JPH07312224A - 燃料電池システムとその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 低コストで、しかも熱利用の点で効率のよい
燃料電池システムを提供することを目的とする。 【構成】 エゼクタ２が低圧駆動なので、燃料ガスが従
来ほど強くエゼクタ２内に吸入されることなく、エゼク
タ２が供給される水蒸気量にあわせて所定の比で水蒸気
と燃料ガスとの混合を行なうので、水蒸気の流量に見合
った量の燃料ガスをエゼクタ２に供給するために、燃料
ガス供給路に設けた流量計及び流量調整弁は必要なくな
る。さらに、エゼクタ２の駆動圧は低いので、エゼクタ
２の供給用に生成する水蒸気の圧力も低くてよい。従っ
て、同じ燃料電池本体５の排熱の熱量で多くの量の水蒸
気を生成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池の電池化学反
応に用いられる水素リッチガスを生成する改質器を有す
る燃料電池システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は新しい発電装置の一種であ
り、水素リッチガスと空気中の酸素とを電気化学的に反
応させて、発電を行なっている。ところで、燃料電池の
システム中において、燃料電池の燃料として用いられる
水素リッチガスは、燃料電池の排熱を利用して生成され
た水蒸気と、都市ガス等の燃料ガスとを改質器において
反応させることにより生成している。

【０００３】この水蒸気と燃料ガスとを改質器に供給す
る際には、エゼクタを用い、水蒸気の圧力で燃料ガスを
引いて両者を混合してから供給を行なっている。このエ
ゼクタを駆動するため従来においては、エゼクタに供給
する水蒸気の圧力高圧であることが必要であった。しか
しながら、このような高圧の水蒸気を駆動源とするエゼ
クタを用いると、水蒸気の勢いが強いため、燃料ガスが
エゼクタ中に強く吸引されてしまう。このため、燃料電
池の負荷変動等により、エゼクタに供給される水蒸気の
流量が少なくなっても吸引する燃料ガス量は殆ど変化せ
ず、改質器に供給されるガス中の燃料ガスの成分比が高
くなってしまう。燃料ガスの成分比が高くなると、改質
器内に炭素の析出が起こり改質器の反応低下が生じる。
従って、改質器に供給される水蒸気と燃料ガスの混合比
は所定の比か、または、それより水蒸気量が多くなけれ
ば成らない。

【０００４】そこで、従来の燃料電池システムでは、エ
ゼクタへの水蒸気の供給路と、燃料ガスの供給路にそれ
ぞれ、流量調節手段として流量計と流量調節とを設け、
水蒸気の流量の変化にともなって、供給する燃料ガスの
流量を制御し混合比を制御していた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記システ
ムでは、以下のような問題が生じる。流量計、及び流量
調節弁等の流量調整手段は、高価な部品であり、このよ
うな部品を燃料電池システム内に用いることは、燃料電
池システムの高コスト化を招くという問題があった。

【０００６】さらに、エゼクタに対して上記したような
高圧のスチームを常に必要量供給するためには、燃料電
池本体の排熱を利用して発生させたスチーム量だけでは
不足するので、実際には、補助ボイラーを用い、スチー
ムを発生させてスチーム量を補っていた。このような補
助ボイラー等の他の熱源を使用してスチームの生成を行
うことは、燃料電池システム全体を熱利用の点からみた
場合、効率のよいものではないという問題があった。

【０００７】本発明は、上記問題点になされたものであ
り、低コストで、しかも熱利用の点で効率のよい燃料電
池システムとその制御方法とを提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の発明では燃料電池と、上記燃料電池の排
熱を利用して水蒸気生成を行なう水蒸気発生器と、上記
水蒸気発生器で生成された水蒸気の存在下で燃料ガスの
改質を行う改質装置と、水蒸気及び燃料ガスを混合し、
上記改質器に供給するエゼクタとを有する燃料改質シス
テムにおいて、上記エゼクタが低圧駆動可能で、供給さ
れる水蒸気量にあわせて所定の比で水蒸気と燃料ガスと
の混合を行なうことを特徴とする。

【０００９】また、請求項２の発明では、燃料電池と、
水蒸気発生器と、燃料ガス装置と、エゼクタとを有する
燃料電池システムの制御方法において、上記エゼクタが
低圧駆動が可能であり、且つ供給される水蒸気量に合わ
せて所定の比で水蒸気と燃料ガスとを混合し、上記燃料
電池から排出された排熱を上記水蒸気発生器に供給し
て、水蒸気を発生させ、上記発生させた水蒸気と、燃料
ガスとを上記エゼクタを介して燃料ガス改質装置に供給
して改質された燃料ガスを得、改質された燃料ガスを燃
料電池に供給することを特徴とする。

【００１０】請求項３の発明では、請求項２記載の水蒸
気発生器とエゼクタとの間に設けられた流量調整弁によ
り、水蒸気が上記燃料電池の負荷に基づき調整されて上
記エゼクタに供給されることを特徴とする。請求項４の
発明では、請求項２記載のエゼクタが、定格蒸気駆動圧
が０．６〜３．０ｋｇ／ｃｍ² ・Ｇ、吐出圧が０．１ｋ
ｇ／ｃｍ² ・Ｇ近傍の値であることを特徴とする。

【００１１】請求項５の発明は、請求項４記載のエゼク
タにおいて、燃料ガス供給圧が１００〜２５０ｍｍＨ₂
Ｏ・Ｇであることを特徴とする。請求項６の発明は、請
求項２記載のエゼクタにおいて、定格蒸気駆動圧が０．
８〜１．２ｋｇ／ｃｍ² ・Ｇ、吐出圧が０．１ｋｇ／ｃ
ｍ² ・Ｇ近傍の値であることを特徴とする。

【００１２】請求項７の発明は、請求項４、６記載のエ
ゼクタにおいて、燃料ガス供給圧が１００〜２５０ｍｍ
Ｈ₂ Ｏ・Ｇであることを特徴とする。

【００１３】

【作用】上記のように構成することにより、以下のよう
に作用する。先ず、エゼクタが低圧駆動なので、燃料ガ
スが従来ほど強くエゼクタ内に吸入されることなく、エ
ゼクタが供給される水蒸気量にあわせて所定の比で水蒸
気と燃料ガスとの混合を行なうので、水蒸気の流量に見
合った量の燃料ガスをエゼクタに供給するために、燃料
ガス供給路に設けた流量計及び流量調整弁は必要なくな
る。

【００１４】さらに、エゼクタの駆動圧は低いので、エ
ゼクタ供給用に生成する水蒸気の圧力も低くてよい。従
って、同じ燃料電池の排熱の熱量で多くの量の水蒸気を
生成することができる。

【００１５】

【実施例】本発明の実施例について図面を参照しながら
以下に説明を行なう。図１に示すように本実施例の燃料
電池システムは、都市ガス中に存在する硫黄成分を除去
する脱硫器１と、水蒸気と、上記脱硫器１で脱硫された
都市ガスとを混合して後述する改質器に供給するエゼク
タ２と、エゼクタ２から供給された水蒸気と都市ガスと
を用いて水素リッチガスを生成する改質器３と、この改
質装置３で生成された水素リッチガス中に存在する一酸
化炭素を二酸化炭素に転化する転化器４と、上記転化器
４を経て供給される水素リッチガスと、図示しない供給
原から供給される空気中の酸素とを電気化学的に反応さ
せて発電を行なう燃料電池本体５と、燃料電池本体５か
ら放出される熱を利用して水蒸気を生成する熱交換器６
と、上記熱交換器６で生成した水蒸気を溜め、水蒸気中
の水成分を除去する蒸気セパレータ７と、上記蒸気セパ
レータ７とエゼクタ２とを連結する通路Ａに設けられ、
後述する演算器コントローラ１１の演算結果に基づいて
弁開度を変化させ、エゼクタに供給する水蒸気の流量を
変化させる流量調節弁８と、上記通路Ａの流量調節弁８
より水蒸気の流れの上流側に設けられ、蒸気セパレータ
７から流量調節弁８へ流れる水蒸気の圧力を測定する第
一の圧力計９と、上記通路Ａの流量調節弁８より水蒸気
の流れの下流側に設けられ、流量調節弁８からエゼクタ
へ流れる水蒸気の圧力を測定する第二の圧力計１０と、
第一の圧力計９及び第二の圧力計１０が検出した水蒸気
の圧力とに基づいて、現在の流量調節弁８の弁開度にお
ける、エゼクタに供給されている水蒸気の流量を算出
し、更に算出された当該水蒸気の流量と燃料電池の負荷
とに基づいて、流量調節弁８の弁開度を決定する演算コ
ントローラ１１と、上記通路Ａに設けられ、改質器によ
り生成した水素リッチガスの熱により、通過する水蒸気
の温度をさらに上昇させるためのスーパヒータ１２と、
脱硫器１とエゼクタ２とを連結する通路Ｂに設けられ、
エゼクタ自体がもっている所定の混合比を変化させるオ
リフィス１３と、を有している。

【００１６】上記水蒸気を生成する熱交換器６は、燃料
電池本体２から排出される排熱を利用して、圧力が約１
ｋｇ／ｃｍ² ・Ｇの水蒸気を生成する。上記エゼクタ２
の仕様は、駆動圧が１．０ｋｇ／ｃｍ² ・Ｇ、燃料ガス
供給圧が２００ｍｍＨ₂ Ｏ・Ｇ、吐出圧が０．１ｋｇ／
ｃｍ² ・Ｇとなっている。またその構造は図２に示すよ
うなものであり、従来のエゼクタと比べて低圧駆動でき
るようにするために、噴出ノズル２ａの噴出口の径及び
噴出ノズル２ａに水蒸気を供給する駆動短管パイプ２ｂ
の径を小さくし、さらにディフューザ２ｃの内部形状を
変化させている。このエゼクタは、水蒸気の流量にあわ
せて所定の比で水蒸気と都市ガスが混合できる構成にな
っている。

【００１７】上記、構成の燃料電池システムは、以下の
ように作動する。燃料電池本体５の排熱を利用して熱交
換器６は、圧力約１ｋｇ／ｃｍ² ・Ｇの水蒸気を生成す
る。生成した水蒸気は、蒸気セパレータ７に一旦溜めら
れ、水蒸気中の水成分が除去される。水蒸気と分離され
た水成分は、一定量になると、蒸気セパレータ７に設け
られたスチームトラップ１４により外部に放出される。
水成分が除去された後の水蒸気は、流量調整弁８によっ
て流量が調整される。この流量調整弁８による流量の調
整は、演算コントローラ１１が、第一の圧力計９及び第
二の圧力計１０が検出した水蒸気の圧力とに基づいて、
現在の流量調節弁８の弁開度における、エゼクタに供給
されている水蒸気の流量を算出し、更に算出された当該
水蒸気の流量と燃料電池の負荷とに基づいて、流量調節
弁８の弁開度を決定し、これに基づいて流量調節弁の開
度を変化させ、水蒸気の流量が調整される。

【００１８】流量調整後の水蒸気は、スーパヒータ１２
により昇温され、エゼクタ２に供給される。エゼクタ２
では、供給された水蒸気を駆動源として、当該水蒸気と
燃料ガスの混合比が所定の比になるように流入する水蒸
気量に見合った量の燃料ガス量を引張こみ、両者を混合
して改質器３に供給する。改質器３は都市ガスの水蒸気
改質を行い水素リッチガスを生成する。尚、改質器３の
昇温に用いられているバーナの排ガスは、通路Ｃを通過
して外部に放出される。改質器３により生成した水素リ
ッチガスはスーパヒータ１２において水蒸気に熱を与え
ることにより、温度を低下させてから転化器４に供給さ
れる。転化器４は供給された水素リッチガス中の一酸化
炭素を二酸化炭素に転換し、燃料電池本体５の燃料極に
供給する。燃料電池本体５では、図示しない供給源から
ブロワ１５によって供給された空気と転化器４から供給
された水素リッチガスとを用いて発電を行なう。この燃
料電池本体５の燃料極から放出される排ガスは改質器の
バーナの燃料として通路Ｄを通過して改質器３のバーナ
に供給される。また燃料電池本体５の空気極から放出さ
れる排ガスは通路Ｃを通って外部に放出される。 （実験１）本実施例に用いられた、エゼクタの圧力特性
を調べたので、その結果を図３に示す。

【００１９】実験条件としては、水蒸気量を変化させた
際に、本実施例のエゼクタに水蒸気／都市ガスの混合比
を示すＳ／Ｃ値が２．５となるような都市ガスの量を供
給した場合の圧力特性を調べた。尚、本実施例のエゼク
タに供給した水蒸気の圧力は１．０ｋｇ／ｃｍ² ・Ｇ、
であり、燃料ガスである都市ガス供給圧は２００ｍｍＨ
₂ Ｏ・Ｇである。

【００２０】また、比較として従来のエゼクタについて
も、水蒸気量を変化させた際にＳ／Ｃ値が２．５となる
ような都市ガスの量を供給した場合の圧力特性を図３に
示した。実験に用いた従来のエゼクタの仕様は、駆動圧
が３．０ｋｇ／ｃｍ² ・Ｇ、燃料ガス供給圧が１００ｍ
ｍＨ₂ Ｏ・Ｇ、吐出圧が０．１ｋｇ／ｃｍ² となってい
る。尚、従来のエゼクタには３．０ｋｇ／ｃｍ² ・Ｇの
水蒸気を供給し、都市ガスの供給圧は１００ｍｍＨ₂ Ｏ
・Ｇ、とした。

【００２１】図３から明らかなように、本実施例に用い
たエゼクタは、従来のエゼクタと比較して都市ガスを強
く吸引していないことが分かる。 （実験２）本実施例のシステムにおいて、エゼクタの駆
動用のスチーム量を変化させた場合の、都市ガスの吸入
量について調べたので、図４にその結果をしめす。実験
をおこなったシステムでは、定格流量時（負荷１００％
時）にＳ／Ｃ値が約２．５に成るようなオリフィスを設
けた。

【００２２】尚、図４には従来のエゼクタを本実施例の
システムに使用した場合の、駆動用のスチーム量の変化
に伴う、都市ガスの吸入量の変化についての結果を示し
た。また、それぞれのエゼクタに供給した水蒸気の圧力
は、上記実験１の場合と同様である。図４から明らかな
ように、本実施例のエゼクタを用いた場合は、電池の負
荷により、供給される水蒸気量が変化すると、それに伴
って所定のＳ／Ｃが２．５となるように都市ガスの吸入
量も変化している。但し、水蒸気の流量が下がると、若
干２．５よりずれているが、Ｓ／Ｃが大きくなる方つま
り、水蒸気量の比が高い方にずれているので、改質器の
反応に問題は生じない。

【００２３】一方、従来のエゼクタは、スチーム流量が
変化すると、都市ガスの吸入量も若干変化しているが、
水蒸気の流量が低下しても多くの都市ガスを吸引してし
まい、Ｓ／Ｃが２．５より小さくなっており、所定の混
合比より都市ガス量が多くなってしまっている。 （その他の事項） 上記した実施例のエゼクタでは、供給する水蒸気の圧
力が０．６〜３．０ｋｇ／ｃｍ² ・Ｇ、都市ガスの圧力
が１００〜２５０ｍｍＨ₂ Ｏ・Ｇの範囲であれば、所定
の比で混合する。 都市ガス供給圧が２５０ｍｍＨ₂ Ｏ・Ｇ以上の高い圧
力である場合は、エゼクタの仕様を変更することにより
本発明の特性が得られる。 上記した実施例では、第一の圧力計と、第二の圧力計
とから得られる圧力からエゼクタに供給される水蒸気の
流量を計っているが、コスト的には高価ではあるが、流
量調整弁の下流に流量計を設けて流量を検出するような
構成としてもよい。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、エ
ゼクタが低圧駆動で、水蒸気の流合わせて所定の比で水
蒸気と燃料ガスとの混合を行なうので、水蒸気と燃料ガ
スとの混合比を保つために必要であった、燃料ガス供給
路側に設けていた燃料ガス流量の調整手段が必要なくな
り、システムの低コスト化を計ることができた。

【００２５】また、エゼクタを低圧駆動できるので、水
蒸気の圧力は従来のものより低いもので良く、燃料電池
本体の排熱のみを用いて必要な水蒸気量を生成できる。
従って、熱利用の点で効率のよいシステムとなるという
効果を奏した。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池システムを示す図である。

【図２】本発明に用いられたエゼクタの断面図である。

【図３】エゼクタの特性図である。

【図４】エゼクタの特性図である。

【符号の説明】 ２ エゼクタ ３ 改質器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 坂本 滋 守口市京阪本通２丁目５番５号 三洋電機 株式会社内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池と、 上記燃料電池の排熱を利用して水蒸気生成を行なう水蒸
   気発生器と、 上記水蒸気発生器で生成された水蒸気の存在下で燃料ガ
   スの改質を行う改質装置と、 水蒸気と、燃料ガスとを混合し、上記改質器に供給する
   エゼクタとを有する燃料改質システムにおいて、上記エ
   ゼクタが低圧駆動可能で、供給される水蒸気量にあわせ
   て所定の比で水蒸気と燃料ガスとの混合を行なうことを
   特徴とする燃料改質システム。
2. 【請求項２】 燃料電池と、水蒸気発生器と、燃料ガス
   装置と、エゼクタとを有する燃料電池システムの制御方
   法において、 上記エゼクタが低圧駆動が可能であり、且つ供給される
   水蒸気量に合わせて所定の比で水蒸気と燃料ガスとを混
   合し、 上記燃料電池から排出された排熱を上記水蒸気発生器に
   供給して、水蒸気を発生させ、 上記発生させた水蒸気と、燃料ガスとを上記エゼクタを
   介して燃料ガス改質装置に供給して改質された燃料ガス
   を得、改質された燃料ガスを燃料電池に供給することを
   特徴とする燃料電池システムの制御方法。
3. 【請求項３】 上記水蒸気発生器と上記エゼクタとの間
   に設けられた流量調整弁により、水蒸気が上記燃料電池
   の負荷に基づき調整されて上記エゼクタに供給されるこ
   とを特徴とする請求項２記載の燃料電池システムの制御
   方法。
4. 【請求項４】 上記エゼクタは、定格蒸気駆動圧が０．
   ６〜３．０ｋｇ／ｃｍ² ・Ｇ、吐出圧が０．１ｋｇ／ｃ
   ｍ² ・Ｇ近傍の値であることを特徴とする請求項２記載
   の燃料電池システムの制御方法。
5. 【請求項５】 上記エゼクタにおいて、燃料ガス供給圧
   が１００〜２５０ｍｍＨ₂ Ｏ・Ｇであることを特徴とす
   る請求項４記載の燃料電池システムの制御方法。
6. 【請求項６】 上記エゼクタにおいて、定格蒸気駆動圧
   が０．８〜１．２ｋｇ／ｃｍ² ・Ｇ、吐出圧が０．１ｋ
   ｇ／ｃｍ² ・Ｇ近傍の値であることを特徴とする請求項
   ２記載の燃料電池システムの制御方法。
7. 【請求項７】 上記エゼクタにおいて、燃料ガス供給圧
   が１００〜２５０ｍｍＨ₂ Ｏ・Ｇであることを特徴とす
   る請求項４、６記載の燃料電池システムの制御方法。