JP2008287946A - 燃料電池発電システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大幅なコストアップを生じさせず改質器用バーナの点火成功確率の向上可能な信頼性の高い燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】燃料電池発電システムが停止した場合を想定すると、起動中の改質器用バーナ２により燃焼触媒３０が燃焼に際し最適な温度まで上昇すると、システム制御装置４は、蒸気遮断弁２３を開栓するよう指示し、蒸気がパージガスとして改質器１内に供給される。なお、この供給される蒸気が改質器１に到達する前に、システム制御装置４を通じて起動用の原燃料ガスの改質器用バーナ２への供給を停止し、当該改質器用バーナ２の運転も停止させる。そして、パージガスである蒸気が改質器１内に供給されると、当該改質器１内に封じ込まれた燃料ガスがバーナ室へと供給され、改質器用バーナ２が停止した状況下において燃焼触媒３０と当該燃料ガスとが反応し触媒燃焼を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、システムの停止時に燃料処理系において封じ込まれる燃料の処理に係り、専用のパージバーナを用いることなく安全且つシステムの信頼性の向上することが可能な燃料発電システムに関する。

近年、酸化剤（例えば空気）と燃料（例えば水素を含む混合ガス）とを電気化学的に反応させることで発電する燃料電池は、高効率かつ環境負荷を低減可能な発電装置として脚光を浴びており、性能向上、コスト削減や高耐久化のための研究が行われている。

この燃料電池による発電システムは、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改質器と、当該改質器により生成されたこの改質ガスを燃料ガスとして空気等の酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池本体と、原燃料ガスの流量、酸化剤ガスの流量や当該システムの起動等を制御するシステム制御装置などから構成されている。この燃料電池発電システムにおいて、当該システムの停止時に上記改質器や周辺配管に封じ込まれ残留している燃料ガスを排気処理する方法として、以下にような方法が提案されている。

従来技術として、まず、燃料電池発電システムの停止時において窒素等の不活性ガスをパージガスとして使用することにより、改質器等内に封じ込まれた燃料ガスを改質器に付属の燃焼器に排出させ、封じ込まれていた残存ガスを完全燃焼させる方法が開発されている（特許文献１参照）。また、システムの停止時に不活性ガスによるパージを行わず、起動時に封じ込まれた燃料ガスを専用のパージバーナを使用することで燃焼させ処理する方法も挙げられる。

この専用のパージバーナを設置したシステム全体の概略図は図３の通りである。図３によれば、不活性ガス等のパージガスにより封じ込まれた燃料ガスを改質器から送出し、設置された専用のパージバーナに流入させることで、当該封じ込まれた燃料ガスを燃焼させ排気として処理している。

具体的には、図４のタイミングチャートのように、改質器用のバーナが設置されたバーナ室にバーナ空気を常時一定量供給し、当該バーナ室にも原燃料が供給されるのでバーナは常時駆動することにより改質器を昇温している。ここで、改質器に封じ込まれていた燃料ガスは、システムの停止時に不活性ガス等のパージガスにより専用のパージバーナへ供給されることとなり、当該パージバーナによって排気処理されることとなる。

また、上記のような専用のパージバーナや不活性ガスによるパージを利用することなくランニングコストの低減のために、システムに封じ込まれた燃料ガスを改質器用バーナに起動用のバーナ燃料ガスと共に供給する方法も開発されている（特許文献２参照）。なお、システムの停止により封じ込まれた燃料ガスに対して特段の処理も課さずに外部に放出する方法も挙げられる。
特開２００５−２２８６２１号公報 特開２００２−７５４２６号公報

ところで、上記のような従来技術である不活性ガスをパージガスとして使用し、システムの停止時に改質器等に封じ込まれた燃料ガスを燃焼器へ排出する方法では、封じ込まれた燃料ガスの廃棄処理に関して燃焼器において完全燃焼させる必要があるため、安全面に支障は生じないが、システム停止時においても燃焼器を常時稼動させる必要があり、点火効率が低下し得る。

また、システム内に封じ込まれた燃料ガスを専用のパージバーナにより燃焼処理する方法では、専用のパージバーナ、周辺配管や当該パージバーナへの空気供給機構が必要となり大幅なコストアップを招いてしまい、さらにはシステム全体が複雑化する。

システム内に封じ込まれた燃料ガスを起動用の燃料ガスと共に改質器用バーナに供給する方法では、改質器に供給する空気と燃料ガスとの比を適切に保つことが困難で、この改質器用バーナにおいて適当な燃焼が確保されず、バーナ失火による起動不全が生じてしまう。

また、システム内に封じ込まれた燃料ガスに対して特段の処理をせずに外部へ放出する方法では、外部放出に際し遮断弁や周辺配管が必要となり、上記同様にシステムの複雑化を招くだけでなく、一時的ではあるが可燃ガスを外部に放出するので安全性に欠けるといった問題が生じる。

本発明は、上記問題を解消するために提案されたものであって、その目的は、システムが複雑化及び大幅なコストアップを生じさせることなく、改質器用バーナの点火成功確率を向上させることが可能な信頼性の高い燃料電池発電システムを提供することにある。

上述した目的を達成するために、本発明は、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改質器と、前記原燃料ガスの供給により前記改質器を加熱するためにバーナ室内に設けられたバーナと、前記改質器により得られた前記改質ガスを燃料ガスとして酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池本体と、制御装置と、を備えた燃料電池発電システムにおいて、前記バーナ室内に燃焼触媒を設け、前記制御装置は、システムの運転停止時に、前記バーナの運転を停止し、前記システムの運転停止により前記改質器内に残留した燃料ガスを前記バーナ室に流入させるためにパージガスを前記改質器に供給し、前記残留した燃料ガスは、前記バーナ室内に設けた前記燃焼触媒による触媒燃焼で排気処理されることを特徴とする。

また、本発明は、前記パージガスを前記改質器に供給する前に、前記バーナにより前記バーナ室内に設けられた前記燃焼触媒を前記残留した燃料ガスが完全燃焼する温度に加熱しておき、パージガスにより前記残留した燃料ガスを前記バーナ室に流入させる際に、前記残留した燃料ガスが前記燃焼触媒と完全燃焼するために所定量の空気を前記バーナ室に供給する点も包含する。

また、本発明を制御方法の観点から捉えた下記の点も一態様である。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改質器と、前記原燃料ガスの供給により前記改質器を加熱するためにバーナ室内に設けられたバーナと、前記改質器により得られた前記改質ガスを燃料ガスとして酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池本体と、制御装置と、を備えた燃料電池発電システムの制御方法において、前記バーナ室内に燃焼触媒を設け、前記制御装置は、前記バーナにより前記バーナ室内に設けられた前記燃焼触媒を、システムの運転停止により残留した燃料ガスが完全燃焼する温度に加熱し、当該システムの運転停止に伴い、前記バーナの運転及び前記原燃料ガスの前記バーナ室への供給を停止し、前記残留した燃料ガスを前記バーナ室に流入させるためにパージガスを前記改質器に供給し、当該パージガスにより前記残留した燃料ガスを前記バーナ室に流入させる際には、前記残留した燃料ガスが前記燃焼触媒と完全燃焼するために所定量の空気を前記バーナ室に供給することを特徴とする。

以上のような本発明によれば、燃料電池発電システム内に封じ込まれ燃料ガスを排気処理するに当たり、専用のパージバーナやその他の周辺機器を設置する必要がないので大幅なコストアップも生じなく、また、封じ込められた燃料ガスを適切に処理することができるので、改質器用バーナの点火性が向上することにより信頼性の高い燃料電池発電システムを提供することが可能である。

［１．本実施形態］
［構成］
次に、本実施形態に係る燃料電池発電システムの全体構成について、図１を参照して以下に詳述する。図１の通り、本システムには大別すると、改質器１、改質器用バーナ２、燃料電池本体３、システム制御装置４が配設されており、原燃料ガスの流路である配管が改質器１と改質器用バーナ２に接続され、改質器１により生成された水素リッチな改質ガスが燃料電池本体３に供給されるよう構成されている。

ここで、改質器１は、一般的なものと同様で炭化水素を含む原燃料ガスを改質し、水素リッチな燃料ガスを生成するものである。また、改質器用バーナ２は、改質器１内を昇温させるイグナイタ等を始動器として使用した燃焼器である。

燃料電池本体３は、原燃料ガスから改質器１により改質された燃料ガスを空気等の酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギーを発生させるものであり、電解質（例えば固体高分子膜）を酸化剤極（カソード）と燃料極（アノード）で挟持してなる単位セルを積層させて形成されている。システム制御装置は４、燃料電池発電システム全体の起動・停止や原燃料ガス及び酸化剤ガスの供給・遮断等を制御するものであり、前記改質器用バーナ２の他、後述する遮断弁、温度センサやポンプ等（図示しない）に接続され、当該機器の運転を管理している。

なお、図示しないが燃料電池本体３の積層セルを冷却及び加湿するための水循環系や酸化剤ガスを燃料電池本体３に供給する酸化剤供給系が設置されている。また、この水循環系には、燃料電池本体３における排熱を吸収した循環水から熱交換する熱交換器や循環する水を貯留する水タンク等が配設されており、排熱処理系としても機能している。

ここで、原燃料ガスが改質器１に供給される流路には、当該原燃料の供給・遮断を制御する燃料遮断弁２１が設置され、また、改質器用バーナ２に供給される流路にはバーナ用燃料遮断弁２２が設置されている。なお、上記燃料遮断弁２１やバーナ用燃料遮断弁２２の代わりに原燃料ガスの供給路のうち改質器１側と改質器用バーナ２側への分岐点に三方弁を設ける構成とした実施形態も本発明は包含する。

さらに、図示しないが、原燃料ガスを改質器１及び改質器用バーナ２に供給するための動力源となるポンプも配設されている。また、本実施形態では蒸気がパージガスとして改質器１に供給されるので、そのための流路が図１のように改質器１に接続され、当該流路には蒸気の供給・遮断を制御する蒸気遮断弁２３が設置されている。

なお、この改質器１にパージガスとして供給される蒸気には、本燃料電池発電システム内で発生した蒸気が利用されている。例えば、通常昇温した改質器１内に供給される改質水が原燃料ガスとの反応と共に熱を受け取るので、これにより発生した蒸気がパージの供給源として使用される。また、図示しないが、改質器１に供給するための動力源となるポンプも当該流路に配設されている。

また、改質器用バーナ２が設置されたバーナ室の空気をパージするために当該空気がバーナ室に供給されるための流路が設けられ、この流路には改質器用バーナ２への空気の供給・遮断を制御する空気遮断弁２４が配設されている。なお、空気供給の動力源としてポンプ（図示しない）が設置され、空気が改質器用バーナ２に供給される。あるいは酸化剤供給系（図示しない）から酸化剤ガスである空気が燃料電池本体３だけでなく、この改質器用バーナ２に供給される構成態様も本発明は包含する。この改質器用バーナ２が設置されたバーナ室には、燃焼排気を外部へ送出するための流路も設けられている。

また、改質器１により改質された燃料ガスが燃料電池本体３に供給されるための流路が設置され、また当該流路には、システムの停止時に改質器１内に封じ込まれた燃料ガスを蒸気をパージガスとして改質器用バーナ２へ供給するための流路も分岐して接続されている。改質器１から燃料電池本体３に接続される流路には、改質された燃料ガスを供給・遮断する改質遮断弁２５が設置され、当該流路から分岐され改質器用バーナ２に接続された流路には、封じ込まれた燃料ガスを供給・遮断する循環遮断弁２６が設置されている。

なお、この設置された改質遮断弁２５と循環遮断弁２６の代わりに、改質器１から燃料電池本体３に接続される流路中の当該燃料電池本体３側と改質器用バーナ２側との分岐点に三方弁を配設する実施形態も本発明は包含する。

また、本発明の特徴として改質器用バーナ２が設置されたバーナ室には、封じ込まれた燃料ガスと反応する燃焼触媒３０が設けられており、改質器用バーナ２を通じて昇温し供給される封じ込まれた燃料ガスと適切に触媒燃焼する。

なお、上述したシステム制御装置４が、燃料遮断弁２１、バーナ用燃料遮断弁２２、蒸気遮断弁２３、空気遮断弁２４、改質遮断弁２５、循環遮断弁２６の開閉、そして燃料ガスや蒸気、空気の流量を調整する各種ポンプ（図示しない）の運転を制御し、本燃料電池発電システムの駆動及び停止時における各機器の動作を管理している。

［作用］
次に、本実施形態における燃料電池発電システムの作用を図２のタイミングチャートを参照して、以下に説明する。なお、本実施形態では、燃料電池発電システムの停止時において改質器１に封じ込まれた燃料ガスを排気処理する手順を詳述する。

まず、燃料電池発電システムの起動時では、改質器１の温度を改質反応が行われる最適な温度にまで上昇させるために改質器用バーナ２の点火を開始する。具体的には、システム制御装置４からの指示により空気遮断弁２４を開栓することにより改質器用バーナ２が設置されたバーナ室に空気が供給される。バーナ室内の空気パージが完了すると、システム制御装置４の指示によりバーナ用燃料遮断弁２２が開栓され、改質器用バーナ２に原燃料ガスが供給される。

そして、このシステム制御装置４の指示で、イグナイタ等の始動器を用いて改質器用バーナ２を点火し、改質器１の昇温が開始される。なお、この時点では、燃料電池発電システムは駆動中であるため、システム制御装置４を介して燃料遮断弁２１は開栓し、原燃料ガスが改質器１内に供給され改質ガスが生成されている。

ここで、燃料電池発電システムが停止した場合を想定すると、システム制御装置４は開栓していた燃料遮断弁２１を閉栓状態とすることで当該改質器１内に原燃料が供給されないよう制御するが、改質器１内に供給されていた燃料ガスが封じ込められる現象が生じてしまう。

なお、システムの起動中における改質器用バーナ２の点火により、バーナ室内に設けられた燃焼触媒３０も昇温されるので、当該燃焼触媒３０は封じ込められた燃料ガスと触媒燃焼が適切に行える温度まで上昇している。すなわち、当該燃料ガスが燃焼触媒３０と完全燃焼する温度まで、この燃焼触媒３０は改質器用バーナ２によって加熱される。また、この燃焼触媒３０の温度は、温度計や温度センサ等（図示しない）をバーナ室内に設置することにより、システム制御装置４を介して検知する。

そして、システム停止時においても燃焼触媒３０が燃焼に際し最適な温度まで上昇していることを前提に、システム制御装置４は、蒸気遮断弁２３を開栓するよう指示し、蒸気がパージガスとして改質器１内に供給される（図２によれば、蒸気パージをＯＦＦから設定２まで増加させる）。なお、この供給される蒸気が改質器１に到達する前に、システム制御装置４を通じて起動用の原燃料ガスの改質器用バーナ２への供給を停止し、当該改質器用バーナ２の運転も停止させる。具体的には、システム制御装置４が原燃料ガスの供給に際し動力源となるポンプを停止させたり、バーナ用燃料遮断弁２２を閉栓するよう制御する。

また、原燃料ガスの供給及び改質器用バーナ２の運転の停止と同時に、空気遮断弁２４を開栓し、設置された空気供給用のポンプ（図示しない）が駆動するよう制御することにより、封じ込まれた燃料ガスを適切に燃焼触媒３０と反応させ完全燃焼するようバーナ室内の空気を最適量に確保する（一般的には図２のように、設定１から設定２に空気量を増加させる）。なお、この空気量は、例えば流量計や圧力センサ等（図示しない）によりシステム制御装置４を介して検知するものとする。

そして、パージガスである蒸気が改質器１内に供給されると、当該改質器１内に封じ込まれた燃料ガスがバーナ室へと供給され、改質器用バーナ２が停止した状況下において燃焼触媒３０と当該燃料ガスとが反応し触媒燃焼を行う。なお、蒸気の改質器１への供給に当たり、システム制御装置４は、予め改質器１から燃料電池本体３までの流路中に設置された改質遮断弁２５を閉栓し、改質器１から改質器用バーナ２までの流路中に設置された循環遮断弁を開栓するよう制御している。

バーナ室内において、封じ込まれた燃料ガスと燃焼触媒３０との燃焼が完了すると排気処理され、システム制御装置４を介して、バーナ用燃料遮断弁２２を閉栓することにより、原燃料ガスを改質器用バーナ２が設置されたバーナ室へ再供給する。そして、改質器用バーナ２の再点火を行い、改質器１の昇温を再開し、燃料電池発電システムが再起動するこことなる。

なお、改質器用バーナ２の再点火に伴い、バーナ室へ供給する空気量もシステム制御装置４を介して、空気遮断弁２４やポンプを調整することにより通常の駆動時用に制御する（図２でいえば、設定２から設定１に減少させる）。また、システムの再起動前においても、改質器１内に封じ込まれた燃料ガスがすべてバーナ室に流入されると、改質器１へ供給する蒸気は、その時点から図２のように設定２から設定１に減少させるようシステム制御装置４を介して蒸気遮断弁２３や動力源となるポンプを調整することにより制御される。

つまり、図２のタイミングチャートの通り、改質器用バーナ２を常時起動させたまま改質器１内に封じ込まれた燃料ガスを処理するのではなく、一旦停止させ、蒸気バージを行うことによりバーナ室内で昇温した燃焼触媒３０と燃料ガスとを反応させるので、起動用の燃料の燃焼と保圧用の燃料の燃焼とに分けて燃焼が行われている。そのため、改質器用バーナ２の点火成功率が向上し、燃料電池発電システム全体において高い信頼性が得られる。

以上のような本実施形態によれば、燃料電池発電システム内に封じ込まれた燃料ガスを排気処理に際し、専用のパージバーナやその他の周辺機器を設置する必要がないため大幅なコストアップが生じることもなく、また、封じ込められた燃料ガスを適切に処理することができるので、改質器用バーナの点火性が向上することにより信頼性の高い燃料電池発電システムを提供することが可能である。

［２．他の実施形態］
なお、本発明は、上記のような実施形態に限定せず、パージガスとして蒸気ではなく窒素等の不活性ガスを用いて、システムの停止時に改質器に封じ込まれた燃料ガスを改質器用バーナが設置されたバーナ室に供給する実施形態も包含する。

また、本発明は、システムの起動時にバーナ室に設けられた燃焼触媒を昇温させる実施形態に限らず、システムに停止時においてもシステム制御装置を介して改質器用バーナによって当該燃焼触媒を改質器への蒸気パージを行う前に加熱する動作態様も包含する。これにより、システム起動時に改質器内に封じ込まれた燃料ガスと適切に燃焼する温度に燃焼触媒が昇温されていなくても、停止時において再度改質器用バーナを通じて加熱することで燃焼触媒の温度を上昇させることができる。

本実施形態に係る燃料電池発電システムを示す概略図 本実施形態に係る燃料電池発電システムの改質器用バーナ、供給空気、蒸気パージの動作態様を示すタイミングチャート 従来技術である専用のパージバーナを設置した燃料電池発電システムを示す概略図 従来技術である専用のパージバーナを設置した燃料電池発電システムの改質器用バーナ、供給空気、蒸気パージの動作態様を示すタイミングチャート

符号の説明

１…改質器
２…改質器用バーナ
３…燃料電池本体
４…システム制御装置
２１…燃料遮断弁
２２…バーナ用燃料遮断弁
２３…蒸気遮断弁
２４…空気遮断弁
２５…改質遮断弁
２６…循環遮断弁
３０…燃焼触媒

Claims (6)

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改質器と、前記原燃料ガスの供給により前記改質器を加熱するためにバーナ室内に設けられたバーナと、前記改質器により得られた前記改質ガスを燃料ガスとして酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池本体と、制御装置と、を備えた燃料電池発電システムにおいて、
   前記バーナ室内に燃焼触媒を設け、
   前記制御装置は、システムの運転停止時に、
   前記バーナの運転を停止し、
   前記システムの運転停止により前記改質器内に残留した燃料ガスを前記バーナ室に流入させるためにパージガスを前記改質器に供給し、
   前記残留した燃料ガスは、前記バーナ室内に設けた前記燃焼触媒による触媒燃焼で排気処理されることを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 前記制御装置は、前記パージガスを前記改質器に供給する前に、前記バーナにより前記バーナ室内に設けられた前記燃焼触媒を前記残留した燃料ガスが完全燃焼する温度に加熱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. 前記制御装置は、パージガスにより前記残留した燃料ガスを前記バーナ室に流入させる際に、前記残留した燃料ガスが前記燃焼触媒と完全燃焼するために所定量の空気を前記バーナ室に供給することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池発電システム。
4. 前記制御装置は、システムの運転停止時における前記バーナの運転の停止と同時に、前記原燃料ガスの前記バーナ室へ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。
5. 前記パージガスが蒸気であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
6. 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改質器と、前記原燃料ガスの供給により前記改質器を加熱するためにバーナ室内に設けられたバーナと、前記改質器により得られた前記改質ガスを燃料ガスとして酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池本体と、制御装置と、を備えた燃料電池発電システムの制御方法において、
   前記バーナ室内に燃焼触媒を設け、
   前記制御装置は、
   前記バーナにより前記バーナ室内に設けられた前記燃焼触媒を、システムの運転停止により残留した燃料ガスが完全燃焼する温度に加熱し、
   当該システムの運転停止に伴い、前記バーナの運転及び前記原燃料ガスの前記バーナ室への供給を停止し、
   前記残留した燃料ガスを前記バーナ室に流入させるためにパージガスを前記改質器に供給し、
   当該パージガスにより前記残留した燃料ガスを前記バーナ室に流入させる際には、前記残留した燃料ガスが前記燃焼触媒と完全燃焼するために所定量の空気を前記バーナ室に供給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。

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