JPS62264566A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、特に改質器の負荷変動等に対する温度変化を
防止した燃料電池発電システムに関する。

〔従来の技術〕

従来、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ＦＩ電池が知られている。

この燃料電池は通常、電ＷＩ質位を挟んで燃料極および
酸化剤極の一対の多孔質電極を配置すると共に、酸化剤
極の背面に水素等の燃料を接触させ、また酸化剤極の背
面に空気等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一対の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。

ところでこの種の燃料電池は、燃料電池で発電に使用す
る酸化剤としての空気を得るだめの空気処理装置と、同
じく燃料電池で発電に使用する燃料としての水素を得る
ための燃料改質装置とを備えて燃料電池発電システムを
構成していることが多い。

〔発明が解決しようとする問題点〕

かかる燃料電池発電システムで、第２図（２）の如く負
荷が増加した場合、それに応じて燃料電池の燃料極へ送
り込む供給量は、第２図υの実線の如く増加せねばなら
ない。そして、供給燃料の増加に伴い、原燃料の改質量
も増加されねばならない。

ところで、改質器中の改質反応は吸熱反応であり、反応
量を増加させるためにはより多くの熱量を必要とする。

改質に使われる熱量は、改質器上部のメインバーナーに
よって供給される。メインバーナーから供給される熱量
は、改質触媒チューブの外側から伝熱によって原燃料に
供給される。

このような熱供給方法をとっている改質器において、改
質反応が急激に増加した場合、改質反応に増加に伴う吸
熱量増加に対し供給熱用が追従されず、改質器を所定の
温度に維持できなくなる。

その結果、負荷増加によって、改質器中の温度は、第２
図（Ｃ）の如く変化する。図中に示した様に、１度下が
った温度が所定の温度に制御されるまで、所定温度以上
に上がったり、所定温度以下になったりするハンチング
を２〜３回繰り返し、所定温度で定常となる。

また、逆に第３図に）の如く負荷が急激に低下すると、
前述した現象の逆の現象が発生し、改質反応の低下によ
って原燃料へ供給する燃料が第３図υのように過剰とな
り、第３図（Ｃ）の如く改質器内の温度の上昇が発生す
る。そして、改質器内の温度が所定温度で定状となるま
で２〜３回の前述したヘンチングが発生する。

この様に改質器の温度が変化すると、下記の如き問題が
生じる。改質器の温度が低下すると、改質される原燃料
が低下し、改質燃料制御弁の上流側の圧力が低下する。

ところで、改質器へ原燃料を供給する原燃料制御弁とス
チーム制御弁は、上記圧力が低下に伴い、改質器へ原燃
料とスチームの混合ガスを供給する方向に作動する。そ
のため、燃料電池へ送られる燃料中の燃料電池に必要と
される燃料濃度が低正し、燃料電池の燃料利用率（必要
燃料と供給燃料の比）が増加する問題が生じる。また逆
に、改質器中の温度が上昇すると、改質触媒チューブが
過熱され、破損の原因となる問題がある。特に、通常改
質触媒チューブのバーナーに近いところは、１ｏｏｏ℃
近くまで加熱されており、これがざらに上昇すると、改
質触媒、チ；ユーブの使用限界温度を越える恐れもある
。

本発明の目的は、負荷の急激な変化に対し、急激な改質
反応の変化を生じさせることなく、燃料電池への供給燃
料を負荷に応じて変化させ、その結果として、改質器内
の温度の所定温度からのずれを防止することが可能な燃
料電池発電システムを提供することにある。

〔問題点を解決するための手段および作用〕本発明によ
る燃料電池発電システムは、燃料電池と燃料改質器とを
備え、燃料電池の燃料極側から排出される余剰燃料を燃
料改質器内に導入して原燃料の改質燃料源として用いる
燃料電池システムにおいて、前記原燃料改質器と燃料電
池との間の配管系に燃料電池へ供給する燃料の一部を貯
えかつ必要に応じて燃料電池へ向って排出することので
きる燃料貯蔵容器を設けたことを特徴とするものである
。

本発明においては、負荷変動に対応して燃料貯蔵容器内
の燃料を燃料電池への燃料供給系に出し入れし、急激な
改質反応の変化を生じさせないようにするものである。

〔実施例〕

以下本発明を第１図に示す実施例について説明する。本
発明による燃料電池発電システムは、図示のように燃料
電池１と燃料改質器２とを備え、燃料電池１の燃料極側
から排出された余剰燃料を原燃料の改質燃料源として用
いるよう構成されている。

すなわち、燃料改質器２の改質触媒チューブ３には、天
然ガスまたは石炭ガス等の化石燃料よりなる原燃料４が
原燃料制御弁５を介して管６を通して供給されている。

原燃料４は燃料改質器２で加熱されて改質反応され、管
７を通して燃料電池１の燃料極１Ａへ改質燃料制御弁８
を介して導かれる。

燃料電池１の燃料極１Ａを出た燃料排気ガスは、管９を
通って燃料改質器２のメインバーナ１０から送りこまれ
る。そしてメインバーナ１０へ送られた燃料排気ガスは
、燃料改質器２内で燃焼し、改質触媒チューブ３を加熱
したのちに高温排がスとして排出される。

燃料電池１は、燃料＠１Ａの水素と酸化剤極１Ｂ内に管
１２で供給されて管１３で排出される酸素との反応によ
って酸化剤極１Ｂがカソード極、燃料極１Ａかアノード
極となるように電気エネルギーを発生し、その両電極Ｉ
Ａ、１Ｂの間に接続された電気負荷１１に発生した電気
エネルギーを供給する。

しかして、本発明においては燃料改質器２の改質触媒チ
ューブ３と燃料電池１の燃料極１Ａとを接続した管７の
途中に設けた改質燃料制御弁８にバイパスして燃料貯蔵
容器１４を設けたことを特徴とするものである。すなわ
ち、制御弁８の上流側と燃料貯蔵容器１４との間を図示
のように貯蔵容器１４への流通を許容する逆止弁１５と
燃料貯蔵調節弁１６とを有する管１７で接続し、また制
御弁８の下流側と燃料貯蔵容器１４との間を図示のよう
に貯蔵容器１４からの流通を許容する逆止弁１８と燃料
貯蔵調節弁１９とを有する管２０で接続したものである
。

この燃料貯蔵容器１４に貯えられる燃料口は、燃料電池
発電システムが運転されている状態、すなわち燃料電池
発電システムにかせられている負荷量に応じて、第４図
のように変化させる。

次に本発明による燃料電池発電システムの作動を説明す
る。第１図において、燃料電池１の負荷が増加して、今
、ΔＦｏなる燃料口の増加を必要とするとき、負荷増加
の信号子Ｓを改質燃料調節弁８と燃料貯蔵容器１４から
の燃料取出し調節弁１９に送り、燃料増加の対応をとる
。

改質燃料調節弁８の開度が上がることによって、増加す
る供給燃料増加分をΔＦ１、燃料貯蔵容器１４から取出
される燃料をΔＦ２とすると、ΔＦ。

は、ΔＦ１＋ΔＦ２で示される。

燃料増加の信号Ｓは、究極的にΔＦｏ＝ΔＦ１とするの
だが、はじめΔＦｏ＝ΔＦ２とし、改質器２の温度に変
化を帰さない程度の速度でΔＦ。

＝ΔＦ１へとΔＦ１社を増加させ、それに伴いΔＦ２を
減少させてΔＦ２＝Ｏとする。燃料取出し調節弁１９が
開いて燃料を取出すとき燃料貯蔵用調節弁１６は全開と
し、燃料貯蔵容器１４が改質燃料調節弁８の上流側に与
える影響を防止する。

一方、燃料電池１の負荷が減少して、今ΔＦ６なる燃料
量の減少を必要とするとき負荷減少の信号−８を改質燃
料調節弁８と燃料貯蔵用ｉｓ弁１６へ送って、燃料減少
の対応をとる。

改質燃料調節弁８の開度が下がることによって減少する
燃料量ΔＦイとし、燃料貯蔵用調節弁１６により、燃料
貯蔵容器１４に送、られる燃料量をΔＦｉとし、また、
そのとき改質されている燃料量をＦとすると、負荷減少
の信号−８を受けて、改質燃料調節弁８の開度が下がり
、ΔＦ６の燃料がしぼられ、すなわちΔＦイ＝ΔＦ６と
され、Ｆ＝Ｆ−ΔＦイ＋ΔＦ壬となるように燃料貯蔵用
調節弁１６が開けられる。

改質燃料調節弁８によって、燃料をしぼったにもかかわ
らず、改質される燃料が減少しない場合、改質燃料調節
弁８上流側の圧力は増加する。燃料貯蔵容器１４へ燃料
を送り込む駆動力にこの圧力を利用する。そして、改質
器２に温度の変化が帰さない様に、ΔＦｉを徐々に減少
させ、ΔＦｉ、＝Ｏとする。

また、改質器２の温度調節も、直接改質燃料調節弁８の
みに動きかけるのではなく、上述した負荷変動同様に、
温度が下降したら負荷が増加したのと同様に、温度が上
昇したら負荷が減少したのと同様に、燃料貯蔵容器１４
を利用する。

以上説明したような作用により、負荷変化によ　　−る
燃料電池１への燃料供給機変化を直接、改質量変化へ対
応させず、燃料供給機変化よりゆっくり改質口を変化さ
せることによって、改質量変化が、改質器２の温度に影
響を与えることなく、変化させることができる燃料電池
発電システムを提供できる。

上記実施例では、燃料貯蔵容器１４を用いて、問題点を
解決したが、改質燃料調節弁８上流側に、緩衝用の容器
を設けて、負荷変動に応じた原燃料の改質量変化速度を
緩和させて改質器２の温度に影響を与えることなく、改
質量を変化させることができる。

（発明の効果〕 以上のように本発明によれば、原燃料改質器と燃料電池
との間の配管系に設けた燃料貯蔵容器を合理的に運用す
ることにより、負荷変動時等に発生ずる原燃料の改質量
変化による改質器の温度変化を防止することができ、燃
料供給能力化に対応して燃料貯蔵容器中の燃料を出し入
れして燃料電池への供給燃料を負荷に応じて変化させ、
改質器内の温度を所定値からずれることを防止すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃料電池発電システムの一実施例を示
す系統図、第２図および第３図は燃料電池の負荷の変化
とそれに対応する供給ガス量および温度の変化を示す特
性図、第４図は燃料貯蔵容器の燃料供給能力と燃料電池
の負荷との関係を示す特性図である。 １・・・燃料電池　　　　　１Ａ・・・燃料極１Ｂ・・
・酸化剤極　　　　２・・・燃料改質器３・・・改質触
媒チューブ　４・・・原燃料６、７．９．１２．１３・
・・配管系 ８・・・改質燃料制御弁　　１４・・・燃料貯蔵容器１
５、１８・・・逆止弁　　　　１６・・・燃料貯蔵用制
御弁１９・・・燃料取出用制御弁　１１・・・電気負荷
代理人　弁理士　猪　股　祥　晃 （ほか１名） 第１図 ０　　　　　　　　　５Ｑ　　　　　　　　　　１００
゛又を帆岸４１でテ】へ二１［（・ん）第４図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃料電池と燃料改質器とを備え、燃料電池の燃料
   極側から排出される余剰燃料を燃料改質器内に導入して
   原燃料の改質燃料源として用いる燃料電池システムにお
   いて、前記原燃料改質器と燃料電池との間の配管系に燃
   料電池へ供給する燃料の一部を貯えかつ必要に応じて燃
   料電池へ向って排出することのできる燃料貯蔵容器を設
   けたことを特徴とする燃料電池発電システム。
2. （２）燃料貯蔵容器は原燃料改質器と燃料電池との間の
   配管系に設けた改質燃料制御弁の上流側と燃料貯蔵容器
   に向う流通を許容する逆止弁および燃料貯蔵用制御弁を
   有する管系で接続され、かつその改質燃料制御弁の下流
   側と燃料貯蔵容器から流出するのを許容する逆止弁およ
   び燃料取出用制御弁を有する管系で接続されたことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の燃料電池発電シス
   テム。