JP2006351455A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、改質ガス中に含まれる水素量に変化が生じても、安定に運転継続を実現するシステムの簡便な提供。
【解決手段】水素リッチな改質ガスと空気の供給を受けて燃料ガスの有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池１０と、都市ガスと水蒸気から改質反応により燃料電池１０に供給する改質ガスを生成する改質器本体１と、アノード極を通過後の未消費水素を含んだアノード排ガスを燃焼させて改質器本体１に供給される流体の予熱を行う燃焼部５，６と、この燃焼部５，６の温度を検出する温度検出部１２，１３と、燃料電池１０で発電された直流電力を取り出し交流電力に変換するインバータ８と、インバータ８を制御する制御装置９とを備え、制御装置９は、温度検出部１２，１３によって検出された燃焼部５，６の温度に基づいて、燃料電池１０から取り出す電力を変化させるようにインバータ８を制御することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に改質器が安定した燃料ガスを供給することが可能な燃料電池システムに関する。

改質器本体で生成した改質ガスは燃料電池のアノード極に供給され、同じくカソード極に供給される空気中の酸素と、燃料ガス中の水素が反応し電気エネルギーと熱エネルギーを発生する。固体高分子形燃料電池では、ＭＥＡと呼ばれる高分子膜と触媒層からなる膜・電極接合体を、ガス供給溝を備えたセパレータで挟んだセルを積層して電池スタックを構成されるが、主にＭＥＡの特性から、改質器本体から供給された水素の利用率を、通常60〜80%程度としている。よって、アノード排ガスには残留水素が含まれており、これを改質器補助燃焼部で燃焼させることにより、残留水素を大気に放出することを防ぎ、かつ改質器本体に供給する都市ガス、空気及び水の予熱を実施する。

しかし、改質器用各ポンプの流量誤差、起動時や発電量変更に伴う改質ガス生成量変更の過渡期の応答遅れ、改質器本体の触媒劣化等の理由により、改質ガス中に含まれる水素量に変化が生じる可能性がある。この時、燃料電池での発電電流を一定とすると、燃料電池で消費される水素量も一定となるため、アノード排ガス中に含まれる残留水素量も変化する。改質ガス中に含まれる水素量が増えれば、残留水素量も増える。逆に、改質ガス中に含まれる水素量が減少すれば、残留水素量も減少する。残留水素量が変化すると、改質器補助燃焼部での発熱量も変化し、これにより改質器本体に供給される都市ガス、改質用空気、水の予熱温度も変化する。改質器本体に供給される都市ガス、改質用空気、水の予熱温度が変化すると、改質器本体の各触媒温度に変化をもたらし、所望の組成の改質ガスが生成できなくなり、燃料電池での発電に支障をきたしたり、さらに残留水素量が減少し、予熱温度が下がる悪循環に陥る。

また、従来技術として特許文献１に記載の方法が知られている。本方法では、改質器のバーナとして燃料ガスと燃料電池のオフガスが燃焼できるようにし、燃料電池の経時変化等に対応して改質装置に供給する原燃料の量を調整する。

特開2002-8697号公報

上記の特許文献１に示す従来技術では、燃料電池電流を一定とするため、オフガス制御弁が必要で、制御弁の制御が必要になるだけではなく、ガス供給系等のシステム構造も複雑になる。

本発明は、改質ガス中に含まれる水素量に変化が生じても、燃料電池システムを安定に運転継続できる方法を簡便に提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明では、第一に、水素リッチな改質ガスと空気の供給を受けて燃料ガスの有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電するアノード極とカソード極を有する燃料電池と、都市ガスと水蒸気から改質反応により前記燃料電池に供給する改質ガスを生成する改質器本体と、前記アノード極を通過後の未消費水素を含んだアノード排ガスを燃焼させて前記改質器本体に供給される気体の予熱を行う燃焼部と、この燃焼部の温度を検出する温度検出部と、前記燃料電池で発電された直流電力を取り出し交流電力に変換するインバータと、前記インバータを制御する制御装置とを備え、
前記制御装置が、前記温度検出部によって検出された燃焼部の温度に基づいて、前記燃料電池から取り出す電力を変化させるように前記インバータを制御することとした。

また、第二に、水素リッチな改質ガスと空気の供給を受けて燃料ガスの有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電するアノード極とカソード極を有する燃料電池と、都市ガスと水蒸気から改質反応により水素リッチな改質ガスを生成する改質器本体と、燃料電池のアノード極を通過後の未消費水素を含んだアノード排ガスを燃焼させて改質器本体に供給する改質用空気と水を予熱する第一の改質器補助燃焼部と、燃料電池のアノード極を通過後の未消費水素を含んだアノード排ガスを燃焼させて改質器本体に供給する都市ガスと水を予熱する第二の改質器補助燃焼部と、改質器本体に都市ガスを供給する都市ガスポンプと、改質器本体に改質用空気を供給する改質器本体用空気ポンプと、改質器本体にイオン分の除去された水を供給する水ポンプと、第一の改質器補助燃焼部及び第二の改質器補助燃焼部に補助燃焼用空気を供給する改質器補助燃焼部用空気ポンプと、第一の改質器補助燃焼部の燃焼温度を検出する第一の温度検出部と、第二の改質器補助燃焼部の燃焼温度を検出する第二の温度検出部と、燃料電池のカソード極に燃料電池用空気を供給する燃料電池用空気ポンプと、燃料電池で発電した直流電力を取り出し交流電力に変換するインバータと、これらポンプやインバータを制御する制御装置を備え、
第一の温度検出部と、第二の温度検出部の温度情報から、制御装置が燃料電池の発電電力を制御し、第一の改質器補助燃焼部及び第二の改質器補助燃焼部の温度を適正に制御する構成とした。

第三に、前記第一の改質器補助燃焼部及び前記第二の改質器補助燃焼部で予熱された、前記改質器本体に供給される都市ガスと改質用空気と水蒸気の混合後のガスの温度を検出する原燃料予熱温度検出部が設置され、原燃料予熱温度検出部の温度情報から、前記制御装置が前記燃料電池の発電電力を制御し、原燃料の予熱温度を適正に制御する構成とした。

第四に、上記第二の特徴を有する燃料電池システムの構成において、第一の改質器補助燃焼部及び第二の改質器補助燃焼部を一体構造とし、燃料電池のアノード極を通過後の未消費水素を含んだアノード排ガスを燃焼させて改質器本体に供給する都市ガスと改質用空気と水を予熱する改質器補助燃焼部と、改質器補助燃焼部に補助燃焼用空気を供給する改質器補助燃焼部用空気ポンプと、改質器補助燃焼部の燃焼温度を検出する改質器補助燃焼部温度検出部が設置され、改質器補助燃焼部温度検出部の温度情報から、制御装置が燃料電池の発電電力を制御し、改質器補助燃焼部の温度を適正に制御する構成とした。

第五に、前記改質器補助燃焼部で予熱された、前記改質器本体に供給される都市ガスと改質用空気と水蒸気の混合後のガスの温度を検出する原燃料予熱温度検出部が設置され、原燃料予熱温度検出部の温度情報から、前記制御装置が前記燃料電池の発電電力を制御し、原燃料の予熱温度を適正に制御する構成とした。

第六に、水素リッチな改質ガスと空気の供給を受けて燃料ガスの有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電するアノード極とカソード極を有する燃料電池と、都市ガスと水蒸気から改質反応により水素リッチな改質ガスを生成する改質器本体と、燃料電池のアノード極を通過後の未消費水素を含んだアノード排ガスを燃焼させて改質器本体の熱源にする燃焼部と、改質器本体に都市ガスを供給する都市ガスポンプと、改質器本体に水蒸気を供給する水ポンプと、燃焼部に空気を供給する改質器燃焼部用空気ポンプと、燃焼部の燃焼温度を検出する改質器燃焼部温度検出部と、燃料電池のカソード極に燃料電池用空気を供給する燃料電池用空気ポンプと、燃料電池で発電した直流電力を取り出し交流電力に変換するインバータと、これらポンプやインバータを制御する制御装置とを備え、
改質器燃焼部温度検出部の温度情報から、制御装置が燃料電池の発電電力を制御し、改質器燃焼部の温度を適正に制御する構成とした。

本発明によれば、改質ガス中に含まれる水素量に変化が生じても、燃料電池システムを安定に運転継続できる方法を簡便に提供することができる。

以下、本発明の実施形態を図を用いて説明する。

本発明の実施形態を図１に基づいて説明する。図１は、本発明の燃料電池の構成を示す系統図である。改質器本体１は主に、改質部の温度を維持する燃焼部、改質反応を行う改質触媒、改質反応により生じたＣＯを１０ｐｐｍ以下まで除去するシフト触媒と選択酸化触媒から構成され、都市ガスポンプ２と、改質器本体用空気ポンプ３と、イオン分の除去された水を供給する水ポンプ４から、第一の改質器補助燃焼部５及び第二の改質器補助燃焼部６で適正温度に予熱された原燃料を供給され、各触媒での反応により、水素リッチでＣＯ濃度１０ｐｐｍ以下の改質ガスを生成する。

生成された改質ガスは、改質ガスと空気の供給を受けて燃料ガスの有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電するアノード極とカソード極を有する燃料電池１０のアノード極に供給され、燃料電池用空気ポンプ７からカソード極に供給された空気と反応し、電気エネルギーと熱エネルギーを発生する。発生した電気エネルギーは交流電力としてインバータ８によって取り出される。ここでインバータ８は、制御装置９によって燃料電池１０から取り出す電流値の指令を受ける。

燃料電池のアノード極を通過後の未消費水素を含んだアノード排ガスは、第一の改質器補助燃焼部５と第二の改質器補助燃焼部６に均一に分配して供給され、改質器補助燃焼部用空気ポンプ１１から第一の改質器補助燃焼部５と第二の改質器補助燃焼部６に均一に供給された空気と燃焼し、都市ガスポンプ２と、改質器本体用空気ポンプ３と、イオン分の除去された水を供給する水ポンプ４から、第一の改質器補助燃焼部５及び第二の改質器補助燃焼部６の内部の熱交換器に供給された改質用の原燃料を予熱する。予熱された原燃料は改質器本体１に供給され改質ガスを生成する。

本実施例の改質用原燃料は流体であり、改質器用各ポンプによって流量が制御されるが、これらの改質器用の各ポンプの流量誤差、起動時や発電量変更に伴う改質ガス生成量変更の過渡期の応答遅れ、改質器本体の触媒劣化等の理由により、改質ガス中に含まれる水素量に変化が生じる可能性がある。

この時、燃料電池１０での発電電流を一定とすると、燃料電池１０で消費される水素量も一定となるため、アノード排ガス中に含まれる残留水素量も、改質ガス中に含まれる水素量に応じて変化する。改質ガス中に含まれる水素量が増えれば、残留水素量も増える。逆に、改質ガス中に含まれる水素量が減少すれば、残留水素量も減少する。残留水素量が変化すると、第一の改質器補助燃焼部５及び第二の改質器補助燃焼部６での発熱量も変化し、これにより改質器本体１に供給される都市ガス、改質用空気、水の原燃料の予熱温度も変化する。原燃料の予熱温度が変化すると、改質器本体１の各触媒温度に変化をもたらし、所望の組成の改質ガスが生成できなくなり、燃料電池での発電に支障をきたしたり、さらに残留水素量が減少し、予熱温度が下がる悪循環に陥る。

よって、第一の改質器補助燃焼部５及び第二の改質器補助燃焼部の温度を常に適正に保つことが、改質器本体１の各触媒温度、しいては改質ガス組成を安定させ、燃料電池システムを安定に長時間運転するために重要である。

これを実現するために、第一の改質器補助燃焼部５の燃焼温度を検出する第一の温度検出部１２と、第二の改質器補助燃焼部６の燃焼温度を検出する第二の温度検出部１３を設置し、第一の温度検出部１２と、第二の温度検出部１３の温度情報から、制御装置９が燃料電池１０の発電電力を制御し、第一の改質器補助燃焼部５及び第二の改質器補助燃焼部６の温度を常に適正に制御するようにした。

制御の方法の一例を下記する。第一の温度検出部１２と第二の温度検出部１３で検出した温度の平均値が５１０℃を上回った場合は、改質ガスの水素量が増加しているので、燃料電池１０の発電電流を１Ａ上げるように制御装置からインバータ８に対し指令を出し、インバータ８はその指令に基づき、発電電流を１Ａ上げる。発電電流を上げることにより、アノード排ガス中に含まれる残留水素量は減少し、第一の改質器補助燃焼部５及び第二の改質器補助燃焼部６の温度は下がり、第一の温度検出部１２と第二の温度検出部１３で検出した温度の平均値が５００℃以下になったら、燃料電池１０の発電電流を元の設定値に戻すように制御装置からインバータ８に対し指令を出し、インバータ８はその指令に基づき、発電電流を元の設定値に戻す。

次に逆の例として、第一の温度検出部１２と第二の温度検出部１３で検出した温度の平均値が４９０℃を下回った場合は、改質ガスの水素量が減少しているので、燃料電池１０の発電電流を１Ａ下げるように制御装置からインバータ８に対し指令を出し、インバータ８はその指令に基づき、発電電流を１Ａ下げる。発電電流を上げることにより、アノード排ガス中に含まれる残留水素量は増加し、第一の改質器補助燃焼部５及び第二の改質器補助燃焼部６の温度は上がり、第一の温度検出部１２と第二の温度検出部１３で検出した温度の平均値が５００℃以上になったら、燃料電池１０の発電電流を元の設定値に戻すように制御装置からインバータ８に対し指令を出し、インバータ８はその指令に基づき、発電電流を元の設定値に戻す。

これにより、第一の改質器補助燃焼部５及び第二の改質器補助燃焼部の温度を常に適正に保つことが可能となり、改質器本体１の各触媒温度、しいては改質ガス組成を安定させ、燃料電池システムを安定に長時間運転することが可能になる。

なお、本実施例では発電電流を３段に切り替える例であるが、さらに制御性を改善するために、例えば１℃刻みで電流を多段で変化させるなど、より細かな設定としても良い。

第２の実施形態を図２に示す。上記の実施例と共通する構成については説明を省略する。本例では、第一の改質器補助燃焼部５及び第二の改質器補助燃焼部６で予熱された、改質器本体１に供給される都市ガスと改質用空気と水蒸気の混合後のガスの温度を検出する原燃料予熱温度検出部１４が設置される。

本例でも、燃料電池１０での発電電流を一定とすると、燃料電池１０で消費される水素量も一定となるため、アノード排ガス中に含まれる残留水素量も、改質ガス中に含まれる水素量に応じて変化する。改質ガス中に含まれる水素量が増えれば、残留水素量も増える。逆に、改質ガス中に含まれる水素量が減少すれば、残留水素量も減少する。残留水素量が変化すると、第一の改質器補助燃焼部５及び第二の改質器補助燃焼部６での発熱量も変化し、これにより改質器本体１に供給される都市ガス、改質用空気、水の原燃料の予熱温度も変化する。原燃料の予熱温度が変化すると、改質器本体１の各触媒温度に変化をもたらし、所望の組成の改質ガスが生成できなくなり、燃料電池での発電に支障をきたしたり、さらに残留水素量が減少し、予熱温度が下がる悪循環に陥る。

よって、原燃料の予熱温度を常に適正に保つことが、改質器本体１の各触媒温度、しいては改質ガス組成を安定させ、燃料電池システムを安定に長時間運転するために重要である。

これを実現するために、第一の改質器補助燃焼部５及び第二の改質器補助燃焼部６で予熱された、改質器本体１に供給される都市ガスと改質用空気と水蒸気の混合後のガスの温度を検出する原燃料予熱温度検出部１４を設置し、原燃料予熱温度検出部１４の温度情報から、制御装置９が燃料電池１０の発電電力を制御し、原燃料の予熱温度を常に適正に制御するようにした。

制御の方法の一例を下記する。原燃料予熱温度検出部１４の検出した温度が５１０℃を上回った場合は、改質ガスの水素量が増加しているので、燃料電池１０の発電電流を１Ａ上げるように制御装置からインバータ８に対し指令を出し、インバータ８はその指令に基づき、発電電流を１Ａ上げる。発電電流を上げることにより、アノード排ガス中に含まれる残留水素量は減少し、第一の改質器補助燃焼部５及び第二の改質器補助燃焼部６の温度は下がり、原燃料の予熱温度も下がる。原燃料予熱温度検出部１４の検出した温度が５００℃以下になったら、燃料電池１０の発電電流を元の設定値に戻すように制御装置からインバータ８に対し指令を出し、インバータ８はその指令に基づき、発電電流を元の設定値に戻す。

次に逆の例として、原燃料予熱温度検出部１４の検出した温度が４９０℃を下回った場合は、改質ガスの水素量が減少しているので、燃料電池１０の発電電流を１Ａ下げるように制御装置からインバータ８に対し指令を出し、インバータ８はその指令に基づき、発電電流を１Ａ下げる。発電電流を上げることにより、アノード排ガス中に含まれる残留水素量は増加し、第一の改質器補助燃焼部５及び第二の改質器補助燃焼部６の温度は上がり、原燃料の予熱温度も上がる。原燃料予熱温度検出部１４の検出した温度が５００℃以上になったら、燃料電池１０の発電電流を元の設定値に戻すように制御装置からインバータ８に対し指令を出し、インバータ８はその指令に基づき、発電電流を元の設定値に戻す。

これにより、原燃料の予熱温度を常に適正に保つことが可能となり、改質器本体１の各触媒温度、しいては改質ガス組成を安定させ、燃料電池システムを安定に長時間運転することが可能になる。

なお、本実施例では発電電流を３段に切り替える例であるが、さらに制御性を改善するために、例えば１℃刻みで電流を多段で変化させるなど、より細かな設定としても良い。

第３の実施形態を図３に示す。上記の実施例と共通する構成については説明を省略する。本例では、実施例１の第一の改質器補助燃焼部５及び第二の改質器補助燃焼部６を一体構造とし、燃料電池のアノード極を通過後の未消費水素を含んだアノード排ガスを燃焼させて改質器本体に供給する都市ガスと改質用空気と水を予熱する改質器補助燃焼部１５と、改質器補助燃焼部１５に補助燃焼用空気を供給する改質器補助燃焼部用空気ポンプ７と、改質器補助燃焼部１５の燃焼温度を検出する改質器補助燃焼部温度検出部１６が設置される。

本例でも、燃料電池１０での発電電流を一定とすると、燃料電池１０で消費される水素量も一定となるため、アノード排ガス中に含まれる残留水素量も、改質ガス中に含まれる水素量に応じて変化する。改質ガス中に含まれる水素量が増えれば、残留水素量も増える。逆に、改質ガス中に含まれる水素量が減少すれば、残留水素量も減少する。残留水素量が変化すると、改質器補助燃焼部１５での発熱量も変化し、これにより改質器本体１に供給される都市ガス、改質用空気、水の原燃料の予熱温度も変化する。原燃料の予熱温度が変化すると、改質器本体１の各触媒温度に変化をもたらし、所望の組成の改質ガスが生成できなくなり、燃料電池での発電に支障をきたしたり、さらに残留水素量が減少し、予熱温度が下がる悪循環に陥る。

よって、改質器補助燃焼部１５の温度を常に適正に保つことが、改質器本体１の各触媒温度、しいては改質ガス組成を安定させ、燃料電池システムを安定に長時間運転するために重要である。

これを実現するために、改質器補助燃焼部１５の燃焼温度を検出する改質器補助燃焼部温度検出部１６を設置し、改質器補助燃焼部温度検出部１６の温度情報から、制御装置９が燃料電池１０の発電電力を制御し、改質器補助燃焼部１５の温度を常に適正に制御するようにした。

制御の方法の一例を下記する。改質器補助燃焼部温度検出部１６で検出した温度の平均値が５１０℃を上回った場合は、改質ガスの水素量が増加しているので、燃料電池１０の発電電流を１Ａ上げるように制御装置からインバータ８に対し指令を出し、インバータ８はその指令に基づき、発電電流を１Ａ上げる。発電電流を上げることにより、アノード排ガス中に含まれる残留水素量は減少し、改質器補助燃焼部１５の温度は下がり、改質器補助燃焼部温度検出部１６で検出した温度の平均値が５００℃以下になったら、燃料電池１０の発電電流を元の設定値に戻すように制御装置からインバータ８に対し指令を出し、インバータ８はその指令に基づき、発電電流を元の設定値に戻す。

次に逆の例として、改質器補助燃焼部温度検出部１６で検出した温度の平均値が４９０℃を下回った場合は、改質ガスの水素量が減少しているので、燃料電池１０の発電電流を１Ａ下げるように制御装置からインバータ８に対し指令を出し、インバータ８はその指令に基づき、発電電流を１Ａ下げる。発電電流を上げることにより、アノード排ガス中に含まれる残留水素量は増加し、改質器補助燃焼部１５の温度は上がり、改質器補助燃焼部温度検出部１５で検出した温度の平均値が５００℃以上になったら、燃料電池１０の発電電流を元の設定値に戻すように制御装置からインバータ８に対し指令を出し、インバータ８はその指令に基づき、発電電流を元の設定値に戻す。

これにより、改質器補助燃焼部１５の温度を常に適正に保つことが可能となり、改質器本体１の各触媒温度、しいては改質ガス組成を安定させ、燃料電池システムを安定に長時間運転することが可能になる。

なお、本実施例では発電電流を３段に切り替える例であるが、さらに制御性を改善するために、例えば１℃刻みで電流を多段で変化させるなど、より細かな設定としても良い。

第４の実施形態を図４に示す。上記の実施例と共通する構成については説明を省略する。本例では、改質器補助燃焼部１５で予熱された、改質器本体１に供給される都市ガスと改質用空気と水蒸気の混合後のガスの温度を検出する原燃料予熱温度検出部１４が設置される。

本例でも、燃料電池１０での発電電流を一定とすると、燃料電池１０で消費される水素量も一定となるため、アノード排ガス中に含まれる残留水素量も、改質ガス中に含まれる水素量に応じて変化する。改質ガス中に含まれる水素量が増えれば、残留水素量も増える。逆に、改質ガス中に含まれる水素量が減少すれば、残留水素量も減少する。残留水素量が変化すると、改質器補助燃焼部１５での発熱量も変化し、これにより改質器本体１に供給される都市ガス、改質用空気、水の原燃料の予熱温度も変化する。原燃料の予熱温度が変化すると、改質器本体１の各触媒温度に変化をもたらし、所望の組成の改質ガスが生成できなくなり、燃料電池での発電に支障をきたしたり、さらに残留水素量が減少し、予熱温度が下がる悪循環に陥る。

よって、原燃料の予熱温度を常に適正に保つことが、改質器本体１の各触媒温度、しいては改質ガス組成を安定させ、燃料電池システムを安定に長時間運転するために重要である。

これを実現するために、改質器補助燃焼部１５で予熱された、改質器本体１に供給される都市ガスと改質用空気と水蒸気の混合後のガスの温度を検出する原燃料予熱温度検出部１４を設置し、原燃料予熱温度検出部１４の温度情報から、制御装置９が燃料電池１０の発電電力を制御し、原燃料の予熱温度を常に適正に制御するようにした。

制御の方法の一例を下記する。原燃料予熱温度検出部１４の検出した温度が５１０℃を上回った場合は、改質ガスの水素量が増加しているので、燃料電池１０の発電電流を１Ａ上げるように制御装置からインバータ８に対し指令を出し、インバータ８はその指令に基づき、発電電流を１Ａ上げる。発電電流を上げることにより、アノード排ガス中に含まれる残留水素量は減少し、改質器補助燃焼部１５の温度は下がり、原燃料の予熱温度も下がる。原燃料予熱温度検出部１４の検出した温度が５００℃以下になったら、燃料電池１０の発電電流を元の設定値に戻すように制御装置からインバータ８に対し指令を出し、インバータ８はその指令に基づき、発電電流を元の設定値に戻す。

次に逆の例として、原燃料予熱温度検出部１４の検出した温度が４９０℃を下回った場合は、改質ガスの水素量が減少しているので、燃料電池１０の発電電流を１Ａ下げるように制御装置からインバータ８に対し指令を出し、インバータ８はその指令に基づき、発電電流を１Ａ下げる。発電電流を上げることにより、アノード排ガス中に含まれる残留水素量は増加し、改質器補助燃焼部１５の温度は上がり、原燃料の予熱温度も上がる。原燃料予熱温度検出部１４の検出した温度が５００℃以上になったら、燃料電池１０の発電電流を元の設定値に戻すように制御装置からインバータ８に対し指令を出し、インバータ８はその指令に基づき、発電電流を元の設定値に戻す。

これにより、原燃料の予熱温度を常に適正に保つことが可能となり、改質器本体１の各触媒温度、しいては改質ガス組成を安定させ、燃料電池システムを安定に長時間運転することが可能になる。

なお、本実施例では発電電流を３段に切り替える例であるが、さらに制御性を改善するために、例えば１℃刻みで電流を多段で変化させるなど、より細かな設定としても良い。

第５の実施形態を図５に示す。上記の実施例と共通する構成については説明を省略する。改質器本体１は、都市ガスポンプ２と、水蒸気を供給する水ポンプ４から、原燃料を供給され、各触媒での反応により、水素リッチでＣＯ濃度１０ｐｐｍ以下の改質ガスを生成する。

生成された改質ガスは、改質ガスと空気の供給を受けて燃料ガスの有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電するアノード極とカソード極を有する燃料電池１０のアノード極に供給され、燃料電池用空気ポンプ７からカソード極に供給された空気と反応し、電気エネルギーと熱エネルギーを発生する。発生した電気エネルギーは交流電力としてインバータ８によって取り出される。ここでインバータ８は、制御装置９によって燃料電池１０から取り出す電流値の指令を受ける。

燃料電池のアノード極を通過後の未消費水素を含んだアノード排ガスは、改質器燃焼部１７に供給され、改質器燃焼部用空気ポンプ１８から改質器燃焼部１７に供給された空気と燃焼し、改質機本体１の熱源とし、改質器本体１の各触媒を改質反応に適した温度にする。

ここで、改質器用各ポンプの流量誤差、起動時や発電量変更に伴う改質ガス生成量変更の過渡期の応答遅れ、改質器本体の触媒劣化等の理由により、改質ガス中に含まれる水素量に変化が生じる可能性がある。

この時、燃料電池１０での発電電流を一定とすると、燃料電池１０で消費される水素量も一定となるため、アノード排ガス中に含まれる残留水素量も、改質ガス中に含まれる水素量に応じて変化する。改質ガス中に含まれる水素量が増えれば、残留水素量も増える。逆に、改質ガス中に含まれる水素量が減少すれば、残留水素量も減少する。残留水素量が変化すると、改質器燃焼部１７での発熱量も変化し、これにより改質器本体１の各触媒の温度も変化する。改質器本体１の各触媒温度が変化すると、所望の組成の改質ガスが生成できなくなり、燃料電池での発電に支障をきたしたり、さらに残留水素量が減少し、予熱温度が下がる悪循環に陥る。

よって、改質器燃焼部１７の温度を常に適正に保つことが、改質器本体１の各触媒温度、しいては改質ガス組成を安定させ、燃料電池システムを安定に長時間運転するために重要である。

これを実現するために、改質器燃焼部１７の燃焼温度を検出する改質器燃焼部温度検出部１９と、改質器燃焼部温度検出部１９の温度情報から、制御装置９が燃料電池１０の発電電力を制御し、改質器燃焼部１７の温度を常に適正に制御するようにした。

改質器燃焼部１７を発電電流を３段に切り替える例であるが、さらに制御性を改善するために、例えば１℃刻みで電流を多段で変化させるなど、より細かな設定としても良い。

しいては、図6に示すように、発電電流を３段に切り替える例の他、さらに制御性を改善するために、例えば１℃刻みで電流を多段で変化させるなど、より細かな設定としても良い。

また、本実施例では改質器燃焼部１７の燃焼温度を検出する例であるが、改質器本体の触媒の温度を検出し、発電電流を制御する方法でも良い。

なお、上記の各実施例は、発電量を変化させて温度の適正制御を行っているが、一様の出力を得たい場合には、上記の各実施例に示す燃料電池システムに二次電池を備えることで対応が可能である。例えば、検出温度が高い場合等のように燃料電池の出力が大きくなる場合には二次電池に蓄電し、また、検出温度が低い場合等のように燃料電池の出力が小さくなる場合には不足分の電力を二次電池から取り出すように制御装置が制御することによって、発電量の変化を吸収し、出力の一様化を図ることができる。

本発明の第１の実施形態の燃料電池システムの構成を示す系統図である。 本発明の第２の実施形態の燃料電池システムの構成を示す系統図である。 本発明の第３の実施形態の燃料電池システムの構成を示す系統図である。 本発明の第４の実施形態の燃料電池システムの構成を示す系統図である。 本発明の第５の実施形態の燃料電池システムの構成を示す系統図である。 電流を１℃刻みで変化させる設定を示す図である。

符号の説明

１…改質器本体、２…都市ガスポンプ、３…改質器本体用空気ポンプ、４…水ポンプ、５…第一の改質器補助燃焼部、６…第二の改質器補助燃焼部、７…燃料電池用空気ポンプ、８…インバータ、９…制御装置、１０…燃料電池、１１…改質器補助燃焼部用空気ポンプ、１２…第一の温度検出部、１３…第二の温度検出部、１４…原燃料温度検出部、１５…改質器補助燃焼部、１６…改質器補助燃焼部温度検出部、１７…改質器燃焼部、１８…改質器燃焼部用空気ポンプ、１９…改質器燃焼部温度検出部。

Claims (6)

1. 水素リッチな改質ガスと空気の供給を受けて燃料ガスの有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電するアノード極とカソード極を有する燃料電池と、都市ガスと水蒸気から改質反応により前記燃料電池に供給する改質ガスを生成する改質器本体と、前記アノード極を通過後の未消費水素を含んだアノード排ガスを燃焼させて前記改質器本体に供給される気体の予熱を行う燃焼部と、この燃焼部の温度を検出する温度検出部と、前記燃料電池で発電された直流電力を取り出し交流電力に変換するインバータと、前記インバータを制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記温度検出部によって検出された燃焼部の温度に基づいて、前記燃料電池から取り出す電力を変化させるように前記インバータを制御することを特徴とする燃料電池システム。
2. 水素リッチな改質ガスと空気の供給を受けて燃料ガスの有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電するアノード極とカソード極を有する燃料電池と、
   都市ガスと水蒸気から改質反応により水素リッチな改質ガスを生成する改質器本体と、
   燃料電池のアノード極を通過後の未消費水素を含んだアノード排ガスを燃焼させて前記改質器本体に供給する改質用空気と水を予熱する第一の改質器補助燃焼部と、
   燃料電池のアノード極を通過後の未消費水素を含んだアノード排ガスを燃焼させて前記改質器本体に供給する都市ガスと水を予熱する第二の改質器補助燃焼部と、
   前記改質器本体に都市ガスを供給する都市ガスポンプと、
   前記改質器本体に改質用空気を供給する改質器本体用空気ポンプと、
   前記改質器本体にイオン分の除去された水を供給する水ポンプと、
   前記第一の改質器補助燃焼部及び前記第二の改質器補助燃焼部に補助燃焼用空気を供給する改質器補助燃焼部用空気ポンプと、
   前記第一の改質器補助燃焼部の燃焼温度を検出する第一の温度検出部と、
   前記第二の改質器補助燃焼部の燃焼温度を検出する第二の温度検出部と、
   燃料電池のカソード極に燃料電池用空気を供給する燃料電池用空気ポンプと、
   前記燃料電池で発電した直流電力を取り出し交流電力に変換するインバータと、
   これらポンプや前記インバータを制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記第一の温度検出部及び前記第二の温度検出部によって検出される温度情報に基づいて前記燃料電池の発電電力を制御することを特徴とする燃料電池システム。
3. 水素リッチな改質ガスと空気の供給を受けて燃料ガスの有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電するアノード極とカソード極を有する燃料電池と、
   都市ガスと水蒸気から改質反応により水素リッチな改質ガスを生成する改質器本体と、
   燃料電池のアノード極を通過後の未消費水素を含んだアノード排ガスを燃焼させて前記改質器本体に供給する改質用空気と水を予熱する第一の改質器補助燃焼部と、
   燃料電池のアノード極を通過後の未消費水素を含んだアノード排ガスを燃焼させて前記改質器本体に供給する都市ガスと水を予熱する第二の改質器補助燃焼部と、
   前記改質器本体に都市ガスを供給する都市ガスポンプと、
   前記改質器本体に改質用空気を供給する改質器本体用空気ポンプと、
   前記改質器本体にイオン分の除去された水を供給する水ポンプと、
   前記第一の改質器補助燃焼部及び前記第二の改質器補助燃焼部に補助燃焼用空気を供給する改質器補助燃焼部用空気ポンプと、
   第一の改質器補助燃焼部及び第二の改質器補助燃焼部で予熱された、改質器本体に供給される都市ガスと改質用空気と水蒸気の混合後のガスの温度を検出する原燃料予熱温度検出部と、
   燃料電池のカソード極に燃料電池用空気を供給する燃料電池用空気ポンプと、
   前記燃料電池で発電した直流電力を取り出し交流電力に変換するインバータと、
   これらポンプや前記インバータを制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記原燃料予熱温度検出部によって検出される温度情報に基づいて燃料電池の発電電力を制御することを特徴とする燃料電池システム。
4. 水素リッチな改質ガスと空気の供給を受けて燃料ガスの有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電するアノード極とカソード極を有する燃料電池と、
   都市ガスと水蒸気から改質反応により水素リッチな改質ガスを生成する改質器本体と、
   燃料電池のアノード極を通過後の未消費水素を含んだアノード排ガスを燃焼させて前記改質器本体に供給する都市ガスと改質用空気と水を予熱する改質器補助燃焼部と、
   前記改質器本体に都市ガスを供給する都市ガスポンプと、
   前記改質器本体に改質用空気を供給する改質器本体用空気ポンプと、
   前記改質器本体にイオン分の除去された水を供給する水ポンプと、
   前記改質器補助燃焼部に補助燃焼用空気を供給する改質器補助燃焼部用空気ポンプと、
   前記改質器補助燃焼部の燃焼温度を検出する改質器補助燃焼部温度検出部と、
   燃料電池のカソード極に燃料電池用空気を供給する燃料電池用空気ポンプと、
   前記燃料電池で発電した直流電力を取り出し交流電力に変換するインバータと、
   これらポンプ及び前記インバータを制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記改質器補助燃焼部温度検出部によって検出される温度情報に基づいて燃料電池の発電電力を制御することを特徴とする燃料電池システム。
5. 水素リッチな改質ガスと空気の供給を受けて燃料ガスの有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電するアノード極とカソード極を有する燃料電池と、
   都市ガスと水蒸気から改質反応により水素リッチな改質ガスを生成する改質器本体と、
   燃料電池のアノード極を通過後の未消費水素を含んだアノード排ガスを燃焼させて前記改質器本体に供給する都市ガスと改質用空気と水を予熱する改質器補助燃焼部と、
   前記改質器本体に都市ガスを供給する都市ガスポンプと、
   前記改質器本体に改質用空気を供給する改質器本体用空気ポンプと、
   前記改質器本体にイオン分の除去された水を供給する水ポンプと、
   前記改質器補助燃焼部に補助燃焼用空気を供給する改質器補助燃焼部用空気ポンプと、
   前記改質器補助燃焼部で予熱された、前記改質器本体に供給される都市ガスと改質用空気と水蒸気の混合後のガスの温度を検出する原燃料予熱温度検出部と、
   燃料電池のカソード極に燃料電池用空気を供給する燃料電池用空気ポンプと、
   前記燃料電池で発電した直流電力を取り出し交流電力に変換するインバータと、
   これらポンプ及び前記インバータを制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記原燃料予熱温度検出部によって検出される温度情報に基づいて燃料電池の発電電力を制御することを特徴とする燃料電池システム。
6. 水素リッチな改質ガスと空気の供給を受けて燃料ガスの有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電するアノード極とカソード極を有する燃料電池と、
   都市ガスと水蒸気から改質反応により水素リッチな改質ガスを生成する改質器本体と、
   燃料電池のアノード極を通過後の未消費水素を含んだアノード排ガスを燃焼させて改質器本体の熱源にする燃焼部と、
   改質器本体に都市ガスを供給する都市ガスポンプと、
   改質器本体に水蒸気を供給する水ポンプと、
   燃焼部に空気を供給する改質器燃焼部用空気ポンプと、
   燃焼部の燃焼温度を検出する改質器燃焼部温度検出部と、
   燃料電池のカソード極に燃料電池用空気を供給する燃料電池用空気ポンプと、
   燃料電池で発電した直流電力を取り出し交流電力に変換するインバータと、
   これらポンプやインバータを制御する制御装置を備えた燃料電池システムにおいて、
   改質器燃焼部温度検出部の温度情報から、制御装置が燃料電池の発電電力を制御し、改質器燃焼部の温度を適正に制御する燃料電池システム。
   

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