JPS6229868B2 - - 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改質して燃料を作り、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チムは、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、 (イ) 燃料電池の最大出力作動に対して必要な流量
よりも大きな流量が供給できる原料調節弁と混
合成分供給弁とを含み、 (ロ) 燃料処理装置と燃料電池との間に設けられ燃
料電池の負荷に応じて制御される隔離弁を備
え、 (ハ) 燃料処理装置から燃料電池へ供給する燃料ガ
ス吐出し圧力に比例した信号で原料調整弁と混
合成分供給調整弁を制御する。

ことを主な構成要件としている。

ところが、この方法では、 (a) 一つの制御信号により変化する別の制御信号
によつて、すなわち、燃料電池の負荷変化に基
づき隔離弁を制御した結果として燃料処理装置
の燃料ガス吐出し圧力が変化することを利用し
て連続的な制御を行おうとしているため、応答
時間が未だ十分に短いとはいえない。

(b) 燃料電池最大出力に対して必要な流量よりか
なり大きな流量を供給できる原料調整弁と混合
成分供給調整弁とを備えねばならず、微妙な制
御を要求されるこの種の弁を大容量のものとせ
ねばならない。

という欠点がある。

この欠点を除去するために、燃料電池の電気負
荷に関係する信号を入力とする出力制御演算部を
設け、この演算部にて燃料電池の負荷変動に応じ
た流量設定値を求め、この設定値と実際の流量設
定値とを流量調整器で比較し、この比較結果を燃
料処理装置への原料供給調整弁と改質用水蒸気供
給調整弁および燃料電池への燃料供給調整弁に対
して直接の弁開度設定値として同時に与える方法
が考えられている。

この方法によれば、従来の間接的な制御方法に
比してより迅速な燃料制御の追随性が確保できる
が、実施にあたつて次のような問題を生じる。す
なわち、上記の原料供給調整弁および燃料供給調
整弁はそれぞれ調整用の流量調節器の出力によつ
て開度調整がなされるものであるが、当然のこと
ながらこれらの流量調節器にはフイードバツク用
の流量測定部からの信号が加えられる。この場合
両者の流量測定部間には不可避的な計器誤差が存
在し、しかもこの誤差は時間とともに積算されて
いく性格のものであるから、たとえ出力制御演算
部から両流量調節器への流量設定値が適切なもの
であつたとしても、上記誤差に伴い、燃料処理装
置、とくにその主要部をなす燃料改質装置の圧力
が所望の値から大きく外れてくる可能性がある。

また、燃料ガスの流量調節器への流量設定はた
とえば水素ガス流量の設定であるから、所望の電
力からの換算はかなり正確に保たれるが、原料ガ
スの流量調節器への流量設定はたとえば天然ガス
流量の設定であるから、改質装置の特性変化やガ
ス成分の変動等に起因して所望の電力からの換算
には未確定要素が加わることになる。

本発明はこのような燃料供給と発電電力のエネ
ルギバランス上の問題点を解決して、システムが
最適条件下で運転を継続できるようにすることを
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、燃料ガスの流量設定
値信号と原料ガスの流量設定値信号とを前記電気
量に対応して出力する演算部を設け、この演算部
からの設定値信号により、燃料電池への燃料流量
調整弁と燃料処理装置への原料流量調整弁とを直
接的に制御するとともに、燃料流量調整弁の上流
側の圧力を検出し、この圧力信号に基づいて前記
演算部の原料ガス流量設定値信号または流量調節
部の開度設定値信号を補正することによつて達成
される。この補正の方向は前記圧力が下降（上
昇）した場合には設定出力電力あたりの原料流量
を増加（減少）する方向となる。

本発明の実施にあたつては、燃料電池への燃料
流量調整弁の上流側にリザーバタンク（貯槽）を
設けると負荷変動時の対応が容易になり、かつ補
正信号としての圧力信号の安定性が保たれるので
好都合である。

以下図面を参照して本発明の実施例の構成なら
びに作用効果を説明する。

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、一段または二段の予熱器２３を
介して脱硫反応器２４に送り込む。脱硫反応器２
４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、そ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８
０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
これらのうち本発明に関係の深い弁のみが示され
ている。すなわち、V₁は本発明の第１の調整弁
を構成する原料ガス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は本発明の第２の調整弁を構成する燃料
ガス流量調整弁で燃料電池への燃料ガス供給量を
調整する。なお図において黒く塗り潰した配管系
統は燃料ガスの主径路、二本の線で管状に示され
ている配管系は空気ガスの主径路である。

第２図はこれらの弁を本発明の目的に沿つて制
御するための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は改質装置３０を
主体とする燃料処理装置全体を示し、５１は改質
装置のバーナ部を示す。Q₁，Q₂およびQ₃は流量
測定部、C₁，C₂およびC₃は流量調節計、P₁は圧
力測定部であり、このうちQ₁，Q₃はそれぞれ本
発明の第１および第２の流量測定部を構成し、
C₁，C₃はそれぞれ本発明の第１および第２の流
量調節部を構成する。

７０は本発明の特徴の一つである出力制御演算
部であり、入力として燃料電池の電気負荷に関係
する信号をたとえば有効電力検出部７１から得て
いる。

出力制御演算部７０における演算は次のように
して設定される。すなわち、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に対する原料ガスの
供給流量Ｆ_Nと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_N＝Ｋ_N・Ｑ／Ｘ／Ｙ_H Ｆ_H＝Ｋ_H・Ｑ／Ｘ／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_N：原料ガスの供給流量
（Nm／Ｈ）、Ｆ_H：燃料ガスの供給流量（Nm／
Ｈ）、Ｋ_N，Ｋ_H：各弁の弁開度−流量特性に見合
つた定数、Ｘ：水素利用率、Ｙ_H：燃料ガス中の
水素比率とする。この出力制御演算部７０にはさ
らに燃料ガス流量調整弁V₃の上流側の圧力を検
出する圧力測定部P₁の出力P₁が与えられており、
このほかにも種々の補正値や設定値が与えられる
が、実施例の動作説明には直接関係しないので省
略してある。また燃料電池の圧力制御系、改質装
置のバーナ燃料制御系等もきわめて重要なもので
あるが、これらも本発明の実施例の動作説明に直
接関係しないので省略してある。

さて、出力制御演算部７０は燃料電池の電気負
荷変動に応じて原料ガス供給調整弁V₁および原
料ガス流量調整弁V₃のそれぞれの流量整節器C₁
およびC₃へ直接的に流量設定値SOを与える。流
量設定値SOは図の実施例では水蒸気供給調整弁
V₂の流量調節器にも与えられているが、これは
原料ガス供給調整弁の調整と関連させたローカル
制御に変えてもよい。流量設定値SOは図では同
一の信号が各流量調節器に与えられるように示さ
れているが、各弁の特性に見合つた個別の信号と
されることはいうまでもない。要は流量設定値が
原料ガス流量調節部C₁と燃料ガス流量調節部C₃
とに対して同時にかつ直接的に与えられることが
肝要である。

原料ガス流量調節部C₁に与えられた流量設定
値は、ここで流量測定部Q₁からの流量実際値信
号と比較され、この比較結果に基づいて原料ガス
の流量調節弁V₁へその弁開度を調整する開度設
定値信号を与える。一方、燃料ガス流量調節部
C₃に与えられた流量設定値は、ここで流量測定
部Q₃からの流量実際値信号と比較され、この比
較結果に基づいて燃料ガスの流量調整弁V₃へそ
の弁開度を調整する開度設定値信号を与える。

このように燃料電池の電気負荷に応じて流量設
定を行うと、従来のごとく電気負荷の変動に伴つ
て燃料電池の燃料ガス圧力が変動することを利用
して燃料制御を行う方法に比して、燃料制御の応
答性が改善されることは明らかであるが、このま
までは問題が生じるおそれがある。

すなわち、出力制御演算器７０にて負荷の要求
する電気出力に見合つた燃料供給を行うべく流量
設定値を演算する場合に、燃料ガス流量調節部
C₃に対する流量設定値への換算は、相手が改質
された水素ガスの流量であるため、比較的正確に
行えるうえ、多少の差があつても燃料電池の水素
利用率の許容範囲内で補うことが可能であるのに
対し、原料ガス流量調節部C₁に対する流量設定
値への換算は必ずしも正確性を期待できない。こ
れは前述したごとく相手が天然ガスであること
と、外気温度、冷却水温度、熱交換器効率の経年
変化、改質装置の特性変化など多くの不確定要素
が関連してくるためである。

また、流量測定部Q₁，Q₃について長期間にわ
たつて計器誤差をなくすことは現実問題として不
可能であるので、たとえ流量設定値が適切に演算
され設定されたとしても両者間の計器誤差に伴い
流量不平衡が生じ、かつこの誤差は積算されてい
く性格のものであるから、改質装置３０内の圧力
は所望の値から大きく外れてくる可能性がある。
もちろんこの圧力変化はいずれは系内でバランス
するものであり、また燃料処理装置内でも通常は
圧力制御が実施されるので、破局的な状態に到る
ことはないが、プラント全体を最適な状態で運転
するうえでは支障となるものである。

そこで本発明では燃料ガス流量調整弁V₃の上
流側の圧力を圧力測定部P₁にて検出しその出力P₁
を実施例においては出力制御演算部７０の補正回
路に与えて、原料ガス流量調節部C₁に対する流
量設定値を補正するようにしている。この補正は
出力制御演算部７０にて行なわずに流量調節器
C₁またはその前段に設けられる補正回路におい
て補正するようにしてもよいことはいうまでもな
い。

この補正は第３図に示すように、出力設定
（kW）に対する原料ガス流量が、圧力測定部P₁
の圧力下降時には上昇方向UPに、圧力上昇時に
は下降方向DNになるように行われる。また補正
のタイミングは原料ガスが改質装置に供給されて
から圧力検出点に到達するまでの遅れ時間を考慮
してこの遅れ時間以上の週期で行うのがよい。

このように本発明によれば、燃料と電力とのエ
ネルギバランスに対する最適な指標として燃料ガ
ス流量調整弁の上流側の圧力を選んで原料ガス流
量調整器の流量設定補正を行うようにしたため、
種々の補正要因が刻々と変化してもそれを修正し
て制御することが可能となる。

また、上記補正を行うことにより、リザーバタ
ンク８０を設ける場合においてもその容量を小さ
なものとすることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明が適用され得る燃料電池発電シ
ステムの系統図、第２図は本発明の実施例の要部
系統図、第３図は実施例の動作説明用の特性線図
である。 １０……燃料電池、３０……改質装置、５０…
…燃料処理装置、７０……出力制御演算部、V₁
……原料ガス供給調整弁、V₃……燃料ガス流量
調整弁、P₁……圧力測定部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 原燃料を改質して燃料電池用の燃料を生成す
   る燃料処理装置と、生成された燃料を受け入れて
   発電を行う燃料電池とを備えた燃料電池発電シス
   テムにおいて、前記改質装置への原料ガス供給路
   に設けられた第１の調整弁と、前記原料ガスの供
   給路を流れる原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
   電池への燃料ガス供給路に設けられた第２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
   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、原料ガスの流量設定値信号と燃料ガスの流量
   設定値信号とを前記電気量に対応して出力する演
   算部と、この演算部からの原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、前記燃料ガス供給流路にお
   ける第１の流量調整弁の上流側の圧力を測定して
   該圧力の実際値信号を出力する圧力測定部と、こ
   の圧力測定部の圧力実際値信号に基づいて前記演
   算部の原料ガス流量設定値信号または前記流量調
   節部の開度設定値信号を補正する補正回路部とを
   備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。