JPH03102776A

JPH03102776A - 燃料電池発電プラント

Info

Publication number: JPH03102776A
Application number: JP1240214A
Authority: JP
Inventors: Takashi Amamiya; 隆雨宮
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-09-18
Filing date: 1989-09-18
Publication date: 1991-04-30
Anticipated expiration: 2013-08-27
Also published as: JP2791130B2

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、プラントの起動時間の短縮化を可能とした燃
料電池発電プラントに関するものである。

（従来の技術）近年、実用化が進んでいる燃料電池発電システムは、水
素等の燃料の有しているエネルギーを、燃料電池内で生
じる電気化学反応により、直接電気エネルギーに変換す
るものであり、上記燃料と空気等の酸化剤が燃料電池に
供給されている限り、高い変換効率で電気エネルギーを
取り出すことができるものである。

また、この種の燃料電池発電システムにおいては、メタ
ン等の原料ガスを水蒸気改質することによって、燃料電
池用の燃料としての水素ガスを得るために、燃料改質系
を備えることが多い。この様な燃料改質系の改質器にお
いては、内部に改質反応触媒層が設けられた改質反応管
の内側に、原料ガスライン及び水蒸気ラインを通して供
給されるメタン等の原料ガス及び水蒸気の混合ガスを導
入し、且つ、上記改質反応管の外側に燃焼室での燃焼で
得られた高温の加熱ガスを通過させることにより、上記
原料ガスを水素リッチな改質ガスに改質し、さらに、一
酸化炭素変戊器を経て、より水素濃度の高い改質ガスと
した上で、負荷としての燃料電池へ供給するようにして
いる。

第４図は、この種の燃料改質装置を備えた燃料電池発電
プラントの構成例を示すものである。図において、１は
改質器で、内部に改質反応触媒層が設けられた改質反応
管２と、燃焼用燃料供給ライン３及び燃焼用空気供給ラ
イン４を通して、各々供給される燃焼用燃料及び燃焼用
空気を燃焼室６で燃焼させるバーナ７とを備えている。

また、８及び９はそれぞれ炭化水素系の原料ガス（メタ
ン等）及び水蒸気を供給するため原料ガス供給装置及び
水蒸気供給装置で、これらよりそれぞれ供給弁１５．１
６を介して供給された原料ガス及び水蒸気を混合させて
、上記改質反応管２の内側に導入する。改質器１におい
ては、上記燃焼室６での燃焼によって得られた高温の加
熱ガスを改質反応管２の外側を通過させることにより、
約６００℃〜８００℃という高温で上記原料ガスを改質
ガスに改質し、さらに、この改質ガスを変戊触媒層を有
する高温一酸化炭素変成器１０（運転温度約４００℃）
、次いで低温一酸化炭素変成器１１（運転温度約２００
℃）に導入し、より水素濃度の高い改質ガスに変成した
うえ、コンタクトクーラ１３によってガス中の余剰水分
を除去した後、燃料供給弁５を介して、負荷としての燃
料電池１２の燃料極１２ａへ燃料として供給するように
構成されている。一方、燃料電池１２の空気極１２ｂへ
は、空気供給弁１４を介して空気が供給される。

さらに、前記改質器反応管２、高温一酸化炭素変成器１
０、低温一酸化炭素変成器１１、コンタクトクーラ１３
のそれぞれの入口側には、それぞれ熱交換器１７．１８
．１９．２０が設けられ、改質器や変成器等に導入され
るガスの温度を、それぞれの反応に適切なレベルとなる
ように調整している。例えば、改質器反応管２の人口に
設けられた熱交換器１７は、原料ガスと水蒸気の混合ガ
スに対し加熱器として働き、他の熱交換器１８，１９．
２０は改質ガスに対して冷却器として働く。

また、第４図に示した燃料電池発電プラントにおいては
、プラント起動時に用いられる昇温系統が配設されてい
る。即ち、コンタクトクーラ１３から燃料電池１２への
ライン２３から分岐して、不活性ガス供給ライン２２に
接続されるライン２４上に、昇温循環用ブロワ２１が設
けられている。

この昇温循環川ブロワ２１は、通常の改質運転中は停止
しており、燃料電池発電プラントを起動する際の燃料改
質系の昇温時に用いられるものである。即ち、燃料電池
発電プラントの起動昇温時においては、原料ガス及び水
蒸気の供給弁１５．１６と、燃料電池への燃料供給弁５
を閉じた状態で、まず、窒素等の不活性ガス供給ライン
２２より不活性ガスを燃料改質系に供給して封入し、昇
温循環用ブロワ２１を回転させつつ改質器のバーナ７を
燃焼させ、この燃焼熱を不活性ガスに与えることで、上
述した燃料改質系の機器を次第に加熱し、昇温する。こ
の様にして改質器、一酸化炭素変成器及び熱交換器が、
それぞれ改質反応に必要な適切な温度レベルまで昇温さ
れた後、原料ガス及び水蒸気を供給し、改質反応が開始
されるように構成されている。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、上記の様に構成された従来の燃料電池発
電プラントにおいては、以下に述べる様な解決すべき課
題があった。

即ち、一般に、プラント出力がＭＷ級以上の大型で大容
量の燃料電池発電プラントにおいては、燃料改質系に含
まれる改質器反応管の触媒層及び一酸化炭素変成器の触
媒層の量が大きくなるため、燃料改質系の熱容量が大き
くなる。このため、第４図に示した様な、プラント起動
時の昇温方法では、各機器の温度が適切なレベルになる
まで昇温するには、６〜８時間と相当な時間がかかるた
め、これを短縮化することが切望されている。特に、週
間スケジュールにしたがって起動●停止を繰り返すこと
が要求される中間負荷需要対応用の発電所として燃料電
池発電プラントを運用する場合、短時間での起動は不可
欠のものである。

この様な燃料改質系の昇温時間を短縮化する方法の一つ
として、昇温時の加熱源である改質器バーナ７の燃焼量
を増加させることが考えられるが、この場合、改質反応
管２の温度が過大になり、反応管及び触媒層の破壊を招
くといった欠点があるため、燃焼量の増加には限界があ
り、昇温時間を大幅に短縮化することはできなかった。

本発明は、以上の欠点を解消するために提案されたもの
で、その目的は、プラントの起動時間の短縮化を可能と
した、効率の良い燃料電池発電プラントを提供すること
にある。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）請求項１記載の発明は、改質器と一酸化炭素変成器と熱
交換器とを有して成る燃料改質系を含む燃料電池発電プ
ラントにおいて、一酸化炭素変成器の容器外面上または
内部に保温ヒータを設け、また、その入口側と出口側と
を結ぶバイパスラインを形戊し、そのライン上に流量制
御弁を設けたことを特徴とするものである。

また、請求項２記載の発明は、改質器と一酸化炭素変成
器と熱交換器と脱硫器とを有して成る燃料改質系を含む
燃料電池発電プラントにおいて、一酸化炭素変戊器ある
いは脱硫器の少なくともいずれか一方の容器外面上また
は内部に保温ヒータを設け、また、一酸化炭素変或器あ
るいは脱硫器の少なくともいずれか一方に、その入口側
と出口側とを結ぶバイパスラインを形成し、そのライン
上に流量制御弁を設けたことを特徴とするものである。

（作用）本発明の燃料電池発電プラントによれば、一酸化炭素変
成器あるいは脱硫器等のように、燃料改質系の昇温を遅
らせる原因となる大きな熱容量を有する機器を、プラン
トの停止中より一定の温度レベルに保温することができ
、プラントの起動時にこれらの機器に昇混用の加熱ガス
を循環させる必要がないため、プラントの起動が短時間
で行える。

（実施例）以下、本発明の実施例を第１図乃至第３図に基づいて具
体的に説明する。なお、第４図に示した従来型と同一の
部材には同一の符号を付して、説明は省略する。

■第１実施例本実施例においては、第１図に示した様に、高温一酸化
炭素変成器１０及び低温一酸化炭素変成器１１の容器外
面上に、それぞれ保温ヒータ３０，３１が設けられてい
る。また、それぞれの変成器には、その入口側と出口側
とを結ぶバイパスライン３２．３３が形成され、そのラ
イン上に流量制御弁３４．３５が設けられている。

この様な構成を有する本実施例の燃料電池発電プラント
においては、以下に述べる様にして起動時の昇温か行わ
れる。即ち、高温一酸化炭素変成器１０及び低温一酸化
炭素変成器１１の容器外面−Ｌに設けられた保温ヒータ
３０．３１は、燃料電池発電プラントの運転が停止され
ている間も作動し、それぞれの一酸化炭素変成器をある
一定の温度レベル以下にならないように保温している。

なお、この温度レベルを適切な値に制御することは、図
示しない温度センサあるいは保温ヒータ制御装置等を用
いて容易に実現することができ、また、その保温レベル
は、通常運転中の運転温度に近い温度レベルを維持する
ように設定することもできる”。

この様に一酸化炭素変戊器１０．１１を保温した状態で
、プラントの昇温を開始する。即ち、窒素等の不活性ガ
ス供給ライン２２より不活性ガスを燃料改質系に供給し
て封入し、昇温循環用ブロワ２１を回転させつつ改質器
のバーナ７を燃焼させ、この燃焼熱を不活性ガスに与え
ることで、」二連した燃料改質系の機器を次第に加熱し
、昇温する。この時、一酸化炭素変成器１０．１１のバ
イパスライン３２．３３上に設けられた流量制御弁３４
．３５を開き、加熱された循環ガスが一酸化炭素変成器
１０．１１を除いた改質反応管２，熱交換器１７．１８
，１９．２０及びそれらを連結する配管等の部分を昇温
するように構成する。そして、これらの機器の昇温か十
分進んだ後で、流置制御弁３４．３５を閉じていくこと
により、加熱循環ガスが一酸化炭素変成器１０．１１内
にも流入するようにする。この場合、最終的に、燃料改
質系の各機器がそれぞれの昇温目標温度に達するように
流量制御弁３４．３５の開度を調節する。

この様に、本実施例によれば、燃料改質系全体の中心を
占める大きな熱容量を有する一酸化炭素変成器が、プラ
ントの停止中から一定の温度レベルに保温され、また、
昇温時に循環させる加熱循環ガスを一酸化炭素変戊器の
バイパスライン３２，３３に通すことによって、一酸化
炭素変成器以外の機器を昇温することができるので、プ
ラントを起動する際の昇温時の熱負荷を大幅に低減する
ことができ、また、プラントの起動時の昇温を短時間で
行うことができる。さらに、一酸化炭素変成器以外の機
器の昇温かあるレベルに達した後、バイパスライン上の
流量制御弁の開度を調節して、一酸化炭素変成器にも加
熱循環ガスを流し、最終的にはバランスした温度で改質
系全体の昇温を短時間で行うことができる。

■第２実施例本実施例は、第２図に示した様に、燃料改質系に原料ガ
スの脱硫を行うための脱硫器が配設されているものに、
本発明を適用したものである。

即ち、第２図に示した実施例においては、燃料改質系の
原料ガス供給装置８から供給ブＰ１５を介して（Ｉｔ給
されるメタンなどの原料ガスは、熱交換器４０を介して
脱硫器４１に送られ、脱硫された後、水蒸気供給装置９
から供給弁１６を介して供給される改質用水蒸気と混合
されて改質器１の改質反応管２へ導入されるように構成
されている。

また、前記脱硫器４１の容器外面上に保温ヒータ４２が
配設され、さらに、脱硫器４１には、その入口側と出口
側とを結ぶバイパスライン４３が形成され、そのライン
上に流量制御弁４４が設けられている。また、その他の
部分の構戊は第１実施例と同様であるので、説明は省略
する。

なお、前記熱交換器４０は、脱硫器４１が適切な脱硫運
転を行えるように流入ガスの温度を調整するためのもの
で、一般的に、改質用の原料ガスに対して加熱器として
作用する。また、脱硫器としては、例えば、水添脱硫器
の場合の脱硫器及び硫化水素吸着器等が用いられ、また
、炭素吸着粒子を封入した硫黄吸着器等が用いられる。

この様に、本実施例においても、第１実施例と同様に脱
硫器４１に配設された保温しータ４２は燃料電池発電プ
ラントの運転が停止されている間も作動し、脱硫器４１
をある一定の温度レベル以下とならないように保温して
いる。そして、脱硫器４１を保温した状態で、プラント
の昇温を開始する。即ち、窒素等の不活性ガス供給ライ
ン２２より不活性ガスを燃料改質系に供給して封入し、
昇温循環用ブロワ２１を回転させつつ改質器のバーナ７
を燃焼させ、この燃焼熱を不活性ガスに与えることで、
上述した燃料改質系の機器を次第に加熱し、昇温する。

この時、脱硫器４１のバイパスライン４３上に設けられ
た流量制御弁４４を開き、加熱された循環ガスが脱硫器
４１を除いた改質反応管２，熱交換器１７，　　１８．
　　１９．　　２０．４０及びそれらを連結する配管等
の部分を昇温するように構戊する。そして、これらの機
器の昇温か十分進んだ後で、流量制御弁４４を閉じてい
くことにより、加熱循環ガスが脱硫器４１内にも流入す
るようにする。この場合、最終的に、燃料改質系の各機
器がそれぞれの昇温目標温度に達するように流量制御弁
４４の開度を調節する。

なお、第２図に示した実施例においては、一酸化炭素変
成器にも第１実施例に示した保温ヒータ及びバイパスラ
イン、流量制御弁が設けられているので、第１実施例と
同様の効果が得られることはいうまでもない。

この様に、本実施例によれば、一酸化炭素変成器及び脱
硫器が、プラン１・の停止中から一定の温度レベルに保
温され、また、昇温時に循環させる加熱循環ガスを一酸
化炭素変成器のバイパスライン及び脱硫器のバイパスラ
インに通すことによって、一酸化炭素変成器及び脱硫器
以外の機器を昇温することができるので、プラントを起
動する際の昇温時の熱負荷を大幅に低減することができ
、また、プラントの起動時の昇温を短時間で行うことが
できる。さらに、一酸化炭素変成器及び脱硫器以外の機
器の昇温かあるレベルに達した後、それぞれのバイパス
ライン上に設けられた流量制御弁の開度を調節して、一
酸化炭素変成器及び脱硫器にも加熱循環ガスを流し、最
終的にはバランスした温度で改質系全体の昇温を短時間
で行うことができる。特に、脱硫器４１は改質器１の上
流側に配設されるので、一般に、改質器バーナの加熱に
よる不活性ガスを循環させて昇温する場合には、熱源よ
り最も遠くなるため昇温しにくい。従って、本実施例の
様に脱硫器の昇温を早めることは、燃料電池発電プラン
ト全体の昇温時間の短縮化に大きく寄与し、優れた効果
が期待できる。

■第３実施例本実施例においては、第３図に示した様に、昇温循環用
ブロワ２１に導入されるライン５０が、コンタクトクー
ラ１３の入口側ライン５１から引き出されている。他の
部分の構成は、第２図に示した第２実施例と同様である
ので、説明は省略する。

この様な構成を有する本実施例の燃料電池発電プラント
においては、燃料改質系の昇温時において、改質器バー
ナ７によって加熱された不活性の加熱循環ガスが、コン
タクトクーラ１３に流入して冷却されるのを防止してい
る。そのため、脱硫器４１側に循環される不活性ガスの
温度は十分に高く、昇温時初朋に脱硫器前後の熱交換器
と配管を速やかに昇温するので、第２実施例に比べて昇
温時間の短縮効果が大きい。

■他の実施例本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、第
３実施例に示した様に、昇温循環用ブロワに導入される
ラインを、コンタクトクーラの入口側から引き出す方法
を、第１図に示した第１実施例に適用することもできる
。また、一酸化炭素変成器あるいは脱硫器に配設される
保温ヒータは、容器外面でなく容器内部に設けても良い
。さらに、保温ヒータは電気ヒータでも、スチームまた
はオイルヒータであっても良い。

［発明の効果Ｊ以」二述べた様に、本発明によれば、一酸化炭素変成器
あるいは脱硫器の容器外面または内部に保温ヒータを設
け、またそれらの入り口側と出口側を結ぶバイパスライ
ンを形成し、そのライン上に流量制御弁を設けることに
よって、プラントの起動時間の短縮化を可能とした、効
率の良い燃料電池発電プラントを提供することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃料電池発電プラントの第１実施例を
示す構成図、第２図は本発明の第２実施例を示す構成図
、第３図は本発明の第３実施例を示す構成図、第４図は
従来の燃料電池発電プラントの一例を示す構成図である
。１・・・改質器、２・・・改質反応管、３・・・燃焼用
燃料供給ライン、４・・・燃焼用空気供給ライン、５・
・・燃料供給フＦ、６・・・燃焼室、７・・・バーナ、
８・・・原料ガス供給装置、９・・・水蒸気供給装置、
１０・・・高温一酸化炭素変戊器、１１・・・低温一酸
化炭素変成器、１２・・・燃料電池、１２ａ・・・燃料
極、１２ｂ・・・空気極、ｌ３・・・コンタク１・クー
ラ、１４・・・空気供給弁、１５．１６・・・供給弁、
１７．１８，１９．２０・・・熱交損器、２１・・・昇
温循環ブロワ、２２・・・不活性ガス（Ｒ給ライン、３
０．３１・・・保温ヒータ、３２，３３・・・バイパス
ライン、３４．３５・・・流量制御弁、４０・・・熱交
換器、４１・・・脱硫器、４２・・・保温ヒータ、４３
・・・バイパスライン、４４・−・流量制御弁。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）改質器と一酸化炭素変成器と熱交換器とを有して
成る燃料改質系を含む燃料電池発電プラントにおいて、前記一酸化炭素変成器の容器外面上または内部に保温ヒ
ータが設けられ、また、前記一酸化炭素変成器には、そ
の入口側と出口側とを結ぶバイパスラインが形成され、
そのライン上に流量制御弁が設けられていることを特徴
とする燃料電池発電プラント。
（２）改質器と一酸化炭素変成器と熱交換器と脱硫器と
を有して成る燃料改質系を含む燃料電池発電プラントに
おいて、前記一酸化炭素変成器あるいは脱硫器の少なくともいず
れか一方の容器外面上または内部に保温ヒータが設けら
れ、また、前記一酸化炭素変成器あるいは脱硫器の少な
くともいずれか一方には、その入口側と出口側とを結ぶ
バイパスラインが形成され、そのライン上に流量制御弁
が設けられていることを特徴とする燃料電池発電プラン
ト。