JP4221662B2 - 燃料電池発電装置とその運転方法 - Google Patents

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Description

本発明は、炭化水素系原燃料を水蒸気改質する改質器と、前記水蒸気改質して得られた燃料ガスと空気との電気化学的反応により発電を行なう燃料電池とを備えた燃料電池発電装置、特に固体高分子型燃料電池発電装置とその運転方法に関する。
燃料電池発電装置に組み込まれる燃料電池としては、電解質の種類、改質原料の種類等によって異なる種々のタイプがあるが、例えば、固体高分子膜を電解質として用い、その運転温度が約８０℃と比較的低いタイプの燃料電池として、固体高分子電解質型燃料電池がよく知られている。
この固体高分子電解質型燃料電池は、リン酸型燃料電池と同様に、例えばメタンガス（都市ガス）等の炭化水素系原燃料を水蒸気改質して得られた燃料ガス中の水素と空気中の酸素とを、燃料電池の燃料極および空気極にそれぞれ供給し、電気化学反応に基づいて発電を行うものである。また、原燃料を燃料ガスへ改質するに際しては、原燃料に水蒸気を加え燃料改質器で触媒により改質を促進する方法が採用されている（前記基本的システム構成は、例えば、特許文献１参照）。
上記のように、燃料電池発電装置を安定的に運転するためには，水素リッチな改質ガスを安定的な組成で燃料電池本体に供給する必要がある。改質ガスの組成を安定化させるためには複数の条件が必要であるが、水蒸気改質の場合は、改質用水蒸気となる改質用水の流量管理が重要である。
近年実用化開発が加速している家庭用固体高分子型燃料電池発電装置についても、水蒸気改質を利用するものが主流であり、改質用水蒸気となる改質用水の流量管理が重要であるが、常用の改質用水流量が10g/min前後と微量であるため、通常のポンプを用いた場合、背圧変化等により改質用水量の変化が生じる。このため、改質用水流量の計測を行い、かつ、計測値に基きポンプの回転数を制御している。
図２は、従来の固体高分子型燃料電池発電装置の概略構成図である。図２において、１は、燃料極１ａと空気極１ｂと冷却板１ｃとからなる燃料電池本体、２は脱硫器、３は改質器、４は変成器、５はＣＯ除去器、９は電池冷却水タンク、15は改質用水ポンプ、16は微小流量計、２５はポンプ制御部である。
図２において、改質用水ポンプ15より送出された改質用水は市販の微小流量計16を通過し、当該流量計16の値に基きポンプ制御部25が改質用水ポンプ15より送出される改質用水の流量が適切となるよう改質用水ポンプ15を制御する。従来の本方法では、発信機能付きの市販の微小流量計を用いているが、当該流量計は非常に高価であり、コストダウンが命題の家庭用固体高分子型燃料電池を実用化する上で問題を有している。また、図示しないが、市販の微小流量計16を省略する方法として、改質用水ポンプ15に実験室等で用いられる特殊な定量ポンプを適用する場合もある。本方法によれば、微小流量の改質用水をプラントの状態変化に影響されずに、指示値通りに送出することが可能であるが、この場合のポンプも非常に高価なものとなってしまい、やはりコスト的な問題が残る。
前述のように、微小流量の改質用水流量の計測および計測値を発信する手段として、市販の流量計に適切なものがない。装置の安定運用には、本流量を目標値±5%程度に収めれば十分であるが、精度としてオーバースペックである高価(通常20万円前後)なマスフローメータ(精度2%程度)等を用いる事例が多く、コスト面に課題を有している。また、このような高精度流量計は流体に溶存している酸素等の気泡で異常な流量指示値を長時間に渡って示す場合があり、発電装置の安定運転に対して課題を有している。またさらに、当該流量計を削除して安定した改質用水を送出しようとする場合は、実験用途に用いられるような特殊なポンプ(通常20万円前後)を選定することとなり、やはりコスト的な課題が生じている。
特開２００２−１２４２８８号公報（第２−３頁、図４）
上述の通り、従来の技術では、改質用水蒸気となる改質用水の流量管理を実施するために高価なマスフローメータ等を用いる、もしくは、やはり高価な実験用途に用いられる特殊なポンプを選定することとなる。今後普及が見込まれる家庭や小規模店舗等の燃料電池発電装置の開発では、そのコストが大きな課題となっている。
この発明は、上記に鑑みてなされたもので、本発明の課題は、簡易・安価な手段で改質用水の流量管理方法を提供することを可能とし、燃料電池発電装置の運転を安定化させ、また低コスト化を図ることにある。
上記課題は、以下により達成される。即ち、炭化水素系原燃料を水蒸気改質する改質器と、前記水蒸気改質して得られた燃料ガスと空気との電気化学的反応により発電を行なう燃料電池とを備えた燃料電池発電装置において、前記水蒸気改質用の改質用水配管の一部に設け、その外周部を断熱した水加熱用ヒータと、前記水加熱部の入口および出口に設けた一対の温度センサと、前記温度センサの計測値およびヒータ加熱量の計測値と水の比熱とに基づき、前記改質用水の流量を演算する演算部とを備えることを特徴とする（請求項１）。
また、炭化水素系原燃料を水蒸気改質する改質器と、前記水蒸気改質して得られた燃料ガスと空気との電気化学的反応により発電を行なう燃料電池とを備えた燃料電池発電装置の運転方法において、改質用水配管中に、加熱部と、加熱部入口および出口の温度を測定する温度センサとを設け、前記加熱部入口の改質用水温度Ｔ１と、加熱部出口の改質用水温度Ｔ２と、加熱量計測値Ｈと、水の比熱Ｃとから、Ｑ＝Ｈ／Ｃ（Ｔ２−Ｔ１）により、改質用水の流量Ｑを計測し、この計測値に基づいて、前記水蒸気改質用の改質用水の流量を制御することを特徴とする（請求項２）。
この発明によれば、簡易・安価な手段で改質用水の流量管理方法を提供することを可能とし、これにより装置の運転を安定化させ、かつ低コスト化を図った燃料電池発電装置とその運転方法を提供することができる。
次に、この発明の実施形態に関して、図１に基いて説明する。図１は、本発明に係る固体高分子型燃料電池発電装置の概略構成図である。図１において、図２と同一機能部材には同一番号を付して、その詳細説明を省略する。
図１においては、温度センサ22が1対とヒータ21、それらを外気と温度的に隔離する断熱材23で流量を検出する構成としている。本構成とすることで、例えば以下のように流量が算出できる。ヒータ21の加熱量H[W]、温度センサ22各温度をT1、T2[K]、水の比熱C[J/g/K]として、断熱材23が十分な厚さであれば、流量Q[g/min]=60H / C(T2-T1)で求められる。またそのときの精度は、選定するヒータ電源の精度、温度センサの精度によるので、得たい精度に設定することが可能である。
本発明に係る固体高分子型燃料電池発電装置の概略構成図。 従来の固体高分子型燃料電池発電装置の一例の概略構成図。
符号の説明
１ 燃料電池本体
２ 脱硫器
３ 改質器
４ 変成器
５ ＣＯ除去器
９ 電池冷却水タンク
１５ 改質用水ポンプ
２１ ヒータ
２２ 温度センサ
２３ 断熱材
２４ 流量演算部
２５ ポンプ制御部

Claims (2)

  1. 炭化水素系原燃料を水蒸気改質する改質器と、前記水蒸気改質して得られた燃料ガスと空気との電気化学的反応により発電を行なう燃料電池とを備えた燃料電池発電装置において、前記水蒸気改質用の改質用水配管の一部に設け、その外周部を断熱した水加熱用ヒータと、前記水加熱部の入口および出口に設けた一対の温度センサと、前記温度センサの計測値およびヒータ加熱量の計測値と水の比熱とに基づき、前記改質用水の流量を演算する演算部とを備えることを特徴とする燃料電池発電装置。
  2. 炭化水素系原燃料を水蒸気改質する改質器と、前記水蒸気改質して得られた燃料ガスと空気との電気化学的反応により発電を行なう燃料電池とを備えた燃料電池発電装置の運転方法において、改質用水配管中に、加熱部と、加熱部入口および出口の温度を測定する温度センサとを設け、前記加熱部入口の改質用水温度Ｔ１と、加熱部出口の改質用水温度Ｔ２と、加熱量計測値Ｈと、水の比熱Ｃとから、下式により、改質用水の流量Ｑを計測し、この計測値に基づいて、前記水蒸気改質用の改質用水の流量を制御することを特徴とする燃料電池発電装置の運転方法。
    Ｑ＝Ｈ／Ｃ（Ｔ２−Ｔ１）
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