JPH0465065A - 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〕 本発明は、メタノールや天然ガス等の原燃料を水素に富
むガスに改質する改質器と、この改質器からの改質ガス
と空気とが供給されて発電する燃料電池とを備え、燃料
電池からの電力を負荷に供給する燃料電池発電装置、特
に急激な負荷増加に対して応答性の早い燃料電池発電装
置に関する。

〔従来の技術〕

燃料電池発電装置は、メタノール、天然ガス等の原燃料
を原料として水蒸気改質により水素に富むガスを生成す
る改質器、この改質器で得られた改質ガスを燃料として
発電を行う燃料電池及び燃料電池の直流出力を交流に変
換する直交変換装置等からなり、改質器で生成した改質
ガスは燃料電池の負荷及び水素利用率に応じて燃料電池
内部で消費され、余剰の水素を含むガスはオフガス　（
燃料排ガス）として改頁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。

このような燃料電池発電装置として従来第７図に示すも
のが知られている。第７図において改質器１は燃焼室２
の上部にバーナ３と、燃焼室２内に過熱管４とこれに接
続される改質触媒が充填された改質管５とを備えている
。燃料電池７は燃料極８と空気極９と電解質室１０と冷
却室１１とを備えている。負荷１２は燃料電池７の燃料
極８と酸化開極９とに直交変換器［１３を介して接続さ
れている、改質器１の過熱管４には原燃料を供給する原
燃料供給ポンプ１５と、このポンプからの原燃料を水蒸
気と混合するスタティックミキサー１６とを儂えた改質
原料供給系１７が接続されている。改質管５の出口には
改質管５でバーナ３での燃焼の燃焼熱により原燃料を水
１気改質した改質ガスを燃料電池７の燃料極８に供給す
る改質ガス供給系１８が接続され、また燃料極８には電
池反応に寄与しない未使用水素を含むオフガスをバーナ
３に供給するオフガス供給系１９が接続されている。な
おバーナ３にはオフガスを燃焼する燃焼空気を供給する
空気ブロワ２０を備えた燃焼空気供給系２１が接続され
ている。

燃料電池７の空気極９には空気を供給する空気フロツ２
３を儂えた空気供給系２４が接続されている。

燃料電池７の冷却室１１と水蒸気分離器２５とに接続し
てこれらの間を冷却水が冷却水用ポンプ２６により循環
する冷却水循環系２７が設けられているやそして水蒸気
分離器２５には分離された水蒸気をスタティックミキサ
ー１６に供給するために減圧弁３０と流量調整弁３１と
を鋼えた水蒸気供給系３２が接続されている。なお減圧
弁３０は流１ｍ整弁３１の前圧を所定圧力に制御する。

このような構成により原燃料ポンプ１５により送出され
る原燃料ど水蒸気分離器２５から減圧弁３０により圧力
が所定圧力に制御され、流量調整弁３１により流量が制
御された水蒸気とはスタティックミキサー１６により混
合される。そして混合された原燃料と水蒸気とからなる
改質原料は改質原料供給系１７を経て改質器１の過熱管
４と改質管５とを流れる。そして、バーナ３でオフガス
供給系１９を経るオフガスを燃焼空気供給系２１を経る
燃焼空気により燃焼した燃焼熱により過熱管４と改質管
５とを流れる改質原料を加熱して水素に富むガスに改質
して改質ガスを生成する。

改質ガスは改質ガス供給系１８を経て燃料電池７の燃料
極８に供給され、一方空気は空気ブロワ２３により空気
供給系２４を経て空気極９に供給され、燃料電池７は電
池反応を起こして発電する。この際発電により発生ずる
熱は冷却水循環系２７を冷却室１１と水蒸気分離器２５
との間を循環する冷却水により除熱され、燃料電池７の
運転温度が保持される。

燃料電池７にて発電した電力は直交変換器１３を経て負
荷１２に供給される。

ところで９荷爽の負荷量が変動した場合には、電清計３
５により電流値を検出し、この検出電流信号を出力制御
器３６に入力し、負荷量に対応する原燃料量と水ア気量
とを改質器１に供給するように原燃料ポンプ１５の回転
数と流１！！ｊｌ整弁３１の開度を制御する。そしてこ
のような制御して得られた負荷量に対応する原燃料■と
水蒸気量を改質器１に供給し、て改質Ｂ１にて改質ガス
を生成し、この改質ガスとこれに対応する空気とにより
燃Ｒ電池７にて発電を行わせ、負荷１２の変動した負荷
量に対応する電力を負荷１２に供給している。

ところで上記した従来の燃料電池発電装置の制御方法で
は流量調整弁３１の閲度制訓による所要開度になるまで
、及び原燃料ポンプ１５が回転数制御による所要回転数
（なるまでにかなりの時間遅れが生じるとともに、原燃
料ポンプ］５のスタティックミキサ−１６への接続に必
要な配管長及びスタティックミキサー１６での混合によ
ってもがなりの時間遅れが生じる。このような時間遅れ
により急激な負荷変動、特に負荷増加時には負荷量に対
応する改質ガス量の生成が追随できず、発電に必要な改
質ガス量が不足していわゆるガス欠状態になり、正常な
発電の継続が困賭となる。

このために従来では、燃料電池発電装置を特に負荷変動
が多い負荷の電源として使用する場合には、予め燃料電
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ッファタンク
を介装しておく等の方法が知られている。

また負荷変動、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案されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記した従来の構成において、燃料電池における水素消
費率を低く設定する方法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、またバッファタ
ンクを介装しておく方法では、設備が大型化するという
欠点がある。

また、ハイブリッド方式では、改質器からの改質ガスの
立ち上がり速度が遅い場合、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
電池が必要となるとともに、蓄電池の充電回路を含めて
制御系が複雑となり、かつバッテリの充電、交換等の保
守管理も必要となるという問題がある。

本発明の目的は、改質ガスのバッファタンクや補助鉛電
池を必要とせず、またプラント効率を低下させることな
く、負荷応答性のよい燃料電池発電装置を提供すること
である。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、本発明によれば混合して供
給される原燃料と水蒸気とを水素に富むガスに水蒸気改
質する改質器と、この改質器からの水蒸気改質された改
質ガスと空気とが供給されて電池反応により発電し、そ
の電力を負荷に供給する燃料電池とを備える燃料電池発
電装置において、前記水蒸気を作動流体として原燃料を
吸引し量に対応して前記バルブの開個数を選択する制御
爵夜気を作動流体として原燃料を吸引し、原燃料と水蒸
気とを混合して改質器に供給するエジェクタポンプと、
前記水蒸気を通流させ、並列に配される開閉動作が早く
、流体抵抗の異なる複数のバルブと、燃料電池の負荷量
に対応してバルブの開個数を選択する制御手段とを設け
るものとする。

〔作用〕 エジェクタポンプにより水蒸気を作動流体として原燃料
を吸引して原燃料と水蒸気とを混合するので、この混合
は瞬時に行われ、混合による時間遅れが生じない、とこ
ろで、エジェクタポンプにより吸引される原燃料量は作
動流体としての水蒸気量に比例する。したがって作動流
体としての水蒸気が通流し、並列に配された開閉動作の
早いバルブ、例えば電磁弁や流体駆動のパワシリンダに
より開閉する同サイズのバルブの複数個又は流体抵抗の
異なる複数のバルブを設け、負荷量に対応してバルブの
開個数を選択する制御手段により、負荷量に対応する原
燃料量を吸引する作動流体としての水蒸気量が流れるよ
うに前記バルブの所要個数を開にすることにより、改質
器には時間遅れなく原燃料と水蒸気とが混合してなる改
質原料を供給され、この結果変動した負荷量に対応する
改質ガス量が生成されて燃料電池に供給される。

なお、流体抵抗の異なるバルブを設ける場合は、同サイ
ズのバルブを複数設けるものに比べて負荷量に対応する
改質原料量が開状態のバルブの組合わせにより負荷量に
必要な改質原料量により近づいて良好な制御ができる。

〔実施例〕

以下図面に基づいて本発明の実施例について説明する。

第１図は本発明の実施例による燃料電池発電装置の系統
図である。なお第１図及び後述する第２図、第３図にお
いて第７図の従来例と同一部品には同じ符号を付し、そ
の説明を省略する。

第１図において従来例と異なるのはスタティックミキサ
ー１６と流量調整弁３１を取除き、同サイズの複数の開
閉動作の早い電磁弁４０を並列にして水蒸気供給系３２
に介装し、また水蒸気供給系３２を経る水蒸気を作動流
体として原燃料を吸引するエジェクタポンプ４１を改質
原料供給系１７に接続し、さらに電流計３５により検出
した負荷量に対応する検出ｉ！流倍信号入力され、流Ｉ
調整用の複数個の電磁弁４０を選択し２て開閉する出力
信号を出力する出力制御器４３を設けたことである。な
お開状態の電磁弁個数と水蒸気量との関係は、予め計算
、測定されて既知なものであれば、特別の流量絞り装置
を設けずに涼量＠梃ができる。

このような構成により、燃料電池７の負荷１２の負荷量
が増加した場合には、電流計３５での検出電流信号が出
力制御器４３に入力される。そして出力制御器４３から
の出力信号により負荷量に対応する水蒸気量が流れるよ
うに電磁弁４０の開個数が選択され迅速に開になる。そ
して開状態の電磁弁４ｏを流れた水蒸気はエジェクタポ
ンプ４１に供給され、原燃料を吸引する。この際吸引さ
れる原燃料１　＋、！エジエクタボンブ４１に供給する
水蒸気量に比例し、吸引された原燃料は水蒸気と瞬時に
混合して負荷電に対応する改質原料量が改質器１に供給
され、改質器ｌにて水蒸気改質されて増加した負荷量に
対応する改質ガス量を燃料電池７に供給し、別に供給さ
れる空気とにより発電して負荷量に対応する電力を負荷
に供給する。

第４図け：上記のように負荷量としての負荷電流と４個
の同サイズの電磁弁４０を順次閉にしたときの改質器１
に供給する原燃料と水蒸気とからなる改質原料量との関
係を示（７ており、改質原料供給量は破線で示した負荷
電流に対応する必要改質原料流量をカバーするが階段状
になっている。

上記のように開閉動作の早い電磁弁と、瞬時に原燃料ど
水蒸気とを混合するエジェクタポンプとにより、増加す
る負荷量に対応する改質原料量を改質器に応答を早くし
て供給できるので、燃料電池における水素消費率を高く
設定でき、ブランＩ・効率の低下を防止できる。

なお、エジェクタポンプ、電磁弁及び改質器を接続する
配管長を短くすれば、負荷応答性の向上は大きく、でき
れば直結が望ましい。

本実施例では［１弁を使用したが、流体により駆動され
るパワシリンダにより開閉動作が早く行われるバルブを
使用しても同し効果が得られたなお複数個のバルブは複
数個の弁体１弁座を有する一体型のバルブにしても同じ
効果が得られた８第２図は本発明の異なる実施例による
燃料電池発電装置の系統図である。第２図において複数
個第１図と同じである。

このような構成において負荷量が増加したとき、を流計
３５による検出電流信号が入力される出力制御器４３か
らの出力信号により負荷量に対応する水→４ 蒸気量が流れるように電磁弁４０とｄとが適宜選択され
て迅速に開になる。そして開状態の電磁弁を流れた水蒸
気量はエジェクタポンプ４１に供給され１、負荷量に対
応する原燃料量が吸引され、原燃料と水蒸気とが瞬時に
混合されて改質器１に負荷応答性を早くして供給でき、
負荷量に対応する改質ガス量を生成して燃料電池７に供
給する。

第５図は電磁弁４０と４４とを適宜選択して開にしたと
きの改質原料供給量と負荷電流との関係を示わせを選択
して開状態の電磁弁４０．４４に水蒸気を流すことによ
り、負荷電流に対応する改質原料供給量は、必要な改質
原料供給流量に対して第４図に示すものより近づく。

第３図は本発明の異なる実施例による燃料電池発電装置
の系統図である。第３図において複数に並列される電磁
弁４５．４６．４７．４８の流体抵抗の比を１：２：４
：８とした他は８１図のものと同じである。なおすべて
の電磁弁が全開のとき定格流量の水蒸気が流れるように
しているや このような構成により、負荷が増加したとき電流計３５
での検出電流信号が入力される出力制御器４３からの出
力信号により、１！１．磁弁４５〜４８の開ｍ敗が選択
され、負荷量に対応する水蒸気量が迅速にエジェクタポ
ンプ４１に供給され、これに伴って負荷量に対応する原
燃料量が吸引される。この結果負荷量に対応する原燃料
量と水蒸気量とが瞬時に混合されて改質器１に負荷応答
性を早くして供給でき、負荷量に対応する改質ガス量を
生成して燃料電池７に供給する。

第６図は電磁弁４５，４６，４７．４８を負荷電流に対
応して選択して開にしたときの負荷電流と改質原料供給
量との関係を示している０図において電磁弁４５〜４８
は流体抵抗が前述のように異なるので、負荷量に対応す
る水蒸気量は電磁弁４５〜４８の適切な組合わせにより
、図に示すように負荷電流に対応する必要改質原料供給
流量に著しく近づき、精度の高い流量制御が可能となる
。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば燃料電
池の負荷量に対応する水蒸気量を開閉動作の早い複数の
バルブ、または流体抵抗の異なるバルブの開個数を選択
し、開状態のバルブを通過させてエジェクタポンプに供
給し、負荷量に対応する原燃料量を吸引して原燃料と水
蒸気とを混合して改質器に送るようにしたことにより、
負荷変動、特に負荷増加による負荷量に対応する水蒸気
量はバルブを介して迅速にエジェクタポンプに供給され
、増加した負荷量に対応する原燃料量がエジェクタポン
プに吸引されて原燃料と水蒸気と瞬時に混合して改質器
に供給され、改質ガスが生成されるので、燃料電池は負
荷変動、特に負荷増加に対する出力変動速度を高め、負
荷応答性の高い燃料電池発電装置が得られる。なお負荷
応答性が高いため燃料電池における水素消費率を高める
ことができ、プラント効率も向上することができる。

また、エジェクタポンプと複数のバルブとの組合わせに
より原燃料と水蒸気とを混合して改質器に供給すること
により、従来の原燃料ポンプ、流量調整弁、スタティッ
クミキサーとの組合わせにより原燃料と水蒸気を混合し
て改質器に供給するものと比べて小型、単純、堅牢であ
り、また保守も容易になり、このため燃料電池発電装置
を小型化することができ、また装置の信頼性及び保守性
を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による燃料電池発電装置の系統
図、第２図は本発明の異なる実施例による燃料電池発電
装置の系統図、第３図は本発明の他の異なる実施例によ
る燃料電池発電装置の系統図、第４図は第１図の燃料電
池発電装置における燃料電池の負荷電流と改質原料供給
量との関係を示す図、第５図は第２図の燃料電池発電装
置における燃料電池の負荷電流と改質原料供給量との関
係を示す図、第６図は第３図の燃料電池発電装置におけ
る燃料電池の負荷電流を改質原料供給量との関係を示す
図、第７図は従来の燃料電池発電装置の系統図である。 １：改質器、７：燃料電池、４０．４４，４５，４６，
４７゜４８：電磁弁、４１：エジェクタポンプ、４３：
出力制御器。 代理人弁理士　山　口　　巖　−−一二上ノ 第１図 Ｊ 第 図 第 図 第 図 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）混合して供給される原燃料と水蒸気とを水素に富む
   ガスに水蒸気改質する改質器と、この改質器からの水蒸
   気改質された改質ガスと空気とが供給されて電池反応に
   より発電し、その電力を負荷に供給する燃料電池とを備
   える燃料電池発電装置において、前記水蒸気を作動流体
   として原燃料を吸引し、原燃料と水蒸気とを混合して改
   質器に供給するエジェクタポンプと、前記水蒸気を通流
   させ、複数並列に配設される開閉動作の早いバルブと、
   燃料電池の負荷量に対応して前記バルブの開個数を選択
   する制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池発電
   装置。 ２）請求項１記載の燃料電池発電装置において、水蒸気
   を作動流体として原燃料を吸引し、原燃料と水蒸気とを
   混合して改質器に供給するエジェクタポンプと、前記水
   蒸気を通流させ、並列に配設される開閉動作が早く、流
   体抵抗の異なる複数のバルブと、燃料電池の負荷量に対
   応して前記バルブの開個数を選択する制御手段とを備え
   たことを特徴とする燃料電池発電装置。