JPH02103865A

JPH02103865A - 燃料電池発電プラント

Info

Publication number: JPH02103865A
Application number: JP63255776A
Authority: JP
Inventors: Masato Watanabe; 渡邉　政人
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-10-13
Filing date: 1988-10-13
Publication date: 1990-04-16

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、改質器温度制御手段を他の制御系とは独立し
て設けた燃料電池発電プラントに関するものである。

（従来の技術）燃料電池発電プラントは、良く知られているように、エ
ネルギー有効利用の目的から、吸熱反応である改質反応
に必要な熱エネルギーを、燃料電池による発電に用いら
れた後の排燃料を燃焼させることにより得るという、閉
じたエネルギー源プを構成している。

第３図に上記の様な閉ループ系を中心とした従来の燃料
電池発電プラントの構成図を示した。即ち、燃料電池１
には、原燃料を改質して前記燃料電池に改質ガスを供給
するための改質器が接続され、この改質器は、前記燃料
電池から排出される排燃料を燃焼させる改質器燃焼器４
と、実際に改貿反応を行う改質器改質部５の２つから構
成されている。また、前記改質器には、改質器燃焼器４
において発生する改質器燃焼排ガスを主なエネルギー源
として駆動するターボ］ンルツーりと、このターボコン
プレッサの動力の不足を補うためのターボコンプレッサ
燃焼器６と、このターボコンプレッサ燃焼器６からの燃
焼排ガスと前記改質器燃焼排ガス等のガスを混合させる
ためのターボコンプレッサ混合器７とか接続されている
。

上記の様に構成された従来の燃料電池発電プラントにお
いては、燃料電池１のアノード電極２に供給される燃料
流量はアノード燃料流量調節弁１１によって調節され、
また、改質器を含む燃料供給ラインの圧力は原燃料流量
調節弁１２によって調節され、ざらに、燃料電池の両極
間差圧は極間差圧制御弁１３によって調節されている。

そして、これらの流量調節弁１１．１２．１３は互いに
直列に配置されている。一方、改質器改質部５には温度
検出器１４が配設され、この温度検出器１４及び改質器
改質部５に供給された原燃料の流量検出器１５が制御器
１６に接続され、それらの信号によって前記アノード燃
料流量調節弁１１の開閉を制御することかできるように
構成されている。

上記の様な制御システムは、第４図の制御ロジック図に
示した様に、改質器改質部５に接続された温度検出器１
４よりの信号が、制皿器１６内のＰ１調節計１６ａに人
力され、ここで、改質器温度偏差から定まるアノード燃
料流量補正信号１７か出力され、これに負荷電流から定
まるアノード燃料流量設定値信＠１８を加えたものを、
最終的なアノード燃料流量設定値信号１９として出力し
、制御器１６内のＰＩ調節計１６ｂによってアノード燃
料流量調節弁１１の開度が調節される。

（発明か解決しようとする課題）しかしながら、上述した様な従来の燃料電池発電プラン
トにおいては、平衡状態では効率良く燃料電池に水素を
供給することかできるか、負荷変化時等の過渡時には改
質器温度やアノード供給燃料流量が大ぎく変動し、ざら
にそれらを所定値に整定づるのに長時間を要するため、
制御性か著しく低下するといった欠点があった。

この原因としては、以下に述べる様なことか考えられる
。まず負荷の増大に比例して大量の原燃料が改質器に導
入され、これらの吸熱改質反応によって急激に改質器が
冷却される。ところが、改質器温度が低下すると、第４
図に示した改質器温度偏差に基づく燃料流量補正設定信
号１７の値が大きくなり、アノード供給燃料流量がさら
に増大する。つまり、改質器の温度を上げるために改質
器燃料器に供給される水素を増加させるために、さらに
多量の原燃料を改質器に送ることになり、ざらに改質器
の温度を低下させることになる。その結果、改質器の温
度は大きく低下し、燃料流量は増大する。一方、しばら
く後、この大量の燃料ガスか改質器燃焼器４に到達する
と、余剰水素ガスが多すぎるために改質器の温度は過度
の上昇を来たす。逆に負荷を下げた場合も同様に大きな
変動が流量と温度に発生する。

また、前述した様にエネルギー閉ループの中に、極間差
圧調整弁１３が配設され、これか極間の差圧を維持する
ために他の系とは独立して動作するため、改質器の温度
は制御できない状態となる。

さらに、前記燃料流量及び改質器温度の変動は、以下に
述べる様に極めて悪い影響を及ばず。即ち、改質器温度
が過度に上昇すると、改質器触媒や改質管の劣化を引き
起こし、その寿命を縮めるばかりか、焼損の危険性も高
くなる。一方、改質器温度が低下しすぎると改質反応が
進まず、原燃料がそのまま電池に供給され燃料効率が悪
化する。また、燃料ガスの流量が減少すると、燃料電池
が燃料不足となり、必要な電力を得ることできない等と
いった欠点があった。

本発明は、以上の欠点を解消するために提案されたもの
で、その目的は、改質器温度を直接制御することのでき
る手段を設け、改質器温度の変動を防止し、安定性が高
く寿命の長い燃料電池発電プラントを提供することにあ
る。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明は、燃料電池と、原燃第１」を改質して前記燃料
電池に改質ノｊスを供給するための改質器と、前記改質
器において発生する改質器燃焼排ガスを主なエネルギー
源として駆動されるターボコンブレラ１ノとから成る燃
料電池発電プラントにおいて、前記改質器の燃焼器にお
いて生成する燃焼排ガスを改質器改質部を通過させるこ
となく外部に排出するための配管及びその流量を調節す
るための流量調節弁を設け、また、前記ターボコンプレ
ツ１ノーの燃焼器において生成する燃焼排ノｊスを改質
器に直接導くことのできる配管及びその流量を調節する
ための流量調節弁を設け、さらに、改質器温度を測定す
る手段を有し、この改質器温度の変動に基づいて、前記
流量調節弁の開度を調節することにより改質器温度を所
定の値に制御することのできる制御器を設Ｃブたことを
特徴とするものである。

（作用）本発明の燃料電池発電プラントによれば、改質器の温度
を検出する温度検出器を、他の制御系とは独立して設【
プた制御器に接続したことにより、改質器の温度調節を
燃料電池への燃料流量の制御系とは別個に行うことかで
きるので、燃料流量の多少によって改質器の温度が影響
を受けることがない。

（実施例）以下、本発明の一寅施例を第１図及び第２図に基づいて
具体的に説明する。なお、第３図に示した従来型と同一
の部（Ａには１同一の符号を付し、説明は省略する。

本実施例においては、第１図に示した様に、燃料電池１
に供給される燃料流ｒ４ｃｔ、流量検出器１５からの信
号に基づいて、ＰＩ調節訓２０によってアノード燃料流
量調節弁１１を操作することにより制御され、また、改
質器の圧力は、圧力検出器２１からの信号に基づいて、
ＰＩ調節計２２によって原燃料流量調節弁１２を操作す
ることにより制御されるように構成されている。ざらに
、燃料電池の極間差圧は、差圧検出器２３からの信号に
基づいて、ＰＩ調節計２４によって極間差圧制御弁１３
を操作することにより制御されるように構成されている
。

また、改質器燃焼器４には、改質器燃焼器において生成
する燃焼排ガスを改質器改質部５を通過させることなく
直接改質器の外部に放出するための配管及びその放出量
を調節するための流量調節弁３１が設けられている。一
方、ターボコンプレッサ燃焼器６と改質器燃焼器４の間
には、前記ターボコンプレッサ燃焼器において生成する
燃焼排カスを改質器に直接導入するための配管及びその
導入量を調節するための流量調節弁３２が設（プられて
いる。ざらに、前記ターボコンプレッサ燃焼器６には燃
料供給量を調節するためのターボコンプレッサ燃焼器燃
料供給弁３３が設けられ、また、ターボ］ンプレツザに
はタービン排気の圧力逃し弁３４が設（ブられている。

さらに、本実施例においては、改質器温度の変動に塁づ
いて、前記流量調節弁の開閉を制御することのできる制
御器３０が配設されている。この制御器３０は、改質器
改質部５に接続された温度検出器１４に接続され、改質
器温度が変動した場合に、改質器燃焼部４とターボコン
プレツザ混合器７の間に配設された流量調節弁３１、改
質器燃焼部４とターボコンプレッサ燃焼器６の間に配設
された流量調節弁３２、ターボコンプレッサ燃焼器燃料
供給弁３３及びタービン排気の圧力逃し弁３４を制御で
きるように構成されている。

この様な構成を有する本実施例の燃料電池発電プラント
においては、改質器の温度は以下に述べるにうにして制
御される。即ち、負荷の急増あるいは負荷の急減等によ
り改質器の温度が変動した場合、改質器改質管に設置さ
れた温度検出器１４によって検出された温度が制御器３
０に出力され、制御器３０において設定値との偏差が算
出される。

この偏差に基づいて、改質器の温度が設定値より低くな
った場合には、流量調節弁３３を開き、ターボコンプレ
ッサ燃焼器６に導入される燃料を増大させ、その出力も
増大させる。また、流量調節弁３２を聞いてターボコン
プレッサ燃焼器６から直接燃焼排ガスを改質器改質部４
に導き、改質器の温度を上昇させる。逆に、改質器の温
度が設定値より高くなった場合には、その偏差に基づい
て流量調節弁３１を開け、改質器燃焼部４にて発生する
燃焼排ガスを、改質器改質部５を通さずに、直接ターボ
コンプレッサ混合器７に導ぎ、改質器改質部５に供給さ
れる熱エネルキーを減少させ、改質器温度を低下させる
。

上述した様な改質器の温度制御の結果は、必然的にター
ボコンプレッサのタービン８の入口圧ノＪに外乱を与え
るが、ターボコンプレッサ燃焼器燃料供給弁３３を用い
てターボコンプレッサ燃焼器６の出力を調整し、また、
圧力逃し弁１８を用いてタービン８を駆動する混合排ガ
スを人気に排出させることにより、その外乱を吸収する
ことができる。

以上の様な制御方式を実現するための具体的な制御ブロ
ック図を第２図に示した。即ち、改質器温度偏差か正の
時には、その値に従って制御器３０内に設けられたＰＩ
演算器３０ａにより流量調節弁３２の開度を計算すると
同時に、前記温度偏差に従ってターボコンプレッサ燃焼
器６に供給される燃料流桁設定の補正増加分４０をＰＩ
演算器３０ｂで計粋し、従来より行なわれているタービ
ン８の入口圧力偏差から定まる前記ターボコンプレッザ
燃焼器供給燃料設定値４１に加算し、最終的な供給燃料
設定値４２をＰＩ演算器３０ｄで計算し、ターボコンプ
レッサ燃焼器燃料供給弁３３の開度を制御する。また、
圧力逃し弁３４の開度調節はＰＩ演算器３０ｅによって
行われる。反対に、温度偏差が負の時には、その値に従
って流量調節弁３１の開度をＰＩ演算器３０ｆにより計
算する。

この様に本実施例によれば、改質器改質管に設置された
温度検出器による信号に基づいて、燃料電池発電プラン
トを構成する種々の流量調節弁の開度を調節することの
できる制御器を設けることによって、改質器の温度を常
に一定に保つことができ、必要な燃料を効率良く供給す
ることができる。

［発明の効果］以上述べた様に、本発明によれば、改質器の温度を検出
する温度検出器を他の制御系とは独立して設けた制御器
に接続し、燃焼排ガスの流量を調節するという簡単な手
段によって、改質器温度の変動を防止し、安定性が高く
寿命の長い燃料電池発電プラントを提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃料電池発電プラントの一実施例を示
す系統図、第２図は第１図における燃料電池発電プラン
トの運転方法を具体的に実現するための制御ブロック図
、第３図は従来の燃料供給システムを示す系統図、第４
図は従来のアノード燃料流量、改質器温度の制御ブロッ
ク図である。１・・・燃料電池、２・・・アノード電極、３・・・カ
ソード電極、４・・・改質器燃焼器、５・・・改質器改
質部、６・・・ターボコンプレッサ燃焼器、７・・・タ
ーボコンプレッサ混合器、８・・・タービン、９・・・
コンプレッサ、１１・・・アノード燃料流量調節弁、１
２・・・原燃料流量調節弁、１３・・・極間差圧制御弁
、１４・・・温度検出器、１５・・・流量検出器、１６
・・・制御器、１６ａ、１６ｂ・・・ＰＩ調節計、１７
・・・改質器温度偏差に基づく燃料流量補正設定値、１
８・・・負荷による燃料流量設定値、１９・・・最終的
な燃料流量設定値、２０・・・ＰＩ調節計、２１・・・
圧力検出器、２２・・・Ｐ■調節計、２３・・・差圧検
出器、２４・・・ＰＩ調節計、２５・・・流量検出器、
２６・・・圧力検出器、３０・・・制御器、３０ａ〜３
０ｆ・・・ＰＩ演算器、３１・・・流量調節弁、３２・
・・流量調節弁、３３・・・ターボコンプレッサ燃焼器
燃料供給弁、３４・・・圧力逃し弁。

Claims

【特許請求の範囲】燃料電池と、原燃料を改質して前記燃料電池に改質ガス
を供給するための改質器と、前記改質器において発生す
る改質器燃焼排ガスを主なエネルギー源として駆動され
るターボコンプレッサとから成る燃料電池発電プラント
において、前記改質器の燃焼器において生成する燃焼排ガスを改質
器改質部を通過させることなく外部に排出するための配
管及びその流量を調節するための流量調節弁を設け、ま
た、前記ターボコンプレッサの燃焼器において生成する
燃焼排ガスを改質器に直接導くことのできる配管及びそ
の流量を調節するための流量調節弁を設け、さらに、改
質器温度を測定する手段を有し、この改質器温度の変動
に基づいて、前記流量調節弁の開度を調節することによ
り改質器温度を所定の値に制御することのできる制御器
を設けたことを特徴とする燃料電池発電プラント。