JPS6191879A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は燃料電池発電システムに係り、特に負荷変動に
対する応答性の向上を図り得るようにした燃料電池発電
システムに関する。

［発明の技術的背景とその問題点コ 近年、燃料の有しているエネルギーを直接電気的エネル
ギーに変換するものとして燃料電池発電システムが知ら
れている。この燃料電池発電システムは通常、電解質を
挾んで一対の多孔質電極を配置して燃料電池を構成する
と共に、一方の電極の背面に水素などの燃料を接触させ
、また他方の電極の背面に空気などの酸化剤を接触させ
、このとき起こる電気化学的反応を利用して、上記電極
間から電気エネルギーを取出すようにしたものであり、
上記燃料と酸化剤が供給されている限り高い変換効率で
電気エネルギーを取出すことができるものである。

第３図は、従来から考えられているこの種の燃料電池発
電システムの構成例をブロック図にて示したものである
。図において１は改質器で、内部に改質反応触媒層２が
設けられた断面環状の複数本の改質管３（図では１本の
み示している）と、燃焼ガスライン４および燃焼空気ラ
イン５１を通して供給される燃焼用ガスおよび燃焼用空
気を燃焼させる主バーナ６とを備えて成る。また、７は
炭化水素系の原料ガス（メタン等の天然ガス）に水蒸気
を混合した混合ガスを供給するための原料ガスラインで
、この混合ガスを上記改質管３の内側に導入する。そし
て、上記主バーナ６での燃焼で得られた高温加熱ガスを
改質管３の外側を通過させることにより、水蒸気改質反
応によって上記原料ガスを改質ガスに改質し改質ガスラ
イン８を介して送出するようにしている。一方、９は図
示しない電解質を挾んで燃料極９１および酸化剤極９２
の一対の多孔質電極を配置してなる燃料電池であり、燃
料極９１の背面に一上記改質ガスライン８を通して供給
される改質ガスを燃料として接触させ、また酸化剤Ｉ！
ｌ！９２の背面に空気ライン１０を通して供給される空
気を酸化剤として接触させ、このとき起こる電気化学的
反応を利用して各電極９１．９２間から電気エネルギー
を取出すようにしている。そして、この燃料電池９で空
気と反応した改質ガスは燃料排ガスとして上記燃焼ガス
ライン４を介して改質器１の主バーナ６へ供給するよう
にしている。さらに、上記改質器１内には燃焼用原料ガ
スライン１１および燃焼用空気ライン５２を通して供給
される天然ガス等の燃焼用原料ガスおよび燃焼用空気を
燃焼させる補助バーナ１２を設けている。ここで補助バ
ーナ１２は、システムの起動時に改質器１内の温度を水
蒸気改質反応に必要な温度まで欝渇するためのものであ
る。

さてかかる燃料電池発電システムにおいて、改質器１に
おける水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、外部から
熱を供給する必要がありこれを燃焼により補なっている
。そして改質器１には、燃焼させるためのバーナが複数
設置されている。主要なバーナは主バーナ６で、ここで
は燃ＦＩＮ池スタック９の燃料極９１出ロ排気ガス中の
未反応の水素ガスを燃焼させる。その他は補助バーナ１
２で、ここでは主として天然ガス等の原料ガスを燃料と
している。この補助バーナ１２の役目は、システムの起
動時において改質器１内の温度を水蒸気改質反応に必要
な濃度まで昇温するためのものである。なお点火時の火
源として、図示しないパイロットバーナも通常設置され
ている。

然乍ら、改質器１の主バーナ６は燃料電池９の排燃料を
燃焼するようにしているため、燃料電池９の出力の増減
つまり負荷変動に大きく影響される。特に、燃料電池９
の出力がステップ的に変化した時に、改質器１の改質温
度の応答時間に遅れを生ずる。かかる現象を第４図によ
り説明すると、燃料電池９の出力が増加するとその出力
に相当する燃料（改質ガス）の流ｉが増加する。そして
。

この燃料流−が増加すると改質ガスの圧力が低下するの
で、その圧力を復帰すべく改質用の原料ガスの量が増加
する。この順序で、改質ガスが増量されていく。しかし
この時、主バーナ６の燃焼−は逆に減少することになる
。その理由は、燃料電池９の出力が増加したことによっ
て、燃料中の水素ガスが多−に消費され、主バーナ６へ
戻る熱−が減少するためである。この結果、改質反応触
媒層２の温度が下がり改質反応が低下する。燃料電池９
の出力変化はほぼ瞬間に完了するが、改質器１の応答は
上記の如く遅れるため、燃料電池発電システム負荷変動
に対する応答特性は、この改質器１の改質温度の応答時
間に左右されることになる。

［弁明の目的］ 本発明は上記のような問題を解決するために成されたも
ので、その目的は改質器における改質温度の応答時間遅
れをなくしてシステムの負荷変動に対する応答性を向上
させることが可能な燃料電池発電システムを提供するこ
とにある。

［発明の概要コ 上記目的を達成するために本発明では、内部に改質反応
触媒層が設けられた改質管の内側に原料ガスおよび水蒸
気の混合ガスを導入すると共に、上記改質管の外側に燃
焼用ガス、燃焼用空気を主バーナで燃焼して得られた高
温加熱ガス、および燃焼用原料ガス、燃焼用空気を補助
バーナで燃焼して得られた加熱ガスを通過させることに
より上記混合ガスを改質ガスに改質する改質器と、この
改質器で得られた改質ガスを燃料として燃料極に導入す
ると共に空気を酸化剤として酸化剤極に導入し、これら
を電気料学的に反応させて発電を行ない、かつこの発電
に使用した後の燃料を上記改質器のバーナへの燃焼用ガ
スとして排出する燃料電池と、上記主バーナへの燃焼用
ガスの供給ラインに通じるように設けられ当該ラインに
未改質の原料ガスを燃焼用として供給する未改質ガスラ
インと、上配未改貿ガスライン上または上記補助バーナ
への燃焼用原料ガスの供給ライン上のいずれか一方に設
けられた制御弁と、上記改質器内の改質管の温度を検出
する温度検出器と、この温度検出器により検出された検
出温度信号を入力してこれを予め規定された改質温度信
号と大小関係を比較し、かつこの比較結果に応じて上記
検出温度が規定改質温度となるように上記制御弁の弁開
度を制御する制御器とを具備して成ることを特徴とする
。

［発明の実施例コ 以下、本発明を図面に示す一実施例について説明する。

第１図は、本発明による燃料電池発電システムの構成例
をブロック図にて示したもので、第３図と同一部分には
同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点
についてのみ述べる。

つまり、第１図において１３は前記主バーナ６への燃焼
用ガスを供給する燃焼ガスライン４に通じるように設け
られ当該ライン４に未改質の原料ガスである天然ガスを
燃焼用ガスとして供給する未改質ガスライン、１４はこ
の未改質ガスライン１３上に設けられた制御弁、１５は
前記改質器１内の改質管３の管表面または改質反応触媒
層２の温度を検出する温度検出器、１６はこの温度検出
器１５により検出された検出温度信号Ｔを入力してこれ
を予め規定された改質温度信号Ｔ８とその大小関係を比
較し、かつこの比較結果に応じて上記検出温度Ｔが規定
改質温度Ｔｏとなるように上記制御弁１４の弁開度を制
御する制御器を夫々示すものである。

かかる燃料電池発電システムにおいては、改質器１内の
改質管３の管表面または改質反応触媒層２の温度が温度
検出器１５によって検出され、この温度検出器１５によ
り検出された検出温度信号Ｔは制御器１６に入力される
。するとこのＩ１１制御器１６では、上記検出温度信号
■を規定改質濃度信号Ｔｏとその大小関係を比較し、こ
の比較結果に応じて上記検出温度Ｔが規定改質温度Ｔｏ
となるように上記制御弁１４の弁開度を制御すべく制御
信号が出力される。

以下これを具体的に述べると、燃料電池９の出力増加に
より、前述した過程で改質器１へ流入する原料ガスおよ
び水蒸気が増量される。しかし、主バーナ６の燃焼量は
瞬時に増−されないため、改質管３の表面温度または改
質反応触媒層２の温度が低下する。すると、この温度が
温度検出器１５で検知され、制御器１６により制御弁１
４を「開」として未改質の原料ガス流量が制御される。

そして、制御弁１４よりの未改質の原料ガスは、燃料電
池９の燃焼ガスライン４に合流して主バーナ６により燃
焼する。また図示は省略しているが、主バーナ６へ燃焼
空気ライン５１を通して流入する空気の量は、添加され
た未改質の原料ガスを燃焼させるのに必要な鏝が増量す
ることも同時に行なわれる。一方、時間が経過して燃料
電池９よりの排燃料が改質に十分な量になると、改質温
度が上昇し始めるので、制御器１６により制御弁１４を
「閉」として未改質の原料ガスの添加は停止することに
なる。

上述したように本実施例の燃料電池発電システムは、内
部に改質反応触媒層２が設けられた改質管３の内側に原
料ガスおよび水蒸気の混合ガスを導入すると共に、上記
改質気管３の外側に燃焼用ガスおよび燃焼用空気を主バ
ーナ６により燃焼して得られた高温加熱ガス、および燃
焼用原料ガス。

燃焼用空気を補助バーナ１２で燃焼して得られた加熱ガ
スを通過させることにより上記混合ガスを改質ガスに改
質する改質器１と、この改質器１で得られた改質ガスを
改質ガスライン８を介し燃料として燃料ｌ１９１に導入
すると共に空気を酸化剤として酸化剤極９２に導入し、
これらを電気化学的に反応させて発電を行ない、かつこ
の発電に使用した後の燃料を上記改質器１への燃焼用ガ
スとして排出する燃料電池９と、上記主バーナ６への燃
焼用ガスの供給ライン４に通じるように設けられ当該ラ
イン４に未改質の原料ガスを燃焼用ガスとして供給する
未改質ガスライン１３と、この未改質ガスライン１３上
に設けられた制御弁１４と、上記改質器１内の改質管３
の表面湿度または改質反応触媒層２の温度を検出する温
度検出器１５と、この温度検出器１５により検出された
検出温度信号Ｔを入力してこれを予め規定された改質温
度信号Ｔｏ　とその大小関係を比較し、かつこの比較結
果に応じて上記検出温度Ｔが規定改質温度Ｔｏ　となる
ように上記制御弁１４の弁開度を制卸する制御器１６と
から構成するようにしたものである。

従って、前述したような従来の問題点である所の改質器
１の負荷急増時の温度低下の坦象を、外部から未改質の
原料ガスを燃料として添加することにより、最少限にお
さえることが可能となる。

これにより、燃料電池発電システムの特徴の一つである
負荷変動に対する応答性の良さをより一層向上させるこ
とができ、応答時間遅れを殆んどなくしつつ目的とする
負荷変動に追従することが可能となる。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、例
えば第２図に示す如く改質管３の表面温度または改質反
応触媒層２の温度低下を温度検出器１５により検出した
場合、制御器１６により制御弁１４を「開」とし、昇温
用に使用した補助バーす１２への未改質の原料ガスの供
給を行なって補助バーナ１２での燃焼を再開するように
してもよい。そしてこの場合には、同様に補助バーナ１
２への燃焼用空気の流入もあわせて行なわれる。

また、時間が経過して主バーナ６の燃焼量が十分に増加
した後の制御動作は前述と同様である。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、主バーナへの燃焼
用ガスの供給ラインに通じるように設けられ当該ライン
に未改質の原料ガスを燃焼用ガスとして供給する未改質
ガスラインと、−上記未改質ガスライン上または上記補
助バーナへの燃焼用原料ガスの供給ライン上のいずれか
一方に設けられた制御弁と、上記改質器内の改質管の温
度を検出する温度検出器と、この温度検出器により検出
された検出温度信号を入力してこれを予め規定された改
質濃度信号と大小関係を比較し、かっこの比較結果に応
じて上記検出温度が規定改質温度となるように上記制御
弁の弁開度を制御する制御器とを従来システムに付加し
て構成するようにしたので、改質器における改質温度の
応答時間遅れをなくしてシステムの負荷変動に対する応
答性を向上させることが可能な極めて信頼性の高い燃料
電池発電システムが提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック構成図、第２
図は本発明の他の実施例を示すブロック図、第３図は従
来の燃料電池発電システムを示すブロック構成図、第４
図は改質器の負荷変動時の状態を示す特性図である。 １・・・改質器、２・・・改質反応触媒層、３・・・改
質管、４・・・燃焼ガスライン、５１．５２・・・燃焼
空気ライン、６・・・主バーナ、７・・・原料ガスライ
ン、８・・・改質ガスライン、９・・・燃料電池、９１
・・・燃料極、９２・・・酸化剤極、１０・・・空気ラ
イン、１１・・・燃焼原料ガスライン、１２−・・補助
バーナ、１３・・・未改質ガスライン、１４・・・制御
弁、１５・・・温度検出機器、１６・・・制卸器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 内部に改質反応触媒層が設けられた改質管の内側に原料
   ガスおよび水蒸気の混合ガスを導入すると共に、前記改
   質管の外側に燃焼用ガス、燃焼用空気を主バーナで燃焼
   して得られた高温加熱ガスおよび燃焼用原料ガス、燃焼
   用空気を補助バーナで燃焼して得られた加熱ガスを通過
   させることにより前記混合ガスを改質ガスに改質する改
   質器と、この改質器で得られた改質ガスを燃料として燃
   料極に導入すると共に空気を酸化剤として酸化剤極に導
   入し、これらを電気化学的に反応させて発電を行ない、
   かつこの発電に使用した後の燃料を前記改質器の主バー
   ナへの燃焼用ガスとして夫々排出する燃料電池と、前記
   主バーナへの燃焼用ガスの供給ラインに通じるように設
   けられ当該ラインに未改質の原料ガスを燃焼用ガスとし
   て供給する未改質ガスラインと、前記未改質ガスライン
   上または前記補助バーナへの燃焼用原料ガスの供給ライ
   ン上のいずれか一方に設けられた制御弁と、前記改質器
   内の改質管の温度を検出する温度検出器と、この温度検
   出器により検出された検出温度信号を入力してこれを予
   め規定された改質温度信号と大小関係を比較し、かつこ
   の比較結果に応じて前記検出温度が規定改質温度となる
   ように前記制御弁の弁開度を制御する制御器とを具備し
   て成ることを特徴とする燃料電池発電システム。