JP2002124283A

JP2002124283A - 燃料電池発電システム

Info

Publication number: JP2002124283A
Application number: JP2000319049A
Authority: JP
Inventors: Masashi Fujitsuka; 正史藤塚; Tatsunori Okada; 達典岡田; Hidemasa Nakaoka; 英正中岡
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-10-19
Filing date: 2000-10-19
Publication date: 2002-04-26

Abstract

(57)【要約】【課題】比較的簡易な構成と制御で、負荷が変動した
場合にも発電効率の低下を抑制しつつ迅速に負荷変動に
追従することができる燃料電池発電システムを提供す
る。【解決手段】原料ガスを供給して化学反応により水素
ガスを含む改質ガスを生成する反応室９、改質ガス中の
水素ガスを選択的に透過させる水素透過層１０を介して
反応室と連通する水素室１１、および反応室から排出さ
れる改質排ガスが供給される燃焼室８を有する改質装置
６と、水素透過層を透過した水素ガスが供給される燃料
極、および空気が供給される空気極を有して発電を行う
燃料電池本体１５とを備えた燃料電池発電システムにお
いて、反応室から排出される改質排ガスの少なくとも一
部を反応室へ循環させる改質排ガス循環手段５１〜５５
と、燃焼室へ供給する改質排ガスの量を調節する改質排
ガス調節手段５６とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、水素透過層を有
する改質装置を備えた燃料電池発電システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】図４は、例えば特開平５−１２９０２９
号公報に示された熱と水を回収して再利用する事を考慮
した従来の燃料電池発電システムの構成を示す概念図で
ある。図において、１１１は改質装置、１１２は水素分
離膜（水素透過層）、１１３は改質触媒、１１４は内
筒、１１５は燃焼触媒、１１６は外筒、１１７は改質原
料供給管、１１８は改質反応用水蒸気供給管、１１９は
燃焼室、１２０は分岐管、１２１は改質ガス発生室、１
２２は残留ガス供給管、１２３は膨張タービン、１２４
は排ガス管、１２５は熱交換器、１２６は水素分離室、
１２７は燃料電池本体、１２８は水素極（燃料極）、１
２９は水素供給管、１３０はキャリアガス戻し管、１３
１は圧縮機、１３２は冷却液供給管、１３３は凝縮器、
１３４はドレイン管、１３５は気液分離器、１３６は酸
素極（空気極）、１３７は固体高分子電解質膜、１３８
は空気供給管、１３９は燃焼用空気供給管、１４０は膨
張タービン、１４１は圧縮機、１４２は排気管である。

【０００３】改質装置１１１は、炭化水素やメタノール
等の原料ガスのスチームリフォーミング反応により生成
する改質ガスから、水素ガスを選択的に透過させる円筒
状の水素分離膜１１２と、この水素分離膜１１２を取り
囲み且つ原料ガスの改質触媒１１３が組み込まれた内筒
１１４と、この内筒１１４を取り囲み且つ燃焼触媒１１
５が組み込まれた外筒１１６とで主要部が構成されてい
る。

【０００４】改質装置１１１の内筒１１４には、原料ガ
スを改質触媒１１３中に供給する改質原料供給管１１７
が接続しており、更にこの改質原料供給管１１７の途中
には、原料ガスと共に高温の水蒸気を内筒１１４内に供
給する改質反応用水蒸気供給管１１８が接続している。
原料ガスの一部を内筒１１４と外筒１１６とで囲まれた
燃焼室１１９内に供給できるようにしており、これに伴
って前記改質原料供給管１１７と外筒１１６とは、改質
原料供給管１１７の途中から分岐する分岐管１２０を介
して連通状態となっている。

【０００５】また、水素分離膜１１２と内筒１１４とで
囲まれた改質ガス発生室１２１と燃焼室１１９とは、こ
の改質ガス発生室１２１内の残留ガスを燃焼室１１９内
に導くための残留ガス供給管１２２を介して連通状態と
なっており、この残留ガス供給管１２２の途中には当該
残留ガス供給管１２２内を流れる残留ガスのエネルギー
を利用して回転する膨張タービン１２３が介装されてい
る。

【０００６】更に、燃焼室１１９内での残留ガスの燃焼
によって生成する排ガスは、この燃焼室１１９に連通す
る排ガス管１２４を介して外部に排出されるようになっ
ているが、この燃焼排ガスの熱エネルギーを有効利用す
るため、排ガス管１２４と改質原料供給管１１７とを交
差させ、この交差部分に改質原料供給管１１７内を流れ
る原料ガスを加熱する熱交換器１２５を設けている。

【０００７】一方、水素分離膜１１２によって仕切られ
た改質装置１１１の中央部の水素分離室１２６と、燃料
電池本体１２７の水素極１２８とは、水素供給管１２９
及びキャリアガス戻し管１３０を介して相互に連通し、
キャリアガスが充填された水素ガスの循環通路を構成し
ている。つまり、水素分離膜１１２を透過した水素分離
室１２６内の水素ガスは、キャリアガスと共に水素供給
管１２９を通って燃料電池本体１２７の水素極１２８に
供給され、余剰の水素ガスがキャリアガスと共にキャリ
アガス戻し管１３０から水素分離室１２６へ戻されるよ
うになっている。

【０００８】水素供給管１２９の途中には、膨張タービ
ン１２３と同軸一体の圧縮機１３１が介装され、この圧
縮機１３１の作動によって水素供給管１２９内を流れる
水素ガスが燃料電池本体１２７の水素極１２８に加圧状
態で供給されるようになっている。また、キャリアガス
として水蒸気を採用しており、水素分離室１２６と圧縮
機１３１との間の水素供給管１２９の途中には、水素分
離室１２６側から流れて来る水素ガスに含まれる水蒸気
を凝縮させるための冷却液供給管１３２が組み込まれた
凝縮器１３３と、凝縮した水分を排出するためのドレン
管１３４を有する気液分離器１３５とが介装され、適度
な湿気を含んだ水素ガスが燃料電池本体１２７の水素極
１２８へ送り込まれるようになっている。

【０００９】燃料電池本体１２７は、水素極１２８と空
気中の酸素が供給される酸素極１３６とを水で浸された
状態の固体高分子電解質膜１３７を間に挾んで対向させ
たものであり、酸素極１３６には除塵された空気が供給
される空気供給管１３８と、酸素極１３６を通過した後
の空気を改質装置１１１の燃焼室１１９に供給する燃焼
用空気供給管１３９とが接続している。燃焼用空気供給
管１３９の途中には、酸素極１３６を通過した後の膨張
空気により作動する膨張タービン１４０が介装され、こ
の膨張タービン１４０と同軸一体の圧縮機１４１が空気
供給管１３８の途中に介装されている。これにより、圧
縮機１４１の作動に伴って加圧された状態の空気が燃料
電池本体１２７の酸素極１３６に供給され、加圧された
状態の水素ガスが燃料電池本体１２７の水素極１２８に
供給されることと相俟って、燃料電池としての発電効率
が改善される。

【００１０】水素分離室１２６から水素供給管１２９に
送り出された水素含有ガスは、凝縮器１３３にて冷却液
供給管１３２内を流れる冷却液と熱交換した後、気液分
離器１３５により余分な水分が分離され、適当な温度と
湿度とに調整されて膨張タービン１２３によって駆動さ
れる圧縮機１３１を介し、加圧された状態となって燃料
電池本体１２７の水素極１２８に供給される。そして、
この水素極１２８にて水素含有ガス中の大部分の水素が
消費され、電気的に変換される。しかる後、水素極１２
８からの水素ガスが減損したガスは、キャリアガス戻し
管１３０を通って再び水素分離室１２６内に戻される。

【００１１】一方、水素分離膜１１２を透過しなかった
改質後の残留ガスは、改質ガス発生室１２１から残留ガ
ス供給管１２２を介して膨張タービン１２３側に排出さ
れ、膨張タービン１２３を駆動することによりエネルギ
ーの回収を行った後、燃焼室１１９内に送り込まれて燃
焼触媒１１５により燃焼し、改質触媒１１３の活性化を
図る。この時、改質ガス発生室１２１からの残留ガスだ
けでは、燃料が不足する場合には、改質原料供給管１１
７からの原料ガスの一部を分岐管１２０を介して燃焼室
１１９内に導き、補助燃料ガスとして使用する。

【００１２】また、膨張タービン１４０によって駆動さ
れる圧縮機１４１にて加圧された空気は、空気供給管１
３８から燃料電池本体１２７の酸素極１３６に供給さ
れ、その酸素の一部が燃料電池の発電のために消費され
る。この酸素極１３６を通過した膨張空気は、燃焼用空
気供給管１３９の途中に設けられた膨張タービン１４０
に供給され、ここでエネルギーの回収を行うと共にその
一部が排気管１４２から系外に排出された後、改質装置
１１１の燃焼室１１９内に供給され、残留ガスの燃焼用
空気として使用される。この燃焼室１１９内で発生する
燃焼熱は、改質ガス発生室１２１内で生ずる吸熱性のス
チームリフォーミング反応の熱源として利用され、更に
その燃焼排ガスを熱交換機１２５に導いて原料ガスの予
熱に用いる。

【００１３】このようなシステムでは、燃料電池本体１
２７の出力に接続された負荷の大きさに応じた量の原料
ガスと水蒸気を、夫々改質原料供給管１１７と改質反応
用水蒸気管１１８で供給するように為されていて、供給
した原料ガスに対する発電出力で算出される発電効率を
出来るだけ大きくするように制御される。また、改質装
置１１１においても高い改質率が得られるように、原料
ガスと水蒸気の供給量に応じて燃焼室１１９の燃焼量を
調節して改質ガス発生室１２１の温度を制御している。
なお、燃料電池本体１２７の出力に接続された負荷の変
動は、例えば燃料電池本体１２７の出力電圧や電流、燃
料電池本体１２７から排出されるキャリアガス戻し管１
３０内の水素濃度や圧力、改質装置１１１の温度や圧力
等の変化で検出される。

【００１４】例えばシステムが定格出力（１００％出
力）で運転されている時に負荷が減少した場合、水素極
１２８の水素消費量が減少して水素ガス循環経路の圧力
が上昇する為に改質ガス発生室１２１から残留ガス供給
管１２２へ排出される残留ガス量が一時的に増加し、燃
焼室１１９の燃焼量が増加して改質ガス発生室１２１の
温度が上昇する。この時には、改質原料供給管１１７と
改質反応用水蒸気管１１８から供給される原料ガスと水
蒸気の量を減少させて発生する水素ガスの量を減少させ
ると共に、残留ガス量を減らして燃焼室１１９の燃焼量
を減らし、改質ガス発生室１２１の温度を適正範囲に維
持する。

【００１５】逆に、例えば定格出力の５０％で運転され
ている時に負荷が増加した場合、改質原料供給管１１７
と改質反応用水蒸気管１１８から供給される原料ガスと
水蒸気量を増して水素発生量を増加させようとする。し
かし原料ガスおよび水蒸気の量に比較して燃焼室１１９
へ供給される残留ガスの量が不足し、一時的に改質ガス
発生室１２１の温度が低下する。この時には、燃料電池
本体１２７から取り出す負荷の大きさに制限をかけ水素
消費量を減らして残留ガス量を確保するとともに、分岐
管１２０を介して原料ガスの一部を燃焼室１１９へ供給
して燃焼させ、改質ガス発生室１２１の温度を回復させ
る。その後、改質ガス発生室１２１の温度が回復するの
に合せて燃料電池本体１２７から取り出す負荷の大きさ
を徐々に増加していく。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】従来の燃料電池発電シ
ステムは以上のように構成・制御されており、燃料電池
本体１２７の出力に接続された負荷が減少した場合、改
質ガス発生室１２１で必要とされる以上の残留ガスが燃
焼室１１９で燃焼されて発電効率が低下し、さらに残留
ガスが適正となって高い効率で運転できる状態に到達す
るまでに時間が必要であった。また負荷が増加する状態
では、取り出す負荷の大きさに制限をかけたり、分岐管
１２０から供給する原料ガスを制御したりする必要があ
るなど、改質部、燃料電池部、電気出力部などシステム
全体に渡って相互に影響しあうので複雑な制御が必要で
あった。さらに、取り出す負荷の大きさに制限をかける
必要があり、負荷の増加に追従するのに時間がかかっ
た。

【００１７】本発明は上記のような従来のものの問題点
を解決するためになされたものであり、比較的簡易な構
成と制御で、負荷が変動した場合にも発電効率の低下を
抑制しつつ迅速に負荷変動に追従することができる燃料
電池発電システムを提供することを目的としている。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る燃料電池発
電システムは、原料ガスを供給して化学反応により水素
ガスを含む改質ガスを生成する反応室、上記改質ガス中
の水素ガスを選択的に透過させる水素透過層を介して上
記反応室と連通する水素室、および上記反応室から排出
される改質排ガスが供給される燃焼室を有する改質装置
と、上記水素透過層を透過した水素ガスが供給される燃
料極、および空気が供給される空気極を有して発電を行
う燃料電池本体とを備えた燃料電池発電システムにおい
て、上記反応室から排出される改質排ガスの少なくとも
一部を上記反応室へ循環させる改質排ガス循環手段と、
上記燃焼室へ供給する改質排ガスの量を調節する改質排
ガス調節手段とを備えたものである。

【００１９】さらに、上記燃料極から排出される水素排
ガスを上記水素室へ循環させる水素排ガス循環手段を備
えたものである。

【００２０】また、原料ガスを供給して化学反応により
水素ガスを含む改質ガスを生成する反応室、上記改質ガ
ス中の水素ガスを選択的に透過させる水素透過層を介し
て上記反応室と連通する水素室、および上記反応室から
排出される改質排ガスが供給される燃焼室を有する改質
装置と、上記水素透過層を透過した水素ガスが供給され
る燃料極、および空気が供給される空気極を有して発電
を行う燃料電池本体と、上記燃料極から排出される水素
排ガスを上記水素室へ循環させる水素排ガス循環手段を
備えた燃料電池システムにおいて、上記水素室から上記
燃料極に供給される水素ガスの流量を調節する水素ガス
流量調節手段と、上記燃料極から排出される水素排ガス
の圧力を検出する圧力検出手段とを備えたものである。

【００２１】さらに、上記反応室の圧力を検出する反応
室圧力検出手段を備えたものである。

【００２２】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１は本発明の実
施の形態１による燃料電池発電システムの構成を示す図
である。図において、１は原料供給管、２は原料ポン
プ、３は原料水供給管、４は原料水ポンプ、５は気化
器、６は改質装置、７はバーナ、８は燃焼室である。９
は反応室すなわち反応槽であり、原料ガスを供給して化
学反応により水素を含む改質ガスを生成する。１０は水
素透過層であり、改質ガス中の水素ガスを選択的に透過
させる。１１は水素室すなわち水素槽であり、水素透過
層１０を介して反応槽９と連通している。１２は改質排
ガス管であり、反応槽９から排出される改質排ガスを燃
焼室に供給する。１３は燃焼排ガス管、１４は加湿器で
ある。１５は燃料電池本体であり、水素透過層を透過し
た水素ガスが供給される燃料極と空気が供給される空気
極を有して発電を行う。１６は燃料電池出力、２１は水
素管、２２は水素熱交換器、２３は水素冷却器、２４は
水素ドレイン、２５は水素ブロアである。２６は水素排
ガス管、２７は水素排ガス戻し管であり、これら水素排
ガス管２６と水素排ガス戻し管２７および水素熱交換器
２２により、燃料極から排出される水素排ガスを水素槽
１１へ循環させる水素排ガス循環手段を構成している。
２８は水素排ガス調節バルブ、３１は空気供給管、３２
は空気ブロア、３３は空気排ガス管、３４は冷却水熱交
換器、３５は空気排ガス冷却器、３６は空気排ガスドレ
イン、３７は空気排ガス排気管、３８は空気排ガスドレ
イン管、３９は冷却水供給管、４０は冷却水ポンプ、４
１は冷却排水管、４２は冷却水タンクである。５１は改
質排ガス分岐管、５２は改質排ガス熱交換器、５３は改
質排ガス冷却器、５４は改質排ガスブロア、５５は改質
排ガス戻し管であり、これら改質排ガス分岐管５１、改
質排ガス熱交換器５２、改質排ガス冷却器５３、改質排
ガスブロア５４、および改質排ガス戻し管５５により、
反応槽９から排出される改質排ガスの少なくとも一部を
反応槽９へ循環させる改質排ガス循環手段を構成してい
る。５６は改質排ガス調節手段すなわち改質排ガス調節
バルブであり、燃焼室８へ供給する改質排ガスの量を調
節する。

【００２３】改質装置６は、円筒状の燃焼室８の中央に
改質反応に必要な熱を供給するバーナ７を配し、その外
周に、原料ガスから水素含有ガス（改質ガス）への反応
を促進する改質触媒を充填した円筒状の反応槽９と、そ
の外周に、水素を選択的に透過する水素透過層１０で仕
切られた円筒状の水素槽１１を同心円上に配置してい
る。バーナ７には、改質排ガス管１２、水素排ガス管２
６の分岐管、および空気供給管３１の分岐管がそれぞれ
接続されて燃焼用燃料および空気が供給され、燃焼排ガ
ス管１３が接続されて燃焼後の排ガスが排出される。反
応槽９には、原料供給管１および改質排ガス管１２がそ
れぞれ接続されている。水素槽１１には、水素管２１お
よび水素排ガス戻し管２７がそれぞれ接続されている。

【００２４】水素透過層１０は一般にパラジウム合金等
の材料で形成されており、このような水素透過層１０を
備えた改質装置は簡単な構造であるにも関わらず、反応
槽９での反応における未反応成分や水素以外の反応生成
物である一酸化炭素や二酸化炭素などが低減された高純
度の水素を取り出すことができる。このような水素透過
層１０を備えた改質装置は、一酸化炭素や未反応成分で
あるメタノールあるいは副生成物である蟻酸やホルムア
ルデヒドなどの不純物の影響で劣化し易い固体高分子型
燃料電池と組み合わせて用いた場合に特に有効である。
また、図１のように水素透過層１０を改質装置６内部で
反応槽９に沿って設置した場合、水素含有ガスの生成反
応と並行してその反応における生成物である水素が逐次
取り出されるので反応槽９での反応が促進され、また水
素透過層１０を挟んだ反応槽９と水素槽１１の圧力差
（水素分圧の差）に比例して反応槽９から水素槽１１へ
の水素の移動量は増加するので、水素槽１１の圧力が下
がれば反応槽９から取り出される水素の移動量がより増
えて反応槽９での反応は更に促進され、さらに反応槽９
での反応はモル数が増加する（例えば原料がメタノール
のスチームリホーミング反応の場合、メタノールの反応
量１に対する比で水素が３発生する）反応であるため、
水素槽１１の圧力が下がると水素の移動量が増え、反応
槽９の圧力が低下するので、反応平衡論的に反応槽９で
の反応はより促進されるという特徴がある。

【００２５】また、燃料電池本体１５は、燃料極と空気
中の酸素が供給される酸素極とを水で浸された状態の固
体高分子電解質膜を間に挾んで対向させたものであり、
燃料極には水素槽１１からの水素が供給される水素管２
１と燃料極を通過した後の水素排ガスを水素槽１１に戻
す水素排ガス管２６とが接続しており、酸素極には空気
が供給される空気供給管３１と、酸素極を通過した後の
空気を排出する空気排ガス管３３とが接続している。

【００２６】このように構成されたものにおいて、改質
原料となる炭化水素系の燃料として、例えばメタノール
が原料供給管１を介して原料ポンプ２で気化器５へ供給
され、その途中へ原料水供給管３を介して原料水ポンプ
４で送られた水が混合される。これら原料が気化器５で
改質装置６の燃焼排ガス熱を利用して気化された後に原
料ガスとして改質装置６の反応槽９へ送られる。改質装
置６では、気化器５で気化された原料ガスが反応槽９で
水素含有ガスに改質され、その中の水素だけが水素透過
層１０を透過して水素槽１１へ移動する。水素透過層１
０を透過しなかった残ガスは改質排ガスとして改質排ガ
ス管１２でバーナ７へ供給され燃焼される。バーナ７の
燃焼によって発生した燃焼排ガスは、気化器５での気化
熱に利用された後、燃焼排ガス管１３で排気される。水
素槽１１の水素は、水素管２１、水素の熱を燃料電池本
体１５から排出された水素排ガスに伝達する水素熱交換
器２２、水素の温度を燃料電池本体１５へ加えることの
できる温度に下げる水素冷却器２３、水素に含まれる余
剰水分を除去する水素ドレン２４、水素を循環させる水
素ブロア２５を介して加湿器１４へ送られる。

【００２７】一方、酸素（空気）は空気供給管３１を介
して空気ブロア３２で加湿器１４へ送られる。なお、こ
の空気ブロア３２からの空気の一部は燃焼用にバーナ７
へも供給される。加湿器１４では発電に必要な水分が水
素と空気に加えられ、各々燃料電池本体１５の燃料極と
空気極へ送られる。燃料電池本体１５では水素と酸素に
よる発電反応が生じ、その電気出力は燃料電池出力１６
を介して外部へ取り出され利用される。

【００２８】燃料電池本体１５から排出された水素排ガ
スは、水素排ガス管２６、水素熱交換器２２、水素排ガ
ス戻し管２７を介して改質装置６の水素槽１１へ戻さ
れ、水素の循環経路が構成される。水素排ガスの一部は
循環経路の水素純度を維持するために、その１％程度
を、水素排ガス調節バルブ２８を介してバーナ７へ導き
燃焼して廃棄される。また、燃料電池本体１５から排出
された空気排ガスは、空気排ガス管３３、空気排ガスの
熱を冷却水に伝達する冷却水熱交換器３４、空気排ガス
から水を回収するための空気排ガス冷却器３５と空気排
ガスドレン３６、および空気排ガス排気管３７を介して
排気される。空気排ガスドレン３６のドレン水は空気排
ガスドレン管３８で冷却水タンク４２へ戻される。冷却
水は冷却水供給管３９を介して冷却水ポンプ４０で送ら
れ、冷却水熱交換器３４により空気排ガスを冷却した
後、燃料電池本体１５を冷却し、その後加湿器１４へ送
られて一部が蒸発することで燃料電池本体１５へ供給す
る水素および空気を加湿して蒸発しなかった残りが冷却
排水管４１で冷却水タンク４２へ戻される。

【００２９】また、本実施の形態では、改質排ガスを改
質排ガス管１２から改質排ガス分岐管５１で分岐し、バ
ーナ７へ供給される改質排ガスの少なくとも一部を改質
排ガス熱交換器５２、改質排ガス冷却器５３、改質排ガ
スブロア５４、改質排ガス戻し管５５を介して改質装置
６の反応槽９へ戻している。このとき、改質排ガス管１
２へ改質排ガス調節バルブ５６を追加し、バーナ７へ供
給する改質排ガスの量を調整するようにしている。改質
排ガス冷却器５３は改質排ガスブロア５４を保護するた
めに改質排ガスの温度を下げる働きをし、改質排ガス熱
交換器５２は改質排ガス分岐管５１内ガスの熱を改質排
ガス戻し管５５内のガスへ伝達して熱効率を向上させる
働きをするが、改質排ガスブロア５４が反応槽９から排
出される改質排ガスの温度に対して十分な耐熱性を有す
る場合にはこれら改質排ガス熱交換器５２および改質排
ガス冷却器５３は無くてもよい。

【００３０】次に、本実施の形態による燃料電池発電シ
ステムにおける、燃料電池出力１６に接続された負荷が
変動した場合の動作について説明する。なお、燃料電池
出力１６に接続された負荷の変動は、例えば燃料電池本
体１５の出力電圧や電流、燃料電池本体１５から排出さ
れる水素排ガス管２６や水素排ガス戻し管２７内の水素
濃度や圧力、改質装置６の温度等の変化で検出される。

【００３１】まず、例えばシステムが定格出力（１００
％出力）で運転されている時に燃料電池出力１６に接続
された負荷が減少した場合、原料ポンプ２および原料水
ポンプ４で供給する原料を負荷に見合った量に減少させ
ると共に、改質排ガス調整バルブ５６を絞ってバーナ７
の燃焼量を減らし、無駄な改質排ガスの燃焼を抑制しな
がら反応槽９の温度を適正範囲に維持する。反応槽９の
温度が安定するまでに発生した余剰な改質排ガスは、改
質排ガス分岐管５１から改質排ガス戻し管５５で構成さ
れる改質排ガス循環経路を循環して貯えられ、また余剰
な水素は水素循環経路に貯えられる。

【００３２】逆に、例えば定格出力の５０％で運転され
ている時に燃料電池出力１６に接続された負荷が増加し
た場合、原料ポンプ２および原料水ポンプ４で供給する
原料の供給量を増加させると共に、改質排ガス調整バル
ブ５７をより開いて改質排ガス分岐管５１から改質排ガ
ス戻し管５５で構成される改質排ガス循環経路に貯えら
れている改質排ガスも用いてバーナ７の燃焼量を増し、
反応槽９の温度を維持する。さらにまた、水素管２１か
ら水素戻し管２７で構成される水素循環経路内に保持さ
れている水素を用いて、燃料電池本体１５の負荷応答性
を向上させることができる。

【００３３】以上説明したように、本実施の形態によれ
ば、反応槽９から排出される改質排ガスの少なくとも一
部を反応槽９へ循環させる改質排ガス循環手段と、燃焼
室８（バーナ７）へ供給する改質排ガスの量を調節する
改質排ガス調節バルブ５６とを備えたので、反応槽９出
口からの改質排ガスをバーナ７へ供給する改質排ガス管
１２を分岐して改質排ガス分岐管５１と改質排ガス戻し
管５５を接続すると共に、改質排ガス管１２に改質排ガ
ス調節バルブ５６を設けるという比較的簡単な構成で、
しかも負荷の変動に応じて原料ポンプ２、原料水ポンプ
４および改質排ガス調節バルブ５６を制御するという比
較的簡単な制御で、バーナ７の燃焼量を燃料電池出力１
６に接続された負荷に応じて最適化することができるの
で負荷応答性が良く、しかも無駄な改質排ガスの燃焼を
しないので発電効率を向上させることができる。また、
例えば、負荷が急激に増加する（例えば、最低負荷から
最大負荷へステップで増加する）際に備えて、急激な水
素発生に伴う反応槽９の温度および圧力の低下あるいは
急激な水素使用量の増加に伴う水素循環経路の圧力低下
を最小限に抑制できるだけの容量を改質排ガス循環経路
あるいは水素循環経路に確保しておくというように、改
質排ガス循環経路と水素循環経路に貯えれられるガス量
を適正にすることで、システムの負荷応答性能をさらに
向上させることができる。

【００３４】なお、上記実施の形態では、燃料極から排
出される水素排ガスを水素槽１１へ循環させているが、
水素排ガスを水素槽１１へ戻さずに、水素排ガス戻し管
２７を水素槽１１から水素ブロワ２５の間にある水素槽
１１以外の配管または機器に接続してもよい。また水素
ブロア２５を水素排ガス管２６または水素排ガス戻し管
２７に接続してもよく、この場合、水素排ガスの戻し先
として水素排ガス戻し管２７を水素槽１１から加湿器１
４までの間の配管または機器に接続してもよい。さらに
水素排ガスを水素槽１１から加湿器１４までの配管また
は機器に戻す水素循環経路を備えていなくてもよい。

【００３５】また、上記実施の形態では例えば、燃焼室
８にバーナ７を配置した場合について示しているが、バ
ーナ７の代わりに従来と同様の燃焼触媒を用いた構成と
してもよい。また、図１では中央から燃焼室８、反応槽
９、水素槽１１の順に配置したが、逆に、水素槽１１を
中央に、燃焼室８を外側に配置してもよい。

【００３６】また、改質排ガスを燃焼室８へ供給するの
に、改質排ガスブロワ５４の一次側、２次側のどこから
分岐して供給するようにしてもよい。

【００３７】また、上記実施の形態では、空気は、１台
の空気ブロワ３２から分岐されて燃料電池本体１５の空
気極および改質装置６の燃焼室８へ空気が供給されてい
るが、別々の空気ブロワによる空気供給であってもよ
い。また、空気極からの空気排ガスを燃焼室８へ供給し
ていてもよい。また、上記実施の形態では原料供給管１
に供給される原料をメタノールとして説明したが、代わ
りに都市ガスが使用されてもよく、この場合、原料水は
燃焼排ガスなどで気化された後に都市ガスと混合され改
質装置６へ送られる。

【００３８】なお、上記実施の形態では、改質装置６で
得られた水素ガスを燃料電池本体１５に供給して発電に
用いる場合について説明したが、水素ガスを燃料電池以
外のシステムで使用する場合にも改質装置６に改質排ガ
ス循環手段と改質排ガス調節バルブ５６とを備えること
により、比較的簡易な構成と制御で、負荷が変動した場
合にもシステム効率の低下を抑制しつつ迅速に負荷変動
に追従することができる。

【００３９】実施の形態２．図２は本発明の実施の形態
２による燃料電池発電システムの構成を示す図である。
図において、５７は反応室圧力検出手段すなわち反応槽
圧力センサであり、反応槽９内の圧力を検出する。本実
施の形態は、実施の形態１の構成において、反応槽圧力
センサ５７を設置し、燃料電池出力１６に接続された負
荷の変動を反応槽９の圧力変動により間接的に検知する
ようにしたものであり、燃料電池出力１６に接続された
負荷の大小に関係なく、反応槽９の圧力が所定の値に保
たれるように原料ポンプ２および原料水ポンプ４を制御
して原料を供給するようになされている。なお、反応槽
９の圧力（所定値）は、例えば改質装置６の性能面から
水素透過層１０に求められる反応槽９と水素槽１１との
差圧（水素分圧）比および前述した改質循環経路または
水素循環経路に貯えられるガス量を適正にするための圧
力により決定される。

【００４０】燃料電池出力１６に接続された負荷が減少
した場合、燃料電池本体１５の水素消費量が減少して水
素循環経路に水素が滞留し水素槽１１の圧力は上昇する
ので反応槽９から水素槽１１への水素移動量が減少し、
反応槽９の圧力が上昇する。そこで、反応槽９の圧力を
反応槽圧力センサ５７で測定し、所定の圧力より大きい
場合は、原料ポンプ２および原料水ポンプ４を制御して
原料の供給量を減少させる。上記のように原料の供給量
の減少、反応槽９の圧力上昇により水素発生量が減少す
ると、反応槽９での反応は吸熱反応であるため吸熱量も
減るので、燃焼室８での燃焼量が同じであれば、反応槽
９での温度は上昇し始める。そこで、図示しない反応槽
温度センサで反応槽９の温度を測定し、所定温度より高
い場合は改質排ガス調整バルブ５６を絞り燃焼室８へ燃
料として供給されている改質排ガスを減少させて、反応
槽９の温度を所定温度に維持するように制御してもよ
い。反応槽９の温度が安定するまでに発生した余剰な改
質ガスは、改質排ガス分岐管５１から改質排ガス戻し管
５５で構成される改質排ガス循環経路を循環して貯えら
れる。

【００４１】負荷が増加した場合、水素循環経路の水素
が消費されるので水素槽１１の圧力は低下し反応槽９か
ら水素槽１１への水素の移動量が増加し、反応槽９の圧
力が低下する。そこで反応槽９の圧力を反応槽圧力セン
サ５７で測定し、所定の圧力より小さい場合は、原料ポ
ンプ２および原料水ポンプ４を制御して原料の供給量を
増加させる。上記のように原料の供給量の増加、反応槽
９の圧力減少により水素発生量が増加すると、反応槽９
での反応は吸熱反応であるため吸熱量は増大するので、
燃焼室８での燃焼量が同じであれば、反応槽９での温度
は低下し始める。そこで、図示しない反応槽温度センサ
で反応槽９の温度を測定し、所定の温度より低い場合は
改質排ガス調整バルブ５６を開けて燃焼室８へ燃料とし
て供給されている改質排ガスを増加させ、反応槽９の温
度を所定温度に維持するように制御してもよい。

【００４２】この場合も実施の形態１の場合と同様に、
改質排ガス循環経路に保持されている改質排ガスを用い
て改質装置６の負荷応答性を向上させることができ、し
かも無駄な改排質ガスの燃焼をしないので発電効率を向
上させることができる。また、水素循環経路内に保持さ
れている水素を用いて燃料電池本体１５の負荷応答性を
向上させることができる。さらに、本実施の形態では、
反応槽９内の圧力を検出する反応槽圧力センサ５７を備
えたので、改質系は燃料電池出力１６とは無関係に反応
槽９の圧力のみを監視しながら制御すればよく、改質系
と燃料電池系を完全に独立して制御できるという特徴が
ある。

【００４３】実施の形態３．図３は本発明の実施の形態
３による燃料電池発電システムの構成を示す図である。
図において、５８は水素槽１１から燃料極に供給される
水素ガスの流量を調節する水素ガス流量調節手段すなわ
ち流量可変水素ブロア、５９は燃料極から排出される水
素排ガスの圧力を検出する圧力検出手段すなわち水素排
ガス圧力センサである。本実施の形態は、実施の形態２
の構成において、水素ブロア２５を流量可変水素ブロア
５８に変更し、燃料電池本体１５の燃料極出口へ水素排
ガス圧力センサ５９を追加したものであり、流量可変ブ
ロア５８は、燃料電池出力１６に接続された負荷が変動
しても水素排ガス管２６を所定の圧力に保つように制御
される。なお、水素排ガス管２６の圧力は、例えば燃焼
室８の圧力や配管および水素排ガス調節バルブ２８の圧
力損失などにより決定される。

【００４４】燃料電池出力１６に接続された負荷が減少
した場合、燃料電池本体１５の水素消費量が減少して水
素排ガス管２６の圧力が上昇するので流量可変ブロア５
８は水素の送り量を減じる。すると、水素槽１１の圧力
が上昇し、水素透過層１０における反応槽９と水素槽１
１との差圧（水素分圧比）が減少して水素移動量が減少
し、反応槽９での圧力（水素分圧）が上昇するので、反
応平衡論上（反応槽９での反応はモル数が増加する反応
であるため）反応槽９における原料から水素への生成反
応は抑制される。

【００４５】逆に、燃料電池出力１６に接続された負荷
が増加した場合、燃料電池本体１５の水素消費量が増加
して水素排ガス管２６の圧力が低下するので流量可変ブ
ロア５８は水素の送り量を増す。すると、水素槽１１の
圧力が低下して、水素透過層１０における反応槽９と水
素槽１１との差圧（水素分圧比）が増加して水素移動量
が増加し、反応槽９での圧力（水素分圧）が減少するの
で、反応平衡論上（反応槽９での反応はモル数が増加す
る反応であるため）反応槽９における原料から水素への
生成反応は促進される。

【００４６】本実施の形態においては、実施の形態２と
同様な効果が得られる他に、燃料電池出力１６に接続さ
れた負荷が変動しても水素排ガス管２６内を所定の圧力
に保つように流量可変ブロア５８を制御することによ
り、負荷に応じて流量可変ブロア５８の動力損失を最小
にしてシステムの効率向上に寄与することができる。さ
らに、流量可変ブロア５８の出力に応じて反応槽９の圧
力が変化するので、上述のように、負荷に応じて反応槽
９における水素ガスの発生量を適切に調整することがで
きる。したがって、簡単な制御で改質装置６の負荷応答
性を向上させることができ、しかも負荷に応じて流量可
変ブロア５８の動力損失を最小にして発電効率を向上さ
せることができる。また、改質系と燃料電池系の動作を
連動させて容易に制御することができる。

【００４７】なお、上記実施の形態では、改質排ガス分
岐管５１〜改質排ガス戻し管５５で構成される改質排ガ
ス循環経路や、改質排ガス調節バルブ５６や反応槽圧力
センサ５７を備えた実施の形態２による燃料電池発電シ
ステムに流量可変水素ブロア５８と水素排ガス圧力セン
サ５９とを付加した場合について説明したが、これに限
るものではなく、改質排ガス循環経路や改質排ガス調節
バルブ５６や反応槽圧力センサ５７が無い場合にも、流
量可変水素ブロア５８と水素排ガス圧力センサ５９とを
設け、燃料電池出力１６に接続された負荷が変動しても
水素排ガス管２６を所定の圧力に保つように流量可変水
素ブロア５８を制御することにより、比較的簡易な構成
と制御で、負荷が変動した場合にも発電効率の低下を抑
制しつつ迅速に負荷変動に追従することができる燃料電
池発電システムが得られる。さらに、反応槽圧力センサ
５７を付加した場合には、水素排ガス圧力センサ５９の
出力に応じて流量可変水素ブロア５８を制御し、反応槽
圧力センサ５７の出力に応じて改質原料供給管１１７と
改質反応用水蒸気管１１８から供給される原料ガスと水
蒸気の量を制御するというように、改質系と燃料電池系
とをそれぞれ独立に制御することができるという効果も
得られる。

【００４８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、原料ガ
スを供給して化学反応により水素ガスを含む改質ガスを
生成する反応室、上記改質ガス中の水素ガスを選択的に
透過させる水素透過層を介して上記反応室と連通する水
素室、および上記反応室から排出される改質排ガスが供
給される燃焼室を有する改質装置と、上記水素透過層を
透過した水素ガスが供給される燃料極、および空気が供
給される空気極を有して発電を行う燃料電池本体とを備
えた燃料電池発電システムにおいて、上記反応室から排
出される改質排ガスの少なくとも一部を上記反応室へ循
環させる改質排ガス循環手段と、上記燃焼室へ供給する
改質排ガスの量を調節する改質排ガス調節手段とを備え
たので、比較的簡易な構成と制御で、負荷が変動した場
合にも発電効率の低下を抑制しつつ迅速に負荷変動に追
従することができる燃料電池発電システムが得られる。

【００４９】さらに、本発明によれば、上記燃料極から
排出される水素排ガスを上記水素室へ循環させる水素排
ガス循環手段を備えたので、燃料電池本体の負荷応答性
を向上させることができる。

【００５０】また、本発明によれば、原料ガスを供給し
て化学反応により水素ガスを含む改質ガスを生成する反
応室、上記改質ガス中の水素ガスを選択的に透過させる
水素透過層を介して上記反応室と連通する水素室、およ
び上記反応室から排出される改質排ガスが供給される燃
焼室を有する改質装置と、上記水素透過層を透過した水
素ガスが供給される燃料極、および空気が供給される空
気極を有して発電を行う燃料電池本体と、上記燃料極か
ら排出される水素排ガスを上記水素室へ循環させる水素
排ガス循環手段を備えた燃料電池システムにおいて、上
記水素室から上記燃料極に供給される水素ガスの流量を
調節する水素ガス流量調節手段と、上記燃料極から排出
される水素排ガスの圧力を検出する圧力検出手段とを備
えたので、比較的簡易な構成と制御で、負荷が変動した
場合にも発電効率の低下を抑制しつつ迅速に負荷変動に
追従することができる燃料電池発電システムが得られ
る。

【００５１】さらに、本発明によれば、上記反応室の圧
力を検出する反応室圧力検出手段を備えたので、改質装
置を燃料電池本体から独立して制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１による燃料電池発電シ
ステムの構成を示す図である。

【図２】本発明の実施の形態２による燃料電池発電シ
ステムの構成を示す図である。

【図３】本発明の実施の形態３による燃料電池発電シ
ステムの構成を示す図である。

【図４】従来の燃料電池発電システムの構成を示す概
念図である。

【符号の説明】

２原料ポンプ、４原料水ポンプ、６改質装
置、８燃焼室、９反応槽、１０水素透過層、
１１水素槽、１２改質排ガス管、１５燃料
電池本体、２１水素管、２５水素ブロア、２
６水素排ガス管、２７水素排ガス戻し管、３２
空気ブロア、５１改質排ガス分岐管、５２改
質排ガス熱交換器、５３改質排ガス冷却器、５４
改質排ガスブロア、５５改質排ガス戻し管、５
６改質排ガス調節バルブ、５７反応槽圧力セン
サ、５８流量可変水素ブロア、５９水素排ガス
圧力センサ、１１１改質装置、１１２水素分離
膜、１１９燃焼室、１２１改質ガス発生室、
１２６水素分離室、１２７燃料電池本体、１２
８水素極、１２９水素供給管、１３０キャリ
アガス戻し管、１３６酸素極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中岡英正東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内Ｆターム(参考） 5H027 AA06 BA01 BA16 BA19 CC06 KK06 KK10 MM09 MM13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原料ガスを供給して化学反応により水素
ガスを含む改質ガスを生成する反応室、上記改質ガス中
の水素ガスを選択的に透過させる水素透過層を介して上
記反応室と連通する水素室、および上記反応室から排出
される改質排ガスが供給される燃焼室を有する改質装置
と、上記水素透過層を透過した水素ガスが供給される燃
料極、および空気が供給される空気極を有して発電を行
う燃料電池本体とを備えた燃料電池発電システムにおい
て、上記反応室から排出される改質排ガスの少なくとも
一部を上記反応室へ循環させる改質排ガス循環手段と、
上記燃焼室へ供給する改質排ガスの量を調節する改質排
ガス調節手段とを備えたことを特徴とする燃料電池発電
システム。
【請求項２】上記請求項１記載の燃料電池発電システ
ムにおいて、上記燃料極から排出される水素排ガスを上
記水素室へ循環させる水素排ガス循環手段を備えたこと
を特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項３】原料ガスを供給して化学反応により水素
ガスを含む改質ガスを生成する反応室、上記改質ガス中
の水素ガスを選択的に透過させる水素透過層を介して上
記反応室と連通する水素室、および上記反応室から排出
される改質排ガスが供給される燃焼室を有する改質装置
と、上記水素透過層を透過した水素ガスが供給される燃
料極、および空気が供給される空気極を有して発電を行
う燃料電池本体と、上記燃料極から排出される水素排ガ
スを上記水素室へ循環させる水素排ガス循環手段を備え
た燃料電池システムにおいて、上記水素室から上記燃料
極に供給される水素ガスの流量を調節する水素ガス流量
調節手段と、上記燃料極から排出される水素排ガスの圧
力を検出する圧力検出手段とを備えたことを特徴とする
燃料電池発電システム。
【請求項４】上記請求項１ないし３のいずれかに記載
の燃料電池発電システムにおいて、上記反応室の圧力を
検出する反応室圧力検出手段を備えたことを特徴とする
燃料電池発電システム。