JPH05121087A - 燃料電池発電装置の温度制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】燃料電池からのオフガスと燃焼空気との少なく
とも一方を燃料改質器から排出される燃焼排ガスにより
予熱する熱交換器を備える燃料電池発電装置において、
オフガスの燃焼により生じた熱媒体により加熱する改質
原料が流れる反応管の温度を応答性が早く安定して制御
するとともに燃焼空気送出用のブロワの容量を小さくす
る。 【構成】オフガス又は燃焼空気が前記熱交換器をバイパ
スし、流量調整弁を備えるバイパス系を設け、バーナに
供給されるオフガス、又はこのオフガスに対して一定空
燃比の燃焼空気がバイパス系に流れる流量を制御手段に
より制御して反応管の温度を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料改質器と燃料電池
とを主要構成部とし、燃料改質器にて燃料電池の燃料極
からのオフガスの燃焼により生じる熱媒体により反応管
を加熱して反応管を通流する改質原料を水素に富むガス
に改質する際、反応管の温度を制御する燃料電池発電装
置の温度制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池発電装置は燃料改質器と燃料電
池とを主要構成部として構成され、燃料改質器から排出
される燃焼排ガスにより燃料改質器での燃焼に供される
燃料電池から排出されるオフガスや燃焼空気を予熱する
加熱器としての熱交換器を備える図３に示す系統を有す
る燃料電池発電装置が知られている。

【０００３】図３において燃料改質器１は触媒が充填さ
れた反応管２を内蔵する炉容器３と、この炉容器３の上
部に設けられるバーナ４とを備えている。燃料電池５は
電解質保持層６とこれを挟持する燃料極７及び酸化剤極
８等とから構成されている。加熱器としての熱交換器１
０は燃料改質器１の炉容器３から排出される燃焼排ガス
が燃料電池５の燃料極７から排出される電池反応に寄与
しない水素を含むオフガスと燃料改質器１のバーナ４に
供給するオフガス燃焼用の燃焼空気と熱交換してオフガ
ス及び燃焼空気を予熱する。

【０００４】改質原料供給系１１は燃料改質器１の反応
管２に接続され、水蒸気が付加された改質原料を反応管
２に供給する。改質ガス供給系１２は反応管２と燃料電
池５の燃料極７とに接続され、反応管２から排出される
水素に富む改質ガスを燃料極７に供給する。オフガス排
出系１３は熱交換器１０を経由して燃料極７と燃料改質
器１のバーナ４とに接続され、燃料極７から排出される
オフガスを熱交換器１０を経てバーナ４に供給する。

【０００５】燃焼空気供給系１４はブロワ１５を備えて
バーナ４に熱交換器１０を経由して接続され、ブロワ１
５により吸気された空気を昇圧し、熱交換器１０を経て
バーナ４に燃焼空気として供給する。排ガス排出系１６
は炉容器３に熱交換器１０を経由して接続され、炉容器
３内でバーナ４により燃焼した燃焼ガスの燃焼排ガスを
熱交換器１０を経て外部に排出する。

【０００６】空気供給系１７は燃料電池５の酸化剤極８
に接続され、空気を酸化剤ガスとして酸化剤極８に供給
する。空気排出系１８は酸化剤極８に接続され、酸化剤
極８から電池反応をした空気を外部に排出する。

【０００７】このような構成により、燃料電池５の燃料
極７から排出される燃料電池５の負荷に対応する量のオ
フガスはオフガス排出系１３を経てバーナ４に供給さ
れ、ブロワ１５によりバーナ４に供給される燃焼空気に
より燃焼し、この際生じる燃焼ガスは反応管２を加熱す
る。一方、水蒸気が付加された改質原料は改質原料供給
系１１を経て反応管２に供給されて加熱された反応管２
内を通流し、触媒の下に水素に富むガスに改質されて改
質ガスとなる。

【０００８】この改質ガスは改質ガス供給系１２を経て
燃料電池５の燃料極７に供給され、この改質ガスと空気
供給系１７を経て酸化剤極８に供給される空気とにより
燃料電池５は電池反応を起こして発電する。この際燃料
極７から排出されるオフガスは前述のようにバーナ４に
供給され、一方酸化剤極８から排出される空気は空気排
出系１８を経て外部に排出される。

【０００９】また、燃料改質器１のバーナ４によりオフ
ガスが燃焼して生じた燃焼ガスにより反応管２を加熱し
た後の燃焼排ガスは排ガス排出系１６を経て外部に排出
される。この際燃焼排ガス，オフガス及び燃焼空気は熱
交換器１０を経由して流れるので、オフガスと燃焼空気
とは熱交換器１０により燃焼排ガスと熱交換して燃焼排
ガスにより予熱される。

【００１０】なお、図３では熱交換器１０によりオフガ
スと燃焼空気との両者を燃焼排ガスにより予熱している
が、オフガスと燃焼空気とのいずれか一方を熱交換器を
介して予熱することも行なわれている。

【００１１】ところで、バーナ４による燃焼により生じ
た燃焼ガスにより加熱される反応管２の温度は改質原料
に適する温度に制御される。この温度制御は燃焼空気の
流量、すなわち空燃比を変えることにより行なわれる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記の燃料電池発電装
置においては、燃料改質器の反応管の温度制御をバーナ
に供給される燃焼空気の流量、すなわち空燃比を変化さ
せることにより行なっている。したがって、燃料電池の
負荷変化等の過渡時に反応管に供給する熱のバランスが
くずれ、反応管の温度が所定温度より上昇する場合、空
燃比を大きく、すなわち燃焼空気量を大きくすることに
より、反応管の温度を低下させて温度制御している。こ
のため燃焼空気を送気するブロワの容量を大きくなけれ
ばならないという欠点がある。

【００１３】また、燃焼空気は熱交換器を経由してバー
ナに供給されるので、反応管の温度への影響は緩慢なも
のとなり、応答性が早く安定した温度制御ができないと
いう欠点がある。

【００１４】本発明の目的は、燃焼空気送出用のブロワ
の容量を小さくするとともに負荷変化等の過渡時にも応
答性が早く安定した反応管の温度制御ができる燃料電池
発電装置の温度制御装置を提供することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明によれば燃料電池と、この電池の燃料極から
のオフガスを燃焼空気により燃焼して生じる熱媒体によ
り触媒が充填された反応管を加熱して反応管を通流する
改質原料を水素に富むガスに改質する燃料改質器と、こ
の改質器から排出される燃焼排ガスによりオフガスと燃
焼空気との少なくとも一方を予熱する加熱器とを備え、
加熱される反応管の温度を制御する燃料電池発電装置の
温度制御装置において、オフガス又は燃焼空気が加熱器
をバイパスし、流量調整弁を備えるバイパス系と、反応
管の温度を検出する温度検出器と、この検出器での検出
温度と反応管の温度の目標値との偏差から流量調整弁を
制御する制御手段とを備えるものとする。

【００１６】

【作用】燃料改質器からの燃焼排ガスによりオフガス又
は燃焼空気を予熱する加熱器をバイパスし、流量調整弁
を備えたバイパス系を設け、温度検出器で検出した反応
管の温度と反応管を通流する改質原料の改質に適する温
度の目標値との偏差から制御手段により流量調整弁を制
御することにより、空燃比を一定にしても加熱器をバイ
パスするバイパス系を流量制御されて流れる予熱されな
いオフガス又は燃焼空気が、加熱器を経由し予熱された
オフガス又は燃焼空気と混合してバーナに供給されるの
で、バーナによる燃焼により生じた熱媒体に与えられる
熱量を変化させ、このため負荷変化の過渡時にも応答性
の早い安定した反応管の温度制御ができる。

【００１７】

【実施例】以下図面に基づいて本発明の実施例について
説明する。図１は本発明の実施例による温度制御装置を
備えた燃料電池発電装置の系統図である。なお、図１に
おいて図３の従来例と同一部品には同じ符号を付し、そ
の説明を省略する。図１において従来例と異なるのは、
熱交換器１０をバイパスして燃焼空気供給系１４から分
岐，合流し、流量調整弁２０を備えるバイパス系２１
と、反応管２の温度を検出する温度検出器２２と、この
検出器での検出温度と反応管２の改質に適する所定温度
の目標値との偏差から流量調整弁２０を制御する温度調
節器２３とを設けたことである。

【００１８】なお、温度検出器２２はその検出端を反応
管２に設置する代わりに反応管２近傍の炉容器内に設置
してもよい。

【００１９】このような構成により、燃料電池５の燃料
極７から燃料電池５の負荷に対応する量のオフガスは、
オフガス排出系１３を経、熱交換器１０にて排ガス排出
系１６を経る燃焼排ガスにより予熱されてバーナ４に供
給される。一方、燃焼空気は、バーナ４に供給されるオ
フガス量に対して一定の空燃比に制御した燃焼空気量に
してブロワ１５によりバイパス系２１を備える燃焼空気
供給系１４を経てバーナ４に供給される。この際熱交換
器１０を流れる燃焼空気は燃焼排ガスにより予熱され、
バイパス系２１を流れる燃焼空気は予熱されない。この
ようにしてバーナ４に供給される燃焼空気によりバーナ
４に供給されるオフガスは燃焼し、この際生じた燃焼ガ
スにより反応管２を加熱し、反応管２を通流する改質原
料を水素に富むガスに改質する。

【００２０】この際、反応管２の温度は改質原料の改質
に適する温度に次記のようにして制御される。すなわち
温度検出器２２で反応管２の温度を検出し、この検出温
度の信号が温度調節器２３に入力され、この調節器によ
り検出温度と反応管２の改質原料の改質に適する所定温
度の目標値との偏差から流量調整弁２０を制御する。し
たがって一定空燃比の燃焼空気の一部が流量調整弁２０
により制御された燃焼空気量となって熱交換器１０にて
予熱されずにバイパス系２１を流れ、熱交換器１０にて
予熱された残りの燃焼空気量とともにバーナ４に供給さ
れるので、反応管２の温度は所定温度に制御される。

【００２１】したがって反応管２の温度はバイパス系２
１を経て熱交換器１０にて予熱されない流量制御された
燃焼空気を介して制御されるので、応答性が早く安定し
た制御が得られるとともに、燃焼空気量は一定空燃比で
制御されるので、ブロワの容量は従来より小さいもので
よい。

【００２２】図２は本発明の異なる実施例による温度制
御装置を備えた燃料電池発電装置の系統図である。図２
において図１の燃焼空気が熱交換器１０をバイパスする
バイパス系２１を取除き、オフガスが熱交換器１０をバ
イパスし、流量調整弁２５を備えたバイパス系２６と、
温度検出器２２での反応管２の検出温度と反応管２の改
質原料の改質に適する所定温度の目標値との偏差から流
量調整弁２５を制御する温度調節器２７とを設けた他は
図１のものと同じである

【００２３】このような構成により、前述と同様に温度
検出器２２での反応管２の検出温度の信号が温度調節器
２７に入力され、この調節器により流量調整弁２５を制
御して熱交換器１０を経由しないで予熱されないオフガ
スが流量制御されてバイパス系２６を流れる。そしてこ
のオフガスが熱交換器１０を経由して予熱されるオフガ
スと混合してバーナ４に供給されて一定空燃比の燃焼空
気により燃焼し、この際生じる燃焼ガスにより反応管２
を加熱することにより、バイパス系２６を流れる予熱さ
れない流量制御されたオフガスを介して反応管２の温度
は所定温度に制御され、前述と同じ効果が得られる。

【００２４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば燃料改質器からの燃焼排ガスにより燃料電池か
らのオフガス又は燃焼空気を予熱する加熱器をバイパス
し、流量調整弁を備えたバイパス系を設け、反応管の温
度を改質原料の改質に適する温度になるようにオフガス
又は燃焼空気の一部がバイパス系を流れるように制御し
たことにより、バーナに供給されるオフガスは、このオ
フガスに対し一定空燃比にした燃焼空気により燃焼する
際、オフガス又は燃焼空気の一部が流量制御されて予熱
されずにバイパス系を経てバーナに供給されて燃焼し、
この際生じる熱媒体により反応管を加熱するので、反応
管の温度は応答性が早く安定して制御されるとともに燃
焼空気は一定の空燃比でバーナに供給するので、ブロワ
の容量は従来に比べて小さくなるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による温度制御装置を備えた燃
料電池発電装置の系統図

【図２】本発明の異なる実施例による温度制御装置を備
えた燃料電池発電装置の系統図

【図３】従来の温度制御装置を備えた燃料電池発電装置
の系統図

【符号の説明】

１ 燃料改質器 ２ 反応管 ５ 燃料電池 １０ 熱交換器 ２０ 流量調整弁 ２１ バイパス系 ２２ 温度検出器 ２３ 温度調節器 ２５ 流量調整弁 ２６ バイパス系 ２７ 温度調節器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 池田 元一 神奈川県逗子市久木２−６，Ｂ９ (72)発明者 岩佐 信弘 大阪府岸和田市葛城町910−55 (72)発明者 吉田 弘正 愛知県名古屋市西区押切一丁目９番６号 (72)発明者 横山 尚伸 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料電池と、この電池の燃料極からのオフ
   ガスを燃焼空気により燃焼して生じる熱媒体により触媒
   が充填された反応管を加熱して反応管を通流する改質原
   料を水素に富むガスに改質する燃料改質器と、この改質
   器から排出される燃焼排ガスによりオフガスと燃焼空気
   との少なくとも一方を予熱する加熱器とを備え、加熱さ
   れる反応管の温度を制御する燃料電池発電装置の温度制
   御装置において、オフガス又は燃焼空気が加熱器をバイ
   パスし、流量調整弁を備えるバイパス系と、反応管の温
   度を検出する温度検出器と、この検出器での検出温度と
   反応管の温度の目標値との偏差から流量調整弁を制御す
   る制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池発電装
   置の温度制御装置。