JPH088108B2 - Fuel cell power plant - Google Patents
Fuel cell power plantInfo
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- JPH088108B2 JPH088108B2 JP61213898A JP21389886A JPH088108B2 JP H088108 B2 JPH088108 B2 JP H088108B2 JP 61213898 A JP61213898 A JP 61213898A JP 21389886 A JP21389886 A JP 21389886A JP H088108 B2 JPH088108 B2 JP H088108B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、燃料電池発電プラントに係り、特に、部分
負荷でも高い発電効率を有する燃料電池発電プラントに
関する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fuel cell power plant, and more particularly to a fuel cell power plant having high power generation efficiency even under partial load.
従来の燃料電池発電プラントは、特公昭58-56231号公
報に記載のように、燃料電池のアノードの未反応燃料を
改質器燃焼部へ供給し、熱回収を行う等により、定格運
転時での発電効率の向上を図つていた。A conventional fuel cell power plant, as described in Japanese Patent Publication No. 58-56231, supplies unreacted fuel from the anode of the fuel cell to the reformer combustion section, recovers heat, etc. Was trying to improve the power generation efficiency.
しかし、部分負荷時の発電効率を考慮して、プラント
の制御を行うことについては、部分負荷時の特性検討が
行われていなかったため、特別な配慮はされていなかっ
た。However, regarding the control of the plant in consideration of the power generation efficiency at the partial load, no special consideration was given to the characteristics at the partial load had not been examined.
〔発明が解決しようとする問題点〕 従来技術は、部分負荷時での発電効率向上について配
慮がなされておらず、定格運転時の発電効率向上のため
に、膨張タービン及び圧縮機を設置し、加圧の発電プラ
ントを構成していた。[Problems to be solved by the invention] The prior art does not consider generation efficiency improvement at partial load, and installs an expansion turbine and a compressor to improve power generation efficiency at rated operation. It constituted a pressurized power plant.
しかし、従来技術では、膨張タービン及び圧縮機の運
転上の制約、すなわち一定回転数で、燃料電池へ一定圧
力の空気を供給する必要があるため、膨張タービン及び
圧縮機を通過するガスの流量及び温度をほぼ一定に保つ
必要があった。そして、膨張タービンへは補助燃料を供
給していたので、部分負荷時の発電効率が低下し、部分
負荷時の補助燃料及び補助空気の流量制御が複雑になる
という問題があった。However, in the related art, the operational constraint of the expansion turbine and the compressor, that is, it is necessary to supply the air having a constant pressure to the fuel cell at a constant rotation speed, so that the flow rate of the gas passing through the expansion turbine and the compressor and It was necessary to keep the temperature almost constant. Further, since the auxiliary fuel is supplied to the expansion turbine, there is a problem that the power generation efficiency at the partial load is reduced and the flow control of the auxiliary fuel and the auxiliary air at the partial load becomes complicated.
本発明の目的は、1kg/cm2以上の高い圧力で運転され
る加圧の燃料電池発電プラントに関して、部分負荷時の
発電効率を高く維持でき、単純で簡素な燃料電池発電プ
ラントを提供することにある。An object of the present invention is to provide a pressurized fuel cell power plant operated at a high pressure of 1 kg / cm 2 or more, and a simple and simple fuel cell power plant capable of maintaining high power generation efficiency under partial load. It is in.
本発明の燃料電池発電プラントは、燃料を改質する改
質器と、空気を圧縮する圧縮機と、改質器で改質された
燃料が供給されるアノードと圧縮機で圧縮された空気が
改質器を介して供給されるカソードとを有し、燃料と空
気との反応によって発電する燃料電池と、カソード側か
ら排出された排ガスで駆動し、圧縮機と一つの軸でつな
がる膨張タービンと、を有するものである。そして、ア
ノード側から排出された排ガスを改質器に導く系統と、
空気を改質器をバイパスして改質器の出口側に導く系統
と、燃料電池が部分負荷の状態であっても膨張タービン
の入口温度を略一定とするように、燃料の流量を調整す
る制御装置と、を有することを特徴とする。The fuel cell power plant of the present invention includes a reformer for reforming fuel, a compressor for compressing air, an anode to which the fuel reformed by the reformer is supplied, and air compressed by the compressor. A fuel cell that has a cathode supplied through a reformer and that generates electricity by the reaction of fuel and air, and an expansion turbine that is driven by exhaust gas discharged from the cathode side and that is connected to a compressor by a single shaft. , With. Then, a system for guiding the exhaust gas discharged from the anode side to the reformer,
Adjust the fuel flow rate so that the inlet temperature of the expansion turbine and the system that guides air to the outlet side of the reformer by bypassing the reformer are approximately constant even when the fuel cell is under partial load. And a control device.
つまり、膨張タービンの運転条件が部分負荷の状態を
含む全運転負荷帯で略一定となるように燃料の流量を制
御する。そして、改質器の燃焼部におけるガス温度が略
一定となるよう空気の流量を制御する。したがって、余
剰の空気を改質器の燃焼部から出るガスの冷却空気とし
て使用することができる。That is, the flow rate of the fuel is controlled so that the operating conditions of the expansion turbine are substantially constant over the entire operating load range including the partial load state. Then, the flow rate of air is controlled so that the gas temperature in the combustion section of the reformer becomes substantially constant. Therefore, the excess air can be used as cooling air for the gas discharged from the combustion section of the reformer.
アノード側から排出された排ガスを改質器に導く系統
と、空気を改質器をバイパスして改質器の出口側に導く
系統と、燃料電池が部分負荷の状態であっても膨張ター
ビンの入口温度を略一定するように、燃料の流量を調整
する制御装置と、を有することにより、膨張タービンの
入口側に形成されていた補助燃焼器を設置することなし
に、全運転負荷帯で膨張タービンの運転条件を、略一定
に保つことができる。A system that guides the exhaust gas discharged from the anode side to the reformer, a system that bypasses the reformer to the outlet side of the reformer, and a system that expands the expansion turbine even if the fuel cell is in a partial load state. By having a control device that adjusts the flow rate of fuel so that the inlet temperature is substantially constant, expansion is possible in all operating load zones without installing an auxiliary combustor that was formed on the inlet side of the expansion turbine. The operating conditions of the turbine can be kept substantially constant.
また、膨張タービンの入口側のガス温度を、燃料電池
へ供給する燃料で制御することにより、燃料電池をバイ
パスして補助燃料を補助燃焼器に供給する場合に比較し
て、燃料電池へより多くの燃料を供給することができ、
アノードにおける水素分圧を高くできる。したがって、
燃料電池の電圧を増加させることができ、燃料電池発電
プラントの発電効率が向上する。Further, by controlling the gas temperature at the inlet side of the expansion turbine with the fuel supplied to the fuel cell, more fuel is supplied to the fuel cell compared to the case where the fuel cell is bypassed and the auxiliary fuel is supplied to the auxiliary combustor. Can supply the fuel of
The hydrogen partial pressure at the anode can be increased. Therefore,
The voltage of the fuel cell can be increased, and the power generation efficiency of the fuel cell power plant is improved.
また、改質器の燃焼部のガス温度が一定となるよう
に、改質器の燃焼部に供給される空気流量を制御する。
余剰の空気を改質器の燃焼部から出るガスの冷却空気と
して使用することにより、燃料電池を介して、改質器の
燃焼部に供給される未反応燃料が増加した場合であって
も、これに対応した運転が可能になる。Further, the flow rate of air supplied to the combustion section of the reformer is controlled so that the gas temperature of the combustion section of the reformer becomes constant.
By using the surplus air as cooling air for the gas emitted from the combustion section of the reformer, through the fuel cell, even when the unreacted fuel supplied to the combustion section of the reformer increases, The operation corresponding to this becomes possible.
余剰の空気を改質器の燃焼部から出るガスと混合冷却
し、燃料電池へ供給することにより、改質器の燃焼部か
ら燃料電池へ供給するガス温度を低くできるので肉厚等
を軽減できる。By mixing and cooling the surplus air with the gas discharged from the combustion section of the reformer and supplying it to the fuel cell, the temperature of the gas supplied from the combustion section of the reformer to the fuel cell can be lowered, thus reducing the wall thickness. .
燃料電池発電プラントへ供給する燃料は、改質器、燃
料電池、改質器の燃焼部を経て膨張タービンへ供給され
る。また、空気は、圧縮機、改質器の燃焼部、燃料電池
を経て膨張タービンへ供給される。これにより、燃料及
び空気の流量配分の系統並びにこれらの制御装置が不要
となり、系統構成が簡素化、単純化できる。The fuel supplied to the fuel cell power plant is supplied to the expansion turbine through the reformer, the fuel cell, and the combustion section of the reformer. Further, air is supplied to the expansion turbine via the compressor, the combustion section of the reformer, and the fuel cell. This eliminates the need for a fuel and air flow distribution system and their control devices, and simplifies the system configuration.
以下、本発明の一実施例を第1図により説明する。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.
燃料1は、約6〜10kg/cm2に加圧されて改質器4に供
給される。改質器4のない改質器反応部5では、天然ガ
ス等の燃料と、膨張タービン37の排ガスを導く排熱回収
ボイラ41により生成される蒸気3とを改質反応させるこ
とにより、燃料を水素及び一酸化炭素を主成分とするガ
スに改質する。The fuel 1 is pressurized to about 6 to 10 kg / cm 2 and supplied to the reformer 4. In the reformer reaction part 5 without the reformer 4, the fuel such as natural gas and the steam 3 generated by the exhaust heat recovery boiler 41 that guides the exhaust gas of the expansion turbine 37 are reformed to generate fuel. Reform into a gas containing hydrogen and carbon monoxide as main components.
改質された水素及び一酸化炭素を主成分とする反応ガ
ス7は、約600℃の温度で燃料電池8のアノード9に供
給される。The reformed reaction gas 7 containing hydrogen and carbon monoxide as main components is supplied to the anode 9 of the fuel cell 8 at a temperature of about 600 ° C.
燃料電池8は、燃料電池の積層体で構成される。各燃
料電池は、正極と負極とこれらの両極の間に配置された
電解質10と、正極の非電解質側に設けられたガス通路
(正極および正極ガス通路をカソード11と呼ぶ)と負極
の非電解質側に設けられたガス通路(負極及び負極ガス
通路をアノードと呼ぶ)とを含む。The fuel cell 8 is composed of a stack of fuel cells. Each fuel cell includes a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte 10 arranged between these two electrodes, a gas passage (the positive electrode and the positive electrode gas passage are referred to as cathode 11) provided on the non-electrolyte side of the positive electrode, and a non-electrolyte of the negative electrode. Gas passage provided on the side (the negative electrode and the negative electrode gas passage are referred to as an anode).
本実施例では、電解質に炭酸リチウム,炭酸カリウム
などの炭酸塩を用い、それが溶隔状態になる約550℃〜7
00℃の温度で運転する溶隔炭酸塩を用いている。In this embodiment, a carbonate such as lithium carbonate or potassium carbonate is used as the electrolyte, and it is in a melting state at about 550 ° C to 7 ° C.
It uses a fused carbonate which operates at a temperature of 00 ° C.
アノード9へ供給された反応ガス7はカソード11へ供
給される空気と炭酸ガスの混合ガス30と反応する。カソ
ード11では上記混合ガスが電子を受け取って炭酸イオン
になり電解質の中に入る。アノード9では、水素と電解
質中の炭酸イオンが反応して炭酸ガス及び水を生成し、
電子を放出する。この結果、アノードからカソードへ電
子が移動し、電流が発生する。The reaction gas 7 supplied to the anode 9 reacts with the mixed gas 30 of air and carbon dioxide gas supplied to the cathode 11. At the cathode 11, the mixed gas receives electrons and becomes carbonate ions, which enter the electrolyte. At the anode 9, hydrogen reacts with carbonate ions in the electrolyte to generate carbon dioxide gas and water,
Emits electrons. As a result, electrons move from the anode to the cathode, and a current is generated.
燃料電池8アノード排ガス12には、反応ガス7の中の
水素,一酸化炭素と、電解質中10の炭酸イオンとの反応
により生成した炭酸ガス,水および未反応の反応ガスを
含んでいる。The anode exhaust gas 12 of the fuel cell 8 contains hydrogen gas and carbon monoxide in the reaction gas 7, carbon dioxide gas generated by the reaction of carbonate ions in the electrolyte 10, water, and unreacted reaction gas.
燃料電池8,アノード排ガス12は、ガス/ガス熱交13に
て熱交換し冷却される。さらに、ガス冷却器にて冷却さ
れ、気水分離器15にて、アノード排ガス12に生成した水
を分離する。The fuel cell 8 and the anode exhaust gas 12 are heat-exchanged and cooled in the gas / gas heat exchange 13. Further, the water cooled by the gas cooler is separated by the steam separator 15 into water produced in the anode exhaust gas 12.
水分を分離したアノード排ガス17は、圧縮機18にて圧
縮され、改質器燃焼部6へ供給される。The anode exhaust gas 17 from which water has been separated is compressed by the compressor 18 and supplied to the reformer combustion section 6.
燃料1を、水蒸気3と反応させて水素および一酸化炭
素に改質する改質反応は吸熱反応であり、外部より熱を
与える必要がある。本実施例では、改質器燃焼部6へ、
燃料電池8,アノード排ガス12を供給し、ガス中に含まれ
る水素,一酸化炭素等の未反応燃料を燃焼させて反応熱
を供給している。改質器4の反応は、改質器反応部5へ
供給する燃料1と、水蒸気3の比および、反応温度が一
定となるよう、燃料流量1に比例して水蒸気3の流量を
制御し、改質器燃焼部6の燃焼温度を空気過剰率を制御
することにより行つている。The reforming reaction for reacting the fuel 1 with the steam 3 to reform it into hydrogen and carbon monoxide is an endothermic reaction, and it is necessary to give heat from the outside. In the present embodiment, to the reformer combustion section 6,
The fuel cell 8 and the anode exhaust gas 12 are supplied, and unreacted fuel such as hydrogen and carbon monoxide contained in the gas is burned to supply reaction heat. The reaction of the reformer 4 controls the flow rate of the steam 3 in proportion to the fuel flow rate 1 so that the ratio of the fuel 1 supplied to the reformer reaction section 5 to the steam 3 and the reaction temperature are constant. The combustion temperature of the reformer combustion section 6 is controlled by controlling the excess air ratio.
燃料電池8,カソード11へ供給される空気と炭酸ガスの
混合ガス30は、空気については、空気圧縮機36にて6〜
10kg/cm2に加圧され圧縮空気27として供給される。一方
炭酸ガスについては、改質器燃焼部排ガス21として供給
される。排ガス21は、燃料となるアノード排ガス20を昇
圧圧縮機18で加圧すること、燃焼用空気29を圧縮機36で
加圧することにより6〜10kg/cm2に加圧されている。The mixed gas 30 of air and carbon dioxide gas supplied to the fuel cell 8 and the cathode 11 is 6 to 6 by the air compressor 36.
It is pressurized to 10 kg / cm 2 and supplied as compressed air 27. On the other hand, carbon dioxide gas is supplied as the exhaust gas 21 of the reformer combustion section. The exhaust gas 21 is pressurized to 6 to 10 kg / cm 2 by pressurizing the anode exhaust gas 20 as fuel with the boost compressor 18 and the combustion air 29 with the compressor 36.
燃料電池8は、アノード9の反応圧力,反応温度,反
応ガス中の燃料濃度が高いほど、反応ガスの持つ熱量よ
り電気出力として取り出せる割合である発電効率が高い
ことが知られている。It is known that in the fuel cell 8, the higher the reaction pressure and reaction temperature of the anode 9 and the fuel concentration in the reaction gas, the higher the power generation efficiency, which is the ratio that can be taken out as an electrical output from the amount of heat of the reaction gas.
反応ガス温度については、電解質である溶融炭酸塩が
溶融状態を維持できる温度ということで、約550℃〜700
℃に制限される。Regarding the reaction gas temperature, the temperature at which the molten carbonate that is the electrolyte can maintain the molten state is approximately 550 ° C to 700 ° C.
Limited to ℃.
反応ガス圧力については、燃料電池の発電効率は高圧
ほど高くなるのが、日本国内では法規制上の制約より10
kg/cm2以下とするのが一般的である。Regarding the reaction gas pressure, the higher the power generation efficiency of a fuel cell, the higher it becomes.
It is generally less than kg / cm 2 .
燃料電池で反応したガスの持つ熱量のうち電気出力と
して取り出すことのできない熱量は、分極,接触抵抗等
の抵抗により熱に交換されるため、燃料電池を冷却する
必要がある。Of the heat quantity of the gas reacted in the fuel cell, the heat quantity that cannot be taken out as an electric output is exchanged for heat due to resistance such as polarization and contact resistance, so that the fuel cell needs to be cooled.
溶融炭酸塩を電解質として用いる燃料電池は、反応温
度が約550℃〜700℃と高いため、水で冷却する場合は、
冷却されるとガスと、冷却される水との温度差が大き
く、熱応力等の問題がある。燃料電池の冷却は、燃料電
池8,アノード9及びカソード11へ多量のガスを流し冷却
するのが一般的である。本実施例では、燃料電池8,カソ
ード11を通過するガスにより燃料電池を冷却している。
燃料電池8の反応温度は、カソード出口ガス33の再循環
により、カソード入口ガス温度52を制御することにより
行っている。また上記再循環系統は、カソード入口ガス
52が低温となりすぎて、燃料電池8の電解質である溶融
炭酸塩が凝固したり、過大な熱応力が発生するのを防止
している。Fuel cells that use molten carbonate as an electrolyte have a high reaction temperature of approximately 550 ° C to 700 ° C, so when cooling with water,
When cooled, the temperature difference between the gas and the cooled water is large, and there are problems such as thermal stress. In general, the fuel cell is cooled by flowing a large amount of gas to the fuel cell 8, the anode 9 and the cathode 11. In this embodiment, the fuel cell is cooled by the gas passing through the fuel cell 8 and the cathode 11.
The reaction temperature of the fuel cell 8 is controlled by controlling the cathode inlet gas temperature 52 by recirculating the cathode outlet gas 33. In addition, the above recirculation system is
This prevents the temperature of 52 from becoming too low and the molten carbonate, which is the electrolyte of the fuel cell 8, to solidify or generate excessive thermal stress.
高温で作動する燃料電池発電プラントでは、冷却用等
の圧縮機の動力が大きく、ガス圧力を高圧化して、圧縮
機通過ガスの体積流量を小さくして、プラント全体の発
電効率を高くすることが必要となる。In a fuel cell power plant that operates at high temperature, the power of the compressor for cooling is large, the gas pressure is increased, the volume flow rate of the gas passing through the compressor is reduced, and the power generation efficiency of the entire plant is increased. Will be needed.
燃料電池カソード排ガス32は、膨張タービン37にて仕
事をし、圧縮機36を駆動するとともに発電機38にて電気
出力を発生し熱回収している。The fuel cell cathode exhaust gas 32 performs work in the expansion turbine 37, drives the compressor 36, and generates an electric output in the generator 38 to recover heat.
燃料電池発電プラントは、改質器4,燃料電池8,膨張タ
ービン37が相互にバランスして有効な熱回収システムを
構成することにより、定格負荷運転時のプラント総合発
電効率約60%を達成できる。In the fuel cell power plant, the reformer 4, the fuel cell 8, and the expansion turbine 37 are mutually balanced to form an effective heat recovery system, so that a total plant power generation efficiency of about 60% at the rated load operation can be achieved. .
燃料電池8の部分負荷運転時の発電効率は、電池を流
れる電流が減少し電圧が上昇するため、発電効率は向上
するが、燃料電池発電プラントととしての発電効率は、
定格負荷運転時の総合発電効率向上のため、膨張タービ
ン37を用いた熱回収システムとしているので、部分負荷
運転時の総合発電効率が低下する。これは、膨張タービ
ン37は、高圧,高温の燃料電池カソード排ガス32を熱回
収して、圧縮機36を駆動するとともに、余剰の熱量で発
電機38を駆動し電気出力を発生しているために、発電機
は、発生電力の周波数を一定とする必要があるので、全
負荷帯で一定回転数で運転することが必要となり、発電
機38を駆動する膨張タービン37も一定回転数で運転する
ことになる。圧縮機36は、部分負荷運転時でも燃料電池
8が必要とする定格負荷運転時とほぼ同一の圧力の空気
を供給する必要があるが、圧縮機36の動力低減のため膨
張タービン37にて、圧縮機36を駆動しており、圧縮機36
は一定回転数で一定圧力の空気を供給する必要があるた
め、圧縮機36の吐出空気量37は、部分負荷運転時におい
ても圧縮機36の圧力比と流量の関係よりほぼ定格負荷運
転時と同一となる。上記膨張タービン37で発電機38を駆
動しなければ、回転数を可変として膨張タービン37,圧
縮機36の負荷を低減することができるが、発電を行わな
い分だけ発電効率が低下する。また、圧縮機36を駆動す
るタービンと発電機38を駆動するタービンを回転数制御
して、ガスタービンの負荷を減少させることも考えられ
るが、システム構成が複雑になること、現在実用化され
ている大容量ガスタービンと異なった型式のガスタービ
ンであるため、燃料電池発電プラント用として新規に開
発する必要がある。Regarding the power generation efficiency of the fuel cell 8 at the time of partial load operation, the current flowing through the cell decreases and the voltage increases, so the power generation efficiency improves, but the power generation efficiency as a fuel cell power plant is
Since the heat recovery system using the expansion turbine 37 is used to improve the total power generation efficiency during the rated load operation, the total power generation efficiency during the partial load operation is reduced. This is because the expansion turbine 37 recovers heat from the high-pressure, high-temperature fuel cell cathode exhaust gas 32, drives the compressor 36, and drives the generator 38 with an excess amount of heat to generate an electric output. Since the generator needs to keep the frequency of the generated power constant, it is necessary to operate at a constant rotation speed in all load bands, and the expansion turbine 37 that drives the generator 38 must also operate at a constant rotation speed. become. The compressor 36 needs to supply the air having almost the same pressure as the rated load operation required by the fuel cell 8 even during the partial load operation. However, in order to reduce the power of the compressor 36, the expansion turbine 37 Driving the compressor 36, the compressor 36
Since it is necessary to supply air with a constant pressure at a constant rotation speed, the discharge air amount 37 of the compressor 36 is almost the same as that at the rated load operation from the relationship between the pressure ratio and the flow rate of the compressor 36 even at the partial load operation. Will be the same. If the power generator 38 is not driven by the expansion turbine 37, the rotation speed can be varied to reduce the load on the expansion turbine 37 and the compressor 36, but the power generation efficiency will be reduced because power is not generated. It is also possible to control the rotational speed of the turbine that drives the compressor 36 and the turbine that drives the generator 38 to reduce the load on the gas turbine, but the system configuration becomes complicated, and it is currently in practical use. Since it is a different type of gas turbine from the existing large-capacity gas turbine, it needs to be newly developed for fuel cell power plants.
以上より、膨張タービン37,圧縮機36は、燃料電池発
電プラントの部分負荷運転時においても、定格負荷運転
とほぼ同一の運転を行う必要がある。From the above, it is necessary that the expansion turbine 37 and the compressor 36 perform substantially the same operation as the rated load operation even during the partial load operation of the fuel cell power plant.
一方、燃料電池8で部分負荷運転時必要とする空気流
量は、燃料電池8の冷却という点から見ると、電池電圧
が上昇し、電池冷却のために必要な熱量は減少する。第
3図及び第4図に、燃料電池8の部分負荷特性を示す。
第3図は、定格負荷運転時の燃料電池8への入熱を100
とした比率を示す。燃料電池8への供給される熱量80
は、部分負荷運転時、電池電圧が上昇し、発電効率が向
上するので、負荷の低下に比べて過剰に低下することに
なる。電池の冷却熱量82は、少なく供給された燃料で、
高い発電効率で発電するため、負荷率に比べて過剰に減
少する。第4図は、各負荷での燃料電池8への入熱を10
0として第3図を書き直したものであるが、負荷の低下
にしたがって電池の冷却熱量82は、相対的に減少するこ
とがわかる。燃料電池8の冷却は、アノード9とカソー
ド11を通過するガスによって行われるがアノードガスに
よる冷却熱量83は、燃料入熱80に比例して減少するの
で、第4図に示すとおり燃料入熱80に対する比は、一定
となる。燃料電池8へ冷却用としてカソード11へ供給す
る空気は、燃料電池8へ供給される燃料の減少分と、電
池電圧の上昇による冷却熱量の減少分に合わせて供給す
ることが必要となる。On the other hand, from the viewpoint of cooling the fuel cell 8, the air flow rate required for the fuel cell 8 during the partial load operation is such that the cell voltage rises and the amount of heat required for cooling the cell decreases. 3 and 4 show the partial load characteristics of the fuel cell 8.
Figure 3 shows the heat input to the fuel cell 8 during rated load operation.
Indicates the ratio. Heat quantity supplied to the fuel cell 8 80
In the case of partial load operation, the battery voltage rises and the power generation efficiency improves, so that the load drops excessively compared to the load drop. The cooling heat quantity 82 of the battery is less supplied fuel,
Since the power is generated with high power generation efficiency, it decreases excessively compared to the load factor. Figure 4 shows the heat input to the fuel cell 8 at each load.
Although FIG. 3 is rewritten as 0, it can be seen that the cooling heat quantity 82 of the battery relatively decreases as the load decreases. The fuel cell 8 is cooled by the gas that passes through the anode 9 and the cathode 11, but the cooling heat amount 83 by the anode gas decreases in proportion to the fuel heat input 80. Therefore, as shown in FIG. The ratio to is constant. The air supplied to the cathode 11 for cooling the fuel cell 8 needs to be supplied in accordance with the decrease in the fuel supplied to the fuel cell 8 and the decrease in the cooling heat amount due to the increase in the cell voltage.
膨張タービン37,圧縮機36はほぼ定格運転条件を維持
する必要有、余剰の空気を、補助燃料を供給昇温し、膨
張タービン37へ供給するため、燃料電池発電プラントの
発電効率は低下する。It is necessary for the expansion turbine 37 and the compressor 36 to maintain substantially the rated operating conditions, and the surplus air is supplied to the expansion turbine 37 by raising the temperature of the auxiliary fuel and supplying it to the expansion turbine 37, so the power generation efficiency of the fuel cell power generation plant decreases.
第2図に示す従来技術では、膨張タービン37入口に補
助燃焼器43を設置し、部分負荷運転時燃料電池8及び改
質器燃焼部6で余剰となる空気44で補助燃料45で燃焼
し、高温ガスとして膨張タービン37に供給することによ
り膨張タービン37をほぼ定格運転と同一の運転状態に保
つている。In the prior art shown in FIG. 2, an auxiliary combustor 43 is installed at the inlet of the expansion turbine 37, and excess air 44 in the fuel cell 8 and the reformer combustor 6 during partial load operation is combusted with the auxiliary fuel 45, By supplying the expansion turbine 37 as high-temperature gas, the expansion turbine 37 is maintained in substantially the same operating condition as the rated operation.
第1図に示す本発明の実施例では、定格運転時におい
ても部分負荷運転時においても、燃料電池の負荷信号62
と、膨張タービン入口ガス温度信号59の高値を選択して
燃料流量調整弁65,68を制御することにより、全負荷範
囲で膨張タービン入口ガス32温度が制御できるので、圧
縮機36の流量と圧力比の特性より、圧縮機吐出空気圧力
27は、ほぼ一定となる。燃料電池アノード9へは、燃料
電池8で発電するために必要な燃料に比べて、膨張ター
ビン入口ガス32温度を維持するのに必要な燃料分だけ、
従来技術に比べて相対的に過剰に供給されることにな
り、アノード9出口でのガス中の未反応燃料が増加す
る。アノード入口ガス7の燃料濃度は同一であるが、燃
料を過剰に供給しているので、アノード出口12で未反応
燃料が増加し、アノード9での燃料濃度が高くなるので
燃料電池での電圧が上昇し、発電効率は高くなる。In the embodiment of the present invention shown in FIG. 1, the load signal 62 of the fuel cell is obtained during both the rated operation and the partial load operation.
By selecting the high value of the expansion turbine inlet gas temperature signal 59 and controlling the fuel flow rate adjusting valves 65 and 68, the temperature of the expansion turbine inlet gas 32 can be controlled in the full load range, so the flow rate and pressure of the compressor 36 can be controlled. Compressor discharge air pressure from ratio characteristics
27 is almost constant. To the fuel cell anode 9, the amount of fuel required to maintain the temperature of the expansion turbine inlet gas 32 is higher than that required to generate power in the fuel cell 8,
As compared with the prior art, the fuel is supplied in a relatively excessive amount, and unreacted fuel in the gas at the outlet of the anode 9 increases. Although the fuel concentration of the anode inlet gas 7 is the same, since the fuel is excessively supplied, the unreacted fuel increases at the anode outlet 12 and the fuel concentration at the anode 9 increases, so that the voltage in the fuel cell increases. And the efficiency of power generation increases.
アノード出口12未反応燃料は、改質器燃焼部6へ供給
されるが、改質燃焼部6では、燃焼温度が一定となるよ
う空気制御弁73により空気流量が制御される。残りは、
空気バイパス弁74で、バイパス弁74入口圧力一定となる
よう制御することにより、燃焼部6をバイパスして、燃
焼部排ガス冷却器69へ供給し燃焼部排ガスを冷却する。
改質器燃焼部6への燃料は、部分負荷運転時相対的に過
剰となるが、燃焼温度が一定となるように空気流量を制
御することにより改質器反応部5の反応条件は維持でき
る。但し、燃焼部6への燃料が相対向に過剰となるの
で、燃焼部排ガス温度が上昇する。本発明では、改質器
燃焼部と一体構造の冷却器69へ燃焼電池8への反応ガス
を混合し冷却することにより、改質器出口排ガスの昇温
を防止している。The unreacted fuel from the anode outlet 12 is supplied to the reformer combustion section 6, and in the reforming combustion section 6, the air flow rate is controlled by the air control valve 73 so that the combustion temperature becomes constant. The rest,
By controlling the pressure at the inlet of the bypass valve 74 to be constant by the air bypass valve 74, the combustion section 6 is bypassed and supplied to the combustion section exhaust gas cooler 69 to cool the combustion section exhaust gas.
The fuel to the reformer combustion section 6 is relatively excessive during partial load operation, but the reaction conditions of the reformer reaction section 5 can be maintained by controlling the air flow rate so that the combustion temperature becomes constant. . However, since the fuel to the combustion section 6 is excessively opposed to each other, the exhaust gas temperature of the combustion section rises. In the present invention, the temperature rise of the exhaust gas from the reformer outlet is prevented by mixing and cooling the reaction gas for the combustion cell 8 into the cooler 69 that is integral with the reformer combustion section.
第2図に示す従来例では、燃料電池8の冷却熱量に合
わせて、反応で必要とする空気流量以上に、燃料電池カ
ソード11への供給空気流量を減少させるので、燃料電池
8の電圧を低下させるが、本発明では、全負荷範囲で、
圧縮機36の吐出空気を全量燃料電池カソード11へ供給さ
れることになるので、カソードへ供給する反応ガス中の
酸素濃度の減少による電圧低下を防止できる。In the conventional example shown in FIG. 2, the flow rate of the air supplied to the fuel cell cathode 11 is reduced more than the air flow rate required for the reaction in accordance with the cooling heat amount of the fuel cell 8, so that the voltage of the fuel cell 8 is lowered. However, in the present invention, in the entire load range,
Since the entire amount of air discharged from the compressor 36 is supplied to the fuel cell cathode 11, it is possible to prevent a voltage drop due to a decrease in oxygen concentration in the reaction gas supplied to the cathode.
本実施例によると、従来は、膨張タービン36入口に補
助燃焼器を設置し、補助燃料を供給することにより、膨
張タービン37の運転状態を定格運転とほぼ同一に保つて
いたものが、燃料電池負荷信号と膨張タービン入口ガス
温度の負荷信号の高値を選択して燃料電池へ供給する燃
料流量を制御することにより行われるので、第2図に示
す補助燃焼器71,補助燃料系統45,空気バイパス系統44が
不要で、改質器燃焼部6で通常の燃料系統を使つて膨張
タービン37,圧縮機36の運転が制御できるので、系統構
成が簡素化され、制御が単純化できる。According to the present embodiment, conventionally, an auxiliary combustor is installed at the inlet of the expansion turbine 36 and the auxiliary fuel is supplied to keep the operating condition of the expansion turbine 37 substantially the same as the rated operation. This is performed by selecting the high value of the load signal and the load signal of the expansion turbine inlet gas temperature to control the flow rate of the fuel supplied to the fuel cell. Therefore, the auxiliary combustor 71, the auxiliary fuel system 45, and the air bypass shown in FIG. Since the system 44 is unnecessary and the operation of the expansion turbine 37 and the compressor 36 can be controlled by using the normal fuel system in the reformer combustion section 6, the system configuration can be simplified and the control can be simplified.
本実施例による部分負荷運転時の発電効率の向上値
を、2万5千KW級以上の発電所をベースに説明する。The improvement value of the power generation efficiency during partial load operation according to the present embodiment will be described based on a power plant of 25,000 KW class or higher.
従来例では、燃料電池50%負荷時、定格燃焼流量の46
%に相当する燃料が、燃料1として供給される。また、
定格の16%に相当する燃料が補助燃料45として供給され
る。膨張タービンは、定格負荷運転を行っているので、
発電プラントの出力は燃料電池46%,膨張タービン8%
の計54%となる。一方燃料入熱は定格時の62%供給され
ているので、発電効率は、87%まで低下する。In the conventional example, when the fuel cell is 50% loaded, the rated combustion flow rate is 46%.
Fuel corresponding to% is supplied as fuel 1. Also,
Fuel equivalent to 16% of the rated value is supplied as auxiliary fuel 45. Since the expansion turbine is operating at rated load,
Power plant output is 46% fuel cell, 8% expansion turbine
Of 54%. On the other hand, since the fuel heat input is 62% of the rated value, the power generation efficiency drops to 87%.
本実施例では、同じく50%負荷時定格燃料の60%を燃
料電池8へ供給する。燃料電池8では、アノード9中の
燃料濃度を示す指標である水素相当濃度(一酸化炭素1m
olは、水素1mol,メタン1molは、水素4molとして換算)
が上昇し、電圧が上昇するので定格時の44%の熱量で、
定格時の50%の燃料電池電気出力を得る。余剰の16%の
熱量は、膨張タービン37へ16%供給されるので膨張ター
ビン37は、定格負荷運転を維持でき、プラント効率は、
90%程度までしか低下しない。したがって、50%負荷時
のプラント効率は、約4%相対値向上する。In this embodiment, similarly, 60% of the rated fuel at 50% load is supplied to the fuel cell 8. In the fuel cell 8, the hydrogen equivalent concentration (carbon monoxide 1 m
ol is converted to 1 mol of hydrogen and 1 mol of methane is converted to 4 mol of hydrogen)
Rises and the voltage rises, so with the amount of heat of 44% of the rated time,
Obtain the fuel cell electric output of 50% of the rated value. The surplus 16% of heat is supplied to the expansion turbine 37 by 16%, so the expansion turbine 37 can maintain the rated load operation, and the plant efficiency is
It only drops to about 90%. Therefore, the plant efficiency at 50% load is improved by about 4% relative value.
第5図は、本発明の第2の実施例を示す。この実施例
では、膨張タービン入口ガス温度32が約700℃と比較的
高温のため、約400℃の膨張タービン出口排ガス39の温
度を検出し、制御を行っている点が、第1の実施例と異
なる。膨張タービン39は、ほぼ定格運転で運転されるた
め、膨張タービン37の入口ガスと出口ガスの関係は一定
であるので、本実施例でも、膨張タービン入口ガス32温
度を制御できる。FIG. 5 shows a second embodiment of the present invention. In this embodiment, since the expansion turbine inlet gas temperature 32 is about 700 ° C., which is a relatively high temperature, the temperature of the expansion turbine outlet exhaust gas 39 at about 400 ° C. is detected and controlled. Different from Since the expansion turbine 39 is operated at a substantially rated operation, the relationship between the inlet gas and the outlet gas of the expansion turbine 37 is constant, so that the temperature of the expansion turbine inlet gas 32 can be controlled also in this embodiment.
第6図は、本発明の第3の実施例を示す。この実施例
では、燃料電池負荷信号62と膨張タービン負荷信号の高
値を選択して燃料調整弁を制御している。本実施例で
は、膨張タービン37,圧縮機36は、大気温度,大気圧力
により、仕事量が異なるため、膨張タービン負荷信号
の、大気温度,大気圧力の変化特性を、マスター制御装
置66に与えておき、設定値を可変することが必要とな
る。FIG. 6 shows a third embodiment of the present invention. In this embodiment, the high value of the fuel cell load signal 62 and the expansion turbine load signal are selected to control the fuel regulating valve. In the present embodiment, the work of the expansion turbine 37 and the compressor 36 is different depending on the atmospheric temperature and the atmospheric pressure. Therefore, the characteristics of the expansion turbine load signal for the atmospheric temperature and the atmospheric pressure are given to the master controller 66. Every time, it is necessary to change the set value.
第7図は、本発明の第4の実施例を示す。この実施例
では、膨張タービン37入口ガス温度を、燃料電池への供
給燃料1の燃料で制御するため、補助燃焼器71を用いる
場合に比べて、配管,機器の体積相当分の時間遅れがあ
るが、本実施例では、過渡的な変化に対しては、補助燃
料調整弁72にて対応し、負荷を静定させながら、補助燃
料45と燃料1を切り換えることにより、負荷変化の過渡
応答特性と部分負荷の熱効率の両方の改善を図つてい
る。FIG. 7 shows a fourth embodiment of the present invention. In this embodiment, since the temperature of the gas at the inlet of the expansion turbine 37 is controlled by the fuel of the fuel 1 supplied to the fuel cell, there is a time delay corresponding to the volume of the pipes and equipment compared to the case where the auxiliary combustor 71 is used. However, in this embodiment, the transient response characteristic of the load change is dealt with by the auxiliary fuel adjusting valve 72 for the transient change, and by switching the auxiliary fuel 45 and the fuel 1 while the load is settling. And the thermal efficiency of the partial load are both improved.
第8図は、本発明によるプラント発電効率と、従来技
術によるプラント発電効率の偏差を、燃料電池負荷率と
の関係で示したものである。FIG. 8 shows the deviation between the plant power generation efficiency according to the present invention and the plant power generation efficiency according to the prior art in relation to the fuel cell load factor.
本発明によれば、部分負荷運転時、燃料電池へは、過
剰の燃料が供給され、燃料濃度が増加するので、発電効
率は85に示すとおり向上する。一方、燃料流量が増加し
た分だけ、アノード出口ガスの冷却による熱損失が増加
し、発電効率は、87に示すとおり低下する。また、燃料
電池カソードへは、燃料電池での燃料を燃焼し、高温の
ガスが供給できるので、カソード循環フアンの動力を低
減でき、発電効率は86のとおり増加する。送電端の発電
効率としては、〔(85)+(86)−(87)=(84)〕と
なる。尚25MW級以上の規模を想定した送電端での発電効
率の試算例では、燃料電池50%負荷運転時、電圧上昇に
より3.7%,熱損失により0.4%,補機動力の低減に
より0.6%で、送電端では、3.9%(相対値)発電効率
が向上する。According to the present invention, during partial load operation, excess fuel is supplied to the fuel cell and the fuel concentration increases, so the power generation efficiency improves as shown at 85. On the other hand, as the fuel flow rate increases, the heat loss due to the cooling of the anode outlet gas increases, and the power generation efficiency decreases as indicated by 87. Further, since the fuel in the fuel cell can be burned and the high-temperature gas can be supplied to the cathode of the fuel cell, the power of the cathode circulation fan can be reduced, and the power generation efficiency increases as shown in 86. The power generation efficiency at the power transmission end is [(85) + (86) − (87) = (84)]. In addition, in a trial calculation example of power generation efficiency at the transmission end assuming a scale of 25 MW or more, when the fuel cell 50% load operation, 3.7% due to voltage increase, 0.4% due to heat loss, 0.6% due to reduction of auxiliary machine power, At the power transmission end, 3.9% (relative value) power generation efficiency is improved.
また、本発明と従来技術での補助燃料系統を組み合わ
せたシステム構成により、負荷応答特性が改善できる。Further, the load response characteristic can be improved by the system configuration in which the present invention and the conventional auxiliary fuel system are combined.
第9図に、各システムの負荷変化特性を示す。燃料電
池発電プラントでは、燃料電池,直交交換器の電気設備
は、瞬時に応答するので改質器の応答特性と燃料電池へ
の燃料供給の時間遅れが、負荷変化時の制約要因とな
る。例えば、50%から100%負荷まで負荷変化をさせた
場合、従来例では89のような負荷変化特性を示す。改質
器と燃料電池アノード間体積相当の時間遅れで遅れ、そ
の後改質器の負荷特性に合わせて燃料流量が増加し、負
荷が上昇する。本発明では、燃料電池で必要とする燃料
に対して過剰に燃料があるので、過剰燃料を利用して急
激に負荷を上昇させることができる。しかし、膨張ター
ビンの負荷は、燃料電池を経由してしか上昇できないた
め、従来例に比べても余分に時間遅れが生ずる。(90に
示す。)本発明と従来例の組み合わせにより、膨張ター
ビンは、補助燃料供給で、負荷上昇できるので、負荷変
化特性は91のように改善される。FIG. 9 shows the load change characteristics of each system. In a fuel cell power plant, the electric facilities of the fuel cell and the orthogonal switch respond instantaneously, so the response characteristics of the reformer and the time delay of fuel supply to the fuel cell are the limiting factors when the load changes. For example, when the load is changed from 50% to 100%, the conventional example shows a load change characteristic of 89. There is a delay corresponding to the volume between the reformer and the anode of the fuel cell, and then the fuel flow rate increases in accordance with the load characteristics of the reformer, and the load rises. In the present invention, since the fuel is in excess of the fuel required in the fuel cell, the load can be rapidly increased by utilizing the excess fuel. However, since the load of the expansion turbine can be increased only through the fuel cell, an extra time delay occurs compared to the conventional example. (Shown at 90.) By the combination of the present invention and the conventional example, the load of the expansion turbine can be increased by the auxiliary fuel supply, so that the load change characteristic is improved as shown at 91.
本発明によれば、膨張タービンの運転条件を略一定に
保つことができる。部分負荷時においても、燃料電池ア
ノードにおける燃料ガス濃度が増加し、電池電圧を上昇
させることができるので、プラント効率向上が図れる。According to the present invention, the operating conditions of the expansion turbine can be kept substantially constant. Even under partial load, the fuel gas concentration in the fuel cell anode increases and the cell voltage can be increased, so plant efficiency can be improved.
また、補助燃料系統、補助空気系統のバイパス系統が
削除できるので、系統構成が簡素化できる。Further, the bypass system of the auxiliary fuel system and the auxiliary air system can be deleted, so that the system configuration can be simplified.
第1図は本発明の第1の実施例、第5図は第2の実施
例、第6図は第3の実施例、第7図は第4の実施例の系
統図を、又第2図は従来の系統図を、更に又第3図及び
第4図は、燃料電池発電プラントの部分負荷特性、第8
図及び第9図は、本発明の効果をそれぞれ示すものであ
る。 1……燃料、3……蒸気、4……改質器、5……改質器
反応部、6……改質器燃焼部、7……改質ガス、8……
燃料電池、9……燃料電池アノード、11……燃料電池カ
ソード、12……アノード出口ガス、20……アノード出口
ガス、21……改質器燃焼部出口ガス、26……空気、32…
…膨張タービン入口ガス、36……圧縮機、37膨張タービ
ン、38……発電機、39……膨張タービン排ガス、54……
電池温度調整弁、56……膨張タービン入口温度計、59…
…膨張タービン入口温度信号、61……膨張タービン負荷
信号、62……燃料電池負荷信号、65……燃料調整弁、68
……燃料調整弁、73……燃焼温度調整弁、74……バイパ
ス空気流量制御弁。FIG. 1 is a first embodiment of the present invention, FIG. 5 is a second embodiment, FIG. 6 is a third embodiment, and FIG. 7 is a system diagram of a fourth embodiment. The figure is a conventional system diagram, and FIGS. 3 and 4 are partial load characteristics of a fuel cell power plant, FIG.
FIG. 9 and FIG. 9 respectively show the effects of the present invention. 1 ... Fuel, 3 ... Steam, 4 ... Reformer, 5 ... Reformer reaction part, 6 ... Reformer combustion part, 7 ... Reformed gas, 8 ...
Fuel cell, 9 ... Fuel cell anode, 11 ... Fuel cell cathode, 12 ... Anode outlet gas, 20 ... Anode outlet gas, 21 ... Reformer combustion part outlet gas, 26 ... Air, 32 ...
… Expansion turbine inlet gas, 36 …… Compressor, 37 Expansion turbine, 38 …… Generator, 39 …… Expansion turbine exhaust gas, 54 ……
Battery temperature control valve, 56 ... Expansion turbine inlet thermometer, 59 ...
… Expansion turbine inlet temperature signal, 61 …… Expansion turbine load signal, 62 …… Fuel cell load signal, 65 …… Fuel control valve, 68
…… Fuel control valve, 73 …… Combustion temperature control valve, 74 …… Bypass air flow control valve.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 横須賀 建志 東京都千代田区神田駿河台4丁目6番地 株式会社日立製作所内 (72)発明者 服部 洋市 茨城県日立市幸町3丁目2番1号 日立エ ンジニアリング株式会社内 (72)発明者 杉田 成久 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (56)参考文献 特開 昭57−212778(JP,A) 特開 昭58−133780(JP,A) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Kenshi Yokosuka Kenshi Yokosuka 4-6 Kanda Surugadai, Chiyoda-ku, Tokyo Inside Hitachi, Ltd. (72) Inventor Hiroshi Hattori 3-2-1 Sachimachi, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Hitachi Inside Engineering Co., Ltd. (72) Inventor Naruhisa Sugita 502 Kintatecho, Tsuchiura City, Ibaraki Prefecture Inside the Institute of Mechanical Research, Hiritsu Manufacturing Co., Ltd. (56) Reference JP-A-57-212778 (JP, A) JP-A-58 -133780 (JP, A)
Claims (1)
圧縮機と、前記改質器で改質された燃料が供給されるア
ノードと前記圧縮機で圧縮された空気が前記改質器を介
して供給されるカソードとを有し、前記燃料と空気との
反応によって発電する燃料電池と、前記カソード側から
排出された排ガスで駆動し、前記圧縮機と一つの軸でつ
ながる膨張タービンと、を有する燃料電池発電プラント
において、 前記アノード側から排出された排ガスを前記改質器に導
く系統と、前記空気を前記改質器をバイパスして前記改
質器の出口側に導く系統と、前記燃料電池が部分負荷の
状態であっても前記膨張タービンの入口温度を略一定と
するように、前記燃料の流量を調整する制御装置と、を
有することを特徴とする燃料電池発電プラント。1. A reformer for reforming fuel, a compressor for compressing air, an anode to which fuel reformed by the reformer is supplied, and air compressed by the compressor are the reformer. A fuel cell that has a cathode supplied through a quality device and that generates electricity by the reaction of the fuel and air, and an expansion that is driven by exhaust gas discharged from the cathode side and that is connected to the compressor by one shaft. In a fuel cell power plant having a turbine, a system that guides the exhaust gas discharged from the anode side to the reformer, and a system that guides the air to the outlet side of the reformer by bypassing the reformer. And a control device for adjusting the flow rate of the fuel so that the inlet temperature of the expansion turbine is substantially constant even when the fuel cell is in a partial load state. .
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP61213898A JPH088108B2 (en) | 1986-09-12 | 1986-09-12 | Fuel cell power plant |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP61213898A JPH088108B2 (en) | 1986-09-12 | 1986-09-12 | Fuel cell power plant |
Publications (2)
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| JPS6372072A JPS6372072A (en) | 1988-04-01 |
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Family Cites Families (2)
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| JPS58133780A (en) * | 1982-02-01 | 1983-08-09 | Hitachi Ltd | Fuel cell power plant control system |
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1986
- 1986-09-12 JP JP61213898A patent/JPH088108B2/en not_active Expired - Fee Related
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| JPS6372072A (en) | 1988-04-01 |
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