JPH0256866A - 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、二種類以上の燃料を切り替えて使用する燃料
電池発電システム、特に燃料切替時の出力変動が少ない
燃料電池発電システムに関するものである。

（従来の技術） 従来の燃料電池発電システムでは第３図に示すように、
都市ガスなどの比較的入手確保が容易な化石燃料Ａ（ア
ルファベットで示す符号は燃料等及びその経路等を指示
する。以下他も同様とする。）を常用燃料をして用いて
いる。常用の化石燃料Ａは熱交換器１で昇温された後、
脱硫装置２で改質触媒及び燃料種触媒の被毒の原因とな
る硫黄が除去される。触媒が硫黄で被毒されると、改質
装置６の効率が低下するとともに、燃料電池全体の効率
も低下する。なお、化石燃料Ａがメタノールのように硫
黄を含んでいない場合は、この脱硫過程はいらない、脱
硫ガスは、蒸気発生器２０からの水蒸気Ｇと混合され熱
交換器３でさらに昇温された後、改質装置６の反応部４
に流入し、水素を多量に含むガスに改質される。この燃
料ガスは熱交換器７で降温された後、シフトコンバータ
８に流入し、電池本体１２の燃料極触媒の被毒を防ぐた
めにここでガス中の一酸化炭素は二酸化炭素に転化され
る。その後、この改質ガスは熱交換器９で冷却された後
、気水分離器１０に流入して水分が除去される。この水
分が除去された水素を多量に含む改質ガスは熱交換器１
１で昇温された後、燃料電池本体１２の燃料極１３に供
給される。燃料電池本体１２は、燃料極１３．電解質１
４．酸化剤極１５から構成されており、電池反応により
得られる直流電力には直交変換装置１６で交流電力りに
変換される。なお、電池反応は発熱反応なので、冷却水
Ｏで燃料電池本体１２を冷却する。燃料極１３から流出
する排ガスＦは、熱交換器２１で昇温された補助燃料Ｂ
とともに加熱燃料Ｃとして改質装置６のバーナ５に供給
され、改質反応に必要な燃焼熱を得るのに使用される。

空気Ｊは熱交換器１７を通して燃料電池本体１２の酸化
剤極１５に供給され酸化剤として使われるとともに、改
質装Ｎ６にも供給され燃焼空気りとして使われる。酸化
剤極１５から流出する排ガスＭは熱交換器１８で冷却さ
れ、次いで気水分離器１９に流入して水分を除去された
後、大気中に放出される。

また、改質装置６より流出する排ガスＥは、熱交換器２
１で補助燃料Ｂの予熱に使われた後、大気中に放出され
る。なお、気水分離器１０及び１９で分離された生成水
ＨとＩは、蒸気発生器２０に供給され加熱Ｎをうけ水蒸
気Ｇとなり、燃料の改質に利用される。

上述した従来の燃料電池発電システムでは、燃料として
は安全上の面から多量の備蓄の必要がなく、またコスト
面から入手が容易で、補給の必要がない都市ガス等が望
ましい、しかし、都市ガスは震度５以上の地震でその供
給が断たれるので、燃料電池を通信用電源システムのよ
うな非常時でもその信頼性が要求されるシステムに通用
する際には、非常用の備蓄燃料を準備し、非常時には都
市ガス等の常用燃料から備蓄燃料に切り替えて燃料電池
の運転を確保することが要求される。

第３図は都市ガスとプロパンのように改質装置を共用す
る場合であり、通常は弁２２が開き弁２３が閉じており
、常用の化石燃料Ａが改質装置６に供給されて、水素を
多量に含む改質ガスがつくられ、これがシフトコンバー
タ８を経て燃料電池本体１２に供給され、発電が行われ
る。センサー２４で流量。

圧力等の低下から常用の化石燃料Ａの供給停止を検出す
ると、弁２２が閉じられるとともに弁２３が開かれ、燃
料Ｐが改質装置６に供給されて、水素を水素を多量に含
んだ改質ガスがつくられ、これがシフトコンバータ８を
経て燃料電池本体１２に供給され、発電が行われる。そ
の際、改質装置の温度。

燃料Ｐの供給量、水蒸気の供給量等の改質条件は、予め
決められた最適値に設定される。

また、第４図は都市ガスとメタノールのように異なる改
質装置を使用する場合である。都市ガスとメタノールの
ように改質触媒、改質温度等の改質条件が異なる燃料を
切替えて用いる場合である。

ちなみに、都市ガスに広く用いられている天然ガス（メ
タンが主成分）の場合は改質温度８００°Ｃ２改質触媒
が旧糸であるのに対して、メタノールの場合は改質温度
２５０℃、改質触媒Ｃｕ−Ｃｒ系、あるいはＣｕ−Ｚｎ
系である。この場合には燃料によって改質装置を使い分
ける必要がある。

次に第４図の説明では第３図と重複する部分については
省略する０通常は弁２２が開き弁２３が閉じており、常
用の化石燃料Ａが供給される。その際には、弁２６．弁
２８．弁２９．弁３１．弁３７が閉じ、弁２５、弁２７
．弁３０．弁３２．弁３８が開いて改質装置６が使用さ
れる。詳細は第３図の場合と同様である。

そこで、センサー２４で流量、圧力等の低下から常用の
化石燃料Ａの供給停止を検出すると、弁２２が閉じ弁２
３が開いて燃料Ｑが供給されるとともに、改質装置６は
停止あるいは予め設定された待機状態に維持される。こ
の場合には弁２６．弁２８．弁２９゜弁３１．弁３７が
開き、弁２５．弁２７．弁３０．弁３２．弁３８が閉じ
て改質装置３３が使用される。その際、改質装置の温度
、燃料Ｑの供給量、水蒸気の供給量等の改質条件は、予
め決められた最適値に設定される。

なお、第４図の場合は燃料Ｑとしてメタノールのように
硫黄を含んでおらず、また改質により一酸化炭素をあま
り発生しない燃料を想定しているので、燃料Ｑは熱交換
器３６で昇温された後改質装置３３に供給され、水素を
多量に含んだ改質ガスがつくられる。この水素を多量に
含んだ改質ガスは熱交換器９．気水分離器１０．熱交換
器１１を経て燃料電池本体１２に供給される。３５は改
質装置の反応部、３４はバーナである。燃料によっては
、脱硫及び−酸化炭素のシフト反応が必要な場合もある
。

その場合は改質装置が異なるだけで、第３図の場合と同
一のシステムとなる。

（発明が解決しようとする課題） 上述した従来の燃料電池発電システムでは、燃料の切替
を行った場合、たとえ第３図の同一の改質装置を使う場
合でも、新たに改質装置に燃料が供給され改質反応が定
常状態に達するまでに時間遅れが生ずる。また、第４図
の改質装置が異なる場合には、特に改質装置での水蒸気
改質反応及び燃焼・熱伝達が要求される状態に達するの
に相当の時間遅れが生じる。従って、燃料切替時には、
燃料水素の供給不足が生じ、燃料電池出力が一時的に低
下する現象が発生する。このため、通信用電源のような
高精度・高信鯨性が要求される電源に燃料電池を適用す
ると、燃料切替時にシステムダウンが起こる恐れがある
。

上記燃料切替時における時間と燃料電池の出力（発電量
）及び水素供給量の関係は、第５図に示すとおりである
。第４図（ａ）の実線及び同図ら）は、燃料切替時の従
来技術の燃料電池出力と水素供給量をそれぞれ示してい
る。この図から、従来技術では、燃料切替時にΔを時間
のあいだ水素供給量の不足とそれに伴う電池出力の低下
が生じる欠点があることが容品に理解できる。

本発明は、上記の従来技術の欠点を解消し、燃料切替時
における電池出力の変動を抑制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を目的とするものである
。

（課題を解決するための手段） 本発明は上記目的を達成するために、燃料電池本体、燃
料供給系、酸化剤供給系、冷却系及び付属装置からなり
、燃料電池用水素を化石燃料の改質によって得る燃料電
池発電システムにおいて、常用あるいは非常用として二
種類以上の燃料を切り替えて使用するために前記燃料供
給系に水素吸蔵合金からなる水素貯蔵装置を内蔵した燃
料切替装置を設け、常用燃料による燃料電池運転時には
、改質によって得た水素を多量に含む改質ガスの大部分
を燃料電池に供給し、一部を必要に応じてガス精製系を
経て前記水素貯蔵装置に吸蔵させて貯蔵するようにし、
燃料切替時には、前記水素貯蔵装置に貯蔵させた水素を
放出して、改質装置の応答遅れ等による出力低下を補い
、燃料切替時に電池出力を一定に保持するようにしたこ
とを特徴とする燃料電池発電システムを要旨とする。燃
料電池本体、燃料供給系、酸化剤供給系、冷却系及び付
属装置からなる燃料電池発電システムにおいて、前記燃
料供給系に加熱媒体と冷却媒体とにより、加熱及び冷却
を行うことで水素を出し入れする水素吸蔵合金を内蔵す
る燃料切替装置３９を設けたものである。

（実施例） 以下、図面に沿って本発明の実施例について説明する。

なお、実施例は一つの例示であって、本発明の精神を逸
脱しない範囲で種々の変更あるいは改良を行いうろこと
は言うまでもない。

第１図は本発明の一実施例を示す燃料電池発電システム
の系統図であって、第１図は、第３図あるいは第４図に
示した燃料の切替を考慮した燃料電池発電システムの気
水分離器１０と熱交換器１１との間に燃料切替装置３９
を設けた燃料電池発電システふをあられしている。すな
わち、本発明は、燃料極１３．電解質１４．酸化剤極１
５からなる燃料電池本体１２、化石燃料Ａを供給する改
質装置６．シフトコンバータ８．気水分離器ｌＯ等を含
む燃料供給系、空気Ｊを供給する空気供給系、冷却水０
の冷却系及び付属供給装置において、燃料切替装置３９
を設けたものである。

なお、第１図に示した記号のうち、第３図及び第４図と
同一のものは同一の部分を示し、説明を省略する。

燃料切替装置３９において、４３は加熱媒体Ｓと冷却媒
体Ｔにより加熱及び冷却を行うことにより水素を出し入
れする水素吸蔵合金を内蔵した水素貯蔵装置である。水
素吸蔵合金の例としては、これまでによく知られている
ランタン・ニッケル系。

マグネシウム・ニッケル系、鉄・チタン系等の金属水素
化物が挙げられる。水素吸蔵合金は次の反応により水素
の出し入れを行う。

２Ｍ＋Ｈ家→２ＭＨ＋ｑ すなわち、水素吸蔵時には発生熱ｑを冷却媒体により取
り去ることによって水素を吸蔵させ、水素放出時には加
熱媒体により熱ｑを外部から与えることによって水素を
放出させる。４０及び４１は燃料電池本体１２の燃料極
１３への水素供給量を一定に保つように改質ガス流量と
改質ガス中の水素濃度を監視するための流量計と水素セ
ンサーを内蔵した流量及び水素濃度監視装置である。ま
た、５０も流量及び水素濃度監視装置であり、要素貯蔵
のために水素貯蔵装置に送られた改質ガスの出口での水
素濃度を測定することによって水素吸蔵合金の状態を把
握し、水素貯蔵装置２４３への改質ガスの供給量を調節
するために使われる。また、水素貯蔵装置４３から水素
を燃料電池本体１２に供給する際には、流量を測定し水
素供給量を適性値に調節するために使われる。水素セン
サーによる水素濃度測定法の一例としては、金属酸化物
（Ｗ、　Ｍｏ＋　Ｃｒ＋Ｐａ、　ＴＩ＋　Ｉｎなどの酸
化物）と活性触媒（Ｐｔ、　Ｉｒ。

Ｒｈ、　Ｐｄなど）を検出素子とし、導電率変化から水
素濃度を検出する方法が挙げられる。４２はガス分離除
去装置で、合金表面等に吸着して水素吸蔵合金の水素吸
蔵性能に悪影響を及ぼす恐れがある水素以外のガスを分
離するためのものである０分離法としては、活性炭、モ
レキュラーシーブ、活性アルミナ、ゼオライト等の吸着
剤による吸着法。

水素選択性透過膜による膜分離法が挙げられる。

次に上述した第２図のような構成からなる本実施例に適
用する燃料切替装置の作用を説明する。

常用燃料による燃料電池運転時は、気水分離器１０で除
去された水素を多量に含んだ改質ガスＲの大部分は、流
量及び水素濃度監視装置４０及び４１を経て熱交換器１
１で昇温された後に燃料極１３に供給される。改質燃料
ガスの一部は、開かれた弁４４を経てガス分離除去装置
４２に送られ、水素吸蔵合金に悪影響を及ぼす水素以外
のガスが除去される。ガス分離除去装置４２で除去され
た水素以外°のガスは開かれた弁４５を経て改質装置６
のバーナ５（ともに第１図参照）に供給され、改質の熱
源として使用される。また、ガス分離除去装置４２で精
製された水素ガスは、水素貯蔵装置４３に流入し、水素
が水素吸蔵合金に吸蔵される。この際、上述したように
発熱を伴うので、冷却媒体Ｔを水素貯蔵装置の外側に通
して除熱し、水素吸蔵反応を促進させる。すなわち、調
節弁４７と弁４９を開き、！Ｉｌｖ弁４７を調節し、冷
却媒体Ｔの供給量を制御し、水素貯蔵装置への水素の貯
蔵を効率的に行わせる。この際、調節弁４６と弁４８は
閉じられている。水素貯蔵装置４３で水素吸蔵合金に水
素を吸蔵したあとの排ガスは、流量及び水素濃度監視装
置５０．開かれた弁５２を経て、燃料電池の燃料極１３
の排ガスとともに改質装置６のバーナ５（ともに第１図
参照）に供給され、改質装置の熱源となる。弁５２は閉
じられている。この水素貯蔵は、水素貯蔵装置４３に内
蔵されている水素吸蔵合金が飽和状態に達するまで行わ
れる。水素吸蔵合金が飽和状態に達すると、水素貯蔵装
置４３の出側での排ガス中の水素濃度が増加するので、
流量及び水素濃度監視装置５０でこれを検出し、弁４４
．弁４５．弁５１が閉じられる。

燃料切替時には、改質装置の応答遅れ等により改質ガス
Ｒ中の水素濃度が一時的に低下し、水素ガス供給量が減
少する。そこで、流量及び水素濃度監視袋Ｍ４０でこれ
を検出すると、調節弁４７と４９が閉じられ水素貯蔵装
置ｆ４３への冷却媒体Ｔの供給が停止されるとともに、
調節弁４６及び弁４８が開けられ、加熱媒体Ｓが水素貯
蔵袋２４３に供給され水素が放出される。放出水素量は
調節弁４６により加熱媒体Ｓの供給量を制御することに
より調節される。また、弁５１が閉じられるとともに弁
５２が開けられ、水素貯蔵装置４３から放出された水素
が改質ガスと混合され、これが燃料電池本体１２の燃料
極１３に供給される。放出水素量は流量及び水素濃度監
視装置４１と５０により、混合ガスによる水素供給量が
燃料切替前の水素供給量と同じになるように調節弁４６
で調節される０次に、改質装置が定常状態に達し、改質
ガスＲによる水素供給量が燃料切替前の状態と同じにな
ると、水素貯蔵装置４３からの水素ガスの供給が停止さ
れる。すなわち、流量及び水素濃度監視装置４０により
、改質燃料ガスＲ中の水素濃度が燃料切替前の水準に復
帰したのが確認されると、調節弁４６と弁４８が閉じら
れ、水素貯蔵装置４３への加熱媒体Ｓの供給が遮断され
、水素の放出が停止される０次に調節弁４７と弁４９が
開けられ、水素貯蔵装置４３へ冷却媒体Ｔが供給されて
、上述した常用燃料による燃料電池運転時と同様、水素
貯蔵装置４３への水素貯蔵が行われる。その際、弁５２
は閉じられ、弁４４．弁４５．弁５１は開けられる。

上述した本実施例による電池出力を第５図（ａ）の−点
鎖線で示し、燃料切替装置からの水素供給量を第５図（
Ｃ）及び（ロ）に示す、ここで、第５図（Ｃ）は改質装
置からの水素供給量が不足しているΔを時間の間、最大
出力低下ΔＷに対応する水素供給量の不足分６０以上の
一定量の水素を燃料電池本体に供給する場合で、この場
合は過剰の水素は未反応のまま燃料電池本体から排出さ
れ、水素の利用率が低下するが、制御が簡単（混合ガス
による水素供給量を監視して燃料切替装置からの水素供
給量を調節する必要がないので、第２図の流量及び水素
濃度監視装置４１が不要）という長所がある。第５図（
ロ）は改質装置からの水素供給量が不足しているΔを時
間の間、不足分に見合った水素を燃料切替装置から供給
する場合である。いずれの場合でも、第５図（萄より燃
料切替時の電池出力低下が、従来例ではΔを時間の閲見
られるのに対し、本実施例では電池出力低下が見られな
い。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、燃料電池本体、燃
料供給系、酸化剤供給系、冷却系及び付属装置からなり
、燃料電池用水素を化石燃料の改質によって得る燃料電
池発電システムにおいて、常用あるいは非常用として二
種類以上の燃料を切り替えて使用するために前記燃料供
給系に水素吸蔵合金からなる水素貯蔵装置を内蔵した燃
料切替装置を設け、常用燃料による燃料電池運転時には
、改質によって得た水素を多量に含む改質ガスの大部分
を燃料電池に供給し、一部を必要に応じてガス精製系を
経て前記水素貯蔵装置に吸蔵させて貯蔵するようにし、
燃料切替時には、前記水素貯蔵装置に貯蔵させた水素を
放出して、改質装置の応答遅れ等による出力低下を補い
、燃料切替時に電池出力を一定に保持するようにしたこ
とにより、水素吸蔵合金の特性を利用し、燃料電池本体
への水素の供給を燃料切替時にも不足なく行うことがで
きるので、燃料電池発電システムの燃料切替時の出力低
下を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す燃料電池発電システム
の系統図、第２図は本発明の燃料電池発電システムの一
実施例に適用する燃料切替装置を示す系統図、第３図は
従来の一種類の改質装置で燃料の切替が可能な燃料電池
発電システムの系統図、第４図は従来の燃料ごとに異な
る改質装置を必要とする燃料電池発電システムの系統図
、第５図（ａ）ないしく−は燃料切替時における時間と
、燃料電池出力、改質装置からの水素供給量及び燃料切
替装置からの水素供給量との関係を示すグラフである。 ３９・・・・・・燃料切替装置 ４Ｇ、　４１．５０・・流量及び水素濃度監視装置４２
・・・・・・ガス分離除去装置 ４３・・・・・・水素貯蔵装置 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 燃料電池本体、燃料供給系、酸化剤供給系、冷却系及び
   付属装置からなり、燃料電池用水素を化石燃料の改質に
   よって得る燃料電池発電システムにおいて、常用あるい
   は非常用として二種類以上の燃料を切り替えて使用する
   ために前記燃料供給系に水素吸蔵合金からなる水素貯蔵
   装置を内蔵した燃料切替装置を設け、常用燃料による燃
   料電池運転時には、改質によって得た水素を多量に含む
   改質ガスの大部分を燃料電池に供給し、一部を必要に応
   じてガス精製系を経て前記水素貯蔵装置に吸蔵させて貯
   蔵するようにし、燃料切替時には、前記水素貯蔵装置に
   貯蔵させた水素を放出して、改質装置の応答遅れ等によ
   る出力低下を補い、燃料切替時に電池出力を一定に保持
   するようにしたことを特徴とする燃料電池発電システム
   。