JPH0371563A - 燃料電池発電システム - 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】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は、燃料電池発電システムに関するものである。

（従来の技術） 従来から用いられている燃料電池発電システムを、第４
図に基づいて説明する。即ち、多数の電極を積層して構
成される燃料電池１の燃料極２には、水素または水素に
富む燃料ガスが供給され、また、空気極３には酸素また
は酸素に富むガス、例えば、空気が供給されて、電気化
学的反応によって電気を外部回路（図示せず）に流すと
共に、蒸気を発生する。また、改質器４は、単管または
多数管の反応管より構成され、炭化水素と水蒸気とを加
熱して、触媒の中を通過させて改質反応を行い、水素に
富むガスを発生させるものである。

この様な改質反応は、例えば、メタンを原燃料とした場
合には、 ＣＨ４＋Ｈ２０→　ＣＯ＋３Ｈ２ の反応が起こる。しかし、燃料電池の種類によっては、
−酸化炭素（ＣＯ）は有害成分であるため、変゛戊器（
図示せず）を改質器４の下流側に配備して、 ＣＯ＋Ｈ２０＋　ＣＯ２＋Ｈ２ の反応を行う場合もある。また、改質器４の上部に設け
られる改質器バーナ５は、燃料電池の燃料極より排出さ
れた排燃料ガスを、酸素または空気により燃焼させて、
高温の燃焼ガスを発生させ、前述の改質反応の熱源とし
て利用するものである。

さらに、改質器４より排出される燃焼排ガスは、タービ
ン６によって熱回収され、コンプレッサ７を駆動し、こ
のコンプレッサ７は、空気を前記燃料電池の空気極３へ
供給するために用いられている。

また、改質器４から燃料電池の燃料極２への燃料ガス供
給ライン１３には、燃料極制御弁８が設けられ、燃料電
池１゜で必要とする水素量や改質器４で必要とする加熱
量をプラントの負荷に応じて制御するように構成されて
いる。一方、コンプレッサ７から燃料電池の空気極３へ
の空気供給ライン１４には、空気極制御弁９が設けられ
、燃料電池１で必要とする酸素情や改質器４で必要とす
る加熱量をプラントの負荷に応じて制御するように構成
されている。さらに、コンプレッサ７から燃料電池の空
気極３への空気供給ライン１４と、改質器４からタービ
ン６への燃焼排ガス供給ライン１５との間には、バイパ
ス制御弁１０が設けられ、余剰の空気をタービン６の人
口に戻すように構成されている。また、燃料電池の燃料
極２から改質器４への排燃料ガス供給ライン１６は分岐
されて、前記燃料ガス供給ライン１３に接続され、その
間に燃料極側ブロワ１１が設けられ、燃料極２より排出
された排燃料ガス流量の一部を、燃料極２の上流へ戻す
ように構成されている。一方、燃料電池の空気極３から
改質器４への排空気供給ライン１７は分岐されて、前記
空気供給ライン１４に接続され、その間に空気極側ブロ
ワ１２が設けられ、空気極３より排出された排空気流量
の一部を空気極３の上流へ戻すように構成されている。

この様に構成された燃料電池発電プラントの作用及びそ
の制御法を以下に述べる。即ち、原燃料は水蒸気と共に
改質器４に送られ、前述した様に改質反応によって水素
に富むガスに改質され、燃料極制御弁８によってその流
量を制御され、電池反応を行なう。そして、燃料極２よ
り排出された排燃料ガスは、改質器バーナ５で燃焼され
、改質反応管を加熱して改質反応を行なわせ、燃焼排ガ
スはタービン６に送られ、ここで排熱が回収される。一
方、空気はタービン６によって駆動されるコンプレッサ
７によって供給され、空気極制御弁９によりその流量を
制御され、電池反応を行なう。

また、空気極３の排空気は改質器バーナ５へ送られ、上
記の燃焼に用いられる。また、燃料極側ブロワ１１は燃
料極２の多数の積層電極への燃料ガス流量の配分が良好
となるように、排燃料ガスを循環させ、空気極側ブロワ
］２も同様に空気極３の多数の積層電極への空気流量の
配分が良好となるように、排空気を循環させる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記の様に構成された従来の燃料電池発
電システムにおいては、以下に述べる様な解決すべき課
題があった。

即ち、燃料電池１の燃料極２からの排燃料ガスを用いて
改質器４の改質反応のための加熱を行なっているが、こ
の方法は、燃料電池発電プラントが整定状態にある場合
にはバランスがとれていて問題はないが、負荷変動の時
には、燃料電池１における水素の消費量が変化し、改質
器４で要求する加熱量が得られないことがある。例えば
、燃料電池が低負荷で運転されている状態から、高負荷
運転へ変化した場合について説明する。即ち、低負荷運
転状態では、燃料電池本体］で消費される水素量は少な
いので、燃料極制御弁８によって制御されて燃料極２へ
供給される燃料ガス流量は少なくなっている。また、燃
料極２より排出される排燃料ガス流量も少なく、また、
燃焼エネルギーも少ない状態でバランスしている。この
状態から高負荷へ変化すると、燃料電池本体での水素消
費量は大きくなる。しかし、燃料極制御弁８よりの水素
に富む燃料ガスの供給はすぐには追いつかない。そのた
め、燃料極２よりの排燃料ガスの発熱エネルギーは少な
くなり、改質器４で必要とされる加熱エネルギーが十分
供給されないことになる。

この様に、高負荷運転である時は、加熱エネルギーも多
く要求されるにもかかわらず、暫時加熱エネルギーが少
なくなり、また、燃料電池本体１の燃料極２における水
素消費量も急速に大きくなるので、改質器４の改質器バ
ーナ５での燃焼を維持できなくなり、不完全燃焼となっ
たり、失火する場合もあった。

一方、負荷が急速に減少する場合には逆の変化となる。

即ち、高負荷運転状態では燃料極制御弁８のｍ制御流量
は大きく、燃料極２での水素消費量も多く、排燃料ガス
も多くなり、改質器バーナ５での加熱量も多い。しかし
、負荷が急速に減少すると、燃料極２で消費される水素
量は急速に減少するが、燃料極制御弁８による制御流量
は遅れて減少する。従って、燃料極２よりの排燃料ガス
の加熱エネルギーは増加することになり、改質器４の加
熱エネルギーが増大して、反応管を異常に過熱すること
がある。

また、負荷変動時には、流路の動的庁カバランスの不良
によって、改質器バーナ５より燃料極２への逆流もあり
うる。

本発明は、以上の欠点を解消するために提案されたもの
で、その目的は、負荷変動時においても、燃料電池本体
における水素消費量と、改質器での加熱量とを独立ｌ〜
で制御することのできる、精度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、燃料極へ供給される
燃料ガス流量を制御する燃料極制御弁を少くとも一つ、
燃料極の入口側に配設し、また、燃料極から排出される
排燃料ガスを、燃料改質装置に配設されたバーナに供給
するためのライン上に、その流量を制御する制御弁を少
なくとも一つ設け、これらの制御弁を制御装置よりの制
御信号によって調節することにより、燃料電池の燃料極
に供給される燃料ガス流量と、バーナへ供給される排燃
料ガス流量を、それぞれ別個に制御するようにしたこと
を特徴とする。

（作用） 本発明の燃料電池発電システムによれば、燃料電池の燃
料極に供給される燃料ガス流量と、バーナへ供給される
排燃料ガス流量は、それぞれ別の制御弁によって制御さ
れるため、負荷の変動に対して、それぞれのガス流量を
独立して制御することができる。また、燃料電池での水
素利用率を任意に、且つ、最適な値に選定することがで
きる。

さらに、負荷変動時の流量変動に容易に対応できるため
、不完全燃焼や失火、過熱、逆流等を防止することがで
きる。

（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図に示した従来型と同一の
部祠には同一の符号を付して、説明は省略する。

■第１実施例 本実施例においては、第１図に示した様に、燃料極２へ
供給される燃料ガス流量を制御する第１の制御弁２０が
、燃料供給ライン２１Ｌの燃料極２の入口近傍に配設さ
れている。また、燃料極２の出口側には、排燃料ガス供
給ライン２２」―に、排燃料ガスを回流する燃料極側ブ
ロワ１１が配設され、この排燃料ガス供給ライン２２は
前記燃料供給ライン２１と合流するように構成されてい
る。

さらに、この合流点からバーナへ分岐ライン２３が設け
られ、その分岐ライン２３上に第２の制御弁２４が配設
されている。一方、空気極制御弁９が、従来と同様に空
気極３の入口側に配設されている。

また、前記第１の制御弁２０、第２の制御弁２４及び空
気極制御弁９には、制御装置２５より制御信号２６，２
７．２８が送出されるように構成されている。また、こ
の制御装置２５は、負荷信号２９、電流信号３０及び図
示していない多数のプラント情報信号を判断して、前記
制御信号２６〜２８を出力するように構成されている。

なお、前記バーナとしては、改質器バーナあるいはター
ビン駆動用燃焼バーナなどがある。また、プロセス燃料
ガスは、図示しない燃料プロセス系より供給される。さ
らに、プロセス燃料ガスは、炭化水素をベースとした改
質ガス、石炭をベースとしたガス化ガス、電気分解等の
副生水素あるいは挿々の反応系より抽出されたガスなど
が用いられる。従って、前記燃料プロセス系は、改質器
、石炭ガス化プラント、水素タンク、水素ボンベ、その
他の化学プラントなどであっても良い。

この様な構成を有する本実施例の燃料電池発電システム
においては、以下に述べる様にして、燃料極に供給され
る燃料ガス流量及びバーナに供給される排燃料ガス流量
が制御される。即ち、制御装置２５よりの制御信号２６
に基づいて、第１の制御弁２０が作動し、燃料電池の燃
料極２に供給される燃料ガス流量が制御され、燃料電池
内における電気化学反応により水素を消費された燃料ガ
スは、燃料極２の出口側に配設された燃料極側ブロワ１
１によって、排燃料ガスとして回流され、再びプロセス
燃料ガスと合流される。また、制御装置２５よりの制御
信号２７によって第２゛の制御弁２４が制御され、プロ
セス燃料ガスと、燃料極側ブロワ１１によって回流され
た排燃料ガスとの合流点以降のガス流量を制御して、バ
ーナに供給するように構成されている。

この様に、本実施例によれば、燃料電池の燃料極２に供
給される燃料ガス流量と、バーナへ供給される排燃料ガ
ス流量は、それぞれ別の制御弁２０．２４によって制御
されるため、負荷の変動に対して、それぞれの燃料ガス
流量を独立して制御することができる。また、燃料電池
での水素利用率を任意に、且つ、最適な値に選定するこ
とができる。さらに、負荷変動時の流電変動に容易に対
応できるため、不完全燃焼や失火、過熱、逆流等の問題
点を解消することができる。

■第２実施例 本実施例は、改質器バーナとタービン駆動用バーナの両
方を備えた燃料電池発電システムに本発明を適用したも
ので、第２図に示した様に、分岐ライン２３上に、改質
器バーナへの燃料ガス供給流量を制御する第２の制御弁
２４が配設され、また、前記分岐ライン２３がさらに分
岐され、タービン駆動用燃焼バーナへの燃料ガス供給流
量を制御する第３の制御弁３１が配設されている。さら
に、この第３の制御弁３１には、制御装置２５より制御
信号３２が送出されるように構成されている。なお、そ
の他の構成は、第１図に示した実施例と同様であるので
、説明は省略する。

この様な構成を有する本実施例の燃料電池発電システム
においては、燃料極に供給される燃料ガス流量、改質器
バーナ及びタービン駆動用燃焼バーナに供給される排燃
料ガス流量は、それぞれ第１の制御弁２０、第２の制御
弁２４、第３の制御弁３１によって別個に制御される。

この様に、本実施例においても、燃料電池、改質器バー
ナ、タービン駆動用バーナに供給される燃料ガスは、独
立して制御されるので、第１実施例と同様に、負荷の変
動に対してそれぞれの燃料ガス浅漬を独立して制御する
ことができる。また、燃料電池での水素利用率を任意に
、且つ、最適な値に選定することができる。さらに、負
荷変動時の浅型変動に容易に対応できるため、不完全燃
焼や失火、過熱、逆流等の問題点を解消することができ
る。

■第３実施例 本実施例は、第１実施例をさらに改良したもので、第３
図に示した様に、第１実施例で配設した第１．の制御弁
２０及び第２の制御弁２４の他に、以下に述べる各燃料
ガス供給ライン」二に、燃料ガス流最制御弁を設けたも
のである。まず、燃料電池の燃料極２の出口側に設けら
れた排燃料ガス供給ライン４０」−には第３の制御弁４
１が設けられ、また、この排燃料ガス供給ライン４０か
ら分岐され、燃料極側ブロワ１１が設けられた分岐ライ
ン４２−１−には第４の制御弁４３が設けられ、さらに
、第３の制御弁４］の下流側の前記排燃料ガス供給ライ
ン４０上には、第５の制御弁４４が設けられ、前記第２
の制御弁２４を設けたラインと合流するように構成され
ている。また、改質器４より燃料電池への燃料ガス供給
ライン２１上には、第６の制御弁４５が設けられ、さら
に、改質器４よりタービン６への燃焼排ガス供給ライン
１５上には、第７の制御弁４６が設けられている。

また、燃料極２と空気極３の出口側には、両者の圧力の
差を検出する差圧検出器４７が設けられ、その検出情報
を第２の制御装置４８に送出するように構成されている
。さらに、第１実施例及び第２実施例に用いられている
制御装置２５（以下、第１の制御装置と称す）は、各制
御弁９，２０゜２４．４３，４４，４５．４６及び第２
の制御装置４８を介して第３の制御弁４］−を制御する
ように構成されている。

なお、この第３の制御弁４１は、負荷運転時及び工１荷
変動時に生じる空気極３と燃料極２間の差圧を測定し、
さらに、第１の制御弁２０や燃料極側ブロワ１１の特性
、図示していない流量測定器よりの信号等を、第１の制
御装置２５及び第２の制御装置４８で処理して、制御す
るように構成されている。また、第２の制御装置４８は
、第１、の制御装置２５と一体に構成されたものでもよ
いし、またはその一部であってもよい。さらに、燃料ガ
ス供給ライン２］上に設けられた第６の制御弁４５は、
プロセス燃料系と燃料電池系とを分離できるように構成
され、また、燃焼排ガス供給ライン１５上に設けられた
第７の制御弁４６は、バーナ排ガス系を改質系と分離で
きるように構成されている。

この様に構成された本実施例においては、以下に述べる
様にして、燃料極２に供給される燃料ガス流量及び改質
器バーナ５に供給される排燃料ガス流量か制御される。

即ち、改質器４内で改質されたプロセス燃料ガスは、燃
料電池本体１の燃料極２から燃料極側ブロワ１１によっ
て回流された排燃料ガスと合流され、その合流ガスの一
部は、第１の制御弁２０を通って燃料極２へ供給され、
電池反応を行ない、燃料極２より俳画されて排燃料ガス
となる。また、前記合流ガスの一部は、第２の制御弁２
４を通って改質器バーナ５へ供給される。なお、負荷運
転時には、燃料ガス供給ライン２１上の第６の制御弁４
５は開状態となっている。

ここで、燃料電池発電プラントの負荷運転時においては
、燃料極側ブロワ１１の手前側に配設された第４の制御
弁４３は開となっており、一方、第５の制御弁４４は閉
となっている。即ち、燃料ガスの流路は、第１図に示し
た第１実施例と同様となっている。従って、第１実施例
ε同様に、燃料極２に供給される燃料ガス流量と、改質
器バーナ５に供給される排燃料ガス流量はそれぞれ別個
に制御することができる。

また、改質器バーナ５で、燃料ガスは空気と燃焼して燃
焼ガスとなり、改質管を加熱して燃焼排ガスとなり、タ
ービン６へ供給されて動力回収される。なお、負荷運転
時には、燃焼排ガス供給ライン１５上に設けられた第７
の制御弁４６は、開状態となっている。

一方、燃料電池発電プラントの停止状態においては、第
５の制御弁４４を開、第７の制御弁４６を閉、空気極制
御弁９を閉とすれば、空気極３と燃料極２との差圧は実
質的に零となる。また、さらに、第６の制御弁４５を閉
とすれば、燃料電池１は改質器４のプロセス系とも分離
することができる。従って、燃料電池発電プラントの起
動時に、昇圧を必要とする場合にも、電池極間差圧を少
なくしつつ、圧力を上昇させることができる。また、昇
温時においては、電池本体を−に記の様に分離し、燃料
極側ブロワ１１及び空気極側ブロワ１２を適宜作動させ
て、電池本体内でのガスの濃度のノくランスを維持する
ことができる。

この様に、本実施例によれば、各ライン上に設けられた
各制御弁によって、起動時、負荷運転時等にも対応でき
る、信頼性の高い燃料電池発電システムを提供すること
ができる。

［発明の効果］ 以上述べた様に、本発明によれば、燃料極へ供給される
燃料ガス流量を制御する燃料極制御弁色、燃料極から排
出される排燃料ガスを、燃料改質装置に配設されたバー
ナに供給するためのラインにに設けた制御弁を、制御装
置よりの制御信号によって調節することにより、燃料電
池の燃料極に供給される燃料ガス流量と、バーナへ供給
される排燃料ガス流量を、それぞれ別個に制御するよう
に構成することにより、負荷変動時においても、燃料電
池本体における水素消費量ε、改質器での加熱量とを独
立して制御するここのできる、精度の高い燃料電池発電
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
示す構成図、第２図は本発明の第２実施例を示す構成図
、第３図は本発明の第３実施例を示す構成図、第４図は
従来の燃料電池発電システムの一例を示す構成図である
。 １・・・燃料電池、２・・・燃料極、３・・・空気極、
４・・・改質器、５・・・改質器バーナ、６・・・ター
ビン、７・・・コンプレッサ、８・・・燃料極制御弁、
９・・・空気極制御弁、１０・・・バイパス制御弁、１
１・・・燃料極側ブロワ、１２・・・空気極側ブロワ、
１３・・・燃料ガス供給ライン、１４・・・空気供給ラ
イン、１５・・・燃焼排ガス供給ライン、１６・・・排
燃料ガス供給ライン、１７・・・排空気供給ライン、２
０・・・第１の制御弁、２１・・・燃料ガス供給ライン
、２２・・・排燃料ガス供給ライン、２３・・・分岐ラ
イン、２４・・・第２の制御弁、２５・・・制御装置、
２６，２７．２８・・・制御信号、２９・・・負荷信号
、３０・・・電流信号、３１・・・第３の制御弁、３２
・・・制御信号、４０・・・排燃料ガス供給ライン、４
１・・・第３の制御弁、４２・・・分岐ライン、４３・
・・第４の制御弁、４４・・・第５の制御弁、４５・・
・第６の制御弁、４６・・・第７の制御弁、４７・・・
差圧検出器、４８・・・第２の制御装置。 第２図 第１図 ３０）！ に２９

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃料極及び空気極から成る燃料電池本体と、前記
   燃料電池に水素に富む改質ガスを供給するための燃料改
   質装置とから構成された燃料電池発電システムにおいて
   、 前記燃料極へ供給される燃料ガス流量を制御する燃料極
   制御弁を少くとも一つ、燃料極の入口側に配設し、また
   、燃料極から排出される排燃料ガスを、前記燃料改質装
   置に配設された改質器バーナあるいはタービン駆動用バ
   ーナに供給するためのライン上に、前記排燃料ガス流量
   を制御する制御弁を少なくとも一つ設け、これらの制御
   弁を制御装置よりの制御信号によって調節することによ
   って、燃料電池の燃料極に供給される燃料ガス流量と、
   前記各バーナへ供給される排燃料ガス流量を、それぞれ
   別個に制御するようにしたことを特徴とする燃料電池発
   電システム。
2. （２）前記排燃料ガス流量を制御する制御弁の内、燃料
   電池の出口近傍に設けられた制御弁が、燃料極と空気極
   の差圧に基づいて制御されることを特徴とする請求項１
   記載の燃料電池発電システム。