JPH01265462A - 燃料電池発電システムにおける改質装置の温度制御方法 - Google Patents

燃料電池発電システムにおける改質装置の温度制御方法

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JPH01265462A
JPH01265462A JP63093068A JP9306888A JPH01265462A JP H01265462 A JPH01265462 A JP H01265462A JP 63093068 A JP63093068 A JP 63093068A JP 9306888 A JP9306888 A JP 9306888A JP H01265462 A JPH01265462 A JP H01265462A
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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〕 この発明は、炭化水素、アルコール等の原燃料を水素リ
ッチな燃料ガスに改質する水蒸気改質器を備えた燃料電
池発電装置における負荷変動に対する改質触媒層温度の
制御方法に関する。
〔従来の技術〕
原燃料の水蒸気改質工程を含む燃料電池発電装置におい
ては、燃料電池本体がその電気出力側の負荷変動に追従
しうる連応性を有するのに対し、水蒸気改質工程の反応
速度が遅く、その結果負荷の急増に対して燃料!池本体
が燃料ガス不足となり、その出力電圧が低下するととも
に、各単電池が保持する電解液中で水の加水分解が発生
し、これが原因で燃料電池の劣化が促進されるという問
題が生ずる。このような状況に鑑みて負荷変動に対する
水蒸気改質工程の連応性をいかく高めるかが重要視され
る。
水蒸気改質器の改質触媒層における改質反応は、原燃料
がメタン(CH4)の場合ニッケル系触媒を用いて次の
反応式で表わされる。
CH4+ H20X CO+ 3 H2(Hr=−49
−27Kayl)  ・”(1)CO+H20:  C
02+ H2 (Hr = 9 、8 K tnl ) −(2)(1
)式に示す改質反応は吸熱反応であシ、改質器のバーナ
で燃焼熱を補給しつつ約800℃ないし900℃の高温
を保持することによジメタンの転化率を高めるよう構成
される。またメタン中の炭素原子のモル数に対する水の
モル数の比(H20/CH4)  を水蒸気比とよび、
上記改質反応に必要な水蒸気比2よシ大きい3以上に保
持して発電運転が行われる。
一方、原燃料がメタノール(CH30H)である場合の
反応式は次式のようになシ、銅系触媒を用いて約200
℃ないし300℃で行われる。
CH30H+ H2o; co、 +3H。
(Hr=−11、9Kal ) ・・・(3)(3)式
で示す改質反応は吸熱反応であシ、水蒸気改質器のバー
ナから燃焼熱が補給される。また、水蒸気比は通常1.
3ないし2.0程度に保持される。
第3図は原燃料としてメタノールを用いた従来装置にお
ける触媒層温度と負荷変動との関係を示す特性線図であ
シ、最初軽負荷で触媒層の設定温度的260℃を保持し
て発電運転していた燃料電池発電装置の負荷が時刻t1
 で重負荷に変化すると、燃料消費にバーナの供給熱エ
ネルギーが追つかないために触媒層温度は一旦約210
℃程度にまで低下し、その後も原温度に回復しない。ま
た、時刻t2で元の軽負荷状態に戻った場合には改質器
の熱慣性によって触媒層温度がその設定温度を超えて大
きくオーバーシュートする。
〔発明が解決しようとする課題〕
前述の従来装置において、負荷の急増に基づく触媒層温
度の低下は改質ガスの発生量の低下をまねき、燃料電池
の発電量の増加を益々遅らせる原因となる。また、負荷
の急減に基づく触媒温度の上昇は発熱反応であるCo変
成を悪化させ、改質ガス中のCO濃度が増すことによシ
燃料電池本体の白金触媒にCO被毒による出力電圧低下
などの悪影響を及ぼすばかQでなく、触媒の寿命特性の
低下が促進される。
この発明の目的は、急激な負荷変動に対して改質触媒層
の温度変化が少く、したがって負荷変動に対する追従性
の早い燃料電池発電装置の制御方法を得ることにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記課題を解決するために、この発明方法によれば、炭
化水素、アルコール等の原燃料を水蒸気改質装置によシ
水素リッチな燃料ガスに改質して燃料電池本体に供給し
酸化剤ガスとの電気化学反応に基づいて発電を行うもの
において、前記燃料電池本体の負荷変動の検知信号と前
記水蒸気改質装置の改質触媒層の温度とに基づいて水蒸
気比に対応する水と原燃料との混合比を求める水蒸気比
演算部を具備し、この水蒸気比演算部の出力制御信号に
基づき前記負荷の増加時には水蒸気比を下げ、負荷の減
少時には水蒸気比を上げることにより前記改質触媒層の
温度変化を抑制することとする。
〔作用〕
上記手段において、燃料電池の負荷変動およびこれに基
づく改質触媒層の温度変化を検知して水蒸気比を求める
水蒸気比演算部の出力信号に基づき、負荷の増加時には
水の供給を抑さえて水蒸気比を定常時のそれより下げる
よう構成したことによフ、顕熱および潜熱の大きい水を
気化し、蒸気温度を改質触媒層温度にまで加熱するに要
する予熱エネルギーが水蒸気比の低下分に相応して低減
され、したがって水蒸気改質器の消費熱エネルギーが減
ることにより負荷の急増に伴う改質触媒層温度低下が大
幅に縮減される。また、負荷が急減したとき水蒸気比が
増加するよう制御したことによシ、水蒸気の予熱エネル
ギーが増し、改質系の熱慣性に基づいて生ずる改質触媒
層温度のオーバーシュートが排除される。
〔実施レリ〕 以下この発明方法を実施例に基づいて説明する。
第1図はこの発明の実施例方法を説明するための燃料電
池発電装置の概略システム70−図であシ、原燃料とし
てメタノールを用いた装置の例を示したものである。図
においては、1は燃料電池本体(以下燃料電池とよぶ)
、4はメタノール水蒸気改質器(以下単に改質器とよぶ
)であり、水供給ポンプ10およびメタノール供給ポン
プ11で所定の水・メタノール混合比に調整された混合
液は気化器9で気化され、改質器4の予熱器4Aで触媒
層5の作動m度に予熱され、触媒層5で改質されて水素
リッチな燃料ガスとして燃料電池1に供給される。燃料
!池1では燃料ガス、反応空気プロワ15を介して送ら
れる反応突気、および電極触媒層との電気化学的反応に
より発電が行われる。発電によって生じた発生熱は冷却
空気プロワ14を介して供給される冷却空気によシ冷却
され、その排熱が気化器9の気化熱供給源として利用さ
れ、また残存水素を含む使用済燃料ガスは改質器4のバ
ーナ4Bにリサイクルされて燃焼し、その燃焼熱が混合
ガスの予熱器4Aおよび改質反応の熱源として利用され
る。また、バーナ4Bにはポンプ12および13を介し
て空気およびメタノールが供給され、負荷変動に応じて
増減する反応熱が補給されるとともに、その燃焼排ガス
は気化器9に導かれて気化熱を補給する。
一方、燃料電池1の出力回路19には負荷電流の検出器
2が設けられ、その出力は変換器6で所定の信号レベル
に調整されて水蒸気比演算部としての水・メタノール比
演算部7に入力される。また触媒層5の実際温度はm度
検出器6によって検出され、変換器3Bで所定の信号レ
ベルに調整された抜水・メタノール比演算部7に入力さ
れる。
水・メタノール比演算部7では負荷電流に対応した水・
メタノール比が計算されるとともに、触媒層温度の冥際
値と設定値との偏差に基づいて水・メタノール比を補正
する計算が行われる。すなわち、負荷が比較的小さい時
には水・メタノール比を大きくする計算値が得られ、こ
れに基づいて制御電源8Aを介して水供給ボンダ1oK
水の供給量を増す指令が出され、制御電源8Bを介して
メタノール供給ポンプ11にメタノールの供給量を絞る
指令が出されることによシ、水・メタノール比が大きく
なシ、シたがって気化器9および予熱器4Aの消費熱エ
ネルギーが増すことKより触媒層5の過度の温度上昇が
抑制される。また、負荷が比較的大きい時には水・メタ
ノール比を/J%さくする計算値が得られ、メタノール
の供給量が増し、水の供給量が減少することによシ、気
化器および予熱器の消費熱エネルギーの過度の増大が抑
制され、したがって触媒層5への改質反応に必要な熱エ
ネルギーの供給が容易化され、触媒層温度の低下が阻止
される。さらに、触媒層温度の実際値がその設定値より
低い場合には水・メタノール比演算部7における水・メ
タノール比の計算値が小さい側に補正され、逆に実際値
の方が高い場合には水・メタノール比計算値が大きい側
に補正されるととKよシ、負荷変動に伴なって生ずる触
媒層温度の変化はより効果的に抑制される。
第2図は実施例方法に基づいて得られた触媒層温度およ
び水・メタノール比特性線図であシ、水・メタノール比
演算部7が時刻t1で負荷の急増を検知して水・メタノ
ール比を下げる指令を行うことにより触媒層温度の低下
は第3図に示す従来技術のそれに比べて著しく抑制され
る。また時刻t2で負荷の急減を検知して水・メタノー
ル比を上げる指令を行うことにより、触媒N温度のオー
バーシュートは従来技術のそれに比べて著しく抑制され
る。このように負荷の変動に対する触媒層温度の変化が
縮減されることによシ、触媒層は負荷変動に関わシなく
好適な改質反応温度および改質率を保持し、かつ電極触
媒を被毒する一酸化炭素を含まない燃料ガスを供給する
ことが可能となる。
また、水とメタノールの混合ガスそのものが負荷変動に
基づく触媒層の温度変化を抑制する機能をはたすので、
バーナ4Bの燃焼熱制御に比べて負荷変動に対して早い
応答速度が得られる。
なおメタンを原燃料とする燃料電池発電装置にこの発明
方法を適用した場合においても、前述の実施例とほぼ同
様の作用効果が得られる。
〔発明の効果〕
この発明方法は前述のように、燃料を池の負荷変動およ
び改質触媒層温度に基づいて水蒸気比に対応する水と原
燃料の混合比を求め、負荷の増加時には水の混合割合を
下げ、負荷の減少時には水の混合割合を増すよう構成し
た。その結果、負荷の急増時に改質触媒層温度が低下す
るという従来技術の問題点は水蒸気の予熱に要する熱エ
ネルギーが水蒸気比の低減によって減少することによシ
排除され、負荷の急減時に改質触媒層温度にオーバーシ
ニートヲ生ずるという問題点は水蒸気比を上げることに
よる予熱エネルギーの増加により抑制されるので、負荷
の増減による改質触媒層の温度変化が少く、シたがって
負荷の変動に対する追従性のよい制御性能を有する燃料
電池発電装置を提供することができる。また、改質触媒
層温度の変動が抑制されることにより、改質ガス組成を
安定化できる利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の実施例方法を説明するため−の燃料
電池発電装置のシステム70−図、第2図は冥施例方法
における改質触媒/−m度および水・メタノール比を示
す特性線図、第3図は従来装置における改質触媒層温度
変化を示す特性線図である。 1・・・燃料!池水体、2・・・電流検出器、4・・・
水蒸気改質器、5・・・改質触媒層、6・・・温度検出
器、7・・・水蒸気比演算部、8A 、3B・・・制御
電源、9・・・気化器、10・・・水供給ポンプ、11
.13・・・メタノール(原燃料)供給ポンプ、4A・
・・予熱器、4B・・・バーナ、14,15.12・・
・空気プロワ、19・・・出力回路。 第1図 第2図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1)炭化水素、アルコール等の原燃料を水蒸気改質装置
    により水素リッチな燃料ガスに改質して燃料電池本体に
    供給し酸化剤ガスとの電気化学反応に基づいて発電を行
    うものにおいて、前記燃料電池本体の負荷変動の検知信
    号と前記水蒸気改質装置の改質触媒層の温度とに基づい
    て水蒸気比に対応する水と原燃料との混合比を求める水
    蒸気比演算部を具備し、この水蒸気比演算部の出力制御
    信号に基づき前記負荷の増加時には水蒸気比を下げ、負
    荷の減少時には水蒸気比を上げることにより前記改質触
    媒層の温度変化を抑制することを特徴とする燃料電池発
    電装置の制御方法。
JP63093068A 1988-04-15 1988-04-15 燃料電池発電システムにおける改質装置の温度制御方法 Expired - Lifetime JPH07105240B2 (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2803773A1 (fr) * 2000-01-19 2001-07-20 Bosch Gmbh Robert Dispositif de preparation d'un melange reactif pour un catalyseur de reforme d'un dispositif de pile a combustible et procede de mise en oeuvre
US6585785B1 (en) * 2000-10-27 2003-07-01 Harvest Energy Technology, Inc. Fuel processor apparatus and control system
JP2005047791A (ja) * 2003-04-24 2005-02-24 Matsushita Electric Ind Co Ltd 水素生成装置及びこれを備える燃料電池システム

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58133784A (ja) * 1982-02-01 1983-08-09 Hitachi Ltd 燃料電池発電プラント制御システム

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