JPH03266367A - 燃料電池システムの燃料系統制御装置 - 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、急激な負荷上昇に対応して安定した電力を供
給できるようにした燃料電池システムの燃料系統制御装
置に関する。

（従来の技術） 燃料電池システムに組み込まれる燃料系統は、図示しな
い燃料（天然ガス）供給源と燃料電池１を結ぶものであ
り、この燃料系統は、燃料予熱器２、脱硫塔３、改質器
入口予熱器４、改質器５、高温−酸化炭素変成器６、低
温−酸化炭素変成器７、蒸気過熱器８、燃料冷却器９を
順に接続して構成されている。上記燃料予熱器２の上流
側と燃料冷却器９の下流側を結ぶ燃料リサイクルライン
１０には燃料リサイクルコンプレッサ１１が設けられ、
また蒸気分離器１２と脱硫塔３と改質器入口予熱器４の
間を蒸気ライン１３で結び、蒸気分離器１２の蒸気が蒸
気流量調節弁１３ａを介して燃料系統を流れる燃料ガス
に混入するようにしている。

しかして燃料（天然ガス）供給源から燃料流量調節弁３
２を介して燃料系統に送られる天然ガスは、燃料リサイ
クルライン１１より流入する水素ガス濃度の高い燃料ガ
スとともに、燃料予熱器２に導かれ、ここで昇温され、
ここから脱硫塔３に導かれ、ここで天然ガスに含まれる
硫黄成分を除かれ、脱硫塔３からでる燃料ガスは、蒸気
分離器１３からの蒸気と混合され、改質器入口予熱器４
を介して改質器５に送られ、改質器５に送られた燃料ガ
スは、この改質器５において改質器バーナにより加熱さ
れ、化学反応により、水素ガスを多量に含んだ燃料ガス
に改質される。この化学反応に伴って発生する二酸化炭
素および少量の一酸化炭素は燃料ガスに混入し、燃料ガ
スとともに高温−酸化炭素変成器６に送られ、ここで−
酸化炭素を二酸化炭素に変成し、ついて残った一酸化炭
素を低温−酸化炭素変成器入口冷却器１４を介して低温
−酸化炭素変成器７に送り、ここで残りの一酸化炭素を
二酸化炭素に変成する。低温−酸化炭素変成器７からで
る水素ガスを主とする燃料ガスは、蒸気過熱器８を介し
て燃料冷却器９に導かれ、ここで燃料ガスに混入してい
る蒸気か取り除かれ、改質ガス流量調節弁１５を介して
燃料電池１に送り込まれ、この燃料電池１において、燃
料ガス中の水素を消費し電気を発する。

一方燃料電池］から排出される燃料排ガスには、未消費
の水素か含まれているので、この水素を有効利用するた
めに、燃料電池１の燃料排ガス側１６と燃料ガスの入り
口側１７とをアノードリサイクル系統１８て結び、この
アノードリサイクル系統１８に設けたアノードリサイク
ルコンプレッサ１９で燃料排ガスの一部を燃料電池１に
戻すようにしている。また燃料排ガスの残りは改質器５
に戻され、改質器５のバーナ燃料として使用され、天然
ガスを水素ガスに改質する際の熱源となる。

また燃料電池１において燃焼された燃料排ガスは、改質
器バーナ空気予熱器２０を介して補助バーナ２１に送ら
れ、ここから低圧ターボコンプレッサ２２と高圧ターボ
コンプレッサ２３を有するターボコンプレッサ装置２４
に送られる。ターボコンプレッサ装置２４は、燃料電池
１に酸素を供給するとともに、補助バーナ２１や改質器
５のバナに燃焼用空気を供給する空気系統を構成してい
る。

上記空気系統は、燃焼用空気の一部をバイパス空気流量
調節弁２５に送ることで燃料電池システムの差圧をある
一定値に保つようにするとともに、空気流量調節弁２６
を介して燃料電池１に酸素を供給する。また空気系統を
流れる空気の一部は、空気流量調節弁２６の上流側で分
岐され、改質器バーナ空気流量調節弁２７を介して改質
器バーナに燃焼用空気として供給される。

しかしながら燃料電池１に酸素を供給するために送られ
る空気の酸素がすべて燃料電池において、電気を発生す
るために消費されるものではなく、空気中に含まれる酸
素を有効利用するために、燃料電池１のカソード排気側
１６ａと空気流量調節弁２６の下流側とをカソードリサ
イクル系統２８で結び、カソード排気をカソードリサイ
クル系統２８に設けたカソード排気再熱器２９を通して
カソード排気冷却器に送り、ここで燃料電池１内で発生
した水分を取り除いき、再びカソード排気再熱器２９を
通してから、カソードリサイクルコンプレッサ３１によ
り燃料電池１に戻される。またカソード排気の一部は低
温−酸化炭素変成器人口冷却器１４を介して改質器ノ・
−す空気予熱器２０を通り、改質器バーナ空気流量調節
弁２７の下流側で改質器バーナに燃焼用空気として供給
される空気と混合される。

なお第３図において、符号４０は改質器５の改質管に設
けた温度センサ、４１は改質器５に設けた燃焼排ガス酸
素濃度センサ、４２は燃料流量センサ、４３は空気流量
センサである。

つぎに改質器バーナの燃料制御方法および改質器バーナ
の空気制御方法を説明する。

改質器バーナの燃料を制御するには、第４図に示すよう
に、改質器の改質管上部温度を温度センサ４０て検出し
、この温度センサ４０の検出信号を温度ＰＩ演算器５０
に送り、この検出信号を予め設定した改質器の改質管上
部温度設定値と比較演算し、この温度ＰＩ演算器５０か
らてる信号を流量ＰＩ演算器５１の流量設定値とし、燃
料電池入口燃料流量を燃料流量センサ４２て検出し、こ
の燃料流量センサ４２の検出信号を流ｆｆ１ＰＩ演算器
５１に送り、この流量ＰＩ演算器５１からでる信号を、
改質ガス流量調節弁］５の制御信号として用い、これに
より改質器の改質管上部温度か一定となるようにする。

また改質器バーナの空気を制御するには、第５図に示す
ように、改質器の燃焼排ガス酸素濃度を燃焼排ガス酸素
濃度センサ４１て検出し、この燃焼排ガス酸素濃度セン
サ４１の検出信号を酸素ＰＩ演算器５２に送り、この検
出信号を予め設定した改質器の燃焼排ガス酸素濃度と比
較演算し、この酸素ＰＩ演算器５２からでる信号を流量
ＰＩ演算器５３の流量設定値とし、改質器バーナ空気流
量を燃料流量センサ４２て検出し、この空気流量センサ
４３の検出信号を流量ＰＩ演算器５３に送り、この流量
ＰＩ演算器５３からでる信号を、改質ガス流量調節弁２
７の制御信号として用い、これにより改質器の燃焼排ガ
ス酸素濃度が一定となるようにし、燃料電池１のカソー
ド排ガスに混合するターボコンプレッサ装置２４より送
られる空気流量を制御する。

（発明が解決しようとする課題） 燃料電池システムににおいて、急激な負荷上昇があると
、燃料電池内において多量の水素ガス消費が生じて、燃
料電池からでる燃料排ガス中の水素濃度が低下し、水素
濃度の低い燃料排ガスが改質器バーナに送られ、このた
め改質器の改質管上部温度を一定に保つのに必要な熱量
が得られず、改質器の改質管上部温度が低下する。

上記形式の燃料電池システムの燃料系統制御装置では、
改質器の改質管上部温度の低下を検出したら、燃料電池
入口の燃料流量を増加させるが、改質器の改質管上部温
度が極度に低下した場合には、改質器において改質反応
が計画とおり行われなくなり、燃料電池システムに必要
な水素量が確保できなくなり、急激な負荷上昇に対応し
て安定した電力を供給できない。

本発明は上記した点に鑑みてなされたもので、燃料電池
の燃料排ガス側と燃料ガスの入り口側を結ぶアノードリ
サイクル系統に水素注入ラインを接続することで、燃料
電池システム急激な負荷上昇に対応して安定した電力を
供給できるようにした燃料電池システムの燃料系統制御
装置を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明の燃料電池システムの燃料系統制御装置は、燃料
電池の燃料排ガス側と燃料ガスの入り口側を結ぶアノー
ドリサイクル系統に燃料排ガス中の水素濃度を検出する
ための水素濃度センサを設けるとともに、このアノード
リサイクル系統のアノードリサイクルコンプレッサより
上流側に水素源に接続した水素注入ラインを弁装置を介
して接続して構成される。

（作　用） 本発明の燃料電池システムの燃料系統制御装置において
は、改質器の改質管上部温度の低下を検出したら、燃料
電池入口の燃料流量を増加させるが、急激な負荷上昇か
あった場合には、燃料電池内において多量の水素ガス消
費が生じて、燃料電池からでる燃料排ガス中の水素濃度
が低下し、水素濃度の低い燃料排ガスが改質器バーナに
送られが、燃料排ガスの水素濃度を水素濃度センサで検
出し、燃料排ガスの水素濃度が設定値より低い場合には
、その燃料排ガスの水素濃度の低さに応じた量の水素を
水素注入ラインを介してアノードリサイクル系統に供給
し、改質器バーナに送られる燃料排ガスの水素濃度を制
御し、改質器の改質管上部温度を一定に保ち、燃料電池
システムに必要な水素量を確保し、急激な負荷上昇に対
応して安定した電力を供給できる。

（実施例） 以下本発明の一実施例を図面につき説明する。

なお第１図において第３図と同一部材については同一符
号を付す。

第１図において符号１００は燃料電池システムの燃料系
統制御装置に組み込まれる燃料排ガス水素濃度センサを
示し、この燃料排ガス水素濃度センサ１００は燃料電池
１の燃料排ガス側１６と燃料ガスの入り口側１７を結ぶ
アノードリサイクル系統１８の燃料排ガス出口に近い部
位に設けられている。またこのアノードリサイクル系統
１８のアノードリサイクルコンプレッサ１９より上流側
の部位１８ａには、水素注入調節弁１０１を介して水素
注入ライン１０２が接続されている。この水素注入ライ
ン１０２は、図示しない水素源に接続されていて、水素
源に収容された水素ガスをアノードリサイクル系統１８
に供給する。

上記燃料排ガス水素濃度センサ１００の検出信号は、第
２図に示すように水素ＰＩ演算器１０３および低信号モ
ニタスイッチ１０４に送られる。

低信号モニタスイッチ１０４は燃料排ガス水素濃度が予
め定めた値より低い値となった時に信号を発する。

一方負荷指令１０５の指令信号は、濃度関数発生器１０
６および微分器１０７に送られ、濃度関数発生器１０６
からでる負荷に対する水素濃度設定値は、上記水素ＰＩ
演算器１０３に送られ、ここで水素濃度設定値は、燃料
排ガス濃度センサ１００から送られた検出信号と比較演
算され、制御信号としてリレー１０８に送られる。また
微分器１０７からでる信号は高（４号モニタスイッチ１
０９に送られる。この高信号モニタスイッチ１０９は微
分器１０７からでる負荷変化率が予め定めた値より高い
値となった時に信号を発する。

上記高信号モニタスイッチ１０９および上記低信号モニ
タスイッチ１０４からでる信号はアントロジック１１０
に送られる。上記アンドロジック１１０は、高信号モニ
タスイッチ１０９の信号および低信号モニタスイッチ１
０４の信号の両方が入力されたときに、信号をノットロ
ジック１１１に送る。ノットロジック１１１は、アンド
ロジック１１０からの信号がないときに、リレー１０８
に信号を送る。上記リレー１０８は、ノットロジック１
１１からの信号を受けたときには、水素注入ライン１０
２に設けた水素注入調節弁１０１に全閉の信号を送り、
ノットロジック１１１からの信号がないときには水素Ｐ
Ｉ演算器１０３から送られた制御信号により水素注入調
節弁１０１の開度を制御する。

つぎに燃料電池システムの燃料系統制御装置の制御方法
を説明する。

燃料電池システムの燃料電池１に急激な負荷上昇が発生
すると、燃料電池１内において多量の水素ガス消費が生
じて、燃料電池からでる燃料排ガス中の水素濃度が低下
し、水素濃度の低い燃料排ガスが改質器バーナに送られ
ることになるか、負荷指令１０５の指令信号は、濃度関
数発生器１０６および微分器１０７に送られ、濃度関数
発生器１０６からでる負荷に対する水素濃度設定値は、
上記水素ＰＩ演算器１０３に送られ、また微分器１０７
からでる信号は高信号モニタスイッチ１０９に送られる
ようになっており、またアノードリサイクル系統１８に
設けた燃料排ガス水素濃度センサ１００は、燃料排ガス
に含まれる水素濃度の低下を検出し、この燃料排ガス水
素濃度センサ１００の検出信号は、水素ＰＩ演算器１０
３に送られる。

水素ＰＩ演算器１０３に送られた燃料排ガス水素濃度セ
ンサ１００の検出信号は、負荷指令１０５から送られた
水素濃度設定値とここで比較演算され、水素注入調節弁
１０］に対する制御信号をリレー１０８に送る。また燃
料排ガス水素濃度センサ１００から低信号モニタスイッ
チ１０４に送られた信号および負荷指令１０５から微分
器１０７を介して高信号モニタスインチ１０９に送られ
た指令信号は、アントロジック１１０に送られる。アン
ドロジック１１０ては、高信号モニタスイッチ１０９の
信号および低信号モニタスイッチ１０４の信号の両方か
人力されたときに、信号をノットロジック１１１に送る
。ノットロジック１１１は、アンドロジック１１０から
の信号がないときにリレー１０８に信号を送る。

上記リレー１０８は、ノットロジック１１１からの信号
を受けたときに、水素注入ライン１０２に設けた水素注
入調節弁１０１を閉じる信号を発し、ノットロジック１
１１からの信号がないときに水素ＰＩ演算器１０３から
送られた制御信号により水素注入調節弁１０１の開度を
制御する信号を発する。

リレー１０８からの開度信号を受けた水素注入調節弁１
０１は、その信号に応して開度を決定し、水素源に収容
された水素ガスを燃料排ガスの水素濃度の低さに応した
量たけ水素注入ライン１０２を介してアノードリサイク
ル系統１８に供給する。

この水素ガスの供給により、改質器バーナに送られる燃
料排ガスの水素濃度が制御され、改質器の改質管上部温
度が一定に保たれ、燃料電池システムに必要な水素量を
確保することで、急激な負荷上昇に対応して安定した電
力を供給できる。

なお燃料電池１に急激な負荷上昇が発生すると、燃料電
池１内に多量の酸素消費がおこり、燃料電池１からでる
カソード排気中の酸素濃度が低下するが、このカソード
排気は改質器バーナ空気予熱器２０に送られ、ターボコ
ンプレッサ装置２４より送られる空気とともに改質器バ
ーナに送られるので、極度の酸素濃度低下となることは
ない。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば、燃料電池の燃料排ガ
ス側と燃料ガスの入り口側を結ぶアノードリサイクル系
統に燃料排ガス中の水素濃度を検出するための水素濃度
センサを設けるとともに、このアノードリサイクル系統
のアノードリサイクルコンプレッサより上流側に水素源
に接続した水素注入ラインを弁装置を介して接続したの
で、改質器バーナに送られる燃料排ガスの水素濃度を制
御し、改質器の改質管上部温度を一定に保ち、燃料電池
システムに必要な水素量を確保し急激な負荷上昇に対応
して安定した電力を供給できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による燃料電池システムの燃料系統制御
装置の要部を示す図、第２図は同制御方法を示すブロッ
ク図、第３図は従来の燃料電池システムを示す図、第４
図は従来の改質器バーナの燃料制御方法を示す図、第５
図は従来の改質器バーナの空気制御方法を示す図である
。 １・・・燃料電池、５・・・改質器、１５・・・改質ガ
ス流１１Ｍ節弁、１８・・・アノードリサイクル系統、
１９・・・アノードリサイクルコンプレッサ、１００・
・水素濃度センサ１００．１０１・・・水素注入調節弁
、１０２・・・水素注入ライン、１０３・・・水素ＰＩ
演算器、１０５・・・負荷指令、１０４・・・低信号モ
ニタスイッチ、１０８・・・リレー、１０９・・・高信
号モニタスイッチ、１１０・・・アンドロジック、１１
１・・ノットロジック。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 燃料電池の燃料排ガス側と燃料ガスの入り口側を結ぶア
   ノードリサイクル系統に燃料排ガス中の水素濃度を検出
   するための水素濃度センサを設けるとともに、このアノ
   ードリサイクル系統のアノードリサイクルコンプレッサ
   より上流側に水素源に接続した水素注入ラインを弁装置
   を介して接続したことを特徴とする燃料電池システムの
   燃料系統制御装置。