JPH01251561A - 燃料電池改質器用燃焼器の制御 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は燃料電池発７ｕ装置の改質器用燃焼器に関し
、特にその空気比の制御に関するものである。

〔従来の技術〕

従来のこの種の空気比制御を、例えばＧＲＩレポート（
ＦＣＲ−６５３３）に記載されているリン酸型燃料Ｎ、
池発電システムの系統図を簡略・模式化して第５図に示
す。燃料電池発電システムの基本的な構成要素は、改質
器＋１１　、　Ｃｏ転化器（２）、燃料電池本体すなわ
ち発電セル本体（３）である。

次に動作を第５図にそって説明する。まず始動時は、改
質装置炉（ＩＣ）内の改質反応管（１ｂ）を原料ガス（
通常は都市ガス（１３Ａ）またはメタノール）の改質に
必要な所定の温度まで昇温する為に、改質装置の燃焼器
（１ａ）により始動予熱燃料（都市ガス（１３Ａ）　）
を燃焼させる。反応管（１ｂ）が所定の温度になった時
点で、原料水蒸気混合器（４）により原料ガスと水蒸気
の混合気を反応管（１ｂ）に導入し、改質反応を行なう
。改質後の水素富化された改質ガスはＣｏ転化器（２）
に導入することにより、未反応のＣＯと水蒸気を反応さ
せ更に水素を発生させ、発電セル本体（３）に導かれる
。発電セル入口に於ける改質ガスの成分は、原料ガスに
都市ガス（１３Ａ）を用いた場合には水素濃度は約８０
％（ドライベース）にも達する。改質ガスが発電セル本
体（３）の燃料極側（３ａ）に導入された時点で空気極
側（３ｂ）に導入される酸化剤の空気と電解質を介して
反応し水素成分を消費して電気出力を得る。

発電セル本体（３）で得られる電気出力は直流であり、
電気出力整合器（５）を介して商用の交流出力に変換さ
れ、それぞれの電気負荷（６）に利用される。

発電セル（３）によって消費される水素成分は、完全に
は消費されず、未消費水素を含む電池オフガスとして排
出される。リン酸型燃料電池の場合、電池オフガスの水
素含有率は約２５％（ウエトベース）程度であり、残り
は水分及び二酸化炭素の不活性成分である。この電池オ
フガスは水素濃度としてまだ可燃範囲の低カロリー可燃
ガスであり、これを再び改質装置の燃焼器（１ａ）に戻
して、改質炉（ＩＣ）の改質反応の温度維持及び反応熱
の供給に再利用することが出来る。この低カロリーオフ
ガス燃焼が行なえる時点では、改質炉（ＩＣ）の始動予
熱燃焼は既に停止させることが出来、エネルギーの利用
の観点から効率的なシステムとなっている。

さて、上記燃料電池発電装置の運転時、商用電気出力の
負荷は常時変動していることが予想される。特にオンサ
イト型業務用燃料電池発電装置ではこの負荷は１００％
定格から約２５％程度までの変動に対応する必要がある
。この様な電気出力負荷変動に対しては、負荷検知（第
２図では電気出力整合器に含まれているとしている。）
の信号直ちに、原料ガス、水蒸気の原料水蒸気混合器（
４）と燃焼用空気制御装置（７）に入力し、それぞれ改
質ガスの流量と、オフガス燃焼に必要な燃焼用空気量と
を負荷（６）に応じて制御している。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、原料、水蒸気混合ガス及び改質ガスの流
路には、反応管（１ｂ）　、　ＣＯ転化器（２）、発電
セル本体（３）の容積分及びそれらを結ぶ配管の容積分
等が存在し、又、これらには相応の圧力損失要素が存在
する為、電気出力負荷の変化によって原料水蒸気混合器
（４）で改質ガスの流量を変化させてから、燃焼器（１
ａ）入口で電池オフガスの流量の変化が現われるまでに
かなりの時間的な遅れを生じることになる。と同時に電
池オフガスの未消費水素濃度もこの電気出力負荷変動に
よって変動し実質的な可燃成分（水素）の流量が変化す
ることになる。一方、燃焼用空気量はオフガス系（改質
ガス系）に比べてほとんど遅れを生ずることなく電気出
力負荷（６）の変化に対応して変化する。

従って、負荷（６）変動時、オフガス流量と燃焼用空気
量との間に一時的にせよ不整合が発生することになる。

この様子を第６図、第７図（ａｌ〜ｔｄｌに示す。第６
図は負荷が１００％→２５％に急激に低下したとき、第
７図は逆に負荷が２５％→１００％に急激に増加したと
きを模式的に表わしている。電気負荷が急減した場合に
は過渡的にオフガス流量に対して燃焼用空気量が不足し
、この不足度合が著しいと未燃焼の水素が改質炉から多
量に排出される危険性や、オフガス中に含まれる二酸化
炭素（Ｃ０２）　　が空気不足の燃焼によって分解し同
時に多量の有毒な一酸化炭素（ＣＯ）が排出される危険
性がある。

逆に、電気負荷が急増した場合には空気が過剰の燃焼と
なり、この過剰度合が著しいとオフガス火炎の吹き消え
、或は不良燃焼による火炎温度低下の為の未燃焼水素、
ＣＯ２からＣＯに分解されたままのＣＯの排出等の危険
性がある。又、仮りに改質装置の燃焼器（１ａ）がかな
りの高空気過剰でもある程度良好な燃焼が可能であると
すると、定常時の空気量を予め高空気過剰側に設定して
おけば、前述の電気負荷急減時の空気不足燃焼による危
険性は解消されるが、この場合、改質装置（１）の熱効
率が低下するので必らずしも良い方法とは言えない。

又、改質装置（１）の予熱が完了し、改質ガスが発電セ
ル（３）に導入される発電開始時においては第８図（ａ
ｌ〜ｔｅｌに示す様に、導入される改質ガスの流量、す
なわち電池オフガスの流量は発電開始時の電気出力に応
じた一定の値であるが改質ガスの導入時刻より発ｖｌ開
始時刻が遅い為、発電開始前に発電セルに導入された消
費されない改質ガスのままの高濃度水素を含むガスがオ
フガスとして燃焼器に供給されることになる。この場合
は、第８図（ｄ）。

＋ｅ＋に示されている如く、発電開始電気出力に相応す
る発電開始時設定の燃焼用空気量を燃焼器に供給してい
ると一時的にも空気不足燃焼が生じ（第８図ｆｄ）　）
　、又発電開始設定燃焼用空気量を、水素濃度の最大値
に設定した場合でも、今度は発電開始後の水素濃度が所
定の値に低下した時に空気過剰燃焼状態に陥いる（第８
図（ｅ））。第８図（ｄｌ　、　（ｅｌいずれの場合で
も、発電開始時、オフガス燃料と燃焼用空気量との間に
不整合が生じ、第６図、第７図の説明で述べた問題点、
危険性がある。

この発明は上記の様な問題点、危険性に鑑みなされたも
ので、燃料電池発電装置の発電開始時及び発電動作時の
電気出力負荷変動時の電池オフガス流量とそのオフガス
中の水素濃度によって決まる必要空気量と実際のオフガ
ス燃焼用空気量との不整合から生ずる不良燃焼状態を解
消し、常に良好な、効率的な燃焼を維持できるような燃
料電池改質器用燃焼器を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る燃料電池改質器用燃焼器は、電池オフガ
スの流量および電池オフガス中の水素濃度をそれぞれ計
測する手段と、計測された流量信号および水素濃度信号
により適正燃焼用空気量を算出する演算器と、この演算
器の出力に比例して燃焼器に供給する燃焼用空気流量を
制御する手段とを備えたものである。

し作　用〕 この発明による燃料電池改質器用燃焼器においては、電
池オフガスの流量および電池オフガス中の水素濃度に応
じた適正燃焼空気量を算出し、この適正燃焼空気量とな
るように燃焼器に供給する空気量を制御するので、発電
開始時や電気出力負荷変動時でも常に適正な空気比でオ
フガス燃焼が行なえ、燃料電池発電システムに特有な水
素濃度の変化やオフガス流量の変化遅れ（こよる燃焼用
空気量の不整合を解消することができ、ＣＯや未然水素
の排出といった危険を防止できる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図をもとに説明する。

第１図はこの発明をリン酸型燃料電池システムに適用し
た場合を示す系統図である。図において、（８）は燃焼
器（１ａ）に供給される電池オフガス中の水素濃度を計
測する水素濃度検出器、（９）は燃焼器（１ａ）に供給
される電池オフガスの流量を計測するオフガス流量測定
器、（ＩＩは計測された流量信号および水素濃度信号に
より適正燃焼用空気量を算出する演算器であり、この演
算器００）の出力により燃焼用空気量調節器（７）が制
御される。

次に動作について説明する。始動時の改質炉の予熱完了
までの動作は従来の第５図を用いた説明と基本的に同じ
である。改質炉（ＩＣ）内の反応管（１ｂ）が所定の温
度に達した後、原料ガスと水蒸気を導入して、予熱燃焼
を停止し、反応した改質ガスが発電セルＧｌｌ内を流れ
発電が開始する。発電開始時の制御は以下の通りである
。オフガス流量測定器（９）でオフガス配管中の流量を
検知したらオフガスの着火と燃焼が行なえる最低限の燃
焼用空気量を供給する。最低限の空気量を供給するのは
、改質炉（ｌｃ）内の余計な温度低下をできるだけ防ぐ
為である。その後、オフガス中の水素濃度が増加するに
従い、水素濃度検出器（８）からの検知濃度信号とオフ
ガス流量信号により演算器（１１で必要燃焼空気を演算
し、この演算信号に従って燃焼用空気量調節器（７）を
作動させ、オフガス燃焼用空気量を制御する。発電開始
後の電気出力負荷変動時の制御時は以下の通りである。

負荷が変化した時点で負荷の大きさに応じて原料ガス（
１３Ａ）と水蒸気の量を原料水蒸気混合器（４）で直ち
に調節する。−方電池オフガス燃焼用の空気流量は、そ
の時点ではすぐ変化させず、発電セル（３）と燃焼器（
１ａ）の間のオフガス配管途中に設けた、オフガス流量
測定器（９）とオフガス中の水素濃度検出器（８）から
のそれぞれ検知流量信号と検知水素濃度信号を演算器（
１０）に入力し、必要燃焼空気の演算信号によって燃焼
用空気調節器（７）を作動させオフガス中の可燃成分流
量（この場合水素成分のみの流量）に比例させてオフガ
ス燃焼用空気量を制御する。以上述べた制御を行えば、
発電開始時、並びに電気出力負荷変化時にオフガス流量
変化の遅れや水素濃度変化によって生ずる水素成分流量
と燃焼用空気量との不整合を解消し常に良好なオフガス
燃焼を保つことが出来る。

第１図の実施例による効果の様子を第２図、第３図ｔａ
ｒ〜（ｅｌと第４図（ａｌ〜（ｅｌに示す。第２図、第
３図は第６図、第７図と同様に第２図は電気出力負荷が
急減した場合、第３図は同急増した場合であり、第４図
は第８図と同様に発電開始時の場合である。第２図、第
３図ではそれぞれ（ａｌに示す電気出力負荷が変化した
時点で原料水蒸気混合器（４）での原料ガスと水蒸気の
調節制御流量は直ちに負荷、　に追従させている。しか
し前述の通り、この時で発電セル（３）の水素消費量が
変化するので（ｂｌに示す様にオフガス中の水素濃度も
大きく変化する。と同時に（Ｃ）が示すオフガス流量の
変化は、反応管（１ｂ）、ＣＯ転化器（２）、発電セル
（３）、配管等の容積分とそれらに付随する圧力損出要
素の為、かなり遅れる。第４図では発電開始時点、たと
えオフガス流量が一定（Ｃ）でも、改質ガスの発電セル
（３）内に到達する時刻より実際の発電開始時刻が遅れ
るので、オフガス中の水素濃度は大きく変化する（ｂｌ
。

ところで、燃焼器の立場からすると、燃焼に必要な空気
ｆユＱａは次の（１）式で表わされる。

Ｑａ　＝　μｔ　ｘ　ＡＸ　（Ｑｒ　Ｘ　ＣＨ２）　・
・・・１曲（１）ここでμｔは各燃焼器の特性及び改質
装置の動作効率等を考慮して設定される空気比、Ｑｒ　
はオフガスの流量、ＣＨ２はオフガス中の水素濃度であ
り、Ａは水素の理論空気量を表わす。この発明によれば
第１図のオフガス流量測定器（９）は（１）式のＱｒを
計測し、水素濃度検出器（８）は同（１）式のＣＨ２を
計測することになる。又、演算器（１ωは検知されたＱ
ｔ。

ＣＨ２を基に、予め設定されているμｔに対して必要空
気量を算出し、燃焼用空気量調節器（７）に入力する働
きを担っている。従って本発明の制御方法を用ふると、
第２図、第３図及び第４図のそれぞれ（ｄｌに示されて
いるオフガス燃焼に必要な空気量がそれぞれの状況に応
じて適切に計算され、この計算値に従って燃焼用空気量
を制御すると同図（ｅｌに示すグラフの如く、実際の燃
焼用空気量が、発電開始時並びに′電気出力負荷変動時
に於いても常に適切に制御され、空気比の大きな変化に
よる燃焼状態の悪化を招くこと無く、ＣＯの排出や未燃
水素分の排出等の無い、安全で良好なオフガス燃焼が維
持できる。

なお、オフガス流量測定器（９）、及び水素濃度検出器
（８）は、改質装置（１）の燃焼器（１ａ）に出来るだ
け近い位置に設置することが望ましい。オフガス流量測
定器（９）としては例えばオリフィスタイプの流量計、
超音波流量計等検知流量信号が取り出せるものを用ふれ
ば良く、又水素濃度検出器（８）としてはＳｎＯ，セン
サ、或はジルコニア系センサ或は燃焼式の水素濃度計を
用ふれば良い。演算器ｔｌＧとしては、最近のマイクロ
プロセッサを用ふればは）式の演算はいとも簡単に処理
可能である。

また、第１図の実施例に示されている燃焼用空気量調節
器（７）は制御弁タイプのものを掲載しているが、これ
に限るものではなく、例えば直接空気送風機の回転数を
制御する方式の場合でもよく、上記実施例と同様の効果
が得られる。

さらに、演算器（１■の出力と燃焼用空気量調節器（７
）の入力とは例えば適当な増幅器等を介してマツチング
するように設計されているのは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、電池オフガスの流量
および電池オフガス中の水素濃度をそれぞれ計測する手
段と、計測された流量信号および水素濃度信号により適
正燻焼用空気量を算出する演算器と、この演算器の出力
に比例して燃焼器に供給する燃焼用空気流量を制御する
手段とを備えたので、発１ｆｌ始時や電気出力負荷変動
時でも常に適正な空気比でオフガス燃焼が行なえ、燃料
電池発電システムに特有な水素濃度の変化やオフガス流
量の変化遅れによる燃焼用空気量の不整合を解消するこ
とができ、ＣＯや未燃水素の排出といった危険を防止で
きる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による燃料ｍ油改質器用燃
焼器を用いたリン酸型燃料電池発電システムの構成を説
明する系統図、第２図ｆａｔ〜ｔｅｌおよび第３図（ａ
ｌ〜（ｅｌはそれぞれ第１図のものの電気出力負荷急減
時および急増時における各流量や水素濃度の変化の様子
を示す説明図、第４図（ａｌ〜ｔｅｌは第１図のものの
発電開始時における各流量や水素濃度の変化の様子を示
す説明図、第５図は従来の燃料電池改質器用燃焼器を用
いたリン酸型燃料電池発電システムの構成を説明する系
統図、第６図（ａｌ〜（ｄｌ、および第７図（ａｌ〜（
ｄｉはそれぞれ第５図のものの電気出力負荷急減時およ
び急増時における各流量や水素濃度の変化の様子を示す
説明図、第８図（ａｌ〜ｔｅｌは第５図のものの発電開
始時における各流量や水素濃度の変化の様子を示す説明
図である。 図において、（１）は改質器、（ｌａ）は燃焼器、（１
ｂ）は反応管、（Ｉｃ）は改質炉、（２）はＣＯ転化器
、（３）は発電セル本体、（４）は原料水蒸気混合器、
（７）は燃焼用空気量調節器、（８）は水素濃度検出器
、（９）はオフガス流量測定器、００は演算器であ名。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示すもの
とする。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 燃料電池本体からの未消費水素成分を含む排ガスである
   電池オフガスを燃料として利用する燃料電池改質器用燃
   焼器において、上記電池オフガスの流量および電池オフ
   ガス中の水素濃度をそれぞれ計測する手段と、計測され
   た流量信号および水素濃度信号により適正燃焼用空気量
   を算出する演算器と、この演算器の出力に比例して上記
   燃焼器に供給する燃焼用空気流量を制御する手段とを備
   えたことを特徴とする燃料電池改質器用燃焼器。