JP5285790B2 - 燃料電池発電装置 - Google Patents
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Description
本発明は、原燃料供給ポンプにて供給される炭化水素系の原燃料と水蒸気との混合ガスを改質バーナによる加熱状態で改質反応させて水素ガスを主成分とする改質処理ガスを生成する改質部と、供給される改質用水を前記改質部を加熱した後の前記改質バーナの燃焼排ガスにより加熱して前記改質部に供給する水蒸気を生成する水蒸気生成部とを備えて、水素ガスを主成分とする燃料ガスを生成する燃料ガス生成部と、
その燃料ガス生成部にて生成された燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、
運転を制御する制御手段とが設けられ、
前記燃料電池から発電に使用された後に排出される排燃料ガスが前記改質バーナに燃焼用燃料として供給されるように構成され、
前記制御手段が、前記燃料電池の発電出力を目標出力に調節するように前記改質部への原燃料の供給量を調節し、前記燃料電池の目標出力に応じて前記水蒸気生成部への改質用水の供給量を調節し、前記改質部の温度が設定適正温度になるように前記改質バーナへ追加する燃焼用燃料の供給量を調節するように構成された燃料電池発電装置に関する。
その燃料ガス生成部にて生成された燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、
運転を制御する制御手段とが設けられ、
前記燃料電池から発電に使用された後に排出される排燃料ガスが前記改質バーナに燃焼用燃料として供給されるように構成され、
前記制御手段が、前記燃料電池の発電出力を目標出力に調節するように前記改質部への原燃料の供給量を調節し、前記燃料電池の目標出力に応じて前記水蒸気生成部への改質用水の供給量を調節し、前記改質部の温度が設定適正温度になるように前記改質バーナへ追加する燃焼用燃料の供給量を調節するように構成された燃料電池発電装置に関する。
かかる燃焼電池発電装置は、燃料ガス生成部において水素ガスを主成分とする燃料ガスを生成し、その生成燃料ガスを燃料電池に供給して、その燃料電池にて発電させるように構成したものであり、燃料ガス生成部には、原燃料供給ポンプにて供給される炭化水素系の原燃料と水蒸気との混合ガスを改質バーナによる加熱状態で改質反応させて水素ガスを主成分とする改質処理ガスを生成する改質部と、供給される改質用水を改質部を加熱した後の改質バーナの燃焼排ガスにより加熱して改質部に供給する水蒸気を生成する水蒸気生成部とを備え、改質バーナには、燃料電池から発電に使用された後に排出される排燃料ガスを燃焼用燃料として供給するように構成してある。
そして、制御手段により、改質部の温度が設定適正温度になるように改質バーナへ追加する燃焼用燃料の供給量を調節するように構成してある(例えば、特許文献1参照。)。
そして、制御手段により、改質部の温度が設定適正温度になるように改質バーナへ追加する燃焼用燃料の供給量を調節するように構成してある(例えば、特許文献1参照。)。
又、このような燃料電池発電装置では、前記特許文献1には明確に記載されていないが、制御手段により、燃料電池の発電出力を目標出力に調節するように改質部への原燃料の供給量を調節し、燃料電池の目標出力に応じて水蒸気生成部への改質用水の供給量を調節することにより、改質部への原燃料供給量に対する水蒸気供給量の比である水蒸気/炭素比を所定の比に維持するように構成してある。
そして、前記特許文献1では、改質用水ポンプにて、改質用水を水蒸気生成部に供給していた。
そして、前記特許文献1では、改質用水ポンプにて、改質用水を水蒸気生成部に供給していた。
ところで、改質用水ポンプにて改質用水を水蒸気生成部に供給する場合、水蒸気生成部への改質用水の供給量の調節は、例えば、改質用水ポンプの回転速度を調節することにより行うが、運転時間の経過に伴って、改質用水ポンプの特性、即ち、その回転速度と吐出水量との関係が変動する虞があり、このように改質用水ポンプの特性が変動すると、水蒸気/炭素比が変動する虞がある。
又、改質部へ供給される原燃料の供給量を検出する原燃料供給量検出用の流量計を設けて、この原燃料供給量検出用の流量計の検出情報に基づいて、改質部への原燃料の供給量の調節を行う場合、運転時間の経過に伴って、流量計の特性、即ち、原燃料の流量と流量計の出力信号との関係が変動する虞があり、このように原燃料供給量検出用の流量計の特性が変動すると、水蒸気/炭素比が変動する虞がある。
又、改質部へ供給される原燃料の供給量を検出する原燃料供給量検出用の流量計を設けて、この原燃料供給量検出用の流量計の検出情報に基づいて、改質部への原燃料の供給量の調節を行う場合、運転時間の経過に伴って、流量計の特性、即ち、原燃料の流量と流量計の出力信号との関係が変動する虞があり、このように原燃料供給量検出用の流量計の特性が変動すると、水蒸気/炭素比が変動する虞がある。
そして、水蒸気/炭素比が大きい異常になると、改質部において原燃料の改質処理を適切に行わせ難くなるので、燃料電池に供給される燃料ガス中の水素ガスの含有率が低下する、あるいは、改質部にて生成された改質処理ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成処理する変成部を設けた場合には、燃料ガス中の一酸化炭素ガスの含有率が上昇する等の問題が生じて、燃料電池の発電電圧が低下して燃料電池が停止する虞があり、このような水蒸気/炭素比が大きい異常を適切に判別したいという要望がある。
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、水蒸気/炭素比が大きい異常を簡素な構成にて判別し得る燃料電池発電装置を提供することにある。
本発明の燃料電池発電装置は、原燃料供給ポンプにて供給される炭化水素系の原燃料と水蒸気との混合ガスを改質バーナによる加熱状態で改質反応させて水素ガスを主成分とする改質処理ガスを生成する改質部と、供給される改質用水を前記改質部を加熱した後の前記改質バーナの燃焼排ガスにより加熱して前記改質部に供給する水蒸気を生成する水蒸気生成部とを備えて、水素ガスを主成分とする燃料ガスを生成する燃料ガス生成部と、
その燃料ガス生成部にて生成された燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、
運転を制御する制御手段とが設けられ、
前記燃料電池から発電に使用された後に排出される排燃料ガスが前記改質バーナに燃焼用燃料として供給されるように構成され、
前記制御手段が、前記燃料電池の発電出力を目標出力に調節するように前記改質部への原燃料の供給量を調節し、前記燃料電池の目標出力に応じて前記水蒸気生成部への改質用水の供給量を調節し、前記改質部の温度が設定適正温度になるように前記改質バーナへ追加する燃焼用燃料の供給量を調節するように構成された燃料電池発電装置であって、
その特徴構成は、前記制御手段が、
原燃料を前記改質部に導く流路、前記水蒸気生成部から前記改質部へ水蒸気を導く流路、前記改質部にて生成された改質処理ガスを前記燃料ガス生成部を通して導いた後に燃料ガスとして前記燃料電池へ導く流路及び前記燃料電池から前記改質バーナへ排燃料ガスを導く流路を含むガス処理系流路の圧力、前記水蒸気生成部から排出された水蒸気の温度、又は、前記水蒸気生成部にて生成された水蒸気が混合された後の前記改質部に供給される原燃料の温度に基づいて、前記改質部への原燃料供給量に対する水蒸気供給量の比である水蒸気/炭素比が大きい異常を判別するように構成され、
前記水蒸気/炭素比が大きい異常を判別すると、前記改質バーナの燃焼量を増大するための燃焼量増大処理を実行するように構成されている点を特徴とする。
その燃料ガス生成部にて生成された燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、
運転を制御する制御手段とが設けられ、
前記燃料電池から発電に使用された後に排出される排燃料ガスが前記改質バーナに燃焼用燃料として供給されるように構成され、
前記制御手段が、前記燃料電池の発電出力を目標出力に調節するように前記改質部への原燃料の供給量を調節し、前記燃料電池の目標出力に応じて前記水蒸気生成部への改質用水の供給量を調節し、前記改質部の温度が設定適正温度になるように前記改質バーナへ追加する燃焼用燃料の供給量を調節するように構成された燃料電池発電装置であって、
その特徴構成は、前記制御手段が、
原燃料を前記改質部に導く流路、前記水蒸気生成部から前記改質部へ水蒸気を導く流路、前記改質部にて生成された改質処理ガスを前記燃料ガス生成部を通して導いた後に燃料ガスとして前記燃料電池へ導く流路及び前記燃料電池から前記改質バーナへ排燃料ガスを導く流路を含むガス処理系流路の圧力、前記水蒸気生成部から排出された水蒸気の温度、又は、前記水蒸気生成部にて生成された水蒸気が混合された後の前記改質部に供給される原燃料の温度に基づいて、前記改質部への原燃料供給量に対する水蒸気供給量の比である水蒸気/炭素比が大きい異常を判別するように構成され、
前記水蒸気/炭素比が大きい異常を判別すると、前記改質バーナの燃焼量を増大するための燃焼量増大処理を実行するように構成されている点を特徴とする。
即ち、制御手段により、原燃料を改質部に導く流路、水蒸気生成部から改質部へ水蒸気を導く流路、改質部にて生成された改質処理ガスを燃料ガス生成部を通して導いた後に燃料ガスとして燃料電池へ導く流路及び燃料電池から改質バーナへ排燃料ガスを導く流路を含むガス処理系流路の圧力、水蒸気生成部から排出された水蒸気の温度、又は、水蒸気生成部にて生成された水蒸気が混合された後の改質部に供給される原燃料の温度に基づいて、改質部への原燃料供給量に対する水蒸気供給量の比である水蒸気/炭素比が大きい異常が判別される。
つまり、水蒸気/炭素比が大きくなるに伴って、燃焼排ガスの熱量が水蒸気生成部に供給される改質用水を安定して蒸発させることができる熱量よりも不足する状態となり、そのような状態においては、基本的には、燃焼排ガスの熱量が適正な場合に比べて、水蒸気生成量が少なくなり、又、生成される水蒸気の温度及び圧力が低くなる傾向となる。
そして、そのように水蒸気生成量が少ない状態では、水蒸気生成部内の圧力が低下することにより、水蒸気生成部内に溜まっている改質用水が一挙に蒸発して水蒸気生成量が増加し、そのように水蒸気生成量が増加すると水蒸気生成部内の圧力が上昇して、再び水蒸気生成量が少ない状態となり、そのように水蒸気生成量の少ない状態が継続すると、水蒸気生成部内に溜まっている改質用水が一挙に蒸発して水蒸気生成量が増加する如く、水蒸気生成量が増減変化することが繰り返されることになるので、水蒸気生成部から改質部へ水蒸気を導く流路の水蒸気の圧力が増減変化することが繰り返されることになる。
又、水蒸気生成部にて生成される水蒸気の温度及び圧力が低くなると、水蒸気が水蒸気生成部から排出されるに伴って冷却されて、ミストが含まれる程度等にまで、水蒸気生成部から排出された水蒸気の温度が低下する。
そして、そのように水蒸気生成量が少ない状態では、水蒸気生成部内の圧力が低下することにより、水蒸気生成部内に溜まっている改質用水が一挙に蒸発して水蒸気生成量が増加し、そのように水蒸気生成量が増加すると水蒸気生成部内の圧力が上昇して、再び水蒸気生成量が少ない状態となり、そのように水蒸気生成量の少ない状態が継続すると、水蒸気生成部内に溜まっている改質用水が一挙に蒸発して水蒸気生成量が増加する如く、水蒸気生成量が増減変化することが繰り返されることになるので、水蒸気生成部から改質部へ水蒸気を導く流路の水蒸気の圧力が増減変化することが繰り返されることになる。
又、水蒸気生成部にて生成される水蒸気の温度及び圧力が低くなると、水蒸気が水蒸気生成部から排出されるに伴って冷却されて、ミストが含まれる程度等にまで、水蒸気生成部から排出された水蒸気の温度が低下する。
従って、水蒸気生成部から改質部へ水蒸気を導く流路の水蒸気の圧力の増減変化が、その水蒸気生成部から改質部へ水蒸気を導く流路に連通している流路、即ち、原燃料を改質部に導く流路、改質部にて生成された改質処理ガスを燃料ガス生成部を通して導いた後に燃料ガスとして燃料電池へ導く流路、燃料電池から改質バーナへ排燃料ガスを導く流路にも及ぶので、それらの流路の圧力も増減変化することが繰り返されることになり、原燃料を改質部に導く流路、水蒸気生成部から改質部へ水蒸気を導く流路、改質部にて生成された改質処理ガスを燃料ガス生成部を通して導いた後に燃料ガスとして燃料電池へ導く流路及び燃料電池から改質バーナへ排燃料ガスを導く流路を含むガス処理系流路の圧力に基づいて、水蒸気/炭素比が大きい異常を判別することができる。
又、水蒸気生成部から排出された水蒸気の温度が低下すると、その水蒸気生成部から排出された水蒸気が混合された後に、改質部に供給される原燃料の温度も低下する傾向となるので、水蒸気生成部から排出された水蒸気の温度、又は、水蒸気生成部にて生成された水蒸気が混合された後の改質部に供給される原燃料の温度に基づいて、水蒸気/炭素比が大きい異常を判別することができる。
ちなみに、このような水蒸気/炭素比が大きい異常を判別する構成として、水蒸気生成部内に貯留される改質用水の水位の変動を検出することにより、水蒸気/炭素比が大きい異常を判別する構成が想定されるが、水蒸気生成部内に貯留される改質用水の水位の変動を検出するには、多くの温度検出手段を上下方向に並べて配置する必要があり、構成が複雑なものとなる。
これに対して、上述のようにガス処理系流路の圧力、水蒸気生成部から排出された水蒸気の温度、又は、水蒸気生成部にて生成された水蒸気が混合された後の改質部に供給される原燃料の温度に基づいて、水蒸気/炭素比が大きい異常を判別するようにすることにより、少ない個数の圧力検出手段又は温度検出手段により、水蒸気/炭素比が大きい異常を判別することが可能となる。
要するに、水蒸気/炭素比が大きい異常を簡素な構成にて判別し得る燃料電池発電装置を提供することができるようになった。
また、制御手段により、水蒸気/炭素比が大きい異常が判別されると、改質バーナの燃焼量を増大するための燃焼量増大処理が実行される。
そして、そのような燃焼量増大処理が実行されると、改質バーナの燃焼排ガスの保有熱量が増加することから、水蒸気生成部での改質用水の蒸発量を増加させることができるので、水蒸気生成部における水蒸気生成を安定化させて、その水蒸気生成部での水蒸気生成量を安定化させることができ、改質部における原燃料の改質処理の処理状態のバラツキを小さくすることができる。
従って、水蒸気/炭素比が大きい異常が判別されると、その水蒸気/炭素比が大きい異常になったことに対する処置が自動的に講じられるので、使い勝手を向上することができるようになった。
そして、そのような燃焼量増大処理が実行されると、改質バーナの燃焼排ガスの保有熱量が増加することから、水蒸気生成部での改質用水の蒸発量を増加させることができるので、水蒸気生成部における水蒸気生成を安定化させて、その水蒸気生成部での水蒸気生成量を安定化させることができ、改質部における原燃料の改質処理の処理状態のバラツキを小さくすることができる。
従って、水蒸気/炭素比が大きい異常が判別されると、その水蒸気/炭素比が大きい異常になったことに対する処置が自動的に講じられるので、使い勝手を向上することができるようになった。
本発明に係る燃料電池発電装置の更なる特徴構成は、
前記原燃料を前記改質部に導く流路に、前記原燃料を脱硫処理する脱硫室と、前記脱硫室にて脱硫処理された原燃料と前記改質処理ガスとを熱交換する脱硫後原燃料用熱交換器とが備えられ、
前記原燃料を前記改質部に導く流路の前記脱硫室と前記脱硫後原燃料用熱交換器との間の流路部位において、前記水蒸気生成部で生成された水蒸気を、前記脱硫室にて脱硫処理された原燃料に混合して前記混合ガスを生成する点にある。
前記原燃料を前記改質部に導く流路に、前記原燃料を脱硫処理する脱硫室と、前記脱硫室にて脱硫処理された原燃料と前記改質処理ガスとを熱交換する脱硫後原燃料用熱交換器とが備えられ、
前記原燃料を前記改質部に導く流路の前記脱硫室と前記脱硫後原燃料用熱交換器との間の流路部位において、前記水蒸気生成部で生成された水蒸気を、前記脱硫室にて脱硫処理された原燃料に混合して前記混合ガスを生成する点にある。
〔第1実施形態〕
以下、図面に基づいて、第1実施形態を説明する。
図1及び図2に示すように、燃料電池発電装置は、炭化水素系の原燃料ガスを原料として水素ガスを主成分とする燃料ガスを生成する燃料ガス生成部Pと、その燃料ガス生成部Pにて生成された燃料ガスが供給されて発電する燃料電池Gと、運転を制御する制御手段としての制御部Cとを備えて構成してある。
以下、図面に基づいて、第1実施形態を説明する。
図1及び図2に示すように、燃料電池発電装置は、炭化水素系の原燃料ガスを原料として水素ガスを主成分とする燃料ガスを生成する燃料ガス生成部Pと、その燃料ガス生成部Pにて生成された燃料ガスが供給されて発電する燃料電池Gと、運転を制御する制御手段としての制御部Cとを備えて構成してある。
前記燃料電池Gは、周知であるので詳細な説明及び図示は省略して簡単に説明すると、燃料電池Gは、例えば、固体高分子膜を電解質層とするセルの複数を積層状態に設けた固体高分子型に構成し、各セルの燃料極に前記燃料ガス生成部Pから燃料ガスを供給し、各セルの酸素極に反応用送風機36から空気を供給して、水素と酸素との電気化学的な反応により発電を行うように構成してある。
燃料ガス生成部Pは、天然ガス等の炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理する脱硫室1と、供給される水を加熱して蒸発させて水蒸気を生成する水蒸気生成部としての水蒸気生成室2と、脱硫室1で脱硫処理された原燃料ガスと水蒸気生成室2で生成された水蒸気とが混合状態で供給され、その混合ガスを改質反応させて水素ガスを主成分とする改質処理ガスを生成する改質部としての改質室3と、改質バーナ17にて燃焼用燃料を燃焼させて、改質室3を改質処理可能なように加熱する燃焼室6と、改質室3から供給される改質処理ガス中の一酸化炭素ガスを水蒸気を用いて二酸化炭素ガスに変成処理する変成部としての変成室4と、その変成室4から供給される改質処理ガス中に残っている一酸化炭素ガスを選択的に酸化処理する選択酸化室5等を備えて構成して、一酸化炭素ガス含有量の少ない水素含有ガスを生成するように構成してある。
前記改質室3と前記燃焼室6とは、伝熱可能に並べて設けてある。
前記改質室3と前記燃焼室6とは、伝熱可能に並べて設けてある。
更に、燃料ガス生成部Pには、前記改質室3から排出される改質処理ガスを通流させて改質室3を加熱する改質室加熱用通流室7、前記燃焼室6から排出される燃焼排ガスを通流させてその燃焼排ガスにより前記水蒸気生成室2を加熱する加熱用排ガス通流室8、その加熱用排ガス通流室8から排出される燃焼排ガスを通流させてその燃焼排ガスにより前記変成室4を温調する温調用排ガス通流室9、前記改質室加熱用通流室7から排出される高温の改質処理ガスにより前記脱硫室1にて脱硫された脱硫後の原燃料ガスを加熱する脱硫後原燃料用熱交換器Ea、その脱硫後原燃料用熱交換器Eaにて熱交換後の改質処理ガスにより脱硫室1にて脱硫処理する原燃料ガスを加熱する脱硫前原燃料用熱交換器Eb、及び、前記温調用排ガス通流室9から排出される燃焼排ガスの排熱を前記改質バーナ17に供給される燃焼用燃料及び燃焼用空気に回収するエコノマイザEcを設けてある。
前記脱硫後原燃料用熱交換器Eaは、前記改質室加熱用通流室7から排出された改質処理ガスを通流させる上流側熱交換用通流室10と、前記脱硫室1にて脱硫処理されて改質室3に供給する脱硫後の原燃料ガスを通流させる脱硫後原燃料通流室11とを熱交換自在に設けて構成し、前記脱硫前原燃料用熱交換部Ebは、前記上流側熱交換用通流室10から排出された改質処理ガスを通流させる下流側熱交換用通流室12と、前記脱硫室1にて脱硫処理する原燃料ガスを通流させる脱硫前原燃料通流室13とを熱交換自在に設けて構成してある。
又、前記エコノマイザEcは、前記温調用排ガス通流室9から排出される燃焼排ガスを通流させる排熱源排ガス通流室14の一方側に、前記改質バーナ17に供給される燃焼用燃料を通流させる燃焼用燃料通流室15を、他方側に、前記改質バーナ17に供給される燃焼用空気を通流させる燃焼用空気通流室16を夫々、前記排熱源排ガス通流室14と熱交換自在に設けて構成してある。
図2に示すように、燃料ガス生成部Pは、流体を処理する処理室Sを形成する複数の扁平状の容器Bを横方向に積層状に並べ、それら複数の容器Bを容器並び方向に直交する方向での相対移動を許容する状態で前記容器並び方向両側から押し付け手段(図示省略)にて押し付けて構成してある。
前記容器Bは、図3ないし図5にも示すように、前記容器並び方向に位置する一対の容器形成部材51を、その周辺部を溶接接続して構成し、前記一対の容器形成部材51の少なくとも一方を、周辺部を接続代として中央部が膨出する皿状に形成してある。
前記容器Bは、図3ないし図5にも示すように、前記容器並び方向に位置する一対の容器形成部材51を、その周辺部を溶接接続して構成し、前記一対の容器形成部材51の少なくとも一方を、周辺部を接続代として中央部が膨出する皿状に形成してある。
そして、前記複数の容器Bにて形成される複数の処理室Sにより、前記脱硫、水蒸気生成、改質、変成、選択酸化、燃焼の各室1,2,3,4,5,6、及び、前記改質室加熱用、加熱用排ガス、冷却用排ガス、上流側熱交換用、脱硫後原燃料、下流側熱交換用、脱硫前原燃料用、排熱源排ガス、燃焼用燃料、燃焼用空気の各通流室7,8,9,10,11,12,13,14,15,16を構成してある。
この実施形態では、前記複数の容器Bを、前記一対の容器形成部材51の夫々を前記皿状の容器形成部材51とする状態に形成し、且つ、前記一対の容器形成部材51の間に仕切り部材52を位置させた状態で周辺部を溶接接続して、前記仕切り部材52の両側に前記処理室Sを備えるように構成してある。
そして、前記複数の容器Bのうちの一部を、前記皿状の容器形成部材51の背部に積層状態で位置させる一つの皿状の補助容器形成部材53を、その周辺部を隣接するものの背部に溶接することにより、前記容器並び方向に複数の処理室Sを形成する多処理室型の容器Bmに構成してある。この多処理室型の容器Bmを、図4及び図5に示す
又、前記複数の容器Bのうちの残部を、前記補助容器形成部材53を設けない基本型の容器Bsとしてある。この基本型の容器Bsを、図3に示す。
そして、前記複数の容器Bのうちの一部を、前記皿状の容器形成部材51の背部に積層状態で位置させる一つの皿状の補助容器形成部材53を、その周辺部を隣接するものの背部に溶接することにより、前記容器並び方向に複数の処理室Sを形成する多処理室型の容器Bmに構成してある。この多処理室型の容器Bmを、図4及び図5に示す
又、前記複数の容器Bのうちの残部を、前記補助容器形成部材53を設けない基本型の容器Bsとしてある。この基本型の容器Bsを、図3に示す。
前記皿状の容器形成部材51、仕切り部材52及び皿状の補助容器形成部材53は、夫々、ステンレス等の耐熱金属製であり、前記皿状の容器形成部材51及び皿状の補助容器形成部材53は、その耐熱金属からなる板材をプレス成形して皿状に形成する。
この実施形態では、7個の容器Bを並べて、水素含有ガス生成装置Pを構成してある。
尚、7個の容器Bの区別が明確になるように、便宜上、容器を示す符合Bの後に、図2において左からの並び順を示す符合1,2,3……………7を付す。
尚、7個の容器Bの区別が明確になるように、便宜上、容器を示す符合Bの後に、図2において左からの並び順を示す符合1,2,3……………7を付す。
そして、この実施形態では、左から2個目の容器B2、4個目の容器B4、右端の容器B7を基本型の容器Bsとしてある。
又、左端の容器B1は、一対の皿状の容器形成部材51のうち、左側の皿状の容器形成部材51の背部に前記補助容器形成部材53を設けて、3個の処理室Sを容器並び方向に並ぶ状態で備えた多処理室型の容器Bmとし、左から3個目の容器B3は、図4にも示すように、一対の皿状の容器形成部材51のうち、右側の皿状の容器形成部材51の背部に前記補助容器形成部材53を設けて、3個の処理室Sを容器並び方向に並ぶ状態で備えた多処理室型の容器Bmとし、左から5個目の容器B5は、図5にも示すように、一対の皿状の容器形成部材51の両方の背部夫々に前記補助容器形成部材53を設けて、4個の処理室Sを容器並び方向に並ぶ状態で備えた多処理室型の容器Bmとし、左から6個目の容器B6も、左から5個目の容器B5と同様に、4個の処理室Sを容器並び方向に並ぶ状態で備えた多処理室型の容器Bmとしてある。
図2に示すように、左端の容器B1(処理室Sを3個備えた多処理室型の容器Bm)において、左端の処理室Sにて前記燃焼用燃料通流室15を構成し、中央の処理室Sにて前記排熱源排ガス通流室14を構成し、右端の処理室Sにて前記燃焼用空気通流室16を構成して、この左端の容器B1にて前記エコノマイザEcを構成してある。
左から2個目の容器B2(処理室Sを前記容器並び方向に2個備えた基本型の容器Bs)における左側の処理室Sにて前記加熱用排ガス通流室8を構成し、右側の処理室Sにて前記水蒸気生成室2を構成してある。
図4にも示すように、左から3個目の容器B3(処理室Sを前記容器並び方向に3個備えた多処理室型の容器Bm)において、左端の処理室Sにて前記燃焼室6を構成し、中央の処理室Sにて前記改質室3を構成し、右端の処理室Sにて前記改質室加熱用通流室7を構成してある。
つまり、左から3個目の容器B3の中央の処理室S内に、炭化水素系の原燃料ガスを水蒸気を用いて水素ガスを主成分とするガスに改質処理するルテニウム、ニッケル、白金等の改質反応用触媒19を充填して、その処理室Sを改質室3に構成してある。
前記改質室3は、原燃料ガスと水蒸気とが混合状態で上端部から供給されて、下方側に向けて流動するように構成され、その改質室3として構成する処理室Sと前記改質室加熱用通流室7として構成する処理室Sとを仕切る皿状の容器形成部材51の下端部には、容器並び方向に隣接するそれら処理室Sを連通する流体通過部54を設けて、その流体通過部54を通して、前記改質室3にて改質処理された改質処理ガスを前記改質室加熱用通流室7に流入させるように構成してある。
そして、前記改質室3の下端部分における改質反応用触媒19の温度を検出するように、改質温度センサTrを設けてある。
そして、前記改質室3の下端部分における改質反応用触媒19の温度を検出するように、改質温度センサTrを設けてある。
ちなみに、前記改質室3では、原燃料ガスがメタンガスを主成分とする天然ガスベースの都市ガス(13A)である場合は、改質反応用触媒19の触媒作用により、例えば600〜750°Cの範囲の改質処理温度の下で、メタンガスと水蒸気とを下記の反応式(1)にて改質反応させて、水素ガスを主成分とする改質処理ガスを生成させる。
又、左から3個目の容器B3の左端の処理室Sにて構成する燃焼室6内における下端部に、その燃焼室6内にて燃焼用燃料を燃焼させるように、前記改質用バーナ17を設けてある。
この改質用バーナ17は、図4にも示すように、複数の第1噴出孔17aを長手方向に列状に備えた第1噴出管17Aと複数の第2噴出孔17bを長手方向に列状に備えた第2噴出管17Bとを第1噴出孔17aの噴出方向と第2噴出孔17bの噴出方向とが交差するように並べて設けて構成してある。
更に、燃焼室6内における改質バーナ17よりも上方側に、白金、パラジウム等から成る燃焼触媒を保持させた燃焼触媒保持体18を配設してある。
そして、燃焼室6内の温度を検出するように、燃焼温度センサTfを設けてある。
この改質用バーナ17は、図4にも示すように、複数の第1噴出孔17aを長手方向に列状に備えた第1噴出管17Aと複数の第2噴出孔17bを長手方向に列状に備えた第2噴出管17Bとを第1噴出孔17aの噴出方向と第2噴出孔17bの噴出方向とが交差するように並べて設けて構成してある。
更に、燃焼室6内における改質バーナ17よりも上方側に、白金、パラジウム等から成る燃焼触媒を保持させた燃焼触媒保持体18を配設してある。
そして、燃焼室6内の温度を検出するように、燃焼温度センサTfを設けてある。
前記改質バーナ17に着火して改質室3を改質処理可能な温度に加熱する起動時は、前記改質室3に供給するのと同様の原燃料ガスを燃焼用燃料として燃焼用空気と混合させた状態で第1噴出管17Aに供給して燃焼させるように構成し、前記燃料電池Gの燃料極から排出された排燃料ガスとしてのオフガスを燃焼用燃料として燃焼させる通常時は、そのオフガスを第2噴出管17Bに供給し且つ燃焼用空気を第1噴出管17Aに供給するように構成してある。
又、前記改質室3を改質処理可能なように加熱するには、オフガスだけでは不足する場合、その不足分を補うように、原燃料ガスを燃焼用燃料として、燃焼用空気に混合させた状態で、第1噴出管17Aに追加供給するように構成してある。
又、前記改質室3を改質処理可能なように加熱するには、オフガスだけでは不足する場合、その不足分を補うように、原燃料ガスを燃焼用燃料として、燃焼用空気に混合させた状態で、第1噴出管17Aに追加供給するように構成してある。
左から4個目の容器B4(基本型の容器Bs)における左側の処理室Sにて前記上流側熱交換用通流室10を構成し、右側の処理室Sにて前記脱硫後原燃料通流室11を構成して、この左から4個目の容器B4にて、前記脱硫後原燃料用熱交換器Eaを構成してある。
図5にも示すように、左から5個目の容器B5(処理室Sを前記容器並び方向に4個備えた多処理室型の容器Bm)において、左端及び左から2個目の処理室Sの夫々は、炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理する脱硫反応用触媒20を充填して脱硫室1に構成し、左から3個目の処理室Sは、脱硫前原燃料通流室13に構成し、右端の処理室Sは、一酸化炭素ガスを水蒸気を用いて二酸化炭素ガスに変成処理する酸化鉄系又は銅亜鉛系の変成反応用触媒21を充填して変成室4に構成してある。
ちなみに、詳細は後述するが、この左から5個目の容器B5にて構成する変成室4を1段目として、変成室4を4段に設けるので、以下、この左から5個目の容器B5にて構成する変成室4を1段目の変成室4と記載する場合がある。
ちなみに、詳細は後述するが、この左から5個目の容器B5にて構成する変成室4を1段目として、変成室4を4段に設けるので、以下、この左から5個目の容器B5にて構成する変成室4を1段目の変成室4と記載する場合がある。
又、左端の処理室Sと左から2個目の処理室Sとを仕切る皿状の容器形成部材51、左から2個目の処理室Sと左から3個目の処理室Sとを仕切る仕切り部材52の夫々に、夫々の両側の処理室Sを連通する流体通過部54を設けてある。そして、左から2個目の処理室Sにて構成する脱硫室1を1段目とし、左端の処理室Sにて構成する脱硫室1を2段目として、脱硫対象の原燃料ガスを、脱硫前原燃料通流室13を通過させて予熱した後、1段目、2段目の順に各脱硫室1を通流させて、脱硫処理するように構成してある。
又、脱硫前原燃料通流室13を構成する左から3個目の処理室Sと1段目の変成室4を構成する右端の処理室Sとを仕切る皿状の容器形成部材51を、伝熱壁として、その伝熱壁を通して、脱硫前原燃料通流室13を通流する脱硫対象の原燃料ガスと1段目の変成室4を通流する変成処理対象の改質処理ガスとを熱交換させるように構成してある。
つまり、1段目の変成室4を前記下流側熱交換用通流室12として兼用するように構成して、前記脱硫前原燃料通流室13と下流側熱交換用通流室12とにより、前記脱硫前原燃料用熱交換器Ebを構成してある。
つまり、1段目の変成室4を前記下流側熱交換用通流室12として兼用するように構成して、前記脱硫前原燃料通流室13と下流側熱交換用通流室12とにより、前記脱硫前原燃料用熱交換器Ebを構成してある。
左から6個目の容器B6(処理室Sを前記容器並び方向に4個備えた多処理室型の容器Bm)において、左端の処理室Sを前記温調用排ガス通流室9に構成し、左から2個目、左から3個目及び右端の処理室Sの夫々は、前記変成反応用触媒21を充填して変成室4に構成してある。
又、左から2個目の処理室Sと左から3個目の処理室Sを仕切る仕切り部材52、左から3個目の処理室Sと右端の処理室Sとを仕切る皿状の容器形成部材51夫々に、夫々の両側の処理室Sを連通する流体通過部54を設けてある。そして、左から2個目の処理室Sにて構成する変成室4を2段目とし、左から3個目の処理室Sにて構成する変成室4を3段目とし、右端の処理室Sにて構成する変成室4を4段目として、前記左から5個目の容器B5にて構成する1段目の変成室4からこの2段目の変成室4に外部のガス処理流路32にて改質処理ガスを供給して、改質処理ガスを2段目、3段目、4段目の順に各変成室4を通流させて、変成処理するように構成してある。
そして、4段目の変成室4の出口部付近における変成反応用触媒21の温度を検出するように、変成温度センサTtを設けてある。
そして、4段目の変成室4の出口部付近における変成反応用触媒21の温度を検出するように、変成温度センサTtを設けてある。
ちなみに、前記変成室4では、変成反応用触媒21の触媒作用により、改質室3から供給される改質処理ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを、例えば、150〜400°Cの範囲の変成処理温度の下で、下記の反応式(2)にて変成反応させる。
左から7個目、即ち右端の容器B7(基本型の容器Bs)において、左側の処理室Sは何にも用いずに伝熱調整用とし、右側の処理室Sは、一酸化炭素ガスを選択的に酸化処理する白金、ルテニウム、ロジウム等の貴金属系の選択酸化用触媒22を充填して前記選択酸化室5に構成してある。
この選択酸化室5は、前記変成室4にて変成処理された改質処理ガスと選択酸化用空気が混合状態で下端部から供給されて、上方側に向けて流動して上端部から排出するように構成され、選択酸化室5における上下方向略中央部の選択酸化触媒22の温度を検出するように、選択酸化温度センサTmを設けてある。
ちなみに、前記選択酸化室5では、選択酸化反応用触媒22の触媒作用により、例えば80〜150°Cの選択酸化処理温度の下で、変成処理後の改質処理ガス中に残存している一酸化炭素ガスが選択酸化される。
尚、容器Bの処理室Sに、前記改質反応用触媒19等の触媒を充填する場合は、扁平状の容器Bを上下方向に沿わせた姿勢で、処理室Sにおける底部よりもやや上方部にて触媒を受けるべく、多孔状の触媒受け板55を、その処理室Sを形成する皿状の容器形成部材51、仕切り部材52又は皿状の補助容器形成部材53に溶接にて取り付けてある。
そして、上述の7個の扁平状の容器Bを、夫々を上下方向に沿わせた姿勢で、左端の容器B1の外側、左端の容器B1と左から2個目の容器B2との間、左から2個目の容器B2と左から3個目の容器B3との間、左から3個目の容器B3と左から4個目の容器B4との間、左から4個目の容器B4と左から5個目の容器B5との間、及び、左から5個目の容器B5と左から6個目の容器B6との間の夫々に伝熱量調節用の断熱材23を配置した状態で密接状態に並べて設けて、前記押し付け手段により、それら密接状態の7個の容器Bを容器並び方向に直交する方向での相対移動を許容する状態で容器並び方向両側から押し付けるように構成し、更に、前記選択酸化室5を構成する右端の容器B7の側方に、その容器B7に向けて通風するように冷却用送風機26を設けて、その冷却用送風機26により、前記選択酸化室5を冷却するように構成してある。
つまり、脱硫室1、改質室3、変成室4及び選択酸化室5のうち、改質室3が最も高温に維持する必要があり、選択酸化室5が最も低温に維持する必要がある。
そこで、改質室3とそれを加熱する燃焼室6とを伝熱可能に密接させて設け、その密接状態の改質室3及び燃焼室6における改質室3側に、脱硫室1、変成室4、選択酸化室5を記載順に改質室3の側から並んで位置し且つ改質室3及び燃焼室6から伝熱可能な状態で設け、密接状態の改質室3及び燃焼室6における燃焼室6側に、水蒸気生成室2を改質室3及び燃焼室6から伝熱可能な状態で設けてある。
そこで、改質室3とそれを加熱する燃焼室6とを伝熱可能に密接させて設け、その密接状態の改質室3及び燃焼室6における改質室3側に、脱硫室1、変成室4、選択酸化室5を記載順に改質室3の側から並んで位置し且つ改質室3及び燃焼室6から伝熱可能な状態で設け、密接状態の改質室3及び燃焼室6における燃焼室6側に、水蒸気生成室2を改質室3及び燃焼室6から伝熱可能な状態で設けてある。
そして、隣接するもの同士の間、即ち、改質室3と脱硫室1との間、脱硫室1と変成室4との間、変成室4と選択酸化室5との間、及び、燃焼室6と水蒸気生成室2との間のそれぞれの伝熱状態(伝熱量)を所定に設定して、改質室3を改質処理温度に維持するように改質バーナ17の燃焼量を調節し、且つ、選択酸化室5を選択酸化処理温度に維持するように冷却用送風機26の通風量を調節することにより、改質室3と選択酸化室5との間に位置する脱硫室1及び変成室4を、温度を制御しなくても成り行きにてそれぞれ脱硫処理温度、変成処理温度に維持することができ、並びに、水蒸気生成室2を成り行きにて水蒸気生成に適正な温度に維持することができるように構成してある。
以下、図1及び図2に基づいて、各容器Bにて形成される各処理室Sに流体を供給したり、各処理室Sから流体を排出するための、各処理室Sに対する流路の接続形態について説明する。尚、各処理室Sにおいては、流体を上部から供給して下方側に向けて通流させて下部から排出する、あるいは、流体を下部から供給して上方側に向けて通流させて上部から排出するように、流体を上下方向に通流させるように構成するので、各流路は、各処理室Sの上端部又は下端部に接続する。
発電用原燃料供給路31を前記脱硫前原燃料通流室13に接続し、前記2段目の脱硫室1と前記脱硫後原燃料通流室11とを、その脱硫後原燃料通流室11と前記改質室3とを、前記改質室加熱用通流室7と前記上流側熱交換用通流室10とを、その上流側熱交換用通流室10と前記下流側熱交換用通流室12を兼用する前記1段目の変成室4とを、その1段目の変成室4と前記2段目の変成室4とを、前記4段目の変成室4と前記選択酸化室5とを、夫々ガス処理流路32にて接続し、更に、その選択酸化室5と燃料電池Gの燃料ガス供給部とを燃料ガス流路33にて接続して、脱硫前原燃料通流室13、1段目、2段目の脱硫室1、脱硫後原燃料通流室11、改質室3、改質室加熱用通流室7、上流側熱交換用通流室10、1段目、2段目、3段目、4段目の変成室4、選択酸化室5を順に流れて、燃料電池Gに至るガス処理経路を形成してある。
前記発電用原燃料供給路31には、この発電用原燃料供給路31を通して改質処理用の原燃料ガスを圧送する原燃料供給ポンプ27、及び、この原燃料供給ポンプ27にて供給される原燃料ガスの流量を検出する改質用原燃料流量センサQを設けてある。
そして、原燃料供給ポンプ27の回転速度を調節することにより、改質処理用の原燃料ガスの供給量を調節するように構成してある。
そして、原燃料供給ポンプ27の回転速度を調節することにより、改質処理用の原燃料ガスの供給量を調節するように構成してある。
又、前記4段目の変成室4と前記選択酸化室5とを接続するガス処理流路32には、選択酸化用送風機24から選択酸化用空気が供給される選択酸化用空気供給路25を接続して、変成室4にて変成処理された改質処理ガスに選択酸化用空気を混合させて前記選択酸化室5に供給するように構成してある。
つまり、原燃料ガスを1段目、2段目の脱硫室1にて脱硫処理し、その脱硫処理した原燃料ガスに、後述する水蒸気生成室2から水蒸気流路34にて供給される水蒸気を混合させ、その水蒸気を混合させた原燃料ガスを改質室3にて改質処理し、その改質処理ガスを1段目、2段目、3段目、4段目の変成室4にて変成処理し、その変成処理した改質処理ガスを選択酸化室5にて選択酸化処理して、一酸化炭素含有率の小さい水素含有ガスを生成し、その水素含有ガスを燃料ガスとして燃料ガス流路33を通じて燃料電池Gに供給するように構成してある。
前記燃焼室6と前記加熱用排ガス通流室8とを、その加熱用排ガス通流室8と前記温調用排ガス通流室9とを、その温調用排ガス通流室9と前記エコノマイザEcの前記排熱源排ガス通流室14とを、夫々燃焼排ガス流路37にて接続して、燃焼室6から排出される燃焼排ガスを、加熱用排ガス通流室8、温調用排ガス通流室9、エコノマイザEcの排熱源排ガス通流室14の順に通流させるように構成してある。
前記燃料電池Gの前記燃料極から排出されるオフガスを前記改質バーナ17にて燃焼させる燃焼用燃料として導くオフガス路38にて、その燃料電池Gのオフガス排出部と前記エコノマイザEcの燃焼用ガス通流室15とを、その燃焼用ガス通流室15と前記改質バーナ17の第2噴出管17Bとを、夫々接続してある。
又、前記改質バーナ17に燃焼用空気を供給する燃焼用送風手段としての燃焼用送風機39と前記エコノマイザEcの前記燃焼用空気通流室16とを、その燃焼用空気通流室16と前記改質バーナ17の第1噴出管17Aとを、夫々燃焼用空気流路40にて接続してある。
そして、前記エコノマイザEcにて、燃焼排ガスの排熱をオフガス及び燃焼用空気に回収して、それらオフガス及び燃焼用空気を予熱し、そのように予熱したオフガス及び燃焼用空気を前記改質バーナ17に供給して燃焼させるように構成してある。
更に、前記改質バーナ17の第1噴出管17Aには、原燃料ガスを燃焼用燃料として供給するバーナ用原燃料供給路41を接続してある。
このバーナ用原燃料供給路41には、このバーナ用原燃料供給路41を通して供給する原燃料ガスの供給量を調節するバーナ用原燃料調節弁V2を設けてある。
このバーナ用原燃料供給路41には、このバーナ用原燃料供給路41を通して供給する原燃料ガスの供給量を調節するバーナ用原燃料調節弁V2を設けてある。
尚、前記バーナ用原燃料供給路41と前記燃焼用空気流路40とは、前記第1噴出管17Aの手前で合流させた状態でその第1噴出管17Aに接続してあり、原燃料ガスを燃焼用空気と予混合した状態で第1噴出管17Aに供給するように構成してある。
改質処理用の水蒸気を生成するための改質用水を改質用水ポンプ42にて供給する改質用水供給流路43を前記水蒸気生成室2に接続し、前記加熱用排ガス通流室8による加熱により前記水蒸気生成室2から排出された水蒸気を導く前記水蒸気流路34を、2段目の脱硫室1と前記脱硫後原燃料通流室11とを接続するガス処理流路32に接続して、脱硫室1にて脱硫された原燃料ガスに水蒸気を混合させるように構成してある。
そして、改質用水ポンプ42の回転速度を調節することにより、水蒸気生成室2への改質用水の供給量を調節するように構成して、この改質用水ポンプ42を改質用水調節手段として機能させるようにしてある。
そして、改質用水ポンプ42の回転速度を調節することにより、水蒸気生成室2への改質用水の供給量を調節するように構成して、この改質用水ポンプ42を改質用水調節手段として機能させるようにしてある。
つまり、前記発電用原燃料供給路31における前記原燃料供給ポンプ27の吐出口から前記脱硫前原燃料通流室13に至る部分、その脱硫前原燃料通流室13、前記第1段目及び第2段目の脱硫室1、前記2段目の脱硫室1と前記脱硫後原燃料通流室11とを接続するガス処理流路32、その脱硫後原燃料通流室11、その脱硫後原燃料通流室11と前記改質室3とを接続するガス処理流路32、前記改質室3、前記改質室加熱用通流室7、その改質室加熱用通流室7と前記上流側熱交換用通流室10とを接続するガス処理流路32、その上流側熱交換用通流室10、その上流側熱交換用通流室10と前記1段目の変成室4とを接続するガス処理流路32、その1段目の変成室4、その1段目の変成室4と2段目の変成室4とを接続するガス処理流路32、その2段目から4段目の変成室4、その4段目の変成室4と前記選択酸化室5とを接続するガス処理流路32、その選択酸化室5、その選択酸化室5と前記燃料電池Gを接続する燃料ガス流路33、その燃料電池Gと前記燃焼用燃料通流室15とを接続するオフガス路38、その燃焼用燃料通流室15、その燃焼用燃料通流室15と前記改質バーナ17とを接続するオフガス路38、及び、前記水蒸気流路34により、ガス処理系流路が構成される。
そして、前記ガス処理系流路のうちの前記脱硫後原燃料通流室11と前記改質室3とを接続するガス処理流路32の圧力を検出するように、圧力センサ28を設けてある。
次に、前記制御部Cの制御動作について、説明する。
先ず、この燃料電池発電装置の起動から停止に至る全体の制御動作について説明する。
図6のフローチャートに示すように、制御部Cは、起動タイミングになると(ステップ#1)、改質バーナ17に着火して改質室3を改質用設定温度に加熱する起動運転モードを実行し(ステップ#2)、その起動運転モードが終了すると、燃料ガス生成部Pに改質用の原燃料ガスを供給して燃料ガスを生成すると共にその生成燃料ガスを燃料電池Gに供給して発電させる通常運転モードを実行し(ステップ#3)、その通常運転モードの実行中に、前記圧力センサ28の検出情報に基づいて、水蒸気/炭素比(以下、S/Cと記載する場合がある)が大きい異常(以下、大S/C異常と記載する場合がある)であると判別すると(ステップ#4)、水蒸気生成室2における水蒸気生成及び改質室3における改質処理を安定化させる安定化処理を実行し(ステップ#5)、停止タイミングになると(ステップ#6)、所定の停止処理を実行して(ステップ#7)、燃料ガス生成部P及び燃料電池Gの運転を停止する。
先ず、この燃料電池発電装置の起動から停止に至る全体の制御動作について説明する。
図6のフローチャートに示すように、制御部Cは、起動タイミングになると(ステップ#1)、改質バーナ17に着火して改質室3を改質用設定温度に加熱する起動運転モードを実行し(ステップ#2)、その起動運転モードが終了すると、燃料ガス生成部Pに改質用の原燃料ガスを供給して燃料ガスを生成すると共にその生成燃料ガスを燃料電池Gに供給して発電させる通常運転モードを実行し(ステップ#3)、その通常運転モードの実行中に、前記圧力センサ28の検出情報に基づいて、水蒸気/炭素比(以下、S/Cと記載する場合がある)が大きい異常(以下、大S/C異常と記載する場合がある)であると判別すると(ステップ#4)、水蒸気生成室2における水蒸気生成及び改質室3における改質処理を安定化させる安定化処理を実行し(ステップ#5)、停止タイミングになると(ステップ#6)、所定の停止処理を実行して(ステップ#7)、燃料ガス生成部P及び燃料電池Gの運転を停止する。
例えば、この燃料電池発電装置を1日のうちの所定の運転時間帯に運転する場合は、その運転時間帯の開始時刻になると起動タイミングとなり、その運転時間帯の終了時刻になると停止タイミングになる。
ちなみに、前記改質用設定温度は、設定適正温度に相当するものであり、例えば、600〜750°Cの範囲内の所定の温度に設定する。
ちなみに、前記改質用設定温度は、設定適正温度に相当するものであり、例えば、600〜750°Cの範囲内の所定の温度に設定する。
前記起動運転モードにおいては、燃焼用空気の供給量が起動用設定空気供給量となるように、燃焼用送風機39の回転速度を調節し、イグナイタ(図示省略)を作動させ、バーナ用の原燃料ガスの供給量が起動用設定燃料供給量になるように、バーナ用原燃料調節弁V2の開度を調節し、フレームロッド(図示省略)により改質バーナ17の着火を検出すると、イグナイタをオフし、その後、改質温度センサTrの検出情報に基づいて、改質反応用触媒19の温度が改質用設定温度(例えば、700°C)になると、起動運転モードを終了する。
前記通常運転モードについて、説明を加える。
この通常運転モードにおいては、現在要求されている電力負荷に対して追従する目標出力を設定して、燃料電池Gの出力を目標出力(出力電流値)に調節する電主運転を実行する。
この通常運転モードにおいては、現在要求されている電力負荷に対して追従する目標出力を設定して、燃料電池Gの出力を目標出力(出力電流値)に調節する電主運転を実行する。
図8に示すように、予め、燃料電池Gの目標出力とその目標出力を燃料電池Gにて出力するのに必要とする改質用の目標原燃料ガス流量との関係を、出力対原燃料ガス流量情報として、目標出力が大きくなるほど目標原燃料ガス流量が多くなる状態で設定してある。
図9に示すように、予め、改質反応用触媒19を前記改質用設定温度に加熱するための燃焼室6の目標燃焼室温度を、燃料電池Gの目標出力に応じて、その目標出力が大きくなるほど目標燃焼室温度が高くなる状態で設定してある。以下、この燃料電池Gの目標出力と燃焼室6の目標燃焼室温度との関係を出力対燃焼室温度情報と記載する場合がある。
つまり、燃料電池Gの目標出力が大きくなると、改質室4における原燃料ガスの改質処理量が多くなるので、その改質室4の温度を改質用設定温度に維持するには、改質バーナ17への燃焼用燃料の供給量を多くして燃焼室6の温度を高くすることになり、前述のように出力対燃焼室温度情報を設定してある。
つまり、燃料電池Gの目標出力が大きくなると、改質室4における原燃料ガスの改質処理量が多くなるので、その改質室4の温度を改質用設定温度に維持するには、改質バーナ17への燃焼用燃料の供給量を多くして燃焼室6の温度を高くすることになり、前述のように出力対燃焼室温度情報を設定してある。
図10に示すように、改質用の原燃料ガス流量に対して所定のS/Cとなるように改質用水を供給するための改質用水ポンプ42の目標回転速度を、燃料電池Gの目標出力に応じて、その目標出力が大きくなるほど目標回転速度が高くなる状態で設定してある。以下、この燃料電池Gの目標出力と改質用水ポンプ42の目標回転速度との関係を、出力対改質用水ポンプ回転速度情報と記載する場合がある。ちなみに、S/Cは、例えば2.5〜3.0の範囲に設定する。
つまり、改質用水ポンプ42の回転速度と吐出水量との関係が予め決まっているので、原燃料ガス流量に対して所定のS/Cとなるように改質用水の流量を設定すると共に、その設定した流量の改質用水を吐出するための改質用水ポンプ42の回転速度を求めて、前記出力対改質用水ポンプ回転速度情報を設定してある。
つまり、改質用水ポンプ42の回転速度と吐出水量との関係が予め決まっているので、原燃料ガス流量に対して所定のS/Cとなるように改質用水の流量を設定すると共に、その設定した流量の改質用水を吐出するための改質用水ポンプ42の回転速度を求めて、前記出力対改質用水ポンプ回転速度情報を設定してある。
そして、改質用水ポンプ42の目標回転速度が、燃料電池Gの目標出力の大きさに応じた改質用水供給量を調節するための改質用水ポンプ42の目標制御値に相当するものであり、前記出力対改質用水ポンプ回転速度情報が、出力対制御値情報に相当する。
図11に示すように、改質バーナ17への燃焼用燃料の供給量に応じた量の燃焼用空気を供給するための燃焼用送風機39の目標回転速度を、改質バーナ17への燃焼用燃料の供給量に応じて、その燃焼用燃料の供給量が多くなるほど目標回転速度が高くなる状態で設定してある。以下、この改質バーナ17への燃焼用燃料の供給量と燃焼用送風機39の目標回転速度との関係を、出力対燃焼用送風機回転速度情報と記載する場合がある。
つまり、燃料電池Gの目標出力が大きくなると、燃焼室6の温度を燃料電池Gの目標出力に応じた目標燃焼室温度に維持するための改質バーナ17への燃焼用燃料の供給量が多くなり、それに応じて、改質バーナ17への燃焼用空気の供給量を多くする必要がある。
そして、燃焼用送風機39の回転速度と送風量との関係は予め決まっているので、燃焼用燃料の供給量に対して所定の空気比となるように、燃焼用燃料の供給量に応じて燃焼用空気の供給量を設定すると共に、その設定した量の燃焼用空気を送風するための燃焼用送風機39の回転速度を求めて、前述のように、出力対燃焼用送風機回転速度情報を設定してある。
つまり、燃料電池Gの目標出力が大きくなると、燃焼室6の温度を燃料電池Gの目標出力に応じた目標燃焼室温度に維持するための改質バーナ17への燃焼用燃料の供給量が多くなり、それに応じて、改質バーナ17への燃焼用空気の供給量を多くする必要がある。
そして、燃焼用送風機39の回転速度と送風量との関係は予め決まっているので、燃焼用燃料の供給量に対して所定の空気比となるように、燃焼用燃料の供給量に応じて燃焼用空気の供給量を設定すると共に、その設定した量の燃焼用空気を送風するための燃焼用送風機39の回転速度を求めて、前述のように、出力対燃焼用送風機回転速度情報を設定してある。
図12に示すように、選択酸化室5に供給される改質処理ガス中の一酸化炭素を選択酸化するのに適切な量の選択酸化用空気を供給するための選択酸化用送風機24の目標回転速度を、燃料電池Gの目標出力に応じて、その目標出力が大きくなるほど目標回転速度が高くなる状態で設定してある。以下、この燃料電池Gの目標出力と選択酸化用送風機24の目標回転速度との関係を、出力対選択酸化用送風機回転速度情報と記載する。
つまり、燃料電池Gの目標出力が大きくなると、選択酸化室5にて選択酸化処理する対象の改質処理ガスの量が多くなるので、選択酸化室5に供給する選択酸化用空気の流量を多くする、即ち、選択酸化用送風機24の回転速度を速くする必要があり、前述のように、出力対選択酸化用送風機回転速度情報を設定してある。
つまり、燃料電池Gの目標出力が大きくなると、選択酸化室5にて選択酸化処理する対象の改質処理ガスの量が多くなるので、選択酸化室5に供給する選択酸化用空気の流量を多くする、即ち、選択酸化用送風機24の回転速度を速くする必要があり、前述のように、出力対選択酸化用送風機回転速度情報を設定してある。
前記制御部Cは、通常運転モードにおいては、現在要求されている電力負荷に対して追従する目標出力を設定して、前記出力対原燃料ガス流量情報に基づいて設定目標出力に応じた目標原燃料ガス流量を求めて、改質用原燃料流量センサQにて検出される流量が求めた目標原燃料ガス流量になるように原燃料供給ポンプ27の回転速度を調節し、前記出力対改質用水ポンプ回転速度情報に基づいて設定目標出力に応じた目標回転速度を求めて、その求めた目標回転速度になるように改質用水ポンプ42を制御し、前記出力対燃焼室温度情報に基づいて設定目標出力に応じた目標燃焼室温度を求めて、燃焼温度センサTfの検出温度が求めた目標燃焼室温度になるように(即ち、改質室3の温度が設定適正温度になるように)バーナ用原燃料調節弁V2にて改質バーナ17への原燃料ガスの供給量を調節し(即ち、改質バーナ17へ追加する燃焼用燃料の供給量を調節し)、前記出力対燃焼用送風機回転速度情報に基づいて改質バーナ17への燃焼用燃料の供給量に応じた目標回転速度を求めて、その求めた目標回転速度になるように燃焼用送風機39を制御し、前記出力対選択酸化用送風機回転速度情報に基づいて設定目標出力に応じた目標回転速度を求めて、その求めた目標回転速度になるように選択酸化用送風機24を制御し、並びに、選択酸化温度センサTmの検出温度が選択酸化用設定温度(例えば、80〜150°C)になるように、冷却用送風機26の回転速度を調節する。
前記出力対燃焼用送風機回転速度情報に基づく燃焼用送風機39の回転速度の制御について、説明を加える。
燃料電池Gにおける燃料利用率は予め設定されており、目標出力及びバーナ用原燃料調節弁V2の制御情報に基づいて、改質バーナ17に供給されるオフガスと原燃料ガスとを合わせた燃焼用燃料の量を求めることができる。
従って、制御部Cは、現時点の目標出力についての改質バーナ17への燃焼用燃料の供給量(オフガスと原燃料ガスとを合わせた量)を求めて、前記出力対燃焼用送風機回転速度情報に基づいて、その求めた燃焼用燃料の供給量に応じた燃焼用送風機39の目標回転速度を求め、その求めた目標回転速度になるように燃焼用送風機39の回転速度を調節する。
燃料電池Gにおける燃料利用率は予め設定されており、目標出力及びバーナ用原燃料調節弁V2の制御情報に基づいて、改質バーナ17に供給されるオフガスと原燃料ガスとを合わせた燃焼用燃料の量を求めることができる。
従って、制御部Cは、現時点の目標出力についての改質バーナ17への燃焼用燃料の供給量(オフガスと原燃料ガスとを合わせた量)を求めて、前記出力対燃焼用送風機回転速度情報に基づいて、その求めた燃焼用燃料の供給量に応じた燃焼用送風機39の目標回転速度を求め、その求めた目標回転速度になるように燃焼用送風機39の回転速度を調節する。
次に、前記安定化処理について説明を加える。
前記制御部Cは、図6に示すフローチャートのステップ#4において、前記脱硫後原燃料通流室11と前記改質室3とを接続するガス処理流路32の圧力を検出する前記圧力センサ28の検出情報に基づいて、そのガス処理流路32における判別用設定時間内の圧力変動幅ΔPが設定変動幅ΔPsよりも大きくなると、大S/C異常であると判別して、安定化処理を実行するように構成してある。
前記制御部Cは、図6に示すフローチャートのステップ#4において、前記脱硫後原燃料通流室11と前記改質室3とを接続するガス処理流路32の圧力を検出する前記圧力センサ28の検出情報に基づいて、そのガス処理流路32における判別用設定時間内の圧力変動幅ΔPが設定変動幅ΔPsよりも大きくなると、大S/C異常であると判別して、安定化処理を実行するように構成してある。
ちなみに、S/Cが例えば3.0よりも大きくなると、大S/C異常であると判別するように構成する。そして、前記判別用設定時間及び設定変動幅ΔPsは、前述のような大S/C異常を判別することができるように、実験により設定してある。例えば、燃料電池Dの発電出力が250〜700Wの範囲で変動したときに、S/Cが正常であると、前記脱硫後原燃料通流室11と前記改質室3とを接続するガス処理流路32の圧力が1.2〜5.0kPaの範囲で変動する場合、前記判別用設定時間は、例えば1〜5秒の範囲で、例えば3秒に設定し、前記設定変動幅ΔPsは、例えば0.3kPaに設定する。
そして、前記制御部Cは、前記安定化処理においては、前記改質バーナ17の燃焼量を増大するための燃焼量増大処理を実行し、続いて、前記燃料電池Gの目標出力が同じであるときの改質用水の供給量を少なくするように修正する改質用水供給量修正処理を実行するように構成してある。
又、前記制御部Cは、前記燃焼量増大処理を実行した後に、前記変成温度センサTtの検出情報に基づいて、前記変成室4の温度が上昇したか否かを判別して、前記変成室4の温度が上昇したと判別した場合に、前記改質用水供給量修正処理を実行するように構成してある。
ちなみに、前記変成室4における上限温度tmaxを設定してあり、前記制御部Cを、前記変成温度センサTtの検出情報に基づいて、前記変成室4の温度tが設定上限温度tmaxよりも高くなると、前記変成室4の温度が上昇したと認識するように構成してある。
前記燃焼量増大処理について、説明を加えると、この第1実施形態では、前記制御部Cを、燃焼量増大処理として、前記改質バーナ17への燃焼用空気の供給量を増加させる処理を実行するように構成してある。
つまり、改質バーナ17への燃焼用空気の供給量を増加させると、燃焼室6の温度が低下して、燃焼温度センサTfの検出温度が低下するので、制御部Cにより、燃焼温度センサTfの検出温度に基づいて、燃焼室6の温度が設定目標出力に応じた目標燃焼室温度になるように、バーナ用原燃料調節弁V2にて改質バーナ17への原燃料ガスの供給量が増加調節されることになり、結果的に、前記改質バーナ17の燃焼量が増大されることになる。
つまり、改質バーナ17への燃焼用空気の供給量を増加させると、燃焼室6の温度が低下して、燃焼温度センサTfの検出温度が低下するので、制御部Cにより、燃焼温度センサTfの検出温度に基づいて、燃焼室6の温度が設定目標出力に応じた目標燃焼室温度になるように、バーナ用原燃料調節弁V2にて改質バーナ17への原燃料ガスの供給量が増加調節されることになり、結果的に、前記改質バーナ17の燃焼量が増大されることになる。
前記燃焼量増大処理について、更に説明を加えると、制御部Cを、燃焼量増大処理においては、圧力センサ28の検出情報に基づいて、判別用設定時間内の圧力変動幅ΔPが設定変動幅ΔPs以下となって大S/C異常が解消したと判別するまでの間、設定時間が経過する毎に、前記改質バーナ17への燃焼用空気の供給量を設定空気量ずつ増加させるように構成してある。
具体的には、燃焼用送風機39における回転速度と送風量との関係に基づいて、燃焼用空気の供給量を設定空気量増大させるために必要な回転速度の増大量が分かるので、この増大量を設定増大量として設定してある。
そして、制御部Cを、燃焼用送風機39の回転速度を現時点の回転速度よりも設定増大量増大させるべく調節するように構成してある。
そして、制御部Cを、燃焼用送風機39の回転速度を現時点の回転速度よりも設定増大量増大させるべく調節するように構成してある。
前記改質用水供給量修正処理について、説明を加えると、前記制御部Cを、この改質用水供給量修正処理においては、前記変成温度センサTtの検出情報に基づいて、前記変成室4の温度(具体的には、変成反応用触媒21の温度)tが設定上限温度tmax以下になるまでの間、設定時間が経過する毎に、水蒸気生成室2への改質用水の供給量を設定水量ずつ減少させるように構成してある。
具体的には、改質用水ポンプ42における回転速度と吐出水量との関係に基づいて、改質用水の供給量を設定水量減少させるために必要な回転速度の減少量が分かるので、この減少量を設定減少量として設定してある。
そして、前記制御部Cを、改質用水ポンプ42の回転速度を現時点の回転速度よりも設定減少量減少させるべく調節するように構成してある。
そして、前記制御部Cを、改質用水ポンプ42の回転速度を現時点の回転速度よりも設定減少量減少させるべく調節するように構成してある。
ちなみに、前記設定時間は、前記改質バーナ17への燃焼用空気の供給量を設定空気量増加させた後に、あるいは、水蒸気生成室2への改質用水の供給量を設定水量減少させた後に、改質室3における改質処理が安定する状態となるまでに要する時間、例えば1分間に設定してある。
以下、図7に示すフローチャートに基づいて、前記制御部Cにおける安定化処理の制御動作について説明を加える。
燃焼用空気供給量を設定空気量増加させるように、燃焼用送風機39の回転速度を設定増大量増大し(ステップ#11)、燃焼温度センサTfの検出温度に基づいて、燃焼室6の温度が設定目標出力に応じた目標燃焼室温度になるように、バーナ用原燃料調節弁V2にて改質バーナ17への原燃料ガスの供給量を増加し(ステップ#12)、その後、設定時間が経過すると(ステップ#13)、ステップ#14にて、前記圧力センサ28の検出情報に基づいて、大S/C異常が解消したか否かを判別し、大S/C異常が解消していないと判別すると、ステップ#15にて、燃焼用空気供給量を設定空気量増加させることを繰り返す燃焼用空気増加繰り返し回数が燃焼用空気増加用の設定回数N1以下か否かを判別し、このように大S/C異常が解消せず且つ燃焼用空気増加繰り返し回数が燃焼用空気増加用の設定回数N1未満の間は、設定時間が経過するのを待ちながら、燃焼用空気供給量を設定空気量ずつ増加させることを繰り返す。
燃焼用空気供給量を設定空気量増加させるように、燃焼用送風機39の回転速度を設定増大量増大し(ステップ#11)、燃焼温度センサTfの検出温度に基づいて、燃焼室6の温度が設定目標出力に応じた目標燃焼室温度になるように、バーナ用原燃料調節弁V2にて改質バーナ17への原燃料ガスの供給量を増加し(ステップ#12)、その後、設定時間が経過すると(ステップ#13)、ステップ#14にて、前記圧力センサ28の検出情報に基づいて、大S/C異常が解消したか否かを判別し、大S/C異常が解消していないと判別すると、ステップ#15にて、燃焼用空気供給量を設定空気量増加させることを繰り返す燃焼用空気増加繰り返し回数が燃焼用空気増加用の設定回数N1以下か否かを判別し、このように大S/C異常が解消せず且つ燃焼用空気増加繰り返し回数が燃焼用空気増加用の設定回数N1未満の間は、設定時間が経過するのを待ちながら、燃焼用空気供給量を設定空気量ずつ増加させることを繰り返す。
そして、燃焼用空気増加繰り返し回数が燃焼用空気増加用の設定回数N1に達しても、大S/C異常が解消していないときは(ステップ#14、#15)、判別用設定時間内の圧力変動幅ΔPが設定変動幅ΔPsよりも大きくなっている要因が、S/Cが大きい異常以外の要因であるとして、燃焼量増大処理を終了してリターンする。
ステップ#14において、圧力センサ28の検出情報に基づいて、大S/C異常が解消したと判別すると、ステップ#16において、変成温度センサTtの検出情報に基づいて、前記変成室4の温度tが設定上限温度tmaxを超えているか否かを判別して、超えていないときは、現時点の改質バーナ17への燃焼用燃料の供給量に対応する燃焼用送風機39の目標回転速度が、現時点の燃焼用送風機39の回転速度となるように、図11に示す如く、実線にて示す出力対燃焼用送風機回転速度情報を、破線にて示すように修正して(ステップ#17)、リターンする。
つまり、前記出力対燃焼用送風機回転速度情報を空気比が大きくなるように修正することになる。
つまり、前記出力対燃焼用送風機回転速度情報を空気比が大きくなるように修正することになる。
以降は、修正された出力対燃焼用送風機回転速度情報に基づいて改質バーナ17への燃焼用燃料の供給量に応じた目標回転速度を求めて、その求めた目標回転速度になるように燃焼用送風機39を制御することになるので、燃焼量増大処理が実行される前よりも、燃料電池Gの目標出力が同じであるときの改質バーナ17の燃焼量が多くなる状態で、改質バーナ17が燃焼することになる。
従って、加熱用排ガス通流室8を通流する燃焼排ガスの保有熱量が増加して、水蒸気生成室2における水蒸気生成が安定するので、改質室3における改質処理が安定化し、結果的に、燃料ガスの生成が安定することになる。
従って、加熱用排ガス通流室8を通流する燃焼排ガスの保有熱量が増加して、水蒸気生成室2における水蒸気生成が安定するので、改質室3における改質処理が安定化し、結果的に、燃料ガスの生成が安定することになる。
ステップ#16において、変成温度センサTtの検出情報に基づいて、変成室4の温度tが設定上限温度tmaxを超えていると判別すると、改質用水供給量を設定水量減少させるように、改質用水ポンプ42の回転速度を設定減少量減少し(ステップ#18)、その後、設定時間が経過すると(ステップ#19)、ステップ#20にて、変成温度センサTtの検出情報に基づいて、変成室4の温度tが設定上限温度tmax以下か否かを判別し、変成室4の温度tが設定上限温度tmax以下でないと判別すると、ステップ#21にて、改質用水供給量を設定水量減少させることを繰り返す改質用水減少繰り返し回数が改質用水減少用の設定回数N2以下か否かを判別し、このように変成室4の温度tが設定上限温度tmax以下でなく且つ改質用水減少繰り返し回数が改質用水減少用の設定回数N2未満の間は、設定時間が経過するのを待ちながら、改質用水供給量を設定水量ずつ減少させることを繰り返す。
そして、改質用水減少繰り返し回数が改質用水減少用の設定回数N2に達しても、変成室4の温度tが設定上限温度tmax以下でないときは(ステップ#20、#21)、変成室4の温度tが設定上限温度tmaxよりも高くなっている要因が、S/Cが大きい異常以外の要因であるとして、改質用水減少処理を終了してリターンする。
ステップ#20において、変成温度センサTtの検出情報に基づいて、変成室4の温度tが設定上限温度tmax以下である判別すると、現時点の燃料電池Gの目標出力に対応する改質用水ポンプ42の目標回転速度が、現時点の改質用水ポンプ42の回転速度となるように、図10に示す如く、実線にて示す出力対改質用水ポンプ回転速度情報を、破線にて示すように修正してリターンする(ステップ#22)。
以降は、修正された出力対改質用水ポンプ回転速度情報に基づいて燃料電池Gの目標出力に応じた目標回転速度を求めて、その求めた目標回転速度になるように改質用水ポンプ42を制御することになるので、運転時間の経過に拘わらず、適正なS/Cとなるように原燃料ガスと改質用水を供給して運転することが可能となる。
つまり、制御部Cを、改質用水供給量修正処理においては、前記出力対制御値情報に相当する前記出力対改質用水ポンプ回転速度情報を、燃料電池Gの目標出力が同じであるときの改質用水の供給量を少なくすべく修正するように構成してある。
以下、本発明の第2及び第3の各実施形態を説明するが、第2及び第3の各実施形態は、水蒸気/炭素比が大きい異常を判別するための構成の別の実施形態を説明するものであって、燃料電池発電装置の全体構成は、第1実施形態と同様であるので、燃料電池発電装置の全体構成の説明は省略して、主として、水蒸気/炭素比が大きい異常を判別するための構成について、説明する。
〔第2実施形態〕
図13に示すように、この第2実施形態では、上記の第1実施形態における圧力センサ28に代えて、前記水蒸気生成室2から排出された水蒸気の温度を検出する水蒸気温度センサTsを設けてある。
具体的には、この水蒸気温度センサTsは、前記水蒸気生成室2から排出された水蒸気を導く前記水蒸気流路34内を通流する水蒸気の温度を検出するように設けてある。
そして、前記制御部Cを、この水蒸気温度センサTsの検出情報に基づいて、水蒸気生成室2から排出された水蒸気の温度が設定水蒸気下限温度よりも低くなると、大S/C異常であると判別するように構成してある。
図13に示すように、この第2実施形態では、上記の第1実施形態における圧力センサ28に代えて、前記水蒸気生成室2から排出された水蒸気の温度を検出する水蒸気温度センサTsを設けてある。
具体的には、この水蒸気温度センサTsは、前記水蒸気生成室2から排出された水蒸気を導く前記水蒸気流路34内を通流する水蒸気の温度を検出するように設けてある。
そして、前記制御部Cを、この水蒸気温度センサTsの検出情報に基づいて、水蒸気生成室2から排出された水蒸気の温度が設定水蒸気下限温度よりも低くなると、大S/C異常であると判別するように構成してある。
ちなみに、水蒸気生成室2における水蒸気生成が安定している状態では、水蒸気生成室2から排出された水蒸気の温度が120°C以上であるとすると、前記設定水蒸気下限温度を例えば110°Cに設定する。
制御部Cにおける燃料電池発電装置の起動から停止に至る全体の制御動作は、図6に示すフローチャートにおいて、ステップ#4における大S/C異常を判別する動作が異なる以外は、上記の第1実施形態と同様であるので、第1実施形態と異なる点を説明する。
即ち、ステップ#4において、水蒸気温度センサTsの検出情報に基づいて、水蒸気生成室2から排出された水蒸気の温度が設定水蒸気下限温度よりも低くなると大S/C異常であると判別して、安定化処理を実行する。
即ち、ステップ#4において、水蒸気温度センサTsの検出情報に基づいて、水蒸気生成室2から排出された水蒸気の温度が設定水蒸気下限温度よりも低くなると大S/C異常であると判別して、安定化処理を実行する。
そして、上記の第1実施形態と同様に、前記制御部Cは、前記安定化処理においては、前記改質バーナ17の燃焼量を増大するための燃焼量増大処理を実行し、続いて、前記燃料電池Gの目標出力が同じであるときの改質用水の供給量を少なくするように修正する改質用水供給量修正処理を実行するように構成してある。
又、前記制御部Cは、前記燃焼量増大処理を実行した後に、前記変成温度センサTtの検出情報に基づいて、前記変成室4の温度が上昇したか否かを判別して、前記変成室4の温度が上昇したと判別した場合に、前記改質用水供給量修正処理を実行するように構成してある。
又、前記制御部Cは、前記燃焼量増大処理を実行した後に、前記変成温度センサTtの検出情報に基づいて、前記変成室4の温度が上昇したか否かを判別して、前記変成室4の温度が上昇したと判別した場合に、前記改質用水供給量修正処理を実行するように構成してある。
前記制御部Cによる前記燃焼量増大処理は、大S/C異常が解消したか否かを判別する動作が異なる以外は、上記の第1実施形態と同様であるので、第1実施形態と異なる点を説明する。
即ち、制御部Cは、水蒸気温度センサTsの検出情報に基づいて、水蒸気生成室2から排出された水蒸気の温度が設定水蒸気下限温度以上になると、大S/C異常が解消したと判別するように構成してある。
又、前記制御部Cによる前記改質用水供給量修正処理は、上記の第1実施形態と同様であるので、説明を省略する。
即ち、制御部Cは、水蒸気温度センサTsの検出情報に基づいて、水蒸気生成室2から排出された水蒸気の温度が設定水蒸気下限温度以上になると、大S/C異常が解消したと判別するように構成してある。
又、前記制御部Cによる前記改質用水供給量修正処理は、上記の第1実施形態と同様であるので、説明を省略する。
制御部Cにおける安定化処理の制御動作は、図7に示すフローチャートにおいて、ステップ#14における大S/C異常が解消したか否かを判別する動作が異なる以外は、上記の第1実施形態と同様であるので、第1実施形態と異なる点を説明する。
即ち、ステップ#14において、水蒸気温度センサTsの検出情報に基づいて、水蒸気生成室2から排出された水蒸気の温度が設定水蒸気下限温度以上になると、大S/C異常が解消したと判別する。
即ち、ステップ#14において、水蒸気温度センサTsの検出情報に基づいて、水蒸気生成室2から排出された水蒸気の温度が設定水蒸気下限温度以上になると、大S/C異常が解消したと判別する。
〔第3実施形態〕
図14に示すように、この第3実施形態では、上記の第1実施形態における圧力センサ28に代えて、前記水蒸気生成室2にて生成された水蒸気が混合された後の前記改質室3に供給される原燃料ガスの温度(以下、水蒸気混合後原燃料ガス温度と記載する場合がある)を検出する水蒸気混合後原燃料温度センサThを設けてある。
具体的には、この水蒸気混合後原燃料温度センサThは、前記水蒸気流路34からの水蒸気が混合された後の原燃料ガスを通流させる前記脱硫後原燃料通流室11内の入口部の温度を検出するように設けてある。
そして、前記制御部Cを、この水蒸気混合後原燃料温度センサThの検出情報に基づいて、水蒸気混合後原燃料ガス温度が設定水蒸気混合後下限温度よりも低くなると、大S/C異常であると判別するように構成してある。
図14に示すように、この第3実施形態では、上記の第1実施形態における圧力センサ28に代えて、前記水蒸気生成室2にて生成された水蒸気が混合された後の前記改質室3に供給される原燃料ガスの温度(以下、水蒸気混合後原燃料ガス温度と記載する場合がある)を検出する水蒸気混合後原燃料温度センサThを設けてある。
具体的には、この水蒸気混合後原燃料温度センサThは、前記水蒸気流路34からの水蒸気が混合された後の原燃料ガスを通流させる前記脱硫後原燃料通流室11内の入口部の温度を検出するように設けてある。
そして、前記制御部Cを、この水蒸気混合後原燃料温度センサThの検出情報に基づいて、水蒸気混合後原燃料ガス温度が設定水蒸気混合後下限温度よりも低くなると、大S/C異常であると判別するように構成してある。
ちなみに、S/Cが正常に維持されている状態では、水蒸気混合後原燃料ガス温度が例えば150°C以上に保たれているとすると、前記設定水蒸気混合後下限温度を例えば150°Cに設定する。
制御部Cにおける燃料電池発電装置の起動から停止に至る全体の制御動作は、図6に示すフローチャートにおいて、ステップ#4における大S/C異常を判別する動作が異なる以外は、上記の第1実施形態と同様であるので、第1実施形態と異なる点を説明する。
即ち、ステップ#4において、水蒸気混合後原燃料温度センサThの検出情報に基づいて、水蒸気混合後原燃料ガス温度が設定水蒸気混合後下限温度よりも低くなると大S/C異常であると判別して、安定化処理を実行する。
即ち、ステップ#4において、水蒸気混合後原燃料温度センサThの検出情報に基づいて、水蒸気混合後原燃料ガス温度が設定水蒸気混合後下限温度よりも低くなると大S/C異常であると判別して、安定化処理を実行する。
そして、上記の第1実施形態と同様に、前記制御部Cは、前記安定化処理においては、前記改質バーナ17の燃焼量を増大するための燃焼量増大処理を実行し、続いて、前記燃料電池Gの目標出力が同じであるときの改質用水の供給量を少なくするように修正する改質用水供給量修正処理を実行するように構成してある。
又、前記制御部Cは、前記燃焼量増大処理を実行した後に、前記変成温度センサTtの検出情報に基づいて、前記変成室4の温度が上昇したか否かを判別して、前記変成室4の温度が上昇したと判別した場合に、前記改質用水供給量修正処理を実行するように構成してある。
又、前記制御部Cは、前記燃焼量増大処理を実行した後に、前記変成温度センサTtの検出情報に基づいて、前記変成室4の温度が上昇したか否かを判別して、前記変成室4の温度が上昇したと判別した場合に、前記改質用水供給量修正処理を実行するように構成してある。
前記制御部Cによる前記燃焼量増大処理は、大S/C異常が解消したか否かを判別する動作が異なる以外は、上記の第1実施形態と同様であるので、第1実施形態と異なる点を説明する。
即ち、制御部Cは、水蒸気混合後原燃料温度センサThの検出情報に基づいて、水蒸気混合後原燃料ガス温度が設定水蒸気混合後下限温度以上になると、大S/C異常が解消したと判別するように構成してある。
又、前記制御部Cによる前記改質用水供給量修正処理は、上記の第1実施形態と同様であるので、説明を省略する。
即ち、制御部Cは、水蒸気混合後原燃料温度センサThの検出情報に基づいて、水蒸気混合後原燃料ガス温度が設定水蒸気混合後下限温度以上になると、大S/C異常が解消したと判別するように構成してある。
又、前記制御部Cによる前記改質用水供給量修正処理は、上記の第1実施形態と同様であるので、説明を省略する。
制御部Cにおける安定化処理の制御動作は、図7に示すフローチャートにおいて、ステップ#14における大S/C異常が解消したか否かを判別する動作が異なる以外は、上記の第1実施形態と同様であるので、第1実施形態と異なる点を説明する。
即ち、ステップ#14において、水蒸気混合後原燃料温度センサThの検出情報に基づいて、水蒸気混合後原燃料ガス温度が設定水蒸気混合後下限温度以上になると、大S/C異常が解消したと判別する。
即ち、ステップ#14において、水蒸気混合後原燃料温度センサThの検出情報に基づいて、水蒸気混合後原燃料ガス温度が設定水蒸気混合後下限温度以上になると、大S/C異常が解消したと判別する。
〔別実施形態〕
次に別実施形態を説明する。
(イ) 上記の各実施形態においては、前記制御部Cを、S/Cが大きい異常を判別すると、前記改質バーナ17の燃焼量を増大するための燃焼量増大処理を実行し、続いて、前記燃料電池Gの目標出力が同じであるときの改質用水の供給量を少なくするように修正する改質用水供給量修正処理を実行するように構成する場合について例示したが、前記燃焼量増大処理のみを実行するように構成しても良い。
次に別実施形態を説明する。
(イ) 上記の各実施形態においては、前記制御部Cを、S/Cが大きい異常を判別すると、前記改質バーナ17の燃焼量を増大するための燃焼量増大処理を実行し、続いて、前記燃料電池Gの目標出力が同じであるときの改質用水の供給量を少なくするように修正する改質用水供給量修正処理を実行するように構成する場合について例示したが、前記燃焼量増大処理のみを実行するように構成しても良い。
図15に示すフローチャートに基づいて、前記燃焼量増大処理のみを実行する場合の制御部Cにおける制御動作について説明する。
燃焼用空気供給量を設定空気量増加させるように、燃焼用送風機39の回転速度を設定増大量増大し(ステップ#31)、燃焼温度センサTfの検出温度に基づいて、燃焼室6の温度が設定目標出力に応じた目標燃焼室温度になるように、バーナ用原燃料調節弁V2にて改質バーナ17への原燃料ガスの供給量を増加し(ステップ#32)、その後、設定時間が経過すると(ステップ#33)、ステップ#34にて、前記圧力センサ28の検出情報に基づいて、大S/C異常が解消したか否かを判別し、大S/C異常が解消していないと判別すると、ステップ#35にて、燃焼用空気供給量を設定空気量増加させることを繰り返す燃焼用空気増加繰り返し回数が燃焼用空気増加用の設定回数N1以下か否かを判別し、このように大S/C異常が解消せず且つ燃焼用空気増加繰り返し回数が燃焼用空気増加用の設定回数N1未満の間は、設定時間が経過するのを待ちながら、燃焼用空気供給量を設定空気量ずつ増加させることを繰り返す。
そして、燃焼用空気増加繰り返し回数が燃焼用空気増加用の設定回数N1に達しても、大S/C異常が解消していないときは(ステップ#34、#35)、判別用設定時間内の圧力変動幅ΔPが設定変動幅ΔPsよりも大きくなっている要因が、S/Cが大きい異常以外の要因であるとして、燃焼量増大処理を終了してリターンする。
ステップ#34において、圧力センサ28の検出情報に基づいて、大S/C異常が解消したと判別すると、現時点の改質バーナ17への燃焼用燃料の供給量に対応する燃焼用送風機39の目標回転速度が、現時点の燃焼用送風機39の回転速度となるように、図11に示す如く、実線にて示す出力対燃焼用送風機回転速度情報を、破線にて示すように修正して(ステップ#36)、リターンする。
燃焼用空気供給量を設定空気量増加させるように、燃焼用送風機39の回転速度を設定増大量増大し(ステップ#31)、燃焼温度センサTfの検出温度に基づいて、燃焼室6の温度が設定目標出力に応じた目標燃焼室温度になるように、バーナ用原燃料調節弁V2にて改質バーナ17への原燃料ガスの供給量を増加し(ステップ#32)、その後、設定時間が経過すると(ステップ#33)、ステップ#34にて、前記圧力センサ28の検出情報に基づいて、大S/C異常が解消したか否かを判別し、大S/C異常が解消していないと判別すると、ステップ#35にて、燃焼用空気供給量を設定空気量増加させることを繰り返す燃焼用空気増加繰り返し回数が燃焼用空気増加用の設定回数N1以下か否かを判別し、このように大S/C異常が解消せず且つ燃焼用空気増加繰り返し回数が燃焼用空気増加用の設定回数N1未満の間は、設定時間が経過するのを待ちながら、燃焼用空気供給量を設定空気量ずつ増加させることを繰り返す。
そして、燃焼用空気増加繰り返し回数が燃焼用空気増加用の設定回数N1に達しても、大S/C異常が解消していないときは(ステップ#34、#35)、判別用設定時間内の圧力変動幅ΔPが設定変動幅ΔPsよりも大きくなっている要因が、S/Cが大きい異常以外の要因であるとして、燃焼量増大処理を終了してリターンする。
ステップ#34において、圧力センサ28の検出情報に基づいて、大S/C異常が解消したと判別すると、現時点の改質バーナ17への燃焼用燃料の供給量に対応する燃焼用送風機39の目標回転速度が、現時点の燃焼用送風機39の回転速度となるように、図11に示す如く、実線にて示す出力対燃焼用送風機回転速度情報を、破線にて示すように修正して(ステップ#36)、リターンする。
(ロ) 燃焼量増大処理としては、上記の各実施形態において例示した如き、前記改質バーナ17への燃焼用空気の供給量を増加させる処理に限定されるものではない。
例えば、燃料電池Gの目標出力が同じであるときの目標燃焼室温度を高くするように修正する処理、又は、改質バーナ17への燃焼用燃料の供給量を増加させる処理でもよい。
つまり、燃料電池Gの目標出力が同じであるときの目標燃焼室温度を高くすると、燃焼温度センサTfの検出温度に基づいて、燃焼室6の温度が修正した目標燃焼室温度になるように、バーナ用原燃料調節弁V2にて改質バーナ17への原燃料ガスの供給量が増加調節されることになり、結果的に、前記改質バーナ17の燃焼量が増大されることになる。
例えば、燃料電池Gの目標出力が同じであるときの目標燃焼室温度を高くするように修正する処理、又は、改質バーナ17への燃焼用燃料の供給量を増加させる処理でもよい。
つまり、燃料電池Gの目標出力が同じであるときの目標燃焼室温度を高くすると、燃焼温度センサTfの検出温度に基づいて、燃焼室6の温度が修正した目標燃焼室温度になるように、バーナ用原燃料調節弁V2にて改質バーナ17への原燃料ガスの供給量が増加調節されることになり、結果的に、前記改質バーナ17の燃焼量が増大されることになる。
(ハ) 上記の第1実施形態において、前記圧力センサ28にて前記ガス処理系流路の圧力を検出する箇所は、上記の実施形態において例示した箇所に限定されるものでなく、上記の第1実施形態において説明したガス処理系流路であればどこでも良い。
(ニ) 上記の各実施形態において、前記変成温度センサTtにて変成室4の温度を検出する箇所は、上記の実施形態において例示した箇所に限定されるものでなく、1段目から4段目の各変成室4内における各部を温度検出箇所とすることができる。
(ホ) 上記の第1実施形態における設定変動幅ΔPs及び設定上限温度tmax、上記の第2実施形態における設定水蒸気下限温度及び設定上限温度tmax、上記の第3実施形態における設定水蒸気混合後下限温度及び設定上限温度tmax夫々を、燃料電池Gの目標出力に応じて設定しても良い。
(ヘ) 上記の各実施形態においては、改質バーナ17への燃焼用燃料の供給量に応じた量の燃焼用空気を供給するための燃焼用送風機39の目標回転速度を、改質バーナ17への燃焼用燃料の供給量に応じて設定したが、燃料電池Gの目標出力に応じて設定しても良い。
つまり、燃焼室6の温度を燃料電池Gの目標出力に応じた目標燃焼室温度にするために必要とする改質バーナ17への燃焼用燃料の供給量は、予め予測することができるので、燃焼用送風機39の目標回転速度を燃料電池Gの目標出力の大きさに応じた定めることができる。
つまり、燃焼室6の温度を燃料電池Gの目標出力に応じた目標燃焼室温度にするために必要とする改質バーナ17への燃焼用燃料の供給量は、予め予測することができるので、燃焼用送風機39の目標回転速度を燃料電池Gの目標出力の大きさに応じた定めることができる。
(ト) 上記の実施形態においては、ガス処理系流路の圧力を検出する圧力センサ28、水蒸気生成室2から排出された水蒸気の温度を検出する水蒸気温度センサTs、及び、水蒸気生成室2にて生成された水蒸気が混合された後の改質室3に供給される原燃料ガスの温度を検出する水蒸気混合後原燃料温度センサThのうちのいずれか一を用いて、水蒸気/炭素比が大きい異常を判別する場合について例示したが、いずれか二つ、又は、三つ全てを用いて蒸気/炭素比が大きい異常を判別するように構成しても良い。
(チ) 炭化水素系の原燃料としては、上記の実施形態において例示した天然ガスベースの都市ガス(13A)に限定されるものではなく、プロパンガス、メタノール等のアルコール類等、種々のものを用いることができる。
1 ガス処理系流路
2 水蒸気生成部
3 改質部、ガス処理系流路
5 ガス処理系流路
7 ガス処理系流路
10 ガス処理系流路
11 ガス処理系流路
13 ガス処理系流路
15 ガス処理系流路
17 改質バーナ
27 原燃料供給ポンプ
31 ガス処理系流路
32 ガス処理系流路
33 ガス処理系流路
34 ガス処理系流路
38 ガス処理系流路
C 制御手段
G 燃料電池
P 燃料ガス生成部
2 水蒸気生成部
3 改質部、ガス処理系流路
5 ガス処理系流路
7 ガス処理系流路
10 ガス処理系流路
11 ガス処理系流路
13 ガス処理系流路
15 ガス処理系流路
17 改質バーナ
27 原燃料供給ポンプ
31 ガス処理系流路
32 ガス処理系流路
33 ガス処理系流路
34 ガス処理系流路
38 ガス処理系流路
C 制御手段
G 燃料電池
P 燃料ガス生成部
Claims (2)
- 原燃料供給ポンプにて供給される炭化水素系の原燃料と水蒸気との混合ガスを改質バーナによる加熱状態で改質反応させて水素ガスを主成分とする改質処理ガスを生成する改質部と、供給される改質用水を前記改質部を加熱した後の前記改質バーナの燃焼排ガスにより加熱して前記改質部に供給する水蒸気を生成する水蒸気生成部とを備えて、水素ガスを主成分とする燃料ガスを生成する燃料ガス生成部と、
その燃料ガス生成部にて生成された燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、
運転を制御する制御手段とが設けられ、
前記燃料電池から発電に使用された後に排出される排燃料ガスが前記改質バーナに燃焼用燃料として供給されるように構成され、
前記制御手段が、前記燃料電池の発電出力を目標出力に調節するように前記改質部への原燃料の供給量を調節し、前記燃料電池の目標出力に応じて前記水蒸気生成部への改質用水の供給量を調節し、前記改質部の温度が設定適正温度になるように前記改質バーナへ追加する燃焼用燃料の供給量を調節するように構成された燃料電池発電装置であって、
前記制御手段が、
原燃料を前記改質部に導く流路、前記水蒸気生成部から前記改質部へ水蒸気を導く流路、前記改質部にて生成された改質処理ガスを前記燃料ガス生成部を通して導いた後に燃料ガスとして前記燃料電池へ導く流路及び前記燃料電池から前記改質バーナへ排燃料ガスを導く流路を含むガス処理系流路の圧力、前記水蒸気生成部から排出された水蒸気の温度、又は、前記水蒸気生成部にて生成された水蒸気が混合された後の前記改質部に供給される原燃料の温度に基づいて、前記改質部への原燃料供給量に対する水蒸気供給量の比である水蒸気/炭素比が大きい異常を判別するように構成され、
前記水蒸気/炭素比が大きい異常を判別すると、前記改質バーナの燃焼量を増大するための燃焼量増大処理を実行するように構成されている燃料電池発電装置。 - 前記原燃料を前記改質部に導く流路に、前記原燃料を脱硫処理する脱硫室と、前記脱硫室にて脱硫処理された原燃料と前記改質処理ガスとを熱交換する脱硫後原燃料用熱交換器とが備えられ、
前記原燃料を前記改質部に導く流路の前記脱硫室と前記脱硫後原燃料用熱交換器との間の流路部位において、前記水蒸気生成部で生成された水蒸気を、前記脱硫室にて脱硫処理された原燃料に混合して前記混合ガスを生成する請求項1に記載の燃料電池発電装置。
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