JPH0320973A - 燃料電池パワープラントおよびその運転方法 - Google Patents

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】 ［　産業上の利用分野　］ 本発明は、燃料電池パワープラントおよびその運転方法
に関するものである。

［　従来技術　］ 燃料電池は燃料の化学的エネルギを電気的エネルギに直
接変換する装置である。

燃料電池は２つのガス拡散電極、アノードおよびカソー
ド、および電解質含浸マトリクスからなる。該マトリク
ス２つの電極間に配置される。電解質層は各電極の電解
質対向面に配置される。代表的な燃料電池の作動におい
て、水素含有ガスはアノードの背面に供給され、そして
酸素含有ガスはカソードの背面に供給される。ガスは電
極を通って拡故されかつ触媒位置で電気的エネルギ、熱
および水分を発生するように反応する。

燃料電池のアノード側で、水素は電子を放出するように
電気化学的に酸化される。そのように発生された電流は
アノードから外部回路を介してカソードに導かれる。燃
料電池のカソード側で、電子はオキシダントと電気化学
的に結合される。電解質を通る電子の流れは回路を完成
する。大規模な燃料電池パワープラント（発電所）にお
いて、水素を多く含んでいる燃料ガスは水素燃料を発生
するような炭化水素を再生する蒸気によって代表的には
供給される。再生燃焼器（リフオーマコンビュスタ）は
再生器に熱を供給する。燃料電池からのアノード排出流
は代表的には再生バーナにおいて燃料として使用される
。

［　発明が解決しようとする課題　コ 上記従来技術において、再生バーナ内の炎温度の制御は
低過ぎる炎温度が燃料の不完全燃焼を結果として生じる
ので重要でありかつ非常に高い炎温度はバーナ裏張り材
料の温度抵抗を超えるかも知れないという問題点がある
。

本発明の目的は、再生バーナの炎温度を間接的に制御す
ることができるようにした燃料電池パワープラントおよ
びその運転方法を提供することにある。

［　課題を解決するための手段　］ 上記目的は、本発明によれば、燃料流および第１オキシ
ダント流に電気化学的に反応する燃料電池と、空気流を
カソード排出流により希釈して第２オキシダント流を供
給する手段と、アノード排出流と第２オキシダント流の
混合物を燃焼するバーナと、バーナ排出流の酸素含有量
を感知する手段と、空気流の全体的な流量を制御してバ
ーナ排出流の酸素含有量を予め選択された範囲内に維持
するために前記感知手段に応答する手段とからなる燃料
電池パワープラントによって達成される。

また、上記目的は燃料電池内の燃料流および第１オキシ
ダント流に電気化学的に反応し、アノード排出流をバー
ナに供給し、空気流およびカソード排出流の混合物から
なる第２オキシダント流を前記バーナに供給し、前記バ
ーナ中のアノード排出流およびオキシダント流の燃焼混
合物を燃焼し、前記バーナ排出流の酸素含有量を感知し
、前記バーナ排出流の酸素含有量を示す信号を供給し、
そして前記信号に応答して前記空気流の全体的な流量を
制御して前記バーナ排出流の酸素含有量を予め選択され
た範囲に維持することからなる燃料電池パワープラント
の運転方法によって達成される。

［　作用　］ この燃料電池パワープラントにおいて、炭化水素燃料が
水素を多く含んだ燃料流を供給するように再生（リフォ
ーム）されかつ水素を多く含んだ燃料流が燃料電池にお
いて酸化される。アノード排出流およびカソード排出流
と空気からなるオキシダント流が再生バーナ内で燃焼さ
れる。オキシダント流の全体的な流量および組成はバー
ナ排出理由の酸素含有量を予め選択された範囲内に維持
しかつしたがって燃焼混合物の炎温度を好適な範囲内に
維持するように制御される。

本発明の前記および他の特徴および利点は以下の説明お
よび添付図面からより明らかとなる。

［　実施例　］ 図は本発明の燃料電池パワープラントを示す概略図であ
る。蒸気流２および炭化水素燃料流４は再生器６に供給
されて水素を多く含んだガス流８を発生ずる。水素を多
く含んだガス流８は再生器６から燃料電池！５のアノー
ドｌＯに向けられる。

空気流１２は燃料電池ｌ５のカソード１４に向けられる
。水素を多く含んだガス流８の水素は燃料電池ｌ５にお
いて酸化される。水素を奪ったアノード排出流１６が燃
料電池ｌ５のアノード１０に存在し、そして酸素を奪っ
たカソード排出流ｌ８が燃料電池１５のカソードｌ４に
存在する。アノード排出流１６はアノード１０からバー
ナ２０に向けられる。カソード排出流ｌ８は希釈流２２
およびバイパス流２４に分割されることができる。

希釈流２２は空気流２６と混合されてオキシダント流２
８を供給する。オキシダント流２８はバーナ２０に向け
られる。アノード排出流ｌ６およびオキシダント流２８
は混合されかつバーナ２０内で燃焼される。バーナ排出
流３０がバーナに存在する。酸素センサ３２がバーナ排
出流の酸素含有量を感知するように設けられる。酸素セ
ンサ３２はバーナ排出流３０の酸素含有量を示す信号を
供給する。酸素センサ３２からの信号に応答するコント
ローラ３４は弁３６を調整して空気流２６の全体的な流
量を制御する。バイパス流２４はバーナ２０をバイパス
しかつ酸素センサ３２からの下流点においてバーナ排出
流３０と混合する。

バーナ２０内の燃料およびオキシダント混合物の炎温度
は重要な過程（プロセス）変数である。バーナ２０内の
燃料およびオキシダント混合物の炎温度が低過ぎるなら
ば、混合物の燃焼は不完全であり、これに反してバーナ
２０内の燃料およびオキシダント混合物の炎温度が高過
ぎるならば、バーナ裏張り材料の温度抵抗が超過される
かも知れない。バーナ２０内の燃料およびオキシダント
混合物の実際の炎４Ｌ度を監視するのは極めて困難であ
るので、我々は特定の範囲内に炎温度を維持することに
対して間接的なアプローチを開発した。

理論的な炎温度は付与された組成の燃料およびオキシダ
ント混合物に関して計算されることができる。我々はそ
れが断熱炎温度および化学等量炎温度を定義するのに便
利であることを見出だした。

断熱炎温度は付与された組成のアノード排出／オキシダ
ント燃焼混合物を完全に酸化することによって得られる
ことができる最大温度に対応する。

化学等量炎温度は付与された組成のオキシダント流２８
を使用する化学等量てきな酸素量により付与された組成
のアノード排出流ｌ６を完全に酸化することにより得ら
れることができる最大温度に対応する。

付与された組成のガス流に関して、燃焼効率は化学等量
炎温度の増大により増加する傾向がある。

しかしながら、代表的な組成のアノード排出ガスおよび
新鮮な空気の燃焼混合物の燃焼は再生バーナ裏張りの温
度抵抗を超える炎温度を発生することができる。バーナ
裏張りの温度抵抗が超えられないことを保証しながら再
生バーナ２０内の燃焼混合物の完全燃焼を保証するため
に、オキシダント流２８の組戚およびバーナ２０内の燃
焼混合物の組成はアノード排出流ｌ６およびオキシダン
ト流２８に関する化学等量炎温度が２３００°Ｆ以下に
降下しない一方燃焼混合物の断熱炎温度が２９００°Ｆ
を超えないように制御されねばならない。好ましいのは
、アノード排出流ｌ６およびオキシダント流２８の比較
的全体的な流量がアノード排出流ｌ６およびオキシダン
ト流２８を混合することによって得られる燃焼混合物が
約２１００°Ｆおよび約２７００°Ｆの間の断熱炎温度
を供給するように制御されることである。本発明の燃料
電池パワープラントにおいて、アノード排出流１６の組
成および全体的な流量およびカソード排出流ｌ８の組成
および全体的な流量は燃料電池負荷により変化する。

バイパス流２４への希釈流２２の比較的全体的な流量は
能動的に制御されることができるかまたは希釈流２２の
全体的な流量が燃料電池負荷により変化するように設定
されることができる。簡単化のために、希釈流２２の全
体的な流量が燃料負荷により変化できることが好ましい
。

空気流２６は希釈流２２と混合されてバーナ２０に供給
される制御された組成および流量のオキシダント流２８
を供給する。空気流２６の全体的な流量は能動的に制御
され、そして空気流の全体的な流量の調整はオキシダン
ト流２８の組成および全体的な流量を変化する。

バーナ２０内の実際の炎温度は信頼し得るように測定す
るのは極めて困難であるので、実際の炎温度は監視され
ない。むしろ、空気流２６の全体的な流量はバーナ排出
流３０の酸素含有量が予め選択された範囲内に維持され
るように酸素センサ３２からの信号に応答して調整され
る。空気流２６の全体的な流量の制御はバーナ２０内の
炎温度の間接的な制御を許容する。バーナ排出流３ｏの
酸素含有量が範囲の下方限界以下に降下するならば、空
気流２６の全体的な流量は増大され、そしてバーナ排出
流の酸素含有量が範囲の上方限界を超えるならば、空気
流２６の全体的な流量が減じられてそれぞれの炎温度を
増加する。所望の範囲内にバーナ排出流３０の酸素含有
量を維持するように空気流２６の全体的な流量を制御す
ることはかくしてバーナ裏張り材料の温度抵抗を超える
ことなしに完全燃焼を許容する。

バーナ排出流酸素含有量の特別な範囲の選択はもたらさ
れる種々のプロセス流の組成および流量に依存する。我
々は装置の運転のコンピュータシミュレーションを基礎
にして特別な燃料電池装置に関して約１．５モル％Ｏ，
ないし約，モル％Ｏ，の間のバーナ排出流酸素含有量の
好適な範囲を決定した。例はこのようなンミュレーショ
ンからえられた結果の型式を示す。

例 図示された燃料電池装置の運転は２つの組の運転条件に
関して設計された。

３０％能力での運転を表すアノード排出およびカソード
排出流の全体的な流量お上びモル組成がバーナ排出流中
に１．５モル％Ｏ，を供給するのに十分な空気の全体的
な流量を計算するための基礎として使用された。運転パ
ラメータは表■に示される。バイパス流の全体的な流量
は１０１１６ｌｂ／ｈｒであった。２ｌ７５°Ｆの断熱
炎温度（燃焼混合物に関して）および２４２０’Ｆの化
学等量炎温度（アノード排出流およびオキシダント流の
化学等量混合物に関して）が計算された。運転パラメー
タは表１に示される。

表Ｉ ３０％負荷でのパワープラントガス流の全体的な流量、
モル流量およびモル組成１ノ一ド　　　　希釈　　　　
　バイパス　　　　空気　　　　　バーナ俳出貞１６　
　　　ｉ１２２　　　　　　１！２４　　　　　汰２６
　　　　１出直３０全体杓な ｌｔｌ ３０２５ ７６８０ ０１１６ ５４９５ １６２００ （ｌｂ／ｈｒ） モルｉ量 （モル／ｈｒ） モル組成 （モル％） Ｈ，　　　　２６．５ ＣＨ，　　　　１１．４ Ｃｏ　　　　　　１．３ Ｃ　０　，　　　　５５．６　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　．．．　　　　　１４．７Ｈ，Ｏ
　　　　．．．　　　　　　１２．６　　　　　１２．
６　　　　　　１．０　　　　　１５．５０．　　　　
　　　　　　　　　　　３．０　　　　　　３．０　　
　　　２０．８　　　　　　１．５Ｎ　，　　　　　　
　　　　　　　　８４．４　　　　　８９．４　　　　
　７８．２　　　　　６８．３５５９ １９０ ３６４ ２７６ １０８ 同一手順が１００％能力での運転に関してアノードおよ
びカソード排出流に基づいて繰り返された。運転パラメ
ータは表Ｈに示される。バイパス流の全体的な（マス）
流量は３　３　２　４　５　１ｂ／ｈｒであった。２２
８０°Ｆの断熱炎温度（燃焼混合物に関して）および２
５２４’Ｆの化学等量炎温度（アノード排出およびオキ
シダント流に関して）が計算された。

表■ １００％負荷でのパワープラントガス流の全体的な流量
、モル流量およびモル組成７ノ一ド 排出点１６ 硅 澁２２ バイパス 魔２４ 空気　　　　　　バーナ 庶２６　　　　　Ｉ出え３０ 全体杓な 渣量　　　　９９３４ （ｌｂ／ｈｒ） モル流量　　　３５８ （モル／ｈｒ） モル１成 （モル％） １−１．　　　　２７．１ ＣＩ−１．１１．２ ＣＯ　　　　１．１３ Ｃｏ，５４．６ ＨｔＯ　　　　　．．． ２７６５３　　３３２４５　　１２７７８５０３５０ ９９８ ｌ２００ ４４３ ｌ７４８ ｌ４．１ ９．０　　　９．Ｑ　　　　１．０　　　　　１６．２
０，　　　　　　　　　　　６，５　　　６．５　　　
２０．８　　　　　１．５Ｎ，　　　　　．．．　　　
　８４．５　　８４．５　　　７ｇ．２　　　　　６８
．２各場合に、バーナ排出流中に１．５モル％０，を維
持することは好適な範囲を有する断熱および化学等量炎
温度を供給した。

本発明はその詳細な実施例に関連して示されかつ説明さ
れたが、当該技術に熟練した者によって理解されるべき
ことは、その形状および詳細における種々の変化が要求
された発明の精神および範囲を逸脱することなしになさ
れることができるということである。

［　発明の効果　］ 本発明によれば、燃料流および第１オキシダント流に電
気化学的に反応して電気を発生するアノードおよびカソ
ード、アノード排出流およびカソード排出流を含んでい
る燃料電池と、空気流をカソード排出流により希釈して
第２オキシダント流を供給する手段と、アノード排出流
と第２オキシダント流の混合物を燃焼して熱および酸素
含有量を有するバーナ排出流を発生するバーナと、バー
ナ排出流の酸素含有量を感知する手段と、空気流の全体
的な流量を制御してバーナ排出流の酸素含有量を予め選
択された範囲内に維持するために前記感知手段に応答す
る手段とからなることにより、燃焼混合物の炎温度を好
適な範囲内に維持することが可能な燃料電池パワープラ
ントを提供することができる。

また、本発明によれば、電気を発生するための燃料電池
内の燃料流および第Ｉオキシダント流、アノード排出流
およびカソード排出流に電気化学的に反応し、アノード
排出流をバーナに供給し、空気流およびカソード排出流
の混合物からなる第２オキシダント流を前記バーナに供
給し、前記バーナ中のアノード排出流およびオキシダン
ト流の燃焼混合物を燃焼して熱を供給しかつ酸素含有量
を存するバーナ排出流を発生し、前記バーナ排出流の酸
素含有礪を感知し、前記バーナ排出流の酸累含有ｑを示
す信号を供給し、前記信号に応答して前記空気流の全体
的な流量を制御して前記バーナ排出流の酸素含有量を予
め選択された範囲に維持することからなることにより、
燃焼混合物の炎温度を公的な範囲内に維持することが可
能な燃料電池パワープラントの運転方法を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の燃料電泊パヮープラントを示す概略図で
ある。 図中、符号２は蒸気流、４は炭化水素燃料、６は再生器
、８は水素を多く含んだガス流、１０はアノード、ｌ２
は空気流、Ｉ４はカソード、ｌ５は燃料電池、Ｉ６はア
ノード排出流、２ｏはバーナ、２２は希釈流、２４はバ
イパス流、２６は空気流、２８はオキシダント流、３０
はバーナ排出流、３２はセンサである。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃料流および第１オキシダント流に電気化学的に
   反応して電気を発生するアノードおよびカソード、アノ
   ード排出流およびカソード排出流を含んでいる燃料電池
   と、 空気流をカソード排出流により希釈して第２オキシダン
   ト流を供給する手段と、 アノード排出流と第２オキシダント流の混合物を燃焼し
   て熱および酸素含有量を有するバーナ排出流を発生する
   バーナと、 バーナ排出流の酸素含有量を感知する手段と、空気流の
   全体的な流量を制御してバーナ排出流の酸素含有量を予
   め選択された範囲内に維持するために前記感知手段に応
   答する手段とからなることを特徴とする燃料電池パワー
   プラント。
2. （２）電気を発生するための燃料電池内の燃料流および
   第１オキシダント流、アノード排出流およびカソード排
   出流に電気化学的に反応し、 アノード排出流をバーナに供給し、 空気流およびカソード排出流の混合物からなる第２オキ
   シダント流を前記バーナに供給し、前記バーナ中のアノ
   ード排出流およびオキシダント流の燃焼混合物を燃焼し
   て熱を供給しかつ酸素含有量を有するバーナ排出流を発
   生し、 前記バーナ排出流の酸素含有量を感知し、 前記バーナ排出流の酸素含有量を示す信号を供給し、 前記信号に応答して前記空気流の全体的な流量を制御し
   て前記バーナ排出流の酸素含有量を予め選択された範囲
   に維持することからなることを特徴とする燃料電池パワ
   ープラントの運転方法。
3. （３）空気流の全体的な流量を制御してバーナ排出流の
   酸素含有量を予め選択された範囲内に維持することが約
   ２１００°Ｆないし２７００°Ｆの間の断熱炎温度を有
   する燃焼混合物を提供することを特徴とする請求項２に
   記載の燃料電池パワープラントの運転方法。
4. （４）前記空気流の全体的な流量を制御して前記バーナ
   排出流の酸素含有量を予め選択された範囲に維持するこ
   とがアノード排出流と組成物の化学等量混合物が約２３
   ００°Ｆの化学等量炎温度を有する前記組成物を有する
   第２オキシダント流を供給することを特徴とする請求項
   ２に記載の燃料電池パワープラントの運転方法。
5. （５）前記バーナ排出流の酸素含有量は約１．５モル％
   Ｏ＿２ないし２．０モル％Ｏ＿２の範囲内に維持される
   ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池パワープラ
   ントの運転方法。