JPS6329460A

JPS6329460A - 燃料電池発電システムの改質器温度制御装置

Info

Publication number: JPS6329460A
Application number: JP61171909A
Authority: JP
Inventors: Shinji Hayashi; 真司林; Takashi Shigemasa; 隆重政; Masaaki Yamamoto; 雅秋山本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-07-23
Filing date: 1986-07-23
Publication date: 1988-02-08

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）この発明は、燃料電池発電システ１１に係り、特に改質
器の温度の制御を直接に行なう手段を備えた燃料電池発
電システムに関する。

（従来の技術）この種の燃料電池（以下Ｆ、Ｃ，と省略する）発電シス
テムのフローを第７図に示す。燃料供給系では原燃料と
してナフサ、メタン等が外部から供給される。この原燃
料と水蒸気を調節弁１および２により一定比率で混合し
、改質器３において分解し、水素を主成分とし、−酸化
炭素と二酸化炭素を含む燃料ガスに改質したのち、流調
弁４で適当な流量に調節してＦ、Ｃ，５に供給する。こ
の改質反応は、高温で活発に反応し、また吸熱反応であ
る。このため、改質器の温度を設定値に保つための温度
は主にＦ、Ｃ，の排ガスをリフオーマの主バーナ６で燃
焼させることによ□りまた、不足分をパイロットバーナ
７において燃料ガスを燃焼させることにより得ている。

また、この燃焼に必要な空気を３１節弁８により調節し
て供給している。

これらに係るｌ”、Ｃ，の改質器温度系の制御手段およ
びその問題点について第７図を用いて説明する。

改質器の温度系に関しては、従来つぎに述べるような制
御を行っていた。改質反応に必要な温度目標値となるよ
うに、温度計１０の信号を用いて制御装置１１により、
補助バーナ流吐目標値を計算し、この補助バーナ流量ｌ
″Ｉ標値となるように、検出器１２の信号を用いて、制
御装置１３により流調弁８を制御する。また、燃焼に必
要な空気流量は、主バーナ流量に応じた空気流量目標値
を、検出器１４の信号を用いてこれらの関係１５により
計算し、この空気目標値となるように、検出器１６を用
いて制御器１７により流調弁９を制御する。

以上説明した改質器の温度制御系では、以下のような問
題点がある。すなわち、上述した改質器温度の制御にお
いて、改質器の温度が目標値よりも高くなった場合には
、補助バーナ流量を減少させるが、補助バーナ流量を零
としても、改質器の温度が、目標値よりも高い場合には
、補助バーナ７により目標値に追従させることは不可能
である。

また、空気流量の制御において、主バーナ６に供給され
るＦ、Ｃ，排ガスの成分は、主として水素、メタン、水
蒸気、二酸化炭素からなるものであり。

この可燃成分は水素とメタンであり、これらの燃焼反応
は、次式で与えられる。

２Ｈ２＋Ｏ，→２Ｈ２０Ｃ）１４＋２０．→２Ｈ２０＋ＣＯ□ 従って水素１ｍｏｌを燃焼させるには１／２ｍｏｌの酸
素が、ＣＨ，を１ｍｏｌ燃焼させるには、２ｍｏｌの酸
素が必要であり、主バーナ流量に応じて、空気流量目標
値を計算する方法では、排ガスの成分比が変化した場合
に、空気量が不足して不完全燃焼を生じたり、空気量が
過乗で温度が下がるという問題点がある。

上述したように、従来のＦ、Ｃ，発電システムにおいて
は、以上の如き改質器の温度制御を行なっていることか
ら、改質器の温度を常に一定に制御することが困難であ
り、改質性能の悪化を引き起こすという問題がある。

（発明が解決しようとする問題点）本発明は改質器の温度を常に一定に制御することが困難
なため改質性能の悪化を引き起こすという問題を解決す
るために成されたもので、その目的は、燃料改質器の温
度の制御性能を向上することにより燃料改質器の改質性
能を向上させ、しがも燃料電池の燃料制御に影響を与え
るようなこともない信頼性の高い燃料電池発電システム
を提供することにある。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段）上記［Ｊ的を達成するために本発明では、Ｆ、Ｃ０徘ガ
スライン上にＦ、Ｃ，排ガスを放出するベント弁および
Ｆ、Ｃ，排ガスのメタン流量と水素流量の成分比を検出
する検出器を設ける。本発明では、改質器の温度を上記
ベント弁と、補助バーナ弁で制御するが、このとき温度
目標値と温度測定値からベント流量目標値と補助バーナ
目標値を算出し、ベント流量測定値と補助バーナ流量測
定値に基づいてベント弁と補助バーナを操作する。また
燃焼のための空気流量の制御は、空気流調弁により制御
するが、このとき、燃焼に必要な流量が流れるように、
排ガスの成分比と排ガス流ｊｔ　ａｌｌ定値と補助バー
ナ流量測定値とベント流量測定値がら空気流量目標値を
計算し、上記空気流量目標値と空気流量測定値に基づい
て空気流調弁を操作する。

（作　　用）改質器温度制御をベント弁と補助バーナ弁で制御し、ま
た燃焼のための空気流量目標値をＦ、Ｃ。

排ガスの成分を検出して計算することにより、改質器の
温度を常に良好に制御することができ、補助バーナ弁の
みを操作していた従来の方法に比べ、制御性能が向上す
る。また、燃焼ｔこおいて、不完全燃焼や温度が下がる
ことがなくなる。

（実　施　例）この発明の一実施例について図面を用いて詳細に説明す
る。第１図はこの発明に係るＦ、Ｃ，発電システムの改
質器温度制御装置の構成を示す図である。燃料電池排ガ
スライン」二に排ガスを放出するベント弁１８と排ガス
のメタンと水素の成分比を検出する検出器１９を設ける
。

制御装置２０は、上記検出器１９の測定信号および補助
バーナ流量を測定する流量計１２、ベント流量を測定す
る流量計２１の流−Ｉｔ測定信号および改質器の温度を
測定する温度計ｌＯの温度測定信号を入力し、設定され
た温度目標値にＵ度がなる様に、調゛節弁８，１８の開
度信号を出力する。また、制御装置ｉ！２２は、上記検
出器１９の測定信号および上記流量計１２．２１の測定
信号およびＦ、Ｃ，排ガス流量を測定する流量計１４、
改質器に供給される空気流量を測定する流量計１６の流
量測定信号を入力し、燃焼に応じた流量目標ｆピ（に空
気流紙がなるように、調節弁９の開度信号を出力する。

制御装置２０の構成の一実施例について第２〜４図を用
いてさらに詳しく説明する。制御装置２０は、加算器２
３、演算器２４および協調制御部２５により構成されて
いる。加算器２３は、設定された改質器温度目標値と温
度計１０の温度測定４８号を入力し、温度制御偏差を演
算し、演算器２４に入力する。演算器２４は、改質器温
度制御偏差に基づき、■動作もしくはＰＩ動作により熱
量目標値を演算し、協調制御部２５に入力する。協調制
御部は流量計１２の補助バーナ流量測定値と流Ｆ＆計２
１のベント流量測定値と検出器１９のＦ、Ｃ，排ガス成
分比８１１１定値および上記演算器２４の演算結果であ
る熱量目標値を入力し、補助バーナ弁開度信号とのがし
弁開度（Ｈ号を出力する。第３図は、協調制御部の一構
成図である。演算器２４の出力信号を判定器２６に六カ
し、補助バーナ流量目標値とベント流量目標値を算出す
る。補助バーナ流量目標値とその測定値の差は演算値２
７ａに入力されここで工動作もしくはＰＩ動作により補
助バーナ開度信号を算出する。また。

ベント流量目標値とその測定値の差は、演算器２７ｂに
入力されここで工動作もしくはＰＩ動作により、ベント
弁開信号を出力する。ここで、判定器２６は、補助バー
ナ弁８とペン１〜弁１８を協調動作させるためのもので
あり、構成の一例を第４図に示す。本実施例においては
ブロック２８に表すような関数発生器を組込む、演算器
ｚ４の出力信号Ｓｖ１に基づき、ＳＶ２およびＳＶ３を
出力する。これらの出力信号は、熱量制御偏差であるか
らこれを換算器２９に入力し、補助バーナ流量目標値と
ベント流は目標値に換算する。ブロック２９ａの中のＳ
Ｖｍｉｎは補助バーナ７が完全に消え冷えるのを防ぐた
めのものであり、調節弁８の最小開度１３号である。ま
た、換算器２９ｂは、υ１：ガス成分比測定値Ｋに応じ
て換算値が変化する関数発生器である。

次に、制御表［２２の構成の一実施例について第５〜６
図を用いてさらに詳しく説明する。制御装置２２は、空
気流量目標値設定部ＪＯ１加算器３１および演算器３２
により構成されている。窄気流量目標値設定部３０は、
流量計１４のＦ、Ｃ，徘ガス流量測定値と検出器１９の
Ｆ、Ｃ，徘ガス成分比測定値と流量計１２のパイロット
バーナ流量測定値と流量計２１のベント流量測定値を入
力し、空気流量目標値を算出し、加算器３１に入力する
。加算器３１は、上記空気流量目標値と流量計１６の空
気流量測定値を入力し、流量制御偏差を演算し、演算器
３２に入力する。演算器３２は、上記流量制御偏差に基
づき１動作またはＰＩ動作により空気流調弁開度信号を
出力する。第６図は、空気流産目標値設定部の一構成図
である。加算器３３は、Ｆ、Ｃ，排ガス流量測定値とベ
ント流Ｍ側定値を人力し、上記Ｆ、Ｃ。

排ガス流量測定値からベント流量測定量を引き、改質器
メインバーナに供給される流量を算出し、演算器３４に
入力する。演算器３４は、上記加算器３３の出力信号と
、上記Ｆ、Ｃ，徘ガス酸ガス成分比測定値し、改質器メ
インバーナのメタン流量と水素流量を算出する。加算器
３５は、演！７器３４の演算結果であるメタン流量と補
助バーナ流量測定値を入力し、改質器に供給されるメタ
ン流量を算出する、換算器３６ａは、上記加算器３５の
出力信号を受け取り、メタン流量に応じた空気流量値を
算出し、換算器３６ｂは、上記演算器３４の演算結果で
ある改質器に供給される水素流量を受け取り、水素流量
に応じた空気流量を算出する。加算器３７は、上記換算
器’、３６ａ、　３６ｂの出力信号を入力し、空気流量
目標値を算出する。

従って１本発明の実施例においては、改質器の温度が設
定値よりも低い場合には、補助バーナを逆に高い場合に
はベント弁を用いて制御することにより、常に良好に制
御することが可能であり、また空気流量の制御を改質器
に供給される燃焼燃料の成分比を考慮して行うことによ
り、不完全燃焼を防ぎ良好な燃焼反応を行うことが可能
となる。

これにより燃料の改質性能が向上し、信頼性の高い燃料
電池発電システムが提供できる。

尚、上記実施例において、Ｆ、Ｃ，排ガス流量を測定す
る流量計１４を、ベント弁の放出後の流量を測定する位
置に置くことも可能であり、その場合、制御装置２２の
入力として、ベント流量測定値は必要なくなり、第６図
において、Ｆ、Ｃ，排ガス流量測定値が直接演算器３４
に入力される。

〔発明の効果〕

上述の如く、改質器の温度制御を、ベンドブ？と補助バ
ーナ弁で制御し、また、燃焼のための空気流量目標値を
Ｆ、Ｃ，排ガスの成分を検出して計算することにより、
改質器の温度を常に良好に制御することができ、改質性
能を向上させることができる。これにより、信頼性の高
い燃料電池発電システムを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示すブロック図、第２図
は、第１図における改質塁温Ｊ！！Ｌ制御装置の構成図
、第３図は、第２図における協調制御部の構成図、第４
図は第３図における判定器の構成図、第５図は、第１図
における空気流量制御装置の構成図、第６図は、第５図
における空気流量目標値設定部の構成図、第７図は従来
の改質器の温度制御系の構成図である。３　・改質器　　　　　６・・主バーナ７・・補助バー
ナ　　　８，９・・・流調弁１０−温度計　　　　　１
２．１４，１６．２１・・・流量計１９・・・Ｆ、Ｃ，
排ガス成分比検出器２０・・・改質器温度制御装置２トベント弁　　　　２２・・空気流量制御装置２５・
協調制御部　　　２７・・判定器３０・空気流量目標値
設定部代理人　弁理士　則　近　憲　佑同　　　　竹　花　喜久男第１図第２図第　　７　　図

Claims

【特許請求の範囲】

酸化剤として空気を、還元剤として水素を主成分とする
燃料ガスを用いる燃料電池と燃料ガスを改質する改質器
を有し、燃料電池の排ガスを改質器に供給する改質器主
バーナと、改質器温度を制御するベント弁および補助バ
ーナ弁と、改質器における燃焼のための空気量を制御す
る空気流調弁を有する燃料電池発電システムにおいて、
燃料電池の排ガス流量を測定する流量計と、排ガスの水
素とメタンの成分比を検出する検出器と、ベント流量を
測定する流量計と、補助バーナ流量を測定する流量計と
、空気流量を測定する流量計と、改質器の温度を測定す
る温度計と、上記流量計のベント流量および補助バーナ
流量測定出力信号と上記温度計の温度測定出力信号と上
記検出器の検出出力信号を受け取り、ベント弁および補
助バーナ弁を駆動するための操作信号を出力する制御装
置と、上記流量計の流量測定出力信号と上記検出器の検
出出力信号を受け取り、空気流調弁を駆動するための操
作信号を出力する制御装置とを具備してなることを特徴
とする燃料電池発電システムの改質器温度制御装置。