JP4337546B2

JP4337546B2 - 原燃料制御装置および原燃料制御方法

Info

Publication number: JP4337546B2
Application number: JP2003433322A
Authority: JP
Inventors: 茂政鈴木
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2003-12-26
Filing date: 2003-12-26
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2023-12-26
Also published as: JP2005190917A

Description

本発明は、原燃料を水素リッチなガスへ改質する改質器へ供給される原燃料の制御を行なう原燃料制御装置および原燃料制御方法に関する。

近年、燃料電池の開発が進められている。燃料電池は使用する電解質の種類により種々の型が存在しており、通常、空気を酸化ガスとして用い、天然ガス等の炭化水素系の原燃料を水蒸気改質して生成した水素を含むガスを燃料ガスとして用いている。このため、上述のような燃料電池を備えた燃料電池発電装置には、原燃料の改質を行ない、燃料ガスを生成する改質器が設けられている。例えば、燃料としてメタンを用いた場合の改質器におけるメタンの改質反応（水蒸気改質反応）は吸熱反応であるため、燃料電池からの燃料オフガスをバーナへ供給して炉内で燃焼させて触媒層の温度を上げることにより、水素に富む（水素リッチな）改質ガスを生成している。

図５は、特許文献１に記載された燃料電池の制御装置を示す。図５において、符号１は改質器（水素発生装置）、１ａは改質器１の改質器反応管、１ｂは改質器１の炉体、２は改質器１に取付けられ改質器反応管１ａを加熱するバーナ、３は電池排ガス（オフガス）をバーナ２で燃焼させるための燃焼用空気流量を制御するための燃焼用空気流量調節弁、４は燃焼用空気流量調節弁３が制御する燃焼用空気の流量を測定するための燃焼用空気流量計、５は原燃料を制御するための原燃料流量調節弁、６は改質器１へ流入される原燃料の流量を測定する原燃料流量計、７は原燃料とスチームとを混合して改質器１へ送るためのバルブ、８Ａ、８Ｂは原料スチームの調節弁と流量計、９は改質器反応管１ａの温度を改質器１の温度として測定する温度計、３０は原燃料流量の基準流量（後述）を補正するための補正量を演算する補正原燃料流量演算装置、３１は原燃料流量の基準流量と補正量とから、原燃料流量を補正するために、原燃料流量調節弁５を駆動する原燃料流量調節弁駆動装置である。

図６は、図５中の補正空気流量演算装置１０Ａおよび空気調節弁駆動装置１１Ａのブロック図である。図６に示されるように、補正空気流量演算装置１０Ａは、燃料電池の発電出力から改質器１の設定温度を定める関数器（ＦＸ）１２Ａと、関数器１２Ａにより定められた設定温度から改質器１の測定温度、すなわち温度計９の出力値を減算する減算器１３Ａと、減算器１３Ａの出力より温度制御用の補正量（補正空気流量）を演算する補正量演算器１４Ａとから構成されている。補正量演算器１４Ａには比例積分微分動作（Proportional position action Integral action Derivative action : ＰＩＤ）制御器が用いられている。空気調節弁駆動装置１１Ａは、燃料電池の発電出力から燃焼空気過剰率を設定する関数器（ＦＸ）１５Ａと、電池電流と原燃料流量計６の出力である原燃料の流量と関数器１５Ａの出力である燃焼空気過剰率とから燃焼用空気流量の基準流量を演算する基準流量演算器１６Ａと、基準流量演算器１６Ａにより演算された基準流量に補正空気流量演算装置１０Ａにより得られた補正空気流量を加算して燃焼用空気流量を求める加算器１７Ａと、加算器１７Ａで求められた燃焼用空気流量から燃焼用空気流量計４の出力である燃焼用空気の流量の測定値（燃焼用空気流量）を減算して最終的な燃焼用空気流量を求める減算器１８Ａと、減算器１８Ａで求められた最終的な燃焼用空気流量に対応して調節弁駆動信号を演算する駆動信号演算器１９Ａとから構成されている。

上述された従来の燃料電池の制御装置は、流入される原燃料を加熱して改質し、燃料電池等で利用した水素燃料ガス（オフガス）を得ると共に、流入された燃焼用空気によりオフガスを燃焼させて上記原燃料を加熱する改質器１を有する制御装置において、改質器１の測定温度を設定温度に維持しつつ上記原燃料を加熱するために、燃料電池の発電出力と改質器１の上記測定温度とに基づいて燃焼用空気流量を制御する燃焼用空気流量制御手段と、燃料電池の発電出力と改質器１の上記測定温度とに基づいて上記原燃料の流量を制御する原燃料制御手段とを備えている。このため、上記原燃料の組成変化または改質反応の変化が生じた場合であっても、改質器１の温度を設定温度に維持することができるという効果があった。

特開平８−４５５２１

上述のように、従来の燃料電池の制御装置では改質器１の測定温度等に基づいて原燃料の流量を制御することにより、改質器１の温度を設定温度に維持していた。しかし、原燃料の流量は原燃料流量計６の指示値から得ていたため、この原燃料流量計６の指示値と原燃料の流量の真の値との間に差異が生じた場合、改質器１の温度を設定温度に維持することが困難であるという問題があった。特に、原燃料流量計６の計測上限値の３０％以下または計測下限値以下では、原燃料流量調節弁５の開度が全閉方向または見方により全開方向の状態であるため、原燃料の流速等との関係上、原燃料流量調節弁５を適切に制御することが困難であるという問題があった。

例えば、原燃料流量計６の指示値が原燃料の流量の真の値より少なかった場合、原燃料流量調節弁５は開度を増加させる方向へ動作するため、必要以上の原燃料が導入されることになる。一方、改質器１の温度制御においては原燃料流量を減らすことにより温度を下げようとするが、原燃料流量計６の指示値が原燃料の流量の真の値より少ない、言い換えれば原燃料の流量の真の値は原燃料流量計６の指示値と比較して多いため、結果的に改質器１の温度は上昇してしまうことになる。本来、設定された原燃料流量において熱のバランスは一定に保たれる、すなわち設定温度に維持されるはずである。しかし上述のように、設定または計画された原燃料流量に対して実際に流れている原燃料の流量が多いため、燃料電池の制御装置の運転を安定して行なうことができないという問題があった。

上述とは反対に、原燃料流量計６の指示値が原燃料の流量の真の値より多かった場合、原燃料流量調節弁５は開度を減少させる方向へ動作するため、本来必要な原燃料が不足することになる。一方、改質器１の温度制御においては原燃料流量を増やすことにより温度を上げようとするが、原燃料流量計６の指示値が原燃料の流量の真の値より多い、言い換えれば原燃料の流量の真の値は原燃料流量計６の指示値と比較して少ないため、結果的にバーナ２への改質ガスの供給量が減少して改質器１の温度は下降してしまう現象が発生していた。本来、設定された原燃料流量において熱のバランスは一定に保たれる、すなわち設定温度に維持されるはずである。しかし上述のように、設定または計画された原燃料流量に対して実際に流れている原燃料の流量が少ないため、燃料電池の制御装置の運転を安定して行なうことができないという問題があった。

さらに、改質器１から水素燃料ガスが出る下流側の圧力が制御圧力より低い場合、オフガス流量が増加することにより改質器１の温度が上昇し、一方、上記下流側の圧力が制御圧力より高い場合、オフガス流量が減少することにより改質器１の温度が下降するという現象が発生するという問題があった。

そこで、本発明の目的は、上記問題を解決するためになされたものであり、原燃料流量計の計測上限値の３０％以下または計測下限値以下であっても原燃料流量調節弁を適切に制御することができ、原燃料流量計の計測において比較的不安定な領域であっても改質器の運転を適切に継続することができる改質器の原燃料制御装置等を提供することにある。

本発明の他の目的は、改質器から水素燃料ガスが出る下流側の圧力が制御圧力と異なる場合であっても、改質器の温度を一定に維持することができる改質器の原燃料制御装置等を提供することにある。

本発明の原燃料制御装置は、原燃料を水素リッチなガスへ改質する改質器へ供給される原燃料の制御を行なう原燃料制御装置であって、該改質器へ原燃料を供給するラインには供給される原燃料の流量を計測する原燃料流量計と供給される原燃料の流量を調節する原燃料流量調節弁とが設けられ、該改質器には該改質器の温度を計測する温度計が設けられており、前記原燃料流量調節弁の開度を増加減させることにより原燃料流量計測値を原燃料流量設定値とする制御を行う原燃料制御装置において、前記原燃料流量計の計測値が、該原燃料流量計の計測上限値の３０％以下または計測下限値の場合、前記原燃料流量計の計測値に優先させて、前記温度計の計測値が前記改質器の温度の設定値である改質器温度設定値より大きい場合、前記原燃料流量調節弁の開度を減少させ、該温度計の計測値が該改質器温度設定値より小さい場合、該原燃料流量調節弁の開度を増加させることを特徴とする。

ここで、この発明の原燃料制御装置において、前記改質器の下流側に出口圧力を計測する圧力計をさらに備え、前記原燃料流量調節弁の開度を増加減させる前記制御に該圧力計により計測された指示値も含めて原燃料流量調節弁の開度を増加減させる制御を行なうものであり、該指示値が改質器出口圧力基準値より高い場合は該原燃料流量調節弁の開度を減少させ、該指示値が改質器出口圧力基準値より低い場合は該原燃料流量調節弁の開度を増加させることができる。

本発明の原燃料制御方法は、原燃料を水素リッチなガスへ改質する改質器へ供給される原燃料の制御を行なう原燃料制御方法であって、該改質器へ原燃料を供給するラインには供給される原燃料の流量を計測する原燃料流量計と供給される原燃料の流量を調節する原燃料流量調節弁とが設けられ、該改質器には該改質器の温度を計測する温度計が設けられており、前記原燃料流量調節弁の開度を増加減させることにより原燃料流量計測値を原燃料流量設定値とする制御を行う原燃料制御方法において、前記原燃料流量計の計測値が、該原燃料流量計の計測上限値の３０％以下または計測下限値の場合、前記原燃料流量計の計測値に優先させて、前記温度計の計測値が前記改質器の温度の設定値である改質器温度設定値より大きい場合、前記原燃料流量調節弁の開度を減少させ、該温度計の計測値が該改質器温度設定値より小さい場合、該原燃料流量調節弁の開度を増加させることを特徴とする。

ここで、この発明の原燃料制御方法において、前記改質器の下流側に出口圧力を計測する圧力計をさらに備え、前記原燃料流量調節弁の開度を増加減させる前記制御に該圧力計により計測された指示値も含めて原燃料流量調節弁の開度を増加減させる制御を行なうものであり、該指示値が改質器出口圧力基準値より高い場合は該原燃料流量調節弁の開度を減少させ、該指示値が改質器出口圧力基準値より低い場合は該原燃料流量調節弁の開度を増加させることができる。

原燃料流量計６により計測された原燃料流量計測値（ＰＶ１）および原燃料流量設定値（ＳＶ１）と、改質器１に備えられた温度計９により計測された改質器温度計測値（ＰＶ２）および改質器温度設定値（ＳＶ２）とに基づき、改質器１の温度に応じて、原燃料流量計６の指示値に優先させて原燃料流量調節弁５の開度を増加減させる制御を行なうことができる。このため、原燃料流量計６の計測上限値の３０％以下または計測下限値以下であっても原燃料流量調節弁５を適切に制御することができ、原燃料流量計６の計測において比較的不安定な領域であっても改質器１の運転を適切に継続することができる改質器の原燃料制御装置４０を提供することができるという効果がある。

以下、各実施例について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１における改質器１（水素発生装置）の原燃料制御装置４０を示す。図１で図５に示された従来の燃料電池の制御装置と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。図１において、符号４０は原燃料流量計６の指示値と改質器１の温度計９により計測された温度とから原燃料流量調節弁５の制御を行なう原燃料制御装置、２０は燃焼用空気５０をバーナ２へ送るための空気ブロワ、５２は天然ガス、ＬＮＧ（Liquefied Natural Gas : 液化天然ガス）、ＬＰＧ（Liquefied Petroleum Gas : 液化石油ガス）またはメタノール等の炭化水素を主成分とする原燃料である。改質器１に備えられたバーナ２では、空気ブロワ２０により送られた燃焼用空気５０を用いて燃料電池（不図示）で発電に使われなかったオフガス５１が燃焼され触媒層の温度を上げることにより、改質器１の外側から吸熱反応のための熱を加えられる。改質器１では、原燃料供給ライン５５から供給された原燃料５２と水蒸気供給ライン（不図示）から供給された水蒸気とが水蒸気改質反応により水素リッチな改質ガス（水素５３）として発生され、燃焼排ガス５４が排出される。

次に、原燃料制御装置４０の機能について説明する。原燃料制御装置４０は、原燃料流量計６を計測値上限値の３０％以下または計測下限値以下で使用する際に、温度計９により計測された改質器１の温度に応じ原燃料流量計６の指示値に優先させて、原燃料流量調節弁５の開度を増加減させる制御を行なうものである。図２は、本発明の実施例１における原燃料制御装置４０の制御ブロック図を示す。図２で図１と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。図２において、符号２１は、温度計９により計測された改質器温度計測値ＰＶ２と改質器１の触媒温度を一定に保つための改質器温度設定値ＳＶ２との偏差△ｔを求める減算器、２２は減算器２１の出力に基づいて原燃料流量補正値ＳＶ３を求める関数演算器、２５は改質器１の運転に際して設定された原燃料流量設定値ＳＶ１に原燃料流量補正値ＳＶ３を加算する加算器、２６は原燃料流量計６により計測された原燃料流量計測値ＰＶ１と加算器２５により得られたＳＶ４との偏差△Ｆを求める減算器、２７は減算器２６により得られた偏差△Ｆを零にするような操作値ＭＶ１を求める演算器（ＰＩＤ制御器等）、２４は原燃料計測値ＰＶ１が原燃料流量計６の計測値上限値の３０％以下または計測下限値以下の領域に入ったことを判定する判定器、２３は減算器２１で得られた偏差△ｔに基づいて流量計補正値ＭＶ２を求める関数演算器である。判定器２４で原燃料計測値ＰＶ１が原燃料流量計６の計測値上限値の３０％以下または計測下限値以下の領域に入ったと判定された場合、補正開始指令２９により、関数演算器２３で得られた流量計補正値ＭＶ２は演算器２７により得られた操作値ＭＶ１と加算器２８で加算され、原燃料流量調節弁５への開度指令を出力することができる。

以上より、本発明の実施例１によれば、原燃料流量計６により計測された原燃料流量計測値ＰＶ１および原燃料流量設定値ＳＶ１と、改質器１に備えられた温度計９により計測された改質器温度計測値ＰＶ２および改質器温度設定値ＳＶ２とに基づき、改質器１の温度に応じて、原燃料流量計６の指示値に優先させて原燃料流量調節弁５の開度を増加減させる制御を行なうことができる。このため、原燃料流量計６の計測上限値の３０％以下または計測下限値以下であっても原燃料流量調節弁５を適切に制御することができ、原燃料流量計６の計測において比較的不安定な領域であっても改質器１の運転を適切に継続することができる改質器の原燃料制御装置４０および原燃料制御方法を提供することができる。

図３は、本発明の実施例２における改質器１（水素発生装置）の原燃料制御装置４１を示す。図３で図１に示された改質器１の原燃料制御装置４０と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。実施例２の原燃料制御装置４１が実施例１の原燃料制御装置４０と異なる点は、原燃料制御装置４０の機能に、改質器１の下流側に設置された圧力計４２の指示値に応じて原燃料流量調節弁５の開度を増加減させる制御を行なう機能を加えた点にある。

次に、原燃料制御装置４１の機能について説明する。原燃料制御装置４１は、原燃料流量計６を計測値上限値の３０％以下または計測下限値以下で使用する際に、温度計９により計測された改質器１の温度と圧力計４２により計測された改質器１の下流側の圧力とに応じ、原燃料流量計６の指示値に優先させて、原燃料流量調節弁５の開度を増加減させる制御を行なうものである。図４は、本発明の実施例２における原燃料制御装置４１の制御ブロック図を示す。図４で図２および図３と同じ符号を付した箇所は同じ機能を有するため説明は省略する。図４において、符号４３は圧力計４２で計測された改質器出口圧力計測値ＰＶ５と改質器出口圧力基準値ＳＶ５との偏差△ｔを求める減算器、４４は減算器４３により得られた偏差△ｔに基づいて原燃料流量調節弁５の開度を増加減させる関数ａ１を求める関数演算器、４５は関数演算器２３で求められた流量計補正値ＭＶ２に関数演算器２４で求められた関数ａ１を乗算して圧力流量補正値ＭＶ４を求めるための乗算器である。判定器２４で原燃料計測値ＰＶ１が原燃料流量計６の計測値上限値の３０％以下または計測下限値以下の領域に入ったと判定された場合、補正開始指令４６により、乗算器４５で得られた圧力流量補正値ＭＶ４は演算器２７により得られた操作値ＭＶ１と加算器２８で加算され、原燃料流量調節弁５への開度指令を出力することができる。

以上より、本発明の実施例２によれば、実施例１の原燃料制御装置４０の機能に、改質器１の下流側に設置された圧力計４２の指示値に応じて原燃料流量調節弁５の開度を増加減させる制御を行なう機能を加えることができる。このため、原燃料制御装置４１は、原燃料流量計６を計測値上限値の３０％以下または計測下限値以下で使用する際に、温度計９により計測された改質器１の温度と圧力計４２により計測された改質器１の下流側の圧力とに応じ、原燃料流量計６の指示値に優先させて、原燃料流量調節弁５の開度を増加減させる制御を行なうことができる。この結果、改質器１から水素燃料ガスが出る下流側の圧力が制御圧力と異なる場合であっても、改質器１の温度を一定に維持することができる改質器１の原燃料制御装置４１および原燃料制御方法を提供することができる。

本発明の活用例として、天然ガス、ＬＮＧ、ＬＰＧまたはメタノール等の炭化水素を主成分とする原燃料と水蒸気とから水素を製造する改質器への適用が挙げられる。

本発明の実施例１における改質器１（水素発生装置）の原燃料制御装置４０を示す図である。本発明の実施例１における原燃料制御装置４０の制御ブロック図である。本発明の実施例２における改質器１（水素発生装置）の原燃料制御装置４１を示す図である。本発明の実施例２における原燃料制御装置４１の制御ブロック図である。特許文献１に記載された燃料電池の制御装置を示す図である。図５中の補正空気流量演算装置１０Ａおよび空気調節弁駆動装置１１Ａのブロック図である。

符号の説明

１改質器、１ａ改質器反応管、１ｂ炉体、２バーナ、３燃焼用空気流量調節弁、４燃焼用空気流量計、５原燃料流量調節弁、６原燃料流量計、７バルブ、８Ａ原料スチームの調節弁、８Ｂ原料スチームの流量計、９温度計、１２Ａ，１５Ａ関数器（ＦＸ）、１３Ａ，１８Ａ，２１，２６，４３減算器、１４Ａ補正量演算器、１６Ａ基準流量演算器、１７Ａ，２５，２８加算器、１９Ａ駆動信号演算器、２０空気ブロワ、２２，２３，４４関数演算器、２４判定器、２７演算器、３０補正原燃料流量演算装置、３１原燃料流量調節弁駆動装置、４０，４１原燃料制御装置、４２圧力計、４５乗算器、２９，４６補正開始指令、５０燃焼用空気、５１オフガス、５２原燃料、５３水素、５４燃焼排ガス。

Claims

原燃料を水素リッチなガスへ改質する改質器へ供給される原燃料の制御を行なう原燃料制御装置であって、該改質器へ原燃料を供給するラインには供給される原燃料の流量を計測する原燃料流量計と供給される原燃料の流量を調節する原燃料流量調節弁とが設けられ、該改質器には該改質器の温度を計測する温度計が設けられており、前記原燃料流量調節弁の開度を増加減させることにより原燃料流量計測値を原燃料流量設定値とする制御を行う原燃料制御装置において、
前記原燃料流量計の計測値が、該原燃料流量計の計測上限値の３０％以下または計測下限値の場合、前記原燃料流量計の計測値に優先させて、
前記温度計の計測値が前記改質器の温度の設定値である改質器温度設定値より大きい場合、前記原燃料流量調節弁の開度を減少させ、該温度計の計測値が該改質器温度設定値より小さい場合、該原燃料流量調節弁の開度を増加させることを特徴とする原燃料制御装置。
請求項１記載の原燃料制御装置において、前記改質器の下流側に出口圧力を計測する圧力計をさらに備え、前記原燃料流量調節弁の開度を増加減させる前記制御に該圧力計により計測された指示値も含めて原燃料流量調節弁の開度を増加減させる制御を行なうものであり、該指示値が改質器出口圧力基準値より高い場合は該原燃料流量調節弁の開度を減少させ、該指示値が改質器出口圧力基準値より低い場合は該原燃料流量調節弁の開度を増加させることを特徴とする原燃料制御装置。
原燃料を水素リッチなガスへ改質する改質器へ供給される原燃料の制御を行なう原燃料制御方法であって、該改質器へ原燃料を供給するラインには供給される原燃料の流量を計測する原燃料流量計と供給される原燃料の流量を調節する原燃料流量調節弁とが設けられ、該改質器には該改質器の温度を計測する温度計が設けられており、前記原燃料流量調節弁の開度を増加減させることにより原燃料流量計測値を原燃料流量設定値とする制御を行う原燃料制御方法において、
前記原燃料流量計の計測値が、該原燃料流量計の計測上限値の３０％以下または計測下限値の場合、前記原燃料流量計の計測値に優先させて、
前記温度計の計測値が前記改質器の温度の設定値である改質器温度設定値より大きい場合、前記原燃料流量調節弁の開度を減少させ、該温度計の計測値が該改質器温度設定値より小さい場合、該原燃料流量調節弁の開度を増加させることを特徴とする原燃料制御方法。
請求項３記載の原燃料制御方法において、前記改質器の下流側に出口圧力を計測する圧力計をさらに備え、前記原燃料流量調節弁の開度を増加減させる前記制御に該圧力計により計測された指示値も含めて原燃料流量調節弁の開度を増加減させる制御を行なうものであり、該指示値が改質器出口圧力基準値より高い場合は該原燃料流量調節弁の開度を減少させ、該指示値が改質器出口圧力基準値より低い場合は該原燃料流量調節弁の開度を増加させることを特徴とする原燃料制御方法。