JPH04144067A - 燃料電池発電システム - 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】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は、燃料電池発電システムに係り、特に改質ガス
昇圧システムの改良に関する。

（従来の技術） 周知のように燃料電池発電プラントにおいては、第２図
に示すように燃料ガスコンプレッサ１で圧縮した燃料ガ
ス（例えば天然ガス）を、圧力調整弁２を介して改質器
３の改質管４へ供給する。この改質管４内には、触媒５
が充填されている。燃料ガスは、この触媒５の作用によ
り反応して改質（例えばメタンＣＨ４はＨ２とＣＯ２等
）され、改質ガスとなる。以下、この改質ガスを改質ガ
スａという。

この改質ガスａは、コンタクトクーラ６、圧力調整弁７
を介して燃料電池８のアノードに供給され、ターボコン
プレッサ９で圧縮され、圧力調整弁１０を介してカソー
ドに供給される空気すと燃料電池８内で電気化学反応し
、発電する。この場合、燃料電池８では、反応するガス
（例えばアノードの水素、カソードの空気）は、全て消
費されず、一部を未反応で残した状態でそれぞれアノー
ドとカソードの出口から排出される。これらのガスは、
更に改質器３のバーナ１１に供給され、ここで燃焼する
。

ところで、改質器３内における改質反応は、吸熱反応で
あり加熱する必要がある為、バーナＩＩでの燃焼が必要
となる。この燃焼に供したアノード排ガスとカソード排
ガスは、燃焼排ガスとして改質器３より排出され、ター
ボコンプレッサ９を駆動し、上記したように燃料電池発
電プラントに空気を供給する。なお、燃焼排ガスは、そ
の後大気へ排出される。

以上のような燃料電池発電システムにおいては、燃料ガ
スは、上記のような経路を流れるが、上流側で改質管４
内を流れ、下流側で改質管４の外側を流れる。従って、
改質管４内の圧力は、改質管４の外側の圧力より高くな
る。改質管４は、燃料ガスにより加熱される為高温とな
り、苛酷な熱応力を受けることになる。

そこで、改質管４の内外差圧を小さくしようとすれば、
配管や機器類における圧力損失を抑える為、寸法を大き
くしなければならず、又、システムの機能及び構成上か
ら圧力損失を小さくすることにも自ら限度があり、改質
管４の内外差圧は必然的にある程度の大きさになる。

一方、上記のようなシステムの構成上、改質反応に供す
る改質管４内は、改質ガス経路の上流に位置する為、燃
料電池８より高い圧力を保つことが必要となる。

（発明が解決しようとする課題） 以上のような従来の構成には、次の問題点がある。即ち
、上記したように改質反応の場となる改質管４は、高温
となり、しかも効率の向上を図る為のアノード排ガスを
利用するシステムの構成から、触媒５を収納する改質管
４の内圧と、燃焼ガスにより加熱される改質管４の外圧
との圧力差は、ある大きさとせざるを得ない。この為、
改質管４は、苛酷な熱応力を受けることになる。

又、改質管４は、システムの構成上改質ガスａの上流側
となる。この為、改質管４内は、燃料電池８に比較しで
ある程度高い圧力を保たなければならない。しかしなが
ら、改質管４内で行われる改質反応は、圧力の低い方が
効率的であるので、このように圧力が高くなるという条
件は不利となる。

なお、同図符号１２は、リサイクルブロワを示す。

そこで、本発明の目的は、改質管内の圧力を低下させて
内外差圧を可能な限り少なくし、改質管の受ける熱応力
を小さくすることによって安全性及び寿命の向上を図る
と共に製作費を低減し、又、改質管内の圧力を、燃料電
池の運転圧力より高くするという制約をうけることなく
低下させ、改質反応の圧力を低下させることによって改
質反応を更に効率的に行うことが可能な燃料電池発電シ
ステムを提供することにある。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） 本発明は、燃料電池、改質器を含む改質ガス供給系及び
空気供給系を備えた燃料電池発電システムにおいて、改
質器と燃料電池の間の改質ガス供給系に、燃料電池の出
力に対応して改質ガスの圧力及び流量を調節可能とした
昇圧装置を設けたものである。

（作　用） 燃料電池には、その出力に対応して供給する改質ガスの
圧力及び流量を昇圧装置により調整できるので、改質器
の改質管の内圧を燃料電池の運転圧力より高くしなけれ
ばならないという制約が不要になる。従って、改質器の
改質管内の圧力を低くして改質反応の効率を向上し、改
質管の内外差圧を可及的に小さくすることによって改質
管の受ける熱応力を小さくし、安全性及び寿命の向上を
図ることができる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。第
１図は、本発明の一実施例を示す構成図である。

同図において、燃料ガスは、上記した従来技術と同様に
燃料ガスコンプレッサ１で圧縮された後改質器３に供給
されるが、改質器３の入口側に設けられた圧力調整弁２
で圧力調整される。この圧力調整は、改質管４の内圧（
又は改質管４の外圧）を検出し、これに等しくなるよう
に改質器３の入口及び出口の平均圧力を調整する。なお
、バーナ１１の入口におけるアノード排外ガス又はカソ
ード排ガスの圧力を検出して行ってもよい。例えばアノ
ード排ガスの圧力が７ｋｇ／ｃｍＧとすれば、燃料ガス
の改質器３の出・入口側圧力の平均値が７ｋｇ／′ａｌ
ｒＧとなるように調整すればよい。

改質管４に供給された燃料ガスは、改質管４内に収納さ
れた触媒５により反応し改質される。この改質された改
質ガスａは、混入している一酸化炭素が変成器で除去さ
れ、コンタクトクーラ６で水蒸気の一部が回収された後
、新たに設けた昇圧装置１３及び圧力調整弁７を介して
燃料電池８のアノードに供給される。

燃料電池８においては、アノードに供給された改質ガス
ａと、ターボコンプレッサ９で圧縮され流量調整弁１０
を介してカソードに供給された空気すとが電気化学反応
し、発電する。

昇圧装置１３は、改質ガスａを吸引すると共に昇圧し、
改質ガスａが燃料電池８で電気化学反応した後にこの排
ガスを改質器３のバーナ１１へ供給し、更にこの排ガス
をターボコンプレッサ９へ供給する。

この改質ガスａの経路において、燃料電池８の入口圧力
を、昇圧装置１３と圧力調整弁７により調整することに
より、改質器３のバーナ１１の入口の圧力をを所定に保
持することができる。

一方、空気すの供給系は、上記した従来と同様なシステ
ムで構成され、燃焼排ガスで駆動されるターボコンプレ
ッサ９により、空気すは燃料電池８に供給され、電気化
学反応し発電に供した後、改質器３のバーナ１１に供給
され燃焼空気として使用され、最終的に燃焼排ガスとし
てターボコンプレッサ９を駆動する。燃料電池８のカソ
ード及びアノードのそれぞれ入口における圧力を等しく
する為に、改質ガス系及び空気系にそれぞれに圧力調整
弁７及び１０が設けられている。空気すは、常に改質ガ
スより過剰に供給される為、圧力を調整することによる
発電能力の低下は生しない。バーナ１１の入口において
も、アノード排ガス及びカソード排ガスの圧力は、圧力
調整弁７及び１１により等しくなるように調整されてい
る。

又、燃料電池８から改質器３に供給されるアノード排ガ
スの一部は、昇圧装置１３の吸込口に導入され、再循環
するようになっている。

次に、昇圧装置１３を燃料電池８とコンタクトクーラ６
の間に設けた理由は、この位置では改質ガスａの温度が
比較的低く、コンタクトクーラ６により過剰蒸気が除去
され、ガス流量も比較的少なく、変成器により一酸化炭
素が除去されている等の設計上の有利な点があるからで
ある。ただし、改質管３の圧力を低くすることを要旨と
する本発明にとって、昇圧装置１３の位置は、燃料電池
８とコンタクトクーラ６の間に必ずしも限定されるもの
ではなく、燃料電池８の入口と改質器３の出口間の改質
ガス供給系であれば何れの位置であってもよい。

又、昇圧装置１３は、電池負荷に応じて流量を変化でき
ることが必要であり、例えば可変容量形のブロワ（遠心
式又は軸流式）がこれに該当する。

このブロワの駆動方式は、モータが一般的ではあるが、
本燃料電池発電プラントの排熱を利用して蒸気を発生さ
せ、これで蒸気タービンを駆動してブロワを駆動する排
気利用方式もある。モータで駆動する場合、ブロワが吐
出圧力を変えることにより流量が変わるタイプとなる為
、効率的でしかも制御性も良好な可変速度制御方式が好
ましい。

同図の符号１４は、ブロワを駆動するモータ又は蒸気タ
ービンを制御する制御装置で、燃料電池８の出力指令に
応じてブロワを上記のように制御する装置である。

次に、以上のように構成された実施例の作用を説明する
。昇圧装置１３は、燃料電池８に要求される負荷に応じ
て必要とする改質ガスａを燃料電池８に供給すると共に
、改質管４内の圧力を低（することを可能とし、又、改
質器３内の圧力（つまり、改質管４の外側圧力）を検出
し、これと改質管４内の平均圧力を等しくなるように圧
力調整弁２を制御することにより、改質管４の内外差圧
を小さくすることが可能となる。これは、従来より改質
管４内の圧力を低く抑えることが可能であることを示し
ている。

従って、昇圧装置１３及びこの制御装置１４を設けるこ
とにより、改質管４の内外差圧を可及的に小さくし０に
接近させ、効率的な改質反応を行わせると共に、加熱さ
れ高温環境下にさらされて熱応力強度上、非常に苛酷な
条件下にある改質管４の、応力条件を大幅に緩和し、改
質器３の安全性及び寿命が向上することができる。又、
従来は苛酷な熱応力条件に耐え得る高級材料を改質管に
使用してきたが、より安価な材料の使用が可能となり、
製作が容易で製作費を低減することができる。更に、改
質管４内の圧力を従来のように燃料電池８より高くする
という制約を無くし、従来より低下することは、改質反
応が促進され、改質反応の効率が向上する。

［発明の効果コ 以上説明したように本発明によれば、改質器の出口側と
燃料電池入口側の改質ガスの供給系に昇圧装置を設けて
いるので、燃料電池に供給する改質ガスの流量及び圧力
を所望の状態に維持して発電効率を向上し、改質器の改
質管の応力を低下して安全性及び寿命の向上と共に、改
質管内における改質反応を促進し反応効率を向上させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図は従来
の燃料電池発電システムを示す構成図である。 ３・・・改質器 ４・・・改質管 ７．１０・・・圧力調整弁 ８・・・燃料電池 ９・・・ターボコンプレッサ １１・・・バーナ ｊ３・・・昇圧装置 １４・・・制御装置 ａ・・・改質ガス ｂ・・・空気 （８７３３）代理人　弁理士　猪　股　祥　晃（ほか　
１名）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 燃料電池、改質器を含む改質ガス供給系及び空気供給系
   を備えた燃料電池発電システムにおいて、前記改質器と
   前記燃料電池の間の前記改質ガス供給系に、前記燃料電
   池の出力に対応して前記改質ガスの圧力及び流量を調節
   可能とした昇圧装置を設けたことを特徴とする燃料電池
   発電システム。