JP2003240492A

JP2003240492A - 熱交換装置の制御方法及び燃料電池発電システム

Info

Publication number: JP2003240492A
Application number: JP2002032614A
Authority: JP
Inventors: Katsuki Yagi; 克記八木
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-02-08
Filing date: 2002-02-08
Publication date: 2003-08-27

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、燃料流量の変動に対して遅れが少な
い制御を実現して、燃焼温度の安定な制御を実現するこ
とを課題とする。【解決手段】燃料ガスと空気の予混合ガス３１を燃焼さ
せる燃焼触媒部と、燃焼によって発生した熱を回収する
熱交換器２１とが一体化された熱交換装置の制御方法に
おいて、予混合ガス３１の入口側近傍の温度により燃料
ガスの流量あるいは空気流量の少なくともいずれか一方
を制御することを特徴とする熱交換装置の制御方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特に燃焼によって
得られる熱を利用してメタノール等の液体燃料と水を蒸
発、若しくは更に過熱する熱交換装置を制御する方法に
関する。本発明方法は、分散電源用燃料電池発電システ
ム等に適用可能である。

【０００２】

【従来の技術】周知の如く、燃焼触媒部と熱交換部を一
体化した技術例は少ない。本出願人は、従来より燃焼触
媒部と熱交換部が一体化された技術について研究を重
ね、先に図６（Ａ）〜（Ｆ）に示すような燃焼触媒一体
蒸発装置を提案した（特開２００１−２０８４８７）。

【０００３】図６（Ａ）は燃焼触媒一体蒸発装置に係る
ラミネート熱交換器の基本構造を示す全体図、図６
（Ｂ）は同熱交換器の一構成であるラミネートプレート
の平面図、図６（Ｃ）は図６（Ｂ）の側面図、図６
（Ｄ）は図６（Ｃ）の要部Ｘの拡大図、図６（Ｅ）は同
熱交換器の一構成であるインナーフィンの説明図、図６
（Ｆ）はアウターフィン及びラミネートチューブへの燃
焼触媒の付着状況を示す説明図である。なお、図６
（Ｅ）において、符号Ｐはフィンピッチを、符号Ｈはフ
ィン高さを示す。

【０００４】図中の付番１１は、ラミネートチューブを
示す。このラミネートチューブ１１は、２枚のステンレ
ス製のラミネートプレート１２を、その間にインナーフ
ィン１３を入れてＮｉロー及びかしめ工法を用いて貼り
合せて形成したものである（図６（Ａ）参照）。ここ
で、ラミネートプレート１２は、２枚の板状部材１２
ａ，１２ｂを上下端で折り曲げて両者間に空洞部を作
り、この空洞部に波形の支持板１２ｃを介在させた構成
となっている（図６（Ｄ）参照）。

【０００５】前記ラミネートチューブ１１同士の間は、
例えば２０Ｃｒ−５Ａｌステレンレス製のアウターフィ
ン１４を設置して、Ｎｉローでラミネートチューブに貼
り付ける。前記アウターフィン１４には、ウィスカー処
理した後、燃焼触媒１５を塗布する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術によれば、燃焼触媒の燃焼温度制御に用いる温度計の
設置位置に関する明確な指針がなく、燃料流量や空気流
量の増加に対する対応遅れを原因とした燃焼温度の異常
上昇によって、熱交換装置の溶損や破損が生じる問題が
あった。

【０００７】本発明はこうした事情を考慮してなされた
もので、燃料ガスと空気の予混合ガスを燃焼させる燃焼
触媒部と、燃焼によって発生した熱を回収する熱交換部
とが一体化された熱交換装置において、前記予混合ガス
の入口側近傍の温度に基づいて前記燃料ガスの流量ある
いは空気流量を制御することにより、燃料流量の変動に
対して遅れが少ない制御を実現して、燃焼温度の安定な
制御が可能な熱交換装置の制御方法を提供することを目
的とする。

【０００８】また、本発明は、熱交換器と、この熱交換
器と改質器を介して接続される燃料電池と、前記熱交換
器に電気的に接続され，前記燃料電池からの改質ガス戻
りガスの流量を調節するバルブと、前記予混合ガスの入
口側近傍のフィン表面温度を測定する温度計と、前記温
度計の測定値に基づいて前記バルブを開閉し、改質ガス
戻りガスの流量の制御を行う制御部とを具備する構成と
することにより、燃料流量の変動に対して遅れが少ない
制御を実現して、燃焼温度の安定な制御が可能な燃料電
池発電システムを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、燃料ガスと空
気の予混合ガスを燃焼させる燃焼触媒部と、燃焼によっ
て発生した熱を回収する熱交換部とが一体化された熱交
換装置の制御方法において、前記予混合ガスの入口側近
傍の温度に基づいて前記燃料ガスの流量あるいは空気流
量の少なくともいずれか一方を制御することを特徴とす
る熱交換装置の制御方法である。

【００１０】また、本発明は、燃料ガスと空気の予混合
ガスを燃焼させる燃焼触媒部と、燃焼によって発生した
熱を回収する熱交換部とが一体化された熱交換装置を有
した燃料電池発電システムであり、前記熱交換部は、熱
を受ける側の流体が通る流路を有した複数のプレート
と、これらプレート間に配置されたフィンとからなるプ
レートフィン型熱交換器であり、熱交換器と、この熱交
換器と改質器を介して接続される燃料電池と、前記熱交
換器に電気的に接続され，前記燃料電池からの改質ガス
戻りガスの流量を調節するバルブと、前記予混合ガスの
入口側近傍のフィン表面温度を測定する温度計と、前記
温度計の測定値に基づいて前記バルブを開閉し、改質ガ
ス戻りガスの流量の制御を行う制御部とを具備すること
を特徴とする燃料電池発電システムである。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明について更に詳しく
説明する。本発明において、前記熱交換部としては、例
えば流体（液体燃料）が通る流路を有した複数のプレー
トと、これらプレート間に配置されたフィンからなるプ
レートフィン型熱交換器が挙げられる。また、この場
合、前記予混合ガスの入口側近傍の温度としてはフィン
の入口側近傍の表面温度であることが好ましい。

【００１２】本発明において、燃焼触媒部とは、例えば
前記プレートフィン型熱交換器を例にとれば、プレート
とフィンで囲まれた領域及びフィン表面に形成された触
媒の両者を示す。

【００１３】前記プレートとしては、２枚のプレートが
ろう付けされて構成され、少なくとも一方のプレートに
仕切り部材を介して逆Ｕ字型の流路が形成され、しかも
プレートの底部側に流体用の入口部及び出口部を有して
いるものが挙げられる。ここで、液体燃料はプレート内
で蒸気化して蒸気として取り出すもので、液体燃料の液
面から出口部までの距離はできるだけ長い方が好ましい
（図４参照）。この理由は、蒸発の後、液体燃料の温度
（例えば１００℃）を蒸気の温度（例えば３００℃）ま
で加熱する為に必要な伝熱面積を多くとるためである。

【００１４】本発明において、前記予混合ガスの入口側
近傍の温度は、フィン表面のうち最高の温度となる位置
（最高温度位置）の温度であることが好ましい。これ
は、後述するように、実験の結果、使用流量範囲で最高
温度位置が略一定であることを把握しているからであ
る。従って、最高温度位置を把握してその温度をモニタ
ーすることにより、溶損等の事故を回避することができ
る。

【００１５】また、本発明において、予混合ガス（燃料
＋空気）における空気比（燃料／空気）と予混合ガスの
入口近傍付近の測定点の温度Ｔとの関係を調べたとこ
ろ、条件によっては、Ｔは断熱燃焼温度に近い温度まで
上昇することがあり、金属製部材の耐熱性を考慮し、断
熱燃焼温度＜８５０℃となる空気比で燃焼させる必要が
ある。従って、空気比＝１、つまり燃料過剰燃焼、ある
いは空気比＞１、つまり空気過剰燃焼を行う必要があ
る。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。（実施例１）図１は、プレートフィン型熱交換器２１の
一例を示す。プレートフィン型熱交換器２１は、複数の
ステンレス製のプレート２２と、これらのプレート２２
間に配置された波形状の、例えば２０Ｃｒ−５Ａｌステ
ンレス製のフィン２３とから構成されている。前記プレ
ート２２とフィン２３は、両者の接触部を例えばＮｉロ
ーにより接合されている。また、前記プレート２２に
は、図１に示すように、底部側に液体燃料（水及びメタ
ノール）２４を供給するための入口部２５が形成されて
いるとともに、予混合ガス３１との熱交換作用によりプ
レート２２内で蒸気化した蒸気２６を取り出すための出
口部２７が形成されている。

【００１７】前記プレート２２は、例えば図４（Ｂ）に
示すように２枚のプレート材２２ａ，２２ｂを接合面２
８にろう付けして接合することにより構成されている。
ここで、図４（Ａ）はプレート２２の概略的な正面図、
図４（Ｂ）はプレート２２の平面図を示す。一方のプレ
ート材２２ａの内側には、液体燃料２４あるいは蒸気２
６を流すための平面形状がＵ字型の流路２９が、接合面
側に仕切り３０を介して形成されている。ここで、液体
燃料２４はプレート２２内で蒸気化して蒸気２６として
取り出すが、液体燃料２４の液面Ｓから出口部２７まで
の距離Ｌ（図４（Ａ）中の点線）はできるだけ長い方が
好ましい。この理由は、蒸発の後、液体燃料の温度（例
えば１００℃）を蒸気の温度（例えば３００℃）まで加
熱する為に必要な伝熱面積を多くとるためである。

【００１８】前記プレート２２及びフィン２３には、ウ
ィスカー処理によりＰｔ等の燃焼触媒（図示せず）が塗
布されている。ここで、ウィスカー処理とは、プレート
２２及びフィン２３表面に数ミクロンの針状Ａｌ_２Ｏ_３
を形成して、燃焼触媒が付着しやすい状態にすることを
意味する。前記プレート２２とフィン２３で囲まれた領
域及びフィン２３表面に塗布された図示しない燃焼触媒
により、燃焼触媒部が構成されている。燃料と空気を予
め混合した予混合ガス３１がこの燃焼触媒によって燃焼
する。そして、本発明においては、図１中の例えば点Ｐ
において、予混合ガス３１が流入する入口側近傍の温
度，例えば、入口側近傍のフィン２３の表面温度を測定
し、その温度をある所定値に保持するように燃料流体又
は空気流量を制御する。

【００１９】予混合ガス３１の流れ方向に沿う方向の温
度測定位置は、安全な装置運転上の観点から、最高温度
に近くなるように決める必要があるが、これは燃料の種
類とフィンピッチによって決定できる。フィンピッチは
製作コストの観点から１ｍｍ程度が最小ピッチである
が、触媒燃焼は非常に高速な現象であり、この程度のフ
ィンピッチでは燃料が触媒表面に到達するまでの拡散が
律速となるため、予混合ガ（燃料＋空気）３１流量の変
化に対して、最高温度位置がほとんど変化しないことが
実験により明らかである。図５は、燃料として水素を用
いた場合の、水素濃度と予混合ガス３１の入口側からの
距離で表した最高温度位置との関係を、加湿の有無、空
気（Ａｉｒ）量を変えて調べた特性である。図５より、
最高温度位置が約２．５〜３．８ｍｍの間のほぼ一定の
範囲に収まることが明らかである。

【００２０】従って、燃料の拡散係数が、予混合ガス３
１の流入する入口部近傍の温度測定位置を決めるための
重要な因子となり、この拡散係数に基づき燃料種に応じ
て最高温度測定位置が変化するが、熱伝達と物質伝達の
アナロジーから得られる次式（１）、（２）によって簡
易的に決定できる。

【００２１】ＧＣ_ｐ（Ｔ_i+1−Ｔ_ｉ）＝ｈ_Ｄ・２Ｗ・ｄｘ・（Ｃ_fuel−０）・Ｑ …（１）ｈ_Ｄ（Ｄ_ｅ／Ｄ_fuel）＝Ｓｈ＝5.364［１＋｛220・（ｘ／πＤｅＲｅＳｃ）^-9/10｝^3/10］ …（２）上記式（１）、（２）において、Ｇ［ｋｇ／ｓ］：質量
流量、Ｃ_ｐ［Ｊ／ｋｇ／Ｋ］：定圧比熱、ｈ_Ｄ［ｍ／
ｓ］：物質伝達係数、Ｗ［ｍ］：触媒壁幅、Ｃ_fuel［ｍ
ｏｌ／ｍ^３］：燃焼熱、Ｄ_fuel［ｍ^２／ｓ］：拡散係
数、Ｄ_ｅ［ｍ］：等価直径、Ｓｈ［−］：シャーウッド
数、Ｒｅ［−］：レイノルズ数、Ｓｃ［−］：シュミッ
ト数である。なお、式（１）で「０」という数値は、触
媒表面の燃料濃度が「０」であることを示す。

【００２２】上記式（２）において、Ｄ_ｅ，Ｄ_fuelは既
知であるので、予混合ガスの流入口から温度測定点Ｐま
で距離ｘの値を代入すれば、物質伝達係数ｈ_Ｄが求ま
る。次に、物質伝達係数ｈ_Ｄの値を式（１）に代入する
ことにより、温度が何度上昇するかが分かる。例えば、
フィ２３ンの入口部の温度Ｔ_０（初期条件）をＴ_０＝５
０℃とすると、入口部から出口側へ１ｍｍ進むと温度が
何度上昇するかが算出される。従って、こうした考え方
に基づいてＴ_ｉが分かればＴ_ｉ＋１が算出されるため、
予混合ガス３１の流れ方向に沿ったフィン２３の温度分
布が求められ、最高温度とその位置が得られる。そし
て、種々の触媒条件・熱交換器の製作条件でシミュレー
ションした結果、予混合ガス３１の入口側近傍において
常に最高温度となっている実験事実が得られた。

【００２３】上記実施例１によれば、予混合ガスが最高
温度となる該予混合ガスの入口側近傍のフィン表面温度
を測定し、その温度をある所定値に保持するように燃料
流量及び空気流量を制御することにより、燃料流量や空
気流量の変動による異常温度変化に対して遅れが少ない
燃料・空気流量制御が可能となり、燃焼温度の安定な制
御を実現することができる。

【００２４】なお、上記実施例１では、熱交換器がプレ
ートとフィンからなる場合について述べたが、これに限
らず、複数回蛇行させた内管及び外管からなる二重管構
造のパイプを用い、内管に内側に液体燃料を流し、内管
と外管間に予混合ガスを流すような構成の熱交換器でも
よい。図７は、上記二重管構造のパイプの概略図を示す
もので、符番４１は外周面に燃焼触媒が塗布され、内部
に蒸発する流体（液体燃料）が流れる内管、符番４２は
外管を示し、内管４１と外管４２間に燃焼する流体（燃
焼する流体）が流れる。

【００２５】（実施例２）図２は、本発明に係る熱交換
器としての蒸発器等を組み込んだ分散電源用燃料電池発
電システムの一例を示す。図中の符番３２は、熱交換器
としての蒸発器を示す。この蒸発器３２には、改質器３
３を介して燃料電池３４に接続されている。前記蒸発器
３２には、配管３５ａから、例えば２５℃のメタノール
及び水を含む改質器３３用原燃料としての液体燃料が供
給され、また配管３５ｂよりメタノールガス（又は都市
ガス）が供給される。前記燃料電池３４の燃料極からの
配管３５ｃは、前記配管３５ｂの途中に接続され、燃料
電池３４からの微量の水素を含む改質ガス戻りガスが配
管３５ｂに供給されるようになっている。また、配管３
５ｃから分岐して開閉弁３６ａが設けられ、燃料電池３
４から配管３５ｃを介して配管３５ｂに送られる改質ガ
ス戻りガスの流量を調整できるようになっている。

【００２６】前記配管３５ｂには、該配管３５ｂに空気
を送るための配管３５ｄが接続されている。また、蒸発
器３２寄りの配管３５ｂには開閉弁３６ｂを介装した配
管３５ｅが接続され、配管３５ｂからのメタノール及び
改質ガス戻りガス、配管３５ｄからの空気の量が調整で
きるようになっている。図示しないが、前記蒸発器３２
の一構成であるフィンの入口部近傍の表面にはその表面
温度を検知する温度計が配置され、この温度計と前記開
閉弁３６ａとは電気的に接続されている。

【００２７】こうした分散電源用燃料電池発電システム
においては、メタノール等の液体燃料及び水を含む原料
を蒸発器３２に供給しながら、メタノール等の燃料ガス
と空気の予混合ガスを蒸発器３２に供給すると、蒸発器
３２と一体化した燃焼触媒によって燃焼した予混合ガス
の熱エネルギーによって、蒸発器３２を通過する液体原
料が２５℃から約２５０℃まで加熱されて過熱蒸気とな
り、改質器３３に送られる。

【００２８】改質器３３ではメタノールが水素リッチの
改質ガスに改質され、この改質ガスが燃料電池３４の燃
料極に燃料として送られる。一方、燃料電池３４の空気
極には空気が送られ、燃料電池３４で水素と空気による
化学反応がおこり、電気が生成される。そして、前記蒸
発器３２の温度変化に応じた開閉弁３６ｂの開閉によ
り、蒸発器３２へ流入する、燃料電池３４（配管３５
ｃ）からの改質戻りガス、配管３５ｂからのメタノール
及び配管３５ｄからの空気のトータルの供給量を調整す
る。

【００２９】上記実施例２に係る分散電源用燃料電池シ
ステムによれば、蒸発器３２の一構成であるフィンの入
口側近傍の表面温度を測定し、その温度をある所定値に
保持するようにメタノール等の燃料流量及び空気流量を
制御することにより、特に燃料電池３４からの改質ガス
戻りガス（燃料）の流量変動に対して遅れが少ない燃料
・空気流量制御を実現して、燃焼温度の安定な制御を実
現することができ、蒸発器３２に異常温度による溶損等
の自己を回避することができる。また、燃料電池３４へ
水素リッチガス（改質ガス）を安定して供給することが
でき、燃料電池３４において安定な化学反応を起こすこ
とができ、頻繁に軌道・停止が行われる燃料電池におい
て、一定の電力を発生することができる。

【００３０】なお、上記実施例２では、本発明方法を分
散電源用燃料電池に適用した場合について述べたが、こ
れに限らず、車載用の燃料電池に適用することも可能で
ある。

【００３１】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、燃
料ガスと空気の予混合ガスを燃焼させる燃焼触媒部と、
燃焼によって発生した熱を回収する熱交換部とが一体化
された熱交換装置において、前記予混合ガスの入口側近
傍の温度に基づいて前記燃料ガスの流量あるいは空気流
量を制御することにより、燃料流量の変動に対して遅れ
が少ない制御を実現して、燃焼温度の安定な制御が実現
でき、分散電源用燃料電池システムにおいても安定した
パワーを車両等に供給が可能な熱交換装置の制御方法を
提供できる。

【００３２】また、本発明によれば、熱交換器と、この
熱交換器と改質器を介して接続される燃料電池と、前記
熱交換器に電気的に接続され，前記燃料電池からの改質
ガス戻りガスの流量を調節するバルブと、前記予混合ガ
スの入口側近傍のフィン表面温度を測定する温度計と、
前記温度計の測定値に基づいて前記バルブを開閉し、改
質ガス戻りガスの流量の制御を行う制御部とを具備する
構成とすることにより、燃料流量の変動に対して遅れが
少ない制御を実現して、燃焼温度の安定な制御が可能な
燃料電池発電システムを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明に係る熱交換器の説明図。

【図２】図２は、熱交換器としての蒸発器等を車両用と
して組み込んだ分散電源用燃料電池システムの説明図。

【図３】図３は、図２の熱交換器の一構成であるプレー
トにおける燃料流体の流れを説明するための図。

【図４】図４は、図２の熱交換器の一構成であるプレー
トの説明図。

【図５】図５は、水素濃度と（テスト材先端位置から
の）最高温度位置との関係を、加湿の有無、空気（Ａｉ
ｒ）量を変えて調べた特性図。

【図６】図６は、従来の燃焼触媒一体蒸発装置の説明
図。

【図７】図７は、実施例１で用いた熱交換器とは別の熱
交換器の説明図。

【符号の説明】

２１…熱交換器（熱交換部）、２２…プレート、２３…フィン、２４…液体燃料、２５…入口部、２６…蒸気、２７…出口部、２９…流路、３０…仕切り、３２…蒸発器、３３…改質器、３４…燃料電池、３５ａ〜３５ｅ…配管、３６ａ，３６ｂ…開閉弁、４１…内管、４２…外管。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｎ 8/06 8/06 ＡＦターム(参考） 3K017 BA02 BD01 BE06 BE11 BF03 BG01 3L036 AA41 AA46 3L103 AA33 AA37 AA44 BB50 CC18 CC27 DD54 DD68 5H027 AA02 BA01 KK41 MM13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料ガスと空気の予混合ガスを燃焼させ
る燃焼触媒部と、燃焼によって発生した熱を回収する熱
交換部とが一体化された熱交換装置の制御方法におい
て、前記予混合ガスの入口側近傍の温度に基づいて前記
燃料ガスの流量あるいは空気流量の少なくともいずれか
一方を制御することを特徴とする熱交換装置の制御方
法。
【請求項２】前記熱交換部は、熱を受ける側の流体が
通る流路を有した複数のプレートと、これらプレート間
に配置されたフィンとからなるプレートフィン型熱交換
器であり、かつ前記予混合ガスの入口側近傍の温度はフ
ィンの入口側近傍の表面温度であることを特徴とする請
求項１記載の熱交換装置の制御方法。
【請求項３】前記プレートは、２枚のプレートがろう
付けされて構成され、少なくとも一方のプレートに仕切
り部材を介して逆Ｕ字型の流路が形成され、しかも前記
プレートの底部側に流体用の入口部及び出口部を有して
いることを特徴とする請求項２記載の熱交換装置の制御
方法。
【請求項４】前記予混合ガスの入口側近傍の温度は、
前記フィン表面の最高の温度を示す位置の温度であるこ
とを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に
記載の熱交換装置の制御方法。
【請求項５】燃料ガスと空気の予混合ガスを燃焼させ
る燃焼触媒部と、燃焼によって発生した熱を回収する熱
交換部とが一体化された熱交換装置を有した燃料電池発
電システムであり、前記熱交換部は、熱を受ける側の流体が通る流路を有し
た複数のプレートと、これらプレート間に配置されたフ
ィンとからなるプレートフィン型熱交換器であり、熱交換器と、この熱交換器と改質器を介して接続される
燃料電池と、前記熱交換器に電気的に接続され，前記燃
料電池からの改質ガス戻りガスの流量を調節するバルブ
と、前記予混合ガスの入口側近傍のフィン表面温度を測
定する温度計と、前記温度計の測定値に基づいて前記バ
ルブを開閉し、改質ガス戻りガスの流量の制御を行う制
御部とを具備することを特徴とする燃料電池発電システ
ム。