JP2007165062A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】省スペースでイニシャルコストの大幅な増加を招くことなく安全性を容易に確保できる燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】酸素ガス１の酸素ガスタンク１１１、酸素ガス１を燃料電池本体１０１へ送給する送給ポンプ１３３等と、液状の炭化水素２の炭化水素タンク１２１と、炭化水素１２１を燃料電池本体１０１へ送給する送給ポンプ１２２，気化器１２３等と、水３の水タンク１２４と、水３を燃料電池本体１０１へ送給する送給ポンプ１２５，気化器１２６等と、炭化水素２と水３とから燃料ガス４を生成させる改質反応器１２７と、改質反応器１２７を加熱する燃焼バーナ１３１と、炭化水素２を燃焼バーナ１３１へ送給する送給ポンプ１３６と、酸素ガス１を燃焼バーナ１３１へ送給する送給ポンプ１３３と、燃焼ガス５を燃焼バーナ１３１へ送給する送給ポンプ１４１等とを備えたシステム１００とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池発電システムに関し、特に、水中航行体や空中航行体や宇宙航行体等のような閉空間内に設置する場合に適用すると極めて有効なものである。

燃料電池発電システムは、電解質膜を燃料極膜と酸化極膜とで挟んだセルを複数備えた燃料電池本体に対して、水素ガスを含有する燃料ガスを当該燃料電池本体の燃料極膜側に供給し、酸素ガスを含有する酸化ガスを当該燃料電池本体の酸化極膜側に供給することにより、水素ガスと酸素ガスとを上記セルで電気化学的に反応させて、電力を得ることができるようになっている。

このような燃料電池発電システムを、例えば、水中航行体や空中航行体や宇宙航行体等のような閉空間内に設置して利用する場合には、設置スペースが狭小であるため、燃料ガス源として水素ガスを利用し、酸化ガス源として酸素ガスを利用することにより、閉空間内に占める発電用の原料ガス源の設置スペースの割合をできるだけ小さくするようにしている。

特開平５−２３１６０９号公報

ところで、灯油や軽油や重油等のような液状の炭化水素は、単位体積当たりの水素成分含有量が水素ガスよりも大きいため（約１．４〜１．７倍）、当該炭化水素を改質反応器により水蒸気改質して水素を得るようにすることにより、燃料ガス源の設置スペースの割合をさらに小さくすることが考えられている。

このため、改質反応器を加熱する燃焼ガスの燃焼原料として、酸化ガス源に利用する酸素ガスと燃料ガス源に利用する液状の炭化水素とを利用することにより、設置スペースの割合をさらに小さくすることが検討されている。

しかしながら、前記炭化水素と酸素ガスとを燃焼バーナ等で燃焼させると、わずかな酸素ガス量でも勢いよく燃焼するため、火炎のコントロールが難しく、燃焼温度が非常に高くなりやすい（空気を用いた場合よりも５００〜１０００℃高くなる）ことから、燃焼バーナ等が損傷しやすくなってしまい、高価な高耐熱性材料からなる燃焼バーナ等を使用しなければならず、イニシャルコストの大幅な増加を招いてしまうと共に、安全性の確保に手間がかかってしまうという問題があった。

このようなことから、本発明は、省スペースでありながらもイニシャルコストの大幅な増加を招くことなく安全性を容易に確保することができる燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る燃料電池発電システムは、燃料電池本体と、前記燃料電池本体の酸化ガス供給口へ酸素ガスを含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、前記燃料電池本体の燃料ガス供給口へ水素ガスを含有する燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段とを備える燃料電池発電システムにおいて、前記酸化ガス供給手段が、酸素ガスを貯蔵する第一の酸素ガス貯蔵手段と、前記第一の酸素ガス貯蔵手段の前記酸素ガスを前記燃料電池本体の酸化ガス供給口へ送給する発電用酸素ガス送給手段とを備え、前記燃料ガス供給手段が、液状の炭化水素を貯蔵する第一の炭化水素貯蔵手段と、前記第一の炭化水素貯蔵手段の前記炭化水素を前記燃料電池本体の燃料ガス送給口へ送給する発電用炭化水素送給手段と、水を貯蔵する第一の水貯蔵手段と、前記第一の水貯蔵手段の前記水を前記燃料電池本体の燃料ガス送給口へ送給する発電用水送給手段と、前記燃料電池本体の燃料ガス送給口へ送給される前記燃料ガスを、前記炭化水素と前記水とを改質反応させて生成させる触媒を有する改質反応器と、前記改質反応器を加熱する燃焼バーナと、前記燃焼バーナの燃焼原料受入口へ燃焼原料を供給する燃焼原料供給手段とを備え、前記燃焼原料供給手段が、液状の炭化水素を貯蔵する第二の炭化水素貯蔵手段と、前記第二の炭化水素貯蔵手段の前記炭化水素を前記燃焼バーナの燃焼原料受入口へ送給する燃焼用炭化水素送給手段と、酸素ガスを貯蔵する第二の酸素ガス貯蔵手段と、前記第二の酸素ガス貯蔵手段の前記酸素ガスを前記燃焼バーナの燃焼原料受入口へ送給する燃焼用酸素ガス送給手段と、前記燃焼バーナで生成した燃焼ガスを当該燃焼バーナの燃焼原料受入口へ送給する燃焼用燃焼ガス送給手段とを備えていることを特徴とする。

第二番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第一番目の発明において、前記燃焼用燃焼ガス送給手段が、前記燃焼バーナで生成した前記燃焼ガスを当該燃焼バーナの燃焼原料受入口へ送給するコンプレッサを備えていることを特徴とする。

第三番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第二番目の発明において、前記燃焼用燃焼ガス送給手段が、前記コンプレッサの送出口と前記燃焼バーナの燃焼原料受入口との間に配設されて前記燃焼ガスを貯蔵するバッファタンクと、前記バッファタンクと前記燃焼バーナの燃焼原料受入口との間の前記燃焼ガスの圧力を調整する調整弁とを備えていることを特徴とする。

第四番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第一番目から第三番目の発明のいずれかにおいて、前記燃焼原料供給手段が、水を貯蔵する第二の水貯蔵手段と、前記第二の水貯蔵手段の前記水を前記燃焼バーナの燃焼原料受入口へ送給する燃焼用水送給手段とを備えていることを特徴とする。

第五番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第四番目の発明において、前記燃焼用水送給手段が、前記燃焼バーナの燃焼原料受入口へ送給される前記酸素ガスに前記第二の水貯蔵手段の前記水を加える加湿手段を備えていることを特徴とする。

第六番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第四番目又は第五番目の発明において、前記第一の水貯蔵手段と前記第二の水貯蔵手段とが同一であることを特徴とする。

第七番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第一番目から第六番目の発明のいずれかにおいて、前記第一の炭化水素貯蔵手段と前記第二の炭化水素貯蔵手段とが同一であり、前記第一の酸素ガス貯蔵手段と前記第二の酸素ガス貯蔵手段とが同一であることを特徴とする。

第八番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第一番目から第七番目の発明のいずれかにおいて、前記燃焼バーナが、前記燃料電池本体から排出された使用済みの前記燃料ガスを燃焼原料受入口へ送給されるものであると共に、前記燃料電池本体の発電出力の変化に伴って、前記燃焼バーナの燃焼原料受入口へ送給する前記炭化水素、前記酸素ガス、前記燃焼ガスの各量をそれぞれ調整するように前記燃焼原料供給手段を制御する制御手段を備えていることを特徴とする。

第九番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第八番目の発明において、前記制御手段が、前記燃料電池本体から前記燃焼バーナの燃焼原料受入口へ送給される使用済みの前記燃料ガスの送給量の増加に伴って、前記燃焼バーナの燃焼原料受入口へ送給する前記炭化水素、前記酸素ガス、前記燃焼ガスの各量をそれぞれ減少させるように、前記燃焼用炭化水素送給手段、前記燃焼用酸素ガス送給手段、前記燃焼用燃焼ガス送給手段をそれぞれ制御すると共に、前記燃料電池本体から前記燃焼バーナの燃焼原料受入口へ送給される使用済みの前記燃料ガスの送給量の減少に伴って、前記燃焼バーナの燃焼原料受入口へ送給する前記炭化水素、前記酸素ガス、前記燃焼ガスの各量をそれぞれ増加させるように、前記燃焼用炭化水素送給手段、前記燃焼用酸素ガス送給手段、前記燃焼用燃焼ガス送給手段をそれぞれ制御するものであることを特徴とする。

第十番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第八番目又は第九番目の発明において、前記燃焼バーナの燃焼温度を検出する温度検出手段を備えると共に、前記制御手段が、前記温度検出手段からの信号に基づいて、前記燃焼バーナの燃焼温度を一定の範囲内で維持させるように、前記燃焼原料供給手段をさらに制御するものであることを特徴とする。

第十一番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第一番目から第十番目の発明のいずれかにおいて、閉空間の内部に設置されて利用されるものであることを特徴とする。

第十二番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第十一番目の発明において、前記閉空間が、水中航行体又は空中航行体であることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池発電システムによれば、燃焼バーナで生成した燃焼ガスを当該燃焼バーナの燃焼原料受入口へ送給するようにしたことから、燃焼バーナに酸素ガスを送給する場合であっても、火炎のコントロールを容易に行うことができ、燃焼温度の上昇を抑制するができるので、高価な高耐熱性材料からなる燃焼バーナ等を使用しなくても、燃焼バーナ等の損傷を抑制することができる。よって、省スペースでありながらもイニシャルコストの大幅な増加を招くことなく安全性を容易に確保することができる。

本発明に係る燃料電池発電システムの実施形態を図面に基づいて以下に説明するが、本発明は以下の実施形態のみに限定されるものではない。

［第一番目の実施形態］
本発明に係る燃料電池発電システムの第一番目の実施形態を図１に基づいて説明する。図１は、燃料電池発電システムを水中航行体の内部に設置した場合の概略構成図である。

図１に示すように、水１０中に位置する閉空間である水中航行体１１の内部には、電解質膜を燃料極膜と酸化極膜とで挟んだセルを複数備えた燃料電池本体１０１が配設されている。

燃料電池本体１０１の酸化ガス供給口には、酸化ガスである酸素ガス１を貯蔵する第一の酸素ガス貯蔵手段である酸素ガスタンク１１１が発電用酸素ガス送給手段である送給ポンプ１１２及び加湿器１１３を介して連絡している。燃料電池本体１０１の酸化ガス排出口は、前記酸素ガスタンク１１１と前記送給ポンプ１１２との間に連絡している。このような第一の酸素ガス貯蔵手段である酸素ガスタンク１１１、発電用酸素ガス送給手段である送給ポンプ１１２、加湿器１１３等により、本実施形態では酸化ガス供給手段を構成している。

燃料電池本体１０１の燃料ガス供給口には、灯油や軽油や重油等のような液状の炭化水素２を貯蔵する第一の炭化水素貯蔵手段である炭化水素タンク１２１が発電用炭化水素送給手段である送給ポンプ１２２及び気化器１２３を介して連絡すると共に、水３を貯蔵する第一の水貯蔵手段である水タンク１２４が発電用水送給手段である送給ポンプ１２５及び気化器１２６を介して連絡している。上記気化器１２３，１２６と前記燃料電池本体１０１との間には、気化された上記炭化水素２を水３の蒸気と反応させて水蒸気改質させることにより水素ガスを含む燃料ガス４を生成させる改質触媒を内蔵した改質反応器１２７が配設されている。

前記改質反応器１２７には、当該改質反応器１２７を加熱する燃焼バーナ１３１が設けられている。燃焼バーナ１３１の燃焼原料受入口には、燃焼原料でもある前記炭化水素２を貯蔵する第二の炭化水素貯蔵手段でもある前記炭化水素タンク１２１が燃焼用炭化水素送給手段である送給ポンプ１３２を介して連絡すると共に、燃焼原料でもある前記酸素ガス１を貯蔵する第二の酸素ガス貯蔵手段でもある前記酸素ガスタンク１１１が燃焼用酸素ガス送給手段である送給ポンプ１３３を介して連絡している。

前記燃焼バーナ１３１の燃焼原料受入口と前記送給ポンプ１３３との間には、三方弁１３４が介在しており、当該三方弁１３２は、ひとつの口が当該送給ポンプ１３３に連絡する一方、ふたつの口が当該燃焼バーナ１３１の燃焼原料受入口にそれぞれ連絡している。上記燃焼バーナ１３１に連絡する前記三方弁１３４の口のうちのひとつと当該燃焼バーナ１３１の燃焼原料受入口との間には、加湿器１３５が配設されている。この加湿器１３５には、燃焼原料でもある前記水３を貯蔵する第二の水貯蔵手段でもある前記水タンク１２４が送給ポンプ１３６を介して連絡している。このような三方弁１３２、加湿器１３５、送給ポンプ１３６等により、本実施形態では加湿手段を構成すると共に燃焼用水送給手段を構成している。

前記燃料電池本体１０１の燃料ガス排出口は、凝縮器１２８を介して前記燃焼バーナ１３１の燃焼原料受入口に連絡している。前記燃焼バーナ１３１の燃焼ガス排出口は、凝縮器１３７及び排出ポンプ１３８を介して水中航行体１１の外部に連絡している。

前記凝縮器１３７と前記排出ポンプ１３８との間は、分岐してコンプレッサ１４１の受入口に連絡している。コンプレッサ１４１の送出口は、バッファタンク１４２に連絡している。バッファタンク１４２は、調整弁１４３を介して前記燃焼バーナ１３１の燃焼原料受入口に連絡すると共に、安全弁１４４を介して前記排出ポンプ１３８の受入口側に戻るように合流している。

なお、図１中、１５１は、燃料電池本体１０１内に温調液６を流通させる循環ポンプ、１５２は、温調液６を所定の範囲内に温度調整する温調器である。

このような本実施形態においては、コンプレッサ１４１、バッファタンク１４２、調整弁１４３、安全弁１４４等により、燃焼用燃焼ガス送給手段を構成し、当該燃焼用燃焼ガス送給手段、第二の炭化水素貯蔵手段である炭化水素タンク１２１、燃焼用炭化水素送給手段である送給ポンプ１３２、第二の酸素ガス貯蔵手段である酸素ガスタンク１１１、燃焼用酸素ガス送給手段である送給ポンプ１３３、前記燃焼用水送給手段等により、燃焼原料供給手段を構成し、当該燃焼原料供給手段、第一の炭化水素貯蔵手段である炭化水素タンク１２１、発電用炭化水素送給手段である送給ポンプ１２２、第一の酸素ガス貯蔵手段である酸素ガスタンク１１１、発電用酸素ガス送給手段である送給ポンプ１１２、改質反応器１２７、燃焼バーナ１３１等により、燃料ガス供給手段を構成している。

このようにして構成された本実施形態に係る燃料電池発電システム１００の作動を次に説明する。

〈起動時〉
まず、加湿器１３５を介して酸素ガスタンク１１１と燃焼バーナ１３１とが連絡するように三方弁１３４を調整すると共に、調整弁１４３を閉止する。

次に、前記送給ポンプ１３２を作動して炭化水素タンク１２１から炭化水素２を燃焼バーナ１３１に供給する一方、前記送給ポンプ１３６を作動して水タンク１２４から加湿器１３５に水３を供給すると共に、前記送給ポンプ１３３を作動して酸素ガスタンク１１１から酸素ガス１を加湿器１３５に供給すると、加湿器１３５により、加熱されて気化した水３の蒸気と酸素ガス１とが混合されて燃焼バーナ１３１に供給され、前記炭化水素２と共に燃焼バーナ１３１で燃焼して燃焼ガス５を発生し、改質反応器１２７を加熱する。

このとき、酸素ガス１が水３の蒸気と混合されて希釈されているため、燃焼バーナ１３１の燃焼温度の制御を容易に行うことができる（空気を用いた場合と同程度）。

前記燃焼バーナ１３１で生成した燃焼ガス５は、前記コンプレッサ１４１の作動により、凝縮器１３７に送給されて凝縮され、水分を除去されてからバッファタンク１４２に蓄えられる。

〈定常運転時〉
このようにして燃焼バーナ１３１から燃焼ガス５を発生させて、改質反応器１２７が所定温度にまで加温されたら、前記送給ポンプ１１２を作動して酸素ガスタンク１１１から酸素ガス１を燃料電池本体１０１の酸化ガス供給口に加湿器１１３を介して送給する一方、前記送給ポンプ１２２を作動して炭化水素タンク１２１から前記炭化水素２を気化器１２３に送給して気化させて改質反応器１２７に送給すると共に、前記送給ポンプ１２５を作動して水タンク１２４から水３を気化器１２６に送給して気化させて改質反応器１２７に送給すると、前記炭化水素２及び水３が、改質反応器１２７により、水蒸気改質反応を生じて水素ガスを含有する燃料ガス４となって燃料電池本体１０１の燃料ガス供給口から燃料電池本体１０１の内部に供給され、上記酸素ガス１及び燃料ガス４が、燃料電池本体１０１の内部で電気化学的に反応して、当該燃料電池本体１０１から電力が得られる。

そして、使用済みの酸素ガス１は、燃料電池本体１０１の酸化ガス排出口から排出され、前記酸素ガスタンク１１１からの新たな酸素ガス１と混合されて当該燃料電池本体１０１の酸化ガス供給口に再び供給されて再利用される。

また、使用済みの燃料ガス４は、燃料電池本体１０１の燃料ガス排出口から排出され、凝縮器１２８で凝縮されて水分を除去された後、前記燃焼バーナ１３１に供給されて燃焼処理される。

他方、前記バッファタンク１４２内に燃焼ガス５が所定圧まで蓄えられたら、前記排出ポンプ１３８を作動して燃焼バーナ１３１からの燃焼ガス５の余剰分を水中航行体１１の外部に排出すると共に、前記加湿器１３５を介することなく酸素ガスタンク１１１と燃焼バーナ１３１とが連絡するように三方弁１３４を切り換えて、前記送給ポンプ１３６の作動を停止して水タンク１２４から当該加湿器１３５への水３の供給を停止し、これと併せて、前記調整弁１４３を開放して前記バッファタンク１４２内の燃焼ガス５を燃焼バーナ１３１に供給すると、酸素ガスタンク１１１から当該燃焼バーナ１３１に供給される酸素ガス１が、前記水３の蒸気に代わって、燃焼ガス５と混合されて希釈されるため、燃焼バーナ１３１の燃焼温度の制御を容易に行うことが引き続けてできる（空気を用いた場合と同程度）。

つまり、本実施形態では、燃焼バーナ１３１に供給する酸素ガス１を、起動時には水３の蒸気で希釈し、定常運転時には燃焼ガス５で希釈するようにしたのである。

このため、燃焼バーナ１３１の火炎を容易にコントロールすることができ、空気を用いた場合と同程度に燃焼温度を調整することが可能となる。

したがって、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００によれば、燃焼バーナ１３１が汎用材料からなるものであっても、当該燃焼バーナ１３１を損傷させることなく、酸化ガス源に利用する酸素ガスと燃料ガス源に利用する液状の炭化水素とを燃焼原料として利用することができるので、省スペースでありながらもイニシャルコストの大幅な増加を抑制することができると共に、安全性を容易に確保することができる。

また、燃焼ガス５をバッファタンク１４２内に一旦貯蔵してから燃焼バーナ１３１に送給するようにしたので、燃焼バーナ１３１からの燃焼ガス５の生成量に変動を生じても、当該変動に関係なく燃焼バーナ１３１に燃焼ガス５を安定して送給することができ、燃焼バーナ１３１の火炎のコントロールを安定して行うことが確実にできる。

［第二番目の実施形態］
本発明に係る燃料電池発電システムの第二番目の実施形態を図２に基づいて説明する。図２は、燃料電池発電システムを水中航行体等のような閉空間内に設置した場合の概略構成図である。なお、前述した第一番目の実施形態で説明した部分と同一の部分については、前述した第一番目の実施形態の説明で用いた符号と同一の符号を本実施形態においても用いることにより、前述した第一番目の実施形態においての説明と重複する説明を省略する。

図２に示すように、前記燃焼バーナ１３１の近傍部分には、火炎の燃焼温度を検出する検出手段である温度センサ２６２が設けられている。この温度センサ２６２は、制御手段である制御装置２６１の入力部に電気的に接続されている。この制御装置２６１の出力部には、前記ポンプ１１２，１２３，１２６，１３２，１３３，１３８及び前記コンプレッサ１４１が電気的に接続しており、当該制御装置２６１は、上記温度センサ２６２からの信号及び燃料電池本体１０１の発電出力に関する外部からの情報に基づいて、前記ポンプ１１２，１２３，１２６，１３２，１３３，１３８及び前記コンプレッサ１４１の送給能力（回転数）を調整することができるようになっている（詳細は後述する）。

このような本実施形態に係る燃料電池発電システム２００においては、前述した第一番目の実施形態に係る燃料電池発電システム１００の場合と同様に作動して、起動及び定常運転を行うことができる。

そして、燃料電池本体１０１の発電出力を上げるように前記制御装置２６１に情報が入力されると、当該制御装置２６１は、上記情報に基づいて、燃料電池本体１０１の燃料ガス供給口へ送給する燃料ガス４の量を増加させるように、前記送給ポンプ１２２，１２５の送給能力（回転数）を増加させて、改質反応器１２７へ送給する炭化水素２及び水３の流量を増加させると共に、燃料電池本体１０１の酸化ガス供給口へ送給する酸素ガス１の量を増加させるように、前記送給ポンプ１１２の送給能力（回転数）を増加させる。

これに伴い、燃料電池本体１０１の燃料ガス排出口から燃焼バーナ１３１の燃焼原料受入口へ送給される使用済みの燃料ガス４が増加、すなわち、燃焼バーナ１３１の燃焼原料受入口へ送給される未利用の水素ガス量が増加し、燃焼ガス５の燃焼熱量が高くなることから、制御装置２６１は、燃焼バーナ１３１の燃焼原料受入口へ送給する炭化水素２及び酸素ガス１の量を減少させるように、前記送給ポンプ１３２，１３３の送給能力（回転数）を低下させて、燃焼ガス５の燃焼熱量の増加を抑制する。

このとき、制御装置２６１は、燃焼バーナ１３１の燃焼原料受入口へ送給する炭化水素２及び酸素ガス１の量の減少に対応して、燃焼バーナ１３１の燃焼原料受入口へ送給する燃焼ガス５の量を減少させるように、前記コンプレッサ１４１の送給能力（回転数）を低下させると共に、水中航行体１１の外部へ排出する燃焼ガス５の量を増加させるように、前記排出ポンプ１３８の送給能力（回転数）を増加させる。

さらに、制御装置２６１は、前記温度センサ２６２からの信号に基づいて、燃焼バーナ１３１の燃焼温度が一定の範囲内となるように、前記送給ポンプ１３２，１３３の送給能力（回転数）及び前記コンプレッサ１４１の送給能力（回転数）をフィードバック制御して微調整を行う。

他方、燃料電池本体１０１の発電出力を下げるように前記制御装置２６１に情報が入力されると、当該制御装置２６１は、上記情報に基づいて、燃料電池本体１０１の燃料ガス供給口へ送給する燃料ガス４の量を減少させるように、前記送給ポンプ１２２，１２５の送給能力（回転数）を低下させて、改質反応器１２７へ送給する炭化水素２及び水３の流量を減少させると共に、燃料電池本体１０１の酸化ガス供給口へ送給する酸素ガス１の量を減少させるように、前記送給ポンプ１１２の送給能力（回転数）を低下させる。

これに伴い、燃料電池本体１０１の燃料ガス排出口から燃焼バーナ１３１の燃焼原料受入口へ送給される使用済みの燃料ガス４が減少、すなわち、燃焼バーナ１３１の燃焼原料受入口へ送給される未利用の水素ガス量が減少し、燃焼ガス５の燃焼熱量が低くなることから、制御装置２６１は、燃焼バーナ１３１の燃焼原料受入口へ送給する炭化水素２及び酸素ガス１の量を増加させるように、前記送給ポンプ１３２，１３３の送給能力（回転数）を増加させて、燃焼ガス５の燃焼熱量の低下を抑制する。

このとき、制御装置２６１は、燃焼バーナ１３１の燃焼原料受入口へ送給する炭化水素２及び酸素ガス１の量の増加に対応して、燃焼バーナ１３１の燃焼原料受入口へ送給する燃焼ガス５の量を増加させるように、前記コンプレッサ１４１の送給能力（回転数）を増加させると共に、水中航行体１１の外部へ排出する燃焼ガス５の量を減少させるように、前記排出ポンプ１３８の送給能力（回転数）を低下させる。

さらに、制御装置２６１は、前記温度センサ２６２からの信号に基づいて、燃焼バーナ１３１の燃焼温度が所定の範囲内となるように、前記送給ポンプ１３２，１３３の送給能力（回転数）及び前記コンプレッサ１４１の送給能力（回転数）をフィードバック制御して微調整を行う。

つまり、本実施形態に係る燃料電池発電システム２００においては、制御装置２６１が、燃料電池本体１０１の出力変更に伴う使用済みの燃料ガス４中の水素ガス量の変化に対応して、燃焼バーナ１３１に送給する炭化水素２及び酸素ガス１の量を調整すると共に、当該燃焼バーナ１３１に送給する燃焼ガス５の量及び外部へ排出する燃焼ガス５の量を調整するようになっているのである。

したがって、本実施形態に係る燃料電池発電システム２００によれば、前述した第一番目の実施形態に係る燃料電池発電システム１００と同様な効果を得ることができるのはもちろんのこと、燃料電池本体１０１の出力を変更しても、燃焼バーナ１３１の火炎温度を一定の範囲内に常に維持することができるので、燃焼バーナ１３１等の損傷をより確実に防止することができる。

また、前記温度センサ２６２からの信号に基づいて、燃焼バーナ１３１の燃焼温度が所定の範囲内となるようにフィードバック制御して微調整を行うようにしたので、燃焼バーナ１３１の火炎温度をより正確に一定の範囲内に常に維持することができ、燃焼バーナ１３１等の損傷をさらに確実に防止することができる。

［他の実施形態］
なお、前述した第一，二番目の実施形態では、第一の酸素ガス貯蔵手段と第二の酸素ガス貯蔵手段とを同一の酸素ガスタンク１１１で構成し、第一の炭化水素貯蔵手段と第二の炭化水素貯蔵手段とを同一の炭化水素タンク１２１で構成し、第一の水貯蔵手段と第二の水貯蔵手段とを同一の水タンク１２４で構成するようにしたが、第一の酸素ガス貯蔵手段と第二の酸素ガス貯蔵手段とを別個の酸素ガスタンクでそれぞれ構成し、第一の炭化水素貯蔵手段と第二の炭化水素貯蔵手段とを別個の炭化水素タンクでそれぞれ構成し、第一の水貯蔵手段と第二の水貯蔵手段とを別個の水タンクでそれぞれ構成することも可能である。しかしながら、前述した第一，二番目の実施形態のように、第一の前記各貯蔵手段と第二の前記各貯蔵手段とを同一の前記タンク１１１，１２１，１２４で構成すると（特に、第一の水貯蔵手段と第二の水貯蔵手段とを同一の水タンク１２４で構成した場合）、省スペース化を確実に図ることができるので、好ましい実施形態となる。

また、前述した第一，二番目の実施形態では、起動時に、燃焼バーナ１３１の燃焼原料受入口へ送給する酸素ガス１を加湿器１３５で加湿して水３の蒸気で希釈することにより、燃焼バーナ１３１の燃焼温度の制御を容易に行うことができるようにすると共に、この際に燃焼バーナ１３１から生成する燃焼ガス５をバッファタンク１４２に一旦貯蔵し、定常運転時に、当該バッファタンク１４２に貯蔵した上記燃焼ガス５を用いて酸素ガス１を希釈することにより、燃焼バーナ１３１の燃焼温度の制御を容易に行うことができるようにしたが、他の実施形態として、例えば、水中航行体１１内にディーゼルエンジン等の内燃機関を搭載している場合には、前記加湿器１３５等を省略し、内燃機関で発生した燃焼排ガスをバッファタンクに貯蔵し、必要量貯蔵された時点で、当該排ガスを酸素ガス１に加えて酸素ガス１を希釈することにより起動し、その後、燃焼バーナ１３１から生成する燃焼ガス５に切り換えて酸素ガス１を希釈するようにすることも可能である。

また、前述した第一，二番目の実施形態では、水１０中を航行する水中航行体１１内に設置した場合について説明したが、他の実施形態として、例えば、水１０中に載置される水中ステーション内や、空中を航行する空中航行体内や、宇宙を航行する宇宙航行体内や、宇宙空間に設置される宇宙ステーション内等のような閉空間の内部に設置であれば、前述した第一，二番目の実施形態の場合と同様に適用して、前述した第一，二番目の実施形態の場合と同様な作用効果を発現することができるのはもちろんのこと、地上に設置する通常の燃料電池発電システムの場合であっても、前述した第一，二番目の実施形態の場合と同様に適用することは可能である。

本発明に係る燃料電池発電システムは、高価な高耐熱性材料からなる燃焼バーナ等を使用しなくても、燃焼バーナ等の損傷を抑制することができ、省スペースでありながらもイニシャルコストの大幅な増加を招くことなく安全性を容易に確保することができるので、特に、水中航行体や空中航行体や宇宙航行体等のような閉空間内に設置する場合に適用すると、極めて有益に利用することができる。

本発明に係る燃料電池発電システムを水中航行体の内部に設置した場合の第一番目の実施形態の概略構成図である。 本発明に係る燃料電池発電システムを水中航行体の内部に設置した場合の第二番目の実施形態の概略構成図である。

符号の説明

１ 酸素ガス
２ 炭化水素
３ 水
４ 燃料ガス
５ 燃焼ガス
６ 温調液
１０ 水
１１ 水中航行体
１００ 燃料電池発電システム
１０１ 燃料電池本体
１１１ 酸素ガスタンク
１１２ 送給ポンプ
１１３ 加湿器
１２１ 炭化水素タンク
１２２ 送給ポンプ
１２３ 気化器
１２４ 水タンク
１２５ 送給ポンプ
１２６ 気化器
１２７ 改質反応器
１２８ 凝縮器
１３１ 燃焼バーナ
１３２ 送給ポンプ
１３３ 送給ポンプ
１３４ 三方弁
１３５ 加湿器
１３６ 送給ポンプ
１３７ 凝縮器
１３８ 排出ポンプ
１４１ コンプレッサ
１４２ バッファタンク
１４３ 調整弁
１４４ 安全弁
１５１ 循環ポンプ
１５２ 温調器
２００ 燃料電池発電システム
２６１ 制御装置
２６２ 温度センサ

Claims (12)

1. 燃料電池本体と、
   前記燃料電池本体の酸化ガス供給口へ酸素ガスを含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
   前記燃料電池本体の燃料ガス供給口へ水素ガスを含有する燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と
   を備える燃料電池発電システムにおいて、
   前記酸化ガス供給手段が、
   酸素ガスを貯蔵する第一の酸素ガス貯蔵手段と、
   前記第一の酸素ガス貯蔵手段の前記酸素ガスを前記燃料電池本体の酸化ガス供給口へ送給する発電用酸素ガス送給手段と
   を備え、
   前記燃料ガス供給手段が、
   液状の炭化水素を貯蔵する第一の炭化水素貯蔵手段と、
   前記第一の炭化水素貯蔵手段の前記炭化水素を前記燃料電池本体の燃料ガス送給口へ送給する発電用炭化水素送給手段と、
   水を貯蔵する第一の水貯蔵手段と、
   前記第一の水貯蔵手段の前記水を前記燃料電池本体の燃料ガス送給口へ送給する発電用水送給手段と、
   前記燃料電池本体の燃料ガス送給口へ送給される前記燃料ガスを、前記炭化水素と前記水とを改質反応させて生成させる触媒を有する改質反応器と、
   前記改質反応器を加熱する燃焼バーナと、
   前記燃焼バーナの燃焼原料受入口へ燃焼原料を供給する燃焼原料供給手段と
   を備え、
   前記燃焼原料供給手段が、
   液状の炭化水素を貯蔵する第二の炭化水素貯蔵手段と、
   前記第二の炭化水素貯蔵手段の前記炭化水素を前記燃焼バーナの燃焼原料受入口へ送給する燃焼用炭化水素送給手段と、
   酸素ガスを貯蔵する第二の酸素ガス貯蔵手段と、
   前記第二の酸素ガス貯蔵手段の前記酸素ガスを前記燃焼バーナの燃焼原料受入口へ送給する燃焼用酸素ガス送給手段と、
   前記燃焼バーナで生成した燃焼ガスを当該燃焼バーナの燃焼原料受入口へ送給する燃焼用燃焼ガス送給手段と
   を備えていることを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 請求項１において、
   前記燃焼用燃焼ガス送給手段が、
   前記燃焼バーナで生成した前記燃焼ガスを当該燃焼バーナの燃焼原料受入口へ送給するコンプレッサを備えている
   ことを特徴とする燃料電池発電システム。
3. 請求項２において、
   前記燃焼用燃焼ガス送給手段が、
   前記コンプレッサの送出口と前記燃焼バーナの燃焼原料受入口との間に配設されて前記燃焼ガスを貯蔵するバッファタンクと、
   前記バッファタンクと前記燃焼バーナの燃焼原料受入口との間の前記燃焼ガスの圧力を調整する調整弁と
   を備えていることを特徴とする燃料電池発電システム。
4. 請求項１から請求項３のいずれかにおいて、
   前記燃焼原料供給手段が、
   水を貯蔵する第二の水貯蔵手段と、
   前記第二の水貯蔵手段の前記水を前記燃焼バーナの燃焼原料受入口へ送給する燃焼用水送給手段と
   を備えていることを特徴とする燃料電池発電システム。
5. 請求項４において、
   前記燃焼用水送給手段が、
   前記燃焼バーナの燃焼原料受入口へ送給される前記酸素ガスに前記第二の水貯蔵手段の前記水を加える加湿手段を備えている
   ことを特徴とする燃料電池発電システム。
6. 請求項４又は請求項５において、
   前記第一の水貯蔵手段と前記第二の水貯蔵手段とが同一である
   ことを特徴とする燃料電池発電システム。
7. 請求項１から請求項６のいずれかにおいて、
   前記第一の炭化水素貯蔵手段と前記第二の炭化水素貯蔵手段とが同一であり、
   前記第一の酸素ガス貯蔵手段と前記第二の酸素ガス貯蔵手段とが同一である
   ことを特徴とする燃料電池発電システム。
8. 請求項１から請求項７のいずれかにおいて、
   前記燃焼バーナが、前記燃料電池本体から排出された使用済みの前記燃料ガスを燃焼原料受入口へ送給されるものであると共に、
   前記燃料電池本体の発電出力の変化に伴って、前記燃焼バーナの燃焼原料受入口へ送給する前記炭化水素、前記酸素ガス、前記燃焼ガスの各量をそれぞれ調整するように前記燃焼原料供給手段を制御する制御手段を備えている
   ことを特徴とする燃料電池発電システム。
9. 請求項８において、
   前記制御手段が、
   前記燃料電池本体から前記燃焼バーナの燃焼原料受入口へ送給される使用済みの前記燃料ガスの送給量の増加に伴って、前記燃焼バーナの燃焼原料受入口へ送給する前記炭化水素、前記酸素ガス、前記燃焼ガスの各量をそれぞれ減少させるように、前記燃焼用炭化水素送給手段、前記燃焼用酸素ガス送給手段、前記燃焼用燃焼ガス送給手段をそれぞれ制御すると共に、
   前記燃料電池本体から前記燃焼バーナの燃焼原料受入口へ送給される使用済みの前記燃料ガスの送給量の減少に伴って、前記燃焼バーナの燃焼原料受入口へ送給する前記炭化水素、前記酸素ガス、前記燃焼ガスの各量をそれぞれ増加させるように、前記燃焼用炭化水素送給手段、前記燃焼用酸素ガス送給手段、前記燃焼用燃焼ガス送給手段をそれぞれ制御するものである
   ことを特徴とする燃料電池発電システム。
10. 請求項８又は請求項９において、
    前記燃焼バーナの燃焼温度を検出する温度検出手段を備えると共に、
    前記制御手段が、前記温度検出手段からの信号に基づいて、前記燃焼バーナの燃焼温度を一定の範囲内で維持させるように、前記燃焼原料供給手段をさらに制御するものである
    ことを特徴とする燃料電池発電システム。
11. 請求項１から請求項１０のいずれかにおいて、
    閉空間の内部に設置されて利用されるものである
    ことを特徴とする燃料電池発電システム。
12. 請求項１１において、
    前記閉空間が、水中航行体又は空中航行体である
    ことを特徴とする燃料電池発電システム。

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