JP2005150044A

JP2005150044A - 改質蒸気用水流量制御方法

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Publication number: JP2005150044A
Application number: JP2003389925A
Authority: JP
Inventors: Shunsuke Oga; 俊輔大賀
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2003-11-19
Filing date: 2003-11-19
Publication date: 2005-06-09
Anticipated expiration: 2023-11-19
Also published as: JP4466049B2

Abstract

【課題】高価でかつ誤動作を生じることがある改質蒸気用水流量計を用いることなく、改質蒸気用水供給ポンプの下流側の圧力変化または経時的な性能変化に左右されることなく、改質蒸気用水の流量を制御することができる燃料電池の改質蒸気用水流量の制御方法を提供する。
【解決手段】従来の燃料電池発電装置の改質蒸気用水流量計を取り去った上で蒸気発生器２内に温度制御点１４を設ける。制御装置１３は温度制御点１４の温度を温度測定器１９により測定し、当該温度が所定の負荷率により定めた一定の温度となるように改質蒸気用水供給ポンプ８の電圧を増減させる。この結果、高価でかつ誤動作を生じることがある改質蒸気用水流量計２５を用いることなく、改質蒸気用水供給ポンプ８の下流側の圧力変化または経時的な性能変化に左右されることなく、改質蒸気用水の流量を制御できる燃料電池６の改質蒸気用水流量の制御方法を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池発電装置の改質蒸気用水の流量を制御する改質蒸気用水流量制御方法に関し、特に、水素リッチな改質ガスを用いて発電する燃料電池と、原燃料から水素リッチな改質ガスを生成して該燃料電池へ供給する改質部と、混合された原燃料と改質蒸気用水とから水蒸気を発生させて該改質部へ供給する蒸気発生部とを備えた燃料電池発電装置の改質蒸気用水の流量を制御する改質蒸気用水流量制御方法に関する。

燃料電池は、燃料の有する化学エネルギーを機械エネルギーまたは熱エネルギーを経由することなく直接的に電気エネルギーへ変換する装置であって、高いエネルギー効率を実現することができる装置である。一般的に良く知られた燃料電池の形態として電解質を挟んで一対の電極を配置する形態がある。この形態において、一対の電極の内の一方の電極（アノード：anode）側に水素を有する燃料ガスを供給すると共に、他方の電極（カソード：cathode）側に酸素を有する酸化ガスを供給し、両極間で起きる電気化学反応を利用して起電力を得ることができる。以下に、燃料電池で起きる電気化学反応式を示す。

Ｈ_２ → ２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ （１）
（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ → Ｈ_２Ｏ（２）
Ｈ_２＋（１／２）Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ（３）

式（１）はアノード側における反応を示す反応式であり、式（２）はカソード側における反応を示す反応式であり、式（３）は燃料電池全体の全反応を示す反応式である。

燃料電池（燃料電池発電装置）は使用する電解質の種類により分類されている。燃料電池の中で、高分子電解質膜を使用する固体高分子型燃料電池または固体高分子電解質形燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell : ＰＥＦＣ）、リン酸を電解質として使用するリン酸型燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell : ＰＡＦＣ）、炭酸イオンを電荷担体とする電解質を使用する溶融炭酸塩型燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell : ＭＣＦＣ）等では、使用する電解質の性質から、二酸化炭素を含む酸化ガスまたは炭酸ガスを使用することが可能である。そこで、通常これらの燃料電池では、空気を酸化ガスとして用い、天然ガス等の炭化水素系の原燃料を水蒸気改質して生成した水素を含むガスを燃料ガスとして用いている。

このため、上述のような燃料電池を備えた燃料電池発電装置（燃料電池システム）、例えば特許文献１または２に示されるような燃料電池発電装置には、改質器と水蒸気改質反応に伴って残存する一酸化炭素の濃度を下げるための一酸化炭素変性器とが設けられている。この改質器および一酸化炭素変性器において原燃料の改質を行ない、燃料ガスを生成している。式（４）は、燃料としてメタンを用いた場合の改質器におけるメタンの改質反応（水蒸気改質反応）を示す反応式である。

ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ＋３Ｈ_２（＋206.14 KJ/mol：吸熱反応）（４）

式（４）に示されるように、メタンの改質反応は気化熱および改質熱に等しい吸熱を要する吸熱反応である。この吸熱をまかなうために、メタンに水蒸気を添加した上で、燃料電池からの燃料オフガスを燃焼させた燃焼排ガスを利用して、粒状改質触媒を６００〜７００℃に保つことにより、水素に富む（水素リッチな）改質ガスを生成している。

改質器を出た改質ガスは、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減させるために一酸化炭素変性器へ供給される。この一酸化炭素変性器で一酸化炭素濃度は１％以下に低減されるため、白金触媒の劣化を防ぐために一酸化炭素濃度を１％以下にする必要のあるリン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）であれば、このガスをＰＡＦＣ本体へと導入して発電を行なうことができる。

一方、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、高分子電解質膜の抵抗が小さいため動作温度は６０〜８０℃と低い。このため、両極の反応が迅速に進むように電極触媒として白金が使用されている。しかし改質ガス中に一酸化炭素が存在すると、この一酸化炭素による触媒被毒により活性が低下するため、一酸化炭素濃度をさらに低減させる必要がある。そこで改質ガスは一酸化炭素変性器に供給され、ここで一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ以下に低減させている。

上述のように、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は動作温度（反応温度）が低いため、反応温度が約１８０℃のリン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）と異なり、その発熱量で改質用の水蒸気を発生させることができない。このため改質系機器の中で水蒸気を発生させる必要がある。この水蒸気発生のための熱量（気化熱）は、改質器内部の余熱または改質器を出た後の燃焼排ガスとの熱交換により得ている。すなわち改質用蒸気は、改質蒸気用水を改質蒸気用水供給ポンプにより改質器内部または外部の蒸気発生部へ供給し蒸気化することによって得られている。

図４は、従来の燃料電池発電装置８０の構成の概略を示す。図４において、符号３は改質器、４は改質器から出た改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減させる一酸化炭素（ＣＯ）変性器、５はＣＯ変性器４から出た改質ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素へ変換することにより除去する一酸化炭素（ＣＯ）除去器、６は燃料電池であり図面の都合上アノード１６、カソード１７およびカソード側流路ＣＷ１８のみ示す。符号１１は空気３０を改質器３のバーナ２０へ供給する燃焼空気ブロワ、１０は原燃料３２を脱硫器１へ供給する原燃料ガスブロワ、１は原燃料ガスブロワ１０により供給された原燃料３２に含まれる硫黄分の脱硫を行なう脱硫器、７は改質蒸気用水を蓄えた改質蒸気用水タンク、８は改質蒸気用水タンク７に蓄えられた改質蒸気用水を蒸気発生器２へ供給する改質蒸気用水供給ポンプ、２は脱硫器１で脱硫された原燃料３２に混合された、改質蒸気用水供給ポンプ８により供給された改質蒸気用水から水蒸気を発生させる蒸気発生器、２５は改質蒸気用水供給ポンプ８により蒸気発生器２へ供給される改質蒸気用水の流量を測定する改質蒸気用水流量計、１３は改質蒸気用水流量計２５により測定された改質蒸気用水の流量に基づき改質蒸気用水供給ポンプ８を制御する制御装置である。制御装置１３、改質蒸気用水流量計２５および改質蒸気用水供給ポンプ８間の制御信号等は点線で示す。

次に、従来の燃料電池発電装置８０の動作を説明する。脱硫器１において硫黄分を取り除かれた原燃料３２は、改質蒸気用水供給ポンプ８により供給された改質蒸気用水と混合された後、蒸気発生器２へ供給されて気化され、改質器３へ供給される。改質器３では式（４）で示される水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスが生成される。上述のように吸熱反応をまかなうため、燃料電池６からの燃料オフガス３３がバーナ２０へ供給されて炉内２２で燃焼され、触媒層２１の温度を上げる。燃焼排ガス９は改質器３外へ排出される。

改質器３から出た改質ガスはＣＯ変性器４へ供給されて一酸化炭素反応により水素濃度が高められる。その後、一定量の空気（不図示）と共にＣＯ除去器５へ供給されて二酸化炭素へ変換する一酸化炭素選択酸化反応により、一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下に低減される。以上のように一酸化炭素濃度が低濃度になった改質ガスが燃料電池６もアノード１６へ供給される。
特開２００３−８６２１０特開平６−１７６７８７

上述した従来の燃料電池発電装置８０では、改質蒸気用水は原燃料３２の流量に対して正確な比率で供給される必要がある。改質蒸気用水が少なすぎる比率で供給された場合、水蒸気改質反応が正常に行なわれないため、改質器３の触媒層２１にカーボンが析出する等の不具合が起きてしまう。一方、改質蒸気用水が多すぎる比率で供給された場合、蒸発のためのエネルギーが余分に消費されるため、熱効率が低下するという問題があった。さらに、改質蒸気用水供給ポンプ８は、それ自体への入力電圧を一定にしても下流側の圧力変化または経時的な性能変化によって流量が変化するため、常時、流量を監視して制御する必要上、改質蒸気用水流量計２５が不可欠である。しかし、一般的に改質蒸気用水流量計２５は高価であり、改質蒸気用水流量計２５自体の誤動作により制御不良が生じることもあるという問題があった。

そこで、本発明の目的は、上記問題を解決するためになされたものであり、高価でかつ誤動作を生じることがある改質蒸気用水流量計を用いることなく、改質蒸気用水供給ポンプの下流側の圧力変化または経時的な性能変化に左右されることなく、改質蒸気用水の流量を制御することができる燃料電池の改質蒸気用水流量の制御方法を提供することにある。

この発明の改質蒸気用水流量制御方法は、水素リッチな改質ガスを用いて発電する燃料電池と、原燃料から水素リッチな改質ガスを生成して該燃料電池へ供給する改質部と、混合された原燃料と改質蒸気用水とから水蒸気を発生させて該改質部へ供給する蒸気発生部とを備えた燃料電池発電装置の改質蒸気用水の流量を制御する改質蒸気用水流量制御方法であって、前記蒸気発生部の内部で測定された温度に基づき、該蒸気発生部へ供給される改質蒸気用水の流量を制御することを特徴とする。

ここで、この発明の改質蒸気用水流量制御方法において、前記蒸気発生部は前記改質器の内部に設置されたものとすることができる。

この発明の改質蒸気用水流量制御方法は、水素リッチな改質ガスを用いて発電する燃料電池と、原燃料から水素リッチな改質ガスを生成して該燃料電池へ供給する改質部と、混合された原燃料と改質蒸気用水とから水蒸気を発生させて該改質部へ供給する該改質部内部に設置された蒸気発生部とを備えた燃料電池発電装置の改質蒸気用水の流量を制御する改質蒸気用水流量制御方法であって、前記改質器の入口で測定された温度に基づき、該蒸気発生部へ供給される改質蒸気用水の流量を制御することを特徴とする。

ここで、この発明の改質蒸気用水流量制御方法において、前記蒸気発生部へ供給される改質蒸気用水の流量の制御は、測定された温度に基づき該改質蒸気用水を供給する供給部への制御入力を増減させることにより行なうことができる。

ここで、この発明の改質蒸気用水流量制御方法において、前記蒸気発生部へ供給される改質蒸気用水の流量の制御は、該改質蒸気用水を供給する供給部の供給能力を所定の負荷率に基づいて設定しておき、測定された温度に基づき該改質蒸気用水を供給する供給部に入力される制御入力を補正することにより行なうことができる。

従来の燃料電池発電装置８０における改質蒸気用水流量計２５を取り去った上で、蒸気発生器２内に温度制御点を設ける。制御装置１３は温度制御点の温度を温度測定器により測定し、当該温度が所定の負荷率により定めた一定の温度となるように、改質蒸気用水供給ポンプ８の電圧を増減させる。この結果、高価でかつ誤動作を生じることがある改質蒸気用水流量計２５を用いることなく、改質蒸気用水供給ポンプ８の下流側の圧力変化または経時的な性能変化に左右されることなく、改質蒸気用水の流量を制御できる燃料電池６の改質蒸気用水流量の制御方法を提供することができる。

以下、各実施例について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１における燃料電池発電装置５０の構成の概要を示す。図１において、図４の従来の燃料電池発電装置８０と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。本実施例１における燃料電池発電装置５０が従来の燃料電池発電装置８０と異なる点は、図１に示されるように改質蒸気用水流量計２５を取り去った上で、蒸気発生器（蒸気発生部）２内に温度制御点１４を設けた点にある。制御装置１３は、温度制御点１４の温度を温度測定器１９により測定し、当該温度が所定の負荷率により定めた一定の温度となるように、改質蒸気用水供給ポンプ（供給部）８の電圧（制御入力）を増減させる。燃料電池発電装置５０の改質器（改質部）３周りの温度は常に負荷に応じた温度に制御されている。このため、上述のように改質蒸気用水供給ポンプ８８の電圧を増減させることにより蒸気発生器２の温度を一定に保つようにすれば、改質蒸気用水供給ポンプ８の下流側の圧力変化または経時的な性能変化に左右されることなく、改質蒸気用水の流量を制御することができる。

以上より、本発明の実施例１によれば、従来の燃料電池発電装置８０における改質蒸気用水流量計２５を取り去った上で、蒸気発生器２内に温度制御点１４を設ける。制御装置１３は温度制御点１４の温度を温度測定器１９により測定し、当該温度が所定の負荷率により定めた一定の温度となるように、改質蒸気用水供給ポンプ８の電圧を増減させることができる。この結果、高価でかつ誤動作を生じることがある改質蒸気用水流量計２５を用いることなく、改質蒸気用水供給ポンプ８の下流側の圧力変化または経時的な性能変化に左右されることなく、改質蒸気用水の流量を制御できる燃料電池６の改質蒸気用水流量の制御方法を提供することができる。

図２は、本発明の実施例２における燃料電池発電装置６０の構成の概要を示す。図２において、図１の燃料電池発電装置５０と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。本実施例１における燃料電池発電装置６０が燃料電池発電装置５０と異なる点は、図２に示されるように蒸気発生器２を改質器３の内部に設置した点にある。実施例１と同様に、制御装置１３が改質器３の内部にある温度制御点１４の温度を温度測定器１９により測定し、当該温度が所定の負荷率により定めた一定の温度となるように、改質蒸気用水供給ポンプ８の電圧を増減させることができる。このため、実施例１と同様に改質蒸気用水供給ポンプ８の下流側の圧力変化または経時的な性能変化に左右されることなく、改質蒸気用水の流量を制御することができる。

以上より、本発明の実施例２によれば、蒸気発生器２を改質器３の内部に設置し、制御装置１３が改質器３の内部にある温度制御点１４の温度を温度測定器１９により測定し、当該温度が所定の負荷率により定めた一定の温度となるように、改質蒸気用水供給ポンプ８の電圧を増減させることができる。この結果、蒸気発生器２を改質器３の内部に設置した場合であっても実施例１と同様に、高価でかつ誤動作を生じることがある改質蒸気用水流量計２５を用いることなく、改質蒸気用水供給ポンプ８の下流側の圧力変化または経時的な性能変化に左右されることなく、改質蒸気用水の流量を制御できる燃料電池６の改質蒸気用水流量の制御方法を提供することができる。

図３は、本発明の実施例３における燃料電池発電装置７０の構成の概要を示す。図３において、図２の燃料電池発電装置６０と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。本実施例３における燃料電池発電装置７０が燃料電池発電装置６０と異なる点は、図３に示されるように温度制御点１４を、蒸気発生器２の内部ではなく、改質器３の触媒層２１の入り口（改質部の入口）に設置した点にある。実施例２と同様に、制御装置１３が改質器３の触媒層２１の入口にある温度制御点１４の温度を温度測定器１９により測定し、当該温度が所定の負荷率により定めた一定の温度となるように、改質蒸気用水供給ポンプ８の電圧を増減させることができる。このため、実施例２と同様に改質蒸気用水供給ポンプ８の下流側の圧力変化または経時的な性能変化に左右されることなく、改質蒸気用水の流量を制御することができる。

以上より、本発明の実施例３によれば、温度制御点１４を改質器３の触媒層２１の入口に設置し、制御装置１３が触媒層２１の入口にある温度制御点１４の温度を温度測定器１９により測定し、当該温度が所定の負荷率により定めた一定の温度となるように、改質蒸気用水供給ポンプ８の電圧を増減させることができる。この結果、温度制御点１４を改質器３の触媒層２１の入口に設置した場合であっても実施例２と同様に、高価でかつ誤動作を生じることがある改質蒸気用水流量計２５を用いることなく、改質蒸気用水供給ポンプ８の下流側の圧力変化または経時的な性能変化に左右されることなく、改質蒸気用水の流量を制御できる燃料電池６の改質蒸気用水流量の制御方法を提供することができる。

上述の実施例１ないし３では、蒸気発生器２の内部の温度または改質器３の触媒層２１の入口の温度を、所定の負荷率により定めた一定の値となるように改質蒸気用水供給ポンプ８の電圧を増減させる方法について説明した。その他の方法として、まず改質蒸気用水供給ポンプ８の電圧を所定の負荷率により定めておく。すなわち改質蒸気用水供給ポンプ８の供給能力を所定の負荷率により定めておく。その上で、蒸気発生器２の内部の温度または改質器３の触媒層２１の入口の温度を温度測定器１９により測定しながら、当該電圧を補正する方法を用いることもできる。

本発明の活用例として、特に固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）による燃料電池発電装置への適用が挙げられる。

本発明の実施例１における燃料電池発電装置５０の構成の概要を示す図である。本発明の実施例２における燃料電池発電装置６０の構成の概要を示す図である。本発明の実施例３における燃料電池発電装置７０の構成の概要を示す図である。従来の燃料電池発電装置８０の構成の概略を示す図である。

符号の説明

１脱硫器、２蒸気発生器、３改質器、４ＣＯ変性器、５ＣＯ除去器、６燃料電池、７改質蒸気用水タンク、８改質蒸気用水供給ポンプ、９燃焼排ガス、１０原燃料ガスブロワ、１１燃焼空気ブロワ、１３制御装置、１４温度制御点、１６アノード、１７カソード、１８ＣＷ（クーリングウォーター）、１９温度測定器、２０バーナ、２１触媒層、２２炉内、２５改質蒸気用水流量計、３０空気、３３燃料オフガス、５０，６０，７０燃料電池発電装置、８０従来の燃料電池発電装置。

Claims

水素リッチな改質ガスを用いて発電する燃料電池と、原燃料から水素リッチな改質ガスを生成して該燃料電池へ供給する改質部と、混合された原燃料と改質蒸気用水とから水蒸気を発生させて該改質部へ供給する蒸気発生部とを備えた燃料電池発電装置の改質蒸気用水の流量を制御する改質蒸気用水流量制御方法であって、
前記蒸気発生部の内部で測定された温度に基づき、該蒸気発生部へ供給される改質蒸気用水の流量を制御することを特徴とする改質蒸気用水流量制御方法。
請求項１記載の改質蒸気用水流量制御方法において、前記蒸気発生部は前記改質器の内部に設置されたことを特徴とする改質蒸気用水流量制御方法。
水素リッチな改質ガスを用いて発電する燃料電池と、原燃料から水素リッチな改質ガスを生成して該燃料電池へ供給する改質部と、混合された原燃料と改質蒸気用水とから水蒸気を発生させて該改質部へ供給する該改質部内部に設置された蒸気発生部とを備えた燃料電池発電装置の改質蒸気用水の流量を制御する改質蒸気用水流量制御方法であって、
前記改質器の入口で測定された温度に基づき、該蒸気発生部へ供給される改質蒸気用水の流量を制御することを特徴とする改質蒸気用水流量制御方法。
請求項１ないし３のいずれかに記載の改質蒸気用水流量制御方法において、前記蒸気発生部へ供給される改質蒸気用水の流量の制御は、測定された温度に基づき該改質蒸気用水を供給する供給部への制御入力を増減させることにより行なうことを特徴とする改質蒸気用水流量制御方法。
請求項１ないし３のいずれかに記載の改質蒸気用水流量制御方法において、前記蒸気発生部へ供給される改質蒸気用水の流量の制御は、該改質蒸気用水を供給する供給部の供給能力を所定の負荷率に基づいて設定しておき、測定された温度に基づき該改質蒸気用水を供給する供給部に入力される制御入力を補正することにより行なうことを特徴とする改質蒸気用水流量制御方法。