JP2791130B2

JP2791130B2 - 燃料電池発電プラント

Info

Publication number: JP2791130B2
Application number: JP1240214A
Authority: JP
Inventors: 隆雨宮
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-09-18
Filing date: 1989-09-18
Publication date: 1998-08-27
Anticipated expiration: 2013-08-27
Also published as: JPH03102776A

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、
一酸化炭素変成器を経て、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1
5,16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、この改質ガスを変成触媒層を有す
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
10、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の入口に設けられた熱
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。この昇温循環用ブロワ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、以下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成し、そのライン上に流量
制御弁が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を設け、また、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、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
ン上に流量制御弁が設けられ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温用の加熱ガ
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が行
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の容器外面上に設けられた保温ヒータ30,3
1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成器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、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、一酸化炭素変成器10,11のバイパスライン3
2,33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
器の昇温が十分進んだ後で、流量制御弁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10,1
1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成
器のバイパスライン32,33を通すことによって、一酸化
炭素変形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
器の昇温が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から供給弁15を介して供給される
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、その他の部分の構成
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に配設された保温ヒータ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のバイパスワイン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成する。そして、これ
らの機器の昇温が十分進んだ後で、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
機器の昇温が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、昇温時初期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］以上述べた様に、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
給弁、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
変成器、11……低温一酸化炭素変成器、12……燃料電
池、12a……燃料極、12b……空気極、13……コンタクト
クーラ、14……空気供給弁、15,16……供給弁、17,18,1
9,20……熱交換器、21……昇温循環ブロワ、22……不活
性ガス供給ライン、30,31……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

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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。
【請求項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。