JPS63241878A - 燃料電池発電プラント - 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〕 （産業上の利用分野） 本発明は燃料電池発電プラントに関するものである。

（従来の技術） 電力の発生は、通常１発電機と蒸気タービン等の原動機
で回転させ、この与えられた駆動エネルギーを発電機に
て交流電力として発生させ、交流のまま需要側へ送る事
が電力の発生より消費に到る適量も都合の良い方法とし
て採用されて居り、現在の電力系統は交流系統がほとん
どを占めている。

一方蒸気タービン等を駆動する蒸気はボイラ等にて石油
、ガス等の燃料を燃焼させた熱エネルギーにより発生さ
せているがこの燃料エネルギーを熱エネルギーとして取
り出し蒸気エネルギーに変換し、さらに電気エネルギー
として取り出す事は効率面で不利な事から近年、燃料の
化学的変化をさせ、この化学的変化の際に発生する電子
の流れにより直接電気エネルギーを取り出そうとする燃
料電池発電方式が省エネルギー発電の一つとして採用さ
れるようになって来た。

この燃料電池は供給された燃料を化学変化させて、電力
を発生するのであるがその出力は直流出力であり、この
まま特定区域で消費する場合は直流で消費され、又省エ
ネルギー政策の一環として大量の電力をまかなう場合に
は直流−交流変換器により交流に変換し電力系統と接続
している。

第５図は代表的な燃料電池プラントの説明図である。図
中で１の一点鎖線で示されている部分が燃料電池プラン
トである。燃料は原燃料制御弁１０により流量が制御さ
れミキサ１４に入る。一方ミキサ１４へは蒸気発生器１
５より蒸気制御弁１６により流量が制御された蒸気が入
る。そしてミキサ１４で混じり合った燃料は改質器４に
入り、ここで加熱され改質される。改質された燃料は次
に高温変成器８そして低温変成器９を経て水素含有率の
より高い改質燃料となる。改質燃料は改質燃料制御弁１
１により流量が制御され燃料電池５の燃料極５Ａに流入
し電気エネルギーとして一部消費され残りは前述の改質
器４のメインバーナ１２で燃焼し改質器４の加熱用高温
ガスとなり燃料電池５の空気極５Ｂからの排空気と合流
し燃焼器７を経てターボコンプレッサのタービン２に流
入してこれに連結したコンプレッサ３を駆動する。

コンプレッサ３の吐出空気は空気制御弁１３により流量
が制御され燃料電池５の空気極５Ｂに入る。

空気極５Ｂに入った空気の一部は燃料極５Ａの水素と反
応し消費され残りは空気極５Ｂから排出され前述の改質
器４のメインバーナ１２からの排ガスと合流し燃焼室７
を経由してターボコンプレッサのタービン２を駆動する
ために利用される。

燃料電池５の冷却は蒸気発生器１５より電池冷却水循環
ポンプ１９により冷却板５Ｇ、蒸気発生器Ｉ５へと循環
して行っている。更に電池冷却水の温度制御は蒸気発生
器１５より発生した蒸気の一部を熱交換器２０で冷し電
池冷却水温度制御弁１７により行なわれている。

燃料電池５は燃料極５Ａの水素と空気極５Ｂの酸素との
触媒反応によって空気極５Ｂが正極、燃料極５Ａが負極
となるように電気エネルギーを発生し、その両極間に接
続された電気的負荷にその電気エネルギーを供給する。

この際電気負荷により吸収された電気エネルギーに略比
例して両極入口に夫々供給されて水素と酸素が反応して
水となり、未反応分が各掻出口より排出される事になる
。

燃料電池プラントでは、この燃料電池５の直流出力は変
換器６に供給されて交流に変換され電力系統に交流電力
として送り出される。

（発明が解決しようとする問題点） 次に本発明に関係する従来のプラント構成の概略を第４
図を用いて述べる。原燃料は原燃料制御弁ｌＯにより流
量が制御されミキサ１４により蒸気と混合される。その
後熱交換器３１．熱交換器３２で改質された燃料と熱交
換され原燃料と蒸気の混合流体は加熱され改質器４へ入
りここで加熱され改質される。改質された燃料は前述熱
交換器３２で原燃料と蒸気との混合流体と熱交換され冷
され高温変成器８へ導入される。この際高温変成器８へ
の入口温度は温度検出器３７．熱交換器３３．温度制御
弁３４とで最適入口温度に制御される。

高温変成器８から出た改質された燃料は熱交換器３１で
再び原燃料と蒸気との混合流体と熱交換され冷され低温
変成器９へ導入される。この場合も高温変成器８と同様
に低温変成器９への入口温度は温度検出器３８．熱交換
器３５．温度制御弁３６とで最適入口温度に制御される
。低温変成器９を経た燃料はより水素含有率の高い改質
燃料となり電池へ導入される。

以上述べた燃料改質のために必要な主要機器となる改質
器４．高温変成器８．低温変成器９はプラント建設時、
工場で各触媒の充填、下記に述べる活性化を実施した後
現地へ搬びプラントに据え付けている。改質器４．高温
変成器８．低温変成器９これらの各触媒は初め取り扱い
を容易にするため酸化物の形態で保存されている。

まず改質器４の主な触媒は酸化ニッケル（Ｎｉｐ）であ
りこの酸化物が改質器４に充填されている。

この酸化物の状態で充填されているものを水素（Ｈ２）
をもちいて次式に示す還元を行ない酸素（０２）を除去
し金属触媒単体とする。

ＮｉＯ＋Ｈ２→Ｎｉ＋Ｈ２０ この様に一端還元したものは空気にさらすと再び空気中
の酸素と反応し酸化物となってしまうため還元後は窒素
（Ｎ２）にて密封し現地へ搬ばれる。

高温変成器８の主な触媒は酸化鉄（Ｆｅｚｏ、）であり
この酸化物が高温変成器８に充填されている。

この酸化物の状態で充填されているものを水素（Ｎ２）
をもちいて次式に示す還元を行なう。

３Ｆｅ、０．＋Ｈ，→２Ｆｅ、０．＋Ｈ，０高温変成器
８の触媒の場合には金属触媒単体まで還元すると ＦｅｆｆＯ４＋４Ｈｚ→３Ｆｅ＋４Ｈ，０活性度が高す
ぎる状態となり危険になるためＦｅ、　Ｏ，の状態まで
還元を行ない上記改質器４の場合と同様窒素（Ｎ２）に
て密閉し現地へ搬ばれる。

低温変成器９の主な触媒は酸化銅（Ｃｕｂ）でありこの
酸化物が低温変成器９に充填されている。この酸化物の
状態で充填されているものを水素（Ｎ２）をもちいて次
式に示す還元を行ない酸素（０□）を除去し金属触媒単
体とする。

ＣｕＯ＋Ｈｚ→Ｃｕ　＋　Ｈ，０ この様に還元したものを上記改質器４．高温変成器８の
場合と別様に窒素（Ｎ２）にて密封し現地へ搬ぶ。

以上述べた様に工場で還元された改質器４．高温変成器
８．低温変成器９を現地にてプラントに設置し配管と接
続する際に空気が上記述べた機器内部に侵入し空気中の
酸素（０２）と反応し再び酸化物が形成され触媒による
改質反応が低下したり、触媒反応そのものが不可能とな
る場合が発生する。

また上記述べた機器の触媒交換もそれぞれの機器をプラ
ントから取りはずし一端工場へ持ち帰りそこで触媒を充
填しそして還元し再び現地へ搬び設置することになり非
常に日数２手間がかかる。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 改質器入口に水素の供給弁、高温変成器、低温変成器そ
れぞれに窒素の供給弁、バイパスライン。

入口弁、出口弁そして高温変成器と低温変成器との間に
水素の供給弁等を設けることにより現地にて触媒の活性
化及び交換を可能とする。

（作用） 本発明は燃料電池発電プラントで改質器、高温変成器、
低温変成器等から構成されている燃料改質系の配管系統
に触媒活性化用に若干の配管、弁等を追加することによ
り各触媒の活性化及び交換を現地にて可能ならしめる。

（実施例） 次に第１図で本発明の一実施例の詳細な説明を行う。燃
料電池発電プラントで原燃料を蒸気と混合させ改質し水
素含有率の高い改質燃料を作る為に必要な改質器４．高
温変成器８．低温変成器９には、取り扱いを容易にする
ために酸化物の形態でそれぞれの機器に触媒が充填され
ている。この状態で各機器をプラントに設置し配管等が
接続される。この様に設置された改質器４．高温変成器
９の各機器の触媒活性化の手順を以降に述べる。

尚触媒活性化はプラント調整初期段階に実施され、触媒
活性化以後は常に燃料改質系すなわち改質器４、高温変
成器８．低温変成器９等燃料ラインは窒素にて外部から
空気が侵入しない様に保圧しておかれる。触媒活性化手
順を述べる前に第５図を用いて通常の起動シーケンスを
簡単に説明する。

最初改質器４．高温変成器８．低温変成器９等から構成
される燃料改質系を窒素にて昇圧する。

その間にタービン２．コンプレッサ３．燃焼器７等から
構成される空気系を昇圧する。次に燃料改質系と空気系
とが設定圧力に等しくなった時に両系を分離している弁
を開は両系を結ぐ。そののち改質器４のパイロット・バ
ーナ２１を点火し、メインバーナ１２を点火し燃料改質
系の昇温を開始する。

全体の温度がある設定値に達したときに、蒸気発生器１
５よりの蒸気をミキサ１４より導入し窒素と混合させ再
に昇温を続ける。温度が原燃料導入条件に達したときに
原燃料を原燃料制御弁１０を経て改質器４へ導入する。

すると改質器４で原燃料が改質され高温変成器８．低温
変成器９と経てより水素含有率の高い改質燃料ができベ
ント弁２２から外へ放出される。この時点迄は改質燃料
制御弁１１゜空気制御弁１３は共に閉っており燃料電池
５は空気系、燃料改質とは分離されている。

次に第１図を用いて低温変成器９．改質器４゜高温変成
器８の触媒活性化手順を述べる。低温変成器９の触媒活
性化の為に第２図に示す用なライン構成を行う。すなわ
ち、水素（Ｎ２）供給弁５０閉。

高温変成器入口弁４２．高温変成器出目弁４３を閉。

高温変成器バイパス弁４１を開とし高温変成器８をバイ
パスするラインを作る。また高温変成器８への水素の流
入を防ぐために窒素（Ｎ２）供給弁４４を開とする。低
温変成器バイパス弁４５．窒素（Ｎｔ）供給弁４９は閉
とする。

この様なライン構成を作り上記述べた通常起動シーケン
スを用いて昇圧、昇温を行ない、蒸気発生器１５よりの
蒸気導入前の状態を保持する。この状態で水素（Ｎ２）
供給弁４８を除々に開いて低温変成器９の触媒活性化を
行う、すなわち次に示す反応が１行なわれる。

ＣｕＯ＋Ｈ２０→Ｃｕ　＋　Ｈ，０ 低温変成器９の出口水素濃度、低温変成器内部温度等を
監視し触媒活性化終了を判定する。

次に改質器４．高温変成器８の触媒活性化にっいて述べ
る。これらの機器の触媒活性化の為に第３図に示す様な
ライン構成を行う。すなわち高温変成器バイパス弁４１
を閉、高温変成器入口弁４２゜高温変成器出口弁４３を
それぞれ開、窒素（Ｎ２）供給弁４４を閉、水素（Ｎ２
）供給弁４８を閉、そして低温変成器人口弁４６．低温
変成器出口弁４７をそれぞれ閉とし低温変成器バイパス
弁４５を開とし低温変成器９をバイパスするラインを作
る。低温変成器９に改質された燃料のうち高濃度の一酸
化炭素（ＣＯ）が流入すると異常発熱をおこすので窒素
（Ｎ２）供給弁４９を開とする。

この様なライン構成を作り高温変成器８の触媒活性化と
同様に起動シーケンスを用いて昇圧、昇温を行ない蒸気
発生器１５よりの蒸気導入後の状態を保持する。尚この
時、温度制御弁３４．熱交換器３３、温度検出器３７よ
り成る高温変成器８人口部度制御部は温度上昇率を極力
低減する為に全量バイパスすなわち全熱交とさせる。こ
の状態で水素（Ｎ２）供給弁５０を除々に開き、予備活
性化すなわち改質器４の触媒活性化を行う。

ＮｉＯ＋Ｈ，→Ｎｉ＋Ｈ，０ の反応がおこり改質器４の触媒活性化が行なえる。

終了後起動シーケンスを再に進め原燃料を導入し改質器
４で改質を行う。ここで発生した水素（Ｎ２）を利用し
て高温変成器８の触媒活性化を行う。

３Ｆｅ、０．＋Ｈ，−＋　２Ｆｅ３０４＋Ｈ，０の反応
がおこり高温変成器８の触媒活性化が行なえる。高温変
成器８の内部温度、出口−酸化炭素（Ｃｏ）　１度等を
監視し活性化終了の判定を行う。

〔発明の効果〕

以上述べた様に改質器、高温変成器、低温変成器等から
構成される燃料改質系に、水素供給弁。

Ｎ２供給弁、高温変成器バイパスライン、低温変成器バ
イパスライン等を設けることにより各機器の触媒活性化
が実プラント上で可能となる。又触媒交換も現地で可能
となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用した一実施例のブロック図、第２
図は低温変成器触媒活性化時の弁の開閉状態を示す構成
図、第３図は高温変成器、改質器、触媒活性化時の弁の
開閉状態を示す構成図、第４図は本発明に関する従来の
ブロック図、第５図は燃料電池発電プラントの一実施例
であり概略を示したブロック図である。 １・・・燃料電池プラント　　２・・・タービン３・・
・コンプレッサ　　４・・・改質器５・・・燃料電池　
　　　６・・・燃料極７・・・空気極　　　　　８・・
・冷却板９・・・変換器　　　　　１０・・・燃焼器１
１・・・高温変成器　　　１２・・・低温変成器Ｉ３・
・・原燃料制御弁　　１４・・・改質燃料制御弁１５・
・・メインバーナ　　１６・・・空気制御弁１７・・・
ミキサ　　　　　１８・・・蒸気発生器１９・・・蒸気
制御弁 ２０・・・電池冷却水温度制御弁　２１・・・圧力制御
弁２２・・・電池冷却水循環ポンプ　２３・・・熱交換
器２４・・・パイロット・バーナ 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　三俣弘文

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 燃料電池と空気供給装置と改質燃料供給装置と電池冷却
   水供給装置とから構成される燃料電池発電プラントにお
   いて、改質器燃料入口側に触媒を活性化する装置と高温
   変成器にバイパス・ラインを設け、高温変成器を不活性
   ガスでシールする装置と低温変成器にバイパス・ライン
   を設け、低温変成器を不活性ガスでシールする装置と低
   温変成器入口側に触媒を活性化する装置を設けたことを
   特徴とする燃料電池発電プラント。