JP2840000B2 - 燃料電池システムとその制御方法 - Google Patents

燃料電池システムとその制御方法

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JP2840000B2
JP2840000B2 JP5017225A JP1722593A JP2840000B2 JP 2840000 B2 JP2840000 B2 JP 2840000B2 JP 5017225 A JP5017225 A JP 5017225A JP 1722593 A JP1722593 A JP 1722593A JP 2840000 B2 JP2840000 B2 JP 2840000B2
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  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は燃料電池システムに係わ
り、特に、アノード排ガス発熱量の変動から改質器燃焼
部を保護するのに好適な燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】従来の燃料電池システムの構造を図5に
示す。改質原料の天然ガス(炭化水素)とスチームは流
量調節弁1、2で流量を調節された後、改質器反応部3
に入り、改質触媒(図示せず)の作用で水素リッチの改
質ガスになる。改質ガスは燃料電池のアノード4に供給
される。燃料電池カソード5には空気が供給されるの
で、燃料電池アノード4の改質ガス中の水素と電池カソ
ード5の空気中の酸素とが電気化学反応を起こして直流
電力が発生する。発生した直流電力はインバータ6によ
り交流電力に変換される。また、燃料電池アノード4か
ら出る未反応のH2を含むアノード排ガスは、アノード
排ガス配管16を通って改質器燃焼部8に供給されて燃
焼し、改質器反応部3に反応熱を与える。一方、外部よ
り供給された空気は空気配管24を通って改質器燃焼部
8へ供給され、アノード排ガスの燃焼用の酸素源として
利用されるものと、空気配管25を経由して電池カソー
ド5へ供給され、酸素源として利用されるものがある。
改質器燃焼部8において可燃分としてのH2を含むアノ
ード排ガスと空気配管24を通って供給された空気は燃
焼し、燃焼ガスは空気配管25から供給される空気と合
流し電池カソード5に供給される。一般に、アノード排
ガスは400〜1500kcal/m3Nの低カロリー
ガスであるため改質器燃焼部8でのアノード排ガスの燃
焼には燃焼触媒が用いられる。
【0003】上記燃料電池発電システムにおける負荷制
御は、負荷指令を受けた負荷制御装置9が改質器反応部
3に供給される天然ガス量、スチーム量をそれぞれの供
給量調節弁1、2により制御し、また、改質器燃焼部8
へ供給される空気量を調節弁7により制御することによ
り行われる。一方、アノード排ガスの発熱量は、負荷お
よび電池本体の使用環境によって大きく変化するため、
アノード排ガス配管16に設けられた熱量計13によっ
てその発熱量を監視し、発熱量の変動に伴って燃料(ア
ノード排ガス)を絞り込むことあるいは改質器燃焼部8
へ天然ガス等を別個に供給する助燃が行われている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来システム
の方式では、改質器燃焼部8の保護、特に該燃焼部8の
触媒の保護のためのアノード排ガス発熱量の監視、制御
が十分でなかった。すなわち、前記燃料電池システム運
転中に最も問題となるのは、運転中の燃料電池の急激な
負荷低下などにより、アノード排ガス中のH2が増加
し、改質器燃焼部8で発熱量が急増することである。こ
の発熱量の急増により改質器燃焼部8の温度は燃焼触媒
の耐熱限界1000℃を大きく越えて上昇し、燃焼触媒
は短時間のうちに劣化する。
【0005】しかし、既存のアノード排ガス発熱量を検
出する熱量計13である燃焼式のガスメータとガスクロ
マトグラフィは各々下記の欠点を有している。すなわ
ち、燃焼式のガスメータは検知しうる最低発熱量が70
0kcal/m3N程度であり、発熱量が400〜60
0kcal/m3Nであるアノード排ガスを使用する
融炭酸塩燃料電池システムにおいては、ガスの発熱量を
正確に検知できない。また、ガスクロマトグラフィは、
ガス組成の検出に最低90秒ほどかかり、このため、燃
料電池システムの急激な負荷変化時(10%/分〜25
%/分)においては、90秒毎のデータしか測定でき
ず、90秒のサンプリングサイクルの中間に発生する組
成変動には対応できない。そこで本発明の目的は燃料電
池の急激な負荷低下などによるアノード排ガスの発熱量
の変化を迅速に検出して、改質器の燃焼部の保護を図る
ことである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の上記目的は次の
構成によって達成される。すなわち、改質装置の反応部
に改質原料とスチームを供給して水蒸気改質反応により
水素を発生させ、該改質装置反応部で発生した水素を燃
料電池のアノードに供給してカソードに供給される酸素
との反応により電力を発生させ、燃料電池の生成する未
反応のHを主可燃成分とする電池アノード排ガスを改
質装置燃焼部へ供給する溶融炭酸塩燃料電池システムに
おいて、改質装置反応部へ供給される改質原料供給量と
スチーム供給量、改質装置反応部の出口温度、改質反応
力に基づき、平衡計算により改質ガス量および発生H
ガス量を算出し、その後、燃料電池のアノードとカソ
ード間の電流、電圧データをもとに発電により移動する
電子数および消費されるHの量を算出し、最後に先に
算出した改質ガス量、発生H量と消費H量より、ア
ノード排ガス発熱量を算出し、該発熱量算出値が設定値
を上回る場合には、改質装置燃焼部へ供給する空気量を
増加するかあるいは電池アノード排ガス供給量を絞り込
む操作の少なくともいずれかの操作を行う溶融炭酸塩燃
料電池システムの制御方法。前記アノード排ガス発熱量
の算出は、改質原料供給量と改質装置反応部の改質反応
圧力と反応温度をデータとするマップを作成し、このマ
ップから改質原料供給量からいくらの転化率でHが得
られたかを算出することができることによるものであ
る。これはメタン原料などの触媒による改質反応におい
て、原料供給量と改質反応圧力および改質反応温度から
改質されたガス量、発生H量などが一義的に求められ
ることに基づくものである。前記燃料電池システムの制
御方法に加えて、燃焼式熱量計またはガスクロマトグラ
フィによる燃料電池アノード排ガスの発熱量の検出値も
用いて改質装置燃焼部へ供給する空気量を増加するかあ
るいはアノード排ガス量を絞り込む操作を行う制御方法
としても良い。
【0007】また、本発明の上記目的は次の構成によっ
ても達成される。すなわち、改質装置の反応部に改質原
料とスチームを供給して水蒸気改質反応により水素を発
生させ、該改質装置反応部で発生した水素を燃料電池の
アノードに供給してカソードに供給される酸素との反応
により電力を発生させ、燃料電池の生成する未反応のH
を主可燃成分とする電池アノード排ガスを改質装置燃
焼部へ供給する溶融炭酸塩燃料電池システムにおいて、
アノード排ガスに既知発熱量の増熱ガスを添加し、発熱
量測定用に設けた熱量計の熱量計の検出限界以上のアノ
ード排ガス発熱量とし、さらに改質装置反応部への改質
原料供給量とスチーム供給量、改質反応部の出口温度、
反応圧力に基づき、平衡計算により改質ガス量および発
生Hガス量を算出し、その後、燃料電池のアノードと
カソード間の電流、電圧データをもとに発電により移動
する電子数および消費されるHの量を算出し、最後に
先に算出した改質ガス量、発生H量と消費H量よ
り、アノード排ガス発熱量を算出し、該発熱量が設定値
を上回る場合には、改質装置燃焼部へ供給する空気量を
増加するかあるいは電池アノード排ガス供給量を絞り込
む操作の少なくともいずれかの操作を行う溶融炭酸塩燃
料電池システムの制御方法である。
【0008】また、本発明の上記目的は次の構成によっ
て達成される。水蒸気改質反応により水素を発生させる
ための改質原料とスチームを導入する改質装置反応部
と、該改質装置反応部で発生した水素と酸素の反応によ
り化学的発電により電力を発生する燃料電池と、該燃料
電池から生成する未反応のHを主可燃成分とする電池
アノード排ガスを改質装置燃焼部へ供給する循環流路を
備えた溶融炭酸塩燃料電池システムにおいて、改質装置
反応部への改質原料供給量とスチーム供給量、改質装置
反応部の出口温度、改質反応圧力、燃料電池で発生する
直流電流量、燃料電池のアノードとカソード間電圧の各
々の検出手段と、燃料電池で発生する直流電流量、燃料
電池のアノードとカソード間電圧の検出手段以外の各々
の検出手段の検出値に基づき、平衡計算により改質ガス
量および発生Hガス量を算出し、その後、燃料電池で
発生する直流電流量、燃料電池のアノードとカソード間
電圧の検出手段による燃料電池のアノードとカソード間
の電流、電圧データをもとに発電により移動する電子数
および消費されるHの量を算出し、最後に先に算出し
た改質ガス量、発生H量と消費H量より、アノード
排ガス発熱量を算出するアノード排ガス発熱量算出手段
と、算出したアノード排ガス発熱量が設定値を上回る場
合には、改質装置燃焼部へ供給する空気量を増加するか
あるいはアノード排ガス量を絞り込む操作の少なくとも
いずれかの操作を行う制御手段を備えた溶融炭酸塩燃料
電池システムである。
【0009】
【作用】燃料電池のアノード、カソードの各電極間に流
れる電流は、燃料電池における反応量(=H2消費量)
に比例するため、アノード排ガスの発熱量をリアルタイ
ムに算出でき、また燃焼式熱量計の検知限界以下の発熱
量も算出できる。
【0010】
【実施例】本発明の一実施例を図面とともに説明する。
本実施例の燃料電池システムを図1に示す。図1に示す
燃料電池システムにおける部材で図5に示す従来の燃料
電池システムの部材と同一のものはそれぞれ同一符号を
付し、その説明は省略する。図1の燃料電池システムの
燃料電池アノード4とカソード5の間には電流計11と
電圧計12が設置されており、これらの測定データは負
荷制御装置9に取り込まれる。また、改質器反応部3の
出口温度を検出する温度計10が改質器反応部3の出口
部に設けられ、改質器反応部3へ供給する天然ガスとス
チームの合流する配管部であって改質器反応部3の入口
近傍に圧力計元弁14を備えた圧力計15が設けられ
る。負荷制御装置9には天然ガス量、スチーム量、改質
器反応部3での反応圧力、改質器反応部3の出口温度と
燃料電池アノード4とカソード5の間の電流、電圧のデ
ータが取り込まれ、これらを演算することにより、アノ
ード排ガスの発熱量を算出し、この値が適正値になるよ
うに制御する。前記発熱量による計算燃焼温度が改質器
燃焼部8の触媒保護のための設定温度相当となる値以上
になった場合、まず燃焼用空気流量調節弁7の開度を上
げ空気供給量を増加することにより改質器燃焼部8での
アノード排ガスの燃焼温度の上昇を抑える。そこで、燃
焼用空気供給量の操作だけで改質器燃焼部8の温度上昇
抑制に対応できない場合、燃料量の絞り込みの操作を行
う。通常、改質器燃焼部8の温度制御には燃焼温度のT
ICが用いられるが、アノード排ガス発熱量が急増し、
上記の設定値以上になった場合、燃焼用空気供給量の制
御はTIC(改質器燃焼部8のアノード排ガス供給量制
御)に優先して行われ、アノード排ガス発熱量が正常に
なった後、TICを復活させる。
【0011】上記制御システムの作動原理を次に説明す
る。燃料電池の基本的な反応原理は下記の2式で示され
る。 (1)アノード4での反応: H2→2H++2e- (2)カソード5での反応: 2H++2e-+1/2O2→H2O アノード4において水素(H2)が水素イオン(2H+
に変化するときに出る電子(e-)の流れが電流として
取り出されるのが燃料電池の原理であるが、1アンペア
・秒の電荷が流れる時に電子は6.24×1018個流れ
ることになり、この時、H2は0.01866mol消
費される。この原理に基づき、図2に示す計算手順によ
りアノード排ガスの発熱量を推算することができる。ま
ず、改質器反応部3入口の天然ガス量とスチーム量と改
質反応圧力、改質反応温度から改質反応転化率を次のよ
うにして計算して、改質ガス組成割合を算出する(ステ
ップ1〜5)。なお、転化率の計算式は次式の通りであ
る。転化率=1−改質ガス中の未反応CH4mol数/
原料炭化水素中のCmol数改質装置反応部への改質原
料供給量と改質装置反応部の改質反応圧力と反応温度を
データとするマップを作成し、このマップから改質原料
供給量からの反応生成物の転化率が得られる。例えば、
メタン原料などの触媒による改質反応では、メタン、ス
チームなどの原料供給量と改質反応圧力および改質反応
温度から一義的に改質されたガス量、発生H 2 量などが
求められる。
【0012】次に、天然ガス量とスチーム量から生成し
た改質ガス量を計算し(ステップ6)、次いで、ステッ
プ5で算出した改質ガス組成割合とステップ6で算出し
た改質ガス量からH2発生量を算出する(ステップ
7)。次に燃料電池のアノード4とカソード5の間の電
流、電圧を読み込み(ステップ8、9)、対象の燃料電
池固有の電圧−電流特性から、電池での反応により生じ
る電流値(I)を補正し(ステップ10)、電流補正値
に基づき次式から電子数(e)を計算する(ステップ1
1)。 e=I/1.602×10-19 ステップ11で算出した電子数から消費されるH2のモ
ル数(H)を次式に従って算出する(ステップ12)。 H=3600e/2×6.02×1023 前記H2モル数とステップ6で算出した改質ガス量から
アノード排ガス量Gを次式により算出する(ステップ1
3)。 G=a×H ただし、aはアノードリサイクル量に基づく係数であ
り、Hは消費されるH2ガスのモル数である。このアノ
ード排ガス量Gとステップ7で算出した改質ガス中のH
2よりステップ12で算出した消費H2を減じ、さら
に上記発電の電気化学反応により発生するCO 2 量を考
慮し、下記の計算を行うことにより次の計算式 アノード排ガス発熱量=(改質ガス量−H 2 消費量)×2570×22.4} /(改質ガス量+発生CO 2 量(=H 2 消費量)×6.02×10 23 からアノード排ガス発熱量を算出する(ステップ1
4)。
【0013】上記図2に示す手順に基づく改質器燃焼部
制御方法のフローを図3に示す。図3のステップ21〜
29は図2のフローを簡略化して記載したものである。
そこで、アノード排ガスの発熱量による計算燃焼温度が
改質器燃焼部8の触媒保護のための設定温度相当となる
値を超えると、改質器燃焼部8のTICを停止して(ス
テップ31)、空気流量調節弁7の開度を大きくして改
質器燃焼部8への空気供給量を増やし、燃焼触媒の劣化
を防ぐ(ステップ32)。また、アノード排ガスの発熱
量による計算燃焼温度が改質器燃焼部8の触媒保護のた
めの設定温度相当となる値以下になると、空気流量調節
弁7の開度が設定値であるかどうかを判断し(ステップ
33)、設定値と等しいと次回の計測までの時間待ちを
行い(ステップ34)、ステップ21からの操作を繰り
返す。もし、空気流量調節弁7の開度が設定値でない
と、ステップ31での改質器燃焼部8のTICカット状
態が維持されているので、空気流量調節弁7の開度を設
定値にして(ステップ35)、改質器燃焼部8のTIC
を復活させる(ステップ36)。図3ではアノード排ガ
ス発熱量算出値が大きく設定値を上回る場合には、改質
装置燃焼部へ供給する空気量を増加する操作と電池アノ
ード排ガス供給量を絞り込む操作の両方を行っている
が、本発明はこれに限らず、アノード排ガス発熱量算出
値が設定値の範囲内に迅速に収束する限り、上記いずれ
かの操作を行うだけでも良い。こうして、燃料電池に急
激な負荷低下があっても、アノード排ガスの発熱量をリ
アルタイムに算出して、改質器燃焼部8への空気供給量
を迅速に増加させることができ、改質器燃焼部8の燃焼
触媒を劣化させることがなくなる。しかも、本実施例の
方法によれば、燃焼式熱量計の検知限界以下の発熱量も
算出できる利点もある。
【0014】上記実施例のアノード排ガス発熱量算出シ
ステムによると、天然ガス流量、スチーム流量、改質反
応圧力、改質反応温度、電池電流、電流電圧より演算を
行い、アノード排ガス発熱量を推算しているため、流体
の流量計および改質器反応部の温度計の誤差などにより
推算値に誤差が生ずる可能性がある。従って、下記のど
ちらかの方法で従来のガスメータと組み合わせる方式が
信頼性向上の上で有効である。一つは、ガスクロマトグ
ラフィ方式のガスメータと併用して、定期的にアノード
排ガスの推算値と実測値を比較し補正する方法であり、
もう一つの方式は燃焼式ガスメータと併用して、下記方
法により、アノード排ガスの発熱量をカサ上げする方法
で燃焼式ガスメーターの検知発熱量下限以上とする方法
である。図4(a)に示すように、図1の燃料電池シス
テムのアノード排ガス用の配管16から分岐させたサン
プリング配管17を設け、この配管17に燃焼式のサン
プリングガス熱量計18を設け、さらに、このサンプリ
ング配管17の前記熱量計18の入口部分に少量の高発
熱量(既知発熱量)の増熱ガス用の配管19を接続し、
サンプリング配管17と増熱ガス用の配管19の流量を
それぞれガス流量計21、22で検出して、制御器20
で増熱ガスの供給量を制御する。その結果、図4(b)
のグラフに示すように、増熱前の発熱量が燃焼式ガス熱
量計18の検知限界(破線)以下の場合にも増熱後は燃
焼式ガス熱量計18の検知限界以上にすることができ、
アノード排ガス発熱量の測定精度を向上させ、燃料電池
システム制御の信頼性を高めることができる。
【0015】
【発明の効果】本発明によれば、 次のような効果があ
る。 (1)燃料電池アノード排ガスの発熱量をリアルタイム
に、また、燃焼式ガス熱量計の検出限界以下まで把握で
きる。 (2)燃料電池本体の電流、電圧を測定データとして利
用しているため燃料電池アノード排ガスの熱量計のガス
サンプリング位置より上流でデータを採取でき、電池の
異常などに対し熱量計方式より時間的な余裕をもって対
応操作ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例による燃料電池システムを
示す図。
【図2】 図1の燃料電池システムのアノード排ガス発
熱量算出手順を示すフロー図。
【図3】 図1の燃料電池システムの制御手順を示すフ
ロー図。
【図4】 本発明の他の実施例の燃料電池システムの要
部を示す図。
【図5】 従来方式による燃料電池システムを示す図。
【符号の説明】
1…天然ガス流量調節弁、2…スチーム流量調節弁、3
…改質器反応部、4…燃料電池アノード、5…燃料電池
カソード、6…インバータ、7…燃焼用空気流量調節
弁、8…改質器燃焼部、9…負荷制御装置、10…改質
器反応部出口温度計、15…反応部圧力計、16…アノ
ード排ガス配管、18…サンプルガス熱量計、20…制
御器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−44932(JP,A) 特開 昭62−186472(JP,A) 特開 平4−325402(JP,A) 特開 昭57−212779(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01M 8/00 - 8/24

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 改質装置の反応部に改質原料とスチーム
    を供給して水蒸気改質反応により水素を発生させ、該改
    質装置反応部で発生した水素を燃料電池のアノードに供
    給してカソードに供給される酸素との反応により電力を
    発生させ、燃料電池の生成する未反応のHを主可燃成
    分とする電池アノード排ガスを改質装置燃焼部へ供給す
    る溶融炭酸塩燃料電池システムにおいて、 改質装置反応部へ供給される改質原料供給量とスチーム
    供給量、改質装置反応部の出口温度、改質反応圧力に
    づき、平衡計算により改質ガス量および発生Hガス量
    を算出し、その後、燃料電池のアノードとカソード間の
    電流、電圧データをもとに発電により移動する電子数お
    よび消費されるHの量を算出し、最後に先に算出した
    改質ガス量、発生H量と消費H量より、アノード排
    ガス発熱量を算出し、該発熱量算出値が設定値を上回る
    場合には、改質装置燃焼部へ供給する空気量を増加する
    かあるいは電池アノード排ガス供給量を絞り込む操作の
    少なくともいずれかの操作を行うことを特徴とする溶融
    炭酸塩燃料電池システムの制御方法。
  2. 【請求項2】 改質装置の反応部に改質原料とスチーム
    を供給して水蒸気改質反応により水素を発生させ、該改
    質装置反応部で発生した水素を燃料電池のアノードに供
    給してカソードに供給される酸素との反応により電力を
    発生させ、燃料電池の生成する未反応のHを主可燃成
    分とする電池アノード排ガスを改質装置燃焼部へ供給す
    る溶融炭酸塩燃料電池システムにおいて、 アノード排ガスに既知発熱量の増熱ガスを添加し、発熱
    量測定用に設けた熱量計の検出限界以上のアノード排ガ
    ス発熱量とし、さらに改質装置反応部への改質原料供給
    量とスチーム供給量、改質反応部の出口温度、反応圧力
    に基づき、平衡計算により改質ガス量および発生H
    ス量を算出し、その後、燃料電池のアノードとカソード
    間の電流、電圧データをもとに発電により移動する電子
    数および消費されるHの量を算出し、最後に先に算出
    した改質ガス量、発生H量と消費H量より、アノー
    ド排ガス発熱量を算出し、該発熱量が設定値を上回る場
    合には、改質装置燃焼部へ供給する空気量を増加するか
    あるいは電池アノード排ガス供給量を絞り込む操作の少
    なくともいずれかの操作を行うことを特徴とする溶融炭
    酸塩燃料電池システムの制御方法。
  3. 【請求項3】 請求項1記載の溶融炭酸塩燃料電池シス
    テムの制御方法に加えて、燃焼式熱量計またはガスクロ
    マトグラフィによる燃料電池アノード排ガスの発熱量の
    検出値も用いて改質装置燃焼部へ供給する空気量を増加
    するかあるいはアノード排ガス量を絞り込む操作を行う
    ことを特徴とする溶融炭酸塩燃料電池システムの制御方
    法。
  4. 【請求項4】 水蒸気改質反応により水素を発生させる
    ための改質原料とスチームを導入する改質装置反応部
    と、該改質装置反応部で発生した水素と酸素の反応によ
    り化学的発電により電力を発生する燃料電池と、該燃料
    電池から生成する未反応のHを主可燃成分とする電池
    アノード排ガスを改質装置燃焼部へ供給する循環流路を
    備えた溶融炭酸塩燃料電池システムにおいて、 改質装置反応部への改質原料供給量とスチーム供給量、
    改質装置反応部の出口温度、改質反応圧力、燃料電池で
    発生する直流電流量、燃料電池のアノードとカソード間
    電圧の各々の検出手段と、燃料電池で発生する直流電流
    量、燃料電池のアノードとカソード間電圧の検出手段以
    外の各々の検出手段の検出値に基づき、平衡計算により
    改質ガス量および発生Hガス量を算出し、その後、
    料電池で発生する直流電流量、燃料電池のアノードとカ
    ソード間電圧の検出手段による燃料電池のアノードとカ
    ソード間の電流、電圧データをもとに発電により移動す
    る電子数および消費されるHの量を算出し、最後に先
    に算出した改質ガス量、発生H量と消費H量より、
    アノード排ガス発熱量を算出するアノード排ガス発熱量
    算出手段と、算出したアノード排ガス発熱量が設定値を
    上回る場合には、改質装置燃焼部へ供給する空気量を増
    加するかあるいはアノード排ガス量を絞り込む操作の少
    なくともいずれかの操作を行う制御手段を備えたことを
    特徴とする溶融炭酸塩燃料電池システム。
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