JPH0834106B2 - 燃料電池発電システムの停止方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は改質器と燃料電池とを組合せ、かつ燃料電
池から排出するオフガスを改質器のバーナに供給し，燃
焼させて燃料改質を行う燃料電池発電システムの停止方
法に関する。

〔従来の技術〕

燃料電池発電システムとして、水素リッチな改質ガス
を生成する改質器と改質ガスを燃料ガスとして発電する
燃料電池とを組合せたものが周知である。ここで改質器
はアルコール等の改質原料を気化し，さらに改質触媒と
の接触反応により水素リッチな改質ガスに改質するもの
であり、かつこの改質反応に必要な熱エネルギーを与え
るために改質器にはバーナを装備している。一方、燃料
電池は前記改質器で生成した改質ガスを燃料ガスとし、
別に供給された酸化剤ガスとともに電解質介在の下での
電気化学的反応により発電を行う。

ところで、上記発電システムの運転に際し燃料電池に
供給された改質ガスの一部は未反応のままオフガスとし
て電池より排出されることから、このオフガスを改質器
のバーナに供給して燃焼させ、これにより発電システム
の総合効率の向上を図る方法が広く採用されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、改質器は一種の化学反応プラントであって
一般的にその応答速度は遅いのに対し、燃料電池の応答
速度は極めて速いことから、上記燃料電池発電システム
では次記のような問題点の派生することがある。

（１）燃料電池発電システムの運転時に燃料電池の負荷
が急激に増加すると、燃料電池で消費する燃料ガス量は
負荷電流に比例した速い応答速度で増加するようにな
る。これに対して改質器は応答速度が遅いために改質ガ
ス生成量の増加が負荷の増加に充分追従できず、このた
めに改質器のバーナに供給される燃料電池からの排出オ
フガス量が大幅に減少し、この結果として改質器バーナ
は燃焼を維持することができずに遂には燃焼を停止し、
失火状態となる事態の発生することがある。なお同様な
失火はガス燃焼維持に必要な空気量の不足によっても起
こり得る。

しかも上記のように不測に改質器のバーナ失火の事態
が発生すると、改質器の燃焼室内には可燃性ガスが未燃
焼のまま残って充満し、さらにこの可燃性ガスが未燃焼
のまま外部に放出するようになる。したがってここにな
んらかの着火源があると、未燃焼の可燃性ガスが爆発的
に異常燃焼する危険がある。

（２）また燃料電池発電システムに運転停止指令を与え
て改質器への改質原料の供給を停止した際にも、改質器
の応答速度が遅いために停止後もしばらくは改質ガスの
生成を継続する。したがってこの状態で仮にバーナも停
止すると、バーナに供給される燃料電池からのオフガス
が燃焼室内に未燃焼のまま充満して前項と同様な危険が
生じる。このために通常は発電システムの運転停止に際
し、停止指令を与えた後もしばらくは改質器バーナの燃
焼を継続して残余の改質ガスを燃焼処理する方法を採用
しているが、この方式ではシステムを速やかに全停止す
ることができずその運転管理が厄介である。

この発明の目的は、改質器における不測なバーナの失
火，ないしは発電システムの運転停止の際に、改質器で
生成して燃料電池へ供給された改質ガスの殆どを燃料電
池の内部で強制的に消費させることにより、改質器のバ
ーナを通じて改質器内部に可燃性ガスが未燃焼のまま充
満したり，そのまま外部に放出するのを抑えて異常燃焼
の発生を未然に防止し、これにより発電システムの安全
を図るようにした燃料電池発電システムの停止方法を提
供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決するために、この発明によれば、水
素リッチな改質ガスを生成する改質器と前記改質ガスを
燃料ガスとして発電する燃料電池とを組合せ，燃料電池
の出力電流を電流調整器を介して制御して負荷に電力を
供給し，さらに燃料電池から排出する燃料オフガスを前
記改質器のバーナに供給し，燃焼させて燃料改質を行う
ようにしてなり、前記バーナの燃焼状態を検出する手段
と、前記バーナの失火の際あるいは燃料電池発電システ
ムの運転停止時に前記バーナを停止操作した際に，それ
ぞれ所定のモードで燃料電池の出力電流を前記電流調整
器を介して制御する制御装置とを備えた燃料電池発電シ
ステムの停止方法であって、前記バーナの燃焼停止時
に、前記バーナの燃焼状態を検出する手段の燃焼停止の
検知信号に基づき，前記燃料電池の出力電流を燃焼停止
前より所定値まで急速に増加させて，前記改質器の応答
遅れに伴って生成する改質ガスを燃料電池で消費させる
のに必要な所定時間経過した後、前記出力電流を減少さ
せ最終的に零電流となるように，前記所定のモードで制
御する停止方法としたものである。

〔作用〕

上記において、改質器バーナの不測な失火，ないしは
発電システムの運転停止に伴うバーナの燃焼停止を燃焼
検出手段により検出し、この信号を基に燃料電池の出力
電流を増大制御することにより、電池内部での燃焼ガス
消費量が増加するようになる。したがって改質器のバー
ナに供給される燃料電池側からのオフガス量も急速に減
少し、かつこのオフガス組成も可燃性の水素を殆ど含ま
ずに二酸化炭素を主成分とする不燃性ガス成分に変わる
こととなり、これにより改質器の燃焼室内に可燃性ガス
が未燃焼のまま充満したり，外部に放出する危険な状態
の発生を未然に防止することができるようになる。

〔実施例〕

第１図はこの発明の実施例による燃料電池発電システ
ムのシステムフロー図、第２図，第３図はそれぞれ失
火，発電システムの停止時におけるシステムの応答図を
示すものであり、まず第１図により発電システムの構成
を説明する。図において１は改質器、２は燃料電池、３
はDC/DCコンバータ等の出力電流調整器、４が負荷であ
る。ここで改質器１は炉体1aの内部燃焼室の頂部にバー
ナ1bを，その下方の燃焼ガス流路に原料気化器1cおよび
触媒反応管1dを配備した構成に成る。また前記バーナ1b
には燃料電池２から引出したオフガス供給管5,およびガ
ス燃焼に必要な空気を供給する空気ブロア６が接続さ
れ、気化器1cには原料ポンプ７を介して改質原料タンク
８され、さらに反応管1dより引出した改質ガス供給管９
が燃料電池２の燃料ガス室に接続配管されている。

一方、前記改質器１の燃焼室内にはバーナ1bの燃焼状
態を検出する手段として火炎センサ10を備え、さらに該
火炎センサ10の信号を基に燃料電池側の出力電流調整器
３を制御する制御装置11を備えている。ここで制御器装
置11は火炎センサ10からの検出信号を受け、バーナ1bの
燃焼が停止した際には電流調整器３を介して燃料電池２
の出力電流を後述するうにあらかじ定めた設定モードに
したがって変更制御する。

次に上記構成による発電システムの運転制御，並びに
その応答動作に付いて説明する。まず発電システムの運
転中に急激な負荷増加等に起因し、改質器の改質ガス生
成量が追従し切れないためにバーナの燃焼が不測に失火
した場合の動作を第２図により説明すると、負荷電流P
1,改質器での生成改質ガス量Q1,オフガス量q1で運転し
ている状態において、時間t1で改質器のバーナが失火し
たとすると、この失火発生時間t1より僅か遅れた時間t2
で火炎センサ10がバーナの燃焼停止状態を検出する。こ
れにより制御装置11は火炎制御10の信号を受け、電流調
整器３を介して燃料電池２の出力電流をP1よりP2へ急速
に増加させるよう制御する。一方、改質器１は応答の遅
れから失火後もしばらくは改質ガス量Q1を生成維持する
が、燃料電池２の内部での改質ガス消費量は電流の増加
に比例して増大するために、燃料電池から排出するオフ
ガス量はq1からq2に急減する。しかもこの場合のオフガ
ス組成は水素成分が殆ど燃料電池の電気化学的反応で消
費されるので殆どが二酸化炭素を主成分とする不燃性ガ
スに変わり、この不燃性ガスがそのまま改質器１のバー
ナに供給されることになる。さらに失火後の時間が経過
して改質ガス生成量が減少するようになると、制御装置
11はこの改質ガス量の減少に合わせて燃料電池の出力電
流をP2から低い電流P3に低下制御させる。また同時にオ
フガス量もq2からさらにq3のように減少するようにな
る。

上記の説明で明らかなように、改質器バーナの失火時
にこの状態を検出して燃料電池の出力電流を増加させる
ことにより、電池内部での改質ガス消費量の増加，した
がって改質器のバーナに供給されるオフガス量が減少す
ることになる。かくして改質器の燃焼室内が未燃焼の可
燃性ガスで充満されたり，可燃性ガスがそのまま外部に
放出される状態が抑えられ、不測な失火発生時にも可燃
性ガスが爆発する等の異常燃焼の発生を未然に防止して
発電システムを安全に停止させることができるようにな
る。

なお、バーナの燃焼停止に伴って制御する燃料電池出
力電流の設定値P2,P3は、定常運転時における改質ガス
量を基準にあらかじめ適正な値を算出して制御装置11に
与えられており、バーナの燃焼停止時には火炎センサ10
からの信号を基に制御装置11が前記の電流値に対応した
設定モードにしたがって燃料電池の出力電流制御を行
う。

次に発電システムを停止する場合の動作を第３図によ
り説明する。すなわち第２図と同様に電流P1,改質ガス
量Q1,オフガス量q1で運転している状態から発電システ
ムに停止指令を与え、時間t3で改質器への改質原料の供
給，およびバーナを停止操作した際には、第２図と同様
に火炎センサ10,制御装置11,電流調整器３を介して燃料
電池の出力電流をP1からP2へ急速増加させる。この過程
で改質器の応答遅れからしばらくは改質ガス量Q1を保つ
が、出力電流の増加に伴って電池内部での改質ガス消費
量が強制的に増大すことから改質器バーナに供給される
オフガス量はq1からq2へ急減し、かつ同時にオフガス組
成も不燃性ガス成分に変わる。一方、改質器への改質原
料の供給は既に停止しているので運転停止後の時間経過
に伴い改質ガス量はQ1からQ2で示すように次第に減少す
るようになり、同時にオフガス量もq3で示すように減少
する。ここで改質ガス量の減少に対応して制御装置11に
より燃料電池の出力電流をP2からP3に減少制御させる。

かかる発電システムの停止制御操作により、運転停止
の際に同時に改質器バーナを停止しても、改質器の燃焼
室内が未燃焼の可燃性ガスで充満したり、可燃性ガスが
そのまま外部に放出することが無く、ガスの異常燃焼発
生を未然に防止して発電システムを安全，かつ短時間で
完全停止させることができるようになる。

〔発明の効果〕

以上述べたようにこの発明によれば、水素リッチな改
質ガスを生成する改質器と前記改質ガスを燃料ガスとし
て発電する燃料電池とを組合せ，燃料電池の出力電流を
電流調整器を介して制御して負荷に電力を供給し，さら
に燃料電池から排出する燃料オフガスを前記改質器のバ
ーナに供給し，燃焼させて燃料改質を行うようにしてな
り、前記バーナの燃焼状態を検出する手段と、前記バー
ナの失火の際あるいは燃料電池発電システムの運転停止
時に前記バーナを停止操作した際に，それぞれ所定のモ
ードで燃料電池の出力電流を前記電流調整器を介して制
御する制御装置とを備えた燃料電池発電システムの停止
方法であって、前記バーナの燃焼停止時に、前記バーナ
の燃焼状態を検出する手段の燃焼停止の検知信号に基づ
き，前記燃料電池の出力電流を燃焼停止前より所定値ま
で急速に増加させて，前記改質器の応答遅れに伴って生
成する改質ガスを燃料電池で消費させるのに必要な所定
時間経過した後、前記出力電流を減少させ最終的に零電
流となるように，前記所定のモードで制御する停止方法
としたことにより、改質器の応答遅れに伴って生成する
改質ガスが燃料電池での電気化学的反応により強制的に
殆ど消費されることになり、したがって改質器のバーナ
へは少量でしかも可燃性ガス成分を殆ど含まない不燃性
のオフガスが供給されるに過ぎず、かくしてバーナの燃
焼停止状態の下でも改質器内部における未燃焼の可燃性
ガスの充満，外部への放出等のガスの異常燃焼の危険を
伴う状態を未然に防止して発電システムの安全性を図る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例による燃料電池発電システムのシ
ステムフロー図、第２図，第３図はそれぞれ改質器バー
ナの失火時，および発電システムの運転停止時における
システムの応答図である。 各図において、 1:改質器、1b:バーナ、2:燃料電池、3:出力電流調整
器、5:オフガス供給管、10:バーナ燃焼状態検出手段と
しての火炎センサ、11:制御装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水素リッチな改質ガスを生成する改質器と
   前記改質ガスを燃料ガスとして発電する燃料電池とを組
   合せ，燃料電池の出力電流を電流調整器を介して制御し
   て負荷に電力を供給し，さらに燃料電池から排出する燃
   料オフガスを前記改質器のバーナに供給し，燃焼させて
   燃料改質を行うようにしてなり、 前記バーナの燃焼状態を検出する手段と、前記バーナの
   失火の際あるいは燃料電池発電システムの運転停止時に
   前記バーナを停止操作した際に，それぞれ所定のモード
   で燃料電池の出力電流を前記電流調整器を介して制御す
   る制御装置とを備えた燃料電池発電システムの停止方法
   であって、 前記バーナの燃焼停止時に、前記バーナの燃焼状態を検
   出する手段の燃焼停止の検知信号に基づき，前記燃料電
   池の出力電流を燃焼停止前より所定値まで急速に増加さ
   せて，前記改質器の応答遅れに伴って生成する改質ガス
   を燃料電池で消費させるのに必要な所定時間経過した
   後、前記出力電流を減少させ最終的に零電流となるよう
   に，前記所定のモードで制御することを特徴とする燃料
   電池発電システムの停止方法。