JP2004146089A - 燃料電池式発電システムとその起動方法 - Google Patents
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Abstract
【課題を解決するための手段】改質器に、材料供給制御装置を介して、水素ガスの材料となる水と炭化水素系ガスを供給する。改質器を所定温度まで昇温してから、ガスを供給し始めることによって、起動時から安定して高濃度水素ガスが生成される。昇温中に水を供給しつつ、供給水量を経時的に変化させることが好ましい。
【選択図】図1
Description
【発明の属する技術分野】本発明は、炭化水素系ガスと水とから高濃度の水素ガスを生成し、これを燃料として発電を行う燃料電池式発電システムに関するものである。特に、燃料電池式発電システムの起動時に改質器へ炭化水素系ガスと水を供給し始める技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】燃料電池は、燃料となる水素ガスと空気中の酸素を化学反応させて電気を取り出す。燃料電池が燃料とする水素ガスは、改質触媒を利用して炭化水素系ガスと水を化学反応させて改質することで得られる。改質反応を安定的に得るためには、改質触媒の種類によって多少の変動はあるものの、改質触媒の温度を約600℃から800℃前後の高温に保つ必要がある。改質反応は吸熱反応であるので、改質触媒を昇温して高温に保持するために燃焼器が設けられており、燃焼器で発生した燃焼熱によって改質器が昇温されて高温に保持される。
【0003】
改質触媒の温度が約600℃から800℃前後の適温に達するまでの間に改質されて生成された水素ガスは、副生成物である一酸化炭素や二酸化炭素を多く含む。一酸化炭素は燃料電池の電極を劣化させるために、燃料電池に供給されないようにする必要がある。通常は、改質されて生成された高濃度水素ガスから一酸化炭素を除去する装置を用い、その除去装置で一酸化炭素が除去された水素ガスを燃料電池に供給するが、生成された水素ガスに含まれる一酸化炭素が多すぎると一酸化炭素を除去しきれない。そこで、一定量以上の一酸化炭素を含む水素ガスは燃料電池に供給しないで、燃焼器に供給して燃料として使用されてきた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、改質触媒の温度が適温で安定するまでの間に生成されたガスは、一酸化炭素等の副生成物を多く含むだけでなく、副生成物の含有量や組成が不安定であったり、また、一時的に大量のガスが供給されたりするために、たとえ燃焼器に供給しても、最適な燃焼条件を維持することが困難であった。組成や供給量が不安定な高濃度水素ガスを燃焼器に供給して燃料として使用した場合には、酸素不足に起因して不完全燃焼を引き起こしやすく、最悪の場合には燃焼器が失火する可能性も有していた。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、改質器から生成される高濃度水素ガスが、改質の開始直後から副生成物の少ない安定した組成で生成されることを可能とし、これによって、改質器で生成した高濃度水素ガスを生成の初期段階から燃料電池に供給して発電を行うことが可能な、燃料電池式発電システムとその起動方法を提供するものである。
【0005】
【課題を解決するための手段と作用】請求項1の発明は、炭化水素系ガスと水とから高濃度水素ガスを生成する改質器と、改質器に炭化水素系ガスを供給するガス供給装置と、改質器に水を供給する水供給装置と、改質器を加熱する燃焼器と、改質器で生成された高濃度水素ガスに酸素を反応させて発電する燃料電池と、水供給装置とガス供給装置の運転を制御する材料供給制御装置とから構成されている。
材料供給制御装置は、燃焼器の運転開始に前後して水供給装置の運転を開始させて少量の水を供給し始め、以後、改質器の昇温に追従して水の供給量を増大させ、必要水量に達した以降は必要水量に維持する。また改質器が所定温度に昇温した時にガス供給装置の運転を開始させる。
【0006】
本発明のシステムでは、改質触媒の温度が適温にまで昇温した時に、高濃度水素ガスを生成するための炭化水素系ガスが供給され始める。このために、改質の開始直後から、副生成物の少ない水素ガスが得られる。
また改質器に水を供給しながら改質器を昇温していくために、改質触媒に温度むらが生じにくく、炭化水素系ガスの供給開始直後から安定した高濃度水素ガスを得ることができる。しかも水供給装置の運転開始時には少量の水を供給し始めるために加熱開始直後で十分に加熱されていない改質器の中で水(少量の水が加熱されるので水蒸気となっている)が結露して水蒸気通路を閉塞させることがない。改質器の昇温に追従して水の供給量を増大させ、必要水量に達した以後は必要水量に維持するために、改質器の中で水が結露しない範囲内で水量を増大させることができ、必要な水量を供給している状態で改質器を適温に昇温させることができる。必要な水量が供給された状態で適温に昇温された改質器に炭化水素系ガスが供給され始めることから、改質の開始直後から副生成物の少ない水素ガスが得られる。
この場合、水の昇温に無駄に燃焼熱が使われることを防止しながら、改質触媒に温度むらが生じにくい態様で改質器を昇温させることができる。
【0007】
供給水量を徐々に増大させるのに代えて、燃焼開始に前後して少量の水を供給し始め、改質器が所定温度に昇温した時に水の供給量を増大させ、改質器が再び所定温度に昇温した時にガス供給装置の運転を開始させるようにしてもよい。
この場合にも、水の昇温に無駄に燃焼熱が使われることを防止しながら、改質触媒に温度むらが生じにくい態様で改質器を昇温させることができ、温度むらのない改質器に炭化水素系ガスを供給し始めることができる。
【0008】
改質器の昇温中には水も炭化水素系ガスも供給せず、改質器が所定温度に昇温した時に材料供給制御装置によって水供給装置の運転を開始させ、改質器が再び所定温度に昇温した時にガス供給装置の運転を開始させるようにしてもよい。
この燃料電池式発電システムによれば、燃焼器からの燃焼熱によって改質器が所定温度にまで昇温した時点で、材料供給制御装置が水供給装置の運転を開始させることにより、改質器に水が供給され始める。水が供給され始めることによって改質器の温度は低下する。改質器温度は一旦低下した後、燃焼器からの燃焼熱によって再び昇温する。改質器が昇温されて再び所定温度にまで昇温した時点で、材料供給制御装置がガス供給装置の運転を開始させることにより、改質器に炭化水素系ガスが供給され始める。
本発明のシステムによれば、改質器が安定した改質を行うために必要な温度にまで昇温した後に、高濃度水素ガスを生成するための炭化水素系ガスが供給され始める。改質の開始直後から、副生成物の少ない水素ガスが得られる。また本発明によれば、水の昇温に無駄に燃焼熱が使われることが極力抑制される。
【0009】
改質器の昇温中には水も炭化水素系ガスも供給せず、材料供給制御装置によって、改質器が所定温度に昇温した時に水供給装置とガス供給装置の運転を同時に開始させるようにしてもよい。
本発明の燃料電池式発電システムは、改質器に水が供給され始めた時の改質器の温度低下が小さく、生成される水素ガスの品質に大きく影響しない場合に好適である。本発明の材料供給制御装置は、改質器が所定温度に昇温した時に、水供給装置とガス供給装置の運転を同時に開始させるものであり、材料供給制御装置の構成をより簡易なものとすることができる。
【0010】
請求項5に示されるように、本発明の材料供給制御装置は、改質器に設けられた温度センサと、ガス供給装置に設けられた弁と、水供給装置に設けられた弁と、前記温度センサの出力に基いて前記2つの弁を制御する弁制御装置から構成することができる。
温度センサの出力によって弁制御装置が、ガス供給装置に設けられた弁と水供給装置に設けられた弁を開閉する。これにより、改質器が所定温度に昇温するのを待ってガス供給装置の運転を開始することが可能となる。
【0011】
請求項6に示されるように、燃焼器の燃焼開始時からの時間を測定するタイマーと、ガス供給装置に設けられた弁と、水供給装置に設けられた弁と、前記タイマーが測定する経過時間に基いて前記2つの弁を制御する弁制御装置とで材料供給制御装置を構成することもできる。
燃焼器の燃焼開始時からの経過時間と改質器の温度には密接な関係があることから、温度に代えて経過時間に基づいてガス供給装置に設けられた弁と水供給装置に設けられた弁の開閉を制御しても、意図した制御結果を得ることができる。
【0012】
請求項7の発明は、燃料電池式発電システムの起動方法であり、以下の工程を備えている。即ち、改質器と、燃焼器と、燃料電池とを備えた燃料電池式発電システムを起動させる際に、燃焼器を点火して改質器を加熱し始める工程と、燃焼開始工程に前後して改質器に少量の水を供給し始める工程と、以後、改質器の昇温に追従して水の供給量を増大させ、必要水量に達した以降は必要水量に維持する工程と、前記改質器が所定温度に昇温した時に前記改質器に炭化水素系ガスを供給し始める工程とを備えている。
【0013】
本起動方法によれば、改質触媒の温度が適温にまで昇温した時に、高濃度水素ガスを生成するための炭化水素系ガスが供給され始める。これによると、改質の開始直後から、副生成物の少ない水素ガスが得られる。
また改質器に水を供給しながら改質器を昇温していくために、改質触媒に温度むらが生じにくく、炭化水素系ガスの供給開始直後から安定した高濃度水素ガスを得ることができる。しかも水供給装置の運転開始時には少量の水を供給し始めるために加熱開始直後で十分に加熱されていない改質器の中で水(少量の水が加熱されるので水蒸気となっている)が結露して水蒸気通路を閉塞させることがない。改質器の昇温に追従して水の供給量を増大させ、必要水量に達した以後は必要水量に維持するために、改質器の中で水が結露しない範囲内で水量を増大させることができ、必要な水量を供給している状態で改質器を適温に昇温させることができる。必要な水量が供給された状態で適温に昇温された改質器に炭化水素系ガスが供給され始めることから、改質の開始直後から副生成物の少ない水素ガスが得られる。
本起動方法によれば、水の昇温に無駄に燃焼熱が使われることを防止しながら改質触媒に温度むらが生じにくい態様で改質器を昇温させることができる。
【0014】
供給水量を徐々に増大させるのに代えて、燃焼開始に前後して少量の水を供給し始め、改質器が所定温度に昇温した時に水の供給量を増大させ、改質器が再び所定温度に昇温した時にガス供給装置の運転を開始させるようにしてもよい。
この場合にも、水の昇温に無駄に燃焼熱が使われることを防止しながら、改質触媒に温度むらが生じにくい態様で改質器を昇温させることができ、温度むらのない改質器に炭化水素系ガスを供給し始めることができる。
【0015】
改質器の昇温中には水も炭化水素系ガスも供給せず、改質器が所定温度に昇温した時に改質器に水を供給し始め、改質器の温度が一旦下降して再び所定温度に昇温した時にガス供給装置の運転を開始させるようにしてもよい。
この起動方法によれば、改質器を所定温度に昇温させてから後に水と炭化水素系ガスを供給し始める工程が設けられているので、改質開始直後から品質の安定した高濃度水素ガスが生成される。この起動方法によれば、水の昇温に無駄に燃焼熱が使われることが極力抑制される。
【0016】
改質器に水が供給され始めた時の改質器の温度低下が小さい場合には、改質器の昇温中には水も炭化水素系ガスも供給せず、改質器が所定温度に昇温した時に水と炭化水素系ガスを同時に供給し始めることもできる。
【0017】
【発明の実施の形態】以下に説明する実施例の主要な特徴を次に列記する。
(形態1)燃料電池式発電システムは、燃料電池と、燃料電池に供給する水素を発生させる改質器と、改質器を加熱する燃焼器と、水供給装置と、ガス供給装置と、材料供給制御装置から構成されている。
(形態2)形態1の燃焼器は、改質器に供給する炭化水素系ガスと同じ種類のガスを燃焼させて改質器を加熱する。
(形態3)弁制御装置は、弁の開閉量を計算して指令する演算部と、温度センサの出力を受け取って演算部が読みとり可能な温度データに変換して転送する入力部と、制御部から構成される。
(形態4)弁制御装置は、弁の開閉量を計算して指令する演算部と、タイマーが測定する時間を受け取って演算部が読みとり可能な時間データに変換して転送する入力部と、制御部から構成される。
【0018】
【実施例】以下に、本発明の燃料電池式発電システムの実施例を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
(第一実施例)
図1は、本発明の第一実施例に係わる、燃料電池式発電システムの構成を示している。本実施例の燃料電池式発電システムは、炭化水素系ガスと水とから高濃度の水素ガスを発生させる改質器2と、改質器2に水を供給する水供給装置4と、改質器2に炭化水素系ガスを供給するガス供給装置6と、改質器2を加熱する燃焼器8と、改質器で生成された高濃度水素ガスに酸素を反応させて発電する燃料電池10とから構成されている。これらは互いに接続されており、発電を行うために必要な液体や気体の輸送が可能となっている。また、本実施例の燃料電池式発電システムには、水供給装置4とガス供給装置6の運転を制御する材料供給制御装置25が設けられている。
【0019】
料供給制御装置25は、改質器2に設けられた温度センサ18と、ガス供給装置6に設けられた流量調整弁14と、水供給装置4に設けられた流量調整弁12と、流量調整弁12と14を制御する弁制御装置16から構成されている。
温度センサ18は、化学反応を促進する改質触媒の温度を直接測定してもよいし、実験により改質器2内部の温度分布と改質触媒の温度の相関関係が確認されているので、改質器2内部の雰囲気温度を測定してもよい。
以後、改質触媒の温度を直接測定した場合も、改質器2内部の雰囲気温度を測定した場合も、同じく、改質器2の温度と略称する。
【0020】
弁制御装置16は、流量調整弁12と14の開閉量を算出して流量調整弁12と14の開閉を指令するプログラムが常駐している演算部22と、温度センサ18の出力を受け取って演算部22のプログラムが読みとり可能な温度データに変換して転送する入力部20と、制御部24から構成される。
【0021】
改質器2の内部では、改質触媒(図示されない)を用いた化学反応により、炭化水素系ガスと水とから水素ガスが生成する。本反応を安定して行うために、本実施例の改質器2の場合は、約700℃以上の高温に維持する必要がある。改質器2を700℃に維持するために、燃料にガスを使用して燃焼熱で改質器を加熱する燃焼器8が用いられる。燃焼器8の燃焼用ガスには、改質用の炭化水素系ガスを用いることができる。
本実施例の改質器2は、700℃に達するまでの間に改質すると、一酸化炭素(CO)や二酸化炭素(CO2)等の副生成物を多く含む水素ガスを生成する。また、700℃よりも高温となった場合には、改質触媒の劣化が進むため、好ましくない。
【0022】
改質器2から生成される水素ガスが、改質開始直後から副生成物の少ない安定した組成で生成されるように燃料電池式発電システムを起動する制御手順を図3に示す。以下、図3に基づいて詳細に説明する。
発電の要求があると、燃料電池式発電システムが起動される。最初に、改質器2を昇温するために燃焼器8が点火され(ステップS2)、燃焼熱によって改質器2が昇温し始める。燃焼開始と前後して材料供給制御装置25の制御によって水供給装置4の流量調整弁12がほぼ半分開かれ、小流量の水が供給され始める(ステップ4)。燃焼開始に先立って水の供給が開始されてもよいし、燃焼開始後に水の供給が開始されてもよいが、同時に開始させることが好ましい。改質器2に水のみが供給された状態で改質器2が加熱される。改質器2の昇温中は、昇温の程度に追従して流量調整弁12が大きく開けられ、水の供給量が徐々に増やされる(ステップS6)。
【0023】
材料供給制御装置25の温度センサ18は、改質器2内の温度を継続して測定し、測定結果を出力している。入力部20は、温度センサ18の出力を受け取って演算部22のプログラムが読みとり可能な温度データに変換し、演算部22に転送する。演算部22のプログラムは、改質器2が約700℃に達したか否かを判定し続ける。約700℃に達しない間は、徐々に水量を増大させながら、昇温を続ける(ステップS6)。
水を供給しながら改質器を昇温していくと、改質触媒に温度むらがない状態で昇温され、改質触媒の劣化を防止できる。また安定した改質反応が得られ、副生成物が少ない状態で高濃度水素を得ることができる。
演算部22によって改質器2が約700℃に達したことが確認されると(ステップS8)、演算部22のプログラムは制御部24に対して、炭化水素系ガスの供給装置6の流量調整弁14を開くように指示する(ステップS14)。
制御部24の制御によって流量調整弁14が開放され、ガス供給装置6の運転が開始されて改質器2に炭化水素系ガスが供給され始める(ステップS14)。流量調整弁14が開けられることによってガス供給装置6の運転が実質的に開始され、改質器2に炭化水素系ガスが供給され始める。
【0024】
炭化水素系ガスの供給開始に伴って改質器2の温度が一旦は低下するが、改質器2の温度が700℃に到達した状態で炭化水素系ガスの供給が開始されるために、改質器2に温度は短時間で適温に戻り、それ以降は適温で保持される。この結果、炭化水素系ガスを供給し始めた直後から高濃度の水素ガスが安定的に生成され始める(ステップ16)。生成された水素ガスが燃料電池10に供給されて発電が開始される(ステップ18)。
炭化水素系ガスの供給開始時に、流量装置弁14を徐々に大きく開くようにしてもよい。この場合、炭化水素系ガスの供給開始時の一時的温度低下現象の発生を避けることができ、改質ガス成分はより速やかに安定する。
【0025】
図4の(A)は、この実施例によるときの水量変化を示し、供給開始時には少量を供給し始める。昇温中に徐々に水量が増やされるが、このときの傾斜は、所定温度にまで昇温されたときに、ちょうど発電量に必要な水素量が得られるだけの水量に一致することが好ましい。
水を加熱するのに少々の燃料が無駄に使われることになるけれども、点線に示すように、より早く増大させてもよい。この場合、必要水量に達したら、それ以降には必要水量に維持する。
図4(B)に示すように、水の供給開始時から必要水量を供給するようにしてもよい。この場合、図3のステップS6の処理を省略することができる。
図4の(A)に示した水量の増加関係は、改質器2の温度に追従させることが好ましい。改質器2の温度は、加熱開始時からの時間に密接に関係するために、時間に追従して流量調整弁12に開度を徐々に開けてもよい。
【0026】
(第二実施例)
図5に示すように、改質器2の昇温中は水の供給量を少量に保ち、改質器2が適温にまで昇温した段階で、必要水量にまで増大させてもよい。この場合の処理手順が図6に示され、燃焼開始と前後して水供給装置4の流量調整弁12がほぼ半分開かれる(ステップS4a)。改質器2が適温に昇温されるまでその状態が維持される。改質器2が適温にまで昇温されると(ステップS8)、流量調整弁12がさらに開かれ、発電に必要な水量にまで増大される(ステップS10)。水量の増大に伴って、改質器2の温度は一時的に低下するが、引き続き燃焼器8から燃焼熱が供給されて改質器2は昇温し、再び約700℃前後まで昇温する(ステップ12)。演算部22のプログラムは、温度データの監視を継続しつつ、予め発電要求量に対応した炭酸水素系ガスの必要量を算出し、ガス供給装置6に設けられた流量調整弁14の開放量を演算しておく。改質器2が約700℃に達したことを温度データから認識すると同時に、演算部22のプログラムは、制御部24に対して、流量調整弁14の開放量を指令する。弁制御部24の制御によって流量調整弁14が指定量開放されて、ガス供給装置6の運転が実質的に開始され、改質器2に炭化水素系ガスが供給され始める(ステップ14)。
【0027】
炭化水素系ガスの供給開始に伴って改質器2の温度が一旦は低下するが、改質器2の温度が700℃に到達した状態で炭化水素系ガスの供給が開始されるために、改質器2に温度は短時間で適温に保持されるようになり、炭化水素系ガスを供給し始めた直後から高濃度の水素ガスが安定的に生成され始める(ステップ16)。生成された水素ガスが燃料電池10に供給されて、発電が開始される(ステップ18)。
炭化水素系ガスの供給開始時に、流量装置弁14を徐々に大きく開くようにしてもよい。この場合、炭化水素系ガスの供給開始時の一時的温度低下現象の発生を避けることができ、改質ガス成分はより速やかに安定する。
この実施例でも、図6のステップS8とS12で、加熱開始後の経過時間に基づいて、水量の増大タイミングや炭化水素系ガスの供給開始タイミングをコントロールしてもよい。
【0028】
(第三実施例)
図7の処理手順は第三実施例を示し、この場合には、改質器2の昇温中は、水を供給しない(ステップS2のみが存在し、図3のステップS4と図5のステップS4aが存在しない)。改質器2が適温にまで昇温されたときに(ステップS8aがイエスとなったときに)、弁12が開いて水が供給され始める(ステップS10a)。水の供給開始に伴って、改質器2の温度は一時的に低下するが、引き続き燃焼器8から燃焼熱が供給されて改質器2は昇温し、再び約700℃前後まで昇温する(ステップ12a)。演算部22のプログラムは、温度データの監視を継続しつつ、予め発電要求量に対応した炭酸水素系ガスの必要量を算出し、ガス供給装置6に設けられた流量調整弁14の開放量を演算しておく。改質器2が約700℃に達したことを温度データから認識すると同時に、演算部22のプログラムは、制御部24に対して、流量調整弁14の開放量を指令する。弁制御部24の制御によって流量調整弁14が指定量開放されて、ガス供給装置6の運転が実質的に開始され、改質器2に炭化水素系ガスが供給され始める(ステップ14)。
炭化水素系ガスの供給開始に伴って改質器2の温度が一旦は低下するが、改質器2の温度が700℃に到達した状態で炭化水素系ガスの供給が開始されるために、改質器2に温度は短時間で適温に保持されるようになり、炭化水素系ガスを供給し始めた直後から高濃度の水素ガスが安定的に生成され始める(ステップ16)。生成された水素ガスが燃料電池10に供給されて、発電が開始される(ステップ18)。
炭化水素系ガスの供給開始時に、流量装置弁14を徐々に大きく開くようにしてもよい。この場合、炭化水素系ガスの供給開始時の一時的温度低下現象の発生を避けることができ、改質ガス成分はより速やかに安定する。
【0029】
(第四実施例)
本実施例に係わる燃料電池式発電システムの主要な構成は図1と同じであり、同一内容についての重複説明を割愛する。以下、本実施例における燃料電池式発電システムの起動方法について、図8の起動フローを参照して詳細に説明する。本実施例では、水供給装置4から高温の水蒸気が供給される。そのために、改質器2に水が供給され始めた際の改質触媒の温度変化は小さく、生成される高濃度の水素ガスの組成に大きく影響することはない。
本実施例においても、発電の要求に基づいて燃焼器8が点火され(ステップS2)、燃焼熱によって改質器2の昇温が開始するが、この段階ではまだ、材料供給制御装置25の制御によって水供給装置4とガス供給装置6の運転は開始されていない。改質器2は約700℃前後まで昇温する(ステップS10b)。
演算部22に常駐するプログラムは、温度センサ18によって測定されて入力部20によって変換された改質器2の温度データを常時監視すると共に、予め、発電の要求量に対応する高濃度の水素ガスの発生に要する水と炭化水素系ガスの必要量を算出し、流量調整弁12、14の各々の開放量を演算する。
改質器2が約700℃に達したことを温度データから認識すると同時に、演算部22のプログラムは、制御部24に対して、流量調整弁12と14の各々の開放量を指令する(ステップS14a)。制御部24の制御によって流量調整弁12と14が指定量開放され、水供給装置4およびガス供給装置6の運転が開始され、改質器2に必要量の水と炭化水素系ガスが供給され始める(ステップS14a)。改質の開始直後から安定的な化学反応が得られ、高濃度の水素ガスが生成され(ステップS16)、生成された水素ガスが燃料電池10に供給されて、発電が開始される(ステップS18)。
【0030】
(第五実施例)
図2は、本発明の第五実施例に係わる、燃料電池式発電システムの構成を示している。図1と同様の構成のものについては、同一符号を付与して、その説明を省略する。本実施例における燃料電池式発電システムの起動フローの一例を図9に示す。以下、図2の燃料電池式発電システムの構成と、図9の起動フローを参照して詳細に説明する。
本実施例における材料供給制御装置35は、タイマー26と、流量調整弁12と14と、タイマーが測定する経過時間に基いて2つの流量調整弁を制御する弁制御装置28から構成されている。
本実施例におけるタイマー26は、燃焼器8に接続されていて燃焼器8が点火された時刻を検出することが可能であり、燃焼器8が点火されてからの経過時間を測定して、測定結果を出力する。
本実施例の弁制御装置28は、流量調整弁12と14の開閉量を算出して指令するプログラムが常駐している演算部32と、タイマー26の出力を受け取って演算部32のプログラムが読みとり可能な時間データに変換して演算部32に転送する入力部30と、制御部34から構成される。
演算部32には、燃焼部8の点火時から改質器2が約700℃前後まで昇温するまでに要する時間時間T1と、改質器2に水供給装置4から水が供給されはじめて改質器2の温度が一時的に低下してから、燃焼熱が供給されて再び約700℃前後まで昇温するまでに要する時間T2が記憶されている。これらの時間はあらかじめ実験によって求められている。
【0031】
本実施例では、発電の要求に基づいて燃焼器8が点火されると(ステップS2)、タイマー26が時間の計測を開始する(ステップS20)。ここではまだ、材料供給制御装置35の制御によって、水供給装置4とガス供給装置6の運転は開始されていない。演算部32のプログラムは、タイマー26が計測して入力部30が転送する点火開始時からの経過時間データを参照し、予め記憶している時間T1と比較して監視する(ステップS8b)。一方、演算部32のプログラムは、発電要求量に必要な水の供給量を予め算出する。燃焼器8の点火から時間T1が経過すると、演算部32は、制御部34に流量調整弁12の開放量を指令する。制御部34の制御によって流量調整弁12が開放されて、水供給装置4の運転が開始され、必要量の水が供給され始める(ステップS10b)。
【0032】
水の供給と同時に、演算部32のプログラムは、点火時からの経過時間から時間T1を減じることで、水の供給開始開始後の経過時間データを求め(ステップS22)、これを時間T2と比較して監視する(ステップS12b)。演算部32のプログラムは、前記時間データを監視する一方で、発電要求量に対応する炭化水素系ガスの供給量を予め算出する。演算部32のプログラムは、前記時間データから、改質触媒が水の供給を受けてから再び約700℃前後まで昇温するまでに要する時間T2が経過したことを確認すると(ステップS12b)、制御部34に流量調整弁14の開放量を指令する。制御部34の制御によって流量調整弁14が開放され、ガス供給装置6の運転が開始されて炭化水素系ガスが供給され始める(ステップS14)。改質触媒の温度は、既に700℃に到達しているため、直後から安定した化学反応が得られて高濃度の水素ガスが生成され始める(ステップS16)。生成された水素ガスは、燃料電池10に供給されて発電が開始される(ステップS18)。
【0033】
(第六実施例)
本実施例に係わる燃料電池式発電システムの主要な構成は、図2と同じであり、重複説明を割愛する。
本実施例における弁制御装置28の演算部30には、燃焼部8の点火時から改質器2の改質触媒が約700℃前後まで昇温する時間T1が記憶されている。時間T1は実験によってあらかじめ測定されている。また、本実施例においては、改質器2に水が供給されはじめた際の温度変化が小さく、生成される高濃度の水素ガスの組成に大きくは影響しない。
本実施例における燃料電池式発電システムの起動フローの一例を、図10に示す。以下、図2の燃料電池式発電システムの構成と、図10の起動フローを参照して詳細に説明する。
【0034】
本実施例では、発電の要求に基づいて燃焼器8が点火されると(ステップS2)、タイマー26が時間の計測を開始する(ステップS20c)。演算部32のプログラムは、タイマー26によって測定されて入力部30によって転送される時間を、予め記憶している時間T1と比較し監視する(ステップS8c)。一方、演算部32のプログラムは、発電要求量に対応する水と炭化水素系ガスの供給量を予め算出する。燃焼部8の点火から時間T1が経過すると同時に、演算部32は、制御部34に流量調整弁12、14の開放量を指令する。制御部34は流量調整弁12及び14を指定量開放し、水供給装置4とガス供給装置6の運転が同時に開始されて、改質器2に水と原料ガスが供給され始める(ステップS14c)。直後から、水素ガスが生成され(ステップS16)、生成された水素ガスが燃料電池2に供給されて、発電が開始される(ステップS18)。
【0035】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。例えば、実施例の燃料電池式発電システムでは、燃焼器と改質器が個別の装置で配管がおこなわれているが同一の装置の中に、改質器と燃焼器が組み込まれていてもよい。また、実施例では、水と炭化水素系ガスの流量を調整する流量調整弁の弁制御装置は、入力部と演算部と制御部から構成されるが、演算部に記憶されるプログラムの仕様によっては、入力部および制御部を省略して、改質器内の温度や燃焼開始からの時間を演算部が直接検出し、又、流量調整弁に対して演算部が直接指令を出すことも可能である。その他、実施例の図中に示した供給路の配管や構成は、装置の構成によって自由に変更が可能である。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。
【0036】
【発明の効果】以上のように、本願発明の燃料電池式発電システムと起動方法によると、炭化水素系ガスと水とから高濃度水素ガスを生成する改質器を、所定温度まで昇温してからガスを供給する。これにより、改質器から生成される高濃度水素ガスは改質の開始直後から副生成物の少ない安定した組成で生成される。生成した高濃度水素ガスを、生成の最初から燃料電池に供給することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1から4の燃料電池式発電システムの構成を模式的に示す図。
【図2】実施例5から6の燃料電池式発電システムの構成を模式的に示す図。
【図3】実施例1の起動方法の概要を示すフローチャート。
【図4】実施例1の水量の変化を示す図。
【図5】実施例2の水量の変化を示す図。
【図6】実施例2の起動方法の概要を示すフローチャート。
【図7】実施例3の起動方法の概要を示すフローチャート。
【図8】実施例4の起動方法の概要を示すフローチャート。
【図9】実施例5の起動方法の概要を示すフローチャート。
【図10】実施例6の起動方法の概要を示すフローチャート。
【符号の説明】
2:改質器
4:水供給装置
6:ガス供給装置
8:燃焼器
10:燃料電池
12:流量調整弁
14:流量調整弁
16:弁制御装置
18:温度センサ
20:入力部
22:演算部
24:制御部
26:タイマー
25,35:材料供給制御装置
Claims (10)
- 炭化水素系ガスと水とから高濃度水素ガスを生成する改質器と、改質器に炭化水素系ガスを供給するガス供給装置と、改質器に水を供給する水供給装置と、改質器を加熱する燃焼器と、改質器で生成された高濃度水素ガスに酸素を反応させて発電する燃料電池と、燃焼器の運転開始に前後して水供給装置によって少量の水を供給し始め、以後、改質器の昇温に追従して水の供給量を増大させ、必要水量に達した以降は必要水量に維持するとともに、改質器が所定温度に昇温した時にガス供給装置の運転を開始させる材料供給制御装置とを備えた燃料電池式発電システム。
- 炭化水素系ガスと水とから高濃度水素ガスを生成する改質器と、改質器に炭化水素系ガスを供給するガス供給装置と、改質器に水を供給する水供給装置と、改質器を加熱する燃焼器と、改質器で生成された高濃度水素ガスに酸素を反応させて発電する燃料電池と、燃焼器の運転開始に前後して水供給装置によって少量の水を供給し始め、改質器が所定温度に昇温した時に水の供給量を増大させ、改質器が再び所定温度に昇温した時にガス供給装置の運転を開始させる材料供給制御装置とを備えた燃料電池式発電システム。
- 炭化水素系ガスと水とから高濃度水素ガスを生成する改質器と、改質器に炭化水素系ガスを供給するガス供給装置と、改質器に水を供給する水供給装置と、改質器を加熱する燃焼器と、改質器で生成された高濃度水素ガスに酸素を反応させて発電する燃料電池と、改質器が所定温度に昇温した時に水供給装置の運転を開始させ、改質器が再び所定温度に昇温した時にガス供給装置の運転を開始させる材料供給制御装置とを備えた燃料電池式発電システム。
- 炭化水素系ガスと水とから高濃度水素ガスを生成する改質器と、改質器に炭化水素系ガスを供給するガス供給装置と、改質器に水を供給する水供給装置と、改質器を加熱する燃焼器と、改質器で生成された高濃度水素ガスに酸素を反応させて発電する燃料電池と、改質器が所定温度に昇温した時に水供給装置とガス供給装置の運転を開始させる材料供給制御装置とを備えた燃料電池式発電システム。
- 材料供給制御装置は、改質器に設けられた温度センサと、ガス供給装置に設けられた弁と、水供給装置に設けられた弁と、前記温度センサの出力に基いて前記2つの弁を開閉する弁制御装置から構成されることを特徴とする請求項1から4のいずれかの燃料電池式発電システム。
- 材料供給制御装置は、前記燃焼器の燃焼開始時からの時間を測定するタイマーと、ガス供給装置に設けられた弁と、水供給装置に設けられた弁と、前記タイマーが測定する経過時間に基いて前記2つの弁を開閉する弁制御装置から構成されることを特徴とする請求項1から4のいずれかの燃料電池式発電システム。
- 炭化水素系ガスと水とから高濃度水素ガスを生成する改質器と、改質器を加熱する燃焼器と、改質器で生成された高濃度水素ガスに酸素を反応させて発電する燃料電池とを備えた燃料電池式発電システムの起動方法であって、前記燃焼器を点火して前記改質器を加熱し始める工程と、前記燃焼開始工程に前後して改質器に少量の水を供給し始める工程と、以後、改質器の昇温に追従して水の供給量を増大させ、必要水量に達した以降は必要水量に維持する工程と、前記改質器が所定温度に昇温した時に前記改質器に炭化水素系ガスを供給し始める工程とを含む燃料電池式発電システムの起動方法。
- 炭化水素系ガスと水とから高濃度水素ガスを生成する改質器と、改質器を加熱する燃焼器と、改質器で生成された高濃度水素ガスに酸素を反応させて発電する燃料電池とを備えた燃料電池式発電システムの起動方法であって、前記燃焼器を点火して前記改質器を加熱し始める工程と、前記燃焼開始工程に前後して改質器に少量の水を供給し始める工程と、改質器が所定温度に昇温した時に水の供給量を増大させる工程と、改質器が再び所定温度に昇温した時に炭化水素系ガスを供給し始める工程とを含む燃料電池式発電システムの起動方法。
- 炭化水素系ガスと水とから高濃度水素ガスを生成する改質器と、改質器を加熱する燃焼器と、改質器で生成された高濃度水素ガスに酸素を反応させて発電する燃料電池とを備えた燃料電池式発電システムの起動方法であって、前記燃焼器を点火して前記改質器を加熱し始める工程と、前記改質器が所定温度に昇温した時に前記改質器に水を供給し始める工程と、前記改質器が再び所定温度に昇温した時に前記改質器に炭化水素系ガスを供給し始める工程とを含む燃料電池式発電システムの起動方法。
- 炭化水素系ガスと水とから高濃度水素ガスを生成する改質器と、改質器を加熱する燃焼器と、改質器で生成された高濃度水素ガスに酸素を反応させて発電する燃料電池とを備えた燃料電池式発電システムの起動方法であり、前記燃焼器を点火して前記改質器を加熱し始める工程と、前記改質器が所定温度に昇温した時に前記改質器に水と炭化水素系ガスを供給し始める工程とを含む燃料電池式発電システムの起動方法。
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