JP2809556B2 - 燃料電池式発電装置 - Google Patents

燃料電池式発電装置

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JP2809556B2
JP2809556B2 JP4136990A JP13699092A JP2809556B2 JP 2809556 B2 JP2809556 B2 JP 2809556B2 JP 4136990 A JP4136990 A JP 4136990A JP 13699092 A JP13699092 A JP 13699092A JP 2809556 B2 JP2809556 B2 JP 2809556B2
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carbon monoxide
fuel cell
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monoxide converter
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邦宏 土居
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、燃料電池式発電装置
に関し、詳しくはリン酸を電解質とするリン酸型燃料電
池を用いて発電を行なう燃料電池式発電装置に関するも
のである。
【0002】
【従来の技術】図6は、例えば特開平2−188405号公報
に示された従来のリン酸型燃料電池式発電装置の燃料ガ
ス周りの系統図である。図において、1は改質器、2は
改質ガス冷却用の熱交換器、3は改質ガス中の一酸化炭
素(CO)を転化反応によって減少させる一酸化炭素転
化器であるCO転化器、4はCO転化器3内に充填され
ているCOの転化触媒充填層であるCO転化触媒層、5
はCO転化器3内の改質ガスの反応温度の上昇を防止す
るために複数の噴霧ノズル5aを介して冷却水を噴霧す
るノズル管である。なお、このノズル管5の噴霧ノズル
5aはCO転化器3のCO転化触媒層4内に設けられて
いる。6はCO転化器3により処理された改質ガスを冷
却し、この改質ガス中のスチームを凝縮させる冷却器で
ある。
【0003】7は冷却器6で生じた凝縮水を再びCO転
化器3のノズル管5に供給する水ポンプ、8はCO転化
器3の出口部側のCO転化触媒層4周りの温度を検知す
る温度センサ、9は温度センサ8からの温度信号に基づ
き水ポンプ7のオン・オフ制御を行なう温度制御器、1
0はCO転化器3によって処理された改質ガス(以下燃
料ガスという)が供給される電解質をリン酸としたリン
酸型の燃料電池、11は燃料電池10内で発生する熱を
スチームの形で回収する排熱回収用の燃料電池冷却器、
12は燃料電池冷却器11から流出されるスチームと水
とを分離する水蒸気分離器、13は水蒸気分離器12内
の加圧水を燃料電池冷却器11に供給する循環ポンプ、
14は水蒸気分離器12内のスチームを外部に供給する
と共に、水蒸気分離器12内の圧力を所定圧に調整する
圧力調整弁、15は加圧水を燃料電池冷却器11および
水蒸気分離器12を介して循環させる加圧水循環配管で
ある。
【0004】つぎにこの燃料電池式発電装置の動作を説
明する。改質器1では例えば天然ガスとスチームとが、
高温(700〜800℃)の改質触媒層内に通され、水素(H
2)を含む改質ガスに改質される。この改質ガスは高温
(例えば550℃)であり、かつ、燃料電池10の電極
触媒毒となるCOを含有しているので、熱交換器2で所
定の温度に冷却されてから、CO転化器3に通され、C
Oの減少が図られる。CO転化器3内では、改質ガスが
CO転化触媒層4内を通過することにより、改質ガス中
のCOと改質ガス中のスチームまたはCO転化器3内に
噴霧される水(実際はスチーム)とが反応して、反応式
(1)で示されるように、H2とCO2に変換される。 CO+H2O→H2+CO2+Q ・・・・・・・・・・(1)
【0005】上記反応は熱量Qを伴う発熱反応であり、
温度が上昇すると反応が進行しにくくなる。このため、
冷却器6内の凝縮水が水ポンプ7によりCO転化器3内
に供給され、この凝縮水が冷却水としてノズル管5の噴
霧ノズル5aからCO転化触媒層4側に噴霧される。そ
して噴霧された水の蒸発潜熱等によってCO転化器3内
を通過する改質ガスの温度上昇が抑えられる。この場
合、温度センサ8によりCO転化器3の出口部側の温度
が検知され、この温度信号が温度制御器9に伝えられて
水ポンプ7がオン・オフ制御されるため、CO転化器3
内の温度は所定値(例えばCO転化器3出口部で250
℃)内で抑えられ、(1)の反応が進行されそしてCO転
化器3出口ではCOの濃度が例えば1%以下に減少され
る。
【0006】CO転化器3を出た改質ガスは冷却器6に
よって冷却され、その水分を一部冷却器6側に凝縮させ
た後、燃料ガスとなって燃料電池10の燃料極側に供給
される。そしてこの燃料ガス中の水素と、同じく燃料電
池10の空気極側に供給される空気中の酸素とが電気化
学的に反応してこの燃料電池10により電力が発生され
る。また燃料電池10における電気化学反応は発熱反応
であるため、燃料電池10側にも熱が発生するが、この
熱は循環ポンプ13および加圧水循環配管15を介して
燃料電池冷却器11内に送り込まれた加圧水に吸収さ
れ、この加圧水を蒸発させる。そして燃料電池冷却器1
1で発生したスチームは水蒸気分離器12にて加圧水と
分けられた後、圧力調整弁14を通って必要部所に供給
され、加圧水は再び循環ポンプ13によって燃料電池冷
却器11側に供給される。なお、水蒸気分離器12等に
は水蒸気の消費分だけ新たな給水がなされる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の燃料電池式発電装置では、CO転化器3内への噴霧
用の凝縮水を得るために改質ガスを冷却器6にて冷却
し、低温となった燃料ガスを燃料電池10に供給するよ
うにしているため、その分燃料電池冷却器11を介して
燃料電池10から回収される高品質な排熱である高温ス
チームの量が減少してしまうという課題があった。ま
た、上記従来の燃料電池式発電装置では、CO転化器3
においてノズル管5の噴霧ノズル5aを介して、低温の
凝縮水をCO転化触媒層4側に直接噴霧しているため、
CO転化触媒層4の多くの部分の水濡れが生じ、触媒の
粉化が生じて触媒の寿命を低下させてしまうという課題
があった。さらに上記従来の燃料電池式発電装置では、
冷却器6や水ポンプ7が必要であり、その分装置が大型
になってしまうという課題があった。
【0008】この発明は、上記のような課題を解決する
ためになされたものであり、燃料電池側から充分なスチ
ームが回収でき、かつ、一酸化炭素転化器の触媒の寿命
低下も抑えることができると共に、装置も小型でコンパ
クトなものにできる燃料電池式発電装置を提供すること
を目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】この発明の第1の発明
は、改質器出口ガスが一酸化炭素転化器により処理され
た後、リン酸型燃料電池の燃料極側に供給され、かつ、
改質器出口ガスの処理にあたり、一酸化炭素転化器内で
噴霧ノズルを介して転化触媒充填層側に冷却用の水が噴
霧されている燃料電池式発電装置において、装置内の排
熱回収用の高温の加圧水を冷却用の水として一酸化炭素
転化器側に供給する加圧水供給配管と、加圧水供給配管
に取り付けられ、一酸化炭素転化器側へ供給される加圧
水の流量を調整する流量調整弁と、加圧水の一酸化炭素
転化器への供給量を燃料電池の発電負荷に応じて決定
し、流量調整弁を制御する制御装置とを設けたことであ
る。
【0010】この発明の第2の発明は、改質器出口ガス
が一酸化炭素転化器により処理された後、リン酸型燃料
電池の燃料極側に供給され、かつ、改質器出口ガスの処
理にあたり、一酸化炭素転化器内で噴霧ノズルを介して
転化触媒充填層側に冷却用の水が噴霧されている燃料電
池式発電装置において、装置内の排熱回収用の高温の加
圧水を冷却用の水として一酸化炭素転化器側に供給する
加圧水供給配管と、加圧水供給配管に取り付けられ、一
酸化炭素転化器側へ供給される加圧水の流量を調整する
流量調整弁と、加圧水の一酸化炭素転化器への供給量を
燃料電池の発電負荷に応じて決定し、流量調整弁を制御
する制御装置とを設けると共に、一酸化炭素転化器内の
噴霧ノズル周りに多孔質な充填材層を設けたことであ
る。
【0011】この発明の第3の発明は、改質器出口ガス
が一酸化炭素転化器により処理された後、リン酸型燃料
電池の燃料極側に供給され、かつ、改質器出口ガスの処
理にあたり、一酸化炭素転化器内で噴霧ノズルを介して
転化触媒充填層側に冷却用の水が噴霧されている燃料電
池式発電装置において、装置内の排熱回収用の高温の加
圧水を冷却用の水として一酸化炭素転化器側に供給する
加圧水供給配管と、加圧水供給配管に取り付けられ、一
酸化炭素転化器側へ供給される加圧水の流量を調整する
流量調整弁と、加圧水の一酸化炭素転化器への供給量を
燃料電池の発電負荷に応じて決定し、流量調整弁を制御
する制御装置とを設けると共に、一酸化炭素転化器内の
噴霧ノズル周りを、噴霧ノズルからの噴霧加圧水を直接
転化触媒充填層に当てず、間接的にスチームのみを転化
触媒充填層内に放出させるスチーム放出管で覆ったこと
である。
【0012】この発明の第4の発明は、改質器出口ガス
が一酸化炭素転化器により処理された後、リン酸型燃料
電池の燃料極側に供給され、かつ、改質器出口ガスの処
理にあたり、一酸化炭素転化器内で噴霧ノズルを介して
転化触媒充填層側に冷却用の水が噴霧されている燃料電
池式発電装置において、装置内の排熱回収用の高温の加
圧水を冷却用の水として一酸化炭素転化器側に供給する
加圧水供給配管と、加圧水供給配管に取り付けられ、開
閉して一酸化炭素転化器側への加圧水の供給・停止を行
なう開閉制御弁と、加圧水供給配管に取り付けられ、一
酸化炭素転化器側への加圧水の流量を一定値に保持させ
る抵抗手段と、燃料電池の発電負荷に応じて、加圧水の
一酸化炭素転化器への供給・停止を決定し、開閉制御弁
を制御する制御装置とを設けたことである。
【0013】この発明の第5の発明は、改質器出口ガス
が一酸化炭素転化器により処理された後、リン酸型燃料
電池の燃料極側に供給され、かつ、改質器出口ガスの処
理にあたり、一酸化炭素転化器内で噴霧ノズルを介して
転化触媒充填層側に冷却用の水が噴霧されている燃料電
池式発電装置において、装置内の排熱回収用の高温の加
圧水を冷却用の水として一酸化炭素転化器側に供給する
加圧水供給配管と、加圧水供給配管に取り付けられ、開
閉して一酸化炭素転化器側への加圧水の供給・停止を行
なう開閉制御弁と、加圧水供給配管に取り付けられ、一
酸化炭素転化器側への加圧水の流量を一定値に保持させ
る抵抗手段と、燃料電池の発電負荷に応じて、加圧水の
一酸化炭素転化器への供給・停止を決定し、開閉制御弁
を制御する制御装置とを設けると共に、一酸化炭素転化
器内の噴霧ノズル周りに多孔質な充填材層を設けたこと
である。
【0014】この発明の第6の発明は、改質器出口ガス
が一酸化炭素転化器により処理された後、リン酸型燃料
電池の燃料極側に供給され、かつ、改質器出口ガスの処
理にあたり、一酸化炭素転化器内で噴霧ノズルを介して
転化触媒充填層側に冷却用の水が噴霧されている燃料電
池式発電装置において、装置内の排熱回収用の高温の加
圧水を冷却用の水とし一酸化炭素転化器側に供給する加
圧水供給配管と、加圧水供給配管に取り付けられ、開閉
して一酸化炭素転化器側への加圧水の供給・停止を行な
う開閉制御弁と、加圧水供給配管に取り付けられ、一酸
化炭素転化器側への加圧水の流量を一定値に保持させる
抵抗手段と、燃料電池の発電負荷に応じて、加圧水の一
酸化炭素転化器への供給・停止を決定し、開閉制御弁を
制御する制御装置とを設けると共に、一酸化炭素転化器
内の噴霧ノズル周りを、噴霧ノズルからの噴霧加圧水を
直接転化触媒充填層に当てず、間接的にスチームのみを
転化触媒充填層内に放出させるスチーム放出管で覆った
ことである。
【0015】この発明の第7の発明は、改質器出口ガス
が一酸化炭素転化器により処理された後、リン酸型燃料
電池の燃料極側に供給され、かつ、改質器出口ガスの処
理にあたり、一酸化炭素転化器内で噴霧ノズルを介して
転化触媒充填層側に冷却用の水が噴霧されている燃料電
池式発電装置において、装置内の排熱回収用の高温の加
圧水を冷却用の水として一酸化炭素転化器側に供給する
加圧水供給配管と、加圧水供給配管内の加圧水の温度を
変更可能な温度調整手段と、加圧水供給配管に取り付け
られ、開閉して一酸化炭素転化器側への加圧水の供給・
停止を行なう開閉制御弁と、加圧水供給配管に取り付け
られ、一酸化炭素転化器側への加圧水の流量を一定値に
保持させる抵抗手段と、燃料電池の発電負荷に応じて、
加圧水の温度を決定し温度調整手段を制御すると共に、
加圧水の一酸化炭素転化器への供給・停止を決定して開
閉制御弁を制御する制御装置とを設けたことである。
【0016】この発明の第8の発明は、改質器出口ガス
が一酸化炭素転化器により処理された後、リン酸型燃料
電池の燃料極側に供給され、かつ、改質器出口ガスの処
理にあたり、一酸化炭素転化器内で噴霧ノズルを介して
転化触媒充填層側に冷却用の水が噴霧されている燃料電
池式発電装置において、装置内の排熱回収用の高温の加
圧水を冷却用の水として一酸化炭素転化器側に供給する
加圧水供給配管と、加圧水供給配管内の加圧水の温度を
変更可能な温度調整手段と、加圧水供給配管に取り付け
られ、開閉して一酸化炭素転化器側への加圧水の供給・
停止を行なう開閉制御弁と、加圧水供給配管に取り付け
られ、一酸化炭素転化器側への加圧水の流量を一定値に
保持させる抵抗手段と、燃料電池の発電負荷に応じて、
加圧水の温度を決定し温度調整手段を制御すると共に、
加圧水の前記一酸化炭素転化器への供給・停止を決定し
て開閉制御弁を制御する制御装置とを設けると共に、一
酸化炭素転化器内の噴霧ノズル周りに多孔質な充填材層
を設けたことである。
【0017】この発明の第9の発明は、改質器出口ガス
が一酸化炭素転化器により処理された後、リン酸型燃料
電池の燃料極側に供給され、かつ、改質器出口ガスの処
理にあたり、一酸化炭素転化器内で噴霧ノズルを介して
転化触媒充填層側に冷却用の水が噴霧されている燃料電
池式発電装置において、装置内の排熱回収用の高温の加
圧水を冷却用の水として一酸化炭素転化器側に供給する
加圧水供給配管と、加圧水供給配管内の加圧水の温度を
変更可能な温度調整手段前記加圧水供給配管に取り付け
られ、開閉して一酸化炭素転化器側への加圧水の供給・
停止を行なう開閉制御弁と、加圧水供給配管に取り付け
られ、一酸化炭素転化器側への加圧水の流量を一定値に
保持させる抵抗手段と、燃料電池の発電負荷に応じて、
加圧水の温度を決定し温度調整手段を制御すると共に、
加圧水の一酸化炭素転化器への供給・停止を決定して開
閉制御弁を制御する制御装置とを設けると共に、一酸化
炭素転化器内の噴霧ノズル周りを、噴霧ノズルからの噴
霧加圧水を直接前記転化触媒充填層に当てず、間接的に
スチームのみを転化触媒充填層内に放出させるスチーム
放出管で覆ったことである。
【0018】
【作用】まず、第1の発明の作用を説明する。改質器出
口ガス(以下改質ガスという)は一酸化炭素転化器によ
り転化処理がなされた後、燃料電池の燃料極側に供給さ
れる。そして転化処理には発熱反応を伴うため一酸化炭
素転化器内の転化触媒充填層側には噴霧ノズルを介して
冷却用の水が噴霧され、転化触媒充填層等の温度上昇が
抑えられる。この場合冷却用の水に排熱回収用の高温の
加圧水を使用しているため、この加圧水が噴霧ノズルを
介して一酸化炭素転化器内に噴霧されても、多くのもの
が噴霧と同時に気化して、加圧水の液やミストが転化触
媒充填層に付着するのが防止される。
【0019】また、冷却用の水を得るため、一酸化炭素
転化器から排出された改質ガスを冷却する必要がないた
め、高温の改質ガスを燃料電池に供給でき、燃料電池側
での排熱の回収量を増加させることができる。さらに、
加圧水はその流量が燃料電池の発電負荷に応じて制御装
置により決定され、この制御装置により制御される流量
調整弁を介して一酸化炭素転化器内に供給されるため、
温度センサにより転化触媒充填層の温度を検知して加圧
水の流量を制御しなくても一酸化炭素転化器内の温度制
御が可能となる。
【0020】第2の発明では、一酸化炭素転化器内で噴
霧ノズルを介して噴霧された加圧水により液やミストが
生じても、これらは一旦多孔質な充填材層に付着し、そ
の後スチームとなってCO転化触媒充填層内に移動する
ため、第1の発明の場合よりさらに転化触媒充填層に対
する液やミストの付着が防止される。また、第3の発明
では、一酸化炭素転化器内で噴霧ノズルを介して噴霧さ
れた加圧水により液やミストが生じても、これらは一旦
スチーム放出管内に貯められ、その後スチーム放出管の
転化処理による加熱によってスチームとなって転化触媒
充填層内に放出されるため、この第3発明においても第
2の発明と同様に転化触媒充填層に対する液やミストの
付着が防止される。
【0021】つづいて第4の発明の作用を説明する。燃
料電池の発電負荷が所定負荷より小さければ、電池反応
に必要な改質ガス量も少なくてよいため一酸化炭素転化
器内で転化反応熱量も小さく、冷却の必要がない。ま
た、燃料電池の発電負荷が大きくなると、加圧水の噴霧
量を一定としても触媒層内温度をCO転化器の動作温度
範囲内に収めることができ、CO転化反応を進めて、C
Oの充分な低減が可能である。したがって、加圧水供給
配管に開閉制御弁を設け、この開閉制御弁を燃料電池の
発電負荷に応じて制御装置により開閉制御して、一酸化
炭素転化器側への加圧水の供給・停止を行なうと共に、
一酸化炭素転化器への加圧水の流量を抵抗手段により一
定値に保持させることによっても一酸化炭素転化器内で
転化反応を進行させることができる。この場合、加圧水
の流量制御弁が不要となる。
【0022】第5および第6の発明は、第4の発明にそ
れぞれ第2および第3の発明の特徴部分を付加したもの
であるため、その作用説明は省略する。また、第7の発
明では、一酸化炭素転化器へ供給する加圧水の流量は抵
抗手段を介して一定とするが、燃料電池の発電負荷に応
じて制御装置により温度調整手段を制御して加圧水の温
度を調整し、一酸化炭素転化器内の温度のより正確なコ
ントロールが行なえるようにした。なお、この場合でも
燃料電池の発電負荷に応じて開閉制御弁により一酸化炭
素転化器に対する加圧水の供給・停止は行なわれる。ま
た、第8および第9の発明は、第7の発明にそれぞれ第
2および第3の発明の特徴部分を付加したものであるた
め、その作用説明は省略する。
【0023】
【実施例】以下、この発明の実施例を図について説明す
る。 実施例1.図1はこの発明の第1の発明に係る一実施例
である燃料電池式発電装置の燃料ガス周りの系統図であ
る。図において、図6に示した従来の燃料電池式発電装
置と同一または相当部分には同一符号を付し、その説明
を省略する。
【0024】図において、20は加圧水の循環ポンプ1
3の下流側の加圧水循環配管15とCO転化器3のノズ
ル管5とを連結する加圧水供給配管であり、この加圧水
供給配管20により水蒸気分離器12側の加圧水の一部
がCO転化器3内に冷却用の水として供給される。21
はCO転化器3への加圧水の流量を調整するために加圧
水供給配管20に設けられた流量調整弁、22は燃料電
池10の発電負荷信号(例えば直流電流値)を受けて、
CO転化器3に供給する加圧水量を算出し、流量調整弁
21の開度制御を行なう制御装置である。
【0025】つぎにこの燃料電池式発電装置の動作を説
明する。改質器1により改質され熱交換器2により冷却
された水素を含む改質ガスはCO転化器3のCO転化触
媒層4内に通される。そしてCO転化器3内で改質ガス
中のCOと改質ガス中のスチームまたはCO転化器3内
で噴霧された水(事実上はスチーム)とが、前述の反応
式(1)で示されるように、H2とCO2とに変換され、改
質ガス中のCOの減少が図られる。この転化反応は発熱
反応であり、温度が上昇すれば反応は進行しにくくなる
ため、CO転化器3のノズル管5に加圧水供給配管20
や流量調整弁21を介して加圧水が供給され、噴霧ノズ
ル5aを介してCO転化器3のCO転化触媒層4内に加
圧水が噴霧される。
【0026】この場合、加圧水は後述のように温度が1
70℃の高温の高圧水であるため、噴霧された瞬間に一
部が気化し、残りの噴霧水もCO転化触媒層4内で気化
して、転化反応熱が水の蒸発潜熱として吸収され、CO
転化器3内の反応温度が最適な温度に保持される。そし
て改質ガスはCO転化器3の出口において、温度が約2
00℃でCOが1%以下に抑えられた状態で、燃料ガス
として燃料電池10の燃料極に供給され、燃料電池10
側で発電に使用される。
【0027】また、発電にあたり燃料電池10は熱を発
生させるが、この熱は循環ポンプ13および加圧水循環
配管15を介して燃料電池10内の燃料電池冷却器11
内に供給される加圧水を蒸発させることにより回収され
る。そして燃料電池冷却器11内のスチームは水蒸気分
離器12内で加圧水と分離されて圧力調整弁14を通っ
て必要部所に供給され、水蒸気分離器12内の加圧水は
再び循環ポンプ13によって燃料電池冷却器11側に供
給される。この場合、水蒸気分離器12は圧力調整弁1
4を介して一定圧に調整され、水蒸気分離器12内の加
圧水の温度は例えば一定温度である170℃に維持され
る。
【0028】また、CO転化器3内に噴霧される加圧水
の流量制御はつぎのようになされる。制御装置22に燃
料電池10の発電負荷が入力されると、制御装置22は
改質器1からの改質ガス流量を算出し、この流量に基づ
いて改質ガスのCO転化器3内における転化反応熱量を
算出する。そして制御装置22はこの転化反応熱量に基
づいてCO転化器3内で転化反応を維持するに必要な加
圧水の流量を算出し、この流量に基づく開度信号を流量
調整弁21に送ってこの流量調整弁21を制御する。し
たがって、CO転化器3内の温度を検知しなくても適性
量の加圧水をCO転化器3内に供給でき、CO転化触媒
層4の温度、すなわち、転化反応温度を適正に制御でき
て、このCO転化器3内で充分な転化反応を進行させる
ことができる。なお、CO転化触媒の活性は170〜1
75℃で発揮されるため、170℃の加圧水を噴霧して
もCO転化触媒層4の温度が活性を示さない温度まで
下することはない。
【0029】以上のようにCO転化器3出口の改質ガス
を冷却せず、この改質ガスをそのまま燃料ガスとして燃
料電池10に供給しているため、燃料電池10側がこの
燃料ガスによって冷却されず、燃料電池10の燃料電池
冷却器11等によってその分、高品位の高温・高圧スチ
ームの回収ができることとなる。また、CO転化器3内
に噴霧する加圧水は充分に高温・高圧であり噴霧時に気
化しやすいため、この加圧水の噴霧時のCO転化触媒層
4の水洩れを防止でき、CO転化触媒の粉化をも防止で
きる。さらに、CO転化器3への冷却水に排熱回収用の
加圧水を利用しているため、従来の燃料電池式発電装置
のように水ポンプ7や冷却器6が不要となり、装置の小
型化およびコンパクト化を図ることができる。
【0030】実施例2.図2はこの発明の第2の発明に
係る一実施例である燃料電池式発電装置の燃料ガス周り
の系統図であり、図において、23はCO転化器3のノ
ズル管5の噴霧ノズル5a周りに充填されている多孔質
な充填材層であるセラミック多孔質体層であり、ノズル
管5内の加圧水は噴霧ノズル5aを介してこのセラミッ
ク多孔質体層23に噴霧される。なお、他の構成は実施
例1の燃料電池式発電装置と同一である。
【0031】CO転化器3内を所定の転化反応温度に維
持させるためにノズル管5の噴霧ノズル5aを介して噴
霧された加圧水は、噴霧時に一部は気化するが残りのも
のは液状またはミスト状となってCO転化触媒層4に付
着しようとする。ところが、噴霧ノズル5a周りにはセ
ラミック多孔質体層23があるため、噴霧された液状ま
たはミスト状の加圧水はこのセラミック多孔質体層23
に一旦付着し、ここで蒸発した後、CO転化触媒層4の
方に移動される。したがって、実施例2では実施例1の
場合より、さらにCO転化触媒層4が直接液状またはミ
スト状の水と接触することがなく、CO転化触媒の粉化
を防止でき、このCO転化触媒の寿命を長く保つことが
できる。なお、CO転化触媒層4での転化反応熱は加圧
水により冷却されたセラミック多孔質体層23に吸収さ
れ、安定した転化反応が維持される。
【0032】実施例3.図3はこの発明の第3の発明に
係る一実施例である燃料電池式発電装置の燃料ガス周り
の系統図であり、図において、24はCO転化器3のノ
ズル管5の噴霧ノズル5a周りに取り付けられたスチー
ム放出管であり、このスチーム放出管24の両端部は塞
がれていると共に、その上部側にスチーム放出用の複数
のノズル24aが設けられている。なお、他の構成は実
施例1の燃料電池式発電装置と同一である。
【0033】CO転化器3内を所定の転化反応温度に維
持させるためにノズル管5の噴霧ノズル5aを介して噴
霧された加圧水は、噴霧時に一部は気化するが残りのも
のは液状またはミスト状となってCO転化触媒層4に付
着しようとする。ところが、噴霧ノズル5a周りにはス
チーム放出管24があるため、噴霧された液状またはミ
スト状の加圧水はこのスチーム放出管24内に一旦付着
して貯められ、スチームのみがノズル24aを通ってC
O転化触媒層4内に放出される。そして、スチーム放出
管24内の液状またはミスト状の加圧水はこのスチーム
放出管24が改質ガスに触れ、転化反応による反応熱を
吸収するにしたがい、蒸発してノズル24aから放出さ
れる。
【0034】したがって、CO転化触媒層4が直接液状
またはミスト状の水と接触することがないため、この実
施例3においても実施例2と同様に、CO転化触媒の粉
化が防止され、このCO転化触媒の寿命を長く保つこと
ができる。なお、スチーム放出管24の形状は上記のも
のに限らず同様の効果を有するものであればどのような
ものでもよい。
【0035】実施例4.図4はこの発明の第4の発明に
係る一実施例である燃料電池式発電装置の燃料ガス周り
の系統図であり、図において、25は加圧水配管20に
設けられた開閉制御弁、26は燃料電池10の発電負荷
に応じて開閉制御弁25の開閉を制御する制御装置、2
7はCO転化器3のノズル管5へ供給する加圧水の流量
を一定値に保持する抵抗手段としてのオリフィスであ
る。なお、他の構成は実施例1の燃料電池式発電装置と
同一である。
【0036】例えば燃料電池10の発電負荷が低い場
合、CO転化器3内の改質ガスはそのCOと自己の有す
るスチームとで転化反応を進行し、その反応熱の絶対量
もそれほど大きくないため、CO転化器3のCO転化触
媒層4側に冷却用の加圧水を噴霧しなくても、所定の転
化反応を維持できる。また、燃料電池10の発電負荷が
大きくなり所定負荷になると、CO転化器3のCO転化
触媒層4に冷却用の加圧水を噴霧する。この場合、CO
転化器3のCO転化触媒層4の温度は所定の動作温度範
囲内に収めることができるよう所定負荷は設定されてい
る。
【0037】したがって、燃料電池10の発電負荷が所
定負荷(例えば所定の低負荷よりやや大きい負荷)より
小さい場合は、制御装置26により開閉制御弁25を閉
じさせてCO転化器3への加圧水の供給を停止し、燃料
電池10の発電負荷が所定負荷より大きい場合は、制御
装置25により開閉制御弁25を開け、オリフィス27
により燃料電池10の定格時に必要とされる流量の加圧
水をCO転化器3への加圧水の流量供給するようにすれ
ば、ややラフなコントロールとなるが流量調整弁21が
なくてもCO転化器3内で所定の転化反応を進行させる
ことができる。この場合、高価な流量調整弁21が不要
となると共に、制御装置2の構成も簡単になるため装置
のコストダウンを図ることができる。
【0038】なお、装置の運転開始前に燃料電池10の
発電負荷が明らかな場合、各発電負荷に応じてオリフィ
ス27を取り替え、各発電負荷に応じた量の加圧水をC
O転化器3に供給できるようにしてもよい。
【0039】実施例5.この実施例5は、この発明の第
5の発明に係る一実施例である。この実施例5は実施例
2と同様にCO転化器3のノズル管5の噴霧ノズル5a
周りにセラミック多孔質体層23を充填した場合であ
り、他の構成は実施例4の燃料電池式発電装置と同一の
場合である。この実施例5では実施例2および実施例4
と同様な効果を得ることができる。
【0040】実施例6.この実施例6は、この発明の第
6の発明に係る一実施例である。この実施例6は実施例
3と同様にCO転化器3のノズル管5の噴霧ノズル5a
周りに、スチーム放出管24を取り付けた場合であり、
他の構成は実施例4の燃料電池式発電装置と同一の場合
である。この実施例6では実施例3および実施例4と同
様な効果を得ることができる。
【0041】実施例7.図5はこの発明の第7の発明に
係る一実施例である燃料電池式発電装置の燃料ガス周り
の系統図であり、図において、28は燃料電池10の発
電負荷に応じて、開閉制御弁25の開閉制御を行なうと
共に、水蒸気分離器12の蒸気圧を変更するために圧力
調整弁14の制御を行なう制御装置であり、他の構成は
実施例4の燃料電池式発電装置と同一である。
【0042】燃料電池10の発電負荷の変化に応じてC
O転化器3に供給すべき加圧水の流量または温度を変化
させる必要があるが、この場合、加圧水の流量はオリフ
ィス27によって一定となっているため、この実施例7
では燃料電池10の発電負荷の変化に応じて加圧水の温
度を変化させるようにした。すなわち、燃料電池10の
発電負荷が高くなると、制御装置28により圧力調整弁
14がやや開き水蒸気分離器12内の圧力を落として加
圧水の温度を下げ、燃料電池10の発電負荷が低くなる
と、制御装置28により圧力調整弁14をやや閉じ水蒸
気分離器12内の圧力を上げて加圧水の温度を上げるよ
うにする。なお、この場合も、燃料電池10の発電負荷
が所定負荷より下がれば開閉制御弁25を閉じ、CO転
化器3への加圧水の供給を停止する。
【0043】以上のように、オリフィス27と開閉制御
弁25によりCO転化器3へ供給する加圧水の流量をや
やラフにコントロールする場合であっても、制御装置2
8により加圧水の温度を変化させているため、本実施例
7では実施例4等に比べCO転化器3内の転化反応温度
を正確にコントロールすることができる。また、本実施
例7でも実施例4と同様に、高価な流量調整弁21が不
要となるため装置のコストダウンを図ることができる。
【0044】実施例8.この実施例8は、この発明の第
8の発明に係る一実施例である。この実施例8は実施例
2と同様にCO転化器3のノズル管5の噴霧ノズル5a
周りにセラミック多孔質体層23を充填した場合であ
り、他の構成は実施例7の燃料電池式発電装置と同一の
場合である。この実施例8では実施例2および実施例7
と同様な効果を得ることができる。
【0045】実施例9.この実施例9は、この発明の第
9の発明に係る一実施例である。この実施例9は実施例
3と同様にCO転化器3のノズル管5の噴霧ノズル5a
周りに、スチーム放出管24を取り付けた場合であり、
他の構成は実施例7の燃料電池式発電装置と同一の場合
である。この実施例9では実施例3および実施例7と同
様な効果を得ることができる。
【0046】なお、実施例1乃至実施例9においては、
CO転化触媒層4内の改質ガスの流れ方向に、ノズル管
5の噴霧ノズル5a部やセラミック多孔質体層23およ
びスチーム放出管24を一列(一層)にのみ配置した場
合について説明したが、これに限らず、これらをCO転
化器3の入口部や出口部のCO転化触媒層4内にも配置
し、反応温度の均一化を図るようにしてもよいのは勿論
である。また、CO転化器3へ供給する加圧水を燃料電
池10自身の熱を回収する水蒸気分離器12側から取る
のではなく、装置内の他の排熱回収装置から得られる高
温水配管側から取ってもよいのは勿論である。
【0047】
【発明の効果】この発明は、以上のように構成されてい
るので、以下に記載されるような効果を奏する。
【0048】この発明の第1の発明によれば、装置内の
排熱回収用の高温の加圧水を冷却用の水として一酸化炭
素転化器側に供給する加圧水供給配管と、加圧水供給配
管に取り付けられ、一酸化炭素転化器側へ供給される加
圧水の流量を調整する流量調整弁と、加圧水の前記一酸
化炭素転化器への供給量を燃料電池の発電負荷に応じて
決定し、流量調整弁を制御する制御装置とを設けたの
で、高温の加圧水の使用により気化がよくなされる分だ
け、転化触媒充填層の水濡れによる粉化を防止でき、一
酸化炭素転化器内の転化触媒の寿命低下を抑えることが
でき、かつ、冷却用の凝縮水を得るため一酸化炭素転化
器出口の改質器出口ガスを冷却する必要がないため、燃
料電池側から充分なスチームが回収できると共に、装置
も小型でコンパクトなものにすることができる。
【0049】また、この発明の第2の発明および第3の
発明によれば、第1の発明の構成に加え、第2の発明で
は一酸化炭素転化器内の加圧水の噴射ノズル周りに多孔
質な充填材層を設け、第3の発明では一酸化炭素転化器
内の加圧水の噴射ノズル周りをスチーム放出管で覆った
ため、それぞれ、上記第1の発明と同様の効果を得るこ
とができると共に、一酸化炭素転化器内の転化触媒充填
層の更なる水濡れが防止でき、転化触媒の更なる寿命低
下を抑えることができる。
【0050】また、この発明の第4の発明によれば、装
置内の排熱回収用の高温の加圧水を冷却用の水として一
酸化炭素転化器側に供給する加圧水供給配管と、加圧水
供給配管に取り付けられ、開閉して一酸化炭素転化器側
への加圧水の供給・停止を行なう開閉制御弁と、加圧水
供給配管に取り付けられ、一酸化炭素転化器側への加圧
水の流量を一定値に保持させる抵抗手段と、燃料電池の
発電負荷に応じて、加圧水の前記一酸化炭素転化器への
供給・停止を決定し、開閉制御弁を制御する制御装置と
を設けたので、上記第1の発明と同様の効果を得ること
ができると共に、高価な流量調整弁等が不要となった分
だけ装置のコストダウンを図ることができる。また、こ
の発明の第5の発明および第6の発明の効果は、上記第
4の発明の効果に上記第2の発明または第3の発明の効
果を加えたものとなる。
【0051】また、この発明の第7の発明によれば、装
置内の排熱回収用の高温の加圧水を冷却用の水として一
酸化炭素転化器側に供給する加圧水供給配管と、加圧水
供給配管内の加圧水の温度を変更可能な温度調整手段
と、加圧水供給配管に取り付けられ、開閉して一酸化炭
素転化器側への加圧水の供給・停止を行なう開閉制御弁
と、加圧水供給配管に取り付けられ、一酸化炭素転化器
側への加圧水の流量を一定値に保持させる抵抗手段と、
燃料電池の発電負荷に応じて、加圧水の温度を決定し温
度調整手段を制御すると共に、加圧水の一酸化炭素転化
器への供給・停止を決定して開閉制御弁を制御する制御
装置とを設けたので、上記第4の発明と同様の効果を得
ることができると共に、加圧水の温度を燃料電池の発電
負荷により制御した分だけ一酸化炭素転化器内の温度の
より正確なコントロールが可能となる。
【0052】また、この発明の第8の発明および第9の
発明の効果は、上記第7の発明の効果に上記第2の発明
または第3の発明の効果を加えたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施例1に関する燃料電池式発電装
置の燃料ガス周りの系統図である。
【図2】この発明の実施例2に関する燃料電池式発電装
置の燃料ガス周りの系統図である。
【図3】この発明の実施例3に関する燃料電池式発電装
置の燃料ガス周りの系統図である。
【図4】この発明の実施例4に関する燃料電池式発電装
置の燃料ガス周りの系統図である。
【図5】この発明の実施例7に関する燃料電池式発電装
置の燃料ガス周りの系統図である。
【図6】従来技術に関する燃料電池式発電装置の燃料ガ
ス周りの系統図である。
【符号の説明】
1 改質器 3 CO転化器(一酸化炭素転化器) 4 CO転化触媒層(転化触媒充電層) 5a 噴霧ノズル 10 燃料電池 20 加圧水供給配管 21 流量調整弁 22 制御装置 23 セラミック多孔質体層(充填材層) 24 スチーム放出管 25 開閉制御弁 26 制御装置 27 オリフィス(抵抗手段) 28 制御装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01M 8/00 - 8/24 C01B 3/38 C01B 3/48

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 改質器出口ガスが一酸化炭素転化器によ
    り処理された後、リン酸型燃料電池の燃料極側に供給さ
    れ、かつ、前記改質器出口ガスの処理にあたり、前記一
    酸化炭素転化器内で噴霧ノズルを介して転化触媒充填層
    側に冷却用の水が噴霧されている燃料電池式発電装置に
    おいて、装置内の排熱回収用の高温の加圧水を冷却用の
    水として前記一酸化炭素転化器側に供給する加圧水供給
    配管と、前記加圧水供給配管に取り付けられ、前記一酸
    化炭素転化器側へ供給される前記加圧水の流量を調整す
    る流量調整弁と、前記加圧水の前記一酸化炭素転化器へ
    の供給量を前記燃料電池の発電負荷に応じて決定し、前
    記流量調整弁を制御する制御装置とを設けたことを特徴
    とする燃料電池式発電装置。
  2. 【請求項2】 改質器出口ガスが一酸化炭素転化器によ
    り処理された後、リン酸型燃料電池の燃料極側に供給さ
    れ、かつ、前記改質器出口ガスの処理にあたり、前記一
    酸化炭素転化器内で噴霧ノズルを介して転化触媒充填層
    側に冷却用の水が噴霧されている燃料電池式発電装置に
    おいて、装置内の排熱回収用の高温の加圧水を冷却用の
    水として前記一酸化炭素転化器側に供給する加圧水供給
    配管と、前記加圧水供給配管に取り付けられ、前記一酸
    化炭素転化器側へ供給される前記加圧水の流量を調整す
    る流量調整弁と、前記加圧水の前記一酸化炭素転化器へ
    の供給量を前記燃料電池の発電負荷に応じて決定し、前
    記流量調整弁を制御する制御装置とを設けると共に、前
    記一酸化炭素転化器内の前記噴霧ノズル周りに多孔質な
    充填材層を設けたことを特徴とする燃料電池式発電装
    置。
  3. 【請求項3】 改質器出口ガスが一酸化炭素転化器によ
    り処理された後、リン酸型燃料電池の燃料極側に供給さ
    れ、かつ、前記改質器出口ガスの処理にあたり、前記一
    酸化炭素転化器内で噴霧ノズルを介して転化触媒充填層
    側に冷却用の水が噴霧されている燃料電池式発電装置に
    おいて、装置内の排熱回収用の高温の加圧水を冷却用の
    水として前記一酸化炭素転化器側に供給する加圧水供給
    配管と、前記加圧水供給配管に取り付けられ、前記一酸
    化炭素転化器側へ供給される前記加圧水の流量を調整す
    る流量調整弁と、前記加圧水の前記一酸化炭素転化器へ
    の供給量を前記燃料電池の発電負荷に応じて決定し、前
    記流量調整弁を制御する制御装置とを設けると共に、前
    記一酸化炭素転化器内の前記噴霧ノズル周りを、前記噴
    霧ノズルからの噴霧加圧水を直接前記転化触媒充填層に
    あてず、間接的にスチームのみを前記転化触媒充填層内
    に放出させるスチーム放出管で覆ったことを特徴とする
    燃料電池式発電装置。
  4. 【請求項4】 改質器出口ガスが一酸化炭素転化器によ
    り処理された後、リン酸型燃料電池の燃料極側に供給さ
    れ、かつ、前記改質器出口ガスの処理にあたり、前記一
    酸化炭素転化器内で噴霧ノズルを介して転化触媒充填層
    側に冷却用の水が噴霧されている燃料電池式発電装置に
    おいて、装置内の排熱回収用の高温の加圧水を冷却用の
    水として前記一酸化炭素転化器側に供給する加圧水供給
    配管と、前記加圧水供給配管に取り付けられ、開閉して
    前記一酸化炭素転化器側への前記加圧水の供給・停止を
    行なう開閉制御弁と、前記加圧水供給配管に取り付けら
    れ、前記一酸化炭素転化器側への前記加圧水の流量を一
    定値に保持させる抵抗手段と、前記燃料電池の発電負荷
    に応じて、前記加圧水の前記一酸化炭素転化器への供給
    ・停止を決定し、前記開閉制御弁を制御する制御装置と
    を設けたことを特徴とする燃料電池式発電装置。
  5. 【請求項5】 改質器出口ガスが一酸化炭素転化器によ
    り処理された後、リン酸型燃料電池の燃料極側に供給さ
    れ、かつ、前記改質器出口ガスの処理にあたり、前記一
    酸化炭素転化器内で噴霧ノズルを介して転化触媒充填層
    側に冷却用の水が噴霧されている燃料電池式発電装置に
    おいて、装置内の排熱回収用の高温の加圧水を冷却用の
    水として前記一酸化炭素転化器側に供給する加圧水供給
    配管と、前記加圧水供給配管に取り付けられ、開閉して
    前記一酸化炭素転化器側への前記加圧水の供給・停止を
    行なう開閉制御弁と、前記加圧水供給配管に取り付けら
    れ、前記一酸化炭素転化器側への前記加圧水の流量を一
    定値に保持させる抵抗手段と、前記燃料電池の発電負荷
    に応じて、前記加圧水の前記一酸化炭素転化器への供給
    ・停止を決定し、前記開閉制御弁を制御する制御装置と
    を設けると共に、前記一酸化炭素転化器内の前記噴霧ノ
    ズル周りに多孔質な充填材層を設けたことを特徴とする
    燃料電池式発電装置。
  6. 【請求項6】 改質器出口ガスが一酸化炭素転化器によ
    り処理された後、リン酸型燃料電池の燃料極側に供給さ
    れ、かつ、前記改質器出口ガスの処理にあたり、前記一
    酸化炭素転化器内で噴霧ノズルを介して転化触媒充填層
    側に冷却用の水が噴霧されている燃料電池式発電装置に
    おいて、装置内の排熱回収用の高温の加圧水を冷却用の
    水として前記一酸化炭素転化器側に供給する加圧水供給
    配管と、前記加圧水供給配管に取り付けられ、開閉して
    前記一酸化炭素転化器側への前記加圧水の供給・停止を
    行なう開閉制御弁と、前記加圧水供給配管に取り付けら
    れ、前記一酸化炭素転化器側への前記加圧水の流量を一
    定値に保持させる抵抗手段と、前記燃料電池の発電負荷
    に応じて、前記加圧水の前記一酸化炭素転化器への供給
    ・停止を決定し、前記開閉制御弁を制御する制御装置と
    を設けると共に、前記一酸化炭素転化器内の前記噴霧ノ
    ズル周りを、前記噴霧ノズルからの噴霧加圧水を直接前
    記転化触媒充填層にあてず、間接的にスチームのみを前
    記転化触媒充填層内に放出させるスチーム放出管で覆っ
    たことを特徴とする燃料電池式発電装置。
  7. 【請求項7】 改質器出口ガスが一酸化炭素転化器によ
    り処理された後、リン酸型燃料電池の燃料極側に供給さ
    れ、かつ、前記改質器出口ガスの処理にあたり、前記一
    酸化炭素転化器内で噴霧ノズルを介して転化触媒充填層
    側に冷却用の水が噴霧されている燃料電池式発電装置に
    おいて、装置内の排熱回収用の高温の加圧水を冷却用の
    水として前記一酸化炭素転化器側に供給する加圧水供給
    配管と、前記加圧水供給配管内の加圧水の温度を変更可
    能な温度調整手段と、前記加圧水供給配管に取り付けら
    れ、開閉して前記一酸化炭素転化器側への前記加圧水の
    供給・停止を行なう開閉制御弁と、前記加圧水供給配管
    に取り付けられ、前記一酸化炭素転化器側への前記加圧
    水の流量を一定値に保持させる抵抗手段と、前記燃料電
    池の発電負荷に応じて、前記加圧水の温度を決定し前記
    温度調整手段を制御すると共に、前記加圧水の前記一酸
    化炭素転化器への供給・停止を決定して前記開閉制御弁
    を制御する制御装置とを設けたことを特徴とする燃料電
    池式発電装置。
  8. 【請求項8】 改質器出口ガスが一酸化炭素転化器によ
    り処理された後、リン酸型燃料電池の燃料極側に供給さ
    れ、かつ、前記改質器出口ガスの処理にあたり、前記一
    酸化炭素転化器内で噴霧ノズルを介して転化触媒充填層
    側に冷却用の水が噴霧されている燃料電池式発電装置に
    おいて、装置内の排熱回収用の高温の加圧水を冷却用の
    水として前記一酸化炭素転化器側に供給する加圧水供給
    配管と、前記加圧水供給配管内の加圧水の温度を変更可
    能な温度調整手段と、前記加圧水供給配管に取り付けら
    れ、開閉して前記一酸化炭素転化器側への前記加圧水の
    供給・停止を行なう開閉制御弁と、前記加圧水供給配管
    に取り付けられ、前記一酸化炭素転化器側への前記加圧
    水の流量を一定値に保持させる抵抗手段と、前記燃料電
    池の発電負荷に応じて、前記加圧水の温度を決定し前記
    温度調整手段を制御すると共に、前記加圧水の前記一酸
    化炭素転化器への供給・停止を決定して前記開閉制御弁
    を制御する制御装置とを設けると共に、前記一酸化炭素
    転化器内の前記噴霧ノズル周りに多孔質な充填材層を設
    けたことを特徴とする燃料電池式発電装置。
  9. 【請求項9】 改質器出口ガスが一酸化炭素転化器によ
    り処理された後、リン酸型燃料電池の燃料極側に供給さ
    れ、かつ、前記改質器出口ガスの処理にあたり、前記一
    酸化炭素転化器内で噴霧ノズルを介して転化触媒充填層
    側に冷却用の水が噴霧されている燃料電池式発電装置に
    おいて、装置内の排熱回収用の高温の加圧水を冷却用の
    水として前記一酸化炭素転化器側に供給する加圧水供給
    配管と、前記加圧水供給配管内の加圧水の温度を変更可
    能な温度調整手段と、前記加圧水供給配管に取り付けら
    れ、開閉して前記一酸化炭素転化器側への前記加圧水の
    供給・停止を行なう開閉制御弁と、前記加圧水供給配管
    に取り付けられ、前記一酸化炭素転化器側への前記加圧
    水の流量を一定値に保持させる抵抗手段と、前記燃料電
    池の発電負荷に応じて、前記加圧水の温度を決定し前記
    温度調整手段を制御すると共に、前記加圧水の前記一酸
    化炭素転化器への供給・停止を決定して前記開閉制御弁
    を制御する制御装置とを設けると共に、前記一酸化炭素
    転化器内の前記噴霧ノズル周りを、前記噴霧ノズルから
    の噴霧加圧水を直接前記転化触媒充填層にあてず、間接
    的にスチームのみを前記転化触媒充填層内に放出させる
    スチーム放出管で覆ったことを特徴とする燃料電池式発
    電装置。
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