JPH0785882A - 燃料電池発電システムの運転制御方法 - Google Patents
燃料電池発電システムの運転制御方法Info
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- JPH0785882A JPH0785882A JP5230634A JP23063493A JPH0785882A JP H0785882 A JPH0785882 A JP H0785882A JP 5230634 A JP5230634 A JP 5230634A JP 23063493 A JP23063493 A JP 23063493A JP H0785882 A JPH0785882 A JP H0785882A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】起動，停止時の非定常運転状態で改質器の反応
管に加わる内外圧力差を低く抑えるようにした燃料電池
発電システムの運転制御方法を提供する。 【構成】燃料電池１と、燃料電池のオフガスをバーナ燃
料として原燃料を改質する改質器２と、燃料電池および
改質器のバーナに加圧空気を供給する空気圧縮機３と、
燃料電池および改質器の反応管を含む燃料改質系に窒素
ガスを供給する窒素設備４を組合わせた燃料電池発電シ
ステムに対し、改質器の燃料改質系，および燃焼系の配
管路にそれぞれ圧力制御弁７，１０を接続し、起動時に
は改質器の始動に先立ってその燃料改質系内に導入した
窒素を所定の動作圧力まで徐々に昇圧し、停止時には改
質器に導入した窒素で燃料改質系内の残留ガスをパージ
しつつ停止圧力まで徐々に降圧するとともに、前記の昇
圧，降圧過程で改質器の燃料改質系と燃焼系との間の差
圧を規定値以内に保つように圧力制御する。
管に加わる内外圧力差を低く抑えるようにした燃料電池
発電システムの運転制御方法を提供する。 【構成】燃料電池１と、燃料電池のオフガスをバーナ燃
料として原燃料を改質する改質器２と、燃料電池および
改質器のバーナに加圧空気を供給する空気圧縮機３と、
燃料電池および改質器の反応管を含む燃料改質系に窒素
ガスを供給する窒素設備４を組合わせた燃料電池発電シ
ステムに対し、改質器の燃料改質系，および燃焼系の配
管路にそれぞれ圧力制御弁７，１０を接続し、起動時に
は改質器の始動に先立ってその燃料改質系内に導入した
窒素を所定の動作圧力まで徐々に昇圧し、停止時には改
質器に導入した窒素で燃料改質系内の残留ガスをパージ
しつつ停止圧力まで徐々に降圧するとともに、前記の昇
圧，降圧過程で改質器の燃料改質系と燃焼系との間の差
圧を規定値以内に保つように圧力制御する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、加圧型燃料電池と燃料
改質器を組合わせた燃料電池発電システムの起動，停止
時における運転制御方法に関する。
改質器を組合わせた燃料電池発電システムの起動，停止
時における運転制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】天然ガスを原燃料とする燃料電池発電シ
ステムでは、天然ガスを水素リッチなガスに改質して燃
料電池の燃料極に供給する燃料改質器として、一般に水
蒸気改質器が採用されている。この水蒸気改質器は、バ
ーナを装備した燃焼室を構成する炉内に改質触媒を充填
した反応管（遠心鋳造管などの高耐熱性の金属で作られ
ている）を配管し、前記バーナに供給した燃料電池のオ
フガス（未反応の水素ガス），および空気圧縮機（ター
ボコンプレッサ）からの加圧空気をバーナ燃料，燃焼空
気として燃焼させ、改質反応に必要な熱を反応管に加え
つつ、水蒸気とともに反応管に供給した原燃料を水蒸気
改質（触媒反応温度：約８００℃）し、水素リッチな燃
料ガスを得るようにしている。
ステムでは、天然ガスを水素リッチなガスに改質して燃
料電池の燃料極に供給する燃料改質器として、一般に水
蒸気改質器が採用されている。この水蒸気改質器は、バ
ーナを装備した燃焼室を構成する炉内に改質触媒を充填
した反応管（遠心鋳造管などの高耐熱性の金属で作られ
ている）を配管し、前記バーナに供給した燃料電池のオ
フガス（未反応の水素ガス），および空気圧縮機（ター
ボコンプレッサ）からの加圧空気をバーナ燃料，燃焼空
気として燃焼させ、改質反応に必要な熱を反応管に加え
つつ、水蒸気とともに反応管に供給した原燃料を水蒸気
改質（触媒反応温度：約８００℃）し、水素リッチな燃
料ガスを得るようにしている。
【０００３】また、改質器の形式としては、ヘッダ管の
間に改質触媒を充填した複数本の小口径な反応管を並列
に接続して燃焼室内に配管した多管式改質器、あるいは
口径の大きな１本の反応管に改質触媒を充填した構成し
た単管式改質器が知られている。一方、最近では高い発
電効率を得るために加圧型燃料電池を採用する傾向にあ
り、大容量の発電システムでは燃料電池の運転圧力を６
Kg／cm2 Ｇにまで高めた発電システムの開発が進んでお
り、これに伴い改質器としては作動圧力が7.５Kg／cm2
Ｇにもなる改質器が必要となる。
間に改質触媒を充填した複数本の小口径な反応管を並列
に接続して燃焼室内に配管した多管式改質器、あるいは
口径の大きな１本の反応管に改質触媒を充填した構成し
た単管式改質器が知られている。一方、最近では高い発
電効率を得るために加圧型燃料電池を採用する傾向にあ
り、大容量の発電システムでは燃料電池の運転圧力を６
Kg／cm2 Ｇにまで高めた発電システムの開発が進んでお
り、これに伴い改質器としては作動圧力が7.５Kg／cm2
Ｇにもなる改質器が必要となる。
【０００４】なお、かかる燃料電池発電システムの起
動，停止は次のようなスケジュールで行われる。まず、
発電システムの停止状態では、燃料電池，改質器の燃料
改質系に外部より不活性な窒素ガスを導入し、系内を窒
素ガスで保圧状態に維持して触媒の劣化を防ぐようにし
ておく。ここから発電システムを起動する際には、まず
改質器の燃料改質系内で窒素ガスを循環させながら所定
の作動圧まで昇圧する。一方、燃料電池は内部に導入し
た窒素ガスを運転圧まで昇圧するとともに、電池本体の
冷却系に温水を流して昇温させておく。次いで、改質器
のバーナに天然ガスなどバーナ燃料，および空気圧縮機
からの燃焼空気を供給して点火し、燃焼室を所定温度ま
で昇温させた後に、改質器の反応管に原燃料（天然ガ
ス）と水蒸気を導入して水蒸気改質させながら、同時に
系内の残留窒素ガスを改質ガスでパージする。そして系
内で生成した改質ガス（水素リッチなガス）の組成を確
認した後に、燃料電池の燃料極，空気極に反応ガスとし
ての改質ガス，空気を供給して発電を開始するととも
に、改質器のバーナ燃料を当初の天然ガスから燃料電池
のオフガスに切換えて定常運転に移行させる。
動，停止は次のようなスケジュールで行われる。まず、
発電システムの停止状態では、燃料電池，改質器の燃料
改質系に外部より不活性な窒素ガスを導入し、系内を窒
素ガスで保圧状態に維持して触媒の劣化を防ぐようにし
ておく。ここから発電システムを起動する際には、まず
改質器の燃料改質系内で窒素ガスを循環させながら所定
の作動圧まで昇圧する。一方、燃料電池は内部に導入し
た窒素ガスを運転圧まで昇圧するとともに、電池本体の
冷却系に温水を流して昇温させておく。次いで、改質器
のバーナに天然ガスなどバーナ燃料，および空気圧縮機
からの燃焼空気を供給して点火し、燃焼室を所定温度ま
で昇温させた後に、改質器の反応管に原燃料（天然ガ
ス）と水蒸気を導入して水蒸気改質させながら、同時に
系内の残留窒素ガスを改質ガスでパージする。そして系
内で生成した改質ガス（水素リッチなガス）の組成を確
認した後に、燃料電池の燃料極，空気極に反応ガスとし
ての改質ガス，空気を供給して発電を開始するととも
に、改質器のバーナ燃料を当初の天然ガスから燃料電池
のオフガスに切換えて定常運転に移行させる。
【０００５】一方、発電システムの停止時には、燃料電
池への反応ガス供給を止めて発電を停止するとともに、
改質器ではバーナの燃焼，反応管への原燃料供給を止め
て運転を停止した後、燃料電池の本体内部，改質器の燃
料改質系に窒素ガスを導入して保圧状態に保つ。
池への反応ガス供給を止めて発電を停止するとともに、
改質器ではバーナの燃焼，反応管への原燃料供給を止め
て運転を停止した後、燃料電池の本体内部，改質器の燃
料改質系に窒素ガスを導入して保圧状態に保つ。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、前記のよう
な加圧型燃料電池の発電システムにおける燃料改質器に
大口径の単管式反応管を採用するものとして、その作動
圧力（7.５Kg／cm2 Ｇ）の全圧が反応管に加わるものと
すると、設計上で所定の耐圧強度を得るために必要な改
質器反応管の肉厚は１4.７mmにもなり、安全性を考慮す
ると肉厚をさらに厚くする必要がある。
な加圧型燃料電池の発電システムにおける燃料改質器に
大口径の単管式反応管を採用するものとして、その作動
圧力（7.５Kg／cm2 Ｇ）の全圧が反応管に加わるものと
すると、設計上で所定の耐圧強度を得るために必要な改
質器反応管の肉厚は１4.７mmにもなり、安全性を考慮す
ると肉厚をさらに厚くする必要がある。
【０００７】しかしながら、改質器の反応管の肉厚を厚
くすると材料費が嵩むほか、その肉厚に相応して伝熱抵
抗が高くなって反応管の燃焼室との間の伝熱特性が低下
することから、必要な改質反応温度を確保するには燃焼
室の炉内温度を上げて反応管の表面温度をさらに高める
必要があり、このために表面温度と材料の耐熱許容温度
との差が殆どなくなって運転上で支障を来すおそれがあ
る。
くすると材料費が嵩むほか、その肉厚に相応して伝熱抵
抗が高くなって反応管の燃焼室との間の伝熱特性が低下
することから、必要な改質反応温度を確保するには燃焼
室の炉内温度を上げて反応管の表面温度をさらに高める
必要があり、このために表面温度と材料の耐熱許容温度
との差が殆どなくなって運転上で支障を来すおそれがあ
る。
【０００８】かかる点、改質器の反応管に作動圧力の全
圧が加わらないような条件で運転が行うことができれ
ば、耐圧上での必要な反応管の肉厚を薄くして伝熱性能
の改善が図れ、大容量の加圧型燃料電池発電システムに
適用する改質器の設計条件が緩和される。本発明は上記
の点にかんがみなされたものであり、その目的は改質器
の反応管に対する設計条件の緩和を狙いに、発電システ
ムの起動，停止時のような非定常運転の状態で改質器の
反応管に加わる内外圧力差を低く抑えられるようにした
燃料電池発電システムの運転制御方法を提供することに
ある。
圧が加わらないような条件で運転が行うことができれ
ば、耐圧上での必要な反応管の肉厚を薄くして伝熱性能
の改善が図れ、大容量の加圧型燃料電池発電システムに
適用する改質器の設計条件が緩和される。本発明は上記
の点にかんがみなされたものであり、その目的は改質器
の反応管に対する設計条件の緩和を狙いに、発電システ
ムの起動，停止時のような非定常運転の状態で改質器の
反応管に加わる内外圧力差を低く抑えられるようにした
燃料電池発電システムの運転制御方法を提供することに
ある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の運転制御方法では、発電システムの起動時
には改質器の始動に先立ってその燃料改質系内に導入し
た窒素を所定の動作圧力まで徐々に昇圧し、停止時には
改質器に導入した窒素で燃料改質系内の残留ガスをパー
ジしつつ停止圧力まで徐々に降圧するとともに、前記の
昇圧，降圧過程で改質器の燃料改質系と燃焼系との間の
差圧を規定値以内に保ちながら昇圧，降圧制御を行うも
のとする。
に、本発明の運転制御方法では、発電システムの起動時
には改質器の始動に先立ってその燃料改質系内に導入し
た窒素を所定の動作圧力まで徐々に昇圧し、停止時には
改質器に導入した窒素で燃料改質系内の残留ガスをパー
ジしつつ停止圧力まで徐々に降圧するとともに、前記の
昇圧，降圧過程で改質器の燃料改質系と燃焼系との間の
差圧を規定値以内に保ちながら昇圧，降圧制御を行うも
のとする。
【００１０】そして、前記の運転制御方法は次のような
具体的方法で実施するのがよい。すなわち、起動時には
燃料改質系に導入する窒素の圧力を動作圧力まで徐々に
昇圧しつつ、この昇圧に追随して燃焼系を燃料改質系よ
り若干低い圧力に昇圧制御する。一方、停止時には燃焼
系の圧力を大気圧まで徐々に降圧しつつ、この降圧に追
随して燃料改質系に導入した窒素を燃焼系より若干高い
圧力に降圧制御するものとする。
具体的方法で実施するのがよい。すなわち、起動時には
燃料改質系に導入する窒素の圧力を動作圧力まで徐々に
昇圧しつつ、この昇圧に追随して燃焼系を燃料改質系よ
り若干低い圧力に昇圧制御する。一方、停止時には燃焼
系の圧力を大気圧まで徐々に降圧しつつ、この降圧に追
随して燃料改質系に導入した窒素を燃焼系より若干高い
圧力に降圧制御するものとする。
【００１１】また、前記した昇圧，降圧制御を行うため
の具体的な実施態様として、改質器の燃料改質系に通じ
る配管路，および改質器の燃焼室から引出した燃焼排ガ
ス配管路にそれぞれ圧力制御弁を接続し、該圧力制御弁
を介して燃料改質系，燃焼系の圧力設定，および差圧制
御を行う方法、さらに非常時の保護対策として、改質器
と燃料電池との間の改質ガス配管路に放圧弁を接続し、
改質器の燃料改質系と燃焼系との間の差圧が規定値を超
えた際に前記放圧弁を開いて差圧を規定値以内に下げる
方法などがある。
の具体的な実施態様として、改質器の燃料改質系に通じ
る配管路，および改質器の燃焼室から引出した燃焼排ガ
ス配管路にそれぞれ圧力制御弁を接続し、該圧力制御弁
を介して燃料改質系，燃焼系の圧力設定，および差圧制
御を行う方法、さらに非常時の保護対策として、改質器
と燃料電池との間の改質ガス配管路に放圧弁を接続し、
改質器の燃料改質系と燃焼系との間の差圧が規定値を超
えた際に前記放圧弁を開いて差圧を規定値以内に下げる
方法などがある。
【００１２】
【作用】上記において、発電システムの起動時には改質
器の燃料改質系配管路に接続した圧力制御弁に所定圧力
設定値を与え、改質器の始動に先立って反応管の上流側
から窒素を導入して系内圧力を徐々に昇圧する。また、
この窒素の昇圧操作に追随して改質器の燃焼室には空気
圧縮機よりバーナを通じて加圧空気を導入するととも
に、その燃焼排ガス系配管路に接続した圧力制御弁の設
定圧力を前記燃料改質系の圧力よりも若干低く設定し、
改質器の反応管と燃焼室との間の差圧が昇圧過程で規定
値以内に収まるように昇圧制御する。一方、発電システ
ムの停止時には、改質器の燃焼排ガス系配管路に接続し
た圧力制御弁を介して燃焼系の圧力を徐々に低めながら
最終的に燃焼室内の圧力を大気圧まで降圧させるととも
に、この降圧操作に追随して改質器の燃料改質系導入し
た窒素圧力を、その圧力制御弁により前記排ガス系の圧
力よりも若干高い圧力に保ちながら停止圧力（停止中に
維持する保圧）まで降圧制御する。
器の燃料改質系配管路に接続した圧力制御弁に所定圧力
設定値を与え、改質器の始動に先立って反応管の上流側
から窒素を導入して系内圧力を徐々に昇圧する。また、
この窒素の昇圧操作に追随して改質器の燃焼室には空気
圧縮機よりバーナを通じて加圧空気を導入するととも
に、その燃焼排ガス系配管路に接続した圧力制御弁の設
定圧力を前記燃料改質系の圧力よりも若干低く設定し、
改質器の反応管と燃焼室との間の差圧が昇圧過程で規定
値以内に収まるように昇圧制御する。一方、発電システ
ムの停止時には、改質器の燃焼排ガス系配管路に接続し
た圧力制御弁を介して燃焼系の圧力を徐々に低めながら
最終的に燃焼室内の圧力を大気圧まで降圧させるととも
に、この降圧操作に追随して改質器の燃料改質系導入し
た窒素圧力を、その圧力制御弁により前記排ガス系の圧
力よりも若干高い圧力に保ちながら停止圧力（停止中に
維持する保圧）まで降圧制御する。
【００１３】これにより、発電システムの起動，停止時
における燃料改質系の昇圧，降圧過程で改質器の反応管
に対して燃焼室との間に過大な差圧の加わることがなく
なり、耐圧性から必要な反応管の肉厚を薄くしてその伝
熱特性を高めることができる。なお、前記のように起動
時と停止時とで圧力制御の対象を空気から窒素に切換
え、起動時には空気圧縮機から改質器の燃焼室に導入し
た加圧空気を制御対象として燃料改質系の昇圧に追随制
御することにより、燃料改質系に導入する窒素の使用量
を抑制できる（昇圧時に窒素導入量を制御対象とする
と、圧縮変化に伴って窒素の一部を系外に放出すること
になるので、窒素の消費量が増大する）。また、停止時
には発電システムの停止と同時に空気圧縮機の運転も停
止して燃焼系の空気圧力源がなくなるので、この場合に
は燃料改質系に導入した窒素の圧力を制御対象とするこ
とで、燃焼排ガス系の降圧に追随して燃料改質系の降圧
制御が的確に行える。
における燃料改質系の昇圧，降圧過程で改質器の反応管
に対して燃焼室との間に過大な差圧の加わることがなく
なり、耐圧性から必要な反応管の肉厚を薄くしてその伝
熱特性を高めることができる。なお、前記のように起動
時と停止時とで圧力制御の対象を空気から窒素に切換
え、起動時には空気圧縮機から改質器の燃焼室に導入し
た加圧空気を制御対象として燃料改質系の昇圧に追随制
御することにより、燃料改質系に導入する窒素の使用量
を抑制できる（昇圧時に窒素導入量を制御対象とする
と、圧縮変化に伴って窒素の一部を系外に放出すること
になるので、窒素の消費量が増大する）。また、停止時
には発電システムの停止と同時に空気圧縮機の運転も停
止して燃焼系の空気圧力源がなくなるので、この場合に
は燃料改質系に導入した窒素の圧力を制御対象とするこ
とで、燃焼排ガス系の降圧に追随して燃料改質系の降圧
制御が的確に行える。
【００１４】また、改質器の燃料改質系配管路に接続し
た放圧弁は非常時の保護機能を果たすものであり、起動
確立後の負荷運転を含む全運転状態で何等かの原因で燃
料改質系の圧力が異常に高まり、このために改質器の反
応管と燃焼室との間に規定値以上の過大な圧力差が生じ
た場合に放圧弁を開いて改質ガスの一部を系外に逃が
し、反応管に加わる内外圧力差を規定値以内に保持する
ように動作する。そして差圧が規定値以内に低下すれば
再び弁が閉じる。
た放圧弁は非常時の保護機能を果たすものであり、起動
確立後の負荷運転を含む全運転状態で何等かの原因で燃
料改質系の圧力が異常に高まり、このために改質器の反
応管と燃焼室との間に規定値以上の過大な圧力差が生じ
た場合に放圧弁を開いて改質ガスの一部を系外に逃が
し、反応管に加わる内外圧力差を規定値以内に保持する
ように動作する。そして差圧が規定値以内に低下すれば
再び弁が閉じる。
【００１５】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。まず、図１において、１は燃料電池、２は燃料改
質器、３は空気圧縮機、４は窒素設備であり、これらを
図示のように組合わせて燃料電池発電システムを構成し
ている。ここで、１ａ，１ｂは燃料電池１の燃料極，空
気極である。また、燃料改質器２は、バーナ２ａを装備
した燃焼室（燃焼炉）２ｂの内部に改質触媒を充填した
反応管（例えば単管式）２ｃが配管されており、かつバ
ーナ２ａには空気圧縮機３から送気されて来た加圧空
気，および燃料電池１の燃料極１ａから排出するオフガ
ス（未反応ガス）を燃焼空気，バーナ燃料として供給す
るようにしている。そして、燃料電池１の燃料極１ａの
出口側と前記バーナ２ａとの間に配管したオフガス配管
路５には燃料遮断弁６の他に大気側に開放した圧力制御
弁７，および圧力計８が接続されており、さらに燃料改
質器２の燃焼室２ｂから引出した燃焼排ガス配管路９に
は圧力制御弁１０，および圧力計１１が接続されてい
る。
する。まず、図１において、１は燃料電池、２は燃料改
質器、３は空気圧縮機、４は窒素設備であり、これらを
図示のように組合わせて燃料電池発電システムを構成し
ている。ここで、１ａ，１ｂは燃料電池１の燃料極，空
気極である。また、燃料改質器２は、バーナ２ａを装備
した燃焼室（燃焼炉）２ｂの内部に改質触媒を充填した
反応管（例えば単管式）２ｃが配管されており、かつバ
ーナ２ａには空気圧縮機３から送気されて来た加圧空
気，および燃料電池１の燃料極１ａから排出するオフガ
ス（未反応ガス）を燃焼空気，バーナ燃料として供給す
るようにしている。そして、燃料電池１の燃料極１ａの
出口側と前記バーナ２ａとの間に配管したオフガス配管
路５には燃料遮断弁６の他に大気側に開放した圧力制御
弁７，および圧力計８が接続されており、さらに燃料改
質器２の燃焼室２ｂから引出した燃焼排ガス配管路９に
は圧力制御弁１０，および圧力計１１が接続されてい
る。
【００１６】また、窒素設備４から引出した窒素ガス供
給管が窒素供給弁１２，１３を介して改質器２の反応管
２ｃの上流側，および燃料電池１に接続されており、さ
らに改質器２の燃焼室２ｂと反応管２ｃとの間の差圧を
検出する差圧計１４の出力信号を基に開閉動作する放圧
弁１５が改質器２の反応管２ｃと燃料電池１との間の配
管路に接続されている。なお、１８は燃料電池１に対す
る燃料のバイパス管路、１９〜２２は開閉弁である。
給管が窒素供給弁１２，１３を介して改質器２の反応管
２ｃの上流側，および燃料電池１に接続されており、さ
らに改質器２の燃焼室２ｂと反応管２ｃとの間の差圧を
検出する差圧計１４の出力信号を基に開閉動作する放圧
弁１５が改質器２の反応管２ｃと燃料電池１との間の配
管路に接続されている。なお、１８は燃料電池１に対す
る燃料のバイパス管路、１９〜２２は開閉弁である。
【００１７】かかる構成で、発電システムの運転時には
水蒸気を加えた原燃料（天然ガス）が改質器２の反応管
２ｃに導入され、ここで原燃料は水素リッチな改質ガス
に水蒸気改質され、改質器２より燃料電池１の燃料極１
ａに燃料ガスとして供給される。また、燃料極１ａから
排出した未反応ガスを含むオフガスは配管路５を通じて
改質器２のバーナ２ａに供給され、空気圧縮機３よ送ら
れてきた加圧空気とともにバーナ２ａで燃焼して改質反
応に必要な熱を反応管２ｃに与える。また、燃焼排ガス
は排ガス配管路９を通じて大気中に放出される。
水蒸気を加えた原燃料（天然ガス）が改質器２の反応管
２ｃに導入され、ここで原燃料は水素リッチな改質ガス
に水蒸気改質され、改質器２より燃料電池１の燃料極１
ａに燃料ガスとして供給される。また、燃料極１ａから
排出した未反応ガスを含むオフガスは配管路５を通じて
改質器２のバーナ２ａに供給され、空気圧縮機３よ送ら
れてきた加圧空気とともにバーナ２ａで燃焼して改質反
応に必要な熱を反応管２ｃに与える。また、燃焼排ガス
は排ガス配管路９を通じて大気中に放出される。
【００１８】そして、発電システムの起動時には、改質
器２の始動（バーナ２ａの点火，原燃料の導入）に先立
ち、バーナ２ｃの燃料遮断弁６，燃料電池１の入口，出
口の開閉弁２０，２１を閉，バイパス管路１８の開閉弁
１９を開とし、かつ圧力制御弁７で圧力設定した状態
で、反応管２ｃを含む改質器２の燃料改質系，および燃
料電池１に窒素設備４より別々に窒素ガスを加圧導入し
て所定の圧力まで徐々に昇圧する。また、この窒素ガス
の導入，昇圧操作と並行して、空気圧縮機３より改質器
２のバーナ２ａを通じて加圧空気を燃焼室２ｂに供給す
るとともに、この昇圧操作の過程で燃焼系の圧力（燃焼
室２ｂの圧力）を圧力制御弁１０によって次記のように
昇圧制御する。
器２の始動（バーナ２ａの点火，原燃料の導入）に先立
ち、バーナ２ｃの燃料遮断弁６，燃料電池１の入口，出
口の開閉弁２０，２１を閉，バイパス管路１８の開閉弁
１９を開とし、かつ圧力制御弁７で圧力設定した状態
で、反応管２ｃを含む改質器２の燃料改質系，および燃
料電池１に窒素設備４より別々に窒素ガスを加圧導入し
て所定の圧力まで徐々に昇圧する。また、この窒素ガス
の導入，昇圧操作と並行して、空気圧縮機３より改質器
２のバーナ２ａを通じて加圧空気を燃焼室２ｂに供給す
るとともに、この昇圧操作の過程で燃焼系の圧力（燃焼
室２ｂの圧力）を圧力制御弁１０によって次記のように
昇圧制御する。
【００１９】すなわち、図示における圧力制御弁７の圧
力設定値をSV-1, 圧力計８の測定値をPV-1、圧力制御弁
１０の圧力設定値をSV-2, 圧力計８の測定値をPV-2とし
て、燃料改質系を窒素ガスで昇圧操作する過程では、次
記の（１）式を満足するように燃焼室の圧力を昇圧制御
する。 (SV-2) ＝ (PV-1) −α (αは定数) ────────（１） ここで、設計の一例として燃料電池の運転圧力を６Kg／
cm2 Ｇ，改質器の燃料改質系圧力を7.５Kg／cm2 Ｇ、改
質器の燃焼系圧力を5.３Kg／cm2 Ｇとして、前記（１）
式における定数αを0.５Kg／cm2 に設定し、図２の圧力
推移図で表すように、起動時には昇圧開始時点から燃料
改質系の圧力を徐々に昇圧するとともに、この昇圧に追
随して燃焼系圧力を前記定数αに相応する圧力だけ低く
して昇圧制御することにより、昇圧過程では改質器２の
反応管２ｃと燃焼室２ｂとの間の圧力差がほぼ定数α
（0.５Kg／cm2 ）に相応した差圧に収まる。
力設定値をSV-1, 圧力計８の測定値をPV-1、圧力制御弁
１０の圧力設定値をSV-2, 圧力計８の測定値をPV-2とし
て、燃料改質系を窒素ガスで昇圧操作する過程では、次
記の（１）式を満足するように燃焼室の圧力を昇圧制御
する。 (SV-2) ＝ (PV-1) −α (αは定数) ────────（１） ここで、設計の一例として燃料電池の運転圧力を６Kg／
cm2 Ｇ，改質器の燃料改質系圧力を7.５Kg／cm2 Ｇ、改
質器の燃焼系圧力を5.３Kg／cm2 Ｇとして、前記（１）
式における定数αを0.５Kg／cm2 に設定し、図２の圧力
推移図で表すように、起動時には昇圧開始時点から燃料
改質系の圧力を徐々に昇圧するとともに、この昇圧に追
随して燃焼系圧力を前記定数αに相応する圧力だけ低く
して昇圧制御することにより、昇圧過程では改質器２の
反応管２ｃと燃焼室２ｂとの間の圧力差がほぼ定数α
（0.５Kg／cm2 ）に相応した差圧に収まる。
【００２０】一方、発電システムの停止時には、燃料電
池１の発電停止と同時に空気圧縮機３も停止して開閉弁
２０〜２２を閉じ、この状態から改質器２の燃焼排ガス
配管路９に接続した圧力制御弁１０を通じて燃焼室２ｂ
の圧力を大気圧まで徐々に降圧させる。また、停止の際
に改質器２の反応管２ｃを含む燃料改質系内に残留して
いる原燃料ガス，改質ガス，水蒸気をパージするため
に、窒素設備４から窒素供給弁１２を通じて系内に窒素
ガスを導入するとともに、さらに圧力制御弁７の制御に
より、燃料改質系の圧力を燃焼室２ｂの降圧に追随して
次式（２）の条件を満たすように降圧制御させる。
池１の発電停止と同時に空気圧縮機３も停止して開閉弁
２０〜２２を閉じ、この状態から改質器２の燃焼排ガス
配管路９に接続した圧力制御弁１０を通じて燃焼室２ｂ
の圧力を大気圧まで徐々に降圧させる。また、停止の際
に改質器２の反応管２ｃを含む燃料改質系内に残留して
いる原燃料ガス，改質ガス，水蒸気をパージするため
に、窒素設備４から窒素供給弁１２を通じて系内に窒素
ガスを導入するとともに、さらに圧力制御弁７の制御に
より、燃料改質系の圧力を燃焼室２ｂの降圧に追随して
次式（２）の条件を満たすように降圧制御させる。
【００２１】 (SV-1) ＝ (PV-2) −β (βは定数) ────────（２） 図３はこの降圧制御による圧力の推移を表した図であ
り、発電システムの停止とともに降圧を開始し、改質器
２の燃料改質系と燃焼系との間で（２）式における常数
β（常数βは1.０Kg／cm2 に設定する）に相応する差圧
を保ちながら燃料改質系の圧力を圧力制御弁７により降
圧制御させる。そして、最終的に燃焼系は大気圧まで下
げ、燃料改質系は停止保管中に空気が系内に侵入するの
を防ぐように窒素で所定圧力に保圧した状態で終了させ
る。
り、発電システムの停止とともに降圧を開始し、改質器
２の燃料改質系と燃焼系との間で（２）式における常数
β（常数βは1.０Kg／cm2 に設定する）に相応する差圧
を保ちながら燃料改質系の圧力を圧力制御弁７により降
圧制御させる。そして、最終的に燃焼系は大気圧まで下
げ、燃料改質系は停止保管中に空気が系内に侵入するの
を防ぐように窒素で所定圧力に保圧した状態で終了させ
る。
【００２２】次に、図１の発電システムに組み込んだ放
圧弁１５の機能，動作について述べる。この放圧弁１５
は燃料電池１の運転中を含めて燃料改質系の圧力が異常
に高くなった際に弁を大気側に開いて系内圧力を下げ、
燃焼系との間の差圧を規定値以内に収めるような差圧保
護機能を与えるものであり、その動作を図４に示す。す
なわち、改質器２の燃焼室２ｂと反応管２ｃとの間を差
圧ΔＰを差圧計１４で検出し、その差圧ΔＰが規定値
（3.８Kg／cm2 ）を超えた際に放圧弁１５が開弁して系
内圧力を大気側に逃がし、規定値以下の圧力（3.０Kg／
cm2 ）まで低下すると弁が閉じるように動作する。
圧弁１５の機能，動作について述べる。この放圧弁１５
は燃料電池１の運転中を含めて燃料改質系の圧力が異常
に高くなった際に弁を大気側に開いて系内圧力を下げ、
燃焼系との間の差圧を規定値以内に収めるような差圧保
護機能を与えるものであり、その動作を図４に示す。す
なわち、改質器２の燃焼室２ｂと反応管２ｃとの間を差
圧ΔＰを差圧計１４で検出し、その差圧ΔＰが規定値
（3.８Kg／cm2 ）を超えた際に放圧弁１５が開弁して系
内圧力を大気側に逃がし、規定値以下の圧力（3.０Kg／
cm2 ）まで低下すると弁が閉じるように動作する。
【００２３】上記の説明で明らかなように、発電システ
ムの起動, 停止時おける昇圧, 降圧過程、および定常運
転時における燃料改質系圧力の異常上昇に対して、改質
器２の燃料改質系（反応管２ｃ）と燃焼系（燃焼室２
ｂ）との間の差圧が常に規定値以内に収まるように運転
制御されることになる。したがって、改質器２の反応管
２ｃには作動圧力の全圧に相当する過大な差圧の加わる
ことがなくなるので、反応管の仕様を作動圧力の全圧よ
りも低い圧力で設計，製作することができる。ここで、
仕様上での反応管２ｃの設計圧力を４Kg／cm2 とすれ
ば、必要な耐圧強度を得る反応管の肉厚は僅か6.６mmで
済み、これにより反応管の伝熱特性も向上する。しか
も、反応管は伝熱特性が高くなった分だけその表面温度
を比較的低く抑えることができるので、材料の耐熱温度
を含めて改質器の設計条件が緩和する。かかる点、燃料
改質系の作動圧力（7.５Kg／cm2 Ｇ）の全圧が改質器の
反応管に加わるものとして、反応管の設計圧力を安全率
をかけて９Kg／cm2 とすれば、その肉厚は１4.７mmにも
なって伝熱特性が低下する。
ムの起動, 停止時おける昇圧, 降圧過程、および定常運
転時における燃料改質系圧力の異常上昇に対して、改質
器２の燃料改質系（反応管２ｃ）と燃焼系（燃焼室２
ｂ）との間の差圧が常に規定値以内に収まるように運転
制御されることになる。したがって、改質器２の反応管
２ｃには作動圧力の全圧に相当する過大な差圧の加わる
ことがなくなるので、反応管の仕様を作動圧力の全圧よ
りも低い圧力で設計，製作することができる。ここで、
仕様上での反応管２ｃの設計圧力を４Kg／cm2 とすれ
ば、必要な耐圧強度を得る反応管の肉厚は僅か6.６mmで
済み、これにより反応管の伝熱特性も向上する。しか
も、反応管は伝熱特性が高くなった分だけその表面温度
を比較的低く抑えることができるので、材料の耐熱温度
を含めて改質器の設計条件が緩和する。かかる点、燃料
改質系の作動圧力（7.５Kg／cm2 Ｇ）の全圧が改質器の
反応管に加わるものとして、反応管の設計圧力を安全率
をかけて９Kg／cm2 とすれば、その肉厚は１4.７mmにも
なって伝熱特性が低下する。
【００２４】
【発明の効果】以上述べたように本発明の運転制御方法
によれば、起動，停止を含めた燃料電池発電システムの
運転中に、改質器の反応管に対して作動圧の全圧を加わ
ることなしに、燃焼室との間の差圧を全圧より低い規定
値以内に抑えて運転することができる。
によれば、起動，停止を含めた燃料電池発電システムの
運転中に、改質器の反応管に対して作動圧の全圧を加わ
ることなしに、燃焼室との間の差圧を全圧より低い規定
値以内に抑えて運転することができる。
【００２５】したがって、本発明の運転制御方法を採用
することにより、必要な耐圧強度を確保するために要す
る改質器反応管の肉厚を薄くして設計，製作することが
可能となり、これにより材料費の節減と併せて、反応管
の伝熱特性の向上，並びにその表面温度の低減化が図れ
るなど、大容量の加圧型燃料電池発電システムを構成す
る上で優れた効果が得られる。
することにより、必要な耐圧強度を確保するために要す
る改質器反応管の肉厚を薄くして設計，製作することが
可能となり、これにより材料費の節減と併せて、反応管
の伝熱特性の向上，並びにその表面温度の低減化が図れ
るなど、大容量の加圧型燃料電池発電システムを構成す
る上で優れた効果が得られる。
【図１】本発明の実施例による燃料電池発電システムの
系統図
系統図
【図２】図１の発電システム起動に伴う昇圧過程での系
内圧力の推移を表す図
内圧力の推移を表す図
【図３】図１の発電システム停止に伴う降圧過程での系
内圧力の推移を表す図
内圧力の推移を表す図
【図４】図１における放圧弁の開閉動作条件を表す図
１ 燃料電池 ２ 燃料改質器 ２ａ バーナ ２ｂ 燃焼室 ２ｃ 反応管 ３ 空気圧縮機 ４ 窒素設備 ６ 燃料遮断弁 ７，１０ 圧力制御弁 １４ 差圧計 １５ 放圧弁
Claims (5)
- 【請求項１】加圧型燃料電池と、燃料電池のオフガスを
バーナ燃料として原燃料を水蒸気改質する改質器と、燃
料電池および改質器のバーナに加圧空気を供給する空気
圧縮機と、燃料電池および改質器の反応管を含む燃料改
質系に窒素ガスを供給する窒素設備を組合わせた燃料電
池発電システムに対し、起動時には改質器の始動に先立
ってその燃料改質系内に導入した窒素を所定の動作圧力
まで徐々に昇圧し、停止時には改質器に導入した窒素で
燃料改質系内の残留ガスをパージしつつ停止圧力まで徐
々に降圧するとともに、前記の昇圧，降圧過程で改質器
の燃料改質系と燃焼系との間の差圧を規定値以内に保ち
ながら昇圧，降圧制御を行うことを特徴とする燃料電池
発電システムの運転制御方法。 - 【請求項２】請求項１記載の運転制御方法において、起
動時には燃料改質系に導入する窒素の圧力を動作圧力ま
で徐々に昇圧しつつ、この昇圧に追随して燃焼系を燃料
改質系より若干低い圧力に昇圧制御することを特徴とす
る燃料電池発電システムの運転制御方法。 - 【請求項３】請求項１記載の運転制御方法において、停
止時には燃焼系の圧力を大気圧まで徐々に降圧しつつ、
この降圧に追随して燃料改質系に導入した窒素を燃焼系
より若干高い圧力に降圧制御することを特徴とする燃料
電池発電システムの運転制御方法。 - 【請求項４】請求項１記載の運転制御方法において、改
質器の反応管に通じる燃料改質系配管路，および改質器
の燃焼室から引出した燃焼排ガス配管路に圧力制御弁を
接続し、該圧力制御弁を介して燃料改質系，燃焼系の圧
力設定，および差圧制御を行うことを特徴とする燃料電
池発電システムの運転制御方法。 - 【請求項５】請求項１記載の運転制御方法において、改
質器と燃料電池との間の改質ガス配管路に放圧弁を接続
し、改質器の燃料改質系と燃焼系との間の差圧が規定値
を超えた際に前記放圧弁を開いて差圧を規定値以内に下
げるようにしたことを特徴とする燃料電池発電システム
の運転制御方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5230634A JPH0785882A (ja) | 1993-09-17 | 1993-09-17 | 燃料電池発電システムの運転制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5230634A JPH0785882A (ja) | 1993-09-17 | 1993-09-17 | 燃料電池発電システムの運転制御方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0785882A true JPH0785882A (ja) | 1995-03-31 |
Family
ID=16910868
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5230634A Pending JPH0785882A (ja) | 1993-09-17 | 1993-09-17 | 燃料電池発電システムの運転制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0785882A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20040002074A (ko) * | 2002-06-29 | 2004-01-07 | 현대자동차주식회사 | 연료 전지 시스템의 질소 퍼징장치 |
| US7192669B2 (en) | 2001-11-30 | 2007-03-20 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | System and method of fuel cell power generation |
| JP2007234304A (ja) * | 2006-02-28 | 2007-09-13 | Casio Comput Co Ltd | 反応装置システム及び発電システム |
| KR100821771B1 (ko) * | 2006-10-27 | 2008-04-14 | 현대자동차주식회사 | 연료전지 차량의 애노드측 수소/산소 계면 형성 억제 장치 |
| JP2009104935A (ja) * | 2007-10-24 | 2009-05-14 | Gyoseiin Genshino Iinkai Kakuno Kenkyusho | 固体酸化物燃料電池構造 |
| JP2012113991A (ja) * | 2010-11-25 | 2012-06-14 | Jx Nippon Oil & Energy Corp | 燃料電池システム |
| CN110828864A (zh) * | 2019-11-01 | 2020-02-21 | 中车工业研究院有限公司 | 一种氢氧电化学反应装置的无辅助启动方法及系统 |
-
1993
- 1993-09-17 JP JP5230634A patent/JPH0785882A/ja active Pending
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7192669B2 (en) | 2001-11-30 | 2007-03-20 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | System and method of fuel cell power generation |
| CN1322618C (zh) * | 2001-11-30 | 2007-06-20 | 松下电器产业株式会社 | 燃料电池发电系统及其燃料电池发电方法 |
| US8486572B2 (en) | 2001-11-30 | 2013-07-16 | Panasonic Corporation | System and method of fuel cell power generation |
| KR20040002074A (ko) * | 2002-06-29 | 2004-01-07 | 현대자동차주식회사 | 연료 전지 시스템의 질소 퍼징장치 |
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| CN110828864A (zh) * | 2019-11-01 | 2020-02-21 | 中车工业研究院有限公司 | 一种氢氧电化学反应装置的无辅助启动方法及系统 |
| CN110828864B (zh) * | 2019-11-01 | 2021-02-19 | 中车工业研究院有限公司 | 一种氢氧电化学反应装置的无辅助启动方法及系统 |
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