JP2001185182A

JP2001185182A - 燃料電池発電装置およびその運転方法

Info

Publication number: JP2001185182A
Application number: JP37385599A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Nakayama; 達雄中山; Tomomichi Asou; 智倫麻生; Kunihiro Ukai; 邦弘鵜飼
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 1999-12-28
Publication date: 2001-07-06

Abstract

(57)【要約】【課題】改質器と燃料電池を構成要素とする発電装置
で、発電量の切換を安定的に行う。【解決手段】原料・燃料を改質して水素を生成する改
質器と、改質器で生成した水素を燃料として発電する燃
料電池を有する燃料電池発電装置において、発電量調節
の際に原料・燃料の改質器への供給量を一定にし、燃料
電池からの余った排気ガスで改質器を加熱する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料を改質して得
た水素を用いて発電する燃料電池発電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】以下に、従来の水素発生装置を用いた燃
料電池発電システムについて図３，４を用いて説明す
る。

【０００３】図３は燃料電池発電装置の動作を示したも
のである。燃料供給手段１０から都市ガスなどの原料を
改質器２に供給し、改質器２で水蒸気改質された水素を
主成分とするガスを、燃料電池１に供給する。改質器２
には、改質反応に必要な温度まで改質触媒を昇温させる
ためのバーナ３を設置する。酸化剤として用いる空気
は、空気供給装置４から燃料電池１に供給する。バーナ
３の燃焼に必要な空気も空気供給装置４より送る。

【０００４】燃料電池１から排出された空気は、空気側
水回収器５で外気により冷却され、除湿される。得られ
た凝縮水は水タンク６に蓄える。回収した水は、燃料側
水ポンプ７により改質器２に送り、燃料改質に利用す
る。燃料電池１では、電気とともに熱が生じるために、
冷却水を送る冷却用ポンプ８と、発生した熱を外部へ放
出する冷却用放熱器９を備える。原料・燃料から水素を
含むガスに変換する改質器２内での改質反応を促進する
ため、温度が７００℃程度になるように改質器２をバー
ナ３で加熱する。この改質反応には水蒸気が必要となる
ため、燃料側水ポンプ７より水を供給する。改質器２を
出た改質ガスは、燃料電池１に送り込まれ、化学反応に
より電力を発生する。外部負荷が要求する燃料電池の発
電量の変更の際は、発電効率を高く保つために、改質器
２へ送り込む燃料の供給量を調節することで行う。

【０００５】図４は、一般家庭用途や自動車用として注
目されている高分子電解質型燃料電池の構造の概略を示
したものである。燃料電池の構成は、水素イオン伝導性
の高分子電解質膜４４を挟んだ位置に触媒層４３を配置
し、その外側に拡散層４２を配置することで、単電池と
する。この単電池の外側にセパレーター４１を配置し、
セパレーター４１が隣のセルと隔てて、単電池を積層す
る。セパレーター４１の片面には燃料ガス、もう片面に
は空気の流路となる数本の溝を形成する。

【０００６】発電の際は、燃料ガス流路を通って流れて
きた水素ガスが、触媒面で電子を放出して正電荷を持っ
た水素イオンとなり、水素イオンが高分子電解質膜を透
過して空気側に達し、空気側の触媒の表面で酸素と結合
し水になる。

【０００７】供給される改質ガスは水分を含んでおり、
セル内の流路を通る間に、水素が次第に減るため飽和水
蒸気圧以上となった時点で結露する。また空気側では水
が次々と生成されるため飽和蒸気圧以上になると結露す
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このような燃料電池を
用いた発電装置の制御は、以下の課題があった。

【０００９】（１）通常、原料ガスの供給量は、燃料電
池での発電量に応じて変化させる。このとき、改質器内
部での水素生成にともなう吸熱量も変化するため、発電
量切換の際には改質器温度が不安定になり、改質ガスの
成分が変化して燃料電池の出力が変動する。

【００１０】（２）さらに、改質温度の変化により改質
ガス中に一酸化炭素が発生し、燃料電池内部の触媒が被
毒し、燃料電池の特性が低下する。また一酸化炭素の発
生は、正常な改質反応による二酸化炭素と水素の生成よ
り反応吸熱量が大きいため、エネルギー効率が低下す
る。

【００１１】（３）燃料電池の発電量を変更するの際
は、改質器への原料・燃料供給量を切り替えるので、改
質器での化学反応を経て燃料電池へ供給される改質ガス
量は、すぐにはその変更に追随しないため、発電量を瞬
時に変更することができない。特に発電量の増加は動作
不安定になりやすく困難である。

【００１２】（４）さらに、発電量を急激に、または大
幅に増加する際、燃料電池内で、湿度を含んだ改質ガス
の増加や、発電量増加に伴って生成する水など水分量の
増加のため、結露水が発生し、セルの改質ガス流路・空
気流路の一部が水によって塞がれ、燃料電池の動作が不
安定になった。

【００１３】（５）改質器を昇温するためにはバ−ナ−
等を用いて加熱する。この燃焼において、一酸化炭素の
発生を抑えるためには、燃焼により消費される量より多
くの酸素を供給する必要である。このとき、燃焼に寄与
しない余分の供給空気によって、熱が持ち出されてロス
を生じる。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記従来の燃
料電池発電システムが有する問題点を解決することを目
的とする。すなわち、瞬時の発電量変更を安定して行う
ことが可能で、かつ高効率な燃料電池発電システムを提
供することを目的とするものである。この目的を実現す
るため本発明の燃料電池発電装置およびその運転方法
は、燃料電池を設けた発電部と、前記燃料電池の燃料極
に水素ガスを供給する水素生成部とを構成要素とする燃
料電池発電装置において、前記水素生成部は、少なくと
も炭素原子を含む原料と水とを反応させる改質触媒体を
設けた改質部と、燃料を燃焼させ前記改質触媒体を加熱
する加熱部とを具備し、前記燃料電池からの水素を含む
排気ガスを前記加熱部に供給し、前記燃料とともに燃焼
させることを特徴とする。

【００１５】このとき、燃料電池での発電量の増減調整
は、水素生成部から燃料電池に供給する水素ガスの量は
予め定めた一定値とし、前記燃料電池の燃料極での水素
の消費量の増減により行うことを特徴とする。

【００１６】また、水素生成部から燃料電池に供給する
水素ガス量の一定値は、燃料電池での発電量の予定最大
値とし、前記燃料電池での発電量が前記予定最大値より
小さいとき発生する水素を含む排気ガスを、改質触媒体
を加熱する加熱部の燃料に混合することを特徴とする。

【００１７】また、改質触媒体の温度を検出する温度検
出手段を設け、前記改質触媒体の温度に基づき前記改質
触媒体の加熱部での燃料の燃焼量を調節することを特徴
とする。

【００１８】また、改質触媒体の加熱部に供給する酸化
剤ガスの量を調節することで、前記改質触媒体の加熱部
での燃料の燃焼量を調節することを特徴とする。

【００１９】

【発明の実施の形態】上記課題を解決するため、本発明
の燃料電池発電装置およびその運転方法は、原料・燃料
をを改質して水素を生成する改質器と、前記改質器で生
成した水素を燃料として発電する燃料電池を有する燃料
電池発電装置において、発電量調節の際に原料燃料の改
質器への供給量を一定に制御するものである。発電量を
変更する場合にも原料燃料の供給量を変更することなく
一定に保てば、改質器での水素生成の反応熱量が一定な
ので、改質器温度が安定する。その結果、一酸化炭素の
発生を防止し、燃料電池を安定に動作させるとともに触
媒被毒を防止できる。また発電量の変更は電気的な変更
のみで済むので、発電量の増減とも安定に切り替えるこ
とができ、かつ瞬時に行うことができる。

【００２０】また、発電で消費されずに燃料電池から排
出される改質ガスをバーナに送る流路を設け、改質器の
昇温に用い、原料・燃焼のバーナへの供給量を少なくす
るものである。改質器に供給する原料燃料を最大発電量
の場合に必要な量に常に保つと、発電量を少なくして運
転した時に、エネルギー効率が低くなるが、燃料電池か
ら排出された改質ガスを改質器昇温のための燃焼に用い
ることにより、エネルギー効率を向上させることができ
る。

【００２１】また、改質器温度を検出する温度検出手段
と、前記温度検出手段によって測定された温度に基づい
て燃焼用減原料・燃料の必要量を求める燃焼用原料・燃
料必要量推定手段とを設け、燃焼用原料・燃料必要量推
定手段の情報によって燃焼用原料・燃焼のバーナへの供
給量を調節する燃焼用原料・燃料流量調節手段を設ける
ものである。ガス流量切換の際、流量の変動により改質
器の温度が不安定になる恐れがあるが、温度を検出しな
がら燃焼用原料・燃料ガスを供給することにより、これ
を避けることができる。

【００２２】また、発電量に応じて燃焼用空気のバーナ
への供給量を調節するものである。原料・燃料としては
都市ガス（メタン）やメタノールが用いられる。これら
の燃焼によって水と二酸化炭素が生成するが、燃焼にお
ける化学反応に最低限必要な量の酸素が供給されたので
は、一酸化炭素が生成してしまうため、一般にバーナの
燃焼の際には余分の酸素を供給することが必要となる
が、水素の燃焼の際には一酸化炭素は発生せず、完全燃
焼のために必要な酸素供給料が少なくて済む。バーナの
燃焼のために供給する空気量をバーナに供給される改質
ガス推定量と燃焼用に供給される原料燃料ガス流量から
求め、必要最小限の空気を供給する。これにより、一酸
化炭素を発生させず、かつ余分の空気の排出にともなう
熱のロスを最小限に抑えることができる。

【００２３】以下に、本発明の実施の形態を図面を参照
して説明する。

【００２４】（実施の形態１）図１は、本発明の一実施
の形態である燃料電池発電装置を示す構成図である。構
成と動作を図に従って説明する。原料ガスは原料供給装
置１０から改質器２に送り、ここで水蒸気改質する。改
質器２内部では、原料ガスと燃料側水ポンプ７から送り
込まれる水を混合し、改質触媒体で水蒸気改質を行う。
改質器２には、改質触媒体を改質反応に必要な温度まで
昇温させるバーナ３を設置し、燃料を燃焼させることで
加熱する。この改質反応より得られる水素を含む改質ガ
スを燃料電池１の燃料極に供給する。

【００２５】燃料電池１では、水素を含む改質ガスと空
気とを用いて発電を行う。また、酸化剤の空気は、空気
供給装置４から供給する。燃料電池１から排出された空
気は、空気側水回収器５で外気により冷却され、凝縮水
を発生する。得られた凝縮水は水タンク６で蓄える。回
収した水は、燃料側水ポンプ７により改質器２に送り、
燃料改質に利用する。燃料電池１では電気とともに熱が
生じるために、冷却水を送る冷却用ポンプ８と、発生し
た熱を外部へ放出する冷却用放熱器９を設置する。ま
た、燃料電池１には、出力電流を計測する電流計３０を
設置する。原料流路には、原料の流量制御を行う原料流
量制御弁３２を設置する。

【００２６】通常、燃料電池は発電時に水素をすべて消
費することができないため、発電量が最大の時でも供給
水素の１０％〜３０％を燃料極より排出する。本発明の
装置は、この発電に使われず余った水素を含む燃料極か
らの排気ガスをバーナ３へ送り、燃焼させて改質器の昇
温に用いる。この燃料電池１で消費される水素量は、燃
料電池１から出力される電流値に比例する。そこで、改
質器２に供給される原料燃料の量と電流計３０の測定値
にもとづいて、制御手段２１で燃料電池で消費される水
素量をもとめることができる。また、この燃料電池燃料
極からの排気ガスをバーナ３に送って燃焼させる際に、
温度検出手段５１により改質器の温度を検出し、その値
に応じて制御手段２１によって燃料のバーナ３への供給
量を決定し、燃焼用原料・燃料流量制御弁３２によって
供給する。その量に対応して、バーナーでの燃料の燃焼
量を調節する。この様に、燃料電池の発電後の水素を含
む排気ガスを改質器加熱に用いることで、バーナーでの
燃料消費量を削減することができる。

【００２７】なお、本実施の形態例では、バーナ３へ供
給される改質ガス量を、制御手段２１によって電流計３
０で測定された値から求めているが、バーナへの供給量
を流量計で測定しても同様の効果が得られる。

【００２８】以上に示した装置において、燃料電池燃料
極からの水素を含む排気ガスを加熱部のバーナーにもど
し燃料とともに燃焼させた場合、排気ガス中の水素の燃
焼量に対応し、加熱に用いる燃料を低減できることを確
認した。

【００２９】（実施の形態２）本実施の形態は、図１に
示した装置を用い、燃料電池への水素供給量を発電量に
よらず一定とするものである。

【００３０】一般的に、燃料電池で発電量を変化させる
場合、水素供給部から供給する水素量を変化させる。し
かし、供給する水素量を変化させた場合、水素供給部改
質器の温度も変化しやすくなり、原料と水との改質反応
が不安定となり、燃料電池への水素供給量が不安定とな
る。そこで本実施の形態では、燃料電池での発電量によ
らず、水素生成部から燃料電池への水素ガス供給量は一
定にすることとした。このことにより、改質器２の温度
をより安定に保ち、燃料電池の安定な運転が可能とす
る。

【００３１】なお、燃料電池での発電量を減少させた場
合、燃料電池燃料極での水素消費量も減少する。従っ
て、加熱部への燃料電池の発電後の水素を含む排気ガス
量は増加するため、加熱部での燃料の燃焼量を減少させ
る対応をする。これにより、水素生成部での燃料消費を
抑えることに対応する。また、改質器に改質触媒体の温
度を測定する温度検出手段５１を設け、その温度に基づ
き、バーナーでの燃焼量を調整することで、より改質器
は安定して運転することができる。なお、温度検出手段
の測定温度に下限および上限値を設けその温度範囲に入
るように、燃焼量を調整することが望ましい。温度の上
限および下限値は改質器の改質触媒体の種類によって適
時決めることができる。

【００３２】（実施の形態３）図２は、本実施の形態の
装置の構成を示した図である。本実施の形態の装置の特
徴は、制御手段２４で、バーナ２に供給される水素と原
料燃料の量から一酸化炭素発生を抑制しながら燃焼する
ために必要な燃焼空気量も推定し、この量を燃焼空気供
給弁３３によって供給することである。

【００３３】燃料電池燃料極からの水素を含む排気ガス
を加熱バーナーで燃焼させた場合、通常の化石燃料を燃
焼させる場合と比較して、一酸化炭素を排出する不完全
燃焼を起こす確立は低くなる。そのため、燃焼のために
供給する空気量を化石燃料のみの燃焼の場合より少なく
することができ、燃焼後に排出されるガスにより持ち去
られる熱量を最小限にすることができ、エネルギー効率
の高い運転が可能とする。

【００３４】以上に示した装置において、燃料電池での
発電量によらず、水素生成部から燃料電池への水素ガス
供給量は一定にし、燃料電池燃料極からの排気ガスを加
熱バーナーにもどし、改質器への加熱量は加熱部での燃
料の燃焼量で対応させた。この場合改質器の温度にはは
なんら変化無く、水素ガス供給量を変化させ発電量を変
化させる場合と比較して発電部燃料電池は安定して発電
することを確認した。

【００３５】

【発明の効果】以上から明らかなように、本発明の装置
は、原料を改質して水素を生成する改質器と、改質器で
生成した水素を燃料として発電する燃料電池を有する燃
料電池発電装置において、発電量調節の際に原料燃料の
改質器への供給量を一定に制御するものであり、これに
よれば、発電量の増減を瞬時に行うことができ、かつ発
電量変更時にも改質器の温度が安定するため一酸化炭素
発生を抑えることができるので、燃料電池の安定な運転
と触媒の被毒の低減ができる。

【００３６】さらに発電で消費されずに燃料電池から排
出される改質ガスを改質器昇温用のバーナに送る流路を
設け、排出される改質ガスを改質器の昇温に利用すると
ともに、原料のバーナーへの供給量を減少させるもので
あり、これによれば、燃料電池発電装置を高効率に運転
することが可能になる。

【００３７】また、改質器温度を検出する温度検出手段
と、前記温度検出手段によって測定された温度に基づい
て燃焼に必要な原料燃料の量を求める燃焼用原料燃料必
要量推定手段と、燃焼用原料・燃料必要量推定手段の情
報によって燃焼用原料燃料の量を調節する原料燃料ガス
流量調節手段を設けるものであり、これによれば、燃焼
用原料・燃料供給料切換の際も、改質器の温度を安定に
保つことができる。

【００３８】また、発電量に応じて燃焼用空気のバーナ
への供給を調節するものである。これにより、余分な空
気の熱持ち出しによる熱ロスを低減することができ、効
率を高めることができる。また、燃焼器燃料流量制御手
段によって改質温度を調整することが可能となり、改質
ガスの組成を保つことが可能となり、高い発電効率が得
られる。さらに、発電量に応じて、燃焼空気量を調節す
ることにより、発電量切換が瞬時に安定して行うことが
でき、かつ高効率な燃料電池発電装置を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態である燃料電池発電装
置の構成を示した概略図

【図２】本発明の第２の実施形態である燃料電池発電装
置の構成を示した概略図

【図３】従来の燃料電池発電装置の構成を示した概略図

【図４】高分子電解質型燃料電池の構成を示した概略図

【符号の説明】

１燃料電池２改質器３バーナー４空気供給装置５空気側水回収６水タンク７燃料側水ポンプ８冷却用ポンプ９冷却用放熱１０燃料供給装置２１，２４，２５制御手段３０電流計３２燃焼用原料・燃料流量制御弁３３燃焼用空気流量制御弁５１温度検出手段４１セパレータ４２拡散層４３触媒層４４高分子電解質膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鵜飼邦弘大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 5H027 AA02 BA01 BA09 CC06 KK42 MM13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料電池を設けた発電部と、前記燃料電
池の燃料極に水素ガスを供給する水素生成部とを構成要
素とする燃料電池発電装置において、前記水素生成部
は、少なくとも炭素原子を含む原料と水とを反応させる
改質触媒体を設けた改質部と、燃料を燃焼させ前記改質
触媒体を加熱する加熱部とを具備し、前記燃料電池から
の水素を含む排気ガスを前記加熱部に供給し、前記燃料
とともに燃焼させることを特徴とする燃料電池発電装
置。
【請求項２】燃料電池での発電量の増減調整は、水素
生成部から燃料電池に供給する水素ガスの量は予め定め
た一定値とし、前記燃料電池の燃料極での水素の消費量
の増減により行うことを特徴とする請求項１記載の燃料
電池発電装置の運転方法。
【請求項３】水素生成部から燃料電池に供給する水素
ガス量の一定値は、燃料電池での発電量の予定最大値と
し、前記燃料電池での発電量が前記予定最大値より小さ
いとき発生する水素を含む排気ガスを、改質触媒体を加
熱する加熱部の燃料に混合することを特徴とする請求項
２記載の燃料電池発電装置の運転方法。
【請求項４】改質触媒体の温度を検出する温度検出手
段を設け、前記改質触媒体の温度に基づき前記改質触媒
体の加熱部での燃料の燃焼量を調節することを特徴とす
る請求項２または３に記載の燃料電池発電装置の運転方
法。
【請求項５】改質触媒体の加熱部に供給する酸化剤ガ
スの量を調節することで、前記改質触媒体の加熱部での
燃料の燃焼量を調節することを特徴とする請求項２また
は３に記載の燃料電池発電装置の運転方法。