JPS58133782A - 燃料電池発電プラント制御システム - Google Patents

燃料電池発電プラント制御システム

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JPS58133782A
JPS58133782A JP57015411A JP1541182A JPS58133782A JP S58133782 A JPS58133782 A JP S58133782A JP 57015411 A JP57015411 A JP 57015411A JP 1541182 A JP1541182 A JP 1541182A JP S58133782 A JPS58133782 A JP S58133782A
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battery
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野村 政英
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佐藤 美雄
Minoru Izumitani
泉谷 稔
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    • YGENERAL 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
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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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ri、燃料電池発電システムの制御に係シ。
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フォーマと呼ばれる)、空
気供給系から成る燃料電池発電システムをそれでれ独立
し比制御装置に1611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、jlll1図にその
概略を示す如く、大巻ガス(LNG)およびナフtを原
燃料として供給する原燃料(大巻ガス)14節前200
および原燃料(ナフサ)−節介217によp原燃料(大
巻ガス115およびナフt11gを1会した複合燃料)
101および水蒸気流量−節介201により供給される
水蒸気102t−人力し、電agosの出口の水嵩ガス
1071燃料として熱を得、水素リッチ・ガス103t
−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C0t−水蒸気、と反応させ、炭
酸ガスCO□と水素H1を生成させ主水素ガス104に
一侍るシフト・コンバータ203.電池人口水素ガス1
05の流量を調節rる電池水素ガス−節弁204.電池
で使用する**1供給するため、改質装置排ガス108
を動力源とし1g!気110を加圧する空気供給系20
6、g!気気供給206で作られ九加圧空気111から
電池で必要とする′磁電入口空気112を傅る電池空気
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**の反応により電池出力電流106fr
4るシステムでるる。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Ia科114および補助空気118’i−節
する補助燃料調節弁208および補助空気1に調節弁2
20.電池出口水素ガスおよび電池出口空気を再循環さ
せる水素再循壌ファン209、水索再儂櫃量―節介21
0および空気再循環ファン21g、g!気再循壌量−節
介218がめる。
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るる、すなわ
ち、燃料電池205の負荷が急激に変化すると電池で消
費する水素および酸素量が急激に変化し、圧力が大幅に
変化することになる。
電池内の圧力変化を抑制するために、電池水素ガス調節
弁204および電池空気量−節介207を操作し、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こ
せる必要がめる。
しかしながら、改質装置202の熱源および空気供給系
206の駆動源は、電池出口水素ガス107でめプ、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
する水嵩および酸素の供給量に追従させるのが―しくな
る。
本発明の目的は、急激な*iii変化に対し、改質装−
および空気供給系の出力を安定に追従させ得る燃料電池
発電プラント制御システムを提供するに6る。
本発明は1.橡激なjiFfi変化に対し、改質装置お
よび′9!気供給系の出力t−m池出力出力電流定に追
従させるために、補助燃料流量と補助空気流tt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
応じて先行的に制御するところに特徴が6心。
本発明によ4燃料電池晃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) (27改質装置制御系(#I3図参照)(3)空気供給
系の1ttnt系(第5図、第6図参照)(41合循壌
糸の制御系(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t−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る
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直発生−400から電池出口水素
濃度設定値500を得、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s
og′t−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
!402)、フィード・バック制御信号502を得る。
一方、フィード−7オワード制御f140B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・
7オワード制御信号504t−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2G4への操作信号
506を決するが。
電池水素ガス調節弁、2040前圧すなわら生水素ガス
圧力偏差信号622(48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九ことによる効果を電池出力が増
加した場合を例にa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ろ水素量が増加する。このため
、電池出口の水素濃度501が低下し、これを補償する
ようにフィード・バッ夕tIllII4i器402が1
1111!、弁204を開くことにより、電池出口の水
素鎖31501を回復させる。ところが、升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、王水票
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。生水素
ガス圧1Mg1号522で槽圧する効果はここにるる。
すなわち、上記例では、主水素ガス圧カー差522ri
正の方向に増加し、加算11404t−介し、弁204
を閉じる方向に勧く。すなわち。
升204が一方的に開くのを抑制するというII&乾t
NIら、王水票ガス圧521の変mを抑える効果かめる
。慎耗ブロック405は、上記趣旨から。
率なる比例でも良いし、める閾t+tt−超えた時のみ
−き、弁204の信号をホールドするという方法−考え
られる。賛するに%主水素ガス圧力521の叢mt抑制
する機能を弁204の制御系に付加する−のでめればよ
い。
182図の電池空気量−縮伸207も全く同様に。
電池出口酸素IIItL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s
OTを得、電池出口酸素@に検出器302で測定され九
酸素#IIIIL信号50gとの偏差を求め(減算54
07)、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1lIl#器408)、フィー
ド・バック制御信号51Gを祷る。一方、フィード・フ
ォワード制御器40G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5
11を求める。
fP207の操作信号SIBは、このフィード・フォワ
ード制御信号511の他に、フィード・バック制御信号
51G、!2!気量関節弁前圧(主空気圧力)偏差信号
562によ)決められる。プロッタ411の績絽及び効
果は、ブロック405と全く同様で6る。
次に、改質装置制御系の一実M1例を篇3図を用いて説
明する0図でまず電池水素ガス−縮伸204の前圧でる
る主水素ガス系圧力設定値発生9420でンよ、中給か
らの負荷指令LDの関数で主水素ガス糸圧力設定値52
0を求める6次に、主水素ガス圧力愼出11i521と
0v14差522を求め(ブロック4213.比例・積
分等のフィード・バンク側−演算t−実施しくブロック
422)、フィード・バック1Itl#信号523t−
決定する。一方、フィード・7オワード制御器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71−ド・フォワード制御信号524を求める
又、ブロック425は、i82図に示し次電池出口水素
員flJii差信−102’t−人力し、弁204の動
作と一一して弁200・217を動作させるための+I
A能でめ9.弁204に対正すゐ弁200・217の信
号525倉酎其”する。原燃料デマンド積増526は、
これら3つの信号523,524゜525の和として求
めらnる。
久に、上で得らnftニー原燃料デマデマンド526に
従って弁200および弁211−用いて原燃料Jl會操
作するが、これについて説明する。まず。
生水素ガス系水$a度設建値発生−432によp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、主水素ガス系水素#度検aSasos
で調定され九水素濃度信号535との偏差を求め(減算
器433)、比例・積分等のフイ、−ド・パックlll
1ll演算管実施しくフィード・バック制御器484)
、フィード・バック制御信号537を求める。−万sフ
ィード・7オワード制御器43s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・7オワ一ド制御信号538を求める。弁20Gの原
燃料分担率!s39は、このフィード・フォワード制御
信号638の他に、フィード・バック制御信号537に
よシ決められる。弁200の操作信号540r!、原燃
料デマンド826に弁200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IK相当すゐ信号541から弁2000鳳燃1’1
Jii率5$91差引自(減算lI438)、4られた
弁217の原燃料分担率542に原燃料デマンド516
を掛けて求められる(乗算器439)。
また、水蒸気流jl!Ii1節弁201節介作信号53
3rt次のようにして決定する。まず、主水素ガス系水
分設定値発生量426によp中給からの負荷指令LD+
7)@数として主水素ガス系水分設定値527を侍、王
水素ガス系水分検出4304で測定された水分信号52
gとの偏差を求め(減算器427)、比例・積分等のフ
ィード・バック制御演算を夾施しくフィード・バック制
#!42B)、  フィード・パンク制惧惜−8sao
l侍る。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9P201のフ
ィード・フォワード制#佃号531f:求める。弁20
1の操作[号533は、このフィード・フォワード制#
41111号−531とフィード・バック制御信号53
0により決められる。
また、f4助燃料調節弁208および補助空気量、11
1m1lj弁2200嫌作信号557および558は。
44図のようにして決定する。まず、−リフオーマ出日
水累リッチ・ガス系mtW&定<*s%a450によシ
中給からの負荷指令LDの関数として温度ガス系温度検
出器308で測定された温度信号551との偏差を求め
(減算!!451)、比内・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@9458)、
フィー)’・バンク制御信号553t″得る。一方、フ
ィード・フォワード制御!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1m号5851−求める。また、オーバ/アンプ・
7アイアリング制御器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@會オーバ/アンダ・7
アイアリ/グするllK1#僅号55信号求める。弁2
08の操作信号557に、上記のフィード・7オワード
制御信号555.フィード・バック制御信号553およ
びオーバ/アンプ・ファイアリング制御信号554にょ
シ決められる。
弁220の操作信号558は、比率設定@457におい
て弁20gの操作信号557よ凱補助燃料114と補助
空気11Ji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。
凶で、m力源は燃料改質装置1202の排ガス10g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7’を圧#lI2
063によシ、空気110の圧力全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−され九空気
111は、弁207(第1図)により燃料型・池で必要
とされろ空気量を引き抜かれ。
残りは升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1図では省略したが、出1m空気ittの一一は、
改質[11m202における水素燃焼用の空気としても
使用さnる。
dl16−は、空気供給系206に対する制御方式tボ
す。まず、王g!気糸圧力設定瀘発生−460にkいて
中給からの負#指令LDの関数で弁2070繭圧(生空
気系圧力)561の設定111560t−犬め、上空A
糸圧力検出i!!!309の出力561との偏差562
を永める。次に、比例・積分等のフィード・バツク市l
i−演st−実施しくフ゛ロック番62)、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Ii!i!463では
中給からの負荷指令LDI2)関数として弁2061の
フィード・フォワード信号564に決定する。父。
ブロック465r!、弁207とi&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。
次に、再傭壌系の制御系の一実施ガt−第711t−用
いて説明する。図でまず、am出出口素ガス糸圧力設定
値発生!470により#P船からの負荷指令LDの関数
として電池用ロ水素ガスダ圧力設定値570t−求める
。次に、電池用ロ水素ガス系圧力信号571との偏差5
72を求め(ブロック471 )、比内・積分等のフィ
ード・バック制御器Jlを実施しくブロック47g)、
フィード・バック制#僅4573に決定する。一方、フ
ィード・7オワード制御−473では、中給からの負荷
指令LDの関数として水嵩再循環量調節弁210のフィ
ード・フォワード信号574t−求める。また、ブロッ
ク475は、酸素再循壌量−節弁219の動作と協−し
て弁210に動作させるための機能でφ91升219の
信号に対応して弁21Gのig号575に1譚する。弁
210の操作信号576は、これら3つの111号57
3,574,575の和として求められる。
また、同図のm票再循壌瀘−路弁219の操作16号5
91は5次のようにして決定する。まず。
鴫池出口水素ガス/空気系水分比設定111発生器48
3により中給からの負荷指令LDIZ)関数として水素
ガス、@/?!気系水分比設定値580を傅。
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611定された水分1f1号5
77.578の比579との1差tXめ(滅J!器41
1)、比ガ・檀分尋のフィード・バンク制御演Jlt−
実施しくフィード・バンク制御41器485)、フィー
ド・バック制wiigI号582に一得る。一方、(池
田ロ水素ガス系/空気系差圧設定り1&発生―476で
は、中給からの負荷指令LDの関数とし−C差圧設定値
583を求める。′亀池出口空気系圧力設建値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.電池出口水素ガス系圧力信号571によp
決められ、電池出口空気系圧力検出312で測定された
空気圧力信号SSSとの偏差を求め(減算i1s47g
)、比例・積分等のフィード・バッタ制御演算を実施し
くフィード・バック制御器47G)、フィード・バック
制御信号588を得る。ま九、フィード・フォワード制
御19480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B89f求
める。弁219の操作信号591は、このフィード・7
オ9−ド制御信号589の他に、 フィー)’−ハック
11111111号511B。
電池出口水素ガス系圧力偏差572により決められる。
本発明の一実m例においては、改質装置202への水蒸
気102の供給量を主水嵩ガス系の水分フィード・バッ
クによp制御するようにし良が(第3図参照)1嬉8図
に示すように主水嵩ガス系の一酸化炭素(CO)濃度フ
ィード・バンクによシ制御するようにしてもよい。すな
わち、まず。
水素ガス系−改化炭素#度設建値発生4600により中
給からの負荷指令しDc/)関数として王水素カス系−
酸化炭1g設定値700を得、主水素ガス糸−酸化炭:
R磯度横出器311で測定さnた一酸化炭票mtL信号
701との偏差を求め(減算器601)、比例・積分等
のフィード・バック制御演算を夾厖しくフィード・バン
ク制御8602)。
フィード・バック制#信号703會得る。一方。
フィード・7オワード制御J660Bでは、中給からの
負#指令LDの関数として弁201のフィード・フォワ
ード制#信号704t−求める。弁201の操作信号7
05は、このフィード・フォワード制御債号704とフ
ィード・バック制@信号703により決められる。
発明の一実施^においては、中給からの負荷指令LDの
関数としてam変数の設定値およびフィード・フォワー
ド制御器J@を決定するようにしたが、中給からの負4
#指令LDIE1当の4N号で6ればよい。ガえば、#
L電池口電流でもよい。また、オペレータにより設定さ
れた負句デマンドでもより。
発明の一実施真においては、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w&定値と電池用ロ水素ガス系/空気系
差圧設定値によ)決めるようにしてもよい。まえ、中給
からの負荷指令LD(Z)関数として電池出口空気系圧
力設定値を決め、電池出口水嵩ガス系圧力設定値(電池
用ロ水素ガス系/空気系差圧設定値と電池出口空気系圧
力信号る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−tt−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杏循壌量と空気再循環量によシ
制御するようにしたが、電池出口水素ガス系圧力と電池
用ロ空気系圧力會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#
ttそれぞれ水素再循環量と空気再循環量によプ劃御T
o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Jtを王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電池の
4転東件(1度、圧力)は予め決めておいfc賜のを利
用するようにしたが、原燃料の組成會ti(IIJして
この結果に従って改質装置および燃料電池の連転条件を
決定し、この希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#系は、中給からのjil&指
令に従って、燃料電池冷却水流量′にフィード・フォワ
ード制御し、*荷指令の関数として決められる燃料電池
の謳匿設定値と温度針測値との偏差をフィード・バック
制御錫塩し良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、補助燃料fijliと補助空気流量を中央給
電指令所からの負荷指令LDに応じて先行的に制御する
ので、急激″&負荷変化に対して改質装置および空気供
給系の出力を電池出力電流に安定に追従させることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
第1図は1本発明の制御対象でるる燃料電池発電プラン
トの概略構成、第2FjA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IP1
.第5図は、空気供給系の機器構成。 516図は、空気供給系の制御系の一実施儒、第7図は
、再循環系の制御系の−*m内、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、101!・・・水蒸気、103・
・・水素リンチ・ガス、104・・・主水素ガス、10
5・・・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、1
11・・・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)、11g・・・原燃料(ナフサ
)、117・・・水蒸気。 118・・・補助空気%200・・・原燃料(LNG)
調節弁、201・・・水蒸気流量調節弁、202・・・
改質装@(リフオーマ)、203・・・シフト・コンノ
(−タ、20ト・・電池水素ガス調節弁、20ト・・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、21G・・・水素再循環量1M節弁、21
1・・・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。 215・・・水分回収熱交!II&器、216・・・排
水量関節弁、217・・・原燃料(ナフサ)調節弁。 代虐人 弁理士 高橋明夫

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、混@成分の原燃料を水嵩ガスに改質する燃料改質装
    置、圧細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、負荷指令に応じて燃料改質装ago補助燃料流量
    と補助燃料流量會調節すること’t**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決められ
    るフィード・7オワ一ド制御信号とjlL荷描令の時間
    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許とする燃料電池発
    電プラント制御システム。
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