JPS58133773A - 燃料電池発電プラント制御システム - 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＠は、燃料電池発電システムの制御に係如。

ｑｌＩＫ急速な負荷追従を要求される燃料電池の制御シ
ステムに関する。

従来の燃料電池制御システムは、燃料電池および水素発
生装置（改質装置あるいはりフォーマと呼ばれる）、空
気供給系から成る燃料電池発電システムをそれぞれ独立
し九制＠＊ＩＩＫよシ制御する構成になっていえ、すな
わち、燃料電池発電システムは、第１図にその概略を示
す如く、天佑ガス（ＬＮＧ）およびナフサを原燃料とし
て供給する原燃料（天佑カス）ｉＩ１ｍ節弁２０ｏおよ
び原燃料（ナフサ）調節弁２１７により原燃料（天佑ガ
ス１１５およびナフサ１１６ｔ−混合し九複合燃料）１
０１および水蒸気流量調節弁２０１により供給される水
蒸気１０２を入力し、電池２０５の出口の水素ガス１０
７ｔ−燃料として熱を得、水素リッチ・ガス１０３を生
成する改質装置２０２．水素リッチ・カス１０３に含ま
れる一酸化炭素ＣＯを水蒸気と反応させ、炭酸ガスＣＯ
３と水素Ｈ８を生成させ主水素カス１Ｇ４を得るシフト
・コンバータ２０３、電池入口水素ガス１０５の流量を
調節する電池水素ガス調節弁２０４．電池で使用する酸
素を供給する丸め、改質装置排ガス１０８を動力源とし
、空気１１Ｇを加圧する空気供給系２０６、空気１ｇ＃
系２０６で作られ死別圧空気１１１から電池で必費とす
る電池入口空気１１２を得る電ａ空気量調節弁２０７．
電池２０５．およびガス中の水分を回収する水分回収熱
交換器２１１．２１３．２１５で構成され、水素と＃素
の反応によシミ油出力電流１０６を得るシステムである
。ｔ７ｔ−、電池出口水素ガス１０７Ｉ／′ｉ、改質装
置２０２の熱源および空気供給系２０６の動力源として
使用され死後、排ガス１０Ｇとして空気中に排出される
。このほか、改質装置２０２の起動のために使用する補
助燃料１１４および補助空気１１８を調節する補助燃料
調節弁２０８および補助空気量調節弁２２０．電池出口
水素ガスおよび電池出口９ｇＬを再循環させる水嵩再循
環ファン２０９、水素再循環量調節弁２１Ｇおよび空気
再循環ファン２１８．空気再循穣量調節弁２１８がある
。

ところで、このような燃料電池発電システムで問題とな
るのは、燃料電池における水素と酸素の無効反応である
。すなわち１例えば、酸性電解質の燃料電池では１次式
のように水素電電で水素が水素イオ／と電子に分解され
、それぞれ電解質中と外部回路の別々の経路を過〉酸素
極で酸素と結合し水を生じる。この反応が燃料電池にお
ける水素と酸素の有効反応である。ところが、水素ガス
と酸素ガスとの差圧が適正に制御されていないと。

酸素が電解質を通って水素電極に到達し水素と反応する
。この場合、水素と酸素の反応は電気出力に寄与せず、
率なる発熱反応となる。これが燃料電池における水素と
酸素の無効反応であシ、この反応が多くなると燃料電池
の効率が低下するという問題が生じる。

本発明の一目的は、水素ガスと酸素カスとの差圧ｔｌ−
適正に制御し、燃料電池における水素と酸素の無効反応
を少なくして燃料電池の効率を向上させ倚る燃料電池発
電プラント制御システムを提供するにある。

本発明は、水素ガスと酸素ガスとの差圧を適正に制御し
、燃料電池における水素と酸素の無効反応を少なくして
燃料電池の効本管向上させる丸めに、燃料電池出口水素
ガスの水分＄Ｐよび燃料電池出口酸素カスの水分が所定
の値になるように燃料電池出口水素カス圧力と燃料電池
出口水素ガス圧力との差圧ｔ−ｇａするところに％黴が
ある。

本発明による燃料磁電発電プラント制御システムは、大
きく次の４つに分けられる。

（１）　　燃料電池制御系（第２図参照）（２）改質装
置制御系（第３図参照） （３１空気供給系の制御系（第ｓｍ、第６図参照）（４
）　　再循環系の制御系（菖７図参照）以下、４つの制
御系の一実施例によシ具体的にその制御方法を説明する
。

第２図は、燃料電池制御系の一実施例を示しえものであ
る６図でまず、中給からの負荷指令ＬＤの関数として電
池出口水素濃度設定値発生ｌ１ｉＩ４ｏ。

から電池出口水素濃度設定値５ｏｏを得、電池出口水素
濃度設定値３０１で一定され九電池出口の水素濃度信号
５０１との偏差５０２を求め（減算器４０１）、比例・
積分等のフィード・パック制御演算を実施しくフィード
・パック制御器４０２）、フィード・パック制御信号５
０２を得る。一方、フィード・フォワード制御４！１４
０３では、中給からの負荷指令ＬＤＯ関数として弁２０
４のフィード・フォワード制御信号５０４を求める。基
本的には、このフィード・７オワ一ド制御信号６０４と
フィードｅパック制御信号５０３の加算により弁２０４
の操作信号５０６を決するが、１池水素ガス調節弁２０
４の前圧すなわち主水素カス圧カー差偏号５２２（第３
図参照）でこの弁２０４への操作悟号を補正する。

このような補正を加えたことによる効果を電池出力が増
加した場合を例Ｋａ５’Ｌ明する。すなわち、電池出力
が増加すると電池内で消費される水素量が増加する。こ
の丸め、電池出口の水素量１１５０１が低下し、これを
補償するようにフィードバック制御６４０２が働き、弁
２０４を開くことにより。

１１１池出口の水素＃＆５０１に回復させる。ところが
、弁２０４を開けば、主水素カス圧力５２１が低トーす
るが、一般に、燃料改質装置１２０２（第１図）の応答
が遅いため、主水素カス圧力５２１の回復が遅い。この
ように、電池出口の水素濃度５０１のみで弁２０４を制
御すると主水素ガス圧力５２１が低下し続けるという問
題が生じる。主水素ガス圧力Ｓ差偏号５２２で補正する
効果はここにある。すなわち、上記例では、主水素カス
圧カー走５２２は正の方向に増加し、加算器４０４を介
し、弁２０４を閉じる方向に働く。すなわち。

弁２０４が一方的に開くのを抑制するという機能を持ち
、主水素ガス圧力５２１の変動を抑える効果がある０機
能ブロック４０５は、上記趣旨から。

単なる比例でも良いし、ある閾値を超え走時のみ働き、
弁２Ｇ４の信号をホールドするという方法４考見られる
。豐するに、主水素ガス圧力５２１の変動を抑制する機
能を弁２０４の制御系に付加するものであればよい。

第２図の電池空気量−節介２０７も全く同様に。

電池出口酸素濃度設定値発生器４０６によシ中給からの
負荷指令ＬＤの関数として電池用ロ酸素設定櫃５０７會
得、電池出ロ酸素濃度検出器３０２で測定され九酸素濃
度信号５０ｇとの偏差を求め（減算器４０？）、比例・
積分等のフィード・パック制御演算を実施しくフィード
・パック制御器４０８）、フィード・バック制御信号５
ｔｏｔ−得る。一方、フィード・フォワード制御器４０
９では、中給からの負荷指令ＬＤの関数として弁２０７
のフィード・フォワード制御信号５１１を求める。

弁２０７の操作信号５１３は、このフィード・フォワー
ド制御信号５１１の他に、フィード・パック制御＃（！
１号５１０．ｇ！気量−節弁前圧（主空気圧力）債差偏
号５６２により決められる。ブロック４１１の機能及び
効果は、ブロック４０５と全く同様である。

次に、改質装置制御系の一実施例を第３図を用いて説明
する０図でまず電池水素ガス調節弁２０４の前圧でめる
王水素カス系圧力設定値発生１ｉ６４２０では、中給か
らの負荷指令ＬＤの関数で主水素ガス系圧力設定＠５２
０’ｆｆ求める。次に、主水素ガス系圧力検出＋１１５
２１との偏差５２２を求め（ブロック４２１）、孔内・
積分等のフィード・バックｆｌｊｌＪ御演算を実施しく
ブロック４４２）、フィード・パック制御信号５２３ｔ
−決定する。−万、フィルド・フォワード制−６４２３
では、中給からの負荷デマンドＬＤの関数として原燃料
デマンドのフィード・フォワード制−偏−＠５２４を求
める。

父、フロック４２５は、第２図に示した電池出口水素ａ
ｌｊＩＬ偏差信号５０２を入力し、弁２０４の動作と協
調して弁２００・２１７を動作させる丸めの機能であり
、弁２０４に対応する弁２００・２１７の信号５２５を
計算する。原燃料デマンド信号５２６は、これら３つの
信号５２３，５２４゜５２５の和として求められる。

次に、上で得られ九原燃料デマンド信号５２６に従って
弁２００および弁２１７ＶＣ用いて原燃料量を操作する
が、これについて説明する。ｉず。

主水素ガス系水素濃度設定値発生器４３２によシ中給か
らの負荷指令ＬＤＯ関数として主水素ガス系水素濃匿設
定値５３４を得、主水素カス系水素濃匿検出器３０５で
測定され九水票濃度信号５３５との偏差を求め（減算器
４３３）、比例・積分等のフィード・パック制御演算を
実施しくフィード・パック制御器４３４　）　ｓフィー
ド・バック制御信号５３７を求める。一方、フィード・
フォワード制御器４３５では、中給からの負荷指令ＬＤ
の関数として弁２００の原燃料量ね率のフィード・フォ
ワード制御信号５３８を求める。弁２００の原燃料分担
率５８９は、このフィード・フォワード制−信号５３８
の他に、フィード・バック制御１６号５３７により決め
られる。弁２００の操作信号５４０は、原燃料デマンド
５２６に弁２００の原ｆｌｋ、料分担本５３９を掛けて
求められる（乗算器４３７）。ま友、弁２１７の操作信
号５４３Ｆｉ、定数１に相当する信号５４１から弁２０
０の原燃料分担率５３９を差引き（減算器４３８）、得
られた弁２１７の原燃料分担＄５４２に原燃料デマンド
５２６を掛けて求められるＣ乗算６４３９　）。

また、水蒸気流量調節弁２０１の操作信号５３３は１次
のようにして決定する。まず、主水素ガス系水分設定値
発生器４２６によシ中給からの負荷指令ＬＤの関数とし
て主水素ガス系水分設定値５２７を得、主水素ガス系水
分検出器３０４で測定された水分信号５２８との偏差を
求め（減算器４２７）、比例・積分等のフィード・バッ
ク制御演算を実施しくフィード・パック制御器４２８）
。

フィード・パック制御信号５３０を得る。一方。

フィード・フォワード制御器４２９では、中給からの負
＃宿令−ＬＤの関数として弁２０１の２イード・フォワ
ード制御信号５３１を求める。弁２０１の操作信号５３
１ｔ、このフィード・フォワード制御信号５３１とフィ
ード・バック制御信号５３Ｇにより決められる。

まえ、補助燃料調節弁２０ｇおよび補助空気量関節弁２
２Ｇの操作信号５５７および５５８は。

第４図のようｋして決定する。まず、リフオーマ出口水
素リッチ・ガス系温度設定値発生器４５０によ〉中給か
らの負荷指令ＬＤの関数として温度設定値５ｓｏｆ：得
、す７オ一マ出口水素リッチ・ガス系温度検出器３０８
で測定された電板信号５５１との偏差を求め（減算器４
５１）、比例・積分等のフィード・バック制御演算を実
施しくフィード・バック制御器４ｊ３）、フィード・パ
ック制御信号５５３を得ゐ、一方、フィード・フォワー
ド制御器４＄４では、中給からの負荷指令ＬＤの関数と
して弁２Ｇ１１のフィード・フォワード制御信号５ｓｓ
を求める。まえ、オーバ／アンダ・ファイアリング制御
６４５２では、中給からの負荷指令ＬＤの時間変化に応
じて補助燃料をオーバ／アンダ・ファイアリングする制
＠偏４５５４を求める。弁２０８の操作信号５５７は、
上記のフィード・フォワード制御信号５５５．フィード
・パック制御信号５５３およびオーバ／アンダ・ファイ
アリング制御信号５５４１Ｃより決められる。

弁２２０の操作信号５５８は、比率設定器４５７におい
て弁２０８の操作信号５５７よシ、補助燃料１１４と補
助空気１１８とが一定の比率を保持するように決定され
る。

第５図は、空気供給系２０６０機器構成を示す。

図で、動力源は燃料改質装置２０２の排ガス１０８で、
この排カスでガス・タービン２０６２ｔＩＣ動し、この
ガス・タービン２０６２に直結し九圧縮磯２０６３によ
シｓ９！気１１０の圧力を燃料電池で必要とする圧力ま
で上げ、燃料電池へ供給する。

圧縮され九９気１１１は、弁２０７（第１図）により燃
料電池で必要とされる空気量を引き抜かれ。

洩りは弁２０６１を介してガス・タービン２０６２の排
カス１０９として排出される。

また５図では省略し九が、圧ａｇ！気１１１の一部は、
改質装置２０２における水素燃焼用の空気としても使用
される。

第６図は、９気供給系２０６に対する制御方式を示す、
ｔず、主空気系圧力設定値発生！４６０において中給か
らの負荷指令ＬＤの関数で弁２０７の前圧（主空気系圧
力）５６１の設定値５６０を決め、主空気系圧力検出！
３（ＸＩの出力５６１との偏差５６２を求める１次に、
比例・積分等のフィード・バック制御演算を実施しくブ
ロック４６２）、フィード・パック制御信号５６３を決
定する。

一方、フィード・フォワード制御器４６３では。

中給からの負荷指令ＬＤの関数として弁２０６１のフィ
ード・フォワード信号６６４を決定する。

又、ブロック４６５Ｆｉ、弁２０７と協調する丸めの−
ので、弁２０７に対応し九弁２１５の信号５６５を決定
する。

次に、再循環系の制御系の一実施例を纂７図を用いて説
明する０図でまず、電池出口水素ガス系圧力設定値発生
器４７０によｐ中給からの負荷指令ＬＤの関数として電
池出口水素ガ入ス系圧力設定０１５７０を求める。次に
、電池出口水素ガス系圧力信号５７１との偽ｆｉ５７２
ｔ−求め（ブロック４７１）、比例・積分等のフィード
・パック制御演算を実施しくブロック４７２）、フィー
ド・バック制御信号５７３を決定する。一方、フィード
・フォワード１１１Ｊ１１器４７３では、中給からの負
荷指令Ｌｌ）の関数として水素再循ＩＩ／１緻調節介２
１０のフィード・フォワード信号５７４を求める。また
、ブロック４７５は、酸素再循環量調節弁２１９の動作
と協調して弁２１０を動作させるための機能であり、弁
２１９の信号に対応して弁２１０の４＝−ｑ５７５を計
算する。弁２１０の操作信号５７６は、これら３つの信
号５７３．．５７４，５７５の和として求められる。

ま九、−図の酸素再循環量ａｍ節介２１９の操作１６号
５９１は１次のようにして決定する。ｔず。

鑞油出ロ水素ガス系／空気系水分比設定厘発生器４８３
によｐ中給からの負荷指令ＬＤの関数として水素ガス系
／空気系水分比設定１１１５８０を得、区油出ロ水素カ
ス系水分検出器３０ｇおよび電池出口空気系水分検出１
）３０７で測定され走水分信号５７７．５７８の比８７
９との偏差を求め（減算器４１１）、比例・積分環のフ
ィード−パック制御演算を実施しくフィード時バック制
御器４８５）、フィード・パック制御信号５８２を得る
。一方、電池出口水素ガス系空気系差圧設定値発生器４
７６では、中給からの負荷指令ＬＤの関数として差圧設
定［５８３を求める。電池出口空気系圧力設定［５８５
は、この差圧設定値５８３の他Ｋ。

フィード・バック制御信号５８２．電池出口水素ガス系
圧力信号５７１によｐ決められ、電池出口空気系圧力検
出３１２で測定され九空気圧力信号５８６との偏差を求
め（減算器４７８）、比例・積分等のフィード・パック
制御演算を実施しくフィード・パック制御器４７９）、
フィード・バック制御信号５８８を得る。まえ、フィー
ド・フォワード制御器４８Ｇでは、中給からの負荷指令
ＬＤの関数として弁２１９のフィード・フォワード制御
信号５８９を求める。弁２１Ｇの操作信号５９１は、こ
のフィード・フォワード制御信号５８９の他に、フィー
ド・バック制御信号５８８゜電池用ロ水素ガス系圧力偏
差５７２により決められる。

本発明の一＊ｍ例において法改質装置２０２への水蒸気
１０２の供給量を王水素ガス系の水分フィード・パック
により制御するようにしたが（第３図参照）、第８図に
示すように主水素ガス系の一酸化炭素（ＣＯ）濃度フィ
ード・パックによりｍＪＩｉｌｌするよつにして奄よい
。すなわち、′ｔず、水素カス糸−酸化炭素濃度設定値
発生器６００により中給からの負荷指令ＬＤの関数とし
て主水素ガス系−酸化炭素設定＋１７０（ｉ倚、王水素
ガス系−酸化炭素濃膨検出！３１１で測定された一酸化
炭集濃１１！号７０１との偏差を求め（減算器６０１）
、比例・積分等のフィード・パック制御演算を実施しく
フィード・バック制＃器６０２）、フィード・バック制
御信号７０３を得る。一方、フィード・フォワード制＃
器６０３では、中給からの負荷指令ＬＤの関数として弁
２０１のフィード・フォワード制御信号７０４を求める
。弁２０１の操作信号７０５＃ｌ；ｔ、このフィード−
フォワード制御信号７０４とフィード・バック制御信号
７０３により決められる。

発明の一実施例においては、中給からの負荷指令ＬＤ１
２）関数ｔして制御変数の設定値およびフィード・フォ
ワード制御信号を決定するようにし九が、中給からの負
荷指令Ｌ　Ｄ＠轟の信号であればよい０例えば、電池出
口電流で４よい、ま喪、オペレータにより設定され九負
荷デマ／ドでもよい。

発明の一実施例においては、電池用０？！気系圧力設定
値を電池出口水素ガス系圧力信号と電池比ロ水素ガス系
／空気系差圧設定値により決めるようにし九が、電池出
口水素ガス系圧力設定値と電池用ロ水素ガス系／２２！
気系差圧設定値により決めるようにしてもよい、ｔた。

中給からの負荷指令ＬＤの関数として電池比ロ空気系圧
力設定ｉｉｔ決め、電池出口水素ガス系圧力設定値を電
池比Ｏ水素ガス系／ｇ！気系差圧設定値と電池出口空気
系圧力信号あるいは電池出ロ空気系圧力設定？直によシ
決めるようＫしてもよい。

発明の一実施例においてに、電池出口水素濃度と電池出
口酸素濃度をそれぞれ電池水素カス流量と畦池空気ａｉ
ｔにより制（２）し、電池出口水素ガス系圧力と電池出
口空気系圧力をそれぞれ水素再循壌緻と空気再循環量に
よ多制御するようにしたが、電池出口水素ガス系圧力と
電池出口空気系圧力をてｒＬぞれ鴫池水素ガス流量と電
池空気流量によ多制御し、電池出口水素濃度と電池出口
酸素濃度をそれぞれ水素再循寝量と空気書循環量により
制御するようにしてもよい。

発明の一実施例においては、改質装置２０２への水蒸気
１０２の供給量を主水素ガス系の水分に広じて決めるよ
うＫし九が、ＷＸ燃料の組成を計測してこの結果に従っ
て改質装置２０２への水蒸気１０２の供給量を決めるよ
うにしてもよい。

発明の一実施例においては、改質装置および燃料電池の
運転条件（温度、圧力）は予め決めておいたものを利用
するようＫしたが、原燃料の組成ｒ計測してこの結果に
従って改質装置および燃料電池の運転条件を決定し、こ
の条件により改質装発明の一実施例においては、燃料電
池の温度制御系を側糸しなかつ九が、この制−系は、中
給からの負荷指令に従って、燃料電池冷却水流量をフィ
ード・フォワード制御し、負荷指令の、関数として決め
られる燃料電池の温度設定値と温度計測筐との偏差をフ
ィード・バック制御処理した信号により燃料電池冷却水
流量を補正制御する。

本発明は、燃料電池出口水素ガスの水分および燃料電池
出口酸素ガスの水分が所定の値になるように燃料電池出
口水素ガス圧力と燃料電池出口酸素ガス圧力との差圧を
調整するので、燃料電池における水素と酸素の無効反応
を少なくでき燃料電池の効率を向上させる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は５本発明の制御対象である燃料電池発電プラン
トの概略構成、第２図は、燃料電池制御系の一実施例、
第３．４図は、燃料改質装置制御系の一実施例、第５図
＃ｉ、空気供給系の機器構成、第６図は、空気供給系の
制御系の一実施例、第７図は、再循環系の制御系の一実
施例、第８図は。 燃料改質装置制御系の他の実施例、を示す。 １０１・・・原燃料、１０２・・・水蒸気、１０３・・
・水素リッチ・カス、１０４・・・主水素カス、１０５
・・・電池人口水素カス、１０６・・・電池出口電流、
１０７・・・電池出口水素ガス、１０８・・・改質装置
排ガス。 １０９・・・排カス、１１０・・・空気、１１１・・・
加圧空気、１１２・・・電池出口空気、１１３・・・電
池出口空気、１１４・・・補助燃料、１１５・・・原燃
料（ＬＮＧ）、１１６・・・原燃料（ナフサ）、１１７
・・・水蒸気。 １１８・・・補助空気、２００・・・原燃料（Ｌ　ＮＧ
　）　［ｉ１４節弁、２０１・・・水蒸気流量調節弁、
２０２・・・改質装ｆｉｌｌ（ＩＪフォーマ）、２０３
・・・７フトーコンノ（−タ。 ２０　’４・・・電池水素カス調節弁、２０５・・・電
池、２０６・・・空気供給系、２０７・・・電池空気量
調節弁。 ２０８・・・楠助燃料調節弁、２０９・・・水素栴循壌
ファン、２１０・・・水素再循環量調節弁、２１１・・
・水分回収熱交換器、２１２・・・排水量調節弁、２１
３・・・水分回収熱交換器、２１４・・・排水量調節弁
、２１５・・・水分回収熱交換器、２１６・・・排水量
調節弁、２１７・・・原燃料（ナフ１）調節弁。 代理人　弁理士　高備明夫 第　ｓ７ 航６の

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、混合成分の原燃料を水素ガスに改質する燃料改質装
   置、圧−し九績素ガスを供給するための空気供給系およ
   び供給され九水素ガスと酸素ガスの反応により電流を出
   力する燃料電池で構成される燃料電池発電プラントにお
   いて、燃料電池出口水素カスの水分および燃料電池出口
   酸素ガスの水分に応じて燃料電池出口水素ガス圧力と燃
   料電池出ロ＃Ｉ！素ガス圧力との差圧設定値を決めるこ
   とを特徴とするｆｉ＄４電池発電プラント制御クステム
   。 ２、特許請求の範囲第ｉｌｌ記載の燃料電池発電プラン
   ト制御システムにおいて、燃料電池出口水素カスの水分
   と燃料電池出口酸素ガスの水分の比に応じて燃料電池出
   口水素ガス圧力と燃料電池出口酸素ガス圧力との差圧設
   定値を決めることを特徴とする燃料電池発電プラント制
   御システム。 ３、％許請求の範囲第１項記載の燃料電池発電プラント
   制御システムにおいて、燃料電池出口水素ガスの水分お
   よび燃料電池出口酸素ガスの水分に応じて燃料電池出口
   水素ガス圧力と燃料電池出口酸素ガス圧力との差圧設定
   値を決め、燃料電池出口水素ガス圧力と燃料電池出口酸
   素ガス圧力との差圧と上記設定値との偏差に応じて燃料
   電池へ供給する水素ガス流量あるＶｈは歇素ガス流量を
   補正調節する仁とを特徴とする燥科電池発電プラント制
   御システム。