JP3471513B2 - 燃料電池発電装置およびその燃料切替試験方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数の燃料を切り
替えて発電を行なう燃料電池発電装置に係り、特にその
複数燃料の定期切替試験を人手によらず自動的に行ない
うようにした燃料電池発電装置およびその定期燃料切替
試験方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】複数の燃料を切り替えて発電可能な燃料
電池発電装置として、これまでに都市ガスとプロパンガ
ス又はメタノールの燃料切替えによる発電が可能な装置
が提案されている。

【０００３】図５にこの種の燃料電池発電装置の従来例
として、制御装置を用いて都市ガスとプロパンガスの燃
料切替えにより発電を行なうタイプの装置の構成を示
す。図５において、１は液化プロパンガスＧ２’を気化
させてプロパンガスＧ２にするための気化器、２は都市
ガスＧ１あるいはプロパンガスＧ２に含有される硫黄分
を除去するための脱硫装置、３は都市ガスＧ１あるいは
プロパンガスＧ２を改質用水蒸気と混合するエジェク
タ、４は都市ガスＧ１あるいはプロパンガスＧ２と水蒸
気を改質触媒上で反応させて水素リッチな改質ガスを得
るための改質装置である。この改質装置４は改質触媒が
充填された改質部４ａと改質バーナ４ｂを有する。

【０００４】また、５は水素リッチな改質ガス中の一酸
化炭素濃度を低減させるためのシフトコンバータ、６は
外気を取り込んで送り出す空気ブロア、７は燃料極７ａ
と酸化剤極７ｂとが電解質７ｃを挟んで配置されたセル
を複数組積層してなるリン酸型燃料電池本体、８は燃料
電池出力Ｐｏを電圧変換或いは直流／交流変換する変換
装置、９は燃焼排ガスや酸化剤極排ガスから凝縮水を得
るための凝縮器、１０はヒータ１０ａにより水を加熱し
て水蒸気を発生させる気水分離器、１１はそのヒータ１
０ａ用の電源、１２は蒸発器、１３は排熱利用システ
ム、１４は液化プロパンガスＧ２’のポンプ、１５は補
給水のポンプ、１６は制御部１６ａや比較演算部１６ｂ
を有する制御装置、１７はリサイクル配管、１８は燃料
極排ガス配管、１９は負荷である。

【０００５】また、Ｂ１〜Ｂ５遮断弁、Ｃ１〜Ｃ６は流
量制御弁、Ｓ１は圧力センサ、Ｓ２、Ｓ３は液面セン
サ、Ｓ４、Ｓ５は温度センサ、Ｓ６は圧力センサ、Ｓ７
は電圧センサ、Ｓ８は電流センサ、Ｓ９、Ｓ１０は流量
センサである。

【０００６】都市ガスＧ１を燃料として発電を行なう場
合には、制御装置１６の制御部１６ａから制御信号ａを
送信することによって遮断弁Ｂ２を開いて脱硫装置２に
都市ガスＧ１を供給し、その脱硫装置２において、改質
装置４の改質部４ａおよびリン酸型燃料電池本体７の燃
料極７ａの触媒の劣化原因となる都市ガスＧ１中の腐臭
剤に含まれる硫黄分を除去する。このときの都市ガスＧ
１の供給量は、流量制御弁Ｃ１の開度をリン酸型燃料電
池本体７の燃料電池出力Ｐｏに合わせて制御装置１６の
制御部１６ａからの制御信号ｂで調整することにより、
制御する。

【０００７】遮断弁Ｂ４は、制御装置１６の制御部１６
ａから送信された制御信号ｃにより、燃料電池発電装置
の都市ガスＧ１による起動時のみ開き、改質装置４の改
質バーナ４ｂに改質装置４の昇温のためにその都市ガス
Ｇ１を供給して燃焼させ、それ以外は閉じておく。な
お、以上において遮断弁Ｂ３、Ｂ５は、制御装置１６の
制御部１６ａから制御信号ｄ、ｆを送信して、閉じてお
く。

【０００８】都市ガスＧ１の供給量と供給圧力は、流量
センサＳ９と圧力センサＳ１で監視し、その流量検出信
号Ｈや圧力検出信号Ａを制御装置１６の比較演算部１６
ｂに送る。この制御装置１６の比較演算部１６ｂでは、
流量センサＳ９や圧力センサＳ１で検出した都市ガスの
供給量や供給圧力から、予め燃料電池出力Ｐｏに合わせ
て設定記憶された所定の値を引くことにより、その差を
計算する。

【０００９】そして、その差が０以下になったことを確
認したとき、すなわち、検出した都市ガスＧ１の供給流
量又は供給圧力が予め設定記憶された都市ガスの所定の
供給流量又は供給圧力以下に減少したことを確認したと
き、制御装置１６の制御部１６ａから制御信号ａ、ｄを
送信することによって、遮断弁Ｂ２を閉じるとともに遮
断弁Ｂ３を開いて、燃料切替を行なう。

【００１０】これによって、都市ガスＧ１に代えて、気
化器１で液化プロパンガスＧ２’を気化させることによ
り得られたプロパンガスＧ２を脱硫装置２に供給し、改
質装置４の改質部４ａおよびリン酸型燃料電池本体７の
燃料極７ａの触媒の劣化原因となるプロパンガスＧ２中
の腐臭剤に含まれる硫黄分を除去する。プロバンガスＧ
２の供給量は、流量制御弁Ｃ２の開度を燃料電池出力Ｐ
ｏに合わせて制御装置１６の制御部１６ａからの制御信
号ｅで調節することにより、行なう。

【００１１】遮断弁Ｂ５は、制御装置１６の制御部１６
ａから送信された制御信号ｆにより、燃料電池発電装置
のプロパンガスＧ２による起動時のみ開き、改質装置４
の昇温のためにそのプロパンガスＧ２を改質装置４の改
質バーナ４ｂに供給して燃焼させ、それ以外は閉じてお
く。

【００１２】液化プロパンガスＧ２’は、遮断弁Ｂ１を
介して気化器１にポンプ１４により自動的に供給され
る。気化器１の内部の液化プロパンガスの量は、液面セ
ンサＳ２で所定の範囲に維持される。気化器１の熱源に
は電気ヒータや燃料電池排熱等が利用される。プロパン
ガス供給量は、流量センサＳ１０で監視し、その検出信
号Ｉを制御装置１６の比較演算部１６ｂに送る。

【００１３】都市ガスＧ１およびプロパンガスＧ２の供
給量は、電圧センサＳ７と電流センサＳ８で検出した燃
料電池出力Ｐｏを検出信号Ｂ、Ｃとして制御装置１６の
比較演算部１６ｂに送信し、また温度センサＳ４で検出
した改質装置４の温度を検出信号とＤとして制御装置１
６の比較演算部１６ｂに送信し、予め設定記憶された燃
料電池出力Ｐｏおよび改質装置４の温度と、流量制御弁
Ｃ１、Ｃ２の開度（すなわち、都市ガス供給量およびプ
ロパンガス供給量）の関係に基づいて、制御装置１６の
制御部１６ａから制御信号ｂ、ｅを送信し、その流量制
御弁Ｃ１、Ｃ２の開度を調節することによって、燃料電
池出力Ｐｏに見合った値に設定する。

【００１４】脱硫装置２で硫黄分が除去された都市ガス
Ｇ１又はプロパンガスＧ２は、エジェクタ３で気水分離
器１０から供給された改質用水蒸気と混合され、改質装
置４の改質触媒が充填された改質部４ａに供給される。
なお、リン酸型燃料電池本体７が燃料極７ａと酸化剤極
７ｂとの間に生じる差圧で破壊することを防止するた
め、都市ガスＧ１とプロパンガスＧ２の供給圧力は大気
圧と同等の圧力に設定される。そのため、都市ガスＧ１
とプロパンガスＧ２は、エジェクタ３の改質用水蒸気の
吸い込みによって生じる差圧を駆動力として改質装置４
に供給される。

【００１５】エジェクタ３への改質用水蒸気供給量は、
予め設定記憶された流量制御弁Ｃ１、Ｃ２の開度（すな
わち、都市ガス供給量およびプロパンガス供給量）とエ
ジェクタ３の開度との関係に基づいて、制御装置１６の
制御部１６ａから制御信号ｇを送信してエジェクタ３の
開度を調整することによって、予め燃料毎に設定記憶さ
れた所定のスチームカーボン比（以下、「Ｓ／Ｃ」と呼
ぶ）となるように設定される。

【００１６】改質装置４では、燃料ガスである都市ガス
Ｇ１あるいはプロパンガスＧ２の水蒸気改質が行なわ
れ、水素リッチな改質ガスがつくられる。都市ガスＧ１
の主成分であるメタンの水蒸気改質反応は次の式（１）
で、またプロパンの水蒸気改質反応は次の式（２）で表
される。 ＣＨ₄ ＋ Ｈ₂ Ｏ → ＣＯ＋３Ｈ₂ ・・・・（１） Ｃ₃ Ｈ₈ ＋ ３Ｈ₂ Ｏ → ３ＣＯ＋７Ｈ₂ ・・・・（２）

【００１７】この水素リッチな改質ガスには、リン酸型
燃料電池本体７の燃料極７ａの触媒の劣化原因となる一
酸化炭素が含まれているので、その改質ガスはシフト触
媒を充填したシフトコンバータ５に送られ、次の式
（３）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換される。 ＣＯ ＋ Ｈ₂ Ｏ → ＣＯ₂ ＋Ｈ₂ ・・・・（３）

【００１８】改質ガス中の一酸化炭素含有量は、シフト
コンバータ５におけるこのような反応により１％以下ま
で低減される。シフトコンバータ５で一酸化炭素が下げ
られた水素リッチなシフトコンバータ５の出力改質ガス
は、リン酸型燃料電池本体７の燃料極７ａに供給される
とともに、その一部はリサイクル配管１７を経由して脱
硫装置２にリサイクルされ、そのリサイクルガス中に含
まれる水素が脱硫反応に使用される。

【００１９】このリサイクルガスの供給量は、予め設定
記憶された流量制御弁Ｃ１、Ｃ２の開度（すなわち、都
市ガス供給量またはプロパンガス供給量）と流量制御弁
Ｃ５の開度（すわなち、リサイクルガス供給量）の関係
に基づいて、制御装置１６の制御部１６ａから制御信号
ｈをその流量制御弁Ｃ５に送信し、その流量制御弁Ｃ５
の開度を調整することによって、予め設定記憶された所
定の供給量に設定される。

【００２０】一方、リン酸型燃料電池本体７の酸化剤極
７ｂには、空気ブロア６を用いて取り込んだ外気を発電
用エアとして供給する。この発電用エアの供給量は、電
圧センサＳ７と電流センサＳ８で検出した燃料電池出力
Ｐｏを検出信号Ｂ、Ｃとして制御装置１６の比較演算部
１６ｂに送信し、予め設定記憶された燃料電池出力Ｐｏ
と空気ブロア６の回転数および流量制御弁Ｃ４の開度
（すなわち、発電用エアー供給量）の関係に基づいて、
制御装置１６の制御部１６ａから制御信号ｉを送信して
空気ブロア６の回転数を調節し、また制御装置１６の制
御部１６ａから制御信号ｊを送信して流量制御弁Ｃ４の
開度を調整し、燃料電池出力Ｐｏに見合った値に設定す
る。

【００２１】リン酸型燃料電池本体７の燃料極７ａで
は、次の式（４）により改質ガス中の水素が水素イオン
と電子に変る。水素イオンは電解質７ｃの内部を拡散し
て酸化剤極７ｂに到達し、電子は外部回路を流れ、燃料
電池出力Ｐｏとして取り出される。 Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^- ・・・・（４）

【００２２】酸化剤極７ｂでは、次の式（５）に示す反
応により、燃料極７ａから電解質７ｃの中を拡散してき
た水素イオン、燃料極７ａから外部回路を通じて移動し
てきた電子、および空気中の酸素が反応し、水が生成す
る。 ２Ｈ⁺ ＋ 1/2 Ｏ₂ ＋ ２ｅ^- → Ｈ₂ Ｏ ・・・・（５）

【００２３】以上の式（４）と（５）をまとめると、リ
ン酸型燃料電池本体７の全電池反応は、次の式（６）に
示す水素と酸素から水ができる単純な反応として表すこ
とができる。 Ｈ₂ ＋ 1/2 Ｏ₂ → Ｈ₂ Ｏ ・・・・（６） 発電によって得られた燃料電池出力Ｐｏは、変換装置８
で電圧変換あるいは直流／交流変換が行なわれた後、負
荷１９に供給される。

【００２４】燃料極７ａでは、改質ガス中の水素がすべ
て式（４）に示した電極反応で消費されるわけではな
く、全体の８０％程度の水素が使われるだけである。残
りの約２０％の水素が未反応水素として、燃料極排ガス
中に残存する。これは、燃料極７ａで改質ガス中の水素
をすべて電極反応で消費しようとすると、ガスの出口付
近で局所的に水素が不足し、水素の代わりに燃料極基板
のカーボンが反応することによってリン酸型燃料電池本
体７が劣化することを防止するためである。未反応水素
を含む燃料極排ガスは、燃料極排ガス配管１８を経由し
て改質装置４の改質バーナ４ｂに供給され、バーナ燃料
として使用される。

【００２５】前記式（１）に示した都市ガスＧ１の主成
分であるメタンの水蒸気改質反応および前記式（２）に
示したプロパンの水蒸気改質反応は、吸熱反応であるの
で、外部から熱を改質装置４の改質部４ａに与える必要
がある。このために、改質バーナ４ｂにおいて燃料極排
ガス中の未反応水素を燃焼用エアーとともに燃焼させる
ことにより、改質装置４の改質部４ａの触媒充填層温度
を摂氏で最大７００度程度まで昇温する。

【００２６】このとき、空気ブロア６からの燃焼用エア
ーの供給量は、流量制御弁Ｃ３の開度を一定にすること
によって一定値に設定しても良いし、また温度センサＳ
４で検出した改質装置４の温度の検出信号Ｄを制御装置
１６の比較演算部１６ｂに送信し、予め設定記憶された
改質装置温度と空気ブロア６の回転数および流量制御弁
Ｃ３の開度（すなわち、燃焼用エアー供給量）の関係に
基づいて、制御装置１６の制御部１６ａから制御信号
ｉ、ｋを送信することによって、空気ブロア６の回転数
と流量制御弁Ｃ３の開度を調整し、設定しても良い。

【００２７】燃料極排ガス中の未反応水素の燃焼反応に
より生成した水蒸気を含む改質バーナ４ｂでの燃焼排ガ
スと、前記式（６）に示した電池反応により生成した水
蒸気を含む酸化剤極排ガスは、凝縮器９に送られ、水蒸
気が凝縮水として除去された後に、排ガスとして大気中
に放出される。凝縮水は気水分離器１０に戻され、電池
冷却水、改質用水蒸気、排熱回収用水蒸気等に利用され
る。

【００２８】前記の式（６）に示した電池反応は発熱反
応であるので、リン酸型燃料電池本体７の温度は、発電
により時間とともに上昇する。リン酸型燃料電池本体７
の温度上昇が起こると、電解質の水素イオン伝導率が上
がるために出力特性が一時的に向上するが、劣化が起こ
り易くなり、寿命低下が生じる。そこで、気水分離器１
０から電池冷却水を循環させてリン酸型燃料電池本体７
の冷却を行なう。

【００２９】このリン酸型燃料電池本体７の温度は、寿
命と電池性能の両方を勘案して、摂氏１９０度前後に設
定されるのが一般的である。電池冷却水のリン酸型燃料
電池本体７の出口温度は温度センサＳ５で検出し、その
検出信号Ｅを制御装置１６の比較演算部１６ｂに送信す
る。

【００３０】電池冷却水の供給量は、温度センサＳ５で
検出したリン酸型燃料電池本体７の出口温度が予め設定
記憶された所定の温度範囲となるように、制御信号ｍを
制御装置１６の制御部１６ａから流量制御弁Ｃ６に送信
し、その流量制御弁Ｃ６の開度を調整することによっ
て、設定する。リン酸型燃料電池本体７を出た電池冷却
水は、水と水蒸気の混合物の形で気水気分離器１０に戻
される。

【００３１】気水分離器１０では、圧力センサＳ６で検
出した圧力検出信号Ｆおよび液面センサＳ３で検出した
水位検出信号Ｇが制御装置１６の比較演算部１６ｂに送
信される。起動時および圧力センサＳ６が気水分離器１
０の圧力が予め設定記憶された所定の圧力より低下した
ことを検出した場合には、制御装置１６の制御部１６ａ
から制御信号ｎをヒータ電源１１に送信し、圧力センサ
Ｓ６で気水分離器圧力が予め設定記憶された所定の圧力
を超えることを検出するまで、予め設定記憶された所定
の電力をヒータ電源１１に供給し、水蒸気を発生させ
る。

【００３２】また、液面センサＳ３で気水分離器１０の
水位が予め設定記憶された所定の水位より低下したこと
を検出した場合には、制御装置１６の制御部１６ａから
制御信号ｐを補給水ポンプ１５に送信し、液面センサＳ
３による検出水位が予め設定記憶された所定の水位を超
えることを検出するまで、その補給水ポンプ１５を動作
させて気水分離器１０に補給水を供給する。

【００３３】リン酸型燃料電池本体７から気水分離器１
０に供給された水蒸気あるいは気水分離器１０で発生さ
せた水蒸気のうち、改質用水蒸気として使用する以外の
水蒸気は、排熱回収用水蒸気として蒸発器１２に供給さ
れ、排熱利用システム１３の冷媒の蒸発に使用される。
蒸発器１２で凝縮した排熱回収用水蒸気の凝縮水は気水
分離器１０に戻される。

【００３４】

【発明が解決しようとする課題】次に、複数の燃料を切
り替えて発電を行なう従来の燃料電池発電装置の問題点
について、上述した都市ガスＧ１とプロパンガスＧ２の
燃料切替により発電する燃料電池発電装置を例にして説
明する。この燃料電池発電装置では、どちらか一方の燃
料で発電を行ない、その時点で使用している燃料の供給
に異常が生じた場合に、自動的にもう一方の燃料に燃料
切替を行ない発電を継続する。

【００３５】通常は、都市ガスＧ１を常用燃料として発
電を行ない、プロパンガスＧ２を非常用燃料とし液化プ
ロパンガスＧ２’の形で備蓄し、地震等の災害や事故等
が発生して都市ガスＧ１の供給が途絶えた場合に、都市
ガスＧ１からプロパンガスＧ２に燃料切替を行なって発
電を継続するのが一般的である。

【００３６】このような燃料電池発電装置を通信用電源
等に適用し、常用・非常用を兼ねた電源として使用する
場合には、特に燃料切替機能に対して高い信頼性が要求
される。これは、都市ガスＧ１の供給が途絶えた場合
に、速やかにプロパンガスＧ２に燃料切替を行なって発
電を継続することができないと、非常用電源としての機
能を果たすことが不可能となるためである。

【００３７】そこで、燃料切替による発電が可能な燃料
電池発電装置を常用・非常用を兼ねた電源として使用す
る場合には、燃料切替機能の高信頼性を維持するため
に、定期的に燃料切替試験を行なって燃料切替機能の異
常の有無を判定し、必要に応じてメンテナンスを行なわ
なくてはならない。

【００３８】しかし、従来の燃料切替による発電が可能
な燃料電池発電装置では、定期燃料切替試験毎に、人間
が燃料電池発電装置の設置場所に出向き、手動で燃料切
替信号を制御装置１６の制御部１６ａに送り、制御装置
１６の制御部１６ａから遮断弁Ｂ２、Ｂ３、およびエジ
ェクタ３にそれぞれ制御制御信号ａ，ｄ，ｇを送信し、
遮断弁Ｂ２、Ｂ３の開閉とエジェクタ３の開度を調節す
ることによって、燃料切替試験を行なっていた。

【００３９】定期燃料切替試験で都市ガスＧ１からプロ
パンガスＧ２に燃料切替を行なう場合には、遮断弁Ｂ２
を閉じるとともに遮断弁Ｂ３を開け、逆にプロパンガス
Ｇ２から都市ガスＧ１に燃料切替を行なう場合には、遮
断弁Ｂ２を開けるとともに遮断弁Ｂ３を閉じる。一方、
エジェクタ３の開度は、改質用水蒸気供給量が予め設定
記憶されたプロパンガスＧ２又は都市ガスＧ１に適した
値となるように調整する。また、燃料電池発電装置の燃
料切替機能の異常の有無は、人間が燃料切替後の改質装
置温度、燃料電池出力、および燃料供給量が所定の範囲
にあるか否かを確認することによって判定していた。こ
のため、定期燃料切替試験に多くの稼働（手間）を要し
ていた。

【００４０】本発明は以上のような点に鑑みてなされた
もので、その第１の目的は、無人で自動的に定期燃料切
替を行なうことができること、第２の目的は、無人で自
動的に定期燃料切替試験を行ない、燃料切替機能の異常
の有無を判定して定期燃料切替試験の稼働を大幅に低減
すること、第３の目的は定期燃料切替時に改質用水蒸気
量も燃料切替に応じた量に設定されるようにすることで
ある。

【００４１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の第１の発明は、燃料極と酸化剤極とが電解質を挟んで
配置されたセルを複数組積層してなる燃料電池本体と、
燃料と改質用水蒸気を改質触媒上で反応させて水素リッ
チガスを生成し前記燃料電池本体に反応ガスとして供給
する改質装置を含む燃料改質系と、前記改質装置に複数
の燃料を供給する燃料供給系と、前記複数の燃料を切り
替える燃料切替手段および前記複数の燃料の供給量を制
御する燃料供給量制御手段を含む制御系と、を有する燃
料電池発電装置において、前記制御系に、予め燃料切替
試験の試験間隔又は試験時刻および試験時間が設定され
たタイマと、該タイマに設定記憶された前記試験間隔又
は試験時刻に基づく試験開始時および試験時間に基づく
試験終了時に、前記燃料切替手段および前記燃料供給量
制御手段に制御信号を送信して燃料切替の制御および該
燃料切替に応じた燃料供給量の制御を行なう燃料切替試
験用制御手段と、前記試験開始から前記試験終了までの
間に、改質装置温度、燃料供給量および燃料電池出力を
それぞれ予め設定記憶された許容範囲と比較演算して前
記許容範囲にあるか否かを判定する燃料切替試験用比較
演算手段と、を具備させたことを特徴とする燃料電池発
電装置として構成した。

【００４２】第２の発明は、第１の発明において、前記
燃料改質系に前記燃料と前記改質用水蒸気を混合するエ
ジェクタを具備させるとともに、前記燃料切替試験用制
御手段が前記試験開始時および前記試験終了時に、前記
エジェクタに供給する前記改質用水蒸気の供給量を前記
燃料切替に応じて切替設定することを特徴とする燃料電
池発電装置として構成した。

【００４３】第３の発明は、燃料極と酸化剤極とが電解
質を挟んで配置されたセルを複数組積層してなる燃料電
池本体と、燃料と改質用水蒸気を改質触媒上で反応させ
て水素リッチガスを生成し前記燃料電池本体に反応ガス
として供給する改質装置を含む燃料改質系と、前記改質
装置に複数の燃料を供給する燃料供給系と、タイマと、
前記複数の燃料を切り替える燃料切替手段と、前記複数
の燃料の供給量を制御する燃料供給量制御手段と、試験
時に燃料切替の制御および該燃料切替に応じた燃料供給
量の制御を行う燃料切替試験用制御手段と、燃料切替試
験用比較演算手段とを有する燃料電池発電装置の定期燃
料切替試験方法であって、予め燃料切替試験の試験間隔
又は試験時刻および試験時間を前記タイマにより設定記
憶し、前記試験間隔又は前記試験時刻に基づく試験開始
時に、燃料切替および該燃料切替に応じた燃料供給量設
定を前記燃料切替試験用制御手段により行ない、前記試
験時間の経過による試験終了時に、再び燃料切替および
該燃料切替に応じた燃料供給量設定を前記燃料切替試験
用制御手段により行い、前記試験開始から前記試験終了
までの間に、改質装置温度、燃料供給量および燃料電池
出力をそれぞれ予め設定した許容範囲と比較演算して前
記許容範囲にあるか否かを前記燃料切替試験用比較演算
手段により判定することを特徴とする燃料電池発電装置
の定期燃料切替試験方法として構成した。

【００４４】第４の発明は、第３の発明において、前記
試験開始時又は前記試験終了時に、前記改質用水蒸気の
供給量を前記燃料切替に応じて前記燃料切替試験用制御
手段により切替設定することを特徴とする燃料電池発電
装置の定期燃料切替試験方法として構成した。

【００４５】

【００４６】

【００４７】

【発明の実施の形態】

［第１の実施の形態］図１は本発明の燃料電池発電装置
の第１の実施の形態を示す系統図である。図５で説明し
たものと同一のものには同一の符号を付してその詳しい
説明は省略する。本実施の形態では、図５に示したもの
とは、制御装置１６に、制御部１６ａ、比較演算部１６
ｂに加えて、タイマ１６ｃ、燃料切替試験用制御部１６
ｄ、および燃料切替試験用比較演算部１６ｅを追加して
設け、この制御装置１６により自動的に定期燃料切替試
験を実施する点が異なる。

【００４８】タイマ１６ｃには、予め燃料切替試験の試
験間隔または日時（時刻）と試験時間とが設定記憶され
ている。燃料切替試験用制御部１６ｄは、そのタイマ１
６ｃに設定記憶した試験間隔の経過後、又は試験日時
（時刻）の到達後、又は試験時間の経過後に、遮断弁Ｂ
２、Ｂ３に制御信号ａ、ｄを送信して、遮断弁Ｂ２、Ｂ
３の開閉を制御するとともに、流量制御弁Ｃ１、Ｃ２に
制御信号ｂ、ｅを送信して、それらの開度を調整するこ
とによって、都市ガスＧ１の供給量又はプロパンガスＧ
２の供給量を、予め設定記憶された所定の値に制御する
動作を行ない、また、上記と同じタイミング時に、エジ
ェクタ３に対して制御信号ｇを送信して、その開度を調
整することよって、改質用水蒸気供給量が予め設定記憶
された都市ガスＧ１又はプロパンガスＧ２に適した値に
なるよう制御する動作を行なう。

【００４９】燃料切替試験用比較演算部１６ｅは、タイ
マ１６ｃで設定した試験時間内に温度センサＳ４から検
出信号Ｄとして送信された改質装置４の温度の検出値、
流量センサＳ９から検出信号Ｈとして送信された都市ガ
スＧ１の供給量の検出値、流量センサＳ１０から検出信
号Ｉとして送信されたプロパンガスＧ２の供給量の検出
値、電圧センサＳ７および電流センサＳ８から検出信号
Ｂ、Ｃとして送信された燃料電池出力Ｐｏの検出値を、
それぞれ予め設定記憶された改質装置温度、都市ガス供
給量又はプロパンガス供給量、および燃料電池出力Ｐｏ
の許容範囲と比較演算し、これの検出値が許容範囲であ
るか否かを判定する。

【００５０】次に本実施の形態の作用について説明す
る。本実施の形態では、定期燃料切替試験を制御装置１
６により自動的に実施する。制御装置１６のタイマ１６
ｃに定期燃料切替試験の試験間隔または日時（時刻）と
試験時間とを予め設定記憶させておく。また、燃料切替
試験用制御部１６ｄには、燃料切替試験開始時の流量制
御弁Ｃ１又はＣ２の開度とこれに対応した燃料切替試験
終了時の流量制御弁Ｃ１又はＣ２の開度を予め設定記憶
させておき、またエジェクタ３における改質用水蒸気供
給量の値に対応する開度を都市ガスＧ１又はプロパンガ
スＧ２に対応して予め設定しておく。燃料切替試験用比
較演算部１６ｅには、試験中の改質装置温度、燃料電池
出力、燃料供給量（都市ガス供給量やプロパンガス供給
量）の許容範囲を予め設定しておく。

【００５１】通常都市ガスＧ１を燃料として燃料電池発
電装置による発電を行なっている場合には、タイマ１６
ｃに予め設定記憶した試験間隔の経過後または試験日時
に、燃料切替試験用制御部１６ｄから遮断弁Ｂ２、Ｂ３
に制御信号ａ、ｄを送信して、遮断弁Ｂ２を閉じるとと
もに遮断弁Ｂ３を開けることによって、自動的に発電を
継続しながら都市ガスＧ１からプロパンガスＧ２へ燃料
切替を行なう。

【００５２】この燃料切替と同時に、燃料切替試験用制
御部１６ｄから、制御信号ｅを流量制御弁Ｃ２に送信
し、その流量制御弁Ｃ２の開度を、予め設定記憶された
燃料切替試験時の燃料電池出力Ｐｏに対応したプロパン
ガス供給量となるように、予め設定記憶された弁開度と
プロパンガス供給量の関係に基づいて、制御する。また
このとき、エジェクタ３に対して制御信号ｇを送信し
て、その開度を調整することよって、改質用水蒸気供給
量が予め設定記憶されたプロパンガスＧ２に適した値に
なるよう制御する。

【００５３】その後、タイマ１６ｃに予め設定記憶した
試験時間が経過するまでの間、プロパンガスＧ２を燃料
として、制御装置１６の制御部１６ａと比較演算部１６
ｂで制御を行ないながら、燃料電池発電装置による発電
を継続する。

【００５４】タイマ１６ｃで設定した試験時間内に燃料
電池切替試験用比較演算部１６ｄにおいて、温度センサ
Ｓ４から検出信号Ｄとして送信された改質装置温度の検
出値、流量センサＳ１０から検出信号Ｉとして送信され
たプロパンガス供給量の検出値、電圧センサＳ７、電流
センサＳ８から検出信号Ｂ、Ｃとして送信された燃料電
池出力Ｐｏの検出値を、それぞれ予め設定記憶された改
質装置温度、プロパンガス供給量、および燃料電池出力
Ｐｏの許容範囲と比較演算し、これらの検出値が許容範
囲にあるか否かを判定することによって、燃料切替機能
の異常の有無の判定を行なう。

【００５５】タイマ１６ｃに予め設定記憶した試験時間
が経過すると、燃料切替試験用制御部１６ｄから遮断弁
Ｂ２、Ｂ３に制御信号ａ、ｄを送信して、遮断弁Ｂ２を
開けるとともに遮断弁Ｂ３を閉じることによって、自動
的に発電を継続しながらプロパンガスＧ２から都市ガス
Ｇ１へ逆燃料切替を行なう。

【００５６】この逆燃料切替と同時に燃料切替試験用制
御部１６ｄから制御信号ｂを流量制御弁Ｃ１に送信し
て、その流量制御弁Ｃ１の開度を予め設定記憶された燃
料切替試験終了時の燃料電池出力Ｐｏに対応した都市ガ
ス供給量となるように、予め設定記憶された弁開度と都
市ガス供給量の関係に基づいて、制御する。またこのと
き、エジェクタ３に対して制御信号ｇを送信し、その開
度を調整することよって、改質用水蒸気供給量が予め設
定記憶された都市ガスＧ１に適した値になるよう制御す
る。

【００５７】その後、都市ガスＧ１を燃料として制御装
置１６の制御部１６ａと比較演算部１６ｂで制御を行な
いながら、燃料電池発電装置による発電を継続する。以
上の燃料切替試験のフローチャートを図２に、都市ガス
Ｇ１を常用燃料とした場合の燃料電池発電装置の定期燃
料切替試験を含む発電パターンを図３に示した。

【００５８】一方、通常プロパンガスＧ２を燃料として
燃料電池発電装置による発電を行なっている場合には、
タイマ１６ｃに予め設定記憶した試験間隔の経過後また
は試験日時に、燃料切替試験用制御部１６ｄから遮断弁
Ｂ２、Ｂ３に制御信号ａ、ｄを送信し、その遮断弁Ｂ２
を開けると共に遮断弁Ｂ３を閉じることによって、自動
的に発電を継続しながらプロパンガスＧ２から都市ガス
Ｇ１へ燃料切替を行なう。

【００５９】この燃料切替と同時に、燃料切替試験用制
御部１６ｄから制御信号ｂを流量制御弁Ｃ１に送信し、
その流量制御弁Ｃ１の開度を予め設定記憶された燃料切
替試験時の燃料電池出力Ｐｏに対応した都市ガス供給量
となるように、予め設定記憶された弁開度と都市ガス供
給量との関係に基づいて、制御する。またこのとき、エ
ジェクタ３に対して制御信号ｇを送信し、その開度を調
整することよって、改質用水蒸気供給量が予め設定記憶
された都市ガスＧ１に適した値になるよう制御する。

【００６０】その後、タイマ１６ｃに予め設定記憶され
た試験時間が経過するまでの間、都市ガスＧ１を燃料と
して制御装置１６の制御部１６ａと比較演算部１６ｂで
制御を行ないながら、燃料電池発電装置による発電を継
続する。

【００６１】タイマ１６ｃで設定した試験時間内に燃料
切替試験用比較演算部１６ｅにおいて、温度センサＳ４
から検出信号Ｄとして送信された改質装置温度の検出
値、流量センサＳ９から検出信号Ｈとして送信された都
市ガス供給量の検出値、電圧センサＳ７、電流センサＳ
８から検出信号Ｂ、Ｃとして送信された燃料電池出力Ｐ
ｏの検出値を、それぞれ予め設定記憶された改質装置温
度、都市ガス供給量、および燃料電池出力Ｐｏの許容範
囲と比較演算し、これらの検出値が許容範囲内にある否
かを判定することによって、燃料切替機能の異常の有無
を判定する。

【００６２】タイマ１６ｃに予め設定記憶した試験時間
が経過すると、燃料切替試験用制御部１６ｄから遮断弁
Ｂ２、Ｂ３に制御信号ａ、ｄを送信して、遮断弁Ｂ２を
閉じるとともに遮断弁Ｂ３を開けることによって、自動
的に発電を継続しながら都市ガスＧ１からプロパンガス
Ｇ２への逆燃料切替を行なう。

【００６３】この逆燃料切替と同時に、燃料切替試験用
制御部１６ｄから制御信号ｅを流量制御弁Ｃ２に送信し
て、その流量制御弁Ｃ２の開度を、予め設定記憶された
燃料切替試験終了時の燃料電池出力Ｐｏに対応したプロ
パンガス供給量となるように、予め設定記憶された弁開
度とプロパンガス供給量との関係に基づいて、制御す
る。またこのとき、エジェクタ３に対して制御信号ｇを
送信し、その開度を調整することよって、改質用水蒸気
供給量が予め設定記憶されたプロパンガスＧ２に適した
値になるよう制御する。

【００６４】その後、プロパンガスＧ２を燃料として、
制御装置１６の制御部１６ａと比較演算部１６ｂで制御
を行ないながら、燃料電池発電装置による発電を継続す
る。プロパンガスＧ２を常用燃料とした場合の燃料電池
発電装置の定期燃料切替試験を含む燃料電池発電装置の
発電パターンを図４に示した。

【００６５】［その他の実施の形態］なお、試験時間中
に行なう試験の要素（対象）、すなわち、改質装置温
度、都市ガス供給量、および燃料電池出力については、
それらの全てが予め各々設定した許容範囲にある場合に
は燃料切替機能正常と判断し、１つ以上がその許容範囲
から外れる場合に燃料切替機能異常と判断することがで
きるが、個々の要素について正常／異常を判断すること
もできる。また、燃料切替機能の正常／異常の判断のた
めの要素として、改質装置温度、都市ガス供給量、およ
び燃料電池出力のうちの１、又は２つのみを使用するこ
ともでき、更にそれらに別の要素を追加することもでき
る。

【００６６】また、以上では２種類の燃料の間で燃料切
替を行なう場合について説明したが、３種類の燃料の間
で燃料切替を行なうことが可能な燃料電池発電装置にお
いては、第１の燃料を常用燃料としている場合には、第
１の燃料→第２の燃料→第１の燃料の定期燃料切替試
験、第１の燃料→第３の燃料→第１の燃料の定期燃料切
替試験のように個別に定期燃料切替試験を行なうことは
勿論のこと、第１の燃料→第２の燃料→第３の燃料→第
１の燃料のように、連続して一挙に定期燃料切替試験を
行なうこともできる。４種類以上の燃料の間で燃料切替
を行なうことが可能な燃料電池発電装置においても同様
である。

【００６７】

【発明の効果】以上説明したように、第１、第３の発明
によれば、無人で自動的に定期燃料切替を行い、同時に
燃料切替機能の異常の有無を改質装置温度、燃料供給量
および燃料電池出力により判定することが可能であるか
ら、定期燃料切替試験の稼働を大幅に低減することがで
き、また第２，第４の発明によれば定期燃料切替時にエ
ジェクタの改質用水蒸気量も燃料切替に応じた量に設定
されるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施の形態の燃料電池発電装
置の構成を示す系統図である。

【図２】 本発明の第１の実施の形態の燃料電池発電装
置の定期燃料切替試験方法のフローチャートである。

【図３】 都市ガスを常用燃料とする場合の定期燃料切
替試験のパターンを示す図である。

【図４】 プロパンガスを常用燃料とする場合の定期燃
料切替試験のパターンを示す図である。

【図５】 従来の燃料電池発電装置の構成を示す系統図
である。

【符号の説明】

１：気化器、２：脱硫装置、３：エジェクタ、４：改質
装置、５：シフトコンバータ、６：空気ブロア、７：リ
ン酸型燃料電池本体、８：変換装置、９：凝縮器、１
０：気水分離器、１１：ヒータ用電源、１２：蒸発器、
１３：排熱利用システム、１４：液化プロパンガスのポ
ンプ、１５：補給水のポンプ、１６：制御装置、１７：
リサイクル配管、１８：燃料極排ガス配管、１９：負
荷、Ｓ１：圧力センサ、Ｓ２、Ｓ３：液面センサ、Ｓ
４、Ｓ５：温度センサ、Ｓ６：圧力センサ、Ｓ７：電圧
センサ、Ｓ８：電流センサ、Ｓ９、Ｓ１０：流量セン
サ、Ｂ１〜Ｂ５：遮断弁、Ｃ１〜Ｃ６：流量制御弁、Ｇ
１：都市ガス、Ｇ２’：液化プロパンガス、Ｇ２：プロ
パンガス。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−235321（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−68862（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 8/04 - 8/06

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料極と酸化剤極とが電解質を挟んで配置
   されたセルを複数組積層してなる燃料電池本体と、燃料
   と改質用水蒸気を改質触媒上で反応させて水素リッチガ
   スを生成し前記燃料電池本体に反応ガスとして供給する
   改質装置を含む燃料改質系と、前記改質装置に複数の燃
   料を供給する燃料供給系と、前記複数の燃料を切り替え
   る燃料切替手段および前記複数の燃料の供給量を制御す
   る燃料供給量制御手段を含む制御系と、を有する燃料電
   池発電装置において、 前記制御系に、予め燃料切替試験の試験間隔又は試験時
   刻および試験時間が設定されたタイマと、該タイマに設
   定記憶された前記試験間隔又は試験時刻に基づく試験開
   始時および試験時間に基づく試験終了時に、前記燃料切
   替手段および前記燃料供給量制御手段に制御信号を送信
   して燃料切替の制御および該燃料切替に応じた燃料供給
   量の制御を行なう燃料切替試験用制御手段と、前記試験
   開始から前記試験終了までの間に、改質装置温度、燃料
   供給量および燃料電池出力をそれぞれ予め設定記憶され
   た許容範囲と比較演算して前記許容範囲にあるか否かを
   判定する燃料切替試験用比較演算手段と、を具備させた
   ことを特徴とする燃料電池発電装置。
2. 【請求項２】前記燃料改質系に前記燃料と前記改質用水
   蒸気を混合するエジェクタを具備させるとともに、前記
   燃料切替試験用制御手段が前記試験開始時および前記試
   験終了時に、前記エジェクタに供給する前記改質用水蒸
   気の供給量を前記燃料切替に応じて切替設定することを
   特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
3. 【請求項３】燃料極と酸化剤極とが電解質を挟んで配置
   されたセルを複数組積層してなる燃料電池本体と、燃料
   と改質用水蒸気を改質触媒上で反応させて水素リッチガ
   スを生成し前記燃料電池本体に反応ガスとして供給する
   改質装置を含む燃料改質系と、前記改質装置に複数の燃
   料を供給する燃料供給系と、タイマと、前記複数の燃料
   を切り替える燃料切替手段と、前記複数の燃料の供給量
   を制御する燃料供給量制御手段と、試験時に燃料切替の
   制御および該燃料切替に応じた燃料供給量の制御を行う
   燃料切替試験用制御手段と、燃料切替試験用比較演算手
   段とを有する燃料電池発電装置の定期燃料切替試験方法
   であって、 予め燃料切替試験の試験間隔又は試験時刻および試験時
   間を前記タイマにより設定記憶し、前記試験間隔又は前
   記試験時刻に基づく試験開始時に、燃料切替および該燃
   料切替に応じた燃料供給量設定を前記燃料切替試験用制
   御手段により行ない、前記試験時間の経過による試験終
   了時に、再び燃料切替および該燃料切替に応じた燃料供
   給量設定を前記燃料切替試験用制御手段により行い、前
   記試験開始から前記試験終了までの間に、改質装置温
   度、燃料供給量および燃料電池出力をそれぞれ予め設定
   した許容範囲と比較演算して前記許容範囲にあるか否か
   を前記燃料切替試験用比較演算手段により判定すること
   を特徴とする燃料電池発電装置の定期燃料切替試験方
   法。
4. 【請求項４】前記試験開始時又は前記試験終了時に、前
   記改質用水蒸気の供給量を前記燃料切替に応じて前記燃
   料切替試験用制御手段により切替設定することを特徴と
   する請求項３に記載の燃料電池発電装置の定期燃料切替
   試験方法。