JPH0697618B2 - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【発明の属する技術分野】

本発明は、水素の富む改質ガスを生成する燃料改質器
と、前記改質ガスを燃料ガスとする燃料電池とを組み合
わせてなる燃料電池発電装置に係り、特に燃料改質器の
改質触媒の温度制御に関する。

【従来技術とその問題点】

燃料改質器と燃料電池とを組合わせてなる燃料電池発電
装置は第４図に示す構成からなるものが知られている。
第４図において改質器１にはケース状の炉体10の上部に
バーナ２と炉体10内に気化器５と反応器３とが配設され
ており、アルコールのような液体燃料等からなる改質原
料が改質原料タンク31から供給ポンプ32により気化器５
に供給されている。そして気化器５を通流する改質原料
はバーナ２での燃料の燃焼による燃焼熱により気化され
て気化ガスとなり、この気化ガスは改質触媒を充填した
反応器３にて燃焼熱により過熱されて水素に富んだ改質
ガスとなり、管路33を経て燃料電池30に反応ガスとして
の燃料ガスとして供給される。 燃料電池30には反応ガスとしての酸化剤ガス、例えば空
気が管路35を経て供給され、燃料ガスとともに電池内に
て電気化学反応をし、残余の空気は管路39から排出され
る。一方電気化学反応終了後燃料ガス中にはなお未反応
水素を含有しているので燃料電池から排出する燃料ガス
（以下オフガスという）を管路34を経てバーナ２に供給
し、燃料改質器１の燃料としている。なお図示しない液
体燃料供給源からバーナ２に至るポンプ13を備えた管路
15が配設されており、必要に応じてポンプ13により液体
燃料をバーナ２に供給し、オフガスの補完をするように
している。この液体燃料とオフガスの燃焼に必要な燃焼
空気はブロワ９により燃焼空気供給管路16を経てバーナ
２に供給される。なおバーナ２で燃焼した燃焼ガスは燃
料改質器１内を流れ、ダクト12から外部に排出される。 このような構成により、燃料改質器１からの改質ガスと
空気との供給により燃料電池30で発電した電気は回路36
に設けられた負荷37に供給される。この場合改質ガスは
反応器内に充填された改質触媒からなる触媒層により改
質原料を水素に富むガスに改質して得られるが、触媒層
の温度は適正な活性温度範囲に保持する必要がある。 このため、従来の燃料電池発電装置では、改質触媒４の
温度を検出する熱電対のような温度検出器６を反応器３
に配し、この検出温度により改質触媒の温度を活性温度
範囲になるように液体燃料と燃焼空気との流量を制御し
ている。例えばポンプ13とブロワ９とを制御する調節器
８を設け、改質触媒の温度を制御している。すなわち、
改質触媒の温度が設定された所定温度より低下すれば調
節器８からの出力信号によりポンプ13を駆動して液体燃
料をバーナ２に送液して燃焼し、燃焼熱を増加させて改
質触媒の温度を上昇させている。また改質触媒の温度が
所定温度より増加すれば調節器８の出力信号によりブロ
ワ９の回転数を増加させて燃焼空気を所定の空燃比より
増加して改質触媒の温度を低下させている。以上のよう
な制御により改質触媒の温度は活性温度範囲に保持され
る。 第５図は上記の改質触媒の温度制御を示すグラフであ
り、Ｐは改質触媒温度、Ｑは負荷電流、Ｒはオフガス流
量、Ｓは液体燃料量、Ｔは燃焼空気量の時間経過を、縦
軸に改質触媒温度（℃），負荷電流（Ａ），オフガス流
量（m³/h），液体燃料供給量（m³/h），燃焼空気量（m³
/h）を、横軸に時間をとって示している。図に基づいて
さらに改質触媒の制御経過について説明する。燃料電池
発電装置を運転する時にはまず燃料改質器を運転する。
すなわち燃料改質器の反応器の改質温度を室温より活性
温度まで昇温するために液体燃料のみをポンプ13により
S₁を、また燃焼空気量をブロワ９によりT₁をバーナ２に
供給して燃焼させる。そしてこの燃焼熱により触媒温度
を活性温度にまで昇温させる。触媒温度が活性温度にな
れば改質原料31をポンプ32により燃料改質器１に供給す
る。改質原料31は燃焼熱により気化器５にて気化した後
反応器３で水素に富むガスに改質して改質ガスとなる。
この時点では負荷電流が零のためオフガス量はR₁となり
最も多い。したがってバーナ２ではこの多いオフガス量
が燃焼されるため触媒温度は最高のP₁まで上昇する。そ
して燃料電池が発電を開始して負荷に必要とする電流を
送電し、負荷電流がQ₁になるとオフガス量はR₁からR₂に
低下し、R₂のオフガス量がバーナ２に送られ、液体燃料
の供給が停止されてオフガスのみの燃焼により反応器３
を過熱して触媒温度はP₂になる。なお燃焼空気量は液体
燃料とオフガスとの混焼時はそれぞれの所定の空燃比に
よるT₂が、オフガスのみの燃焼時には所定の空燃比によ
るT₃がそれぞれ供給される。 ところで改質原料の改質反応は吸熱反応であるため、改
質に必要なエネルギーよりオフガスの燃焼エネルギーが
小さい場合、さらに燃料改質器からの放熱などにより触
媒温度が低下する。したがって、このような場合温度検
出器６により改質触媒の温度を検出して調節器８に入力
し、改質触媒の活性温度範囲内の所定温度と比較し、検
出温度がP₃に達したらポンプ13を起動して必要とする液
体燃料量をパルス状に一定時間S₂にして供給し、オフガ
ス量のR₂とともにバーナで燃焼する。このため触媒温度
はP₃から一時的に低下した後上昇する。なおこの時の燃
焼空気量は液体燃料量のS₂に応じた所定の空燃比による
燃焼空気量を増加したT₄にする。 また、逆に触媒温度が所定温度により上昇してP₄になれ
ば調節器８の出力信号によりブロワ９の回転数をパルス
状に一定時間増加して燃焼空気量をT₅にする。この燃焼
空気量の増加によりバーナでの燃焼熱は低下するので触
媒温度が低下する。このようにして触媒温度を検出して
パルス状の一定時間の液体燃料の供給と燃焼空気の増量
により触媒温度を適正な活性温度範囲に保持する。 しかしながら、このような改質触媒の温度制御方式では
触媒温度が低下した場合には液体燃料を一定時間補給し
て、オフガスとの混焼を行ない、燃焼空気も液体燃料に
相当する分だけ増加して触媒温度を上昇し、また触媒温
度が上昇した場合にはオフガスに対する所定の空燃比よ
り余分の燃焼空気を供給して反応器を冷却して触媒温度
を低下している。したがって燃焼空気の増加により外部
への排熱量が増加するとともにブロワの消費電力も増加
するため、発電装置としての熱効率を低下させるという
問題がある。 さらに液体燃料としてアルコール類を用いた場合にその
燃焼排気ガスに関して最も問題となるのは、未燃アルコ
ールとその中間酸化物であるアルデヒドの排出である。
すなわち未燃アルコールとアルデヒドが燃焼排気ガスに
含まれて大気に放出されることにより環境面において無
視できない問題があり、この問題を根本的に解決するに
は、まだ困難な技術的問題がある。しかし有害物の放出
をより少なくするためには空燃比をできるだけ理論空燃
比に近づける必要がある。ところが前述のようにバーナ
で液体燃料とオフガスとを混焼させる場合、それぞれの
燃料に対する理想的な空燃比に制御することは困難であ
るため前述のような環境に悪影響を与えるという問題が
ある。

【発明の目的】

本発明は、前述のような点に鑑み改質触媒の温度を補助
燃料を使用せずにオフガスのみの燃焼により制御するこ
とのできる燃料電池発電装置の改質触媒温度制御装置を
提供することを目的とする。

【発明の要点】

上記の目的は、本発明によればアルコール等の炭化水素
原料を改質して得られる燃料改質ガスと空気等の酸化剤
ガスとを供給することにより発電を行う燃料電池と、前
記原料を改質触媒が充填された反応器に通流し，バーナ
の燃焼熱により前記反応器を加熱して水素に富むガスに
改質して前記燃料改質ガスを生成する燃料改質器とを有
し、前記燃料電池から排出される余剰の排気燃料改質ガ
ス（オフガス）を前記バーナに供給して燃焼空気により
燃焼させる燃料電池発電装置において、前記反応器の改
質触媒温度を検出する温度検出器と、該温度検出器によ
る検出温度と改質触媒の設定温度とを比較し，前記検出
温度が前記設定温度より所定値高い又は低い場合に，前
記燃料電池の負荷電流を一時的に所定時間，所定割合増
加又は減少する制御を行う温度調節器と、前記オフガス
の流量を検出するオフガス流量検出器と、前記燃焼空気
の流量を検出する燃焼空気流量検出器と、前記両流量検
出器からの検出オフガス流量と検出燃焼空気流量とを入
力し，所定の空燃比に燃焼空気流量を制御する空燃比調
節器とを設けることにより達成される。

【発明の実施例】

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図および後述する第２図，第３図
において第４図，第５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図において従来技
術と異なるのは改質触媒の温度検出器６からの検出温度
を入力し、改質触媒の設定された所定温度との比較によ
り燃料電池の負荷電流を一時的に増減する制御を行う温
度調節器20を設け、さらにオフガス流量を検出するオフ
ガス流量検出器21を管路34、また燃焼空気の流量を検出
する燃焼空気流量検出器22を燃焼空気供給管路16に設
け、これらの検出器21,22からの検出オフガス流量と検
出燃焼空気流量とを入力して所定の空燃比に制御し、こ
の出力信号によりブロワ９を制御、例えば回転数を制御
してオフガス流量に対する燃焼空気流量を制御する空燃
比調節器23を設けたことである。 第２図は、このような構成による燃料電池発電装置の運
転状態を示すグラフであり、Ａは触媒温度（℃）、は負
荷電力（Ａ）、Ｃはオフガス量（m³/h）、Ｄは液体燃料
量（l/h）、Ｅは燃焼空気量（m³/h）と時間との関係を
示し、縦軸と横軸とを第２図の従来例と同じにとって示
している。以下図に基づいて燃料電池発電装置の運転状
態について説明する。 燃料改質器１に液体燃料量D₁をポンプ13により、また燃
焼空気量のE₁をブロワ９により送風し、バーナ２にて燃
焼し、改質触媒の温度を上昇させ、触媒温度が活性温度
になったら改質原料をポンプ32により燃料改質器１に供
給して改質ガスを発生させる。この時改質ガスと空気と
を燃料電池に供給して発電し、負荷に供給する。この時
オフガス量は前述のように最高のC₁から負荷電流が流れ
るにしたがって低下し、負荷電流がB₁になるとオフガス
量はC₂になる。なお十分なオフガス量が燃料改質器１に
供給され始めたら、液体燃料を停止し、オフガスのみの
燃焼にする。本発明に係るのは燃料電池が発電して負荷
に負荷電流B₁が流れるように改質原料の一定量が燃料改
質器１に供給されるポンプ32の定常運転状態時の改質触
媒の温度制御である。以下この温度制御について説明す
る。 改質触媒の温度が前述のように低下して改質触媒の活性
温度範囲内のA₁になると、温度検出器６により温度A₁を
検出し、この検出温度を温度調節器20に入力し、温度調
節器20からの出力信号により負荷37の負荷を低下し（例
えば負荷が送風機であればその回転数を低下させる）回
路36に流れる負荷電流を一定時間電流B₂に低下させる。
この負荷電流を制御する具体的な方法は以下のとおりで
ある。本燃料電池発電装置において前記オフガス量は、
急激な外気温度の低下又は負荷変動等の外乱がなけれな
改質温度が所定の規定範囲内に保持されるように定めら
れている。しかし前述のような外乱により改質温度が低
下した際、一時的に燃料電池の発電量（負荷電流）を下
げてオフガス量を増加させて燃焼熱量を増やすことによ
り前記触媒温度を加熱昇温する。この際負荷電流の減少
量は、その時点での負荷電流の５〜10％の所定値とし、
触媒温度が上昇したら元の負荷電流に戻すように制御す
る。この制御は、記載していない負荷電流制御に優先し
て行う。このためオフガス量はパルス状にC₃に増加して
燃焼熱が増加し、触媒温度は温度A₁から上昇する。この
際、オフガス量C₃を燃焼する燃焼空気量は空燃比調節器
23の出力信号によりブロワ９の回転数を制御して所定の
空燃比による流量E₂にしてバーナ２に供給される。また
逆に改質温度の温度が上昇し、改質触媒の活性温度範囲
内のA₂になると温度検出器６により温度A₂を検出し、こ
の検出温度を温度調節器20に入力し、この温度調節器20
からの出力信号により負荷37の負荷を増加し（例えば前
述の送風機の回転数を増加する）、負荷電流をパルス状
に一定時間B₃に増加してオフガス量をパルス状にC₄に減
小させて燃焼熱が低下させ、この燃焼熱により触媒温度
は一時上昇するが低下し活性温度範囲に保持される。こ
の際、オフガス量C₄を燃料する燃焼空気量も前述と同様
に空燃比調節器23により制御されて燃焼空気量のE₃がバ
ーナ２に供給される。 上記のようにして改質触媒の温度は燃料電池に接続され
る負荷を制御して燃料電池の負荷電流を増減し、これに
伴って生じるオフガスの減増によって燃焼熱を減増して
活性温度範囲に保持される。この時の燃焼空気量も空燃
比の制御により適切に供給される。 なお、上記の制御方式では負荷電流は第２図に示すよう
に短時間変動するが、第３図に示すように燃料電池30と
負荷37とをDC/DCコンバータ25を介して閉回路26を形成
し、二次電池で放電，充電可能な鉛蓄電池24を負荷37を
バイパスする回路27に配したハイブリッド構成回路にす
ることにより負荷電流の変動分を吸収することができ
る。すなわち、改質触媒の検出温度と所定温度との比較
による温度調節器からの出力信号によりDC/DCコンバー
タの出力電圧を制御して燃料電池の負荷電流を増減し
て、改質触媒の活性温度範囲に保持できるとともに負荷
には燃料電池と鉛蓄電池とからなるハイブリッド構成回
路により一定の電力を供給できる。

【発明の効果】

以上の説明で明らかなように、本発明によれば燃料改質
器の改質触媒の温度を改質触媒の活性温度範囲に制御す
るために、燃料電池に接続する負荷を制御する温度調節
器を設け、さらにオフガスと燃焼空気との空燃比を制御
する空燃比比率調節器を設けることにより、改質触媒の
温度増減に応じて負荷電流を増減させてオフガスのみで
改質触媒の温度を活性温度範囲に制御できるので、従来
のように液体燃料を必要とせず、またオフガスのみの燃
焼のため、燃焼空気量は容易に理想的な空燃比に制御で
きるので、発電装置全体としての熱効率が向上し、また
排ガス中に含まれる有害物も少なくなり、環境に悪影響
を与えないという効果がある。

【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図は第１図の燃料電池発電装置の運転状態を示
すグラフ、第３図は本発明の異なる実施例による燃料電
池発電装置の回路図、第４図は従来の燃料電池発電装置
の系統図、第５図は第４図の燃料電池発電装置の運転状
態を示すグラフである。 1:燃料改質器、2:バーナ、3:反応器、4:改質触媒、6:温
度検出器、20:温度調節器、21:オフガス流量検出器、2
2:燃焼空気流量検出器、23:空燃比調節器、30:燃料電
池、37:負荷。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】アルコール等の炭化水素原料を改質して得
   られる燃料改質ガスと空気等の酸化剤ガスとを供給する
   ことにより発電を行う燃料電池と、前記原料を改質触媒
   が充填された反応器に通流し，バーナの燃焼熱により前
   記反応器を加熱して水素に富むガスに改質して前記燃料
   改質ガスを生成する燃料改質器とを有し、前記燃料電池
   から排出される余剰の排燃料改質ガス（オフガス）を前
   記バーナに供給して燃焼空気により燃焼させる燃料電池
   発電装置において、前記反応器の改質触媒温度を検出す
   る温度検出器と、該温度検出器による検出温度と改質触
   媒の設定温度とを比較し，前記検出温度が前記設定温度
   より所定値高い又は低い場合に，前記燃料電池の負荷電
   流を一時的に所定時間，所定割合増加又は減少する制御
   を行う温度調節器と、前記オフガスの流量を検出するオ
   フガス流量検出器と、前記燃焼空気の流量を検出する燃
   焼空気流量検出器と、前記両流量検出器からの検出オフ
   ガス流量と検出燃焼空気流量とを入力し，所定の空燃比
   に燃焼空気流量を制御する空燃比調節器とを設けたこと
   を特徴とする燃料電池発電装置。