JPH03108270A

JPH03108270A - 燃料電池発電システム

Info

Publication number: JPH03108270A
Application number: JP1243395A
Authority: JP
Inventors: Takashi Amamiya; 隆雨宮
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-09-21
Filing date: 1989-09-21
Publication date: 1991-05-08
Anticipated expiration: 2013-11-18
Also published as: JP2825285B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的コ（産業上の利用分野）本発明は、短い起動時間が得られるように構成した燃料
電池発電システムに関するものである。

（従来の技術）近年実用化が進んでいる燃料電池発電システムは、水素
等の燃料の有しているエネルギーを燃料電池内で生じる
電気化学的反応により、直接電気エネルギーに変換する
ので、上記燃料と空気等の酸化剤が燃料電池に供給され
ている限り、高い変換効率で電気エネルギーを取出すこ
とができる利点を有している。

この種の燃料電池発電システムにおい、では、燃料電池
用の燃料としての水素ガスを、メタン等の炭化水素系原
料ガスを水蒸気改質して生成させるため、燃料改質装置
を備えることが多い。この様な燃料改質装置に使用され
る改質器は、内部に改質反応触媒層が設けられた改質反
応管を備え、その内側に原料ガス及び水蒸気の混合ガス
を導入し、かつ」二記改質管の外側を燃焼室で得られた
高温加熱ガスを通過させることによって上記原料ガスを
水素リッチな改質ガスに改質し、さらに一酸化炭素変成
器を経由させることにより、より水素濃度の高い改質ガ
スとした」二で、燃料電池へ供給している。

第４図は、この様な燃料改質装置を備えた燃料電池発電
システムの構成例を示すものである。図において、燃料
改質器１の内部には、改質反応触媒層が設けられた改質
反応管２と、燃焼用燃料ライン３及び燃焼用空気ライン
４を通して供給される燃焼用燃料及び燃焼用空気を、燃
焼室６内で燃焼させるバーナー７とが設けられている。

前記改質反応管２には、その内部に原料ガスを供給する
ための燃料ガス供給装置８と、水蒸気を供給するだめの
水蒸気供給装置９とが、それぞれ供給弁１５及び１６を
介して接続されている。この改質器１においては、」二
記燃焼室６で得られた高温加熱ガスを改質反応管２の外
側を通過させることにより、約６００〜８００℃の高温
で、前記原料ガスを改質ガスに改質している。

改質器１の後段には、前記改質ガスをより水素濃度の高
い改質ガスに変成するため、運転温度が約４００℃の高
温一酸化炭素変成器１０と、運転温度が約２００℃の低
温一酸化炭素変成器１１が設けられ、この改質ガスを凝
縮器１３及び水分分離器２０を介してガス中の水分を除
去した後、燃料電池１２の燃料極１２ａに燃料として供
給するようになっている。なお、この燃料供給ライン」
−には、燃料供給弁５が設けられている。一方、燃料電
池１２の空気極１２ｂには、空気供給弁１４を介して空
気が供給される。

更に、改質器の改質反応管２、高温一酸化炭素変成器１
０及び低温一酸化炭素変成器１１のそれぞれの入口部分
には、それぞれ熱交換器１１〜１８が設けられており、
改質器や変成器などに導入されるガスの温度をそれぞれ
の反応に適切なレベルとなるよう調整している。例えば
、改質器入口の熱交換器１７は、原料ガスと水蒸気の混
合ガスに対し加熱器として鋤き、他の熱交換器１８．１
９は改質ガスに対して冷却器として働く。

一方、第４図に示されるガス循環ブロア２１は、燃料電
池発電システムの起動に伴う燃料改質系の昇温時及びシ
ステム停止に伴う高温時に使用されるものである。即ち
、この様な燃料電池発電システムの起動昇温時において
は、原料ガスと水蒸気の供給弁１５．１６と、燃料電池
への燃料供給弁５を閉じたまま、窒素等の不活性ガスを
その供給ライン２２より燃料改質系に供給して封入し、
ガス循環ブロア２１を回転させつつ改質器のバーナー７
を燃焼して、この燃焼熱を不活性の循環ガスに与えるこ
とで、上述した一連の燃料改質系の機器を次第に加熱し
、昇温するのである。このようにして、改質器１、一酸
化炭素変成器１０．１１及び各熱交換器が改質反応に適
切な温度レベルまで昇温した後、はじめて原料ガス及び
水蒸気が供給弁１５．１６を介して供給され、改質が開
始されることになる。一方、システム停止に伴う燃料改
質系の降温時においては、改質器のバーナを消化して改
質を停止した後、改質系に残留する改質ガスを窒素など
の不活性ガスで置換した上、ガス循環ブロア２１を回転
させつつ改質系の循環冷却を行なう。この時、改質系の
機器の残留熱分を循環ガスが凝縮器１３まで運び、ここ
で冷却させることにより、熱を廃棄するのである。この
状態を、各部の温度レベルが十分低下するまで継続する
ことで、改質系の降温か行われる。

（発明が解決しようとする課題）しかし、上記のような従来の燃料電池発電システムにお
ける燃料改質系の構造と、システム起動時の昇温方法に
おいては、以下に述べるような解決すべき課題があった
。

即ち、システムがＭＷクラス以」二の大型大容量のもの
になるほど、燃料改質系に含まれる改質器反応管の触媒
層及び一酸化炭素変成器の触媒層の量が大きくなるため
、燃料改質系の熱容量も増大する。このため、第４図に
示すした様な従来技術においては、各機器の温度が適切
なレベルになるまで昇温するのに６〜８時間と相当の時
間がかかるのが通例であり、これを短縮化することが強
く求められている。

特に、週間スケジュールで起動停止を繰返すことが要求
される中間負荷需要対応用の発電所として、燃料電池発
電システムを運用する場合、短時間の起動は不可欠のも
のである。

燃料改質系の昇温時間を短縮する一つの手段としては、
昇温時の加熱源である改質器バーナー７燃焼Ｊ１ｔを増
加させることがあるが、この場合改質７５′２の温度が
過大になり管及び触媒層の破損を招くという問題がある
ため、限界が有り、大きな昇温時間の短縮に結びつかな
い。

本発明は以−にの様な従来技術の問題点を解決するため
に提案されたもので、その目的は、燃料改質系の昇温時
間を大幅に短縮することで、短い起動時間を可能とした
燃料電池発電システムを提供することにある。

［発明の構成コ（課題を解決するための手段）本発明の燃料電池発電システムは、改質器と、その後段
に配置された一酸化炭素変成器と、これら改質器及び一
酸化炭素変成器に設けられた熱交換器と、一酸化炭素変
成器の後段に設けられた凝縮器またはコンタクトクーラ
ーとを有する燃料改質系と、この燃料改質系に不活性ガ
スを導入するガス循環ブロアを打し、前記凝縮器またはコンタクトクーラーのガス入口側ライ
ンより分岐され、制御弁を介して前記ガス循環ブロアの
吸入側に接続される第１のラインと、前記凝縮器またはコンタクトクーラーのガス出口側ライ
ンより分岐され、制御弁を介して前記ガス循環ブロアの
吸入側に接続される第２のラインとが設けられ、燃料電池の昇温中には、前記ガス循環ブロアを回転させ
つつ前記第１のラインを主に用いてガスを循環させる一
方、燃イ′：［電池の降温中には、前記ガス循環ブロアを回
転させつつ前記第２のラインを用いてガスを循環させる
ように、前記制御弁の開度を調整するように構成したも
のである。

（作用）以−１−のような構成を有する本発明によれば、燃料改
質系の昇温時においては、制御弁の開度を調整して、凝
縮器に入る前段より昇温用の循環ガスを分岐して前記第
１のラインからガス循環ブロアに導入する。すると、改
質器バーナーで高温に加熱された循環ガスは、一酸化炭
素変成器や熱交換器などに熱をり、えた後、再びガス循
環ブロアを介して改質器で加熱されるが、この途中一般
に低温の凝縮温度に保持されている凝縮器を通過しない
で済むので、ガス中の熱を無駄に凝縮器に捨てることが
ない。従って、改質器バーナーの燃焼により得られた熱
量を効率良く他の機器に与えて、これらの改質系の機器
の昇温を速やかに行うことができる。

一方、システム停止に伴う燃料改質系の降温時において
は、昇温時とは逆に制御弁の開度を調整して、循環ガス
を凝縮器を経た後段より第２のラインを介してガス循環
ブロアに導入する。これにより従来と同様の冷却循環が
行えることになる。

（実施例）以下、本発明の実施例を第１図乃至第３図に基づいて具
体的に説明する。なお、第４図に示した従来技術と同一
の部材は、同一符号を付して説明を省略する。

■第１実施例本実施例においては、第１図に示した様に、凝縮器１３
の前段より分岐された第１のライン３１が、第１の制御
弁３０を介してガス循環ブロア２１の人口に接続されて
いる。同時に、凝縮器１３の後段より分岐された第２の
ライン３３が、第２の制御弁３２を開してガス循環ブロ
ア２１の人口に接続されている。第１及び第２の制御弁
３０゜３２は、図示されていない制御装置からの開度信
号により制御される。この制御装置は、燃料改質系が昇
温中であるか、降温中であるかに応じて、第１及び第２
の制御弁３０．３２の開度を適切に調整するものである
。即ち、システム起動に伴う燃料改質系の昇温の場合に
は、主に第１の制御弁３０を開いて、昇温用の循環ガス
が第１のライン３１を介してガス循環ブロア２１に導入
されるように、一方、システム停止に伴う燃料改質系の
降温の場合には、主に第２の制御弁３２を開いて、降温
用循環ガスが第２のライン３３を介してガス循環ブロア
２１に導入されるよう、各制御弁３０゜３２が制御され
る。

この様に構成された本実施例のシステムの作用効果は、
次の通りである。

即ち、燃料改質系の昇温時において、改質器バーナー７
で高温に加熱した循環ガス（不活性ガス）は、一酸化炭
素変成器１０，１１、熱交換器１７〜１９及びこれらの
機器を結ぶ配管に導入され、これらの機器に熱を与え、
加熱する。この様にして凝縮器１３の前段に達した循環
ガスは、前記制御装置により第１及び第２の制御弁３０
．３２の開度を調整することで、凝縮器１３に送込まれ
ることなく、凝縮器１３の前段より分岐した第１のライ
ン３１経てガス循環ブロア２１に導入される。

このガス循環ブロア２１に導入された循環ガスは、従来
のシステムの様に低温に保持されている凝縮器１３を通
過して冷却されることなく、直接改質器１に送られ、再
び改質器バーナー７により加熱された後、一酸化炭素変
成器１０．１１や熱交換器１７〜１９などに送られ、こ
れらを加熱することになる。この様に本実施例において
は、加熱された循環ガスを凝縮器１３で冷却することが
なくなり、改質器バーナー７により与えられた熱量を効
率良く他の機器に与えて、これら燃料改質系の機器の昇
温を速やかに行うことができる。

一方、システム停止に伴う燃料改質系の降温時には、昇
温時とは逆に、制御弁３０．３２の開度を調整し、循環
ガスを凝縮器１３の後段から分岐した第２のライン３３
を介してガス循環ブロア２１に導入する。この様にする
と、凝縮器、１３によって冷却された循環ガスを、一酸
化炭素変成器や熱交換器などに循環させて、これらの機
器を冷却する。

■第２実施例次に、本発明の第２実施例を第２図により説明する。

この第２実施例においては、第１図における第１と第２
の制御弁３０．３１の代りに、１個の３方弁３４を使用
したことが特徴である。この３方弁３４は、制御弁とし
て第１図の２つの制御弁と同様の機能を持たせることが
できる。即ち、昇温中においては、主に凝縮器１３の前
段より循環ガスを引出してガス循環ブロア２１に導入し
、一方降温中においては、主に凝縮器１３を通過した循
環ガスをガス循環ブロア２１に導入するように、弁開度
が制御されるものである。

この様な構成の３方弁３４を使用することにより、この
第２実施例においても、前記第１実施例と同様な作用効
果を得ることができる。

■第３実施例第３図に示す第３実施例は、前記第１実施例及び第２実
施例に使用されていた凝縮器１３の代りに、コンタクト
クーラー１３ａを使用したものである。この場合の昇温
中及び降温中におけるコンタクトクーラー１３ａでの循
環ガス（不活性ガス）に対する冷却作用は、第１、第２
実施例における凝縮器１３による作用と同様であること
から、本実施例においても前記第１、第２実施例と同様
の作用効果を得ることができる。

なお、本実施例においては、コンタクトクーラー１３８
入口のガス温度を調節するために、熱交換器１９ａを設
けているが、この熱交換器１９ａを省略することもでき
る。更に、本実施例は、第１実施例のように、各ライン
に第１、第２の制御弁３０．３２を設けているが、第２
実施例のように３方弁で代用することも可能である。

［発明の効果］以」二述べた様に、本発明は、昇温用の循環ガスを凝縮
器またはコンタクトクーラーの前段で分岐してガス循環
ブロアに導き、再び加熱するようにしたので、凝縮器ま
たはコンタクトクーラーによる循環ガスの不要な冷却が
なくなり、循環ガスの加熱効率を格段に向」ニさせるこ
とができる。その結果、燃料改質系の昇温時間を大幅に
短縮できるので、これにより短い起動時間を有する燃料
電池発電システムを提供することができる。

【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第１実施例を
示すシステム系統図、第２図は本発明の第２実施例を示
すシステム系統図、第３図は本発明の第３実施例を示す
システム系統図、第４図は従来の燃料電池発電システム
の一例を示すシステム系統図である。１・・・改質器、２・・・改質反応管、３・・・燃焼用
燃料ライン、４・・・燃焼用空気ライン、５・・・燃料
供給弁、６・・・燃焼室、７・・・バーナー、８・・・
原料ガス供給装置、９・・・水蒸気１％給装置、１０・
・・高温一酸化炭素変成器、１１・・・低温一酸化炭素
変成器、１２・・・燃？＝）電池、１２ａ・・・燃料極
、１２ｂ・・・空気極、１３・・・凝縮器、１３ａ・・
・コンタクトクーラー　１４・・・空気供給弁、１５．
１６・・・供給弁、１７．１８゜１９．１９ａ・・・熱
交換器、２０・・・水分分離機、２１・・・ガス循環ブ
ロア、２２・・・不活性ガス供給ライン、３０・・・第
１の制御弁、３１・・・第１のライン、３２・・・第２
の制御弁、３３・・・第２のライン、３４・・・３方弁
。

Claims

【特許請求の範囲】　改質器と、その後段に配置された一酸化炭素変成器と
、これら改質器及び一酸化炭素変成器に設けられた熱交
換器と、一酸化炭素変成器の後段に設けられた凝縮器ま
たはコンタクトクーラーとを有する燃料改質系と、この
燃料改質系に不活性ガスを導入するガス循環ブロアを有
し、前記凝縮器またはコンタクトクーラーのガス入口側ライ
ンより分岐され、制御弁を介して前記ガス循環ブロアの
吸入側に接続される第１のラインと、前記凝縮器またはコンタクトクーラーのガス出口側ライ
ンより分岐され、制御弁を介して前記ガス循環ブロアの
吸入側に接続される第２のラインとが設けられ、燃料電池の昇温中には、前記ガス循環ブロアを回転させ
つつ前記第１のラインを主に用いてガスを循環させ、燃料電池の降温中には、前記ガス循環ブロアを回転させ
つつ前記第２のラインを用いてガスを循環させるように
、前記制御弁の開度を調整することを特徴とする燃料電
池発電システム。