JPS622461A

JPS622461A - 燃料電池発電システム燃料系の再循環装置

Info

Publication number: JPS622461A
Application number: JP60138919A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Takagi; 康夫高木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-06-27
Filing date: 1985-06-27
Publication date: 1987-01-08
Anticipated expiration: 2011-03-27
Also published as: JPH0831324B2

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］本発明は、燃料電池（以下ＦＣと記す）発電システムの
燃料系の再循環装置に関する。

［発明の技術的背景とその問題点］従来のＦＣ発電システム燃料系は、ＦＣに水素リッチな
燃料ガスを供給するためのシステムであり、第４図に示
すように、炭化水素を主成分とする原燃料ガスと水蒸気
の混合ガスを、水素を主成分とするガスに変える改質器
１と、改質器で生成する−酸化炭素に水蒸気を作用させ
、水素と二酸化炭素に変えるシフトコンバータ２、およ
び燃料ガス流量の調節弁３、により、燃料電池４に所定
の燃料ガスを供給する。また、改質器１での上記の改質
反応が吸熱反応なので、ＦＣ４から排出される燃料ガス
中の残留水素を、改質器バーナ５で燃焼させ、上記反応
の熱源としている。

また、ＦＣの構造は第５図に示すように、多数の単位Ｆ
Ｃを積層したＦＣスタック６と、燃料ガスや空気をＦＣ
スタックに供給、排気するためのマニホールド７、およ
び、ＦＣスタックやマニホールド全体を格納する圧力容
器８等から構成されている。

この様に、ＦＣスタックは、単位セルを多数直列に積層
したものなので、ごく一部であっても十分な出力の得ら
れない単位セルが存在すると、ＦＣスタック全体の出力
を、この不良セルに合わせざるを得ない。したがって燃
料ガスが片寄って各単位セルに分配された場合、最も少
ない燃料の流れる単位セルの能力に、スタックの出力電
流は制限されてしまい、上記以外の単位セルでは燃料ガ
スは過剰となり、発電に使用されることなく排出されて
しまう。よって、燃料ガスは各単位セルに均等に分配さ
れなければならない。

しかし、ＦＣは、第５図に示すように、マニホールドに
通した配管により燃料ガスを供給する構造なので、燃料
ガス流量が小さい場合に、各単位セル流路での圧力損失
が小さくなるので゛、マニホールドに流入して来た燃料
ガスはほとんどそのままの方向に進み、流入燃料配管付
近の単位セルに多くの燃料ガスが流れ、端は少ないとい
う片寄りを生じていた。特に、燃料ガスは、二酸化炭素
と水素から成っ、ていて、発電に用いると水素のみ減る
ので、ＦＣの使用後燃料ガスの比重は、供給燃料ガスよ
り、著しく大きい。この結果、燃料ガス流量が少ないと
き、ＦＣの使用後燃料ガスが、ＦＣスタック下部に滞留
し、下部の単位セルに新しい燃料ガスが供給されるのを
妨害する傾向がある。

以上の原因により、従来のＦＣ発電プラントでは、低流
量時の燃料ガスの不均一性のため、燃料の利用率を高く
することができず、大部分の燃料ガスを捨てていた。こ
のため、ＦＣの発電コストは、高いものとなっていた。

［発明の目的］本発明は、上記不都合を除去し、ＦＣスタックを構成す
る単位セルに均等に燃料ガスを供給することのできる燃
料系の再循環装置を提供することを目的とする。

［発明の概要］低負荷時での燃料ガス流の不均一性を除くため、本発明
は、低負荷時においても、十分な燃料ガスをＦＣに供給
できるように燃料ガスの再循環ラインを設け、ＦＣスタ
ック内で常時、所定の差圧が発生するように、再循環流
量を制御する。この結果、低負荷時、ＦＣの必要な水素
が少量で、外部からの燃料供給量がそれに合わせて少な
い場合にも、ＦＣスタック内には、十分な流量が確保さ
れている。

［発明の効果］上記の燃料系の再循環装置により、各単位セルにはほぼ
均等な燃料流を確保できるので、全ての単位セルの燃料
利用率がほぼ同じになり、したがって低負荷時、即ち燃
料ガスの低流量時においても、高い燃料利用率が可能と
なる。この結果、ＦＣ発電システムの経済性が著しく向
上する。

また、燃料ガスの再循環量の増加に伴い、ＦＣスタック
内の水素分圧が低下するので、この現象を利用して電圧
制御を行うこともできる。しがも、低負荷時はど、ＦＣ
スタック内の流量確保のため再循環量を大きく取る必要
があるが、これは同時に、低負荷時の電圧を降下させる
。低負荷時には、触媒保護のため、電池電圧を下げる必
要があるので、燃料ガスの再循環量による調節は極めて
有効である。

［発明の実施例］以下、本発明によって構成されるＦＣ発電プラント燃料
系の再循環装置の一実施例を第１図に従い詳細に説明す
る。この実施例では、Ｆｃ４の排燃料ガスラインから供
給ラインへ至る燃料ガスの再循環ライン９を設け、この
ラインに排燃料ガスを流すブロワ１０と、その流量を調
節する弁１１を用いて、Ｆｅｄ内での燃料ガスの圧損を
差圧計１２で１１−１定し、この圧損が目標値になるよ
うに、調節計１３で再循環量を流量計１４で検知しつつ
、制御する。

また、調節計１３のアルゴリズムは、第２図に示すよう
に、差圧目標値とそのｆｉｌｌ定値の差からＰＩ演算に
より燃料ガスの再循環流量目標値を求め、この測定値と
の差から再循環流量弁の開度を、ＰＩ演算により求め、
弁１１に出力する。

この実施例によって、ＦＣスタック内で常に所定以上、
の圧損を発生させることができ、スタック内の各単位セ
ルの燃料流を均一にすることができる。

本発明によって構成される他の実施例を、第３図に示す
。この例では、再循環流量制御弁１１を、燃料ガス流量
計で検知される流量信号を演算装置１６に入力して、Ｆ
Ｃスタック内に流すべき所定の燃料ガス流量から減算し
、再循環流量目標値を求め、再循環流量を流量計１４で
測定し、目標値になるよう、弁１１を用いて制御する。

この例の様に、直接圧損をｆｌｌ１１定せず、ＦＣ内を
流れる燃料流量を制御することによっても同様の効果が
百られ、ＦＣスタック内の流れを均一化することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明にかかる燃料ガス再循環システムの一
実施例を示す構成図、第２図は、調節計の演算アルゴリ
ズムのブロック図、第３図は、本発明にかかる燃料ガス
再循環システムの他の実施例を示す構成図、第４図は、
従来のＦＣ発電プラント燃料系の構成図、第５図は、Ｆ
Ｃスタックの構造図である。１・・・改質器　　　　　２・・・シフトコンバータ３
・・・弁　　　　　　　４・・・燃料電池５・・・改質
器バーナ　　６・・・燃料電池スタック７・・・マニホ
ールド　　８・・・圧力容器９・・・燃料ガス再循環ラ
イン１０・・・ブロワ−ｔｉ・・・弁１２・・・差圧計　　　　　１３・・・調節計１４・・
・流量計　　　　　１５・・・燃料ガス流量計１６・・
・演算装置代理人　弁理士　則　近　憲　佑（ほか１名）第２図第３図第５図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）還元剤として水素を主成分とする燃料ガスを用い
る燃料電池を備えた燃料電池発電プラントにおいて、燃
料電池下流側の燃料ラインと燃料電池上流側の燃料ライ
ンを結ぶ燃料ガス再循環ラインと、当ラインに燃料ガス
を流す手段と、その流量を調節する手段と、燃料電池内
で発生する燃料ガスの圧力損失を所定の値以上に保つよ
うに、前記、流量の調節手段を制御する手段とを備えた
ことを特徴とする燃料電池発電システム燃料系の再循環
装置。
（２）燃料ガス再循環ラインに燃料ガスを流す手段とし
て、ブロワーを、流量を調節する手段として、調節弁を
、また、圧力損失を調節するため、前記調節弁を制御す
る手段として、燃料ガスラインの、燃料電池の上流と下
流の圧力差を検出する差圧計と、前記差圧計よりの差圧
信号を入力して前記調節弁開度を制御する演算装置を備
えたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の燃料
電池発電システム燃料系の再循環装置。
（３）燃料電池内で発生する燃料ガスの圧力損失を調整
するため、調節弁を制御する手段として、燃料ガスライ
ンの燃料ガス流量、あるいは、燃料ガス流量目標値を入
力して、前記調節弁を制御する演算装置を備えたことを
特徴とする特許請求の範囲第２項記載の燃料電池発電シ
ステム燃料系の再循環装置。