JPS58133780A - 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、燃料電池発電システムの制御に係り、特に急
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（改質装置あるいはり７オーマと叶ばれる）、空
気供給系から成る燃料電池発電システムをそれぞれ独立
した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、天燃ガス（ＬＮＧ）およびナフサを原燃料として
供給する原燃料（天燃ガス）ｖ４節升２００および原燃
料（ナフサ）調節弁２１７によυ原燃料（天燃ガス：１
１５およびナフサ１１６を混合した複合燃料）１０１お
よび水蒸気流量−路弁２０１により供給される水蒸気１
０２を入力し、電池２０５の出口の水素ガス１０７を燃
料として熱を得、水素リッチ・ガス１０３を生成する改
１１ｋ＠２０２、水素リッチ・ガス１０３に含まれる一
酸化炭素ＣＯを水蒸気と反応させ、炭酸ガスＣＯ１と水
素Ｈ９を生成させ王水素ガス１０４を得るシフト・コン
バータ２０３．（池入口水素ガスｌＯ５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
１１０を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入
口空気１１２を得る電池空気量調節弁２０７、電池２０
５、およびガス中の水分を回収する水分回収熱交換器２
１１．２１３，２１５で構成され、水素と酸素の反応に
より電池出力電流１０６を得るシステムである。ま九、
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として空気中に排出される。このほか、改質装
置２０２の起動のために使用する補助燃料１１４および
補助空気１１８を調節する補助燃料調節弁２０Ｂおよび
補助空気量調節弁２２０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ン２０９水素再循
壌量調節弁２１０および空気再循環ファン２１８、空気
再循環量調節弁２１Ｂがある。

ところで、このよう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の負荷が急激に変化するとｔａで消
費する水素および酸素量が特啄に叢化し、圧力が大幅に
変化することになる。

電酢内の圧力変化を抑制するために、電池水素ガス−路
弁２０４および電池空気ｔＩ！Ｑ１節弁２０節介操作し
、電池に供給する水素および酸素量を変化させることに
なるが、このために改質装置２０２お↓ひ空気供給系２
０６の出力を電池に供給する水素および酸素の供給量に
追従させる必要がある。

（７かしながら、改質装＠２０２の熱源および空気供給
系２０６の駆＠源は、電池出口水素ガス１０７であり、
電池で消費する水素および酸素量が急激に変化すると改
質装置２０２および空気供給系２０６の出力を電池に供
給する水素および酸素の供給量に追従させるのが峻しく
なると共に教員装置２０２出口の水素リッチ・ガス温度
が大きく震動する。改質装置２０２は水素リッチ・ガス
ｔｍｔｘが所定の頃のとき効率が成人になるように製ａ
されており、水素リッチ・ガス温度の変動により効率が
低下する。

本発明の目的は、急激な負荷変化に対し、改質装置およ
び空気供給系の出力を安定に追従させると共−に改質装
置出口の水素リッチ・ガス温度の変動を抑制して改質装
置の効率を向上させ得る燃料電池発電プラント制御シス
テムを提供するにある。

本発明は、急激な負荷変化に対し、改質装置および空気
供給系の出力を安定に追従させると共に改質装置出口の
水素リッチ・ガス温度の変動を抑制して改質装置の効率
を向上させるために、中央給電指令所（以下中給と略称
する）からの負荷指令ＬＤに応じて補助燃料流量と補助
空気流量を先行的に制御すると共に、燃料改質装置出口
の水素リッチ・ガス温度が所定の値になるように補助燃
料流量と補助空気流量を補正制御するところに特徴があ
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）　　！気供給系の制御系（第５図、第６図番Ｍ）
（４）丹循壌系の制御系（第７図参照）以上、４つの制
御系の一実施例により具体的にその制到方法を説明する
。

第２図ｅよ、燃料を油制御系の一実施例を示したもので
ある。図でまず、中給からの負荷指令Ｌｌ）の関数とし
て′＃！Ｌ池出口水出口水素濃度設定値発生器４００池
出口水素濃度設定値５００を得、電池出口水素製電検出
器３０１で測定された電池出口の水素貞臥信号５０１と
の偏差５０２を求め（減算器４０１）、比例・漬汁等の
フィード・バッ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に一
得る。一方、フィード・フォワード制＃５４０３では、
中給からの負荷指令Ｌｌ）の関数として弁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
・バック制御信号５０３の加算により弁２０４への操作
信号５０６を決するが、電池水素ガス調節弁２０４の前
圧すなわち主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増加する。このため
、電池出口の水素量１！５０１が低下し、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２０
４を開くことにより、電池出口の水素濃度５０１を回復
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２０２（第
１図）の応答が遅いため、主水素ガス圧力５２１の回復
が遅い。このように、電池出口の水素濃度５０１のみで
弁２０４を制御すると主水素ガス圧力５２１が低下し続
けるという問題が生じる。主水素ガス圧力偏差信号５２
２で補正する効果はこむにある。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４Ｇ４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、拳なる比例でも
良いし、あるＭ埴を超えた時のみ一角、芹２０４の信号
をホールドするという方法も考えられる。費するに、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１６ものであればよい。

第２図の電池空気量調節弁２０７も全く同様に、電池出
口酸素ｌＩｋ度設定値発生器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設定値５０７を得
、電池出口酸素濃度検出器３０２で測定された酸素濃度
信号５０８との偏差を求め（減算器４０７）、比例・積
分等のフィード・パックｌｔ＋！Ｉ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
＃信号５１０を得る。一方、フィード・フォワード制御
器４０９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の操作信号５１３４ｄ、このフィード・フォワ
ード制御信号５１１の他に、フィード・パック制＃信号
５１０、空気量−路弁前圧（主空気圧力）偏差信号５６
２により決められる。ブロック４１１の機能及び効果は
、ブロック４０５と全く同様である。

次に、改質装置制御系の一実施例を第３図を用いて説明
する。図でまず電池水素ガス調節弁２０４の前圧である
主水素ガス系圧力設定値発生器４２０では、中給からの
負荷指令ＬＤの関数で主水素ガス系圧力設定値５２０を
求める。次に、主水素ガス系圧力検出値５２１との偏差
５２２を求め（ブロック４２１）、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４２２）、フ
ィード・バック制御信号５２３を決定する。一方、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・フ
ォワード制御信号５２４を求める。

又、ブロック４２５は、第２図に示した電池出口水素濃
度偏差信号５０２を入力し、弁２０４の動作と協詞して
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２００・２１７の信号５２５を
計算する。原燃料デマンド１ｇ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ｌ１１に操作す
るが、これについて説明する。まず、主水素ガス系水素
＃度設定値発生６４３Ｑにより中給からの負荷指令ＬＤ
の関数として生水素ガス系水素＃度設定埴５３４を得、
生水素ガス系水素濃度検出６３０５で測定された水素濃
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・バック制御演算を実施しくフィード
・バック制＃器４３４　）、フィード・バック制御信号
５３７ｅ求める。一方、フィード・フォワード制御器４
３５では、中給からの負荷指令ＬＤの関数として弁２０
０の原燃料分担率のフィード・フォワード制御信号５３
８を求める。弁２００の原燃料分担率５３９は、このフ
ィード・フォワード制御信号５３８の他に、フィード・
バック制御信号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２０Ｇの原
燃料分担率５３９を掛けて求められる（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（減算器４３８）、得られた弁２１７の原燃料分担率
５４２に原燃料デマンド５２６を掛けて求められる（乗
算器４３９）。

また、水蒸気流量調節弁２０１の操作信号５３３は、次
のようにして決定する。まず、主水素ガス系水分設定値
発生器４２６により中給からの負荷指令ＬＤの関数とし
て主水素ガス系水分設定値５２７を得、主水素ガス系水
分検出器３０４で測定された水分信号５２Ｂとの偏差を
求め（減算器４２７）、比例・積分等のフィード・バッ
ク制御演算を実施しくフィード・バック制御器４２８）
、フィード・パック制＃信号５３０を得る。一方、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５３１を求める。弁２０１の操作信号５３８ｔｉ
、このフィード・フォワード制御信号５３１とフィード
・バック制御信号５３０により決められる。

また、補助燃料、１＃１ＪＪｖｉ５弁２０８および補助
空気量調節弁２２０の情作信号５５７および５５８は、
第４図のようにして決定する。まず、リフオーマ出口水
素リッチ・ガス系温度設定値発生器４５０により中給か
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糸温度検出４３０８で測
定された温度信号５５１との偏差を求め（減算器４５１
）、比例・積分等のフィード・バック制御演算を実施し
くフィード・バック制御器４５３１、フィード・バック
制御信号５５３を得る。一方、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・フォワード制御信号５５５を求め
る。また、オーバ／アンダ・ファイアリング制御器４５
２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／り・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・バッ
ク制御信号５５３およびオーバ／ア／ダ・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５５８は、比率設定器４５７において弁２０８の操作
信号５５７より、補助燃料１１４と補助空気１１ｇとが
一定の比率を保持するように決定される。

第５図は、空気供給系２０６の機器構成を示す。

図で、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２０６２を駆動し、このガ
ス・タービン２０６２に直結した圧縮様２０６３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。圧縮された空気１１１は、弁
２０７（＠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の排ガス１０９として排出される。

また、図では省略したが、圧縮空気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ＭｉＪ圧（主空
気系圧力）５６１の設定値５６０を決め、主空気系圧力
検出器３０９の出力５６１′との偏差５６２を求める。

次に、比例・積分等のフィード・バックｆ！ｉ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５６３を決定する。一方、フィード・フォワード制御
器４６３では、中給からの負荷指令ＬＬ）の関数として
弁２ｏ６１のフィード・フォワード信号５６４を決定す
る。又、フｏツ１４６５ｔｒｌ、弁２０７と協調するた
めのもので弁２０７に対応した弁２１５の信号５６５を
決定する。

次ＶＣ１沓Ｏ／ｉ虐系の制御系の一実施例を第７図を用
いて説明する。図でまず、電池出口水素ガス系圧力設定
値発生器４７０により中給がらの負荷指令ＬＤの関数と
して電池出口水素ガス系圧力設定１直５７０を求める。

次に、電池出口水素ガス系圧ｊ−）信号５７１との偏差
５７２ｆＩ：求め（ブロック４７１ン、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４７２）
ｔ　フィード・バック制御信号５７３を決定する。一方
、フィード・フォワード制御器４７３では、中給からの
負荷指令ＬＤ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４７５は、酸素再循環量調節弁２１９の動作と協調
して弁２１０を動作させるための機能であり、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１、これら３つの信号５７３
．Ｊ５７４，５７５の和として求められる。

また、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Ｋして決定する。まず、電池比ロ水素ガ
ス系／空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
設定値５８０を侍、電池出口水素ガス系水分検出器３０
６および電池出口空気系水分検出器３０７で測定された
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５８２ｔ−得る。一方、電池出口水
素ガス系空気系差圧設定値発生器４７６では、中給から
の負荷指令ＬＤの関数として差圧設定値５８３を求める
。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・バック制御信号５８２、電池
比ロ水素ガス糸圧力色号５７１により決められ、電池出
口空気糸圧力検出３１２で測定された空気圧力信号５８
６との偏差を求め（減算器４７８）、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４７９）、フィード・バック制御信号５８８を得る
。また、フィード・フォワード制＃器４８０では、中給
からの負荷指令ＬＤの関数として弁２１９のフィード・
フォワード制御信号５８９を求める。弁２１９の操作信
号５９１は、このフィード・フォワード制御信号５８９
の他に、フィード・バック制御信号５８８、電池比ロ水
素カス糸圧力偏差５７２により決められる。

本発明の一実施例においては、改質装置２０２への水蒸
気１０２の供給量を主水素ガス系の水分フィード・バッ
クにより制御するようにしたが（第３図参照）、第８図
に示すように主水素ガス系の一酸化炭素（ＣＯ）濃度フ
ィード・バックにより制御するようにしてもよい。すな
わち、まず、水素ガス系−酸化炭素濃度設定値発生器６
００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−酸化炭素設定値７００を得、主水素ガス系−酸
化炭素濃度検出器３１１で測定された一酸化炭素濃度信
号７０１との偏差を求め（減算器６０１）、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６ｏ２）、フィード・バック制御信号７０３
を得る。一方、フィード・フォワード制御器６０３では
、中給からの負荷指令Ｌｌ）の関数として弁２０１のフ
ィートリフォワード制御信号７０４を求める。弁２０１
の操作信号７０５は、このフィード・フォワード制御信
号７０４とフィード・バック制御信号７０３により決め
られる。

発明の一実施例において蝶、中給がらの負荷指令Ｌ　ｌ
）の関数として制御変数の設定値およびフィード・フォ
ワード制御信号を決定するようにしたが、中給からの負
荷指令ＬＤ相当の信号であればよい。例えば、電池出口
電流でもよい。また、オペレータにより設定された負荷
デマンドでもよい。

発明の一実施例においては、電池出口空気系圧力設定値
を電池出口水素ガス系圧力信号と電池出口水素カス系／
空気系差圧設定埴により決めるようにしたが、電池出口
水素ガス系圧力設定値と電他出口水素ガス系／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、電池出口水素ガス系圧力設定値を電池比ロ水
素ガス系／空気系菱圧設定埴と電池用ロ受気系圧力値号
あるいは１１１ｔＩ２出ロ空気系圧カ股定値により決め
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［准出
口酸素＃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
系圧力をそれぞれ水素再循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、電池出口水素濃度と電池出口酸素
濃度をそれぞれ水素再循環量と空気再循環量により制御
するようにしてもよい。

発明の一実施例においては、改質装置２０２への水蒸気
１０２の供給量を主水素ガス系の水分に応じて決めるよ
うにし喪が、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
Ｋしてもよい。

発明の一実施例においては、改質装置および燃料電池の
運転条件（温度、圧力）は予め決めておいたものを利用
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。

発明の一実施例においては、燃料電池の温度制御系を例
示しなかったが、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ｒｌ１１］値との偏差をフィード・パッ
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、中給からの負荷指令に応じて補助燃料流量と
補助空気流量を先行的に制御すると共に、燃料改質装置
出口の水素・リッチ・ガス温度が所定の１直になるよう
に補助燃料流１と補助空気流量を補正制御するので、急
激な負荷変化に対し、燃料改質装置および空気供給系の
出力を安定に追従させることができると共に燃料改質装
置出口の水素リッチ・ガスｆｆ１度を抑制して改質装置
の効率を向上させることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の制御対象である燃料電池発電プラン
トの概略構成、第２図は、燃料電池制御系の一実施例、
第３．４図は、燃料改質装置制御系の一実施例、第５図
は、空気供給系の機器構成、第６図は、空気供給系の制
御系の一実施例、第７図は、再循環系の制御系の一実施
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・ガス、１０４・・・主水素ガス、１０５
・・・電池入口水素ガス、１０６・・・電池出口電流、
１０７・・・電池出口水素ガス、１０８・・・改質装置
排ガス、１０９・・・排ガス、１１０・・・空気、１１
．１・・・加圧空気、１１２・・・電池入口空気、１１
３・・・電池出口空気、１１４・・・補助燃料、１１５
・・・原燃料、（ＬＮＧ）、１１６・・・原燃料（ナフ
サ）、１１７・・・水蒸気、１１８・・・補助空気、２
００・・・原燃料（ＬＮＧ）ｉｌ１節弁、２０１・・・
水蒸気流量調節弁、２０２・・・改質装置（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・・
・補助燃料調節弁、２０９・・・水素再循環ファン、２
１０・・・水素再循環量調節弁、２１１・・・水分回収
熱交換器、２１２・・・排水量調節弁、２１３・・・水
分回収熱交換器、’　２１４・・・排水量調節弁、２１
５・・・水分回収熱交換器、２１６・・・排水量脚筒弁
、２１７・・・原燃料（ナフサ）調節弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、混合成分の原燃料を水素ガスに改質する燃料吹繊装
   置、圧縮した酸素ガスを供給するための空気供給系およ
   び供給された水素ガスと酸素ガスの反応により電流を出
   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、燃料改質装置出口の水素リッチ・ガス温度に応じ
   て燃料改質装置の補助燃料流量と補助空気流量を調節す
   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
   。 ２、特許請求の範囲第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ｆ料教員
   装置出口の水素リッチ・ガス温度設定値を決め、この設
   定値と燃料改質装置出口の水素リッチ・ガス編度の偏差
   ｔ−フィード−゛パック制御処理した信号により燃料改
   質装置の補助燃料流量と補助空気流量を調節することを
   特徴とする燃料ＩＩＩ［池宛電プラント制御システム。 龜　特許請求の範囲第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決められ
   るフィード・フォワード制御信号と負荷指令の時間変化
   特性に応じて決められるオーバ／アンダ・ファイアリン
   グ制御信号を組合せた制御信号および燃料改質装置出口
   の水素リッチ・ガス温度に応じて燃料改質装置の補助燃
   料流量と補助空気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、特許請求の範囲第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、燃料改質装置出口の水素リッチ
   ・ガス温度に応じて燃料改質装置の補助燃料流量と補助
   空気流量を調節すると共に、燃料改質装置出口の排ガス
   中の酸素濃度に応じて補助空気流量を補正調節すること
   を特徴とする燃料電池発電プラント制御システム。