JP2005183130A

JP2005183130A - 燃料電池発電装置

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Publication number: JP2005183130A
Application number: JP2003421270A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yoshida; 崇吉田
Original assignee: Taikisha Ltd
Current assignee: Taikisha Ltd
Priority date: 2003-12-18
Filing date: 2003-12-18
Publication date: 2005-07-07
Anticipated expiration: 2023-12-18
Also published as: JP4462915B2

Abstract

【課題】燃料ガスを安定して生成することができ且つエネルギー効率を向上することができながら、低廉化を図り得る燃料電池発電装置を提供する。
【解決手段】原燃料ガス供給量調節部Ｋｃにて供給される原燃料ガスを水と接触させる気液接触部Ｓを内部に備え、且つ、その気液接触部Ｓにて生成される原燃料ガスと水蒸気との混合気を内部に溜めるように構成された密閉容器１７が設けられ、その密閉容器１７内の混合気が改質部２に供給されるように構成され、水蒸気供給量調節部Ｋｓが、気液接触部Ｓにて原燃料ガスと接触させるための水を加熱する加熱手段２４と、その加熱手段２４にて加熱された水の温度が設定温度になるように加熱手段２４の加熱作動を制御する制御手段Ｖとを備えて構成され、設定温度が、密閉容器１７内での原燃料ガス分圧に対する比率が設定比率と同じ比率になる水蒸気分圧に等しい飽和水蒸気圧に対応する水の温度に設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガス生成部にて生成される水素ガスを用いて発電する燃料電池発電部が設けられ、
前記燃料ガス生成部が、炭化水素系の原燃料ガスを水蒸気により水素ガスを主成分とするガスに改質処理する改質部を備えて構成され、
前記改質部に供給される原燃料ガスの供給量を前記燃料電池発電部の発電出力に応じた量になるように調節する原燃料ガス供給量調節部と、
前記改質部へ供給される原燃料ガスの供給量に対する前記改質部へ供給される水蒸気の供給量の比率が設定比率になるように、水蒸気の供給量を調節する水蒸気供給量調節部とが設けられた燃料電池発電装置に関する。

かかる燃料電池発電装置は、燃料ガス生成部を、炭化水素系の原燃料ガスを水蒸気により水素ガスを主成分とするガスに改質処理する改質部を備えて構成して、その燃料ガス生成部にて水素ガスを主成分とする燃料ガスを生成し、その燃料ガス生成部にて生成された燃料ガスを燃料電池発電部に供給して、その燃料電池発電部にて発電するものである。
そして、原燃料ガス供給量調節部にて、改質部に供給される原燃料ガスの供給量を燃料電池発電部の発電出力に応じた量になるように調節し、且つ、水蒸気供給量調節部にて、改質部へ供給される原燃料ガスの供給量に対する改質部へ供給される水蒸気の供給量の比率（以下、単に水蒸気／原燃料ガス供給量比率を記載する場合がある）が設定比率になるように、水蒸気の供給量を調節することにより、燃料ガス生成部にて、燃料電池発電部の発電出力に応じた量の燃料ガスを生成して、燃料電池発電部に供給するようになっている。

このような燃料電池発電装置において、従来は、供給される原料水をバーナの加熱により蒸発させて水蒸気を生成してその生成水蒸気を改質部に供給する水蒸気発生器と、水蒸気／原燃料ガス供給量比率が設定比率になるように、水蒸気発生器に供給する原料水の供給量、即ち改質部へ供給される水蒸気の供給量を回転数の調節により調節する水ポンプとを設けて、水蒸気供給量調節部をその水ポンプを備えて構成していた。（例えば、特許文献１参照。）。

尚、前記特許文献１には、明確に記載されていないが、水ポンプの回転数を前述のように調節するコントローラを設けることになり、要するに、従来は、水蒸気供給量調節部を水ポンプ及びそれを制御するコントローラを備えて構成していた。

特開２０００−２８５９４０号公報

ところで、水蒸気供給量調節部による水蒸気供給量の調節のバラツキにより、水蒸気／原燃料ガス供給量比率が設定比率よりも小さくなると、即ち、水蒸気供給量が少なくなると、燃料ガス生成部において燃料ガスを生成するための水蒸気が不足して安定して燃料ガスを生成することができなくなる虞があり、逆に、水蒸気／原燃料ガス供給量比率が設定比率よりも大きくなると、即ち、水蒸気供給量が多くなると、過剰な水蒸気による放熱損失が増加してエネルギー効率が低下することになる。

しかしながら、従来のように、単に水ポンプの回転数を調節することにより水蒸気供給量を調節する構成では、水蒸気供給量の調節精度が低いため、水蒸気供給量の過不足が生じ易く、上述の燃料ガスを安定して生成することができないといった問題や、エネルギー効率が低下するといった問題が生じ易い。

ちなみに、水蒸気供給量の調節精度を向上するために、原燃料ガス供給量調節部にて供給される原燃料ガスの流量を検出する原燃料ガス流量センサと、水ポンプにて調節される水の流量を検出する水流量センサとを設けて、それら原燃料ガス流量センサ及び水流量センサの検出情報に基づいて、水蒸気の流量が原燃料ガスの流量に対応する流量になるようにコントローラにて水ポンプを制御するように構成する場合が考えられるが、この場合は、前記原燃料ガス流量センサ及び水流量センサとしては高精度で高価なものが必要となるため、燃料電池発電装置が高騰化するという問題が生じる。

本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料ガスを安定して生成することができ且つエネルギー効率を向上することができながら、低廉化を図り得る燃料電池発電装置を提供することにある。

本発明の燃料電池発電装置は、燃料ガス生成部にて生成される水素ガスを用いて発電する燃料電池発電部が設けられ、
前記燃料ガス生成部が、炭化水素系の原燃料ガスを水蒸気により水素ガスを主成分とするガスに改質処理する改質部を備えて構成され、
前記改質部に供給される原燃料ガスの供給量を前記燃料電池発電部の発電出力に応じた量になるように調節する原燃料ガス供給量調節部と、
前記改質部へ供給される原燃料ガスの供給量に対する前記改質部へ供給される水蒸気の供給量の比率が設定比率になるように、水蒸気の供給量を調節する水蒸気供給量調節部とが設けられたものであって、
第１特徴構成は、前記原燃料ガス供給量調節部にて供給量が調節されて供給される原燃料ガスを水と接触させる気液接触部を内部に備え、且つ、その気液接触部にて生成される原燃料ガスと水蒸気との混合気を内部に溜めるように構成された密閉容器が設けられ、
その密閉容器内の混合気が前記改質部に供給されるように構成され、
前記水蒸気供給量調節部が、
前記気液接触部にて原燃料ガスと接触させるための水を加熱する加熱手段と、
その加熱手段にて加熱された水の温度が設定温度になるように前記加熱手段の加熱作動を制御する制御手段とを備えて構成され、
前記設定温度が、前記密閉容器内での原燃料ガス分圧に対する比率が前記設定比率と同じ比率になる水蒸気分圧に等しい飽和水蒸気圧に対応する水の温度に設定されている点を特徴とする。

即ち、密閉容器内において、気液接触部により、原燃料ガス供給量調節部にて供給量が調節されて供給される原燃料ガスと加熱手段にて設定温度になるように加熱された水とを接触させて、原燃料ガスと水蒸気との混合気が生成され、そのように生成された混合気が密閉容器内に溜まり、その密閉容器内に溜まっている混合気が改質部に供給される。
そして、密閉容器内において、供給される原燃料ガスに対して多量の水を接触させることにより、密閉容器内の水蒸気分圧は、その水の温度に対応する飽和水蒸気圧となり、又、設定温度として、密閉容器内での原燃料ガス分圧に対する比率が前記設定比率と同じ比率になる水蒸気分圧に等しい飽和水蒸気圧に対応する水の温度に設定されているので、原燃料ガスを、その供給量が変動してもその供給圧力が所定の目標圧力又は略目標圧力に維持される状態で密閉容器内に供給するように構成することにより、密閉容器内における水蒸気分圧及び原燃料ガス分圧は、原燃料ガス分圧に対する水蒸気分圧の比率が設定比率又は略設定比率となるように維持されることになり、改質部に対して、水蒸気と原燃料ガスとが、原燃料ガスの供給量が変動したとしても、水蒸気／原燃料ガス供給量比率が設定比率又は略設定比率になる状態で供給される。

つまり、加熱手段にて加熱された水の温度が設定温度になるように加熱手段の加熱作動を制御することにより、水蒸気／原燃料ガス供給量比率を調節するのであるが、一般に、加熱手段により水を加熱するに当たってその加熱温度の制御を高精度に行うことは容易に実現することができるものであるので、そのように加熱手段にて加熱された水の温度が設定温度になるように加熱手段の加熱作動を制御することにより、原燃料ガスの供給量が変動したとしても、以下に説明するように、水蒸気／原燃料ガス供給量比率の調節精度を向上することが可能になって、燃料ガスを安定して生成することができるようにすると共に、水蒸気による放熱損失を抑制してエネルギー効率を向上することが可能になるのである。

即ち、制御手段により、気液接触部にて原燃料ガスと接触させるための水の温度を設定温度になるように精度良く制御することができるので、密閉容器内において、気液接触部にて原燃料ガスと水とを接触させて、原燃料ガス分圧に対する水蒸気分圧の比率が設定比率又は略設定比率となるように水蒸気と原燃料ガスとの混合気を生成して溜めることが可能となり、そして、そのように原燃料ガス分圧に対する水蒸気分圧の比率が設定比率又は略設定比率となるように混合された水蒸気と原燃料ガスとの混合気を改質部に供給するので、原燃料ガスの供給量が変動したとしても、水蒸気／原燃料ガス供給量比率を設定比率又は略設定比率に精度良く調節することが可能になるのである。

又、加熱手段にて加熱された水の温度が設定温度になるように加熱手段の加熱作動を制御することにより、水蒸気／原燃料ガス供給量比率の調節精度を向上することが可能になって、水蒸気供給量の調節精度を向上するために従来必要としていた原燃料ガス流量センサ及び水流量センサを不要にすることが可能になるので、燃料電池発電装置の低廉化を図ることができる。
従って、燃料ガスを安定して生成することができ且つエネルギー効率を向上することができながら、低廉化を図り得る燃料電池発電装置を提供することができるようになった。

第２特徴構成は、上記第１特徴構成に加えて、
前記気液接触部が、前記密閉容器内に貯留される水に原燃料ガスを吹き出して、原燃料ガスと水とを接触させるように構成され、
前記加熱手段が、前記密閉容器内に貯留される水を加熱するように構成されている点を特徴とする。

即ち、加熱手段により、密閉容器内に貯留される水が設定温度になるように加熱され、そのように設定温度になるように加熱される密閉容器内の水に原燃料ガスが吹き出されて、原燃料ガスと水蒸気とが接触して混合気が生成される。
つまり、密閉容器内に貯留する水の量を多くして、そのように貯留量を多くした密閉容器内の水を設定温度に加熱するようにすることにより、原燃料ガスと接触させる水の温度の変動を抑制することが可能になって、密閉容器内の水蒸気分圧の変動を抑制することが可能になるので、水蒸気／原燃料ガス供給量比率の調節精度を一層向上することが可能になる。
従って、燃料ガス生成の安定化及びエネルギー効率の向上を促進する上で好ましい手段を提供することができるようになった。

第３特徴構成は、上記第１特徴構成に加えて、
前記気液接触部が、前記密閉容器内に充填された充填層の上部から散水手段にて水を散水し且つ前記充填層に対して原燃料ガスを吹き出して、前記充填層にて原燃料ガスと水とを接触させるように構成され、
前記散水手段から散水されて前記充填層を通過した水を溜める水溜り部の水を前記密閉容器の外部に配設された水循環路を通して前記散水手段に供給する水循環ポンプが設けられ、
前記加熱手段が、前記水循環路を通流する水を加熱するように構成されている点を特徴とする。

即ち、加熱手段により、密閉容器の外部に配設された水循環路を通流する水が設定温度になるように加熱される状態で、水循環ポンプにより、水溜り部の水が水循環路を通して散水手段に供給され、そのように供給される水が散水手段により充填層の上部から散水されると共に、充填層に対して原燃料ガスが吹き出されて、その充填層にて原燃料ガスと水とが接触して混合気が生成される。
つまり、加熱手段により、水循環路を通流する水を加熱するようにすることにより、加熱手段の加熱対象とする水の量を少なくして、気液接触部にて原燃料ガスと接触させるための水を設定温度にまで加熱するのに要する時間を短縮することが可能になる。
従って、燃料電池発電装置の起動時間を短縮する上で好適な手段を提供することができるようになった。
特に、燃料電池発電装置を、例えば、１日のうちの所定の運転時間帯にて運転し残りの時間帯は停止する形態で間欠的に運転する場合において、起動時間を短縮して、効率良く運転することが可能になる。

〔第１実施形態〕
以下、図面に基づいて、本発明の第１実施形態を説明する。
図１に示すように、燃料電池発電装置は、燃料ガス及び空気が供給されてその燃料ガス中の水素ガスと空気中の酸素を用いて発電する燃料電池発電部１、炭化水素系の原燃料ガスを水蒸気により水素ガスを主成分とするガスに改質処理する改質部２を備えて、燃料電池発電部１に供給する燃料ガスを生成する燃料ガス生成部Ｒ、燃料電池発電部１に発電用の空気を供給する発電用送風機３、改質部２に供給される原燃料ガスの供給量を燃料電池発電部１の発電出力に応じた量になるように調節する原燃料ガス供給量調節部Ｋｃ、改質部２へ供給される原燃料ガスの供給量に対する改質部２へ供給される水蒸気の供給量の比率が設定比率になるように、水蒸気の供給量を調節する水蒸気供給量調節部Ｋｓ、及び、燃料電池発電部１の運転を制御する制御部４等を設けて構成してある。

前記燃料電池発電部１は、周知であるので詳細な説明を省略して簡単に説明すると、燃料電池発電部１は、例えば、固体高分子膜を電解質層（図示省略）とするセル（図示省略）の複数を積層状態に設けた固体高分子型に構成し、前記燃料ガス生成部Ｒから燃料ガス供給路５を通じて供給される燃料ガスが各セルの燃料極（図示省略）に分配供給され、前記発電用送風機３から発電用空気供給路６を通じて供給される空気が各セルの酸素極（図示省略）に分配供給されて、水素と酸素との電気化学的な反応により直流電力を発電するようになっている。
そして、前記燃料電池発電部１から出力路７を通じて出力される直流電力をインバータ８により交流に変換して、電気負荷９に供給するようになっていて、前記出力路７には、燃料電池発電部１の発電出力として発電電力を計測する電力計１０を設けてある。

前記燃料電池発電部１の各セルの燃料極から排出される燃料極排ガスは、オフガス路１１を通じて、後述する改質部２の改質バーナ２ｂに燃料として供給するようにしてある。

前記燃料ガス生成部Ｒについて説明を加えると、燃料ガス生成部Ｒは、前記改質部２の他に、その改質部２から供給される改質処理ガス中の一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変成処理する変成部１２、及び、その変成部１２から供給される改質処理ガス中の一酸化炭素ガスを選択酸化用空気にて選択酸化処理する選択酸化部１３を備えて構成してあり、その選択酸化部１３にて選択酸化処理した改質処理ガスを燃料ガスとして、前記燃料ガス供給路５を通じて燃料電池発電部１に供給するようにしてある。

前記改質部２には、その改質部２を改質処理可能なように加熱する前記改質バーナ２ｂを設けてあり、その改質バーナ２ｂには、前述したように、オフガス路１１を通じて燃料極排ガスを燃料として供給するようにしてあり、又、改質バーナ２ｂには、燃焼用空気供給路１４を通じて発電用送風機３からの空気を燃焼用空気として供給するようにしてある。
そして、改質部２においては、メタンガスを主成分とする都市ガスが原燃料ガスである場合は、所定の改質処理温度の下で、改質触媒の触媒作用により、メタンガスと水蒸気とが下記の反応式１にて改質反応して、水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガスに改質処理される。
ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ……………（反応式１）

前記変成部１２においては、所定の変成処理温度の下で、改質処理ガス中の一酸化炭素ガスと水蒸気とが、一酸化炭素変成触媒の触媒作用により下記の反応式２にて変成反応して、一酸化炭素ガスが二酸化炭素ガスに変成処理される。
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂……………（反応式２）

選択酸化部１３においては、所定の選択酸化処理温度の下で、選択酸化触媒の触媒作用によって、改質処理ガス中に残っている一酸化炭素ガスが選択酸化される。

つまり、原燃料ガスとしてメタンガスを主成分とする都市ガスを用いる場合は、燃料ガス生成部Ｒ全体としては、下記の反応式３の反応が起こることになり、改質部２には、水蒸気をメタンガスに対するモル比で２以上になる所定の比率で供給する必要がある。

ＣＨ₄＋２Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋４Ｈ₂……………（反応式３）

従って、改質部２へ供給される原燃料ガスの供給量（Ｑｃ）に対する改質部２へ供給される水蒸気の供給量（Ｑｓ）の比率（Ｑｓ／Ｑｃ）として設定する前記設定比率は、例えば２〜３．５の所定の値に設定することになり、以下、本実施形態では、前記設定比率として２に設定する場合を例にして説明する。

前記原燃料ガス供給量調節部Ｋｃ及び水蒸気供給量調節部Ｋｓについて説明を加える。
前記改質部２にて改質処理するための原燃料ガスを原燃料ガス供給源（図示省略）から導く原燃料ガス供給路１５に、通流する原燃料ガスの流量を調節する原燃料ガス流量調節弁１６を設け、前記制御部４により、前記電力計１０の検出情報に基づいて、原燃料ガス供給路１５を通流する原燃料ガスの流量が燃料電池発電部１の発電電力に応じた流量になるように原燃料ガス流量調節弁１６を制御するように構成してある。
つまり、原燃料ガス供給量調節部Ｋｃは、原燃料ガス供給路１５、その原燃料ガス供給路１５に設けた原燃料ガス流量調節弁１６、及び、その原燃料ガス流量調節弁１６を制御する制御部４を備えて構成してある。

尚、原燃料ガス供給源（図示省略）から原燃料ガスを原燃料ガス流量調節弁１６にて流量が調節される状態で原燃料ガス供給路１５を通じて供給するに当たっては、流量が変更調節されても、原燃料ガスの供給圧力は目標圧力又は略目標圧力に維持されるように構成してある。

原燃料ガス流量調節弁１６にて流量が調節される状態で原燃料ガス供給路１５を通じて供給される原燃料ガスを水と接触させる気液接触部Ｓを内部に備え、且つ、その気液接触部Ｓにて生成される原燃料ガスと水蒸気との混合気を内部に溜めるように構成した密閉容器１７を設け、その密閉容器１７内の混合気を前記改質部２に供給するように、密閉容器１７と改質部２とを混合気供給路１８にて接続してある。

そして、水蒸気供給量調節部Ｋｓを、気液接触部Ｓにて原燃料ガスと接触させるための水を加熱する加熱手段としてのガスバーナ２４と、そのガスバーナ２４にて加熱された水の温度が設定温度になるようにガスバーナ２４の加熱作動を制御する制御手段Ｖを備えて構成し、前記設定温度を、密閉容器１７内での原燃料ガス分圧に対する比率が前記設定比率と同じ比率になる水蒸気分圧に等しい飽和水蒸気圧に対応する水の温度に設定してある。

前記密閉容器１７について説明を加える。密閉容器１７には、給水タンク（図示省略）から水を導く補給水路２０を接続し、その補給水路２０に水補給ポンプ２１を設け、その水補給ポンプ２１により密閉容器１７内に水を供給して、密閉容器１７内に水を貯留するように構成してある。
そして、密閉容器１７内に貯留する水の水位を検出する水位センサ２２を設け、制御部４により、水位センサ２２の検出情報に基づいて、密閉容器１７内の水位を設定範囲内に維持すべく水補給ポンプ２１を制御するように構成してある。

前記気液接触部Ｓについて説明を加える。密閉容器１７内に貯留される水に沈没させた状態で、多孔状体２３を設け、その多孔状体２３に、前記原燃料ガス供給路１５を接続して、その原燃料ガス供給路１５を通じて供給される原燃料ガスを多孔状体２３から密閉容器１７内の水中に多数の泡状に吹き出すようにしてある。つまり、気液接触部Ｓを、密閉容器１７内に貯留される水に原燃料ガスを吹き出して、原燃料ガスと水とを接触させるように構成してある。

前記ガスバーナ２４について説明を加える。ガスバーナ２４を密閉容器１７の底部の下方に配設すると共に、そのガスバーナ２４に、前記原燃料ガス供給路１５における前記原燃料ガス流量調節弁１６の設置箇所よりも上流側の箇所から分岐させたバーナ用燃料供給路２５、及び、バーナ用送風機２６からの空気を導く燃焼用空気路２７を接続してある。
つまり、ガスバーナ２４は、改質部２に供給するのと同じ原燃料ガスを燃焼させて、密閉容器１７の底部を通じて、密閉容器１７内に貯留される水を加熱するように構成してある。
バーナ用燃料供給路２５には、通流する原燃料ガスの流量を調節するバーナ用燃料流量調節弁２８を設けてある。

前記制御手段Ｖについて説明を加える。
ガスバーナ２４にて加熱された水の温度、即ち、密閉容器１７内に貯留される水の温度を検出するように、温度センサ１９を設けてある。
そして、前記制御部４により、温度センサ１９の検出情報に基づいて、バーナ用燃料流量調節弁２８を制御することによりガスバーナ２４の燃焼量を調節して、即ち、ガスバーナ２４の加熱作動を制御して、密閉容器１７内に貯留される水の温度を調節するように構成してあり、制御手段Ｖは、ガスバーナ２４への燃料の供給量を調節するバーナ用燃料流量調節弁２８、ガスバーナ２４にて加熱された水の温度を検出する温度センサ１９、及び、その温度センサ１９の検出情報に基づいて、ガスバーナ２４にて加熱された水の温度が設定温度になるようにバーナ用燃料流量調節弁２８を制御する制御部４を備えて構成してある。

次に、水蒸気供給量調節部Ｋｓの作用を説明する。
前記設定比率を２に設定する場合、改質部２に供給する混合気における水蒸気と原燃料ガスとの混合比率は２：１に設定することになる。そして、改質部２に供給する原燃料ガスと水蒸気との混合気の全圧を例えば１０５ｋＰａに設定すると、密閉容器１７内に、水蒸気と原燃料ガスとの混合比率が２：１の混合気が溜まるようにするには、密閉容器１７内における原燃料ガスの分圧、水蒸気の分圧をそれぞれ３５ｋＰａ、７０ｋＰａにすることになる。
そして、飽和水蒸気圧が７０ｋＰａになる水の温度は８９．９°Ｃであるので、密閉容器１７内での原燃料ガス分圧（この実施形態では３５ｋＰａ）に対する比率が前記設定比率（この実施形態では２）と同じ比率になる水蒸気分圧（この実施形態では７０ｋＰａ）に等しい飽和水蒸気圧に対応する水の温度に設定する前記設定温度としては、８９．９°Ｃに設定することになる。

つまり、前記制御部４により、温度センサ１９の検出温度が設定温度、即ち８９．９°Ｃになるように、ガスバーナ２４の燃焼量が調節されるので、密閉容器１７内に貯留される水の温度が８９．９°Ｃに調節される。
又、密閉容器１７には、原燃料ガスがその供給圧力が目標圧力、即ち３５ｋＰａに維持される状態で、燃料電池発電部１の発電電力に応じて流量が調節されて供給される。
そして、密閉容器１７内において、供給される原燃料ガスに対して多量の水を接触させるので、その密閉容器１７内への原燃料ガスの供給流量が燃料電池発電部１の発電電力に応じて変更調節されても、密閉容器１７内の水蒸気の分圧は、水の温度（８９．９°Ｃ）にて決まる一定の圧力、即ち７０ｋＰａに維持されることになる。
従って、密閉容器１７においては、その密閉容器１７内への原燃料ガスの供給流量が燃料電池発電部１の発電電力に応じて変更調節されても、密閉容器１７内における原燃料ガスの分圧、水蒸気の分圧はそれぞれ３５ｋＰａ、７０ｋＰａに維持されて、密閉容器１７内には、水蒸気と原燃料ガスとの混合比率が２：１の混合気が溜まることになり、その混合気が混合気供給路１８を通じて改質部２に供給される。
つまり、改質部２には、原燃料ガスの供給量が燃料電池発電部１の発電電力に応じて流量が調節されても、水蒸気と原燃料ガスとが、供給量比が２：１に維持される状態で供給されることになる。

ちなみに、制御手段Ｖにより、ガスバーナ２４にて加熱された水の温度が設定温度になるようにガスバーナ２４の加熱作動を制御するに当たって、その温度制御精度を±０．１°Ｃ程度にすることができる。そして、原燃料ガスと接触させる水の温度変化を±０．１°Ｃとすると、水蒸気と原燃料ガスとの混合比率の変化は２．０００±０．０２３程度となり、設定値に対する誤差は±１．１５％程度となり、制御精度を高くすることが可能になる。

〔第２実施形態〕
以下、図面に基づいて、本発明の第２実施形態を説明するが、第１実施形態と同じ構成要素や同じ作用を有する構成要素については、重複説明を避けるために、同じ符号を付すことにより説明を省略し、主として、第１実施形態と異なる構成を説明する。
即ち、図２に示すように、第２実施形態においては、主として、密閉容器１７の構成、水蒸気供給量調節部Ｋｓの構成、気液接触部Ｓの構成、及び、加熱手段としてのガスバーナ２４により、気液接触部Ｓにて原燃料ガスと接触させるための水を加熱するための構成が第１実施形態と異なるので、主として、それらの構成について説明する。

前記密閉容器１７について説明を加える。密閉容器１７の底部の一部分を窪ませて、水溜り部２９を形成し、その水溜り部２９に、第１実施形態と同様に、給水タンクから水を導く補給水路２０を接続すると共に、その補給水路２０に水補給ポンプ２１を設けて、その水補給ポンプ２１により水溜り部２９に水を供給して、水溜り部２９に水を貯留するように構成してある。
又、水溜り部２９に貯留する水の水位を検出する水位センサ３０を設け、制御部４により、水位センサ３０の検出情報に基づいて、水溜り部２９の水位を設定範囲内に維持するように、水補給ポンプ２１を制御するように構成してある。

密閉容器１７内における上下方向の中間部に、充填層３１を設け、その充填層３１の上方に、散水手段としての散水ノズル３２を設け、その散水ノズル３２と水溜り部２９とを、密閉容器１７の外部に配設した水循環路３３にて接続すると共に、その水循環路３３に水循環ポンプ３４を設けてある。
前記原燃料ガス供給路１５は、その先端を充填層３１の下方に位置させる状態で、密閉容器１７内に挿入して設けてある。
そして、水循環ポンプ３４にて水溜り部２９の水を水循環路３３を通して散水ノズル３２に供給して、その散水ノズル３２により充填層３１の上方から散水すると共に、原燃料ガス供給路１５の先端から充填層３１の下方側に原燃料ガスを吹き出して、充填層３１にて原燃料ガスと水とを接触させるように構成してある。

つまり、気液接触部Ｓは、密閉容器１７内に充填された充填層３１の上部から散水ノズル３２にて水を散水し且つ充填層３１に対して原燃料ガスを吹き出して、充填層３１にて原燃料ガスと水とを接触させるように構成してある。

前記水循環路３３の途中に熱交換部３５を設け、前記ガスバーナ２４を、熱交換部３５を加熱するように配設することにより、水循環路３３を通流する水を加熱するように構成してある。
ガスバーナ２４には、第１実施形態と同様に、バーナ用燃料供給路２５及び燃焼用空気路２７を接続し、バーナ用燃料供給路２５には、通流する原燃料ガスの流量を調節するバーナ用燃料流量調節弁２８を設けてある。

尚、ガスバーナ２４にて加熱された水の温度を検出すべく設ける前記温度センサ１９は、この第２実施形態では、熱交換部３５を通過して水循環路３３を通流する水の温度を検出するように設けてある。
そして、第１実施形態と同様に、前記制御部４により、温度センサ１９の検出情報に基づいて、バーナ用燃料流量調節弁２８を制御することによりガスバーナ２４の燃焼量を調節して、即ち、ガスバーナ２４の加熱作動を制御して、熱交換部３５にて加熱されて散水ノズル３２に供給される水の温度を調節するように構成してあり、制御手段Ｖは、バーナ用燃料流量調節弁２８、温度センサ１９及び制御部４を備えて構成してある。

次に、水蒸気供給量調節部Ｋｓの作用を説明する。
第１実施形態と同様に、前記設定比率を２に設定し、改質部２に供給する原燃料ガスと水蒸気との混合気の全圧を例えば１０５ｋＰａに設定すると、前記設定温度は８９．９°Ｃに設定することになる。

つまり、前記制御部４により、温度センサ１９の検出温度が設定温度、即ち８９．９°Ｃになるように、ガスバーナ２４の燃焼量が調節されるので、散水ノズル３２に供給される水の温度が８９．９°Ｃに調節される。
又、密閉容器１７には、原燃料ガスがその供給圧力が目標圧力、即ち３５ｋＰａに維持される状態で、燃料電池発電部１の発電電力に応じて流量が調節されて供給される。
そして、密閉容器１７内において、供給される原燃料ガスに対して多量の水を接触させるので、その密閉容器１７内への原燃料ガスの供給流量が燃料電池発電部１の発電電力に応じて変更調節されても、密閉容器１７内の水蒸気の分圧は、水の温度（８９．９°Ｃ）にて決まる一定の圧力、即ち７０ｋＰａに維持されることになる。
従って、密閉容器１７においては、その密閉容器１７内への原燃料ガスの供給流量が燃料電池発電部１の発電電力に応じて変更調節されても、密閉容器１７内における原燃料ガスの分圧、水蒸気の分圧はそれぞれ３５ｋＰａ、７０ｋＰａに維持されて、密閉容器１７内には、水蒸気と原燃料ガスとの混合比率が２：１の混合気が溜まることになり、その混合気が混合気供給路１８を通じて改質部２に供給される。
つまり、改質部２には、原燃料ガスの供給量が燃料電池発電部１の発電電力に応じて流量が調節されても、水蒸気と原燃料ガスとが、供給量比が２：１に維持される状態で供給されることになる。

〔別実施形態〕
次に別実施形態を説明する。
（イ）上記の実施形態においては、燃料電池発電部１の発電出力を電気負荷の変動に応じて変更調節するように運転する負荷追従運転を行う場合について例示したが、燃料電池発電部１の発電出力を所定の定格発電出力に維持するように運転する定格運転を行っても良い。
定格運転を行う場合は、予め燃料電池発電部１の定格発電出力に応じた改質部２への原燃料ガスの供給量である設定供給量を設定して、原燃料ガス供給量調節部Ｋｃを、改質部２に供給される原燃料ガスの供給量を前記設定供給量にすべく調節するように構成することになる。

（ロ）加熱手段の具体構成は上記の実施形態において例示したガスバーナ２４に限定されるものではない。
例えば、電気ヒータでも良い。あるいは、燃料電池発電部１を冷却した冷却水や、改質バーナ２ｂから排出された燃焼ガス等、燃料電池発電装置の排熱を回収した排熱回収流体を熱源として加熱作用させるように構成しても良い。この場合は、排熱回収流体の通流の断続や通流量の調節により、加熱手段の加熱作動を調節することになる。

（ハ）制御手段Ｖの具体構成は、上記の実施形態において例示した構成に限定されるものではなく、例えば、自力式温度制御弁にて構成しても良い。この自力式温度制御弁は、液体又は揮発性液体を封入した感温部の温度が設定温度からずれると、液体膨張又は蒸発圧力を利用して弁を作動させるように構成したものであり、感温部をガスバーナ２４にて加熱された水と伝熱自在に設けると共に、弁をガスバーナ２４への燃料供給量を調節するように設けることになる。

（ニ）燃料ガス生成部Ｒの具体構成としては、上記の実施形態のように、改質部２、変成部１２及び選択酸化部１３を備えて構成する場合に限定されるものではない。例えば、燃料電池発電部１の型式に応じて要求される燃料ガス中の一酸化炭素濃度のレベルに応じて、選択酸化部１３を省略したり、変成部１２及び選択酸化部１３を省略することが可能である。

（ホ）原燃料ガスとして、硫黄化合物が着臭剤として添加された都市ガス等を用いる場合、原燃料ガス供給路１５に脱硫器を設けて、その脱硫器で脱硫した原燃料ガスを密閉容器１７に供給するように構成するのが好ましい。

（ヘ）炭化水素系の原燃料ガスとしては、上記の実施形態において例示したメタンガスを主成分とする都市ガスに限定されるものではなく、例えば、プロパンガス、メタノール等のアルコール類等、種々のものを用いることが可能である。

（ト）燃料電池発電部１の型式としては、上記の実施形態において例示した固体高分子型に限定されるものではなく、例えば、電解質としてリン酸を用いたリン酸型等、種々の型式のものを用いることが可能である。

第１実施形態に係る燃料電池発電装置の全体構成を示すブロック図第２実施形態に係る燃料電池発電装置の全体構成を示すブロック図

符号の説明

１燃料電池発電部
２改質部
１７密閉容器
２４加熱手段
２９水溜り部
３１充填層
３２散水手段
３３水循環路
３４水循環ポンプ
Ｋｃ原燃料ガス供給量調節部
Ｋｓ水蒸気供給量調節部
Ｒ燃料ガス生成部
Ｓ気液接触部
Ｖ制御手段

Claims

燃料ガス生成部にて生成される水素ガスを用いて発電する燃料電池発電部が設けられ、
前記燃料ガス生成部が、炭化水素系の原燃料ガスを水蒸気により水素ガスを主成分とするガスに改質処理する改質部を備えて構成され、
前記改質部に供給される原燃料ガスの供給量を前記燃料電池発電部の発電出力に応じた量になるように調節する原燃料ガス供給量調節部と、
前記改質部へ供給される原燃料ガスの供給量に対する前記改質部へ供給される水蒸気の供給量の比率が設定比率になるように、水蒸気の供給量を調節する水蒸気供給量調節部とが設けられた燃料電池発電装置であって、
前記原燃料ガス供給量調節部にて供給量が調節されて供給される原燃料ガスを水と接触させる気液接触部を内部に備え、且つ、その気液接触部にて生成される原燃料ガスと水蒸気との混合気を内部に溜めるように構成された密閉容器が設けられ、
その密閉容器内の混合気が前記改質部に供給されるように構成され、
前記水蒸気供給量調節部が、
前記気液接触部にて原燃料ガスと接触させるための水を加熱する加熱手段と、
その加熱手段にて加熱された水の温度が設定温度になるように前記加熱手段の加熱作動を制御する制御手段とを備えて構成され、
前記設定温度が、前記密閉容器内での原燃料ガス分圧に対する比率が前記設定比率と同じ比率になる水蒸気分圧に等しい飽和水蒸気圧に対応する水の温度に設定されている燃料電池発電装置。
前記気液接触部が、前記密閉容器内に貯留される水に原燃料ガスを吹き出して、原燃料ガスと水とを接触させるように構成され、
前記加熱手段が、前記密閉容器内に貯留される水を加熱するように構成されている請求項１記載の燃料電池発電装置。
前記気液接触部が、前記密閉容器内に充填された充填層の上部から散水手段にて水を散水し且つ前記充填層に対して原燃料ガスを吹き出して、前記充填層にて原燃料ガスと水とを接触させるように構成され、
前記散水手段から散水されて前記充填層を通過した水を溜める水溜り部の水を前記密閉容器の外部に配設された水循環路を通して前記散水手段に供給する水循環ポンプが設けられ、
前記加熱手段が、前記水循環路を通流する水を加熱するように構成されている請求項１記載の燃料電池発電装置。