JP5052765B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、天然ガス等を原料として改質器により生産される水素を燃料として、電気エネルギー及び熱エネルギーを供給する燃料電池システムに関する。

近年、改質器及び燃料電池を組み合わせた燃料電池システムの開発が進められている。このような燃料電池システムでは、水素原料として供給された天然ガス等を改質器により水素へ改質し、この水素を燃料として燃料電池が電気エネルギーを発生させる。また改質器及び燃料電池から排出される排気ガスが高温であることから、この排気ガスから熱エネルギーを回収すれば、この熱エネルギーを給湯や暖房等へ利用することが可能になる。従って、このような燃料電池システムによれば、例えば、電力会社からの電源供給を受けることができない地域に設けられる家屋や臨時施設等へも電気エネルギー及び熱エネルギーを供給でき、また、この燃料電池システムにより電力需要が多い昼間の時間帯にのみ発電し、電力需要の少ない夜間の時間帯には電力会社からの電力供給を受ければ、昼夜間における電力需要の平準化という社会的な要請へ応えることもできる。

上記のような燃料電池システムへ適用される改質器は金属触媒を内蔵した触媒容器を備え、高温（例えば、７００〜８００°Ｃ）に保たれた触媒容器内へ水素原料及び水（水蒸気）が供給されることにより、金属触媒上において水素原料に含まれるメタン等を水と反応させて水素を発生させる。
特開平６−１７６７７９号公報

従って、改質器の停止／運転毎に金属触媒へは大きな熱応力が作用し、この熱応力により金属触媒の劣化が促進されて改質器の寿命が短くなる。このため、改質器の寿命低下を防止するには、改質器を可能な限り長時間に亘って連続的に運転し、改質器へ大きな熱応力が作用する頻度を少なくする必要がある。しかし、改質器を停止させることなく運転すると、電力需要の少ない深夜等の時間帯には改質器から発生した水素が余剰となることがある。この水素を無駄にしてシステムのエネルギー利用効率を低下させないためにタンク等へ蓄えておくことが考えられるが、十分な量の水素を蓄えるにはタンクの容積が大きくなってシステムが大型化する。

本発明の目的は、上記の事実を考慮し、エネルギー利用効率を大きく低下させることなく、改質器を運転できる小型の燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、原燃料から水素へ改質する改質器と、前記水素と酸素とから発電を行う燃料電池と、前記改質器と前記燃料電池とを接続し、前記改質器により改質された前記水素を前記燃料電池に供給する第１の水素供給路と、前記原燃料または前記水素を燃焼させ、前記改質器へ熱を供給する第１のバーナと、を備える燃料電池システムにおいて、前記燃料電池へ供給されない前記水素を燃焼させる第２のバーナと、前記第１の水素供給路から分岐して設けられ、前記第２のバーナに前記水素を供給する第２の水素供給路と、を備えることを特徴とする。

上記構成の燃料電池システムによれば、システム全体としてのエネルギー利用効率を大きく低下させることなく、燃料電池による水素消費量が改質器による水素発生量が少ない時間帯（電力需要の少ない時間帯）においても改質器を連続運転できるので、改質器の停止／運転に伴う熱応力により改質器の寿命が短くなることを防止又は抑制できる。また、水素を蓄えておくタンク等を設ける必要がないので、小型の燃料電池システムを実現できる。

ここで、燃料電池による水素消費量が改質器による水素発生量より少なくなる期間には燃料電池を駆動停止させる期間も含まれる。また改質器はＮｉ系やＣｕ系合金等からなる金属触媒を内蔵しており、改質器の停止／運転に伴って金属触媒が冷却／加熱されると、金属触媒には大きな熱応力が作用する。この熱応力の作用する頻度が多い場合には金属触媒へ亀裂，剥離等の損傷が発生して改質器全体の寿命を制限する。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記第２のバーナは、前記燃料電池システムの外部へ供給する水へ熱を供給することを特徴とする。この構成の燃料電池システムによれば、給湯用温水装置へ蓄えられた水を水素の燃焼熱により昇温し、この昇温された水をシステム外部へ温水として供給できるので、給湯用温水装置が温水を作るために消費する燃料を減少できる。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の燃料電池システムにおいて、前記第２の水素供給路に設けられ、前記第２のバーナへ供給する水素量を制御する水素量制御手段を備えることを特徴とする。

本発明の燃料電池システムによれば、エネルギー利用効率が高い燃料電池システムを実現できる。また、システムの小型化が可能になる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１及び図２には本発明の実施形態に係る燃料電池システムが示されている。この燃料電池システムは家庭等の需要に応じて電気エネルギー及び温水等の熱エネルギーを供給可能とするものであり、図１に示されるように改質器１０、固体高分子形の燃料電池１２、改質用温水装置１４及び給湯用温水装置１６を備えている。改質器１０は、２本のガス供給管１８、２０によりガスボンベやガス会社のガス供給設備へ接続されており、これらのガス供給管１８、２０を通して改質器１０にはメタンを主成分とする天然ガスが供給される。改質器１０は、図２に示されるように反応容器２２及びガスバーナ２４を備えている。反応容器２２内には中空状の触媒反応管２６が配置されており、この触媒反応管２６内にはメタンを水素へ改質するためのＮｉ系金属触媒（図示省略）が装填されている。またガスバーナ２４は反応容器２２の底部へ配置され、反応容器２２内で天然ガス等を燃焼させる。

ガス供給管１８には、その配管途中に流量制御弁２８が配置されており、図２に示されるように改質器１０のガスバーナ２４へ接続されている。またガスバーナ２４には、ガス供給管１８と並行して送気管３０が接続されており、この送気管３０を通してブロア３２から吹き出される空気が供給される。またガス供給管２０は反応容器２２内において複数本に分岐し、それらの分岐管がそれぞれ触媒反応管２６内へ挿入されている。このガス供給管２０には、図１に示されように上流側から流量制御弁３４、脱硫器３６、エジェクタ３８及び熱交換器４０が配置されている。ここで、エジェクタ３８は、ポンプ４２が配置された給水管４４により改質用温水装置１４のタンク部４６へ接続されており、ポンプ４２の駆動時には給水管４４を通してタンク部４６内へ蓄えられた水がエジェクタ３８へ供給される。また給水管４４には反応容器２２の側壁へ沿って水を流通させる熱交換部４４Ａが設けられており、この熱交換部４４Ａでは反応容器２２内から給水管４４内を流通する水へ熱供給される。

改質器１０の反応容器２２からは排気管４８が延出し、この排気管４８は給湯用温水装置１６へ配置された熱交換器５０へ接続されている。これにより、ガスバーナ２４によるガス燃焼時に反応容器２２から排出される高温の燃焼ガスは熱交換器５０へ供給され、給湯用温水装置１６のタンク部５２内へ蓄えられた水へ熱供給する。また、図２に示されるように改質器１０の触媒反応管２６からは反応ガス供給管５４が延出し、この反応ガス供給管５４は、図１に示されるように熱交換器４０を経由して燃料電池１２へ接続されている。反応ガス供給管５４には、熱交換器４０と燃料電池１２との間にＣＯ変成器５６及びＣＯ除去器５８が配置されると共に、ブロア６０から吹き出される空気を一酸化炭素除去器５８へ供給する送気管６２が接続されている。

反応ガス供給管５４は、ＣＯ除去器５４と燃料電池１２との間から２本の分岐管６４、６６を延出させており、一方の分岐管６４は流量制御弁６８を介して改質用温水装置１４のバーナ部７０へ接続し、他方の分岐管６６は流量制御弁７２を介して給湯用温水装置１６のバーナ部７４へ接続している。

システム全体を制御するシステム制御装置７６は、システムの運転開始時に流量制御弁２８を所定の初期開度まで開き、天然ガスを、ガス供給管１８を通してガスバーナ２４へ供給し、ガスバーナ２４へ着火する。これにより、ガスバーナ２４により天然ガスが燃焼し、反応容器２２内の温度が上昇する。ガスバーナ２４の高温の排気ガスは排気管４８を通して反応容器２２から熱交換器５０へ供給されて給湯用温水装置１６内の水を昇温する。システム制御装置７６は、反応容器２２内が７００〜８００°Ｃへ昇温されると流量制御弁３４を開くと共にポンプ４２を駆動する。これにより、脱硫器３６により脱硫された天然ガスがガス供給管２０を通して触媒反応管２６内へ供給されると共に、給水管４４を通して改質用温水装置１４のタンク部４６内の水がエジェクタ３８へ供給される。このとき、エジェクタ３８へ供給される水は給湯用温水装置１４によりタンク部４６内で昇温され、更に熱交換部４４Ａにより熱供給されることにより、過熱状態の水蒸気となってエジェクタ３８内へ噴射されると共に天然ガスと混合される。この天然ガス及び水蒸気は熱交換器４０により熱供給されて触媒反応管２６内へ供給される。

触媒反応管２６内では、天然ガス及び水蒸気へ所定の反応熱が供給されると、金属触媒上で天然ガス中のメタンが水蒸気と化学反応して水素、二酸化炭素及び一酸化炭素等からなる反応ガスが生成される。この反応ガスは高温状態で熱交換器４０を経由してＣＯ変成器５６へ供給される。ＣＯ変成器５６は反応ガス中における大部分の一酸化炭素を二酸化炭素へ変成する。このとき、システム制御装置７６は流量制御弁３４の開へ同期してブロア６０を予め駆動させている。従って、ＣＯ除去器５８にはＣＯ変成器５６からの反応ガス及びブロア６０からの空気が供給される。ＣＯ除去器５８は混合ガス中の一酸化炭素を空気中の酸素と反応させて一酸化炭素濃度を更に低下させる。またシステム制御装置７６は、反応容器２２内の温度が７００〜８００°Ｃへ保たれるように流量制御弁２８の開度を調整する。この際、改質器１０の触媒反応管２６へ供給される天然ガス及び水の温度が低い程、流量制御弁２８の開度を大きくしてガスバーナ２４へ多量の天然ガスを供給する必要がある。

燃料電池１２は、図１に示されるように送気管７８によりブロア８０へ接続され、ポンプ８２が配置された給水管８４により純水を蓄えた貯水タンク８６へ接続されている。また、燃料電池１２にはＤＣ／ＤＣコンバータ８８が接続され、このＤＣ／ＤＣコンバータ８８に対してそれぞれ直列にＤＣ／ＡＣインバータ９０及び二次電池９２が接続されている。

システム制御装置７６は、改質器１０から燃料電池１２へ反応ガスが供給開始されると、ブロア８０及びポンプ８２を駆動開始すると共に燃料電池１２に対する電力負荷に応じて流量制御弁３４の開度を調整する。これにより、燃料電池１２内の水素極には純水及び電力負荷に応じた反応ガスが供給され、空気極には空気が供給される。燃料電池１２は反応ガス中の水素を空気中の酸素と反応させて外部負荷に応じた直流電力を出力する。燃料電池１２から出力される直流電力はＤＣ／ＤＣコンバータ８８により所定の電圧へ変換された後に、ＤＣ／ＡＣインバータ９０により交流に変換されてシステム外部へ供給される。また二次電池９２へ蓄えられた直流電力はシステム制御装置７６へ供給され、システム制御装置７６によりシステムを構成した電気部品の制御及び駆動のために用いられる。

燃料電池１２には、図１に示されるように排水管９４、空気排出管９６及びガス排出管９８が接続されている。燃料電池１２の空気極ではブロア８０により供給された空気中の酸素が水素極から移動してきた水素と反応して水が生成される。水素極からの排水は排水管９４を通して貯水タンク８６内へ戻される。ここで、貯水タンク８６には常に一定量以上の水が蓄えられるようにシステム外部から純水が補給される。燃料電池１２の空気極から排出される空気は空気排出管９６を通して大気中へ放出される。一方、燃料電池１２の水素極では反応ガスにおける水素のみが消費され、他の未反応ガス（二酸化炭素、一酸化炭素、水蒸気）は、図２に示されるようにガス排出管９８を通して改質器１０のガスバーナ２４へ供給され、ガスバーナ２４により天然ガスと共に一酸化炭素が完全燃焼される。

貯水タンク８６は、ポンプ９９が配置された給水管１００により改質用温水装置１４のタンク部４６へ接続されている。また改質用温水装置１４のバーナ部７０には、反応ガスを供給する分岐管６４と共にブロア１０２の送気管１０４が接続されている。ここで、タンク部４６には、タンク内の水位を検出する水位センサ４６Ａ及び水温を検出する水温センサ４６Ｂが配置されている。システム制御装置７６は、水位センサ４６Ａからの検出信号によりタンク部４６内の水が所定の下限水位以下になったことを判断すると、ポンプ９９を一定時間に亘って駆動して貯水タンク８６からタンク部４６へ給水する。

一方、給湯用温水装置１６のタンク部５２にはタンク内の水温を検出する水温センサ５２Ａが配置され、水道管１０６及び開閉弁１０８が配置された給湯管１１０が接続されている。ここで、開閉弁１０８が開かれるとタンク部５２内の温水がシステム外部へ供給され、タンク部５２から流出した温水と同量の水が水道管１０６を通してタンク部５２へ補給される。また給湯用温水装置１６のバーナ部７４には反応ガスを供給する分岐管６６と共にブロア１１２の送気管１１４が接続されている。

システム制御装置７６は、前述したようにシステム運転中には燃料電池１２に対する電力負荷に応じて流量制御弁３４の開度を制御する。これにより、改質器１０による水素発生量を燃料電池１２の電力負荷に対応する量へ調整している。しかし、改質器１２の運転時には、改質器１０、ＣＯ変成器５６、ＣＯ除去器５８の内部温度を適正な温度範囲へ維持するため、触媒反応管２６へ一定量以上の天然ガスを連続供給する必要があり、流量制御弁３４を所定の最小開度より絞ることができない。従って、システム制御装置７６は、システム外部での電力需要が低下すると共に流量制御弁３４の開度を絞っていくが、電力需要が所定のレベル以下まで低下すると流量制御弁３４を最小開度としても、燃料電池１２による水素消費量が改質器１０による水素発生量よりも少なくなり余剰となる水素が発生する。また、燃料電池１２を電力需要が低下する深夜等の時間帯に停止させる場合には、燃料電池１２により水素が消費されず改質器１０により発生される水素全量が余剰となる。

次に、図３に基づいて、燃料電池１２の水素消費量が改質器１０の水素発生量よりも少なくなる期間におけるシステム制御装置７６による制御ルーチンを説明する。

ステップ２００で燃料電池１２による水素消費量が改質器１２による水素発生量より少ないと判断されると、ステップ２０２で流量制御弁６８を開いて反応ガスを改質用温水装置１４のバーナ部７０へ供給し、バーナ部７０へ着火する。このとき、流量制御弁６８の開度は燃料電池１２に対して余剰となる水素量を含む量の反応ガスがバーナ部７０へ供給されるように調整される。これにより、改質用温水装置１４はバーナ部７０へ供給される反応ガスの燃焼熱によりタンク部４６内の水を昇温する。

ステップ２０４で水温センサ４６Ｂからの信号によりタンク部４６内の水が目標温度まで昇温されたことを判断すると、ステップ２０６でタンク部４６内の水が目標温度の範囲（例えば、９０〜１００°Ｃ）へ保持されるように流量制御弁６８の開度を水温センサ４６Ａからの信号に基づいてフィードバック制御する。

ステップ２０８では、ステップ２０６のフィードバック制御開始と同時に流量制御弁７２を開いて反応ガスを給湯用温水装置１６のバーナ部７４へ供給し、バーナ部７４へ着火する。このとき、流量制御弁７２の開度は、改質用温水装置１４及び燃料電池１２に対して余剰となる水素量を含む量の反応ガスがバーナ部７４へ供給されるように調整される。これにより、給湯用温水装置１６はバーナ部７４へ供給される反応ガスの燃焼熱によりタンク部５２内の水を昇温する。ステップ２１０で水温センサ５２Ａからの信号によりタンク部５２内の水が目標温度まで昇温されたことを判断すると、ステップ２１２で流量制御弁６８及び流量制御弁７２を閉じて改質器１０の運転を緊急的に停止する。

但し、ステップ２００〜２１２の何れの処理を実効中でも、システム制御装置７６は燃料電池１２に対する電力負荷を一定周期で監視し、燃料電池１２による水素消費量が改質器１０による水素発生量よりも多くなると、直ちに流量制御弁６８、７２を閉じて上記した制御ルーチンを中断する。また、燃料電池１２の水素消費量が改質器１０の水素発生量より少なくなる期間に生じる余剰水素量が予め予測可能である場合には、この余剰水素量が有する燃焼熱量に対してタンク部４６、５２内の水を目標温度へ昇温するために必要となる熱量が大きくなるようにタンク部４６、５２ヘ蓄える総水量を設定すれば、改質器１０を緊急停止させることなく連続運転できる。

以上説明した本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池１２による水素消費量が改質器１０による水素発生量より少なくなる期間に、余剰となる水素を改質用温水装置１４のバーナ部７０へ供給し、この水素の燃焼熱によりタンク部４６へ蓄えられた水を所定の目標温度まで優先的に昇温し、タンク部４６へ蓄えられた水が目標温度まで昇温されると、水素を給湯用温水装置１６のバーナ部７４へ供給し、この水素の燃焼熱によりタンク部５２へ蓄えられた水を所定の目標温度まで昇温することにより、水素の燃焼熱により昇温された水を天然ガスと共に改質器へ供給できるので、改質器１０が天然ガス及び水へ反応熱を供給するために消費する燃料を減少でき、かつタンク部４６内の水が昇温された後には水素の燃焼熱によりシステム外部へ供給する水を昇温できるので、給湯用温水装置１６がシステム外部へ供給する温水を作るために消費する燃料を減少できる。この結果、システム全体としてのエネルギー利用効率を大きく低下させることなく、電力需要の少ない時間帯においても改質器１０を長時間に亘って連続運転できるので、改質器１０の停止／運転に伴う熱応力により触媒反応管２６内の金属触媒が損傷して改質器１０の寿命が短くなることを防止又は抑制できる。また、本実施形態の燃料電池システムでは、余剰となる水素を蓄えておくためのタンク等を設ける必要がないので、小型の燃料電池システムを実現できる。

本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１２として固体高分子形燃料電池を用いる場合のみを説明したが、水素を燃料として発電するものであれば、例えば、りん酸形、溶融炭酸塩形、固体電解質形、アルカリ形等の燃料電池も適用可能である。また本実施形態の燃料電池システムへは天然ガスを水素原料とする改質器１０以外に、メタノール等のアルコールを水素原料とする改質器も適用可能である。

本発明に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明に係る燃料電池システムの改質器の構成を示す断面図である。 本発明に係る燃料電池システムのシステム制御装置による制御ルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 改質器
１２ 燃料電池
１４ 改質用温水装置
１６ 給湯用温水装置
２２ 反応容器
２６ 触媒反応管
４６ タンク部
５２ タンク部
５４ 反応ガス供給管（第１の水素供給路）
６４ 分岐管
６６ 分岐管（第２の水素供給路）
６８ 流量制御弁
７０ バーナ部
７２ 流量制御弁（水素量制御手段）
７４ バーナ部（第２のバーナ）
７６ システム制御装置

Claims (2)

1. 原燃料から水素へ改質する改質器と、前記水素と酸素とから発電を行う燃料電池と、前記改質器と前記燃料電池とを接続し、前記改質器により改質された前記水素を前記燃料電池に供給する第１の水素供給路と、前記原燃料または前記水素を燃焼させ、前記改質器の反応容器内で前記原燃料または前記水素を燃焼させて、前記改質器へ熱を供給する第１のバーナと、を備える燃料電池システムにおいて、
   前記改質器より発生された前記水素が前記燃料電池に供給する水素より多い場合に、優先的に、前記燃料電池へ供給されない余剰の前記水素を燃焼させ、前記改質器に供給される改質水を昇温させる第２のバーナと、
   前記第１の水素供給路から分岐して設けられ、前記第２のバーナに前記水素を供給する第２の水素供給路と、
   電力負荷に応じて前記改質器に供給される原燃料の量を調整しつつ、前記改質器に所定の最小流量以上で原燃料を連続供給する流量制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記改質器より発生された前記水素が前記燃料電池に供給する水素より多い場合に、前記燃料電池へ供給されない余剰の前記水素を燃焼させ、前記燃料電池システムの外部へ供給する水へ熱を供給する第３のバーナをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

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