JPS58133776A - 燃料電池発電プラント制御システム - 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】 本発明は、溶料電池発電システムの制御に係り、％に急
速な負荷追従を要求される燃料電池の制御システムに関
する。

従来の燃料電池制御システムは、燃料電池および水素発
生装置（改質装置あるいはリフオーマと呼は扛る）、空
気供給系から成る燃料電池発電システムをそれぞｎ独立
し九制御装置により制御する構成になっていた。すなわ
ち、燃料電池発電システムは、第１図にその概略を示す
如く、天産ガス（ＬＮＧ）およびナフサを原燃料として
供給する原燃料（天産ガス）調節弁２００および原燃料
（ナフｆ’）１１節升２１７により原燃料（天産ガス；
１１５およびナフサ１１６’に混合した複合燃料）１０
１および水蒸気流量調節＊２０１により供給される水蒸
気１０２を入力し、電池２０５の出口の水素ガス１０７
を燃料として熱會得、水素すツケ・ガス１０３を生成す
る改質装置２０２、水素リック・ガス１０３に含まれる
一酸化炭素ＣＯ會水蒸気と反応させ、炭酸ガスＣＯ３と
水素Ｈ８を生成させ主水素ガス１０４ｔ−得るシフト−
コンバータ２０３、電池入口水素カス１０５の流量を調
節する電池水素ガス調節弁２０４、電池で使用する酸素
を供給するため、改質装置排ガス１０８を動力源とし、
空気１１０ｔ−加圧する空気供給系２０６、空気供給系
２０６で作られた加圧空気１１１から電池で必要とする
電池出口空気１１２を得る電池空気量調節弁２０７、電
池２０５、およびガス中の水分を回収する水分回収熱交
換器２１１．２１３，２１５で構成され、水素と酸素の
反応により電池出力電流１０６ｔ−得るシステムである
。また、電池出口水素ガス１０７は、改質装置２０２の
熱源および空気供給系２０６の動力源として使用された
後、排ガス１０９として叩気中に排出される。このほか
、改質装置２０２の起動の危めに使用する補助燃料１１
４および補助９気１１８を調節する補助燃料調節弁２０
８および補助空気量調節−ｆｆ２２０．電池出口水素ガ
スおよび電池出口空気を再循環させる水素再循環ファ／
２０９、水素再循環量調節９Ｐ２１０および空気再循環
ファ／２１８、空気再循環量調節弁２１８がめる。

ところで、このよりな′燃料電池発電システムで問題と
なるのは、急激な負荷変化に対する追従性である。すな
わち、燃料電池２０５の負荷が急激Ｋｆ化すると電池で
消費する水素及び酸素量が急激に変化し、圧力が大福に
叢動することになる。

炉料電ａは、所定の圧力のとき効率が最大になるように
設計されている。したがって、燃料電池出口の水１ガス
圧力および酸素ガス圧力が所定の値からはずれると燃料
電池発電システムの効率が低下するという問題がある。

本発明の目的は、燃料電池出口の水素カス圧力お工び潅
木ガス圧力を所定の値に保ち、燃料電池発電プラントの
効率を向上させ得る燃料電池発電ブラント制制御システ
ム管提供るにある。

本発明は、燃料電池出口の水素ガス圧力および酸素ガス
圧力を所定の値に保ち、燃料電池発電プラントの効率を
向上させるために、燃料電池出口の水素ガス圧力および
酸素ガス圧力が所定の値になるように、燃料電池の水素
ガス再循ｌｌ流量および酸素ガス再循環流量を調節する
ところに％徴がある。

本発明による燃料電池発電プラント制御システムは、大
きく次の４つに分けられる。

（１）　　燃料電池制御系（第２図参照）（２）　　改
質装置制御系（第３図参照）（３）　　空気供給系の制
御系（第５図、第６図参照）（４）　　再循環系の制御
系（第７図参照）以下、４つの制御系の１実施例により
具体的にその制御方法を説明する。

第２図は、燃料電池制御系の１！ｉ！施例を示し友もの
である。図でまず、中給からの負荷指令ＬＤの関数とし
て電池出口水素濃度設定値発生器４００から電池出口水
素濃度設定値５ｏｏｔ得、電池出口水素濃度検出器３０
１で測定さｎた電池川口の水素ａＩｆ債号５０１との偏
差５０２を求め（減算器４０１　）、比例・積分等のフ
ィード・バンク制御演算を夾施しくフィード・バック制
御器４０２）、フィード・バック制御信号５０２を得る
。−万、フィー　ド自フォワード制御器４０３では、中
給からの負荷指令ＬＤの関数として奸２０４のフィード
・フォワード制御信号５０４を求める。基本的には、こ
のフィード・フォワード制御信号５０４とフィード・バ
ック制＃信号５０３の加算により′ｙｆ２０４への操作
信号５０６を決するが、電池水素カス調節弁２０４の罰
圧すなわち王水素ガス圧力偏差信号５２２（第３図参照
）でこの弁２０４への操作信号を補正する。

このような補正を加えたことによる効果を電池出力が増
加した場合を例に説明する。すなわち、電池出力が増加
すると電池内で消費される水素量がＪ１１７１０する。

このため、電池出口の水素量ｆ５０１が低トし、これを
補償するようにフィード・バック制御器４０２が働き、
弁２０４を開くことにより、電池出口の水素濃度５０１
’に回復させる。ところが、弁２０４を開けば、主水素
ガス圧力５２１が低下するが、一般に、燃料改質装置２
０２（第１図）の応答が遅いため、主水素ガス圧力５２
１の回復が遅い。このように、電池出口の水素濃度５０
１のみで弁２０４を制御すると王水素ガス圧力５２１が
低下し続けるという問題が生じる。王水素ガス圧力偏主
信号５２２で補正する効果はここにある。すなわち、上
記例では、主水素ガス圧力偏差５２２は正の方向に増加
し、加算器４０４を介し、弁２０４を閉じる方向に働く
。すなわち、弁２０４が一方的に開くのを抑制するとい
う機能を持ち、主水素ガス圧力５２１の変動を抑える効
果がある。機能ブロック４０５は、上記趣旨から、単な
る比例、でも良いし、ある閾値を超えた時のみ働き、弁
２０４の信号をホールドするという方法も考えられる。

要するに、主水素ガス圧力５２１の変動を抑制する機能
を弁２０４０制御系に付加するものであればよい。

第２図の電池９気量調節弁２０７も全く同様に、電池出
口酸素濃度設定値発生！４０６により中給からの負荷指
令ＬＤの関数として電池出口酸素膜ボｆ１Ｍ　５０７を
得、電池出口酸素濃度検出器３０２で測定され次酸素ａ
度信号５０８との偏差を求め（減算器４０７）、比例・
積分等のフィード・バック制御演算を実施しくフィード
・バック制御器４０８　）、フィード・バック制御信号
５１０を得る。−万、フィード・フォワード制御器４０
９では、中給からの負荷指令ＬＤの関数として弁２０７
のフィード・フォワード制御信号５１１を求める。

升２０７の操作匍号５１３は、このフィード−フォワー
ド制御！１１（１１号５１１の他に、フィードｅパック
制御信号５１０、空気量調節弁前圧（主空気圧力）偏差
信号５６２により決められる。ブロック４１１の機能醍
び効果は、ブロック４０５と全くｒｌｆｆｌ様である。

次に、改質装置制御系の１実施例を第３図を用いて説明
する。図でまず電池水素ガス調節弁２０４の前出である
王水票ガス系圧力設定値発生器４２０では、中給からの
負荷指令Ｉ、Ｄの関数で王水素ガス系圧力設定値５２０
を求める。次に、王水素ガス系圧力値５２１との偏差５
２２を求め（ブロック４２１）、比例・積分等のフィー
ド・バック制御演算を実施しくブロック４２２）、フィ
ード・バック制御信号５２３を決足する。−万、フィー
ド・フォワード制御器４２３では、中給からの負荷デマ
ンドＬＤの関数として原燃料デマンドのフィードｅフォ
ワード制御信号５２４を求める。又、ブロック４２５は
、第２図に示し九電池出口水素濃度偏差信号５０２を入
力し、弁２０４の動作と協調して弁２００，２１７を動
作させるための機能であり、弁２０４に対応する弁２０
０，２１７の信号５２５を計算する。原燃料デマンド信
号５２６は、これら３つの信号５２３，５２４゜５２５
の和として求められる。

次に、上で得られた原燃料デマンド信号５２６に従って
弁２００および弁２１７を用いて原燃料量を操作するが
、これについて説明する。まず、主水素ガス系水素濃度
設定値発生器４３２により中給からの負荷指令ＬＤの関
数として主水素ガス系水素濃度設定値５３４を得、王水
素ガス系水素ａ度検出ａ３０５で測定され友水素濃度信
号５３５との偏差を求め（減算器４３３）、比例・積分
等のフィード・バック制御演算全実施しくフィード・パ
ック制御＠４３４）、フィード・パック制御信号５３７
を求める。一方、フィード・フォワード制御器４３５で
は、中給からの負荷指令ＬＤの関数として弁２００の原
燃料分担率のフィード・フォワード制御信号５３８を求
める。弁２００の原燃料分担率５３９は、このフィード
・フォワード制御乍号５３８の他に、フィードｅパック
制御儒号５３７により決められる。弁２００の操作信号
５４０は、原燃料デマンド５２６に弁２００の原燃料分
担率５３９’ｉ掛けて求められる（乗算器４３７）。ま
た、弁２１７の操作信号５４３は、定数１に相当する信
号５４１から弁２００の原燃料分担率５３９を差引き（
減ＩＩ器４３８）、得らｎｆＣ弁２１７の原燃料分担率
５４２に原燃料デマンド５２６を掛けて求めらｎる（乗
算器４３９）。

また、水蒸気流量調節弁２０１の操作イぎ号５３３ｔま
、次のようにして決定する。まず、王水素ガス指令ＬＤ
の関数として王水素ガス系水分設定値５２７を得、王水
素ガス系水分横出器３０４で測定された水分偏量５２８
との偏差を求め（減算器４２７）、比例・積分等のフィ
ード−バック制％演算を実施しくフィード・パック制御
器４２８）、フィード・パック制御信号５３０を得る。

−万、フィード・フォワード制御器４２９では、中給か
らの負荷指令ＬＤの関数として弁２０１のフィード・フ
ォワード制御信号５３１１ｔ−求める。弁２０１の操作
信号５３３ｆｌ、このフィード・フォワード制御信号５
３１とフィード−パック制御信号５３０により決められ
る。

また、補助燃料調節ｆｆ２０８および補助空気量調節弁
２２０の操作信号５５７および５５８は、第４図のよう
にして決定する。まず、リフオーマ出ロ水素すッチ番ガ
ス系温度設定値発生！４５０によｐ中給からの負荷指令
ＬＤの関数として温度設定値５５０を得、リフオーマ出
口水素リッチガス系温度検出器３０８で測定され几温度
信号５５１との偏差を求め（減算器４５１）、比例・積
分等のフィード・パック制御演算を実施しくフィード・
パック制御器４５３）、フィード−バック制御信号５５
３を得る。−万、フィード・フォワード制御器４５４で
は、中給からの負荷指令ＬＤの関数として弁２０８のフ
ィード・フォワード制御器！５５５に求める。また、オ
ーバ／アンプ・ファイアリフグ制’ＩＡＪ儀４５２では
、中給からの負荷指令ＬＤの時間変化に応じて補助燃料
をオーバ／アンプ・ファイアリングする制御信号５５４
を求める。弁２０８の操作信号５５７は、上記のフィー
ド・フォワード制御信号５５５、フィード・パック制御
信号５５３およびオーバ／アンプ・ファイアリング制御
信号５５４により決められる。弁２２０の操作信号５５
８は、比率設定器４５７において弁２０８の操作信号５
５７より、補助燃料１１４と補助空気１１８とが一定の
比率を保持するように決定さｎる。

第５図は、空気供給系２０６の機器構成を示す。

凶で、動力源は燃料改質装置２０２の排ガス１０８で、
この排ガスでガスタービン し、このガス・タービｙ２０６２に＠結した圧縮＠２０
６３により、空気１１０の圧力を燃料電池で必要とする
圧力まで上げ、燃料電池へ供給する。

圧縮され九空気１１１は、９Ｆ２０７（第１図）により
燃料電池で必要とされる空気量を引き抜かれ、残りは弁
２０６１を介してガスタービン２０６２の排カス１０９
とし排出される。

ま皮、図では省略したが、圧ｍ９！気１１１の一部は、
改質装置２０２における水素燃焼用の空気としても使用
される。

第６図は、空気供給系２０６に対する制御方式を示す。

まず、主空気系圧力設定値発生器４６０において中給か
らの負荷指令ＬＤの関数で弁２０７の前圧（主空気系圧
力）５６１の設定値５６０を決め、主空気系圧力検出４
１３０９の出力５６１との偏差５６２含求める。次に、
比例−積分等のフィード・パック制御演算を実施しくブ
ロック４６２）、フィード−バック制御信号５６３ｔ−
決定する。−万、フィード−７オワード制御器４６３で
は、中給からの負荷指令■、Ｄの関数として弁２０６１
のフィート自フォワード伽号５６４を決定する。又、フ
ロック４６５ｒＪ％４ｆ２０７と協調するための本ので
、升２０７に対応し次升２１５の信号５６５を決定する
。

次に、再循壜系の制御系の１実施例を第７図を用いて説
明する。図でまず、電池用ロ水素カス系圧力設電値発生
器４７０により中給からの負荷指令ＬＤの関数きして電
池用［］水素ガス系圧力設定値５７０を求める。次に、
電池出口水素カス系圧力信号５７１との偏差５７２を求
め（ブロック４７１）、比例・積分等のフィード・バッ
ク制御ｍ練ｅ実施しくブロック４７２）、フィード・パ
ック制御！Ｑ５７３を決定する。一方、フィード・ノ第
１ノード制御器４７３でａ、中給からの負荷指令■、Ｄ
の関数として水素再循環量調節弁２１０のフィード・フ
ォワード信号５７４を求める。また、ブロック４７５μ
、酸素再循環量調節弁２１９の動作と協調して弁２１０
を動作させる次めの機能であり、弁２１９の信号に対応
して弁２１０の信号５７５を計算する。弁２１０の操作
信号５７６は、これら３つの信号５７３，５７４，５７
５の和として求めらｎる。

ｔた、同図の酸素再循環量調節弁２１９の操作信号５９
１は、次のようにして決定する。まず、電池用ロ水素ガ
ス系／ｇ！気系水分比設定値発生器４８３により中給か
らの負荷指令ＬＤの関数として水素ガス系／空気系水分
比設定［５８０’ｉ得、電池出口水素ガス系水分検出器
３０６および電池出口空気系水分検出器３０７で欄足さ
れた水分信号５７７．５７８の比５７９との偏差を求め
（減算器４１１　）、比例・積分等のフィードバック制
御演算を実施しくフィード・バック制御器４８５）、フ
ィード・バック制御信号５８２１−得る。一方、電池用
ロ水素ガス系９気系差圧設足値発生器４７６では、中給
からの負荷指令ＬＤの関数として差圧設定値５８３ｔ−
求める。電池出口空気系圧力設定値５８５は、この差圧
設定値５８３の他に、フィード・パック制御信号５８２
、電池出口水素ガス系圧力信号５７１によｐ決められ、
電池出口窒気うにしたが、電池出口水素ガス系圧力設定
値と電池用Ｌ」水素ガス系／空気系差圧設定値により決
めるようにしてもよい。また、中給からの負荷指令ＬＤ
の関数として電池出口空気系圧力設定値を決め、電池出
口電流ガス系圧力設定＠を電池用ロ水単ガス糸／空気系
差圧設定値と電池出口空気系圧力信号あるいは電池出口
空気系圧力設定値により決めるようにしてもよい。

発明の一実施例においては、電池出口水素濃度と電池出
口酸素濃度をそれぞれ電池水素ガス流量と電池空気流量
により制御し、電池出口水素ガス系圧力と電池出口空気
系圧力をそｎぞれ水素再循環量と空気再循環量により制
御するようにしたが、電池出口水素ガス系圧力と電池出
口空気系圧力をそれぞれ電池水素ガス流量と電池空気流
量により制御し、電池出口に水素濃度と電池出口水素濃
度會；ｔｊＬぞれ水素再循、壊量と空気再循環量により
制御すめようにしてもよい。

発明の１実施例においては、改質装置２０２への水蒸気
１０２の供給量を王水素ガス系の水分に応じて決めるよ
うにし友が、原燃料の組成を計測してこの結果に従って
改質装置２０２への水蒸気１０２の供給量を決めるよう
にしてもよい。

発明の１実施例においては、改質装置および燃料電池の
運転条件（温度、圧力）は予め決めておい友ものを利用
するようにしたが、原燃料の組成を計測してこの結果に
従って改質装置および燃料電池の運転条件を決定し、こ
の条件により改質装置および燃料電池を運転するように
してもよい。

発明のｌ実施例においては、燃料電池の温度制御系を例
示しなかつ念が、この制御系は、中給からの負荷指令に
従って、燃料電池冷却水流量をフィード・フォワード制
御し、負荷指令の関数として決められる燃料電池の温度
設定値と温度計測値との偏差をフィード・バック制御処
理した信号により燃料電池冷却水流量を補正制御する。

本発明は、燃料電池出口の水素ガス圧力および酸素ガス
圧力が所定の値になるように燃料電池の水素ガス再循環
流量および酸素ガス再循環流量を調節するので、燃料電
池発電プラントの効率を向よさせることができる効果が
ろる。

【図面の簡単な説明】

＃ＩＪ１図は、本発明の制御対象である燃料電池弗酸プ
ラントの概略構成、第２図は、燃料電池制御系のｌ実施
例、第３．４図は、燃料改質装置制御系のｌ’ｊｌ！施
例、８５図は、空気供給系の機器構成、第り図は、空気
供給系の制御系の１実施例、第７図に、再循環量の制御
系の１実施例、第８図は、燃料改質装置制御系の他の実
施例を示す。 １０１・・・原燃料、１０２・・・水蒸気、１０３・・
・水素リッチカス、１０４・・・王水素ガス、１ｏ５・
・・電池人［」水素ガス、１０６・・・電池出口電流、
１ｏ７・・・電池出口水素ガス、１０８・・・改質装置
排カス、１０９・・・排ガス、１１Ｏ・・・空気、１１
１・・・加圧空気、１１２・・・電池入口空気、１１３
・・・電池出口電流、１１４・・・補助溶料、１１５・
・・原燃料（ＬＮＧ）、１１６・・・原燃料（ナフサ）
、１１７・・・水蒸気、１１８・・・補助空気、２００
・・・ｉ溶料（ＬＮＧ）詞節汁、２０１・・・水蒸気流
量−節井、２０２・・・改質Ｍｆｌｌｌ（リフオーマ）
、２０３・・・シフト・コンバータ、２０４・・・電池
水素ガス調節弁、２０５・・・電池、２０６・・・空気
供給系、２０７・・・電池空気量調節弁、２０８・・・
補助溶料調節弁、２０９・・・水素再循環ファ／、２１
０・・・水素再循環量調節弁、２１１・・・水分回収熱
交換器、２１４・・・排水量調節弁、２１３・・・水分
回収熱交換器、２１４・・・排水量調節弁、２１５・・
・水分回収熱交換器、２１６・・・排水量調節弁、２１
７・・・原燃料（ナフサ）調節弁。 代理人　弁理士　高橋明夫Ｃ、・ Ｉ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １１．混合成分の原燃料を水素ガスに改質する燃料改質
   装置、圧縮し友酸素ガスを供給するための空気供給系統
   および供給された水素ガスと酸素ガスの反応により電ａ
   ｔ出力する燃料電池で構成される燃料電池発電プラント
   において、燃料電池用ロト制伸システム。 ２、特許請求の門弟１項記載の燃料電池発電プラント制
   御システムにおいて、負荷指令の関数として燃料電池の
   水素ガス再循環流量をフィード・フォワード制御すると
   共に、燃料電池出口水素ガス圧力に応じて燃料電池の水
   素ガス再循環流量を補正制御することｔ−特徴とする燃
   料電池発電プラント制御システム。 ３、％許請求範囲Ｉ＠１項記載の燃料電池発電プラント
   制御システムにおいて、負荷指令の関数として燃料電池
   出口水素ガス圧力設定値を決め、これらの設定値と燃料
   電池出口水素ガス圧力との偏差をフィード・バック制御
   処理した信号により燃料電池の水素ガス再循環流量を調
   節することを特徴とする燃料電池発電プラント制御シス
   テム。 ４、特許請求範囲第１項記載の燃料電池発電プラントに
   おいて、燃料電池出口酸素ガス圧力に応じて燃料電池の
   酸素ガス再循環流量を調節することを特徴とする燃料電
   池発電プラント制御システム。 ５、％許請求範囲第４項記載の燃料電池発電プラント制
   御システムにおいて、負荷指令の関数として燃料電池の
   酸素ガス再循環流量をフィード・フォワード制御すると
   共に、燃料電池出口酸素ガス圧力に応じて燃料電池の酸
   素ガス再循環流量を補正制御することを特徴とする燃料
   電池発電プラント制御システム。 ６、％許請求範Ｓ第４項記載の燃料電池発電プラント制
   御システムにおいて、負荷指令の関数として燃料電池用
   ロ酸素ガス圧力鰻定値を決め、こｎらの設ボ値と燃料電
   池出口酸素ガス圧力との偏差會フィード・バック制御処
   理した信号により燃料電池の＃素ガス再循環流量ｔ−調
   節することを％黴とする溶料電池発電プラント制御シス
   テム。