JPH0547399A - 燃料電池発電システムの改質装置の温度制御方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 燃料電池発電システムにおいて、燃料電池特
性を低下させることなく、改質装置温度を個々の燃料の
改質に最適に維持する。 【構成】 燃料電池１４の燃料極排ガス１８を改質装置
バーナ２４に供給し、燃焼用空気２３で燃焼させて燃料
１の改質反応に必要な反応熱を供給する。ここで、燃焼
用空気２３の供給路に燃焼用空気流量調節弁４７を設け
る。この燃焼用空気流量調節弁４７の開度の制御を、制
御装置３９が、改質装置５に設置された温度センサ４５
で検出した改質装置温度，負荷電流検出センサ４６によ
り検出した負荷電流，燃料流量検出センサ３８で検出し
た燃料供給量に応じて、予め記憶してある最適値になる
ように行う。これにより、燃料電池特性低下の原因とな
る燃料極での水素利用率や燃料供給量の変化をさせるこ
となく、改質装置バーナ２４に送る燃焼用空気２３の流
量を改質装置温度を個々の燃料１の改質に最適な温度に
保つ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池の燃料極排ガ
スを改質装置に供給し、その燃料極排ガスを燃料の改質
反応に必要な反応熱を供給するための改質装置の加熱燃
料として用いる燃料電池発電システムの改質装置の温度
制御方法及びその装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の燃料電池発電システムとして、こ
れまでに図２に示すような熱交換器２，４，６，８，１
０，２６，２９及び３１、脱硫装置３、改質装置５、Ｃ
Ｏシフトコンバータ７、凝縮器９，２７，３２、燃料電
池１４、インバータ１６、気水分離器３６、制御装置５
３、および各種センサから構成されるシステムが提案さ
れている。

【０００３】以下に、この従来の燃料電池発電システム
の構成とともにその作用について説明する。気体状態の
都市ガス，ＬＮＧ，ＬＰＧ，メタノール等の燃料１は、
熱交換器２で昇温させた後、水素リッチなＣＯシフトコ
ンバータ７の出力ガスの一部とともに脱硫装置３に送ら
れ、燃料中の硫黄分が除去される（メタノール等の硫黄
分を含んでいない燃料を使用する場合には不要）。脱硫
された燃料ガスは、気水分離器３６で生成された水蒸気
３７とともに熱交換器４で昇温された後、改質装置５に
送られる。改質装置５では、燃料の改質反応が起こり、
水素リッチな改質ガスが生成する。例えば、都市ガス，
ＬＮＧ等のメタンを主成分とした燃料を使用した場合、
改質装置５の中では、通常ニッケル系触媒を用いて約７
００〜８００℃で次に示す改質反応 ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ₂ が行われる。

【０００４】改質ガスは、熱交換器６で温度を下げられ
た後、ＣＯシフトコンバータ７に送られ、次に示すシフ
ト反応 ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂ により、改質ガス中の一酸化炭素が二酸化炭素に変えら
れる。最終的には改質ガス中の一酸化炭素濃度は１％以
下に抑えられる。ＣＯシフトコンバータ７を出た改質ガ
スは、熱交換器８で温度が下げられた後、凝縮器９に送
られ、未反応の水蒸気が凝縮除去される。なお、先に述
べたように、ＣＯシフトコンバータ７を出たガスの一部
は、水添脱硫に必要な水素を脱硫装置３に供給するため
に、リサイクルされる。また、凝縮器９で分離された抽
水３４は気水分離器３６に送られ、再び水蒸気３７とし
て改質装置５に供給される。

【０００５】凝縮器９を出た改質ガスは、熱交換器１０
で昇温された後、改質ガス流量調節弁２１を通して燃料
電池１４の燃料極１１に送られ、その改質ガス中の水素
が燃料電池１４の電池反応に使われる。燃料電池１４
は、燃料極１１，電解質１２，及び空気極１３から構成
されており、電池反応では、燃料極１１で生成した水素
イオンが電解質１２中を空気極１３まで移動し、空気２
８中の酸素と反応して水ができる（リン酸型燃料電池の
場合）。ここで、空気２８は熱交換器２９で昇温された
後、空気極１３に供給され、電池反応に使われる。空気
極排ガス３０は熱交換器３１で温度が下げられた後、凝
縮器３２に送られ生成水３５が凝縮除去される。凝縮器
３２に除去された生成水３５も気水分離器３６に送ら
れ、水蒸気３７として改質装置５に供給される。凝縮器
３２を出たガスは排ガス３３として大気中に放出され
る。燃料電池１４の電池反応によって発電された直流電
力１５は、インバータ１６によって交流電力１７に変換
され、負荷１９に供給される。

【０００６】燃料電池１４の燃料極１１における水素利
用率は７０〜８０％程度であるので、燃料極排ガス１８
は未反応水素を含む。この未反応水素を含む燃料極排ガ
ス１８は、加熱燃料２２として燃焼用空気２３とともに
加熱用の改質装置バーナ２４に送られ、吸熱反応である
改質反応に必要な熱量を改質装置５に供給するために使
われる。改質装置バーナ２４では、以下に示す水素の燃
焼反応（燃料極排ガス１８中の水素と燃焼用空気２３中
の酸素が反応） Ｈ₂＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ が起こる。

【０００７】燃料電池運転開始時のように、改質装置バ
ーナ２４の燃料となる燃料極排ガス量が不足する場合
は、脱硫装置５出口ガスの一部を補助燃料２５として改
質装置バーナ２４の加熱に使用する。改質装置バーナ２
４の燃焼ガス４１は、熱交換器２６で温度が下げられた
後、凝縮器２７に送られ、生成水５０が凝縮除去され
る。凝縮器２７で除去された生成水４０は気水分離器３
６に送られ、水蒸気３７として改質装置５に供給され
る。凝縮器２７を出たガスは排ガス４２として大気中に
放出される。

【０００８】この従来の燃料電池発電システムでは、通
常は、改質ガス圧力センサ４３で検出される改質ガスの
圧力が所定の値になるように、燃料流量調節弁２０によ
り燃料１の流量が制御されている。燃料１の改質に必要
な水蒸気３７の供給量は、燃料流量調節弁２０を通過す
る燃料１の流量を燃料流量検出センサ３８で検知し、信
号ｄを制御装置３９に送り、この制御装置３９が信号Ｃ
を水蒸気流量調節弁４４に送り、その水蒸気流量調節弁
４４の開度を制御することによって調節する。また、燃
料電池１４に供給する改質ガス流量の調節は、改質ガス
流量調節弁２１で行う。すなわち、負荷電流検出センサ
４６で負荷電流を検出し、信号ａとして制御装置３９に
入力する。これを受けて制御装置３９は信号Ａを改質ガ
ス流量制御弁２１に送り、負荷電流に相当する水素ガス
量よりも多くの水素ガス量に相当する量の改質ガスを燃
料電池１４に供給する。改質装置５の温度が設定した温
度になっているかどうかは、温度センサ４５で監視し、
信号ｂとして制御装置３９に入力する。必要に応じて改
質ガス流量調節弁２１に制御装置３９から送る信号Ａを
制御し、前記の改質ガス流量制御弁２１の開度を補正す
る。これら一連の調節弁は、通常は燃料１について最適
な燃料流量，改質ガス流量，改質用水蒸気量，及び改質
装置温度になるように、前述したように制御装置３９で
制御される。制御装置３９は、例えば改質ガス圧力セン
サ４３からの圧力信号ｃを受けて、制御装置３９内部に
記憶してある設定圧力と比較し、その結果を基に演算し
燃料流量調節弁２０の開度を調節する信号Ｂを送出す
る。

【０００９】このような従来の燃料電池発電システムで
は、触媒上へのカーボン析出による放熱量の減少等の原
因によって改質装置温度が上昇した場合や、燃料１を、
改質反応に要する熱量すなわち改質反応熱が多い燃料
（例えばメタンを主成分とする都市ガス）から少ない燃
料（例えばプロパンを主成分とするＬＰＧあるいはメタ
ノール）に切り替えた場合等のように、改質装置５の温
度制御のために改質装置バーナ２４から改質装置５に与
える熱量を減少させる必要が生じたときには、燃料１の
供給量を減少させることによって改質装置バーナ２４の
燃料となる燃料極排ガス１８の流量を減少させたり、ダ
ミロード等を用いて燃料極１１での水素利用率を上げる
ことによって燃料極排ガス１８中の水素量を減少させた
りして、結果として改質装置バーナ２４で燃焼させる水
素量を少なくし、改質装置５に与える熱量を減少させ改
質装置５の温度上昇を防ぐように構成されていた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術による燃料電池発電システムの改質装置の温度
制御方法では、燃料の供給量を減少させると電池反応に
必要な水素が不足して燃料電池の電池出力が低下するこ
と、また、水素利用率を上げ過ぎると燃料極で部分的に
水素不足の状態となり電池出力が低下するとともに水素
の代わり電極が反応し電池寿命が低下すること等の問題
があった。また、燃料の供給量や水素利用率を変える方
法では燃料極排ガス流量や燃料極排ガス中の水素濃度が
減少し改質装置に与える熱量が減少するまでに時間遅れ
があり、改質装置の温度上昇を未然に防ぐのが困難であ
るという問題もあった。

【００１１】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されたものであり、その目的は、燃料電池発電システム
に関するものであって、燃料電池特性を低下させること
なく、かつ、時間遅れがなく、改質装置バーナから改質
装置に与える熱量を調節し、改質装置温度を個々の燃料
の改質に最適な温度に維持することを可能とした燃料電
池発電システムの温度制御方法及びその装置を提供する
ことを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の燃料電池発電システムの改質装置の温度制
御方法においては、燃料電池の燃料極排ガスを改質装置
に供給し、前記燃料極排ガスを燃料の改質反応に必要な
反応熱を供給するための該改質装置の加熱燃料として用
いる燃料電池発電システムにおいて、前記改質装置の温
度上昇を検知し、該温度上昇に応じて改質装置バーナへ
の燃焼用空気の供給量を減少させることによって該改質
装置バーナでの前記燃料極排ガス中の水素の燃焼量を制
御し、前記改質装置の温度を前記改質反応に適した所定
の温度に制御する構成としている。

【００１３】また、本発明の燃料電池発電システムの改
質装置の温度制御装置においては、燃料電池の燃料極排
ガスを改質装置に供給し、前記燃料極排ガスを燃料の改
質反応に必要な反応熱を供給するための該改質装置の加
熱燃料として用いる燃料電池発電システムにおいて、前
記改質装置に設置された温度を検知する温度センサと、
この温度センサの出力を受け前記改質装置温度，負荷電
流，燃料供給量に応じて改質装置バーナへの燃焼用空気
の供給量を制御する弁への制御量を予め記憶してある最
適値に切り替えて送出する機能をもつ制御装置とを具備
する構成としている。

【００１４】

【作用】本発明の燃料電池発電システムの改質装置の温
度制御方法及びその装置では、改質装置温度，負荷電
流，燃料供給量に応じて、燃焼用空気の改質装置バーナ
への供給量を制御して、改質装置温度を個々の燃料の改
質に最適な温度に調節することにより、従来のように燃
料極での水素利用率や燃料供給量を変化させることで改
質装置の温度制御していたときに生じた燃料電池の特性
低下を除く。また、改質装置バーナでの燃焼を直接制御
して、制御の時間遅れをなくす。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例を、図面を参照して詳
細に説明する。

【００１６】図１は本発明の一実施例の構成を示す燃料
電池発電システムの系統図である。本実施例における燃
料電池発電システムの基本的な構成は、図２で説明した
従来例と同様であり、図１に示す符号のうち図２の符号
と同一のものは同一部分を示している。従って、ここで
は、従来例と異なるところを中心に説明する。

【００１７】図１の本実施例の構成においては、改質装
置バーナ２４への燃焼用空気２３の供給路に燃焼用空気
流量調節弁４７が新たに設けられている。この燃焼用空
気流量調節弁４７の開度の制御は、制御装置３９が改質
装置５に設置された温度センサ４５で検出した改質装置
温度，負荷電流検出センサ４６により検出した負荷電
流，燃料流量検出センサ３８で検出した燃料供給量に応
じて、予め記憶してある最適値になるように行い、改質
装置バーナ２４に送る燃焼用空気２３の流量を改質装置
温度が個々の燃料１の改質に最適な温度に保つことがで
きるように調節する。従来例では、燃料電池１４の燃料
極１１での水素利用率や燃料供給量を変化させることで
改質装置温度を最適に制御していたが、本実施例では、
燃焼用空気２３の改質装置バーナ２４への供給量を燃焼
用空気流量調節弁４７を制御することによって改質装置
温度を調節する点が、従来例と大きく異なる。その他の
構成及び作用は図２に示す従来例と同様である。

【００１８】次に、上記のような構成からなる本実施例
の作用について説明する。

【００１９】改質装置５の温度が上昇した場合、あるい
は燃料１を改質反応によって一定量の水素を作るために
要する改質反応熱が多い燃料（例えばメタンを主成分と
した都市ガス）から少ない燃料（例えばプロパンを主成
分としたＬＰＧやメタノール）に切り替えた場合等のよ
うに、改質装置５の温度制御のために改質装置５に与え
る熱量を減少させる必要が生じたときには、制御装置３
９から信号Ｄを燃焼用空気流量調節弁４７に送り、燃焼
用空気流量調節弁４７の開閉度を調節し、改質装置バー
ナ２４におくる燃焼用空気量を減少させる（結果として
加熱燃料２２である燃料極排ガス１８中の水素の燃焼に
必要な酸素量が減少する）ことによって、改質装置バー
ナ２４で燃焼する水素量を減少させる。水素の燃焼量の
減少によって、改質装置５に改質装置バーナ２４から与
えられる熱量が減少する。その結果、改質装置温度は燃
料に改質に最適な温度に調節できる。この場合、燃料極
１１の水素利用率や燃料１の供給量を変化させて改質装
置温度を改質に最適にする従来の場合に比べ、時間遅れ
なく温度調節ができる。

【００２０】燃焼用空気流量調節弁４７の調節に当たっ
ては、負荷電流検出センサ４６で検出した負荷電流（信
号ａ）、温度センサ４５で検出した改質装置温度（信号
ｂ）、燃料流量検出センサ３８で検出した燃料流量（信
号ｄ）を信号として制御装置３９に送り、燃焼用空気流
量調節弁４７の開度の制御量を、前記制御装置３９に所
定の負荷電流，燃料流量，改質装置温度に対して予め記
憶されていた最適値になるように、前記燃焼用空気流量
調節弁４７に信号Ｄを制御装置３９から送る。

【００２１】なお、燃焼ガス４１中には未反応の水素が
含まれるので、必要に応じて凝縮器２７の後に燃焼器を
設けるのが好適である。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の燃料電池
発電システムの改質装置の温度制御方法及びその装置
は、改質装置バーナへの燃焼用空気の供給量を改質装置
温度，負荷電流，燃料供給量に応じて制御するようにし
たので、改質装置の温度上昇や燃料の切り替えによる改
質反応熱の減少等により改質装置へ与える熱量を減少さ
せる必要が生じた場合に、燃料極における水素利用率や
燃料供給量を変化させることによって燃料電池の特性を
低下させることなく、かつ、時間遅れなく、燃焼に必要
な酸素量を減少させることによって改質装置バーナで燃
焼させる水素量を間接的に少なくし改質装置へ与える熱
量を減少させることが可能となり、改質装置温度を個々
の燃料の改質に最適な温度に維持することができるとい
う利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した燃料電池発電システムの一実
施例の系統図

【図２】従来例の燃料電池発電システムの系統図

【符号の説明】

１…燃料、２，４，６，８，１０，２６，２９，３１…
熱交換器、３…脱硫装置、５…改質装置、７…ＣＯシフ
トコンバータ、９，２７，３２…凝縮器、１１…燃料
極、１２…電解質、１３…空気極、１４…燃料電池、１
５…直流電力、１６…インバータ、１７…交流電力、１
８…燃料極排ガス、１９…負荷、２０…燃料流量調節
弁、２１…改質ガス流量調節弁、２２…加熱燃料、２３
…燃焼用空気、２４…改質装置バーナ、２５…補助燃
料、２８…空気、３０…空気極排ガス、３３…排ガス、
３４…抽水、３５，４０…生成水、３６…気水分離器、
３７…水蒸気、３８…燃料流量検出センサ、３９…制御
装置、４１…燃焼ガス、４２…燃焼排ガス、４３…改質
ガス圧力センサ、４４…水蒸気流量調節弁、４５…温度
センサ、４６…負荷電流検出センサ、４７…燃焼用空気
流量調節弁。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池の燃料極排ガスを改質装置に供
   給し、前記燃料極排ガスを燃料の改質反応に必要な反応
   熱を供給するための該改質装置の加熱燃料として用いる
   燃料電池発電システムにおいて、前記改質装置の温度上
   昇を検知し、該温度上昇に応じて改質装置バーナへの燃
   焼用空気の供給量を減少させることによって該改質装置
   バーナでの前記燃料極排ガス中の水素の燃焼量を制御
   し、前記改質装置の温度を前記改質反応に適した所定の
   温度に制御することを特徴とする燃料電池発電システム
   の改質装置の温度制御方法。
2. 【請求項２】 燃料電池の燃料極排ガスを改質装置に供
   給し、前記燃料極排ガスを燃料の改質反応に必要な反応
   熱を供給するための該改質装置の加熱燃料として用いる
   燃料電池発電システムにおいて、前記改質装置に設置さ
   れた温度を検知する温度センサと、この温度センサの出
   力を受け前記改質装置温度，負荷電流，燃料供給量に応
   じて改質装置バーナへの燃焼用空気の供給量を制御する
   弁への制御量を予め記憶してある最適値に切り替えて送
   出する機能をもつ制御装置とを具備することを特徴とす
   る燃料電池発電システムの改質装置の温度制御装置。