JP2002093439A

JP2002093439A - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP2002093439A
Application number: JP2000279986A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Iio; 雅俊飯尾
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-09-14
Filing date: 2000-09-14
Publication date: 2002-03-29

Abstract

(57)【要約】【課題】蒸発器３を用いて改質器４へと燃料蒸気を供
給する構成の燃料電池装置に置いて、発電急停止時など
の発電量急減時に余剰に生じる燃料ガスの浪費とこれに
伴う効率の低下、または装置の大型化を回避する。【解決手段】蒸発器３から改質器４を経て燃料電池２
に至る通路１０を開閉する常開の第１のバルブ１１と、
蒸発器３下部と燃料タンク５とを連通する流路２０を開
閉する常閉の第２のバルブ２１とを設け、燃料電池の発
電量が急減したときに第１のバルブを閉ざして改質器な
いし燃料電池への燃料供給を遮断すると共に、第２のバ
ルブを開いて蒸発器の内圧により余剰燃料をタンクに導
入して回収する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は改質器を有する燃料
電池装置に関する。

【０００２】

【従来の技術と解決すべき課題】燃料電池装置には、ア
ルコールやガソリン等の液体燃料からなる改質用燃料を
蒸発器により蒸発させ、これを改質器にて反応させて水
素を主成分とする燃料電池用の燃料ガスを生成する方式
のものがある。蒸発器には熱源として燃焼器が備えら
れ、燃料電池からの排水素を用いて燃焼を行わせる（こ
の種の燃料電池装置の公知文献としては例えば特開平11
-339831号公報を参照）。

【０００３】ところで、このような従来の燃料電池装置
では、蒸発器から改質器に燃料蒸気を供給し、改質ガス
を発生させる構成であることから、次のような問題があ
った。・燃料電池の発電量が減少したとき、特に発電量
が急減しまたは発電が停止されたときに、蒸発器内にす
でに供給された余剰量の液体燃料が全量気化して改質器
を通過し、燃焼器で無駄に消費されるので、燃料電池装
置の運用効率が低下する。・余剰燃料または改質ガスを
燃焼器で燃焼させるものとすると、燃焼器を大容量とす
る必要があり、車両等への搭載が困難になる。あるい
は、余剰燃料による改質ガスを燃料電池による発電で吸
収するものとすれば、無負荷状態での発電量は二次電池
を充電することで消費する必要があり、このため大型の
二次電池が必要となり、電池の容量が不足する場合には
過充電の問題が生じる。・燃焼器を耐熱温度以下で運転
し、蒸発器に導入する燃焼ガスの温度を蒸発器耐熱温度
以下で運転するためには、適切なＡ／Ｆ（空燃比）で燃
焼させる必要があるので余剰燃料ガスに見合った定常運
転時よりも大きな空気流量が必要となり、これを供給す
るため大型の空気圧縮機が必要となり、車両等への搭載
が困難になる。また、大容量の圧縮機は定常運転での効
率が低いので燃料電池装置全体の効率を低下させる。

【０００４】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、改質用燃
料を貯蔵するタンクと、タンクから供給される改質用燃
料を蒸発させる蒸発器と、蒸発器から供給される燃料蒸
気から水素を含む改質ガスを発生させる改質器と、改質
器から供給される改質ガスにより作動する燃料電池とを
備え、燃料電池の発電量を減じたときに、蒸発器から改
質器を経て燃料電池に至る常開の通路を閉ざして蒸発器
内に溜まっている未蒸発原料が蒸発して改質器へ供給さ
れるのを抑制したのち、蒸発器内の内圧上昇に伴い蒸発
器下部とタンクとを連通する流路からタンクに未蒸発燃
料と原料蒸気を圧送し、タンクに貯蔵された液体燃料に
より燃料蒸気をバブリングさせ、その一部を冷却・液化
し回収するようにした。

【０００５】第２の発明は、改質用燃料を貯蔵するタン
クと、タンクから供給される改質用燃料を蒸発させる蒸
発器と、タンクと蒸発器を連通しタンクから蒸発器への
流れのみを許容する第１の流路と、蒸発器から供給され
る燃料蒸気から水素を含む改質ガスを発生させる改質器
と、改質器から供給される改質ガスにより作動する燃料
電池と、蒸発器から改質器を経て燃料電池に至る通路の
途中に介装される常開の第１のバルブと、蒸発器下部と
タンクとを連通する第２の流路に介装される常閉の第２
のバルブと、燃料電池の発電状態を検出して、燃料電池
の発電量が減じたときに前記第１のバルブを閉ざし、前
記第２のバルブを開く制御手段とを備えた。

【０００６】第３の発明は、前記第２の発明において、
蒸発器の内圧を検出する内圧検出手段を設け、第１のバ
ルブを閉ざした状態で検出内圧が基準値を超えたときに
第２のバルブを開くように制御手段を構成した。

【０００７】第４の発明は、前記第２の発明において、
タンク上部から燃焼器に連通する連通管の途中に、設定
圧力で作動する第３のバルブを設け、タンク内の圧力が
前記設定圧力を超えて上昇したときに、前記第３のバル
ブを開いて気化燃料を燃焼器に供給するようにした。

【０００８】第５の発明は、前記第２の発明において、
タンクとして燃料と水の混合液を貯蔵する混合液タンク
を設け、この混合液タンクに第２のバルブを介して蒸発
器からの未蒸発燃料と燃料蒸気とを導入するようにし
た。

【０００９】第６の発明は、前記第５の発明において、
蒸発器と混合液タンクとを連通する通路の途中に混合液
方向への流れのみを許容する第１の逆止弁を介装すると
共に、この第１の逆止弁を迂回して混合液タンクと蒸発
器の原料分配領域とを連通する通路の途中に前記燃料分
配領域方向への流れのみを許容する第２の逆止弁を介装
し、かつ燃料電池の発電量が減少ののち再び増加したと
きは、第１のバルブと第２のバルブを開放するように制
御手段を構成した。

【００１０】第７の発明は、前記第２の発明において、
水を貯蔵する水タンクと、この水タンクと蒸発器とを連
通する通路に介装される常閉の第３のバルブとを設け、
燃料電池の発電量が減じたときに前記第３のバルブを開
き蒸発器からの未蒸発燃料と燃料蒸気とを水タンクに導
入するようにした。

【００１１】

【作用・効果】第１または第２の発明以下の各発明によ
れば、燃料電池発電停止時など発電量が急減したときに
燃料電池への蒸気供給通路を第１のバルブで閉ざす（開
度を減じる場合を含む。以下同様。）一方、蒸発器から
の未蒸発燃料を第２のバルブを開いてタンクへと回収す
るようにしたことから、次のような効果が得られる。・
余剰燃料を無駄に消費することなく、燃料として回収・
再利用するため、燃料電池装置の運転効率を向上させる
ことができる。・余剰改質ガスを燃焼器で処理する必要
が少ないため、定常運転時の要求に対応しうる必要最小
限の燃焼器容量に設定することができる。

【００１２】なお、前記バルブ制御において第２のバル
ブを開くタイミングは、例えば第３の発明として示した
ように、蒸発器の検出内圧が基準値を超えたときに開く
ようにすれば実質的な圧力上昇を生じたときにのみ効率
よく未蒸発燃料の回収を行うことができる。また、第１
のバルブは改質器と燃料電池との間の通路に設けるもの
とすれば、バルブおよびそのアクチュエータとして比較
的耐熱温度の低いものを適用することができる。

【００１３】第４の発明によれば、タンクから燃焼器へ
連通する通路を第３のバルブにより開いてタンク内で液
化しなかった蒸気を燃焼器へ供給するようにしたことか
ら、タンクおよび蒸発器の耐圧力を抑えることができ、
タンクおよび蒸発器を小型・軽量にすることができる。

【００１４】第５の発明によれば、燃料電池の発電停止
時等に、蒸気供給通路を閉ざし、蒸発器内の未蒸発燃料
を混合液タンクに供給、液化して燃料を回収するように
したことから、混合液タンクで回収した原料を、改質器
の特別な制御なしで用いることができる。

【００１５】第６の発明によれば、燃料電池の発電量が
減じるときは前記第５の発明と同様にして蒸発器からの
未蒸発燃料は第１の逆止弁を経由して混合液タンクに導
入される。これに対して、燃料電池の発電量が復帰また
は増加したときには、第１のバルブと第２のバルブが開
放され、このとき、混合液タンク内に残る圧力に基づ
き、蒸発器内の原料分配領域へと混合液タンク内の原料
は第２の逆止弁を経由して蒸発器の原料分配領域へと圧
送される。このため、混合液タンクの原料を蒸発器へと
圧送するための特別なアクチュエータを設けることな
く、改質器の起動時間の短縮を図ることができる。

【００１６】第７の発明によれば、燃料電池の発電停止
時等に、蒸気供給通路を遮断し、蒸発器内の未蒸発燃料
を水タンクに供給、液化して燃料を回収するようにした
ことから、燃料としてアルコール等を用いた場合、タン
ク内の水を改質用の原料として用いるほか、冷却水やウ
インドーウオッシャー液として利用する場合にその凍結
防止または解凍効果を高めることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１は本発明の第１の実施形態であ
る。図は燃料電池装置の基本的な構成要素のみを示して
おり、１は燃料蒸発のための熱源となる燃焼器、２は燃
料電池、３は蒸発器、４は改質器である。改質器４は、
前記燃料蒸気から水素を含む改質ガスを生成する。５は
改質用原料の一部になる燃料として用いられるかもしく
はその他の用途に用いられるアルコール、ガソリン等の
液体燃料を貯蔵するタンク、６は燃料電池２に空気を圧
縮供給するコンプレッサである。前記タンク５からの燃
料は逆止弁４１を介装した流路４０により蒸発器３に供
給される。

【００１８】この実施形態では、燃料電池２の発電量を
急減しまたはゼロにさせる場合、蒸発器３から改質器４
に連結する蒸発通路１０の途中に設けた常開のバルブ１
１（第１のバルブ）の開度を減じて、蒸発器３内に溜ま
っている未蒸発原料が蒸発して改質器４へ供給されるの
を規制する。一方、このとき蒸発器３下部に設けた液体
燃料貯蔵タンク５へ繋がる流路２０に設けた常閉のバル
ブ２１（第２のバルブ）を開放し、蒸発器３内の上昇し
た蒸気の圧力により逆止弁４１が閉じると同時に未改質
の未蒸発液体燃料または燃料蒸気を、タンク５に圧送す
る。タンク５に送られた燃料蒸気は、貯蔵された液体燃
料中にバブラ２２から放出およびバブリングされる。こ
れにより温度の低い液体燃料により燃料蒸気が冷却・液
化され、液体燃料として回収される。なお、このような
バルブ１１，１２の開閉制御は、燃料電池２の発電量に
基づき、図示しないコントローラにより行われる。未蒸
発燃料のタンク５への圧送は、前述の通り蒸発器３の内
圧力を利用して行われるのでポンプ等の追加は不要であ
る。

【００１９】この実施形態によれば、燃料電池２の発電
停止時等に、バルブ１１により改質器４への燃料蒸気の
供給を速やかに停止させるので、燃料電池２を通過して
燃焼器１へ供給される残改質ガス量を最小限に抑えられ
る。加えて、蒸発器３下部より燃料を排出する構成によ
り、蒸発器３下部に溜まった液体燃料を有効にタンク５
へ供給することができるので、蒸発器３で気化する燃料
量をより抑えることができる。このようにして、燃焼器
１で発生する燃焼ガスにより蒸発器３に加えられる全熱
量が低減されることから装置全体の効率が向上し、また
装置の停止に要する時間を短くすることができる。

【００２０】一方、燃焼器１で処理する改質ガスおよび
未改質原料蒸気の量が減るため、燃焼器１に供給する燃
焼に必要な空気の量を減らすことができ、それだけコン
プレッサ６による空気供給のための動力損失を低減して
効率をより高めることができる。さらに、タンク５内に
温度の高い燃料蒸気と未蒸発液体燃料を送るので、タン
ク５内の燃料温度を上昇させて、大気温度が低い場合の
燃料凍結防止効果を高められるという効果もある。

【００２１】図２を用いて、前述したこの実施形態によ
る基本的な効果を説明する。いま燃焼器にて燃焼する改
質ガス量が通常３０％とすると、燃料電池停止時には発
電に使用されなくなった分の改質ガスと合わせて当初は
１３０％の量の改質ガスが燃焼器に供給されることにな
る。この場合、図２の（ａ）に示したようにそのまま燃
焼器へのガス供給を継続するとすれば、斜線部の改質ガ
スを燃焼させるために大容量の燃焼器が必要となり、あ
るいは燃料電池を充電作動させることで改質ガスを消費
するものとすれば大型の二次電池が必要となり、いずれ
にしても装置の大型化と効率の低下は避けられない。こ
れに対して、実施形態のように燃料電池の停止時に改質
器への蒸気の供給を遮断すると、図の（ｂ）に示したよ
うに燃料電池内の残存ガス量は速やかに減少するので、
装置の停止時間を最小限に短縮できると共に、燃焼また
は充電による余剰改質ガスの消費がなくなるので装置の
効率が向上し、その小型化を図ることもできるのであ
る。

【００２２】図３は本発明の第２の実施形態である。前
記第１の実施形態とは異なる部分についてのみ説明す
る。この実施形態では、図示したように、タンク５の上
部と改質ガス燃焼器１とを連通する通路３０を設け、そ
の途中に設定圧で開放する常閉のバルブ３１（第３のバ
ルブ）を介装する。前記燃焼器１は、改質ガス燃焼用の
燃焼器と別に設けた構成とすることもできる。前記バル
ブ３０としては、圧力検出に基づいて制御により作動す
る電磁弁または圧力を直接機械的に開弁力として使用す
るリリーフ弁を適用することができる。その設定圧力
は、燃料タンクの耐圧力以下に設定される。蒸発器３か
ら未改質燃料がタンク５に圧送され、タンク５内で十分
冷却できずにタンク５内の圧力が高まった場合は、前記
バルブ３１が開き、燃焼器１に気化した燃料が導入され
燃焼される。

【００２３】この実施形態によれば、前記第１の実施形
態と同様に、未改質燃料の一部を燃料として回収し、燃
料電池装置の効率を向上させることができることに加え
て、タンク５の耐圧以下で燃焼器１へのバルブ３１が開
放されるため、タンク５および蒸発器３の内部が過大な
圧力になることがなく、したがってタンク５または蒸発
器３を耐圧力の小さな容器で構成して装置の小型化を図
ることができる。

【００２４】図４は本発明の第３の実施形態である。こ
れはタンクとして水と燃料の混合液を保持する混合液タ
ンク５−１を設けた点で第１の実施形態とは異なる。混
合液は、図示しない別途設けられる個別水タンクと燃料
タンクより、ポンプ等の圧送手段を用いて、改質反応に
適当な配分でこの混合液タンク５−１に供給され、もし
くは予め混合された状態で供給される。

【００２５】この実施形態によれば、前記第１の実施形
態と同様に、未改質燃料を燃料として回収することがで
きることに加えて、あらかじめ混合液タンク５−１内に
ある混合液と蒸発器内の燃料は濃度がほぼ同じであるこ
とから、この回収行程終了後のタンク内の燃料濃度の変
化が小さくて改質器の反応温度に与える影響が小さく、
このため特別な温度補正を必要とせず、それだけ制御が
簡潔となる。

【００２６】図５の本発明の第４の実施形態である。こ
の実施形態は、未改質燃料を導入するタンクとして、冷
却水あるいはウインドウオッシャー液等を保持するため
の水タンク５−２を利用し得るようにした点で前記第１
の実施形態と異なる。

【００２７】この実施形態によれば、水タンク５−２内
の水に、蒸発器３から改質原料としてのアルコール等が
混入されるので、タンク内の水を冷却水またはウインド
ウオッシャー液として用いる場合にその凍結防止効果ま
たは解凍作用が向上する。

【００２８】図６は本発明の第５の実施形態である。こ
の実施形態では、第１のバルブ４１を改質器４と燃料電
池２とを連通する通路１０の途中に介装した点で第１の
実施形態と異なる。前記第１のバルブ４１の制御は第１
の実施形態のバルブ１１と同様である。

【００２９】蒸発器３からの流体に比べて、燃料電池２
に導入される改質ガスの温度は低いので、このような構
成とすることにより、同様の効果をより耐熱温度の低い
バルブおよびアクチュエータ構成（例えば、直動式電動
弁等）で実現することができる。

【００３０】図７は本発明の第６の実施形態である。こ
れは混合液タンク５−１を用いた第３の実施形態を基本
構成とするもので、異なる部分についてのみ説明する
と、この実施形態では蒸発器３１として、原料を蒸発器
内に分配する分配領域３２を有するものを用いる。蒸発
器３１下部から混合液タンク５−１に連通する通路２０
には蒸発器３１からタンク５−１方向への流れのみを許
容する第１の逆止弁２４を設けるとともに、混合液タン
ク５−１から蒸発器分配領域３２に連通する通路２５の
途中に混合液タンク５−１から原料分配領域３２方向へ
の流れのみを許容する第２の逆止弁２３を設ける。

【００３１】この実施例によれば、燃料電池の発電量が
減少したときには第３の実施形態と同様の制御を行い、
その後燃料電池発電量が増加した際には、バルブ１１お
よび２１が開くように制御を行う。これにより、混合液
タンク５−１内の残圧力に基づき、蒸発器原料分配領域
３２にタンク５−１内の混合液を圧送する。このように
して、この実施形態ではタンク５−１内に蒸気を流入さ
せたことによって生じた圧力を利用して、タンク内の原
料を蒸発器原料分配領域３２に供給できるため、蒸発器
内の蒸発に直接関与しないデットボリュームを満たすま
での時間を短くして燃料電池の立ち上がり応答を改善す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の概略構成図。

【図２】第１の実施形態による効果の説明図。

【図３】本発明の第２の実施形態の概略構成図。

【図４】本発明の第３の実施形態の概略構成図。

【図５】本発明の第４の実施形態の概略構成図。

【図６】本発明の第５の実施形態の概略構成図。

【図７】本発明の第６の実施形態の概略構成図。

【符号の説明】

１燃焼器２燃料電池３蒸発器３１蒸発器３２蒸発器の原料分配領域４改質器５燃料タンク５−１混合液タンク５−２水タンク６コンプレッサ１０通路１１バルブ（第１のバルブ）２０通路２１バルブ（第２のバルブ）２２バブラ２３第１の逆止弁２４第２の逆止弁３０通路３１バルブ（第３のバルブ）４１バルブ（第３のバルブ）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】改質用燃料を貯蔵するタンクと、タンクか
ら供給される改質用燃料を蒸発させる蒸発器と、蒸発器
から供給される燃料蒸気から水素を含む改質ガスを発生
させる改質器と、改質器から供給される改質ガスにより
作動する燃料電池とを備え、燃料電池の発電量を減じたときに、蒸発器から改質器を
経て燃料電池に至る常開の通路を閉ざして蒸発器内に溜
まっている未蒸発原料が蒸発して改質器へ供給されるの
を抑制したのち、蒸発器内の内圧上昇に伴い蒸発器下部
とタンクとを連通する流路からタンクに未蒸発燃料と原
料蒸気を圧送し、タンクに貯蔵された液体燃料により燃
料蒸気をバブリングさせ、その一部を冷却・液化し回収
するようにした燃料電池装置。
【請求項２】改質用燃料を貯蔵するタンクと、タンクか
ら供給される改質用燃料を蒸発させる蒸発器と、タンク
と蒸発器を連通しタンクから蒸発器への流れのみを許容
する第１の流路と、蒸発器から供給される燃料蒸気から
水素を含む改質ガスを発生させる改質器と、改質器から
供給される改質ガスにより作動する燃料電池と、蒸発器
から改質器を経て燃料電池に至る通路の途中に介装され
る常開の第１のバルブと、蒸発器下部とタンクとを連通
する第２の流路に介装される常閉の第２のバルブと、燃
料電池の発電状態を検出して、燃料電池の発電量が減じ
たときに前記第１のバルブを閉ざし、前記第２のバルブ
を開く制御手段とを備えた燃料電池装置。
【請求項３】請求項２の燃料電池装置において、蒸発器
の内圧を検出する内圧検出手段を設け、第１のバルブを
閉ざした状態で検出内圧が基準値を超えたときに第２の
バルブを開くように制御手段を構成した請求項２に記載
の燃料電池装置。
【請求項４】請求項２の燃料電池装置において、タンク
上部から燃焼器に連通する連通管の途中に、設定圧力で
作動する第３のバルブを設け、タンク内の圧力が前記設
定圧力を超えて上昇したときに、前記第３のバルブを開
いて気化燃料を燃焼器に供給するようにした燃料電池装
置。
【請求項５】請求項２の燃料電池装置において、タンク
として燃料と水の混合液を貯蔵する混合液タンクを設
け、この混合液タンクに第２のバルブを介して蒸発器か
らの未蒸発燃料と燃料蒸気とを導入するようにした燃料
電池装置。
【請求項６】請求項５の燃料電池装置において、蒸発器
と混合液タンクとを連通する通路の途中に混合液方向へ
の流れのみを許容する第１の逆止弁を介装すると共に、
この第１の逆止弁を迂回して混合液タンクと蒸発器の原
料分配領域とを連通する通路の途中に前記燃料分配領域
方向への流れのみを許容する第２の逆止弁を介装し、か
つ燃料電池の発電量が減少ののち再び増加したときは、
第１のバルブと第２のバルブを開放するように制御手段
を構成した燃料電池装置。
【請求項７】請求項２の燃料電池装置において、水を貯
蔵する水タンクと、この水タンクと蒸発器とを連通する
通路に介装される常閉の第３のバルブとを設け、燃料電
池の発電量が減じたときに前記第３のバルブを開き蒸発
器からの未蒸発燃料と燃料蒸気とを水タンクに導入する
ようにした燃料電池装置。