(57)【要約】【課題】改質器を昇温制御する場合に、原燃料を増加させても改質器の温度の低下傾向が継続される場合に、昇温能力を向上させることができる燃料電池発電装置およびその運転方法を提供する。【解決手段】原燃料が供給される改質器３と、該改質器３から出力される改質ガスが直接供給される燃料電池１０と、前記改質器３から出力される改質ガスの一部が分岐されて制御弁１７を介して供給される水素精製装置１９と、前記改質器３の炉内温度を検出する炉内温度検出部２３と、目標炉内温度と該炉内温度検出部２３で検出した炉内温度との偏差に基づいて算出される温度制御設定値ＭＶに基づいて前記改質器の昇温制御及び降温制御を行う制御装置２１とを備え、前記制御装置２１は、前記改質器の昇温制御時に、原燃料の増加制御と前記制御弁１７の開度を減少する開度減少制御とを併用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料が供給される改質器と、
該改質器から出力される改質ガスが直接供給される燃料電池と、
前記改質器から出力される改質ガスの一部が分岐されて制御弁を介して供給される水素精製装置と、
前記改質器の炉内温度を検出する炉内温度検出部と、
目標炉内温度と前記炉内温度検出部で検出した炉内温度との偏差に基づいて算出される温度制御設定値に基づいて前記改質器の昇温制御及び降温制御を行う制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記改質器の昇温制御時に、原燃料の増加制御と前記制御弁の開度を減少する開度減少制御とを併用することを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記温度制御設定値が目標値を超えたときに前記降温制御を行い、前記温度制御設定値が前記目標値未満となったときに前記昇温制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
【請求項３】
前記改質器の昇温制御は、前記温度制御設定値が目標値から減少したときに、制御開始し、前記制御弁を所定開度に維持するとともに、前記原燃料の増加制御を行い、前記温度制御設定値が所定値以下となったときに、前記制御弁の開度減少制御を開始することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池発電装置。
【請求項４】
前記原燃料の増加制御は、前記温度制御設定値が目標値から減少したときに、その減少量に応じて単位時間当たりの原燃料増加量を増加させる制御を行うことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池発電装置。
【請求項５】
前記降温制御は、前記温度制御設定値が目標値から増加したときに、その増加量に応じて前記改質器に対する単位時間当たりの燃焼空気流量を増加させる制御を行うことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の燃料電池発電装置。
【請求項６】
原燃料が供給される改質器と、該改質器から出力される改質ガスが直接供給される燃料電池と、前記改質器から出力される改質ガスの一部が分岐されて制御弁を介して供給される水素精製装置と、前記改質器の炉内温度を検出する炉内温度検出部と、目標炉内温度と前記炉内温度検出部で検出した炉内温度との偏差に基づいて算出される温度制御設定値に基づいて前記改質器の昇温制御及び降温制御を行う制御装置とを備えた燃料電池発電装置の運転方法であって、
前記改質器の昇温制御は、前記温度制御設定値が目標値未満となったときに、前記制御弁を所定開度に維持した状態で、前記改質器に対する原燃料の増加制御を開始し、前記温度制御設定値が所定値未満となったときに、前記制御弁の開度減少制御を開始することを特徴とする燃料電池発電装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素化合物を含む原燃料を改質器により改質して得られた、水素に富む改質ガスを燃料電池の燃料極に供給する燃料ガスとして用い、この燃料ガスの一部を分岐して水素精製装置に供給する燃料電池発電装置及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の燃料電池発電装置としては、例えば、原燃料を改質器によって改質し、得られた改質ガスを燃料電池の燃料極に供給する燃料ガスとするものにおいて、得られた改質ガスを燃料電池の燃料極に供給する配管に、圧縮機と水素精製装置を備えた水素精製系へと改質ガスを分岐する分岐配管を連結した燃料電池発電装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
同様に、燃料処理装置から燃料電池本体に水素リッチガスを供給するラインから分岐ラインが分岐しており、該分岐ラインには水素精製装置、水素貯蔵装置、水素供給装置が介挿されている燃料電池装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
また、炭化水素化合物を含む原燃料を改質する改質器と、改質器から供給された改質ガスを用いて発電する燃料電池と、改質器から供給された改質ガスを圧縮する圧縮機と圧縮された改質ガスを精製する水素精製装置を直列に備えた水素精製系と、改質器から燃料電池および水素精製系へと分岐させる分岐配管と改質ガスの供給先を燃料電池および水素精製系の間で自由に分岐させる燃料電池側及び水素精製系側にそれぞれ設けた弁を備えている燃料電池発電装置の運転方法であって、燃料電池発電装置の発電量を下げた場合に、改質ガスの一部または全部を水素精製系へ供給するようにした燃料電池発電装置の運転方法が知られている（例えば、特許文献３参照）。
【０００４】
また、水素改質ガスを用いる燃料電池と、改質ガスを圧縮機を介して水素精製装置に供給し高純度水素を精製する水素製造供給手段とを備えた燃料電池発電装置であって、水素精製装置での水素収率が燃料電池での水素利用率に比べて低い燃料電池発電装置の運転方法において、燃料電池の燃料オフガスと、水素精製装置の残余ガスとを改質器バーナーに供給して燃焼させ、その際、改質器の温度が上昇して予め定めた所定温度に到達した場合、改質器に供給する原燃料ガスのＳ／Ｃを増加することにより改質器の温度を低下させる燃料電池発電装置の運転方法も知られている（例えば、特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−３４８７５０号公報
【特許文献２】特開２００４−２０００４２号公報
【特許文献３】特開２００７−３０５６０１号公報
【特許文献４】特開２００７−１４９４８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１および２に記載された従来例にあっては、改質器から燃料電池に供給する改質ガスを分岐して水素精製装置に供給するようにしているが、改質器の温度制御については何ら記載されていない。
また、特許文献３に記載された従来例にあっては、燃料電池における発電反応後の燃料オフガスと水素精製装置における水素精製後の残余ガスとを改質器のバーナーに供給して燃焼させ、燃料電池発電装置の発電量を下げた場合に、改質ガスの一部又は全部を水素精製系へ供給することにより、改質器を所定温度に維持して運転することにより、運転、停止に伴う熱サイクルを受ける頻度を大幅に低減することができるものであるが、改質器の実質的な温度制御については何ら開示されていない。
【０００７】
また、特許文献４に記載の従来例にあっては、燃料電池の燃料オフガスと、水素精製装置の残余ガスとを改質器バーナーに供給して燃焼させ、その際、改質器の温度が上昇して予め定めた所定温度に到達した場合、改質器に供給する原燃料ガスのＳ／Ｃ（原燃料ガス中の炭素原子１モルに対するスチームのモル数比）を増加することにより改質器の温度を低下させることが記載されているが、改質器の温度が所定温度以上に増加したときの降温制御については何ら記載されていない。
【０００８】
通常、改質器の温度を制御する場合には、改質器の温度が所定温度を超えて増加するときは、改質器に供給する燃焼空気量を増加させて改質器の温度を低下させる降温制御を行い、改質器の温度が所定温度未満に減少する場合には、改質器に供給する原燃料を増加させる昇温制御を行うことで、改質器の温度を所定温度に維持する制御を行っている。
しかしながら、このような降温制御及び昇温制御を行う場合に、降温制御については燃焼空気流量を増加させることで制御可能であるが、昇温制御については原燃料の増加によって対処するが、原燃料の増加には一定の限度があり、投入する一次エネルギー量と改質器温度との最適制御が必要となってくる。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、改質器を昇温制御する場合に、原燃料を増加させても改質器の温度の低下傾向が継続される場合に、昇温能力を向上させることができる燃料電池発電装置およびその運転方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１に係る燃料電池発電装置は、原燃料が供給される改質器と、該改質器から出力される改質ガスが直接供給される燃料電池と、前記改質器から出力される改質ガスの一部が分岐されて制御弁を介して供給される水素精製装置と、前記改質器の炉内温度を検出する炉内温度検出部と、目標炉内温度と前記炉内温度検出部で検出した炉内温度との偏差に基づいて算出される温度制御設定値に基づいて前記改質器の昇温制御及び降温制御を行う制御装置とを備え、前記制御装置は、前記改質器の昇温制御時に、原燃料の増加制御と前記制御弁の開度を減少する開度減少制御とを併用することを特徴としている。
【００１０】
この構成によると、改質器の昇温制御に原燃料の増加制御と水素精製装置へ改質ガスを供給する制御弁の開度を減少する開度減少制御とを併用することになる。改質器の炉内温度が目標炉内温度以下に低下した際、改質器へ供給する原燃料の増加制御を行っても昇温不足を生じる場合に、水素精製装置へ改質ガスを供給する制御弁を閉制御することにより、燃料電池へ供給する改質ガス量を増やし、燃料極出口から排出されて改質器に供給して燃焼させる燃料オフガスを増加させて、改質器の昇温を行う。
【００１１】
また、請求項２に係る燃料電池発電装置は、前記制御装置は、前記温度制御設定値が目標値を超えたときに前記降温制御を行い、前記温度制御設定値か前記目標値未満となったときに前記昇温制御を行うことを特徴としている。
この構成によると、改質器の炉内温度が目標炉内温度より高くなって温度制御設定値が目標値を超えると、降温制御を行って改質器の炉内温度を低下させ、逆に改質器の炉内温度が目標炉内温度より低くなって温度制御設定値が目標値未満となると、昇温制御を行って改質の炉内温度を上昇させる。
【００１２】
また、請求項３に係る燃料電池発電装置は、請求項１又は２に係る発明において、前記改質器の昇温制御は、前記温度制御設定値が目標値から減少したときに、制御開始し、前記制御弁を所定開度に維持するとともに、前記原燃料の増加制御を行い、前記温度制御設定値が所定値以下となったときに、前記制御弁の開度減少制御を開始することを特徴としている。
この構成によると、改質器の炉内温度か目標温度より低下して、温度制御設定値が目標値から減少したときに、水素精製装置へ改質ガスを供給する制御弁を所定開度に維持するとともに、改質器へ供給する原燃料の増加制御を行って改質器を昇温するが、温度制御設定値が所定値以下となったときに、制御弁の開度減少制御を行って、改質器ガスの燃料電池への供給量を増加させることにより、燃料電池の燃料極出口から排出されて改質器で燃焼される燃料オフガス量を増加させて改質器の昇温効果を高める。
【００１３】
また、請求項４に係る燃料電池発電装置は、請求項１乃至３の何れか１項に係る発明において、前記原燃料の増加制御は、前記温度制御設定値が目標値から減少したときに、その減少量に応じて単位時間当たりの原燃料増加量を増加させる制御を行うことを特徴としている。
この構成によると、原燃料の増加制御を、温度制御設定値が目標値から減少したときに、その減少量に応じて単位時間当たりの原燃料増加量すなわち原燃料増加率を増加させ、改質器に供給する原燃料を増加させて、昇温制御を行う。
【００１４】
また、請求項５に係る燃料電池発電装置は、請求項１乃至４の何れか１項に係る発明において、前記降温制御は、前記温度制御設定値が目標値から増加したときに、その増加量に応じて前記改質器に対する単位時間当たりの燃焼空気供給量を増加させる制御を行うことを特徴としている。
この構成によれば、温度制御設定値の目標値から増加量に応じて改質器に対する単位時間当たりの燃焼空気供給量すなわち燃焼空気流量増加率を多くして、改質器に供給する燃料空気を増加させて、降温制御を行う。
【００１５】
また、請求項６に係る燃料電池発電装置の運転方法に係る発明は、原燃料が供給される改質器と、該改質器から出力される改質ガスが直接供給される燃料電池と、前記改質器から出力される改質ガスの一部が分岐されて制御弁を介して供給される水素精製装置と、前記改質器の炉内温度を検出する炉内温度検出部と、目標炉内温度と前記炉内温度検出部で検出した炉内温度との偏差に基づいて算出される温度制御設定値に基づいて前記改質器の昇温制御及び降温制御を行う制御装置とを備えた燃料電池発電装置の運転方法であって、前記改質器の昇温制御は、前記温度制御設定値が目標値未満となったときに、前記制御弁を所定開度に維持した状態で、前記改質器に対する原燃料の増加制御を開始し、前記温度制御設定値が所定値未満となったときに、前記制御弁の開度減少制御を開始することを特徴としている。
この構成とすることにより、前述した請求項３と同様の作用を得ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、前記改質器の昇温制御時に、原燃料の増加制御と前記制御弁の開度を減少する開度減少制御とを併用するようにしたので、原燃料の増加制御によっても改質器の昇温不足を生じる場合に、制御弁の開度を減少制御することで、改質器から出力される改質ガスの水素精製装置側への供給量を低下させて燃料電池への改質ガスの供給量を増加させ、これにより燃料電池の燃料極出口から排出されて改質器で燃焼される燃料オフガス量を増加させて改質器の昇温効果を高めることができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明による燃料電池発電装置の一実施形態を示すシステム構成図である。
【図２】図１の制御装置の機能ブロック図である。
【図３】改質器温度制御処理における温度制御設定値と燃焼空気流量増加率、原燃料増加率及び制御弁開度との関係を示す特性線図である。
【図４】図１の制御装置が実行する改質器温度制御処理手順の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る燃料電池発電装置を示すシステム構成図であって、図中、１は燃料電池発電装置である。この燃料電池発電装置１は、天然ガスやＬＰＧ等といった炭化水素化合物を含む原燃料を、原燃料流量制御弁２を介して改質器３に供給する。
この改質器３は、燃焼バーナー３ａとこの燃焼バーナー３ａによって加熱される改質触媒層３ｂとを有し、この燃焼バーナー３ａによって加熱された改質触媒層３ｂにおける水蒸気改質反応により、炭化水素化合物は、水素、二酸化炭素および一酸化炭素を主成分とする改質ガスに変換されて出力される。
【００１９】
燃焼バーナー３ａには、燃焼空気供給用ブロア４ａを備えた燃焼空気供給系４を通して燃焼空気が導入される。また、燃焼バーナー３ａには、後述する燃料電池１０の燃料極１０ｂから排出される未反応水素を含む燃料極オフガスがオフガス供給系６を経て導入される。さらに、燃焼バーナー３ａには、後述する水素精製装置１９から出力される残余ガスが残余ガス供給系７を経て導入される。
改質器３から出力される改質ガスは、改質ガス供給系８を経て燃料電池１０に供給される。この燃料電池１０は、反応空気ブロア１１ａを備えた反応空気供給系１１を介して反応空気が導入される空気極１０ａと、改質ガス供給系８を介して改質ガスが供給される燃料極１０ｂと、図示しない水蒸気分離器に貯留された、電気伝導度が低く且つシリカ等の鉱物系異物の少ない純水が冷却水として供給される冷却板１０ｃとを備えている。
【００２０】
そして、燃料電池１０では、改質器３から供給される水素に富む改質ガスを燃料極１０ｂに送ることにより、電池反応を生じさせると、電池反応に伴って所定の利用率に見合った水素が消費される。燃料極１０ｂより排出される燃料オフガスは、なお一定量の水素を含有しているので、これを有効に利用するために、オフガス供給系６を介して改質器３の燃焼バーナー３ａに戻し、別途供給される燃焼空気と混合して燃焼され、改質触媒層３ｂの加熱に用いられる。
【００２１】
また、空気極１０ａには、反応空気ブロア１１ａを備えた反応空気供給系１１から反応空気が供給され、この反応空気に含まれる酸素が電池反応に寄与する。そして、冷却板１０ｃによって、燃料電池１０の発電に伴う発熱を除去し、燃料電池１０の温度を所定の運転温度に維持している。
また、空気極１０ａから排出される空気極オフガスは、生成水回収装置１２に送られ、この生成水回収装置１２で、空気極オフガスに含まれる電池反応に伴って生成される反応生成水を回収した後、大気へ放散される。また、前述した改質器３の燃焼バーナー３ａから排出される燃料排ガスも生成水回収装置１２に供給され、燃焼反応によって生成された燃焼生成水を回収した後に大気へ放散される。
【００２２】
一方、改質ガス供給系８には改質ガス供給系１５が分岐され、この改質ガス供給系１５を通じて改質ガスの一部がバッファタンク１６に貯留される。この改質ガス供給系１５には、後述する制御装置２１によって開度制御される流量制御弁１７が介挿されている。
バッファタンク１６に貯留された改質ガスは、圧縮機１８で圧縮されて圧力スイング吸着（ＰＳＡ）装置、或いは膜分離装置等の水素精製装置１９に供給され、この水素精製装置１９で改質ガスを分離精製して水素を得るようにしている。この水素精製装置１９に供給された改質ガスのうち精製水素を分離された残余ガスは、燃料電池１０の燃料極オフガスと同様に、改質器３の燃焼バーナー３ａへと送られ、残余ガス中の水素を燃焼させて改質触媒層３ｂの加熱に用いられる。また、バッファタンク１６に貯留された余剰の改質ガスは制御弁２０を介して系外に放出される。
【００２３】
そして、改質器３の炉内温度がプログラマブルコントローラ等で構成される制御装置２１によって制御される。この制御装置２１には、原燃料流量制御弁２の上流側に配設された原燃料流量計２２で検出した原燃料流量ＦＦｄが入力されているとともに、改質器炉内温度検出器２３で検出した改質器３の炉内温度検出値ＰＶが入力され、これら原燃料流量ＦＦｄ及び炉内温度検出値ＰＶに基づいて改質器温度制御処理を実行する。
【００２４】
この制御装置２１は、機能ブロック図で表すと、図２に示すように構成され、炉内目標温度となる目標値ＳＶを設定する目標値設定部３１と、この目標値設定部３１で設定された目標値ＳＶから改質器炉内温度検出器２３で検出した炉内温度検出値ＰＶを減算して温度偏差ΔＴ（＝ＳＶ−ＰＶ）を算出する減算器３２と、この減算器３２から出力される温度偏差ΔＴに電池電流に比例する原燃料流量増減から計算される設定値を演算し、構成材料の耐熱上限温度や触媒層温度が著しく低くなって改質率が低下しない各々の値を考慮した炉内温度の上下限値との判定を行ない、ＰＩＤ制御演算部３３でのＭＶとして出力する。例えば下記（１）式で表されるＰＩＤ制御処理演算を行って温度制御値ＭＶを算出するＰＩＤ制御演算部３３と、このＰＩＤ制御演算部３３から出力される温度制御値ＭＶの値に基づいて、指令値演算部(プロセス特性近似演算部)３４にて図３に示す指令値演算制御マップから原燃料流量制御弁２に対する原燃料増加率（Ｎｍ3／ｈ）ＦＩ、燃焼空気供給用ブロア４ａに対する燃焼空気流量増加率ＡＩ（Ｎｍ3／ｈ）、改質ガス流量制御弁１７に対する改質ガス流量制御弁に対する改質ガス流量ＦＫを演算し、これらに基づいて構成材料に応じた熱コンダクタンスや熱容量、負荷状態に応じたプロセス特性にて演算し、原燃料流量制御弁２、改質ガス流量制御弁１７及び燃焼空気ブロア４に対する指令値θｆｔ、θｇｔ及びＱｔを出力する。
ＭＶ＝Ｋｐ｛ΔＴ＋（１／Ｔｉ）∫ΔＴｄｔ＋Ｔｄ（ｄΔＴ／ｄｔ）｝……（１）
ここで、Ｋｐは比例ゲイン、１／Ｔｉは積分ゲイン、Ｔｄは微分ゲインである。
【００２５】
図３の指令値演算制御マップに示すように、温度制御値ＭＶが目標値ＭＶｔである状態では、原燃料増加率ＦＩ及び燃焼空気流量増加率ＡＩをそれぞれ“０”となるが、指令演算部３４によりプロセス特性や負荷特性近似値より演算を行ない、θｆｔ，θｔ，θｇｔを出力する。
この状態から温度制御値ＭＶが目標値ＭＶｔを超えて増加する場合には、温度制御値ＭＶの増加に応じて燃焼空気流量増加率ＡＩを“０”から増加させるように特性線Ｌ１が設定され、温度制御値ＭＶが目標値ＭＶｔである状態から温度制御値ＭＶが目標値ＭＶｔ未満に減少すると、温度制御値ＭＶの減少量に応じて原燃料増加率ＦＩが“０”から増加するように特性線Ｌ２が設定されている。この特性線Ｌ２は、原燃料増加率ＦＩが上限値ＦＩｕに達する温度制御値ＭＶが所定値ＭＶ１まで低下したときには、以後温度制御値ＭＶが減少しても上限値ＦＩｕを維持するように設定されている。
【００２６】
そして、温度制御値ＭＶがさらに減少して所定値ＭＶ１より小さい所定値ＭＶ２以下となると、温度制御値ＭＶの減少量に応じて改質ガス取出し流量減少率を徐々に減少させる特性線Ｌ３が設定されている。
ここで、温度制御値ＭＶ、炉内温度検出値ＰＶ及び目標値ＳＶは、全てスケール変換してＰＩＤ制御演算部３３で制御演算処理するようにしてもおり、例えば、炉内温度検出値ＰＶ及び目標値ＳＶは８００℃までの値を０〜１００００００と変換してＰＩＤ制御演算部３３に入力し、このＰＩＤ制御演算部３３から出力される温度制御値ＭＶも０〜１００００００で出力され、結果として温度制御値ＭＶを０〜１００％と変換して指令値演算制御マップを作成するようにしている。
【００２７】
次に、上記制御装置２１で実行する改質器温度制御処理を図４について説明する。
この改質器温度制御処理は、先ず、ステップＳ１に移行して、改質器炉内温度検出器２３で検出した炉内温度検出値ＰＶ及び原燃料流量計２２で検出した原燃料流量検出値ＦＦｄを読込み、次いでステップＳ２に移行して、予め設定された目標値ＳＶから炉内温度検出値ＰＶを減算することにより、温度偏差ΔＴ（＝ＳＶ−ＰＶ）を算出し、次いでステップＳ３に移行して、温度偏差ΔＴに対して前記（１）式のＰＩＤ制御演算処理することにより、ＰＩＤ操作量となる温度制御値ＭＶを算出する。
【００２８】
次いで、ステップＳ４に移行して、温度制御値ＭＶが目標値ＭＶｔに一致するか否かを判定し、ＭＶ＝ＭＶｔであるときには、ステップＳ５に移行して、指令演算部３４によりプロセス特性や負荷特性に応じた合せた演算値より計算したθｆｔ，θｔ，θｇｔを出力し、前記ステップＳ６に移行する。
このステップＳ６では、原燃料増加率ＦＩに応じた原燃料流量制御弁２に対する原燃料流量指令値ＦＦを算出するとともに、燃料空気流量増加率ＡＩに応じた燃料空気供給用ブロア４ａに対する吐出流量指令値Ｑｔを演算し算出する。
【００２９】
次いで、ステップＳ７に移行して、原燃料流量指令値ＦＦと原燃料流量計２２で検出した原燃料流量検出値ＦＦｄとの偏差に基づいてＰＩＤ制御処理して原燃料流量制御弁２に対する開度指令値θｆｔを演算し算出する。
次いで、ステップＳ８に移行して、算出した開度指令値θｆｔ、θｇｔ及び吐出流量指令値Ｑｔをそれぞれ原燃料流量制御弁２、改質ガス流量制御弁１７及び燃焼空気供給用ブロア４ａに出力してから前記ステップＳ１に戻る。
【００３０】
また、前記ステップＳ４の判定結果が、ＭＶ≠ＭＶｔであるときには、ステップＳ９に移行して、温度制御値ＭＶが目標値ＭＶｔより大きいか否かを判定し、ＭＶ＞ＭＶｔであるときにはステップＳ１０に移行して、前述した図３の制御マップの特性線Ｌ１を参照して、燃焼空気流量増加率ＡＩを算出してから前記ステップＳ６に移行する。
また、前記ステップＳ９の判定結果が、ＭＶ＜ＭＶｔであるときには、ステップＳ１１に移行して、温度制御値ＭＶが所定値ＭＶ２未満となったか否かを判定し、ＭＶ＞ＭＶ２であるときにはステップＳ１２に移行して、図３の制御マップの特性線Ｌ２を参照して、原燃料増加率ＦＩを算出し、これを原燃料増加率記憶領域に更新記憶してから前記ステップＳ６に移行する。
【００３１】
さらに、前記ステップＳ１１の判定結果が、ＭＶ＜ＭＶ２であるときには、ステップＳ１３に移行して、前述した図３の制御マップの特性線Ｌ３を参照して、改質ガス流量制御弁１７の開度指令値θｇｔを演算し算出してから前記ステップＳ８に移行する。
なお、図４におけるステップＳ１〜Ｓ３の処理がＰＩＤ制御演算部３３に対応し、ステップＳ４〜ステップＳ１３の処理が指令値演算部３４に対応している。
【００３２】
次に、上記実施形態の動作を説明する。
今、炭化水素化合物を含む原燃料が原燃料流量制御弁２によって流量制御されて改質器３に供給され、この改質器３の改質触媒層３ｂで水蒸気改質反応によって、水素、二酸化炭素および一酸化炭素を主成分とする改質ガスに変換されて出力される。この改質ガス中の一酸化炭素は、燃料電池１０の電極に用いられる白金を被毒し、性能を低下させるので、図示しない一酸化炭素変成器によって一酸化炭素を二酸化炭素へ変成させた後、水素濃度が７０％以上、二酸化炭素濃度が約２０％、残余は水蒸気、メタン、および若干量の一酸化炭素の水素リッチガスとして改質ガス供給系８に出力する。
【００３３】
この改質ガス供給系８に出力された改質ガスは燃料電池１０の燃料極１０ｂに供給されて、電池反応によって発電される。このとき、空気極１０ａに供給される反応空気の酸素が電気反応に寄与する。そして、発電によって生じる発熱が冷却板１０ｃに供給される電池冷却水によって冷却される。
一方、改質ガス供給系８の改質ガスは、この改質ガス供給系８から分岐された改質ガス供給系１５を通じ改質ガス流量制御弁１７を通じてバッファタンク１６に貯留され、このバッファタンク１６に貯留された改質ガスが圧縮機１８で圧縮されて水素精製装置１９に供給され、分離精製することによって水素が得られる。
【００３４】
このとき、改質器３の炉内温度が制御装置２１によって制御される。
すなわち、炉内温度検出器２３で検出された炉内温度検出値ＰＶが目標値ＳＶと略等しい状態では、両者の温度偏差ΔＴが略零となるが、指令制御演算部にてＰＩ調整制御演算を行ない原燃料制御弁２の開度指令θｆｔ，燃焼空気ブロワ４ａの流量指令Ｑｔ，改質ガス流量制御弁１７の開度指令θｇｔを出力する。
したがって、この状態では、改質器３に供給される原燃料の流量変化はないとともに、改質器３から燃料電池１０及びバッファタンク１６に供給される改質ガスの流量変化もなく、燃料電池１０の燃料極１０ｂから出力される燃料極オフガス及び水素精製装置１９から出力される残余ガスの流量変化も生じず、燃料電池１０での良好な発電状態が継続される。
【００３５】
この改質器３の温度制御が適正状態から原燃料のガス組成の水素濃度が高くなって、燃料電池１０の燃料極１０ｂから排出される燃料極オフガスに含まれる水素量が増加したり、水素精製装置１９からの残余ガスに含まれる水素量が増加したり、燃料極オフガス流量や残余ガス流量が増加したりすることにより、改質器３の燃焼バーナー３ａでの燃焼温度が上昇することにより、炉内温度が上昇したものとする。この状態となると、ＰＩＤ制御演算部３３で算出される温度制御値ＭＶが目標値ＭＶｔより大きな値となる。このため、図３の指令値算出マップを参照したときに、燃焼空気流量増加率ＡＩが温度制御値ＭＶの増加に応じて増加することから、制御装置２１によって燃焼空気供給用ブロア４ａに対する燃焼空気吐出流量指令値が増加して燃焼空気供給用ブロア４ａから吐出される燃焼空気流量が増加する。したがって、改質器３の燃焼バーナー３ａに供給される燃焼空気量が増加することにより、燃焼バーナー３ａの燃焼温度が低下して炉内温度が低下される。
【００３６】
一方、炉内温度検出器２３で検出される炉内温度検出値ＰＶが目標値ＳＶより低くなって、ＰＩＤ制御演算部３３で演算される温度制御値ＭＶが目標値ＭＶｔより減少する場合には、先ず、図３の特性線Ｌ２によって温度制御値ＭＶの低下に応じて原燃料増加率ＦＩが増加される。このため、原燃料流量制御弁２の開度指令値θｆｔが大きくなり、これに応じて改質器３に供給される原燃料の流量が増加されることになる。これに応じて改質器３から出力される改質ガス流量も増加することから、燃料電池１０の燃料極１０ｂから排出される燃料極オフガス流量が増加するとともに水素精製装置１９から排出される残余ガス流量も増加する。このため、改質器３の燃焼バーナー３ａに供給される燃焼ガス流量が増加して、改質器３の炉内温度が上昇される。
【００３７】
しかしながら、原燃料増加率ＦＩを上限値ＦＩｕまで増加させても改質器３の炉内温度検出値ＰＶの低下傾向が収まらず、温度制御値ＭＶがさらに減少して所定値ＭＶ１未満に減少すると、原燃料増加率ＦＩが上限値ＦＩｕに一定値に制御される。この状態で、温度制御値ＭＶが所定値ＭＶ２未満に低下すると、図３の特性線Ｌ３を参照して改質ガス流量制御弁１７の開度指令値θｇｔが徐々に減少制御される。このように、改質ガス流量制御弁１７の開度指令値θｇｔが減少すると、バッファタンク１６に供給される改質ガス流量が低下し、このバッファタンク１６に供給する改質ガス流量の低下分だけ燃料電池１０に供給する改質ガス流量が増加することになり、燃料極１０ｂから排出される燃料極オフガス流量が増加する。このため、改質器３の燃焼バーナー３ａに供給される燃焼ガスに含まれる水素量が増加することにより、燃焼温度が高くなって、改質器３の炉内温度が上昇される。このとき、原燃料増加率は上限値ＦＩｕに維持されているが、原燃料流量制御弁２を通過する原燃料の流量は増加傾向を継続しているので、原燃料増加制御と改質ガス流量減少制御とが併用されて昇温能力が向上させることができ、改質器３の炉内温度の低下を防止し、炉内温度を確実に上昇傾向に転換して、温度制御値ＭＶを目標値ＭＶｔに復帰させることができる。
【００３８】
なお、上記実施形態においては、温度制御値ＭＶが所定値ＭＶ２以上であるときに、改質ガス流量制御弁１７の開度を全開状態の１００％に設定する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、改質ガス流量制御弁１７の開度は使用諸元に応じて任意に決定される所定開度に設定することができる。
また、上記実施形態においては、図３の指令値演算制御マップにおいて、温度制御値ＭＶが所定値ＭＶ１未満で且つ所定値ＭＶ２以上であるときに、改質ガス流量制御弁１７の開度を全開状態に維持する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、温度制御値ＭＶが所定値ＭＶ１未満となったときに改質ガス流量制御弁１７の開度減少制御を開始するようにしてもよい。
さらに、上記実施形態においては、ＰＩＤ制御演算部３３を適用して温度制御値ＭＶを算出する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、改質器３の温度制御応答性を考慮してＰＩ演算部又はＰＤ演算部を適用して温度制御値ＭＶを算出するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１…燃料電池発電装置、２…原燃料流量制御弁、３…改質器、３ａ…燃焼バーナー、３ｂ…改質触媒層、４…燃焼空気供給系、４ａ…燃焼空気供給用ブロア、６…燃料極オフガス供給系、７…残余ガス供給系、８…改質ガス供給系、１０…燃料電池、１０ａ…空気極、１０ｂ…燃料極、１０ｃ…冷却板、１１…反応空気供給系、１１ａ…反応空気ブロア、１２…生成水回収装置、１５…改質ガス供給系、１６…バッファタンク、１７…改質ガス流量制御弁、１８…圧縮機、１９…水素精製装置、２１…制御装置、２２…原燃料流量計、２３…炉内温度検出器、３１…炉内温度目標値設定部、３２…減算器、３３…ＰＩＤ制御演算部、３４…指令値演算部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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