JP4622244B2 - 燃料電池発電装置の運転制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、バイオガスのように燃料組成が著しく変動する可能性のある原燃料を改質して水素リッチな改質ガスとし、この改質ガスを燃料として発電作用を行うタイプの燃料電池発電装置における運転制御方法に関する。

燃料電池発電装置において使用される燃料ガスとしては、都市ガス、バイオガスその他が用いられるが、通常、都市ガスはドライであり組成も基本的に安定しているので、都市ガスを原燃料に用いた燃料電池発電装置は、燃料入口部における標準状態（０℃１気圧状態）で補正を行うだけで、発電に必要な発熱量すなわち燃料流量を算出することが可能である。

一方、原燃料にバイオガスを用いる場合は、発生するバイオガス中のメタン濃度が昼夜および季節によって変化するため、この変化に対応した制御を行う必要がある。

たとえば、特許文献１においては、ビール工場の廃水をメタン発酵処理して得られるバイオガスを燃料として発電する燃料電池プラントを例にとって、バイオガス濃度センサやバイオガス流量センサを用いてバイオガス量を演算により求め、その演算値に基づいて発電負荷を制御する方法を開示している。しかしながら、この従来技術においては、バイオガス処理装置として燃料電池の排ガス（オフガス）を熱源として用いる改質器を利用することやその場合におけるバイオガス変動のもたらす影響等は考慮も検討もされていない。

また、特許文献２においては、燃料電池システムの運転状態に依存して排改質ガスの成分濃度が変化し、この結果改質器の燃焼器での発熱量が変化するため、結果的に燃焼器出口温度が乱れてシステム全体のバランスを崩してしまうとの認識の下に、所定のパラメータを用いた演算によって燃料電池本体の排改質ガス成分濃度を推定し、この推定値に基づいて排改質ガスの成分濃度変化に伴う外乱の影響を抑制する制御を行わせている。しかしながら、この制御方法は、メタノールなどのある程度安定した濃度の原料を改質することを前提としているため、バイオガスのように成分濃度の変動が極端に大きいガスを利用するシステムにおいては、適用することができない。

そこで、一般に、バイオガスを燃料とする燃料電池発電設備においては、燃料電池のオフガスを燃料として使用している改質器の温度調節器の指令値に着目して、この指令値に基づいて原燃料の流量を調整している。

そして、メタン発酵ガスのメタン濃度が下がり、原燃料の発熱量が低下した場合、この組成変動を改質器の温度調節器の指令値にフィードバックさせることで、原燃料を増やし、改質器から燃料電池に供給される水素量を多くして、燃料電池における水素不足、いわゆるガス欠を防止している。このガス欠が生じると燃料電池セルに電気化学的反応分の水素が供給されず、セルに損傷を与えることになる。

ところが、原燃料流量を調整するこの方法には欠点がある。それは、流量計、原燃料バルブ、原燃料系配管、脱硫装置において原燃料を流せる上限が機械的に決まってしまうため、原燃料の組成変動が大きい場合は、原燃料供給が頭打ちになり、改質器から燃料電池に供給される水素量が少なくなり、燃料電池におけるガス欠が発生する危険性があることである。

また、燃料電池で水素を消費したオフガスは改質器に戻し、燃焼して改質に必要な熱になるが、水素不足でこの熱量が低下すると、改質器の温度が低下し改質反応を維持できなくなる。

これを解決するためには、原燃料機器の容量を増加させ、改質器への供給原燃料を増やす必要があるが、設備コストの増加や装置の大型化を招くおそれがあり、実用上の問題が多い。
特開２０００−９０９５３号公報（第５頁第７欄第２８行以下） 特開２００１−２２９９４１号公報（第３頁第３欄第２０行以下）

この発明は、原燃料組成の変動が原燃料供給系の上限を上回っても、燃料電池発電装置を停止することなく、与えられた条件下で最適な運転ができる制御方法を提供するものである。

上記課題を解決するために、この発明は、バイオガスを主成分とする原燃料を改質して水素成分に富む改質ガスを生成する改質器と、この改質ガスと酸化剤とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池とを備えた燃料電池発電装置において、バイオガスの濃度の変化によって変動する改質器の温度調節器の指令値によって燃料電池の電気出力を制御し、その際、前記改質器の温度調節器の指令値が、下限値を所定時間以上継続したときに、燃料電池電気出力を減少させ、改質器温度指令値が上限値を所定時間以上継続したときに、燃料電池電気出力を増加させることにより、原燃料流量を制御することを特徴とする（請求項１の発明）。

この運転方法によれば、原燃料濃度が低下した際、改質器での改質ガス水素濃度が下がり、改質器に戻る電池オフガス中の水素が減るので、改質器は温度が低下する方向になり、改質器の温度調節器は温度を上げる方向に指令値が動き、原燃料流量を増やしにいく。

そして、原燃料の供給量が上限に到達する前に発電負荷を下げるようにする。かくして、改質器の温度調節器の指令値によって、燃料組成変動を燃料電池電気出力にフィードバックした制御系とすることができる。

燃料電池発電装置の負荷が変動しない定常時においては、外気温の変動により燃焼用空気温度や改質器の放熱量が変化し、改質器の温度変動をもたらすため、これを防ぐように改質器の温度調節器が働かなければならない。

従って、これらの定常時における温度変動要素に影響されることなく原燃料の組成変動による影響を補償するためには、改質器の温度調節器の指令値が、上限値又は下限値を所定時間以上継続したときに、燃料電池電気出力を変更するのがよい。

具体的には、改質器の温度調節器の指令値が、上限、下限値を１〜１０分以上継続したときに、原燃料濃度定数を変更制御することが望ましい（請求項２の発明）。

また、原燃料濃度定数のステップ幅を連続的に変更することで、原燃料流量の変動幅を小さくし安定した制御とすることができる(請求項３の発明)。

この変動幅は例えば１〜５％刻みとすることが目的にかなっている（請求項４の発明）。

また、改質器の温度調節器の制御定数（ＰＩＤ定数）を変化させて、指令値を直接的に燃料電池出力の増減に作用させ、改質器の温度に連動した制御をさせることもできる (請求項５の発明)。

この発明によって、改質器の温度調節器の指令値から燃料電池電気出力を制御するようにしたので、運転中の原燃料組成が原燃料供給限界を上回っても、原燃料流量を含む燃料電池の制御系（蒸気、空気、水）が適正に制御され、燃料電池における水素不足によるセル損傷を防止でき、改質器の適正な温度制御に伴う設備の安定運転が可能な燃料電池発電装置を提供することができる。

本発明の実施例を説明する前に、バイオガスを改質して燃料電池の燃料とする燃料電池発電システムの全体構成の一例を図３にて説明する。

図３は、燃料電池発電システムの酸化剤（空気）と燃料の流れにのみ着目して描いてあるため、たとえば燃料電池３０からは発電反応を行わせるために必要な電解質マトリックス等は省略してある。燃料電池３０の空気極にはブロワを介して酸化剤としての空気３１が供給され、燃料極には原燃料３２が必要な処理を加えたのちに供給される。すなわち、原燃料３２は流量調節弁３３を通して脱硫器３４に送られ、ここで硫黄分を除かれてエゼクタ３５の吸入口に達する。エゼクタ３５の駆動蒸気としては、例えば燃料電池３０の冷却板を通流することにより加熱された冷却水を水蒸気分離器３６にて汽水分離して得られる水蒸気が流量調節弁３７を介して供給され、脱硫された原燃料と水蒸気とがエゼクタ３５において混合された状態で改質器３８に送りこまれる。改質器３８には例えば燃料電池の燃料極から排出される排ガス（オフガス）を燃焼させる炉３９が付属しており、この炉における燃焼熱が、原燃料に含まれるメタン成分と水蒸気との吸熱反応を促進して、原燃料を水素成分に富んだ（いわゆる水素リッチな）燃料ガスに改質させる。この燃料ガスには燃料電池の触媒を被毒させる一酸化炭素が含まれるため、ＣＯ変成器４０にてこれを無害な二酸化炭素に変成してから燃料電池３０に供給する。燃料電池の直流発電電力はたとえばインバータ等を介して交流電力に変換して利用することができる。

図３の燃料電池システムはそれ自体公知のものであり、本発明に直接関係しない機器、たとえばエゼクタなどは同等の他の機器にて代用可能である。

さて、図３に一例を示すような燃料電池システムにおいて、本発明を適用するための二つの実施例を以下に説明する。

図１は、燃料電池の出力をステップ的に増減する場合における本発明の実施例の制御ブロック図であって、ＰＩＤ調節計とすることができる改質器温度調節器１に、改質器温度２と改質器温度設定値３を入力することにより、改質器温度指令値４が出力される。この改質器温度指令値４から、たとえば関数発生器５により改質器温度指令値（横軸）に対する燃料電池電気出力増減値（縦軸）を導き出す。例えば、改質器温度指令値４が１０％以下を一定時間継続した時に燃料電池電気出力を５ＫＷ減少させ、この動作後も１０％以下が一定時間継続した場合には、再度５ＫＷ減少させる。この動作を下限値４０ＫＷまでおこなう。同じように改質器温度指令値４が９０％以上を一定時間継続した時に燃料電池電気出力を５ＫＷ増加させ、この動作後も９０％以上が一定時間継続した場合、再度５ＫＷ増加させる。この動作は燃料電池出力が上限値に到達するまで行う。即ち、関数発生器５で求めた燃料電他出力増減値６を燃料電池出力設定値７に補正値として加えて燃料電池出力指令値８を求める。この燃料電池電力指令値８により燃料電池負荷を増減させ、この結果として原燃料流量９が制御され、改質器温度にフィードバックされる。この燃料電池出力増減処理により、供給される実原燃料の組成が変化するので、仮に電池オフガス中の水素が減り改質器の温度が低下する方向になっても、負荷を減少させて改質器の温度を制御することが可能となる。

図２は、燃料電池の出力を連続的に増減する場合における本発明の実施例の制御ブロック図であって、ＰＩＤ調節計とすることができる改質器温度調節器１１に、改質器温度１２と改質器温度設定値１３を入力することにより、改質器温度指令値１４が出力される。この改質器温度指令値１４から関数発生器１５にて燃料電池電気出力増減値１６を導き出す。以下は図１の実施例と同様に燃料電他出力増減値１６を燃料電池出力設定値１７に補正値として加えて燃料電池出力指令値１８を求める。この燃料電池電力指令値１８により燃料電池負荷を増減させ、この結果として原燃料流量１９が制御され、改質器温度にフィードバックされる。この燃料電池出力増減処理により、供給される実原燃料の組成が変化するので、仮に電池オフガス中の水素が減り改質器の温度が低下する方向になっても、負荷を減少させて改質器の温度を制御することが可能となる。

このように、本発明によれば、改質器の温度調節器の出力である温度指令値に着目して原燃料の流量ではなく燃料電池の電気出力の制御を行うようにしたので、室温の変化その他改質器への外乱も加味した制御を行うことが可能となる。

本発明の実施例の制御ブロック図 本発明の他の実施例の制御ブロック図 本発明の実施の対象例としての燃料電池発電システムの構成図

符号の説明

１，１１ 改質器温度調節器
２，１２ 改質器温度
３，１３ 改質器温度設定値
４，１４ 改質器温度指令値
５，１５ 関数発生器
６，１６ 燃料電池出力増減値
７，１７ 燃料電池出力設定値
８，１８ 燃料電池出力指令値
９，１９ 原燃料流量

Claims (5)

1. バイオガスを主成分とする原燃料を改質して水素成分に富む改質ガスを生成する改質器と、この改質ガスと酸化剤とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池とを備えた燃料電池発電装置において、バイオガスの濃度の変化によって変動する改質器の温度調節器の指令値によって燃料電池の電気出力を制御し、その際、前記改質器の温度調節器の指令値が、下限値を所定時間以上継続したときに、燃料電池電気出力を減少させ、改質器温度指令値が上限値を所定時間以上継続したときに、燃料電池電気出力を増加させることを特徴とする燃料電池発電装置の運転制御方法。
2. 改質器の温度調節器の指令値が、下限値又は上限値を１〜１０分以上継続したときに、燃料電池電気出力を減少又は増加させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置の運転制御方法。
3. 燃料電池電気出力変動幅を連続的に減少又は増加させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置の運転制御方法。
4. 燃料電池電気出力変動幅を、１〜５％刻みで連続的に減少又は増加させることを特徴とする請求項３記載の燃料電池発電装置の運転制御方法。
5. 改質器の温度調節器の制御定数（ＰＩＤ定数）を変化させて、指令値を直接的に燃料電池出力の増減に作用させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置の運転制御方法。

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