JPS6345763A - 燃料電池発電プラントの運転制御装置 - 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】 【発明の属する技術分野】

この発明は、燃料電池発電プラント、特に急激な負荷増
加に対応させるために燃料電池の出力側に鉛電池等の補
助電池を接続したハイブリッド方式を対象とする燃料電
池発電プラントの運転制御装置に関する。

【従来技術とその問題点】

新しい発電装置としての燃料電池発電プラントは、その
高い発電効率が得られることから移動用電源、離島用電
源等、各樽電源としてその用途の拡大化が図られるよう
になっている。 ところで燃料電池発電プラントは、メタノール。 天然ガス等を原料として水蒸気改質により水素リッチな
ガスを生成する改質器、該改質器で得られた水素を燃料
として発電を行う燃料電池、および燃料電池の直流出力
を交流に変換する装置等から成り、改質器で生成した水
素ガスは燃料電池の負荷および水素利用率に応じて燃料
電池内部で消費され、余剰の水素はオフガスとして改質
器へ導かれた上でバーナで燃焼され、改質エネルギーと
して消費されることは周知の通りである。したつがって
燃料電池を効率良くかつ安定に運転するには、改質器へ
の改質原料供給量を負荷に対応して各部９バランスを保
ちつつ過不足無しに適正、かつ迅速にコントロールする
こと、および改質器における改質反応温度を負荷変動に
関係なく常に適正温度に維持することが発電プラントの
トータル制御面で掻めて重要である。 かかる点、発電プラントの構成要素である燃料電池、電
力変換装置は負荷範囲も広く、応答も早いが、改質器は
一種の化学反応装置であり、その系内の配管も長く、か
つ複雑な熱交換を行うことから、−船釣に応答速度は燃
料電池、電力変換装置に比べて大幅に遅い、したがって
発電プラントのトータル制御面では、燃料電池の負荷が
殆ど変化の無いか、或いは負荷変動が比較的緩やかでか
つその負荷変動が予測できるような運転条件では、負荷
範囲の拡大にも比較的容易に対処できるが、負荷が急激
に変動する場合には負荷変動に追随して迅速に制御する
ことが困難である。特に負荷が急激に増大した場合に燃
料電池の出力電流を急激に増加させようとすると、改質
器から燃料電池へ供給する燃料ガスが負荷の急増に追随
できず、発電に必要な燃料ガス量が不足していわゆるガ
ス欠状態となり正常な発電が継続できなくなる他に、改
質器側では負荷変動に伴う改質原料供給量、燃料電池側
から戻るオフガス量等の変化から改質運転の必要熱量と
改質器のバーナ発熱量との間に差異が生じ改質反応温度
を適正温度に維持することが困難となる。 このために従来では、燃料電池発電プラントを特に負荷
変動が多い負荷の電源として使用する場合には、あらか
じめ燃料電池における水素消費率を低く設定する、ある
いは改質ガス供給ラインに改質ガスを貯留しておくバッ
ファタンクを介装しておく等の方式が知られているが、
前者の方式では余分に原料を改質するのでプラント全体
としての効率が低くなり、また後者の方式では設備が大
形化する難点がある。そこで負荷変動、特に負荷増加に
対して燃料電池の出力電流が急激に増加するのを抑える
ようにしつつ、一方では過渡的に不足する燃料電池の出
力を補うために燃料電池の出力側に例えば鉛電池等の補
助電池を接続し、改質原料供給量の増量制御により燃料
電池の出力が増加するまでの間の供給電力不足分を補助
電池から給電するようにしたハイブリッド方式が提唱さ
れている。 ここでメタノールを改質原料とする従来における上記ハ
イブリッド方式燃料電池発電プラントの負荷変動に関連
した制御システムを第２図に示す。 図において１は改質器、２は燃料電池、３は燃料電池２
の出力側に接続したＤ　Ｃ／Ｄ　Ｃコンバータ、４は直
流／交流変換用インバータ、５は補助電池、６が負荷で
あり、改質器１に対応して改質原料供給装置７．補助燃
料供給装置８．燃焼空気供給装置としての空気プロア９
等が付設されている。一方、改質器ｌはバーナ１ａを装
備の炉内に気化器１ｂ。 改質触媒を充填した改質反応管１ｃを内蔵して成り、気
化器１ｂの入口側に前記の改質原料供給装置７が接続さ
れ、改質反応管ＩＣの出口が燃料電池２の燃料ｉ２ａに
接続配管されている。なお２ｂは空気極である。一方、
改質器のバーナｌａには前記の補助燃料供給装置８．空
気ブロア９．および燃料電池２の燃料極側から引き出し
たオフガス管が接続されている。なお改質原料供給装置
７は改質原料タンク７ａ＋原料ポンプ７ｂ　（可変速ポ
ンプ）、弁７ｃ等を装備し、補助燃料供給袋Ｗ１８は補
助燃料タンク８ａ。 燃料ポンプ８ｂ　（可変速ポンプ）、弁８０等を装備し
てなる。 かかる構成の燃料電池発電プラントの運転動作について
は周知であり、改質器１のバーナｌａに供給した補助燃
料、オフガス、燃焼空気を燃焼して燃焼して改質エネル
ギーを与え、この状態で改質器ｌへ改質原料を導入する
ことにより、改質原料は気化し、さらに改質触媒との接
触反応により水素リンチなガスに改質されて燃料電池１
の燃料極１ａへ供給される。また燃料電池の余剰ガスは
オフガスとして改質器１のバーナ１ａに供給して燃焼さ
れ、改質エネルギーとして消費される。一方、燃料電池
１の直流出力はＤ　Ｃ／Ｄ　Ｃコンバータ３で負荷側の
電圧に整合され、さらにインバータ４で交流に変換して
負荷６に給電される。また補助電池５は負荷の急激な増
加の際に一時的に燃料電池の出力不足分を補って負荷へ
放電する。またこの場合に燃料電池１の出力急増を抑え
て緩やかに出力を増加させるよう、燃料電池の出力量′
ｆＬｌｆｃの検出値と負荷電流Ｔｏの検出値との間の偏
差でＤＣ／ＤＣＣ／式−タ３の出力を制御するようにし
ている。なお１０は燃料電池の出力電流検出器、１１は
負荷電流検出器、１２は関数発生器である。 一方、負荷の増減に対応して改質原料供給量を制御する
ために、燃料電池の出力電流値を基に制御器１３を介し
て改質原料供給装置７の原料ポンプ７ｂをフィードバッ
ク制御する制御系１４が設けである。さらに改質器１の
バーナｌａに対しては改質触媒層の温度検出値を基にフ
ィードバック制御により補助燃料供給量、燃焼空気供給
量を制御して改質反応温度を適正温度に保持するように
制御系１５が設けである。なお１６は改質反応管１ｃに
配備した温度検出センサ、１７は制御器である。 しかして上記した従来の制御システムでは、改質原料の
供給量に関しては、燃料電池の出力電流検出値を基にフ
ィードバック制御しており、このために燃料電池の出力
電流増加に対する改質原料供給量を増加させる制御応答
が常に遅れるようになる。さらに改質原料源から改質器
を経て燃料電池に至る間の配管経路はかなり長いく、こ
のために負荷増大に応じて改質原料の供給量を増量した
際に改質器へ供給した改質原料が気化し、改質触媒層で
改質された後に改質ガスが燃料電池の電極へ供給される
までにはかなりの時間的遅れが生じるようになる。この
結果として燃料電池出力の不足分を補って補助電池から
負荷へ供給する電力量が大となりことから、補助電池と
しては大容量の電池が必要となって発電プラント設備が
大形化する。さらに改質原料供給量、燃焼空気供給量は
改質反応管の温度検出値を基にフィードバック制御する
ようにしており、このために負荷の急激な変動に対して
は改質器のバーナに供給される燃料電池側からのオフガ
ス量の変動もあって改質原料の供給量とバーナ燃焼によ
り発熱量とのヒートバランスが過渡的に崩れ、特に負荷
上昇時には気化器。 改質触媒層の温度低下を招き、気化不足から燃料電池側
に供給する改質ガスに脈動を生じたり、改質原料の改質
率を低下させる。また逆に負荷の減少時にはオフガス量
が増加することから改質器の触媒層が過熱して改質触媒
の劣化を早める等の不具合が派生する。 ここで負荷変動に対する燃料電池、補助電池の出力、お
よび改質原料供給量、バーナ発熱量、改質触媒層温度の
応答特性を第３図に示すと、前記した従来の制御方式で
の応答特性は回申に点線で示した特性線イ９ロ、ハ、二
、ホのようになる。 すなわち改質器固有の応答遅れ、およびフィードバック
制御方式による制御上での応答遅れから、負荷の急増時
には燃料電池の出力を負荷増大に追随して迅速に増加さ
せることが）きす、燃料電池の出力不足分を補って補助
電池から負荷へ給電する放ｉｔｓが大となるために補助
電池として大容量の電池が必要となって発電プラント設
備が大形。 コスト高となるし、さらに過渡的に改質器のバーナ発熱
量不足からヒートバランスが崩れて改質触媒層温度が適
正値よりも低下するし、また負荷の急減時には逆にバー
ナ発熱量が過剰となって改質触媒層が過熱状態となる等
、発電プラントのトータル制御面で負荷変動に追随して
応答性よく安定した運転状態を維持することが極めて困
難である。

【発明の目的】

この発明は上記の点にかんがみなされたものであり、補
助電池を装備のハイブリット方式の燃料電池発電プラン
トを対象に、従来の制御方式の欠点を除去し、急激な負
荷変動に対処して燃料電池の迅速な出力逼随性、および
改質器における改質反応温度の適正温度維持が図れるよ
うにした制御応答性の高い燃料電池発電プラントの運転
制御装置を提供することを目的とする。

【発明の要点】

上記目的を達成するために、この発明は負荷変動を検出
し、該検出値を基に改質器へ送り込む改質原料供給量、
およびそのバーナに供給する補助燃料供給量を負荷変動
に応じてフィードフォワード制御する制御系を備えて制
御を行うことにより、負荷変動に対する改質器へ供給す
る改質原料、補助燃料の供給量を時間的遅れ無しに迅速
に追随制御して制御応答性の向上を図り、特に負荷急増
時における燃料電池の出力増加速度を高めて補助電池の
電池容量を低減できるようにするとともに、改質器では
応答性よくヒートバランスを保って触媒層温度を適正温
度に安定維持できるように燃料電池発電プラント全体で
のトータル制御の向上を図るようにしたものである。

【発明の実施例】

第１図はこの発明の実施例による燃料電池発電プラント
の運転制御系統図を示すものであり、発電プラントの基
本構成は第２図と同一である。ここでこの発明により、
運転制御装置が燃料電池の出力回路に介挿の電流検出器
１０．および補助電池の回路に介挿の電流検出器１８で
検出した燃料電池の出力電流１ｆｃ　＋および補助電池
の出力電流１ｂに比例する信号を加算して負荷変動を検
出し、この検出値をフィードフォワード信号として出力
制御器１９を介して改質原料供給装置７の原料ポンプ７
ｂ。 補助燃料供給装置８の燃料ポンプ８ｂ、燃焼空気供給装
置としての空気ブロア９を運転制御するフィードフォワ
ード制御系として構成されている。なお１３．２０はそ
れぞれ燃料電池２の出力電流に比例した信号、および補
助電池５の出力電流に比例した信号を出力する制御器、
２１は前記各信号の加算器である。 次に上記した制御系の制御動作について説明する。まず
Ｄ　Ｃ／Ｄ　Ｃコンバータ３．インバータ４の損失を無
視した条件では負荷電流１ｏ、ＤＣ／ＤＣコンバータの
出力電流Ｉｃｏｎｖ、補助電池出力を流Ｉｂの間の関係
式は、 Ｖｏｌｏ　−Ｖｂｌｃｏｎｖ　＝　Ｖｂｌｂ　（Ｖｏは
負荷電圧、　ｖｂは補助電池の端子電圧） であり、また燃料電池の出力電流１ｆｃに対応するＤ　
Ｃ／Ｄ　Ｃコンバータの出力電ｔｉｔｌｃｏｎｖは、夏
ｃｏｎｖ　ｍ　（Ｖｆｃ　／Ｖｂ）　Ｉｆｃ　　（Ｖｆ
ｃは燃料電池の出力電圧） となる。 一方、改質原料の供給量Ｆは完配した制御系１４により
Ｆ−に１ｌｆｃ　＋に２Ｉｂとなるようにフィードフォ
ワード制御される−これにより負荷電流が増大すれば、
燃料電池の出力増加を待たずに補助電池からの出力に対
応して直ちに改質原料供給量Ｆが増加するようになる。 したがうて発電プラントの運転中に負荷が急増し、これ
に対応してインバータ４の出力アップにより第３図のよ
うに負荷電流１ｏが増加すると、改質原料供給ＩＦは燃
料電池の出力電流の上昇に先立ちフィードフォワード制
御により特性ＡＩ（チ）で示すように直ちにｎＩ量ｉ＋
１１１１１されるようになる。 またこれにより改質器１から燃料電池２への水素ガス供
給量も応答遅れ無しに早期に増大するので負荷急増に伴
う燃料電池出力電流の立上がり特性も実線で示す特性線
（へ）のように従来（イ）と比べて大幅に改善され、か
つ燃料電池の出力電流が立上がった定常状態の時点では
Ｖｏｌｏ　−Ｖｂｌｃｏｎｖとなって負荷への給電が全
て燃料電池の出力で賄われるので、補助電池の出力電流
１ｏ＝０となる。 したがって補助電池からの出力は特性線（ト）で示すよ
うに極短い時間幅に限られ、かつその放電量も従来の特
性（ロ）と比べて斜線範囲分だけ少なくて済み、これに
より補助電池５の電池容量を低減゛できる。また燃料電
池の出力が増加した定常運転状態になれば改質原料供給
量ＦはＦ　＝に１１ｆｃとなり、以降は改質原料供給量
が燃料電池２の出力電流に比例して供給され、安定した
発電がｗ１続できるようになる。 さらに改質器１のバーナ１ａに供給する補助燃料および
燃焼空気供給量に付いて、負荷急増時にはその負荷電流
の変動を検出し、出力制御器１９を介して制濯信号を補
助燃料供給装置８の燃料ポンプ８ａおよび空気プロア９
に与えて補助燃料供給量およびこれに所定の過剰空気率
を掛けた燃焼空気供給量が負荷電々の変化割合に応じて
増量するようにフィードフォワード制御される。これに
より燃料電池２より改質器１のバーナに供給されるオフ
ガス量の減少、改質原料供給量の増大に伴うバーナ発熱
量の不足を補って第３図の特性線（す）で示すようにバ
ーナ発熱量を迅速に高めて改質器のヒートバランスを保
ち、特性線（ヌ）で示すように改質反応温度の大幅な低
下を防ぎ、高い改質効率を維持して改質器を安定よく継
続運転できる。 またこれにより燃料電池の出力を負荷増加に追随して時
間的遅れ無しに早期に上昇させることができるようにな
る。なお燃料電池の出力が上昇して定常運転状態になれ
ば、その後は制御系１５により改質触媒層の検出温度を
基に補助燃料供給量を制御して改質触媒温度を一定に保
つ、また負荷の減少時には燃料電池の出力電流ｒｆｃが
減少するので、前記と同様に食前電流変動を検出してフ
ィードフォワード制御により逸早く補助燃料イ共給量を
減量制御することにより、バーナ発熱量の過剰を抑えて
改質触媒層温度を適正温度に維持し、触媒層の過熱を未
然に防止できるようになる。 なお図示実施例では負荷変動を燃料電池２の出力電流ｒ
ｆｃと補助電池５の出力電流１ｏとの検出値を加算して
得るようにした方式を示したが、この代わりにインバー
タ４の出力電流を検出してフィードフォワード制御して
も同様な制御を行うことが可能である。

【発明の効果】

以上述べたようにこの発明によれば、負荷変動を検出し
、該検出値を基に改質器へ供給する改質原料供給量、補
助燃料供給量を負荷変動に応じてフィードフォワード＠
御する制御系を備えたことにより、まず負荷が急激に増
加変動した際には燃料電池の出力増加を待たずに改質原
料供給量を直ちに増量制御して燃料電池の出力立上がり
、つまりその出力電流を負荷変動に追随して迅速に増加
させることができ、したがって燃料電池の過渡的な出力
不足分を補うように燃料電池の出力側に接続した補助電
池の電池容量を従来のものと比べて大幅に低減すること
ができる、とともに、一方では負荷の増減変動に伴う改
質器の触媒層温度の大幅な変化を抑えるようにヒートバ
ランスを保って改質反応温度を常に適正温度に保持でき
るなど、補助電池を装備したハイブリッド方式の燃料電
池発電プラントを対象に負荷変動に対する制御応答性の
高い運転制御装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図はそれぞれ本発明の実施例および従来に
おける燃料電池発電プラントの制御系統図、第３図は負
荷変動に伴う第１図、第２図の制御応答特性図である。 各図において、 １：改質器、２：燃料電池、５：補助電池、６：負荷、
７：改質原料供給装置、８：補助燃料供給装置、９；燃
焼空気供給装置、１０；燃料電池の出力電流検出器、１
４：改質原料供給量の制御系、１８：補助電池の出力電
流検出器、１９：出力制御器、２１：信号加算器、■ｏ
：負荷電流、Ｉｆｃ　　：燃料電池の出力電流、■ｂ：
補助電池の出力電流。 第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）改質原料を改質して水素ガスを生成する改質器と、
   該改質器に対応付設した改質原料供給装置、補助燃料供
   給装置と、前記改質器で得た水素ガスを燃料として発電
   を行う燃料電池と、および該燃料電池の出力側に接続し
   た補助電池とを組合せて構成した燃料電池発電プラント
   において、負荷変動を検出し、該検出値を基に改質器へ
   供給する改質原料供給量、およびそのバーナに供給する
   補助燃料供給量を負荷変動に応じてフィードフォワード
   制御する制御系を備えたことを特徴とする燃料電池発電
   プラントの運転制御装置。 ２）特許請求の範囲第１項記載の運転制御装置において
   、負荷変動の検出値が燃料電池の出力電流値に比例した
   信号と、補助電池の出力電流値に比例した信号とを加算
   したものであることを特徴とする燃料電池発電プラント
   の運転制御装置。