JPH02213056A

JPH02213056A - 燃料電池発電プラント

Info

Publication number: JPH02213056A
Application number: JP1032674A
Authority: JP
Inventors: Takashi Nakayama; 隆中山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-02-14
Filing date: 1989-02-14
Publication date: 1990-08-24

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】［発明の目的コ（産業上の利用分野）本発明は、燃料改質系におけるガス流量の制御方法に改
良を施し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）従来の燃料電池発電プラントは、燃料を供給する改質器
、空気を供給するターボコンプレッサ、電気を発生する
燃料電池、燃料電池を冷却する冷却系、燃料電池で発生
する直流の電力を交流に変換するインバータ、発電シス
テムを制御する制御系から構成されている。また、この
様な燃料電池発電プラントにおいては、燃料として一般
に天然ガスを使用し、改質器によって天然ガスを水素に
変え、燃料電池に供給している。この改質反応は触媒の
入った改質管内で行われ、燃焼による加熱によって促進
される。

この様な燃料電池発電プラントの各プロセスの役割を、
第４図に基づいて説明する。即ち、燃料電池本体９は、
空気と水素に富む燃料ガスが供給され、触媒の働きによ
って、次式に示す様にアノード側で電子を分離し外部回
路へ流し、カソード側でこの電子を受けとり発電するも
ので、燃料電池発電プラントの中核的な存在である。

Ｈ２−２Ｈ＋＋２ｅ　　　　−（７／−Ｆ側）２Ｈ＋＋
２ｅ　　＋１／２・０２”Ｈ２０・・・（カソード側）また、この電池本体へ原燃料を処理して水素リッチなガ
スを供給する工程では、改質器１及び変成器３において
は、それぞれ次式で示す様な反応が起こる。

ＣＨ４＋Ｈ２０４ＣＯ＋３Ｈ２−４９，２７Ｋｃａｆ・
・・（改質器）ＣＯ＋Ｈ２０−ＣＯ２＋Ｈ２＋　９．８３Ｋｃａｌ・・
・（変成器）なお、改質器における反応は吸熱反応であり、熱を必要
とするため、外部から加熱を行っている。

一般には、改質器で改質して得られた燃料ガスの内、電
池本体で使用された残存性を再び改質器１に送り、燃焼
させて得られる熱を利用している。

また、この燃焼排ガスはターボコンプレッサ１４のター
ビン入口に送られ、その駆動力として利用される。さら
に、前記ターボコンプレッサ１４は、補助バーナ室１５
で燃焼された燃焼排ガスを駆動力として用いるが、この
補助バーナ室１５へは、供給管１１より原燃料が送られ
、また、バイパス管１２によって、改質・変成された燃
料ガスの一部が送られ、燃焼される。

なお、電池本体９に供給される燃料ガスの流量は、燃料
ガス流量制御弁１３により制御され、改質器１で改質さ
れる原燃料の流量は、原燃料流量制御弁２により制御さ
れ、また、前記補助バーナ室１５へ供給される、改質・
変成後の燃料ガスの一部の流量は、バイパス流量制御弁
８によって制御されている。

これらの制御弁の内、燃料ガス流量制御弁１３を制御す
る方法としては、目標流量を、電池出力（ＫＷ）または
負荷電流（Ａ）の関数と、改質器の温度をフィードバッ
ク制御する際に必要な操作量との和として与え、その目
標値に沿って制御する方法が良く用いられている。一方
、原燃料流量制御弁２に関しては、改質・変成後、気水
分離機１６で過剰湿分を除去した後の圧力Ｐ６．（いわ
ゆる、改質系圧力）を一定とするようにフィードバック
制御する方法や、同じくＰｓｐを制御するのに、負荷電
流または電池出力の関数として目標流量を与え、これに
沿って制御するという先行制御的な方法が考えられてい
る。また補助バーナ１５へのバイパス燃料流量は、一定
もしくは電池出力または負荷電流の関数として与えた目
標流量に沿って制御する方法がとられていた。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、上述した様な改質系におけるガス流量の
制御方法を用いていた従来の燃料電池発電プラントにお
いては、以下に述べる様な解決すべき課題があった。即
ち、上記の制御方法の内、改質系の圧力Ｐ３．を一定に
フィードバックする方法では、負荷が急増し、電池への
燃料ガス供給量が増加すると、圧力が低下し、その圧力
低下を検出してから原燃料の供給量を増加するため、急
激な負荷変動に対して、原燃料の供給が十分に追従する
ことができないという欠点があった。

また、原燃料を電池出力または負荷電流によって設定さ
れた目標流量に従って制御する方法では、負荷変動に対
する応答性は良くなるものの、設定流量が電池への供給
燃料ガス量と、補助バーナ室への供給燃料ガス量の和に
過不足なく設定されない限り、改質系の圧力Ｐ５．は一
定とならず、目標流量とはずれたところに上昇または下
降してしまうといった欠点があった。

さらに、改質系のガス圧力を制御する方法では、何らか
の原因でベース圧力Ｐ、（電池空気極出口排ガスと、改
質器燃焼排ガスの合流点の圧力）が変動した場合に、改
質系圧力とベース圧力との間の差圧が変化し、改質器の
反応管の内側と外側の差圧ΔＰ　　（一般に、反応管の
座屈防止のため、内側を常に外側より高く保つ必要があ
る）や、電池の燃料極と空気極との差圧ΔＰ　　（電池
保護ａ−ｆ’ のため、数１０ｒｎｍＡｑ以内に保つ必要がある）が、
過大な値に変化する恐れもあった。

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、負荷変動に対する応答性に優れた燃料電
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、原燃料を反応管に納められた触媒の下で加熱
し、水素と一酸化炭素を含む燃料に改質するための改質
器と、この改質器によって得られた改質ガスから一酸化
炭素を除去して水素含有率をさらに上げるための変成器
と、改質・変成された燃料ガス及びターボコンプレッサ
からの空気を供給されて発電を行う燃料電池本体と、前
記ターボコンプレッサを駆動するための補助バーナ室を
備えて成る燃料電池発電プラントにおいて、改質器に供
給される原燃料の供給量を、電池出力あるいは負荷電流
の大きさによって設定すると共に、補助バー六室へ送ら
れる改質・変成された燃料ガス流量を、改質器反応管の
内側と外側の差圧によって設定し、それぞれその設定値
に基づいて流量を制御するように構成したことを特徴と
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、改質器に供給
される原燃料流量を、電池出力あるいは負荷電流の関数
として設定した値となるように制御し、また、補助バー
ナへのバイパス流量を改質器反応管の内外差圧によって
制御することにより、負荷変動に対して即応することが
できる。

（実施例）以下、本発明の一実施例を第１図及び第２図に基づいて
具体的に説明する。なお、第４図に示した従来型と同一
の部材には同一の符号を付して、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、原燃料を改
質器１へ導入する原燃料流量制御弁２に、その流量を測
定する原燃料流量検出器２０が配設され、また、電池本
体９には、負荷電流検出装置２１が接続されている。そ
して、この負荷電流検出装置２１より送出される負荷電
流信号Ｉ、。が、演算装置２２に送られ、この演算装置
２２によって原燃料の流量指令値ＦＮＧが算出され、こ
の値が改質器供給原燃料流量制御装置２３に送出され、
また、この改質器供給原燃料流量制御装置２３には、前
記原燃料流量検出器２０よりの信号が入力され、両者を
比較して、原燃料流量制御弁２の開度を制御できるよう
に構成されている。

また、改質器１には、改質器反応管の内外差圧を検出す
る差圧検出装置２４が配設され、これよりの信号を受け
て、その目標値との偏差に応じて、補助バーナ１５への
バイパス管１２に設けられたバイパス流量制御弁８の開
度を制御するバイパス流量制御装置２５が設けられてい
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
は、以下に述べる様に作用する。即ち、電池本体９に接
続された負荷電流検出装置２１からの信号をもとに、演
算装置２２において必要な原燃料流量値が設定される。

なお、この原燃料流量の設定値は、第２図に示した様に
、負荷電流と直線関係で与えられるもので、電池での発
電量相当分と、改質器バーナを加熱するのに必要な量の
和に、改質・変成後補助バーナへ送られる量を加算した
流量である。そして、前記演算装置２２の指令を受けた
改質器供給原燃料流量制御装置２３は、原燃料流量検出
器２０からの信号と比較し、設定された流量に沿うよう
に原燃料流量制御弁２の開度を制御する。

また、前述した様に原燃料流量の設定値は、電池での発
電相当量に改質器バーナを加熱するのに必要な量の和よ
り多いので、その過剰分をバイパス流量制御弁８を通じ
て補助バーナに送っている。

このとき、改質器反応管の内外差圧を検出する差圧検出
装置２４からの信号を受けて、バイパス流量制御装ｆｆ
ｉ！２５によって、目標差圧と比較され、バイパス流量
制御弁８の開度が制御される。

この様に、本実施例においては、負荷電流に対して、必
要な原燃料流量指令値が即座に与えられるため、従来の
改質圧力を検出し、そのフィードバック制御で原燃料を
制御する方法に比較して応容性が早（なる。また、改質
器の反応管の内外差圧を検出し、この値によって補助バ
ーナへのバイパス流量を制御することにより、改質系の
圧力は常に適性な値に保持される。さらに、従来は別個
に行っていた改質系の圧力制御と、改質器の反応管の内
外差圧の制御を同時に行うことができるので、ベース圧
力Ｐｂ　（電池空気極出口排ガスと改質器燃焼排ガスの
合流点の圧力）の変動によって、改質器反応管の内外差
圧や電池極間差圧の変動が起きる場合に、その影響を最
小限に抑えることができる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
く、原燃料流量を設定する際、負荷電流値の関数として
与える代りに、電池出力（ＫＷ）の関数としても良い。

この場合は、電池出力は一般に電流の増加に対して直線
的には増加せず、電圧の下降があるため、電流の大きい
ところでの増加率は小さくな７ている。つまり、電池出
力が直線的に増加する時は、電流の増加率は大電流にな
るに従って大きくなる。そのため、第３図に示した様に
、電池出力の増加に対して、その値が大きくなる程大き
な増加率を持つように、原燃料流量の設定を行うように
構成する必要がある。

［発明の効果］以上述べた様に、本発明によれば、改質器に供給される
原燃料の供給量を、電池出力あるいは負荷電流の大きさ
によって設定すると共に、補助バーナ室へ送られる改質
・変成された燃料ガス流量を、改質器反応管の内側と外
側の差圧によって設定し、それぞれその設定値に基づい
て流量を制御するように構成することによって、負荷変
動に対する応答性に優れた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
す構成図、第２図は本発明に用いられる演算装置内で設
定される、負荷電流と原燃料流量の設定関数の例を示す
図、第３図は本発明の他の実施例を示すもので、演算装
置内で設定される電池出力と原燃料流量の設定関数の例
を示す図、第４図は、従来の燃料電池発電プラントの一
例を示す構成図である。１・・・改質器、２・・・原燃料流量制御弁、３・・・
変成器、８・・・バイパス流量制御弁、９・・・電池本
体、１１・・・供給管、１２・・・バイパス管、１３・
・・燃料ガス流量制御弁、１４・・・ターボコンプレッ
サ、１５・・・補助バーナ室、１６・・・気水分離機、
２０・・・原燃料流量検出器、２１・・・負荷電流検出
装置、２２・・・演算装置、２３・・・改質器供給原燃
料流量制御装置、２４・・・差圧検出装置、２５・・・
バイパス流量制御装置、Ｐｓ、・・・改質系圧力、Ｐ、
・・・ベース圧力、ΔＰ、−８・・・改質器反応管の内
側と外側の差圧、ΔＰ、−１・・・電池の燃料極と空気
極との差圧、Ｉ、。・・・負荷電流信号、ＦＮＧ・・・
原燃料の流量指令値。

Claims

【特許請求の範囲】原燃料を反応管に納められた触媒の下で加熱し、水素と
一酸化炭素を含む燃料に改質するための改質器と、この
改質器によって得られた改質ガスから一酸化炭素を除去
して水素含有率をさらに上げるための変成器と、改質・
変成された燃料ガス及びターボコンプレッサからの空気
を供給されて発電を行う燃料電池本体と、前記ターボコ
ンプレッサを駆動するための補助バーナ室を備えて成る
燃料電池発電プラントにおいて、前記改質器に供給される原燃料の供給量を、電池出力あ
るいは負荷電流の大きさによって設定すると共に、前記
補助バーナ室へ送られる改質・変成された燃料ガス流量
を、改質器反応管の内側と外側の差圧によって設定し、
それぞれその設定値に基づいて流量を制御するように構
成したことを特徴とする燃料電池発電プラント。