JPS58133781A - 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（改質装置あるいはリフオーマと呼ばれる）、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友。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−ガス）１１節節介００および原
燃料（ナフサ）調節弁２１７により原燃料（天−ガス：
１１５およびナフサ１１６を混合した複合溶料）１０１
および水蒸気流量調節弁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
燃料として熱を得、水素リッチ・ガス１０３を生成する
改質装置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ＣＯ，と水
素Ｈ７を生成させ主水素ガス１０４を得るシフト・コン
バータ２０３．電池人口水素ガス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、改質装蓋排ガス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ケ侍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
工り電池出力電流１０６を得るシステムである。また、
′離油出口水素ガス１０７は、改質装ｒＩＩ１２０２の
熱湯および空気供給系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１
１４および補助空気１１８を調節する補助燃料調節弁２
０８および補助空気量調節弁２２ｏ１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１１７アン
２０９．水素再循環量調節弁２１０および空気再循環フ
ァン２１８．空気再循環量調節弁２１８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、燃料改質装置へ供給する原燃料と水蒸気の比率
のキャリブレーションである。すなわち、改質装置へ供
給する原燃料は、ＬＮＧ。

ナフサなどであるが、これらの原燃料は、産地あるいは
製造プロ七スにより組成にバラツキがある。

このため、従来は、原燃料に対する水蒸気の比率を大き
めに設定し、すべての原燃料に対応できるようにしてい
た。しかしながら、この方式では、原燃料に対して必要
な水蒸気の比率が上記設定値より小さい原燃料に対して
、不要な水蒸気を昇温するために余分な熱エネルギを消
費し効率が低下するという問題がある。

本発明の目的は、原燃料の組成が産地あるいは製造プロ
セスによりバラツキがあっても、燃料改質装置へ供給す
る原燃料と水蒸気の比率を最適値に保ち、不要な水蒸気
を昇温するための熱エネルギの消費を少なくして燃料電
池発電プラントの効率を向上させ得る溶料電池発電プラ
ント制御システムを提供するにある。

本発明は、燃料改質装置へ供給する原燃料と水蒸気の比
率を最適値に保ち、不要な水蒸気を昇温するための熱エ
ネルギの消費を少なくして効率を向上させるために、Ｐ
科改質装置Ｆ流の水素ガス中の一酸化炭ｌＬ濃度が所定
の値になるように燃料改質装置へ供給する水蒸気流量を
調節するところＶＣ％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ｅよ、
大きく次の４つに分けられる。

ｆｌｌ　　熔料鑞地制御系（第２図参照）（２）改質ｆ
ｅ＃制御系（第３図参照）（３１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つの制御系の一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５０Ｑ−得、電池出口水素濃度検出器３０１で
測定された電池出口の水素濃度信号５０１との偏差５０
２を求め（減算器４０１）、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４ｏ
２）、フィード・バック制御備考５０２を得る。一方、
フィード・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
素ガス圧カー差悟号５２２（第３図参照）でこの弁２０
４への操作悄号を補正する。

このような補止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Ｖｃｄ！、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１１ｆ５０１が低Ｆし、これを
補償するようにフィード・バック制御器４０２が働傘、
弁２０４を開くことにより、電池出口の水素＃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２０
２（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、電池出口の水素一度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を閉じる方向に慟〈。

すなわち、升２０４が一方的に開くの全抑制するという
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２０
４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
２０４の制御系に付加するもので・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
口酸素濃度設定値発生器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役定値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・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。一方、フィード・フォワード制＃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。

弁２０７の操作信号５１３は、このフィード・フォワー
ド制御信号５１１の他に、フィード・バッタ制御信号５
１Ｏ０空気量−節介前圧（主空気圧力）偏差憤号５６２
により決められる。ブロック４１１０機能及び効果は、
ブロック４０５と全く同様である。

次に、改質＃ｔｔ１１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
である王水素ガス系圧力設定値装生器４２０でｅま、中
給からの負荷指令Ｌ　Ｉ’）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ｌ
１ｉ５２１との偏差５２２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
定する。一方、フィーニド・フォワード制御器４２３で
は、中給、からの負荷デマンドＬ７１）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′
ｔｌ−求める。

父、ブロック４２５は、ｉ＠２図に示した′電池出口水
素＃厩偏差信号５０２を人力し、弁２０４の動作とＶＡ
ａｌｌ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゜２１７０信号５２
５を計算する。ｉｆＰ科デマンド信号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２１７ｔ−用いて庫燃料量を操作する
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１ｉ１発生器４３２により中給からの負荷指令Ｌ
Ｄの関数として主水素ガス系水素濃度設定値５３４を得
、主水素ガス系水素濃度検出器３０５で測定された水素
？ＳＳ傷信号３５との偏差を求め（減算Ｊａ４３３）、
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４３４）、フィード・バック制御
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の原燃料分相率のフィード・フォワード制御信号
５３８ｆ：求める。弁２００の原燃料分相率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２０
０の操作信号５４０は、原燃料デマンド５２６に弁２０
０の原燃料分用４５３９を掛けて求められる（乗算器４
３７）。また、弁２１７の操作信号５４３は、足載１４
こ相当する信号５４１から弁２００の原燃料分用＄５３
９を差引き（減算器４３８）、得られた弁２１７の１京
熔料分担率５４２に原鯵料デマンド５２６を掛けて求め
られる（乗算器４３９）。

また、水蒸気１ｔａｌ１節弁２０１の操作信号５３３は
、次のようにして決定する。まず、主水素ガス糸水分設
Ｗ埴装生器４２６により中給からの負荷指令Ｌ　Ｉ）の
関数として主水素ガス系水分設定値５２７を得、主水素
ガス系水分設定値３０４で測定された水分信号５２８と
の偏差金求め（減Ｊｌ器４２７）、比例・積分尋のフィ
ード・バック制御器Ｗ、を実施しくフィード・バックＩ
ｌ制御器４２８）、フィード・バック制御信号５３０を
得る。一方、フィー　ド・フォワード制ｍ６４２９では
、中給からの負荷指令Ｌｒ）の関数として升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５３３は、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、補助溶料調節弁２０８および補助空気量調節弁２
２０の操作信号５５７および５５８ｒｉ、第４図のよう
圧して決定する。まず、リフオーマ出口水素リッチ・ガ
ス系温ｌｆｅ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・ガス系温度検出器３０８で測定された
＠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４５３）、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４５
４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／アンプ・ファイアリング制御ｇＩ器４５２で
は、中給からの負荷指令ＬＤの時間費化に応じて補助燃
料をオーバ／アンプ・ファイアリングする制御信号５５
４を求める。弁２０８の操作信号５５７は、上記のフィ
ー　ド・ラオワード制御信号５５５．フィード・バック
制御１号５５３およびオーバ／アンプ・フーｒイアリン
グ制御信号５５４により決められる。

升２２０の操作信号５５８は、比４ｅ定器４５７におい
て弁２０８の操作信号５５７より、補助鯵料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れ
る。

第５図は、空気供給系２０６の機器構成を示す。

図で、動力運は溶料改質装置２０２の排ガス１０８で、
この排ガスでガス・タービン２０６２ｔ−駆動し、この
ガス・タービン２０６２に直結した圧縮機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（４１図）により燃料電池で必要とされる空気
量を引き抜かれ、残りは升２０６１’に介してガスター
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１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・バック制御演算を実施しくブロ
ック４６２Ｘフイード・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Ｌｒ）の関数として弁２０６１のフィ
ード・フォワード信号５６４を決定する。又、ブロック
４６５は、弁２０７と協−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。

次に、再循環系の制御器の一実施例１に第７図を用いて
説明する。図ではまず、電池出口水素ガス系圧力設定値
発生器４７０により中給からの負荷指令Ｌｒ）の関数と
して電池出口水素ガス系圧力設定値５７０を求める。次
に、電池出口水素ガス系圧力信号５７１との偏差５７２
を求め（ブロック４７１）、比例・積分等のフィー　ド
・バック制御屓織を実施しくブロック４７２）、フィー
ド・バンク制御信号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
Ｉ、１）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２１
０の操作信号５７６は１これら３つの信号５７３，５７
４，５７５の相として求められる。

また、同図の酸素再循環を調節弁２１９の操作信号５９
１は、次のようにして決足する。まず、邂他出口水素ガ
ス／？！気系水分比設定値発生器４８３により中給から
の負荷指令Ｌ　Ｄの関数として水素ガス系／空気系水分
比ｅ足値５８０を得、−曲、出口水素ガス系水分検出器
３０６および電池出口？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にフ
ィード・バック制御信号５８２を得る。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ＬＩ）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Ｋ。

フィード・バック制御信号５８２．電池出口水素ガス系
圧力信号５７１により決められ、電池用１ロ空気系圧力
検出３１２で測定された空気圧力信号５８６との偏差を
求め（減算６４７８）、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・バラ夛制御器４７９）
、フィード・バック制御信号５８８を得る。また、フィ
ード・フォワード制御器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５８９ｔ−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゜電池出口水素ガス系圧
力偏差５７２により決めら／ｌる。

Ａ′発明の一実施例においては、改質装置２０２Ｎの水
＃気１０２の供給量を王水素ガス系の水分フイ　−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・バックによす制−するようにしてもよい。

ｔなわち、まず、水素ガス系−酸化炭素ａｒＬｅ定値発
生器６００により中継からの負荷指令Ｌ　Ｉ）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＃度検出−４３１１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・バック制御漬菖會爽施しく
フィード・バック制御器６ｏ２）、ノイ−ド・バック？
ＩＩＩＪ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＃ｉ指令Ｉ、■）
の関数として弁２０１のフィード・フォワード制御信号
７０４を求める。弁２０１の慄作ＩＭ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は、中給からの負荷指令ＬＤ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用ロ水素ガス系／
空気系差圧設定値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池用ロ水素ガス系／空気系差
圧殺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用ロ水
素ガス系／空気系差圧殺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０定僅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＃度と電池出
口酸素濃度をそれぞれ゛鑞池水素ガス流量と邂池空気流
曖により制御し、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環１と空気再循＃Ｉｔによ
り？１ｆ１１　ｍするようにしたが、＋ｔａ出ロボロ水
素ガス系圧力池出口空気系圧力をそ五ぞれ電池水素〃ス
流普と電池空気流量によりｔ！ｔ１１ｍし、電池出口水
素１ｌＩ１度と電池出口−素濃度をそれぞれ水素再循１
量と空気再傭壇童により制御するようにして屯よいす 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。

発明の一実施例においては、改質装置および燃料′１１
＃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、ｆｊ原燃料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１庸制御系を例
示しなかつ九が、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、燃料改質装置下流の水素ガス中の一酸化炭素
濃度が所定の値になるように熔料改質装蓋へ供給する水
蒸気流量を調節するので、原燃料の組成が産地あるいは
製造プロセスによりバラツキがあっても、燃料改質装置
へ供給する原燃料と水蒸気の比率を最適値に保ち、不要
な水蒸気を昇温するための熱エネルギの消費を少なくで
きるので、燃料電池発電プラントの効率を向上させる効
果がある。

また、本発明の他の効果として、燃料改質装置下流の水
素ガス中の一酸化炭素濃度が所定の値になるように燃料
改質装置へ供給する水蒸気流量を調節するので、燃料電
池へ供給される水素ガス中の一酸化炭素濃度を低く抑え
ることができ、−酸化炭素によるｆＰ科ＩＫ池の効率低
丁を防１Ｆ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一料電池発酸プラン
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、−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、溶料改質装置制御系の仲の実施例を示す
。 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・・・離油出口水素ガス、１０８・・・改質装電
排ガス、１０９・・・排ガス、１１０・・・空気、１１
１・・・加圧空気、１１２・・・１１ｍ池入０空気、１
１３・・・電池出口空気、１１４・・・補助溶料、１１
５・・・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　）　１４１節弁、２０１・
・・水蒸気流量調節弁、２０２・・・改質１ｔＩｉ（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、２
０８・・・補助燃料調節弁、２０９・・・水素再循環フ
ァン、２１０・・・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
・・・水力回収熱交換器、２１４・・・排水量調節弁、
２１５・・・水分回収熱交換器、２１６・・・排水量調
節弁、２１７・・・原燃料（ナフサ）１１節弁。 代理人　弁理士　高橋明夫 峯　４　日 ３０δ １０６／ ／／’１　　　１０２ −４３２−

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改質装
   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ｆｉ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、燃料改質装置下流の水素ガス中の一酸化炭素濃
   度に応じて燃料改質装置へ供給する水蒸気流量を調節す
   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燃料改質装
   置下流の水素ガス中の一酸化炭素濃ｆ設定値を決め、こ
   の役定値と燃料改質装置下流の水素ガス中の一酸化炭素
   濃度との偏差をフィード・バック制御処理した信号によ
   り燃料改質装置−＼供給する水蒸気流量を調節すること
   ′ｆｒ％徴とする燃料嵯池発区プラント制御システム。 ３、特許請求範囲第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燃料改質装
   置へ供給する水蒸気流量をフィード・フォワード制御す
   ると共に、燃料改質装置下流の水素ガス中の一酸化炭素
   濃度に応じて燃料改質装置へ供給する水蒸気流量を補正
   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。