JPH0249359A - 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、チ四ソバ−、インバータで構成され、負
荷電流が急増、急減してもそれに違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、ｍ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ンチな
ガスを生成する改質器、該改質器で得られた水素ガスを
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上でバ
ーナで燃焼され、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、電力変換装置
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、電力変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トータル制御面では、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等の変化から改質運転の必要熱
量と改質器のバーナ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トを特に負荷
変動が多い負荷のｉｉ源として使用する場合には、あら
かじ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直列に改質ガスを貯留して
おくバッ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６図に
示す０図において９は改質器、ｌ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
は負荷であり、改質器９に対応して改質用原料供給装置
１７．補助燃料供給装置１８、燃焼空気供給装置として
の空気ブロワア２７等が付設されている。一方、改質器
９はバーナ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用原料供給装置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１０には前記の補助燃料供給装置１８．空気ブロワ
ア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８が接続されている。なお改質用原料供給装置
１７は改質用原料タンク１７ａ、原料ポンプ１７ｂ（可
変速ポンプ）、弁１７ｃ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へ改質用原料を導入することに
より、改質用原料は気化し、さらに改質触媒との接触反
応により水素リン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。また燃料電池の燃料種より出る排
ガスはオフガスとして改質器９のバーナ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ｒｆｃの検出値と負荷電流Ｅｏの検出値との
間の偏差でチッソパー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用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
を介して改質用原料供給装置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給
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。

第７図は前述の従来例による各部の特性を表わしたグラ
フで、負荷電流の急増と急減に追随して時間とともに変
化する様子を説明している。

〔発明が解決しようとするＩＩ！り 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に送り込む改質用原料の供給量が１１節さ
れるが、この場合に改質用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、さらにバーナへの補助燃料供給量に
付いても改質触媒層温度の検出値を基にフィードバック
制御され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用原料の改質に要する改質
器の必要熱量とバーナ発熱量との間に差異が生じて過渡
的にヒートバランスが崩れ、この結果として負荷上昇時
には改質用原料供給量が増量されるのに対してバーナに
供給するオフガス量は逆に減ってバーナ発熱量が減少す
るために、改質器では気化器、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ｔす、改質用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用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への改質用原料供給量
、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示した第７
図によると、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用原料供給量を徐
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用原料供給
量が減量するにもかかわらず、バーナに供給されるオフ
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へ保・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急増、
急減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な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
から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オフガスを改質器に供
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、前記改質器から燃料電池に送られる燃料ガス
供給ラインより分岐して燃料ガスを貯蔵する系を設け、
この系からも前記改質器と燃料電池にバルブを介して燃
料ガスを供給可能とする、または改質器への改質用原料
導入部と燃料電池のオフガス排出部との間を結んで改質
器から燃料電池を通る循環系を形成し、循環ブロワァを
介して燃料ガスを前記改質器内と燃料電池内とに循環さ
せるとともに、前記改質器の改質用原料導入部より分岐
して改質用原料を貯蔵する系を設け、この系からも前記
改質器に弁を介して改質用原料を供給可能とするものと
する。

〔作用〕

この発明において、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オフガス
管路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と、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で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−り％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から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
ながら循環している燃料ガス量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、
前記改質器が（Ｘ＋α）％に見合う燃料ガス量に立ち上
がるまでに臨時に燃料ガスを供給しなければならない。

そこで改質器から燃料電池に水素リンチな燃料ガスを送
る燃料ガス供給管路より分岐して弁、除湿器、コンプレ
ッサーを介して燃料ガスまたはそれを水素に転換したも
のを貯蔵出来る系を設けると、常時或いは負荷が急減し
て過剰な燃料ガスが発生した際には貯蔵しておき、負荷
電流が急増して前述の如く臨時に燃料ガスまたは水素が
必要となったときに、この貯蔵系より弁を介して燃料電
池と改質器に燃料ガスまたは水素を供給して燃料電池の
発電量を増し、燃料排ガス量の不足を補償し、改質器で
のヒートバランスを保ち改質触媒層温度を適正に安定維
持することができる。

また、改質器に改質原料を供給する改質用原料供給系統
と並列に改質用原料貯蔵用のバッファタンクを設け、常
時はバッファタンクの出口弁を閉じておき、負荷が急増
した際には出口を開いてバッファタンクから改質用原料
を供給する。このため、バッファタンクに貯蔵する改質
用原料ガスの圧力は改質用原料供給系統の圧力より高く
保たれている。なお、バッファタンクの温度が低下する
と改質原料中の水および原料が液体の場合には改質原料
成分の一部が液体になり圧力を維持出来なくなるので常
に加熱が必要でありこの加熱源として改質器などの排熱
を利用することにより改質用原料が気化された状態を維
持する。

負荷が急増した場合には、加圧された改質用原料が改質
用原料供給系とバッファタンクとから改質器に供給され
、改質器で改質反応が起こり水素リッチな燃料ガスが発
生する。この場合の反応は一例としてメタノール改質の
場合を例に取ると下記の反応がおこる。

ＣＨｓＯＨ＋ＨｔＯ−３［１ｚ＋ＣＯ＊　　　（１モル
＋　ｌｔ＄−３（ル＋　１モル〕従って、上式の反応に
より改質された燃料ガスの体積は改質用原料ガスの体積
と比較して２倍であり貯蔵圧力をＰ、とし、供給される
改質用原料量は改質器の通常の運転圧力をＰｏとすると
（ｐｓ−Ｐｏ）に比例して増加するので燃料電池に供給
される燃料ガス流量は２Ｘ（Ｐｇ　　Ｐａ）に比例して
増加する。このため配管経路を通過する時間は燃料ガス
流量の増加に見合って短（なり、負荷応答性を向上する
ことが出来る。

通常、燃料電池を運転する際には燃料電池に供給する燃
料ガス流量は燃料電池で消費される水素量に対して過剰
の水素が供給されるような流量に保たれており、この水
素消費と供給水素量との比率を水素利用率と称している
。いま、水素利用率をＵ％、負荷電流をＸ％とすると燃
料電池に供給される水素量はＸ／υに応じた流量となり
Ｘ　（１００／［Ｊ−１）に対応した流量が燃料電池で
消費されずにオフガスとして改質器の燃焼バーナに供給
される。この状態で負荷電流がα％増加すると燃料電池
で消費される水素は（Ｘ＋α）に比例して増加する。燃
料電池内に保有されている水素量を■。

とすると負荷電流がα％増加した時の保有水素量の減少
は単位時間当たり、 ｖ＝（Ｘ＋α）　　１００Ｘ／Ｕ−α　　（１００／Ｕ
　　　１）Ｘであり、燃料電池の電圧が低下して発電が
継続出来なくなる限界の水素保有量をｖＬとすると　（
Ｖ　。

ＶＬ）／Ｖ時間以内に燃料電池に所定の燃料ガスを供給
する必要がある。そこで、改質用原料導入部と燃料電池
のオフガス排出部との間を接続し、改質器、燃料電池と
を含めて循環系を構成し、循環ブロワアを介して循環し
ていた燃料ガスを燃料電池内で消費させると同時に、前
記バッファタンクの出口弁を開いてバッファタンクから
改質用原料を供給するようにして燃料電池内を循環して
いる燃料ガスの保有している水素量が限界値以下となる
以前に燃料電池に燃料ガスを供給することにより、発電
量を増加し運転を継続することができる。

〔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
の発明の第１の実施例による改質器９と燃料電池１を含
む構成を示す系統図で、第６図に記載したのと同じ機能
を有する部位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
環ブロワア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の電
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によってオフガス管路８と燃料ガス循環系管路６
とに分けられる。オフガス管路８に入った燃料排ガスは
改質器９のバーナ１０に入り燃焼に供されて改質器のヒ
ートバランスと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
ワア４によって再度燃料電池ｌに供給されて、燃料電池
１の内と外を循環する系を形成する。燃料電池１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１に入り、出口側マニホールド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燃料ガ
スを流すために、循環ブロワア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１０に供給されて熱源となって
いる。

改質器９で改質されて水素リンチとなったガスは、燃料
ガス供給管路７を通り循環ブロワア４を経て燃料電池１
に供給されるが、前記燃料ガス供給管路７より分岐され
た燃料貯蔵タンク１６に、その一部が常時あるいは負荷
が急減してこのガスが過剰に改質されたときに臨時に、
弁３６．除湿器３５を経て、コンプレッサー３１を介し
て供給され貯蔵されている。

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、燃料電池内では前述のごと（、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３７を開いて燃料貯蔵タンク１６より圧力調整弁
１５と貯蔵燃料供給管路１３を通って貯蔵されている燃
料ガスを燃料電池へ臨時に供給する。したがって燃料貯
蔵タンク１６は燃料電池の近辺に配置し、貯蔵燃料供給
管路１３も短く配管されている。

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、そのために
バーナー０の燃焼を増加させようとしても、その燃料と
なる燃料電池１からのオフ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、臨時に燃料貯蔵タン
ク１６より圧力調整弁１５、貯蔵燃料供給管路１３を通
って急速に開いた弁と ３８により燃料ガス）バーナー０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。

負荷電流がＸ％より　（Ｘ＋α）％に増加した情報が改
質用原料を改質器９に供給している第６図で図示した原
料ポンプ１７ｂに達し、時間遅れのあと、改質器９に　
（Ｘ＋α）％の負荷増加に相当する改質用原料が供給し
はじめると、（Ｘ＋α）％の負荷電流を発電できる水素
リッチな改質された燃料ガスが燃料電池１に供給されて
、発電を行い、そのあと排出されるオフガスも　（Ｘ＋
α）％の負荷に見合う改質用原料を改質するのに充分な
量となってバーナ１０に供給される。すると弁３７．３
８を閉じて、燃料貯蔵タンク１６よりの燃料供給を止め
る。

（Ｘ＋α）％と増加していた負荷電流が再びＸ％へと急
減した場合には、改質された水素リンチな燃料ガスは時
間遅れをもってＸ％に相当する量に減少するが、それま
での短時間に、過剰となった燃料ガスが改質器９より供
給されるが、この過剰分はすべて燃料ガス供給管路７よ
り分岐された燃料貯蔵タンク１６へ、弁３６．除湿器３
５．コンプレッサー３１を介して供給され、貯蔵される
。

第２図は本発明になる異なる実施例を示す系統図で、第
１図と同じ機能を示す部位には同一の番号が付してあり
、第１図と異なる点を中心に説明する。

この実施例では改質器９で製造される水素リンチな燃料
ガスから水素のみ挿出して水素貯蔵タンクに供給しよう
とするもので、改質器９より供給される余剰な燃料ガス
は、弁４０閉３弁３６及び弁３９開とすることで、除湿
器３５を通ってコンプレッサー３３により水素吸蔵合金
３０に送られる。ここで燃料ガス中の水素は水素吸蔵合
金３０に吸収され、残余のガスは弁３９を通って外部に
放出される。水素吸蔵合金３０が水素を充分に吸収した
あと弁３６および３９は閉じて弁４０が開き、コンプレ
ッサー３４によって水素吸蔵合金３０内の水素が水素貯
蔵タンク４２で供給貯蔵される。

この水素貯蔵タンク４２に貯えられた水素ガスは第１図
ですでに説明した燃料貯蔵タンク１６に貯えられた燃料
ガスとまったく同じ目的に使用されるが、燃料ガスと較
べると水素ガスの方が一層効率よく、燃料電池１の発電
増加を助勢し、バーナ１０の燃焼を助勢することができ
る。

第３図は本発明のさらに異なる実施例を示す系統図で、
第１図と同じ機能を示す部位には同一の番号が付してあ
り、第１図と異なる点を中心に説明する。

この実施例では第２図と同様改質器９で製造される水素
リッチな燃料ガスから水素のみ挿出して水素貯蔵タンク
に供給しようとするもので、改質器９より供給される過
剰な燃料ガスは、弁３６および弁４１を開とすることで
、除湿器３５を通ってコンプレッサー３１により水素富
化膜３２に送られる。この水素富化膜３２では供給され
た燃料ガスのうち、水素ガスのみが通過してコンプレッ
サー３１を介して水素貯蔵タンク４２に供給貯蔵され、
残余のガスは弁４１を通って外部に放出される。この貯
えられた水素ガスは第２図ですでに説明したものと同一
の働きをして、燃料電池の負荷電流の急増時に寄与する
。

第４図はこの発明のさらに異なる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図で、第６図に記載
したのと同じ機能を有する部位には同じ符号が付しであ
る。

改質用原料は改質用原料供給管路６７より気化器６５を
通って気化され、改質器９で加熱後改質されて水素リン
チな燃料ガスとなり循環ブロワア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
で酸化剤の空気との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、オフガス管路８と燃料ガス循環系管路５８とに分け
られる。オフガス管路８に入った燃料排ガスは改質器９
のバーナ１０に入り燃焼に供されて改質器のヒートバラ
ンスと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５８に入った燃料排ガスは、再度改
質器９に供給されて、改質器９と燃料電池Ｉとを循環す
る系を形成する。燃料電池１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１に入り、出口側
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％が定常に達した状態では、水素利用率Ｕ％で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。したがって燃料電池１で消費し切れない
水素量Ｘ　（１００／　Ｕ　−１）は２分され、オフガ
スとなって改質器９のバーナｌＯに排出され改質反応の
熱源となるのと、改質器９に戻されるのとに分かれる。

ところで、燃料電池には常に１００％の負荷電流に相当
する燃料ガスを流すために、循環ブロワア４でもって（
１００−ｘ）％相当の燃料ガスが燃料ガス循環系管路５
８内を循環している。

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、燃料電池内では前述のごとく、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）九の負荷電流の発電が
可能であるが、燃料電池１および燃料ガス循環系管路５
８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、制御器５９の指令により急速に弁５５
を開いてバッファタンク５６より貯蔵改質用原料供給管
路５４を通って貯蔵されている改質用原料ガスを改質器
９へ臨時に供給する。したがってバッファタンク５６は
改質器９の近辺に配置し、貯蔵改質用原料供給管路５４
も短く配管されている。

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、この時に必
要となる改質熱量の一部はバッファタンク５６内に貯蔵
されている改質用原料が保有している顕熱で補うことが
出来る。このためにバッファタンク５６には改質器９の
燃焼排ガスが燃焼排ガス系管路５７を通じて供給され、
バッファタンク５６内で改質用原料と熱交換され改質用
原料の気化温度を保持している。

負荷電流がＸ％より　（Ｘ＋α）％に増加した情報が原
料を改質器９に供給している第６図で図示した原料ポン
プＬ７ｂに達し、時間遅れのあと、改質器９に（Ｘ十α
）％の負荷増加に相当する改質用原料が供給しはじめる
と、（Ｘ＋α）％の負荷電流を発電できる水素リッチな
改質された燃料ガスが燃料電池ｌに供給されて、発電を
行い、そのあと排出されるオフガスも　（Ｘ＋α）Ｈの
負荷に見合う改質用原料を改質するのに充分な量となっ
てバーナ１０に供給される。すると弁５５を閉じて、バ
ッファタンク５６よりの改質用原料ガスを止める。

なお、本実施例では燃料ガス循環系５８を有する系につ
いて説明したが、燃料電池のガス保有体積が大きい場合
や配管経路が短くて改質されたガスがすぐに燃料電池に
入る場合にはこの循環系５８は必ずしも必要ではない。

（Ｘ＋α）％と増加していた負荷電流が再びＸ％へと急
減した場合には、供給されていた改質用原料は時間遅れ
をもってＸ％に相当する量に減少するが、それまでの短
時間に、過剰となった改質用原料の過剰分はすべて気化
器６５の出口より分岐されたバッファタンク５６へ、コ
ンプレッサー６４を介して供給され、貯蔵される。

第５図は負荷電流が急増したときと、急減したときの各
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または水素貯蔵タンクまたはバッフ
ァタンクからの臨時の燃料ガスや水素ガスまたは改質用
原料の供給によって、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
わしている。

負荷電流の急減時には改質ガス供給量の斜線部分に示す
ごとき過剰部分ができるが、これは燃料や水素貯蔵タン
クまたはバッファタンクに貯蔵される。

〔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貯蔵タンクより速やかに供
給され、同時に設質器へも前記燃料貯蔵タンクより急速
に燃料ガス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。また燃料貯蔵タンクに貯
えられる燃料ガスや水素ガスは改質器より供給される水
素リッチな改質ガスを燃料電池にいく管路より分岐して
使用するものであり、自給できて前に提案した補助ボン
ベを備えるものと較べて経済性が高く、ことに水素ガス
を蓄えるものでは負荷電流急増時に追随性が高いという
利点も有する。

さらに改質用原料供給系統と並列に改質用原料を貯蔵す
るバッファタンクを設けることにより燃料電池の負荷急
増時にはバッファタンクから改質用原料を速やかに供給
することが出来て、負荷の要求に追随した燃料電池の運
転が可能となる。また改質器内部でのヒートバランスが
くずれて改質器の温度が低下することに対しても、バッ
ファタンク内の改質用原料を改質器等の排熱を利用して
加熱しておくことにより抑える効果がある。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。さらに改質された燃料ガスと比較して
改質する前の改質用原料のガスの体積は前述の式にて示
したように１７２と小さいので装置を小型化出来る利点
を有する。

【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図、第２図はこの
発明の異なる実施例による系統図、第３図はこの発明の
さらに異なる実施例による系統図、第４図はこの発明の
さらに異なる実施例による系統図、第５図は第１図、第
２図、第３図および第４図に示した各部の運転中の時間
的な変化を示すグラフ、第６図は従来例による燃料電池
発電装置を示す系統図、第７図は従来例による各部の運
転中の時間的な変化を示すグラフである。 ｌ：燃料電池、４：循環ブロワア、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
：オフガス管路、９：改質器、１０：バーナ、１１：気
化器、１２：改質触媒、１３：貯蔵水素供給管路、１４
：貯蔵水素供給管路、１５：圧力調整弁、１６：燃料貯
蔵タンク、３０：水素吸蔵合金、３１．３３．３４　；
コンプレッサー、３２：水素富化膜、３５：除湿器、３
６，３７．３８，３９，４０，４１　　：弁、４２：水
素貯蔵タンク、５４：貯蔵改質用原料供給管路、５５：
弁、５６：バッファタンク、５７：燃料排ガス系管路、
５８：燃料ガス循環系管路、５９：制御器、６０：弁、
６４：コンプレッサー、６５：気化器、６７：改質用原
料供給管路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）原料を改質して水素リッチな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
   燃料電池とから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オフガスを
   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、前記改質器から燃料電池に送られ
   る燃料ガス供給ラインより分岐して燃料ガスを貯蔵する
   系を設け、この系からも前記改質器と燃料電池にバルブ
   を介して燃料ガスを供給可能とし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な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
   燃料電池とからなる燃料電池発電装置において、改質器
   への改質用原料導入部と燃料電池のオフガス排出部との
   間を結んで改質器から燃料電池を通る循環系を形成し、
   循環ブロワァを介して燃料ガスを前記改質器内と燃料電
   池内とに循環させるとともに、前記改質器の改質用原料
   導入部より分岐して改質用原料を貯蔵する系を設け、こ
   の系からも前記改質器に弁を介して改質用原料を供給可
   能としたことを特徴とする燃料電池発電装置。