JPH0789493B2 - 燃料電池発電プラントの燃料システム制御装置 - Google Patents
燃料電池発電プラントの燃料システム制御装置Info
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- JPH0789493B2 JPH0789493B2 JP61027401A JP2740186A JPH0789493B2 JP H0789493 B2 JPH0789493 B2 JP H0789493B2 JP 61027401 A JP61027401 A JP 61027401A JP 2740186 A JP2740186 A JP 2740186A JP H0789493 B2 JPH0789493 B2 JP H0789493B2
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- energy
- flow rate
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
- H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
- H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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Description
【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は，燃料電池（以下,FCと称す。）発電プラント
の燃料システム制御装置に係り，特に，燃料改質装置
（リフォーマ）で炭化水素を主成分とする原燃料に水を
反応させて水素を主成分とする燃料ガスに改質し，この
燃料ガスを燃料電池に還元剤として供給するとともに上
記燃料電池より排出された燃料排ガスをリフォーマでの
改質に必要な熱源として燃焼させるようにした燃料シス
テムにおいて，リフォーマ温度を常に安定に保持できる
ようにした制御装置に関する。
の燃料システム制御装置に係り，特に，燃料改質装置
（リフォーマ）で炭化水素を主成分とする原燃料に水を
反応させて水素を主成分とする燃料ガスに改質し，この
燃料ガスを燃料電池に還元剤として供給するとともに上
記燃料電池より排出された燃料排ガスをリフォーマでの
改質に必要な熱源として燃焼させるようにした燃料シス
テムにおいて，リフォーマ温度を常に安定に保持できる
ようにした制御装置に関する。
周知のように,FC発電プラントは，電力を発生するパワ
ーセクションと，水素リッチな燃料ガスを製造してFCに
供給する燃料システムと，空気を加圧してFCに供給する
空気システムと,FCの温度を制御する熱管理システムと
で構成される。
ーセクションと，水素リッチな燃料ガスを製造してFCに
供給する燃料システムと，空気を加圧してFCに供給する
空気システムと,FCの温度を制御する熱管理システムと
で構成される。
ところで,FC発電プラントの燃料システムは，通常，第
７図に示すように，炭化水素を主成分とする原燃料ガス
に水蒸気を加えて水素リッチな燃料ガスに変えるリフォ
ーマ１と，このリフォーマ１で生成された一酸化炭素に
水蒸気を加えて水素を生成するシフトコンバータ２とで
構成されている。そして，炭化水素を水素に変えるリフ
ォーミング反応が吸熱反応であることから，通常，流調
弁３を介してFC4を通過した後の燃料ガス（以下,FC燃料
排ガスと称す。）をリフォーマバーナ５へ導き，このFC
燃料排ガス中の水素を燃焼させることによってリフォー
マ１での反応に必要な熱量を得るようにしている。ま
た，リフォーマ１の温度制御は，流調弁３を調節するこ
とによって行なっている。
７図に示すように，炭化水素を主成分とする原燃料ガス
に水蒸気を加えて水素リッチな燃料ガスに変えるリフォ
ーマ１と，このリフォーマ１で生成された一酸化炭素に
水蒸気を加えて水素を生成するシフトコンバータ２とで
構成されている。そして，炭化水素を水素に変えるリフ
ォーミング反応が吸熱反応であることから，通常，流調
弁３を介してFC4を通過した後の燃料ガス（以下,FC燃料
排ガスと称す。）をリフォーマバーナ５へ導き，このFC
燃料排ガス中の水素を燃焼させることによってリフォー
マ１での反応に必要な熱量を得るようにしている。ま
た，リフォーマ１の温度制御は，流調弁３を調節するこ
とによって行なっている。
しかしながら，上記のように構成された従来の燃料シス
テムにあっては次のような問題があった。すなわち，流
調弁３を操作した後，リフォーマ１の温度が安定するま
でに要する時間が長く，しかも同じ燃料ガス流量であっ
てもFC燃料排ガス中の水素濃度や残留炭化水素濃度によ
って燃焼エネルギが大きく異なるためリフォーマ１の温
度を一定に保つための制御が非常に困難であった。一例
として,FC4の負荷電流を変えた場合には，第８図よび第
９図に示すように，リフォーマ反応管温度が大きく振動
し，これを整定させることは容易ではない。このような
振動は，リフォーマ反応管に不必要な熱疲労を与え寿命
を短くするばかりか，リフォーミング反応率を不安定に
してFC4への燃料ガスの供給を阻害し，速い負荷応答を
困難にしていた。
テムにあっては次のような問題があった。すなわち，流
調弁３を操作した後，リフォーマ１の温度が安定するま
でに要する時間が長く，しかも同じ燃料ガス流量であっ
てもFC燃料排ガス中の水素濃度や残留炭化水素濃度によ
って燃焼エネルギが大きく異なるためリフォーマ１の温
度を一定に保つための制御が非常に困難であった。一例
として,FC4の負荷電流を変えた場合には，第８図よび第
９図に示すように，リフォーマ反応管温度が大きく振動
し，これを整定させることは容易ではない。このような
振動は，リフォーマ反応管に不必要な熱疲労を与え寿命
を短くするばかりか，リフォーミング反応率を不安定に
してFC4への燃料ガスの供給を阻害し，速い負荷応答を
困難にしていた。
本発明は，このような事情に鑑みてなされたもので，そ
の目的とするところは，リフォーマ反応管温度を常に一
定に保持しつつ燃料ガス流量を速やかに目標値に追従さ
せることができる燃料電池発電プラントの燃料システム
制御装置を提供することにある。
の目的とするところは，リフォーマ反応管温度を常に一
定に保持しつつ燃料ガス流量を速やかに目標値に追従さ
せることができる燃料電池発電プラントの燃料システム
制御装置を提供することにある。
本発明に係る制御装置は，リフォーマで炭化水素を主成
分とする原燃料に水を反応させて水素を主成分とする燃
料ガスに改質し，この燃料ガスを燃料電池に還元剤とし
て供給するとともに上記燃料電池より排出された燃料排
ガスを上記リフォーマでの改質に必要な熱源として燃焼
させるようにした燃料電池発電プラントの燃料システム
を制御対象にしている。そして，このようなシステムを
制御するために，本発明に係る制御装置は，燃料電池よ
り排出された燃料排ガスをリフォーマで燃焼させるリフ
ォーマ主バーナと，燃料供給源に接続されたリフォーマ
補助バーナと，リフォーマ反応管の目標温度と現実の温
度との差から上記リフォーマ反応管の温度を上記目標温
度に保つための補正エネルギを算出する手段と，前記リ
フォーマ反応管の温度から前記リフォーマの改質率を求
める手段と，この手段で求められた改質率および前記燃
料電池の負荷電流および上記燃料電池へ供給される燃料
ガスの流量から前記リフォーマ主バーナに供給される前
記燃料排ガスの燃焼エネルギを算出する手段と，前記リ
フォーマへ流れ込む前記原燃料の流量および上記リフォ
ーマから排出される燃焼排ガス流量およびその温度およ
び前記改質率から上記リフォーマにおける消費エネルギ
を算出する手段と，前記燃焼エネルギと前記消費エネル
ギとの差から前記リフォーマにおける収支エネルギを求
める手段と，前記補正エネルギと前記収支エネルギとの
差に対応させて前記リフォーマ補助バーナへの燃料供給
量を制御する手段とを設けている。
分とする原燃料に水を反応させて水素を主成分とする燃
料ガスに改質し，この燃料ガスを燃料電池に還元剤とし
て供給するとともに上記燃料電池より排出された燃料排
ガスを上記リフォーマでの改質に必要な熱源として燃焼
させるようにした燃料電池発電プラントの燃料システム
を制御対象にしている。そして，このようなシステムを
制御するために，本発明に係る制御装置は，燃料電池よ
り排出された燃料排ガスをリフォーマで燃焼させるリフ
ォーマ主バーナと，燃料供給源に接続されたリフォーマ
補助バーナと，リフォーマ反応管の目標温度と現実の温
度との差から上記リフォーマ反応管の温度を上記目標温
度に保つための補正エネルギを算出する手段と，前記リ
フォーマ反応管の温度から前記リフォーマの改質率を求
める手段と，この手段で求められた改質率および前記燃
料電池の負荷電流および上記燃料電池へ供給される燃料
ガスの流量から前記リフォーマ主バーナに供給される前
記燃料排ガスの燃焼エネルギを算出する手段と，前記リ
フォーマへ流れ込む前記原燃料の流量および上記リフォ
ーマから排出される燃焼排ガス流量およびその温度およ
び前記改質率から上記リフォーマにおける消費エネルギ
を算出する手段と，前記燃焼エネルギと前記消費エネル
ギとの差から前記リフォーマにおける収支エネルギを求
める手段と，前記補正エネルギと前記収支エネルギとの
差に対応させて前記リフォーマ補助バーナへの燃料供給
量を制御する手段とを設けている。
上記構成であると，常時，リフォーマの熱バランスを計
算し，これに対応させてリフォーマ補助バーナへの燃料
供給量を制御しているので,FC燃料排ガスの成分変化の
影響を受けずに安定なリフォーマ温度制御が可能とな
り，リフォーマの温度制御を著しく容易化できる。ま
た，リフォーマ温度の制御端としてリフォーマ燃焼室に
リフォーマ補助バーナを設けるようにしているので，従
来のようにFCの上流側に設けた弁で制御するものとは違
って，操作端を動作させてから温度に変化が現われるま
での時間を短くできる。このため，速い追従性と高い外
乱抑制性とを実現できる。
算し，これに対応させてリフォーマ補助バーナへの燃料
供給量を制御しているので,FC燃料排ガスの成分変化の
影響を受けずに安定なリフォーマ温度制御が可能とな
り，リフォーマの温度制御を著しく容易化できる。ま
た，リフォーマ温度の制御端としてリフォーマ燃焼室に
リフォーマ補助バーナを設けるようにしているので，従
来のようにFCの上流側に設けた弁で制御するものとは違
って，操作端を動作させてから温度に変化が現われるま
での時間を短くできる。このため，速い追従性と高い外
乱抑制性とを実現できる。
以下，本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。
第１図は，本発明の一実施例に係る制御装置を組み込ん
だ燃料電池発電プラントの主要部を示している。
だ燃料電池発電プラントの主要部を示している。
すなわち，図中11は炭化水素を主成分とする原燃料の供
給端を示し,12は水蒸気の供給端を示している。各供給
端11,12に供給された原燃料および水蒸気は，配管13,14
によって導かれ合流された後，リフォーマ15のリフォー
マ反応管16へと導かれ，水素を主成分とする燃料ガスに
改質される。リフォーマ反応管16から送り出された燃料
ガスは，図示しないシフトコンバータおよび流調弁17を
介してFC18へ還元剤として送り込まれる。そして,FC18
から排出された燃料排ガスは配管19を介してリフォーマ
主バーナ20へと供給される。一方，供給端11に供給され
た原燃料の一部は，配管21,流調弁22を介してリフォー
マ補助バーナ23へと供給される。
給端を示し,12は水蒸気の供給端を示している。各供給
端11,12に供給された原燃料および水蒸気は，配管13,14
によって導かれ合流された後，リフォーマ15のリフォー
マ反応管16へと導かれ，水素を主成分とする燃料ガスに
改質される。リフォーマ反応管16から送り出された燃料
ガスは，図示しないシフトコンバータおよび流調弁17を
介してFC18へ還元剤として送り込まれる。そして,FC18
から排出された燃料排ガスは配管19を介してリフォーマ
主バーナ20へと供給される。一方，供給端11に供給され
た原燃料の一部は，配管21,流調弁22を介してリフォー
マ補助バーナ23へと供給される。
図中24はFC18に供給される燃料ガスの流量を測定するす
るための流量計を示し,25はリフォーマ反応管16へと流
れ込む原燃料の流量を測定するための流量計を示し,26
はリフォーマ15の燃焼排ガス流量を測定するするための
流量計を示し,27はリフォーマ補助バーナ23へ供給され
る原燃料の流量を測定するための流量計を示し,28はリ
フォーマ反応管16の温度を測定するための温度計を示
し,29は燃焼排ガスの温度を測定するための温度計を示
している。また，図中30は負荷要求指令LPに対し，これ
に対応した燃料流量を算出し，第２図に示すように燃料
流量信号を出力する燃料流量演算器を示し，この演算器
30の出力はコントローラ31へ与えられる。コントローラ
31は，演算器30の出力と流量計24で得られた流量信号F1
とを比較し，流量信号F1が演算器30の出力に一致するよ
うに流調弁17の開度を制御するように構成されている。
また、図中32はコントローラを示し，このコントローラ
32は流量計27で得られた流量信号F4と後述する補助バー
ナ出力演算器33の出力Ｍとを比較し，流量信号F4が出力
Ｍに一致するように流調弁22の開度を制御するよに構成
されている。
るための流量計を示し,25はリフォーマ反応管16へと流
れ込む原燃料の流量を測定するための流量計を示し,26
はリフォーマ15の燃焼排ガス流量を測定するするための
流量計を示し,27はリフォーマ補助バーナ23へ供給され
る原燃料の流量を測定するための流量計を示し,28はリ
フォーマ反応管16の温度を測定するための温度計を示
し,29は燃焼排ガスの温度を測定するための温度計を示
している。また，図中30は負荷要求指令LPに対し，これ
に対応した燃料流量を算出し，第２図に示すように燃料
流量信号を出力する燃料流量演算器を示し，この演算器
30の出力はコントローラ31へ与えられる。コントローラ
31は，演算器30の出力と流量計24で得られた流量信号F1
とを比較し，流量信号F1が演算器30の出力に一致するよ
うに流調弁17の開度を制御するように構成されている。
また、図中32はコントローラを示し，このコントローラ
32は流量計27で得られた流量信号F4と後述する補助バー
ナ出力演算器33の出力Ｍとを比較し，流量信号F4が出力
Ｍに一致するように流調弁22の開度を制御するよに構成
されている。
しかして，流量計24,25,26で得られた流量信号F1,F2,F3
と温度計28,29で得られた温度信号T1,T2とは補助バーナ
出力演算器33に導入されている。この補助バーナ出力演
算器33は，リフォーマ15の熱収支を計算し，収支の過不
足を加味してリフォーマ補助バーナ23への燃料供給量を
制御するためのものであり，具体的には第３図に示すよ
うに構成されている。すなわち，この演算器33の主要部
は大きく分けて，補正エネルギ演算器34と，熱収支演算
器35と，リフォーマ主バーナ20の出力を推定するバーナ
出力演算器36と，改質率演算器37と，割算器38とで構成
されている。
と温度計28,29で得られた温度信号T1,T2とは補助バーナ
出力演算器33に導入されている。この補助バーナ出力演
算器33は，リフォーマ15の熱収支を計算し，収支の過不
足を加味してリフォーマ補助バーナ23への燃料供給量を
制御するためのものであり，具体的には第３図に示すよ
うに構成されている。すなわち，この演算器33の主要部
は大きく分けて，補正エネルギ演算器34と，熱収支演算
器35と，リフォーマ主バーナ20の出力を推定するバーナ
出力演算器36と，改質率演算器37と，割算器38とで構成
されている。
補正エネルギ演算器34は，減算器39を介して，リフォー
マ反応管16の目標温度信号RTTと温度計28で得られた実
際の温度信号T1との差信号を導入してPI演算を行ない，
リフォーマ反応管16を上記目標温度に維持するための補
正エネルギを演算するためのものである。そして，この
補正エネルギ演算器34で演出された補正エネルギ信号Ｇ
は減算器40の一方の入力端に導入される。
マ反応管16の目標温度信号RTTと温度計28で得られた実
際の温度信号T1との差信号を導入してPI演算を行ない，
リフォーマ反応管16を上記目標温度に維持するための補
正エネルギを演算するためのものである。そして，この
補正エネルギ演算器34で演出された補正エネルギ信号Ｇ
は減算器40の一方の入力端に導入される。
改質率演算器37は，リフォーマ15およびシフトコンバー
タで進む，次の（１）式で示す反応の進行割合いをリフ
ォーマ反応管16の温度，つまり温度計28から得られた温
度信号T1から推定するためのものである。
タで進む，次の（１）式で示す反応の進行割合いをリフ
ォーマ反応管16の温度，つまり温度計28から得られた温
度信号T1から推定するためのものである。
CH4＋2H2O→4H2＋CO2 …（１） この反応の進行割合い，つまり改質率は，実際には温度
の他，圧力や原燃料（上式はメタンの場合）の流量によ
り異なるが,FC発電プラントでは温度以外はほとんど一
定条件と考えてよく，第４図に示すように温度が高いほ
ど改質率が１に近付く。したがって，この実施例では温
度信号T1に基づいて改質率を演算させるようにしてい
る。
の他，圧力や原燃料（上式はメタンの場合）の流量によ
り異なるが,FC発電プラントでは温度以外はほとんど一
定条件と考えてよく，第４図に示すように温度が高いほ
ど改質率が１に近付く。したがって，この実施例では温
度信号T1に基づいて改質率を演算させるようにしてい
る。
バーナ出力演算器36は，改質率演算器37で算出された改
質率ｘを用いてリフォーマ主バーナ20での燃焼エネルギ
を推定するためのものである。すなわち，この演算器36
は，流量計24の流量信号F1と，改質率ｘと，負荷電流信
号Loadとを導入し，次の（２）式と（３）式とを用いて
リフォーマ主バーナ20に流れ込むFC燃料排ガス流量FEX
と，そのエネルギ密度EEXとを求め，これから燃焼エネ
ルギを算出している。
質率ｘを用いてリフォーマ主バーナ20での燃焼エネルギ
を推定するためのものである。すなわち，この演算器36
は，流量計24の流量信号F1と，改質率ｘと，負荷電流信
号Loadとを導入し，次の（２）式と（３）式とを用いて
リフォーマ主バーナ20に流れ込むFC燃料排ガス流量FEX
と，そのエネルギ密度EEXとを求め，これから燃焼エネ
ルギを算出している。
FEX＝Fand−k1×Load …（２） EEX＝k2（Ａ・k3・Fand−k4・EH2・Load）/FEX…（３）
但し， FEX;FC燃料排ガス流量（kgmol/hr） EEX;FC燃料排ガス単位体積当りの燃焼エネルギ（kcal/k
gmol） Fand;流量計24で検出された燃料ガス流量（kgmol/hr） Load;FC負荷電流（Ａ） A;C/D C;（１−ｘ）ECH4＋4xEH2 D;1＋4x ECH4;CH4の燃焼エネルギ（＝221.8kcal/mol,1atm25℃） EH2;H2の燃焼エネルギ（＝57.8kcal/mol,1atm25℃） x;改質率 k1〜k4;定数 このようにして,FEXとEEXとの積によって求められた燃
焼エネルギ信号Ｅは熱収支演算器35へ導入される。
但し， FEX;FC燃料排ガス流量（kgmol/hr） EEX;FC燃料排ガス単位体積当りの燃焼エネルギ（kcal/k
gmol） Fand;流量計24で検出された燃料ガス流量（kgmol/hr） Load;FC負荷電流（Ａ） A;C/D C;（１−ｘ）ECH4＋4xEH2 D;1＋4x ECH4;CH4の燃焼エネルギ（＝221.8kcal/mol,1atm25℃） EH2;H2の燃焼エネルギ（＝57.8kcal/mol,1atm25℃） x;改質率 k1〜k4;定数 このようにして,FEXとEEXとの積によって求められた燃
焼エネルギ信号Ｅは熱収支演算器35へ導入される。
熱収支演算器35は，燃焼エネルギ信号Ｅと，原燃料流量
信号F2と，排気ガス流量信号F3と，排気ガス温度信号T2
と，改質率ｘとを導入し，次に示す（４）式〜（７）式
を用いてリフォーマ15における熱収支を計算するための
ものである。
信号F2と，排気ガス流量信号F3と，排気ガス温度信号T2
と，改質率ｘとを導入し，次に示す（４）式〜（７）式
を用いてリフォーマ15における熱収支を計算するための
ものである。
Qb＝QF−QEX−QRF …（４） QF＝FEX・EEX …（５） QEX＝k5・F0・T5 …（６） QRF＝ERF・FI・ｘ …（７） 但し， Qb;熱収支（kcal/hr） QF;リフォーマ主バーナ出力（kcal/hr） QEX;排気ガス除熱量（kcal/hr） QRF;改質ガス吸熱量（kcal/hr） F0;排気ガス流量（kgmol/hr） T0;排気ガス温度（℃） ERF;リフォーミング反応による吸熱量（kcal/.kgmol） FI;原燃料供給量（kgmol/hr） k5;定数（kcal/kgmol・℃） このようにして，熱収支演算器35で求められた熱収支信
号Ｈは減算器40の他方の入力端に導入される。そして，
上記減算器40の出力は割算器38に導入される。この割算
器38は，減算器40の出力信号Ｙをあらかじめ判明してい
る原燃料の単位流量あたありの燃料エネルギＪで除した
信号Ｍを出力する。そしてこの信号Ｍが，コントローラ
32へ流量制御信号として与えられる。したがって，リフ
ォーマ補助バーナ23には，常に，リフォーマ反応管16の
温度を一定に維持するに必要な量の燃料が供給されるこ
とになる。
号Ｈは減算器40の他方の入力端に導入される。そして，
上記減算器40の出力は割算器38に導入される。この割算
器38は，減算器40の出力信号Ｙをあらかじめ判明してい
る原燃料の単位流量あたありの燃料エネルギＪで除した
信号Ｍを出力する。そしてこの信号Ｍが，コントローラ
32へ流量制御信号として与えられる。したがって，リフ
ォーマ補助バーナ23には，常に，リフォーマ反応管16の
温度を一定に維持するに必要な量の燃料が供給されるこ
とになる。
このように，リフォーマ補助バーナ23を設けるとともに
リフォーマ15の熱収支を求め，この熱収支を加味してリ
フォーマ補助バーナ23への燃料供給量を制御するように
している。このため，この燃料系は急激な負荷要求に対
しても迅速に応答することができ，しかもリフォーマ15
の温度の乱れを僅かに抑えることができる。第５図は，
この制御装置を使って実際に制御したときの様子を示す
ものである。この図から分るように，速い燃料流の応答
を実現できる。また，リフォーマ反応管16の温度を安定
させることができるので，リフォーマ反応管16の熱疲労
も防ぐことができ，大幅に寿命を延ばすことができるの
で，結局，前述した効果を発揮させることができる。
リフォーマ15の熱収支を求め，この熱収支を加味してリ
フォーマ補助バーナ23への燃料供給量を制御するように
している。このため，この燃料系は急激な負荷要求に対
しても迅速に応答することができ，しかもリフォーマ15
の温度の乱れを僅かに抑えることができる。第５図は，
この制御装置を使って実際に制御したときの様子を示す
ものである。この図から分るように，速い燃料流の応答
を実現できる。また，リフォーマ反応管16の温度を安定
させることができるので，リフォーマ反応管16の熱疲労
も防ぐことができ，大幅に寿命を延ばすことができるの
で，結局，前述した効果を発揮させることができる。
第６図は，本発明の別の実施例をブロック的に示すもの
である。
である。
同図において101はリフォーマであり，内部に改質触媒
層が設けられたリフォーマ反応管の内側に水蒸気が混合
された原燃料としてのメタンを導入すると共に，上記リ
フォーマ反応管の外側に燃焼用燃料および燃焼用空気を
燃焼室のリフォーマ主バーナ107,リフォーマ補助バーナ
108で燃焼して得られた高温燃焼ガスを流通させること
により，水素を多く含んだ改質ガスを生成するものであ
る。また,103は前述と同様の機能を有する変成器,104は
この変成器103で得られたガスを燃料ガスとして燃料極
にまた空気等の酸化剤ガスを酸化剤極に夫々導入し，こ
のとき起こる電気化学的反応により両電極間から電気エ
ネルギーを取出す燃料電池である。そして，上記リフォ
ーマ101の燃焼室内のリフォーマ主バーナ107には上記燃
料電池104の燃料極から排出される燃料ガスを，またリ
フォーム補助バーナ108には外部から別途に供給される
燃料ガスとしてのメタンを，その燃焼用燃料として夫々
導入するようにしている。
層が設けられたリフォーマ反応管の内側に水蒸気が混合
された原燃料としてのメタンを導入すると共に，上記リ
フォーマ反応管の外側に燃焼用燃料および燃焼用空気を
燃焼室のリフォーマ主バーナ107,リフォーマ補助バーナ
108で燃焼して得られた高温燃焼ガスを流通させること
により，水素を多く含んだ改質ガスを生成するものであ
る。また,103は前述と同様の機能を有する変成器,104は
この変成器103で得られたガスを燃料ガスとして燃料極
にまた空気等の酸化剤ガスを酸化剤極に夫々導入し，こ
のとき起こる電気化学的反応により両電極間から電気エ
ネルギーを取出す燃料電池である。そして，上記リフォ
ーマ101の燃焼室内のリフォーマ主バーナ107には上記燃
料電池104の燃料極から排出される燃料ガスを，またリ
フォーム補助バーナ108には外部から別途に供給される
燃料ガスとしてのメタンを，その燃焼用燃料として夫々
導入するようにしている。
一方,109は上記リフォーマ補助バーナ108へ燃料ガスを
供給するライン上に設けられた流量制御弁,110Aは原燃
料であるメタンが流通するライン上に設けられその流量
を検出する第１の流量検出器,110Bは水蒸気が混合され
たメタンが流通するライン上に設けられその流量を検出
する第２の流量検出器,110Cは上記リフォーマ101の出口
直後のライン上に設けられその流量を検出する第３の流
量検出器,110Dは上記リフォーマ補助バーナ108へ燃料ガ
スを供給するライン上に設けられその流量を検出する第
４の流量検出器,111は上記燃料電池104からの出力電気
量として電流を検出する出力電気量検出器としての電流
検出器である。また,112は上記各流量検出器110A〜110D
および電流検出器111から夫々出力される検出信号FA〜F
DおよびＩを入力とし，かつこれらを用いて改質反応や
燃焼反応等の科学的知識に基づいて燃料ガスの組成変化
を考慮したリフォーマ101の燃焼室での燃焼エネルギー
量Ｑを算出する第１の演算装置,113は上記電流検出器11
1から出力される検出信号Ｉに応じた燃焼エネルギー量
と，上記第１の演算装置112で算出された燃焼エネルギ
ー量Ｑとを比較し，かつこの比較効果に基づいて上記流
量制御弁109の弁開度を調節する制御信号Vcを出力する
第２の演算装置である。
供給するライン上に設けられた流量制御弁,110Aは原燃
料であるメタンが流通するライン上に設けられその流量
を検出する第１の流量検出器,110Bは水蒸気が混合され
たメタンが流通するライン上に設けられその流量を検出
する第２の流量検出器,110Cは上記リフォーマ101の出口
直後のライン上に設けられその流量を検出する第３の流
量検出器,110Dは上記リフォーマ補助バーナ108へ燃料ガ
スを供給するライン上に設けられその流量を検出する第
４の流量検出器,111は上記燃料電池104からの出力電気
量として電流を検出する出力電気量検出器としての電流
検出器である。また,112は上記各流量検出器110A〜110D
および電流検出器111から夫々出力される検出信号FA〜F
DおよびＩを入力とし，かつこれらを用いて改質反応や
燃焼反応等の科学的知識に基づいて燃料ガスの組成変化
を考慮したリフォーマ101の燃焼室での燃焼エネルギー
量Ｑを算出する第１の演算装置,113は上記電流検出器11
1から出力される検出信号Ｉに応じた燃焼エネルギー量
と，上記第１の演算装置112で算出された燃焼エネルギ
ー量Ｑとを比較し，かつこの比較効果に基づいて上記流
量制御弁109の弁開度を調節する制御信号Vcを出力する
第２の演算装置である。
ここで，第１の演算装置112は加減算器114,加減算器11
5,加減算器116,加減算器117,加減算器118,係数器119,係
数器120,係数器121,係数器122,係数器123A,係数器123B,
係数器124から図示のように構成し，また第２の演算装
置113は関数発生器125,制限器126,係数器127,加減算器1
28から図示のように構成している。
5,加減算器116,加減算器117,加減算器118,係数器119,係
数器120,係数器121,係数器122,係数器123A,係数器123B,
係数器124から図示のように構成し，また第２の演算装
置113は関数発生器125,制限器126,係数器127,加減算器1
28から図示のように構成している。
次に，かかる如く構成した燃料電池発電システムにおけ
る，リフォーマ101の燃焼室の燃焼制御作用について述
べる。
る，リフォーマ101の燃焼室の燃焼制御作用について述
べる。
まず，リフォーマ101での燃料改質反応は総じて前記
（１）式なる化学反応と見なすことができる。この反応
は可逆反応であるが，右方向への平衡点の移動は反応流
量のモル流量変化として知ることができる。すなわち.1
モルのメタンの反応に対して２モルの燃料ガスの増分が
起こる。このことから，改質反応前後の燃料ガスの流量
差からその半分が改質反応を起こしたメタン流量に等し
いことがわかる。
（１）式なる化学反応と見なすことができる。この反応
は可逆反応であるが，右方向への平衡点の移動は反応流
量のモル流量変化として知ることができる。すなわち.1
モルのメタンの反応に対して２モルの燃料ガスの増分が
起こる。このことから，改質反応前後の燃料ガスの流量
差からその半分が改質反応を起こしたメタン流量に等し
いことがわかる。
今，第１の流量検出器110A,第２の流量検出器110B,第３
の流量検出器110Cで夫々検出された各流量信号をFA,FB,
FCとすると，反応してメタン流量FRは第１の演算装置11
2における加減算器114,係数器119により， FR＝（FC−FB）/2 ……（８） となる。
の流量検出器110Cで夫々検出された各流量信号をFA,FB,
FCとすると，反応してメタン流量FRは第１の演算装置11
2における加減算器114,係数器119により， FR＝（FC−FB）/2 ……（８） となる。
これに対して，改質反応により発生した水素流量FHと，
改質反応後残存するメタン流量FMとは，係数器120と，
加減算器115とにより， FH＝４・FR ……（９） FM＝FA−FR ……（10） となる。従って，改質反応後の燃料ガスの有する可燃成
分としてのエネルギー流量は，係数器121,係数器122,加
減算器116により， Q1・FM＋Q2・FH ……（11） となる。ここで,Q1,Q2は夫々メタン，水素の燃焼熱量で
ある。そして，これが適当な伝達遅れ（係数器123A）を
持って燃料電池104を通過する。一方，燃料電池104にて
消費される水素流量は燃料電池104の出力電流Ｉと等値
であり，これは電流検出器111からの検出信号に対して
係数器124で物理定数を乗ずることにより決定すること
ができる。また，この燃料電池104で消費される水素エ
ネルギーを加減算器117で差引いた燃焼ガスエネルギー
は，さらに伝達遅れ（係数器123B）を伴い最終的にはリ
フォーマ主バーナ107により燃焼熱へと変換される。そ
して，これに第４の流量検出器110Dからの検出信号FDを
加減算器118に加えることにより，リフォーマ補助バー
ナ108での発生熱量Ｑが計算されることになる。
改質反応後残存するメタン流量FMとは，係数器120と，
加減算器115とにより， FH＝４・FR ……（９） FM＝FA−FR ……（10） となる。従って，改質反応後の燃料ガスの有する可燃成
分としてのエネルギー流量は，係数器121,係数器122,加
減算器116により， Q1・FM＋Q2・FH ……（11） となる。ここで,Q1,Q2は夫々メタン，水素の燃焼熱量で
ある。そして，これが適当な伝達遅れ（係数器123A）を
持って燃料電池104を通過する。一方，燃料電池104にて
消費される水素流量は燃料電池104の出力電流Ｉと等値
であり，これは電流検出器111からの検出信号に対して
係数器124で物理定数を乗ずることにより決定すること
ができる。また，この燃料電池104で消費される水素エ
ネルギーを加減算器117で差引いた燃焼ガスエネルギー
は，さらに伝達遅れ（係数器123B）を伴い最終的にはリ
フォーマ主バーナ107により燃焼熱へと変換される。そ
して，これに第４の流量検出器110Dからの検出信号FDを
加減算器118に加えることにより，リフォーマ補助バー
ナ108での発生熱量Ｑが計算されることになる。
一方，第２の演算装置113においては電流検出器111から
の検出信号Ｉに応じた燃焼エネルギー量がQrefが関数発
生器125にて求められ，さらにこの値Qrefを目標値とし
上記第１の演算装置112で算出された燃焼エネルギー量
Ｑとの偏差信号が加減算器128で得られ，これを第２の
演算装置113,計数器127を通して制御信号Vcに変換して
流量制御弁109に与えることにより，流量制御弁109へ供
給される燃料ガスであるメタンの流量が制御されること
になる。
の検出信号Ｉに応じた燃焼エネルギー量がQrefが関数発
生器125にて求められ，さらにこの値Qrefを目標値とし
上記第１の演算装置112で算出された燃焼エネルギー量
Ｑとの偏差信号が加減算器128で得られ，これを第２の
演算装置113,計数器127を通して制御信号Vcに変換して
流量制御弁109に与えることにより，流量制御弁109へ供
給される燃料ガスであるメタンの流量が制御されること
になる。
なお，本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。たとえば、補助バーナ出力演算器をコンピュータ上
のソフトウエアとして実現してもよい。また，その他，
本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形できることは
勿論である。
い。たとえば、補助バーナ出力演算器をコンピュータ上
のソフトウエアとして実現してもよい。また，その他，
本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形できることは
勿論である。
第１図は本発明の一実施例に係る制御装置を組み込んだ
燃料電池発電プラントの要部構成図，第２図は同プラン
トにおける燃料流量演算器の出力特性をを示す図，第３
図は同プラントにおける補助バーナ出力演算器の構成
図，第４図はリフォーマ反応管温度と改質率との関係を
説明するための図，第５図は本発明に係る制御装置を使
用した条件下で負荷電流を変化させたときの各プロセス
量の変化を示す図，第６図は本発明の他の実施例に係る
制御装置を組込んだ燃料電池発電プラントの要部構成
図，第７図は従来の燃料システムの構成図，第８図およ
び第９図は従来のシステムの問題点を説明するための図
である。 11……原燃料の供給端,12……水蒸気の供給端,15,101…
…リフォーマ,16……リフォーマ反応管,17,22……流調
弁,18,104……燃料電池（FC）,20,107……リフォーマ主
バーナ,23,108……リフォーマ補助バーナ,30……燃料流
量演算器,31,32……コントローラ,33……補助バーナ出
力演算器,34……補正エネルギ演算器,35……熱収支演算
器,36……バーナ出力演算器,37……改質率演算器,38…
…割算器,112……第１の演算装置,113……第２の演算装
置。
燃料電池発電プラントの要部構成図，第２図は同プラン
トにおける燃料流量演算器の出力特性をを示す図，第３
図は同プラントにおける補助バーナ出力演算器の構成
図，第４図はリフォーマ反応管温度と改質率との関係を
説明するための図，第５図は本発明に係る制御装置を使
用した条件下で負荷電流を変化させたときの各プロセス
量の変化を示す図，第６図は本発明の他の実施例に係る
制御装置を組込んだ燃料電池発電プラントの要部構成
図，第７図は従来の燃料システムの構成図，第８図およ
び第９図は従来のシステムの問題点を説明するための図
である。 11……原燃料の供給端,12……水蒸気の供給端,15,101…
…リフォーマ,16……リフォーマ反応管,17,22……流調
弁,18,104……燃料電池（FC）,20,107……リフォーマ主
バーナ,23,108……リフォーマ補助バーナ,30……燃料流
量演算器,31,32……コントローラ,33……補助バーナ出
力演算器,34……補正エネルギ演算器,35……熱収支演算
器,36……バーナ出力演算器,37……改質率演算器,38…
…割算器,112……第１の演算装置,113……第２の演算装
置。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 御手洗 礼治 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内 (56)参考文献 特開 昭58−166675（ＪＰ，Ａ)
Claims (2)
- 【請求項１】リフォーマで炭化水素を主成分とする原燃
料に水を反応させて水素を主成分とする燃料ガスに改質
し，この燃料ガスを燃料電池に還元剤として供給すると
ともに上記燃料電池より排出された燃料排ガスを上記リ
フォーマでの改質に必要な熱源として燃焼させるように
した燃料電池発電プラントの燃料システムを制御するた
めのものであって，前記燃料電池より排出された前記燃
料排ガスを前記リフォーマで燃焼させるリフォーマ主バ
ーナと，燃料供給源に接続されたリフォーマ補助バーナ
と，リフォーマ反応管の目標温度と現実の温度との差か
ら上記リフォーマ反応管の温度を上記目標温度に保つた
めの補正エネルギを算出する手段と，前記リフォーマ反
応管の温度から前記リフォーマの改質率を求める手段
と，この手段で求められた改質率および前記燃料電池の
負荷電流および上記燃料電池に供給される前記燃料ガス
の流量から前記リフォーマ主バーナに供給される前記燃
料排ガスの燃焼エネルギを算出する手段と，前記リフォ
ーマへ流れ込む前記原燃料の流量および上記リフォーマ
から排出される燃焼排ガス流量およびその温度および改
質率から上記リフォーマにおける消費エネルギを算出す
る手段と，前記燃焼エネルギと前記消費エネルギとの差
から前記リフォーマにおける収支エネルギを求める手段
と，前記補正エネルギと前記収支エネルギとの差に対応
させて前記リフォーマ補助バーナへの燃料供給量を制御
する手段とを具備してなることを特徴とする燃料電池発
電プラントの燃料システム制御装置。 - 【請求項２】前記リフォーマ補助バーナが接続される前
記燃料供給源は，前記原燃料の供給源と共通であること
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の燃料電池発電
プラントの燃料システム制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61027401A JPH0789493B2 (ja) | 1986-02-10 | 1986-02-10 | 燃料電池発電プラントの燃料システム制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61027401A JPH0789493B2 (ja) | 1986-02-10 | 1986-02-10 | 燃料電池発電プラントの燃料システム制御装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62186472A JPS62186472A (ja) | 1987-08-14 |
| JPH0789493B2 true JPH0789493B2 (ja) | 1995-09-27 |
Family
ID=12220043
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61027401A Expired - Lifetime JPH0789493B2 (ja) | 1986-02-10 | 1986-02-10 | 燃料電池発電プラントの燃料システム制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0789493B2 (ja) |
Families Citing this family (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0744901U (ja) * | 1991-11-07 | 1995-12-05 | ツエビン ウー | 頭に被る帽子型の傘 |
| JP2840000B2 (ja) * | 1993-02-04 | 1998-12-24 | 溶融炭酸塩型燃料電池発電システム技術研究組合 | 燃料電池システムとその制御方法 |
| JP4610875B2 (ja) * | 2003-09-19 | 2011-01-12 | アイシン精機株式会社 | 燃料電池システム |
| JP2008269887A (ja) * | 2007-04-18 | 2008-11-06 | Aisin Seiki Co Ltd | 燃料電池システム |
| JP5733682B2 (ja) * | 2011-03-31 | 2015-06-10 | Toto株式会社 | 固体酸化物型燃料電池 |
| US9531018B2 (en) | 2010-09-29 | 2016-12-27 | Toto Ltd. | Solid oxide fuel cell system for producing variable generated power based on power demand |
| JP5679516B2 (ja) * | 2011-03-31 | 2015-03-04 | Toto株式会社 | 固体酸化物型燃料電池 |
| JP5679515B2 (ja) * | 2011-03-31 | 2015-03-04 | Toto株式会社 | 固体酸化物型燃料電池 |
| CN103140976B (zh) | 2010-09-29 | 2015-09-23 | Toto株式会社 | 固体氧化物型燃料电池 |
| JP5679518B2 (ja) * | 2010-09-29 | 2015-03-04 | Toto株式会社 | 固体酸化物型燃料電池 |
| JP5679517B2 (ja) * | 2010-09-29 | 2015-03-04 | Toto株式会社 | 固体酸化物型燃料電池 |
| JP5922435B2 (ja) * | 2012-02-24 | 2016-05-24 | 日本特殊陶業株式会社 | 燃料電池システム及びその制御方法 |
| CN104803350B (zh) * | 2014-01-27 | 2016-08-31 | 上海华林工业气体有限公司 | 一种转化炉炉管表面温度均衡的方法 |
| DE102021214817A1 (de) * | 2021-12-21 | 2023-06-22 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Verfahren zur Überwachung eines Brennstoffzellensystems |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58166675A (ja) * | 1982-03-27 | 1983-10-01 | Kansai Electric Power Co Inc:The | 改質器の燃焼制御方法 |
-
1986
- 1986-02-10 JP JP61027401A patent/JPH0789493B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62186472A (ja) | 1987-08-14 |
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