JP2002246036A - 複合発電装置 - Google Patents

複合発電装置

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JP2002246036A
JP2002246036A JP2001038139A JP2001038139A JP2002246036A JP 2002246036 A JP2002246036 A JP 2002246036A JP 2001038139 A JP2001038139 A JP 2001038139A JP 2001038139 A JP2001038139 A JP 2001038139A JP 2002246036 A JP2002246036 A JP 2002246036A
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methanol
reformer
pefc
hydrogen
power generation
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Eiki Ito
栄基 伊藤
Naohiko Ugawa
直彦 鵜川
Masahito Kaneko
雅人 金子
Toshiro Kobayashi
敏郎 小林
Shigeru Tsurumaki
茂 弦巻
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池自動車の起動を安定的かつ短時間で
行え、通常運転を安定的に行えるような複合発電装置を
提供する。 【解決手段】 本発明にかかる複合発電装置200は、
メタノールを改質することによって水素を生成する改質
器60と、生成した水素で発電を行うPEFC装置40
と、メタノールを原料として発電を行うDMFC装置3
0とを含む。本発明にかかる複合発電装置200は、前
記改質器60の起動時には、前記改質器60にメタノー
ルを供給して起動操作を行うとともに、メタノールを前
記DMFC装置30にも供給し、このメタノールを原料
として発電し、前記改質器60を通常運転するときに
は、メタノールを前記改質器60に供給し、水素に改質
し、この改質された水素を前記PEFC装置40に供給
して発電を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、複合発電装置に関
する。さらに詳細には、本発明は、固体高分子型燃料電
池装置(以下PEFC装置ともいう)と直接メタノール
燃料電池装置(以下DMFC装置ともいう)とを組み合
わせた複合発電装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、メタノールから水素を改質によっ
て製造し、この水素をPEFC装置に供給するための改
質器(以下、リフォーマともいう)と、固体高分子膜を
電解質とする固体高分子型燃料電池装置(PEFC装
置)とを含む燃料電池自動車用の発電装置において、改
質器を起動させ安定した濃度の水素を含有し、かつ低一
酸化炭素(CO)濃度のガスが生成されるまでバイパス
を通して外部に廃棄し、所定の低CO濃度の水素ガスを
PEFC装置に供給している。ここで、一酸化炭素を外
部に廃棄する理由は、触媒やその担体に吸着し、反応を
阻害するため、燃料電池自動車を起動する際に常温(0
℃〜20℃程度)での燃焼を困難している原因物質のた
め廃棄する。
【0003】このとき、改質器が安定して運転できるま
でにPEFC装置に低CO濃度の水素ガスを供給するこ
とができずに発電するまでに時間がかかるという問題が
ある。すなわち、改質器が安定して水素を含有するガス
を供給するためには、改質器の触媒がその機能を果たす
最適温度に保持される必要がある。ここで、この最適温
度にまで触媒温度を上昇させるためには、ある一定の熱
量を供給する必要があり、起動に非常に時間がかかって
いるからである。また、運転時にも電気出力不足などが
生じ、燃料電池自動車の運転が不安定になることがあ
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題を
鑑みてなされたものであり、燃料電池自動車等の起動
を、安定的かつ短時間で行えるような複合発電装置を提
供することを目的とする。また、燃料電池自動車等の通
常運転時の出力不足を補うようにした複合発電装置を提
供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明にかかる複合発電装置は、メタノールを改質
することによって水素を生成する改質器と、生成した水
素で発電を行うPEFC装置と、メタノールを原料とし
て発電を行うDMFC装置とを含む。本発明にかかる複
合発電装置は、前記改質器の起動時には、前記改質器に
メタノールを供給して起動操作を行うとともに、メタノ
ールを前記DMFC装置にも供給し、このメタノールを
原料として発電する。そして、前記改質器を通常運転す
るときには、メタノールを前記改質器に供給し、水素に
改質し、この改質された水素を前記PEFC装置に供給
して発電を行うことができる。
【0006】また、本発明にかかる複合発電装置は、出
力不足時には、メタノールを前記DMFC装置にも供給
し、このメタノールを原料としてさらに発電することが
できる。本発明にかかる複合発電装置は、前記PEFC
装置と前記DMFC装置とが同一の装置であってもよ
い。また、上記に挙げた本発明にかかる複合発電装置
は、車載用にできる。ここで、DMFC装置は、直接メ
タノール燃料電池を意味し、メタノールを改質すること
なしに、発電を行う装置のことである。
【0007】
【発明の実施の形態】以下に、添付図面にもとづいて、
本発明にかかる複合発電装置の実施の形態について、詳
細に説明する。
【0008】[固体高分子型燃料電池装置(PEFC装
置)]まず、本発明にかかる複合発電装置で採用される
PEFC装置とそれを稼働するための装置システムにつ
いてその一実施の形態を図1について説明する。図1に
示すように、この装置システム101は、LTS装置1
02、PROx装置103、PEFC装置40、蒸発器
105および排ガス燃焼器106を含む。これらの装置
は、太い実線で示した定常時ガス流れに沿って機能す
る。
【0009】LTS(low temperature
shift)装置102は、メタノール改質触媒によ
って、メタノール改質を行うための装置であり、メタノ
ールと水の供給を受け、以下のような反応によってメタ
ノールから水素を得るようにしている。 CH3OH+H2O → CO2+3H2 (1) CH3OH+1/2O2 → CO+H2+H2O (2) CO+H2O → CO2+H2 (3) 反応(1)は、メタノールを改質して水素を得るための
反応である。この反応(1)は、吸熱反応である。そこ
で、発熱反応である反応(2)によって改質反応を維持
するための熱を得ている。ただし、この反応(2)で
は、COを生じる。COは、PEFC装置40の働きを
阻害する。そこで、反応(3)によってCOを除去する
ようにしている。
【0010】LTS装置102からの気体は、空気を加
え、PROx装置103に送られる。PROx装置10
3は、CO選択酸化触媒によって、COを選択除去する
ための装置であり、以下のような反応によってCOを除
去する。 CO+1/2O2 → CO2 (4) 前記反応(3)によってLTS装置102で発生するC
Oが除去される。ただし、LTS装置102では、0.
3〜0.4%まで除去している。このPROx装置3で
は、さらに、20ppm以下までCOを除去する。
【0011】PROx装置103からの水素を含む気体
は、PEFC装置40に送られる。PEFC装置40
は、アノード電極107においてアノード電極触媒によ
り、以下の反応を起こさせる。 H2 → 2H++2e- (5) この反応(5)によって生じるH+が拡散する。一方、
カソード電極108においてカソード電極触媒により、
以下の反応を起こさせる。 2H++2e―+1/2O2 → H2O (6) これらの反応(5)と(6)を合わせて電池反応が構成
され、起電力を得ることができる。
【0012】PEFC装置40からのオフガスは、蒸発
器105に送られる。蒸発器105は、付属する燃焼器
により、このオフガス中に20%程度含まれる水素を低
温酸化触媒(低温燃焼触媒)により燃焼して、水、メタ
ノールをガス化する機能を果たしている。ガス化した
水、メタノールは、前記したように、LTS装置102
に送られる。さらに、排ガス燃焼器106は、残存する
水素を低温酸化触媒(低温燃焼触媒)により完全に燃焼
させる。
【0013】PEFC装置40の入口、PEFC装置4
0、排ガス燃焼器106には、熱交換器109、11
0、111が設けられており、冷却水源112から、循
環ポンプ113によって冷却水が循環される。冷却水
は、循環ライン114(点線)中を流れ、このライン1
14中の温度を図示しない温度センサーで検知する。温
度センサーからの温度情報は、制御システムに送られ、
流量を適宜コントロールすることにより、PROx装置
103、PEFC装置40内の温度を適正に保つ。
【0014】[直接メタノール燃料電池装置(DMFC
装置)]本発明にかかる複合発電装置では、PEFC装
置40に加えて、DMFC装置も採用している。DMF
C装置において、メタノールと水の混合溶液から白金系
合金触媒によって直接電気を得る。DMFC装置の基本
的な構造であるアノード電極とカソード電極は、上述し
たPEFC装置40とは別途に構成するが、該装置40
と共通してもよい。式(7)のように電極触媒上で直接
水素イオンを取り出す電気化学反応によって発電を行
う。 CH3OH+H2O → 6H++CO2+6eー (7) また、DMFC装置を本発明に用いる際の周辺機器は、
上述したPEFC装置40と共通することができる。し
かし、一般に、DMFC装置を単独で用いる際の周辺機
器は、液体用マスフローコントローラ、蒸発器(昇温
器)、エアコンプレッサ、背圧調整弁、冷却水温度調整
器、冷却水循環ポンプといった構成要素を備えている。
【0015】以下に、上記に説明した、PEFC装置4
0、DMFC装置を用いた本発明にかかる複合発電装置
の実施の形態を挙げる。
【0016】[実施の形態1]図2に本発明にかかる一
実施形態である複合発電装置200を示す。本実施の形
態にかかる複合発電装置200は、メタノールタンク5
0と、改質器60と、該改質器60につなげたPEFC
装置40と、出力端80と、DMFC装置30と、空気
コンプレッサ70とを含む。上記改質器60は、図1の
LTS装置102とPROx装置103とを含んでい
る。
【0017】ここで、本実施の形態にかかる複合発電装
置200の作用を説明する。改質器60が起動時には、
メタノールをメタノールタンク50からDMFC装置3
0とPEFC装置40に供給し、このメタノールを用い
て、もっぱらDMFC装置30で発電を行う。この得ら
れた電気を出力端80に出力させる。改質器60が通常
運転時には、メタノールをメタノールタンク50から改
質器60のみに供給し、水素に改質し、この改質された
水素をPEFC装置40に供給し、この水素から電気を
発電させ、この発電された電気を出力端80に出力させ
る。このように、本発明によって、燃料電池自動車等の
起動を、安定的かつ短縮された時間で行えるようにな
る。
【0018】[実施の形態2]図3に本発明にかかる他
の形態である複合発電装置300を示す。本実施の形態
にかかる複合発電装置300では、通常運転時に、出力
不足のとき、DMFC装置30を用いることとしてい
る。
【0019】ここで、出力端80において電気の出力が
通常運転時には、メタノールをメタノールタンク50か
ら改質器60に供給し、水素に改質し、この改質された
水素をPEFC装置40に供給し、この水素から電気を
発電させ、この発電された電気を出力端80に出力させ
る。そして、出力端80において出力が不足するときに
は、メタノールをメタノールタンク50からDMFC装
置30にも供給し、ここでも発電し、この電気を出力端
80に出力させることをさらに行う。
【0020】[実施の形態3]図4に本発明にかかる他
の形態である複合発電装置400を示す。本実施の形態
にかかる複合発電装置400の構成は、PEFC装置と
DMFC装置とを同一の装置としている。
【0021】この複合発電装置400の作用・機序は、
図2、図3におけるPEFC装置40、およびDMFC
装置30について説明したものと同一である。すなわ
ち、単一のPEFC/DMFC装置90によって、PE
FC装置40、DMFC30が置き換えられた点以外、
図2の実施の形態1、図3の実施の形態2と同様の効果
を期待することができる。
【0022】なお、上記のいずれの複合発電装置20
0、300、400も、車載用の複合発電装置として活
用できる。
【0023】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、燃料電池自動車等の起動を、安定的かつ短時
間で行えるような複合発電装置を提供できる。また、燃
料電池自動車等の通常運転時の出力不足を補う複合発電
装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に用いられるPEFC装置の一実施の形
態を説明する概念図である。
【図2】本発明にかかる複合発電装置の一実施の形態を
説明する概念図である。
【図3】本発明にかかる複合発電装置の一実施の形態を
説明する概念図である。
【図4】本発明にかかる複合発電装置の一実施の形態を
説明する概念図である。
【符号の説明】
30 DMFC装置 40 PEFC装置 50 メタノールタンク 60 改質器 70 空気コンプレッサ 80 出力端 90 PEFC/DMFC装置 102 LTS装置 103 PROx装置 104 燃料電池 105 蒸発器 106 排ガス燃焼器 107 アノード電極 108 カソード電極 109、110、111 熱交換器 112 冷却水源 113 循環ポンプ 114 循環ライン 200、300、400 複合発電装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金子 雅人 広島県広島市西区観音新町四丁目6番22号 三菱重工業株式会社広島研究所内 (72)発明者 小林 敏郎 広島県広島市西区観音新町四丁目6番22号 三菱重工業株式会社広島研究所内 (72)発明者 弦巻 茂 神奈川県横浜市金沢区幸浦一丁目8番地1 三菱重工業株式会社基盤技術研究所内 Fターム(参考) 5H026 AA06 AA08 5H027 AA06 AA08 BA01 BC11 DD01 KK52

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 メタノールを改質することによって水素
    を生成する改質器と、 生成した水素で発電を行うPEFC装置と、 メタノールを原料として発電を行うDMFC装置とを含
    む複合発電装置。
  2. 【請求項2】 前記改質器の起動時には、前記改質器に
    メタノールを供給して起動操作を行うとともに、メタノ
    ールを前記DMFC装置にも供給し、このメタノールを
    原料として発電し、 前記改質器を通常運転するときには、メタノールを前記
    改質器に供給し、水素に改質し、この改質された水素を
    前記PEFC装置に供給して発電を行うようにしたこと
    を特徴とする請求項1に記載の複合発電装置。
  3. 【請求項3】 出力不足時には、メタノールを前記DM
    FC装置にも供給し、このメタノールを原料としてさら
    に発電することを特徴とする請求項1に記載の複合発電
    装置。
  4. 【請求項4】 前記PEFC装置と前記DMFC装置と
    が同一の装置であることを特徴とする請求項1〜3のい
    ずれかに記載の複合発電装置。
  5. 【請求項5】 前記複合発電装置が、車載用であること
    を特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の複合発電
    装置。
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