JPS63241876A - 燃料電池プラントの監視制御装置 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は燃料電池プラントの監視制御装置に関する。

（従来の技術） 電力の発生は１通常、発電機を蒸気タービン等の原動機
で回転させ、与えられた機械エネルギーを発電機にて電
気エネルギーに変換することにより実現される。一方、
蒸気タービン等を駆動する蒸気はボイラ等にて石油、ガ
ス等の燃料を燃焼させた熱エネルギーにより発生させて
いる。この燃料のもつ化学エネルギーを熱エネルギーと
して取り出して蒸気のもつエネルギーに変換し、さらに
蒸気タービン等の機械エネルギーから電気エネルギーへ
と変換する方式は効率面で不利な事から、近年燃料のも
つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料
電池発電方式が省エネルギー発電方式のひとつとして採
用されるようになって来た。この燃料電池は供給された
燃料を化学変化させて電力を発生するが、その出力は直
流なのでそのまま特定区域で消費する場合は直流で消費
されるか、あるいは直流交流変換器により交流に変換さ
れ電力系統へ接続される。

第４図は炭化水素を原燃料とする代表的な水冷式燃料電
池プラントの説明である。図中、一点鎖線で示されてい
る部分が燃料電池プラント１である。

原燃料は原燃料制御弁１０により流量が制御されミキサ
１４に入る。一方ミキサ１４には蒸気発生器１５から蒸
気制御弁１６により流量が制御された蒸気が入る。ミキ
サ１４で蒸気と混合した原燃料は改質器４に入り、ここ
で加熱され水素に改質される。改質された燃料は次に高
温変成器８．低温変成器９を経て水素含有率のより高い
改質燃料となる。改質燃料は改質燃料制御弁１１により
流量が制御され燃料電池５の燃料極５Ａに入り、電気エ
ネルギー源としてその水素の一部が消費され、残りは前
記の改質器４のメインバーナ１２で燃焼し改質器４の加
熱用高温ガスとなり燃料、電池５の空気極５Ｂからの排
空気と合流し燃焼器７を経てターボコンプレッサのター
ビン２に入り、これに連結したコンプレッサ３をｌｓ！
！動する。

コンプレッサ３の吐出空気は空気制御弁１３により流量
が制御され燃料電池５の空気極５Ｂに入る。

空気極５Ｂに入った空気中の酸素の一部は燃料極５Ａの
水素と反応し、残りは排空気として空気極５Ｂから排出
され、前記の改質器４のメインバーナ１２からの排気と
合流し、燃焼器７を経由してターボコンプレッサのター
ビン２を駆動するために利用される。

燃料電池５の冷却は電池冷却水＠環ポンプ１９により電
池冷却水を蒸気発生器１５から冷却板５Ｃ１蒸気発生器
１５へと循環して行っている。この電池冷却水の温度制
御は電池冷却水温度制御弁１７により蒸気発生器１５で
発生した蒸気の熱交換器２０における冷却量を調節する
ことで行われている。

燃料電池５は燃料極５Ａの水素と空気極５Ｂの酸素との
触媒反応によって空気極５Ｂが正極、燃料極５Ａが負極
となるように電気エネルギーを発生し、その両極間に接
続された電気的負荷にその電気エネルギーを供給する。

その際発生した電気エネルギーに略比例して両極入口に
各々供給された水素と酸素が反応して水になり、未反応
分が各極出口より排出されることになる。

通常、この燃料電池５の直流出力は変換器６にて交流に
変換され、電力系統に送り出される。

以上が燃料電池プラントの基本構成と概略の動作である
。

このような燃料電池プラントの従来の監視装置は、設定
された制限値と現在値との比較によるプラントの異常判
断を行うものであった。

（発明が解決しようとする問題点） 従来方法によるプラント監視では、制限値の設定が難し
く設定制限値までの許容帯が大きすぎると極端な場合に
はプラント機器に損傷が起きるまで異常と判断されない
ことがあった。これに対しては、許容帯を小さくして制
限値を設定することが考えられるが、プラント毎に機器
特性かわずかに異なるため全プラントに共通した制限値
ではなく、プラント毎に個別の設定を行う必要があるこ
と、またプラント出力に応じてプラント動作点が変化す
るため、出力に対応して制限値も変化させる必要がある
こと、等の問題が生じる。

また、例えば第３図に示すような燃料電池の電流−電圧
特性の経時劣化などの極めてゆっくりした特性変化は従
来の監視装置では把握することができず、このような作
業は人手に頼らざるを得なかった。

本発明の目的は燃料電池プラントの異常を早期のうちに
検知でき、また機器特性の長時間にわたる変化の把握が
できこれにより機器得命の予測に有効なプラント監視制
御装置を提供することにある。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するＡめの手段） 燃料電池プラントは化学反応が基調であるので。

プラント特性は非常に高い再現性を有する。すなわち、
プラント出力電流によってプラント状態量は一義的に定
まる。例えば第３図において、燃料電池の電圧は特性劣
化がない限りある電流値工に対して常にに点の値となる
。逆に言えば電流が工のとき電圧かに点の値と異る場合
、特性の変化あるいは何らかの異常が起ったと判断でき
る。従って燃料電池プラントの監視方法としてはある時
点でのプラント状態を基準値としてこれを正常状態と考
え、この値と現在値との比較を行うことが有効である。

但し先に述べたようにプラント状態は出力値に依存する
から、基準値は様々な出力におけるもので必要である。

第１図は本発明装置の一構成例である６図において人力
／データ処理部は燃料電池プラント１の各点の状態量を
入力し、数値処理を行うものである。この数値処理は入
力データの規格化あるいは平均値処理などを行う、バッ
ファは数値処理された現在のプラント状態量を一時的に
記憶するものである。記憶装置４０は各出力帯における
基準値ω〜（Ｎ）と記憶しておくものである。検索部は
記憶装置４０に記憶されている基準値ω〜（Ｎ）の中か
ら現在データの出力値をパラメータとして比較すべき基
準データ４５を検索する。比較部はこの基準データ４５
とバッファ内の現在データ４６とを各対応項目毎に比較
する１判定・出力処理部は比較部の結果をあらかじめ定
められた判定基準と照合し、異常あるいは性能変化の判
定を行い出力装置ｉ！４１へ出力する。出力袋ｇ１４１
は現在データ、比較結果および判定結果を出力するもの
で、プリンタ、ＣＲＴ。

磁気テープなどである。

（作　用） 本発明装置は、次の２つの機能を有する。

■　基準値の記憶 プラント運転開始後の初期状態または定常安定状態にお
いて、指令により基準値となるデータを記憶装置４０に
記憶する。これは入力／データ処理部で処理されたプラ
ント状態データをバッファに一時記憶し、次に記憶装置
４０に送り記憶するものである。

■　現在データの比較 定時的に、あるいは指令により現在データと基準値との
比較を行う、現在のプラント状態は入力／データ処理部
から読み込まれ、バッファ内に一時記憶される。比較す
べき基準データ４５は記憶袋［４０の基準値ω〜（Ｎ）
の中から現在出力値をパラメータとして検索部によって
検索される。比較部は検索部からの基準データ４５とバ
ッファの現在データ４６を比較し、判定・出力処理部へ
結果を送る。

この比較結果は判定部においてあらかじめ定められた判
定基準と照合され、その結果は出力処理部から出力袋ｆ
ｉ４１へ出力される。

（実施例） 本発明装置を燃料電池特性変化の把握に応用する実施例
を以下に説明する。第２図は本発明の実施例に係る燃料
電池プラントの部分図である。第２図において３０は燃
料電池５の出力電圧を検出する電圧検出器である。電圧
検出器３０によって検出された燃料電池５の出力電圧は
第１図の人力／データ処理部に入力され数値処理された
後、バッファに一時記憶される。この時プラント出力も
同時に入力され、この値をパラメータとして検索部によ
り基準値が検索される。検索された基準値が全基準値■
とすると、比較部において基準値■の中の電圧値とバッ
ファ内の電圧値とが比較される。

いま仮にこの比較結果が一２ｖであったとする。

電圧の判定基準として±１ｖの許容値が設定されていた
とすれば、判定部ではこの比較結果を異常と判定し、出
力装置４１を通じて異常を通知する。

以上のように、本実施例では基準時点から比較して電池
電圧が低下したことが本発明装置によって自動的に通知
され、更に詳細にデータを検討することによりプラント
異常の早期発見あるいは特性劣化の把握が可能となる。

第２図において３１Ａは燃料電池５の出口側における電
池冷却水の温度検出器、３１Ｂは同じく燃料電池５の出
口側における空気極５Ｂより排気温度検出器、３２は燃
料電池５の入ロ〜出ロ間の冷却水差圧検出器、３５は電
池冷却水の流量検出器である。

これらの検出器によって検出されたデータは上に説明し
たように第１図の入力／データ処理部を介して入力され
、出力に対応する基準値と比較される。

もし電池冷却水の配管に詰りか生ずると、冷却水流量の
減少、電池冷却水出口温度の上昇、冷却量低下による電
池温度上昇に伴う電池出口空気温度の上昇が起こる。ま
た詰りか燃料電池内部に生ずれば、冷却水差圧が上昇す
る。これらの諸量の変化はゆっくりしたのであるから、
従来の監視装置で捕えることは難しいが５本発明装置に
よれば検出９通報が可能で１本例のようなプラント異常
の早期検出を可能とする。

第２図において、３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｇはそれぞれ改
質器１２．高温変成器８．低温変成器９の差圧検出器で
ある。　３４Ａ　、　３４Ｂ　、　３４Ｃはそれぞれ改
質器１２、高温変成器８．低温変成器９の各出口におけ
るガス分析器である。

これら検出器からのプラントデータを第１図の入力／デ
ータ処理部から入力し、出力に対応する基準データと比
較する。改質器、変成器など触媒を有し、触媒特性がゆ
っくりと変化する機器はその性能劣化を出口ガス組成か
ら計算されるメタン転換率あるいは一酸化炭素転換率の
低下により捕えることができ、また触媒粒の粉化等は差
圧の増加によって捕らえられるが、本発明装置によりこ
れら性能変化を早期にしかも確実に検知できる。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、あらかじめ記憶されれた
プラントの基準値群の中から現在のプラント出力に対応
して検索される基準値データと現在データを相対的に比
較し、その比較結果を判定することによりプラント異常
の早期発見、あるいは性能変化の把握ができ、燃料電池
プラントに適した監視装置を得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の一構成例を示すブロック図、第２
図は本発明の詳細な説明図、第３図は一般的な燃料電池
の電流−電圧特性を示す特性図。 第４図は一般的な水冷式燃料電池プラントの説明図であ
るい ３０・・・電圧検出器、３１・・・温度検出器。 ３２．３３・・・差圧検出器、３４・・・ガス分析器。 ３５・・・流量検出器、　　　　４０・・・記憶装置。 第１図 第　２図 第３図 第　４　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 燃料電池プラントの監視制御装置において、プラント各
   部の状態量を入力し数値処理を行う手段と、処理された
   データを一時的に記憶する手段と、適当に区分されたプ
   ラント各出力帯におけるプラント各部の状態量を基準値
   群としてあらかじめ記憶しておく手段と、記憶装置内の
   基準値群の中から現在のプラント状態と比較すべき基準
   値を現在のプラント出力に相当する値をパラメータとし
   て検索する手段と、この基準値と一時記憶された現在の
   プラント状態量とを比較する手段と、この比較結果とあ
   らかじめ設けられる判定基準とからプラントの性能変化
   を判定する手段と、この判定結果および比較結果を出力
   装置に出力する手段とを設けたことを特徴とする燃料電
   池プラントの監視制御装置。