JPH01315957A - 燃料電池発電装置 - 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、メタノール、天然ガス等を原料とし、改質
器、燃料電池、チョッパー、インバータで構成され、負
荷電流が瞬時に増加したとき、それに追随した運転が可
能な燃料電池発電装置に関する。

〔従来の技術〕

新しい発電装置としての燃料電池発電プラントは、その
高い発電効率が得られることから移動用電源、離島用電
源等、各種電源としてその用途の拡大化が図られるよう
になっている。

ところで燃料電池発電プラントは、メタノール。

天然ガス等を原料として水蒸気改質により水素リッチな
ガスを生成する改質器、該改質器でえられた水素ガスを
燃料として発電を行う燃料電池、および燃料電池の直流
出力を交流に変換する装置等から成り、改質器で生成し
た水素ガスは燃料電池の負荷および水素利用率に応じて
燃料電池内部で消費され、余剰の水素ガスはオフガス　
（燃料排ガスともいう）として改質器へ導かれた」二で
バーナーで燃焼され、改質エネルギーとして消費される
ことは周知の通りである。したがって燃料電池を効率良
くかつ安定に運転するには、特に燃料電池へ燃料ガスを
供給する改質器のヒートバランスを常に安定よく保ち、
その改質反応温度を負荷が変動しても常に適正温度に維
持することが発電プラントの運転制御の上で極めて重要
である。

発電プラントの構成要素である燃料電池、電力交換装置
は負荷範囲も広く、応答も早いが、改質器は一種の化学
反応装置であり、その系内の配管も長く、かつその内部
では複雑な熱交換を行うことから、−船釣に応答速度は
燃料電池、電力交換装置に比べて大幅に小さい。したが
って発電プラントの１・−タル制御面では、燃料電池の
負荷が殆ど変化しないか、或いは負荷変動が比較的緩や
かでかつその負荷変動が予測できるような運転条件では
、負荷範囲の拡大にも比較的容易に追随できるが、負荷
が急激に変動する場合には負荷変動に追随して迅速に制
御することが困難である。特に負荷が急激に増大した場
合に燃料電池の出力電流を急激に増加させようとすると
、改質器から燃料電池へ供給する燃料ガスが負荷の急増
に追随できず、発電に必要な燃料ガス量が不足していわ
ゆるガス欠状態となり正常な発電が継続できなくなる他
に、改質器側では負荷変動に伴う改質原料供給量、燃料
電池側から戻るオフガス量の変化から改質運転の必要熱
量と改質器のバーナー発熱量との間に差異が生じ改質反
応温度を適正温度に維持することが困難となる。

このために従来では、燃料電池発電プランＩ・を特に負
荷変動が多い負荷の電源として使用する場合には、あら
かしめ燃料電池における水素消費率を低く設定する、あ
るいは改質ガス供給ラインに改質ガスを貯留しておくバ
ンファタンクを介装しておく等の方式が知られているが
、前者の方式では余分に原料を改質するのでプラント全
体としての効率が低くなり、また後者の方式では設備が
大形化する難点がある。そこで負荷変動、特に負荷増加
に対して燃料電池の出力電流が急激に増加するのを抑え
るようにしつつ、一方では過渡的に不足する燃料電池の
出力を補うために燃料電池の出力側に例えば鉛電池等の
補助蓄電池を接続し、改質原料供給量の増量制御により
燃料電池の出力が増加するまでの間の供給電力不足分を
補助蓄電池から給電するようにしたハイブリッド方式が
提唱されている。

ここで従来における上記ハイブリッド方式燃料電池発電
プラントの負荷変動に関連した制御システムを第４回に
示す。図において９は改質器、■は燃料電池、２３は燃
料電池１の出力側に接続したチョッパー、２４はＤ　Ｃ
／Ａ　Ｃ変換用のインバータ、２５は補助蓄電池、２６
が負荷であり、改質器９に対応して改質原料供給装置１
７．補助燃料供給装置１８、燃焼空気供給装置としての
空気ブロワァ２７等が付設されている。一方、改質器９
はバーナー１０を装備の炉内に気化器１１．改質触媒を
充填した改質反応管１２を内蔵して成り、気化器１１の
入口側に前記の改質原料供給装置１７が接続され、改質
反応管１２の出口が燃料電池１の燃料極２に接続配管さ
れている。なお３は空気極である。一方、改質器のバー
ナー１０には前記の補助燃料供給装置１８．空気ブロワ
ァ２７および燃料電池１の燃料極側から引き出したオフ
ガス管が接続されている。なお改質原料供給装置１７は
改質原料タンク１７ａ、原料ポンプ１７ｂ（可変速ポン
プ）、弁Ｌ７ｃ等を装備し、補助燃料供給装置１８は補
助燃料タンク１８ａ、燃料ポンプ１８ｂ（可変速ポンプ
）、弁１８ｃ等を装備してなる。

かかる構成の燃料電池発電プラントの運転動作について
は周知であり、改質器９のバーナー１０に供給した補助
燃料、オフガス、燃焼空気を燃焼して改質エネルギーを
与え、この状態で改質器９へ改質原料を導入することに
より、改質原料は気化し、さらに改質触媒との接触反応
により水素リッチなガスに改質されて燃料電池１の燃料
極２へ供給される。また燃料電池の余剰ガスはオフガス
として改質器９のバーナー１０に供給して燃焼され、改
質エネルギーとして消費される。一方、燃料電池１の直
流出力はチッソパー２３で負荷側の電圧に整合され、さ
らにインバータ２４で交流に変換して負荷２６に給電さ
れる。また補助蓄電池２５は負荷の急激な増加の際に一
時的に燃料電池の出力不足分を補って負荷へ放電する。

またこの場合に燃料電池１の出力急増を抑えて緩やかに
出力を増加させるよう、燃料電池の出力電流１ｆｃの検
出値と負荷電流１ｏの検出値との間の偏差でチョッパー
２３の出力を制御するようにしている。なお２８は負荷
電流検出器である。

一方、負荷の増減に対応して改質原料供給量を制御する
ために、燃料電池の出力電流検出値を基に制御器１９を
介して改質原料供給装置１７の原料ポンプ１７ｂを制御
する制御系２０が設けである。さらに改質器９のバーナ
ー１０に対しては改質触媒層の温度検出値を基にフィー
ドバック制御により補助燃料供紹量、燃焼空気供給量を
制御して改質反応温度を適正温度に保持するように制御
系２２が設けである。なお２９は改質反応管１２に配備
した温度検出センサ、２１は制御器である。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかして上記した従来の制御システムでは下記のような
問題がある。すなわち負荷変動時にはその負荷増減に応
じて改質器９に送り込む改質原料の供給量が調節される
が、この場合に改質原料を気化し触媒層で改質された後
に改質ガスが改質器９より燃料電池１に導入され、さら
にオフガスとして改質器９のバーナー１０に戻るまでに
はその途中の配管長さによりかなりの時間的遅れが生じ
るようになり、さらにバーナーへの補助燃料供給量にイ
づいても改質触媒層温度の検出値を基にフィードバンク
制御さるので制御上での応答遅れがある。

このために負荷の急激な変動時には改質原料の改質に要
する改質器の必要熱量とバーナー発熱量との間に差異が
生して過渡的にヒートバランスが崩れ、この結果として
負荷上昇時には改質原料供給量が増量されるのに対して
バーナーに供給するオフガス量は逆に減ってバーナー発
熱量が減少するために、改質器では気化器１改質触媒層
の温度が低下し、気化不足から燃料電池側に供給する改
質ガスに脈動を生じたり、改質原料の改質率を低下させ
る。また逆に負荷の減少時には改質原料供給量が減量す
るのに対してオフガス量は増えることからバーナー発熱
量が過剰となり、改質器の触媒層が過熱して改質触媒の
劣化を早める等の不具合が派生するようになる。

ここで負荷変動に対する改質器−・の改質原料供給量、
オフガス量、触媒層温度等の各プロセス量。

および燃料電池、補助蓄電池の出力電流の応答特性を第
５図に示すと、前記した従来の制御方式では改質器固有
の応答遅れ、補助燃料供給量のフィードバック制御によ
る応答遅れから、負荷の急増時には改質原料供給量を徐
々に増量し、負荷急増に追随して改質器から燃料電池へ
供給する改質ガス量の立ち上がりも遅れることから、燃
料電池の出力上昇を緩慢にせざるを得なくなりこの燃料
電池の出力不足分を補って補助蓄電池から負荷へ給電す
る放電量が大となるために補助蓄電池として大容量の電
池が必要となる。

また負荷の急減時には改質器へ送り込む改質原料供給量
が減量するにもかかわらず、バーナーに供給されるオフ
ガス量は過渡的に過剰分が生じ、このためにバーナー発
熱量が必要な改質熱量をオーバーして改質触媒層が過熱
状態となる等、改質器を含めて燃料電池発電プラントを
負荷変動に追随して応答性よく安定した運転状態に維持
することが困難である。

この発明は、前述のような点に鑑み、瞬時の急激な負荷
電流の増加に対しても改質器のヒートバランスを保って
改質反応温度を安定よく適正温度に維持でき、補助蓄電
池がなくとも、燃料電池が要求された負荷電流の増加に
追随できる燃料電池発電装置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〕

上記課題を解決するために、この発明によれば、原料を
改質して水素リンチ燃料ガスを生成する改質器と、この
改質器より供給される燃料ガスで発電する燃料電池とよ
りなる燃料電池発電装置において、燃料電池の燃料極へ
の燃料ガス導入部と燃料電池の排ガスを改質器に供給す
る燃料排ガスラインとの間を結ぶ循環系を設け、循環ブ
ロワァを介して燃料ガスを燃料電池内に循環させるとと
もに、前記改質器と燃料電池に弁を介して燃料ガスを供
給できる補助タンクを備えるか、もしくは前記補助タン
クに代わって、燃料ガスを燃料ガス供給管路より分岐し
て導入し、その燃料ガスから水素を分離する水素分離器
を設けるものとする。

〔作用〕

この発明の構成によると、燃料電池の燃料極への燃料ガ
ス導入部と燃料電池の排ガスを改質器に供給する燃料排
ガスラインとの間を結ぶ循環系を設け、常時は改質器よ
り供給される負荷電流（Ｘ％）に見合った燃料ガス牟、
１００％負荷電流に見合った燃料ガスとの差　（１００
−Ｘ％）の燃料ガスとを合計した量の燃料ガスを燃料電
池に供給し、燃料電池内では負荷電流（Ｘ％）に見合っ
た燃料ガスが消費され、前記（１００−ｘ）％分の燃料
ガスは消費されないで燃料電池内より排出され燃料ガス
循環系管路に導かれて、循環ブロワァによって再び燃料
電池の燃料極の燃料ガス入口側に循環してくるように運
転されている。負荷電流がＸより（Ｘ＋α）％に急変し
て増加する際は、循環している燃料ガスよりα％分が直
ちに発電に加勢するので時間遅れなく負荷電流に追随で
きる。しかしながら循環し才いる燃料ガスはそれ程多く
なく負荷の急増初期で消費され燃料電池の出力が低下す
るので、この循環している燃料ガスが消費しつくされな
いうちに、燃料ガス補助タンクより臨時に燃料ガスを燃
料電池に供給するとともに、この補助タンクより同時に
改質器に燃料ガスを供給して急激な負荷電流増大時に生
じる燃料排ガス量の不足を補償する。

また前記補助タンクに代わって水素分離器を設ける場合
には、改質器より燃料ガスが燃料電池に送られるライン
の途中より燃料ガスを分岐して、この燃料ガスから水素
を分離して臨時に燃料電池に供給するとともに、同時に
改質器に水素を供給して急激な負荷電流増大時に生じる
燃料排ガス量の不足を補償する。これにより改質器での
ヒートバランスを保って改質触媒層温度を適正温度に安
定維持できうる。

〔実施例〕

以下この発明を実施例に基づいて説明する。第１図はこ
の発明の実施例による改質器９と燃料電池１を含む、構
成を示す系統接続図で、第４図に対応した同一部品には
同じ符号が付しである。原料は改質器９の気化器１１を
通って気化され、改質反応管１２を通って水素リンチな
燃料ガスに改質されて循環ブロワァ４により、燃料電池
１の燃料ガス入口側マニホールド２ａに入り、燃料電池
内で酸化剤の空気と電気化学反応により発電したあと、
排ガスとなって燃料排ガス出口側マニホールド２ｂに入
りここより燃料ガス分配弁５によって燃料排ガス管路８
と燃料ガス循環管路６とに分けられる。

燃料排ガス管路８に入った燃料排ガスは改質器９のバー
ナー１０に入り燃焼して改質器のヒートバランスを保っ
て改質反応温度を適正に保つ熱源となる。

燃料ガス循環系管路６に入った燃料排ガスは、循環ブロ
ワァ４によって再度燃料電池に供給され、燃料電池の内
と外を循環する系を形成する。燃料電池に入る酸化剤用
空気は空気入口用マニホールド３ａから燃料電池に入り
、出口マニホールド３ｂを経て排出される。

燃料電池の運転開始より前記した運転を続けて負荷電流
Ｘ％で定常に達した状態では、Ｘ％の負荷電流に見合っ
た燃料ガスが改質器９より燃料電池１に供給されるが、
燃料電池には常に１００％の負荷電流に相当する堰料ガ
スを流すために、循環ブロワァ４と燃料ガス分配弁５で
もって（１００−ｘ）％相当の燃料ガスが燃料ガス循環
系管路内を循環している。したがってＸ％相当の燃料排
ガスが改質器９のバーナー１０に供給され、熱源となっ
ている。

次に負荷電流がＸ％より　（Ｘ＋α）％と急変して、瞬
時に増加した場合に、燃料電池内ではもともと１００％
負荷電流相当の燃料ガスが流れているため、すぐに追随
できて　（Ｘ＋α）％の負荷電流の発電が可能であるが
、燃料ガス循環系管路６の内容積は大きくないので、管
内の燃料ガスが消費しつくされる前に急速に弁１３を開
いて燃料ガス補助タンク１６より圧力調整弁１５と補助
燃料ガス供給管路１４を通って、補助燃料ガスを燃料電
池へ臨時に供給する。したがって燃料ガス補助タンク１
６は燃料電池の近辺に配置し、補助燃料ガス供給管路１
４も短く配管される。

また改質器は　（Ｘ＋α）％に相当する燃料ガスを改質
して燃料電池へ供給しなくてはならないが、その為にバ
ーナー１０の燃焼を増加させようとしても、燃料となる
燃料排ガスがすぐには追随できないので、それが追随で
きるまでの間、臨時に燃料ガス補助タンク１６により圧
力調整弁１５．補助燃料供給管路１４を通って急速に開
いた弁３１により補助燃料ガスをバーナー１０に供給し
て、改質器のヒートバランスを保つことができる。

第２図はこの発明の異なる実施例を系統接続図で、特に
第１図の実施例と異なる点を説明する。

原料は改質器９の気化器１１を通って気化され、改質反
応管１２を通って水素り・ノチな燃料ガスに改質されて
、循環プロツプ４に行くラインに配された絞り弁３４に
よりその絞りの程度によっては前記燃料ガスの一部は循
環プロツプ４により燃料電池ｌの燃料ガス入口側マニホ
ールド２ａに入る。燃料ガスの残りは絞り弁３４の手前
より分岐したラインを通って弁３２を介し、水素分離膜
１１６ａを有する水素分離器１１６に供給される。ここ
で燃料ガスに含まれている水素は水素分離膜１１６ａを
透過して、水素分離器１１６に内蔵される補助タンク１
１６ｂに貯えられ、−酸化炭素に酸化炭素などの非反応
成分は水素分離膜１１６ａを透過することなく、弁３３
を介して燃料排ガス管路８にむけて排出される。補助タ
ンク１１６ｂに水素が貯えられた状態で、燃料電池の負
荷電流が瞬時に増加したとき、それに追随した運転が水
素を燃料電池と改質器に供給して可能となるが、特に燃
料電池の起動動作中や負荷電流が少ない運転中に、原料
の供給を増して絞り弁３４を絞ることによって、水素分
離器１１６にも充分なる燃料ガスが供給されて水素を貯
えることができる。

水素が貯えられた補助タンク１１６ｂの圧力が所定の値
に達した時点で水素分離器１１６への燃料ガスの供給を
停めるには、弁３２と３３を閉じればよい。

第３図は負荷電流が急増したときの各部の時間的変化量
をグラフにした特性図を示し、燃料ガス循環系管路と燃
料ガスまたは水素の補助タンクから臨時の燃料ガスまた
は水素の供給によって、触媒層温度を変化させることな
く、燃料電池出力電流が負荷電流に追随している状態を
表している。

〔発明の効果〕

この発明は前述のように、燃料電池の燃料ガス供給ライ
ンに循環系管路を設け、常に１００％定格電流に相当す
る燃料ガス量を燃料電池内に循環させることにより、燃
料電池出力が負荷の急増に瞬時に追随出来るようになり
、不足する燃料ガス量は燃料ガスまたは水素の補助タン
クより速やかに供給され、同時に改質器へも前記燃料ガ
スまたは水素の補助タンクより急速に燃料ガスまたは水
素を供給することにより、負荷の要求に追随した燃料電
池の運転が可能となり、また改質器内部でのヒートバラ
ンスを保って改質触媒層の温度変化を抑えうる。これら
により従来負荷急増時に使用していた補助蓄電池が不要
となり、負荷急増に追随した応答性の高い発電装置を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例による系統接続図、第２図は
この発明の異なる実施例による系統接続図、第３図は第
１図、第２図に示した各部の時間的な変化を示す特性線
図、第４図は従来例による燃料電池発電装置を示す系統
接続図、第５図は従来例による各部の時間的な変化を示
す特性線図である。 １：燃料電池、４：循環プロツプ、５：燃料ガス分配弁
、６：燃料ガス循環系管路、７：燃料ガス供給管路、８
；燃料排ガス管路、９：改質器、１０；バーナー、１３
，３１，３２，３３　　：弁、１４：補助燃料ガス供給
管路、１５：圧力調整弁、１６：補助タンク、３４：絞
り弁、１１６；水素分離器、１１６ａ　：水素分離膜、
１１６ｂ　：補助タンク。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）原料を改質して水素リッチ燃料ガスを生成する改質
   器と、この改質器より供給される燃料ガスで発電する燃
   料電池とよりなる燃料電池発電装置において、燃料電池
   の燃料極への燃料ガス導入部と燃料電池の排ガスを改質
   器に供給する燃料排ガスラインとの間を結ぶ循環系を設
   け、循環ブロワァを介して燃料ガスを燃料電池内に循環
   させるとともに、前記改質器と燃料電池に弁を介して燃
   料ガスを供給できる補助タンクを備えたことを特徴とす
   る燃料電池発電装置。 ２）原料を改質して水素リッチ燃料ガスを生成する改質
   器と、この改質器より供給される燃料ガスで発電する燃
   料電池とよりなる燃料電池発電装置において、燃料電池
   の燃料極への燃料ガス導入部と燃料電池の排ガスを改質
   器に供給する燃料排ガスラインとの間を結ぶ循環系を設
   け、循環ブロワァを介して燃料ガスを燃料電池内に循環
   させるとともに、燃料ガスを燃料ガス供給管路より分岐
   して導入し、その燃料ガスから水素を分離する水素分離
   器を設け、この水素分離器から前記改質器と燃料電池に
   弁を介して水素を供給することができるようにしたこと
   を特徴とする燃料電池発電装置。