JPH0239441B2 - - Google Patents

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JPH0239441B2
JPH0239441B2 JP58089367A JP8936783A JPH0239441B2 JP H0239441 B2 JPH0239441 B2 JP H0239441B2 JP 58089367 A JP58089367 A JP 58089367A JP 8936783 A JP8936783 A JP 8936783A JP H0239441 B2 JPH0239441 B2 JP H0239441B2
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    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
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Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ この発明は、燃料電池に水素を供給する改質反
応器の制御装置に関するものである。
［従来技術］ 従来、この種の改質反応制御装置として第１図
に示すものがあつた。この装置は改質反応器２及
びバーナ３を有する燃料改質装置１、流量計６
ａ，６ｂ，６ｃ、調節弁７ａ，７ｂ，７ｃ、電流
計８、流量調節器９ａ，９ｂ，９ｃ、上記電流計
８で計測した燃料電池４の負荷５への出力に応じ
て必要な改質ガス流量及び原料である天然ガス流
量を計算し、各々の流量調節器９ａ，９ｃに設定
値を与える演算器１０、演算器１０で計算した天
然ガス流量設定値より定められたスチームカーボ
ン比でスチーム流量を計算する比率設定器１１等
からなる。
次にこの装置の動作について説明する。燃料改
質装置１は原料である天然ガスとスチームから水
素濃度の高い改質ガスを製造する。また通常、燃
料改質装置１は複数の反応器及び熱交換器で構成
されるが、水素製造で重要な役目を担うのが改質
反応器２である。改質反応器２はニツケル系触媒
を充填した反応器で、上記改質反応は動作温度
800℃程度において激しい吸熱反応であるため、
すなわち生成成分のモル数が原料成分のモル数よ
り増加する吸熱反応のため外側からバーナ３で加
熱し動作温度を補償する必要がある。燃料改質装
置１で製造された改質ガスは燃料電池４のアノー
ドに供給される。燃料電池４は上記改質ガス中の
水素と別途にカソードに供給された空気中の酸素
から直流の電気出力を発生し負荷５に所要の電流
が流れる。一方燃料電池４のアノード排ガスは、
未反応水素及びその他の可燃性ガスを含んでいる
ため、燃料改質装置１のバーナ３で燃焼させるシ
ステム効率を向上させている。
次にこの装置におけるシステム制御系の動作に
ついて説明する。原料ガスである天然ガス（一般
的に燃料ガス）、スチーム及び製造ガスである改
質ガスの各流量は流量計６ａ，６ｂ，６ｃを検出
器とし、調節弁７ａ，７ｂ，７ｃを操作端、流量
調節器９ａ，９ｂ，９ｃを調節器としてフイード
バツク制御される。一方燃料電池４の直流電流出
力を電流計８で検出し、負荷に応じて必要な改質
ガス流量、さらに必要な天然ガス流量を演算器１
０で計算し調節器９ａ，９ｃに設定値として与え
る。また、上記天然ガス流量の設定値をもとにし
て比率設定器１１で定められたスチームカーボン
比から必要なスチーム流量を計算し調節器９ｂに
設定値として与える。このように燃料改質装置１
は負荷５に応じて制御される原料流量制御系と改
質ガス流量制御系を通じて制御される。
従来の改質反応制御装置は以上のように構成さ
れているので、負荷急減時に天然ガス、スチーム
及び改質ガスの各調節弁開度が急激に減少し、さ
らに過渡的に反応器圧力が上昇して反応量すなわ
ち吸熱量が上記操作に伴つて急激に減少するた
め、燃料改質装置における改質反応器の温度が局
所的に急上昇して材料の限界温度を越えたり、あ
るいは反応温度の定値制御特性が低下するなどの
欠点があつた。また、一般的に炉構造の反応器は
温度に対する時定数が大きいため、負荷急減時に
フイードフオワード操作量を反応器温度制御系に
与えたとしても、その応答速度を高めるには実用
上限度があり、装置保護のため負荷急減時の調節
弁絞り速度に制限を加える必要があり、システム
の運転効率を低下させるなどの欠点があつた。
［発明の概要］ この発明は上記のような従来装置の欠点を除去
するためになされたもので、燃料電池の負荷急減
時に、改質反応器の圧力を過渡的に低下させて、
改質反応器の反応率を上昇させ、これにより吸熱
量を増大させて、改質反応器の温度急上昇を抑制
しようとするものである。
［発明の実施例］ 以下、この発明の一実施例を図について説明す
る。第２図において１〜１１は従来装置と同様で
ある。１２は改質反応器の温度検出器、１３は改
質反応器の圧力検出器、１４は燃料電池４の電流
出力の変化率測定器、１５は上記温度検出器１
２、圧力検出器１３及び変化率測定器１４からの
信号をもとに過渡的な圧力設定を行う反応圧力調
節器、１６は反応圧力調節器１５からの信号で調
節弁７ｃを過渡的に流量調節器９ｃの操作信号か
ら切り離す切換器である。図において実線はガス
の流れ、破線は信号の流れを示す。
次に本発明装置の動作について説明する。通常
の運転状態における動作は従来例と同じである。
負荷変化時は、その変化率を電流計８の直流電流
値の変化率として変化率測定器１４でモニタし、
モニタ結果を反応圧力調節器１５で転送する。反
応圧力調節器１５は一般的なフイードバツク調節
機構に加えて複数のアナログ補助信号入力機能、
デジタル信号出力機能及び判断機能を備える。負
荷減少率があらかじめ測定した改質反応器２の温
度応答データをもとに決定した限界減少率（反応
圧力調節器１５に入力済）を越えた場合、反応圧
力調節器１５は圧力検出器１３からの信号をもと
に最適な現状より低い圧力設定値を演算して切換
器１６にデジタル信号を出力して切り換え、調節
弁７ｃを上記圧力設定値となるように直接操作し
（調節弁７ｃの開度を大きくし）反応圧力を低く
設定する。さらに反応圧力調節器１５は改質ガス
流量調節器９ｃに現状の操作量を転送する。
一方、演算器１０、比率設定器１１により天然
ガス、スチームの流量を絞る操作は従来例と同じ
である。上記操作により負荷急減時に改質反応器
２の温度制御系（図示せず）が充分追随可能な程
度に温度上昇を緩和するので、温度検出器１２の
信号より改質反応器２の温度応答が整定し出す時
点例えば一定時間後で反応圧力調節器１５は切換
器１６を使用して調節弁７ｃの操作を停止し、調
節弁７ｃは従来例通り調節器９ｃにより制御され
る。調節器９ｃには反応圧力調節器１５から絶え
ず調節弁７ｃに対する操作量が同時に転送されて
いるので、切り換え直前の操作量を初期値として
滑らかに調節弁７ｃを操作し出すこと（バンプレ
スな切り換え）が可能である。
このようにして、燃料改質装置における改質反
応器の温度の急上昇及び局所的な温度上昇を緩和
し、改質反応器の構成材料の保護が容易になる。
従つて、過渡的な温度上昇が緩和されるので、改
質反応器の定常時における反応温度の定値制御特
性を一層厳しくして向上させることができ、それ
だけシステム効率を高めることができるようにな
る。
次に理論的背景を説明する。改質反応器２で進
行する反応は一般的に以下の(1)及び(2)式で示され
る複合反応である： CH4＋H2O＝CO＋3H2 …(1) CO＋H2O＝CO2＋H2 …(2) (1)及び(2)式の平衡定数K1、K2をそれぞれ以下
に示す： K1＝nCOn3／H2／nCH4nH2O（Ｐ／Σn）2 K2＝nCO2nH2／nCOnH2O ここでnH2、nCO、nCO2、nCH4、nH2Oは各成分のモ
ル数、Σnは総モル数、Ｐは全圧力を表わす。従
つて反応圧力を低下させると(1)式の反応は右向き
に平衡点がずれ、すなわちメタンの反応率が上昇
するので吸熱量が増加する。
この模様を現わしたのが第３図であり、第３図
ａ〜ｅは、負荷、調節弁７ａの開度、改質反応器
２の圧力、メタン反応率、及び改質反応器２の温
度の時間的変化をそれぞれ示し、実線はこの発明
の動作現象を、破線は従来例の動作現象を示す。
なお、この発明は燃料電池に関するものである
が、参考として、この装置は、アンモニアプラン
トなど同じプロセスを使用して水素を製造する装
置にも適用でき、また広く高温動作で吸熱反応を
進行させる反応装置に適用できるものである。
［発明の効果］ 以上のように、この発明の燃料電池の改質反応
制御装置は、吸熱反応に基づく燃料改質装置、燃
料改質装置へ導入される燃料ガス流量とスチーム
流量を負荷に応じて制御する原料流量制御系、燃
料改質装置から導出される改質ガス流量を負荷に
応じて制御する改質ガス流量制御系、負荷の変化
率を測定する変化率測定器、燃料改質装置の圧力
を検出する圧力検出器、並びに上記変化率測定器
及び圧力検出器からのそれぞれの信号を基に、燃
料改質装置の過渡的な圧力設定値を演算する反応
圧力調節器を有し、この反応圧力調節器で燃料改
質装置の圧力を負荷が所定の限界減少率を越えた
時に過渡的に定常圧力設定値より低く制御する反
応圧力制御系を備えたので、改質反応器の温度上
昇率及び局所的な温度上昇を緩和し、改質反応器
の構成材料の保護を容易にし、さらに反応温度の
定値制御特性を向上させシステム効率を高める効
果がある。
【図面の簡単な説明】
第１図は従来の改質反応制御装置のブロツク
図、第２図はこの発明の一実施例による改質反応
制御装置のブロツク図、第３図はこの発明を実施
した燃料電池の動作現象を、従来例と対比して示
す波形図である。 １……燃料改質装置、２……改質反応器、３…
…バーナ、４……燃料電池、５……負荷、６ａ，
６ｂ，６ｃ……流量計、７ａ，７ｂ，７ｃ……調
節弁、８……電流計、９ａ，９ｂ，９ｃ……流量
調節器、１０……演算器、１１……比率設定器、
１２……温度検出器、１３……圧力検出器、１４
……変化率測定器、１５……反応圧力調節器、１
６……切換器。なお、各図中、同一符号は同一、
又は相当部分を示す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 吸熱反応に基づく燃料改質装置、燃料改質装
    置へ導入される燃料ガス流量とスチーム流量を負
    荷に応じて制御する原料流量制御系、燃料改質装
    置から導出される改質ガス流量を負荷に応じて制
    御する改質ガス流量制御系、負荷の変化率を測定
    する変化率測定器、燃料改質装置の圧力を検出す
    る圧力検出器、並びに上記変化率測定器及び圧力
    検出器からのそれぞれの信号を基に、燃料改質装
    置の過渡的な圧力設定値を演算する反応圧力調節
    器を有し、この反応圧力調節器で燃料改質装置の
    圧力を負荷が所定の限界減少率を越えた時に過渡
    的に定常圧力設定値より低く制御する反応圧力制
    御系を備えた燃料電池の改質反応制御装置。 ２ 変化率測定器は、燃料電池の電流出力の変化
    率を測定する電流変化率測定器である特許請求の
    範囲第１項記載の燃料電池の改質反応制御装置。
JP58089367A 1983-05-19 1983-05-19 燃料電池の改質反応制御装置 Granted JPS59213601A (ja)

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