JPS6229869B2 - - Google Patents
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- JPS6229869B2 JPS6229869B2 JP56097126A JP9712681A JPS6229869B2 JP S6229869 B2 JPS6229869 B2 JP S6229869B2 JP 56097126 A JP56097126 A JP 56097126A JP 9712681 A JP9712681 A JP 9712681A JP S6229869 B2 JPS6229869 B2 JP S6229869B2
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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流ガ
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流量調節弁と混
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とともに、 (ニ) 改質装置のバーナ燃料源は燃料電池の燃料排
ガスとし、改質装置の出口温度に依存してその
供給量を制御する 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。 (c) さらに基本的な欠点として、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
できない という問題点がある。 すなわち、上述した従来技術においては、吸熱
反応を行う改質装置に対し該装置が所定の温度を
保つに必要なバーナ燃料を燃料電池の燃料排ガス
という形でのみ供給しているので、燃料電池の水
素利用率（消費ガス量と供給ガス量の比）は与え
られた条件下では改質反応から定まつてしまい、
任意に変更することは不可能である。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、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。 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。 したがつて本発明の目的とするところは、燃料
電池の負荷変動に対しる燃料制御の追随性をより
迅速に保ちつつ、燃料電池の水素利用率を最適値
に任意に設定することのできる燃料制御方式を提
供することにある。 この目的は本発明によれば、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とと
もに、改質装置のバーナ燃料として燃料電池の燃
料排ガス以外に別途補助燃料供給路を設け、この
供給路に設けた補助燃料調整弁を改質装置の出口
温度に依存して制御す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からの排ガスと、本発明に
より導入される補助燃料としての原料ガスの一部
とを配管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の原料室１１に供給され
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は燃料ガス流量調整弁、
V5は燃料電池の燃料圧力調整弁、V6は改質装置
のバーナ燃料調整弁で、燃料電池の燃料排ガスを
処理塔３９へ分岐排出することにより調整を行な
うものである。V7は本発明の特徴をなすバーナ
補助燃料調整弁である。 なお、原料供給調整弁V1、水蒸気供給調整弁
V2、燃料ガス流量調整弁V6およびバーナ補助燃
料調整弁V7はそれぞれ本発明の第１、第２、第
３および第４の調整弁を構成する。 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は第１図における
原料供給調整弁V1と圧力調整弁V3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。Ｔ
は改質装置出口温度測定部、P1，P3およびP5は圧
力測定部、Q1，Q2，Q4，Q6およびQ7は流量測定
部でこのうちQ1，Q2，Q4，Q7はそれぞれ本発明
の第１、第２、第３および第４の流量測定部を構
成する。C1〜C7は流量または圧力調節器であ
り、このうちC1，C2，C4，C7はそれぞれ本発明
の第１，第２，第３および第４の流量調節部を構
成する。７０は出力制御演算部で、入力として燃
料電池の電気負荷に関係する信号、たとえば燃料
電池の有効電力検出部７１の出力信号を受けて、
予め判明している電池特性が水素利用率設定値等
から原料ガスと燃料ガスの適切な流量設定値SO
を演算出力する。出力制御演算部７０にはそのほ
かに燃料調整弁V4の直前の圧力（リザーバタン
ク８０が設けられる場合にはその圧力）を測定す
る圧力測定部P1の出力p1や蒸気量と燃料中の炭素
量との量的比率を表わす公知のＳ／Ｃ設定値等が
付加的ないし補正量として加えられるが、流量設
定値に最も大きな影響を及ぼす因子は燃料電池の
電気負荷（電流単独の検出であつてもよい）であ
る。 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に対する原料ガスの供給流量ＦNと水
蒸気の供給流量ＦWおよび燃料ガスの供給流量ＦH
は下式によつて求まる。 Ｑ＝Ku・ＫE・Pa／η／Ea ＦN＝ＫN・Ｑ／Ｘ／ＹH ＦW＝ＫW・Ｑ／Ｘ／ＹH ＦH＝ＫH・Ｑ／Ｘ／ＹH ここでＱ：必要水素流量（Nm／Ｈ），Ku：単
位変換定数、ＫE：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）、ＦN：原料ガスの供給流量
（Nm／Ｈ）、ＦW：水蒸気の供給流量（Nm／
Ｈ）、ＦH：燃料ガスの供給流料（Nm／Ｈ）、Ｋ
N，ＫW，ＫH：各弁の弁開度−流量に見合つた定
数、Ｘ：水素利用率、ＹH：燃料ガス中の水素比
率とする。 出力制御演算部７０の出力である流量設定値
SOは原料供給調整弁V1、水蒸気供給調整弁V2お
よび燃料ガス流量調整弁V4のそれぞれの流量調
節器C1，C2およびC4に同時に与えられかつ各弁
の開度設定を直接的に与える。図では同一の流量
設定値SOが各調節器に与えられるように簡略図
示されているが、実際には各弁の弁開度−流量特
性に見合つた個別の設定値が与えられる。要は燃
料電池の電気負荷変動に応じて各弁の開度設定を
同時にかつ直接的に行うことが必要である。 かくして従来技術のごとく負荷変動を一旦圧力
変動としてとらえてから弁を制御する場合に比し
て、応答の迅速性が向上することになる。 このように各弁の開度が一斉に設定されること
により各弁の流量間に許容できない不平衡が生じ
る場合には、燃量調整弁V4の直前圧力p1により
出力制御演算部７０において補正演算を行うか、
あるいは圧力測定部P1の出力p1を各弁の調節器に
直接導いて微調整を行うことにより解決できる。
改質装置内圧力は圧力測定部P3の出力と設定値S3
とにより調節器C3を介して圧力調整弁V3にて所
望の値に制御される。また燃料電池１０の燃料室
１１の内の圧力は、圧力測定部P5の出力と設定値
S5とにより調節器C5を介して燃料圧力調整弁V5
にて所望の値に制御される。 さて、本発明では燃料電池の水素利用率をプラ
ント効率を勘案した最適値に任意設定できるよう
にするために、燃料電池の燃料排出ガスのうちの
可燃性ガス成分量を改質装置のバーナに要求され
る量よりも少な目とし、これを補助燃料により補
うようにしている。 すなわち、バーナ燃料調整弁V6は改質ガス出
口温度（実際には温度調節器が中間に介在する）
を設定値として燃料電池の燃料排ガスのベント制
御を行うものであるが、通常の運転状態では弁
V6は全閉かまたは僅かに開かれる程度にしてお
く。ただし負荷急変時の燃料制御の追随性を良く
するためには、出力制御演算部７０の出力をたと
えば前述した中間介在の温度調節器にフイードフ
オアワード入力として与え、一時的に大量にベン
トさせるなどの制御を加味してもよい。 本発明の特徴であるバーナの補助燃料供給路
は、実施例においては原料ガスを本発明の第４の
調整弁を構成するバーナ補助燃料調整弁V7を介
して供給する形で実施されている。この弁の調節
器には改質装置出口温度（実際には中間に介在す
る温度調節器の出力）が設定値として与えられ
る。 すなわち、改質ガス出口温度を温度検出器によ
り検出し、この温度に基づいてバーナ補助燃料ガ
スの流量設定値を流量調節部に出力するととも
に、流量調節部ではこの流量設定値信号と流量測
定部Q7からの流量実際値信号を比較し、この比
較結果に基づいて流量調節弁V7へその弁開度を
測定すべき開度設定値信号を与える。 バーナ燃料調整弁V6とバーナ補助燃料調整弁
V7とは、燃料電池の燃料排ガスが優先して消費
されるように相互に関連して制御される。したが
つて通常負荷時には弁V6はほぼ全閉であり、弁
V7が改質装置出口温度に依存して制御される。
補助燃料を０にしてもなお改質装置の温度が高過
ぎる場合および急速にバーナ燃料を減少させる必
要が生じた場合にのみバーナ燃料調整弁V6が開
かれる。これらの弁の制御にはとくに図示はしな
いが通常の圧力補正などの補正制御を加味するこ
とができる。 以上の実施例の説明から明らかなように、本発
明においては、単にバーナ燃料が不足するからと
いう理由で補助燃料を利用するのではなく、燃料
電池の水素利用率をプラント効率上最適値に任意
設定するという目的で、意図的に燃料電池の燃料
排ガス量（正確にはそのうちの可燃性成分量）を
改質装置の要求量より少な目にして補助燃料にて
これを補うようにしたものであつて、実用プラン
トとして従来技術では達し得ない効率向上を達成
し得るものである。
成分とする天然ガスを水蒸気改質して水素燃流ガ
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流量調節弁と混
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とともに、 (ニ) 改質装置のバーナ燃料源は燃料電池の燃料排
ガスとし、改質装置の出口温度に依存してその
供給量を制御する 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。 (c) さらに基本的な欠点として、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
できない という問題点がある。 すなわち、上述した従来技術においては、吸熱
反応を行う改質装置に対し該装置が所定の温度を
保つに必要なバーナ燃料を燃料電池の燃料排ガス
という形でのみ供給しているので、燃料電池の水
素利用率（消費ガス量と供給ガス量の比）は与え
られた条件下では改質反応から定まつてしまい、
任意に変更することは不可能である。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、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。 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。 したがつて本発明の目的とするところは、燃料
電池の負荷変動に対しる燃料制御の追随性をより
迅速に保ちつつ、燃料電池の水素利用率を最適値
に任意に設定することのできる燃料制御方式を提
供することにある。 この目的は本発明によれば、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とと
もに、改質装置のバーナ燃料として燃料電池の燃
料排ガス以外に別途補助燃料供給路を設け、この
供給路に設けた補助燃料調整弁を改質装置の出口
温度に依存して制御す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からの排ガスと、本発明に
より導入される補助燃料としての原料ガスの一部
とを配管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の原料室１１に供給され
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は燃料ガス流量調整弁、
V5は燃料電池の燃料圧力調整弁、V6は改質装置
のバーナ燃料調整弁で、燃料電池の燃料排ガスを
処理塔３９へ分岐排出することにより調整を行な
うものである。V7は本発明の特徴をなすバーナ
補助燃料調整弁である。 なお、原料供給調整弁V1、水蒸気供給調整弁
V2、燃料ガス流量調整弁V6およびバーナ補助燃
料調整弁V7はそれぞれ本発明の第１、第２、第
３および第４の調整弁を構成する。 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は第１図における
原料供給調整弁V1と圧力調整弁V3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。Ｔ
は改質装置出口温度測定部、P1，P3およびP5は圧
力測定部、Q1，Q2，Q4，Q6およびQ7は流量測定
部でこのうちQ1，Q2，Q4，Q7はそれぞれ本発明
の第１、第２、第３および第４の流量測定部を構
成する。C1〜C7は流量または圧力調節器であ
り、このうちC1，C2，C4，C7はそれぞれ本発明
の第１，第２，第３および第４の流量調節部を構
成する。７０は出力制御演算部で、入力として燃
料電池の電気負荷に関係する信号、たとえば燃料
電池の有効電力検出部７１の出力信号を受けて、
予め判明している電池特性が水素利用率設定値等
から原料ガスと燃料ガスの適切な流量設定値SO
を演算出力する。出力制御演算部７０にはそのほ
かに燃料調整弁V4の直前の圧力（リザーバタン
ク８０が設けられる場合にはその圧力）を測定す
る圧力測定部P1の出力p1や蒸気量と燃料中の炭素
量との量的比率を表わす公知のＳ／Ｃ設定値等が
付加的ないし補正量として加えられるが、流量設
定値に最も大きな影響を及ぼす因子は燃料電池の
電気負荷（電流単独の検出であつてもよい）であ
る。 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に対する原料ガスの供給流量ＦNと水
蒸気の供給流量ＦWおよび燃料ガスの供給流量ＦH
は下式によつて求まる。 Ｑ＝Ku・ＫE・Pa／η／Ea ＦN＝ＫN・Ｑ／Ｘ／ＹH ＦW＝ＫW・Ｑ／Ｘ／ＹH ＦH＝ＫH・Ｑ／Ｘ／ＹH ここでＱ：必要水素流量（Nm／Ｈ），Ku：単
位変換定数、ＫE：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）、ＦN：原料ガスの供給流量
（Nm／Ｈ）、ＦW：水蒸気の供給流量（Nm／
Ｈ）、ＦH：燃料ガスの供給流料（Nm／Ｈ）、Ｋ
N，ＫW，ＫH：各弁の弁開度−流量に見合つた定
数、Ｘ：水素利用率、ＹH：燃料ガス中の水素比
率とする。 出力制御演算部７０の出力である流量設定値
SOは原料供給調整弁V1、水蒸気供給調整弁V2お
よび燃料ガス流量調整弁V4のそれぞれの流量調
節器C1，C2およびC4に同時に与えられかつ各弁
の開度設定を直接的に与える。図では同一の流量
設定値SOが各調節器に与えられるように簡略図
示されているが、実際には各弁の弁開度−流量特
性に見合つた個別の設定値が与えられる。要は燃
料電池の電気負荷変動に応じて各弁の開度設定を
同時にかつ直接的に行うことが必要である。 かくして従来技術のごとく負荷変動を一旦圧力
変動としてとらえてから弁を制御する場合に比し
て、応答の迅速性が向上することになる。 このように各弁の開度が一斉に設定されること
により各弁の流量間に許容できない不平衡が生じ
る場合には、燃量調整弁V4の直前圧力p1により
出力制御演算部７０において補正演算を行うか、
あるいは圧力測定部P1の出力p1を各弁の調節器に
直接導いて微調整を行うことにより解決できる。
改質装置内圧力は圧力測定部P3の出力と設定値S3
とにより調節器C3を介して圧力調整弁V3にて所
望の値に制御される。また燃料電池１０の燃料室
１１の内の圧力は、圧力測定部P5の出力と設定値
S5とにより調節器C5を介して燃料圧力調整弁V5
にて所望の値に制御される。 さて、本発明では燃料電池の水素利用率をプラ
ント効率を勘案した最適値に任意設定できるよう
にするために、燃料電池の燃料排出ガスのうちの
可燃性ガス成分量を改質装置のバーナに要求され
る量よりも少な目とし、これを補助燃料により補
うようにしている。 すなわち、バーナ燃料調整弁V6は改質ガス出
口温度（実際には温度調節器が中間に介在する）
を設定値として燃料電池の燃料排ガスのベント制
御を行うものであるが、通常の運転状態では弁
V6は全閉かまたは僅かに開かれる程度にしてお
く。ただし負荷急変時の燃料制御の追随性を良く
するためには、出力制御演算部７０の出力をたと
えば前述した中間介在の温度調節器にフイードフ
オアワード入力として与え、一時的に大量にベン
トさせるなどの制御を加味してもよい。 本発明の特徴であるバーナの補助燃料供給路
は、実施例においては原料ガスを本発明の第４の
調整弁を構成するバーナ補助燃料調整弁V7を介
して供給する形で実施されている。この弁の調節
器には改質装置出口温度（実際には中間に介在す
る温度調節器の出力）が設定値として与えられ
る。 すなわち、改質ガス出口温度を温度検出器によ
り検出し、この温度に基づいてバーナ補助燃料ガ
スの流量設定値を流量調節部に出力するととも
に、流量調節部ではこの流量設定値信号と流量測
定部Q7からの流量実際値信号を比較し、この比
較結果に基づいて流量調節弁V7へその弁開度を
測定すべき開度設定値信号を与える。 バーナ燃料調整弁V6とバーナ補助燃料調整弁
V7とは、燃料電池の燃料排ガスが優先して消費
されるように相互に関連して制御される。したが
つて通常負荷時には弁V6はほぼ全閉であり、弁
V7が改質装置出口温度に依存して制御される。
補助燃料を０にしてもなお改質装置の温度が高過
ぎる場合および急速にバーナ燃料を減少させる必
要が生じた場合にのみバーナ燃料調整弁V6が開
かれる。これらの弁の制御にはとくに図示はしな
いが通常の圧力補正などの補正制御を加味するこ
とができる。 以上の実施例の説明から明らかなように、本発
明においては、単にバーナ燃料が不足するからと
いう理由で補助燃料を利用するのではなく、燃料
電池の水素利用率をプラント効率上最適値に任意
設定するという目的で、意図的に燃料電池の燃料
排ガス量（正確にはそのうちの可燃性成分量）を
改質装置の要求量より少な目にして補助燃料にて
これを補うようにしたものであつて、実用プラン
トとして従来技術では達し得ない効率向上を達成
し得るものである。
第１図は本発明の適用されるシステムの系統
図、第２図は本発明の実施例の要部系統図であ
る。 １０……燃料電池、３０……改質装置、７０…
…出力制御演算部、V1……原料供給調整弁、V2
……水蒸気供給調整弁、V4……燃料流量調整
弁、V6……バーナ燃料調整弁、V7……バーナ補
助燃料調整弁。
図、第２図は本発明の実施例の要部系統図であ
る。 １０……燃料電池、３０……改質装置、７０…
…出力制御演算部、V1……原料供給調整弁、V2
……水蒸気供給調整弁、V4……燃料流量調整
弁、V6……バーナ燃料調整弁、V7……バーナ補
助燃料調整弁。
Claims (1)
- １ 原燃料を水蒸気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、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、前記
改質装置に至る改質用水蒸気供給路に設けられた
第２の調整弁と、前記水蒸気の供給路を流れる水
蒸気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、燃料電池への燃料ガス
供給路に設けられた第３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３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原料ガス、水蒸気
および燃料ガスの流量設定値信号を前記電気量を
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
水蒸気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、前記演算部からの燃料ガスの流量設定
値信号と前記第３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３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３の流量調節部と、前記燃
料排ガスとは別に前記燃料改質装置のバーナにバ
ーナ燃料を供給するバーナ補助燃料供給路と、こ
の供給路に設けられた第４の流量調整弁と、前記
バーナ補助燃料供給路を流れるバーナ燃料ガスの
流量を測定して該流量の実際値信号を出力する第
４の流量測定部と、前記改質装置の改質ガス出口
温度に基づいてバーナ補助燃料ガスの流量設定値
を出力する温度検出部と、この温度検出部の流量
設定値信号と前記第４の流量測定部の流量実際値
信号を比較しかつこの比較結果に基づいて前記第
４の流量調節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４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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56097126A JPS57212779A (en) | 1981-06-23 | 1981-06-23 | Fuel controlling method in fuel cell power generating system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56097126A JPS57212779A (en) | 1981-06-23 | 1981-06-23 | Fuel controlling method in fuel cell power generating system |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS57212779A JPS57212779A (en) | 1982-12-27 |
| JPS6229869B2 true JPS6229869B2 (ja) | 1987-06-29 |
Family
ID=14183865
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP56097126A Granted JPS57212779A (en) | 1981-06-23 | 1981-06-23 | Fuel controlling method in fuel cell power generating system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS57212779A (ja) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58133780A (ja) * | 1982-02-01 | 1983-08-09 | Hitachi Ltd | 燃料電池発電プラント制御システム |
| JPS60240066A (ja) * | 1984-05-14 | 1985-11-28 | Mitsubishi Electric Corp | 燃料電池用改質装置の燃焼制御方法および装置 |
| JPS61227375A (ja) * | 1985-03-30 | 1986-10-09 | Toshiba Corp | 燃料電池発電システム |
| JPH07101613B2 (ja) * | 1985-05-16 | 1995-11-01 | 株式会社東芝 | 燃料電池発電システム |
| JPH0227669A (ja) * | 1988-07-15 | 1990-01-30 | Fuji Electric Co Ltd | 燃料電池の燃料改質装置 |
| JP2840000B2 (ja) * | 1993-02-04 | 1998-12-24 | 溶融炭酸塩型燃料電池発電システム技術研究組合 | 燃料電池システムとその制御方法 |
| US6797420B2 (en) | 1999-12-28 | 2004-09-28 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Power generation device and operation method therefor |
| JP2002343386A (ja) * | 2001-05-14 | 2002-11-29 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 燃料電池システム |
| JP4678115B2 (ja) * | 2002-07-17 | 2011-04-27 | 三菱マテリアル株式会社 | 固体電解質型燃料電池の運転方法及び運転システム |
| JP4945878B2 (ja) * | 2003-01-10 | 2012-06-06 | パナソニック株式会社 | 水素生成装置 |
| JP2012104434A (ja) * | 2010-11-12 | 2012-05-31 | Jx Nippon Oil & Energy Corp | 燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法 |
-
1981
- 1981-06-23 JP JP56097126A patent/JPS57212779A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS57212779A (en) | 1982-12-27 |
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