JP2005158466A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 水素リッチな改質ガスの生成の開始時であっても、改質器の燃焼部の良好な燃焼状態を持続させることのできる燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】 原燃料と水とから水素リッチな改質ガスを生成する改質部１及びこの改質部１に熱を供給する燃焼部２を有する改質器３と、改質器３で生成された改質ガスを燃料として発電する燃料電池４とを具備して形成され、燃焼部２に燃焼用燃料と燃料電池４から排出される未利用排ガスを供給して燃焼させるようにした燃料電池発電システムにおいて、水素リッチな改質ガスの生成の開始時に、改質器３に供給する原燃料を徐々に増加させる原燃料流量調整手段５０を備えた燃料電池発電システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、原燃料を改質して得られる水素リッチな改質ガスを用いて発電を行なう燃料電池発電システムに関するものである。

近年、発電機として、発電効率が高い上に、ＮＯｘやＳＯｘ等の大気汚染物質の排出が少なく、騒音も少ないという特徴を有する燃料電池が注目を集めており、特に定置式の分散電源としては一部において実用化が図られている。

特に、燃料電池として高分子固体電解質型燃料電池を用い、メタンを主成分とする都市ガスやプロパンを改質器で改質して得られる水素リッチな改質ガスを燃料電池に供給して、発電を行うようにした家庭用燃料電池システムが、注目を集めている。

ここで、メタンやプロパン等の原燃料を改質して水素リッチな改質ガスを生成させるには、５００〜８００℃程度の高温を必要とする。そこで改質ガスを生成する改質器は、原燃料を改質反応によって水素リッチな改質ガスに改質する改質部と、改質部を高温にするための熱を供給する燃焼部から形成されている。この燃焼部には燃焼用燃料が供給されており、この燃焼用燃料を燃焼させることによって発熱させるようになっている。また改質器の改質部から燃料電池に供給される改質ガスは、１００％が発電に消費されることはないので、燃料電池の発電に利用されなかった未利用排ガスを燃焼部に供給して再利用し、この未利用排ガスを燃焼部で燃焼させることによっても発熱させるようになっている。

そして、燃料電池発電システムには家電製品などの負荷を接続して使用されるが、負荷変動に応じて燃料電池の発電出力も変化する。このために、出力に応じて燃料電池に供給される改質ガスの流量を調整するようにしており、改質ガスの流量を調整するために、改質器の改質部への原燃料の供給流量を調整し、このとき同時に、改質器の改質部への原燃料の供給流量の変動に応じて燃焼部による発熱も調整する必要があるので、燃焼部への燃料の供給量も調整するようにしているのが一般的である。またこのように負荷変動に応じて発電出力が変化すると、燃料電池による改質ガスの利用率が変化するので、燃料電池から排出される未利用排ガス中の水素濃度等が変動し、改質器の燃焼部に供給されて燃焼される未利用排ガスの熱量も変動する。

改質器の改質部において改質反応を効率良くおこなわせるためには、所定の温度で改質部を加熱する必要があり、この温度より低くても高くても、改質反応の効率は低下する。従って、特開２０００−６７８９２号公報に示される如く、改質器に供給される原燃料の流量に応じて燃焼部によって改質部を一定の温度で加熱するために、燃焼部に供給される燃焼用燃料と燃料電池からの未利用排ガスの合計の燃焼熱量が改質部に供給される原燃料の流量の変動に対応するように調整するようにしてある。

この調整は、燃焼部に燃焼温度を検知する燃焼部温度検知器を設け、未利用排ガスの流量が変動しても、燃焼部の燃焼温度が略一定温度になるように、燃焼用燃料の供給流量を制御することで、調整している。

ところが、この燃料電池発電システムの起動時には、まず、燃焼部に燃焼用燃料を供給して燃焼させ、改質器の改質部の温度が所定の温度になった後、改質器に原燃料を供給して、水素リッチな改質ガスの生成を開始させる。この水素リッチな改質ガスの生成は、定常的に安定な生成が可能になるまでに、所定時間が必要であるので、その間は、燃料電池発電システムから外部の負荷への電力供給はできず、生成した改質ガスは、全て、未利用排ガスとして燃焼部へ供給されることになる。そのため、水素リッチな改質ガスの生成の開始時には、生成した改質ガスの全てが未利用排ガスとして、急激に、燃焼部へ供給されるため、燃焼用燃料の供給流量の制御が追随できず、燃焼部の燃焼温度を略一定に保つことが困難となる場合があり、また、逆火等の問題が生じる場合もあるため、更なる解決が望まれている。
特開２０００−６７８９２号公報

本発明は、上記背景技術に鑑みて発明されたものであり、その課題は、水素リッチな改質ガスの生成の開始時であっても、改質器の燃焼部の良好な燃焼状態を持続させることのできる燃料電池発電システムを提供することである。

上記課題を解決するために、本発明は、原燃料と水から水素リッチな改質ガスを生成する改質部及びこの改質部に熱を供給する燃焼部を有する改質器と、改質器で生成された改質ガスを燃料として発電する燃料電池とを具備して形成され、燃焼部に燃焼用燃料と燃料電池から排出される未利用排ガスを供給して燃焼させるようにした燃料電池発電システムにおいて、水素リッチな改質ガスの生成の開始時に、改質器に供給する原燃料を徐々に増加させる原燃料流量調整手段を備えるものである。

本発明の燃料電池発電システムにおいては、水素リッチな改質ガスの生成の開始時に、改質器に供給する原燃料を徐々に増加させる原燃料流量調整手段を備えているので、水素リッチな改質ガスの生成の開始時であっても、改質器の燃焼部に、未利用排ガスとして供給される改質ガスが、徐々に供給されることとなるので、燃焼部の燃焼温度を所定の温度に保つための燃焼用燃料の供給流量の制御が容易となり、その結果、良好な燃焼状態を持続させることが可能となる。

図１は、本発明の実施形態の一例を示すものであり、改質器３は改質部１と燃焼部２とから形成してある。燃焼部２はバーナ等を具備して形成されるものであり、改質部１はこの燃焼部２を囲むようにドーナツ状に形成してある。改質部１には原燃料供給配管１０が接続してあり、この原燃料供給配管１０には原燃料流量調整バルブ１２が設けてある。原燃料供給配管１０には原燃料流量調整バルブ１２よりも改質部１側の位置で水供給配管１１が接続してあり、水供給配管１１には水ポンプ１３が設けてある。また、燃焼部２には燃焼用燃料供給配管１４が接続してあり、燃焼用燃料供給配管１４には燃焼用燃料流量調整バルブ１５が設けてある。燃焼用燃料供給配管１４には燃焼用燃料流量調整バルブ１５よりも改質部１側の位置で空気供給配管１６が接続してあり、空気供給配管１６にはエアーファン１７が設けてある。さらに、改質器３の改質部１と燃料電池４との間には改質ガス供給配管１８が接続してあり、燃焼用燃料流量調整バルブ１５よりも改質部１側の位置で燃焼用燃料供給配管１４と燃料電池４の間に未利用ガス供給配管１９が接続してある。また、燃焼部２には、燃焼温度を検知するための燃焼温度検知器３０が、改質部１には、改質温度を検知するための改質温度検知器３１が設けてある。そして、原燃料流量調整バルブ１２、水ポンプ１３、改質温度検知器３１には、改質部制御装置５１が電気的に接続してあり、燃焼用燃料流量調整バルブ１５、エアーファン１７、燃焼温度検知器３０には、燃焼部制御装置４１が電気的に接続してある。

上記のように形成される燃料電池発電システムにあって、原燃料としてはメタンを主成分とする都市ガス、プロパン、ブタン、灯油等の炭化水素燃料や、メタノール、エタノール等のアルコール系燃料を用いることができるが、一般に市販されていて入手が容易なプロパンや各家庭に供給されている都市ガスを使用するのが好ましい。そしてこの原燃料は原燃料供給配管１０を通じて改質器３の改質部１に供給されるものであり、この時、水ポンプ１３によって水供給配管１１から水が改質部１に供給されるようになっている。原燃料と水との供給量は、例えば、原燃料がプロパンの場合、水蒸気となった水と原燃料中のカーボンとの比が、Ｓ／Ｃ＝３．０〜４．０となるように調整している。

改質器３の改質部１では、原燃料と水蒸気になった水を改質触媒を用いて水蒸気改質反応させ、水素に富む改質ガスを生成させるものである。この改質触媒としては、担体に金属を担持させたものを用いることができるものであり、担持金属としては、ルテニウム、ロジウム、ニッケル等が挙げられる。これらのなかでも、ルテニウム又はロジウムのうち少なくとも１つの担持金属を担持した改質触媒は、ニッケル等の担持金属を担持した改質触媒に比較して触媒活性が高くなるので、改質器３を小型化することが容易になる点で好ましい。さらにルテニウム又はロジウムを担持した改質触媒を用いた改質器３は、小型で長時間改質触媒の機能を維持できる点で好ましい。上記の担持金属を担持する担体としては、ジルコニアやアルミナが適しているが、他にシリカゲル、活性アルミナ、チタニア、コージェライト、ゼオライト、モルデナイト、シリカゲル、活性炭等を用いることもできる。

例えば、原燃料としてプロパンを用いて改質器３の改質部１で改質すると、約６０〜７０％の水素と、約５〜１０％のメタンと、約１０〜２０％の二酸化ガス及び１％以下の一酸化炭素を含む水素リッチな改質ガスが生成される。このように生成された改質ガスは、改質ガス供給管１８を通じて燃料電池４に供給される。燃料電池４に改質ガスが供給されると、改質ガス中の水素と空気中の酸素の電気化学的反応によって、発電が行なわれる。燃料電池４において発電に利用できる水素は、最大でも改質ガス中の水素の７５％程度であり、残りの２５％の水素及びメタン等は未利用のまま燃料電池４からは未利用排ガスとして排出される。

上記のように改質器３の改質部１で改質反応を行なわせるには６００℃以上の高温の改質温度が必要であり、また改質反応は吸熱反応であるので、改質反応を効率良く行わせるには反応量に応じた熱量が必要となる。そこで改質器３の燃焼部２に燃焼用燃料供給配管１４を通じて燃焼用燃料を供給し、また同時にエアーファン１７を作動させて空気供給配管１６から燃焼部２に空気を供給し、燃焼用燃料を燃焼部２で燃焼させて改質部１を加熱するようにしてある。この燃焼用燃料としては、上記の原燃料として例示したものを用いることができる。また上記のように燃料電池４から排出される未利用排ガスには未利用の水素やプロパンなどの可燃成分が含まれているので、この未利用排ガスを未利用排ガス供給配管１９から燃焼用燃料供給配管１４を通じて燃焼部２に供給し、燃焼部２で燃焼させるようにしてある。このように、燃焼用燃料と未利用排ガスを燃焼部２で燃焼させることによって、改質反応に必要な高温を作り維持すると共に、吸熱反応に必要な熱を生成するようにしてある。

ここで、燃焼部２で、安定した所定の燃焼を行わせるために、燃焼部温度検知器３０の温度が所定の燃焼部温度になるように、燃焼用燃料流量調整バルブ１５を燃焼部制御装置４０で制御するようにしてある。例えば、燃焼部２に供給される未利用排ガスの流量が増大すれば、燃焼部温度が上がるので、燃焼用燃料の流量を絞って、燃焼部温度を下げるように、燃焼用流量調整バルブ１５が燃焼部制御装置４０で制御される。また、逆に、未利用排ガスの流量が減少すれば、燃焼部温度が下がるので、燃焼用燃料の流量を増大させて、燃焼部温度を上げるように、燃焼用流量調整バルブ１５が燃焼部制御装置４０で制御される。

ところで、この燃料電池発電システムの起動時には、まず、燃焼部２に燃焼用燃料を供給して燃焼させ、改質器３の改質部１に取りつけられた、改質部温度検知器３１の温度が所定の改質温度になった後、改質器３に原燃料を供給して、水素リッチな改質ガスの生成を開始させるようにしている。この水素リッチな改質ガスの生成は、定常的に改質ガスの安定な生成が可能になるまでに、所定の経過時間が必要となる。そして、その間は、燃料電池発電システムから外部の負荷への電力供給はされず、水素リッチな改質ガスは、燃料電池４で全く消費されないので、生成した改質ガスは、全て、未利用排ガスとして未利用ガス供給配管１９を介して、燃焼部２へ供給されることになる。そのため、水素リッチな改質ガスの生成の開始時には、生成した改質ガスの全てが未利用排ガスとして、急激に、燃焼部２へ供給されるため、燃焼用燃料の供給流量の制御が追随できず、その結果、燃焼部２の燃焼部温度を略一定に保つことが困難となり、また、逆火等の現象を誘発する原因となっていた。

本実施形態では、燃料電池発電システムの起動時における水素リッチな改質ガスの生成の開始時に、改質器２に供給する原燃料を、所定の流量まで、徐々に増加させる原燃料流量調整手段５０を備えている。原燃料流量調整手段５０は、改質器３の改質部１の改質部温度が所定の改質温度になった後に、原燃料流量が所定の流量になるまで、原燃料流量調整バルブ１２を徐々に開く信号を改質部制御装置５１から原燃料流量調整バルブ１２に送るようにしている。原燃料流量調整バルブ１２に送る信号としては、たとえば、図２（ｂ）に示す如く、改質ガスの生成の開始時ｔ０から改質ガスの安定な生成が可能になる時間ｔ１までの、所定の経過時間の間に、原燃料流量が所定の流量Ｓ１になるまで、原燃料流量が経過時間ｔに略正比例して、徐々に増加するように、原燃料流量調整バルブ１２を開いていく信号を用いることができる。従来の例では、図２（ａ）に示す如く、改質ガスの生成の開始時ｔ０に、所定の流量Ｓ１を流す信号が、改質部制御装置５１より、原燃料流量調整バルブ１２に瞬時に送られるため、所定の流量Ｓ１の原燃料が改質器３の改質部１に急激に供給され、その結果、生成した改質ガスの全てが未利用排ガスとして、急激に、燃焼部２へ供給されることとなっていた。本実施形態では、原燃料が、改質器３の改質部１へ、徐々に供給されるので、その結果、生成した改質ガスが未利用排ガスとして、徐々に燃焼部２へ供給されることとなるため、燃焼部２の燃焼制御が容易となる。なお、ここで、原燃料流量の所定の流量Ｓは、改質器３の定格の水素生成量に対応する原燃料流量を上限として、予め、適宜設定される流量とすることができる。

その他、本実施形態では、原燃料流量調整手段５０において、改質部制御装置５１から原燃料流量調整バルブ１２へ送られる信号として、たとえば、図３（ａ）に示す如く、経過時間ｔに対して、階段状に、原燃料流量調整バルブ１２を徐々に開いて、原燃料流量を階段状に徐々に増加させていく信号を用いることもできるし、図３（ｂ）に示す如く、経過時間ｔに対して、円弧状に、原燃料流量調整バルブ１２を徐々に開いて、原燃料流量を円弧状に徐々に増大させていく信号を用いることもできる。

また、本実施形態では、改質器３の改質部１の改質部温度が、改質反応を実質行わない温度で、原燃料及び水の供給を開始した後、改質器３の温度を所定の改質温度に上昇させることもできる。ここで、所定の改質温度は、６００〜８００℃の間で設定することができるが、原燃料がプロパンの場合は、特に、略７００℃に設定するのが好ましい。また、改質反応を実質行わない温度としては、１００℃以下では、水蒸気となった水が改質部１内で結露する傾向にあり、４００℃以上では、５０％以上の改質反応が起こるので、１００〜４００℃の間で設定するのが好ましい。特に、原燃料がプロパンの場合は、略２００℃に設定するのが好ましい。改質温度が、略２００℃の場合は、プロパンは、約１０〜２０％程度しか改質されないので、所定の改質温度で改質した場合に比べ、生成した改質ガス中の水素の割合は少なくなり、燃焼制御が容易な、プロパンやメタンの割合が多くなる。その結果、燃焼部２での燃焼状態を、より良好に保つことができるので好ましい。

図４は、本発明の他の実施形態の一例を示すものであり、改質器３に供給される原燃料と、燃焼部２に供給される燃焼用燃料とを、同一の燃料を用いるようにしたものである。そして、同一の燃料を改質部１と燃焼部２に供給するために、燃料供給配管２３から原燃料供給配管１０と燃焼燃料用配管１４とを分岐させるようにして配管を行なうようにしている。その他の構成は、図１のものと同じである。原燃料と燃焼用燃料とを同一の燃料とすることで、燃料電池発電システムをより簡素化することができるので、好ましい。

図５は、本発明のさらに他の実施形態の一例を示すものであり、燃料電池４として、電解質に高分子固体電解質を用いる高分子固体電解質型燃料電池を用いるようにしてある。高分子固体電解質型燃料電池は、リン酸型燃料電池など他の燃料電池と比較して出力密度が大きく、小型軽量であり、固体高分子型燃料電池を用いることで、燃料電池発電システムをより小型軽量にすることができるので、好ましい。

しかし、高分子固体電解質型燃料電池は改質ガス中に含まれるわずかな一酸化炭素にも影響されて出力が悪くなるという欠点を持っているので、改質ガス供給配管１８の経路上にシフト器２４と選択酸化器２５を設け、改質器３の改質部１で改質された改質ガス中の一酸化炭素量を５０ｐｐｍ以下に調整するようにしている。ここで、選択酸化器２５はエアーポンプ２６で空気を導入し、水素リッチな改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に酸化するものである。

また、本実施形態では、改質器３に供給する原燃料を徐々に増加させる際に、選択酸化器２５に導入する空気の導入量を徐々に増加させる空気流量調整手段６０を備えることもできる。この空気流量調整手段６０は、選択酸化制御装置６１より、選択酸化器２５に導入する空気の導入量を徐々に増加させる信号を、エアーポンプ２６に送る手段を有している。この空気の導入量を徐々に増加させる信号は、改質器に供給する原燃料を徐々に増加させる信号と同様のものを用いることができ、原燃料の増加に対応させて、空気の導入量を徐々に増加させることで、生成した改質ガス中の一酸化炭素の量により対応した空気を導入でき、その結果、改質ガス中のガス組成がより安定するので好ましい。

本発明の燃料電池発電システムの一実施形態を示す概略図である。 改質ガスの生成の開始時における原燃料流量と経過時間との関係を示す図で、（ａ）従来例、（ｂ）本発明の燃料電池発電システムの一実施形態における例である。 改質ガスの生成の開始時における原燃料流量と経過時間との関係を示す図で、（ａ）本発明の一実施形態における他の例、（ｂ）本発明の一実施形態におけるさらに他の例である。 本発明の燃料電池発電システムの他の実施形態を示す概略図である。 本発明の燃料電池発電システムのさらに他の実施形態を示す概略図である。

符号の説明

１ 改質部
２ 燃焼部
３ 改質器
４ 燃料電池
２５ 選択酸化器
５０ 原燃料流量調整手段
６０ 空気流量調整手段

Claims (7)

1. 原燃料と水から水素リッチな改質ガスを生成する改質部及びこの改質部に熱を供給する燃焼部を有する改質器と、改質器で生成された改質ガスを燃料として発電する燃料電池とを具備して形成され、燃焼部に燃焼用燃料と燃料電池から排出される未利用排ガスを供給して燃焼させるようにした燃料電池発電システムにおいて、水素リッチな改質ガスの生成の開始時に、改質器に供給する原燃料を徐々に増加させる原燃料流量調整手段を備えることを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 改質器に供給する原燃料を徐々に増加させる原燃料流量調整手段が、原燃料を経過時間に対して略正比例で増加させる手段であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
3. 改質器に供給する原燃料を徐々に増加させる際に、改質器の温度が、改質反応を実質行わない温度で、原燃料と水の供給を開始した後、改質器の温度を所定の改質温度に上昇させることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池発電システム。
4. 改質反応を実質行わない温度が、１００〜４００℃であることを特徴とする請求項３記載の燃料電池発電システム。
5. 改質部に供給される原燃料と燃焼部に供給される燃焼用燃料とが、同一の燃料であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
6. 燃料電池が、高分子固体電解質型燃料電池であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
7. 空気を導入して、水素リッチな改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に酸化する選択酸化器を備え、改質器に供給する原燃料を徐々に増加させる際に、前記空気の導入量を徐々に増加させる空気流量調整手段を備えることを特徴とする請求項６記載の燃料電池発電システム。

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