JP3947665B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電システムに関し、特に燃焼用ガスの燃焼熱を利用して燃料ガスを得る燃料改質装置を備える燃料電池発電システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から、改質用原料ガスを改質して得た燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池発電装置においては、装置起動初期には燃焼用原料により燃料改質装置燃焼部にて燃焼を行い、当該燃料改質装置の加熱を行うが、改質用原料供給開始後は、当該燃料改質装置で改質した改質ガス(水素リッチガス)の全量または一部である未利用燃料ガスが当該燃料改質装置燃焼部で燃焼されていた。このように燃焼用原料から未利用燃料ガスへ、あるいは未利用燃料ガスと燃焼用原料の両方へと、燃焼ガスを切り替えるに当たって、改質用原料および未利用燃料ガスは、配管系内部に残存する非可燃性ガスが完全にパージされるまで外部に排出され、パージが終了した後に燃焼室に導入されるか、あるいは更に外部に排出され続け、発電が開始されてから燃焼室へ導入されるという方法が一般的であった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の燃料電池発電装置においては、可燃性ガスが外部に排出されるため、これを処理する燃焼器やフレアスタックなどの処理装置を別途設ける必要があって、システムが複雑になるという問題があった。
【0004】
そこで本発明は、単純なシステムで燃焼用原料から未利用燃料ガスへの切換をスムーズに行うことのできる燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1に係る発明による燃料電池発電システムは、例えば図1に示すように、燃料ガスを用いて発電する固体高分子型の燃料電池61と;燃料電池61で発電に利用されなかった未利用燃料ガス及び燃焼用原料の一方又は両方からなる燃焼用燃料を燃焼する燃焼部31を有し、燃焼部31で燃焼される前記燃焼用燃料の燃焼熱を利用して、改質用原料を前記燃料ガスに改質する燃料改質装置30と;燃料改質装置30に前記改質用原料を供給する改質用原料供給系12と;燃焼部31に前記燃焼用原料を供給する燃焼用原料供給系11と;前記未利用燃料ガスを燃焼部31に供給する未利用燃料ガス供給系21と;改質用原料供給系12を通して前記改質用原料が供給開始されたことにより起動するタイマー72と;タイマー72が所定の時間t11を経過したときに、未利用燃料ガス供給系21を通して前記未利用燃料ガスが燃焼部31に供給されて前記燃焼熱を得るための前記燃焼用燃料が過多になったと判断して、燃焼用原料供給系11を通した前記燃焼用原料の供給を減少または停止させるコントローラ71とを備える。燃料ガスは典型的には水素を主成分とするガスである。
【0006】
このように構成すると、改質用原料供給系を通して前記改質用原料が供給開始されたことにより起動するタイマーを備え、タイマーが所定の時間を経過したときに、未利用燃料ガス供給系を通して前記未利用燃料ガスが燃焼部に供給されて前記燃焼熱を得るための前記燃焼用燃料が過多になったと判断するので、単純な構造で、燃焼用原料供給系を通した燃焼用原料の供給を減少または停止することができる。
【0007】
燃料ガスを用いての発電は、典型的には水素を主成分とする燃料ガスを酸化剤と電気化学的に反応させて行う。燃焼用原料及び改質用原料は典型的には炭化水素(天然ガス等)やアルコール(メタノール等)である。未利用燃料ガス供給系は、燃料電池で発電が行われていない場合には、燃料電池に供給される燃料ガスはその全量が燃料電池で利用されないので、該燃料ガスの全量が未利用燃料ガスに該当し、燃料電池で発電が行われているときは発電に利用されずに排出されるガス、いわば燃料ガスの余剰分が未利用燃料ガスに該当する。また燃料電池が発電しているときに、燃料電池を経由して排出されるガス全体をオフガスあるいはアノードオフガスとも呼ぶ。
【0008】
また、上記目的を達成するために、請求項2に係る発明による燃料電池発電システムは、例えば図6に示すように、燃料ガスを用いて発電する燃料電池61と;燃料電池61で発電に利用されなかった未利用燃料ガス及び燃焼用原料の一方又は両方からなる燃焼用燃料を燃焼する燃焼部31を有し、前記燃焼部31で燃焼される前記燃焼用燃料の燃焼熱を利用して、改質用原料を前記燃料ガスに改質する燃料改質装置30と;燃焼部31に前記燃焼用原料を供給する燃焼用原料供給系11と;前記未利用燃料ガスを燃焼部31に供給する未利用燃料ガス供給系21と;燃焼部31の温度を検出する温度検出計74と;温度検出計74の検出する温度が所定の閾値を超えて上昇したときに、未利用燃料ガス供給系21を通して前記未利用燃料ガスが燃焼部31に供給されたと判断して、燃焼用原料供給系11を通した前記燃焼用原料の供給を減少または停止させるコントローラ73とを備える。
【0009】
このように構成すると、燃焼部31の温度を検出するので、燃焼部31で燃焼する燃料の量の変化を敏感に検知することができる。
【0010】
請求項2に記載の燃料電池発電システムでは、温度計74の検出する温度の変化を検知することにより、未利用燃料ガス供給系21を通して前記未利用燃料ガスが燃焼部31に供給されたことを検知するように構成している。
【0011】
このように構成すると、温度の変化、例えば温度上昇を検知することにより未利用燃料ガスが燃焼部に供給されたことを検知して燃焼用原料の供給を減少または停止するので、応答が迅速である。未利用燃料ガスが供給されると燃焼部の温度がそれまでと比較して大きく変化する。
温度の変化は、典型的には温度の変化率であるが、その他例えば温度の上昇値であってもよく、例えばほぼ一定であった温度がある閾値(例えば30〜40℃)を越えて上昇したことを検知するものとしてもよい。
【0012】
また請求項3に記載のように、検知する温度の変化が温度計74の検出する温度の変化率であるものとしてもよい。
【0013】
温度の変化率とは、特に温度変化の時間微分値である。例えば温度がほぼ一定の状態から温度上昇が始まると、温度の変化率はゼロから正の値となる。温度が上昇傾向にあっても、その上昇傾向が強くなると、温度の変化率はある正の値からそれよりも大きな正の値となる。温度が下降傾向にあっても、下降傾向が弱くなれば、温度の変化率は負のある値から負ではあるが絶対値が小さい値となる。そのような温度の変化率、特に温度の上昇スピードの変化、中でも上昇傾向となる、又は上昇傾向が強くなるのを検知する。即ち、温度の変化率の増大を検知する。
また請求項4に記載のように、請求項2又は請求項3に記載の燃料電池発電システムでは、例えば図6に示すように、燃料改質装置30に前記改質用原料を供給する改質用原料供給系12と;改質用原料供給系12を通して前記改質用原料が供給開始されたことにより起動するタイマー72(例えば図1参照)とをさらに備え;燃焼用原料供給系11を通した前記燃焼用原料の供給の減少または停止が、タイマー72(例えば図1参照)が起動した後に行われるように構成されていてもよい。
【0014】
上記目的を達成するために、請求項5に係る発明による燃料電池発電システムは、例えば図7に示すように、燃料ガスを用いて発電する燃料電池61と;燃料電池61で発電に利用されなかった未利用燃料ガス及び燃焼用原料の一方又は両方からなる燃焼用燃料を燃焼する燃焼部31を有し、前記燃焼部31で燃焼される前記燃焼用燃料の燃焼熱を利用して、改質用原料を前記燃料ガスに改質する燃料改質装置30と;燃焼部31に前記燃焼用原料を供給する燃焼用原料供給系11と;前記未利用燃料ガスを燃焼部31に供給する未利用燃料ガス供給系21と;燃焼用原料供給系11を通して供給される前記燃焼用原料の流量を検出する流量検出計76と;流量検出計76の検出する流量が所定の閾値に達したときに、未利用燃料ガス供給系21を通して前記未利用燃料ガスが燃焼部31に供給されたと判断して、燃焼用原料供給系11を通した前記燃焼用原料の供給を減少または停止させるコントローラ75とを備える。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号または類似記号を付し、重複した説明は省略する。
【0016】
図1〜図4を参照して本発明の第1の実施の形態を説明する。本実施の形態は、プロトン伝導性を持つ固体高分子を電解質とする固体高分子型燃料電池61と、炭化水素またはアルコールを主とする改質用原料を改質して燃料電池に水素を主成分とする燃料ガスを供給する燃料改質装置30とを含んで構成された、固体高分子型燃料電池発電システムである。
【0017】
燃料改質装置30は、改質用原料を固体高分子型燃料電池61に供給可能な燃料ガスへの改質を行う触媒等を充填した改質部35と、ここで改質を行うために必要な熱を得るための燃焼部31とを含んで構成される。燃焼部31は、燃焼用ガスの燃焼を行うバーナー32および燃焼室33とを含んで構成される。燃焼室33は、バーナー32で生じる火炎を収納する。改質部35は、水蒸気改質等の改質反応を行う改質触媒、CO変成反応を行う変成触媒、CO除去を行う選択酸化触媒層を含んで構成される。
【0018】
本改質装置30は、例えば全体的に円筒形に形成されており、該円筒の中心線が鉛直方向に向くように設置される。図中、円筒形構造の中心部には、燃焼室33が形成されており、燃焼室33の内部に、上方から下方に向けて燃焼ガスを導くバーナー32が設置されている。バーナー32の先端部に火炎が形成される。燃焼室33には、温度検出器としての熱電対を利用した温度計74が取り付けられている(図6参照)。
【0019】
またバーナー32には、弁11bを有する燃焼用原料供給系11と弁21aを有する未利用燃料ガス供給系21及び弁13bを有する燃焼用空気供給系13が接続されている。未利用燃料ガスは、燃料電池61で発電に利用されなかった燃料ガスである。未利用燃料ガス供給系21で供給されるガスは燃焼部31で燃焼される。
【0020】
燃焼用原料供給系11は、本燃料電池発電システムの起動初期の燃焼を行うために必要な燃焼用原料を供給する系である。燃焼用原料としては、本実施の形態では天然ガスを主成分とする都市ガスを用いる。このガスは取り扱いが容易で、入手もしやすい。但し、他の炭化水素ガスや液体燃料であってもよい。液体燃料としては、メタノール等のアルコールが適している。但し、灯油、軽油等の液体炭化水素であってもよい。
【0021】
また改質部35には、弁12bを有する改質用原料供給系12が接続されている。改質用原料は、本実施の形態では、燃焼用原料と共通なものとなっており、天然ガスを主成分とする都市ガスが用いられている。但し、燃焼用原料と同様に、他の炭化水素ガスや液体燃料であってもよい。また、メタノール等のアルコールや、灯油、軽油等の液体炭化水素であってもよい。
【0022】
燃焼用原料供給系11には、燃焼用原料を昇圧する昇圧機であるブロワ11aが弁11bの上流側に備えられ、改質用原料供給系12には、改質用原料を昇圧する昇圧機であるブロワ12aが弁12bの上流側に備えられ、燃焼用空気供給系13には、燃焼用空気を昇圧する昇圧機であるブロワ13aが弁13bの上流側に備えられている。またブロワ11aの上流側には弁11cが、ブロワ12aの上流側には弁12cが備えられている。なお、燃焼用原料及び改質用原料として、例えばガスボンベから供給される加圧ガスを用いる場合には、前記ブロワは用いなくてもよい。
【0023】
この実施の形態では、前述のように燃焼用原料と改質用原料とが共通化されている。したがって、燃焼用原料供給系11と改質用原料供給系12とは、弁11cと弁12cの上流側で共通の原料供給系から分岐している。
【0024】
改質用原料供給系12には、ブロワ12aと弁12bとの間に、不活性ガスである窒素ガスを供給する窒素ガス供給系が接続されている。窒素ガス供給系には弁12dが備えられている。この系から改質用原料供給系12を通して供給される窒素ガスは、本燃料電池発電システム起動初期において、熱媒体として均一な昇温を促進するためのものであり、また停止時には、安全上システム内に可燃性ガスが残留しないように置換を行うために用いる。前記目的のために前記窒素の代わりに空気や水蒸気等の非可燃性の媒体(不活性ガスも含む概念)を用いてもよい。これらの媒体は起動時には必ずしも用いなくてもよいが、この場合システム内には、前回停止操作時に残留可燃性ガスの置換を行うために用いた非可燃性ガスが残留している。
【0025】
さらに、改質部35には改質部35で改質された燃料ガスを燃料電池61に供給する燃料ガス供給系25が接続されている。
【0026】
また燃焼部31には、燃焼排ガスを排出する燃焼排ガス排気系23が接続されている。
【0027】
バーナー32に供給された燃焼用ガス又は未利用燃料ガスは、燃焼用空気供給系13を通して供給される空気と混合され燃焼室33で燃焼する。発生した燃焼ガスは、燃焼室33から流出する。この間に改質部35を加熱する。燃焼室33の温度は、ここでの燃焼による発熱量に敏感であり、燃焼ガス量が増えると直ちに上昇する。
【0028】
本発明の実施の形態で使用される燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池61である。この燃料電池は、セルスタックとして構成されている。このセルスタックは、電解質を構成する固体高分子膜を有し、該固体高分子膜の一方の面側に燃料極を、他方の面側に酸化剤極を有する。燃料極には水素を主成分とする燃料ガスが供給され、酸化剤極には酸化剤ガスとしての空気が供給される。そして、供給された燃料ガスと空気とを電気化学的に反応させて発電を行う。このような固体高分子膜と、炭素等の導電性材料で作られたセパレータとが交互に重ねられ多層構造として、セルスタックが構成されている。
【0029】
図1〜図4のフローチャートを参照して、本発明の第1の実施の形態を説明する。弁11bと弁12bは、信号伝達系でコントローラ71に接続されている。コントローラ71には、タイマー72が接続されている。なおコントローラ71は、後述のような制御を行わせるソフトをインストールしたマイクロコンピュータ又はパソコンであってもよく、タイマー72はコントローラ71に組み込んであってもよい。
【0030】
燃料ガス供給系25は、燃料電池61に接続されている。燃料ガス供給系25には、燃料電池61に接続される上流側に弁25aが備えられている。この燃料ガス供給系25で供給される燃料ガスは、燃料電池61の燃料極に供給される。なお、燃料電池61には、不図示の空気供給系により、酸化剤としての空気が供給される。
【0031】
未利用燃料ガス供給系21は、燃料電池61に接続されている。ここでいう未利用燃料ガスは、燃料極で水素が発電に利用された後の余剰改質ガスであり、まだ水素をかなり含むいわゆる水素リッチガスである。未利用燃料ガス供給系21には、燃料電池61側から、弁21bと弁21aがこの順番で備えられている。
【0032】
改質装置30と弁25aとの間の燃料ガス供給系25と、弁21aと弁21bとの間の未利用燃料ガス供給系21とは、バイパス系24で接続されている。バイパス系24には、弁24aが備えられている。また弁21aと弁21bとの間の未利用燃料ガス供給系21からは、未利用燃料ガス排気系22が引き出されており、この系には弁22aが備えられている。
【0033】
なお図1〜図4、図6、7では、図中黒く塗りつぶした弁は閉、白く示された弁は開となっていることを意味する。
【0034】
図1のフローチャートは、改質装置30の昇温時の弁の開閉状態を示す。このときは、弁12cは閉となっており、改質用原料は供給されない。その代わり、弁12dが開となっており、改質用ガス供給系12を通して、改質装置30には窒素ガスが供給される。また弁21aは閉となっており、窒素ガスはバーナー32には供給されない。また弁25aと弁21bとは閉となっており、改質装置30からの窒素ガスは、燃料電池61には供給されない。また弁24a、弁22aは、開となっている。
【0035】
この状態では、改質装置30を含む燃料電池発電システムは、発電開始前の運転準備段階にある。改質用原料供給系12から弁12bを介して改質装置30に供給される窒素ガスは、改質部35に窒素ガスを充填して、燃料ガス供給系25を通って、さらにバイパス系24を通って未利用燃料ガス排気系22に抜ける。
【0036】
燃焼用原料供給系11から弁11bを介して、燃焼用原料である天然ガスが、バーナー32に供給される。この天然ガスは、燃焼用空気供給系13から弁13bを介して、バーナーに供給される燃焼用空気と混合され、バーナー32でひいては燃焼室33内で燃焼する。燃焼排ガスは、燃焼排ガス排気系23を通してシステム外に排出される。
このように改質装置30には、燃焼用ガス、窒素ガス、燃焼用空気が供給され、改質装置30が燃焼用ガスの燃焼により加熱されている。しかしながら、燃料ガスはまだ燃料電池61には供給されていない。したがって未利用燃料ガスは、まだ改質装置30に戻って来ていない。ここで改質部35に供給される窒素ガスは、改質部35の加熱が一様になるのを助ける。
【0037】
このように、この状態では、改質用原料ガス供給系12からは窒素ガスが改質部35に供給され、燃料ガス供給系25、バイパス系24、未利用燃料ガス排気系22を通して排出される。また燃焼用原料供給系である燃焼用ガス供給系11から燃焼用ガスが、燃焼用空気供給系13から燃焼用空気が、それぞれバーナー32に供給され、燃焼室33で燃焼した結果生じた燃焼ガスは、燃焼排ガス排気系23を通して排気される。
なお後で説明する図5の線図上では、この状態は時刻t0〜t3に該当する。
【0038】
図2のフローチャートは、改質用原料の供給が開始されたときの弁の開閉状態を示す。このときは、図1の状態と比べて、弁12dが閉となり、その代わりに弁12cが開となっている。また弁22aが閉、弁21aが開となっている。
【0039】
この状態では、まず改質用原料供給系12から弁12bを介して改質用原料が改質装置30に供給され始める。このとき窒素ガスの供給は停止しているので、改質装置30内の窒素ガスは、改質用原料と置換され始める。改質部35内が改質用原料で十分に置換されると、改質用原料は燃料ガス供給系25を通って、さらにバイパス系24を通って未利用燃料ガス供給系21に流入し、最後にバーナー32に到る。
【0040】
この間も、燃焼用原料供給系11からは燃焼用原料である天然ガスが、バーナー32に供給されており、改質装置30の加熱は継続している。
なお後で説明する図5の線図上では、この状態は時刻t3〜t5に該当する。
【0041】
図3のフローチャートは、未利用燃料ガスが燃焼部31に供給された後、燃焼用原料の供給が停止又は減少されたときの弁の開閉状態を示す。このときは、図2の状態と比べて、弁11cが閉となっている。この状態では、未利用燃料ガスが燃焼部31に供給されるので、燃焼用原料を供給する必要がなくなり、したがって弁11cが閉となるのである。後で説明する図5の線図上では、この状態は時刻t5〜t6に該当する。
なお、燃焼用原料と未利用燃料ガスの両方を継続的に用いて改質器の加熱を行う場合には、弁11cは開のままとする。
【0042】
図4のフローチャートは、発電中又は発電可能状態における弁の開閉状態を示す。このときは、図3の状態と比べて、弁24aが閉となり、弁25aと弁21bとが開となっている。この状態では、燃料ガスが供給系25を通して燃料電池61に供給され、未利用燃料ガスが系21を通して、バーナー32に供給されている。
なお後で説明する図5の線図上では、この状態は時刻t6〜に該当する。但し、実際の負荷接続はt7〜である。
【0043】
図5の、実測値に基いて作成した線図を参照し、また適宜図1〜図4を参照して、第1の実施の形態の作用を説明する。図中□で示すプロットは、改質用原料ガスまたはその代わりの窒素ガスの流量を、○で示すプロットは、燃焼用ガスの流量、●で示すプロットは、燃焼部31の温度、特に燃焼室33の温度を表わす。
【0044】
図中、時刻t0には弁12cが閉、弁12dが開とされ、改質用原料ガス供給系12から、改質装置30に窒素ガスが供給されている。この時点では、この系統からは改質用原料ガスの代わりに窒素ガスを供給する。なお、窒素ガスは改質装置30に供給されるに十分な圧力をもっているものとして、ブロワ12aの吐出側に接続された系から供給されている。このときブロワ12aは運転の必要がない。しかしながら、十分な圧力を有していないときは、窒素供給系はブロワ12aの吸込側に接続してもよい。このときはブロワ12aを運転する。
【0045】
燃料電池発電システムの起動は、最初に燃焼用ガスを改質装置の燃焼部31に供給し、改質装置の昇温後改質用原料ガスを供給する。改質用原料ガス供給開始前、改質装置および燃料ガス供給系および未利用燃料ガス供給系の内部には、熱媒体として窒素ガス等の不活性ガスや、その他の非可燃性ガスである空気、水蒸気等が流通される。起動時に熱媒体を用いない場合には、前回停止時に可燃性ガスを置換するために導入された窒素ガス等の非可燃性ガスがシステム内部に封入されている。したがって、改質用原料ガス供給直後は燃料極から排出される未利用燃料ガスを導く未利用燃料ガス供給系から燃焼部31へ供給されるのは改質ガス(水素リッチガス)でなく不活性ガス等の非可燃性ガスとなる。したがって、改質用原料ガス供給開始後直ちに燃焼用ガスの供給を停止すると燃焼部31における失火等の不適合を生じる。
【0046】
図中□で示されるように、時刻t0〜t1では、窒素が供給されている。また、弁11bは閉となっており、燃焼用ガスは供給されていない。このときは燃料電池発電システムは、運転開始前の待機状態にある。燃焼部31としての燃焼室33の温度(図中●)は、ほぼ常温としての大気温度に等しい。
【0047】
時刻t1に、ブロワ11aが運転され、弁11bが開とされて燃焼用ガス供給系11を通して燃焼用ガスの供給が開始される(図中○)。また同様に、ブロワ13aが運転され、弁13bが開とされて燃焼用空気供給系13を通して燃焼用空気の供給が開始される。供給される燃焼用ガスと空気とにより、バーナー32が働き燃焼室33内での燃焼が始まる。このようにして、燃焼室33の温度(図中●)が、上昇し始める。このときコントローラ71は、不図示の信号ラインにより温度検出器(図1には不図示)で検出した燃焼室33の温度を受信しており、所定の設定温度になるように、調節弁11bを開閉調節している。したがって図示のように、時刻t2に燃焼室33の温度が設定温度になると、燃焼ガスの流量が減少し始める。そして燃焼室33の温度は設定温度に維持される。
【0048】
この状態を所定の時間継続すると、燃焼用ガスの流量は図中横ばいとなる。即ち、燃焼室33の温度を設定温度に維持するのに必要な燃焼用ガスの流量がほぼ一定となる。このような状態における任意の時刻t3に改質用原料ガスの供給を開始する。このときは、改質用原料ガス供給系12に流れていた窒素ガスを、改質用原料ガス、典型的には天然ガスを用いた都市ガスに切換える。天然ガスはメタンガスを主成分とする。図1、図2では、二方弁12cと12dの開閉により切り替えているが、この2つの二方弁は不図示の三方弁で置き換えてもよい。
【0049】
次に時刻t3〜t5の状態を説明する。図中、時刻t3には弁12dが閉、弁12cが開とされ(図2)、改質用原料ガス供給系12から、改質装置30に改質用原料ガスとしての天然ガスが供給され始める。このときタイマー72がオンとなる。
【0050】
コントローラ71は、燃焼室33の温度が設定温度になるように燃焼用ガス供給系の弁11bを開閉調節している。この状態で所定の時間が経過すると、時刻t4において未利用燃料ガスが改質装置30に到達する。即ちここで未利用燃料ガス供給系21から燃焼部31への供給ガスが非可燃性ガスから改質用ガスに変わる。このようにして燃焼部31への総可燃性ガス供給量が増加するため燃焼部温度は上昇する。言い換えれば、燃焼室33中では燃焼用ガスと未利用燃料(アノードオフガス)の兼焼状態となる。したがって燃焼室の温度が上昇を開始する。それに応じてコントローラ71が作動するので、燃焼用ガス流量が減少する。
【0051】
但し、本実施の形態では燃焼用ガスには最低流量が設定されており、例え燃焼室の温度が上昇しても、この最低流量より下には下がらない。線図上では、燃焼用ガス流量が一定値で横ばいになっているのが分かる。このように燃焼用ガス流量に閾値を設定してそれよりも下回らないようにするとバーナー32の失火の防止を図ることができる。
【0052】
一方コントローラ71に接続されたタイマー72は、改質用ガスの供給を開始した時刻t3に、前述のようにオンにされる。タイマー72が所定の設定時間t11を経過して時刻t5になったときに、コントローラ71を介して燃焼用ガス用の弁11bに閉の信号を送り、これを閉とする。これはタイマーからの信号を待って、前記のように設定されている燃焼用ガスの最低流量値をゼロに変更することによって行ってもよい。
【0053】
このときもまだ燃料電池の負荷はかけられていないので、改質用原料ガスの流量には変化がない。ここで燃焼用ガスの供給が停止され、未利用燃料ガス(アノードオフガス)の専焼になるので、燃焼室33の温度は設定値に向けて低下を始める。
【0054】
タイマー72の設定時間t11は、統計的、経験的に、当該燃料電池発電システムにおいて、改質用ガスの供給を開始してからこれが燃料電池スタック61に到達し、アノードオフガスが改質装置30に確実に戻ってくる時間に設定されている。したがって燃焼用ガスの供給を停止しても、バーナー32が失火することがない。
【0055】
次に時刻t5の後の時刻t6になったところで、弁25aと弁21bが開となり、弁24aが閉となって、燃料電池スタック61に燃料ガスが供給される。改質用原料ガスの流量は、かけられる負荷に見合う流量に制御される。その後時刻t7において、燃料電池スタックに不図示の負荷が接続され、発電が開始される。
【0056】
図6のフローチャートを参照して、第2の実施の形態を説明する。第1の実施の形態と異なる構成部分を重点的に説明する。本図は第1の実施の形態の図2に対応する。但し、窒素供給系や、燃焼用原料供給系と改質用原料供給系とに共通に原料を供給する系統は図示を省略してある。
【0057】
図中燃焼用ガス供給系11の弁11bは、コントローラ73に接続されており、コントローラ73は温度検出器74からの温度検出信号を受信するように構成されている。温度検出器74は、燃焼室33の温度を検出するように熱電対が取り付けられている。熱電対は燃焼室の壁板に埋め込まれていてもよいし、壁板を貫通して燃焼室33内の燃焼ガスに接触するように設置されていてもよい。
【0058】
このように構成すると、図5の線図で説明したように、この温度を設定値に維持するようにコントローラ73が調節弁11bを開閉調節することができる。また温度検出計74は、アノードオフガスがバーナー32に供給されたこと、ひいてはオフガスが燃焼室33で燃焼開始したことを検知することができる。コントローラ73は、これを検知して燃焼用ガス調節弁11bを開閉調節し、または閉とするので、オフガスが供給されたことを検知して、燃焼用ガスの供給を減少または停止することができる。これは、図2における時刻t5における系の挙動に対応する。
【0059】
図7のフローチャートを参照して、第3の実施の形態を説明する。第1又は第2の実施の形態と異なる構成部分を重点的に説明する。本図は第1の実施の形態の図2に対応する。また図6と同様に説明に直接係わらない部分は図示を省略してある。図中燃焼用ガス供給系11の弁11bは、コントローラ75に接続されており、コントローラ75は流量検出器76からの流量検出信号を受信するように構成されている。流量検出器76は、燃焼用ガス供給系11の、弁11bとバーナー32との間に設置されており、燃焼用ガスの供給量を検出する。
【0060】
コントローラ75は、温度検出器(図7には不図示、図6参照)で検出された燃焼室33の温度を設定値に維持するように燃焼ガス調節弁11bを開閉制御する。一方、流量検出器76で検出された流量が所定の閾値に達したときに弁11bを閉として、燃焼用ガスを遮断する。これは、図5の線図上の時刻t5における系の挙動に対応する。前記燃焼用ガスの流量の前記所定の閾値は、オフガスがバーナー32に到達したことを保証するような値とする。即ち、未利用燃料ガスがバーナー32に達すると、燃焼用ガスの必要量が低下するので、燃焼用ガスの流量を監視していれば未利用燃料ガスがバーナー32に供給されたか否かを検知することができることを利用する。
【0061】
このように、改質用原料ガスは最低流量値における一定流量制御されており燃焼用ガス流量で燃焼部温度を一定制御している場合には、当該部分の温度上昇を抑制するために燃焼用ガス流量は低下する。そこで、改質用原料ガス供給開始後の燃焼部温度の上昇あるいは燃焼用ガス流量の低下等により未利用燃料ガス燃焼開始を検知し、未利用燃料ガス燃焼が確実に開始されてから燃焼用ガスを供給停止することにより燃焼部31の失火等を回避することが可能となる。
【0062】
以上のように本発明の第1の実施の形態の燃料電池発電システムでは、連続的あるいは断続的に未利用燃料ガスを専焼する燃料改質装置と燃焼用ガスを直接当該燃料改質装置の燃焼部31に供給する系統と当該燃料改質装置において生成した改質ガス(水素リッチガス)を未利用燃料ガスとして当該燃料改質装置の燃焼部31に供給する系統を兼ね備え、且つ、当該燃料改質装置の燃焼部温度等を測定する計測器類を1つ以上有する固体高分子電解質型燃料電池発電装置において、装置起動時に改質用原料ガスが原料改質系に供給された後、当該燃料改質装置で生成する改質ガス(水素リッチガス)が未利用燃料ガスとして当該燃料改質装置燃焼部31に供給され燃焼用ガスと未利用燃料ガスによる兼焼が開始したことを改質用原料ガス供給開始時に起動するタイマーにより検知する方法を備える。
【0063】
また第2の実施の形態の燃料電池発電システムは、燃焼用ガスと未利用燃料ガスによる兼焼が開始したことを燃焼部温度等の当該燃料改質装置の温度変化により検知する方法を備える。
【0064】
また第3の実施の形態の燃料電池発電システムは、燃焼用ガスと未利用燃料ガスによる兼焼が開始したことを燃焼用ガスの流量変化により検知する方法を備える。
【0065】
また、タイマーにより検知する方法と当該燃料改質装置の温度変化により検知する方法の双方により未利用燃料ガス燃焼開始を判断する制御方法を備えるようにしてもよい。
【0066】
さらに、燃料改質装置の温度変化により検知する方法又は燃焼用ガスの流量変化により検知する方法により発信される検知信号により起動するタイマーによりアノードオフガス燃焼開始を判断する制御方法を備える燃料電池発電システムとしてもよい。
【0067】
さらに、以上のいずれかの方法によりアノードオフガス燃焼が開始したことを確認した後に燃焼用ガスの減少操作を開始する制御方法を備えた燃料電池発電システムとしてもよい。
【0068】
このように本発明の実施の形態によれば、燃料電池において発電を行っていない場合には燃料ガスの全量からなり、また燃料電池において発電を行っている場合には利用されずに排出される燃料ガスの余剰分からなる未利用燃料ガスを、未利用燃料ガス供給系を通して燃焼部31に供給する。
【0069】
なお以上の実施の形態では、燃料電池は固体高分子型として説明したが、これに限定されるものではなく、他の形式、例えばリン酸型等であってもよい。
【0070】
【発明の効果】
以上のように第1の発明によれば、改質用原料供給系を通して前記改質用原料が供給開始されたことにより起動するタイマーを備え、タイマーが所定の時間を経過したか否かにより、未利用燃料ガス供給系を通して前記未利用燃料ガスが燃焼部に供給されたことを検知するので、単純な構造で、燃焼用原料供給系を通した燃焼用原料の供給を減少または停止することができる燃料電池発電システムを提供することが可能となる。
【0071】
また第2の発明によれば、燃焼部の温度を検出する温度検出計を備え、温度検出計の検出する温度に基いて、未利用燃料ガス供給系を通して未利用燃料ガスが燃焼部に供給されたことを検知して、燃焼用原料供給系を通した燃焼用原料の供給を減少または停止するように構成されているので、燃焼部の温度を検出することから、燃焼部で燃焼する燃料の量の変化を敏感に検知することができる燃料電池発電システムを提供することが可能となる。
【0072】
また第3の発明によれば、燃焼用原料供給系を通して供給される燃焼用原料の流量を検出する流量検出計を備え、流量検出計の検出する流量に基いて、未利用燃料ガス供給系を通して前記未利用燃料ガスが燃焼部に供給されたことを検知して、燃焼用原料供給系を通した燃焼用原料の供給を減少または停止するように構成するので、単純な構造で、燃焼用原料供給系を通した燃焼用原料の供給を減少または停止することができる燃料電池発電システムを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態である燃料電池発電システムの改質部昇温時の状態を示すフローチャートである。
【図2】第1の実施の形態の改質用原料供給開始状態を示すフローチャートである。
【図3】第1の実施の形態の燃焼用原料供給停止状態を示すフローチャートである。
【図4】第1の実施の形態の発電中の状態を示すフローチャートである。
【図5】本発明の実施の形態の作用を説明する線図である。
【図6】第2の実施の形態である燃料電池発電システムを示すフローチャートである。
【図7】第3の実施の形態である燃料電池発電システムを示すフローチャートである。
【符号の説明】
11 燃焼用ガス供給系
11a ブロワ
11b 弁
12 改質用原料ガス供給系
12a ブロワ
12b 弁
13 燃焼用空気供給系
13b 弁
21 未利用燃料ガス供給系
21a、21b 弁
22 未利用燃料ガス排気系
23 燃焼排ガス排気系
24 バイパス系
25 燃料ガス供給系
30 改質装置
32 バーナー
33 燃焼室
61 燃料電池
71、73、75 コントローラ
72 タイマー
74 温度検出器
76 流量検出器
Claims (5)
- 燃料ガスを用いて発電する固体高分子型の燃料電池と;
前記燃料電池で発電に利用されなかった未利用燃料ガス及び燃焼用原料の一方又は両方からなる燃焼用燃料を燃焼する燃焼部を有し、前記燃焼部で燃焼される前記燃焼用燃料の燃焼熱を利用して、改質用原料を前記燃料ガスに改質する燃料改質装置と;
前記燃料改質装置に前記改質用原料を供給する改質用原料供給系と;
前記燃焼部に前記燃焼用原料を供給する燃焼用原料供給系と;
前記未利用燃料ガスを前記燃焼部に供給する未利用燃料ガス供給系と;
前記改質用原料供給系を通して前記改質用原料が供給開始されたことにより起動するタイマーと;
前記タイマーが所定の時間を経過したときに、前記未利用燃料ガス供給系を通して前記未利用燃料ガスが前記燃焼部に供給されて前記燃焼熱を得るための前記燃焼用燃料が過多になったと判断して、前記燃焼用原料供給系を通した前記燃焼用原料の供給を減少または停止させるコントローラとを備える;
燃料電池発電システム。 - 燃料ガスを用いて発電する燃料電池と;
前記燃料電池で発電に利用されなかった未利用燃料ガス及び燃焼用原料の一方又は両方からなる燃焼用燃料を燃焼する燃焼部を有し、前記燃焼部で燃焼される前記燃焼用燃料の燃焼熱を利用して、改質用原料を前記燃料ガスに改質する燃料改質装置と;
前記燃焼部に前記燃焼用原料を供給する燃焼用原料供給系と;
前記未利用燃料ガスを前記燃焼部に供給する未利用燃料ガス供給系と;
前記燃焼部の温度を検出する温度検出計と;
前記温度検出計の検出する温度が所定の閾値を超えて上昇したときに、前記未利用燃料ガス供給系を通して前記未利用燃料ガスが前記燃焼部に供給されたと判断して、前記燃焼用原料供給系を通した前記燃焼用原料の供給を減少または停止させるコントローラとを備える;
燃料電池発電システム。 - 燃料ガスを用いて発電する燃料電池と;
前記燃料電池で発電に利用されなかった未利用燃料ガス及び燃焼用原料の一方又は両方からなる燃焼用燃料を燃焼する燃焼部を有し、前記燃焼部で燃焼される前記燃焼用燃料の燃焼熱を利用して、改質用原料を前記燃料ガスに改質する燃料改質装置と;
前記燃焼部に前記燃焼用原料を供給する燃焼用原料供給系と;
前記未利用燃料ガスを前記燃焼部に供給する未利用燃料ガス供給系と;
前記燃焼部の温度を検出する温度検出計と;
前記温度検出計の検出する温度の変化率が所定の値を超えたときに、前記未利用燃料ガス供給系を通して前記未利用燃料ガスが前記燃焼部に供給されたと判断して、前記燃焼用原料供給系を通した前記燃焼用原料の供給を減少または停止させるコントローラとを備える;
燃料電池発電システム。 - 前記燃料改質装置に前記改質用原料を供給する改質用原料供給系と;
前記改質用原料供給系を通して前記改質用原料が供給開始されたことにより起動するタイマーとをさらに備え;
前記燃焼用原料供給系を通した前記燃焼用原料の供給の減少または停止が、前記タイマーが起動した後に行われるように構成された;
請求項2又は請求項3に記載の燃料電池発電システム。 - 燃料ガスを用いて発電する燃料電池と;
前記燃料電池で発電に利用されなかった未利用燃料ガス及び燃焼用原料の一方又は両方からなる燃焼用燃料を燃焼する燃焼部を有し、前記燃焼部で燃焼される前記燃焼用燃料の燃焼熱を利用して、改質用原料を前記燃料ガスに改質する燃料改質装置と;
前記燃焼部に前記燃焼用原料を供給する燃焼用原料供給系と;
前記未利用燃料ガスを前記燃焼部に供給する未利用燃料ガス供給系と;
前記燃焼用原料供給系を通して供給される前記燃焼用原料の流量を検出する流量検出計と;
前記流量検出計の検出する流量が所定の閾値に達したときに、前記未利用燃料ガス供給系を通して前記未利用燃料ガスが前記燃焼部に供給されたと判断して、前記燃焼用原料供給系を通した前記燃焼用原料の供給を減少または停止させるコントローラとを備える;
燃料電池発電システム。
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