JP2008218355A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】別途スタート燃料ラインを用いずに改質系の昇温を行い、低コストかつ安定した動作が可能な燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】燃料発電システムの通常運転を行う際に、起動時において昇温途中の改質器１は温度が低いので改質反応が十分ではなく、未改質ガスを燃料電池本体２に供給してしまうと、電池本体２にダメージを与える可能性がある。そこで、昇温ライン８に設置した制御遮断弁９を、燃料電池発電システムが起動すると同時に開栓するよう制御し、改質途中のガスを昇温ライン８を通じて改質器バーナ４に導入する。すなわち、昇温しきれない状態の改質器１から、改質途中のガスを昇温ライン８を介して改質器バーナ４に供給することにより、このバーナ４において当該ガス中の水素を燃料として燃焼させ、この燃焼熱を利用することで改質器１の昇温を図っている。
【選択図】図１

Description

本発明は、高温で動作する改質器を備えた燃料電池発電システムに係り、別途電力を用いずに改質系の昇温が可能な燃料電池発電システムに関する。

近年、発電効率の高いエネルギー変換装置として燃料電池が注目を集めている。燃料電池発電システムとは、燃料処理装置により生成された水素と酸素の結合エネルギーを、燃料電池本体において直接電気エネルギーに変換するものであり、汚染物質の排出および騒音が少ない環境性に優れた発電装置である。

なお、家庭用の燃料電池発電システムでは、改質器などの反応器を備えることにより、当該改質器において燃料から水素リッチガスを生成し、燃料電池本体に供給していた。ここで、改質器における、燃料である天然ガスやメタノールなどに水を供給することで水素を生成する過程は、吸熱反応であるため、高温で動作しなければならない。

また、通常の停止状態における改質器などの反応器の温度は、外気温度程度まで低下しているため、運転に先立ち反応器を昇温し、円滑に吸熱反応を行うことにより水素リッチガスを生成する必要があった。特に、改質器は、６００〜８００℃といった高温において作動するので、昇温方法として改質器昇温用の燃料をバーナに導入し、燃焼させることで、その燃焼熱を昇温に利用していた。

しかしながら、改質器昇温用の燃料をバーナに導入し、燃焼させることでその燃焼熱を利用する方法では、当該燃焼熱により昇温が十分に達成されないケースも頻繁に見受けられた。そのため、改質器における改質性能が低下してしまい、燃料電池発電システム本体でも高効率で化学反応が行われず、発電系全体においても安定した運転が実現できないような状況に陥る可能性があった。

そこで、従来技術において、改質器用に供給する燃料の昇温には、燃料源から直接、昇温用の燃料をスタート燃料ラインを通じて改質器に供給する方法が一般的であった（特許文献１参照）。
特開２００６−９３１６７号公報

ところで、従来の家庭用燃料電池発電システムは、上記の通り、スタート燃料ラインを有し、燃料電池発電システムの起動の際には、燃料源からの燃料が直接、スタート燃料ラインを通じて改質器に供給されていた。そのため、昇温用の燃料が直接、改質器用のバーナに供給されるので、バーナにおいて燃焼し、その燃焼された燃焼熱を利用することにより改質器を昇温する方法が一般的である。

しかしながら、上記に示した従来技術では、燃料源から直接改質器に昇温用の燃料を供給する別途スタート燃料ラインが必要とされるため、当該ライン設置のためにコストアップが発生することになった。特に、燃料電池発電システムにおいて連続運転を行う運転パターンでは、燃料電池を設置することによる経済効果に対して、当該燃料ラインを使用する頻度が少ないため、スタート燃料ライン分のコストアップは、大きなデメリットとなってしまう。

また、改質器における改質反応は高温で行われるので、改質器内の触媒温度が所定の温度以上に加熱されている場合に、改質に必要な蒸気が不十分であると加熱された触媒表面上で原燃料が変性し、炭素が析出する可能性がある。この炭素の析出により、改質触媒の性能が大幅に低下し、改質反応に異常が生じるため、高濃度の水素リッチガスを生成することが困難な状況に陥ってしまう。

そこで、改質器内の触媒表面上における炭素析出を防止するためには、改質器の動作温度を所定の温度以下にするか、あるいは改質に必要な十分な蒸気を原燃料に混合させることが必要であった。なお、改質器に供給する蒸気は、蒸気発生器において生成するが、蒸気発生器内の温度が低い場合には、十分な蒸気量を発生することが難しいといった問題があった。

本発明は、上記課題を解消するために提案されたものであり、別途スタート燃料ラインを用いずに改質系の昇温を行い、低コストかつ安定した動作が可能な燃料電池発電システムを提供することを目的とする。また、改質器の昇温において当該改質器内の触媒表面上における炭素の析出を防止することも目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明は、燃料を改質し、改質ガスを生成する改質器と、前記改質器の昇温用に燃焼熱を生成するバーナと、燃料電池本体と、を有する燃料電池発電システムであって、前記改質器からの改質ガスを前記バーナへ供給する昇温ラインを備え、システムの起動時において前記バーナにより前記改質器が昇温される際に、昇温途中の前記改質器からのガスが前記昇温ラインを通じて燃料電池本体を介すことなく前記バーナへ供給されることを特徴とする。

また下記の点も本発明の一態様である。改質反応に必要となる蒸気を生成する蒸気発生器と、前記蒸気発生器内で発生する蒸気温度を計測する蒸気温度計と、前記改質器内の温度を計測する改質器温度計と、前記蒸気温度計により計測された蒸気温度と前記改質器温度計により計測された改質器内の温度に基づいて前記改質器への燃料の供給を調整する制御部と、を備え、前記制御部は、前記蒸気温度計により計測された前記蒸気温度が所定値以上になるまでに、前記改質器温度計により計測される温度が前記改質器内に炭素析出が発生する温度以上に上昇する場合に、前記改質器への燃料の供給を停止することを特徴とする。

なお、前記蒸気発生器内に貯留した水分を加熱するための加熱用ヒータを備え、前記制御部は、前記加熱用ヒータを通じて前記蒸気発生器中の水分が加熱されることにより発生する蒸気の温度が前記所定値以上に上昇するか否かを判断し、前記所定値以上になった場合に前記改質器への燃料を供給するよう制御することも特徴とする。

以上のような態様では、燃料源から直接燃料を改質器に供給するためのスタート燃料ラインを設けることなく、燃料発電システムの起動時において改質器の昇温を行うことができ、スタート燃料ライン分のコストダウンが可能となる。また、蒸気発生器内で発生する蒸気温度と改質器内の温度に基づいて、燃料遮断弁の開閉を調整することができるので、改質器における燃料の炭素析出を防止することが可能となり、一定の改質性能を維持することができる。

以上のような本発明によれば、燃料源から直接燃料を改質器に供給するためのスタート燃料ラインを設けることなく、燃料発電システムの起動時において改質器の昇温を行うことができる。これにより、スタート燃料ライン分のコストダウンを可能とするため、安価かつ昇温性能も維持可能な燃料電池発電システムを提供することが可能となる。

[第１の実施形態]
[構成]
図１は、本発明を適用した第１の実施形態に係る燃料電池発電システムを示すものである。本実施形態の構成を以下に詳述するが、本発明では改質器及びその周辺に特徴を有するため、一般的な燃料電池本体などの構成に関しては簡略な説明をする。

図１のように、本実施形態では、天然ガスやメタノールなどの原燃料から水素リッチガスを生成する改質器１と、前記改質器１にて生成された改質ガス、すなわち水素リッチガスと供給される酸素との化学反応により発電を起こす燃料電池本体と２を備えている。そして、前記改質器１において改質に必要な蒸気を発生させる蒸気発生器３を設置し、当該蒸気発生器３により発生した蒸気が燃料源からの燃料と混合し改質器１に供給されるよう構成されている。

また、改質器１には、燃料電池本体２から排出された一部に水を含有する燃料オフガスを燃焼させる改質器バーナ４が設置されている。なお、この改質器バーナ４により燃料オフガスを燃焼させることで、当該燃焼熱を改質器１における吸熱反応の熱源として利用している。

そして、水素リッチを生成するために燃料源から改質器１へ原燃料を供給する配管として燃料供給ライン５が改質器１に接続されている。なお、この燃料供給ライン５には、燃料遮断弁６が設置され、当該燃料遮断弁６の開閉により改質器１へ供給する燃料を調整する。

また、改質器１において生成された水素リッチガスを燃料電池本体２に供給する改質ガス供給ライン７が、改質器１から燃料電池本体２に接続されている。さらに、本発明では、燃料電池本体２に接続された前記改質ガス供給ライン７の途中に、改質途中の燃料ガスを改質器バーナ４に供給するための昇温ライン８を設けている。

なお、この昇温ライン８は、燃料電池本体２への改質ガス供給ライン７の途中から、燃料電池本体２において排出される燃料オフガスの改質器バーナ４への供給ラインに接続され、改質器バーナ４に改質器１において改質途中であった燃料ガスを供給することで燃料発電システムの起動時においても改質器１に適切な燃焼熱を与えることが可能となる。

また、この昇温ライン８には、改質途中のガスを供給・遮断する制御遮断弁９が設置されている。この制御遮断弁９は、燃料電池発電システムの起動時には、改質器バーナ４へ改質途中の燃料ガスを供給するために、開栓され、連続運転が行われる改質器の動作温度が高温に維持されると、閉栓する。

［作用］
以上のような構成を有する本実施形態の作用は以下の通りである。
はじめに、通常の改質器１や燃料電池本体２などの実施態様を説明する。まず、燃料遮断弁６を開栓し、燃料源から改質器１へ天然ガスやメタノールなどの原燃料が燃料供給ライン５を通じて供給される。ここで、改質器１に燃料が流入する際に、蒸気発生器３によって生成された蒸気が当該燃料供給ライン５に供給されるので、実際には燃料と蒸気との混合ガスが改質器１に供給される。

そして、改質器１において、供給された燃料と蒸気との混合ガスを改質し、改質ガスが生成される。この生成された改質ガスは、改質ガス供給ライン７を介して燃料電池本体２に流入し、発電を起こさせる化学反応の原料になる。すなわち、燃料電池本体２において、改質ガスと酸素との化学反応が行われ、直流電力が発電される。ここで、改質ガス中の水素と燃料電池本体２に供給される空気中の酸素は、当該電池２内においてすべて消費されるわけではなく、燃料電池本体２から排出される水素を含有する燃料オフガスが、改質器バーナ４へ供給される。

改質器バーナ４では、燃料オフガス中に含有する水素を燃料として燃焼され、この燃焼熱を吸熱反応である改質器１における改質反応に利用している。すなわち、燃料電池本体２からのオフガスを改質器バーナ４において燃焼させることにより改質器１を昇温状態とし、改質反応の性能を低下させず、高温状態における安定した動作状況を実現する。

ここで、上記のような燃料発電システムの通常運転を行う際に、起動時において昇温途中の改質器１は温度が低いので改質反応が十分ではなく、未改質ガスを燃料電池本体２に供給してしまうと、電池本体２にダメージを与える可能性がある。そこで、本発明では、昇温ライン８に設置した制御遮断弁９を、燃料電池発電システムが起動すると同時に開栓するよう制御し、改質途中のガスを昇温ライン８を通じて改質器バーナ４に導入する。

すなわち、昇温しきれない状態の改質器１から、改質途中のガスを昇温ライン８を介して改質器バーナ４に供給することにより、このバーナ４において当該ガス中の水素を燃料として燃焼させ、この燃焼熱を利用することで改質器１の昇温を図っている。

[効果]
以上の構成を有する本実施形態では、燃料源から直接燃料を改質器に供給するためのスタート燃料ラインを設けることなく、燃料発電システムの起動時において改質器の昇温を行うことができる。これにより、スタート燃料ライン分のコストダウンを可能とするため、安価かつ昇温性能も維持可能な燃料電池発電システムを提供することが可能となる。

[第２の実施形態]
[構成]
図２は、本発明を適用した第２の実施形態に係る燃料電池発電システムを示すものであり、上記第１の実施形態の改質器１の周辺構成を一部変更したものである。なお、第１の実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態では、第１の実施形態における構成に加え、改質器１に改質器１内の温度を計測する改質器温度計１０と、蒸気発生器３に蒸気発生器３内で発生した蒸気温度を計測する蒸気温度計１１が配設されている。さらに、本実施形態では、この改質器温度計１０と蒸気温度計１１から計測された温度に基づいて燃料遮断弁６を制御する制御部１２が配設されている。

具体的には、この制御部１２は、蒸気発生器３において蒸気温度計１１を介して計測された蒸気温度が所定値以上になるまでの間、改質器１内に設置された改質器温度計１０により計測される改質器１内の温度を監視し、蒸気温度が所定値以上になる前に改質器１内の温度が改質器１において炭素が析出するほど上昇しすぎた場合には、燃料遮断弁６を閉栓するよう制御する。すなわち、この場合には、十分な蒸気が改質器１に供給されていないため、改質器１内の加熱された触媒表面上に炭素が析出する可能性があり、燃料遮断弁６を閉じることで改質器１への燃料の供給を抑制するよう制御部１２が制御している。

なお、蒸気温度計１１により計測された蒸気温度が所定値以上である場合には、制御部１２は、改質器温度計１０により計測される温度を監視せず、燃料遮断弁６が開いたままの状態を維持している。また、蒸気温度が所定値以上であるか否かに拘らず、改質器温度計１０により計測される改質器１内の温度が触媒表面上に炭素が析出するほど高くない場合にも、同様に、燃料遮断弁６が開いたままの状態を維持しておく。

ここで、改質器１へ供給する蒸気量の基準となる蒸気温度の所定値とは、改質器１において改質反応に必要となる蒸気量を意味し、蒸気温度計１１により計測される蒸気温度が所定値以上であることは、改質器１における改質反応において十分な蒸気が供給されていると判断される。

［作用］
以上のような構成を有する本実施形態の作用は以下の通りである。
まず、本実施形態では、次のように燃料電池発電システムの通常運転を行う。燃料遮断弁６を開栓し、燃料源から改質器１へ天然ガスやメタノールなどの原燃料が燃料供給ライン５を通じて供給される。ここで、改質器１に燃料が流入する際に、蒸気発生器３によって生成された蒸気が当該燃料供給ライン５に供給され、燃料と蒸気との混合ガスが改質器１に供給される。

そして、改質器１において、供給された燃料と蒸気との混合ガスを改質し、改質ガスが生成される。この生成された改質ガスは、改質ガス供給ライン７を介して燃料電池本体２に流入し、発電を起こさせる化学反応の原料になる。そして、改質ガス中の水素と燃料電池本体２に供給される空気中の酸素は、当該電池２内においてすべて消費されるわけではなく、燃料電池本体２から排出される水素を含有する燃料オフガスが、改質器バーナ４へ供給される。

ここで、本発明では、蒸気温度計１１により蒸気発生器３内で発生させている蒸気温度を常時計測し、この計測された温度が所定値以上になるまでの間、制御部１２において改質器温度計１０により計測された改質器１内の温度を監視する。制御部１２が、蒸気温度が所定値以上になる前に改質器１内の温度が改質器１内の触媒に炭素が析出する程に上昇していると判断する場合には、燃料遮断弁６を閉栓するよう制御する。

これにより、燃料供給ライン５に設置された燃料遮断弁６が閉栓し、燃料源からの燃料供給が遮断される。そのため、改質器１に供給される燃料は、一旦停止され、改質器１における昇温は停止する。なお、改質器１内の温度が高温状態から低下するか、あるいは蒸気温度計１１により計測される蒸気温度が所定値以上になると、再び燃料遮断弁６を開栓し、燃料が改質器１に供給される。

[効果]
以上の構成を有する本実施形態では、蒸気発生器内で発生する蒸気温度と改質器内の温度に基づいて、燃料遮断弁の開閉を調整することができるので、改質器における燃料の炭素析出を防止することが可能となり、一定の改質性能を維持することができる。そのため、安価かつ高効率で改質器を昇温可能な燃料電池発電システムを提供することができる。

[第３の実施形態]
[構成]
図３は、本発明を適用した第３の実施形態に係る燃料電池発電システムを示すものであり、上記第２の実施形態の改質器１の周辺構成を一部変更したものである。なお、第１及び２の実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態では、第２の実施形態における構成に加え、蒸気発生器３に加熱用ヒータ１３を備えていることを特徴とする。この加熱用ヒータ１３は、蒸気発生器３内において発生させる蒸気となる水分を加熱し、改質反応において十分な蒸気を供給するための基準となる所定値まで蒸気温度を上昇させる。

また、制御部１２は、この加熱用ヒータ１３を通じて加熱されることにより発生する蒸気発生器３内の蒸気温度が所定値以上であるか否かを判断し、所定以上である場合には、燃料遮断弁６を開栓するよう制御する。すなわち、蒸気温度が予め所定値以上に達する場合には、改質器１における改質反応に十分な蒸気量が供給されるので、燃料遮断弁６を開栓するよう制御し、改質器１へ燃料を供給する。

［作用］
以上のような構成を有する本実施形態の作用は以下の通りである。
本実施形態では、燃料電池発電システムの通常の運転に先立ち、まず、蒸気発生器３内において発生させる蒸気のもとである水分を加熱用ヒータ１３により加熱する。

そして、蒸気温度計１１により計測される蒸気温度が、蒸気生成可能な温度まで上昇し、さらに蒸気発生器温度が所定の温度以上まで達すると、制御部１２がこの温度を検知することにより、燃料遮断弁６を開け、燃料源から燃料を改質器１に供給する。これ以降は、改質器１を昇温させる通常の運転方法と同様であるため、説明は省略する。

すなわち、燃料源から改質器１へ天然ガスやメタノールなどの原燃料が燃料供給ライン５を通じて供給され、ここで、改質器１に燃料が流入する際に、蒸気発生器３によって生成された所定値以上の温度の蒸気が当該燃料供給ライン５に供給される。これにより、燃料と蒸気との混合ガスが改質器１に流入する。

なお、昇温ライン８に設置した制御遮断弁９を、燃料電池発電システムが起動すると同時に開栓するよう制御し、改質途中のガスを昇温ライン８を通じて改質器バーナ４に導入する。すなわち、昇温しきれない状態の改質器１から、改質途中のガスを昇温ライン８を介して改質器バーナ４に供給することにより、このバーナ４において当該ガス中の水素を燃料として燃焼させ、この燃焼熱を利用することで改質器１の昇温を図る。

ここで、蒸気温度計１１により計測された蒸気発生器３内の蒸気温度は、上述した通り、所定値以上であるので、改質器１の温度が上昇しようとも改質反応には十分な蒸気が供給される。そのため、改質器１内の触媒表面に炭素が析出されることもなく、改質反応の性能の低下を防止し、円滑に水素リッチを生成することができる。

[効果]
以上の構成を有する本実施形態では、スタート燃料ラインを設けずに改質器において昇温を行うことが可能となり、かつ、予め蒸気発生器において発生する蒸気温度を上昇させることが可能であるため、改質器における燃料の炭素析出を防止することができる。そのため、一定の改質性能を維持でき、安価かつ高効率で改質器を昇温可能な燃料電池発電システムを提供することができる。

［他の実施形態］
なお、本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、以下のような実施形態も包含する。具体的には、上記第２の実施形態において、制御部１２は、蒸気発生器３において蒸気温度計１１を介して計測された蒸気温度が所定値以上になる前に、改質器１内に設置された改質器温度計１０により計測された改質器１内の温度が上昇しすぎた場合には、燃料遮断弁６を閉栓するよう制御するが、本実施形態では、制御遮断弁９を閉栓するよう制御する。

つまり、昇温した改質器１内において、流入する燃料からの炭素の析出を防止するために、改質器温度計１０において温度が炭素が析出するほど高温になった場合には、制御部１２が制御遮断弁９を閉栓するよう制御し、改質器バーナ４への改質途中の燃料ガスの供給を遮断する。これにより、改質器バーナ４での燃焼熱が低下する燃料電池本体２からのオフガスのみを改質器バーナ４において燃焼させるため、改質途中のガスを当該バーナ４に加えるより燃焼熱を抑えることができる。よって、改質器１内の触媒表面上における炭素の析出を防止することが可能となる。

本発明の第１の実施形態の構成図 本発明の第２の実施形態の構成図 本発明の第３の実施形態の構成図

符号の説明

１…改質器
２…燃料電池本体
３…蒸気発生器
４…バーナ
４…改質器バーナ
５…燃料供給ライン
６…燃料遮断弁
７…改質ガス供給ライン
８…昇温ライン
９…制御遮断弁
１０…改質器温度計
１１…蒸気温度計
１２…制御部
１３…加熱用ヒータ

Claims (7)

1. 燃料を改質し、改質ガスを生成する改質器と、前記改質器の昇温用に燃焼熱を生成するバーナと、燃料電池本体と、を有する燃料電池発電システムであって、
   前記改質器からの改質ガスを前記バーナへ供給する昇温ラインを備え、
   システムの起動時において前記バーナにより前記改質器が昇温される際に、昇温途中の前記改質器からのガスが前記昇温ラインを通じて燃料電池本体を介すことなく前記バーナへ供給されることを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 改質反応に必要となる蒸気を生成する蒸気発生器と、
   前記蒸気発生器内で発生する蒸気温度を計測する蒸気温度計と、
   前記改質器内の温度を計測する改質器温度計と、
   前記蒸気温度計により計測された蒸気温度と前記改質器温度計により計測された改質器内の温度に基づいて前記改質器への燃料の供給を調整する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記蒸気温度計により計測された前記蒸気温度が所定値以上になるまでに、前記改質器温度計により計測される温度が前記改質器内に炭素析出が発生する温度以上に上昇する場合に、前記改質器への燃料の供給を停止することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
3. 前記制御部は、前記蒸気温度計により計測された前記蒸気発生器内の蒸気温度が所定値以上になるまでに、前記改質器内で炭素析出が発生する温度以上に当該改質器内の温度が上昇した場合には、前記昇温ラインを遮断することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電システム。
4. 前記蒸気発生器内に貯留した水分を加熱するための加熱用ヒータを備え、
   前記制御部は、前記加熱用ヒータを通じて前記蒸気発生器中の水分が加熱されることにより発生する蒸気の温度が前記所定値以上に上昇するか否かを判断し、前記所定値以上になった場合に前記改質器への燃料を供給するよう制御することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電システム。
5. 燃料を改質し、改質ガスを生成する改質器と、前記改質器の昇温用に燃焼熱を生成するバーナと、燃料電池本体と、を有する燃料電池発電システムの制御方法であって、
   前記改質器からの改質ガスを前記バーナへ供給する昇温ラインを備え、
   システムの起動時において前記バーナにより前記改質器が昇温される際に、昇温途中の前記改質器からのガスが前記昇温ラインを通じて燃料電池本体を介すことなく前記バーナへ供給されるよう制御することを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
6. 改質反応に必要となる蒸気を生成する蒸気発生器と、
   前記蒸気発生器内で発生する蒸気温度を計測する蒸気温度計と、
   前記改質器内の温度を計測する改質器温度計と、を備え、
   前記蒸気温度計により計測された蒸気温度と前記改質器温度計により計測された改質器内の温度に基づいて前記改質器への燃料の供給を調整する制御ステップを実行し、
   前記制御ステップは、前記蒸気温度計により計測された前記蒸気温度が所定値以上になるまでに、前記改質器温度計により計測される温度が前記改質器内に炭素析出が発生する温度以上に上昇する場合に、前記改質器への燃料の供給を停止することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池発電システムの制御方法。
7. 前記蒸気発生器内に貯留した水分を加熱するための加熱用ヒータを備え、
   前記制御ステップは、前記加熱用ヒータを通じて前記蒸気発生器中の水分が加熱されることにより発生する蒸気の温度が前記所定値以上に上昇するか否かを判断し、前記所定値以上になった場合に前記改質器への燃料を供給するよう制御することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池発電システムの制御方法。

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