JPH0824054B2 - 燃料電池発電プラントとその制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、原料ガス、たとえば天然ガスを水蒸気改質
して水素燃料ガスを生成する改質器と、改質器から得ら
れる水素燃料ガスを燃料とする燃料電池を備え、燃料電
池のアノード排ガスを改質器の燃料として利用する燃料
電池発電プラントとその制御方法に関する。

〔発明の背景〕

本発明に最も近い公知例として、特開昭57−212779号
公報がある。

燃料電池発電プラントは、現在種々の研究開発改良が
なされているが、システム上はいくつかの課題があり、
そのうちの一つとしてプラント負荷変化時の応答性の問
題がある。すなわち燃料電池本体の負荷変化に対する応
答はほとんど瞬時であるのに対し、改質器の応答は時間
的な遅れがある為、たとえば負荷増加時は改質器の温度
が低下し、又、負荷減少時は改質器の温度が上昇すると
いう問題がある。

この対策の１つとして、上記特開昭57−212779号に、
改質器に常時補助燃料を供給し、さらにアノード排ガス
排出ラインを設ける方法が提案されている。この方法
は、負荷変化率の小さい領域では改質器に常時供給して
いる補助燃料の流量を調整することによつて改質器の温
度を制御し、又、負荷急減時には、アノード排ガスを排
出ラインより外部へ逃がすことによつて改質器の温度を
制御している。

ところが、この方法では改質器へアノード排ガスの他
に補助燃料を常時供給している為、補助燃料を使用しな
い場合に比べてプラント熱効率が低く、又、プラント負
荷急減時にはアノード排ガスを外部へ逃がしている為、
プラント熱効率が低下し、さらに排ガス処理装置が必要
になるという欠点があつた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、原料ガスを水蒸気改質して水素燃料
ガスを生成する改質器と改質器から得られる水素燃料ガ
スを燃料とする燃料電池を備えた燃料電池発電プラント
において、負荷変化要求に対するプラント負荷変化の迅
速な追随性を保ちつつ、プラント熱効率の向上、改質器
触媒の寿命延長を図ることのできる燃料電池発電プラン
トとその製造方法を提供することにある。

〔発明の概要〕

従来の燃料電池発電プラントの制御方法では、補助燃
料を常時使用し、又、アノード排ガスを外部へ捨てる
為、プラント熱効率が低下し、又、アノード排ガス処理
装置が必要であつた。

本発明は、アノード排ガスを改質器燃焼部入口より改
質器燃料ガス出口、又は改質器原料ガス入口へバイパス
再循環する系統を設けるか、あるいはアノード排ガスを
改質器燃焼部入口よりガスタービン入口に設置した燃焼
器へバイパスする系統を設け、改質器燃焼部又は改質部
の温度を検出してアノード排ガスバイパス流量を制御す
ることにより、改質器燃焼部へ供給するアノード排ガス
量を調整することによつて、プラント熱効率の向上，改
質器触媒の寿命延長を図ることができる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面により説明する。

第１図は、本発明の第１の実施例を示す。

この第１の実施例の燃料電池発電プラントは、ガス精
製部１と、改質器改質部２と改質器燃焼部３を有する改
質器４と、アノード５と電解質６とカソード７を有する
燃料電池８と、ガス／ガス熱交換器９と、気水分離器10
と、圧縮機11,12,13と、タービン14と、給水ポンプ15
と、排熱回収ボイラ16等を備えている。

ガス精製部１には、原料ガス17として約10〜12Kg/cm²
aに加圧された天然ガス等が供給される。天然ガス中の
硫黄分は改質用触媒の活性低下の原因となる為、ガス精
製部１で天然ガス中の硫黄分を除去した後、改質器改質
部２へ原料ガス18が送られる。

一方、排熱回収ボイラ16で蒸気19が生成され、改質器
改質部２へ供給される。

改質器４では、改質器改質部２において改質器燃焼部
３より供給される熱によつて原料ガス18と蒸気19が改質
反応を起こし、メタンを主成分とするガスが、水素およ
び一酸化炭素を主成分とするガスに改質される。

改質された水素および一酸化炭素を主成分とする燃料
ガス20は燃料電池８のアノード５へ供給される。

燃料電池８は、燃料電池セルの積層体で構成され、各
燃料電池セルは正極とこれら両極の間に配置された電解
質を有して構成されている。

燃料電池８のアノード５に供給された燃料ガス20は、
圧縮機13より供給される空気21と改質器改質部３より供
給される改質器排ガス22の混合ガス23と反応し、電気化
学反応によつて直流電気出力を発生する。直流電気出力
は、インバーター24にて、交流に変換され最終的な出力
とされる。

燃料電池８のアノード排ガス25は、ガス／ガス熱交換
器９にて熱交換して冷却され、気水分離器10へ送られ
る。気水分離器10でガス中の水分を分離されたアノード
排ガスは圧縮機11で昇圧された後、ガス／ガス熱交換器
９にて熱交換して加熱され、改質器燃焼部３へ送られ
る。

一方、燃料電池８のカソード排ガス26は、タービン14
へ送られるが、一部分岐して圧縮機12より昇圧され、燃
料電池８のカソード入口へ再循環される。タービン14へ
送られたカソード排ガスは、タービン14で仕事をし、圧
縮機13を駆動すると共に発電機27を駆動して電気出力を
発生させる。

タービン14よりの排ガス28は、排熱回収ボイラ16にて
熱回収され蒸気を発生した後、系外へ排出される。

改質器燃焼部３へ送られたアノード排ガス25はガス中
に水素，一酸化炭素などの未反応の燃焼成分を含んでい
る為、圧縮機13より供給される空気29にて触媒燃焼さ
せ、改質器改質部２に熱回収している。

燃料電池プラント制御系統を説明する。

燃料電池プラント制御装置39は、入力としてプラント
負荷要求信号53、燃料電池出力54、タービン出力55、原
料ガス流量信号56等の信号を入力し、燃料流量，改質蒸
気流量等の制御信号を出力し、プラントを制御する。燃
料流量の制御は、流量制御弁41を介して行い、改質蒸気
流量は、改質蒸気流量制御器51を介して改質蒸気流量調
整弁44を制御することによつて行う。更に、インバータ
ー24の制御を行う。この他に、改質器４の温度を負荷要
求に応じて一定の温度に保つべく、改質器温度制御器38
を制御することもできる。

更に詳述する。

負荷要求信号（例えば負荷増加）53を受けて、弁41に
より燃料流量20に変化（増加）させ、電池インバーター
24に負荷増加信号を与えるとともに、流量計48による原
料ガス流量計測信号により改質蒸気流量信号を与える。
さらに、インバーター24からの電池出力54とタービン出
力55を受けて燃料流量にフイードバツクする。又、改質
器温度設定を例えば負荷減少の場合には、温度上昇を見
込んであらかじめ温度減少方向に信号を与えて、改質器
の温度を一定に保つ様制御器38を介してフイードフオワ
ード制御を行わなせる。

流量計45は、補助燃料52の流量検出を行い、流量計46
はアノード排ガス流量検出を行い、流量計47は空気流量
検出を行い、流量計48は原料ガス流量検出を行い、流量
計49は改質蒸気量流検出を行う。

空気流量制御器50は流量計45,46,47の検出流量を取込
み、空気流量調整弁43の開度制御を行う。

改質器温度制御器38は、改質器燃焼部３の温度計32の
検出温度、又はフイードフオワード制御信号を取込み補
助燃料流量調整弁42及びバイパス流量制御弁31の開度制
御を行う。

改質器蒸気流量制御器51は制御装置39からの開度指令
制御信号を受けて改質器蒸気流量調整弁44の開度制御を
行う。

燃料電池発電プラントの負荷変化時における一般的特
性を以下に説明する。

燃料電池発電プラントの負荷増加時には、燃料電池プ
ラント制御装置39に負荷増加の信号53がはいると共に、
燃料ガス流量調整弁41に流量を増加させる信号がはい
り、燃料ガス流量が増加する。燃料電池本体の負荷応答
性は極めて速いので、電池出力は増加するが、改質器燃
焼部３へ供給されるアノード排ガス流量は制御の時間的
遅れがある為、すぐには増加しない。従つて、原料ガス
流量が増加することにより改質器改質部２において原料
ガスの改質に必要な熱量は増加するにもかかわらず、改
質器燃焼部３において発生する熱量は、あまり増加せ
ず、改質器４の温度は低下する。

また、燃料電池発電プラントの負荷減少時には、燃料
電池制御装置39に減加減昇の信号53がはいると共に、燃
料ガス流量調整弁41に流量をしぼる信号がはいり、燃料
ガス流量が減少する。燃料電池本体の負荷応答性は負荷
増加時と同様に極めて速いので、電池出力は減少する
が、改質器燃焼部３へ供給されるアノード排ガス流量は
制御の時間的遅れがある為、直ぐには減少しない。従つ
て、原料ガス流量が減少することにより改質器改質部２
において原料ガスの改質に必要とする熱量は減少してい
るにもかかわらず、改質器燃焼部３において発生する熱
量はあまり減少せず、改質器の温度は上昇する。

上記に示すような燃料電池発電プラントの負荷変化時
における改質器４の制御の応答遅れに対して、負荷増加
時については、改質器燃焼部３の熱量不足分を補助燃料
52を供給することにより解決している。

一方、負荷減少時については、改質器燃焼部３の熱量
が余剰となつている為、改質器燃焼部３を冷却するか、
あるいはアノード排ガスを一部改質器燃焼部３以外へ放
出する必要がある。改質器燃焼部３を冷却すると、その
冷却熱量はロスとなるのでプラント熱効率上好ましくな
い。又、アノード排ガスの余剰分を系外へ排出する方法
もプラント熱効率上好ましくなく、さらに大気中へアノ
ード排ガスをそのまま排出できないので、アノード排ガ
スの処理装置が必要となり設備的にもコストがかかり好
ましくない。

したがつて、アノード排ガスの余剰分はプラント系内
において処理することがプラント熱効率・設備コストの
点から要求される。

アノード排ガスの余剰分をプラント系内において処理
する方法としては、改質器燃焼部３の入口にサージタン
クを設置してアノード排ガス余剰分を吸収する方法があ
るが、アノードの圧力制御が厳しい為、容量の大きなサ
ージタンクが必要となるので、コンパクト性を要求され
る燃料電池発電プラントには不向きであり、設備的にも
コストがかかる。

第１図に示す本発明の実施例においては、改質器燃焼
部３入口から改質器燃料ガス出口へアノード排ガス25を
バイパスする系統30と、アノード排ガスバイパス流量調
整弁31を設け、改質器燃焼部３へ供給するアノード排ガ
スの余剰分を燃料ガス側へ再循環させ、改質器４の温度
を制御している。

第２図に、プラント負荷減少時のプラント負荷と各ガ
ス流量及び改質器温度の関係を示す。横軸は時間、縦軸
は負荷・流量及び温度を示し、33はプラント負荷、34は
アノード排ガス流量、35は原料ガス流量、36はアノード
排ガスバイパス流量、37は改質器の温度を示す。第１図
の系統図を参照しながらプラント負荷減少時の制御方式
を以下に説明する。

プラント負荷33を第２図に示すように変化させる場
合、Ａ〜Ｂの通常運転時には第１図のアノード排ガスバ
イパス流量調整弁31は閉じており、アノード排ガスバイ
パス終了36は０である。ＢからＤへ負荷を減少させるよ
うに、燃料ガスを負荷変化要求に合わせて減少させる。
これに対し、アノード排ガス流量34の変化は第２図に示
すように時間遅れがある為、改質器にはアノード排ガス
要求量以上にアノード排ガスが供給され、改質器の温度
37は第２図に示されるように上昇する。この改質器の温
度を第１図に示す温度計32で検出し、改質器設定温度と
の偏差により該偏差を零にする方向で温度制御器38か
ら、アノード排ガスバイパス流量調整弁31へ信号を与
え、改質器燃焼部３で必要とするアノード排ガス流量
と、改質器燃焼部３へ供給されているアノード排ガス流
量のアンバランス分をバイパス系統30を通して、燃料ガ
ス20のラインへ再循環させる。アノード排ガスをバイパ
ス再循環させる状態で、第２図に示す目標負荷のＤまで
運転し、Ｄからさらにある一定の時間後のＥになると、
プラント負荷のアノード排ガス量がマツチし、アノード
排ガスバイパス流量は０になる。

又、負荷が急激に減少し改質器の設定温度と温度計32
の偏差を検出してから、アノード排ガスバイパス流量調
整弁31へ信号を与えていては、改質器温度制御の遅れが
考えられる場合には、アノード排ガスバイパス流量調整
弁31へプラント制御装置39より先行的に信号を与え、フ
イードフオワード制御してもよい。

第３図に、プラント負荷急減時で、フイードフオワー
ド制御する場合のプラント負荷と各ガス流量及び改質器
温度の関係を示す。プラント負荷の減少開始と同時にア
ノード排ガスバイパス流量調整弁を開けるようプラント
制御装置より信号を与え、アノード排ガスバイパス流量
36を負荷変化率に応じてあらかじめ設定された流量で流
す。又、同時に原料ガス流量35もプラント負荷に先行し
て減少させる。

改質器の温度差とバイパス量・バイパス弁開度の関係
を述べる。

アノード排ガスバイパス量は、大きな負荷変化に対し
ては、負荷変化速度（例えば５分間に100％→25％）に
よつてあらかじめ設定してバイパス弁31の開度を決め
る。又、小さな負荷変化に対しては、改質器の温度を検
出してバイパス弁31の開度を制御する。この場合はリニ
アに行う。

第４図には、温度偏差と弁開度との関係を示す。この
図では、制御対象弁として、補助燃料制御弁42とアノー
ド排ガスバイパス流量制御弁31とした。実線が一般的な
制御例、点線が改質器設定温度付近でオーバラツプさせ
た制御例を示す。改質器設定温度に対して実際の計測温
度が大きい場合（即ち温度偏差が正のとき）、弁42の開
度は零、即ち閉じさせ、弁31をその偏差量に応じてリニ
アに開度制御する。一方、偏差が負のときには、弁31は
閉じてバイパス系路の働きを止めさせ、代りに弁41を反
比例する方向でリニアに開度制御する。

第５図は、本発明の第２の実施例を示す。

燃料電池発電プラントの負荷変化時の制御方式の基本
概念は第１の実施例と同様であるが、アノード排ガスバ
イパス先を改質器の原料ガス入口としている。即ち、バ
イパス管路30、弁31を介してバイパスさせている。

第６図は本発明の第３の実施例を示す。

本実施例においては、アノード排ガスバイパス先をタ
ービン14の入口に設置した燃焼器40としている。アノー
ド排ガスのバイパスガスの燃料ガス側へ再循環しないの
で、第１・第２の実施例に比べて制御性はさらに良くな
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、燃料電池発電
プラントにおいて、負荷変化要求に対するプラント負荷
変化の迅速な追随性を保ちつつ、プラント熱効率の向
上、改質器触媒の寿命延長を図り、さらにアノード排ガ
ス系外放出用処理装置を削減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図，第５図と第６図は本発明の実施例の燃料電池発
電プラントの系統図である。第２図と第３図は負荷変化
時の燃料電池発電プラントの特性を示す図。第４図は温
度偏差と弁開度との関係図である。 １……ガス精製部、２……改質器改質部、３……改質器
燃焼部、４……改質器、５…アノード、６……電解質、
７……カソード、８……燃料電池。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉田 成久 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 高橋 正治 東京都千代田区神田駿河台４丁目６番地 株式会社日立製作所内 (56)参考文献 特開 昭53−81923（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−133782（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−68181（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】原水ガスを水蒸気改質して水素燃料ガスを
   生成する改質器と、生成された水素燃料ガスが燃料とし
   てアノードに供給される燃料電池と、該燃料電池のアノ
   ード排ガスを前記改質器の燃料として再利用する系統
   と、該系統を通り再利用される前記アノード排ガスを前
   記改質器上流で分岐して前記原料ガスまたは前記水素燃
   料ガスに合流させるバイパス管と、該バイパス管を通る
   アノード排ガスの流量を制御するバイパス弁と、前記改
   質器の燃料を補助する補助燃料供給系統と、該補助燃料
   供給系統に設けられ補助燃料量を調整する補助燃料弁
   と、前記改質器の燃焼部温度を検出する検出手段と、該
   検出手段による検出温度と改質器設定温度とを比較し検
   出温度＞改質器設定温度の場合には前記補助燃料弁を閉
   弁して前記バイパス弁開度を温度偏差に応じて制御し検
   出温度＜改質器設定温度の場合には前記バイパス弁を閉
   弁して前記補助燃料弁開度を温度偏差に応じて制御する
   制御手段とを備えることを特徴とする燃料電池発電プラ
   ント。
2. 【請求項２】原料ガスを水蒸気改質して水素燃料ガスを
   生成する改質器と、生成された水素燃料ガスが燃料とし
   てアノードに供給される燃料電池と、該燃料電池のアノ
   ード排ガスを前記改質器の燃料として再利用する系統
   と、該系統を通り再利用される前記アノード排ガスの一
   部を前記改質器上流でバイパス分岐して前記原料ガスま
   たは前記水素燃料ガスに合流させるバイパス管と、該バ
   イパス管を通るアノード排ガスの流量を制御するバイパ
   ス弁と、前記改質器の燃料を補助する補助燃料供給系統
   と、該補助燃料供給系統に設けられ補助燃料量を調整す
   る補助燃料弁と、前記改質器の燃焼部温度を検出する検
   出手段とを備える燃料電池発電プラントにおいて、前記
   検出手段による検出温度と改質器設定温度とを比較し、
   検出温度＞改質器設定温度の場合には、前記補助燃料弁
   を閉弁して補助燃料を遮断すると共に、温度偏差が大き
   いほど前記バイパス弁開度を大きくしてアノード排ガス
   のバイパス量を多くし、検出温度＜改質器設定温度の場
   合には、前記バイパス弁を閉弁してアノード排ガスのバ
   イパスを遮断すると共に、温度偏差が大きいほど前記補
   助燃料弁開度を大きくして補助燃料量を増大させること
   を特徴とする燃料電池発電プラントの制御方法。