JPS6356674B2 - - Google Patents
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- JPS6356674B2 JPS6356674B2 JP57049511A JP4951182A JPS6356674B2 JP S6356674 B2 JPS6356674 B2 JP S6356674B2 JP 57049511 A JP57049511 A JP 57049511A JP 4951182 A JP4951182 A JP 4951182A JP S6356674 B2 JPS6356674 B2 JP S6356674B2
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- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 claims description 36
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- 238000002407 reforming Methods 0.000 claims description 19
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 17
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 9
- 239000000567 combustion gas Substances 0.000 claims description 7
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 4
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 3
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 2
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- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
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-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
- H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
- H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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- Electrochemistry (AREA)
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、改質器の燃焼制御方法に関するもの
である。
である。
燃料電池発電システムの発電効率を向上させる
方法の１つに、燃焼改質器の燃料流量を制御する
方法がある。具体的な方法として、改質器への改
質用燃料及び燃焼用燃料流量を電池電流と改質器
温度で制御する方法（特公昭50−15058号）が提
案されている。この方法は、電池電流変化時に
は、フイードフオワード制御により、追従性を向
上させ、定常時には改質器温度が一定となるよう
に調整する特徴を有している。
方法の１つに、燃焼改質器の燃料流量を制御する
方法がある。具体的な方法として、改質器への改
質用燃料及び燃焼用燃料流量を電池電流と改質器
温度で制御する方法（特公昭50−15058号）が提
案されている。この方法は、電池電流変化時に
は、フイードフオワード制御により、追従性を向
上させ、定常時には改質器温度が一定となるよう
に調整する特徴を有している。
燃料改質器のように、高温度で運転され、発
熱、吸熱反応を伴う装置においては、負荷レベル
毎の熱効率が異なるため、従来の方法では最適に
制御されない場合が多い。このため、改質器の温
度が大幅に変化したり、必要以上の燃料が供給さ
れて一時的に熱効率が低下する等の問題があつ
た。
熱、吸熱反応を伴う装置においては、負荷レベル
毎の熱効率が異なるため、従来の方法では最適に
制御されない場合が多い。このため、改質器の温
度が大幅に変化したり、必要以上の燃料が供給さ
れて一時的に熱効率が低下する等の問題があつ
た。
本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決
し、改質器への燃料供給量を負荷に応じて自動的
に調節する制御方法を提供することにある。
し、改質器への燃料供給量を負荷に応じて自動的
に調節する制御方法を提供することにある。
本発明の特徴は、各々のガスの温度および流量
を測定し、これらの測定値に基づいて、燃焼室お
よび反応部への入熱量QF、反応部での改質に要
する熱量QR、および燃焼室および反応部からの
流出熱量QTを求め、これらの熱量に基づいて、
熱量QRと前記熱量QTとの和で示される運転損失
QO、および下記の(a)式で示される定常損失Qlを
求め、燃料電池に接続される Ql＝QF−QR−QT …(a) 負荷が所定値よりも大きく変化した場合に、熱
量QRの変化分ΔQRおよび熱量QTの変化分ΔQTを
求め、これらの変化分ΔQRおよびΔQTに基づいて
得られた加熱量により燃焼用燃料ガスの供給量を
制御することにある。
を測定し、これらの測定値に基づいて、燃焼室お
よび反応部への入熱量QF、反応部での改質に要
する熱量QR、および燃焼室および反応部からの
流出熱量QTを求め、これらの熱量に基づいて、
熱量QRと前記熱量QTとの和で示される運転損失
QO、および下記の(a)式で示される定常損失Qlを
求め、燃料電池に接続される Ql＝QF−QR−QT …(a) 負荷が所定値よりも大きく変化した場合に、熱
量QRの変化分ΔQRおよび熱量QTの変化分ΔQTを
求め、これらの変化分ΔQRおよびΔQTに基づいて
得られた加熱量により燃焼用燃料ガスの供給量を
制御することにある。
本発明は、以下の知見に基づいてなされたもの
である。すなわち、燃料改質器は高温で運転され
るために高温を維持するのに燃料を燃焼させてい
るが、発生したエネルギーは大別して次の３つの
経路で失なわれる。
である。すなわち、燃料改質器は高温で運転され
るために高温を維持するのに燃料を燃焼させてい
るが、発生したエネルギーは大別して次の３つの
経路で失なわれる。
(1) 改質用エネルギーとして利用されるもの。
(2) 高温の機器より建物、補機、大気等に失われ
るもの（定常損失）。
るもの（定常損失）。
(3) 改質されたガス、燃焼ガスが持ち去るもの
（定常損失）。
（定常損失）。
上記(2)では、改質器が運転されていれば、運転
条件による差はほとんど無く、常に一定の熱が損
失されるが、(1)および(3)は運転条件により著しく
異なつてくる。従つて、燃料改質器での熱エネル
ギのうち運転条件にて変化する運転損失QOを負
荷に応じて補正すればよいことに発明者等は、着
目した。
条件による差はほとんど無く、常に一定の熱が損
失されるが、(1)および(3)は運転条件により著しく
異なつてくる。従つて、燃料改質器での熱エネル
ギのうち運転条件にて変化する運転損失QOを負
荷に応じて補正すればよいことに発明者等は、着
目した。
このような知見に基づいてなされた本発明の実
施例を以下に示す。
施例を以下に示す。
以下、本発明の好適な一実施例を第１図により
説明する。
説明する。
燃料電池１０は、カソード室１１およびアノー
ド室１２を有し、１対の電極１３および１４の間
電解質１５を配置したものである。燃料改質器２
０は、内部に燃焼室２１および反応部２２を有す
る。
ド室１２を有し、１対の電極１３および１４の間
電解質１５を配置したものである。燃料改質器２
０は、内部に燃焼室２１および反応部２２を有す
る。
改質用燃料ガスは、流量計５１を有する配管５
０を通して反応部２２に流入する。反応部２２に
は、流量計６１を有する配管６０より改質用蒸気
が供給される。反応部２２で解質された燃料ガス
は、流量計７１を有する配管７０を通つてアノー
ド室１２内に導かれる。カソード室１１内には、
圧縮機（図示せず）から吐出された酸化用ガスで
ある空気が、配管１１０および９０を通つて流入
する。カソード室１１に空気およびアノード室１
２に燃料ガスが供給されることによつて、電極１
３および１４および電解質１５による電気化学反
応が生じ、各電極間に電圧が生じる。この電気エ
ネルギは、回路３１によつて取出され、外部負荷
３０に導かれる。
０を通して反応部２２に流入する。反応部２２に
は、流量計６１を有する配管６０より改質用蒸気
が供給される。反応部２２で解質された燃料ガス
は、流量計７１を有する配管７０を通つてアノー
ド室１２内に導かれる。カソード室１１内には、
圧縮機（図示せず）から吐出された酸化用ガスで
ある空気が、配管１１０および９０を通つて流入
する。カソード室１１に空気およびアノード室１
２に燃料ガスが供給されることによつて、電極１
３および１４および電解質１５による電気化学反
応が生じ、各電極間に電圧が生じる。この電気エ
ネルギは、回路３１によつて取出され、外部負荷
３０に導かれる。
燃焼用燃料ガスは配管４０を通つて、アノード
室１２内の未反応燃料ガスは配管８０を通つて、
カソード室１１内の未反応空気は配管１００を通
つて、圧縮機（図示せず）から吐出された燃焼用
空気は配管１１０を通つて、燃料改質器２０の燃
焼室２１にそれぞれ供給される。供給された燃料
ガスおよび未反応燃料ガスは、燃焼室２１内で燃
焼される。この燃焼によつて生じる熱エネルギ
は、反応部２２内の改質用燃料ガスの改質に用い
られる。残りの熱エネルギは、燃焼ガスとともに
配管１２０より排出される。この燃焼ガスは、圧
縮機駆動用のガスタービン（図示せず）に送られ
る。燃焼室２１内に供給される燃焼用燃料ガスの
供給量は、調節弁４３で制御される。
室１２内の未反応燃料ガスは配管８０を通つて、
カソード室１１内の未反応空気は配管１００を通
つて、圧縮機（図示せず）から吐出された燃焼用
空気は配管１１０を通つて、燃料改質器２０の燃
焼室２１にそれぞれ供給される。供給された燃料
ガスおよび未反応燃料ガスは、燃焼室２１内で燃
焼される。この燃焼によつて生じる熱エネルギ
は、反応部２２内の改質用燃料ガスの改質に用い
られる。残りの熱エネルギは、燃焼ガスとともに
配管１２０より排出される。この燃焼ガスは、圧
縮機駆動用のガスタービン（図示せず）に送られ
る。燃焼室２１内に供給される燃焼用燃料ガスの
供給量は、調節弁４３で制御される。
流量計４１，８１，１０１，１１１および１２
１は、配管４０，８０，１００，１１０および１
２０に設けられる。５２，６２，７２，８２，１
０２，１１２および１２２は、配管５０，６０，
７０，８０，１００，１１０および１２０内をそ
れぞれ流れるガスの温度を検出する温度計であ
る。
１は、配管４０，８０，１００，１１０および１
２０に設けられる。５２，６２，７２，８２，１
０２，１１２および１２２は、配管５０，６０，
７０，８０，１００，１１０および１２０内をそ
れぞれ流れるガスの温度を検出する温度計であ
る。
制御装置１３０は、燃料改質器２０への流入物
とそれからの流出物の流量および温度、さらに負
荷に比例した信号を入力し、これらの信号に基づ
いて調節弁４３を制御する。制御装置１３０によ
る制御を、第２図、第３図を基づいて説明する。
第２図は制御装置１３０での動作フロー線図であ
る。定常運転時には負荷は一定であるので、ステ
ツプ１３１の出力はnoとなり、ステツプ１３２
で定常時の入力熱量が計算される。
とそれからの流出物の流量および温度、さらに負
荷に比例した信号を入力し、これらの信号に基づ
いて調節弁４３を制御する。制御装置１３０によ
る制御を、第２図、第３図を基づいて説明する。
第２図は制御装置１３０での動作フロー線図であ
る。定常運転時には負荷は一定であるので、ステ
ツプ１３１の出力はnoとなり、ステツプ１３２
で定常時の入力熱量が計算される。
QF＝F4・（q4＋Cp4・T5）＋F5・Cp4・T5
＋F6・Cp6・T6＋F8・（q8＋Cp8・T8）
＋F10・Cp10・T10＋F11・Cp11・T11 …(1)
ここで、
QFは入力熱量 （kJ／ｓ）
F4は燃焼用燃料ガスの流量 （mol／ｓ）
q4は燃焼用燃料ガスの燃焼熱 （kJ／mol）
Cp4は燃焼用燃料ガスの比熱 （kJ／mol・Ｋ）
T5は燃焼用燃料ガスの温度 （Ｋ）
F5は改質用燃料ガスの流量 （mol／ｓ）
F6は改質用蒸気の流量 （mol／ｓ）
Cp6は改質用蒸気の比熱 （kJ／mol・Ｋ）
T6は改質用蒸気の温度 （Ｋ）
F8は未反応燃料ガスの流量 （mol／ｓ）
q8は未反応燃料ガスの燃焼熱 （kJ／mol）
Cp8は未反応燃料ガスの比熱 （kJ／ol・Ｋ）
T8は未反応燃料ガスの温度 （Ｋ）
F10は未反応空気の流量 （mol／ｓ）
Cp10は未反応空気の比熱 （kJ／mol・Ｋ）
T10は未反応空気の温度 （Ｋ）
F11は燃焼用空気の流量 （mol／ｓ）
Cp11は燃焼用空気の比熱 （kJ／mol・Ｋ）
T11は燃焼用空気の温度 （Ｋ）
である。
第３図に示すように、入力熱QFは定常損失Ql
と運転損失QOにより消費され、QOはさらに、改
質用の熱QRと流出ガスの持ち去る熱QTに分けら
れる。QRとOTはステツプ１３３で計算される。
と運転損失QOにより消費され、QOはさらに、改
質用の熱QRと流出ガスの持ち去る熱QTに分けら
れる。QRとOTはステツプ１３３で計算される。
QR＝F5・qR5 …(2)
QT＝F7・Cp7・T7＋F12・CP12・T12 …(3)
ここで、
QRは改質に要する熱量 （kJ／ｓ）
pR5は改質熱 （kJ／mol）
QTは流出ガスの持ち去る熱量 （kJ／ｓ）
F7は反応部２２から流出する燃料ガスの流量
（mol／ｓ） Cp7は反応部２２から流出する燃料ガスの比熱
（kJ／mol・Ｋ） T7は反応部２２から流出する燃料ガスの温度
（Ｋ） F12は燃焼ガスの流量 （mol／ｓ） Cp12は燃焼ガスの比熱 （kJ／mol・Ｋ） T12は燃焼ガスの温度 （Ｋ） である。
（mol／ｓ） Cp7は反応部２２から流出する燃料ガスの比熱
（kJ／mol・Ｋ） T7は反応部２２から流出する燃料ガスの温度
（Ｋ） F12は燃焼ガスの流量 （mol／ｓ） Cp12は燃焼ガスの比熱 （kJ／mol・Ｋ） T12は燃焼ガスの温度 （Ｋ） である。
定常損失Qlは入力熱量QFと運転損失QOの差で
求めることができ、ステツプ１３４で計算する。
求めることができ、ステツプ１３４で計算する。
Ql＝QF−QR−QT …(4)
次に、燃料電池１０の負荷M0がそのΔ倍の負
荷M1（＝Δ・M0）に変化して負荷の変化幅｜M1
−M0｜が所定の変化幅εより大きくなる場合、
すなわち｜M1−M0｜＞εが成立する場合には、
負荷信号３２に基づいてステツプ１３１の出力は
yesとなり、ステツプ１３５で加熱量の変化量が
計算される。この場合、通常は負荷に比例した燃
料ガス及び空気を燃料電池１０に供給する制御装
置を動作させるため、改質に要する熱量及び流出
ガスの持ち去る熱量の変化量は次式のようにな
る。
荷M1（＝Δ・M0）に変化して負荷の変化幅｜M1
−M0｜が所定の変化幅εより大きくなる場合、
すなわち｜M1−M0｜＞εが成立する場合には、
負荷信号３２に基づいてステツプ１３１の出力は
yesとなり、ステツプ１３５で加熱量の変化量が
計算される。この場合、通常は負荷に比例した燃
料ガス及び空気を燃料電池１０に供給する制御装
置を動作させるため、改質に要する熱量及び流出
ガスの持ち去る熱量の変化量は次式のようにな
る。
ΔQR＝QR・（Δ−１）・kR …(5)
ΔQT＝QT・（Δ−１）・kT …(6)
ここで、
ΔQRは改質に要する熱量変化分 （kJ／ｓ）
ΔQTは流出ガスの持ち去る熱量変化分
（kJ／ｓ） kRは補正係数（通常は1.0） kTは補正係数（通常は1.0） である。
（kJ／ｓ） kRは補正係数（通常は1.0） kTは補正係数（通常は1.0） である。
燃料電池１０には、その負荷に比例して燃料ガ
ス及び空気を供給する必要がある。燃料ガスは、
燃料改質器２０から燃料電池１０に供給される関
係上、燃料改質器２０からの流出ガスとなるの
で、反応部２２から流出する燃料ガスが持ち去る
熱量QTは燃料電池１０の負荷に比例する。この
ため、(6)式が成立する。燃料電池１０の負荷が変
化すると、これに比例して燃料改質器２０からの
流出ガス量が変化し、燃料改質器２０に供給され
る未反応燃料ガスの流量が変化する。従つて、改
質用燃料ガスの流量も変化し、結果的に流出ガス
が持ち去る熱量QTは燃料電池１０の負荷に比例
する。
ス及び空気を供給する必要がある。燃料ガスは、
燃料改質器２０から燃料電池１０に供給される関
係上、燃料改質器２０からの流出ガスとなるの
で、反応部２２から流出する燃料ガスが持ち去る
熱量QTは燃料電池１０の負荷に比例する。この
ため、(6)式が成立する。燃料電池１０の負荷が変
化すると、これに比例して燃料改質器２０からの
流出ガス量が変化し、燃料改質器２０に供給され
る未反応燃料ガスの流量が変化する。従つて、改
質用燃料ガスの流量も変化し、結果的に流出ガス
が持ち去る熱量QTは燃料電池１０の負荷に比例
する。
加熱量はQFにΔQRとΔQTを加えた値となり、こ
れがステツプ１３６で計算されて制御装置の出力
信号１３７（第１図）になる。燃焼用燃料ガス流
量制御装置４２は、出力信号１３７を入力してて
燃焼用燃料ガスの流量を調整する。すなわち、本
発明では、負荷変化に応じて変化する熱量のみを
補正するように制御される。
れがステツプ１３６で計算されて制御装置の出力
信号１３７（第１図）になる。燃焼用燃料ガス流
量制御装置４２は、出力信号１３７を入力してて
燃焼用燃料ガスの流量を調整する。すなわち、本
発明では、負荷変化に応じて変化する熱量のみを
補正するように制御される。
以上においては、本発明をその特定の実施例に
ついて説明したが、本発明は説明した実施例に限
定されるものでなく、本発明の範囲内で種々の応
用が可能であることは当業者にとつて明らかであ
る。
ついて説明したが、本発明は説明した実施例に限
定されるものでなく、本発明の範囲内で種々の応
用が可能であることは当業者にとつて明らかであ
る。
例えば、制御装置１３０への信号３２は電流の
代りに電力でも同一の効果を得ることができる。
また、第１図では改質器への入口、出口のガス流
量を全量計測しているが、特に出口ガスの流量計
測を省略して計算で求めることが可能である。さ
らに、未反応燃料の流量に関しても、電池電流か
ら算出することができる。
代りに電力でも同一の効果を得ることができる。
また、第１図では改質器への入口、出口のガス流
量を全量計測しているが、特に出口ガスの流量計
測を省略して計算で求めることが可能である。さ
らに、未反応燃料の流量に関しても、電池電流か
ら算出することができる。
本発明によれば次の効果がある。
(1) 運転条件変更に対して必要な燃焼用燃料流量
を自動的に調整することができる。
を自動的に調整することができる。
(2) 上記(1)の効果により、改質器の温度変化が低
減され、必要以上の燃料供給を防止することが
できる。
減され、必要以上の燃料供給を防止することが
できる。
(3) 運転が自動化されることにより、運転員の労
力を減少させることができる。
力を減少させることができる。
第１図は本発明を適用した燃料電池発電システ
ムの一例を示した系統図、第２図は第１図に示す
制御装置１３０の動作を説明するための計算フロ
ー線図、第３図は本発明の熱収支図である。 １０……燃料電池、２０……燃料改質器、４２
……燃焼用燃料ガス流量制御装置、１３０……制
御装置。
ムの一例を示した系統図、第２図は第１図に示す
制御装置１３０の動作を説明するための計算フロ
ー線図、第３図は本発明の熱収支図である。 １０……燃料電池、２０……燃料改質器、４２
……燃焼用燃料ガス流量制御装置、１３０……制
御装置。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 燃焼用燃料ガス、酸化用ガス、および燃料電
池から吐出された未反応燃料ガスおよび未反応酸
化用ガスが供給されて燃焼ガスを排出する燃焼室
と、改質用燃料ガスおよび改質用水蒸気が供給さ
れて燃料ガスを排出する反応部とを備えた改質器
の燃焼を制御する方法において、各々の前記ガス
の温度および流量を測定し、これらの測定値に基
づいて、前記燃焼室および前記反応部への入熱量
QF、前記反応部での改質に要する熱量QR、およ
び前記燃焼室および前記反応部からの流出熱量
QTを求め、これらの熱量に基づいて、前記熱量
QRと前記熱量QTとの和で示される運転損失QOお
よび下記の(a)式で示される定常損失Qlを求め、前
記燃料電池に接続される負荷が所定値よりも大き
く変化した場合に、前記熱量QRの変化分ΔQRお
よび前記熱量QTの変化分ΔQTを求め、これらの
変化分ΔQRおよびΔQTに基づいて得られた加熱量
により前記燃焼用燃料ガスの供給量を制御するこ
とを特徴とする改質器の燃焼制御方法。 Ql＝QF−QR−QT …(a)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57049511A JPS58166675A (ja) | 1982-03-27 | 1982-03-27 | 改質器の燃焼制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57049511A JPS58166675A (ja) | 1982-03-27 | 1982-03-27 | 改質器の燃焼制御方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS58166675A JPS58166675A (ja) | 1983-10-01 |
| JPS6356674B2 true JPS6356674B2 (ja) | 1988-11-09 |
Family
ID=12833153
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57049511A Granted JPS58166675A (ja) | 1982-03-27 | 1982-03-27 | 改質器の燃焼制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS58166675A (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60240066A (ja) * | 1984-05-14 | 1985-11-28 | Mitsubishi Electric Corp | 燃料電池用改質装置の燃焼制御方法および装置 |
| JPH07101613B2 (ja) * | 1985-05-16 | 1995-11-01 | 株式会社東芝 | 燃料電池発電システム |
| JPH0789493B2 (ja) * | 1986-02-10 | 1995-09-27 | 株式会社東芝 | 燃料電池発電プラントの燃料システム制御装置 |
| JP3722019B2 (ja) | 2001-06-27 | 2005-11-30 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池システム |
-
1982
- 1982-03-27 JP JP57049511A patent/JPS58166675A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS58166675A (ja) | 1983-10-01 |
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