JP2860215B2 - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、燃料電池から排
出される余剰ガスを燃焼させることにより原燃料を加熱
改質するための改質器を備えた燃料電池発電装置に関
し、特に改質器の反応部の温度を原燃料の供給量を変化
させずに短時間に静定（安定化）させることのできる燃
料電池発電装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、燃料電池発電装置においては、
原燃料、例えばメタンを主成分とする都市ガスを水蒸気
改質するために改質器が設けられており、改質器は、燃
料電池から排出される余剰ガスを燃焼させて温度を制御
している。

【０００３】又、外的要因等により、改質器の温度が変
化したときには、予め設定された目標温度（上限値及び
下限値の範囲内）となるように、改質器への供給空気量
等を変化させて冷却作用を変化させている。

【０００４】図２は例えば特開平４−１２３７６６号公
報に記載された従来の燃料電池発電装置を示す構成図で
あり、改質器温度制御方式の場合を図式的に示してい
る。

【０００５】図において、１は発電用の燃料電池であ
り、後述する改質器からの改質ガスを反応させて出力電
流（負荷電流）Ｉｏを生成するための燃料極１ａと、燃
料極１ａの下層に配置された空気極１ｂ及び冷却器１ｃ
とから構成される。

【０００６】燃料極１ａは、改質ガスを反応させた後の
余剰ガスを排出する。冷却器１ｃは、冷却水を流通させ
る配管から構成されている。

【０００７】２は改質ガスを生成する改質器であり、改
質器２内の温度を制御するための燃焼部２ａと、原燃料
Ｆを改質するための反応部２ｂとから構成される。

【０００８】燃焼部２ａは、外部から供給された空気
（後述する）を混合させることにより余剰ガスを燃焼さ
せて反応部２ｂを加熱し、反応部２ｂは、原燃料Ｆから
生成された改質ガスを燃料極１ａに供給する。

【０００９】燃焼部２ａに供給される空気量は、安定燃
焼のための許容範囲となる上限値及び下限値が設定され
ている。

【００１０】尚、燃料極１ａからの余剰ガスの量は、改
質ガスの供給量に相当する原燃料Ｆの供給量と、改質ガ
スの消費量に相当する出力電流Ｉｏとに関連する。

【００１１】３は改質器２の燃焼部２ａに空気を供給す
るための空気ブロア、４は燃焼部２ａへの空気流量Ａを
計測する空気流量計、５は空気流量Ａを調整するための
空気流量調整手段、６は空気流量調整手段５を駆動して
空気流量Ａをフィードバック制御するための空気流量制
御器（ＦＩＣ）である。

【００１２】空気流量制御器６は、計測された空気流量
Ａと、原燃料Ｆの供給量、出力電流Ｉｏ及び空燃比等に
関連した入力信号Ｉと、温度制御信号Ｃ（後述する）と
に基づいて空気流量調整手段５に対する駆動信号を生成
する。

【００１３】又、空気流量Ａが上限値又は下限値に達し
たときには、原燃料Ｆの供給側に対し、許容範囲外を示
す空気流量限界指令（図示せず）を生成するようになっ
ている。

【００１４】７は反応部２ｂの温度Ｔを目標温度に制御
するための温度制御信号Ｃを生成する温度制御器（ＴＩ
Ｃ）、８は反応部２ｂの温度Ｔを検出する温度検出器
（ＴＥ）、９は空気ブロア３から燃焼部２ａに供給され
る空気を予熱するための空気予熱器、１０は燃料極１ａ
から燃焼部２ａに供給される余剰ガスを加熱するための
余剰ガス加熱器である。

【００１５】１１は反応部２ｂから燃料極１ａに供給さ
れる改質ガスを通過させるための配管、１２は燃料極１
ａから燃焼部２ａに供給される余剰ガスを通過させるた
めの配管、１３は空気ブロア３から燃焼部２ａに供給さ
れる空気を通過させるための配管である。

【００１６】１４は燃焼部２ａから排出される排ガスを
導出するための配管、１５及び１６は配管１４から分岐
されて空気予熱器９及び余剰ガス加熱器１０にそれぞれ
排ガス供給するための配管、１７は空気予熱器９及び余
剰ガス加熱器１０を通過した排ガスを大気中に放出する
ための配管である。

【００１７】空気予熱器９及び余剰ガス加熱器１０は、
燃焼部２ａから排出される排ガスにより空気及び余剰ガ
スをそれぞれ予熱及び加熱するようになっている。

【００１８】燃料電池１の燃料極１ａ、改質器２の反応
部２ｂ及び余剰ガス加熱器１０は改質ガス系統を構成し
ており、又、改質器２の燃焼部２ａ、空気ブロア３、空
気流量制御器６、温度制御器７及び空気予熱器９は、燃
焼ガス系統を構成している。

【００１９】次に、図２に示した従来の燃料電池発電装
置の動作について説明する。まず、改質器２の反応部２
ｂに供給された原燃料Ｆは、水素成分比率の高い改質ガ
スとなり、配管１１を介して燃料電池１の燃料極１ａに
供給される。

【００２０】燃料極１ａにおいて、改質ガスは、燃料電
池１の出力電流Ｉｏに比例した水素が消費されて例えば
１８０℃の余剰ガスとなり、配管１２を介して排出され
る。

【００２１】燃料電池１からの余剰ガスは、余剰ガス加
熱器１０において、改質器２からの排ガスにより例えば
４００℃に加熱された後、改質器２の燃焼部２ａに供給
される。

【００２２】一方、空気ブロア３からの例えば２５℃の
空気は、空気予熱器９において、例えば４００℃に予熱
された後、燃焼部２ａに供給される。

【００２３】燃焼部２ａは、予熱空気を混合させて加熱
後の余剰ガスを燃焼させ、反応部２ｂの温度Ｔを改質に
必要な目標温度に維持する。反応部２ｂの温度Ｔは、温
度検出器８により検出されて温度制御器７に入力され、
目標温度との偏差に相当する制御信号Ｃとなって空気流
量制御器６にフィードバックされる。

【００２４】通常、原燃料Ｆの供給量は、燃料極１ａで
消費される水素量の１．２５倍程度の一定倍の水素を発
生させる流量に制御されている。又、燃焼部２ａに供給
される空気の流量は、余剰ガスを燃焼させるのに必要な
空気流量と、改質器２を冷却するのに必要な空気流量と
の合計である。

【００２５】このうち、余剰ガスを燃焼させるのに要す
る空気流量は、燃焼比率を一定とすれば、原燃料の供給
量及び燃料電池１の出力電流Ｉｏに関連した入力信号Ｉ
によって決定される。

【００２６】従って、温度制御器７は、反応部２ｂの温
度Ｔと予め設定された目標温度とを比較し、もし温度Ｔ
が目標温度よりも高ければ、改質器２に対する冷却作用
を増大させるために、空気流量Ａを増加させるような制
御信号Ｃを空気流量制御器６に入力する。空気流量制御
器６は、入力信号Ｉ及び制御信号Ｃに応答して、空気流
量調整手段５に対する駆動信号を生成し、空気流量Ａを
増加させる。

【００２７】逆に、もし反応部２ｂの温度Ｔが目標温度
よりも低ければ、温度制御器７は、改質器２に対する冷
却作用が低減するように、空気流量Ａを減少させるため
の制御信号Ｃを生成する。このようにして、反応部２ｂ
の温度Ｔを一定に維持することができる。

【００２８】しかし、空気流量制御器６が空気流量Ａを
上限値又は下限値まで調整しても、反応部２ｂの温度Ｔ
を目標温度に制御しきれない場合には、原燃料Ｆの供給
量を変化させて温度制御を行う。

【００２９】特に、図２の構成によれば、改質器２に供
給される空気は、常に空気予熱器９を介しているうえ、
空気予熱器９には改質器２からの排ガスが供給されてい
るので、熱交換により常に予熱されている。

【００３０】従って、改質器２を冷却すべき空気が実際
に改質器２から持ち去る熱量が少ないため温度制御能力
が少なく、外的要因の変化等による温度Ｔの変化を吸収
することができない。

【００３１】このように、改質器２への空気流量Ａを調
整するのみで温度Ｔを制御することが不十分と思われる
場合には、空気流量制御器６は、原燃料Ｆの供給側に指
令を生成し、原燃料Ｆの供給量を変化させる。

【００３２】例えば、温度Ｔが目標温度よりも高い場合
には原燃料Ｆの供給量を減少させ、低い場合には原燃料
Ｆの供給量を増加させる。

【００３３】しかしながら、改質器２内の反応部２ｂに
おいては吸熱反応が行われるため、温度Ｔを増減させる
ために原燃料Ｆを増減させても、原燃料Ｆの供給量変化
が温度Ｔの変化を実質的に相殺することになり、温度Ｔ
が目標温度に静定されるまでに長い時間が必要となる。

【００３４】又、原燃料Ｆの供給量を変化させると、発
電効率も変化するため、安定な発電が損なわれてしま
う。

【００３５】

【発明が解決しようとする課題】従来の燃料電池発電装
置は以上のように、反応部２ｂの温度Ｔを目標温度範囲
内に制御するために、改質器２に対する空気流量Ａのみ
を変化させているので、温度制御能力が低く目標温度範
囲内に制御しきれないことから、原燃料Ｆの供給量を変
化させる必要がある。従って、温度Ｔを静定するのに時
間がかかるうえ、発電効率が変化するという問題点があ
った。

【００３６】この発明は上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、燃焼部に供給する燃焼用空気と
余剰ガスとの温度バランスを崩すことなく改質器の温度
を調整すると共に、改質器の反応部の温度を原燃料の供
給量を変化させずに短時間に安定化させることのできる
燃料電池発電装置を得ることを目的とする。

【００３７】

【課題を解決するための手段】この発明に係る燃料電池
発電装置は、空気予熱器及び余剰ガス加熱器に排ガスを
供給するための配管に並設されたバイパス配管と、温度
制御信号に基づいてバイパス配管内のバイパス排ガス流
量を調整するためのバイパス排ガス流量調整手段とを設
け、バイパス配管は、排ガスが余剰ガス加熱器及び空気
予熱器に分岐する前の配管部分に配置され、バイパス排
ガス流量調整手段は、バイパス排ガス流量を調整するこ
とにより、燃焼部に供給される空気及び余剰ガスの温度
を調整して反応部の温度を制御するものである。

【００３８】この発明においては、空気予熱器及び余剰
ガス加熱器に対する排ガス供給量を温度制御信号に基づ
いてバイパス制御し、燃焼部に供給される空気及び余剰
ガスの温度を変化させることにより調整可能な熱量を増
大させ、原燃料の供給量を変化させずに短時間に反応部
の温度制御を行う。

【００３９】

【発明の実施の形態】実施の形態１． 以下、この発明の実施の形態１を図について説明する。
図１はこの発明の実施の形態１を示す構成図であり、７
Ａは温度制御器７に対応しており、１〜６、８〜１７、
Ｆ、Ｉｏ及びＩは前述と同様のものである。

【００４０】この場合、温度制御器７Ａは、空気流量制
御器６からの空気流量限界指令に応答してバイパス流量
制御用の温度制御信号Ｃ′を生成するようになってい
る。

【００４１】図１において、２４は空気予熱器９及び余
剰ガス加熱器１０の両方に対する排ガス供給配管１４に
並設されたバイパス配管、２５はバイパス配管２４内の
バイパス排ガス流量を調整するためのバイパス排ガス流
量調整手段である。

【００４２】バイパス排ガス流量調整手段２５は、空気
流量限界指令に応答した温度制御器７Ａからの温度制御
信号Ｃ′に基づいて開度が調整され、バイパス配管２４
を通過するバイパス排ガス流量を調整する。

【００４３】これにより、バイパス排ガス流量調整手段
２５は、空気予熱器９及び余剰ガス加熱器１０に供給さ
れる排ガス量を調整して、燃焼部２ａに供給される空気
及び余剰ガスの温度を同時に調整して反応部２ｂの温度
Ｔを制御する。

【００４４】例えば、反応部２ｂの温度Ｔが変化したと
きに、空気流量Ａを上限値又は下限値まで調整しても温
度Ｔを目標温度に制御することができない場合には、温
度制御信号Ｃ′によりバイパス排ガス流量調整手段２５
を駆動してバイパス排ガス流量を増減し、空気予熱器９
及び余剰ガス加熱器１０に供給される排ガス量を調整す
るようになっている。

【００４５】次に、図１に示したこの発明の実施の形態
１の動作について説明する。尚、初期状態においては、
空気流量制御器６が空気流量限界指令を生成していない
ので、温度制御器７は空気流量制御器６に対して温度制
御信号Ｃ′を出力しており、バイパス排ガス流量調整手
段２５は駆動されずオフ状態である。

【００４６】又、上述したように、改質器２の燃焼部２
ａに供給される空気流量Ａは、燃焼用空気量と反応部２
ｂの温度調整用の冷却用空気量との合計量であり、原燃
料Ｆの供給量と、燃料電池１の出力電流（負荷電流）Ｉ
ｏと、一定の空燃比とによって決定されている。

【００４７】ここで、もし外的要因等によって反応部２
ｂの温度が変化すると、温度検出器８により温度上昇
（又は、低下）が検出されて温度制御器７Ａが温度制御
信号Ｃ′を生成し、空気流量制御器６は、温度制御信号
Ｃ′及び入力信号Ｉに応答して空気流量調整手段５を駆
動し、燃焼部２ａへの空気流量Ａを増加（又は、減少）
させる。

【００４８】しかし、空気流量Ａが上限値（又は、下限
値）に調整されても反応部２ｂの温度Ｔが低下（又は、
上昇）しない場合、空気流量制御器６は温度制御器７に
対して空気流量限界指令を生成する。

【００４９】これに応答して、温度制御器７は、温度制
御信号Ｃ′によりバイパス排ガス流量調整手段２５を駆
動し、空気予熱器９及び余剰ガス加熱器１０に供給され
る排ガス量を調整して、燃焼部２ａに供給される空気及
び余剰ガスの温度を同時に調整する。

【００５０】即ち、空気流量Ａが上限値に達しても温度
Ｔが目標温度に低下しない場合は、バイパス配管２４を
通過するバイパス排ガスの流量を増加させることによ
り、空気予熱器９及び余剰ガス加熱器１０に供給される
排ガス量を減少させて、燃焼部２ａに供給される空気及
び余剰ガスの温度を同時に下げて冷却作用を増大させ
る。

【００５１】逆に、空気流量Ａが下限値に達しても温度
Ｔが目標温度に上昇しない場合は、バイパス配管２４を
通過するバイパス排ガス流量を減少させることにより、
空気予熱器９及び余剰ガス加熱器１０に供給される排ガ
ス量を増加させて、燃焼部２ａに供給される空気及び余
剰ガスの温度を同時に上げて冷却作用を低減させる。

【００５２】このように、反応部２ｂの温度Ｔの上昇を
抑制する場合には、バイパス排ガス流量を増加させて空
気予熱器９及び余剰ガス加熱器１０に供給される排ガス
量を減少させ、燃焼部２ａに供給される空気及び余剰ガ
スの温度を同時に下げる。

【００５３】又、反応部２ｂの温度Ｔの低下を抑制する
場合には、バイパス排ガス流量を減少させて空気予熱器
９及び余剰ガス加熱器１０に供給する排ガス量を増加さ
せ、燃焼部２ａに供給される空気及び余剰ガスの温度を
同時に上げる。

【００５４】これにより、燃焼部２ａに供給される空気
及び余剰ガスの温度を、それぞれ、２５℃〜４００℃及
び１８０℃〜４００℃の範囲内で短時間に且つバランス
良く調整することができ、空気流量Ａのみの調整によっ
て制御可能な反応部２ｂの温度範囲が拡大する。

【００５５】従って、原燃料Ｆの供給量を変化させる必
要はなくなり、反応部２ｂでの吸熱反応に起因する温度
静定時間の延長も防止することができる。又、燃焼部２
ａに供給される空気及び余剰ガスの両方の温度が同時に
調整されるので、温度制御時の静定時間は更に短縮され
る。

【００５６】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、空気予
熱器及び余剰ガス加熱器に排ガスを供給するための配管
に並設されたバイパス配管と、温度制御信号に基づいて
バイパス配管内のバイパス排ガス流量を調整するバイパ
ス排ガス流量調整手段とを設け、バイパス配管は、排ガ
スが余剰ガス加熱器及び空気予熱器に分岐する前の配管
部分に配置され、バイパス排ガス流量調整手段は、バイ
パス排ガス流量を調整することにより空気予熱器及び余
剰ガス加熱器に対する排ガス量を調整し、燃焼部に供給
される空気及び余剰ガスの温度を調整して反応部の温度
を広範囲に制御するようにしたので、燃焼部に供給する
燃焼用空気と余剰ガスとの温度バランスを崩すことなく
改質器の温度を調整することができ、又、改質器の反応
部の温度を原燃料の供給量を変化させずに短時間に安定
化させることのできる燃料電池発電装置が得られる効果
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１を示す構成図であ
る。

【図２】 従来の燃料電池発電装置を示す構成図であ
る。

【符号の説明】

１ 燃料電池、１ａ 燃料極、２ 改質器、２ａ 燃焼
部、２ｂ 反応部、３空気ブロア、６ 空気流量制御
器、７Ａ 温度制御器、９ 空気予熱器、１０余剰ガス
加熱器、１２ 余剰ガスが余剰ガス加熱器を通過するた
めの配管、１３ 空気が空気予熱器を通過するための配
管、１４ 空気予熱器及び余剰ガス加熱器に排ガスを供
給するための配管、１５ 空気予熱器に排ガスを供給す
るための配管、１６ 余剰ガス加熱器に排ガスを供給す
るための配管、２４ バイパス配管、２５ バイパス排
ガス流量調整手段、Ａ 空気流量、Ｃ′ 温度制御信
号、Ｆ 原燃料、Ｉｏ 出力電流、Ｔ 温度。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 温度を制御するための燃焼部及び原燃料
   を改質するための反応部を有する改質器と、 前記改質器からの改質ガスを反応させて出力電流を生成
   するための燃料極を有する燃料電池と、 前記燃料極から排出される余剰ガスを加熱するための余
   剰ガス加熱器と、 前記反応部の温度を目標温度に制御するための温度制御
   信号を生成する温度制御器と、 前記燃焼部に空気を供給するための空気ブロアと、 前記出力電流及び前記温度制御信号に基づいて前記空気
   の流量を制御するための空気流量制御器と、 前記空気を予熱するための空気予熱器とを備え、 前記燃焼部は、前記加熱された余剰ガス及び前記予熱さ
   れた空気が供給されて前記加熱された余剰ガスを燃焼さ
   せ、 前記余剰ガス加熱器及び前記空気予熱器は、前記燃焼部
   から排出される排ガスにより前記余剰ガス及び前記空気
   をそれぞれ加熱及び予熱し、 前記反応部、前記燃料極及び前記余剰ガス加熱器は改質
   ガス系統を構成し、 前記燃焼部、前記温度制御器、前記空気ブロア、前記空
   気流量制御器及び前記空気予熱器は、燃焼ガス系統を構
   成する燃料電池発電装置において、 前記空気予熱器及び前記余剰ガス加熱器に前記排ガスを
   供給するための配管に並設されたバイパス配管と、 前記温度制御信号に基づいて前記バイパス配管内のバイ
   パス排ガス流量を調整するためのバイパス排ガス流量調
   整手段とを設け、前記バイパス配管は、前記排ガスが前記余剰ガス加熱器
   及び前記空気予熱器に分岐する前の配管部分に配置さ
   れ、 前記バイパス排ガス流量調整手段は、 前記バイパス排ガ
   ス流量を調整することにより、前記燃焼部に供給される
   空気及び余剰ガスの温度を調整して前記反応部の温度を
   制御することを特徴とする燃料電池発電装置。