(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水分を除去した燃焼排ガスを加圧して燃料電池のカソード側に供給する低温ブロアと、燃焼排ガス中の酸素濃度を計測する酸素濃度計と、低温ブロアの回転速度を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、燃料電池の出力指令ｘに基づき基準となる回転速度を算出し、出力指令ｘに対応する酸素濃度と計測された酸素濃度Ｏ2とから燃焼排ガス中の酸素濃度が所定の範囲になるように修正回転速度を算出し、前記基準となる回転速度を修正回転速度により補正して低温ブロアの回転速度を制御する、ことを特徴とする燃料電池発電設備。
【請求項２】
水分を除去した燃焼排ガスを加圧して燃料電池のカソード側に供給する低温ブロアと、燃焼排ガス中の酸素濃度を計測する酸素濃度計と、燃焼排ガス中の酸素濃度が所定の範囲になるように低温ブロアの回転速度を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置による制御は、先行制御と補正制御とからなり、先行制御は、出力指令ｘからこれに対応する回転速度ＲＰＭを関数Ｆ1 （ｘ）により算出するステップＳ１と、直前の修正回転速度ΔＲＰＭを加算するステップＳ２とからなり、補正制御は、Ｓ３からＳ６までの４ステップからなり、Ｓ３において出力指令ｘからこれに対応する酸素濃度Ｏ2 を関数Ｆ2 （ｘ）により算出し、Ｓ４において前記酸素濃度Ｏ2 から酸素濃度計による実測濃度Ｏ2 を減算し、Ｓ５において減算した酸素濃度Ｏ2 から修正回転速度ΔＲＰＭを関数Ｆ3 （Ｏ2 ）により算出し、Ｓ６において修正回転速度ΔＲＰＭを微分積分制御し、減算結果をステップＳ２の修正回転速度ΔＲＰＭとして書き換える、ことを特徴とする燃料電池発電設備。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、溶融炭酸塩型燃料電池を用いた燃料電池発電設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶融炭酸塩型燃料電池は、高効率、かつ環境への影響が少ないなど、従来の発電装置にはない特徴を有しており、水力・火力・原子力に続く発電システムとして注目を集め、現在世界各国で鋭意研究開発が行われている。特に天然ガスを燃料とする溶融炭酸塩型燃料電池を用いた発電設備では、図３に示すように天然ガス等の燃料ガス１を水素を含むアノードガス２に改質する改質器１０と、アノードガス２と酸素を含むカソードガス３とから発電する燃料電池１１とを備えており、改質器で作られたアノードガス２は燃料電池に供給され、燃料電池内でその大部分（例えば８０％）を消費した後、アノード排ガス４として改質器の燃焼室Ｃｏに供給される。改質器１０ではアノード排ガス中の可燃成分（水素、一酸化炭素、メタン等）がカソード排ガスにより燃焼し、高温の燃焼ガスにより改質室Ｒｅを加熱し改質室の燃料を改質する。改質室を出た燃焼排ガス５は空気予熱器１３ｂ、凝縮器１６ａ、気水分離器１５を通って水分を除去され、低温ブロア１７ｃで加圧され、タービン圧縮機１２から供給される加圧空気６と合流してカソードガス３となり、燃料電池のカソード側に必要な二酸化炭素を供給する。燃料電池内でその一部が反応したカソードガス（カソード排ガス７）は、高温ブロア１７ｂにより燃料電池の上流側に一部が循環され、残りの一部７ａは改質器に燃焼用空気として供給され、残り７ｂはタービン圧縮機１２で圧力を回収されて系外に排出される。なお、図３において、１３ａは燃料予熱器、１４は脱硫器、１６ｂは加熱器、１７ｄは空気ブロアである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
かかる従来の燃料電池発電設備では、改質器１０から出る燃焼排ガス５の酸素濃度を、十分低い濃度（例えば約３％）に制御する必要がある。このため、従来は、図４に示すように、低温ブロア１７ｃを一定回転数で回転し、その下流側に設けた流量調節弁１９ａにより燃焼排ガス５の循環流量を調節して、燃焼排ガス５の酸素濃度Ｏ２  を制御し、同時に余分な燃焼排ガス５を流量調節弁１９ｂにより低温ブロア１７ｃの上流側に戻して低温ブロア１７ｃの吐出圧Ｐを一定に制御していた。
【０００４】
すなわち、図３の設備において、流量調節弁１９ａを開いて燃焼排ガス５の循環流量を増加させると、改質器１０を介して吸引されるカソード排ガス７ａの流量が増加し、全体として循環流量が増大するため燃焼排ガス５の酸素濃度も増大し、逆に流量調節弁１９ａを閉じると、カソード排ガス７ａの流量が減少し酸素濃度も低下するので、流量調節弁１９ａと流量調節弁１９ｂにより燃焼排ガス５の酸素濃度を制御することができる。
【０００５】
しかし、かかる従来の手段では、燃焼排ガス５の酸素濃度を制御するために、２つの弁１９ａ，１９ｂと酸素濃度計及び圧力計を用い、かつ濃度による流量制御と圧力制御を行う必要があるため、制御が複雑である問題点があった。また３つの機器（２つの流量調節弁と低温ブロア）を運転するためプラントの運転性向上の弊害となり、かつ発電設備全体のコスト低減、コンパクト化、シンプル化に反する要因となっていた。
【０００６】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、単一機器の運転により、改質器に供給するカソード排ガスの酸素濃度を制御することができ、これにより発電設備全体のコスト低減、コンパクト化、シンプル化が可能となる燃料電池発電設備を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、水分を除去した燃焼排ガスを加圧して燃料電池のカソード側に供給する低温ブロアと、燃焼排ガス中の酸素濃度を計測する酸素濃度計と、低温ブロアの回転速度を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、燃料電池の出力指令ｘに基づき基準となる回転速度を算出し、出力指令ｘに対応する酸素濃度と計測された酸素濃度Ｏ2とから燃焼排ガス中の酸素濃度が所定の範囲になるように修正回転速度を算出し、前記基準となる回転速度を修正回転速度により補正して低温ブロアの回転速度を制御する、ことを特徴とする燃料電池発電設備が提供される。
【０００８】
また、本発明によれば、水分を除去した燃焼排ガスを加圧して燃料電池のカソード側に供給する低温ブロアと、燃焼排ガス中の酸素濃度を計測する酸素濃度計と、燃焼排ガス中の酸素濃度が所定の範囲になるように低温ブロアの回転速度を制御する制御装置とを備え、前記制御装置による制御は、先行制御と補正制御とからなり、先行制御は、出力指令ｘからこれに対応する回転速度ＲＰＭを関数Ｆ1 （ｘ）により算出するステップＳ１と、直前の修正回転速度ΔＲＰＭを加算するステップＳ２とからなり、補正制御は、Ｓ３からＳ６までの４ステップからなり、Ｓ３において出力指令ｘからこれに対応する酸素濃度Ｏ2 を関数Ｆ2 （ｘ）により算出し、Ｓ４において前記酸素濃度Ｏ2 から酸素濃度計による実測濃度Ｏ2 を減算し、Ｓ５において減算した酸素濃度Ｏ2 から修正回転速度ΔＲＰＭを関数Ｆ3 （Ｏ2 ）により算出し、Ｓ６において修正回転速度ΔＲＰＭを微分積分制御し、減算結果をステップＳ２の修正回転速度ΔＲＰＭとして書き換える。
【０００９】
【作用】
上記本発明の構成によれば、従来の３つの機器（２つの流量調節弁と低温ブロア）と濃度計及び圧力計の代わりに低温ブロアと濃度計のみを備え、燃料電池の出力指令ｘに基づき基準となる回転速度を算出し、出力指令ｘに対応する酸素濃度と計測された酸素濃度Ｏ2とから燃焼排ガス中の酸素濃度が所定の範囲になるように修正回転速度を算出し、前記基準となる回転速度を修正回転速度により補正して低温ブロアの回転速度を制御するので、２つの流量調節弁と圧力計を省略することができ、これにより発電設備全体のコスト低減、コンパクト化、シンプル化が可能となる。
【００１０】
また、制御装置による回転数制御を、先行制御と補正制御とから構成し、先行制御を、出力指令ｘからこれに対応する回転速度ＲＰＭを関数Ｆ1 （ｘ）により算出するステップＳ１と、直前の修正回転速度ΔＲＰＭを加算するステップＳ２とから構成すれば、出力指令に基づく先行制御により遅れが少ない迅速な制御を行うことができ、更に実測した酸素濃度に基づく補正制御によりきめ細かい制御を行うことができる。
【００１１】
【実施例】
以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付して使用する。
図１は、本発明による燃料電池発電設備の図４と同様の部分構成図である。この図において、本発明の燃料電池発電設備は、凝縮器１６ａと気水分離器１５により水分を除去した燃焼排ガス５を加圧して燃料電池のカソード側に供給する低温ブロア１７ｃと、燃焼排ガス５中の酸素濃度を計測する酸素濃度計２１と、低温ブロア１７ｃの回転速度を制御する制御装置２０とを備えている。この制御装置２０は、燃料電池の出力指令ｘと酸素濃度計２１により計測された酸素濃度Ｏ２  から燃焼排ガス中の酸素濃度が所定の範囲になるように低温ブロア１７ｃの回転速度を制御するようになっている。その他の構成機器は、前述した従来の図３及び図４と同様である。
【００１２】
上述した構成により、図１の燃料電池発電設備では、図３及び図４における従来の３つの機器（２つの流量調節弁１９ａ，１９ｂと低温ブロア１７ｃ）と濃度計及び圧力計の代わりに低温ブロア１７ｃと濃度計２１のみを備え、燃料電池の出力指令ｘと計測された酸素濃度Ｏ２  から燃焼排ガス中の酸素濃度が所定の範囲になるように低温ブロア１７ｃの回転速度を制御するので、２つの流量調節弁１９ａ，１９ｂと圧力計を省略することができ、これにより発電設備全体のコスト低減、コンパクト化、シンプル化が可能となる。なお、この制御における酸素濃度が所定の範囲は、例えば３％±０．５％程度とするのがよい。
【００１３】
図２は、本発明による制御装置のブロック線図である。この図において、本発明による制御装置２０による制御は、先行制御と補正制御とからなり、先行制御は、出力指令ｘからこれに対応する回転速度ＲＰＭを関数Ｆ１  （ｘ）により算出するステップＳ１と、直前の修正回転速度ΔＲＰＭを加算するステップＳ２とからなる。この先行制御により、出力指令ｘが急に変化した場合でも、遅れが少ない迅速な制御を行うことができる。
【００１４】
また、補正制御は、Ｓ３からＳ６までの４ステップからなり、Ｓ３において出力指令ｘからこれに対応する酸素濃度Ｏ２  を関数Ｆ２  （ｘ）により算出し、Ｓ４において前記酸素濃度Ｏ２  から酸素濃度計による実測濃度Ｏ２  を減算し、Ｓ５において減算した酸素濃度Ｏ２  から修正回転速度ΔＲＰＭを関数Ｆ３  （Ｏ２  ）により算出し、Ｓ６において修正回転速度ΔＲＰＭを微分積分制御し、減算結果をステップＳ２の修正回転速度ΔＲＰＭとして書き換えるようになっている。関数Ｆ１  （ｘ）、Ｆ２  （ｘ）、及びＦ３  （Ｏ２  ）は、図２に模式的に示す傾向を示すがこれらの関数は、予め計算又は試験により設定し、かつ適宜実測値を基に書き換えるのがよい。この構成により、実測した酸素濃度に基づく補正制御によりきめ細かい制御を行うことができる。
【００１５】
なお、本発明は上述した実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００１６】
【発明の効果】
上述したように、本発明の燃料電池発電設備は、単一機器の運転により、改質器に供給するカソード排ガスの酸素濃度を制御することができ、これにより発電設備全体のコスト低減、コンパクト化、シンプル化が可能となり、かつ出力指令に基づく先行制御により遅れが少ない迅速な制御を行うことができ、更に実測した酸素濃度に基づく補正制御によりきめ細かい制御を行うことができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池発電設備の部分構成図である。
【図２】本発明による制御装置のブロック線図である。
【図３】従来の燃料電池発電設備の全体構成図である。
【図４】図３の部分構成図である。
【符号の説明】
１  燃料ガス
２  アノードガス
３  カソードガス
４  アノード排ガス
５  燃焼排ガス
６  空気
７  カソード排ガス
８  蒸気
１０  改質器
１１  燃料電池
１２  タービン圧縮機
１３ａ  燃料予熱器
１３ｂ  空気予熱器
１４  脱硫器
１５  気水分離器
１６ａ  凝縮器
１６ｂ  加熱器
１７ａ  燃料ブロア
１７ｂ  高温ブロア
１７ｃ  低温ブロア
１７ｄ  空気ブロア
１９ａ、１９ｂ  流量制御弁
２０  制御装置
２１  酸素濃度計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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