JPH0652664B2 - 燃料電池プラントの予備運転法 - Google Patents

燃料電池プラントの予備運転法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は燃料電池プラントを運転する前に安全確認など
のために行なう予備運転法に関する。
〔従来の技術〕
燃料電池プラントを運転する場合、実際にプラント内に
燃料電池を設置して運転する前に、プラントの応答特性
を測定するなどのため、燃料電池部分にその代替物を置
いて予備運転を行なう必要があると考えられる。なお、
燃料電池プラントとしては、例えば特開昭58−188
81号公報に示されたものがある。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかしながら、前記したような予備運転の方法について
これまで何ら提案されていなかつた。
燃料電池本体はカソード、アノード間の差圧耐力が著し
く弱いため、燃料電池プラント内に燃料電池本体を直接
設置して運転状態に入ることは著しく危険である。
したがつて、本発明の目的は、燃料電池プラント内に燃
料電池本体を設置して運転する前に、安全確認,運転状
態の把握などを行ない得る予備運転法を提供することに
ある。
〔問題点を解決するための手段〕
前記目的を達成するため、本発明は、燃料電池本体の代
りに、模擬電池タンク、模擬カソード側タンク、模擬ア
ノード側タンク、第1,第2,第3の各流量調節弁を備
えた模擬燃料電池を設置して、予備運転を行なうことを
特徴とする。
〔作用〕
第1の流量調節弁を介してカソードでの酸素消費量と反
応生成物量との差を模擬したガスを模擬カソード側タン
クに流入させ、第2の流量調節弁を介してアノードでの
水素消費量を模擬した水素を模擬アノード側タンクから
流出させ、さらに第3の流量調節弁を介して第2の流量
調節弁から水素と共に流出する他のガスの流量を模擬し
たガスを模擬アノード側タンクに補給することにより、
燃料電池本体を設置して運転する場合とほぼ等価な動作
状態にして予備運転することができる。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を第1図および第2図について
説明する。
第2図は燃料電池本体の概略構造を示す断面図である。
この図において、1は電池本体を収納するタンク、2
A,2Bはカソード入口および出口のマニホールド、3
A,3Bはアノード入口および出口のマニホールド、4
はカソードおよびアノードを含む電池反応部である。
このような燃料電池本体において、酸化剤としての空気
は入口配管5Aからカソード入口マニホールド2Aを通
つて電池反応部4内に流入し、発電に必要な酸素を電池
に与え、反応により発生するスチームと合流しカソード
出口マニホールド2Bに到り、出口配管5Bを経て電池
外に流出する。一方、燃料は通常燃料改質器(図示せ
ず)によりメタンとスチームから合成された水素と炭酸
ガスなどの混合ガス、いわゆる改質ガスとして、入口配
管6Aからアノード入口マニホールド3Aを通つて電池
反応部4に流入し、発電に必要な水素を電池に与え、こ
こで水素が消費された後、アノード出口マニホールド3
B、出口配管6Bを経て電池外に流出する。
ところで、電池反応部4内では、カソードの空気とアノ
ードの改質ガスとが厚さ約100μの薄いマトリツクス
と呼ばれる層で分離されているにすぎないため、電池は
カソード、アノード間の差圧に対して著しく弱く、電池
を安全に運転するためには、通常この部分の差圧を10
0〜200mmAq以下に保持しなければならない。
第1図は燃料電池プラントの電池周辺部及び模擬電池部
を示す流体系統図である。なお、その電池部分は第2図
に示した電池の代りに、この電池の動作を模擬するため
の模擬電池7が用いられている。この図において、1a
は収納タンク1を模擬した模擬電池タンクで、その容積
は第2図の収納タンク1の容積からカソードマニホール
ド2A,2B、アノードマニホールド3A,3Bおよび
反応部4の容積を除いた値である。2aはカソード側の
容積を模擬した模擬カソード側タンクで、その容積は第
2図のカソード入口、出口マニホールド2A,2Bの容
積および反応部4中のカソードガスが充填されている容
積の合計と等しい値である。また3aはアノード側の容
積を模擬した模擬アノード側タンクで、その容積は第2
図のアノード入口、出口マニホールド3A,3Bの容積
および反応部4中のアノードガスが充填されている容積
の合計と等しい値である。
この模擬電池7では、カソード側の酸素消費とスチーム
発生による流量の収支を模擬するため、窒素供給弁8を
設けた配管により窒素を模擬カソード側タンク2a内に
供給する。アノード側については、水素の消費を模擬す
るため、放出用流量調節弁9を設けた配管により必要な
水素量を模擬アノード側タンク3aから放出する。一
方、模擬アノード側タンク3aに流入するガスは水素と
炭酸ガスなどの混合ガスであるため、前記したように必
要な水素量を放出した場合、水素と混合している他のガ
スも一緒に放出されてしまう。そこで、この放出された
他のガスの流量を補給するため、補給用窒素供給弁10
を設けた配管により窒素ガスを模擬アノード側タンク3
a内に供給する。これらの放出用流量調節弁9および補
給用窒素供給弁10の働きにより、模擬アノード側タン
ク3aの出口から流出される水素流量を電池本体を使用
した場合と全く等価にすることができ、かつ出口から流
出されるガスの平均分子量も電池本体を使用した場合と
ほぼ等価にすることができる。
一例として、スタック出力50kW、水素利用率80%、酸
素利用率50%のとき、カソードに空気を140.6Nm3/hの
割合で供給し、アノードに組成がH2:CO2:H2O=7
2:18:10の改質ガスを51.4Nm3/hの割合で供給する場
合を考える。模擬カソード側タンク、模擬アノード側タ
ンク及び模擬電池タンクの容積は、例えば各々約350
、約400及び約3000である。燃料電池では14.8Nm
3/hの酸素が消費され、29.6Nm3/hのスチームが発
生するので、模擬燃料電池では、その差に相当する14.8
Nm3/hの窒素を窒素供給弁9から模擬カソード側タン
クに供給する。また、電池入口側では同一組成、同一流
量の燃料ガスが流入しても、燃料電池では29.6Nm3/h
の水素のみが消費されるのに対して、模擬燃料電池では
29.6Nm3/hの水素以外に7.4Nm3/hのCO2と4.1Nm
3/hのH2Oが放出用流量調節弁9から放出される。そ
のため、この合計の11.5Nm3/hの窒素を補給用窒素供
給弁10から供給する。これにより、カソード出口側で
は燃料電池と模擬燃料電池の全流量が等しくなり、アノ
ード出口側では燃料電池と模擬燃料電池の全流量及び水
素流量が等しくなる。したがって、電池の下流側でアノ
ード排ガスを燃焼させた場合の発熱量を同程度にできる
と共に、カソード出口側及びアノード出口側のガスの平
均分子量の差も各々10%程度であることから、カソード
側及びアノード側の圧力損失も同程度にできる等、燃料
電池プラントでの運転状態を良好に模擬することができ
る。
模擬電池7を含む第1図の燃料電池プラントの予備運転
動作を以下に説明する。模擬電池タンク1aに供給され
る窒素は流量調節弁11を通つてこのタンク1a内に流
入し、その出口側の流路抵抗12を経て模擬カソード側
タンク2aの排ガスラインと接続される。カソード系で
は空気が入口側流量調節弁13を経て模擬カソード側タ
ンク2a内に流入し、ここで窒素供給弁8から供給され
る窒素と合流した後、排ガスとして熱交換器などから構
成される流路抵抗14を経てリホーマ燃焼部15に流入
する。アノード系ではリホーマ(図示せず)で発生した
改質ガスが入口側流量調節弁16を経て模擬アノード側
タンク3a内に流入し、放出用流量調節弁9から必要量
の水素が放出されるとともに補給用窒素供給弁10から
水素以外の放出ガスの流量に等しい窒素が補給された
後、アノード排ガスラインに流出し、カソード、アノー
ド間の差圧調節弁17および流路抵抗18を経てリホー
マ燃焼部15に流入する。
以上述べたように、本来電池本体が設置されるべき部分
に模擬電池7を配置して燃料電池プラントを予備運転す
ることにより、電池反応部で発生する差圧、リホーマ燃
焼部での温度上昇などを把握することができるので、そ
れ以後に行なわれる本運転の安全性を予め検証すること
ができる。
なお、前記実施例では、窒素供給弁8から模擬カソード
側タンク2a内に窒素を供給しているが、この窒素に代
えてスチームなどを供給してもよく、また補給用窒素供
給弁10から模擬アノード側タンク3a内に窒素を供給
しているが、この窒素に代えて炭酸ガスなどを供給する
こともできる。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば、燃料電池プラント
に電池本体を設置して運転する前に、模擬電池を設置し
て、電池本体を設置して運転する場合とほぼ等価な動作
状態にして予備運転することにより、計画された本運転
での運転状態を予め把握して、運転法検討の効率化、安
全性の確認などを行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の予備運転法を行なうために燃料電池プ
ラントに模擬電池を設置した場合の流体系統図、第2図
は燃料電池の概略構造を示す断面図である。 1a…模擬電池タンク、2a…模擬カソード側タンク、
3a…模擬アノード側タンク、7…模擬電池、8…窒素
供給弁(第1の流量調節弁)、9…放出用流量調節弁
(第2の流量調節弁)、10…補給用窒素供給弁(第3
の流量調節弁)。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】カソードを含むカソード側電池反応部、ア
    ノードを含むアノード側電池反応部、前記カソードに酸
    化剤ガスを給排するカソード入口マニホールド及び出口
    マニホールド、並びに前記アノードに水素を含む改質ガ
    スを給排するアノード入口マニホールド及び出口マニホ
    ールドを含む燃料電池本体と、 前記燃料電池本体を収納し不活性ガスが充填された収納
    タンクと、 前記収納タンクに不活性ガスを給排する配管、前記カソ
    ード入口マニホールドに接続されるカソード入口配管、
    前記カソード出口マニホールドに接続されるカソード出
    口配管、前記アノード入口マニホールドに接続されるア
    ノード入口配管、及び前記アノード出口マニホールドに
    接続されるアノード出口配管を含む燃料電池周辺部とか
    らなり、 前記カソードにカソード入口配管及びカソード入口マニ
    ホールドを介して酸化剤ガスを供給し、前記アノードに
    アノード入口配管及びアノード入口マニホールドを介し
    て水素を含む改質ガスを供給して発電反応によって発電
    し、前記発電反応によって消費されなかった酸化剤ガス
    及び発電反応による反応生成物をカソード出口マニホー
    ルド及びカソード出口配管を介して外部に排出し、前記
    電池反応によって消費されなかった水素を含む改質ガス
    をアノード出口マニホールド及びアノード出口配管を介
    して外部に排出するように構成してなる燃料電池プラン
    トの予備運転法において、 前記収納タンクの容積から前記燃料電池本体の容積を差
    し引いた容積を有する模擬電池タンクと、前記カソード
    側電池反応部中で酸化剤ガスが充填される部分の容積と
    カソード入口マニホールド及びカソード出口マニホール
    ドの容積の合計の容積を有する模擬カソード側タンク
    と、前記アノード側電池反応部中で改質ガスが充填され
    る部分の容積とアノード入口マニホールド及びアノード
    出口マニホールドの容積の合計の容積を有する模擬アノ
    ード側タンクと、前記カソードにおいて発電中に消費さ
    れる酸化剤ガスと反応生成物との差に等しい流量の不活
    性ガスを第1の流量調節手段を介して前記模擬カソード
    側タンクに流入させるように前記模擬カソード側タンク
    に接続された配管と、前記アノードに供給される水素ガ
    スを含む改質ガスから発電中に消費される水素量に等し
    い水素ガス流量を第2の流量調節手段を介して前記模擬
    アノード側タンクから流出させるように前記模擬アノー
    ド側タンクに接続された配管と、前記第2の流量調節手
    段から水素とともに流出する水素以外のガスの流量に等
    しい流量の不活性ガスを第3の流量調節手段を介して前
    記模擬アノード側タンクに補給するように前記模擬アノ
    ードタンクに接続された配管とを備えた模擬燃料電池
    を、前記燃料電池プラントの前記燃料電池周辺部の対応
    する不活性ガスを給排する配管、カソード入口配管、カ
    ソード出口配管、アノード入口配管、アノード出口配管
    に各々接続して予備運転を行うことを特徴とする燃料電
    池プラントの予備運転法。
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