JPH0432162A - 燃料電池発電システムの運転制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、燃料電池発電システムの運転制御方法、特に
電力消費系の負荷変動に対して良好に追従し得る燃料電
池発電システムの運転制御方法に関するものである。

（従来の技術） 燃料電池発電システムは、電解質の両側に陰極用電極及
び陽極用電極を配置し、各電極に燃料及び酸化剤をそれ
ぞれ連続的に供給し、燃料の酸化エネルギーを直接電気
エネルギーに変換する発電システムであり、発電効率が
高く環境保全性が良好なためその開発が強く要請されて
いる。

水素を燃料とする燃料電池発電システムにおいては、水
素製造原料としてのナフサ等の炭化水素類、スチーム、
加熱用燃料としてのナフサ及び空気を改質炉にそれぞれ
供給し、水蒸気改質により水素ガスを生成している。そ
して、生成した水素ガス及び酸化剤としての空気を燃料
電池にそれぞれ供給し、水素と酸化剤とを反応させて電
気を発生させている。この燃料電池発電システムでは、
電力消費系の負荷変動に応じて発電量を追従制御する必
要があり、従来の制御方式においては、燃料電池の出力
側に接続した電流計により負荷側の消費電力を検出し、
検出した消費電力に基づいて改質炉に供給される各燃料
ガス製造原料の供給量を制御すると共に、改質炉から燃
料電池に燃料ガスを供給する導管及び燃料電池から改質
炉に未反応水素ガスを戻す導管にそれぞれ圧力制御器を
設け、改質炉の反応圧及び燃料電池内の水素圧を一定に
維持するように構成した制御方式が採用されている。

（発明が解決しようとする課題） 従来の上記の制御方式では、改質炉の入口側すなわち燃
料ガス製造原料を供給する側を、検出した消費電力に基
づく駆動信号により直接制御しているため、負荷変動の
小さい安定な動作時においては負荷変動に対して良好に
追従することができた。

しかしながら、改質炉から燃料電池に燃料ガスを供給す
る導管内の圧力を制御する圧力制御器により燃料電池の
入力側を制御しているため、大きな負荷変動が生じた場
合燃料電池への燃料ガスの供給が負荷変動に対して良好
に追従できず、この結果負荷変動に対して燃料電池の発
電量が追従できず所望の発電量に達するまでに長時間か
かるという欠点があった。

従って、本発明の目的は上述した欠点を解消し、大きな
負荷変動が生じても燃料電池への燃料ガスの供給量を良
好に追従させることができ、短時間で所望の発電量が得
られる燃料電池発電システムの運転制御方法を提供する
ものである。

（課題を解決する手段） 本発明による燃料電池発電システムの運転制御方法は、
改質器に炭化水素類を含む燃料ガス製造原料を供給し、
炭化水素類を改質して燃料ガスを生成し、生成した燃料
ガス及び酸化剤を燃料電池に供給して電気を発生させ、
燃料電池から出力される電気量を検出して発電システム
の運転を制御するに当たり、前記燃料電池の出力側に消
費電力を検出する手段を接続し、検出した消費電力に基
づいて燃料電池に供給する燃料ガス量を制御する制御信
号を発生させ、この制御信号により燃料電池への燃料ガ
ス供給量を直接的に制御することを特徴とする。

（作　用） 前述したように、従来の運転制御方法では、電力消費系
の消費電力を検出し、検出した消費電力に基づいて改質
炉に供給する燃料ガス製造原料の供給量を制御し、これ
により燃料電池への燃料ガス供給量が改質炉を介して間
接的に制御されていた。しかしながら、この従来方式で
は燃料電池への燃料ガス供給量が間接的に制御されるた
め、負荷変動に対して良好に追従することができない。

このため、本発明では、検出した消費電力に基づいて改
質炉への原料供給量を制御すると共に、検出した消費電
力から、燃料電池に供給すべき燃料ガス供給量を制御す
る制御信号を形成し、この制御信号に基づいて燃料電池
への燃料ガス供給量を直接制御する。このように、燃料
ガス供給量を直接制御することにより、大きな負荷変動
が生じても燃料ガス供給量が直ちに制御され、負荷変動
に対する追従性を一層改善することができる。この場合
、改質炉内の反応圧は若干変動するが、改質反応自体に
大きな影響を与えず改質効率が低下するような不都合は
生じない。

（実施例） 第１図は本発明による燃料電池発電システムの一例の構
成を示す系統図である。水蒸気改質を行う改質炉１にナ
フサ供給導管２及びスチーム供給導管３を接続し、水素
製造原料ナフサ及びスチームをそれぞれ供給する。水蒸
気改質反応は吸熱反応であるから、改質炉ｌを所定の温
度に維持するために加熱用燃料としてのナフサ及び空気
をそれぞれ供給するための供給導管４及び５もそれぞれ
接続する。水蒸気改質によって生成した水素ガスを導管
６を経て燃料ガスとして燃料電池７に供給する。尚、生
成した水素ガスは、必要に応じてシフトコンバータ（図
示せず）を介して水素ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素
に変換した後燃料電池７に供給することもできる。燃料
電池７には、さらに供給導管８を介して酸化剤としての
空気を供給する。燃料電池７において、供給した水素ガ
スと空気中の酸素とを電解質を介して酸化反応させ、発
生した電気を直流電流として取り出す。そして、この直
流電流を給電線９を経てインバータ回路１０に供給し、
交流電流に変換して電力消費系１１に供給する。尚、燃
料電池７において、未反応の水素ガスは導管１２を経て
改質炉ｌに戻し再使用に供される。本発明では、燃料電
池７における発電量を電力消費系１１における負荷変動
に追従させるため、燃料電池の出力側に電力検出手段と
して電流計１３を接続し、この電流計の検出値に基づい
て負荷側の消費電力を検出する。電流計１３からの出力
信号を信号処理装置１４に供給する。信号処理装置１４
は水素製造原料ナフサの供給量を制御する駆動信号を発
生する第１の関数発生器１４−１、スチーム供給量を制
御する駆動信号を発生する第２の関数発生器１４−２．
燃料用ナフサ供給量を制御する駆動信号を発生する第３
の関数発生器１４−３．及び燃焼用空気供給量を制御す
る駆動信号を発生する第４の関数発生器１４−４を有し
ている。これら関数発生器１４−１〜１４−４は、電力
消費系１１における消費電力が大きくなるに従ってナフ
サ、スチーム等の改質炉ｌへの各供給量を増大させるよ
うに制御する駆動信号を発生する。第１の関数発生器１
４−１を、ナフサ供給導管２のバイパス導管１５に設け
たバルブ１６を駆動する第１圧力制御器１７に接続し、
検出した消費電力に応じてバルブ１６の開度を制御して
改質炉１への水素製造原料用ナフサの供給量を制御する
。

第２関数発生器１４−２から出力されるスチーム量制御
信号は、ナフサ供給導管２の流量を検出する流量計１８
からの出力信号をスチーム／カーボン比設定器１９によ
り対応するスチーム量の制御信号に変換された信号と共
に高信号選択器（Ｈ５Ｓ）２０に入力する。この高信号
選択器２０は、スチーム／カーボン比設定器１９からの
出力信号と第２関数発生器１４−２からの出力信号とを
比較し、高い方の信号を選択して出力する。従って、消
費電力が所定の定常値よりもより大きくなると、第２関
数発生器１４−２からの出力信号が選択され、選択され
た信号がスチーム供給導管３に設けたバルブ２１の開度
を制御する流量制御器２２に供給され、スチーム供給量
が増大するように制御される。さらに、第３関数発生器
１４−３からの出力信号は、燃料用ナフサ供給導管４の
バイパス導管２３に設けたバルブ２４の開度を制御する
圧力制御器２５に供給され、燃料用ナフサの供給量を制
御する。さらに、燃焼用空気量を制御する第４関数発生
器１４−４からの出力信号を高信号選択器２６に供給す
る。一方、燃料用ナフサ供給導管４の流量を検出する流
量計２７からの出力信号と燃料電池７から未反応水素ガ
スを戻す流路を形成する導管１２の流量を検出する流量
計２８からの出力信号とを加算器２９に供給し、この加
算値を空燃比設定器３０に供給して対応する空気量の制
御信号に変換し、この制御信号を高信号選択器２６の他
方の入力部に供給する。そして、消費電力が増大した場
合、高信号選択器２６において第４関数発生器１４−４
からの駆動信号が選択され、選択した駆動信号を流量制
御器３１に供給し、バルブ３２を介して空気供給量が増
大するように制御する。燃料電池７から未反応水素ガス
を改質炉１に戻すための導管１２に圧力制御器３３及び
バルブ３４を設け、圧力制御器３３によって導管１２内
の圧力を検出する。そして、検出した圧力に基づいてバ
ルブ３４の開度を制御することにより導管１２内の圧力
が一定に維持されるように制御する。従って、燃料電池
７の出力側の圧力を一定値に維持することにより、燃料
電池内の水素圧も一定に維持されることになる。このよ
うに構成すれば、電力消費系の消費電力が増大するに従
って改質炉１に供給すべき各原料の供給量を増大させる
ことができる。

さらに、本発明では電流計１３からの出力信号を第５の
関数発生器３５にも供給する。この第５の関数発生器３
５は、検出した電流値に基づき燃料電池７に供給すべき
燃料ガス量を制御する駆動信号を発生する。第５関数発
生器３５からの駆動信号を高信号選択器３６の一方の入
力部に供給し、この高信号選択器の他方の入力部には、
改質炉１から燃料電池に燃料ガスを供給する導管６に設
けた圧力制御器３７からの出力信号を供給する。この圧
力制御器３７は、改質炉１の出力側における反応圧及び
燃料電池７の入口側の水素圧を検出してバルブ３８の開
度を調整制御する駆動信号を発生して高信号選択器３６
に出力する。高信号選択器３６は関数発生器３５からの
駆動信号と圧力制御器３７からの駆動信号とを比較して
大きい方の信号を選択し、選択した駆動信号に基づいて
バルブ３８の開度を制御する。

従って、電力消費系の消費電力が所定の定常値よりも小
さい場合、圧力制御器３７からの駆動信号が選択され、
燃料電池への燃料ガス供給量が減少されると共に改質炉
の出口側圧力及び燃料電池７の入口側水素圧が一定にな
るように維持される。−力消費電力が定常値よりも大き
くなるように変動した場合第５関数発生器３５からの駆
動信号が選択され、この駆動信号により負荷変動に応じ
てバルブ３８か強制的に制御され、燃料電池への燃料ガ
ス供給量が直ちに増大される。このように、燃料電池へ
の燃料ガス供給量を直接的に制御することにより、消費
電力の変動に対して素早く追従することができる。

次に、実験結果について説明する。第１図に示す本発明
による運転制御方法と第１図の第５関数発生器３５及び
高信号選択器３６の制御ルートのない従来の運転制御方
法とを同一の運転条件で稼働させ、発電量を５１ｋｗか
ら７７ｋｗまで増大させた場合の発電量の時間変化及び
改質炉内の反応圧の時間変化を測定した。実験条件は以
下の通りである。改質炉として二重管式、低圧型で、水
素製造能力１０１００Ｎ／ｈｒのものを用いた。改質触
媒としてアルミナにニッケルを担持した触媒を用いた。

炭化水素類は脱硫ナフサを用いた。一方、燃料電池は空
冷式リン酸電解質型で、最大出力は交流端でｌｏＯｋｗ
、発電効率３５％のものを用いた。改質反応条件は、入
口側反応温度４５０℃、出口側温度８００℃、反応圧力
２．３ｋｇ／ｃｍ２Ｇ、　ＬＨ３Ｖは２．０ｈｒ−’、
スチーム／カーボンモル比３．５にそれぞれ設定した。

第２図は従来の運転制御方法による実験結果を示し、第
３図は本発明による運転制御方法の結果を示す。第２図
及び第３図において、実線は発電量を示し破線は改質炉
内の反応圧を示す。第２図に示すように、従来の運転制
御方法では発電量は制御開始後ゆるやかに直線的に増加
し、発電量が５１ｋｗから７７ｋｗまで増加するのに３
．４分を必要とした。これに対して、本発明による運転
制御方法によれば、制御開始後直ちに追従を開始し、５
秒以内で７７ｋｗ以上に増加した。この実験結果から明
らかなように、消費電力に基づいて燃料電池への燃料ガ
ス供給量を直接制御することにより、電力消費系で大き
な負荷変動が生じても速やかに追従制御し得ることが実
証された。

本発明は上述した実施例だけに限定されず種々の変形や
変更が可能である。例えば、改質炉は炭化水素類を改質
するものであれば広く適用でき、また炭化水素類として
は、ナフサ以外にもメタン、エタン、プロパン、ブタン
等の軽質炭化水素類、灯油、軽油、重質油等の石油留分
、残渣油及びメタノール等のアルコール類をも広く含む
ものである。さらに、改質触媒も特に制限されるもので
はない。

さらに、燃料電池も特に限定されず、水素又は水素を主
成分とする燃料電池であれば、固体有機電解質型、アル
カリ電解質型、リン酸電解質型、溶融炭酸塩電解質型、
高温固体電解質型等、いずれの型式の燃料電池にも適用
できる。

さらに、消費電力を検出す手段として電流計を用いたが
、電流計及び電力計を用いて消費電力を求めることもで
きる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明では負荷変動に応じて燃料
電池に供給する燃料ガス供給量を直接的に制御すると共
に、改質炉に供給する炭化水素類、スチーム及び燃料を
変化させる制御方式としたため、電力の消費装置の負荷
変動に対する追従性を高め、消費電力の変化にすばやく
追従して、短時間のうちに所定の発電量に達することが
できるという格別の効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の制御方式の具体的な例を説明するた
めの一実施態様を示した系統図、第２図は従来の制御方
式による追従性を示すグラフ、 第３図は、本発明の制御方式における追従性の効果を示
すグラフである。 １・・・改質炉　　　　　　６・・・導管７・・・燃料
電池　　　　　１３・・・電流計１４・・・信号処理装
置 １４−１〜１４−５・・・関数発生器 ３６・・・高信号選択器 ３７・・・圧力制御器 第２図 第３図 ｌ−１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、改質器に炭化水素類を含む燃料ガス製造原料を供給
   し、炭化水素類を改質して燃料ガスを生成し、生成した
   燃料ガス及び酸化剤を燃料電池に供給して電気を発生さ
   せ、燃料電池から出力される電気量を検出して発電シス
   テムの運転を制御するに当たり、 前記燃料電池の出力側に消費電力を検出す る手段を接続し、検出した消費電力に基づいて燃料電池
   に供給する燃料ガス量を制御する制御信号を発生させ、
   この制御信号により燃料電池への燃料ガス供給量を直接
   的に制御することを特徴とする燃料電池発電システムの
   運転制御方法。 ２、前記検出した消費電力が所定の消費電力以下の場合
   、改質炉の出口側の圧力に基づいて燃料電池への燃料ガ
   ス供給量を制御し、検出した消費電力が所定の消費電力
   を超えた場合、前記制御信号に基づいて燃料電池への燃
   料ガス供給量を制御することを特徴とする請求項１に記
   載の燃料電池発電システムの運転制御方法。