JP2012216420A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料ガスが供給される燃料ガス受入部1と、改質処理部加熱手段7により加熱されて、燃料ガスを水蒸気を用いて改質処理して水素含有ガスを生成する改質処理部3と、改質処理部3から得られた水素含有ガスを用いて発電する燃料電池部6とを備え、改質処理部3の温度および燃料電池部6の負荷電流に基き、燃料ガス受入部1に対する燃料ガス供給量を制御するとともに、燃料電池部6の負荷電流に基き、改質処理部3に対する水蒸気供給量および改質処理部加熱手段7に対する酸素含有ガスの供給量を制御する制御部9を備えた。
【選択図】図1
Description
上記目的を達成するための本発明の燃料電池システムの特徴構成は、
燃料ガスが供給される燃料ガス受入部と、改質処理部加熱手段により加熱されて、前記燃料ガスを水蒸気を用いて改質処理して水素含有ガスを生成する改質処理部と、改質処理部から得られた水素含有ガスを用いて発電する燃料電池部とを備え、
前記改質処理部の温度および前記燃料電池部の負荷電流に基づき、前記燃料ガス受入部に対する燃料ガス供給量を制御するとともに、前記燃料電池部の負荷電流に基づき、各種管理供給量を制御する制御部を備えた点にある。
上記構成によると、前記制御部は、前記改質処理部の温度および前記燃料電池部の負荷電流に基き、前記燃料ガス受入部に対する燃料ガス供給量を制御したうえで、
前記各種管理供給量を、従来、前記燃料ガス供給量に基づき制御していたのに代え、前記燃料電池部の負荷電流に基づき制御する。すなわち、各種管理供給量の制御は、燃料ガス受け入れ部に対する燃料ガス供給量の制御とは別の制御とされる。
また、上記構成に加えて、前記改質処理部で生成した水素含有ガス中の一酸化炭素ガスを変成処理する変成処理部を備えるとともに、変成処理部を通過した一酸化炭素ガスを選択酸化して二酸化炭素ガスに変換する選択酸化処理部を備え、前記制御部は、前記燃料電池部の負荷電流に基づき、前記選択酸化処理部に対する酸素含有ガス供給量を制御可能に構成されてもよい。
燃料電池システムとしては、通常、改質処理部で改質された水素含有ガス中の一酸化炭素ガスを変成処理する変成処理部、変成処理部を通過した一酸化炭素ガスを選択酸化して二酸化炭素ガスに変換する選択酸化処理部を備えるが、この変成処理部や選択酸化処理部についても、燃料電池部の負荷電流に基づき直接制御することになるから、この燃料電池部の出力の変動を直接各種管理供給量に反映することになり、燃料ガスの組成の変動に全く関与することなく、直接的に前記燃料電池部の運転条件の適正化を行うことができ、燃料電池システムの安定運転に寄与することができる。
尚、前記燃料ガスが、組成が変動する天然ガスやバイオガス、炭鉱ガスであることが望ましい。
上記組成の変動する燃料ガスとしてバイオガスや炭鉱ガスが挙げられるが、従来、前記バイオガスや炭鉱ガスは、さらにエネルギーを使って精製しなければエネルギー源として適正なものとならなかったのに対して、精製に必要なエネルギー量を低減させ、かつ燃料電池の原料としての燃焼ガスに用いることができることになるので、これらのガスの利用可能性を大きく高めることができる。
本発明の燃料電池システムは、天然ガス等の燃料ガスを受入れる燃料ガス受入部1を備え、前記燃料ガス受入部1より受入れた燃料ガス中の硫黄成分を除去する脱硫処理部2を備え、前記脱硫処理部2で脱硫された燃料ガスを受入れ、水蒸気を用いて改質処理して水素含有ガスを生成する改質処理部3を備え、改質処理部3で生成した改質ガス(水素含有ガス)中の一酸化炭素ガスを変成処理する変成処理部4を備えるとともに、変成処理部4を通過した変成ガス(水素含有ガス)中の一酸化炭素ガスを選択酸化して二酸化炭素ガスに変換した燃料水素ガス(水素含有ガス)を得る選択酸化処理部5を備え、得られた燃料水素ガス(水素含有ガス)を用いて発電する燃料電池部6を備える。また、前記改質処理部3には、改質処理部加熱手段としての燃焼器7が設けられるとともに、前記燃焼器7からの廃熱を用いて水蒸気を生成する水蒸気生成器8が設けられ、一組の改質装置を構成している。燃料電池システムのこれらの構成に供給される各種管理供給量は、前記改質処理部3に設けられる温度検知部3aと前記燃料電池部6に設けられる負荷電流検知部6aからの検知信号に基づき制御部9により制御される。
前記制御部9は、燃料電池システムの上記構成における、前記改質処理部3に設けられる温度検知部3aと前記燃料電池部6に設けられる負荷電流検知部6aからの検知信号に基づき、前記燃料ガス受入部1に対する燃料ガス供給量、前記改質処理部3に対する水蒸気供給量および燃焼器7に対する燃料ガスおよび酸素含有ガスの供給量および前記選択酸化処理部5に対する酸素含有ガス供給量を制御する。
燃料ガス1分子当たりの炭素数(n)※
(※各種燃料ガスが混在している場合は、各種燃料ガスの体積割合による平均値とする)
電池電流(I0)
セル枚数(N)
改質処理部部の温度(T0)
想定メタン転化率(η0)
想定水素利用率(UH0)
水蒸気量(Q1)
水蒸気量と燃料ガスのカーボン比(S/C)
選択酸化空気流量(Q2)
選択酸化空気中の酸素と改質ガス中の一酸化炭素の比(O2/CO)
オフガス燃焼用バーナ空気流量(Q3)
オフガス燃料とバーナ空気の比(A/F)
燃料水素ガス量=I0×N×F1
電池に送る水素量としては電池の水素利用率UH0を考慮して、
電池に送る水素量=電池で消費される水素量/UHO
で計算される。
燃料ガス流量Q0としてはメタン転化率η0を考慮して
電池に送る水素量/η0
で計算される。
ここでN、F1、UH0、η0は全て固定値であるため、結局、燃料ガス流量の目標値は電池電流I0の関数となり、以下のように表される。
燃料ガス流量の目標値=k0*I0
(k0はN、F1、UH0、η0によって決まる定数)
さらに、この燃料ガス流量Q0は改質処理部の温度T0によりフィードバック補正されるため、実際の値は、下記関数によりI0とT0から求められる。
従来行われている各種管理供給量の決定方法として、燃料ガス量Q0に基づいて各種管理供給量を求めた場合の比較運転例を下記に示す。
CO+H2O→CO2+H2(変成反応)
オフガス熱量の計算には供給される燃料ガス流量から、電池で消費される水素量(I0×N×F1)に水素の熱量から計算される固定係数F3をかけることにより燃料ガス流量換算し、実際の燃料ガス流量Q0から減算することによりオフガス熱量を計算することができる。
従って、燃料ガスの理論空気量をA0として、下記式によって求められる。
ここで、I0から求められるQ0を基準に、前記改質処理部3の温度T0が一定になるように流量制御してf(T0)を無視できる運転条件を想定すると、燃料ガスの組成が変動し、nの値が変ると、上記パラメータで運転した場合に、実際のS/C、O2/CO、A/Fの値が運転継続可能な許容値を超えて大きくずれるおそれがある。
Q0=0.87モル/min
Q1=2.35モル/min
Q2=0.113モル/min
Q3=2.78モル/min
となる。
S/C=2.25
O2/CO=1.42
A/F=1.05
となる。
S/C=2.5〜3.0
O2/CO=1.5〜1.7
A/F=1.2〜1.4
で制御されるべき許容範囲を超えて運転してしまうことになるので燃料電池部6が運転不
能な状態となる。
これに対して、負荷電流出力を基に前記表1のテーブルよりQ1、Q2、Q3を決定すると、
Q0=0.87モル/min
Q1=2.7モル/min
Q2=0.13モル/min
Q3=4.1モル/min
として運転することとなる。
S/C=2.58
O2/CO=1.63
A/F=1.21
となり、正常運転を行うことができる。
これら運転例をまとめると表2のようになる。表2より、電池電流(I0)に基づいて、各制御流量(Q1〜Q3)を求めると、Q0に基づいて各制御流量(Q1〜Q3)を求める場合にくらべて、制御パラメータのばらつきを好適な範囲に抑制できる事が読み取れる。
上記運転例では、簡略化のため改質処理部3の温度を不変に制御できているものとしての数値計算例を示しているが、実際には改質処理部3の温度(T0)に基づき燃料ガス供給量(Q0)をフィードバック制御するファクタとしてf(T0)を前記制御部に制御させることもできる。
2 :脱硫処理部
2a :流量調整弁
3 :改質処理部
3a :温度検知部
4 :変成処理部
5 :選択酸化処理部
5a :ブロワ
6 :燃料電池部
6a :負荷電流検知部
7 :燃焼器(改質処理部加熱手段)
7a :ブロワ
7b :流量調整弁
8 :水蒸気生成器
8a :流量調整弁
9 :制御部
Claims (3)
- 燃料ガスが供給される燃料ガス受入部と、改質処理部加熱手段により加熱されて、前記燃料ガスを水蒸気を用いて改質処理して水素含有ガスを生成する改質処理部と、改質処理部から得られた水素含有ガスを用いて発電する燃料電池部とを備えた燃料電池システムであって、
前記改質処理部の温度および前記燃料電池部の負荷電流に基づき、前記燃料ガス受入部に対する燃料ガス供給量を制御するとともに、前記燃料電池部の負荷電流に基づき、前記改質処理部に対する水蒸気供給量および改質処理部加熱手段に対する酸素含有ガスの供給量を制御する制御部を備えた燃料電池システム。 - 前記改質処理部で生成した水素含有ガス中の一酸化炭素ガスを変成処理する変成処理部を備えるとともに、変成処理部を通過した一酸化炭素ガスを選択酸化して二酸化炭素ガスに変換する選択酸化処理部を備え、前記制御部は、前記燃料電池部の負荷電流に基づき、前記選択酸化処理部に対する酸素含有ガス供給量を制御可能に構成されている請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料ガスが、熱量が調整されていない天然ガスやバイオガスまたは炭鉱ガスである請求項1または2に記載の燃料電池システム。
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