JPH09180748A

JPH09180748A - 燃料電池発電装置

Info

Publication number: JPH09180748A
Application number: JP7350758A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Take; 武　　哲夫; Yasumitsu Hirayama; 泰充平山; Maki Ishizawa; 真樹石澤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1995-12-26
Filing date: 1995-12-26
Publication date: 1997-07-11

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料切替え時に、改質装置の改質部の改質触
媒上へのカーボン析出を避けるため改質用水蒸気量を増
やす際の問題を解決する。【解決手段】セル型燃料電池本体７、セル型燃料電池
本体７に改質ガスを供給する改質装置４、改質装置７に
複数の燃料を切り替えて供給する手段、および該燃料の
供給量を制御する手段を有する燃料電池発電装置におい
て、セル型燃料電池本体７の燃料極排ガスを改質装置４
にリサイクルするための第１のリサイクル配管２１を設
けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数の燃料を切り
替えて発電を行なう燃料電池発電装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】複数の燃料を切り替えて発電可能な燃料
電池発電装置として、これまでに都市ガスとプロパンガ
ス又はメタノールの燃料切替えによる発電が可能な装置
が提案されている。

【０００３】図３にこの種の燃料電池発電装置の従来例
として、都市ガスとプロパンガスの燃料切替えにより発
電を行なうタイプの装置の構成を示す。図３において、
１は液化プロパンガスＧ２′を気化させるための気化
器、２は都市ガスＧ１あるいはプロパンガスＧ２に含有
される硫黄分を除去するための脱硫装置、３は都市ガス
Ｇ１あるいはプロパンガスＧ２を改質用水蒸気と混合す
るエジェクタ、４は都市ガスＧ１あるいはプロパンガス
Ｇ２と水蒸気を改質触媒上で反応させて水素リッチな改
質ガスを得るための改質装置ある。この改質装置４は改
質触媒が充填された改質部４ａ、起動用バーナ４ｂ、改
質バーナ４ｃを有する。

【０００４】また、５は水素リッチな改質ガス中の一酸
化炭素濃度を低減させるためのシフトコンバータ、６は
外気を取り込んで送り出す空気ブロア、７は燃料極７ａ
と酸化剤極７ｂとが電解質７ｃを挟んで配置されたセル
を複数組積層してなるリン酸型燃料電池本体、８は燃料
電池出力Ｐｏを電圧変換或いは直流／交流変換する変換
装置、９は燃焼排ガスや酸化剤極排ガスから凝縮水を得
るための凝縮器、１０はヒータ１０ａにより水を加熱し
て水蒸気を発生させる気水分離器、１１はそのヒータ１
０ａ用の電源、１２は蒸発器、１３は排熱利用システ
ム、１４は液化プロパンガスＧ２′のポンプ、１５は補
給水のポンプ、１６は制御部１６ａや比較演算部１６ｂ
を有する制御装置、１７はリサイクル配管、１８は燃料
極排ガス配管である。

【０００５】また、Ｂ１〜Ｂ５遮断弁、Ｃ１〜Ｃ６は流
量制御弁、Ｓ１はガス流量（単位時間当たりの流量）セ
ンサ、Ｓ２、Ｓ３は液面センサ、Ｓ４、Ｓ５は温度セン
サ、Ｓ６は圧力センサ、Ｓ７は電圧センサ、Ｓ８は電流
センサである。

【０００６】都市ガスＧ１を燃料として発電を行なう場
合には、制御装置１６の制御部１６ａから制御信号ａを
送信することによって遮断弁Ｂ２を開き、脱硫装置２に
都市ガスＧ１を供給し、その脱硫装置２において、改質
装置４およびリン酸型燃料電池本体７の燃料極７ａの触
媒の劣化原因となる都市ガスＧ１中の腐臭剤に含まれる
硫黄分を除去する。都市ガスＧ１の供給量は、流量制御
弁Ｃ１の開度をリン酸型燃料電池本体７の燃料電池出力
Ｐｏに合わせて制御装置１６の制御部１６ａからの制御
信号ｂで調整することにより、制御する。

【０００７】遮断弁Ｂ４は、制御装置１６の制御部１６
ａから送信された制御信号ｃにより、燃料電池発電装置
の都市ガスＧ１による起動時のみ開き、改質装置４の起
動用バーナ４ａに改質装置４の昇温のためにその都市ガ
スＧ１を供給して燃焼させ、それ以外は閉じておく。

【０００８】都市ガスＧ１の供給量は流量センサＳ１で
監視し（又は都市ガス供給圧力を圧力センサで監視
し）、その検出信号Ａを制御装置１６の比較演算部１６
ｂに送る。この制御装置１６の比較演算部１６ｂでは、
流量センサＳ１（又は圧力センサ）で検出した都市ガス
供給量（又は都市ガス供給圧力）から、予め燃料電池出
力Ｐｏに合わせて設定記憶された所定の値を引くことに
よりその差を計算する。

【０００９】そして、その差が０以下になったことを確
認したとき、すなわち、検出した都市ガスＧ１の供給流
量（又は供給圧力）が予め設定記憶された所定の供給流
量（又は供給圧力）以下に減少したことを確認したと
き、制御装置１６の制御部１６ａから制御信号ｄを送信
することによって遮断弁Ｂ３を開き、且つ同制御部１６
ａから制御信号ａを送信することによって遮断弁Ｂ２を
閉じて、燃料切替えを行なう。

【００１０】これによって、都市ガスＧ１に代えて、気
化器１で液化プロパンガスＧ２′を気化させることによ
って得られたプロパンガスＧ２を脱硫装置２に供給し、
改質装置４およびリン酸型燃料電池本体７の燃料極７ａ
の触媒の劣化原因となるプロパンガスＧ２中の腐臭剤に
含まれる硫黄分を除去する。プロバンガスＧ２の供給量
は、流量制御弁Ｃ２の開度を燃料電池出力Ｐｏに合わせ
て制御装置１６の制御部１６ａからの制御信号ｅで調節
することにより行なう。

【００１１】遮断弁Ｂ５は、制御装置１６の制御部１６
ａから送信された制御信号ｆにより、燃料電池発電装置
のプロパンガスＧ２による起動時のみ開き、改質装置４
の起動用バーナ４ａに改質装置４の昇温のためにそのプ
ロパンガスＧ２を供給して燃焼させ、それ以外は閉じて
おく。

【００１２】液化プロパンガスＧ２′は、遮断弁Ｂ１を
介して気化器１にポンプ１４により自動的に供給され
る。気化器１の内部の液化プロパンガスの量は、液面セ
ンサＳ２で所定の範囲に維持される。気化器１の熱源に
は電気ヒータや燃料電池排熱等が利用される。

【００１３】都市ガスＧ１の供給量およびプロパンガス
Ｇ２の供給量は、電圧センサＳ７と電流センサＳ８で検
出した燃料電池出力Ｐｏを検出信号Ｂ、Ｃとして制御装
置１６の比較演算部１６ｂに送信し、また温度センサＳ
４で検出した改質装置４の温度を検出信号Ｄとして同比
較演算部１６ｂに送信し、予め設定記憶された燃料電池
出力Ｐｏおよび改質装置４の温度と、流量制御弁Ｃ１、
Ｃ２の開度（すなわち、都市ガス供給量およびプロパン
ガス供給量）の関係に基づいて、制御装置１６の制御部
１６ａから制御信号ｂ、ｅを送信し、その流量制御弁Ｃ
１、Ｃ２の開度を調節することによって、燃料電池出力
Ｐｏに見合った値に設定する。

【００１４】脱硫装置２で硫黄分が除去された都市ガス
Ｇ１又はプロパンガスＧ２は、エジェクタ３で気水分離
器１０から供給された改質用水蒸気と混合され、改質装
置４の改質触媒が充填された改質部４ａに供給される。
なお、リン酸型燃料電池本体７が差圧で破壊することを
防止するため、都市ガスＧ１とプロパンガスＧ２の圧力
は大気圧と同等の圧力に設定される。そのため、都市ガ
スＧ１とプロパンガスＧ２は、エジェクタ３の水蒸気吸
い込みによって生じる差圧を駆動力として、改質装置４
に供給される。

【００１５】エジェクタ３への改質用水蒸気供給量は、
予め設定記憶された流量制御弁Ｃ１、Ｃ２の開度（都市
ガス供給量とプロパンガス供給量に対応）とエジェクタ
３の開度の関係に基づいて、制御装置１６の制御部１６
ａから制御信号ｇを送信してエジェクタ３の開度を調整
することで、予め燃料毎に設定記憶された所定のスチー
ムカーボン比（以下、「Ｓ／Ｃ」と呼ぶ）となるように
設定される。

【００１６】改質装置４では、燃料ガスである都市ガス
Ｇ１あるいはプロパンガスＧ２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Ｇ１
の主成分であるメタンの水蒸気改質反応は次の式（１）
で、またプロパンの水蒸気改質反応は次の式（２）で表
される。ＣＨ₄ ＋Ｈ₂ Ｏ → ＣＯ＋３Ｈ₂ ・・・・（１）Ｃ₃ Ｈ₈ ＋３Ｈ₂ Ｏ → ３ＣＯ＋７Ｈ₂ ・・・・（２）

【００１７】この水素リッチな改質ガスには、リン酸型
燃料電池本体７の燃料極７ａの触媒の劣化原因となる一
酸化炭素が含まれているので、その改質ガスはシフト触
媒を充填したシフトコンバータ５に送られ、次の式
（３）に示すシフト反応により、改質ガス中の一酸化炭
素が二酸化炭素に変換される。ＣＯ＋Ｈ₂ Ｏ → ＣＯ₂ ＋Ｈ₂ ・・・・（３）

【００１８】改質ガス中の一酸化炭素含有量は、シフト
コンバータ５におけるこのような反応により１％以下ま
で低減される。シフトコンバータ５で一酸化炭素が下げ
られた水素リッチなシフトコンバータ５の出力ガスは、
リン酸型燃料電池本体７の燃料極７ａに供給されるとと
もに、その一部はリサイクル配管１７を経由して脱硫装
置２にリサイクルされ、そのリサイクルガス中の水素が
水添脱硫反応に使用される。

【００１９】このリサイクルガスの供給量は、予め設定
記憶された流量制御弁Ｃ１、Ｃ２の開度（すなわち、都
市ガス供給量またはプロパンガス供給量）と流量制御弁
Ｃ５の開度（すわなち、リサイクルガス供給量）の関係
に基づき、制御装置１６の制御部１６ａから制御信号ｈ
をその流量制御弁Ｃ５に送信し、開度を調整することに
よって、予め設定記憶された所定の供給量に設定され
る。

【００２０】一方、リン酸型燃料電池本体７の酸化剤極
７ｂには、空気ブロア６を用いて取り込んだ外気を発電
用エアとして供給する。この発電用エアの供給量は、電
圧センサＳ７と電流センサＳ８で検出した燃料電池出力
Ｐｏを検出信号Ｂ、Ｃとして制御装置１６の比較演算部
１６ｂに送信し、予め設定記憶された燃料電池出力Ｐｏ
と空気ブロア６の回転数および流量制御弁Ｃ４の開度
（すなわち、発電用エアー供給量）の関係に基づいて、
制御装置１６の制御部１６ａから制御信号ｉを送信して
空気ブロア６の回転数を調節し、また制御装置１６の制
御部１６ａから制御信号ｊを送信して流量制御弁Ｃ４の
開度を調整し、燃料電池出力Ｐｏに見合った値に設定す
る。

【００２１】リン酸型燃料電池本体７の燃料極７ａで
は、次の式（４）により改質ガス中の水素が水素イオン
と電子に変る。水素イオンは電解質７ｃの内部を拡散し
て酸化剤極７ｂに到達し、電子は外部回路を流れ、燃料
電池出力Ｐｏとして取り出される。Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ・・・・（４）

【００２２】酸化剤極７ｂでは、次の式（５）に示す反
応により、燃料極７ａから電解質７ｃの中を拡散してき
た水素イオン、燃料極７ａ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。２Ｈ+ ＋ 1/2 Ｏ₂ ＋２ｅ_- → Ｈ₂ Ｏ・・・・（５）

【００２３】以上の式（４）と（５）をまとめると、リ
ン酸型燃料電池本体７の全電池反応は、次の式（６）に
示す水素と酸素から水ができる単純な反応として表すこ
とができる。Ｈ₂ ＋ 1/2 Ｏ₂ → Ｈ₂ Ｏ・・・・（６）発電によって得られた燃料電池出力Ｐｏは、変換装置８
で電圧変換あるいは直流／交流変換が行なわれた後、負
荷１８に供給される。

【００２４】燃料極７ａでは、改質ガス中の水素がすべ
て式（４）に示した電極反応で消費されるわけではな
く、全体の８０％程度の水素が使われるだけである。残
りの約２０％の水素が未反応水素として、燃料極排ガス
中に残存する。これは、燃料極７ａで改質ガス中の水素
をすべて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、水素の代わりに燃料極基板
のカーボンが反応することによってリン酸型燃料電池本
体７が劣化することを防止するためである。未反応水素
を含む燃料極排ガスは、燃料極排ガス配管１８を経由し
て改質装置４の改質バーナ４ｃに供給され、バーナ燃料
として使用される。

【００２５】前記式（１）に示した都市ガスＧ１の主成
分であるメタンの水蒸気改質反応および前記式（２）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４の改質部４ａに与える必要
がある。このために、改質バーナ４ｃにおいて燃料極排
ガス中の水素を燃焼用エアーとともに燃焼させることに
より、改質装置４の改質部４ａの触媒充填層温度を摂氏
で最大７００度程度まで昇温する。

【００２６】このとき、空気ブロア６からの燃焼用エア
ーの供給量は、流量制御弁Ｃ３の開度を一定にすること
によって一定値に設定しても良いし、また温度センサＳ
４で検出した改質装置４の温度の検出信号Ｄを制御装置
１６の比較演算部１６ｂに送信し、予め設定記憶された
改質装置温度と空気ブロア６の回転数および流量制御弁
Ｃ３の開度（すなわち、燃焼用エアー供給量）の関係に
基づいて、制御装置１６の制御部１６ａから制御信号ｉ
とｋを送信することによって、空気ブロア６の回転数と
流量制御弁Ｃ３の開度を調整し設定しても良い。

【００２７】燃料極排ガス中の未反応水素の燃焼反応に
より生成した水蒸気を含む改質バーナ４ｃでの燃焼排ガ
スと、前記式（６）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は、凝縮器９に送られ、水蒸
気が凝縮水として除去された後に、排ガスとして大気中
に放出される。凝縮水は気水分離器１０に戻され、電池
冷却水、改質用水蒸気、排熱回収用水蒸気等に利用され
る。

【００２８】前記の式（６）に示した電池反応は発熱反
応であるので、リン酸型燃料電池本体７の温度は、発電
により時間とともに上昇する。リン酸型燃料電池本体７
の温度上昇が起こると、電解質の水素イオン伝導率が上
がるために出力特性が一時的に向上するが、劣化が起こ
り易くなり、寿命低下が生じる。そこで、気水分離器１
０から電池冷却水を循環させてリン酸型燃料電池本体７
の冷却を行なう。

【００２９】このリン酸型燃料電池本体７の温度は、寿
命と電池性能の両方を勘案して、摂氏１９０度前後に設
定されるのが一般的である。電池冷却水のリン酸型燃料
電池本体７の出口温度は温度センサＳ５で検出し、その
検出信号Ｅを制御装置１６の比較演算部１６ｂに送信す
る。

【００３０】電池冷却水の供給量は、温度センサＳ５で
検出したリン酸型燃料電池本体７の出口温度が予め設定
記憶された所定の温度範囲となるように、制御信号ｍを
制御装置１６の制御部１６ａから流量制御弁Ｃ６に送信
し、その流量制御弁Ｃ６の開度を調整することによって
設定する。リン酸型燃料電池本体７を出た電池冷却水
は、水と水蒸気の混合物の形で気水気分離器１０に戻さ
れる。

【００３１】気水分離器１０では、圧力センサＳ６で検
出した圧力検出信号Ｆおよび液面センサＳ３で検出した
水位検出信号Ｇが制御装置１６の比較演算部１６ｂに送
信される。起動時および圧力センサＳ６が気水分離器１
０の圧力が予め設定記憶された所定の圧力より低下した
ことを検出した場合には、制御装置１６の制御部１６ａ
から制御信号ｎをヒータ電源１１に対して、圧力センサ
Ｓ６による検出圧力が予め設定記憶された所定の圧力を
超えることを検出するまで供給し、予め設定記憶された
所定の電力を供給して、水蒸気を発生させる。

【００３２】また、液面センサＳ３で気水分離器１０の
水位が予め設定記憶された所定の水位より低下したこと
を検出した場合には、制御装置１６の制御部１６ａから
制御信号ｐを補給水ポンプ１５に送信し、液面センサＳ
３による検出水位が予め設定記憶された所定の水位を超
えることを検出するまで、その補給水ポンプ１５を動作
させて気水分離器１０に補給水を供給する。

【００３３】リン酸型燃料電池本体７から気水分離器１
０に供給された水蒸気あるいは気水分離器１０で発生さ
せた水蒸気のうち、改質用水蒸気として使用する以外の
水蒸気は、排熱回収用水蒸気として蒸発器１２に供給さ
れ、排熱利用システム１３の冷媒の蒸発に使用される。
蒸発器１２で凝縮した排熱回収用水蒸気の凝縮水は気水
分離器１０に戻される。

【００３４】

【発明が解決しようとする課題】次に、従来の複数の燃
料を切り替えて発電を行なう燃料電池発電装置の問題点
について、上述した都市ガスＧ１とプロパンガスＧ２の
燃料切替えによる発電する燃料電池発電装置を例にして
説明する。この燃料電池発電装置では、メタン主成分の
都市ガスＧ１からプロパンガスＧ２に燃料切替えを行な
うと、プロパンガスＧ２は都市ガスＧ１に比べてカーボ
ン析出が起こり易いため、改質装置４の改質部４ａの改
質触媒上へのカーボン析出を避けるために、改質用水蒸
気供給量を増やす必要があった。

【００３５】都市ガスＧ１の場合には、式（１）に示し
たメタンの水蒸気改質反応と、式（３）に示したシフト
反応が組み合わさった次の式（７）に示す反応により水
素が生成し、プロパンガスＧ２の場合には式（２）に示
したプロパンの水蒸気改質反応と式（３）に示したシフ
ト反応が組み合さった次の式（８）に示す反応により水
素が生成するので、同一量の水素を得ようとすると、プ
ロパンガスＧ２は都市ガスＧ１の２／５の供給量で良
い。ＣＨ₄ ＋２Ｈ₂ Ｏ → ＣＯ₂ ＋４Ｈ₂ ・・・・（７）Ｃ₃ Ｈ₈ ＋６Ｈ₂ Ｏ → ３ＣＯ₂ ＋１０Ｈ₂ ・・・・（８）

【００３６】しかし、プロパンガスＧ２の場合にはカー
ボン析出を抑えるためにＳ／Ｃを都市ガスＧ１の場合に
比べて大きくしなければならないので、結果的に改質用
水蒸気量を増加させなければならない。例えば、Ｎｉ−
Ａｌ2 Ｏ3 触媒を改質用触媒に用いた場合、都市ガス改
質時には３．２５、プロパンガス改質時には４．０のＳ
／Ｃが採用されているが、この場合、プロパンガス供給
量の減少を考慮しても、改質用水蒸気供給量は、都市ガ
スＧ１からプロパンガスＧ２への燃料切替えによって
１．５倍に増加させなければならない。

【００３７】このため、都市ガスとプロパンガスの燃料
切替えが可能な燃料電池発電装置では、都市ガス専用の
燃料電池発電装置に比べて、プロパンガスによる発電時
の改質用水蒸気の増加に備えて、エジェクタの容量を大
きくする、圧損増加を抑えるために配管径を大きくす
る、等の設計変更が必要となり、装置の大型化とコスト
アップを招来する。

【００３８】また、エジェクタの容量をプロパンガスに
合わせて大きくすると、都市ガスを燃料とした場合の改
質用水蒸気供給量の制御が不安定となる、水蒸気供給量
の増加により燃料電池発電装置全体の熱バランスがくず
れ制御が不安定となる、排熱回収用水蒸気が減少し燃料
電池発電装置の総合効率が低下する、という問題があっ
た。

【００３９】本発明の目的は、燃料切替えによりカーボ
ン析出防止のために改質用水蒸気量を増加させる際に、
上記したような、（ａ）燃料切替えに備えて大容量のエ
ジェクタを採用することが必要となる、（ｂ）改質用水
蒸気供給量の増加による圧力損失の上昇を抑えるために
装置全体の配管径を大きくしなければならない、（ｃ）
低Ｓ／Ｃ燃料使用時の改質用水蒸気供給量の制御性が低
下する、（ｄ）改質用水蒸気量増加により熱バランスが
不安定となる、（ｅ）改質用水蒸気量増加により排熱回
収用水蒸気が減少し総合効率が低下する、等の問題点を
解決した高信頼性で小型、低価格の燃料電池発電装置を
提供せんとするものである。

【００４０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に第１の発明は、燃料極と酸化剤極とが電解質を挟んで
配置されたセルを複数組積層してなる燃料電池本体と、
燃料と水蒸気を改質触媒上で反応させて水素リッチガス
を生成し前記燃料電池本体に反応ガスとして供給する改
質装置と、前記改質装置に複数の燃料を供給する燃料供
給装置と、前記複数の燃料を切り替える燃料切替え手段
と、前記複数の燃料の供給量を制御する燃料供給量制御
手段とを有する燃料電池発電装置において、前記燃料電
池本体の燃料極排ガスを前記改質装置にリサイクルする
ための第１のリサイクル配管を設けたことを特徴とする
燃料電池発電装置として構成した。

【００４１】第２の発明は、第１の発明において、前記
第１のリサイクル配管に、前記燃料極排ガスのリサイク
ル量を制御する第１の流量制御弁、及び／又は前記燃料
極排ガスのリサイクルを遮断する第１の遮断弁を設けた
ことを特徴とする燃料電池発電装置として構成した。

【００４２】第３の発明は、第１または第２の発明にお
いて、前記第１のリサイクル配管に、第１のコンプレッ
サを設けたことを特徴とする燃料電池発電装置として構
成した。

【００４３】第４の発明は、燃料極と酸化剤極とが電解
質を挟んで配置されたセルを複数組積層してなる燃料電
池本体と、燃料と水蒸気を改質触媒上で反応させて水素
リッチガスを生成し前記燃料電池本体に反応ガスとして
供給する改質装置と、前記改質装置に供給すべき燃料中
の硫黄分を除去する脱硫装置と、前記脱硫装置に複数の
燃料を供給する燃料供給装置と、前記複数の燃料を切り
替える燃料切替え手段と、前記複数の燃料の供給量を制
御する燃料供給量制御手段とを有する燃料電池発電装置
において、前記燃料電池本体の燃料極排ガスを前記脱硫
装置にリサイクルするための第２のリサイクル配管を設
けたことを特徴とする燃料電池発電装置として構成し
た。

【００４４】第５の発明は、第４の発明において、前記
第２のリサイクル配管に、前記燃料極排ガスのリサイク
ル量を制御する第２の流量制御弁、及び／又は前記燃料
極排ガスのリサイクルを遮断する第２の遮断弁を設けた
ことを特徴とする燃料電池発電装置として構成した。

【００４５】第６の発明は、第４または第５の発明にお
いて、前記第２のリサイクル配管に、第２のコンプレッ
サを設けたことを特徴とする燃料電池発電装置として構
成した。

【００４６】

【発明の実施の形態】

［第１の実施の形態］図１は本発明の燃料電池発電装置
の第１の実施の形態を示す系統図である。図３で説明し
たものと同一のものには同一の符号を付してその詳しい
説明は省略する。本実施の形態では、図３に示したもの
とは、リン酸型燃料電池本体７の燃料極７ａからの燃料
極排ガスを改質装置４の改質バーナ４ｃに供給するため
の燃料極排ガス配管１８に遮断管Ｂ６を設け、同燃料極
排ガスを改質装置４にリサイクルするためのリサイクル
配管１９（第１のリサイクル配管）を設け、そのリサイ
クル配管１９に遮断弁Ｂ７（第１の遮断弁）、流量制御
弁Ｃ７（第１の流量制御弁）、およびコンプレッサ２０
（第１のコンプレッサ）を設け、並びに遮断弁Ｂ５に連
続する流量制御弁Ｃ８を設けて、燃料極排ガスを改質装
置４にリサイクルするようにした構成が異なる。

【００４７】次に動作を説明する。都市ガスＧ１を燃料
とした場合には、図３の構成で説明した場合と同様にエ
ジェクタ３を介して気水分離器１０からすべて改質用水
蒸気を改質装置４の改質部４ａに供給する。

【００４８】都市ガスＧ１からプロパンガスＧ２に燃料
切替えを行なった場合には、制御装置１６の制御部１６
ａから遮断弁Ｂ６、Ｂ７、および流量制御弁Ｃ７に制御
信号ｑ、ｒ、ｓを送信し、遮断弁Ｂ６を閉じて燃料極排
ガスの改質バーナ４ｃへの供給を停止するとともに、遮
断弁Ｂ７を開く。また流量制御弁Ｃ７の開度を、プロパ
ンガスＧ２を燃料とした場合に対応して制御装置１６に
予め設定記憶された燃料電池出力Ｐｏと流量制御弁Ｃ７
の開度（すなわち、リサイクル燃料排ガス量）の関係に
基づいて、調整することによって、リサイクル燃料極排
ガス量を制御する。なお、気水分離器１０からエジェク
タ３を介して改質装置４の改質部４ａに供給する改質用
水蒸気量は変化させない。

【００４９】また、改質装置４、シフトコンバータ５、
リン酸型燃料電池本体７での圧力損失が大きく、加圧し
なければ燃料極排ガスのリサイクルが困難な場合には、
コンプレッサ２０を設け、リサイクル燃料極排ガスの昇
圧を行なう。

【００５０】燃料極排ガスのリサイクルの開始から一定
時間が経過し、リサイクル燃料極排ガス量が流量制御弁
Ｃ７での設定値に到達した後は、遮断弁Ｂ６を開き、改
質バーナ４ｃへの燃料極排ガスの供給を開始する。な
お、燃料極排ガスの改質装置４へのリサイクル配管１９
に流量センサを設け、リサイクル燃料極排ガス量が所定
の量に到達した後に、遮断弁Ｂ６を開いて改質バーナ４
ｃへの燃料極排ガスの供給を開始しても良い。

【００５１】都市ガスＧ１を燃料とした場合のＳ／Ｃを
３．２５とし、水蒸気供給量も３．２５と仮定すれば、
燃料極排ガス中には未反応水蒸気が１．２５含まれるこ
とになる。プロパンガスＧ２に燃料切替えを行なった場
合のＳ／Ｃを４．０とすれば、プロパンガス供給量は都
市ガス供給量の２／５となるで、プロパンガスＧ２によ
り定常運転状態においては、２／５×４．０×３−３．２５＝１．５５に相当する水蒸気を供給するのに必要な量の燃料極排ガ
スをリサイクルすれば良い。

【００５２】リサイクルされる燃料極排ガス量およびリ
サイクル燃料極排ガスに含まれる水蒸気量は、リサイク
ル毎に増加するので、燃料極排ガスのリサイクルをその
燃料極排ガス中の水蒸気が１．５５となるまで繰り返
す。

【００５３】リサイクル燃料極排ガス量が１．５５の水
蒸気を含む所定量に達するまでの間は、改質バーナ４ｃ
には燃料極排ガスが供給されないので、制御装置１６の
制御部１６ａから遮断弁Ｂ５と流量制御弁Ｃ８にそれぞ
れ制御信号ｆ、ｔを送信して、遮断弁Ｂ５を開き、予め
記憶設定された改質装置４の温度と流量制御弁Ｃ８の開
度（すなわち、プロパンガスＧ２の改質装置４の起動用
バーナ４ｂへの供給量）の関係に基づいて流量制御弁Ｃ
８の開度を調節することによって、プロパンガスＧ２の
改質装置４の起動用バーナ４ｂへの供給量を制御し、改
質装置４の温度を所定の範囲に保持する。

【００５４】また、リサイクル燃料極排ガス量が所定の
値に達するまでの間は、過度的に改質装置４の改質部４
ａにおけるＳ／Ｃは所定値より小さくなるが、この間は
短く、カーボン析出量はわずかであり、問題にならな
い。また、リサイクル燃料極排ガス量が所定の値に達す
るまでの間、一時的に燃料電池出力Ｐｏを下げれば、Ｓ
／Ｃが設定値により大きくなるので、カーボン析出を抑
制することができる。

【００５５】気水分離器１０からの改質用水蒸気供給量
を増加させずに改質用水蒸気量を増やす方法としては、
燃料極排ガスを改質装置４へリサイクルする代わりに、
シフトコンバータ５の出口ガスの脱硫装置２へのリサイ
クル量を増やすことによっても可能であるが、シトフコ
ンバータ５の出口ガスに含まれる水蒸気量は燃料極排ガ
スと同じであるものの、その出口ガスには燃料極排ガス
に比べて多量の水素が含まれているので、同一量の水蒸
気をリサイクルさせようとすると、多量のガスをリサイ
クルさせなければならず、圧損増加による配管径の変更
が必要となる恐れがある。例えば、リン酸型燃料電池本
体７の水素利用率を８０％とすると、シフトコンバータ
５の出口ガスには燃料極排ガスの５倍の水素が含まれて
いる。

【００５６】燃料極排ガスをリサイクルする場合にも、
改質装置４、シフトコンバータ５、リン酸型燃料電池本
体７、およびこの間の配管を流れるガス量は増加する
が、その増加量は僅かであり、配管径の変更および装置
の大型化の必要はない。

【００５７】［第２の実施の形態］図２は本発明の燃料
電池発電装置の第２の実施の形態を示す系統図である。
図３で説明したものと同一のものには同一の符号を付し
てその詳しい説明は省略する。本実施の形態では、図３
に示したものとは、リン酸型燃料電池本体７の燃料極７
ａからの燃料極排ガスを改質装置４の改質バーナ４ｃに
戻すための燃料極排ガス配管１８に遮断管Ｂ６を設け、
燃料極排ガスの脱硫装置２へのリサイクル配管２１（第
２のリサイクル配管）を設け、そのリサイクル配管２１
に遮断弁Ｂ８（第２の遮断弁）、流量制御弁Ｃ９（第２
の流量制御弁）、およびコンプレッサ２２（第２のコン
プレッサ）を設け、並びに遮断弁Ｂ５に連続して流量制
御弁Ｃ８を設けるとともに、シフトコンバータ５の出口
ガスの脱硫装置２へのリサイクル配管１７および流量制
御弁Ｃ５を廃止し、燃料極排ガスを脱硫装置２にリサイ
クルするようにした構成が異なる。

【００５８】次に作用を説明する。この実施の形態で
は、図１に示した実施の形態とは、燃料極排ガスをリサ
イクル配管２１を経由して脱硫装置にリサイクルさせる
ことによって、燃料極排ガス中の水蒸気を改質用水蒸気
として改質装置４の改質部４ａに供給するとともに、水
添脱硫に必要な水素も燃料極排ガス中の未反応水素によ
り供給する点が異なる。

【００５９】すなわち、燃料極排ガスを改質装置４にリ
サイクルする場合には、脱硫のために必要な水素を脱硫
装置２に供給するために、別途水素を含む燃料極排ガ
ス、又はシフトコンバータ５の出力ガスを脱硫装置２に
リサイクルする必要があるが、本実施の形態のように、
燃料極排ガスを脱硫装置２にリサイクルする場合には、
脱硫のために必要な水素の脱硫装置２への供給を兼ねる
ことが可能であり、構成がシンプルになる。

【００６０】都市ガスＧ１を燃料とした場合には、図３
に示した従来の装置と同様に、エジェクタ３を介して気
水分離器１０からのすべて改質用水蒸気を改質装置４の
改質部４ａに供給する。都市ガスＧ１からプロパンガス
Ｇ２に燃料切替えを行なった場合には、制御装置１６の
制御部１６ａから遮断弁Ｂ６、Ｂ８、流量制御弁Ｃ９に
それぞれ制御信号ｑ、ｕ、ｖを送信し、遮断弁Ｂ６を閉
じて燃料極排ガスの改質バーナ４ｃへの供給を停止する
とともに、遮断弁Ｂ８を開く。また、流量制御弁Ｃ９の
開度を、プロパンガスＧ２を燃料とした場合に対応して
制御装置１６に予め設定記憶された燃料電池出力Ｐｏと
流量制御弁Ｃ７の開度（すなわち、リサイクル燃料極排
ガス量）の関係に基づいて、調整することによって、リ
サイル燃料排ガス量を制御する。なお、気水分離器１０
からエジェクタ３を介して改質装置４の改質部４ａに供
給する改質用水蒸気量は変化させない。

【００６１】また、改質装置４、シフトコンバータ５、
リン酸型燃料電池本体７での圧力損失が大きく、加圧し
なければ燃料極排ガスのリサイクルが困難な場合には、
コンプレッサ２２を設け、リサイクル燃料極排ガスの昇
圧を行なう。

【００６２】燃料極排ガスのリサイクル開始から一定時
間が経過して、リサイクル燃料極排ガス量が流量制御弁
Ｃ９での設定値に到達した後に、遮断弁Ｂ６を開き、改
質バーナ４ｃへの燃料極排ガスの供給を開始する。な
お、燃料極排ガスの脱硫装置２へのリサイクル配管２１
に流量センサを設け、リサイクル燃料極排ガス量が所定
の値に到達した後、遮断弁Ｂ６を開き改質バーナ４ｃへ
の燃料極排ガスの供給を再開しても良い。

【００６３】リサイクル燃料極排ガス量が所定量に達す
るまでは、改質バーナ４ｃには燃料極排ガスが供給され
ないので、制御装置１６の制御部１６ａから遮断弁Ｂ５
と流量制御弁Ｃ８にそれぞれ制御信号ｆ、ｔを送信し
て、遮断弁Ｂ５を開くとともに、流量制御弁Ｃ８の開度
を、制御装置１６に予め設定記憶された改質装置４の温
度と流量制御弁Ｃ８の開度（すなわち、プロパンガスＧ
２の起動用バーナ４ｂへの供給量）の関係に基づいて、
調整することによって、プロパンガスの起動用バーナ４
ｂへの供給量を制御し、改質装置４の温度を所定の範囲
に保持する。

【００６４】また、リサイクル燃料極排ガス量が所定の
値に達するまでの間は、過度的に改質装置４の改質部４
ａにおけるＳ／Ｃは設定値より小さくなるが、この間は
短く、カーボン析出量は僅かであり問題にならない。ま
た、リサイクル燃料極排ガス量が所定の値に達するまで
の間、一時的に燃料電池出力Ｐｏを下げれば、Ｓ／Ｃが
設定値より大きくなるので、カーボン析出を抑制するこ
とができる。

【００６５】

【発明の効果】第１の発明によれば、燃料電池本体の燃
料極排ガスを改質装置にリサイクルする第１のリサイク
ル配管を設け、燃料極排ガスをリサイクルし、燃料極排
ガス中の水蒸気を改質用水蒸気として燃料の水蒸気改質
に再利用させるようにしたので、燃料切替えによりカー
ボン析出防止のために改質用水蒸気を増加させなければ
ならない場合に、（ａ）燃料切替えに備えて大容量のエ
ジェクタを採用することが必要となる、（ｂ）改質用水
蒸気供給量の増加による圧力損失の上昇を抑えるために
装置全体の配管径を大きくしなければならない、（ｃ）
低Ｓ／Ｃ燃料使用時の改質用水蒸気供給量の制御性が低
下する、（ｄ）改質用水蒸気量増加により熱バランスが
不安定となる、（ｅ）改質用水蒸気量増加により排熱回
収用水蒸気が減少し総合効率が低下する等の問題を生じ
ることがないという利点がある。

【００６６】また、第２の発明によれば、第１のリサイ
クル配管に第１の流量制御弁や第１の遮断弁を設けたの
で、燃料極排ガスの改質装置へのリサイクルを適正に行
なうことができるようになる。

【００６７】また、第３の発明によれば、第１のリサイ
クル配管に第１のコンプレッサを設けたので、改質装置
や燃料電池本体での圧力損失が大きい場合に加圧して効
果的なリサイクルが実現できる。

【００６８】また、第４の発明によれば、燃料電池本体
の燃料極排ガスを脱硫装置にリサイクルする第２のリサ
イクル配管を設け、燃料極排ガスをリサイクルし、燃料
極排ガス中の水蒸気を改質用水蒸気として燃料の水蒸気
改質に再利用させるようにしたので、上記した第１の発
明と同様の効果に加えて、脱硫のために必要な水素の脱
硫装置への供給を第２のリサイクル配管が兼ねるため
に、構成がシンプルになるという利点がある。更に、第
５、第６の発明によれば、第２、第３の発明と同様の効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の燃料電池発電装
置の構成を示す系統図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態の燃料電池発電装
置の構成を示す系統図である。

【図３】従来の燃料電池発電装置の構成を示す系統図
である。

【符号の説明】

１：気化器、２：脱硫装置、３：エジェクタ、４：改質
装置、５：シフトコンバータ、６：空気ブロア、７：リ
ン酸型燃料電池本体、８：変換装置、９：凝縮器、１
０：気水分離器、１１：ヒータ用電源、１２：蒸発器、
１３：排熱利用システム、１４：液化プロパンガスのポ
ンプ、１５：補給水のポンプ、１６：制御装置、１７：
リサイクル配管、１８：燃料極排ガス配管、１９：（第
１の）リサイクル配管、２０：（第１の）コンプレッ
サ、２１：（第２の）リサイクル配管、２２：（第２
の）コンプレッサ、Ｓ１：流量センサ（又は圧力セン
サ）、Ｓ２、Ｓ３：液面センサ、Ｓ４、Ｓ５：温度セン
サ、Ｓ６：圧力センサ、Ｓ７：電圧センサ、Ｓ８：電流
センサ、Ｂ１〜Ｂ８：遮断弁、Ｃ１〜Ｃ９：流量制御
弁、Ｇ１：都市ガス、Ｇ２′：液化プロパンガス、Ｇ
２：プロパンガス。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料極と酸化剤極とが電解質を挟んで配置
されたセルを複数組積層してなる燃料電池本体と、燃料
と水蒸気を改質触媒上で反応させて水素リッチガスを生
成し前記燃料電池本体に反応ガスとして供給する改質装
置と、前記改質装置に複数の燃料を供給する燃料供給装
置と、前記複数の燃料を切り替える燃料切替え手段と、
前記複数の燃料の供給量を制御する燃料供給量制御手段
とを有する燃料電池発電装置において、前記燃料電池本体の燃料極排ガスを前記改質装置にリサ
イクルするための第１のリサイクル配管を設けたことを
特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】前記第１のリサイクル配管に、前記燃料極
排ガスのリサイクル量を制御する第１の流量制御弁、及
び／又は前記燃料極排ガスのリサイクルを遮断する第１
の遮断弁を設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃
料電池発電装置。
【請求項３】前記第１のリサイクル配管に、第１のコン
プレッサを設けたことを特徴とする請求項１又は２に記
載の燃料電池発電装置。
【請求項４】燃料極と酸化剤極とが電解質を挟んで配置
されたセルを複数組積層してなる燃料電池本体と、燃料
と水蒸気を改質触媒上で反応させて水素リッチガスを生
成し前記燃料電池本体に反応ガスとして供給する改質装
置と、前記改質装置に供給すべき燃料中の硫黄分を除去
する脱硫装置と、前記脱硫装置に複数の燃料を供給する
燃料供給装置と、前記複数の燃料を切り替える燃料切替
え手段と、前記複数の燃料の供給量を制御する燃料供給
量制御手段とを有する燃料電池発電装置において、前記燃料電池本体の燃料極排ガスを前記脱硫装置にリサ
イクルするための第２のリサイクル配管を設けたことを
特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項５】前記第２のリサイクル配管に、前記燃料極
排ガスのリサイクル量を制御する第２の流量制御弁、及
び／又は前記燃料極排ガスのリサイクルを遮断する第２
の遮断弁を設けたことを特徴とする請求項４に記載の燃
料電池発電装置。
【請求項６】前記第２のリサイクル配管に、第２のコン
プレッサを設けたことを特徴とする請求項４又は５に記
載の燃料電池発電装置。