＣ２ 空気流量調節器
Ｚ 負荷
Claims (5)
- 炭化水素を主成分とする原燃料を改質器に通し、改質器で生成した水素ガスが主成分である改質ガスを燃料電池の燃料ガスに用いるとともに燃料電池で消費されなかった燃料ガスを改質器内に設けた改質器バーナにより燃焼させるようにした発電装置に用いられ、改質器に供給される原燃料と改質器バーナに供給される空気との流量を制御する燃料電池用改質器の空燃比制御装置であって、原燃料を改質器に供給する原燃料供給路に設けられ改質器への原燃料の供給量を検出する原燃料流量センサと、前記原燃料供給路に設けられ改質器への原燃料の供給量を調節する原燃料流量調節弁と、改質器バーナに空気を供給する空気供給路に設けられ改質器バーナへの空気の供給量を検出する空気流量センサと、前記空気供給路に設けられ改質器バーナへの空気の供給量を調節する空気流量調節弁と、原燃料流量センサにより検出される原燃料の流量を第１の目標値に近付けるようにフィードバック制御する原燃料流量調節器と、空気流量センサにより検出される空気の流量を第２の目標値に近付けるようにフィードバック制御する空気流量調節器と、燃料電池の負荷の大きさに応じて原燃料の流量に関する目標値を算出する原燃料流量設定手段と、空気流量センサでの空気の流量の実測値に対して規定範囲の空燃比が得られる原燃料の流量の範囲を上下限とし原燃料流量設定手段で算出した目標値の上下限を制限して第１の目標値として出力する第１の範囲制限手段と、第１の目標値に対して規定範囲の空燃比が得られる空気の流量の範囲を上下限とし原燃料流量設定手段で算出した目標値に対して規定の空燃比を得るのに必要な空気の流量の上下限を制限して第２の目標値として出力する第２の範囲制限手段とを備えることを特徴とする燃料電池用改質器の空燃比制御装置。
- 前記原燃料流量設定手段が、改質器の所要部の温度を検出する温度センサと、温度センサにより検出される温度があらかじめ設定された温度設定値を保つのに必要な原燃料の流量および負荷の大きさに応じた電流設定値を得るのに必要な原燃料の流量との加算値を目標値として出力することを特徴とする請求項１記載の燃料電池用改質器の空燃比制御装置。
- 燃料電池の出力電流を検出する電流センサを備え、前記第１の範囲制限手段が、空気流量センサによる実測値に対して規定の空燃比が得られる原燃料の流量と電流センサにより検出された出力電流に基づいて算出される燃料電池で消費された燃料ガスの流量に相当する原燃料の流量との加算値を求めて基準値とする空気−原燃料換算部と、空気−原燃料換算部で求めた基準値を中心として設定した上下限により原燃料流量設定手段から出力された目標値を制限する第１のリミッタを備え、前記第２の範囲制限手段が、第１の目標値を中心として設定した上下限により原燃料流量設定手段から出力された目標値を制限する第２のリミッタと、第２のリミッタの出力値から燃料電池で消費された燃料ガスのの流量に相当する原燃料の流量を減算して求められる原燃料の流量に対して前記規定の空燃比が得られる空気の流量を算出する原燃料−空気換算部とを備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池用改質器の空燃比制御装置。
- 空燃比の上限値が１．２０、空燃比の下限値が１．０２に設定されることを特徴とする請求項３記載の燃料電池用改質器の空燃比制御装置。
- 前記規定の空燃比が１．０６、空燃比の上限値が１．１０、空燃比の下限値が１．０２に設定されることを特徴とする請求項４記載の燃料電池用改質器の空燃比制御装置。
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