JPS6180767A - 燃料電池発電プラントの燃料供給システム - Google Patents

燃料電池発電プラントの燃料供給システム

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JPS6180767A
JPS6180767A JP59200623A JP20062384A JPS6180767A JP S6180767 A JPS6180767 A JP S6180767A JP 59200623 A JP59200623 A JP 59200623A JP 20062384 A JP20062384 A JP 20062384A JP S6180767 A JPS6180767 A JP S6180767A
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JP
Japan
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fuel
reformer
burner
temperature
fuel cell
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JP59200623A
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English (en)
Inventor
Yasuo Takagi
康夫 高木
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Sustainable Energy (AREA)
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  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
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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】 〔発明の技術分野〕 この発明は、燃料電池発電プラントの燃料システムに係
り、特に供給された炭化水素ガスに水蒸気を添加して、
水素と二酸化炭素に転換する燃料改質装置の温度制御の
改良に関する。
〔発明の技術的背景とその問題点〕
この種の燃料電池(F、 C,l 発電システムは、電
力を発生するパワーセクションの他に、ここに水素を供
給するための燃料系、空気を供給するための空気系、お
よびF、 C,の温度を一定に保つための熱管理システ
ムから成っている。この中で燃料系は、第4図に示す櫟
に、天燃ガス等の炭化水素ガスと水蒸気とを混合し、リ
フオーマ1に供給して、炭化水素を加水分解して水素を
製造する。なおこの反応は吸熱反応であり、高温でない
と反応が進みにくいことから、リフォーンの触媒温度は
常に700℃以上に保たれている。この熱はリフオーマ
バーナ2で、F、C,かもの排燃料ガスを燃焼させるこ
とにより得るのが普通でめる。
このり7オーマにより水素の副産物として一酸化炭素と
二酸化炭素が生成する。この内、一酸化炭素には、さら
に水を加えて、二酸化炭素と水素に変える。この反応を
起すのがシフトコンバータ3である。
以上の様にして効率良く、炭化水素ガスから水素を主成
分とし九ガスに変換された燃料ガスは、F、 0.4で
発電に供される。ざらにF、 C,からの燃料廃ガス中
には、多少の水素が含まれているので、このガスをリフ
オーマバーナ2に導びきリフォーミング反応の熱源とし
ている。
以上、説明したF、 C,発電システムの燃料供給系の
制御は、P工調節計によって次の様に制御されている。
F、 C,に供給する流量は、負荷にもとすく流量目標
値に弁5によって制御する。また、天燃ガスと水蒸気は
、圧力計6の指示値が一定値になる様に、弁7と弁8に
よってり7オーマヘ供給する。またり7オーマ1の温度
は、燃料廃ガス中の水素残留量により決まるので、この
温度を制御するために、弁5と弁8により燃料ガス供給
量は調節される。また弁9ば、パイロフトバーナ2o6
カ□カオ、、。アあ、ア、48□よ4エ ・′一定であ
る。すなわち、調節計10では偏差Δe=入X (pH
l[l[P l + B X (TR*(orm*r温
[−T+をOにする様に制御し、調節計11では、偏差
Δa=A’X(F目標値−F ) + B’ X (T
l’l@forassrfli!1.− T’を抑制す
る様に弁5を操作する。
この様に設計された燃料系は平衡状態では効率良< F
、 C,に水素を供給することができるが、負荷変化時
等、過渡時には、リフオー2温度や、供給流量が大きく
ゆらぎ、さらに整定に大きな時間を有し制御性が著しく
悪化する。この現象と理由を第5図と第6図を参照しつ
つ説明する。第5図は負荷128を上昇させたときの流
・徽13mとり7オ一マ温度14mの変化を示す。この
図から負荷上昇とともに、流量と温度に大きな乱れが生
じているのが理解される。この原因は、まず負荷の増大
に比例して大量の天燃ガスがり7オーマに導入され、こ
れの吸熱リフォーミング反応によって急激にリフオーマ
が冷却される。ところがリフオーマバーナが低下すると
、温度を上げるためにり7オーマパーナに供給する水素
を増やす必要があるので、さらに多量の天燃ガスをリフ
オーマに加えることになる。この様にして、リフオーマ
温度は大きく低下し、燃料流量は増大する。一方、しば
らく後、この大量の燃料ガスかり7オーマバーナに到着
すると、余剰水素ガスが犬すぎるためにリフオーマの温
度は過度の上昇を示す。逆に負荷を下げた場合も同様に
大きな振動が、流量と温度に発生する。
この燃料流量の振動と、リフオー・7温度のゆれは、極
めて悪い影響を及ぼす。まずリフオーマ温度が、低下す
ると、リフォーミング反応が進まず、炭化水素ガスが、
そのままF、 C,へ供給され、燃料効率が悪化する。
一方上昇しすぎると、リフオーマの触媒やチーープの劣
化が起こり、リフオー7の寿命を縮めることになる。ま
た、燃料ガスについては、流量が減少すると、F、C,
が燃料不足を起こし、必要な電力を得ることができない
。そこで、F、C,発電の重要なメリットである速い応
答性をさせいに、ゆるやかな負荷変化を行なっていた。
〔発明の目的〕
本発明は、上記不都合を除去し、リフオーマ温度を一定
に保ちつつ、かつ燃料流量をすみやかに目標値に整定さ
せることのできる燃料ガス流量改質器温度制御装置を提
供することを目的とする。
〔発明の概要〕
この目的を達成するために、本発明は、す7オーマバー
ナ室に、リフオーマの主熱源である廃燃料ガスバーナと
同程度の熱出力を有する補助バーナを設置し、かつ、こ
のバーナに供給する燃料ガス流量を調節する流調弁を設
け、負荷上昇時のりフナ−2の温度低下をヒ記補助バー
ナの出力増で抑制する。また、リフオーマの冷却装置ま
たは、燃料廃ガスラインの廃ガス逃し装置を設ける。前
者は、負荷下降時の余剰の熱を冷却によって、後者は余
剰の燃料ガスを捨てることによって、IJ7中−7の一
温度ヒ昇を抑制する。また、この制御装置として、負荷
変化にもとすくツイードフォワード制御装置と、リフオ
ーマ温度を一定に保゛クフィードバック制御装置とを設
け、リフオーマ温度を制御する。
〔発明の効果〕
上述の如く、負荷上昇時にハ、リフオーf補助バーナの
出力増により、負荷下降時には、リフオーマの冷却、ま
たは、逃し弁による燃焼ガスの減少により、リフオーマ
温度を一定化することにより、従来の燃料ガスの元流量
を変えることによるリフオーマ温度の制御に比較して著
しく安定かつ容易にリフオーマ温度を制御することがで
きる。
また、原燃料ガス(天燃ガス等)の制御弁や、F、 C
,への流量制御弁は、温度制御から解放されるので、す
みやかに目標流量に整定させることができる。
したがって、F、C,の負荷変化も従来より速く行なう
ことができ、F、C,発電プラントの応答性を改善する
ことができる。
〔発明の実施例〕
2T88″AK ! v ’Cma i t’L4m“
1ゝ81′  !ランドの燃料ガス流量改質器温度制御
装置の一実施例を図面に従い詳細に説明する。本発明に
より構成された燃料系を第1図に示す。
この図において、リフオーマ圧力は、PIp節計15に
より、弁7.弁8を操作して制御する。
従来と異なり、リフオーマ圧力を考慮しない制御となっ
ているので安定に制御できる。F、 C,に供給する流
量は、PI調節計16によって、弁5を操作して制御す
る。ここでは、負荷に応じ九目標燃料流量になるように
、またオリアイス流量計17の流量がOになるように流
量を制御している。
このための偏差は次式で計算する。
e”  F 目41Ill −F測ff1li   ”
 F @xhF :燃料流量 F*xb :  リリーフガス流量 C:定数 また、リフオー7温度は、マイクロコンピュータを備え
たディジタルコントローラ18で弁19と、弁20を操
作して制御する。このコントローラは、リフオーマ温度
目標値と負荷電流信号および弁19と9P20の開度を
入力して、弁19と、弁20に開度を出力するもので、
第2図にその構成を示す。このコントローラは、内部に
、弁19と弁20のための1対のP■演算部2工とFe
ed−F own rd演算部22があり、各々の弁に
対する開度指示値を計算し、分配部23によって各々の
弁の開度指示信号を出力する。Feed−Foward
演算部では、負荷変化に伴なう燃料流量変化によるリフ
オーマ温度の変化を補償しようとするものである。
PI演算部は、す7オ一7温度を一定に保つためのフィ
ードバックルーズを構成している。一方、分配器は、リ
フオー゛7補助バーナ弁20とリリーフ弁19を協調動
作させるための装置であり、各々の弁の開度に従い次の
様に出力する。
以下令色 L  弁開度信号 MV   開度指示信号 添字1 リフオーマ補助バーナ燃料弁 l  2   リ リ − フ弁 以上の如く構成した、燃料ガス流電改質器温度制御装置
の負荷変化に対する応答を第3図に示す。
燃料流量は、少しオーバーシーート気味に極めてすみや
かに、負荷に追従している。一方リフォーマ温度はこの
間安定に制御されており、効率良く天燃ガスを水素に改
質できた。また、より速い負荷要求の変化に対しても、
すみやかに対応することができるようになった。
さらに、このリリーフ弁から捨てる燃料廃ガスには、水
素が多く含まれているので、このガスを、燃料電池の温
度管理システムの、温水加熱用バーナに導びくことによ
り、さらに高いエネルギ利用効率を実現することができ
る。
本発明の他の実施例として、上記流量温度制御装置にお
いて、燃料廃ガスリリーフ系を、す7オーマの冷却装置
に置き換えることによっても、同様の効果を得ることが
できる。本り7オーマ冷却装置は、リフオーツ周囲に空
気流による熱交換器を取りつけ、ここを流れる空気流量
を上記実施例におけるすIJ + 7弁と同様に制御す
ることによっ  1て、す7オ一マ温度を制御する。こ
のシステムでは、リフオーマ温度を制御するための操作
は、燃料流量にほとんど影響がなく、よりすぐれた流量
制御を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明に係る燃料流量改質器温度制御システ
ムの構成図、第2図は、第1図におけるリフオー1温度
コントローラの構成図、第3図は、本発明に係る燃料流
量改質器温度制御システムの応答図、第4図は、従来の
燃料供給システムの構成図、第5図、第6図は、従来の
燃料供給システムの応答図である。 1・・・リフオーマ 2・・・す7オーマバーナ 3・・・シフトコンバータ 4・・・F、C。 5・・・流調弁 6・・・圧力計 7・・・水蒸気調節弁 8・・・天燃ガス調節弁 9・・パイロットバーナ調節弁 10、11.15.16.24.25・・・調節計12
・・・負荷変化 13・・・燃料ガス流量 14・・・リフォーマトッグチェープ温度17、26.
27・・・流量計 18・・・ディジタルコントローラ 19・・・逃し弁 20・・・補助バーナ燃料供給弁 21・・・PI演算部 22− Feed −Fowsrd演算部23・・・分
配器 24・・・リフオーマ補助バーナ 25・・・パイロットバーナ 代理人 弁理士 則 近 憲 佑 (ほか1名)

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)酸化剤として空気を、還元剤とし炭化水素ガスを
    加水分解して得る水素を主成分とする燃料ガスを用いる
    リン酸電解質燃料電池を有して構成される燃料電池発電
    システムの、燃料電池廃燃料ガスの燃焼を主な熱源とし
    て、供給炭化水素燃料を水素を主成分とする改質燃料に
    変える改質器を備えた燃料システムにおいて、改質器に
    備え付け、かつ改質器の主バーナと同程度の熱出力を持
    つ補助バーナと、前記補助バーナに供給する燃料の流調
    弁と、燃料廃ガスラインの前記燃料電池と前記改質器バ
    ーナの間に設けられた、廃ガス逃し配管と、前記逃し配
    管中の廃燃料ガス流量を制御する流調弁を具備したこと
    を特徴とする燃料電池発電プラントの燃料供給システム
  2. (2)廃ガス逃し配管と、その流調弁の替わりに、改質
    器の冷却手段と、前記冷却手段の能力を制御する弁とを
    設けたことを特徴とする、特許請求の範囲第1項記載の
    燃料電池発電プラントの燃料供給システム。
  3. (3)前記補助バーナ燃料の流調弁と廃燃料ガスの逃し
    弁の制御装置として、マイクロコンピュータを有し、少
    なくとも、負荷変化に応じて弁開度信号を演算するフィ
    ードフォワード演算と、改質器温度を入力して弁開度信
    号をPI演算するディジタルコントローラを具備したこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の燃料電池発
    電プラントの燃料供給システム。
  4. (4)前記補助バーナ燃料の流調弁と改質器の冷却手段
    制御弁の制御装置として特許請求の範囲第3項記載のデ
    ィジタルコントローラを具備したことを特徴とする特許
    請求の範囲第2項記載の燃料電池発電プラントの燃料供
    給システム。
JP59200623A 1984-09-27 1984-09-27 燃料電池発電プラントの燃料供給システム Pending JPS6180767A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0227669A (ja) * 1988-07-15 1990-01-30 Fuji Electric Co Ltd 燃料電池の燃料改質装置
JP2002042840A (ja) * 2000-07-24 2002-02-08 Toyota Motor Corp 燃料電池型コージェネレーションシステム
JP2005251766A (ja) * 2005-05-31 2005-09-15 Sanyo Electric Co Ltd 燃料電池システム
JP2007103080A (ja) * 2005-09-30 2007-04-19 Murata Mfg Co Ltd 水素製造システムにおける原料ガスの改質方法

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