(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系原料および水から水素リッチの生成ガスを生成する水素生成器と、前記生成ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記水素生成器に水を供給する水供給部と、前記水素生成器を加熱する燃焼部と、前記燃焼部に空気を供給する送風部と、前記燃焼部の下流側に設けられた燃焼室と、前記燃焼室で形成される火炎のイオン電流に基づいて火炎の状態を検知する火炎検知部と、前記燃料電池の燃料極から排出されるオフガスおよび前記生成ガスの少なくとも一方を前記燃焼部に供給する排出ガス供給部と、前記水素生成器の温度を検知する温度センサーと、温度制御装置とを備え、
前記温度制御手段は、前記オフガスおよび前記生成ガスの少なくとも一方に含まれる炭化水素の量が所定値以上になるよう前記水素生成器の温度を所定温度以下に制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記温度制御装置が、前記送風部から前記燃焼部に供給される空気量を調節することによって前記水素生成器の温度を制御する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記温度制御装置が、前記水供給部から前記水素生成器に供給される水の量を調節することによって前記水素生成器の温度を制御する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
さらに前記生成ガス中の炭化水素の濃度を検知する炭化水素センサーを具備し、前記温度制御装置が前記炭化水素センサーの出力値に基づいて前記水素生成器の温度を制御する請求項１記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の燃料極から排出されるオフガス、または水素生成器から排出される生成ガスのうち所望する組成を有しない不完全な生成ガスを、前記水素生成器を加熱するための燃料ガスとして利用する燃料電池および水素生成器からなる発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
まず、従来の燃料電池を用いた発電装置を、図２を用いて説明する。図２に示す発電装置に含まれる燃料電池１においては、空気極２と燃料極３とが高分子電解質膜４を挟んで配置され、空気極２の上流側は空気を供給するブロア５に連通している。
水素生成器６には、天然ガスまたはメタノールなどの原料Ｘおよび水蒸気改質反応に必要な原料となる水Ｙが供給され、水素リッチな生成ガスＧを生成する。生成ガスＧは切替弁７を経て、燃料電池１の燃料極３に供給され、燃料極３と接する所定の流路を下流側へ向かって流れる。このとき、生成ガスＧ中の水素が必要量だけ電極反応で消費され、残ったガスはオフガスＧ’として燃焼部９に供給される。生成ガスＧを燃料極３に供給しない場合には、生成ガスＧは切替弁７を経て燃焼部９に供給される。
【０００３】
燃焼部９に供給された生成ガスＧまたはオフガスＧ’はファン１０から供給された空気によって燃焼し燃焼室８に火炎１１を形成し、燃焼ガスによって水素生成器６を加熱する。
燃焼室８の火炎１１においては、火炎１１に所定の電圧を印可したときに流れるイオン電流によってその状態が検知される。火炎検知部１２は、火炎１１と接触するように設けられた耐熱性の導電体１３と、火炎１１を介して導電体１３と燃焼部９に所定電圧を印可する直流電源１４と、火炎１１を流れる電流値を電圧に変換するための電気抵抗１５と、電気抵抗１５の両端の電圧を検知する電圧検知部１６とで構成されている。この火炎検知部１２によって火炎１１の着火および失火などの燃焼状態が検知されるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の燃料電池システムにおいては、水蒸気改質反応によって原料Ｘ中の炭化水素が水素に転換されているため、生成ガスＧおよびオフガスＧ’が含む炭化水素の濃度が著しく低い。炭化水素の濃度が低いと火炎１１中のイオン濃度も低くなり、火炎１１を流れる電流値が小さくなって電気抵抗１５の両端の電圧も低くなる。つまり、火炎検知部１２の検知電圧が低くなって着火時および失火時の状態判別が困難になるという問題があった。
したがって、本発明は上述の従来技術の有する問題を解決し、水素生成部を加熱する燃焼部の着火および失火の判別が確実にでき、安全に運転できる発電装置である燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、炭化水素系原料および水から水素リッチの生成ガスを生成する水素生成器と、前記生成ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記水素生成器に水を供給する水供給部と、前記水素生成器を加熱する燃焼部と、前記燃焼部に空気を供給する送風部と、前記燃焼部の下流側に設けられた燃焼室と、前記燃焼室で形成される火炎のイオン電流に基づいて火炎の状態を検知する火炎検知部と、前記燃料電池の燃料極から排出されるオフガスおよび前記生成ガスの少なくとも一方を前記燃焼部に供給する排出ガス供給部と、前記水素生成器の温度を検知する温度センサーと、温度制御装置とを備え、前記温度制御手段は、前記オフガスおよび前記生成ガスの少なくとも一方に含まれる炭化水素の量が所定値以上になるよう前記水素生成器の温度を所定温度以下に制御することを特徴とする燃料電池システムに関する。
【０００６】
前記温度制御装置が、前記送風部から前記燃焼部に供給される空気量を調節することによって前記水素生成器の温度を制御するのが有効である。
また、前記温度制御装置が、前記水供給部から前記水素生成器に供給される水の量を調節することによって前記水素生成器の温度を制御するのも有効である。さらに前記燃料電池システムは、前記生成ガス中の炭化水素の濃度を検知する炭化水素センサーを具備し、前記温度制御装置が前記炭化水素センサーの出力値に基づいて前記水素生成器の温度を制御するのが有効である。
前記炭化水素系原料から水素への転化率が９９％以下であるのが有効である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は、炭化水素系原料および水から水素リッチの生成ガスを生成する水素生成器と、前記生成ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記水素生成器に水を供給する水供給部と、前記水素生成器を加熱する燃焼部と、前記燃焼部に空気を供給する送風部と、前記燃焼部の下流側に設けられた燃焼室と、前記燃焼室で形成される火炎のイオン電流に基づいて火炎の状態を検知する火炎検知部と、前記燃料電池の燃料極から排出されるオフガスおよび前記生成ガスの少なくとも一方を前記燃焼部に供給する排出ガス供給部と、前記水素生成器の温度を検知する温度センサーとを具備し、さらに前記水素生成器の温度を所定温度以下に制御する温度制御装置を具備する燃料電池システムに関する。
【０００８】
本発明の最大の特徴は、従来の問題点を解決するため、水素生成器を加熱するための火炎が形成される燃焼室に、火炎のイオン電流に基づいて検知する火炎検知部を設けるとともに水素生成部に温度センサーを設け、さらに水素生成器内の温度が所定温度以下となるように制御する温度制御装置を設ける点にある。
そして、燃料極から排出されるオフガスおよび水素生成器で生成される生成ガスの少なくとも一方を燃焼部で燃焼させる際に、水素生成器を所定温度以下となるように制御することにより、水素生成器の改質反応による原料の転化率を所定値以下にすることができ、燃焼に供される炭化水素量を所定値以上とすることができる。
上述したように、火炎のイオン電流値は炭化水素の量が多くなると大きくなるため、火炎検知部での検知電圧も高くなり、着火および失火を確実に検知できる。また、火炎のイオン電流を検知することから、火炎が消失すれば直ちにイオン電流も流れなくなるので、火炎検知電圧も直ちに低下し、着火および失火ないし消火の応答性を向上させることができる。
【０００９】
本発明に係る燃料電池システムにおいては、水素生成器に原料と水を供給すると、水蒸気改質反応により原料中の炭化水素が転化されて水素リッチな生成ガスが得られる。この生成ガスは、燃料電池システムの起動時などにオフガスなどとしてオフガス供給部から燃焼部に供給され、送風部から供給された空気によって燃焼して燃焼室において火炎を形成する。また、燃焼ガスは火炎を形成することによって水素生成器を加熱、昇温し、水素生成器において水蒸気改質反応が持続される。
火炎の状態の検知は、火炎のイオン電流に基づいて行われるが、火炎のイオン電流は炭化水素の量が多くなると電流値も大きくなるので、水素生成器を所定温度以下となるように制御することで、水素生成器の改質反応による原料中の炭化水素の転化率を所定値以下にすることができ、燃焼に供されるオフガス中の炭化水素量を所定値以上とすることができ、イオン電流値を大きくできる。
【００１０】
水素生成器の温度制御装置は、送風部から燃焼部に供給される空気量を調節することによって水素生成器の温度を制御することができる。
そして、燃焼部に供給されるオフガスおよび／または生成ガスの燃焼に必要な空気が送風部から供給されるが、燃焼に必要な空気量以上の空気を供給すると、過剰な空気は水素生成部を空冷するので、水素生成部の温度を応答性よく速やかに低温化できる。これにより、水蒸気改質反応による原料の転化率を応答性よく所定値以下に制御でき、燃焼に供されるオフガス中の炭化水素を所定値以上とし、イオン電流値を安定して大きくできる。したがって、火炎検知部での検知電圧も安定して高くでき、着火および失火ないし消火を応答性よく確実に検知できる。
【００１１】
また、水素生成器の温度制御装置は、水供給部から水素生成器に供給される水量によって水素生成器の温度を制御することができる。
水蒸気改質反応に必要な量以上の原料水を水素生成器に供給すると、水素生成器の温度を低くできるので、原料の転化率を低くし、オフガスおよび／または生成ガスに含まれる炭化水素量を所定値以上としてイオン電流値を大きくすることができる。したがって、火炎検知部での検知電圧も高くでき、着火および失火ないし消火を確実に検知できる。
また生成ガス中の炭化水素の濃度を検知する炭化水素センサーを設け、水素生成器の温度制御装置が前記炭化水素センサーの出力値に基づいて水素生成器の温度を制御することもできる。
【００１２】
本発明の燃料電池システムにおいては、炭化水素系原料の水素への転化率を９９％以下とするのが好ましい。転化率を９９％以下とすると、原料の９９％以下が水素に転化され、残りの１％以上の炭化水素をオフガスおよび／または生成ガスに残留させることができる。このオフガスなどを燃焼部に供すると、火炎中に確実にイオンが発生しイオン電流値を大きくできるため、火炎検知部での検知電圧も高くし、着火および失火ないし消火を確実に検知できる。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。
《実施例１》
図１は、本実施例に係る燃料電池システムの構成図である。図１において、図２で示した従来の燃料電池を用いた発電装置と同じ機能を有するものについては、同一符号を付与しており、それらの機能の詳細は、上述のとおりである。
図１に示す燃料電池システムは、水素生成器６の温度を検知する温度センサー２０、原料水Ｙを供給する水供給部であるポンプ２１、および生成ガスの炭化水素の濃度を検知する炭化水素センサー２２を具備する。炭化水素センサー２２としてはガスクロ方式、赤外線吸収式または光音響式などを用いることができる。
燃料極３から排出されるオフガスＧ’および水素生成器６で生成される生成ガスＧ（以下、「オフガスなど」という。）は、それぞれオフガス供給部２３および２３’から燃焼部９に供給される。燃焼部９には送風部であるファン１０が設けられている。制御部２４は温度センサー２０または炭化水素センサー２２の検出値に応じてポンプ２１およびファン１０を運転制御する。
【００１４】
つぎに、本実施例に係る燃料電池システムの動作および作用について説明する。
水素生成器６に原料Ｘと水Ｙを供給すると、水蒸気改質反応により原料Ｘの炭化水素が転化されて水素リッチな生成ガスＧが得られる。これらのオフガスなどはオフガス供給部２３または２３’から燃焼部９に供給される。
燃焼部９に供給されたオフガスなどは、ファン１０から供給された空気によって燃焼し、燃焼室８に火炎１１を形成する。火炎１１よる燃焼ガスは水素生成器６を加熱、昇温して水蒸気改質反応が持続される。
火炎１１の火炎検知は火炎１１中のイオンによって流れるイオン電流を、電気抵抗１５の両端に生じる電圧値に変換して電圧検知部１６で検知して行う。燃焼部９に供給されるオフガスなどに含まれる炭化水素の量が多くなると、火炎１１のイオン電流も大きくなるが、オフガスなどに含まれる炭化水素の量は水素生成器６で水素に転化されなかった残りの炭化水素の量となるので、転化率を所定値以下とするために水素生成器６の温度を所定値以下に制御する必要がある。
【００１５】
温度センサー２０で得られた温度信号は水素生成器の温度を制御する温度制御装置である制御部２４に送られる。温度センサー２０が所定温度よりも高い場合には、ファン１０の送風量が増加するように制御部２４によってファン１０が運転制御される。ファン１０の送風量を増加させるとオフガスなどの燃焼に必要な空気量以上の空気を供給することになるので、過剰な空気は水素生成部６を空冷するので、水素生成部６の温度を応答性よく速やかに低温化でき、燃焼に供されるオフガス中の炭化水素の量を所定値以上とすることができ、イオン電流値を安定して大きくできる。
したがって、火炎検知部１２での検知電圧も安定して高くでき、着火および失火、消火を応答性よく確実に検知できる。さらに火炎１１のイオン電流を検知するので、火炎１１が存在しなくなれば直ちにイオン電流も流れなくなるので、火炎検知部１２での検知電圧が直ちに低下し、着火および失火ないし消火の応答性を向上できる。
【００１６】
また、温度センサー２０が所定温度よりも高い場合には、ポンプ２１の原料水の供給量が増加するように制御部２４によってポンプ２１が運転制御される。ポンプ２１の供給量を増加させると、水蒸気改質反応に必要な原料水以上の原料水が水素生成器６に供給されるので、過剰な水の顕熱や蒸発潜熱によって水素生成器の温度を低くでき、原料の転化率を低くでき、オフガスなどに含まれる炭化水素の量を所定値以上とすることができ、イオン電流値を大きくできる。したがって、火炎検知部１２での検知電圧も高くでき、着火および失火ないし消火を確実に検知できる。
また、炭化水素センサー２２によって生成ガスＧに含まれる炭化水素の濃度を検知し、制御部２４で原料の転化率を算出する。算出された転化率が９９％以下となるようにファン１０およびポンプ２１の少なくともいずれか１つを制御部２４で制御できるので、原料燃料の１％以上の炭化水素をオフガスなどに残留させることができる。このオフガスなどを燃焼部９に供するので、火炎１１中に確実にイオンが発生しイオン電流値を大きくできるので火炎検知部１２での検知電圧も高くでき、着火および失火ないし消火を確実に検知できる。
【００１７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、水素生成器を所定温度以下となるように制御するので、水素生成器の改質反応による原料燃料の転化率を所定値以下にし、燃焼に供されるオフガス中の炭化水素量を所定値以上としてイオン電流値を大きくすることができる。したがって、火炎検知部での検知電圧を高くすることができるとともに、着火および失火なしいし消火を確実に検知できる。また、火炎のイオン電流を検知するので、火炎が存在しなくなれば直ちにイオン電流も流れなくなるので、火炎検知での検知電圧が直ちに低下し、着火および失火ないし消火の応答性を向上できる。
さらに、燃焼に必要な空気量以上の空気を送風部から供給すると、過剰な空気は水素生成部を空冷するので、水素生成部の温度を応答性よく速やかに低温化でき、オフガスなどの燃焼による火炎のイオン電流値を安定して大きくできる。
また、水蒸気改質反応に必要な量以上の水を水供給部から供給すると、過剰な水が水素生成部を冷却するため、水素生成部の温度を応答性よく速やかに低温化でき、オフガスなどの燃焼による火炎のイオン電流値を安定して大きくすることができる。
また、転化率を９９％以下とし、オフガスなどに炭化水素を確実に残留させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの構成図
【図２】従来の燃料電池システムの構成図
【符号の説明】
１    燃料電池
６    水素生成器
８    燃焼室
９    燃焼部
１０  送風部であるファン
１２  火炎検知部
２０  温度センサー
２１  水供給部であるポンプ
２２  炭化水素センサー
２３、２３’  オフガス供給部
２４  制御部
【図１】
0003694448.tif 000002
【図２】
0003694448.tif 000003