JP2016023127A - 水素生成装置および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】原燃料の組成を推定し、水素生成装置で生成する水素リッチな燃料ガス量を正確に制御する。
【解決手段】原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器１と、原燃料供給器２と、改質水供給器３と、原燃料および燃料ガスの少なくとも一方の燃焼ガスを燃焼し、改質器１を加熱する燃焼器４と、燃焼器４に燃焼空気を供給する燃焼空気供給器５と、燃焼空気の流量を計測する燃焼空気流量計測器６と、燃焼器排ガス流路８中に設けられ燃焼排ガスの酸素濃度を計測する酸素濃度計測器７と、原燃料および燃焼空気の供給量が一定となるように制御して燃焼させた場合に、酸素濃度計測器７で計測した燃焼排ガスの酸素濃度に基づいて、改質器１への原燃料の供給量の目標値、および、改質器１への改質水の供給量の目標値のうちの少なくとも一つの制御パラメータを設定する制御器９と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも炭素および水素から構成される有機化合物原燃料を、水蒸気改質して、水素リッチな燃料ガスを生成する水素生成装置と、この水素生成装置で得られた水素リッチな燃料ガスを使って発電する燃料電池本体を備える燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、少なくとも炭素および水素から構成される有機化合物原燃料の水蒸気改質により生成した水素リッチな燃料ガスを発電の燃料として用い、空気中の酸素等の酸化剤との反応により電気エネルギーを、高効率で得られるシステムとして知られている。

水素あるいは水素リッチな燃料ガスは、一般的な原燃料インフラとして整備されておらず、通常燃料電池システムは、水素生成装置を備え広く普及している都市ガス、天然ガスおよびＬＰＧガス等の炭素および水素から構成される原燃料を、水蒸気改質させて水素リッチな燃料ガスを生成させ発電に利用する方式が多く採用されている。

炭素および水素から構成される有機化合物原燃料の水蒸気改質反応は、原燃料と水蒸気を改質触媒のもとで７００℃程度の高温で反応させることにより、水素リッチな燃料ガスを生成するものである。この水蒸気改質反応を効率よく安定的に行うためには、原燃料の組成および供給量に適した水蒸気量が水素生成装置に供給される必要がある。

また、原燃料の水蒸気改質反応に必要な熱エネルギーは、水素生成装置に設けたバーナ等の燃焼器で、原燃料または生成した水素リッチな燃料ガスのうち少なくとも一方である燃焼ガスを、燃焼させて得る方式が一般的であり、燃焼器には燃焼ガスの組成および供給量に適した量の燃焼空気を供給し、燃焼空気過不足による燃焼不良を発生させないようにする必要がある。

ところで、一般に家庭への設置を前提として実用化が進められている水素生成装置を備えた燃料電池システムでは、原燃料として都市ガスやＬＰＧガスが想定されており、いずれの原燃料の場合でも、運転中の原燃料の組成の変動が少なく、予め設定された組成の原燃料が供給され続けることを前提とした運転制御が行われている場合がほとんどである。

しかしながら、水素生成装置を備えた燃料電池システムを欧州地域等の国をまたいでガスパイプライン網が張り巡らされている市場へ設置した場合、ガスパイプライン網を流れる原燃料の組成が永続的には一定ではなく、季節、場所あるいは原燃料産地等により刻々と変化することが想定される。

予め設定された組成の原燃料が供給され続けることを前提とした、水素生成装置を備えた燃料電池システムでは、供給される原燃料の組成が変化した場合、原燃料の供給量を正確に制御できなくなり、予め設定された組成の原燃料に対して最適化された改質水の供給量では過不足が生じる恐れがある。

一般に改質水が不足すると、原燃料が炭化し触媒上に析出する等の不具合が生じることが知られている。一方、改質水が過剰となると、改質水が蒸気となるのに必要な蒸発熱が多くなるため水素生成装置の効率は低下してしまう。

また、同様に、原燃料の供給量を正確に制御できなくなると、予め設定された組成の原
燃料に対して最適化された燃焼空気の供給量では過不足が生じる恐れがある。一般に、燃焼器での燃焼ガスの完全燃焼に必要な燃焼空気量は、理論燃焼空気量に若干の余裕度を持たせて設定される。燃焼空気の供給量に不足が生じると不完全燃焼が起こる。一方、過剰な場合には火炎が吹き消える等の燃焼不良につながる可能性がある。

さらに、原燃料の供給量を正確に制御できなくなると、水素生成装置で生成される水素リッチな燃料ガスの量も制御できなくなり、水素リッチな燃料ガスの過不足につながる恐れがある。

水素リッチな燃料ガス不足の場合には燃料電池本体での発電が継続できなくなり、過剰の場合には水素生成装置に設けた燃焼器で発生する熱エネルギーが多くなりすぎ触媒温度等が過昇温してしまう等の課題が発生する。

上記課題を解決する手段として、燃焼部で原燃料ガスを燃焼させ、改質部の温度変化から原燃料ガスの発熱量を求め、原燃料の組成とその燃焼時の発熱量との関係が示された基準データに基づき、発熱量から原燃料の組成を推定する水素生成装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示されている水素生成装置は、燃焼部での原燃料の燃焼における発熱量を検知する発熱量検知手段を備え、検知された原燃料の発熱量に基づいて原燃料の組成を推定し、推定した原燃料の組成から水素生成装置への改質水供給量を調整するように構成されている。

また、特許文献２に開示されている燃料電池システムは、原燃料流量計測器と、燃焼空気流量計測器と、バーナと、バーナ排ガス流路に酸素濃度計測器を備えるよう構成されている。特許文献２には、バーナでの燃焼を安定させるために、バーナの燃焼排ガスの酸素濃度を計測する酸素濃度計測器で計測された酸素濃度計測値に基づいて、バーナに供給する燃焼空気の流量設定値をフィードバック制御することが記載されている。

特開２００５−２００２６０号公報 特開２００４−３９４２０号公報

前述の従来の水素生成装置においては、燃焼部で原燃料を燃焼させ、発熱量検知手段によって発熱量を検知し、原燃料の単位供給量当たりの発熱量を算出する必要がある。

その際、組成の異なる複数種の原燃料の供給量を計測する手段として、単一の原燃料流量計測器を用いた場合、計測値と実際の原燃料の供給量に差が生じ、組成が推定できなくなるという課題があった。

即ち、一般に原燃料流量計測器は、ある特定の原燃料種１つに対してのみ正確に計測できるよう調整されていることが普通である。欧州地域等の国をまたいでガスパイプライン網が張り巡らされている市場へ前述の水素生成装置を設置した場合、ガスパイプライン網を流れる原燃料の組成が永続的には一定ではなく、季節、場所あるいは原燃料産地等により刻々と変化することが想定される。

従って、従来の水素生成装置では、組成の異なる複数種の原燃料が供給された場合に、
組成が推定できなくなるという課題があった。

実際の原燃料の組成と推定した原燃料の組成にずれが生じると、水素生成装置で生成される水素リッチな燃料ガスの過不足につながる恐れがある。水素リッチな燃料ガスが過剰となると、改質器の過昇温になる恐れがある。また、不足すると燃料電池本体に供給される燃料が不足し、いずれの場合も定格出力での発電が継続できなくなる恐れがある。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、原燃料の組成が永続的に一定ではなく、季節、場所あるいは原燃料産地等により刻々と変化する場合でも、原燃料の組成を推定し、水素生成装置で生成する水素リッチな燃料ガス量を正確に制御することが可能な水素生成装置およびこれを備える燃料電池システムを提供する。

上記従来の課題を解決するために、本発明の水素生成装置は、原燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器へ前記原燃料を供給する原燃料供給器と、前記改質器へ改質水を供給する改質水供給器と、前記原燃料および前記水素リッチな燃料ガスのうちの少なくとも一方である燃焼ガスを燃焼し、前記改質器を加熱する燃焼器と、前記燃焼器に燃焼空気を供給する燃焼空気供給器と、前記燃焼器に供給される燃焼空気の流量を計測する燃焼空気流量計測器と、前記燃焼器から排出される燃焼排ガスの酸素濃度を計測する酸素濃度計測器と、前記燃焼器への前記原燃料および燃焼空気の供給量が一定となるように制御して燃焼させた場合に、前記酸素濃度計測器で計測した前記燃焼排ガスの酸素濃度に基づいて、前記原燃料中の組成を推定し、前記改質器への前記原燃料の供給量の目標値、および、前記改質器への前記改質水の供給量の目標値のうちの少なくとも一つの制御パラメータを設定する制御器と、を備えることを特徴とする。

これにより、原燃料の組成を推定し、生成する水素リッチな燃料ガス量を正確に制御することが可能となる。

本発明の水素生成装置は、原燃料の組成を推定し、生成する水素リッチな燃料ガス量を正確に制御することが可能となる。また、これを備えた燃料電池システムは、水素リッチな燃料ガスの過不足によって生じる課題を回避し、定格出力での発電が継続できる。

本発明の実施の形態１における水素生成装置の構成ブロック図 本発明の実施の形態２における燃料電池システム構成ブロック図

第１の発明は、原燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器へ前記原燃料を供給する原燃料供給器と、前記改質器へ改質水を供給する改質水供給器と、前記原燃料および前記水素リッチな燃料ガスのうちの少なくとも一方である燃焼ガスを燃焼し、前記改質器を加熱する燃焼器と、前記燃焼器に燃焼空気を供給する燃焼空気供給器と、前記燃焼器に供給される燃焼空気の流量を計測する燃焼空気流量計測器と、前記燃焼器から排出される燃焼排ガスの酸素濃度を計測する酸素濃度計測器と、前記燃焼器への前記原燃料および燃焼空気の供給量が一定となるように制御して燃焼させた場合に、前記酸素濃度計測器で計測した前記燃焼排ガスの酸素濃度に基づいて、前記原燃料中の組成を推定し、前記改質器への前記原燃料の供給量の目標値、および、前記改質器への前記改質水の供給量の目標値のうちのの少なくとも一つの制御パラメータを設定する制御器と、を備える水素生成装置である。

上記構成により、原燃料の組成を推定し、生成する水素リッチな燃料ガス量を正確に制御することが可能となる。

第２の発明は、特に、第１の発明の水素生成装置において、前記制御器は、前記原燃料の燃焼を開始する着火時に、前記燃焼器への前記原燃料および燃焼空気の供給量が一定となるように制御することを特徴とする水素生成装置である。

上記構成により、水素生成装置は、毎始動時に供給される原燃料の組成を推定することとなり、原燃料の組成が永続的には一定ではなく、季節、場所あるいは原燃料産地等により刻々と変化する場合でも、生成する水素リッチな燃料ガス量を正確に制御することが可能となる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明の水素生成装置を備えたことを特徴とする燃料電池システムである。

上記構成により、燃料電池システムは、毎始動時に供給される原燃料の組成を推定することとなり、原燃料の組成が永続的には一定ではなく、季節、場所あるいは原燃料産地等により刻々と変化する場合でも、水素リッチな燃料ガスの過不足によって生じる課題を回避し、定格出力での発電が継続できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における水素生成装置の構成ブロック図を示すものである。

図１に示すように、本実施の形態における水素生成装置は、原燃料を水蒸気改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質器１を備える。改質器１は改質触媒、変成触媒および選択酸化触媒等から構成される。原燃料は炭素および水素から構成される有機化合物を含み、主には都市ガス、天然ガスおよびＬＰＧ等が使用され、原燃料供給器２によって改質器１へ圧送される。

原燃料供給器２として、ブロワ、ポンプ等を利用することができる。また、高圧の原燃料ボンベなどの原燃料インフラに直接接続して、減圧機構を持たせるような構成とすることもできる。原燃料の供給経路には、改質器１をバイパスさせて燃焼器４に直接原燃料を供給する経路を備えるように構成してもよい。

改質水供給器３は、改質器１で原燃料を水蒸気改質させるのに必要な水を圧送して供給する。改質水供給器３として、ポンプ等を利用することができる。

燃焼器４は、改質器１での水蒸気改質反応に必要な熱を、原燃料または水素リッチな燃料ガスの少なくともどちらか一方を燃焼ガスとして燃焼させて発生させる。燃焼器４としては、バーナ等を用いることができる。

燃焼空気供給器５は、燃焼器４に必要な燃焼空気を供給する。燃焼空気供給器５としてブロワ、ファン等を用いることができる。

燃焼空気流量計測器６は、燃焼空気供給器５が供給する燃焼空気流量を計測する。燃焼空気供給器５は、燃焼空気流量計測器６により計測された計測値が予め設定された燃焼空
気流量設定値となるように制御器９により制御される。

酸素濃度計測器７は、燃焼器排ガス流路８中に設けられ排ガスの酸素濃度を計測する。酸素濃度計測器７としては、ジルコニア式の酸素濃度計等の広く一般に使用されているものを用いることができる。

以上のように構成された水素生成装置について、以下その動作、作用を説明する。

まず、本実施の形態の水素生成装置は、燃焼器４に供給される原燃料およびその燃焼に必要な燃焼空気のそれぞれの量が一定となるように制御して燃焼を行う。それぞれの供給量が一定に保たれている燃焼中に、酸素濃度計測器７により燃焼器排ガス流路８流れる燃焼排ガスの酸素濃度を計測する。

このとき、酸素濃度計測器７による燃焼排ガスの酸素濃度計測値より燃焼器４における燃焼の燃焼空気比λを算出することが可能である。

一般に、水素生成装置を始動させる際には、改質器１の温度が上昇するまでは原燃料を燃焼させて改質反応に必要な熱エネルギーを得ることが普通であるから、毎始動の際にこの原燃料の組成を推定すれば、原燃料の組成が永続的には一定ではなく、季節、場所あるいは原燃料産地等により刻々と変化する場合でも、原燃料の組成を推定し、生成する水素リッチな燃料ガス量を正確に制御することが可能となる。

上述のようにして原燃料の組成を推定し、その推定した原燃料の組成をもとにして、改質器１へ供給する原燃料の供給量の目標値、改質器１へ供給する改質水の供給量の目標値および燃焼器４への燃焼空気の供給量の目標値が設定される。

ここで、それぞれ組成の異なる原燃料３種を想定しそれぞれの組成を推定し、生成する水素リッチな燃料ガス量を正確に制御する具体例を述べる。

原燃料として、メタン（ＣＨ_４）１００％の原燃料、メタン（ＣＨ_４）が５０％でエタン（Ｃ_２Ｈ_６）が５０％の原燃料、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）１００％の原燃料の３種の原燃料が無作為に供給される原燃料インフラが存在すると仮定する。

水素生成装置を始動させる際に、まず、３種の原燃料うち組成がわかっていない原燃料を、例えば１ＮＬ／ｍｉｎの流量で燃焼器４に供給し、燃焼空気は燃焼空気流量計測器６の値が、例えば２０ＮＬ／ｍｉｎとそれぞれが一定となるように制御して燃焼器４での燃焼を開始させる。

原燃料を１ＮＬ／ｍｉｎで供給する具体的な方法としては、例えば原燃料供給器２にある一つの操作量を与えた時に、気体流体が１ＮＬ／ｍｉｎ流れるように系を前もって調整しておく等の方法により実現可能である。

ここで、メタン（ＣＨ_４）１００％の原燃料、メタン（ＣＨ_４）が５０％でエタン（Ｃ_２Ｈ_６）が５０％の原燃料、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）１００％の原燃料を、それぞれ完全燃焼させる反応について考える。

メタン（ＣＨ_４）１００％の原燃料の完全燃焼は、次式で表される。

ＣＨ_４＋２Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ
メタン（ＣＨ_４）が５０％でエタン（Ｃ_２Ｈ_６）が５０％の原燃料の完全燃焼は、次式
で表される。

０．５ＣＨ_４＋０．５Ｃ_２Ｈ_６＋２．７５Ｏ_２→１．５ＣＯ_２＋２．５Ｈ_２Ｏ
エタン（Ｃ_２Ｈ_６）１００％の原燃料の完全燃焼は、次式で表される。

Ｃ_２Ｈ_６＋３．５Ｏ_２→２ＣＯ_２＋３Ｈ_２Ｏ
以上のことから、各原燃料１ＮＬ／ｍｉｎの完全燃焼に必要な燃焼空気流量は、メタン（ＣＨ_４）１００％の原燃料で約９．５ＮＬ／ｍｉｎ、メタン（ＣＨ_４）が５０％でエタン（Ｃ_２Ｈ_６）が５０％の原燃料で１３．１ＮＬ／ｍｉｎ、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）１００％の原燃料で１６．７ＮＬ／ｍｉｎとなる。

それぞれの原燃料１ＮＬ／ｍｉｎを、固定燃焼空気流量２０ＮＬ／ｍｉｎで燃焼させたとき、燃焼空気比λは、メタン（ＣＨ_４）１００％の原燃料で約２．１、メタン（ＣＨ_４）が５０％でエタン（Ｃ_２Ｈ_６）が５０％の原燃料で約１．５、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）１００％の原燃料で約１．２となる。

燃焼空気比λは、燃焼排ガスの酸素濃度より、以下の式によって算出される。

λ＝｛１／（２１−排気ガスの酸素濃度）｝×２１
本実施の形態の水素生成装置は、燃焼器排ガス流路８中に設けられた酸素濃度計測器によって、燃焼器４における燃焼空気比λを算出することが可能であるから、もし、算出されたλの値が約２．１であればメタン（ＣＨ_４）１００％の原燃料、約１．５であればメタン（ＣＨ_４）が５０％でエタン（Ｃ_２Ｈ_６）が５０％の原燃料、約１．２であればエタン（Ｃ_２Ｈ_６）１００％の原燃料が供給されていることを推定することができる。

制御器９は原燃料の推定結果から、改質器１への原燃料の供給量の目標値、改質器１への改質水の供給量の目標値および燃焼器４への燃焼空気の供給量の目標値の全てまたは少なくともいずれか一つの制御パラメータを設定するように動作する。

この制御パラメータ設定を、水素生成装置の毎始動時の原燃料着火時に行うことで、原燃料の組成が永続的には一定ではなく、季節、場所あるいは原燃料産地等により刻々と変化する場合でも、原燃料の組成を推定し、生成する水素リッチな燃料ガス量を正確に制御することが可能となる。

（実施の形態２）
図２は、実施の形態１における水素生成装置と、水素生成装置より生成される水素リッチな燃料ガスを利用して発電する燃料電池本体１０を備える実施の形態２における燃料電池システムのシステム構成ブロック図である。

燃料電池本体１０には、固体高分子型燃料電池等を用いることができる。燃料電池本体１０は、改質器１と配管を介して接続され、生成する水素リッチな燃料ガスを燃料として発電が行われる。

また、燃料電池本体１０には空気等の酸化剤をカソード極に供給するためのブロワ等（図示せず）が接続される。また、燃料電池本体１０での発電に伴って生成される水を回収・再利用し燃料電池本体１０の水冷および改質水に利用する構成（図示せず）を有する。

本実施の形態の燃料電池システムでは、水素生成装置の毎始動時に実施の形態１の場合と同様にして、供給される原燃料の組成を推定することができる。

原燃料の組成が永続的には一定ではなく、季節、場所あるいは原燃料産地等により刻々と変化する場合でも、水素生成装置の毎始動時に原燃料の組成を推定し、その推定した原燃料の組成をもとにして、改質器１へ供給する原燃料の供給量の目標値、改質器１へ供給する改質水の供給量の目標値および燃焼器４への燃焼空気の供給量の目標値が設定されるため、水素リッチな燃料ガスの過不足によって生じる課題を回避し、定格出力での発電が継続できる。

以上のように、本発明にかかる水素生成装置および燃料電池システムは、原燃料の組成が永続的には一定ではなく、季節、場所あるいは原燃料産地等により刻々と変化する場合でも、原燃料の組成を推定し、生成する水素リッチな燃料ガス量を正確に制御することが可能となる。

また、これを備えた燃料電池システムは、水素リッチな燃料ガスの過不足によって生じる課題を回避し、定格出力での発電が継続できるので、その他の少なくとも炭素および水素から構成される有機化合物原燃料を使用する機器にも適用できる。

１ 改質器
２ 原燃料供給器
３ 改質水供給器
４ 燃焼器
５ 燃焼空気供給器
６ 燃焼空気流量計測器
７ 酸素濃度計測器
８ 燃焼器排ガス流路
９ 制御器
１０ 燃料電池本体

Claims (3)

1. 原燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質器と、
   前記改質器へ前記原燃料を供給する原燃料供給器と、
   前記改質器へ改質水を供給する改質水供給器と、
   前記原燃料および前記水素リッチな燃料ガスのうちの少なくとも一方である燃焼ガスを燃焼し、
   前記改質器を加熱する燃焼器と、
   前記燃焼器に燃焼空気を供給する燃焼空気供給器と、
   前記燃焼器に供給される燃焼空気の流量を計測する燃焼空気流量計測器と、
   前記燃焼器から排出される燃焼排ガスの酸素濃度を計測する酸素濃度計測器と、
   前記燃焼器への前記原燃料および燃焼空気の供給量が一定となるように制御して燃焼させた場合に、
   前記酸素濃度計測器で計測した前記燃焼排ガスの酸素濃度に基づいて、
   前記改質器への前記原燃料の供給量の目標値、および、前記改質器への前記改質水の供給量の目標値のうちの少なくとも一つの制御パラメータを設定する制御器と、
   を備える水素生成装置。
2. 前記制御器は、前記原燃料の燃焼を開始する着火時に、前記燃焼器への前記原燃料および燃焼空気の供給量が一定となるように制御する、請求項１に記載の水素生成装置。
3. 請求項１または２に記載の水素生成装置と、
   前記水素生成装置より供給される前記水素リッチな燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、
   を備える燃料電池システム。

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