JP3467759B2 - 改質器の出口温度制御方法 - Google Patents
改質器の出口温度制御方法Info
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は燃料ガスを改質してアノ
ードガスとし燃料電池に供給する改質器の出口温度制御
方法に関する。 【０００２】 【従来の技術】溶融炭酸塩型燃料電池は、高効率で環境
への影響が少ないなど従来の発電装置にはない特徴とす
るを有しており、水力、火力、原子力に続く発電システ
ムとして注目を集め、現在世界各国で鋭意研究が進めら
れている。 【０００３】図３は天然ガスを原料ガスとし、これに水
蒸気を加えた燃料ガスを燃料とする溶融炭酸塩型燃料電
池を用いた発電設備の一例を示す図である。同図におい
て発電設備は、天然ガスと水蒸気とを混合した燃料ガス
１を水素を含むアノードガス２に改質する改質器１０
と、アノードガス２と酸素を含むカソードガス３とから
発電する燃料電池１２とを一般に備えている。燃料ガス
１は予熱器１１で加熱された後改質器１０でアノードガ
ス２に改質されて燃料電池に供給され、燃料電池１２内
でその大部分を消費してアノード排ガス４となり、改質
器１０の燃焼室Ｃｏに供給される。 【０００４】改質器１０にはカソード排ガス７の一部も
供給され、アノード排ガス４中の可燃成分（水素、一酸
化炭素、メタン等）を燃焼室Ｃｏで燃焼させて高温の燃
焼ガスを生成し、この熱により改質器１０の改質室Ｒｅ
に供給される燃料ガス１を改質室Ｒｅに充填された改質
用触媒によって改質してアノードガス２とする。改質器
１０より排出される燃焼排ガス５は空気６と混合して循
環ライン１９に供給され、循環ライン１９でカソード排
ガス７の一部と混合してカソードガス３となる。カソー
ドガス３は燃料電池１２内で反応して高温のカソード排
ガス７となり、一部は循環ライン１９へ供給され、一部
は改質器１０の燃焼室Ｃｏへ供給され、残部は空気６を
圧縮するタービン圧縮機１６で動力を回収した後、さら
に図示しない排熱回収蒸気発生器で熱エネルギを回収し
て系外に排出される。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】燃料電池１２のアノー
ドに供給されるアノードガスの温度は、負荷条件等によ
り定められた計画値があり、この温度で運転する時が最
も効率がよい。また、温度が約４９０℃以下に低下する
と電解質を凝固させてしまう。しかし、例えば、６００
℃というように計画値がある場合、改質器の性能のばら
つき、プロセス条件の計画からのずれ、部分負荷特性の
計画値からのずれなどのため、改質器１０出口における
アノードガスの温度が出口における計画値とならない場
合が多く、燃料電池１２に不都合な状態を生じさせてい
た。 【０００６】本発明は上述の問題点に鑑みてなされたも
ので、改質器出口に温度センサを設け、入口側に設けた
加熱器を制御することにより、改質器出口のアノードガ
スの温度を所定の範囲に設定するようにした改質器の出
口温度制御方法を提供することを目的とする。 【０００７】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、燃料電池のアノード排ガス（４）を燃焼させ、その
熱で燃料ガス（１）をアノードガス（２）に改質し燃料
電池（１２）に供給する改質器（１０）の出口温度制御
方法において、改質器の出口側に設けられアノードガス
の温度を検出する温度センサ（２５）と、改質器の入口
側に設けられアノード排ガスにより燃料ガスを加熱する
熱交換器（２０）と、該熱交換器をバイパスしてアノー
ド排ガスを流すバイパスライン（２３ ）とを備え、前記
温度センサの検出値が所定の温度範囲となるように前記
バイパスラインの流量を制御するようにしたものであ
る。 【０００８】 【作用】改質器出口におけるアノードガスの温度と熱交
換器（２０）に加える加熱量との関係を負荷条件等の燃
料電池の運転条件ごとに求めておき、運転条件が決まる
とそれに対応した加熱量を熱交換器に加え、改質器出口
温度をフィードバックしながら加熱量を制御することに
より燃料電池に供給するアノードガスの温度を計画値の
範囲に制御することができる。 【０００９】また加熱ガスとして燃料電池のアノード排
ガスを用いることによりアノード排ガスの有効利用がで
き、燃料電池の効率が向上する。 【００１０】 【実施例】以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照
して説明する。図１は本発明の第一実施例を示す。図３
と同一符号は同一の機能を有するものを表す。改質器１
０の入口側に熱交換器２０を設ける。熱交換器２０には
加熱ガスを供給する供給ライン２１と、燃料ガス１と熱
交換した排ガスを放出する排ガスライン２２と、供給ラ
イン２１と排ガスライン２２を結ぶバイパスライン２３
が設けられ、バイパスライン２３には流量調整弁２４が
設けられている。改質器１０出口にはアノードガスの温
度を検出する温度センサ２５が設けられ、排ガスライン
２２にはこのラインの異常温度上昇をおさえるために排
ガスの温度を検出する温度センサ２６が設けられてい
る。温度コントローラ２７は両温度センサ２５，２６の
検出値を入力し、運転条件に応じて予め定められたアノ
ードガスの温度となるよう流量調整弁２４のフィードバ
ック制御を行う。 【００１１】なお、図３に示すように改質器１０の入口
には燃料ガス１を予熱する予熱器１１が設けられている
ので、熱交換器２０はこの予熱器１１の機能も兼ねた容
量とすることにより、機器の台数は増加せずコストアッ
プを少なくすることができる。供給ライン２１には燃料
電池１２のアノード排ガス４を用いる。アノード排ガス
４は燃料電池１２の出口では７００℃程度はあり、熱交
換器２０出口における燃料ガス１の温度は４５０℃前後
であるので加熱源として適しており、プラントの全体効
率が向上する。 【００１２】次に、関連実施例の説明をする。図２は本
発明に関連する実施例の構成を示す。図３と同一符号は
同一の機能を有するものを表す。本実施例は予熱器１１
と改質器１０の間に電気ヒータ３０を設けたものであ
る。改質器１０出口にはアノードガスの温度を検出する
温度センサ２１が設けられ、温度コントローラ３１は温
度センサ２１の検出値を入力し、運転条件に応じて予め
定められたアノードガスの温度となるよう電気ヒータ制
御装置３２を制御する。 【００１３】改質器１０出口におけるアノードガスの温
度を制御する場合、出口側に加熱器を設けることが考え
られるが、本発明のように入口側に設けることにより、
次のような利点がある。改質器１０の出口側のアノー
ドガスの温度は６００℃程度であるのに対し、入口側の
温度は４５０℃程度である。このため加熱器の温度設計
条件が緩和され、低質の材料の使用が可能になる。天
然ガスに水蒸気を加えた燃料ガス１が改質器１０でアノ
ードガスに改質されると体積が２倍となる。つまり、入
口側に設けた加熱器は出口側に設けた加熱器の半分の流
量を取り扱えばよいので、加熱器をコンパクトに設計す
ることができる。 【００１４】メタンを主とする天然ガスと水蒸気を改質
器１０で改質触媒と共に加熱すると水素と一酸化炭素を
主体とするアノードガスとなる。この反応式は次の式で
表される。ＣＨ4 ＋Ｈ2 Ｏ→３Ｈ2 ＋ＣＯ上式の左辺は
２モルであり、右辺は４モルである。ゆえに燃料ガス１
は改質されて２倍の体積のアノードガスになる。 【００１５】 【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
は、改質器の出口側に温度センサを設け、入口側に加熱
器を設けて改質器出口のアノードガスの温度を所定の範
囲内に制御するので、燃料電池を効率良く、かつ燃料電
池を安全に運転することができる。また、加熱器を改質
器の入口側に設けることにより、加熱器の温度条件が緩
和され、加熱されるガスの体積が少なくてすみ、さらに
既存の予熱器と一体にすることが可能になる。
ードガスとし燃料電池に供給する改質器の出口温度制御
方法に関する。 【０００２】 【従来の技術】溶融炭酸塩型燃料電池は、高効率で環境
への影響が少ないなど従来の発電装置にはない特徴とす
るを有しており、水力、火力、原子力に続く発電システ
ムとして注目を集め、現在世界各国で鋭意研究が進めら
れている。 【０００３】図３は天然ガスを原料ガスとし、これに水
蒸気を加えた燃料ガスを燃料とする溶融炭酸塩型燃料電
池を用いた発電設備の一例を示す図である。同図におい
て発電設備は、天然ガスと水蒸気とを混合した燃料ガス
１を水素を含むアノードガス２に改質する改質器１０
と、アノードガス２と酸素を含むカソードガス３とから
発電する燃料電池１２とを一般に備えている。燃料ガス
１は予熱器１１で加熱された後改質器１０でアノードガ
ス２に改質されて燃料電池に供給され、燃料電池１２内
でその大部分を消費してアノード排ガス４となり、改質
器１０の燃焼室Ｃｏに供給される。 【０００４】改質器１０にはカソード排ガス７の一部も
供給され、アノード排ガス４中の可燃成分（水素、一酸
化炭素、メタン等）を燃焼室Ｃｏで燃焼させて高温の燃
焼ガスを生成し、この熱により改質器１０の改質室Ｒｅ
に供給される燃料ガス１を改質室Ｒｅに充填された改質
用触媒によって改質してアノードガス２とする。改質器
１０より排出される燃焼排ガス５は空気６と混合して循
環ライン１９に供給され、循環ライン１９でカソード排
ガス７の一部と混合してカソードガス３となる。カソー
ドガス３は燃料電池１２内で反応して高温のカソード排
ガス７となり、一部は循環ライン１９へ供給され、一部
は改質器１０の燃焼室Ｃｏへ供給され、残部は空気６を
圧縮するタービン圧縮機１６で動力を回収した後、さら
に図示しない排熱回収蒸気発生器で熱エネルギを回収し
て系外に排出される。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】燃料電池１２のアノー
ドに供給されるアノードガスの温度は、負荷条件等によ
り定められた計画値があり、この温度で運転する時が最
も効率がよい。また、温度が約４９０℃以下に低下する
と電解質を凝固させてしまう。しかし、例えば、６００
℃というように計画値がある場合、改質器の性能のばら
つき、プロセス条件の計画からのずれ、部分負荷特性の
計画値からのずれなどのため、改質器１０出口における
アノードガスの温度が出口における計画値とならない場
合が多く、燃料電池１２に不都合な状態を生じさせてい
た。 【０００６】本発明は上述の問題点に鑑みてなされたも
ので、改質器出口に温度センサを設け、入口側に設けた
加熱器を制御することにより、改質器出口のアノードガ
スの温度を所定の範囲に設定するようにした改質器の出
口温度制御方法を提供することを目的とする。 【０００７】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、燃料電池のアノード排ガス（４）を燃焼させ、その
熱で燃料ガス（１）をアノードガス（２）に改質し燃料
電池（１２）に供給する改質器（１０）の出口温度制御
方法において、改質器の出口側に設けられアノードガス
の温度を検出する温度センサ（２５）と、改質器の入口
側に設けられアノード排ガスにより燃料ガスを加熱する
熱交換器（２０）と、該熱交換器をバイパスしてアノー
ド排ガスを流すバイパスライン（２３ ）とを備え、前記
温度センサの検出値が所定の温度範囲となるように前記
バイパスラインの流量を制御するようにしたものであ
る。 【０００８】 【作用】改質器出口におけるアノードガスの温度と熱交
換器（２０）に加える加熱量との関係を負荷条件等の燃
料電池の運転条件ごとに求めておき、運転条件が決まる
とそれに対応した加熱量を熱交換器に加え、改質器出口
温度をフィードバックしながら加熱量を制御することに
より燃料電池に供給するアノードガスの温度を計画値の
範囲に制御することができる。 【０００９】また加熱ガスとして燃料電池のアノード排
ガスを用いることによりアノード排ガスの有効利用がで
き、燃料電池の効率が向上する。 【００１０】 【実施例】以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照
して説明する。図１は本発明の第一実施例を示す。図３
と同一符号は同一の機能を有するものを表す。改質器１
０の入口側に熱交換器２０を設ける。熱交換器２０には
加熱ガスを供給する供給ライン２１と、燃料ガス１と熱
交換した排ガスを放出する排ガスライン２２と、供給ラ
イン２１と排ガスライン２２を結ぶバイパスライン２３
が設けられ、バイパスライン２３には流量調整弁２４が
設けられている。改質器１０出口にはアノードガスの温
度を検出する温度センサ２５が設けられ、排ガスライン
２２にはこのラインの異常温度上昇をおさえるために排
ガスの温度を検出する温度センサ２６が設けられてい
る。温度コントローラ２７は両温度センサ２５，２６の
検出値を入力し、運転条件に応じて予め定められたアノ
ードガスの温度となるよう流量調整弁２４のフィードバ
ック制御を行う。 【００１１】なお、図３に示すように改質器１０の入口
には燃料ガス１を予熱する予熱器１１が設けられている
ので、熱交換器２０はこの予熱器１１の機能も兼ねた容
量とすることにより、機器の台数は増加せずコストアッ
プを少なくすることができる。供給ライン２１には燃料
電池１２のアノード排ガス４を用いる。アノード排ガス
４は燃料電池１２の出口では７００℃程度はあり、熱交
換器２０出口における燃料ガス１の温度は４５０℃前後
であるので加熱源として適しており、プラントの全体効
率が向上する。 【００１２】次に、関連実施例の説明をする。図２は本
発明に関連する実施例の構成を示す。図３と同一符号は
同一の機能を有するものを表す。本実施例は予熱器１１
と改質器１０の間に電気ヒータ３０を設けたものであ
る。改質器１０出口にはアノードガスの温度を検出する
温度センサ２１が設けられ、温度コントローラ３１は温
度センサ２１の検出値を入力し、運転条件に応じて予め
定められたアノードガスの温度となるよう電気ヒータ制
御装置３２を制御する。 【００１３】改質器１０出口におけるアノードガスの温
度を制御する場合、出口側に加熱器を設けることが考え
られるが、本発明のように入口側に設けることにより、
次のような利点がある。改質器１０の出口側のアノー
ドガスの温度は６００℃程度であるのに対し、入口側の
温度は４５０℃程度である。このため加熱器の温度設計
条件が緩和され、低質の材料の使用が可能になる。天
然ガスに水蒸気を加えた燃料ガス１が改質器１０でアノ
ードガスに改質されると体積が２倍となる。つまり、入
口側に設けた加熱器は出口側に設けた加熱器の半分の流
量を取り扱えばよいので、加熱器をコンパクトに設計す
ることができる。 【００１４】メタンを主とする天然ガスと水蒸気を改質
器１０で改質触媒と共に加熱すると水素と一酸化炭素を
主体とするアノードガスとなる。この反応式は次の式で
表される。ＣＨ4 ＋Ｈ2 Ｏ→３Ｈ2 ＋ＣＯ上式の左辺は
２モルであり、右辺は４モルである。ゆえに燃料ガス１
は改質されて２倍の体積のアノードガスになる。 【００１５】 【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
は、改質器の出口側に温度センサを設け、入口側に加熱
器を設けて改質器出口のアノードガスの温度を所定の範
囲内に制御するので、燃料電池を効率良く、かつ燃料電
池を安全に運転することができる。また、加熱器を改質
器の入口側に設けることにより、加熱器の温度条件が緩
和され、加熱されるガスの体積が少なくてすみ、さらに
既存の予熱器と一体にすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の構成を示す図である。
【図２】本発明に関連する実施例の構成を示す図であ
る。 【図３】従来の溶融炭酸塩型燃料電池を用いた発電設備
の全体構成図である。 【符号の説明】 １ 燃料ガス ２ アノードガス ３ カソードガス ４ アノード排ガス ５ 燃焼排ガス ６ 空気 ７ カソード排ガス １０ 改質器 １１ 予熱器 １２ 燃料電池 １６ タービン圧縮機 １９ 循環ライン ２０ 熱交換器（加熱器） ２１ 供給ライン ２２ 排ガスライン ２３ バイパスライン ２４ 流量調整弁 ２５、２６ 温度センサ ２７、３１ 温度コントローラ ３０ 電気ヒータ（加熱器） ３２ 電気ヒータ制御装置
る。 【図３】従来の溶融炭酸塩型燃料電池を用いた発電設備
の全体構成図である。 【符号の説明】 １ 燃料ガス ２ アノードガス ３ カソードガス ４ アノード排ガス ５ 燃焼排ガス ６ 空気 ７ カソード排ガス １０ 改質器 １１ 予熱器 １２ 燃料電池 １６ タービン圧縮機 １９ 循環ライン ２０ 熱交換器（加熱器） ２１ 供給ライン ２２ 排ガスライン ２３ バイパスライン ２４ 流量調整弁 ２５、２６ 温度センサ ２７、３１ 温度コントローラ ３０ 電気ヒータ（加熱器） ３２ 電気ヒータ制御装置
─────────────────────────────────────────────────────
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(56)参考文献 特開 平２−82463（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−32163（ＪＰ，Ａ)
特開 昭61−183102（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−342669（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−176786（ＪＰ，Ａ)
実開 平１−63072（ＪＰ，Ｕ)
実開 平１−132062（ＪＰ，Ｕ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01M 8/04
H01M 8/06
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 燃料電池のアノード排ガス（４）を燃焼
させ、その熱で燃料ガス（１）をアノードガス（２）に
改質し燃料電池（１２）に供給する改質器（１０）の出
口温度制御方法において、改質器の出口側に設けられア
ノードガスの温度を検出する温度センサ（２５）と、改
質器の入口側に設けられアノード排ガスにより燃料ガス
を加熱する熱交換器（２０）と、該熱交換器をバイパス
してアノード排ガスを流すバイパスライン（２３）とを
備え、前記温度センサの検出値が所定の温度範囲となる
ように前記バイパスラインの流量を制御することを特徴
とする改質器の出口温度制御方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29777493A JP3467759B2 (ja) | 1993-11-29 | 1993-11-29 | 改質器の出口温度制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29777493A JP3467759B2 (ja) | 1993-11-29 | 1993-11-29 | 改質器の出口温度制御方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07153475A JPH07153475A (ja) | 1995-06-16 |
| JP3467759B2 true JP3467759B2 (ja) | 2003-11-17 |
Family
ID=17851011
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29777493A Expired - Fee Related JP3467759B2 (ja) | 1993-11-29 | 1993-11-29 | 改質器の出口温度制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3467759B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8404394B2 (en) | 2005-05-23 | 2013-03-26 | Honda Motor Co., Ltd. | Fuel cell system and method of operating the fuel cell system |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4945878B2 (ja) * | 2003-01-10 | 2012-06-06 | パナソニック株式会社 | 水素生成装置 |
-
1993
- 1993-11-29 JP JP29777493A patent/JP3467759B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8404394B2 (en) | 2005-05-23 | 2013-03-26 | Honda Motor Co., Ltd. | Fuel cell system and method of operating the fuel cell system |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07153475A (ja) | 1995-06-16 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |