JP2557336B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents
燃料電池発電システムInfo
- Publication number
- JP2557336B2 JP2557336B2 JP59063727A JP6372784A JP2557336B2 JP 2557336 B2 JP2557336 B2 JP 2557336B2 JP 59063727 A JP59063727 A JP 59063727A JP 6372784 A JP6372784 A JP 6372784A JP 2557336 B2 JP2557336 B2 JP 2557336B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel
- air
- line
- temperature
- fuel cell
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
- H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
- H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は燃料電池発電システムに関するものである。
近年、燃料の有しているエネルギーを直接電気的エネ
ルギーに変換するものとして燃料電池発電システムが知
られている。この燃料電池発電システムは通常、電解質
を挟んで一対の多孔質電極を配置するとともに、一方の
電極の背面に水素等の燃料を接触させ、また他方の電極
の背面に酸素等の酸化剤を接触させ、このとき起こる電
気化学的反応を利用して、上記電極間から電気エネルギ
ーを取り出すようにしたものであり、前記燃料と酸化剤
が供給されている限り高い変換効率で電気エネルギーを
取り出すことができるものである。
ルギーに変換するものとして燃料電池発電システムが知
られている。この燃料電池発電システムは通常、電解質
を挟んで一対の多孔質電極を配置するとともに、一方の
電極の背面に水素等の燃料を接触させ、また他方の電極
の背面に酸素等の酸化剤を接触させ、このとき起こる電
気化学的反応を利用して、上記電極間から電気エネルギ
ーを取り出すようにしたものであり、前記燃料と酸化剤
が供給されている限り高い変換効率で電気エネルギーを
取り出すことができるものである。
この種のシステムにおいて、特に電解質としてリン酸
を用いたリン酸型燃料電池発電システムは、次のような
いくつかの系から構成される。すなわち、所定の温度，
圧力の下で燃料極に燃料である水素ガスを，酸化剤極
（以下、空気極と称する）に酸化剤である空気中の酸素
を導入し、これらを電気化学的に反応させて電気出力で
ある直流電圧出力を発生する燃料電池系とこの燃料電池
系で使用する酸化剤としての圧縮空気を得るための空気
処理系と、同じ上記燃料電池系で使用する燃料としての
水素ガスを原燃料の水蒸気改質により得る燃料処理系
と、上記燃料電池系内で発生する熱を除去し、かつ上記
燃料処理系で原燃料改質用に使用する水蒸気を得る電池
冷却系とから構成される。ここで、電池冷却系は本発明
に直接関係しないのでその説明は省略する。
を用いたリン酸型燃料電池発電システムは、次のような
いくつかの系から構成される。すなわち、所定の温度，
圧力の下で燃料極に燃料である水素ガスを，酸化剤極
（以下、空気極と称する）に酸化剤である空気中の酸素
を導入し、これらを電気化学的に反応させて電気出力で
ある直流電圧出力を発生する燃料電池系とこの燃料電池
系で使用する酸化剤としての圧縮空気を得るための空気
処理系と、同じ上記燃料電池系で使用する燃料としての
水素ガスを原燃料の水蒸気改質により得る燃料処理系
と、上記燃料電池系内で発生する熱を除去し、かつ上記
燃料処理系で原燃料改質用に使用する水蒸気を得る電池
冷却系とから構成される。ここで、電池冷却系は本発明
に直接関係しないのでその説明は省略する。
ところでかかる燃料電池発電システムにおいて、燃料
電池系と燃料処理系は所定の圧力の下で動作させるため
の昇圧過程を必要とするだけでなく、所定の温度で動作
させるため昇温過程も必要とする。そして、この燃料電
池系の昇温に関しては、通常電池冷却系の冷却水を外部
の熱源により温めながら循環させることにより、比較的
容易にかつ均一に所定の温度まで昇温することができ
る。また、燃料処理系の昇温に関しては、通常は窒素等
の不活性ガスを系内に導入し、これを循環させながら原
燃料改質器（以下、単に改質器と称する）のパイロツト
バーナを点火して昇温することができる。しかしこの場
合、熱源が一つであり、しかもガスによつて昇温が行な
われることから、所定の温度まで昇温するのに時間がか
かり、しかも均一に行なわれにくいという問題がある。
また、昇温が完了して原燃料の改質が始まつてからは、
改質器，一酸化炭素変成器等反応器の温度をある一定値
に維持する必要があり、このため特に低温一酸化炭素変
成器（以下、LTS:Low Temperature Shift Convertorと
称する）にあつては、改質器により700〜800℃で改質さ
れた改質ガスを200℃程度の温度にまで冷却する必要が
ある。
電池系と燃料処理系は所定の圧力の下で動作させるため
の昇圧過程を必要とするだけでなく、所定の温度で動作
させるため昇温過程も必要とする。そして、この燃料電
池系の昇温に関しては、通常電池冷却系の冷却水を外部
の熱源により温めながら循環させることにより、比較的
容易にかつ均一に所定の温度まで昇温することができ
る。また、燃料処理系の昇温に関しては、通常は窒素等
の不活性ガスを系内に導入し、これを循環させながら原
燃料改質器（以下、単に改質器と称する）のパイロツト
バーナを点火して昇温することができる。しかしこの場
合、熱源が一つであり、しかもガスによつて昇温が行な
われることから、所定の温度まで昇温するのに時間がか
かり、しかも均一に行なわれにくいという問題がある。
また、昇温が完了して原燃料の改質が始まつてからは、
改質器，一酸化炭素変成器等反応器の温度をある一定値
に維持する必要があり、このため特に低温一酸化炭素変
成器（以下、LTS:Low Temperature Shift Convertorと
称する）にあつては、改質器により700〜800℃で改質さ
れた改質ガスを200℃程度の温度にまで冷却する必要が
ある。
一方、空気処理系ではタービン・コンプレツサ等によ
り、大気を吸入して所定の圧力まで圧縮することができ
る。そして、この過程で4kg/cm3Ｇ程度まで圧縮する場
合には、空気は約150℃程度までその温度が上昇するこ
とになる。
り、大気を吸入して所定の圧力まで圧縮することができ
る。そして、この過程で4kg/cm3Ｇ程度まで圧縮する場
合には、空気は約150℃程度までその温度が上昇するこ
とになる。
本発明は上記のような事情を考慮して成されたもの
で、その目的は前述した各系の特徴を活かし、燃料処理
系の昇温と冷却の一部を空気処理系の圧縮空気を利用し
て行ない、かつその温められた空気を改質器の燃焼用空
気にも利用して熱的効率の優れた信頼性の高い燃料電池
発電システムを提供することにある。
で、その目的は前述した各系の特徴を活かし、燃料処理
系の昇温と冷却の一部を空気処理系の圧縮空気を利用し
て行ない、かつその温められた空気を改質器の燃焼用空
気にも利用して熱的効率の優れた信頼性の高い燃料電池
発電システムを提供することにある。
［発明の概要］ 上記の目的を達成するために本発明では、空気を圧縮
して圧縮空気を得る空気処理系と、原燃料および水蒸気
の混合ガスを導入し、かつ水蒸気改質反応によって混合
ガスから改質ガスを生成する燃料処理系と、燃料処理系
で生成された改質ガスを高温および低温の一酸化炭素変
成器を順次介し燃料として燃料極に導入すると共に、空
気処理系で得られた圧縮空気を酸化剤として酸化剤極に
導入し、これらを電気化学的に反応させて電気出力を発
生する燃料電池系とから成る燃料電池発電システムにお
いて、燃料電池系の酸化剤極の入口側ラインから分岐し
て、当該酸化剤極の出口側ラインに合流するように設け
られた酸化剤極バイパスラインと、合流ラインから延長
して、空気処理系と燃料処理系とを結ぶ空気導入ライン
に合流するように設けられたサブ空気導入ラインと、酸
化剤極バイパスラインに配設された酸化剤極バイパス弁
と、燃料電池系の電気出力を検出してそれに対応した出
力信号を送出する出力検出手段と、出力検出手段からの
出力信号に基づいて、燃料処理系の起動昇温時には所定
の一定の大きさの弁開度信号を、また負荷運転時にはそ
の負荷容量に応じた所定の大きさの弁開度信号を、酸化
剤極バイパス弁に対して与える第１の制御演算手段と、
サブ空気導入ラインに配設され、合流ラインから排出さ
れる酸化剤を、燃料処理系への燃焼用空気として直接サ
ブ空気導入ラインへ導入するか、または燃料処理系の低
温一酸化炭素変成器の入口側に設けた燃料冷却器の冷却
側ラインと熱交換した後にサブ空気導入ラインへ導入す
るように切り替えを行なう三方弁からなる燃料冷却器バ
イパス弁と、低温一酸化炭素変成器の入口側に配設さ
れ、当該入口側のガス温度を検出してそれに対応した出
力信号を送出する温度検出手段と、温度検出手段からの
出力信号に基づいて、燃料処理系の起動昇温時には圧縮
空気で加熱ができるようにオン・オフ制御し、また負荷
運転時には低温一酸化炭素変成器の入口側ガス温度が適
切な温度範囲に収まるように連続制御すべき弁開度信号
を、燃料冷却器バイパス弁に対して与える第２の制御演
算手段とを備えて成る。
して圧縮空気を得る空気処理系と、原燃料および水蒸気
の混合ガスを導入し、かつ水蒸気改質反応によって混合
ガスから改質ガスを生成する燃料処理系と、燃料処理系
で生成された改質ガスを高温および低温の一酸化炭素変
成器を順次介し燃料として燃料極に導入すると共に、空
気処理系で得られた圧縮空気を酸化剤として酸化剤極に
導入し、これらを電気化学的に反応させて電気出力を発
生する燃料電池系とから成る燃料電池発電システムにお
いて、燃料電池系の酸化剤極の入口側ラインから分岐し
て、当該酸化剤極の出口側ラインに合流するように設け
られた酸化剤極バイパスラインと、合流ラインから延長
して、空気処理系と燃料処理系とを結ぶ空気導入ライン
に合流するように設けられたサブ空気導入ラインと、酸
化剤極バイパスラインに配設された酸化剤極バイパス弁
と、燃料電池系の電気出力を検出してそれに対応した出
力信号を送出する出力検出手段と、出力検出手段からの
出力信号に基づいて、燃料処理系の起動昇温時には所定
の一定の大きさの弁開度信号を、また負荷運転時にはそ
の負荷容量に応じた所定の大きさの弁開度信号を、酸化
剤極バイパス弁に対して与える第１の制御演算手段と、
サブ空気導入ラインに配設され、合流ラインから排出さ
れる酸化剤を、燃料処理系への燃焼用空気として直接サ
ブ空気導入ラインへ導入するか、または燃料処理系の低
温一酸化炭素変成器の入口側に設けた燃料冷却器の冷却
側ラインと熱交換した後にサブ空気導入ラインへ導入す
るように切り替えを行なう三方弁からなる燃料冷却器バ
イパス弁と、低温一酸化炭素変成器の入口側に配設さ
れ、当該入口側のガス温度を検出してそれに対応した出
力信号を送出する温度検出手段と、温度検出手段からの
出力信号に基づいて、燃料処理系の起動昇温時には圧縮
空気で加熱ができるようにオン・オフ制御し、また負荷
運転時には低温一酸化炭素変成器の入口側ガス温度が適
切な温度範囲に収まるように連続制御すべき弁開度信号
を、燃料冷却器バイパス弁に対して与える第２の制御演
算手段とを備えて成る。
以下、本発明を図面に示す一実施例について説明す
る。第１図は、本発明による燃料電池発電システムの構
成例を示すものである。図において、本システムは空気
処理系51と、燃料電池系52と、燃料処理系53とから構成
されており、電池冷却系は本発明に直接関係しないので
その図示説明を省略する。
る。第１図は、本発明による燃料電池発電システムの構
成例を示すものである。図において、本システムは空気
処理系51と、燃料電池系52と、燃料処理系53とから構成
されており、電池冷却系は本発明に直接関係しないので
その図示説明を省略する。
図において、まず空気処理系51のタービン・コンプレ
ツサ１の回転により、コンプレツサ２は大気中より空気
を吸込みこれを圧縮して燃料電池系52の燃料電池11およ
び燃料処理系53の改質器４へ送ると同時に、燃料電池系
52の空気極12の入口側ラインから分岐して、空気極バイ
パスラインおよび当該空気極バイパスライン上に配設さ
れた空気極バイパス弁21を介し、空気極12の出口から水
蒸気分離器14を介して、空気極12の出口側ラインに合流
する。
ツサ１の回転により、コンプレツサ２は大気中より空気
を吸込みこれを圧縮して燃料電池系52の燃料電池11およ
び燃料処理系53の改質器４へ送ると同時に、燃料電池系
52の空気極12の入口側ラインから分岐して、空気極バイ
パスラインおよび当該空気極バイパスライン上に配設さ
れた空気極バイパス弁21を介し、空気極12の出口から水
蒸気分離器14を介して、空気極12の出口側ラインに合流
する。
また、上記空気極12の入口側ラインと空気極バイパス
ラインとの合流ラインから延長して、空気処理系51の出
口側と燃料処理系53の改質器４とを結ぶ空気導入ライン
に合流するようにサブ空気導入ラインを設ける。
ラインとの合流ラインから延長して、空気処理系51の出
口側と燃料処理系53の改質器４とを結ぶ空気導入ライン
に合流するようにサブ空気導入ラインを設ける。
さらに、上記サブ空気導入ラインには、上記合流ライ
ンから排出される空気を、燃料処理系53への燃焼用空気
として直接サブ空気導入ラインへ導入するか、または燃
料処理系53の低温一酸化炭素変成器６の入口側に設けた
燃焼冷却器９の冷却側ラインと熱交換した後にサブ空気
導入ラインへ導入するように切り替えを行なう三方弁か
らなる燃焼冷却器バイパス弁22を設ける。
ンから排出される空気を、燃料処理系53への燃焼用空気
として直接サブ空気導入ラインへ導入するか、または燃
料処理系53の低温一酸化炭素変成器６の入口側に設けた
燃焼冷却器９の冷却側ラインと熱交換した後にサブ空気
導入ラインへ導入するように切り替えを行なう三方弁か
らなる燃焼冷却器バイパス弁22を設ける。
一方、原燃料ライン29と水蒸気ライン30は各流量調節
弁27,28を介して合流し、原燃焼予熱器８を通つて改質
器４の改質管31に入る。この改質管31を出たラインは、
原燃焼予熱器８を通つて高温一酸化炭素変成器５（以
下、HTS:High Temperature Shift Convertorと称する）
に入り、さらに燃料冷却器９を通つて空気極ラインの空
気と熱交して後LTS6に入る。そして、このLTS6を出たラ
インは水蒸気分離器７を通つてから二つに分岐し、その
一つは燃料流量調節弁25を介して上記燃料電池11の燃料
極13に入り、他の一つは循環送風機10およびしや断弁35
を通つて原燃料および水蒸気ラインに合流する。また、
上記で燃料電池11の燃料極13を出たラインは改質器４の
燃焼室に入り、その排ガスは上記タービン・コンプレツ
サ１のタービン３に入り、大気中へ排気される。
弁27,28を介して合流し、原燃焼予熱器８を通つて改質
器４の改質管31に入る。この改質管31を出たラインは、
原燃焼予熱器８を通つて高温一酸化炭素変成器５（以
下、HTS:High Temperature Shift Convertorと称する）
に入り、さらに燃料冷却器９を通つて空気極ラインの空
気と熱交して後LTS6に入る。そして、このLTS6を出たラ
インは水蒸気分離器７を通つてから二つに分岐し、その
一つは燃料流量調節弁25を介して上記燃料電池11の燃料
極13に入り、他の一つは循環送風機10およびしや断弁35
を通つて原燃料および水蒸気ラインに合流する。また、
上記で燃料電池11の燃料極13を出たラインは改質器４の
燃焼室に入り、その排ガスは上記タービン・コンプレツ
サ１のタービン３に入り、大気中へ排気される。
また、32および33はそれぞれ窒素ラインおよびしや断
弁であり、34は改質器パイロツトバーナへの原燃料流量
調節弁である。さらに、41は上記燃料電池11の出力を検
出する出力検出器、42はこの出力検出器41の出力信号Ｉ
を入力とする第１の制御演算器で、その出力信号Vc1に
より上記空気極バイパス弁21を制御する。さらにまた、
43は上記LTS6の入口温度を検出する温度検出器、44はこ
の温度検出器43の出力信号Ｔを入力とする第２の制御演
算器で、その出力信号Vc2により上記燃料冷却器バイパ
ス弁22を制御する。
弁であり、34は改質器パイロツトバーナへの原燃料流量
調節弁である。さらに、41は上記燃料電池11の出力を検
出する出力検出器、42はこの出力検出器41の出力信号Ｉ
を入力とする第１の制御演算器で、その出力信号Vc1に
より上記空気極バイパス弁21を制御する。さらにまた、
43は上記LTS6の入口温度を検出する温度検出器、44はこ
の温度検出器43の出力信号Ｔを入力とする第２の制御演
算器で、その出力信号Vc2により上記燃料冷却器バイパ
ス弁22を制御する。
第２図は、上記第１の制御演算器42の詳細を示すもの
である。つまり、上記燃料電池11の出力検出器41からの
出力信号Ｉを流量設定器42Aに導いて燃料電池11の出力
信号Ｉに対応した流量信号Ｆを得、これを第１のPID演
算器42Bに導きその出力信号Vc1を空気極バイパス弁21の
電空変換器へ導いて当該弁21を制御する。すなわち、出
力検出器41からの出力信号Ｌに基づいて、燃料処理系53
の起動昇温時には所定の一定の大きさの弁開度信号Vc1
を、また負荷運転時にはその負荷容量に応じた所定の大
きさの弁開度信号Vc1を、空気極バイパス弁21に対して
与えるようにしている。
である。つまり、上記燃料電池11の出力検出器41からの
出力信号Ｉを流量設定器42Aに導いて燃料電池11の出力
信号Ｉに対応した流量信号Ｆを得、これを第１のPID演
算器42Bに導きその出力信号Vc1を空気極バイパス弁21の
電空変換器へ導いて当該弁21を制御する。すなわち、出
力検出器41からの出力信号Ｌに基づいて、燃料処理系53
の起動昇温時には所定の一定の大きさの弁開度信号Vc1
を、また負荷運転時にはその負荷容量に応じた所定の大
きさの弁開度信号Vc1を、空気極バイパス弁21に対して
与えるようにしている。
第３図は、上記第２の制御演算器44の詳細を示すもの
である。つまり、昇温完了後（負荷運転時）は通常のフ
イードバツク制御でよく、上記LTS6の入口温度を検出す
る温度検出器43からの出力信号Ｔと規定値TRとを比較器
44Aにより比較して偏差信号を得、これを第２のPID演算
器44Bに導きその出力信号Vc2を燃料冷却器バイパス弁22
の電空変換器へ接点44Cを介して導いて当該弁22を制御
する。この接点44Cは、上記昇温完了後（負荷運転時）
には第２のPID演算器44B側に接し、また昇温時（昇温過
程時）にはオン・オフ指令器44D側に接し（第３図で
は、昇温時（昇温過程時）にある時の接点44Cの状態を
例として示している）、このオン・オフ指令器44Dより
上記弁22に燃料冷却器９側への全開指令信号Vc2を出力
するようにしている。また、接点制御器44Eは上記LTS6
の入口温度Ｔが所定の値TAより大きくなつた時に、上記
接点44Cに対して、第２のPID演算器44B側に接するべく
接点切換えを行なうために指令信号を出力するものであ
る。ここで、起動時か起動後かの判断はTAの値を適切に
与えることにより接点制御器44Eにより自動的に行なわ
れる。すなわち、このTAの値は上記空気処理系51のコン
プレツサ２の吐出空気の温度にほぼ等しく設定すれば、
起動時に空気処理系51より熱を受けて昇温されていた燃
料処理系53がほぼ空気処理系51の温度まで昇温された後
は、接点44CがPID演算器44B側に切り換わつて燃料冷却
器バイパス弁22がフイードバツク制御を受けることによ
り、自動的に空気処理系51の圧縮空気は冷却機能に切り
換えられ、LTS6の入口温度Ｔを規定の値TRに維持して化
学反応に必要な温度条件を保持することができる。
である。つまり、昇温完了後（負荷運転時）は通常のフ
イードバツク制御でよく、上記LTS6の入口温度を検出す
る温度検出器43からの出力信号Ｔと規定値TRとを比較器
44Aにより比較して偏差信号を得、これを第２のPID演算
器44Bに導きその出力信号Vc2を燃料冷却器バイパス弁22
の電空変換器へ接点44Cを介して導いて当該弁22を制御
する。この接点44Cは、上記昇温完了後（負荷運転時）
には第２のPID演算器44B側に接し、また昇温時（昇温過
程時）にはオン・オフ指令器44D側に接し（第３図で
は、昇温時（昇温過程時）にある時の接点44Cの状態を
例として示している）、このオン・オフ指令器44Dより
上記弁22に燃料冷却器９側への全開指令信号Vc2を出力
するようにしている。また、接点制御器44Eは上記LTS6
の入口温度Ｔが所定の値TAより大きくなつた時に、上記
接点44Cに対して、第２のPID演算器44B側に接するべく
接点切換えを行なうために指令信号を出力するものであ
る。ここで、起動時か起動後かの判断はTAの値を適切に
与えることにより接点制御器44Eにより自動的に行なわ
れる。すなわち、このTAの値は上記空気処理系51のコン
プレツサ２の吐出空気の温度にほぼ等しく設定すれば、
起動時に空気処理系51より熱を受けて昇温されていた燃
料処理系53がほぼ空気処理系51の温度まで昇温された後
は、接点44CがPID演算器44B側に切り換わつて燃料冷却
器バイパス弁22がフイードバツク制御を受けることによ
り、自動的に空気処理系51の圧縮空気は冷却機能に切り
換えられ、LTS6の入口温度Ｔを規定の値TRに維持して化
学反応に必要な温度条件を保持することができる。
次にこのようなシステム構成において、今起動過程の
燃料処理系53の昇温時を考える。この燃料処理系53の昇
温に先立つて、空気処理系51のタービン・コンプレツサ
１はすでに起動されている。各調節弁23,24,25,27,28,3
4は全閉しており、しや断弁33,35が開となつて窒素ガス
が燃料処理系53に注入され系の昇圧が完了するとしや断
弁33は閉となり、再循環送風機10が起動されて窒素ガス
を循環させる。次に、調節弁23,34が適度の開度に調節
され、改質器４のパイロツトバーナが点火されて燃料処
理系53の各構成機器および配管が昇温される。この時、
空気極バイパス弁21を開、燃料冷却バイパス弁22を燃料
冷却器９側に開として、空気処理系51からの空気を燃料
処理系53のLTS6前の燃料冷却器９に導いて当該ラインが
昇温される。
燃料処理系53の昇温時を考える。この燃料処理系53の昇
温に先立つて、空気処理系51のタービン・コンプレツサ
１はすでに起動されている。各調節弁23,24,25,27,28,3
4は全閉しており、しや断弁33,35が開となつて窒素ガス
が燃料処理系53に注入され系の昇圧が完了するとしや断
弁33は閉となり、再循環送風機10が起動されて窒素ガス
を循環させる。次に、調節弁23,34が適度の開度に調節
され、改質器４のパイロツトバーナが点火されて燃料処
理系53の各構成機器および配管が昇温される。この時、
空気極バイパス弁21を開、燃料冷却バイパス弁22を燃料
冷却器９側に開として、空気処理系51からの空気を燃料
処理系53のLTS6前の燃料冷却器９に導いて当該ラインが
昇温される。
かようにして昇温が完了すると、送風機10が停止されて
しや断弁35は閉とされ、調節弁27,28および25が適度の
開度に調節されて原燃料と水蒸気が、改質器４の改質管
31に導入されて改質反応が開始される。すると、この改
質器４で改質されたガスはHTS5を通過して、改質ガス中
の一酸化炭素を燃料電池11にとつて無害な炭酸ガスに転
化し、さらに水蒸気分離器７で余分の水蒸気を除去して
後、調節弁25を通つて燃料電池11の燃料極13に導入され
る。そして、この燃料電池11を通過した改質ガスはその
後改質器４の主バーナに導かれて燃焼せられ、改質反応
に要求される反応熱として利用される。
しや断弁35は閉とされ、調節弁27,28および25が適度の
開度に調節されて原燃料と水蒸気が、改質器４の改質管
31に導入されて改質反応が開始される。すると、この改
質器４で改質されたガスはHTS5を通過して、改質ガス中
の一酸化炭素を燃料電池11にとつて無害な炭酸ガスに転
化し、さらに水蒸気分離器７で余分の水蒸気を除去して
後、調節弁25を通つて燃料電池11の燃料極13に導入され
る。そして、この燃料電池11を通過した改質ガスはその
後改質器４の主バーナに導かれて燃焼せられ、改質反応
に要求される反応熱として利用される。
この時点で、LTS6の入口ガス温度を下げる必要のある
ときは、燃料冷却器バイパス弁22が再び燃料冷却器９の
方向に制御して開かれる。また、燃料電池11が電気負荷
をとるようになると調節弁24は開方向に制御されて燃料
電池11を通過し、この時燃料極13側の水素と空気極12側
の酸素が電気化学反応を起して消費され電気と水蒸気が
発生する。空気極12を出た燃料電池11の排空気は、水蒸
気分離器14により水蒸気を除去してから、空気極バイパ
ス弁21からのバイパス空気と混合されて燃料冷却器バイ
パス弁22の入口に導入される。さらに、負荷が重くなり
空気極12からの排空気量が増えると、これによりLTS6の
入口ガスの冷却効果が増大するので、この時は空気極バ
イパス弁21を閉方向に制御してバイパス空気量が減じら
れる。一方、負荷が軽くなると空気極12からの排空気量
が減るので、空気極バイパス弁21を開方向に制御してバ
イパス空気量が増やされる。この時、三方弁である燃料
冷却器バイパス弁22は、燃料冷却器９における熱交換量
を微調整する働きをする。
ときは、燃料冷却器バイパス弁22が再び燃料冷却器９の
方向に制御して開かれる。また、燃料電池11が電気負荷
をとるようになると調節弁24は開方向に制御されて燃料
電池11を通過し、この時燃料極13側の水素と空気極12側
の酸素が電気化学反応を起して消費され電気と水蒸気が
発生する。空気極12を出た燃料電池11の排空気は、水蒸
気分離器14により水蒸気を除去してから、空気極バイパ
ス弁21からのバイパス空気と混合されて燃料冷却器バイ
パス弁22の入口に導入される。さらに、負荷が重くなり
空気極12からの排空気量が増えると、これによりLTS6の
入口ガスの冷却効果が増大するので、この時は空気極バ
イパス弁21を閉方向に制御してバイパス空気量が減じら
れる。一方、負荷が軽くなると空気極12からの排空気量
が減るので、空気極バイパス弁21を開方向に制御してバ
イパス空気量が増やされる。この時、三方弁である燃料
冷却器バイパス弁22は、燃料冷却器９における熱交換量
を微調整する働きをする。
上述したように本実施例の燃料電池発電システムにお
いては、空気処理系51の圧縮空気の一部を燃料電池系52
の燃料電池11の空気極12を短絡するラインを設けて燃料
処理系53のラインと熱交換させるように導くようにして
いることにより、起動過程の昇温時にあつては圧縮空気
の熱を利用して燃料処理系53のガスを温め、また昇温後
にあつてはこの空気極12の短絡量を調節することによつ
て、燃料処理系53のガスを冷却し、且つこの温められた
空気を改質器４の燃焼用空気にも使用するようにしてい
ることにより、熱的効率の優れた信頼性の高いシステム
を構成することが可能となる。また、空気極12を短絡し
燃料処理系53と熱交換するラインに熱交換量を調整する
ことができる制御手段を備えて当該熱交換量を微調整で
きるように構成していることにより、より一層制度の高
い温度調整を行なわせることが可能となる。
いては、空気処理系51の圧縮空気の一部を燃料電池系52
の燃料電池11の空気極12を短絡するラインを設けて燃料
処理系53のラインと熱交換させるように導くようにして
いることにより、起動過程の昇温時にあつては圧縮空気
の熱を利用して燃料処理系53のガスを温め、また昇温後
にあつてはこの空気極12の短絡量を調節することによつ
て、燃料処理系53のガスを冷却し、且つこの温められた
空気を改質器４の燃焼用空気にも使用するようにしてい
ることにより、熱的効率の優れた信頼性の高いシステム
を構成することが可能となる。また、空気極12を短絡し
燃料処理系53と熱交換するラインに熱交換量を調整する
ことができる制御手段を備えて当該熱交換量を微調整で
きるように構成していることにより、より一層制度の高
い温度調整を行なわせることが可能となる。
以上説明したように本発明によれば、空気を圧縮して
圧縮空気を得る空気処理系と、原燃料および水蒸気の混
合ガスを導入し、かつ水蒸気改質反応によって混合ガス
から改質ガスを生成する燃料処理系と、燃料処理系で生
成された改質ガスを高温および低温の一酸化炭素変成器
を順次介し燃料として燃料極に導入すると共に、空気処
理系で得られた圧縮空気を酸化剤として酸化剤極に導入
し、これらを電気化学的に反応させて電気出力を発生す
る燃料電池系とから成る燃料電池発電システムにおい
て、燃料電池系の酸化剤極の入口側ラインから分岐し
て、当該酸化剤極の出口側ラインに合流するように設け
られた酸化剤極バイパスラインと、合流ラインから延長
して、空気処理系と燃料処理系とを結ぶ空気導入ライン
に合流するように設けられたサブ空気導入ラインと、酸
化剤極バイパスラインに配設された酸化剤極バイパス弁
と、燃料電池系の電気出力を検出してそれに対応した出
力信号を送出する出力検出手段と、出力検出手段からの
出力信号に基づいて、燃料処理系の起動昇温時には所定
の一定の大きさの弁開度信号を、また負荷運転時にはそ
の負荷容量に応じた所定の大きさの弁開度信号を、酸化
剤極バイパス弁に対して与える第１の制御演算手段と、
サブ空気導入ラインに配設され、合流ラインから排出さ
れる酸化剤を、燃料処理系への燃焼用空気として直接サ
ブ空気導入ラインへ導入するか、または燃料処理系の低
温一酸化炭素変成器の入口側に設けた燃料冷却器の冷却
側ラインと熱交換した後にサブ空気導入ラインへ導入す
るように切り替えを行なう三方弁からなる燃料冷却器バ
イパス弁と、低温一酸化炭素変成器の入口側に配設さ
れ、当該入口側のガス温度を検出してそれに対応した出
力信号を送出する温度検出手段と、温度検出手段からの
出力信号に基づいて、燃料処理系の起動昇温時には圧縮
空気で加熱ができるようにオン・オフ制御し、また負荷
運転時には低温一酸化炭素変成器の入口側ガス温度が適
切な温度範囲に収まるように連続制御すべき弁開度信号
を、燃料冷却器バイパス弁に対して与える第２の制御演
算手段とを備えるようにしたので、各系の特徴を活か
し、燃料処理系の昇温と冷却の一部を空気処理系の圧縮
空気を利用して行ない、かつその温められた空気を改質
器の燃焼用空気にも利用して熱的効率の優れた信頼性の
高い燃料電池発電システムが提供できる。
圧縮空気を得る空気処理系と、原燃料および水蒸気の混
合ガスを導入し、かつ水蒸気改質反応によって混合ガス
から改質ガスを生成する燃料処理系と、燃料処理系で生
成された改質ガスを高温および低温の一酸化炭素変成器
を順次介し燃料として燃料極に導入すると共に、空気処
理系で得られた圧縮空気を酸化剤として酸化剤極に導入
し、これらを電気化学的に反応させて電気出力を発生す
る燃料電池系とから成る燃料電池発電システムにおい
て、燃料電池系の酸化剤極の入口側ラインから分岐し
て、当該酸化剤極の出口側ラインに合流するように設け
られた酸化剤極バイパスラインと、合流ラインから延長
して、空気処理系と燃料処理系とを結ぶ空気導入ライン
に合流するように設けられたサブ空気導入ラインと、酸
化剤極バイパスラインに配設された酸化剤極バイパス弁
と、燃料電池系の電気出力を検出してそれに対応した出
力信号を送出する出力検出手段と、出力検出手段からの
出力信号に基づいて、燃料処理系の起動昇温時には所定
の一定の大きさの弁開度信号を、また負荷運転時にはそ
の負荷容量に応じた所定の大きさの弁開度信号を、酸化
剤極バイパス弁に対して与える第１の制御演算手段と、
サブ空気導入ラインに配設され、合流ラインから排出さ
れる酸化剤を、燃料処理系への燃焼用空気として直接サ
ブ空気導入ラインへ導入するか、または燃料処理系の低
温一酸化炭素変成器の入口側に設けた燃料冷却器の冷却
側ラインと熱交換した後にサブ空気導入ラインへ導入す
るように切り替えを行なう三方弁からなる燃料冷却器バ
イパス弁と、低温一酸化炭素変成器の入口側に配設さ
れ、当該入口側のガス温度を検出してそれに対応した出
力信号を送出する温度検出手段と、温度検出手段からの
出力信号に基づいて、燃料処理系の起動昇温時には圧縮
空気で加熱ができるようにオン・オフ制御し、また負荷
運転時には低温一酸化炭素変成器の入口側ガス温度が適
切な温度範囲に収まるように連続制御すべき弁開度信号
を、燃料冷却器バイパス弁に対して与える第２の制御演
算手段とを備えるようにしたので、各系の特徴を活か
し、燃料処理系の昇温と冷却の一部を空気処理系の圧縮
空気を利用して行ない、かつその温められた空気を改質
器の燃焼用空気にも利用して熱的効率の優れた信頼性の
高い燃料電池発電システムが提供できる。
【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の燃料電池発電システムの一実施例を示
す構成図、第２図および第３図は第１図における第１お
よび第２の制御演算器を示すブロツク図である。 １……タービン・コンプレツサ、２……コンプレツサ、
３……タービン、４……改質器、５……HTS、６……LT
S、７……水蒸気分離器、８……原燃料予熱器、９……
燃料冷却器、10……再循環送風機、11……燃料電池、12
……空気極、13……燃料極、14……水蒸気分離器、21…
…空気極バイパス弁、22……燃料冷却器バイパス弁、23
……改質器空気流量調節弁、24……空気流量調節弁、25
……燃料流量調節弁、26……分離水調節弁、27……原燃
料流量調節弁、28……水蒸気流量調節弁、29……原燃料
ライン、30……水蒸気ライン、31……改質管、32……窒
素ライン、33……しや断弁、34……調節弁（改質器パイ
ロツトバーナ燃料流量調節弁）、35……しや断弁、36…
…調節弁、41……燃料電池出力検出器、42……第１の制
御演算器、42A……流量設定器、42B……第１のPID演算
器、43……温度検出器、44……第２の制御演算器、44A
……比較器、44B……第２のPID演算器、44C……接点、4
4D……オン・オフ指令器、44E……接点制御器、51……
空気処理系、52……燃料電池系、53……燃料処理系。
す構成図、第２図および第３図は第１図における第１お
よび第２の制御演算器を示すブロツク図である。 １……タービン・コンプレツサ、２……コンプレツサ、
３……タービン、４……改質器、５……HTS、６……LT
S、７……水蒸気分離器、８……原燃料予熱器、９……
燃料冷却器、10……再循環送風機、11……燃料電池、12
……空気極、13……燃料極、14……水蒸気分離器、21…
…空気極バイパス弁、22……燃料冷却器バイパス弁、23
……改質器空気流量調節弁、24……空気流量調節弁、25
……燃料流量調節弁、26……分離水調節弁、27……原燃
料流量調節弁、28……水蒸気流量調節弁、29……原燃料
ライン、30……水蒸気ライン、31……改質管、32……窒
素ライン、33……しや断弁、34……調節弁（改質器パイ
ロツトバーナ燃料流量調節弁）、35……しや断弁、36…
…調節弁、41……燃料電池出力検出器、42……第１の制
御演算器、42A……流量設定器、42B……第１のPID演算
器、43……温度検出器、44……第２の制御演算器、44A
……比較器、44B……第２のPID演算器、44C……接点、4
4D……オン・オフ指令器、44E……接点制御器、51……
空気処理系、52……燃料電池系、53……燃料処理系。
Claims (1)
- 【請求項１】空気を圧縮して圧縮空気を得る空気処理系
と、原燃料および水蒸気の混合ガスを導入し、かつ水蒸
気改質反応によって前記混合ガスから改質ガスを生成す
る燃料処理系と、前記燃料処理系で生成された改質ガス
を高温および低温の一酸化炭素変成器を順次介し燃料と
して燃料極に導入すると共に、前記空気処理系で得られ
た圧縮空気を酸化剤として酸化剤極に導入し、これらを
電気化学的に反応させて電気出力を発生する燃料電池系
とから成る燃料電池発電システムにおいて、 前記燃料電池系の酸化剤極の入口側ラインから分岐し
て、当該酸化剤極の出口側ラインに合流するように設け
られた酸化剤極バイパスラインと、 前記合流ラインから延長して、前記空気処理系と燃料処
理系とを結ぶ空気導入ラインに合流するように設けられ
たサブ空気導入ラインと、 前記酸化剤極バイパスラインに配設された酸化剤極バイ
パス弁と、 前記燃料電池系の電気出力を検出してそれに対応した出
力信号を送出する出力検出手段と、 前記出力検出手段からの出力信号に基づいて、前記燃料
処理系の起動昇温時には所定の一定の大きさの弁開度信
号を、また負荷運転時にはその負荷容量に応じた所定の
大きさの弁開度信号を、前記酸化剤極バイパス弁に対し
て与える第１の制御演算手段と、 前記サブ空気導入ラインに配設され、前記合流ラインか
ら排出される酸化剤を、前記燃料処理系への燃焼用空気
として直接前記サブ空気導入ラインへ導入するか、また
は前記燃料処理系の低温一酸化炭素変成器の入口側に設
けた燃料冷却器の冷却側ラインと熱交換した後に前記サ
ブ空気導入ラインへ導入するように切り替えを行なう三
方弁からなる燃料冷却器バイパス弁と、 前記低温一酸化炭素変成器の入口側に配設され、当該入
口側のガス温度を検出してそれに対応した出力信号を送
出する温度検出手段と、 前記温度検出手段からの出力信号に基づいて、前記燃料
処理系の起動昇温時には前記圧縮空気で加熱ができるよ
うにオン・オフ制御し、また負荷運転時には前記低温一
酸化炭素変成器の入口側ガス温度が適切な温度範囲に収
まるように連続制御すべき弁開度信号を、前記燃料冷却
器バイパス弁に対して与える第２の制御演算手段と、 を備えて成ることを特徴とする燃料電池発電システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59063727A JP2557336B2 (ja) | 1984-03-31 | 1984-03-31 | 燃料電池発電システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59063727A JP2557336B2 (ja) | 1984-03-31 | 1984-03-31 | 燃料電池発電システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60208066A JPS60208066A (ja) | 1985-10-19 |
| JP2557336B2 true JP2557336B2 (ja) | 1996-11-27 |
Family
ID=13237720
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59063727A Expired - Lifetime JP2557336B2 (ja) | 1984-03-31 | 1984-03-31 | 燃料電池発電システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2557336B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0824050B2 (ja) * | 1986-07-18 | 1996-03-06 | 株式会社日立製作所 | 燃料電池発電システムの運転方法 |
| JPS63230503A (ja) * | 1987-03-20 | 1988-09-27 | Hitachi Ltd | 改質系の昇温方法 |
-
1984
- 1984-03-31 JP JP59063727A patent/JP2557336B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60208066A (ja) | 1985-10-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6294278B1 (en) | Combination of low and high temperature fuel cell device | |
| JP2004207241A (ja) | 空気及び燃料の流れを再循環させる燃料電池一体型ハイブリッド発電装置 | |
| KR20060044624A (ko) | 통합형 연료 전지-가스 터빈 시스템 | |
| JPWO2003038934A1 (ja) | 燃料電池システム | |
| JPS60195880A (ja) | 固体電解質燃料電池発電システム | |
| JP2557336B2 (ja) | 燃料電池発電システム | |
| JPH0824049B2 (ja) | 燃料電池発電システム | |
| JPH10106607A (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池発電装置 | |
| JPS62278764A (ja) | 燃料電池発電プラント | |
| JPH09147897A (ja) | 固体高分子型燃料電池 | |
| JP3986430B2 (ja) | 固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システム | |
| JP2825285B2 (ja) | 燃料電池発電システム | |
| JP3211505B2 (ja) | 溶融炭酸塩型燃料電池発電装置のアノード入口温度制御方法 | |
| JPS628460A (ja) | 燃料電池発電システム | |
| KR102548739B1 (ko) | 열효율이 우수한 연료전지 시스템 | |
| WO2022113397A1 (ja) | 燃料電池システム | |
| JP3467759B2 (ja) | 改質器の出口温度制御方法 | |
| JPS62222571A (ja) | 燃料電池発電プラント | |
| JPS63254677A (ja) | 燃料電池発電システム | |
| JPS63254675A (ja) | 燃料電池発電システム | |
| JPS63279576A (ja) | 溶融炭酸塩型燃料電池のカソ−ドリサイクル装置 | |
| JPS62285366A (ja) | 燃料電池発電システム | |
| JPH06333585A (ja) | 燃料電池発電装置の起動運転方法及び装置 | |
| JPS6220256A (ja) | 燃料電池発電プラント | |
| JP2023039931A (ja) | 燃料電池システム |