JPS62186472A - 燃料電池発電プラントの燃料システム制御装置 - Google Patents

燃料電池発電プラントの燃料システム制御装置

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JPS62186472A
JPS62186472A JP61027401A JP2740186A JPS62186472A JP S62186472 A JPS62186472 A JP S62186472A JP 61027401 A JP61027401 A JP 61027401A JP 2740186 A JP2740186 A JP 2740186A JP S62186472 A JPS62186472 A JP S62186472A
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reformer
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fuel cell
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Yasuo Takagi
Takashi Shigemasa
隆 重政
Hirochika Mori
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Reiji Mitarai
御手洗 礼治
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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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、燃料電池(以下、FCと称す。)発電プラン
トの燃料システム制御装置に係り、特に。
燃料改質装置(リフオーマ)で炭化水素を主成分とする
原燃料に水を反応させて水素を主成分とする燃料ガスに
改質し、この燃料ガスを燃料電池に還元剤として供給す
るとともに上記燃料電池より排出された燃料排ガスをリ
フオーマでの改質に必要な熱源として燃焼させるように
した燃料システムにおいて、リフオーマ温度を常に安定
に保持できるようにした制m+装置に関する。
(発明の技術的背景とその問題点〕 周知のように、FC発電プラントは、電力を発生するパ
ワーセクションと、水素リッチな燃料ガスを製造してF
Cに供給する燃料システムと、空気を加圧してFCに供
給する空気システムと。
FCの温度を制御する熱管理システムとで構成される。
ところで、FC発電プラントの燃料システムは。
通常、第6図に示すように、炭化水素を主成分とする原
燃料ガスに水蒸気を加えて水素リッチな燃料ガスに変え
るリフオーマ1と、このリフオーマ1で生成された一酸
化炭素に水蒸気を加えて水素を生成するシフトコンバー
タ2とで構成されている。そして、炭化水素を水素に変
えるリフォーミング反応が吸熱反応であることから1通
常、流調弁3を介してFC4を通過した後の燃料ガス(
以下、FC燃料排ガスと称す。)をリフオーマバーナ5
へ導き、このFC燃料排ガス中の水素を燃焼させること
によってリフオーマ1での反応に必要な熱量を1qるよ
うにしている。また、リフオーマ1の温度制御は、流調
弁3を調節することによって行なっている。
しかしながら、上記のように構成された従来の燃料シス
テムにあっては次のような問題があった。
すなわち、流調弁3を操作した後、リフオーマ1の温度
が安定するまでに要する時間が長り、シかも同じ燃料ガ
ス流層であってもFC燃料排ガス中の水素濃度や残留炭
化水素濃度によって燃焼エネルギが大きく異なるためリ
フオーマ1の温度を一定に保つための制御が非常に困難
であった。−例管温度が大きく振動し、これを整定させ
ることは容易ではない。このような振動は、リフオーマ
反応管に不必要な熱疲労を与え寿命を短くするばかりか
、リフォーミング反応率を不安定にしてFC4への燃料
ガスの供給を阻害し、速い負荷応答を困難にしていた。
〔発明の目的〕
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、そ
の目的とするところは、リフオーマ反応管温度を常に一
定に保持しつつ燃料ガス流量を速やかに目標値に追従さ
せることができる燃料電池発電プラントの燃料システム
制御装置を提供することにある。
〔発明の概要〕
本発明に係る制御装置は、リフオーマで炭化水素を主成
分とする原燃料に水を反応させて水素を主成分とする燃
料ガスに改質し、この燃料ガスを燃料電池に還元剤とし
て供給するとともに上記燃料電池より排出された燃料排
ガスを上記リフオーマでの改質に必要な熱源として燃焼
させるようにした燃料電池発電プラントの燃料システム
を制御対象にしている。そして、このようなシステムを
制御するために1本発明に係る制御装置は、燃料電池よ
り排出された燃料排ガスをリフオーマで燃焼させるリフ
オーマ主バーナと、燃料供給源に接続されたリフオーマ
補助バーナと、リフオーマ反応管の目標温度と現実の温
度との差から上記リフオーマ反応管の温度を上記目標温
度に保つための補正エネルギを算出する手段と、前記リ
フオーマ反応管の温度から前記リフオーマの改質率を求
める手段と、この手段で求められた改質率および前記燃
$1電池の負荷電流および上記燃料電池へ供給される燃
料ガスの流量から前記リフオーマ主バーナに供給される
前記燃料排ガスの燃焼エネルギを算出する手段と、前記
リフオーマへ流れ込む前記原燃料の流量および上記リフ
オーマから排出される燃焼排ガス流量およびその温度お
よび前記改質率から上記リフオーマにおける消費エネル
ギを算出する手段と、前記燃焼エネルギと前記消費エネ
ルギとの差から前記リフオーマにおける収支エネルギを
求める手段と、前記補正エネルギと前記収支エネルギと
の差に対応させて前記リフオーマ補助バーナへの燃料供
給量を制御する手段とを設けている。
〔発明の効果〕
上記構成であると、常時、リフオーマの熱バランスを計
算し、これに対応させてリフオーマ補助バーナへの燃料
供給量を制御しているので、FC燃料排ガスの成分変化
の影響を受けずに安定なリフオーマ温度制御が可能とな
り、リフオーマの温度制卸を著しく容易化できる。また
、リフオーマ温度の制御端としてリフオーマ燃焼室にリ
フオーマ補助バーナを設けるようにしているので、従来
のようにFCの上流側に設けた弁で1I11制御するも
のとは違って、操作端を動作させてから温度に変化が現
われるまでの時間を短くできる。このため。
速い追従性と高い外乱抑制性とを実現できる。
〔発明の実施例〕
以下2本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。
第1図は1本発明の一実施例に係る制御装置を組み込ん
だ燃料電池発電プラントの主要部を示している。
すなわち2図中41は炭化水素を主成分とする原燃料の
供給端を示し、12は水蒸気の供給端を示している。各
供給端11.12に供給された原燃料および水蒸気は、
配管13.14によって導かれ合流された後、リフオー
マ15のリフオーマ反応管16へと導かれ、水素を主成
分とする燃料ガスに改質される。リフオーマ反応管16
から送り出された燃料ガスは1図示しないシフトコンバ
ータおよび流調弁17を介してFCI8へ還元剤として
送り込まれる。そして、FCI8から排出された燃料排
ガスは配管19を介してリフオーマ主バーナ20へと供
給される。一方、供給端11に供給された原燃料の一部
は、配管2).流調弁22を介してリフオーマ補助バー
ナ23へと供給される。
図中24はFCI 8に供給される燃料ガスの流量を測
定するするための流量計を示し、25はリフオーマ反応
管16へと流れ込む原燃料の流量を測定するための流量
計を示し、26はリフオーマ15の燃焼排ガス流量を測
定するするための流量計を示し、27はリフオーマ補助
バーナ23へ供給される原燃料の流量を測定するための
流量計を示し、28はリフオーマ反応管16の湿度を測
定するための温度計を示し、29は燃焼排ガスの温度を
測定するための濃度計を示している。また。
図中30は負荷要求指令LPに対し、これに対応した燃
料流量を算出し、第2図に示すように燃料流量信号を出
力する燃料流量演算器を示し、この演算器30の出力は
コントローラ31へ与えられる。コントローラ31は、
演算器30の出力と流量計24で得られた流量信号F1
とを比較し、流量信号F1が演算器30の出力に一致す
るように流調弁17の開度を制御するように構成されて
いる。また2図中32はコントローラを示し、このコン
トローラ32は流量計27で得られた流量信号F4と後
述する補助バーナ出力演算器33の出力Mとを比較し、
流量信号F4が出力Mに一致するように流調弁22の開
度を制御するよに構成されている。
しかして、流量計24.25.26で得られた流量信号
Fl 、F2 、F!と温度計28.29で得られた温
度信号Ti 、T2とは補助バーナ出力演算器33に導
入されている。この補助バーナ出力演算器33は、リフ
オーマ15の熱収支を計算し、収支の過不足を加味して
リフオーマ補助バーナ23への燃料供給量を制御するた
めのものであり、具体的には第3図に示すように構成さ
れている。すなわち、この演算器33の主要部は大きく
分けて、補正エネルギ演算器34と、熱収支演算器35
と、リフオーマ主バーナ20の出力を推定するバーナ出
力演算器36と、改質率演算器37と1割算器38とで
構成されている。
補正エネルギ演算器34は、減算器39を介して、リフ
オーマ反応管16の目標温度信号RTTと温度計28で
得られた実際の温度信号T1との差信号を導入してPI
演算を行ない、リフオーマ反応管16を上記目標濃度に
維持するための補正エネルギを演算するためのものであ
る。そして。
この補正エネルギ演算器34で算出された補正エネルギ
信号Gは減算器40の一方の入力端に導入される。
改質率演算器37は、リフオーマ15およびシフトコン
バータで進む1次の(1)式で示す反応の進行割合いを
リフオーマ反応管16の温度、つまり温度計28から得
られた温度信号T1から推定するためのものである。
CH4+2H20→4H2+CO2・・・(1)この反
応の進行割合い、つまり改質率は、実際には温度の他、
圧力や原燃料(上式はメタンの場合)の流lにより異な
るが、FC発電プラントでは温度以外はほとんど一定条
件と考えてよく、第4図に示すように温度が高いほど改
質率が1に近付く。
したがって、この実施例では温度信号T1に基づいて改
質率を演算させるようにしている。
バーナ出力演算器36は、改質率演算器37で算出され
た改質率Xを用いてリフオーマ主バーナ20での燃焼エ
ネルギを推定するためのものである。すなわち、この演
算器36は、流量計24の流量信号F1と、改質率Xと
、負荷?[波信号l oadとを導入し9次の(2)式
と(3式とを用いてリフオーマ主バーナ20に流れ込む
FC燃料排ガス111F、xと、そのエネルギ密度EM
Xとを求め、これから燃焼エネルギを算出している。
F、、 −Fand −kl x Load     
  −(2)E□−に2 (A−に3 ・Fand−に
4・Eg2・L Oad ) / F xx     
     −(3但し。
F、、:FC燃料排ガス流m (kgmol /hr)
E、X:FC燃料排ガス単位体積当りの燃焼エネルギ(
kcai/ kgIol ) Fand:流量計24で検出された燃料ガス流量(ki
ll園of  /hr) Load:FC負荷電流(A> A   :C/D C:  (1−x)E   +4xE、。
m4 D     :1+4X EcR4;(−’T(、の燃焼エネルギ(−22),8
kcal /101 .1at125℃) E!!2 ;H2の燃焼エネルギ(−57,8kcal
/ 1dol 。
1at12S℃) X  :改質率 に!〜に4;定数 このようにして* Fxx  とEmx  との積によ
って求められた燃焼エネルギ信号Eは熱収支演算器35
へ導入される。
熱収支演算器35は、燃焼エネルギ信@Eと。
原燃料流量信号F2と、排気ガス流量信号F3と。
排気ガス温度信号T2と、改質率Xとを導入し。
次に示す(4)式〜(7)式を用いてリフオーマ15に
おける熱収支を計算するためのものである。
Qb =Qy −Q冨X−Qnp         ・
・・(4)Qy = Flr−E−z        
    ・・・(5)QRF −ks  −Fo  −
T5         ・・・(6)QRF −Exy
 ” Fz  ” X          ”・(7)
但し。
Qb ;熱収支(kcal/hr) QF ;リフオーマ主バーナ出力(kcal/hr)Q
*x:排気ガス除熱fi (kcal/hr)Ql;改
質ガス吸熱m (kc’al/hr)Fo :排気ガス
流1 (knot /hr)Ta ;排気ガス温度(’
C) EFIF ;リフオーミング反応による吸熱量(kca
l/。
kgmoi ) Fx ;原燃料供給1 (koiol /hr)ks 
;定数(kcal/kga+ol −”C)このように
して、熱収支演算器35で求められた熱収支信号ト(は
減拝840の他方の入力端に導入される。そして、上記
減算器40の出力は割算器38に導入される。この割算
器38は、減韓器40の出力信号Yをあらかじめ判明し
ている原燃料の単位*mあたありの燃焼エネルギJで除
した信号Mを出力する。そしてこの信号Mが、コントロ
ーラ32へ流量制御信号として与えられる。したがって
、リフオーマ補助バーナ23には、常に。
リフオーマ反応管16の温度を一定に維持するに必要な
量の燃料が供給されることになる。
このように、リフオーマ補助バーナ23を設けるととも
にリフオーマ15の熱収支を求め、この熱収支を加味し
てリフオーマ補助バーナ23への燃料供給發を制御する
ようしている。このため。
この燃料系は急激な負荷要求に対しても迅速に応答する
ことができ、しかもリフオーマ15の温度の乱れを僅か
に抑えることができる。第5図は。
この制御装置を使って実際に制御したときの様子を示す
ものである。この図から分るように、速い燃料流の応答
を実現できる。また、リフオーマ反応管16の温度を安
定させることができるので。
リフオーマ反応管16の熱疲労も防ぐことができ。
大幅に寿命を延ばすことができるので、結局、前述した
効果を発揮させることができる。
第6図は1本発明の別の実施例をブロック的に示すもの
である。
同図において101はリフオーマであり、内部に改質触
媒層が設けられたリフオーマ反応管の内側に水蒸気が混
合された原燃料としてのメタンを導入すると共に、上記
リフオーマ反応管の外側に燃焼用燃料および燃焼用空気
を燃焼室のりフォーマ主バーナ107.リフオーマ補助
バーナ108で燃焼して得られた高温燃焼ガスを流通さ
せることにより、水素を多く含んだ改質ガスを生成する
ものである。また、103は前述と同様の機能を有する
変成器、104はこの変成器103で得られたガスを燃
料ガスとして燃料極にまた空気等の酸化剤ガスを酸化剤
極に夫々導入し、このとき起こる電気化学的反応により
両11fl181から電気エネルギーを取出す燃料電池
である。そして、上記リフオーマ101の燃焼室内のリ
フオーマ主バーナ107には上記燃料電池104の燃F
l極から排出される燃料ガスを、またリフオーマ補助バ
ーナ108には外部から別途に供給される燃料ガスとし
てのメタンを、その燃焼用燃料として夫々導入するよう
にしている。
一方、109は上記リフオーマ補助バーナ108へ燃料
ガスを供給するライン上に設けられた流量制御弁、11
0Aは原燃料であるメタンが流通するライン上に設けら
れその流量を検出する第1の流量検出器、110Bは水
蒸気が混合されたメタンが流通するライン上に設けられ
その流量を検出する第2の流量検出器、110Gは上記
リフオーマ101の出口直後のライン上に設けられその
流量を検出する第3の流量検出器、110Dは上記リフ
オーマ補助バーナ108へ燃料ガスを供給するライン上
に設けられその流量を検出する第4の流量検出器、11
1は上記燃料電池104からの出力電気量として電流を
検出する出力電気量検出器としての電流検出器である。
また。
112は上記8流」検出器110A〜110Dおよび電
流検出器111から夫々出力される検出信号FA〜Fo
および■を入力とし、かつこれらを用いて改質反応や燃
焼反応等の科学的知識に基づいて燃料ガスの組成変化を
考慮したリフオーマ101の燃焼室での燃焼エネルギー
ff1Qを算出する第1の演算装置、113は上記電流
検出器111から出力される検出信号Iに応じた燃焼エ
ネルギー量と、上記第1の演算装置112で算出された
燃焼エネルギー目Qとを比較し、かつこの比較結果に基
づいて上記流量制御弁109の弁開度を調節する制御信
号Vcを出力する第2の演算装置である。
ここで、第1の演算装M112は加減算器114、加減
算器115.加減算器116.加減算器117.加減算
器118.係数器119.係数器120.係数器12)
.係数器122.係数器123A、係数器123B、係
数器124から図示のように構成し、また第2の演算装
置113は関数発生器125.制限器126.係数器1
27、加減算器128から図示のように構成している。
次に、かかる如く構成した燃料電池発電システムにおけ
る。リフオーマ101の燃焼室の燃焼制御作用について
述べる。
まず、リフオーマ101での燃料改質反応は総じて前記
(1)式なる化学反応と見なすことができる。
この反応は可逆反応であるが、右方向への平衡点の移動
は反応流量のモル流量変化として知ることができる。す
なわち、1モルのメタンの反応に対して2モルの燃料ガ
スの増分が起こる。このことから、改質反応前後の燃料
ガスの流量差からその半分が改質反応を起こしたメタン
流量に等しいことがわかる。
今、第1の流量検出器110A、第2の流量検出器11
0B、第3の流量検出器110Cで夫々検出された各流
量信号をFA、FB、FCとすると1反応したメタン流
量FRは第1の演算装置112における加減算器114
.係数器119により。
FR= (Fc−FB )/2    ・・・−(8)
となる。
これに対して、改質反応により発生した水素流l F 
Hと、改質反発後残存するメタン流41 F Mとは、
係数器120と、加減算器115とにより。
FH−4・FR・・・・・・(9) FM−FA−FR・・・・・・(10)となる。従って
、改質反応後の燃料ガスの有する可燃成分としてのエネ
ルギー流量は、係数器12)、係数器122.加減算器
116により。
Ql ・FM+Q2 ・FH・・・・・・(11)とな
る。ここで、Ql、Q2は夫々メタン、水素の燃焼熱量
である。そして、これが適当な伝達遅れ(係数器123
A)を持って燃料電池104を通過する。一方、燃料電
池104にて消費される水素流量は燃料電池104の出
力電流Iと等値であり、これは電流検出器111からの
検出信号に対して係数器124で物理定数を乗すること
により決定することができる。また、この燃料電池10
4で消費される水素エネルギーを加減算器117で差引
いた燃焼ガスエネルギーは、さらに伝達遅れ(係数器1
23B)を伴い最終的にはリフオーマ主バーナ107に
より燃焼熱へと変換される。そして、これに第4の流量
検出器110Dからの検出信号FDを加減算器118に
て加えることにより、リフオーマ補助バーナ108での
発生熱IQが計算されることになる。
一方、第2の演算装置113においては電流検出器11
1からの検出信号Iに応じた燃焼エネルギー日Q re
fが関数発生器125にて求められ。
さらにこの値Q refを目標値とし上記第1の演算器
[112で算出された燃焼エネルギー量Qとの偏差信号
が加減算器128で得られ、これを第2の演算装置11
3.計数器127を通して制御信号Vcに変換して流層
制御弁109に与えることにより、流量制御弁109へ
供給される燃料ガスであるメタンの流量が制御されるこ
とになる。
なお2本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。たとえば、補助バーナ出力演算器をコンピュータ上
のソフトウェアとして実現してもよい。また、その他1
本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形できることは
勿論である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例に係る制御装置を組み込んだ
燃料電池発電プラントの要部構成図、第2図は同プラン
トにおける燃料流量演算器の出力特性を示す図、第3図
は同プラントにおける補助バーナ出力演算器の構成図、
第4図はリフオーマ反応管温度と改質率との関係を説明
するための図。 第5図は本発明に係る制御装置を使用した条件下で負荷
電流を変化させたときの各プロセス量の変化を示す図、
第6図は本発明の他の実施例に係る制御装置を組込んだ
燃料電池発電プラントの要部構成図、第7図は従来の燃
料システムの構成図。 第8図および第9図は従来のシステムの問題点を説明す
るための図である。 11・・・原燃料の供給端、12・・・水蒸気の供給端
。 15.101・・・リフオーマ、16・・・リフオーマ
反応管、17.22・・・流調弁、18.104・・・
燃料電池(FC)、20.107=・す7t−v主バー
ナ、23,108・・・リフオーマ補助バーナ、30・
・・燃料流量演算器、31.32・・・コントローラ。 33・・・補助バーナ出力演算器、34・・・補正エネ
ルギ演算器、35・・・熱収支演算器、36・・・バー
ナ出力演算器、37・・・改質率演算器、38・・・割
算器。 112・・・第1の演算装置、113川第2の演算装置
。 出願人代理人 弁理士 鈴江武彦 jj*9下*9禾(LP) 第2図 第3図 第4図 時間 第5図 b口抑区11制 り口ρ区−

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)リフォーマで炭化水素を主成分とする原燃料に水
    を反応させて水素を主成分とする燃料ガスに改質し、こ
    の燃料ガスを燃料電池に還元剤として供給するとともに
    上記燃料電池より排出された燃料排ガスを上記リフォー
    マでの改質に必要な熱源として燃焼させるようにした燃
    料電池発電プラントの燃料システムを制御するためのも
    のであって、前記燃料電池より排出された前記燃料排ガ
    スを前記リフォーマで燃焼させるリフォーマ主バーナと
    、燃料供給源に接続されたリフォーマ補助バーナと、リ
    フォーマ反応管の目標温度と現実の温度との差から上記
    リフォーマ反応管の温度を上記目標温度に保つための補
    正エネルギを算出する手段と、前記リフォーマ反応管の
    温度から前記リフォーマの改質率を求める手段と、この
    手段で求められた改質率および前記燃料電池の負荷電流
    および上記燃料電池に供給される前記燃料ガスの流量か
    ら前記リフォーマ主バーナに供給される前記燃料排ガス
    の燃焼エネルギを算出する手段と、前記リフォーマへ流
    れ込む前記原燃料の流量および上記リフォーマから排出
    される燃焼排ガス流量およびその温度および改質率から
    上記リフォーマにおける消費エネルギを算出する手段と
    、前記燃焼エネルギと前記消費エネルギとの差から前記
    リフォーマにおける収支エネルギを求める手段と、前記
    補正エネルギと前記収支エネルギとの差に対応させて前
    記リフォーマ補助バーナへの燃料供給量を制御する手段
    とを具備してなることを特徴とする燃料電池発電プラン
    トの燃料システム制御装置。
  2. (2)前記リフォーマ補助バーナが接続される前記燃料
    供給源は、前記原燃料の供給源と共通であることを特徴
    とする特許請求の範囲第1項記載の燃料電池発電プラン
    トの燃料システム制御装置。
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