JP2008135284A

JP2008135284A - 燃料電池発電システムとその起動方法

Info

Publication number: JP2008135284A
Application number: JP2006320444A
Authority: JP
Inventors: Noritoshi Sanagi; 徳寿佐薙
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2006-11-28
Filing date: 2006-11-28
Publication date: 2008-06-12

Abstract

【課題】改質装置のバーナ点火に関する状態の軽微な変化に対して一定の耐性を持ち、改質装置のバーナ点火確率を上昇させることでシステムの信頼性及び効率を向上させる。
【解決手段】炭化水素を含む原燃料ガスから水素リッチな改質ガスを生成するための改質装置１と、この改質装置で得られた改質ガスを燃料ガスと空気などの酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体２と、システム全体の制御を司るシステム制御装置３とから構成される燃料電池発電システムにおいて、改質装置１のバーナ燃焼室１ａに空気を供給する空気供給ラインに空気ブロワ５を設けると共に、改質装置のバーナ燃焼室に温度センサ４を設け、システム制御装置３は、温度センサ４により検出された温度検出信号を取込んで演算を実行し、その演算結果から起動時のバーナ点火が適切になされたかどうかを判断し、バーナ点火が適切になされていないとき空気ブロワ５に回転数を増加又は減少させる指令を与えて空気流量を調節する。
【選択図】図１

Description

本発明は、改質装置のバーナ点火状態の軽微な変化に対して一定の耐性を持たせるようにした燃料電池発電システムとその起動方法に関する。

燃料電池発電システムは、炭化水素を含む原燃料ガスを改質装置に供給して水素リッチなガスを生成し、この水素リッチなガスを燃料ガスとして燃料電池本体の燃料極に供給すると共に、酸化剤極に空気などの酸化剤ガスを供給することで燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させている。

この場合、改質装置ではバーナ燃焼室に設けられたバーナにバーナ燃料と空気を供給して燃焼させ、原燃料ガスの改質に必要な熱量を発生させている。

従来、かかる燃料電池発電システムにおいて、起動時に改質装置のバーナの点火が正常になされないことがあり、このような場合にはバーナ燃焼室に供給されるバーナ燃料及び空気に対する見掛け上の条件を変更することなく、単にバーナ点火を複数回繰返して実施している。そして、ある一定回数連続してバーナ点火が正常になされないときは、システム異常として保護停止や警報を発するようにしている。

しかしながら、従来のかかる燃料電池発電システムの起動方法では、例えばバーナに空気を供給する空気ラインの軽微な圧力損失の増大や、空気ブロワの軽微な性能低下、あるいは空気ラインに設けられた空気流量計の軽微な指示値の上昇などの事象により改質装置のバーナ点火時の条件が満たされていない場合でも、これを補正することなく単にバーナ点火を繰返すことしか行っていないため、一向に点火条件を満たす状態に改善されず、結局正常にバーナ点火がなされないことがよくある。

本発明は上記の問題を解消し、改質装置のバーナ点火確立の上昇、即ち起動成功の確率を上昇させことで、システムの信頼性及び効率の向上を図り、もって商品価値を高めることができる燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

本発明は上記のような目的を達成するため、次のような手段により燃料電池発電システムを構成し、該システムを次のような方法により起動するものである。

（１）炭化水素を含む原燃料ガスから水素リッチな改質ガスを生成するための改質装置と、この改質装置で得られた前記改質ガスを燃料ガスとして用い、この燃料ガスと空気などの酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、演算手段及び記憶手段を備えてシステム全体の制御を司るシステム制御装置とから構成される燃料電池発電システムにおいて、前記改質装置のバーナ燃焼室に空気を供給する空気供給ラインに空気ブロワ又は空気流量調節弁を設けると共に、前記改質装置のバーナ燃焼室にバーナ点火がなされたかどうかを検知するバーナ燃焼検知器を設け、前記システム制御装置は、前記バーナ燃焼検知器より伝送されるバーナ燃焼検知信号を取込んで前記演算手段により演算を実行し、その演算結果から前記改質装置のバーナ燃焼室で起動時のバーナ点火が適切になされたかどうかを判断し、バーナ点火が適切になされていないとき前記空気ブロワに回転数を増加又は減少させる指令、又は前記空気流量調節弁の開度を増加または減少させる指令を与えて空気流量を調節するようにしたものである。

（２）炭化水素を含む原燃料ガスから水素リッチな改質ガスを生成するための改質装置と、この改質装置で得られた前記改質ガスを燃料ガスとして用い、この燃料ガスと空気などの酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、演算手段及び記憶手段を備えてシステム全体の制御を司るシステム制御装置とから構成される燃料電池発電システムにおいて、前記改質装置のバーナ燃焼室に燃料を供給する燃料供給系に燃料ブロワ又は燃料流量調節弁を設けると共に、前記改質装置のバーナ燃焼室にバーナ点火がなされたかどうかを検知するバーナ燃焼検知器を設け、前記システム制御装置は、前記バーナ燃焼検知器より伝送されるバーナ燃焼検知信号を取込んで前記演算手段により演算を実行し、その演算結果から前記改質装置のバーナ燃焼室で起動時のバーナ点火が適切になされたかどうかを判断し、バーナ点火が適切になされていないとき前記燃料ブロワに回転数を増加又は減少させる指令、又は前記燃料流量調節弁の開度を増加または減少させる指令を与えて燃料流量を制御するようにしたものである。

（３）炭化水素を含む原燃料ガスから水素リッチな改質ガスを生成するための改質装置と、この改質装置で得られた前記改質ガスを燃料ガスとして用い、この燃料ガスと空気などの酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、演算手段及び記憶手段を備えてシステム全体の制御を司るシステム制御装置とから構成される燃料電池発電システムの起動方法において、起動時に前記改質装置のバーナ燃焼室に設けられた温度センサにより検出された温度検出信号を前記システム制御装置に取込んで、前記演算手段によりバーナ燃焼室のバーナ温度変化を求めると共に、この温度変化に基づいてバーナ点火が適切になされたかどうかを判断し、バーナ点火が適切になされていない場合には前記バーナ燃焼室に供給される空気又は燃料の流量を増加又は減少させながら、試行錯誤的にバーナ点火を複数回実施し、バーナ点火が適切になされた場合にはそのときの空気又は燃料の流量を前記記憶手段に次回のバーナ点火時の初期値として記憶させることを特徴とする。

本発明によれば、改質装置のバーナ点火に関する状態の軽微な変化に対して一定の耐性を持ち、改質装置のバーナ点火確率の上昇、即ち起動成功確率を上昇させることによってシステムの信頼性及び効率の向上につながり、システム全体の商品価値を高めることができる。

以下本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明による燃料電池発電システムの第１の実施形態を示す系統構成図である。

図１において、１は炭化水素を含む原燃料が燃料供給ラインを通して供給され、改質反応により水素リッチな改質ガスを生成する改質装置で、この改質装置１にはバーナ燃焼室１ａに配置されたバーナに燃料供給ラインより原燃料をバーナ燃料として導入すると共に空気供給ラインを通して空気が導入され、このバーナ１ａの点火によりバーナ燃料を燃焼させて原燃料の改質反応に必要な熱量を発生させている。

また、２は水素リッチな改質ガスを燃料ガスとして燃料極に供給すると共に、図示しない空気などの酸化剤ガスを酸化剤極に供給し、これら燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池本体である。

さらに、３はシステム全体の制御を司るシステム制御装置で、このシステム制御装置３は、各種のセンサから伝送される検出信号をもとに制御に必要な演算を実行し、被制御対象に制御指令を与える演算手段と記憶手段を備えている。

このような構成の燃料電池発電システムにおいて、空気供給ラインに改質装置１のバーナ燃焼室１ａに供給する空気流量を制御する空気ブロワ５を設け、また改質装置１のバーナ燃焼室１ａにバーナ点火がなされたかどうかを検知するバーナ燃焼検知器、例えば温度センサ４を設け、この温度センサ４により検出された温度検出信号をシステム制御装置３に伝送する。

このシステム制御装置３は演算手段により温度センサ４で検出された温度検出信号をもとに改質装置１のバーナ燃焼室１ａの温度変化、即ち単位時間（例えばＸ秒間）に温度が何度（例えばＴ℃）上がったかによりバーナ点火が適切になされたかどうかを判断する。

そして、バーナ点火が適切になされない場合には、演算手段より空気ブロワ５に与える回転数指令を例えば１％上げるなどして、空気ブロワ５の回転数を制御しながら試行錯誤的にバーナ点火を実施する。

また、何度かの空気ブロワ５の回転数の増減によりバーナ点火が適切になされた場合には、そのときの空気ブロワ５の回転数を次回のバーナ点火時の初期値としてシステム制御装置３の記憶手段に記憶する。

このように本発明の第１の実施形態では、改質装置１のバーナ燃焼室１ａに設けられたバーナ燃焼検知器、例えば温度センサ４により検出された温度検出信号をシステム制御装置３に取込んで、演算手段によりバーナ燃焼室１ａの温度変化を求めると共に、この温度変化に基づいてバーナ点火が適切になされたかどうかを判断し、バーナ点火が適切になされていない場合には改質装置１のバーナ燃焼室に空気を供給する空気供給ラインに設けられた空気ブロワ５の回転数を増減しながら、試行錯誤的にバーナ点火を複数回実施し、バーナ点火が適切になされた場合にはそのときの空気ブロワ５の回転数を記憶手段に次回のバーナ点火時の初期値として記憶するようにしたものである。

したがって、改質装置１のバーナ点火に関する状態の軽微な変化に対して一定の耐性を持ち、改質装置のバーナ点火確率を上昇させることによってシステムの信頼性及び効率の向上を図ることが可能となり、システム全体の商品価値を高めることができる。

上記実施形態では、改質装置１のバーナ燃焼室１ａに空気を供給する空気供給ラインに空気ブロワ５を設け、この空気ブロワ５にシステム制御装置３より回転数指令を与えて回転数を増減させ、バーナ燃焼室１ａに供給される空気流量を制御するようにしたが、空気供給ラインに空気ブロワ５に代えて空気流量調節弁を設け、またシステム制御装置３より空気流量調節弁に開度指令を与えて空気流量を制御するようにしても前述同様の作用効果を得ることができる。

（第２の実施形態）
図２は本発明による燃料電池発電システムの第２の実施形態を示す系統構成図で、図１と同一部分には同一符号を付して示し、ここでは重複する説明を省略して異なる点について述べる。

第２の実施形態では、改質装置１に原燃料を供給する燃料供給ラインに燃料ブロワ６を設け、この燃料ブロワ６により流量制御される原燃料を改質装置１のバーナ燃焼室１ａにバーナ燃料として供給すると共に、空気供給ラインより空気をバーナ燃焼室１ａに供給する。

また、改質装置１のバーナ燃焼室１ａにバーナ点火がなされたかどうかを検知するバーナ燃焼検知器、例えば温度センサ４を設け、この温度センサ４により検出された温度検出信号をシステム制御装置３に伝送する。

そして、バーナ点火が適切になされない場合には、演算手段より燃料ブロワ６に与える回転数指令を上げるなどして、燃料ブロワ６の回転数を制御しながら試行錯誤的にバーナ点火を実施する。

また、何度かの燃料ブロワ６の回転数の増減によりバーナ点火が適切になされた場合には、そのときの燃料ブロワ６の回転数を次回のバーナ点火時の初期値としてシステム制御装置３の記憶手段に記憶する。

このように本発明の第２の実施形態では、改質装置１のバーナ燃焼室１ａに設けられたバーナ燃焼検知器、例えば温度センサ４により検出された温度検出信号をシステム制御装置３に取込んで、演算手段によりバーナ燃焼室１ａの温度変化を求めると共に、この温度変化に基づいてバーナ点火が適切になされたかどうかを判断し、バーナ点火が適切になされていない場合には改質装置１のバーナ燃焼室に原燃料を供給する燃料供給ラインに設けられた燃料ブロワ６の回転数を増減しながら、試行錯誤的にバーナ点火を複数回実施し、バーナ点火が適切になされた場合にはそのときの燃料ブロワ６の回転数を記憶手段に次回のバーナ点火時の初期値として記憶するようにしたものである。

上記実施形態では、改質装置１のバーナ燃焼室１ａに原燃料を供給する燃料供給ラインに燃料ブロワ６を設け、この燃料ブロワ６にシステム制御装置３より回転数指令を与えて回転数を増減させ、バーナ燃焼室１ａに供給される燃料流量を制御するようにしたが、燃料供給ラインに燃料ブロワ５に代えて燃料流量調節弁を設け、またシステム制御装置３より燃料流量調節弁に開度指令を与えて燃料流量を制御するようにしても前述同様の作用効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
図３は本発明による燃料電池発電システムの第３の実施形態を示す系統構成図で、図１と同一部分には同一符号を付して示し、ここでは重複する説明を省略して異なる点について述べる。

第３の実施形態では、改質装置１のバーナ燃焼室１ａに空気を供給する空気供給ラインに空気ブロワ５を設けると共に、改質装置１に原燃料を供給する燃料供給ラインに燃料ブロワ６を設け、この燃料ブロワにより流量制御される原燃料を改質装置１のバーナ燃焼室１ａにバーナ燃料として供給すると共に、空気ブロワ５により流量及び圧力制御される空気をバーナ燃焼室１ａに供給する。

そして、バーナ点火が適切になされない場合には、演算手段より空気ブロワ５及び燃料ブロワ６に与える回転数指令を与えて空気ブロワ５及び燃料ブロワ６の回転数を制御しながら試行錯誤的にバーナ点火を実施する。

また、何度かの空気ブロワ５及び燃料ブロワ６の回転数の増減によりバーナ点火が適切になされた場合には、そのときの空気ブロワ５及び燃料ブロワ６の回転数を次回のバーナ点火時の初期値としてシステム制御装置３の記憶手段に記憶する。

このように本発明の第３の実施形態では、改質装置１のバーナ燃焼室１ａに設けられたバーナ燃焼検知器、例えば温度センサ４により検出された温度検出信号をシステム制御装置３に取込んで、演算手段によりバーナ燃焼室１ａの温度変化を求めると共に、この温度変化に基づいてバーナ点火が適切になされたかどうかを判断し、バーナ点火が適切になされていない場合には改質装置１のバーナ燃焼室に導入される空気供給ラインに設けられた空気ブロワ５及び燃料供給ラインに設けられた燃料ブロワ６の回転数を増減しながら、試行錯誤的にバーナ点火を複数回実施し、バーナ点火が適切になされた場合にはそのときの空気ブロワ５及び燃料ブロワ６の回転数を記憶手段に次回のバーナ点火時の初期値として記憶するようにしたものである。

上記実施形態では、改質装置１のバーナ燃焼室１ａに空気を供給する空気供給ラインに空気ブロワ５、燃料供給ラインに燃料ブロワ６をそれぞれ設け、これら空気ブロワ５及び燃料ブロワ６にシステム制御装置３より回転数指令を与えて回転数を増減させ、バーナ燃焼室１ａに供給される空気流量及び燃料流量を制御するようにしたが、空気供給ライン及び燃料供給ラインに空気ブロワ５及び燃料ブロワ６に代えて空気流量調節弁及び燃料流量調節弁を設け、またシステム制御装置３より空気流量調節弁及び燃料流量調節弁に開度指令をそれぞれ与えて空気流量及び燃料流量を制御するようにしても前述同様の作用効果を得ることができる。

なお、上記各実施形態では、バーナ燃焼室１ａに設けられたバーナ燃焼検知器として、温度センサ４を用いたが、火炎検知器を用いてもよい。

本発明による燃料電池発電システムの第１の実施形態を示す系統構成図。本発明による燃料電池発電システムの第２の実施形態を示す系統構成図。本発明による燃料電池発電システムの第３の実施形態を示す系統構成図。

符号の説明

１…改質装置、１ａ…燃焼室、２…燃料電池本体、３…システム制御装置、４…燃焼検知器（例えば、温度センサ）、５…空気ブロワ、６…燃料ブロワ

Claims

炭化水素を含む原燃料ガスから水素リッチな改質ガスを生成するための改質装置と、この改質装置で得られた前記改質ガスを燃料ガスとして用い、この燃料ガスと空気などの酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、演算手段及び記憶手段を備えてシステム全体の制御を司るシステム制御装置とから構成される燃料電池発電システムにおいて、
前記改質装置のバーナ燃焼室に空気を供給する空気供給ラインに空気ブロワを設けると共に、前記改質装置のバーナ燃焼室にバーナ点火が適切になされたかどうかを検知するバーナ燃焼検知器を設け、
前記システム制御装置は、前記バーナ燃焼検知器より伝送されるバーナ燃焼検知信号を取込んで前記演算手段により演算を実行し、その演算結果から前記改質装置のバーナ燃焼室で起動時のバーナ点火が適切になされたかどうかを判断し、バーナ点火が適切になされていないとき前記空気ブロワに回転数を増加又は減少させる指令を与えて空気流量を調節するようにしたことを特徴とする燃料電池発電システム。
請求項１記載の燃料電池発電システムにおいて、
起動時のバーナ点火が正常になされるとそのときの前記空気ブロワに回転数を前記システム制御装置の記憶手段に次回のバーナ点火時の初期値として記憶するようにしたことを特徴とする燃料電池発電システム。
炭化水素を含む原燃料ガスから水素リッチな改質ガスを生成するための改質装置と、この改質装置で得られた前記改質ガスを燃料ガスとして用い、この燃料ガスと空気などの酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、演算手段及び記憶手段を備えてシステム全体の制御を司るシステム制御装置とから構成される燃料電池発電システムにおいて、
前記改質装置のバーナ燃焼室に空気を供給する空気供給系に空気流量調節弁を設けると共に、前記改質装置のバーナ燃焼室にバーナ点火がなされたかどうかを検知するバーナ燃焼検知器を設け、
前記システム制御装置は、前記バーナ燃焼検知器より伝送されるバーナ燃焼検知信号を取込んで前記演算手段により演算を実行し、その演算結果から前記改質装置のバーナ燃焼室で起動時のバーナ点火が適切になされたかどうかを判断し、バーナ点火が適切になされていないとき前記空気流量調節弁の開度を増加または減少させる指令を与えて前記改質装置のバーナ燃焼室に供給される空気流量を調節するようにしたことを特徴とする燃料電池発電システム。
請求項３記載の燃料電池発電システムにおいて、
起動時のバーナ点火が正常になされると、そのときの前記空気流量調節弁の開度を前記システム制御装置の記憶手段に次回のバーナ点火時の初期値として記憶するようにしたことを特徴とする燃料電池発電システム。
炭化水素を含む原燃料ガスから水素リッチな改質ガスを生成するための改質装置と、この改質装置で得られた前記改質ガスを燃料ガスとして用い、この燃料ガスと空気などの酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、演算手段及び記憶手段を備えてシステム全体の制御を司るシステム制御装置とから構成される燃料電池発電システムにおいて、
前記改質装置のバーナ燃焼室に燃料を供給する燃料供給系に燃料ブロワを設けると共に、前記改質装置のバーナ燃焼室にバーナ点火がなされたかどうかを検知するバーナ燃焼検知器を設け、
前記システム制御装置は、前記バーナ燃焼検知器より伝送されるバーナ燃焼検知信号を取込んで前記演算手段により演算を実行し、その演算結果から前記改質装置のバーナ燃焼室で起動時のバーナ点火が適切になされたかどうかを判断し、バーナ点火が適切になされていないとき前記燃料ブロワに回転数の増加又は減少指令を与えて燃料流量を制御するようにしたことを特徴とする燃料電池発電システム。
請求項５記載の燃料電池発電システムにおいて、
起動時のバーナ点火が正常になされると、そのときの前記液体ブロワの回転数を前記システム制御装置の記憶手段に次回のバーナ点火時の初期値として記憶するようにしたことを特徴とする燃料電池発電システム。
炭化水素を含む原燃料ガスから水素リッチな改質ガスを生成するための改質装置と、この改質装置で得られた前記改質ガスを燃料ガスとして用い、この燃料ガスと空気などの酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、演算手段及び記憶手段を備えてシステム全体の制御を司るシステム制御装置とから構成される燃料電池発電システムにおいて、
前記改質装置のバーナ燃焼室に燃料を供給する燃料供給系に燃料流量調節弁を設けると共に、前記改質装置のバーナ燃焼室にバーナ点火がなされたかどうかを検知するバーナ燃焼検知器を設け、
前記システム制御装置は、前記バーナ燃焼検知器より伝送されるバーナ燃焼検知信号を取込んで前記演算手段により演算を実行し、その演算結果から前記改質装置のバーナ燃焼室で起動時のバーナ点火が適切になされたかどうかを判断し、バーナ点火が適切になされていないとき前記燃料流量調節弁の開度を増加または減少させる指令を与えて前記改質装置のバーナ燃焼室に供給される燃料流量を調節するようにしたことを特徴とする燃料電池発電システム。
請求項７記載の燃料電池発電システムにおいて、
起動時のバーナ点火が正常になされると、そのときの前記燃料流量調節弁の開度を前記システム制御装置の記憶手段に次回のバーナ点火時の初期値として記憶するようにしたことを特徴とする燃料電池発電システム。
炭化水素を含む原燃料ガスから水素リッチな改質ガスを生成するための改質装置と、この改質装置で得られた前記改質ガスを燃料ガスとして用い、この燃料ガスと空気などの酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、演算手段及び記憶手段を備えてシステム全体の制御を司るシステム制御装置とから構成される燃料電池発電システムにおいて、
前記改質装置のバーナ燃焼室に空気を供給する空気供給系空気ブロワを設けると共に、燃料を供給する燃料供給系に燃料ブロワを設け、且つ前記改質装置のバーナ燃焼室にバーナ点火がなされたかどうかを検知するバーナ燃焼検知器を設け、
前記システム制御装置は、前記バーナ燃焼検知器より伝送されるバーナ燃焼検知信号を取込んで前記演算手段により演算を実行し、その演算結果から前記改質装置のバーナ燃焼室で起動時のバーナ点火が適切になされたかどうかを判断し、バーナ点火が適切になされていないとき前記空気ブロワ及び前記燃料ブロワに回転数を増加又は減少させる指令を与えて空気流量及び燃料流量を調節するようにしたことを特徴とする燃料電池発電システム。
請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の燃料電池発電システムにおいて、
前記改質装置のバーナ燃焼室に設けられるバーナ燃焼検知器は温度センサであることを特徴とする燃料電池発電システム。
炭化水素を含む原燃料ガスから水素リッチな改質ガスを生成するための改質装置と、この改質装置で得られた前記改質ガスを燃料ガスとして用い、この燃料ガスと空気などの酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池本体と、演算手段及び記憶手段を備えてシステム全体の制御を司るシステム制御装置とから構成される燃料電池発電システムの起動方法において、
起動時に前記改質装置のバーナ燃焼室に設けられた温度センサにより検出された温度検出信号を前記システム制御装置に取込んで、前記演算手段によりバーナ燃焼室のバーナ温度変化を求めると共に、この温度変化に基づいてバーナ点火が適切になされたかどうかを判断し、バーナ点火が適切になされていない場合には前記バーナ燃焼室に供給される空気又は燃料少なくとも一方の流量を制御しながら、試行錯誤的にバーナ点火を複数回実施し、前記温度変化からバーナ点火が適切になされたと判断されるとそのときの空気又は燃料の少なくとも一方の流量を前記記憶手段に次回のバーナ点火時の初期値として記憶させることを特徴とする燃料電池発電システムの起動方法。