JP3557904B2 - 燃料改質器の運転方法及び燃料電池発電システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電システム等に用いられる水素製造用の燃料改質器の運転方法及びこれを用いる燃料電池発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、従来のこの種の燃料改質器の運転方法を示すガス給排系統の基本構成図である。
本図において、１は燃料改質器、２はＣＯ変成器であり、３は、改質して得られた水素の一部を燃料改質器１に付設の燃焼器１ａへ供給する燃焼水素ライン７に組み込まれた水素量調整用の燃焼水素流量調整弁、４は、供給水素流量を検出する燃焼水素流量計、５は、燃料改質器１の温度を検出する燃料改質器温度計、６は、燃焼水素流量計４と燃料改質器温度計５の検出出力を入力し、設定条件に基づいて燃焼水素流量調整弁３に制御信号を送る燃焼水素流量調節器である。また、７は、改質して得られた水素を利用装置に供給する生成水素ラインで、燃料電池発電システムの場合には燃料電池本体の燃料極へ送られる。
【０００３】
炭化水素等の原燃料を、スチームと混合して、改質触媒を内蔵した燃料改質器１に導入し改質反応を生じさせると、水素ガスが生成される。しかしながらこのようにして生成されたガスには活性の強いＣＯが含まれるので、さらにＣＯ変成器２を通してＣＯをＣＯ_２ へと変成させたのち、高濃度の水素を含むガスとして利用している。また、上記の改質触媒による改質反応は吸熱反応であるため、改質反応を持続させるためには吸熱に見合う熱量を連続して供給する必要がある。したがって、改質して得られた水素の一部を燃焼水素ライン７を通して燃料改質器１に付設の燃焼器１ａへと供給し、別途供給する空気と反応させて燃焼させ、この燃焼熱によって所要の熱量を賄う方法が採られており、燃焼水素流量調節器６によって燃焼水素流量調整弁３を制御し、供給水素流量を調整して改質器温度を設定値に保持する方法が用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の燃料改質器の運転方法においては、上記のごとく、生成された水素ガスの一部を燃焼器１ａへと供給し、その流量を調整して改質器温度を設定値に保持し、改質反応を行う方法が採られている。
しかしながら、本運転方法においては、燃焼器１ａへ供給する水素量を調整するために燃焼水素流量調整弁３の弁開度を調整すると、燃焼水素ライン７の圧力が変動するので、燃焼水素の流量が不安定となるという難点があり、また、例えば原燃料の導入量の変動とか、生成水素ライン８に連結された利用装置の運転状態の変動等の燃料改質器の運転条件の変動によって、燃焼水素ライン７および生成水素ライン８の背圧が変化すると、燃焼水素の流量を設定値通りに調整することができないという問題点があった。
【０００５】
したがって、このような方法により運転する燃料改質器を備えた燃料電池発電システムにおいては、燃料電池本体の燃料極へ送られる生成水素の流量が不安定となるという問題点があった。
本発明の目的は、上記のごとき難点を解消し、燃焼器に供給される燃焼水素流量が安定して制御され、生成水素が安定して生成される燃料改質器の運転方法を提供し、さらに、組み込んだ燃料改質器より燃料電池本体の燃料極へと安定して水素が供給され、安定して運転できる燃料電池発電システムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、
（１）炭化水素等の原燃料を導入し、改質触媒による改質反応によって水素に改質するとともに、得られた水素の一部を付設した燃焼器へ供給して燃焼させ、燃焼熱によって前記の改質反応に伴って消費される熱量を賄うよう形成された燃料改質器を、燃焼器に供給する水素の供給圧力を所定の設定圧力に制御し、燃焼器に供給する水素の供給流量を調整して燃料改質器の温度を設定値に制御して運転することとする。
【０００７】
（２）さらに、上記の（１）において、設定圧力を改質器の負荷に比例した設定圧力とすることとする。
（３）また、炭化水素等の原燃料を導入し、改質触媒による改質反応によって水素に改質するとともに、得られた水素の一部を付設した燃焼器へ供給して燃焼させ、燃焼熱によって改質反応に伴って消費される熱量を賄うよう形成された燃料改質器を有する燃料電池発電システムに、
燃料改質器で改質された水素を燃料電池に供給する生成水素ラインより分岐して、水素の一部を前記の燃焼器へ供給する燃焼水素ラインを備え、さらにその燃焼水素ラインに、その燃焼水素ラインを通流する水素の流量を調整する燃焼水素流量調整弁と、元圧を調整する燃焼水素元圧調整弁を備え、
燃焼水素元圧調整弁と燃焼水素流量調整弁との間に設けられた燃焼水素元圧計の検出値が所定の設定値となるよう燃焼水素元圧調整弁が制御されるよう構成する。
【０００８】
（４）さらに、上記の（３）の燃料電池発電システムにおいて、生成水素ラインに、この生成水素ラインを通流する水素流量を検出する生成水素流量計を備え、前記の燃焼水素元圧計の検出値がこの生成水素流量計の検出値に対応して予め設定された設定値、例えば生成水素流量計の検出値に比例するよう設定された設定値となるように、前記の燃焼水素元圧調整弁が制御されるよう構成する。
【０００９】
上記の（１）のごとく、燃焼器に供給する水素の供給圧力を所定の設定圧力に制御し、この条件下において水素の供給流量を調整することとすれば、水素の供給流量を調整するために流量調整弁の弁開度の調整を行っても、供給圧力に影響を及ぼすことがなく、供給圧力は所定の設定圧力に保持される。したがって、従来例に見られたような圧力変動による制御不能な事態に陥る恐れがなく、燃焼器への水素供給流量が容易に、かつ安定して調整され、燃料改質器の温度が設定値に制御できることとなる。
【００１０】
また、燃料改質器の負荷、すなわち生成水素量が変化すれば、燃焼器の所要発熱量、したがって、水素の所要供給流量が変化し、流量に比例して各部の圧力損失が変化するので、燃焼器内部の圧力、燃焼器に供給する水素や生成水素の供給圧力に影響を及ぼす。このため、上記の（１）の燃焼器に供給する水素供給圧力の設定圧力を負荷によらず一定圧力に設定して制御すると、負荷が高くなるほど、燃焼器内部の圧力損失、水素の供給流量を検出する流量計や流量調整弁の圧力損失が増大するので、負荷の値によっては、流量調整弁を全開にしても所定の流量が得られない事態となる恐れがあり、高負荷を見越して水素供給圧力の設定圧力を高い圧力に設定すると、低負荷となったとき流量調整弁の所要の弁開度が微少になり過ぎて流量調整が不安定になる可能性がある。
【００１１】
したがって、上記の（２）のごとく、設定圧力を改質器の負荷に比例した設定圧力とすることとし、最大負荷においても、また最小負荷においても流量調整弁が調整可能範囲となる圧力に調整して運転すれば、燃焼器への水素供給流量が安定して調整され、燃料改質器の温度が設定値に制御できることとなる。
また、上記の（３）あるいは（４）のごとく燃料電池発電システムを構成すれば、組み込まれた燃料改質器が上記の（１）あるいは（２）のごとく運転できることとなる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
＜実施例１＞
図１は、本発明の燃料改質器の運転方法の第１の実施例を示すガス給排系統の基本構成図である。本図において、図４に示した従来例のガス給排系統に用いられている構成部品と同様の機能を有する構成部品には同一符号が附されており、重複する説明は省略する。
【００１３】
本図の構成の図４に示した従来例との相違点は、ＣＯ変成器２の出口の近傍に燃焼水素元圧計９が、また、生成水素ライン８の上流端に燃焼水素元圧調整弁１０が組み込まれ、さらに元圧調節器１１が配されていることにある。本構成においては、燃焼水素元圧計９によって燃焼水素ライン７と生成水素ライン８の元圧を検出し、その検出信号を元圧調節器１１に入力し、検出値が所定の設定値となるよう燃焼水素元圧調整弁１０に制御信号を出力することによって、燃焼水素ライン７の元圧が所定の圧力に調整される。したがって、燃焼水素ライン７を通して燃焼器１ａへと供給する燃焼水素の流量を調整するために燃焼水素流量調整弁３の弁開度を変化させても、燃焼水素ライン７の元圧は変化することなく一定に保持されるので、燃焼水素流量調整弁３は安定して作動し、所要の流量の燃焼水素が燃焼器１ａへと供給され、燃料改質器１は所定の温度に制御されて安定して運転されることとなる。
【００１４】
＜実施例２＞
図２は、本発明の燃料改質器の運転方法の第２の実施例を示すガス給排系統の基本構成図である。本実施例の特徴は、生成水素ライン８に組み込まれた生成水素流量計１２の検出信号を元圧調節器１１Ａに送り、燃焼水素元圧計９で検出された検出圧力が、生成水素流量計１２で検出された生成水素の流量、すなわち燃料改質器の負荷に対応して設定した圧力となるように、元圧調節器１１Ａより燃焼水素元圧調整弁１０へと制御信号を送り、燃焼水素ライン７の元圧を制御している点にある。
【００１５】
すなわち、元圧調節器１１Ａでは、図３に示したごとく、設定圧力が燃料改質器の負荷に比例するよう定められ、この設定圧力となるよう燃焼水素ライン７の元圧を制御している。したがって、生成水素の流量が多量で、燃焼器１ａに送られる燃焼水素の流量が増大し、燃焼水素流量計４や燃焼水素流量調整弁３の圧力損失が高くなる場合にあっても、燃焼水素ライン７の元圧は生成水素の流量に比例して高い圧力に調整されるので、燃焼水素流量調整弁３に許容される圧力損失は過小とならず、安定して流量調整できる。また、生成水素の流量が少量となっても、燃焼水素流量調整弁３に許容される圧力損失は過大とならず、安定して流量調整できることとなる。
【００１６】
なお、図２に示した構成では、生成水素ライン８に組み込まれた生成水素流量計１２により生成水素の流量を検出して負荷を検知しているが、ＣＯ変成器２の出口における生成水素の流量、すなわち外部の利用装置に送る生成水素と燃焼器１ａに送られる燃焼水素の総和を検出して負荷を検知することとしてもよく、また、燃料改質器１に導入する原燃料の流量を検出して負荷を検知することとしてもよい。
【００１７】
【発明の効果】
上述のように、本発明においては、
（１）燃料改質器を、請求項１に記載のごとく運転することとしたので、燃焼器に供給される燃焼水素流量が安定して制御され、生成水素が安定して生成されることとなった。
【００１８】
（２）さらに、請求項２に記載のごとく運転することとすれば、負荷の変動がある場合にあっても、燃焼水素流量が安定して制御され、生成水素が安定して生成されることとなる。
（３）また、燃料電池発電システムを請求項３、４、あるいは５に記載のごとく構成すれば、組み込まれた燃料改質器が上記の（１）あるいは（２）のごとく運転できることとなり、燃料電池本体の燃料極へ水素が安定して供給されるので、安定して発電運転のできる燃料電池発電システムとして好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料改質器の運転方法の第１の実施例を示す燃料改質器のガス給排系の基本構成図
【図２】本発明の燃料改質器の運転方法の第２の実施例を示す燃料改質器のガス給排系の基本構成図
【図３】本発明の燃料改質器の運転方法の第２の実施例の元圧調整器における圧力設定条件を示す特性図
【図４】従来の燃料改質器の運転方法を示す燃料改質器のガス給排系の基本構成図
【符号の説明】
１ 燃料改質器
２ ＣＯ変成器
３ 燃焼水素流量調節弁
４ 燃焼水素流量計
５ 燃料改質器温度計
６ 燃焼水素流量調節器
７ 燃焼水素ライン
８ 生成水素ライン
９ 燃焼水素元圧計
１０ 燃焼水素元圧調整弁
１１ 元圧調整器
１１Ａ 元圧調整器

Claims (5)

1. 炭化水素等の原燃料を導入し、改質触媒による改質反応によって水素に改質するとともに、得られた水素の一部を付設した燃焼器へ供給して燃焼させ、燃焼熱によって前記の改質反応に伴って消費される熱量を賄うよう形成された燃料改質器の運転方法において、
   付設した燃焼器に供給する水素の供給圧力を所定の設定圧力に制御し、かつ、燃焼器に供給する水素の供給流量を調整して燃料改質器の温度を設定温度に制御して運転することを特徴する燃料改質器の運転方法。
2. 燃焼器に供給する水素の供給圧力の前記の設定圧力を、改質器の負荷に比例した設定圧力とすることを特徴する請求項１に記載の燃料改質器の運転方法。
3. 炭化水素等の原燃料を導入し、改質触媒による改質反応によって水素に改質するとともに、得られた水素の一部を付設した燃焼器へ供給して燃焼させ、燃焼熱によって前記の改質反応に伴って消費される熱量を賄うよう形成された燃料改質器を有する燃料電池発電システムにおいて、
   前記燃料改質器で改質された水素を燃料電池に供給する生成水素ラインより分岐し、前記水素の一部を前記燃焼器へ供給する燃焼水素ラインを有し、
   前記燃焼水素ラインには、当該燃焼水素ラインを通流する水素の流量を調整する燃焼水素流量調整弁を有し、
   前記燃焼水素ラインには、燃焼水素元圧調整弁を有し、
   当該燃焼水素元圧調整弁と前記燃焼水素流量調整弁との間に設けられた燃焼水素元圧計の検出値が所定の設定値となるよう当該燃焼水素元圧調整弁が制御されてなることを特徴とする燃料電池発電システム。
4. 前記生成水素ラインには、当該生成水素ラインを通流する水素流量を検出する生成水素流量計を有し、
   前記燃焼水素元圧計の検出値が当該生成水素流量計の検出値に対応して予め設定された設定値となるように、前記燃焼水素元圧調整弁が制御されてなることを特徴とする請求項３記載の燃料電池発電システム。
5. 前記設定値が、前記生成水素流量計の検出値に比例するよう設定されていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池発電システム。

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