JPH07114935A

JPH07114935A - 燃料電池発電システム

Info

Publication number: JPH07114935A
Application number: JP5284264A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Take; 武　　哲夫; Tatsuya Hasegawa; 達也長谷川; Masato Adachi; 政人安達
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1993-10-19
Filing date: 1993-10-19
Publication date: 1995-05-02

Abstract

(57)【要約】（修正有）【構成】少なくとも、燃料電池系２１、改質装置８を
含む燃料処理系、電池冷却水系を含む排熱回収系および
排熱利用系を構成要素とする燃料電池発電システムにお
いて、前記電池冷却水系と前記改質装置が、水蒸気供給
ライン３２で結合されてなり、かつ該ラインに、水蒸気
流量制御バルブ４８が設けてなることを特徴とする。【効果】水蒸気改質に必要な水蒸気量が多い燃料に合
わせて気水分離器の容量を大きくする必要がない、水蒸
気改質に必要な水蒸気量が少ない燃料で発電している場
合に水蒸気改質に必要な水蒸気量が多い燃料への瞬時の
燃料切り替えに備えて常に余分な水蒸気を気水分離器で
発生させておく必要がない等の利点がある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、改質装置で燃料を
水蒸気改質することにより得た水素を用いて発電を行な
う燃料電池発電システムにおいて、燃料として複数の燃
料を使用する燃料電池発電システムに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】燃料として複数の燃料が使用可能な燃料
電池発電システムとして、これまでに図２に示すような
都市ガスと液化プロパンガスを燃料としたシステムが提
案されている。本システムは、都市ガスと液化プロパン
ガスという二種類の燃料の供給ラインをもち、燃料を切
り替えて使用するのが大きな特徴である。システムの主
な構成要素は、液化プロパンガスボンベ、気化器、脱硫
装置、イジェクタ、改質装置、ＣＯシフトコンバータ、
燃料電池セルスタック、変換装置、凝縮器、補給水ポン
プ、気水分離器、空気ブロア、蒸発器、熱利用システ
ム、制御装置、センサー、流量制御バルブである。以下
に図２を用いてこの従来の複数の燃料が使用可能な燃料
電池システムの作用について説明する。

【０００３】都市ガス４を燃料として使用する場合に
は、制御装置５１から制御信号ａを送信することによっ
て流量制御バルブ６を開け、脱硫装置７に都市ガスを供
給し、脱硫装置７で改質装置８および燃料極１８の触媒
の劣化の原因となる都市ガス４中の腐臭剤に含まれる硫
黄分を除去する。その際、流量制御バルブ５２は、制御
装置５１からの制御信号ｌで開けておき、また、流量制
御バルブ１０は制御装置５１からの制御信号ｃにより閉
じておく。

【０００４】液化プロパンガスを燃料として使用する場
合、例えば都市ガスの供給圧力が所定の値より低下した
ことを圧力センサー５で検出した検出信号Ａを制御装置
５１で受信した場合には、制御装置５１から制御信号ｂ
を送信することによって流量制御バルブ３を開け、液化
プロパンガスボンベ１より気化器２で気化されたプロパ
ンガスを脱硫装置７に供給し、前記脱硫装置７で改質装
置８および燃料極１８の触媒の劣化の原因となる液化プ
ロパンガス中の腐臭剤に含まれる硫黄分を除去する。そ
の際も、流量制御バルブ５２は、制御装置５１からの制
御信号ｌで開けておき、また、流量制御バルブ１０は制
御装置５１からの制御信号ｃにより閉じておく。液化プ
ロパンガスボンベ１から気化器２までは、液化プロパン
ガスは液体状態のままで供給される。

【０００５】都市ガス４およびプロパンガスの供給量
は、電圧センサー２２と電流センサー２３で検出した燃
料電池出力５０を検出信号Ｅおよび検出信号Ｄとして制
御装置５１に送信し、次にこの送信された燃料電池出力
５０をもとに制御装置５１から流量制御バルブ３あるい
は６にそれぞれ制御信号ａおよび制御信号ｂを送信して
それぞれのバルブの開度を調節することによって燃料電
池出力５０に見合った値に設定する。

【０００６】なお、燃料電池発電システムの起動時に
は、都市ガス４あるいはプロパンガスを脱硫装置７では
なく改質装置バーナ９に供給して燃焼させることによっ
て改質装置８の昇温を行なうために、制御装置５１から
制御信号ｌを送信し流量制御バルブ５２を閉じるととも
に、制御装置５１から制御信号ｃを送信し流量制御バル
ブ１０を閉じる。脱硫装置７で脱硫された都市ガス４あ
るいはプロパンガスは、エジェクター５３で気水分離器
２７から供給された改質用水蒸気３１と混合され、改質
触媒が充填された改質装置８に供給される。エジェクタ
ー５３への改質用水蒸気３１の供給量は、流量制御バル
ブ３および６の開度から算出された都市ガス４あるいは
液化プロパンガスの供給量をもとに制御装置５１から制
御信号ｍを送信しエジェクター５３の開度を調節するこ
とによって、予め決められた所定のスチームカーボン比
となるよう設定する。改質装置８では、燃料ガスである
都市ガス４あるいはプロパンガスの水蒸気改質が行なわ
れ、水素リッチな改質ガスがつくられる。都市ガスの主
成分であるメタンおよびプロパンの水蒸気改質反応は次
式で示される。

【０００７】（都市ガスの水蒸気改質反応）

【０００８】ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ₂ （１）

【０００９】（プロパンガスの水蒸気改質反応）

【００１０】Ｃ₃Ｈ₈＋３Ｈ₂Ｏ→３ＣＯ＋７Ｈ₂ （２）

【００１１】この水素リッチな改質ガスには、燃料極１
８の触媒の劣化の原因となる一酸化炭素が含まれている
ので、ＣＯシフトコンバータ１１に改質ガスを送り、次
式に示す反応により改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭
素に変換することにより一酸化炭素濃度を１％以下に下
げる。

【００１２】ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂ （３）

【００１３】こうして一酸化炭素濃度が下げられた水素
リッチな改質ガスが、燃料電池セルスタック２１の燃料
極１８に供給される。また、ＣＯシフトコンバータ１１
の出口ガスの一部は、脱硫装置７にリサイクルされ、リ
サイクルガス中の水素が脱硫反応に使用される。リサイ
クルガスの供給量は、流量制御バルブ３または６の開
度、すなわち、都市ガス供給量または液化プロパンガス
供給量に基づいて、制御装置５１から制御信号ｎを流量
制御バルブ５４に送信し、流量制御バルブ５４の開度を
調節することによって予め決められた所定の値に設定す
る。

【００１４】一方、燃料電池セルスタック２１の酸化剤
極２０には、発電用空気１６が供給される。発電用空気
１６には、空気ブロア１５を用いて取り込んだ外気１７
を利用する。発電用空気１６の供給量は、電圧センサー
２２と電流センサー２３で検出した燃料電池出力５０を
検出信号Ｅおよび検出信号Ｄとして制御装置５１に送信
し、次にこの送信された燃料電池出力５０をもとに制御
装置５１から制御信号ｄを空気ブロア１５に送信するこ
とによって空気ブロア１５の回転数を制御し、また、制
御装置５１から制御信号ｈを流量制御バルブ４６に送信
することによって流量制御バルブ４６の開度を調節する
ことによって燃料電池出力５０に見合った値に設定し
た。燃料極１８では、次式に示す反応により、改質ガス
中の水素が水素イオンと電子に変わる。このうち、水素
イオンは電解質１９内部を拡散し酸化剤極２０に到達す
る。

【００１５】Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- （４）

【００１６】一方、電子は外部回路を流れ燃料電池出力
５０として取り出すことができる。酸化剤極２０では、
次式に示す反応により、燃料極１８から電解質１９中を
拡散してきた水素イオン、燃料極１８から外部回路を通
じて移動してきた電子、および空気中の酸素が反応し、
水が生成する。

【００１７】２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ（５）

【００１８】（４）式と（５）式をまとめると、燃料電
池セルスタック２１での全電池反応は、次に示す水素と
酸素から水ができる簡単な単純な反応として表わすこと
ができる。

【００１９】Ｈ₂＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ（６）

【００２０】発電によって得られた燃料電池出力５０
は、変換装置２４で電圧変換あるいは直流−交流変換が
行なわれた後に、負荷２５に供給される。

【００２１】燃料極１８では、改質ガス中の水素が１０
０％（４）式に示した電極反応で消費されるわけではな
く、８０％程度が使われるだけで、残りの約２０％の未
反応水素が、燃料極排ガス１３中に含まれている。これ
は、燃料極で改質ガス中の水素を１００％電極反応で消
費しようとすると、ガスの出口付近で局所的に水素が不
足し、代わりに電極基板のカーボン反応することによっ
て燃料電池セルスタック２１が劣化する恐れがあるから
である。そこで未反応水素を含む燃料排ガス１３を改質
装置バーナ９に供給し、バーナ燃料として使用する。
（１）式に示した都市ガスの主成分であるメタンの水蒸
気改質反応と（２）式に示したプロパンの水蒸気改質反
応は、吸熱反応であるので外部から熱を改質装置８に与
える必要がある。このため、改質装置バーナ９で燃料極
排ガス１３中の水素を燃焼用空気１２と共に燃焼させる
ことにより、改質装置８の内部の触媒層温度を最大７０
０℃に昇温する。燃焼用空気の供給量は、温度センサー
４１で検出した改質装置温度の検出信号Ｂを制御装置５
１に送信し、この改質装置温度をもとに、制御装置５１
から制御信号ｄを空気ブロア１５に送信することによっ
て空気ブロア１５の回転数を制御し、また、制御装置５
１から制御信号ｇを流量制御バルブ４５に送信すること
によって流量制御バルブ４５の開度を調節することによ
って設定した。

【００２２】未反応水蒸気と燃焼反応により生成した水
蒸気を含む改質装置バーナ燃焼排ガス１４と（６）式に
示した電池反応により生成した水蒸気を含む酸化剤極排
ガス３７は、凝縮器３８に送られ、水蒸気が凝縮水４０
として除去された後に、排ガス３９として大気中に放出
される。凝縮水４０は気水分離器２７に戻され、電池冷
却水２６、あるいは改質用水蒸気３１、排熱回収用水蒸
気３４として利用される。（６）式に示した電池反応は
発熱反応であるので、燃料電池セルスタック２１の温度
は発電と共に上昇する。燃料電池セルスタック２１の温
度上昇が起こると、水素イオンのイオン導電率が上がる
ために一時的にはＩ−Ｖ特性は向上するが、劣化が起こ
りやすくなり寿命が低下する。そこで、気水分離器２７
から電池冷却水２６を循環させて燃料電池セルスタック
２１の冷却を行なう。燃料電池セルスタック温度として
は、リン酸型燃料電池の場合で１９０℃前後が望まし
い。電池冷却水のセルスタック出口温度は、温度センサ
ー４２で検出され、検出信号Ｃが制御装置５１に送信さ
れる。電池冷却水２６の供給量は、電池冷却水のセルス
タック出口温度が所定の値になるように、制御信号ｅを
制御装置５１から流量制御バルブ３０に送信し、流量制
御バルブ３０の開度を調節することによって設定する。
燃料電池セルスタック２１をでた電池冷却水２６は、水
蒸気と水の混合物の形で気水分離器２７に戻される。気
水分離器２７に供給された水蒸気あるいは気水分離器２
７で発生された水蒸気のうち、改質用水蒸気３１として
使用する以外の水蒸気は、排熱回収用水蒸気３４として
蒸発器３３に送られ、熱利用システム３５の冷媒３６の
蒸発に使われる。排熱回収用水蒸気３４は蒸発器３３で
凝縮した後、気水分離器２７に戻される。燃料電池発電
システムの起動時あるいは気水分離器２７内の圧力が低
下した場合には、制御装置５１から制御信号ｋを気水分
離器ヒータ電源２９に送信し、気水分離器ヒータ２８に
所定の電流を通電することによって、水蒸気を発生させ
る。気水分離器２７内の圧力は、圧力センサー５６で検
出し、検出信号Ｇが制御装置５１に送られる。また、気
水分離器２７内の水位が所定の値より低下した場合に
は、制御装置５１から補給水ポンプ４３に制御信号ｆを
送信し、気水分離器２７内の水位が所定の値になるまで
補給水ポンプ４３を動作させて気水分離器２７に補給水
４４を補給する。気水分離器２７内の水位は、液面セン
サー５５で検出し、検出信号Ｆが制御装置５１に送信さ
れる。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】次に、従来システムの
問題点について述べる。燃料電池の燃料として複数の燃
料を使用しようとすると、電池反応に必要な水素を得る
ために、各燃料をカーボンの析出が抑制されるような最
適スチームカーボン比で水蒸気改質することが必要とな
る。その場合、同一燃料電池出力で発電するために必要
な同一量の水素を得ようとしても、燃料の種類により水
蒸気供給量を変えてやる必要がある。例えば、都市ガス
（メタン主成分）と液化プロパンガスの水蒸気改質を行
なう場合のスチームカーボン比をそれぞれ３．２５、
４．５、３．０とし、これらの燃料が（１）式と（２）
式に示した改質反応と（３）式に示したＣＯシフト反応
にしたがって全て二酸化炭素と水素に変わるとすると、
液化プロパンガスの水蒸気改質に必要な水蒸気量は、同
一水素当たりに換算すると、都市ガスの水蒸気改質に必
要な水蒸気量の１．６６倍になってしまう。このため、
水蒸気改質により同一の水素を得るために必要な水蒸気
量が異なる複数の燃料を燃料電池に使用する場合には、
水蒸気量が最大となる燃料に合わせて気水分離器の容量
を大きくしなければならないという問題があった。

【００２４】また、必要な水蒸気量が少ない燃料から多
い燃料に切り替える場合、切り替え時に気水分離器のヒ
ータを投入し水蒸気発生量を増やすとすると水蒸気改質
に必要な所定の水蒸気量を得るのに時間遅れがある。常
に必要な水蒸気量が多い燃料に合わせて気水分離器で水
蒸気を発生させておくとエネルギー的にロスがある等の
問題があった。さらに、水蒸気改質溶の水蒸気供給量を
増やすと自動的に気水分離器圧力を所定の値以上に保つ
ように制御が働き排熱回収用の水蒸気供給量が減少する
ので、排熱回収用として使用していた水蒸気を改質用水
蒸気として使用することも可能であるが、気水分離器の
圧力が一時的に低下して運転が不安定になるという問題
もあった。

【００２５】

【発明の目的】本発明の目的は、複数の燃料を使用する
場合に、気水分離器の容量を水蒸気改質に必要な水蒸気
量の多い燃料に合わせて大きくする、水蒸気改質に必要
な水蒸気量が少ない燃料で発電を行なっている場合に水
蒸気改質に必要な水蒸気量が多い燃料への瞬時の燃料切
り替えに備えて気水分離器で常に余分な水蒸気を発生さ
せておく等の問題点を解決した燃料電池発電システムを
提供することにある。

【００２６】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、本発明による燃料電池発電システムは、少なくと
も、燃料電池系、改質装置を含む燃料処理系、電池冷却
水系を含む排熱回収系および排熱利用系を構成要素とす
る燃料電池発電システムにおいて、前記電池冷却水系と
前記改質装置が、水蒸気供給ラインで結合されてなり、
かつ該ラインに、水蒸気流量制御バルブが設けてなるこ
とを特徴とする。

【００２７】本発明は、燃料の水蒸気改質に必要な水蒸
気量に合わせて電池冷却水系からの水蒸気取り出しによ
る排熱回収に使用する水蒸気量を増減させることによっ
て、水蒸気改質に必要な量の水蒸気を気水分離器から瞬
時に改質装置に供給することを最も主要な特徴とする。
従来の技術とは、気水分離器の容量を水蒸気改質に必要
な水蒸気量が多い燃料に合わせて大きくする必要がな
い、水蒸気改質に必要な水蒸気量が少ない燃料で発電を
行なっている場合に水蒸気改質に必要な水蒸気量が多い
燃料への瞬時の燃料切り替えに備えて余分な水蒸気を常
に気水分離器で発生させる必要はない等が異なる。

【００２８】

【実施例】図１に本発明の一実施例を示す構成図を示
す。図２と同一のものは同一符号で表わし、これらのも
のについては説明を省略する。図１を用いて本発明を説
明する。

【００２９】本発明は、従来の燃料電池発電システムと
は、気水分離器２７の容量は水蒸気改質に必要な水蒸気
量の少ない燃料である都市ガス４に合わせて設計してお
き、水蒸気改質に必要な水蒸気量の多い燃料である液化
プロパンガスで発電する場合には、プロパンガス供給ラ
インの流量制御バルブ３の開度、すなわちプロパンガス
供給量に合わせて、新たに設けた排熱回収用水蒸気供給
系から改質装置８に水蒸気を供給するための水蒸気供給
系３２の流量制御バルブ４８の開度を制御装置５１から
制御信号ｉを送信することによって調節し、排熱回収用
水蒸気３４の供給量を減少させ、その分を改質用水蒸気
３１の増加分にまわす点が異なる。

【００３０】本発明では、水蒸気改質に必要な水蒸気量
が多い燃料で発電する場合には熱利用システム３５への
排熱供給量が減少するので、必要に応じて追い焚きバー
ナ４７を熱利用系に設け、追い焚きを行なう。図１で
は、追い焚きバーナ４７の燃料には、液化プロパンガス
ボンベ５７中の液化プロパンガスを使用し、制御装置５
１から送信された制御信号ｊにより流量制御バルブ４９
の開度を調節することによりプロパンガス供給量を制御
する例を示している。追い焚きバーナの燃料としては、
液化プロパンガスではなく、都市ガス、あるいは液化プ
ロパンガスと都市ガスの二種類でも差し支えない。液化
プロパンガスによる発電時に排熱回収用水蒸気の供給量
を減少させることにより、気水分離器の容量を水蒸気改
質に必要な水蒸気量が少ない都市ガスに合わせて設計す
ることが可能となり、気水分離器の大型化を抑制でき
る。また、予め気水分離器で液化プロパンガスの水蒸気
改質に合わせて余分な水蒸気を発生させてなくても、都
市ガスから液化プロパンガスに燃料切り替えを行なう場
合に時間遅れなく水蒸気改質に必要な所定量の水蒸気を
供給することも可能である。さらに、排熱回収用水蒸気
にまわす際に気水分離器圧力が一時的に低下し、その運
転が不安定となることもない。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の燃料電池
発電システムは、複数の燃料のうち水蒸気改質に必要な
水蒸気量が多い燃料で発電する場合に、電池冷却水系か
らの水蒸気取り出しによる排熱回収を制限し、それまで
排熱回収に使用していた水蒸気を速やかに改質装置に供
給して燃料の水蒸気改質に使用するものであるから、水
蒸気改質に必要な水蒸気量が多い燃料に合わせて気水分
離器の容量を大きくする必要がない、水蒸気改質に必要
な水蒸気量が少ない燃料で発電している場合に水蒸気改
質に必要な水蒸気量が多い燃料への瞬時の燃料切り替え
に備えて常に余分な水蒸気を気水分離器で発生させてお
く必要がない等の利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す構成図。

【図２】燃料切り替え機能を備えた従来の燃料電池発電
システムの構成図。

【符号の説明】

１液化プロパンガスボンベ２気化器３流量制御バルブ４都市ガス５圧力センサー６流量制御バルブ７脱硫装置８改質装置９改質装置バーナ１０流量制御バルブ１１ＣＯシフトコンバータ１２燃焼用空気１３燃料極排ガス１４バーナ燃焼排ガス１５空気ブロア１６発電用空気１７外気１８燃料極１９電解質２０酸化剤極２１燃料電池セルスタック２２電圧センサー２３電流センサー２４変換装置２５負荷２６電池冷却水２７気水分離器２８気水分離器ヒータ２９気水分離器ヒータ電源３０流量制御バルブ３１改質用水蒸気３２水蒸気供給ライン３３蒸発器３４排熱回収用水蒸気３５熱利用システム３６冷媒３７酸化剤極排ガス３８凝縮器３９排ガス４０凝縮水４１温度センサー４２温度センサー４３補給水ポンプ４４補給水４５流量制御バルブ４６流量制御バルブ４７追い焚きバーナ４８流量制御バルブ４９流量制御バルブ５０燃料電池出力５１制御装置５２流量制御バルブ５３エジェクター５４流量制御バルブ５５液面センサー５６圧力センサー５７液化プロパンガスボンベ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも、燃料電池系、改質装置を含む
燃料処理系、電池冷却水系を含む排熱回収系および排熱
利用系を構成要素とする燃料電池発電システムにおい
て、前記電池冷却水系と前記改質装置が、水蒸気供給ラ
インで結合されてなり、かつ該ラインに、水蒸気流量制
御バルブが設けてなることを特徴とする燃料電池発電シ
ステム。
【請求項２】前記排熱利用系に、追い焚きバーナが設け
られてなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発
電システム。