JPS6229867B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、原燃料、たとえばメタンガスを主
成分とする天然ガスを水蒸気改質して水素燃料ガ
スを作り、これを水素−酸素（空気）型燃料電池
に供給して直流電力を発生させ、場合によつては
更にインバータを介して交流電力を得るような燃
料電池発電システム、とくにその燃料制御システ
ムに関する。

この種の燃料電池発電システムは、米国におけ
るターゲツト計画を端緒として種々の研究開発、
改良がなされているが、システム上はいくつかの
課題があり、そのうちの大きなものは負荷変化に
対する応答性の問題である。すなわち、燃料電池
の負荷変化に対する応答は瞬時的であるのに対
し、改質装置を主体とする燃料処理装置の応答に
は時間遅れがあるため、何らかの対策を施さない
と、負荷変化に対し電力供給が追従できず、また
燃料電池に過差圧が加わつて機械的強度を脅かす
可能性がある。

この対策として、特開昭53−81923号にて一つ
の方法が提案されている。この方法は、燃料電池
の負荷変動を圧力変動としてとらえ、これに基づ
いて原料供給調整弁の開度を設定し、燃料電池の
燃料排ガスを改質装置のバーナへ供給するための
供給調整弁は改質装置の温度に依存して制御する
というものである。

この従来技術によれば、負荷変動に対して燃料
制御を比較的迅速に応答させることが可能ではあ
るが、燃料電池効率に対して影響度の大きい水素
利用率を任意に設定することができない欠点があ
る。すなわち燃料電池の消費水素ガス量と供給水
素ガス量との比である水素利用率は、燃料電池の
効率に直接関係するものであるが、燃料電池の燃
料排ガスを改質装置バーナの燃料源とする場合
に、その供給調整弁を改質装置の温度が一定とな
るように制御すると、燃料改質装置は一定の水素
ガスしか出力できなくなる。このため燃料電池側
では低い水素利用率を余儀なくされることにな
る。燃料電池単体の効率から見れば、水素利用率
が低い方が燃料電極の全域にわたつて新鮮な水素
ガスの連続供給を受けることにつながるから好ま
しいのであるが、水素利用率が低いということ
は、燃料電池を素通りして未反応のまま排出され
る反応物質の流量を増加させることを意味し、バ
ーナで単に燃焼させるだけのために高い費用をか
けて原料ガスを改質していることにつながるか
ら、プラント全体の効率から見れば好ましいこと
ではない。

一方、水素利用率を極度に高めると、燃料電池
の効率が低下するのみならず、負荷変動時、とく
に負荷の急増時に対処できないことになる。すな
わち、燃料電池に供給される燃料ガス中に含まれ
る電気化学的な反応物質の量と、燃料電池の出力
電圧との間には、出力電流を一定とすると、第３
図に示すような燃料中の反応物質の利用率に対す
る出力電圧特性が認められるので、燃料電池出力
を確保するためには、第３図に示すＡ点以下に反
応物質の利用率を下げて運転する必要がある。こ
のためプラント効率を最大ならしめる最適の燃料
電池の水素利用率が存在することになるが、この
値は前述の改質反応から定まる値とは一般に一致
しない。いうまでもなくこの最適値はプラントの
内容によつて当然前後するものであるが、ここで
基本的に必要なことは、プラント効率や燃料電池
効率等に基づいて定められた水素利用率の最適値
を実際にとり得るようにすること、すなわち燃料
電池の水素利用率を任意の値に設定できるように
することである。

前述の従来技術の方法では、水素利用率は必然
的に固定されてしまうので、上記要望にはこたえ
られない。

そこで本発明は燃料電池の負荷変動に対する燃
料制御の迅速な応答性を保ちつつ、燃料電池の水
素利用率をシステム稼動に最適な値に任意設定で
きるような制御方式を提供することを目的とす
る。

この目的は、本発明によれば、燃料電池の負荷
に見合つた電気量を入力とし、あらかじめ設定さ
れた水素利用率に相当する燃料ガスの流量設定値
信号とこの流量設定値から電池で消費される必要
水素流量値を差し引いた燃料排ガスの流量設定値
信号とを前記電気量をパラメータとする関数とし
て発生する演算部を設け、この演算部からの燃料
ガスの流量設定値信号と燃料ガスの供給流量測定
部からの流量実際値信号とを燃料ガスの流量測定
部で比較し、この比較結果に基づいて燃料ガスの
流量調整弁へその弁開度を調節すべき開度設定値
信号を与えるとともに、前記演算部からの燃料排
ガスの流量設定値信号と燃料排ガスの供給流量測
定部からの流量実際値信号とを燃料排ガスの流量
調節弁で比較し、この比較結果に基づいて燃料排
ガスの流量調整弁へその弁開度を調節すべき開度
設定値信号を与えることによつて達成される。

第１図は本発明が好適に適用され得る燃料電池
発電システムの一実施例の基本系統図である。

第１図において、１０は水素−酸素（空気）型
の燃料電池で、燃料室１１、酸化剤（空気）室１
２、電極１３および１４ならびに電解液室ないし
は電解液含浸マトリツクス１５から構成されてい
る。空気室１２には、空気源１６からブロア１７
を介して空気が給送される。この空気は燃料電池
起動時および必要に応じて運転時にブロア１８お
よび起動用空気加熱器１９を介して一部循環させ
られて所定の温度に保持される。燃料室１１には
原料ガスを水蒸気改質して得た水素を多量に含む
燃料ガスが供給される。改質プロセスは次のとお
りである。

まず原料ガスとしては、メタンガスを主成分と
する天然ガスが用いられるが、改質用の触媒の活
性低下の原因となる硫黄分を除去するために、原
料ガス源２１からの原料ガスに水素（たとえば後
述する気水分離器４９からの水素含有ガスの一
部）を添加して、脱硫反応器２４に送り込む。脱
硫反応器２４において硫黄分を除去された原料ガ
スは、水蒸気発生装置２５からの水蒸気とともに
改質装置３０に送られる。改質装置３０はたとえ
ば外部加熱形の多管式反応炉として構成され、メ
タンガスと水蒸気とをたとえばニツケル系触媒に
より反応させて、一酸化炭素と水素とを生成す
る。改質装置３０には、燃料電池の空気室１２か
らの排出ガスを配管３２を介して供給するととも
に、燃料電池の燃料室１１からの排出ガスを、場
合によつては補助燃料としての原料ガスの一部と
混合したうえで配管３４を介して供給し、改質装
置３０内で燃焼させる。

さて、改質装置３０を通過して水蒸気改質され
た原料ガスは、燃料電池１０の電極１３を劣化さ
せる一酸化炭素を含んでいるので、一酸化炭素変
成器４０に送られ、ここで一酸化炭素を二酸化炭
素に変成する。

かくして精製された水素を含む燃料ガスは冷却
器４８にて冷却されたのち、気水分離器４９にて
水分を分離され、必要に応じてリザーバタンクを
介して燃料電池１０の燃料室１１に供給される。
燃料ガスは、燃料室に供給される前に適当な方法
で所定の温度に予熱される。

燃料電池１０の出力は直流（DC）であるの
で、サイリスタ変換装置６０にて交流（AC）に
変換して最終的な出力とされる。

以上が本発明の適用される燃料電池発電システ
ムの概要であるが、実際のシステムにおいては各
種の弁や計測制御機器が必要であり、第１図には
これらのうち主要な弁のみが示されている。すな
わち、Ｖ１は原料供給調整弁で改質装置３０へ供
給する原料ガスの流量を調整する。Ｖ２は水蒸気
供給調整弁で、改質用の水蒸気の流量を調整す
る。Ｖ３は圧力調整弁で気水分離器まで含めた燃
料処理装置、実質的には改質装置の内部圧力を調
整する。Ｖ４は燃料電池への燃料ガス流量を調整
する流量調整弁、Ｖ５は燃料電池の燃料圧力調整
弁、Ｖ６は燃料排ガス供給路より分岐する逃し流
路に設けられた改質装置のバーナ燃料調整弁、Ｖ
７は同じく補助燃料調整弁である。調整弁Ｖ４は
燃料ガスの供給流路に設けられる本発明の第１の
調整弁を構成し、調整弁Ｖ６は燃料電池の燃料排
ガスを逃し流路を介して処理塔３９へ分岐排出す
ることにより調整を行なうもので本発明の第２の
調整弁を構成する。

第２図は本発明の実施例を示すもので、動作原
理の理解を容易ならしめるために、各種配管系は
要部のみを抽出しかつ簡略化して描かれている。

第２図において、第１図と対応する部分には同
一の符号が付されている。５０は第１図における
原料供給調整弁Ｖ１と燃料ガス流量調整弁Ｖ４と
の間の燃料処理装置全体を示すが、その主体は改
質装置３０であり、そのバーナ部が５１で示され
ている。Ｑ４は燃料ガスの供給路を流れる燃料ガ
スの流量を測定する第１の流量測定部で燃料ガス
流量調整弁Ｖ４の流量調節器Ｃ４に流量実際値信
号を供給する。Ｑ６は燃料排ガスの供給路を流れ
る燃料排ガスの流量を検出する第２の流量測定部
でバーナ燃料調整弁Ｖ６の流量調節器Ｃ６に流量
実際値信号を供給する。Ｐ５は圧力測定部で圧力
調整弁Ｖ５の圧力調節器Ｃ５に燃料電池１０の燃
料室１１の入口圧力実際値を供給する。圧力調節
器Ｃ５には圧力設定値Ｓ５が与えられるので、圧
力調節器Ｃ５は燃料室１１の圧力が設定値に等し
くなるように圧力調整弁を制御する。７０は演算
部で、燃料電池の電気負荷をたとえば有効電力検
出部７１にて検出し、これと予め設定されている
電池特性および水素利用率設定値との関数から、
燃料ガスと燃料排ガスの適切な流量設定値を演算
にて求め、これを流量調節器Ｃ４およびＣ６に供
給する。

すなわち、演算部７０における関数は次のよう
に設定される。つまり、燃料電池においては、水
素利用率が増大すると電池の出力電力は減少する
傾向にあり、逆に水素利用率が低すぎると電池の
システム効率が悪いため、この２つの条件を満足
する最適な水素利用率Ｘをあらかじめ設定すれ
ば、電池の有効電力Paに対する燃料ガスの供給
流量Ｆ_Hは下式によつて求まる。

Ｑ＝Ku・Ｋ_E・Pa／ｎ／Ea Ｆ_H＝Ｑ／×／Ｙ_H ここでＱ：必要水素流量（Nm／Ｈ），Ku：単
位変換定数、Ｋ_E：電気化学的定数、Pa：有効電
力（Ｗ）、η：サイリスタ変換装置効率、Ea：平
均単電池電圧（Ｖ）、Ｆ_H：燃料ガスの供給流量
（Nm／Ｈ）、Ｘ：水素利用率、Ｙ_H：燃料ガス中
の水素比率とする。

したがつてバーナ燃料流量Ｆ_Bも下式によつて
求まる。

Ｆ_B＝Ｋ_R・（Ｆ_H−Ｑ） 但し、Ｋ_Rは負荷に応じて設定する定数であ
る。

流量調節器Ｃ４では、演算部７０からの燃料ガ
スの流量設定値信号と流量測定部Ｑ４からの流量
実際値信号とを比較し、この比較結果に基づいて
燃料ガスの流量調整弁Ｖ４へその弁開度を調整す
る開度設定値信号を与える。一方、流量調節器Ｃ
６では、演算部７０からの燃料排ガスの流量設定
値信号と流量測定部Ｑ６からの流量実際値信号と
を比較し、この比較結果に基づいて燃料排ガス流
量調整弁Ｖ６へ、その弁開度を調整する開度設定
値信号を与える。なお、流量調節器Ｃ４と流量調
整器Ｃ６は、それぞれ本発明の第１および第２の
流量調整部を構成する。

いま、燃料処理装置５０は、第１図における原
料供給調整弁Ｖ１と燃料ガス流量調整弁Ｖ４との
間の燃料処理装置全体を示しており、気水分離器
４９およびリザーバタンク８０の圧力制御と原燃
料流量・水蒸気流量制御も、それぞれの制御手段
によつて適正に制御されている状態を仮定し、燃
料電池の電気負荷が上昇した場合を考える。電気
負荷の上昇により有効電力検出部７１の出力が増
加すると演算部７０ではそれに見合つた燃料ガス
の流量設定値を演算して流量調整器Ｃ４に供給す
る。流量調整器Ｃ４では流量測定部からの流量実
際値との比較結果により弁開度設定値を求め、こ
れを調節弁Ｖ４に供給して燃料ガス流量調整弁Ｖ
４の弁開度を大きくする。これと同時にバーナ燃
料調整弁Ｖ６の流量調節器Ｃ６には燃料排ガスの
流量設定値が供給され、流量調節器Ｃ６では流量
測定部からの流量実際値信号との比較結果によ
り、弁Ｖ６にはその弁開度を小さくするような設
定値が供給され、この結果バーナ５１にはより多
くの燃料が送られて改質装置の出力を増すような
制御が行なわれる。この際、燃料電池の燃料室圧
力は過差圧防止等の目的から定値制御されるた
め、圧力調整弁Ｖ５の制御の結果バーナ燃料流量
が変化するが、これは流量調節器Ｃ６にて流量測
定部Ｑ６からの帰還信号により微調整される。

燃料電池の電気負荷がより増大してバーナ燃料
調整弁Ｖ６を全閉してもなお足りない場合には、
第１図に示す補助燃料調整弁Ｖ７を演算部７０の
出力に基づいて開くようにすればよい。電気負荷
減少時には弁Ｖ６の開度増にて対処できる。

このように本発明によれば、改質装置のバーナ
燃料流量を改質装置の温度にのみ依存させて制御
するのではなく、燃料電池の電気負荷に依存させ
て制御するようにしたため、燃料電池の水素利用
率は任意に設定することが可能となり、プラント
全体の効率を最適値にもつていくことができるよ
うになる。

なお、云うまでもないことであるが、改質装置
の出口温度はバーナ燃料調整弁の究極的な制御目
標値であるから、これを測定して流量調節器Ｃ６
に付加的な帰還信号として供給することは目的に
かなつていることである。この場合には別途温度
調節器を設け、その設定値として演算部７０の出
力を印加し、温度調節器の出力を流量調節器Ｃ６
の設定値とするのが好適である。

本発明における燃料電池の電気負荷検出は、有
効電力の検出のほかに電流単独での検出も採用で
きる。この場合には、演算部７０における必要水
素流量Ｑの値は下式によつて求まる。

Ｑ＝Ku・Ｋ_E・Ｉ・Ｎ ここで、Ku：単位変換定数、Ｋ_E：電気化学的
定数、Ｉ：直流出力電流（Ａ）、Ｎ：燃料電池直
列接続個数とする。また演算部には電気負荷以外
の必要な入力も与えることが可能であるが、本発
明の目的を達成するうえでは電気負荷が支配的な
演算部入力であるので、その余の入力の説明は省
略する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の適用可能な燃料電池発電シス
システムの基本系統図、第２図は本発明の実施例
の要部系統図、第３図は燃料電池の反応物質利用
率と出力電圧との関係を示す曲線図である。 １０……燃料電池、３０……改質装置、４０…
…一酸化炭素変成器、５０……燃料処理装置、７
０……演算部、Ｖ４……燃料ガス流量調整弁、Ｖ
６……バーナ燃料調整弁。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 原燃料を改質して水素燃料ガスを生成する改
   質装置を含む燃料処理装置と、該燃料処理装置か
   ら得られる水素燃料ガスを燃料とする燃料電池と
   を備え、燃料電池の燃料排ガスを改質装置のバー
   ナ燃料として利用するようにした燃料電池発電シ
   ステムにおいて、燃料電池への燃料ガス供給路に
   設けられた第１の調整弁と、前記燃料ガスの供給
   路を流れる燃料ガスの流量を測定して該流量の実
   際値信号を出力する第１の流量測定部と、燃料電
   池から前記改質装置のバーナに至る燃料排ガス供
   給路に設けられ該燃料排ガスの一部を外部に放出
   する逃し流路と、この逃し流路に設けられた第２
   の調整弁と、前記燃料排ガスの供給路を流れる燃
   料排ガスの流量を測定して該流量の実際値信号を
   出力する第２の流量測定部と、前記燃料電池の出
   力から電池の負荷に見合つた電気量を検出する負
   荷検出部と、あらかじめ設定された水素利用率に
   相当する燃料ガスの流量設定値信号とこの流量設
   定値から必要水素流量値を差し引いた燃料排ガス
   の流量設定値信号とを前記電気量をパラメータと
   する関数として発生する演算部と、この演算部か
   らの燃料ガスの流量設定値信号と前記第１の流量
   測定部からの流量実際値信号とを比較しかつこの
   比較結果に基づいて前記第１の流量調整弁へその
   弁開度を調節すべき開度設定値信号を与える第１
   の流量調節部と、前記演算部からの燃料排ガスの
   流量設定値信号と前記第２の流量測定部からの流
   量実際値信号とを比較しかつこの比較結果に基づ
   いて前記第２の流量調整弁へその弁開度を調節す
   べき開度設定値信号を与える第２の流量調節部と
   を備えたことを特徴とする燃料電池発電システ
   ム。