JP2003229153A - 燃料供給量制御装置、燃料供給量制御方法及び電力供給システム - Google Patents
燃料供給量制御装置、燃料供給量制御方法及び電力供給システムInfo
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Abstract
器へ供給する原燃料及び水蒸気の流量を増減させても、
水蒸気の供給に不足が生じず、水蒸気不足による改質器
の触媒活性の低下が起こらない制御を行なう。 【解決手段】応答部4と低値選択部3と調節部5とを具
備する燃料供給量制御装置を用いる。応答部4は、燃料
電池12の改質器11に供給される燃料の流量を示す第
1流量信号に基づいて、第1流量信号を改質器11の応
答に適合するように変換し、第2流量信号として出力す
る。低値選択部3は、第1流量信号と第2流量信号とに
基づいて、第1流量信号及び第2流量信号の内の低値が
選択される燃料の流量を示す第3流量信号を、燃料の改
質器11への供給を制御する燃料供給装置16へ出力す
る。調節部5は、第2流量信号に基づいて、改質器11
へ供給する水の流量を示す第4流量信号を、水の改質器
11への供給を制御する水供給装置17へ出力する。
Description
供給量制御装置、その方法及びそれを用いた電力供給シ
ステムに関し、特に、燃料電池の燃料、水蒸気の供給の
安全性を考慮した燃料供給量制御装置、その方法及び電
力供給システムに関する。
どの環境負荷の低減効果、コジェネレーションによる高
いエネルギー効率等の点で注目されている。燃料電池の
利用形態としては、インバータを介して燃料電池を系統
電源と並列に交流負荷に接続した電力供給システムが知
られている。その際、燃料電池用の燃料として、有機炭
化水素系の材料(例示:天然ガス、プロパンガス、メタ
ノール)を改質器(水蒸気改質装置)で改質した、水素
リッチな改質ガスが知られている。その電力供給システ
ムは、各種施設や一般家庭などへの導入が考えられる。
媒活性の低下抑制、改質ガスの組成などのために、改質
器へ供給する水蒸気と有機炭化水素系の材料中の炭素と
のモル比(Steam/Carbon、S/C)の制御
を行う。特に、S/Cが低下するにつれて炭素が触媒表
面に析出し、触媒活性の低下が起き易くなるため、S/
Cを一定の値(以下「炭素析出限界値」)以上に制御す
る。
変動に伴い、改質器へ供給する燃料の流量の増減を判定
し、それに応じて水の流量の増減を行っている。水は蒸
発器で水蒸気に変換され、改質器へ供給される。ここ
で、燃料の流量については、制御信号の入力に対応して
迅速に増減することができる。しかし、水蒸気の流量に
ついては、迅速な増減が困難である。それは、蒸発器で
の水蒸気の生成においては、蒸発器の熱容量により水の
蒸発の遅れ等が生じるからである。すなわち、応答に遅
れを生じる。従って、交流負荷の変動の具合によって
は、燃料の流量の変動時に、S/Cが炭素析出限界値を
超えて小さくなり、炭素析出による触媒活性低下の可能
性があった。
改質器へ供給する燃料及び水蒸気の流量を増減させて
も、水蒸気の供給に不足が生じないように制御可能な技
術が求められている。また、燃料及び水蒸気の流量の増
減に際して、スチーム/カーボン比が、炭素析出限界を
超えて小さくならない制御が可能な技術が求められてい
る。燃料と水蒸気の流量の増減を、タイミングを合わせ
て実行することが可能な技術が望まれている。
は、交流負荷の変動に対応して、燃料電池用の改質器へ
供給する燃料及び水蒸気の流量を増減させても、水蒸気
の供給に不足が生じないように制御可能な燃料供給量制
御装置、燃料供給量制御方法及び電力供給システムを提
供することである。
動に対応して、燃料電池用の改質器へ供給する燃料及び
水蒸気の流量を増減する際、水蒸気不足による改質器の
触媒活性の低下を起こさない制御が可能な燃料供給量制
御装置、燃料供給量制御方法及び電力供給システムを提
供することである。
に対応して、燃料電池用の改質器へ供給する燃料及び水
蒸気の流量を増減する際、スチーム/カーボン比を炭素
析出限界以上に保つ制御が可能な燃料供給量制御装置、
燃料供給量制御方法及び電力供給システムを提供するこ
とである。
の増減を、タイミングを合わせて実行することが可能な
燃料供給量制御装置、燃料供給量制御方法及び電力供給
システムを提供することである。
電力供給を安定的に実施することが可能な燃料供給量制
御装置、燃料供給量制御方法及び電力供給システムを提
供することである。
形態]で使用される番号・符号を用いて、課題を解決す
るための手段を説明する。これらの番号・符号は、[特
許請求の範囲]の記載と[発明の実施の形態]との対応
関係を明らかにするために付加されたものである。ただ
し、それらの番号・符号を、[特許請求の範囲]に記載
されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならな
い。
明の燃料供給量制御装置は、応答部(4)と、低値選択
部(3)と、調節部(5)とを具備する。応答部(4)
は、燃料電池(12)の燃料ガス用の改質器(11)に
供給される燃料の流量を示す第1流量信号に基づいて、
その第1流量信号を改質器(11)の応答に適合するよ
うに変換し、第2流量信号として出力する。低値選択部
(3)は、その第1流量信号とその第2流量信号とに基
づいて、その第1流量信号及びその第2流量信号の内の
低値が選択されたその燃料の流量を示す第3流量信号
を、その燃料の改質器(11)への供給を制御する燃料
供給装置(16)へ出力する。調節部(5)は、その第
2流量信号に基づいて、改質器(11)へ供給する水の
流量を示す第4流量信号を、その水の改質器(11)へ
の供給を制御する水供給装置(17)へ出力する。
答部(4)と、高値選択部(6)と、調節部(5)とを
具備する。応答部(4)は、燃料電池(12)の燃料ガ
ス用の改質器(11)に供給される燃料の流量を示す第
1流量信号に基づいて、その第1流量信号を改質器(1
1)の応答に適合するように変換し、第2流量信号とし
てその燃料の改質器(11)への供給を制御する燃料供
給装置(16)へ出力する。高値選択部(6)は、その
第1流量信号とその第2流量信号とに基づいて、その第
1流量信号及びその第2流量信号の内の高値が選択され
る第5流量信号を出力する。調節部(5)は、その第5
流量信号に基づいて、改質器(11)へ供給する水の流
量を示す第6流量信号を、その水の改質器(11)への
供給を制御する水供給装置(17)へ出力する。
答部(4)と、低値選択部(3)と、高値選択部(6)
と、調節部(5)とを具備する。応答部(4)は、燃料
電池(12)の燃料ガス用の改質器(11)に供給され
る燃料の流量を示す第1流量信号に基づいて、その第1
流量信号を改質器(11)の応答に適合するように変換
し、第2流量信号として出力する。低値選択部(3)
は、その第1流量信号とその第2流量信号とに基づい
て、その第1流量信号及びその第2流量信号の内の低値
が選択されるその燃料の流量を示す第3流量信号を、そ
の燃料の改質器(11)への供給を制御する燃料供給装
置(16)へ出力する。高値選択部(6)は、その第1
流量信号とその第2流量信号とに基づいて、その第1流
量信号及びその第2流量信号の内の高値が選択される第
5流量信号を出力する。調節部(5)は、その第5流量
信号に基づいて、改質器(11)へ供給する水の流量を
示す第6流量信号を、その水の改質器(11)への供給
を制御する水供給装置(17)へ出力する。
の第1流量信号が、燃料電池(12)の電力を供給する
負荷(18)の大きさに基づいて決定される。
質器(11)のその応答が、その水を用いて水蒸気を生
成する改質器(11)の有する蒸発器(22)の応答で
ある。
供給システムは、燃料供給量制御装置(1)と、燃料供
給装置(16)と、水供給装置(17)と、改質器(1
1)と、燃料電池(12)と、電力変換部(13)と、
負荷電力部(10)と、制御部(2)とを具備する。燃
料供給量制御装置(1)は、上記各項のいずれか一項に
記載されている。燃料供給装置(16)は、その第2信
号またはその第3信号に基づいて、その燃料の改質器
(11)への供給を制御する。水供給装置(17)は、
その第4信号またはその第6信号に基づいて、その水の
改質器(11)への供給を制御する。改質器(11)
は、その燃料とその水とに基づいて、改質ガスを生成す
る。燃料電池(12)は、その改質ガスと酸素を含むガ
スとを用いて電力としての燃料電池電力を発生する。電
力変換部(13)は、その電力を負荷(18)に供給可
能なように変換し、負荷(18)へ出力する。負荷電力
部(10)は、負荷(18)の大きさを求める。制御部
(2)は、負荷(18)の大きさに基づいて、その第1
流量信号を出力する。
器(11)に供給されるその燃料とその水とに基づくス
チーム/カーボン比が、予め設定された値以上である。
料供給量制御方法は、燃料電池(12)の燃料ガス用の
改質器(11)に供給される燃料の流量を示す第1流量
信号に基づいて、その第1流量信号を改質器(11)の
応答に適合する第2流量信号に変換するステップと、そ
の第1流量信号とその第2流量信号とに基づいて、その
第1流量信号及びその第2流量信号の内の低値により、
その燃料の流量を示す第3流量信号を形成するステップ
と、その第3流量信号を、その燃料の改質器(11)へ
の供給を制御する燃料供給装置(16)へ出力するステ
ップと、その第2流量信号に基づいて、予め設定された
スチーム/カーボン比となるように改質器(11)へ供
給する水の流量を示す第4流量信号を形成するステップ
と、その第4流量信号を、その水の改質器(11)への
供給を制御する水供給装置(17)へ出力するステップ
とを具備する。
燃料電池(12)の燃料ガス用の改質器(11)に供給
される燃料の流量を示す第1流量信号に基づいて、その
第1流量信号を改質器(11)の応答に適合する第2流
量信号に変換するステップと、その第2流量信号を、そ
の燃料の改質器(11)への供給を制御する燃料供給装
置(16)へ出力するステップと、その第1流量信号と
その第2流量信号とに基づいて、その第1流量信号及び
その第2流量信号の内の高値が選択される第5流量信号
を出力するステップと、その第5流量信号に基づいて、
予め設定されたスチーム/カーボン比となるように改質
器(11)へ供給する水の流量を示す第6流量信号を形
成するステップと、その第6流量信号を、その水の改質
器(11)への供給を制御する水供給装置(17)へ出
力するステップとを具備する。
燃料電池(12)の燃料ガス用の改質器(11)に供給
される燃料の流量を示す第1流量信号に基づいて、その
第1流量信号を改質器(11)の応答に適合する第2流
量信号に変換するステップと、その第1流量信号とその
第2流量信号とに基づいて、その第1流量信号及びその
第2流量信号の内の低値により、その燃料の流量を示す
第3流量信号を形成するステップと、その第3流量信号
を、その燃料の改質器(11)への供給を制御する燃料
供給装置(16)へ出力するステップと、その第1流量
信号とその第2流量信号とに基づいて、その第1流量信
号及びその第2流量信号の内の高値が選択される第5流
量信号を出力するステップと、その第5流量信号に基づ
いて、予め設定されたスチーム/カーボン比となるよう
に改質器(11)へ供給する水の流量を示す第6流量信
号を形成するステップと、その第6流量信号を、その水
の改質器(11)への供給を制御する水供給装置(1
7)へ出力するステップとを具備する。
るプログラムは、燃料電池(12)の燃料ガス用の改質
器(11)に供給される燃料の流量を示す第1流量信号
に基づいて、その第1流量信号を改質器(11)の応答
に適合する第2流量信号に変換するステップと、その第
1流量信号とその第2流量信号とに基づいて、その第1
流量信号及びその第2流量信号の内の低値により、その
燃料の流量を示す第3流量信号を形成するステップと、
その第3流量信号を、その燃料の改質器(11)への供
給を制御する燃料供給装置(16)へ出力するステップ
と、その第2流量信号に基づいて、予め設定されたスチ
ーム/カーボン比となるように改質器(11)へ供給す
る水の流量を示す第4流量信号を形成するステップと、
その第4流量信号を、その水の改質器(11)への供給
を制御する水供給装置(17)へ出力するステップとを
具備する方法をコンピュータに実行させる。
電池(12)の燃料ガス用の改質器(11)に供給され
る燃料の流量を示す第1流量信号に基づいて、その第1
流量信号を改質器(11)の応答に適合する第2流量信
号に変換するステップと、その第2流量信号を、その燃
料の改質器(11)への供給を制御する燃料供給装置
(16)へ出力するステップと、その第1流量信号とそ
の第2流量信号とに基づいて、その第1流量信号及びそ
の第2流量信号の内の高値が選択される第5流量信号を
出力するステップと、その第5流量信号に基づいて、予
め設定されたスチーム/カーボン比となるように改質器
(11)へ供給する水の流量を示す第6流量信号を形成
するステップと、その第6流量信号を、その水の改質器
(11)への供給を制御する水供給装置(17)へ出力
するステップとを具備する方法をコンピュータに実行さ
せる。
電池(12)の燃料ガス用の改質器(11)に供給され
る燃料の流量を示す第1流量信号に基づいて、その第1
流量信号を改質器(11)の応答に適合する第2流量信
号に変換するステップと、その第1流量信号とその第2
流量信号とに基づいて、その第1流量信号及びその第2
流量信号の内の低値により、その燃料の流量を示す第3
流量信号を形成するステップと、その第3流量信号を、
その燃料の改質器(11)への供給を制御する燃料供給
装置(16)へ出力するステップと、その第1流量信号
とその第2流量信号とに基づいて、その第1流量信号及
びその第2流量信号の内の高値が選択される第5流量信
号を出力するステップと、その第5流量信号に基づい
て、予め設定されたスチーム/カーボン比となるように
改質器(11)へ供給する水の流量を示す第6流量信号
を形成するステップと、その第6流量信号を、その水の
改質器(11)への供給を制御する水供給装置(17)
へ出力するステップとを具備する方法をコンピュータに
実行させる。
グラムは、矛盾を生じない範囲で、各ステップの順番を
変更することが可能である。
御装置、燃料供給量制御方法及び電力供給システムの実
施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。な
お、各実施の形態において同一又は相当部分には同一の
符号を付して説明する。
装置、燃料供給量制御方法を適用する電力供給システム
の第1の実施の形態について、図面を参照して説明す
る。図2は、本発明である燃料供給量制御装置、燃料供
給量制御方法を適用する電力供給システムの第1の実施
の形態における構成を示す図である。
1、改質器ロード量制御部2、負荷電力計算部10、改
質部21と蒸発器22とを有する改質器11、燃料電池
(FC)12、パワーコンディショナ13、燃料流量制
御弁16及び水流量制御弁17を具備する。
に、電力供給システムが設置される建造物等の構内の負
荷18に並列に接続されている。そして、負荷18に電
力を供給する。負荷18のラインには、電力供給システ
ム及び系統電源19から供給される電力の大きさを算出
するために、電圧計24及び電流計23が設置されてい
る。
水を供給する際、燃料及び水の供給量が急激に変化した
場合でも、燃料供給量制御装置1により、改質器11の
改質部21におけるスチーム/カーボン比を炭素析出限
界以上に保つように、燃料流量制御弁16及び水流量制
御弁17を制御する。本実施例では、供給量の変化時
に、燃料の供給を適切に少なく設定する。そうすること
により、水蒸気不足による改質器の触媒活性の低下が起
こらず、安定的に電力供給を行なうことが可能となる。
装置としての燃料流量制御弁16は、燃料供給量制御装
置1(後述)からの原燃料流量設定値F01に基づい
て、改質器11(後述)の改質部21(後述)に供給す
る原燃料F1の供給量を制御する。ここで、原燃料F1
は、改質器11へ供給される燃料のことであり、有機炭
化水素系の材料である。有機炭化水素系の材料(燃料ガ
ス)は、天然ガス(メタン)、プロパンガス、メタノー
ルに例示される。本実施例では、天然ガス(メタン)で
ある。
燃料供給量制御装置1(後述)からの水流量設定値W
01に基づいて、改質器11の蒸発器22(後述)に供
給する水Wの供給量を制御する。
を有する。蒸発器22は、水流量制御弁17から供給さ
れる水W(流量W11)を用いて、水蒸気Sを生成す
る。水蒸気S(流量S11)は、改質部21へ送出され
る。改質部21は、燃料流量制御弁16から供給される
原燃料F1と、蒸発器22から供給される水蒸気Sとを
用いて、水蒸気改質反応を行ない、所望の改質ガスF2
(水蒸気、水素を主成分とするガス)を生成する。改質
ガスF2中の水素量の制御は、運転圧力及び温度、原燃
料F1及び水Wの供給量(組成)などを制御することに
より行なうことが可能である。本実施例では、原燃料F
1及び水Wの供給量で制御する。
スF2をアノード側(図示せず)に供給し、酸素を含む
ガス(空気など)をカソード側(図示せず)に供給し、
電解質での電気化学反応(電池反応)により発電を行な
う。燃料電池2の出力電力としてのFC出力電力PFC
(以下、その電流を「FC出力電流IFC」、電圧を
「FC出力電圧VFC」とする)は、直流電力である。
燃料電池2は、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩
型、固体電解質型で例示される。FC出力電力P
F Cは、パワーコンディショナ13へ出力される。
13は、FC出力電力PFCに基づいて、所望の電圧、
周波数を有する出力電力であるインバータ出力電力P
INV(以下、その電流を「インバータ出力電流I
INV」、電圧を「インバータ出力電圧VINV」とす
る)に変換し、負荷18へ出力する。
は、系統電源19及び電力供給システムから負荷18へ
供給される交流負荷電力PDMD(以下「交流負荷電力
PDM D」、その電圧を「交流負荷電圧VDMD」、そ
の電流を「交流負荷電流IDM D」とする)を、電流計
23で計測される交流負荷電流IDMDと、電圧計24
で計測される交流負荷電圧VDMDとに基づいて算出す
る。
は、負荷電力計算部10からの交流負荷電力PDMDに
基づいて、改質器11の運転条件(ロード量:改質器1
1に供給する(改質させる)原燃料F1の流量F11)
を算出する。そして、その流量F11を示す改質器ロー
ド信号Rloadを燃料供給量制御装置1へ出力する。
給する原燃料F1の流量F11を示す改質器ロード信号
Rloadに基づいて、燃料流量制御弁16が流量F
11を流し、且つ水流量制御弁17が流量W11の水W
を流せるように、原燃料流量設定値F01及び水流量設
定値W01を生成する。また、原燃料流量設定値F01
及び水流量設定値W01は、改質器11の応答の遅れを
考慮した流量F11及び流量W11を示す信号である。
生成された原燃料流量設定値F01及び水流量設定値W
01は、それぞれ燃料流量制御弁16及び水流量制御弁
17へ出力される。
に説明する。図1は、本発明の燃料供給量制御装置1の
構成を示す図である。燃料供給量制御装置1は、応答部
4と、低値選択部3と、調節部5とを具備する。
F1の流量F11を示す改質器ロード信号R
load(図中(A)で示される入力、以下「第1流量
信号」とする)に基づいて、第1流量信号を調整し、第
2流量信号として低値選択部3及び調節部5へ出力す
る。調整では、第1流量信号を、蒸発器22での水の蒸
発の遅れに起因する水蒸気の供給の遅れ(改質器11の
応答の遅れ)に対応させる。
ド信号Rload)の調整について更に説明する。図8
は、本発明とは異なり、出力のタイミングを調整しない
場合での、改質器11の改質部21へ供給される原燃料
F1及び水蒸気Sの流量の時間変化の一例を示すグラフ
である。縦軸は改質部21の入口での原燃料F1及び水
蒸気Sの流量である。横軸は時間である。図中の実線の
曲線:原燃料F1の流量は、図1(A)の位置における
第1流量信号と同様の時間変化を示す。すなわち、原燃
料流量(=第1流量信号)は、時間t1で急激に減少
し、時間t2で急激に増加しており、応答性が良い。そ
れに対して、破線の曲線:水蒸気(=水蒸気S)流量
は、蒸発器22の応答が遅く、図1(A)の位置におけ
る第1流量信号から遅れた時間変化を示す。すなわち、
水蒸気流量は、時間t1では緩やかに応答し、過渡的に
減少する。時間t2では緩やかに応答し、過渡的に増加
する。
料F1が少なく(Aの領域)改質部22へ供給されるこ
とになる。また、図中t2後暫くは、予定より水蒸気S
が少なく(Bの領域)改質部22へ供給されることにな
る。ここで、Bで示される領域の場合、原燃料F1が多
くなると、改質器11でのS/Cが小さくなるので、触
媒表面にカーボンが析出する可能性が出て来る。そうな
ると触媒活性の低下が懸念される事態となる。
を、破線の曲線:水蒸気流量と同様に変化させるように
調整する。すなわち、図8でいえば、実線の曲線(原燃
料F 1の流量)を、破線の曲線(水蒸気)と同様の形に
なるようにする。具体的には、第1流量信号に、蒸発器
22の応答性を考慮した適当な伝達関数を掛けて、第2
流量信号(破線の曲線に似た曲線を有する)として出力
する。伝達関数としては、改質器11及びその周辺機器
により定まる。例えば、一次遅れ応答関数、無駄時間応
答関数、二次遅れ応答関数あるいはそれらの組み合わせ
などである。
の供給量の急激な変化で起こるものであり、緩やかな変
化では必ずしも起こるとは限らない。
(A)で示される入力)と第2流量信号(図1中(B)
で示される出力)とに基づいて、第1流量信号及び第2
流量信号の内の低値が選択される第3流量信号(図1中
(C)で示される出力)を原燃料F1の流量を示す信号
(=原燃料流量設定値F01)として燃料流量制御弁1
6へ出力する。
示される出力)に基づいて、所定のS/Cと成るよう
に、第2流量信号に所定の係数を掛けて、水蒸気の流量
を示す第4流量信号(図中(D)で示される出力=水流
量設定値W01)として水流量制御弁17へ出力する。
なお、所定の係数は、原燃料F1の流量により可変にす
ることも可能である。その場合には、原燃料流量設定値
F01の出力に基づいて、所定の係数を決定する。
した燃料供給量制御方法及び電力供給システムの第1の
実施の形態における動作について説明する。
原燃料流量設定値F01に基づいて原燃料F1の流量F
11を制御し、改質器11へ供給する。それと同時に、
水流量制御弁17は、水流量設定値W01に基づいて水
Wの流量W11を制御し、改質器11へ供給する。
Wを用いて水蒸気Sを生成する。そして、改質部21へ
供給する。このとき、S/Cは、所望の値以上になって
いる。改質器11の改質部21は、供給された原燃料F
1と水蒸気Sとを用いて、水蒸気改質反応を行ない、所
望の改質ガスF2(水蒸気、水素を主成分とするガス)
を生成する。その流量は、F21である。
と空気(図示しない酸化剤供給ラインより供給)を用
い、電気化学反応(電池反応)により発電を行なう。発
電されたFC出力電力PFCは、パワーコンディショナ
13へ出力される。
力PFCを、所望の電圧、周波数を有するインバータ出
力電力PINVに変換し、負荷18へ供給する。その
際、FC出力電流IFCをFC出力電流指令IFC *と
なるようにFC出力電流IFCを制御する。負荷電力計
算部10は、負荷18で消費される交流負荷電力P
DMDを、電流計23及び電圧計24により計測された
交流負荷電流IDMD及び交流負荷電圧VDMDに基づ
いて計算する。そして、計算された交流負荷電力P
DMDを、改質器ロード量制御部2へ出力する。
部10からの交流負荷電力PDMDに基づいて、その交
流負荷電力PDMDを出力するために必要な原燃料F1
の流量F11を求める。そして、その流量F11を改質
器ロード信号Rloadとして燃料供給量制御装置1へ
出力する。
給する原燃料F1の流量F11を示す改質器ロード信号
Rloadに基づいて、燃料流量制御弁16及び水流量
制御弁17を制御するための原燃料流量設定値F01及
び水流量設定値W01を生成する。
更に説明する。図3は、本発明における燃料供給量制御
装置1での各信号の時間変化の一例を示すグラフであ
る。図3(A)〜(D)は、図1における(A)第1流
量信号〜(D)第4流量信号に対応している。縦軸は信
号強度、横軸は時間である。また、最下段のグラフは、
図3における(D)第4流量信号/(C)第3流量信号
=S/Cを表している。縦軸は、S/C横軸は時間であ
る。図3の右側の5つのグラフは原燃料F1が一時的に
減少した場合であり、左側の5つのグラフは、原燃料F
1が一時的に増加した場合である。
る。図3の(A)は、図1(A)で示す改質器ロード信
号Rloadである第1流量信号である。応答部4は、
第1流量信号の入力に基づいて、第1流量信号を伝達関
数(本実施例では、一次遅れ応答:蒸発器22の応答の
遅れを一次遅れと仮定)により変換し、図3(B)で示
す第2流量信号を出力する。低値選択部3は、第1流量
信号( 図3(A))と第2流量信号(図3(B))の
入力に基づいて、その内の低値で構成される図3(C)
で示す第3流量信号(=原燃料流量設定値F01)を出
力する。調節部5は、第2流量信号(図3(B))の入
力に基づいて、その値を所定のS/C倍した値である図
3(D)で示す第4流量信号(=水流量設定値W01)
を出力する。
信号(=原燃料流量設定値F01)は、第1流量信号と
第2流量信号の内の低値から形成されている。従って、
S/C(=(D)第4流量信号/(C)第3流量信号)
を示す信号(図3、最下段)は、時間0〜t1において
所定の値であれば、原燃料F1が一時的に増加した時間
t1〜t2においても必ず所定の値以上の値になる。従
って、水蒸気の量が十分にあるので、触媒活性が低下す
る事がない。
が一時的に減少した場合であるが、左側の5つのグラフ
の場合と同様に、S/C(=(D)第4流量信号/
(C)第3流量信号)を示す信号(図3、最下段)は、
時間0〜t1において所定の値であれば、原燃料F1が
一時的に減少した時間t1〜t2及びその影響が残る時
間t2〜t3においても必ず所定の値以上の値になる。
器ロード量制御部2、負荷電力計算部10、改質器1
1、燃料電池12、パワーコンディショナ13、燃料流
量制御弁16、水流量制御弁17)の動作は、全体を制
御する制御部(図示せず)により行われる。いくつかの
構成毎に、制御部(図示せず)を設けても良い。
び水の供給に関して、負荷の値が変動した場合において
も、S/Cが所定の値よりも小さくなることがなく、触
媒上にカーボンが析出することを避ける事が出来る。従
って、触媒活性の低下を抑制する事が出来る。
装置、燃料供給量制御方法を適用する電力供給システム
の第2の実施の形態について、図面を参照して説明す
る。図2は、本発明である燃料供給量制御装置、燃料供
給量制御方法を適用する電力供給システムの第2の実施
の形態における構成を示す図である。
1、改質器ロード量制御部2、負荷電力計算部10、改
質部21と蒸発器22とを有する改質器11、燃料電池
(FC)12、パワーコンディショナ13、燃料流量制
御弁16及び水流量制御弁17を具備する。
に、電力供給システムが設置される建造物等の構内の負
荷18に並列に接続されている。そして、負荷18に電
力を供給する。負荷18のラインには、電力供給システ
ム及び系統電源19から供給される電力の大きさを算出
するために、電圧計24及び電流計23が設置されてい
る。
に変化した場合、水の供給を適切に多く設定する点が、
実施例1と異なる。そうすることにより、水蒸気不足に
よる改質器の触媒活性の低下が起こらず、安定的に電力
供給を行なうことが可能となる。
弁17、改質器11、燃料電池2、パワーコンディショ
ナ13、負荷電力計算部10、改質器ロード量制御部2
については、実施例1と同様であるので、その説明をす
る。
給する原燃料F1の流量F11を示す改質器ロード信号
Rloadに基づいて、燃料流量制御弁16が流量F
11を流し、且つ水流量制御弁17が流量W11の水W
を流せるように、原燃料流量設定値F01及び水流量設
定値W01を生成する。また、原燃料流量設定値F01
及び水流量設定値W01は、改質器11の応答の遅れを
考慮した流量F11及び流量W11を示す信号である。
生成された原燃料流量設定値F01及び水流量設定値W
01は、それぞれ燃料流量制御弁16及び水流量制御弁
17へ出力される。
について更に説明する。図4は、本発明の燃料供給量制
御装置1の構成を示す図である。燃料供給量制御装置1
は、応答部4と、高値選択部6と、調節部5とを具備す
る。
F1の流量F11を示す改質器ロード信号R
load(図中(A)で示される第1流量信号)に基づ
いて、第1流量信号を調整し、第2流量信号として高値
選択部6へ出力する。それと同時に、応答部4は、第2
流量信号を、原燃料F1の流量F11を制御する原燃料
流量設定値F01として燃料流量制御弁16へ出力す
る。調整では、第1流量信号を、蒸発器22での水の蒸
発の遅れに起因する水蒸気の供給の遅れ(改質器11の
応答の遅れ)に対応させる。なお、第1流量信号(改質
器ロード信号Rload)の調整については、実施例1
と同様であるので、その説明を省略する(ただし、実施
例1の図8を用いた説明における「図1」を「図4」と
読み替える)。
(A)で示される入力)と第2流量信号(図中(B)で
示される出力)とに基づいて、第1流量信号及び第2流
量信号の内の高値が選択される第5流量信号(図中
(E)で示される出力)を調節部5へ出力する。調節部
5は、第5流量信号(図中(E)で示される出力)に基
づいて、所定のS/Cと成るように、第5流量信号に所
定の係数を掛けて、水蒸気の流量を示す第6流量信号
(図中(D)で示される出力=水流量設定値W01)と
して水流量制御弁17へ出力する。なお、所定の係数
は、原燃料F1の流量により可変にすることも可能であ
る。その場合には、原燃料流量設定値F01の出力に基
づいて、所定の係数を決定する。
した燃料供給量制御方法及び電力供給システムの第2の
実施の形態における動作について説明する。
給する原燃料F1の流量F11を示す改質器ロード信号
Rloadに基づいて、燃料流量制御弁16及び水流量
制御弁17を制御するための原燃料流量設定値F01及
び水流量設定値W01を生成する。
更に説明する。図5は、本発明における燃料供給量制御
装置1での各信号の時間変化の一例を示すグラフであ
る。図5(A)、(B)、(E)、(D)は、図4にお
ける(A)第1流量信号、(B)第2流量信号、(E)
第5流量信号、(D)第6流量信号に対応している。縦
軸は信号強度、横軸は時間である。また、最下段のグラ
フは、図5における(D)第6流量信号/(B)第2流
量信号=S/Cを表している。縦軸は、S/C横軸は時
間である。図5の右側の5つのグラフは原燃料F1が一
時的に減少した場合であり、左側の5つのグラフは、原
燃料F1が一時的に増加した場合である。
る。図5の(A)は、図4(A)で示す改質器ロード信
号Rloadである第1流量信号である。応答部4は、
第1流量信号の入力に基づいて、第1流量信号を伝達関
数(本実施例では、一次遅れ応答:蒸発器22の応答の
遅れを一次遅れと仮定)により変換し、図5(B)で示
す第2流量信号(=原燃料流量設定値F01)を出力す
る。高値選択部6は、第1流量信号( 図5(A))と
第2流量信号(図5(B))の入力に基づいて、その内
の高値で構成される図5(E)で示す第5流量信号を出
力する。調節部5は、第5流量信号(図5(E))の入
力に基づいて、その値を所定のS/C倍した値である図
5(D)で示す第6流量信号(=水流量設定値W01)
を出力する。
信号は、第1流量信号と第2流量信号(=原燃料流量設
定値F01)の内の高値から形成されている。従って、
それを所定の値(S/C)倍した第6流量信号(=水流
量設定値W01)に基づく、S/C(=(D)第6流量
信号/(B)第2流量信号)を示す信号(図5、最下
段)は、時間0〜t1において所定の値であれば、原燃
料F1が一時的に増加した時間t1〜t2においても必
ず所定の値以上の値になる。従って、水蒸気の量が十分
にあるので、触媒活性が低下する事がない。
が一時的に減少した場合であるが、左側の5つのグラフ
の場合と同様に、S/C(=(D)第6流量信号/
(B)第2流量信号)を示す信号(図5、最下段)は、
時間0〜t1において所定の値であれば、原燃料F1が
一時的に減少した時間t1〜t2及びその影響が残る時
間t2〜t3においても必ず所定の値以上の値になる。
で、その説明を省略する。
び水の供給に関して、負荷の値が変動した場合において
も、S/Cが所定の値よりも小さくなることがなく、触
媒上にカーボンが析出することを避ける事が出来る。従
って、触媒活性の低下を抑制する事が出来る。
装置、燃料供給量制御方法を適用する電力供給システム
の第3の実施の形態について、図面を参照して説明す
る。図2は、本発明である燃料供給量制御装置、燃料供
給量制御方法を適用する電力供給システムの第2の実施
の形態における構成を示す図である。
1、改質器ロード量制御部2、負荷電力計算部10、改
質部21と蒸発器22とを有する改質器11、燃料電池
(FC)12、パワーコンディショナ13、燃料流量制
御弁16及び水流量制御弁17を具備する。
に、電力供給システムが設置される建造物等の構内の負
荷18に並列に接続されている。そして、負荷18に電
力を供給する。負荷18のラインには、電力供給システ
ム及び系統電源19から供給される電力の大きさを算出
するために、電圧計24及び電流計23が設置されてい
る。
に変化した場合、燃料の供給を適切に少なく設定し、且
つ、水の供給を適切に多く設定する点が、実施例1及び
2と異なる。そうすることにより、水蒸気不足による改
質器の触媒活性の低下が起こらず、安定的に電力供給を
行なうことが可能となる。
弁17、改質器11、燃料電池2、パワーコンディショ
ナ13、負荷電力計算部10、改質器ロード量制御部2
については、実施例1と同様であるので、その説明をす
る。
給する原燃料F1の流量F11を示す改質器ロード信号
Rloadに基づいて、燃料流量制御弁16が流量F
11を流し、且つ水流量制御弁17が流量W11の水W
を流せるように、原燃料流量設定値F01及び水流量設
定値W01を生成する。また、原燃料流量設定値F01
及び水流量設定値W01は、改質器11の応答の遅れを
考慮した流量F11及び流量W11を示す信号である。
生成された原燃料流量設定値F01及び水流量設定値W
01は、それぞれ燃料流量制御弁16及び水流量制御弁
17へ出力される。
について更に説明する。図6は、本発明の燃料供給量制
御装置1の構成を示す図である。燃料供給量制御装置1
は、応答部4と、低値選択部3と、高値選択部6と、調
節部5とを具備する。
F1の流量F11を示す改質器ロード信号R
load(図中(A)で示される第1流量信号)に基づ
いて、第1流量信号を調整し、第2流量信号(図6
(B))として低値選択部3及び高値選択部6へ出力す
る。調整では、第1流量信号を、蒸発器22での水の蒸
発の遅れに起因する水蒸気の供給の遅れ(改質器11の
応答の遅れ)に対応させる。なお、第1流量信号(改質
器ロード信号Rload)の調整については、実施例1
と同様であるので、その説明を省略する(ただし、実施
例1の図8を用いた説明における「図1」を「図6」と
読み替える)。
(A)で示される入力)と第2流量信号(図6中(B)
で示される入力)の入力に基づいて、第1流量信号及び
第2流量信号の内の低値で構成される図6中(C)で示
す第3流量信号(=原燃料流量設定値F01)を出力す
る。
(A)で示される入力)と第2流量信号(図6中(B)
で示される出力)とに基づいて、第1流量信号及び第2
流量信号の内の高値が選択される第5流量信号(図6中
(E)で示される出力)を調節部5へ出力する。調節部
5は、第5流量信号(図6中(E)で示される出力)に
基づいて、所定のS/Cと成るように、第5流量信号に
所定の係数を掛けて、水蒸気の流量を示す第6流量信号
(図中(D)で示される出力=水流量設定値W01)と
して水流量制御弁17へ出力する。なお、所定の係数
は、原燃料F1の流量により可変にすることも可能であ
る。その場合には、原燃料流量設定値F01の出力に基
づいて、所定の係数を決定する。
した燃料供給量制御方法及び電力供給システムの第3の
実施の形態における動作について説明する。
給する原燃料F1の流量F11を示す改質器ロード信号
Rloadに基づいて、燃料流量制御弁16及び水流量
制御弁17を制御するための原燃料流量設定値F01及
び水流量設定値W01を生成する。
更に説明する。図7は、本発明における燃料供給量制御
装置1での各信号の時間変化の一例を示すグラフであ
る。図7(A)、(B)、(C)、(E)、(D)は、
図6における(A)第1流量信号、(B)第2流量信
号、(C)第3流量信号、(E)第5流量信号、(D)
第6流量信号に対応している。縦軸は信号強度、横軸は
時間である。また、最下段のグラフは、図7における
(D)第6流量信号/(C)第3流量信号=S/Cを表
している。縦軸はS/C、横軸は時間である。図7の右
側の5つのグラフは原燃料F1が一時的に減少した場合
であり、左側の5つのグラフは、原燃料F 1が一時的に
増加した場合である。
る。図7の(A)は、図6(A)で示す改質器ロード信
号Rloadである第1流量信号である。応答部4は、
第1流量信号の入力に基づいて、第1流量信号を伝達関
数(本実施例では、一次遅れ応答:蒸発器22の応答の
遅れを一次遅れと仮定)により変換し、図7(B)で示
す第2流量信号を出力する。低値選択部3は、第1流量
信号( 図7(A))と第2流量信号(図7(B))の
入力に基づいて、その内の低値で構成される図7(C)
で示す第3流量信号(=原燃料流量設定値F01)を出
力する。高値選択部6は、第1流量信号( 図7
(A))と第2流量信号(図7(B))の入力に基づい
て、その内の高値で構成される図7(E)で示す第5流
量信号を出力する。調節部5は、第7流量信号(図7
(E))の入力に基づいて、その値を所定のS/C倍し
た値である図7(D)で示す第6流量信号(=水流量設
定値W01)を出力する。
信号(=原燃料流量設定値F01)は、第1流量信号と
第2流量信号の内の低値から形成されている。また、第
5流量信号は、第1流量信号と第2流量信号(=原燃料
流量設定値F01)の内の高値から形成されている。従
って、第5流量信号を所定の値(S/C)倍した第6流
量信号(=水流量設定値W01)と、第3流量信号とに
より算出される、S/C(=(D)第6流量信号/
(C)第3流量信号)を示す信号(図7、最下段)は、
時間0〜t1において所定の値であれば、原燃料F1が
一時的に増加した時間t1〜t2及びその影響が残る時
間t2〜t3においても必ず所定の値以上の値になる。
従って、水蒸気の量が十分にあるので、触媒活性が低下
する事がない。
が一時的に減少した場合であるが、左側の5つのグラフ
の場合と同様に、S/C(=(D)第6流量信号/
(C)第3流量信号)を示す信号(図7、最下段)は、
時間0〜t1において所定の値であれば、原燃料F1が
一時的に減少した時間t1〜t2及びその影響が残る時
間t2〜t3においても必ず所定の値以上の値になる。
で、その説明を省略する。
び水の供給に関して、負荷の値が変動した場合において
も、S/Cが所定の値よりも小さくなることがなく、触
媒上にカーボンが析出することを避ける事が出来る。従
って、触媒活性の低下を抑制する事が出来る。触媒活性
の低下が抑制されるので、触媒のコストを低減すること
ができる。
グを、水蒸気の流量の増減に合わせて実行することがで
き、安定的な改質条件で改質器11が運転可能である。
従って、それを用いる燃料電池12の運転も長期にわた
り安定的に行なうことが可能となる。すなわち、燃料電
池を含む電力供給を安定的に実施することが可能とな
る。
て、燃料電池用の改質器へ供給する原燃料及び水蒸気の
流量を増減させても、水蒸気の供給に不足が生じず、水
蒸気不足による改質器の触媒活性の低下が起こらないよ
うに燃料及び水蒸気の流量を制御することが可能とな
る。
における構成を示す図である。
おける構成を示す図である。
の対応を示すグラフである。
態における構成を示す図である。
の対応を示すグラフである。
の形態における構成を示す図である。
の対応を示すグラフである。
蒸気の流量の時間変化を示すグラフである。
Claims (13)
- 【請求項1】燃料電池の燃料ガス用の改質器に供給され
る燃料の流量を示す第1流量信号に基づいて、前記第1
流量信号を前記改質器の応答に適合するように変換し、
第2流量信号として出力する応答部と、 前記第1流量信号と前記第2流量信号とに基づいて、前
記第1流量信号及び前記第2流量信号の内の低値が選択
される前記燃料の流量を示す第3流量信号を、前記燃料
の前記改質器への供給を制御する燃料供給装置へ出力す
る低値選択部と、 前記第2流量信号に基づいて、前記改質器へ供給する水
の流量を示す第4流量信号を、前記水の前記改質器への
供給を制御する水供給装置へ出力する調節部と、 を具備する、 燃料供給量制御装置。 - 【請求項2】燃料電池の燃料ガス用の改質器に供給され
る燃料の流量を示す第1流量信号に基づいて、前記第1
流量信号を前記改質器の応答に適合するように変換し、
第2流量信号として前記燃料の前記改質器への供給を制
御する燃料供給装置へ出力する応答部と、 前記第1流量信号と前記第2流量信号とに基づいて、前
記第1流量信号及び前記第2流量信号の内の高値が選択
される第5流量信号を出力する高値選択部と、 前記第5流量信号に基づいて、前記改質器へ供給する水
の流量を示す第6流量信号を、前記水の前記改質器への
供給を制御する水供給装置へ出力する調節部と、 を具備する、 燃料供給量制御装置。 - 【請求項3】燃料電池の燃料ガス用の改質器に供給され
る燃料の流量を示す第1流量信号に基づいて、前記第1
流量信号を前記改質器の応答に適合するように変換し、
第2流量信号として出力する応答部と、 前記第1流量信号と前記第2流量信号とに基づいて、前
記第1流量信号及び前記第2流量信号の内の低値が選択
される前記燃料の流量を示す第3流量信号を、前記燃料
の前記改質器への供給を制御する燃料供給装置へ出力す
る低値選択部と、 前記第1流量信号と前記第2流量信号とに基づいて、前
記第1流量信号及び前記第2流量信号の内の高値が選択
される第5流量信号を出力する高値選択部と、 前記第5流量信号に基づいて、前記改質器へ供給する水
の流量を示す第6流量信号を、前記水の前記改質器への
供給を制御する水供給装置へ出力する調節部と、 を具備する、 燃料供給量制御装置。 - 【請求項4】前記第1流量信号は、前記燃料電池の電力
を供給する負荷の大きさに基づいて決定される、 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の燃料供給量制御
装置。 - 【請求項5】前記改質器の前記応答は、前記水を用いて
水蒸気を生成する前記改質器の有する蒸発器の応答であ
る、 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の燃料供給量制御
装置。 - 【請求項6】請求項1乃至5のいずれか一項に記載の前
記燃料供給量制御装置と、 前記第2信号または前記第3信号に基づいて、前記燃料
の前記改質器への供給を制御する前記燃料供給装置と、 前記第4信号または前記第6信号に基づいて、前記水の
前記改質器への供給を制御する前記水供給装置と、 前記燃料と前記水とに基づいて、改質ガスを生成する前
記改質器と、 前記改質ガスと酸素を含むガスとを用いて電力としての
燃料電池電力を発生する前記燃料電池と、 前記電力を負荷に供給可能なように変換し、前記負荷へ
出力する電力変換部と、 前記負荷の大きさを求める負荷電力部と、 前記負荷の大きさに基づいて、前記第1流量信号を出力
する制御部と、 を具備する、 電力供給システム。 - 【請求項7】前記改質器に供給される前記燃料と前記水
とに基づくスチーム/カーボン比は、予め設定された値
以上である、 請求項6に記載の電力供給システム。 - 【請求項8】燃料電池の燃料ガス用の改質器に供給され
る燃料の流量を示す第1流量信号に基づいて、前記第1
流量信号を前記改質器の応答に適合する第2流量信号に
変換するステップと、 前記第1流量信号と前記第2流量信号とに基づいて、前
記第1流量信号及び前記第2流量信号の内の低値によ
り、前記燃料の流量を示す第3流量信号を形成するステ
ップと、 前記第3流量信号を、前記燃料の前記改質器への供給を
制御する燃料供給装置へ出力するステップと、 前記第2流量信号に基づいて、予め設定されたスチーム
/カーボン比となるように前記改質器へ供給する水の流
量を示す第4流量信号を形成するステップと、 前記第4流量信号を、前記水の前記改質器への供給を制
御する水供給装置へ出力するステップと、 を具備する、 燃料供給量制御方法。 - 【請求項9】燃料電池の燃料ガス用の改質器に供給され
る燃料の流量を示す第1流量信号に基づいて、前記第1
流量信号を前記改質器の応答に適合する第2流量信号に
変換するステップと、 前記第2流量信号を、前記燃料の前記改質器への供給を
制御する燃料供給装置へ出力するステップと、 前記第1流量信号と前記第2流量信号とに基づいて、前
記第1流量信号及び前記第2流量信号の内の高値が選択
される第5流量信号を出力するステップと、 前記第5流量信号に基づいて、予め設定されたスチーム
/カーボン比となるように前記改質器へ供給する水の流
量を示す第6流量信号を形成するステップと、 前記第6流量信号を、前記水の前記改質器への供給を制
御する水供給装置へ出力するステップと、 を具備する、 燃料供給量制御方法。 - 【請求項10】燃料電池の燃料ガス用の改質器に供給さ
れる燃料の流量を示す第1流量信号に基づいて、前記第
1流量信号を前記改質器の応答に適合する第2流量信号
に変換するステップと、 前記第1流量信号と前記第2流量信号とに基づいて、前
記第1流量信号及び前記第2流量信号の内の低値によ
り、前記燃料の流量を示す第3流量信号を形成するステ
ップと、 前記第3流量信号を、前記燃料の前記改質器への供給を
制御する燃料供給装置へ出力するステップと、 前記第1流量信号と前記第2流量信号とに基づいて、前
記第1流量信号及び前記第2流量信号の内の高値が選択
される第5流量信号を出力するステップと、 前記第5流量信号に基づいて、予め設定されたスチーム
/カーボン比となるように前記改質器へ供給する水の流
量を示す第6流量信号を形成するステップと、 前記第6流量信号を、前記水の前記改質器への供給を制
御する水供給装置へ出力するステップと、 を具備する、 燃料供給量制御方法。 - 【請求項11】燃料電池の燃料ガス用の改質器に供給さ
れる燃料の流量を示す第1流量信号に基づいて、前記第
1流量信号を前記改質器の応答に適合する第2流量信号
に変換するステップと、 前記第1流量信号と前記第2流量信号とに基づいて、前
記第1流量信号及び前記第2流量信号の内の低値によ
り、前記燃料の流量を示す第3流量信号を形成するステ
ップと、 前記第3流量信号を、前記燃料の前記改質器への供給を
制御する燃料供給装置へ出力するステップと、 前記第2流量信号に基づいて、予め設定されたスチーム
/カーボン比となるように前記改質器へ供給する水の流
量を示す第4流量信号を形成するステップと、 前記第4流量信号を、前記水の前記改質器への供給を制
御する水供給装置へ出力するステップと、 を具備する方法をコンピュータに実行させるためのプロ
グラム。 - 【請求項12】燃料電池の燃料ガス用の改質器に供給さ
れる燃料の流量を示す第1流量信号に基づいて、前記第
1流量信号を前記改質器の応答に適合する第2流量信号
に変換するステップと、 前記第2流量信号を、前記燃料の前記改質器への供給を
制御する燃料供給装置へ出力するステップと、 前記第1流量信号と前記第2流量信号とに基づいて、前
記第1流量信号及び前記第2流量信号の内の高値が選択
される第5流量信号を出力するステップと、 前記第5流量信号に基づいて、予め設定されたスチーム
/カーボン比となるように前記改質器へ供給する水の流
量を示す第6流量信号を形成するステップと、 前記第6流量信号を、前記水の前記改質器への供給を制
御する水供給装置へ出力するステップと、 を具備する方法をコンピュータに実行させるためのプロ
グラム。 - 【請求項13】燃料電池の燃料ガス用の改質器に供給さ
れる燃料の流量を示す第1流量信号に基づいて、前記第
1流量信号を前記改質器の応答に適合する第2流量信号
に変換するステップと、 前記第1流量信号と前記第2流量信号とに基づいて、前
記第1流量信号及び前記第2流量信号の内の低値によ
り、前記燃料の流量を示す第3流量信号を形成するステ
ップと、 前記第3流量信号を、前記燃料の前記改質器への供給を
制御する燃料供給装置へ出力するステップと、 前記第1流量信号と前記第2流量信号とに基づいて、前
記第1流量信号及び前記第2流量信号の内の高値が選択
される第5流量信号を出力するステップと、 前記第5流量信号に基づいて、予め設定されたスチーム
/カーボン比となるように前記改質器へ供給する水の流
量を示す第6流量信号を形成するステップと、 前記第6流量信号を、前記水の前記改質器への供給を制
御する水供給装置へ出力するステップと、 を具備する方法をコンピュータに実行させる為のプログ
ラム。
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