JPS60107268A - 燃料電池発電プラントの制御装置 - 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】 本発明は、燃料電池発電プラントの制御装置、特に電池
本体内への安定した水素ガスの供給が可能な燃料電池発
電プラントの制御装置に関するものである。

〔発明の技術的背景〕

燃料電池は、改質装置を介して原料ガスから水素ガスを
生成し、この水素ガスを電池本体に供給して電極反応を
行なわせて再び改質装置に回収する一連のシステムを有
している。

したがって電池本体への安定した水素ガスの供給は、電
池本体への燃料極流量とその中に含まれる水素比率の安
定な供給にエシなされている。そしてそのだめの制御が
電池本体内の燃料極流量制御である。

第１図は従来の燃料極流量制御構成のブロック図であシ
、これによって説明する。第１図において、１は改質装
置、２は電池本体であシ、改質装置１で改質されたガス
は電池本体２にて負荷に応じて消費された後、再び改質
装置１に戻り、改質装置燃焼用の燃料として回収される
。なお、３はターデコンゾレッザの補助バーナの燃料等
信の構成機器への燃料供給ラインである。この際、電池
本体への改質ガスの供給は燃料極流量調節弁４によって
次のように行なわれている。

即ち、燃料極流量設定値ｇは、負荷の大小に応じた直流
電流ａを設定流量演算器５を介して導出された直流電流
に対する設定流量すと、同じく直流電流ａを設定温度演
算器６を介して導出された直流電流に対する反応室代表
温度設定値Ｃと温度検出器７からの検出温度ｄとの温度
偏差ｅに基づく調節器８からの反応室温度偏差による指
令信号ｆとを加算することから得られる。ここで燃料極
流量設定値ｇが与えられると、調節器９は前記流量設定
値ｇと流量検出器１０からの燃料極流量検出値（実流量
）ｈとの流量偏差ｉから、燃料極流量調節弁４に対して
開度指令ｊを与えることによシ流量制御が行なわれる。

〔背景技術の問題点〕

上記構成を有する従来装置では、負荷の大きな場合、即
ち、直流電流が大きな場合は、これが小さな時に比べて
電池本体で必要とする水素量が多くなるため、燃料極流
量は必然的に多くなり、これに応じて改質装置でも一定
の水素転化率を達成するために、より多くの改質能力が
要求される。

しかし改質装置の水素転化率は改質装置の原料ガス流量
と反応室の温度環境によって決まるが、従来制御方式で
は直流電流ａが原料ガス流量を示す一つの指標であるこ
とから、これに対応する反応室温度設定値Ｃを設定温度
演算器６により高めることで対処していた。

即ち、第２図に示すように直流電流値ａがａｌかも８２
になった場合、反応室設定温度ＴをＴＩからＴ２に上昇
させ、改質装置における改質反応速度をより速めること
により改質能力を高めている。

ところが改質装置の原料ガスには、燃料極流入燃料の他
に、ターボコンプレッサの補助ノ々−す燃料及び場合に
よっては、電池本体温度制御系での蒸気生成用バーナの
燃料も含んでいるため、何らかの原因で他構成機器への
燃料供給ライン３の流量が増加した場合、必らずしも直
流電流値と改質装置原料ガス流量とが一意に対応すると
は限らない。したがって、例え反応室温度が設定値に制
御されている状態であっても、その時の改質装置での水
素転化率が一定範囲に保たれているとは云えない。

〔発明の目的〕

本発明は上記問題点を解決することを目的としてなされ
たものであり、改質装置での水素転化率を一定範囲に確
実に制御することの可能な燃料電池発電プラントの制御
装置を提供することを目的としている。

〔発明の概要〕

本発明では改質装置原料ガスの実流量に対する反応室設
定温度をもうけ、実際の反応室温度を設定温度に制御す
ることによシ、改質装置における水素転化率を一定範囲
に保とうとするものである。

〔発明の実施例〕

以下図面を参照して実施例を説明する。第３図は本発明
による燃料電池発電プラントの制御装置の一実施例構成
図である。図中の符号１ないし５及び７カいし１０は第
１図に対応している。１１は原料ガス検出器、１２は遅
れ要素（後述する）、１３は設定温度演算器である。本
実施例では原料ガス検出器１１からの原料ガス検出値ｋ
を遅れ要素１２によシ遅れを加味した流量検出値ｔとし
、更に設定温度演算器１３を介して前記ｔに基づく温度
設定値ｍを導出し、これと反応室の代表温度検出器７か
らの検出値ｄとの偏差Ｃから、調節器８により反応室温
度偏差に対する指令信号ｆを与え、こｉｔを直流電流に
対する設定流量すに加算して、最終的な設定流量ｇとす
るものである。以降は第１図同様、燃料極流量検出器１
０の検出値りとｇとの偏差１によシ調節器９から開度指
令ｊを出力し燃料極流量調節弁４を制御する。要するに
電池本体において負荷に応じて消費される水素ガス以外
に、他構成機器での燃料消費分があるため、これらを加
味した補正を改質装置へ流入する原料ガスの検出値から
導出し、これと反応室代表温度との偏差によシ、よシき
めの細かい制御を可能とするものである。

第４図は改質装置原料ガス流量に基づく反応室設定温度
の特性図であり、本実施例によれば改質装置原料ガス流
量がＧ１から０２へ増加した場合に、反応室設定温度は
ＴＩからＴ２へ高められ、反応室温度もとｉＬに従うよ
う制御される。

第５図は従来方式による制御と本実施例による温度設定
との作用の違いを対比して示した図である。図において
上の図は従来の直流電流値による作用を示し、下の図は
本実施９１１による作用を示す。

実線Ｌａ、ＬＧは夫々直流電流値、改質装置原料ガス流
量に基づく設定温度線である。又、設定温度線Ｌａは電
池本体及び改質装置バーナに加えて、ターボコンプレッ
サ用補助バーナや電池本体温度制御系での蒸気生成用バ
ーナ等の全体に要する燃料のｔｔＴｈ１条件下でのバラ
ンスを考慮して与えられる。

今、このようなバランスが保たれている場合について考
えると、負荷としての直流電流値が８１の場合、従来制
御におけるバランス点Ｐａｌと本実施ψ１１によるバラ
ンス点Ｐ。１とは、ともに設定温度ＴＩとなり、同じ作
用をもたらす。又、直流電流値が８２になった場合も、
バランス点は夫々Ｐ８□。

ＰＧ２となって、設定温度はＴ２となり同じである。

しかしながら負荷に応じた直流電流値がａｌでありなが
ら、何らかの原因により、ターボコンプレッサの補助バ
ーナ燃料要求量が多くなシ、シたがって他構成機器への
燃料供給ライン３の燃料流量が増加した場合を考える。

この場合は改質装置１から出てゆく燃料ガス流量が同じ
であれば、他構成機器へ側路される燃料ガス分だけ電池
本体への燃料ガス流量は減少し、しかもこの場合、電池
本体で消費される水素量が変らないため、電池本体２か
ら改質装置ｌへ流入する燃料ガス流量は減少し、結果と
して改質装置反応室温度の低下を招くことになる。ここ
で第５図における破線”ＡＩ　＋Ｌａ２はこの関係を示
すもので、夫々直流電流が８１の時の前記燃料供給ライ
ン３の燃料流量が増加する以前と以後の原料ガス流量と
反応室温度との関係を示す。

この様な場合を比較検討する。従来方式の場合は、他構
成機器への燃料供給ラインへの燃料増加が発生しても、
負荷電流に応じた直流電流値ａ１が変らない限り、反応
室設定温度Ｔｌはそのままであシ、したがってＰａ（で
記したポイントに状態は整定される。したがって、この
場合、改質装置１への原料ガス流量が増加したにも拘ら
ず、反応室の温度環境は変化しないことになる。

一方、本実施例の場合は前記燃料供給ライン３の燃料流
量が増加した場合、原料ガスの流入増加分による補正量
が加わるため、改質装置原料ガスと反応室温度との関係
はＬａ□からＬａＳへと移シ、その結果図に記しだポイ
ン）Ｐ。′にてバランスする。

このように本実施例では改質装置への原料ガス流量が増
加して改質装置での反応処理の負担が犬きくなると、確
実に反応室の温度を高めて反応が促進し易いように作用
する。

又、本実施例では制御量、即ち改質装置反応室温度の設
定値が、操作量でちる燃料極流量とほとんど遅れを有さ
ない原料ガ゛ス流量で与えられている。したがって遅れ
要素１２を加味しないと、原料ガス流量値ｋが増加する
と反応室温度設定値ｍは直ちに上昇するのに対して、反
応室実温度ｄは改質装置の原料ガスが増加してから、こ
れが電池本体を介して再び改質装置燃焼室の燃料となる
間の流量の遅れと、これが増加してから温度が上昇する
間の遅れとによって、直ちに上昇することはない。

第６図は本実施例において遅れ要素を用いなかった場合
の直流電流増加時における反応室設定温度と実温度との
応答図である。即ち、第６図に示されるように、時刻ｔ
１において直流電流値が増加し）燃料極流量を増加する
必要が生じた場合を考えると、図中の実線で示した反応
室設定温度の時間に対する上昇に対して、破線で示した
反応室実温度の上昇が追いつかず、設定温度と実温度と
の温度偏差ＤＴは増大し、両温度とも限シなく上昇を続
けることになる。この原因は改質装置流量の増加が反応
室温度の上昇となって現われる過程において遅れを加味
していないことによる。

したがって遅れ要素を加え、原料ガス流量変化に対する
反応室実温度より、設定温度の応答速度を少なくとも遅
くするよう、遅れ時間を設定すれば解決できる。

第７図は本実施例において遅れ要素を用いた場合の反応
室設定温度と実温度との応答図であシ、実線で設定温度
、破線で実温度の各応答が得られ、安定な制御が可能と
なる。

第８図は本発明の他の実施例構成図である。本実施例で
は原料ガス流量に代えて生成ガス流量を検出することに
よシ、きめ細かい制御を行なおうとするものである。図
中の符号１ないし５，７ないし１０及び１２．１３は第
３図に対応する。

１４は流量検出器であって改質装置１からの生成ガス流
量を検出する。即ち、生成ガスの検出値ｎに基づき、設
定温度演算器１３によシ、先ず遅れを加味しない反応室
設定温度０をめ、次いで遅れ要素１２から設定温度ｍを
与えている。その他の構成は第３図と同様である。以降
の作用は第３図と同様であるため省略する。

なお、生成ガス流量に基づいて設定温度を与えることは
、原料ガス流量に基づく場合と基本的には同等であシ、
又、遅れ要素１２に関しても設定温度を与えてから遅れ
を加味することと、流量検出値に遅れを与えてから設定
温度を与えることとは結果的には等しいことは勿論であ
る。

〔発明の効果〕

以上説明した如く、本発明によれば原料ガス流量に基づ
く設定温度を用い、しかも遅れ要素をもうけて改質装置
反応室温度を制御する構成としたので、改質装置におけ
る水素転化率を一定範囲に確実に制御し得る燃料電池発
電プラントの制御装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の燃料極流量制御構成のブロック図、第２
図は従来制御で使われていた直流電流値に基づく反応室
設定温度関係図、第３図は本発明による燃料電池発足プ
ラントの制御装置の一実施例構成図、第４図は改質装置
原料ガス流量に基づく反応室設定温度の特性図、第５図
は従来方式による制御と本発明との作用の違いを対比し
て示した図、第６図は本’ｔ９明において遅れ要素を用
いなかった場合の直流電流増加時における反応室設定温
度と実温度との応答を示した図、第７図は遅れ要素を用
いた場合の応答を示した図、第８図は本発明の他の実施
例構成ト１である。 １・・・改質装置、　２・・・電池本体、３・・・他の
構成機器への燃料供給ライン、４・・・燃料極流量調節
弁、５・・・設定流量演算器、６．１３・・・設定温度
演算器、　７・・・温度検出器、８．９・・・調節器、
　１０，１１．１４・・・流量検出値、１２・・・遅れ
要素、　ａ・・・直流電流値、ｂ・・・直流電流に対す
る設定流量、Ｃ・・・反応室温度設定値、ｄ・・・反応
室温度検出値、Ｃ・・・温度偏差、ｆ・・・反応室温度
偏差による指令信号、ｇ・・・燃料極流量設定値、ｈ・
・・燃料極流量検出値、ｌ・・・流量偏差、　ｊ・・・
開度指令、ｋ・・・原料ガス流量検出値、 ｔ・・・遅れを加味した原料ガス流量検出値、ｍ・・・
反応室温度設定値、ｎ・・・生成ガス流量検出値、０・
・・遅れを加味してない反応室温度設定値。 特許出願人　東京芝浦電気株式会社 代　理　人　弁理士　石　井　紀　男 第１図 第４図 を父震装＠原料力゛ス流量　Ｇ 第５図 改算Ｉ更置、原料力゛ズ２Ｍ、量　Ｇ い　磨間　Ｌ 第８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 改質装置からの改質ガスを燃料極流量調節弁を介して電
   池本体に導入し、電池本体内の電極反応後の排ガスを改
   質装置に回収する燃料電池発電プラントにおいて、改質
   装置反応室の温度を検出する代表温度検出器と、改質装
   置への原料がス流量を検出する流量検出器と、前記流量
   検出器による検出値に遅れ時間を与える遅れ要素と、前
   記遅れ要素からの信号を基に代表室設定温度を与える設
   定温度演算器とを夫々そガえ、前記燃料極流量調節弁は
   前記設定温度演算器による温度設定値と前記代表温度検
   出器による検出値との偏差と、負荷に応じた流量指令値
   との加ＩＳ価号によシ調節器を介して制御することを特
   徴とする燃料電池発電プラントの制御装置。