JP2752808B2 - 燃料電池の燃料切替方法およびその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池の燃料切替方
法およびその装置に係わり、さらに詳細には、燃料切替
による改質ガス中の水素量の一時的な減少に起因する燃
料電池出力の過渡変動を抑制し、燃料切替時も無瞬断で
所定の電池出力を得る燃料電池の燃料切替方法およびそ
の装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料切替が可能な燃料電池発電システム
として、これまでに図１に示すような熱交換器２，４，
６，８，１０，２６，２９及び３１、脱硫装置３、改質
装置５、ＣＯシフトコンバータ７、凝縮器９，３２及び
４９燃料電池１４、インバータ１６、気水分離器３６、
制御装置５３、各種センサーから構成されるシステムが
提案されている（特願昭６３−２２０００４号）。

【０００３】以下に、この従来の燃料電池発電システム
の構成とともに動作および作用について説明する。気体
状態の都市ガス，ＬＮＧ，ＬＰＧ，メタノール等の主燃
料１は熱交換器２で昇温させた後、水素リッチなＣＯシ
フトコンバータ７の出口ガスの一部とともに脱硫装置３
に送られ、燃料中の硫黄分が除去される（メタノール等
の硫黄分を含んでいない燃料を使用する場合には不
要）。脱硫された燃料ガスは、気水分離器（または蒸発
器）３６で生成された水蒸気３７とともに熱交換器４で
昇温された後、改質装置５に送られる。改質装置５で
は、燃料の改質反応が起こり、水素リッチな改質ガスが
生成される。例えば、都市ガス，ＬＮＧ等のメタンを主
成分とした燃料を使用した場合、改質装置５の中では、
通常ニッケル系触媒を用いて約７００〜８００℃で次に
示す改質反応が行われる。

【０００４】ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ₂ 改質ガスは、熱交換器６で温度を下げられた後、ＣＯシ
フトコンバータ７に送られ、次に示すシフト反応により
改質ガス中の一酸化炭素が二酸化炭素に変えられる。

【０００５】ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂ 最終的には改質ガス中の一酸化炭素濃度は１％以下に抑
えられる。ＣＯシフトコンバータ７を出たガスは、熱交
換器８で温度が下げられた後、凝縮器９に送られ、未反
応の水蒸気が凝縮除去される。なお、前述したようにＣ
Ｏシフトコンバータ７を出たガスの一部は、水添脱硫に
必要な水素を脱硫装置３に供給するために、リサイクル
される。凝縮器９で分離された抽水３４は気水分離器３
６に送られ、再び水蒸気３７として改質装置５に供給さ
れる。

【０００６】凝縮器９を出たガスは、熱交換器１０で昇
温された後、燃料電池１４の燃料極１１に送られ、水素
が燃料電池１４の電池反応に使われる。燃料電池１４
は、燃料極１１、電解質１２、及び空気極１３から構成
されており、電池反応では、燃料極１１で生成した水素
イオンが電解質１２中を空気極１３まで移動し、空気中
の酸素と反応して水ができる。空気２８は熱交換器２９
で昇温された後、空気極１３に供給され、電池反応に使
われる。空気極排ガス３０は熱交換器３１で温度が下げ
られた後、凝縮器３２に送られ生成水３５が凝縮除去さ
れる。凝縮器３２で除去された生成水３５も気水分離器
３６に送られ、水蒸気３７として改質装置５に供給され
る。凝縮器３２を出たガスは排ガス３３として大気中に
放出される。燃料電池１４の電池反応によって発電され
た直流電力１５は、インバータ１６によって交流電力１
７に変換され、負荷４７に供給される。

【０００７】燃料電池１４の燃料極１１における水素利
用率は７０〜８０％程度であるので、燃料極排ガス１８
は未反応水素を含む。この未反応水素を含む燃料極排ガ
ス１８は、加熱燃料２２として燃焼空気２３とともに加
熱用の改質装置バーナ２４に送られ、吸熱反応である改
質反応に必要な熱量を改質装置５に供給するために使わ
れる。燃料電池運転開始時のように燃料極排ガス量が不
十分な場合は、脱硫装置３の出口ガスの一部を補助燃料
２５として改質装置バーナ２４の加熱燃料２２に使用す
る。改質装置バーナ２４の燃焼ガス４８は、熱交換器２
６で温度が下げられた後、凝縮器４９に送られ、生成水
５０が凝縮除去される。凝縮器４９で除去された生成水
５０は気水分離器３６に送られ、水蒸気３７として改質
装置５に供給される。凝縮器４９を出たガスは排ガス５
１として大気中に放出される。

【０００８】以上の燃料電池発電システムでは、通常
は、改質ガス圧力センサ４４で検出される改質ガスの圧
力が所定の値になるように、主燃料流量調節弁４０によ
り主燃料１の流量が制御されている。主燃料１の改質に
必要な水蒸気３７の供給は、主燃料流量調節弁４０を通
過する主燃料１の流量を燃料流量検出センサ４２で検知
し、信号ｄを制御装置５３に送り、前記制御装置５３は
信号Ｄを水蒸気流量調節弁４３に送り、前記水蒸気流量
調節弁４３の開閉度を調節して行う。また、燃料電池１
４に供給する改質ガス流量の調節は、改質ガス流量調節
弁４５で行う。即ち、負荷電流検出センサ５２で負荷電
流を検出し、信号ａとして制御装置５３に入力する。前
記制御装置５３は信号Ａを改質ガス流量調節弁４５に送
り、負荷電流に相当する水素ガス量よりも多くの水素ガ
ス量に相当する量の改質ガスを燃料電池１４に供給す
る。改質装置温度が設定した温度になっているかどうか
は、温度センサ４６で監視し、信号ｂとして制御装置５
３に入力する。必要に応じて改質ガス流量調節弁４５に
前記制御装置５３から送る信号Ａを制御し、前記改質ガ
ス流量調節弁４５の開閉度を補正する。これら一連の調
節弁は、通常は主燃料１について最適な燃料流量、改質
ガス流量、改質用水蒸気量、及び改質装置温度になるよ
う、前述したように制御装置５３で制御される。制御装
置５３は、例えば圧力センサ４４からの圧力信号ｃを受
けて、制御装置５３内部に記憶してある設定圧力と比較
し、その結果を基に演算し主燃料流量調節弁４０の開閉
度を調節する信号Ｃを送出する。

【０００９】ここで、主燃料１の供給が大地震や事故に
より不意に停止した場合、従来は、例えば圧力あるいは
流量の変化の形で燃料供給異常検出センサ３９で検出
し、信号ｅとして制御装置５３に入力する。続いて前記
制御装置５３は信号Ｃを制御し、速やかに主燃料流量調
節弁４０を閉じるとともに、信号Ｅを予備燃料流量調節
弁４１に送出し、前記予備燃料流量調節弁４１を開いて
予備燃料３８の供給を行う。また、これら２つの調節弁
を含めた全ての調節弁の制御を予め制御装置５３に記憶
してあるデータを基に予備燃料３８に最適な燃料流量、
改質ガス流量、改質用水蒸気量、及び改質装置温度にな
るように切り替える。これにより、予備燃料３８に適し
た条件で燃料電池１４の運転を継続することができ、停
電を回避できる。なお、燃料切替等の原因で改質装置温
度が上昇しすぎた場合（主燃料にメタンを主成分とする
都市ガス、予備燃料にメタノールあるいはプロパンを主
成分とするＬＰＧを用いた場合には、同一量の水素を得
るために必要な改質反応熱は、主燃料１より予備燃料３
８の方が少ないので、予備燃料３８の供給が原因で改質
装置温度が上昇する恐れがある）には、改質装置温度を
下げるために主燃料調節弁４０あるいは予備燃料調節弁
４１を絞ると燃料不足で燃料電池出力が低下する場合に
は、制御装置５３から信号Ｆを分流器１９に送出し、加
熱燃料２２となる燃料極排ガス１８の一部もしくは全部
を分流器１９で分流し、燃焼器２０で燃焼させた後、燃
焼排ガス２１として大気中に排出している（特願平２−
１８１２６０号）。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】以下に、上記従来の燃
料電池発電システムにおいて、主燃料１にメタンが主成
分の都市ガス、予備燃料３８にプロパンが主成分のＬＰ
Ｇ、及びメタノールを用いた場合を例に、この従来のシ
ステムの問題点を説明する。

【００１１】都市ガス，ＬＰＧ，メタノールは、ニッケ
ル−アルミナ触媒を充填した同一の改質装置で改質が可
能である。図４，図５，図６はその説明のための改質ガ
ス組成の改質温度依存性を示す図である。各図の実線は
計算値を示し、○は水素（Ｈ ₂）の、□は二酸化炭素
（ＣＯ₂）の、●は一酸化炭素（ＣＯ）の、△は各原料
ガスの主成分のそれぞれの実験値を示している。図４は
都市ガスの主成分であるメタン改質ガス組成の改質温度
依存性を示したものである。図から平衡上メタンの改質
は７００℃以上で行うことが水素を多く生成させる上で
望ましいことがわかる。図４の実験値はニッケル−アル
ミナ触媒を用いて改質実験を行った結果を示したもので
あるが、７００℃以上で平衡組成まで水素を生成させる
ことが可能である。これはニッケル−アルミナ触媒が実
用触媒として都市ガスの改質に有効であることを示唆し
ている。また、図５はＬＰＧの主成分であるプロパン改
質ガス組成の改質温度依存性を示したものである。図か
ら平衡上プロパンの改質も７００℃以上で行うことが水
素を多く生成させる上で望ましいことがわかる。図５の
実験値はニッケル−アルミナ触媒を用いて改質試験を行
った結果を示したものであるが、７００℃以上で平衡組
成まで水素を生成させることが可能である。これはニッ
ケル−アルミナ触媒が実用触媒としてＬＰＧの改質に有
効であることを示唆している。さらに、図６はメタノー
ル改質ガス組成の改質温度依存性を示したものである。
図６から平衡上メタノールの改質も７００℃以上で行う
ことが水素を多く生成させる上で望ましいことがわか
る。図６の実験値はニッケル−アルミナ触媒を用いて改
質試験を行った結果を示したものであるが、７００℃以
上で平衡組成まで水素を生成させることが可能である。
これはニッケル−アルミナ触媒が実用触媒としてメタノ
ールの改質に有効であることを示唆している。従って、
ニッケル−アルミナ触媒を充填した改質装置を用いる
と、都市ガス、ＬＰＧ、メタノールの間で燃料切替が可
能な燃料電池発電システムが実現可能である。その際、
どの燃料も７００℃以上で改質を行うことが望ましい。

【００１２】しかし、これらの燃料の改質条件は大きく
異なる。表１に改質条件の相対比較を示す。

【００１３】

【表１】

【００１４】燃料を都市ガスからＬＰＧに切り替えた場
合、燃料流量は減少するが、改質に必要な水蒸気量が増
加し、過渡的に改質装置の温度が低下する。しかし、改
質反応熱は減少するので、最終的には加熱燃料になる燃
料極排ガスを分流するか、燃料流量を絞って燃料電池の
水素利用率を上げるかして、改質装置の温度が上がり過
ぎないように制御する必要がある。また、燃料を都市ガ
スからメタノールに切り替えた場合には、燃料流量及び
改質に必要な水蒸気量が増加するので、過渡的に改質装
置の温度が低下する。しかし、改質反応熱は減少するの
で、最終的には加熱燃料になる燃料極排ガスを分流する
か、燃料流量を絞って燃料電池の水素利用率を上げるか
して、改質装置の温度が上がり過ぎないように制御する
必要がある。

【００１５】これらの燃料切替時の過渡変動を図７に示
す。流量あるいは圧力の形で主燃料供給量をモニター
し、主燃料の供給異常を検出する。主燃料の供給異常の
検出は、ある出力電流値に対する所定の主燃料供給量Ｖ
あるいは主燃料供給量の時間変化ΔＶ／Δｔの限界値を
設定して行う。従来の燃料電池の燃料切替方法は、主燃
料の供給異常を検出した時点で、予備燃料の供給を行う
とともに、主燃料の供給を停止する。すなわち、燃料の
完全な切り替えを行う。また、それと同時に改質用水蒸
気の供給量も変化させる。例えば、メタンを主成分とす
る都市ガスからプロパンを主成分とするＬＰＧ、あるい
はメタノールに切り替える場合には、改質用水蒸気の供
給量は増加させる（図７では燃料切替により改質用水蒸
気の供給量が増加する場合を示したが、逆の場合もあ
る）。燃料切替による燃料供給量あるいは水蒸気供給量
の増加のために、改質装置温度が所定の温度より低下す
れば、それに伴って電池出力の過渡的な低下が起こる。
例えば、燃料切替からΔｔ₁時間の間に最大ΔＴだけ改
質装置温度が低下すると、燃料電池出力もそれにともな
ってΔｔ₁時間の間に最大ΔＷだけ低下する。この過渡
変動は、燃料切替に係わる一連の制御が行われ、改質装
置が定常になると消滅する。

【００１６】以上述べてきたように従来の燃料電池の燃
料切替方法およびその装置では、主燃料の供給量の異常
を検知した場合に速やかに予備燃料の供給を行うととも
に主燃料の供給を停止することによって燃料切替を行う
ために、改質用水蒸気の供給量、燃料の供給量、改質反
応熱といった両者の改質条件の違いから、燃料切替時に
一時的に改質ガス中の水素量が減少し燃料電池出力の過
渡変動が起こり、このような燃料切替時の電池出力の過
渡的な低下を防ぐことが困難であるという問題があっ
た。

【００１７】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されたものであり、その目的は、燃料切替時にも所定の
電池出力を安定に得ることができる燃料電池の燃料切替
方法およびその装置を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明による燃料電池の燃料切替方法は、燃料電
池、前記燃料電池に主燃料を供給する主燃料供給系、前
記燃料電池に前記主燃料と改質条件の異なる予備燃料を
供給する予備燃料供給系、前記主燃料および前記予備燃
料の改質を行い電池反応に必要な水素リッチガスをつく
る改質装置を含む燃料改質系、前記燃料電池に酸化剤を
供給する酸化剤供給系、前記燃料電池および周辺装置の
冷却を行う冷却系、および付属装置からなり、前記燃料
電池の燃料極排ガスを前記改質装置の改質装置バーナの
燃料ガスとして使用する燃料電池発電システムにおい
て、前記主燃料供給系の入口において前記主燃料の供給
圧力あるいは流量の低下の形で前記主燃料の供給異常を
検出し、前記予備燃料の供給を開始するとともに、前記
燃料電池の負荷電流と前記主燃料の供給圧力あるいは流
量の低下に応じて前記予備燃料の供給量と前記改質装置
への水蒸気供給量を最適値に制御し、前記主燃料の供給
量の低下を補い所定の燃料電池出力を得るのに必要な量
の前記予備燃料の供給と、前記主燃料と前記予備燃料の
改質に必要な量の水蒸気の供給を確保し、また、前記燃
料電池の負荷電流と前記主燃料の供給圧力あるいは流量
の低下対して予め設定された前記改質装置の温度と検出
された前記改質装置の温度の温度差に応じて、前記主燃
料または前記予備燃料の供給量を制御することによって
前記燃料電池の燃料極における水素利用率を調整し、あ
るいは前記改質装置バーナへの前記燃料極排ガスの供給
量を調整し、その結果、前記改質装置バーナの燃料とな
る前記燃料極排ガスに含まれる水素の前記改質装置バー
ナへの供給量を調整することによって前記改質装置の温
度を前記主燃料と前記予備燃料の改質に最適な値に制御
する構成としている。

【００１９】 さらに、本発明による燃料電池の燃料切
替装置は、上記燃料電池発電システムにおいて、前記主
燃料供給系の入口部分に設置された前記主燃料の供給圧
力あるいは流量の低下の形で前記主燃料の供給異常を検
出するセンサと、このセンサの出力を受けて前記予備燃
料の供給を行う機能、前記燃料電池の負荷電流と前記主
燃料の供給圧力あるいは流量の低下に応じて前記予備燃
料と改質用水蒸気の供給量を制御する弁への制御量を予
め記憶してある最適値に切り替えて送出し、前記主燃料
の供給量の低下を補い所定の燃料電池出力を得るのに必
要な量の前記予備燃料の供給と、前記主燃料と前記予備
燃料の改質に必要な量の水蒸気の供給を確保する機能、
前記燃料電池の負荷電流と前記主燃料の供給圧力あるい
は流量の低下に対して予め記憶された前記改質装置の温
度と検出された前記改質装置の温度の温度差に応じて、
前記主燃料または前記予備燃料の供給量を制御する弁へ
の制御量を予め記憶してある最適値に切り替えて送出す
ることによって前記燃料電池の燃料極における水素利用
率を調整し、あるいは前記改質装置バーナへの前記燃料
極排ガスの供給量を制御する弁への制御量を予め記憶し
てある最適値に切り替えて送出し前記燃料極排ガスの供
給量を調整し、その結果、前記改質装置バーナの燃料と
なる前記燃料極排ガスに含まれる水素の前記改質装置バ
ーナへの供給量を調整することによって前記改質装置の
温度を予め記憶された前記主燃料と前記予備燃料の改質
に最適な値に制御する機能を持つ制御装置とを具備する
構成としている。

【００２０】

【作用】本発明の燃料電池の燃料切替方法およびその装
置では、燃料電池発電システムの主燃料供給系入口にお
ける主燃料の供給量の異常を検知した場合、すぐには主
燃料の供給を停止することなく速やかに予備燃料の供給
を行うとともに、燃料電池出力と主燃料の供給量の低下
に応じて予備燃料の供給量を予め記憶させてある最適な
値に変更する。また、主燃料の供給量と予備燃料の供給
量に応じて、改質用水蒸気の供給量、改質装置の温度を
予め記憶させてある最適な値に変更する。これにより、
改質条件の異なる燃料の切替時における燃料の改質条件
の急変を回避し改質による水素生成量の変動を抑えるこ
とによって、従来のように、主燃料の供給量の異常を検
知した場合に速やかに主燃料の供給を停止するとともに
予備燃料のみの供給を行うことによって燃料切替を行っ
た場合、改質用水蒸気の供給量，燃料の供給量，改質反
応熱といった改質条件が急変することから、燃料切替時
に一時的に改質ガス中の水素量が減少して起こる燃料電
池出力の過渡的な低下を抑制する。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例を、図面を参照して詳
細に説明する。図１は本発明の燃料電池発電システムの
一実施例の構成をも示しており、この図１を用いて本発
明の一実施例を説明する。本発明の燃料電池発電システ
ムの構成は図１により説明した従来システムと同一であ
るが、燃料切替時の制御装置５３の制御シーケンスが従
来システムと異なる。従って、ここでは従来例と同様な
システム構成と動作，作用については省略し、上記の異
なる制御シーケンスに関連する構成と動作および作用に
ついて述べる。なお、以下の説明の理解を助けるため、
図１に示した各信号の意味するところを一覧的に説明す
る。 信号ａ：負荷電流検出センサ５２で検出した負荷電流の
検出信号 信号ｂ：温度センサ４６で検出した改質装置５の温度の
検出信号 信号ｃ：圧力センサ４４で検出した改質ガス圧力の検出
信号 信号ｄ：燃料流量検出センサ４２で検出した主燃料１の
流量の検出信号 信号ｅ：燃料供給量異常検出センサ３９で検出した主燃
料１の供給圧力あるいは流量の変化の検出信号 信号Ａ：改質ガスの供給量を制御する改質ガス流量調節
弁４５の制御信号 信号Ｃ：主燃料１の供給量を制御する主燃料流量調節弁
４０の制御信号 信号Ｄ：改質用水蒸気３７の供給量を制御する水蒸気流
量調節弁４３の制御信号 信号Ｅ：予備燃料３８の供給量を制御する予備燃料流量
調節弁４１の制御信号 信号Ｆ：燃料極排ガス１８の燃焼器２０への供給量を制
御する分流器１９の制御信号

【００２２】 従来例と同様に、主燃料１の供給が大地
震や事故等により不意に停止した場合には、主燃料１の
供給圧力あるいは流量の低下の形でこれを燃料供給量異
常検出センサ３９で検出する。燃料供給量異常検出セン
サ３９は、主燃料１の供給圧力あるいは流量の低下を検
出すると、主燃料１の供給圧力あるいは流量の低下量に
応じた信号ｅを制御装置５３に送信する。前記制御装置
５３は、燃料供給量異常検出センサ３９で検出した主燃
料１の供給圧力あるいは流量の低下量を表す信号ｅに応
じた制御信号Ｅを予備燃料流量調節弁４１に送信し、予
備燃料流量調節弁４１を開き、予備燃料３８の供給を開
始する。この時点では、主燃料１の供給と並行して予備
燃料３８の供給も同時に行われる。予備燃料３８の供給
量は、制御信号Ｅによる予備燃料流量調節弁４１の制御
量を、負荷電流検出センサ５２で検出され信号ａとして
制御装置５３に送信された負荷電流と、燃料供給量異常
検出センサ３９で検出され信号ｅとして制御装置５３に
送信された主燃料１の供給圧力あるいは流量の低下量に
応じて予め制御装置５３に記憶してある最適値に切り替
えて、制御装置５３から予備燃料流量調節弁４１に送信
し、予備燃料流量調節弁４１の開度を調節することによ
って制御する。これによって、負荷電流と主燃料１の供
給量の減少量に応じて燃料電池１４の発電に必要な量の
予備燃料３８が供給される。この点が従来技術と大きく
異なる。また、制御装置５３は、燃料供給量異常検出セ
ンサ３９で検出した主燃料１の供給圧力あるいは流量の
低下量を表す信号ｅに応じた制御信号Ｄを水蒸気流量調
節弁４３に送信し、改質用水蒸気３７の供給量を変更す
る。改質用水蒸気３７の供給量は、制御信号Ｄによる水
蒸気量調節弁４３の制御量を、負荷電流検出センサ５２
で検出され信号ａとして制御装置５３に送信された負荷
電流と、燃料供給量異常検出センサ５３で検出され信号
ｅとして制御装置５３に送信された主燃料１の供給圧力
あるいは流量の低下量に応じて最適値に設定された予備
燃料調節弁４１への制御信号Ｅの制御量に対して予め制
御装置５３に記憶してある最適値に切り替えて、制御装
置５３から水蒸気流量調節弁４３に送信し、水蒸気流量
調節弁４３の開度を調節することによって制御する。こ
れによって、主燃料１と予備燃料３８の改質に必要な水
蒸気量が大幅に異なっても、改質用水蒸気３７の供給量
を主燃料１と予備燃料３８の改質に適した値に設定する
ことが可能である。 さらに、改質装置５の温度は、温度
センサ４６で検出され信号ｂとして制御装置５３に送信
される改質装置５の温度が、負荷電流検出センサ５３で
検出され信号ａとして制御装置５３に送信された負荷電
流と、燃料供給量異常検出センサ５３で検出され信号ｅ
として制御装置５３に送信された主燃料１の供給圧力あ
るいは流量の低下量に応じて最適値に設定された予備燃
料調節弁４１への制御信号Ｅの制御量に対して予め制御
装置５３に記憶されている最適値となるように、制御装
置５３から主燃料流量調節弁４０あるいは予備燃料流量
調節弁４３に送信する信号Ｃと信号Ｅの制御量を、温度
センサ４６で検出され信号ｂとして制御装置５３に送信
された改質装置５の温度と、負荷電流検出センサ５２で
検出され信号ａとして制御装置５３に送信された負荷電
流と燃料供給量異常検出センサ３９で検出され信号ｅと
して制御装置５３に送信された主燃料１の供給圧力ある
いは流量の低下量に応じて最適値に設定された予備燃料
調節弁４１への制御信号Ｅの制御量に対して予め制御装
置５３に記憶されている改質装置５の設定温度の温度差
に対して予め制御装置５３に記憶されている最適値とな
るように変化させ、各弁の開度を変えることによって主
燃料１あるいは予備燃料３８の供給量を調節し、その結
果、改質装置５での水素生成量と燃料極１１での水素利
用率を変化させることによって改質装置バーナ２４の加
熱燃料２２となる燃料極排ガス１９中の水素量を調節す
るか、または、制御装置５３から分流器１９に送信する
信号Ｆの制御量を、温度センサ４６で検出され信号ｂと
して制御装置５３に送信された改質装置５の温度と、負
荷電流検出センサ５２で検出され信号ａとして制御装置
５３に送信された負荷電流と、燃料供給量異常検出セン
サ３９で検出され信号ｅとして制御装置５３に送信され
た主燃料１の供給圧力あるいは流量の低下量に応じて最
適値に設定された予備燃料調節弁４１への制御信号Ｅの
制御量に対して予め制御装置５３に記憶されている改質
装置５の設定温度の温度差に対して予め制御装置５３に
記憶してある最適値となるように変化させ、分流器１５
の開度を変えることによって改質装置バーナ２４の加熱
燃料２２となる燃料極排ガス１９の改質装置バーナ２４
への供給量を調節することによってフィードバック制御
される。なお、分流器１５で分流された燃料極排ガス１
９の一部は、燃焼器２０で燃焼された後に燃焼排ガス２
１として大気中に放出される。これによって、主燃料１
と予 備燃料３８の改質に必要な反応熱が大幅に異なって
も、改質装置５の温度を主燃料１と予備燃料３８の改質
に適した温度に設定されるので、供給熱量の不足による
改質装置の温度低下が原因で水素生成量が減少し燃料電
池１４の発電ができなくなったり、供給熱量の過剰によ
る改質装置の温度上昇が原因で改質装置５に主燃料１と
予備燃料３８の改質反応の促進のために充填された改質
触媒が劣化したりすることを防ぐことが可能である。本
実施例を適用した場合の燃料切替時の過渡変動を図２お
よび図３に示す。

【００２３】図２は、主燃料１の供給量の減少量に比例
して予備燃料３８の供給量を増加させ、Δｔ₂時間経過
後、主燃料１の供給が完全に停止した時点で予備燃料３
８単独の供給を行う場合である。この場合には、予備燃
料３８の供給量に応じて逐次改質用水蒸気量と改質温度
の制御を行うため（図では、主燃料にメタンを主成分と
する都市ガス、予備燃料にメタノールあるいはプロパン
を用いる場合のように、予備燃料の供給により改質用水
蒸気の供給量が増加する場合を示した）、予備燃料３８
と主燃料１の改質条件（例えば、改質用水蒸気の供給
量、改質反応熱）が大きく異なる場合でも改質装置温度
の過渡的な低下が起こらず、燃料切替時の電池出力の低
下を抑制することができる。

【００２４】図３は、主燃料１の供給量の減少量に比例
して予備燃料３８の供給量を増加させるが、Δｔ₃時間
経過後に主燃料１の供給量がゼロになる前に、負荷電流
に対して設定されて予め制御装置５３に記憶された主燃
料１の供給量になった時点で、主燃料１の供給を停止
し、予備燃料３８の供給量を所定の負荷電流を得るため
に必要な予め制御装置５３に記憶された値に変更する。
この場合にも、予備燃料３８の供給量に応じて逐次改質
用水蒸気量と改質温度の制御を行い（図では、主燃料１
にメタンを主成分とする都市ガス、予備燃料にメタノー
ルあるいはプロパンを用いる場合のように、予備燃料３
８の供給により改質用水蒸気の供給量が増加する場合を
示した）、主燃料１から予備燃料３８に完全に切り替え
ても電池出力の低下が起こらなくなった時点で主燃料１
の供給を停止し、予備燃料３８の供給量を所定の負荷電
流を得るために必要な量に変更するので、予備燃料３８
と主燃料１の改質条件（例えば、改質用水蒸気の供給
量、改質反応熱）が大きく異なる場合でも改質装置温度
の過渡的な低下が起こらず、燃料切替時の電池出力の低
下を抑制することができる。

【００２５】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
燃料電池の燃料切替方法およびその装置は、通常使用し
ている主燃料の供給に異常が生じたとき、これを検知
し、主燃料の供給量の低下に応じて、予備燃料供給系か
ら所定の燃料電池出力を得るために必要な予め記憶して
ある所定量の予備燃料の供給を行うとともに、主燃料の
供給量および予備燃料の供給量に応じて、改質用水蒸気
量、改質装置温度を予め記憶している最適な値に変更す
ることにより、燃料切替時にも所定の電池出力を安定に
得ることができるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来例とともに本発明を説明するための燃料切
替が可能な燃料電池発電システムの一例を示した図。

【図２】本発明を適用した場合の燃料切替時の過渡変動
の第１例を示した図。

【図３】本発明を適用した場合の燃料切替時の過渡変動
の第２例を示した図。

【図４】メタン改質ガス組成の改質温度依存性を示した
図。

【図５】プロパン改質ガス組成の改質温度依存性を示し
た図。

【図６】メタノール改質ガス組成の改質温度依存性を示
した図。

【図７】従来例の燃料切替時の過渡変動を示した図。

【符号の説明】

１…主燃料、２，４，６，８，１０，２６，２９，３１
…熱交換器、３…脱硫装置、５…改質装置、７…ＣＯシ
フトコンバータ、９，３２，４９…凝縮器、１１…燃料
極、１２…電解質、１３…空気極、１４…燃料電池、１
５…直流電力、１６…インバータ、１７…交流電力、１
８…燃料極排ガス、１９…分流器、２０…燃焼器、２
１，５１…燃焼排ガス、２２…加熱燃料、２３…燃焼空
気、２４…改質装置バーナ、２５…補助燃料、２８…空
気、３０…空気極排ガス、３３…排ガス、３４…抽水、
３５，５０…生成水、３６…気水分離器、３７…水蒸
気、３８…予備燃料、３９…燃料供給量異常検出セン
サ、４０…主燃料流量調節弁、４１…予備燃料流量調節
弁、４２…燃料流量検出センサ、４３…水蒸気流量調節
弁、４４…改質ガス圧力センサ、４５…改質ガス流量調
節弁、４６…温度センサ、４７…負荷、４８…燃焼ガ
ス、５２…負荷電流検出センサ、５３…制御装置。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池、前記燃料電池に主燃料を供給
   する主燃料供給系、前記燃料電池に前記主燃料と改質条
   件の異なる予備燃料を供給する予備燃料供給系、前記主
   燃料および前記予備燃料の改質を行い電池反応に必要な
   水素リッチガスをつくる改質装置を含む燃料改質系、前
   記燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤供給系、前記燃料
   電池および周辺装置の冷却を行う冷却系、および付属装
   置からなり、前記燃料電池の燃料極排ガスを前記改質装
   置の改質装置バーナの燃料ガスとして使用する燃料電池
   発電システムにおいて、 前記主燃料供給系の入口において前記主燃料の供給圧力
   あるいは流量の低下の形で前記主燃料の供給異常を検出
   し、前記予備燃料の供給を開始するとともに、前記燃料
   電池の負荷電流と前記主燃料の供給圧力あるいは流量の
   低下に応じて前記予備燃料の供給量と前記改質装置への
   水蒸気供給量を最適値に制御し、前記主燃料の供給量の
   低下を補い所定の燃料電池出力を得るのに必要な量の前
   記予備燃料の供給と、前記主燃料と前記予備燃料の改質
   に必要な量の水蒸気の供給を確保し、また、前記燃料電
   池の負荷電流と前記主燃料の供給圧力あるいは流量の低
   下対して予め設定された前記改質装置の温度と検出され
   た前記改質装置の温度の温度差に応じて、前記主燃料ま
   たは前記予備燃料の供給量を制御することによって前記
   燃料電池の燃料極における水素利用率を調整し、あるい
   は前記改質装置バーナへの前記燃料極排ガスの供給量を
   調整し、その結果、前記改質装置バーナの燃料となる前
   記燃料極排ガスに含まれる水素の前記改質装置バーナへ
   の供給量を調整することによって前記改質装置の温度を
   前記主燃料と前記予備燃料の改質に最適な値に制御する
   ことを特徴とした燃料電池の燃料切替方法。
2. 【請求項２】 燃料電池、前記燃料電池に主燃料を供給
   する主燃料供給系、前記燃料電池に前記主燃料と改質条
   件の異なる予備燃料を供給する予備燃料供給系、前記主
   燃料および前記予備燃料の改質を行い電池反応に必要な
   水素リッチガスをつくる改質装置を含む燃料改質系、前
   記燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤供給系、前記燃料
   電池および周辺装置の冷却を行う冷却系、および付属装
   置からなり、前記燃料電池の燃料極排ガスを前記改質装
   置の改質装置バーナの燃料ガスとして使用する燃料電池
   発電システムにおいて、 前記主燃料供給系の入口部分に設置された前記主燃料の
   供給圧力あるいは流量の低下の形で前記主燃料の供給異
   常を検出するセンサと、このセンサの出力を受けて前記
   予備燃料の供給を行う機能、前記燃料電池の負荷電流と
   前記主燃料の供給圧力あるいは流量の低下に応じて前記
   予備燃料と改質用水蒸気の供給量を制御する弁への制御
   量を予め記憶してある最適値に切り替えて送出し、前記
   主燃料の供給量の低下を補い所定の燃料電池出力を得る
   のに必要な量の前記予備燃料の供給と、前記主燃料と前
   記予備燃料の改質に必要な量の水蒸気の供給を確保する
   機能、前記燃料電池の負荷電流と前記主燃料の供給圧力
   あるいは流量の低下に対して予め記憶された前記改質装
   置の温度と検出された前記改質装置の温度の温度差に応
   じて、前記主燃料または前記予備燃料の供給量を制御す
   る弁への制御量を予め記憶してある最適値に切り替えて
   送出することによって前記燃料電池の燃料極における水
   素利用率を調整し、あるいは前記改質装置バーナへの前
   記燃料極排ガスの供給量を制御する弁への制御量を予め
   記憶してある最適値に切り替えて送出し前記燃料極排ガ
   スの供給量を調整し、その結果、前記改質装置バーナの
   燃料となる前記燃料極排ガスに含まれる水素の前記改質
   装置バーナへの供給量を調整することによって前記改質
   装置の温度を予め記憶された前記主燃料と前記予備燃料
   の改質に最適な値に制御する機能を持つ制御装置とを具
   備することを特徴とする燃料電池の燃料切替装置。