(57)【要約】【課題】燃料電池システムの高効率な特性を失うことなく、触媒燃焼器の安定動作を確保することを課題とする。【解決手段】水素を含む燃料を使用して発電する，燃料極と空気極を備えた燃料電池スタック２１と、この燃料電池スタックに水素を供給するための燃料供給系２４と、前記燃料電池スタックに酸素を供給するための酸素供給系２５と、前記燃料極を通過した未消費燃料と空気極を通過した未消費酸素を燃焼させるための触媒燃焼器２９と、前記燃料電池スタックの直流電流を計測する直流電流検出器２８と、各機器を適正に制御するための制御装置とからなる燃料電池システムにおいて、前記触媒燃焼器に供給する未消費酸素の一部をバイパスするオフガス空気バイパスライン３３を設けたことを特徴とする。【選択図】      図１
2008262786.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含む燃料を使用して発電する燃料極と空気極を備えた燃料電池スタックと、この燃料電池スタックに水素を供給するための燃料供給系と、前記燃料電池スタックに酸素を供給するための酸素供給系と、前記燃料極を通過した未消費燃料と空気極を通過した未消費酸素を燃焼させるための触媒燃焼器と、前記燃料電池スタックの直流電流を計測する計測手段と、各機器を適正に制御するための制御装置とからなる燃料電池システムにおいて、
前記触媒燃焼器に供給する未消費酸素の一部をバイパスする機能を設けたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記未消費酸素量バイパス機能に、モジュレート弁を設けたことを特徴とする請求項１の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記未消費酸素量バイパス機能に、１つ以上の遮断弁を設けたことを特徴とする請求項１の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記触媒燃焼器に燃焼状態モニター用温度伝送器を設け、この温度伝送器の温度を前記モジュレート弁にて制御することを特徴とする請求項２記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記触媒燃焼器に燃焼状態モニター用温度伝送器を設け、この温度伝送器の温度を前記遮断弁にて制御することを特徴とする請求項３記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記燃料電池電流計測手段と、前記燃料処理系の制御情報から、前記触媒燃焼器に送られる未消費燃料量を予測し、予め適正量の未消費酸素を先行的に制御することを特徴とする請求項４または請求項５記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電システムの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知の如く、従来の水素燃料電池は、燃料電池スタックで生成される水及び燃料電池スタックで凝縮した水の少なくとも一方の水量を燃料電池システムの運転状況から予測する手段を有し、この予測した発生水量とプラントの運転状態とから燃焼器の動作状態を判定することを可能とした。その結果、燃焼器の動作状態が正常でない場合には、例えば、特許文献１（前者）では、電気ヒータによってその動作状態を改善する構成となっている。また、特許文献２（後者）の構成では、燃料極排ガスを一度冷却し、凝縮水を取出した後に再熱し、触媒燃焼器に入る段階でミストを出にくくするシステムとしている。従来の燃料電池発電システムのブロック図を図４に示す。
【０００３】
図中の符番１は、水素を含む燃料を使用して発電する燃料極２と空気極３を備えた燃料電池スタックを示す。この燃料電池スタック１の上流側には、水素を供給するための燃料供給系４と、前記燃料電池スタック１に酸素を供給するための酸素供給系５が接続されている。ここで、燃料供給系４は圧力調整弁６を備えている。酸素供給系５はブロワ７を備えている。前記燃料電池スタック１には、このスタック１の直流電流を計測するための直流電流検出器８が設けられている。前記燃料電池スタック１の下流側には、燃料極２を通過した未消費燃料と、空気極３を通過した未消費酸素を燃焼させるための触媒燃焼器９が設けられている。空気極３を通過した未消費燃料は、燃料流量調節弁１０により調整される。前記ブロワ７，直流電流検出器８及び燃料流量調節弁１０には、制御装置１１が電気的に接続されている。
【特許文献１】特開２００６−６６１１５号公報
【特許文献２】特開２００６−８６０８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述のような燃料電池発電システムでは、安定運転を行うための工夫がなされているが、ロバスト性において課題が残る。例えば前者のシステムにおいては電気ヒータの投入により発電した電気の一部を消費し、発電効率が低下するという不利な点がある。また、後者のシステムでは、一般に冷却の冷熱源として使用される排熱戻り温水の温度が上昇すると、水分除去による触媒燃焼器の燃焼性確保の効果が得にくくなるという問題点がある。また、排熱戻り水温度の上昇のみではなく、他の要因により、触媒燃焼器の燃焼性が確保されなくなることがありうる。
【０００５】
本発明はこうした事情を考慮してなされたもので、燃料電池システムの高効率な特性を失うことなく、触媒燃焼器の安定動作を確保しえる燃料電池発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る燃料電池発電システムは、水素を含む燃料を使用して発電する燃料極と空気極を備えた燃料電池スタックと、この燃料電池スタックに水素を供給するための燃料供給系と、前記燃料電池スタックに酸素を供給するための酸素供給系と、前記燃料極を通過した未消費燃料と空気極を通過した未消費酸素を燃焼させるための触媒燃焼器と、前記燃料電池スタックの直流電流を計測する計測手段と、各機器を適正に制御するための制御装置とからなる燃料電池システムにおいて、前記触媒燃焼器に供給する未消費酸素の一部をバイパスする機能を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、燃料電池システムの高効率な特性を失うことなく、触媒燃焼器の安定動作を確保しえる燃料電池発電システムが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明において、「前記触媒燃焼器に供給する未消費酸素の一部をバイパスする機能」とは、例えばモジュレート弁を介装したバイパスラインを示す。モジュレート弁とは、具体的には後述する図１に図示するような空気流量調節弁を示す。また、本発明において、「１つ以上の遮断弁」とは、具体的には後述する図３に図示するようなオフガス空気バイパス流量調節遮断弁を示す。この遮断弁は１つでも良いし、２つ以上設けてもよい。
【０００９】
本発明において、前記触媒燃焼器に燃焼状態モニター用温度伝送器を設け、前記温度伝送器の温度を前記モジュレート弁または遮断弁にて制御することが好ましい。これにより、触媒燃焼器の温度を常に一定に保持することができる。
【００１０】
本発明において、前記燃料電池電流計測手段（例えば、直流電流検出器）と、前記燃料処理系の制御情報から、前記触媒燃焼器に送られる未消費燃料量を予測し、予め適正量の未消費酸素を先行的に制御することが好ましい。これにより、燃料電池スタックの空気極から触媒燃焼器に送る未消費燃料量を一定に保持することができる。
【００１１】
次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する。なお、本実施例は下記に述べることに限定されない。  
（実施例１）（請求項１、２、４、５対応）  
図１を参照する。図中の符番２１は、水素を含む燃料を使用して発電する燃料極２２と空気極２３を備えた燃料電池スタックを示す。この燃料電池スタック２１の上流側には、水素を供給するための燃料供給系２４と、前記燃料電池スタック２１に酸素を供給するための酸素供給系２５が接続されている。ここで、燃料供給系２４は圧力調整弁２６を備えている。酸素供給系２５はブロワ２７を備えている。前記燃料電池スタック２１には、このスタック２１の直流電流を計測するための直流電流検出器２８が設けられている。前記燃料電池スタック２１の下流側には、燃料極を通過した未消費燃料と、空気極２３を通過した未消費酸素を燃焼させるための触媒燃焼器２９が設けられている。
【００１２】
燃料電池スタック２１の空気極２３と触媒燃焼器２９を結ぶライン３１と、触媒燃焼器２９の下流側に接続するライン３２間には、触媒燃焼器２９に供給する未消費酸素量の一部をバイパスするオフガス空気バイパスライン（以下、バイパスラインと呼ぶ）３３が設けられている。このバイパスライン３３には、空気流量調節弁３４が介装されている。前記触媒燃焼器２９には触媒層（図示せず）が配置され、この触媒層に触媒燃焼器温度伝送器３５が取り付けられている。前記ブロワ２７，直流電流検出器２８，燃料流量調節弁３０及び空気流量調節弁３４には、制御装置３６が電気的に接続されている。
【００１３】
こうした構成の燃料電池発電システムにおいて、燃料供給系２４から供給された水素は、一定圧力で燃料極２２に導入される。この量は燃料極２２の出口の燃料流量調節弁３０により調整される。一方、空気供給系２５から供給された空気は空気極２３に導かれ、残空気が触媒燃焼器２９に導入され、未消費燃料と共に燃焼される。触媒層に取り付けられた触媒燃焼器温度伝送器３５の取り付け位置は、入り口付近の場合は応答が高速で制御が難しく、逆に入り口から離れると応答が悪くなるので、特性を踏まえた適度な位置に取り付けている。また、未消費空気の一部は、バイパスライン３３に設けられた空気流量調節弁３４により制御可能となっている。さらに、これらが制御装置３６により、適正に制御されている。
【００１４】
前記燃料電池発電システムの制御ロジックは、図２の通りである。まず、電池スタック２１の出力である直流電流検出器２８の指示値および燃料供給系２５の情報から、触媒燃焼器２９へ導入される未燃焼燃料を予測し、その量に適した燃焼空気量を計算する。その燃焼空気量が導入されるように、空気流量調節弁３４を高速で先行制御する。先行制御では、高速で粗い制御を行うが、最終的には、触媒燃焼器温度伝送器３５の指示値の偏差分をＰＩ制御により、最適量を空気流量調節弁３４で制御する。
【００１５】
上述したように、実施例１に係る燃料電池発電システムは、燃料極２２と空気極２３を備えた燃料電池スタック２１と、この燃料電池スタック２１に水素を供給するための燃料供給系２４と、燃料電池スタック２１に酸素を供給するための酸素供給系２５と、燃料極２２で未消費の燃料と空気を通過した未消費酸素を燃焼させるための触媒燃焼器３５と、燃料電池スタック２１の直流電流を計測する直流電流検出器２８と、各機器を適正に制御するための制御装置３６と、触媒燃焼器２９に供給する未消費酸素の一部をバイパスする，空気流量調節弁３４を備えたバイパスライン３２を備えた構成となっている。従って、実施例１によれば、燃料電池発電システムの出力や運転状況によらず、安定した触媒燃焼が可能で、高速追従可能かつロバストな運転が可能となる。
【００１６】
（実施例２）（請求項３に対応）  
本発明の実施例２に係る燃料電池発電システムの例を図３を参照して説明する。但し、図１と同部材は同符番を付して説明を省略する。  
図３では、バイパスライン３３に、前記空気流量調節弁３４の代わりに、オフガス空気バイパス流量調節遮断弁（以下、遮断弁と呼ぶ）４１およびオフガス空気流量調節オリフィス（以下、オリフィスと呼ぶ）４２を並列に設けている。  
こうした構成では、遮断弁４１とオリフィス４２により、流量を2段階に調節することが可能となり、触媒燃焼器２９の温度を一定範囲に制御することが可能となる。従って、実施例２によれば、燃料電池発電システムの出力や運転状況によらず、安定した触媒燃焼が可能で、高速追従可能かつロバストな運転が可能となる。
【００１７】
なお、本発明は、上記実施例そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施例に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施例に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施例に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。具体的には、実施例２では遮断弁が１つ設けられている場合について述べたが、遮断弁を２つ以上設け、これらの遮断弁と前記オリフィスにより流量を段階的に調節し、触媒燃焼器の温度をより一定範囲に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施例１に係る燃料電池発電システムの構成を示すブロック図を示す。
【図２】図１の燃料電池発電システムの制御ブロック図を示す。
【図３】本発明の実施例２に係る燃料電池発電システムの構成を示すブロック図を示す。
【図４】従来の燃料電池システム発電システムの構成を示すブロック図
【符号の説明】
【００１９】
２１…燃料電池スタック、２２…燃料極、２３…空気極、２４…燃料供給系、２５…空気供給系、２６…圧力調整弁、２７…ブロワ、２８…直流電流検出器、２９…触媒燃焼器、３０…燃料流量制御弁、３３…オフガス空気バイパスライン、３４…空気流量調節弁、３５…触媒燃焼器温度伝送器、４1…オフガス空気バイパス流量調節遮断弁、４２…オフガス空気流量調節オリフィス。
【図１】
2008262786.tif 000003
【図２】
2008262786.tif 000004
【図３】
2008262786.tif 000005
【図４】
2008262786.tif 000006