JP2814706B2 - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、メタノールや天然ガス等の原燃料を水素に
富むガスに改質する改質器と、この改質器からの改質ガ
スと空気とが供給されて発電する燃料電池とを備え、燃
料電池からの電力を負荷に供給する燃料電池発電装置、
特に急激な負荷増加に対して応答性の早い燃料電池発電
装置に関する。

〔従来の技術〕

燃料電池発電装置は、メタノール，天然ガス等の原燃
料を原料として水蒸気改質により水素に富むガスを生成
する改質器、この改質器で得られた改質ガスを燃料とし
て発電を行う燃料電池及び燃料電池の直流出力を交流に
変換する直交変換装置等からなり、改質器で生成した改
質ガスは燃料電池の負荷及び水素利用率に応じて燃料電
池内部で消費され、余剰の水素を含むガスはオフガス
（燃料ガス）として改質器へ導かれた上でバーナで燃焼
され、改質エネルギーとして消費されることは周知の通
りである。

このような燃料電池発電装置として従来第７図に示す
ものが知られている。第７図において改質器１は燃焼室
２の上部にバーナ３と、燃焼室２内に過熱管４とそれに
接続される改質触媒が充填された改質管５とを備えてい
る。燃料電池７は燃料極８と空気極９と電解質室10と冷
却室11とを備えている。負荷12は燃料電池７の燃料極８
と酸化剤極９とに直交変換装置13を介して接続されてい
る。

改質器１の過熱管４には原燃料を供給する原燃料供給
ポンプ15と、このポンプからの原燃料を水蒸気と混合す
るスタティックミキサー16とを備えた改質原料供給系17
が接続されている。改質管５の出口には改質管５でバー
ナ３での燃焼の燃焼熱により原燃料を水蒸気改質した改
質ガスを燃料電池７の燃料極８に供給する改質ガス供給
系18が接続され、また燃料極８には電池反応に寄与しな
い未使用水素を含むオフガスをバーナ３に供給するオフ
ガス供給系19が接続されている。なおバーナ３にはオフ
ガスを燃焼する燃焼空気を供給する空気ブロワ20を備え
た燃焼空気供給系21が接続されている。

燃料電池７の空気極９には空気を供給する空気ブロワ
23を備えた空気供給系24が接続されている。

燃料電池７の冷却室11と水蒸気分離器25とに接続して
これらの間を冷却水が冷却水用ポンプ26により循環する
冷却水循環系27が設けられている。そして水蒸気分離器
25には分離された水蒸気をスタティックミキサー16に供
給するために減圧弁30と流量調整弁31とを備えた水蒸気
供給系32が接続されている。なお減圧弁30は流量調整弁
31の前圧を所定圧力に制御する。

このような構成により原燃料ポンプ15により送出され
る原燃料と水蒸気分離器25から減圧弁30により圧力が所
定圧力に制御され、流量調整弁31により流量が制御され
た水蒸気とはスタティックミキサー16により混合され
る。そして混合された原燃料と水蒸気とからなる改質原
料は改質原料供給系17を経て改質器１の過熱管４と改質
管５とを流れる。そして、バーナ３でオフガス供給系19
を経るオフガスを燃焼空気供給系21を経る燃焼空気によ
り燃焼した燃焼熱により過熱管４と改質管５とを流れる
改質原料を加熱して水素に富むガスに改質して改質ガス
を生成する。

改質ガスは改質ガス供給系18を経て燃料電池７の燃料
極８に供給され、一方空気は空気ブロワ23により空気供
給系24を経て空気極９に供給され、燃料電池７は電池反
応を起こして発電する。この際発電により発生する熱は
冷却水循環系27を冷却室11と水蒸気分離器25との間を循
環する冷却水により除熱され、燃料電池７の運転温度が
保持される。

燃料電池７にて発電した電力は直交変換器13を経て負
荷12に供給される。

ところで負荷12の負荷量が変動した場合には、電流計
35により電流値を検出し、この検出電流信号を出力制御
36に入力し、負荷量に対応する原燃料量と水蒸気量とを
改質器１に供給するように原燃料ポンプ15の回転数と流
量調整弁31の開度を制御する。そしてこのような制御し
て得られた負荷量に対応する原燃料量と水蒸気量を改質
器１に供給して改質器１にて改質ガスを生成し、この改
質ガスとこれに対応する空気とにより燃料電池７にて発
電を行わせ、負荷12の変動した負荷量に対応する電力を
負荷12に供給している。

ところで上記した従来の燃料電池発電装置の制御方法
では流量調整弁31の開度制御による所要開度になるま
で、及び原燃料ポンプ15が回転数制御による所要回転数
になるまでにかなりの時間遅れが生じるとともに、原燃
料ポンプ15のスタティックミキサー16への接続に必要な
配管長及びスタティックミキサー16での混合によっても
かなりの時間遅れが生じる。このような時間遅れにより
急激な負荷変動、特に負荷増加時には負荷量に対応する
改質ガス量の生成が追随できず、発電に必要な改質ガス
量が不足していわゆるガス欠状態になり、正常な発電の
継続が困難となる。

このために従来では、燃料電池発電装置を特に負荷変
動が多い負荷の電源として使用する場合には、予め燃料
電池における水素消費率を低く設定する、あるいは改質
ガス供給ラインに改質ガスを貯留しておくバッファタン
クを介装しておく等の方法が知られている。

また負荷変動、特に負荷増加に対して燃料電池の出力
電流が急激に増加するのを抑えるようにしつつ、一方で
は過渡的に不足する燃料電池の出力を補うために、燃料
電池の出力側に例えば鉛電池等の補助畜電池を接続し、
改質原料供給量の増量制御により燃料電池の出力が増加
するまでの間の供給電力不足を補助畜電池から給電する
ようにしたハイブリッド方式が提案されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記した従来の構成において、燃料電池における水素
消費率を低く設定する方法では余分に原料を改質するの
でプラント全体としての効率が低くなり、またバッファ
タンクを介装しておく方法では、設備が大型化するとい
う欠点がある。

また、ハイブリッド方式では、改質器からの改質ガス
の立ち上がり速度が遅い場合、補助畜電池から負荷へ給
電する放電量が大となるために補助畜電池として大容量
の電池が必要となるとともに、畜電池の充電回路を含め
て制御系が複雑となり、かつバッテリの充電，交換等の
保守管理も必要となるという問題がある。

本発明の目的は、改質ガスのバッファタンクや補助鉛
電池を必要とせず、またプラント効率を低下させること
なく、負荷応答性のよい燃料電池発電装置を提供するこ
とである。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、本発明によれば混合して
供給される原燃料と水蒸気とを水素に富むガスに水蒸気
改質する改質器と、この改質器からの水蒸気改質された
改質ガスと空気とが供給されて電池反応により発電し、
その電力を負荷に供給する燃料電池とを備える燃料電池
発電装置において、前記水蒸気を作動流体として原燃料
を吸引して原燃料と水蒸気とを混合して改質器に供給す
るエジェクタポンプと、前記水蒸気を通流させ、複数並
列に配設される開閉動作の早いバルブと、燃料電池の負
荷量に対応して前記バルブの開個数を選択する制御手段
とを設けるものとする。

また、上記の燃料電池発電装置において、前記水蒸気
を作動流体として原燃料を吸引し、原燃料と水蒸気とを
混合して改質器に供給するエジェクタポンプと、前記水
蒸気を通流させ、並列に配される開閉動作が早く、流体
抵抗の異なる複数のバルブと、燃料電池の負荷量に対応
してバルブの開個数を選択する制御手段とを設けるもの
とする。

〔作用〕

エジェクタポンプにより水蒸気を作動流体として原燃
料を吸引して原燃料と水蒸気とを混合するので、この混
合は瞬時に行われ、混合による時間遅れが生じない。と
ころで、エジェクタポンプにより吸引される原燃料量は
作動流体としての水蒸気量に比例する。したがって作動
流体としての水蒸気が通流し、並列に配された開閉動作
の早いバルブ、例えば電磁弁や流体駆動のパワシリンダ
により開閉する同サイズのバルブの複数個又は流体抵抗
の異なる複数のバルブを設け、負荷量に対応してバルブ
の開個数を選択する制御手段により、負荷量に対応する
原燃料量を吸引する作動流体としての水蒸気量が流れる
ように前記バルブの所要個数を開にすることにより、改
質器には時間遅れなく原燃料と水蒸気とが混合してなる
改質原料を供給され、この結果変動した負荷量に対応す
る改質ガス量が生成されて燃料電池に供給される。

なお、流体抵抗の異なるバルブを設ける場合は、同サ
イズのバルブを複数設けるものに比べて負荷量に対応す
る改質原料量が開状態のバルブの組合わせにより負荷量
に必要な改質原料量により近づいて良好な制御ができ
る。

〔実施例〕

以下図面に基づいて本発明の実施例について説明す
る。第１図は本発明の実施例による燃料電池発電装置の
系統図である。なお第１図及び後述する第２図，第３図
において第７図の従来例と同一部品には同じ符号を付
し、その説明を省略する。第１図において従来例と異な
るのはスタティックミキサー16と流量調整弁31を取除
き、同サイズの複数の開閉動作の早い電磁弁40を並列に
して水蒸気供給系32に介装し、また水蒸気供給系32を経
る水蒸気を作動流体として原燃料を吸引するエジェクタ
ポンプ41を改質原料供給系17に接続し、さらに電流計35
により検出した負荷量に対応する検出電流信号が入力さ
れ、流量調整用の複数個の電磁弁40を選択して開閉する
出力信号を出力する出力制御器43を設けたことである。
なお開状態の電磁弁個数と水蒸気量との関係は、予め計
算，測定されて既知なものであれば、特別の流量絞り装
置を設けずに流量制御ができる。

このような構成により、燃料電池７の負荷12の負荷量
が増加した場合には、電流計35での検出電流信号が出力
制御器43に入力される。そして出力制御器43からの出力
信号により負荷量に対応する水蒸気量が流れるように電
磁弁40の開個数が選択され迅速に開になる。そして開状
態の電磁弁40を流れた水蒸気はエジェクタポンプ41に供
給され、原燃料を吸引する。この際吸引される原燃料量
はエジェクタポンプ41に供給する水蒸気量に比例し、吸
引された原燃料は水蒸気と瞬時に混合して負荷量に対応
する改質原料量が改質器１に供給され、改質器１にて水
蒸気改質されて増加した負荷量に対応する改質ガス量を
燃料電池７に供給し、別に供給される空気とにより発電
して負荷量に対応する電力を負荷に供給する。

第４図は上記のように負荷量としての負荷電流と４個
の同サイズの電磁弁40を順次開にしたときの改質器１に
供給する原燃料と水蒸気とからなる改質原料量との関係
を示しており、改質原料供給量は破線で示した負荷電流
に対応する必要改質原料流量をカバーするが階段状にな
っている。

上記のように開閉動作の早い電磁弁と、瞬時に原燃料
と水蒸気とを混合するエジェクタポンプとにより、増加
する負荷量に対応する改質原料量を改質器に応答を早く
して供給できるので、燃料電池における水素消費率を高
く設定でき、プラント効率の低下を防止できる。

なお、エジェクタポンプ，電磁弁及び改質器を接続す
る配管長を短くすれば、負荷応答性の向上は大きく、で
きれば直結が望ましい。

本実施例では電磁弁を使用したが、流体により駆動さ
れるパワシリンダにより開閉動作が早く行われるバルブ
を使用しても同じ効果が得られる。

なお、複数個のバルブは複数個の弁体，弁座を有する
一体型のバルブにしても同じ効果が得られる。

第２図は本発明の異なる実施例による燃料電池発電装
置の系統図である。第２図において複数個の同サイズの
電磁弁40の他にこの弁の流体抵抗と異なる電磁弁44を電
磁弁40と並列に配設した他は第１図と同じである。

このような構成において負荷量が増加したとき、電流
計35による検出電流信号が入力される出力制御器43から
の出力信号により負荷量に対応する水蒸気量が流れるよ
うに電磁弁40と44とが適宜選択されて迅速に開になる。
そして開状態の電磁弁を流れた水蒸気量はエジェクタポ
ンプ41に供給され、負荷量に対応する原燃料量が吸引さ
れ、原燃料と水蒸気とが瞬時に混合されて改質器１に負
荷応答性を早くして供給でき、負荷量に対応する改質ガ
ス量を生成して燃料電池７に供給する。

第５図は電磁弁40と44とを適宜選択して開にしたとき
の改質原料供給量と負荷電流との関係を示す。図におい
ては電磁弁44の流体抵抗は電磁弁40のそれと異なるの
で、電磁弁40と44との組合わせを選択して開状態の電磁
弁40,44に水蒸気を流すことにより、負荷電流に対応す
る改質原料供給量は、必要な改質原料供給流量に対して
第４図に示すものより近づく。

第３図は本発明の異なる実施例による燃料電池発電装
置の系統図である。第３図において複数に並列される電
磁弁45,46,47,48の流体抵抗の比を1:2:4:8とした他は第
１図のものと同じである。なおすべての電磁弁が全開の
とき定格流量の水蒸気が流れるようにしている。

このような構成により、負荷が増加したとき電流計35
での検出電流信号が入力される出力制御器43からの出力
信号により、電磁弁45〜48の開個数が選択され、負荷量
に対応する水蒸気量が迅速にエジェクタポンプ41に供給
され、これに伴って負荷量に対応する原燃料量が吸引さ
れる。この結果負荷量に対応する原燃料量と水蒸気量と
が瞬時に混合されて改質器１に負荷応答性を早くして供
給でき、負荷量に対応する改質ガス量を生成して燃料電
池７に供給する。

第６図は電磁弁45,46,47,48を負荷電流に対応して選
択して開にしたときの負荷電流と改質原料供給量との関
係を示している。図において電磁弁45〜48は流体抵抗が
前述のように異なるので、負荷量に対応する水蒸気量は
電磁弁45〜48の適切な組合わせにより、図に示すように
負荷電流に対応する必要改質原料供給流量に著しく近づ
き、精度の高い流量制御が可能となる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば燃料
電池の負荷量に対応する水蒸気量を開閉動作の早い複数
のバルブ、または流体抵抗の異なるバルブの開個数を選
択し、開状態のバルブを通過させてエジェクタポンプに
供給し、負荷量に対応する原燃料量を吸引して原燃料と
水蒸気とを混合して改質器に送るようにしたことによ
り、負荷変動、特に負荷増加による負荷量に対応する水
蒸気量はバルブを介して迅速にエジェクタポンプに供給
され、増加した負荷量に対応する原燃料量がエジェクタ
ポンプに吸引されて原燃料と水蒸気と瞬時に混合して改
質器に供給され、改質ガスが生成されるので、燃料電池
は負荷変動、特に負荷増加に対する出力変動速度を高
め、負荷応答性の高い燃料電池発電装置が得られる。な
お負荷応答性が高いため燃料電池における水素消費率を
高めることができ、プラント効率も向上することができ
る。

また、エジェクタポンプと複数のバルブとの組合わせ
により原燃料と水蒸気とを混合して改質器に供給するこ
とにより、従来の原燃料ポンプ，流量調整弁，スタティ
ックミキサーとの組合わせにより原燃料と水蒸気を混合
して改質器に供給するものと比べて小型，単純，堅牢で
あり、また保守も容易になり、このため燃料電池発電装
置を小型化することができ、また装置の信頼性及び保守
性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による燃料電池発電装置の系統
図、第２図は本発明の異なる実施例による燃料電池発電
装置の系統図、第３図は本発明の他の異なる実施例によ
る燃料電池発電装置の系統図、第４図は第１図の燃料電
池発電装置における燃料電池の負荷電流と改質原料供給
量との関係を示す図、第５図は第２図の燃料電池発電装
置における燃料電池の負荷電流と改質原料供給量との関
係を示す図、第６図は第３図の燃料電池発電装置におけ
る燃料電池の負荷電流を改質原料供給量との関係を示す
図、第７図は従来の燃料電池発電装置の系統図である。 1:改質器、7:燃料電池、40,44,45,46,47,48:電磁弁、4
1:エジェクタポンプ、43:出力制御器。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】混合して供給される原燃料と水蒸気とを水
   素に富むガスに水蒸気改質する改質器と、この改質器か
   らの水蒸気改質された改質ガスと空気とが供給されて電
   池反応により発電し、その電力を負荷に供給する燃料電
   池とを備える燃料電池発電装置において、前記水蒸気を
   作動流体として原燃料を吸引し、原燃料と水蒸気とを混
   合して改質器に供給するエジェクタポンプと、前記水蒸
   気を通流させ、複数並列に配設される開閉動作の早いバ
   ルブと、燃料電池の負荷量に対応して前記バルブの開個
   数を選択する制御手段とを備えたことを特徴とする燃料
   電池発電装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の燃料電池発電装置におい
   て、水蒸気を作動流体として原燃料を吸引し、原燃料と
   水蒸気とを混合して改質器に供給するエジェクタポンプ
   と、前記水蒸気を通流させ、並列に配設される開閉動作
   が早く、流体抵抗の異なる複数のバルブと、燃料電池の
   負荷量に対応して前記バルブの開個数を選択する制御手
   段とを備えたことを特徴とする燃料電池発電装置。